研一高电压绝缘技术

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1、 1 什么是绝缘 绝缘的功能是将具有不同电位的导体隔开，从而使电气设备能处于安全 状态。 绪 论 变压器故障部位变压器电压等级/kV 110220330500合计 线 圈1668420270 主绝缘或引线198431 分接开关2010232 套 管1591034 其 他64212 变压器故障台数/台22611538379 统计的变压器在役台数/台55 82120 7333 82980 383 变压器故障台率(故障台数/在役台数)/%0.410.550.990.47 表1 19952001年变压器故障台数统计 故障类型 击穿故障 放电故障 (1) 随着变压器电压等级的提高，故障台率明显升高，33

2、0500 kV变压器故障台率是110 kV的两倍以上； (2) 变压器线圈故障占故障总数的71.2，线圈故障对变压器危害 很大。其中，因变压器抗短路能力不够的线圈故障占线圈故障的58.1 ，应更加注意。 2 与绝缘相关的问题 绝缘材料 气体放电 液体介质的性能 固体介质的性能 不同介质的交界面 研究对象 电介质的击穿过程及其规律 典型电气设备的绝缘问题 绝缘试验及检测 3. 高压电器中的绝缘 绝缘子 电力电容器 电力电缆 高压套管 电流互感器 变压器 4. 绝缘试验 绝缘特性试验 绝缘耐压试验 5、绝缘在线监测 6、设备状态评价、风险评估、寿命预测 7. 为什么要掌握高电压绝缘 1.1 基本概

3、念 气体放电:将气体中流通电流的各种形式称作气体放电。 击穿与闪络:当气体间隙上的电压达到一定数值时，电流 突然剧增，使气体失去绝缘性能。气体由绝缘状态突变 为良导电状态的过程，称为击穿。 当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界 面上时，称为沿面闪络。 1. 气体放电 介电强度 均匀电场与不均匀电场 (1)采用电场不均匀系数来描述电场的不均匀程度，f=1为均匀电场，f4为极不均匀电场。 式中，Emax为最大场强；Eav= ；U为间隙上的电压；d为电极间最 短的绝缘距离。 (2)根据能否维持电晕放电来区分。若不均匀到能维持电晕放电，则是极 不均匀电场；若不能维持稳定的电晕放电，一旦放电达到

4、自持，则整个 间隙立即击穿，就称为稍不均匀电场或均匀电场。 表11 气体放电的主要外在形式 低气压高气压(1个大气压及以上) 均匀电场辉光放电火花放电、电弧放电 不均匀电场辉光放电电晕放电、刷状放电、火花放电、电弧放电 辉光放电: 放电光辉充满整个电极空间，电流密度在15A/cm2之间，整个间隙呈绝缘 状态。 电晕放电: 高场强电极附近出现发光的薄层，伴随着咝咝的声音和臭氧的气味，整个 间隙呈绝缘状态。 刷状放电: 由电晕电极伸出的明亮而细的断续的放电通道，电流增大，间隙仍未被击 穿。 火花放电: 贯通两电极的明亮而细的断续的放电通道，火花放电间歇地击穿间隙。 电弧放电: 持续贯通放电通道，间

5、隙被完全击穿。 1.2 带电质点的产生和消失 途径：气体分子的电离和金属的表面电离 能级原子具有一系列可取的确定的能量状态，称为能级。 电子伏电子行经1V电位差的电场所获得的能量，是能量单位。这 点与距离单位光年类似。 激励原子的电子在外界因素作用下，跃迁到能量较高的状态。当 原子由较高能级跃迁到较低能级时，将以光子的形式释放出激励 能。 电离原子在外界因素作用下，一个或几个电子脱离原子核的束缚 而形成自由电子和正离子的过程。电子的尺寸和质量远小于离子 。 表12 带电质点的产生 电离方式 气体碰撞电离光电离热电离 金属表面正离子碰撞阴极光电效应场致发射热电子放射 带电质点的消失有三种方式：

6、扩散 复合 消失于电极 汤逊放电理论和巴申定律适用于气压较低、pd值较小的情况。 过程 过程 相对密度 标准大气条件p0=0.101325MPa，T0=293K，绝对湿度=11g/m3。 击穿电压 适用范围 1.3 均匀电场中的气体击穿 流注理论：适用于压力较高气体的击穿，认为电子碰撞电离及空间光电离是维 持自持放电的主要因素，同时考虑了空间电荷对电场的影响。 正流注：电子崩先从阴极到阳极，在阳极附近形成正、负带电质点构成的等离 子体，然后再从阳极贯穿阴极，整个间隙击穿。 负流注：电子崩尚未贯穿间隙即形成流注，流注再贯穿气隙。 流注理论与汤逊理论的比较 放电特征 电晕放电：在极不均匀电场中，高

7、场强电极周围出现的薄薄的发光层。电晕放电是 极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。 电晕放电的脉冲现象：在电晕放电的起始阶段及向击穿过渡的阶段，会出现放电 的脉冲现象，并造成对外界的电磁干扰。 电晕放电的起始场强和起始电压 1.4 不均匀电场中的气体击穿 棒板间隙的气体放电 (1)正棒负板的电晕起始电压大于负棒正板的电晕起始电压 (2)正棒负板的击穿电压小于负棒正板的击穿电压 极性效应 稍不均匀电场的极性效应： 在稍不均匀电场中，不能形成稳定的电晕放电，电晕起始电压 就是其击穿电压，故负极性下的击穿电压低。 气隙放电方式 短间隙电子崩流注主放电 长间隙电晕放电先导放电主放电 为什么长空气间隙的

8、平均击穿场强小于短间隙？ 先导放电中出现了热电离过程。 表13 不均匀电场的击穿过程 1.5 持续作用电压下空气的击穿电压 电压的分类 持续作用电压直流电压 工频电压 冲击电压雷电冲击电压 操作冲击电压 均匀电场中的击穿电压 稍不均匀电场中击穿电压的估算 极不均匀电场中击穿电压 1.直流电压下的击穿电压 尖尖电极的击穿电压介于极性不同的尖板电极之间。 正棒负板和负棒正板的平均击穿场强为4.5kV/cm、10kV/cm。 棒棒间隙的平均击穿场强为5.0kV/cm。 2.工频电压下的击穿电压 棒板间隙击穿的时刻：棒的极性为正，电压达到峰值时。 棒板间隙的饱和现象：随着距离的增加，平均击穿场强反而降

9、低。 雷电冲击电压雷闪放电的巨大冲击电流在物体对大地的阻抗上产生持续时 间极短的过电压，或极大的电流变化陡度在电感性被击物体上产生的高电压。 同时引起热和力的问题。 1.6 雷电冲击电压下空气的击穿特性 采用雷电冲击电压标准波形来模拟雷闪放电引起的过电压。 波形参数：视在波前时间1.230%； 视在半峰值时间50 20%； 峰值允许偏差 3%； 雷电冲击电压标准波形 放电时延 有效电子：能引起电离过程，并最终导致气隙击穿的电子； t0：冲击电压升到静态击穿电压的时间； ts：统计时延； tf：放电形成时延； 雷电冲击50%击穿电压：在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压。 冲击系数：50%冲

10、击击穿电压和持续作用电压下的击穿电压之比。 均匀电场和稍不均匀电场中的冲击系数等于1，击穿发生在波头峰值附近。 极不均匀电场的冲击系数大于1，击穿发生在波尾。 2s冲击击穿电压间隙发生击穿时，放电时间小于或大于2s的概率各为 50%的冲击电压值。 伏秒特性：间隙上出现的冲击电压最大值和放电时间的关系。 伏秒特性的用途不同间隙的绝缘配合 1.7 操作冲击电压下空气的击穿特性 操作过电压电力系统存在电感和电容，在操作过程或发生事故时会引起振荡过程， 造成很高的过电压。 操作冲击电压标准波形非周期性指数衰减波；衰减振荡波； 波前时间/半峰值时间250/2500s 操作冲击50%击穿电压 操作冲击击穿

11、电压与波前时间的关系U形曲线 1.8 如何提高气体间隙的击穿电压 为实现电气设备的小型化及降低成本，需要尽量减小 绝缘距离。 途径：1.改善电场分布 2.采取合适的方法削弱气体的电离 AB 1. 改善电极形状 1.1 增大电极曲率半径 1.2 改善电极边缘 1.3 使电极具有最佳外形 110kV CT，壳体靠近二次引线管 的位置存在最大电场强度值 23kV/mm，数值偏大。该处的圆 弧半径为5mm，将圆弧半径修改 为10mm，此时壳体靠近二次引线 管的位置(图中的A、B)场强下降 为17.9kV/mm。 图12 壳体内的场强分布 具体措施： 2. 利用空间电荷畸变电场的作用 细线效应：在持续作

12、用电压下，线径很小的导线周围产生比较 均匀的电晕层，改善了电场分布，从而能提高击穿 电压。 3. 极不均匀电场中采用屏障 屏障：在极不均匀电场中，放入薄片状固体绝缘材料，能提高击穿电压 ，这些薄片状固体绝缘材料称作屏障。 4. 高气压气体 4.1 均匀电场中的击穿电压 高气压下，击穿电压和电极的表面状态、电极的材料都有关系。 老炼效应：多次击穿能烧去电极上的毛刺和尘埃等杂物，从而改善电场分布 ，提高击穿电压。 4.2 不均匀电场中的击穿电压 4.3 高气压下的措施 改善电场分布、过滤水分 5 高电气强度气体 相对电气强度：在压力和距离相同的条件下，气体的电气强度和空气的电 气强度之比。 卤化物

13、气体电气强度高的原因：负电性、分子量和分子直径大、极化 对高电气强度的要求：液化温度低、化学稳定性好、价格便宜 6 高真空 真空断路器 真空接触器 图13 真空灭弧室 表14 不同绝缘介质断路器的比例 电压/kVSF6断路器/%真空断路器/% 124.1595.76 40.535.3162.34 729010 126982 25299.80.0 3631000.0 5501000.0 2.1 绝缘子的性能要求和材料 2.1.1 绝缘子的分类 绝缘子: 将不同电位的导体在机械上相互联接，而在电气上相互绝缘。 分 类：绝缘子 瓷 套 套 管 2. 气体中的沿面放电和高压绝缘子 图21 绝缘子和瓷套

14、 2.1.2 性能要求 电气性能 闪络电压 干闪络电压 湿闪络电压 人造雨水体积电阻率、细小均匀、降雨量、角度 污秽闪络电压 机械性能 拉伸负荷 弯曲负荷 扭转负荷 强度理论 复合材料 (1)最大应力理论，认为材料主向上的应力必须小于各自方向上的强度 (2)最大应变理论，认为材料主向上的应变必须小于各自方向上的强度 (3)TsaiHill理论，该理论只有一个判别式，而不象前两个理论中有几个判别式 (4)Hoffman破坏理论，考虑了材料在同一方向的拉伸强度和压缩强度一般不同的特性 (5)TsaiWu张量理论，该理论提出了以二阶张量多项式作为破坏准则的计算方法 各向同性材料 (1)最大拉应力理论

15、，认为最大拉应力是引起材料脆性断裂的主要原因 (2)最大伸长线应变理论，认为最大伸长线应变是引起材料断裂破坏的主要原因 (3)最大剪应力理论，认为最大剪应力是引起材料塑性破坏的主要原因 (4)形状改变比能理论，该理论认为形状改变比能是引起材料塑性破坏的主要原因 热性能 热应力 2.1.3 绝缘子的构成 绝缘件瓷、玻璃、环氧玻璃纤维、硅橡胶 金属附件 胶合剂 2.2 支柱绝缘子 支柱绝缘子 户外支柱绝缘子 伞裙的作用 均压环 户内支柱绝缘子 外胶装 内胶装 内外联合胶装 图22 沿绝缘子高度方向的电压分布 从图22可以看出，电压沿绝缘子的高度是不均匀分布的，在顶端 20%的范围内，承担了60%的

16、电压。 电压 高度 2.3 支柱绝缘子的计算 干闪距离 设计原则：根据干闪络电压初定绝缘件高度，根据湿闪络电压确定伞数、 伞形、绝缘高度。 2.3.1 干闪络电压 干闪络电压的经验公式 2.3.2 湿闪络电压 伞宽与伞距之比 绝缘子伞数 工频湿闪络电压(有效值)的计算公式 2.3.3 机械强度 2.4 套管 套管 分类：单一绝缘套管 复合绝缘套管 电容式套管 2.5 气体中沿固体介质表面的放电 沿面放电 闪络 2.5.1 均匀电场中沿面放电 场强不变 闪络电压低的原因： 气隙 介质表面吸附水分 2.5.2 极不均匀电场、强垂直分量时的沿面放电 图23 沿套管表面的场强矢量 法兰 电极 放电过程：电晕放电、辉光放电、滑闪放电、火花放电、电弧放电 放电机理：热电离 比电容 式中，为常数； 为相对介电常数；d为介质厚度。 沿面放电起始电压 式中，E0法兰处的场强；C0比电容； 角频率； 表面