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1、 高电压绝缘技术 导言 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 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 目录 气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘电力电缆绝缘变压器绝缘绝缘配合 气体放电的主要形式 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 气体放电的主要形式 辉光放电 放电光辉充满整个电极空间 电流密度在1 5A c
2、m2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 间隙被完全击穿 气体放电的主要形式 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 气体放电的主要形式 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
3、极不均匀电场 若不能维持稳定的电晕放电 一旦放电达到自持 则整个间隙立即击穿 就称为稍不均匀电场或均匀电场 汤逊放电理论 电子崩 以电子碰撞电离为主 电子崩中电子数目小于10的8次方 电子碰撞电离放电机理认为 受外界因素的作用 在气体间隙中存在自由电子 这些自由电子在电场中被加速 并在运动过程中不断与气体原子或分子发生碰撞 当电子获得电场提供的足够动能时 就会使气体原子产生碰撞电离 形成新的自由电子和正离子 这些新产生的电子和原有电子又从电场中获得能量 并继续碰撞其它气体原子 又可能激发出新的自由电子 这样 自由电子数将会成指数倍地增长 形成电子雪崩 由于电子的质量比离子小得多 因此 电子移动
4、的速度比离子快许多 形成的电子崩的头部不断向前扩展 最终形成自持性气体放电 油楔绝缘内部气隙或油中小气泡较易发生汤逊放电 表现为放电量小 放电次数多 汤逊放电对绝缘的劣化有一定作用 但不会造成突发性故障 流注理论 在外施电场作用下 电子崩由阴极向阳极发展 由于气体原子 或分子 的激励 电离 复合等过程产生光电离 在电子崩附近由光电子引起新的子电子崩 电子崩接近阳极时 电离最强 光辐射也强 光电子产生的子电子崩汇集到由阳极生长的放电通道 并帮助它的发展 形成由阳极向阴极前进的流注 正流注 流注的速度比碰撞电离快 同时 光辐射是指向各个方向的 光电子产生的地点也是随机的 这说明放电通道可能是曲折进
5、行的 正流注达到阴极时 正负电极之间形成一导电的通道 可以通过大的电流 使间隙击穿 如果所加电压超过临界击穿电压 过电压 电子崩电离加强 虽然电子崩还没有发展到阳极附近 但在间隙中部就可能产生许多光电子及子电子崩 它们汇集到主电子崩 加速放电的发展 增加放电通道的电导率 形成由阴极发展的流注 负流注 流注理论 瑞特和米克认为 当电子崩头部的电场比外加电压在间隙中形成的均匀电场更强时 电子崩附近电场严重畸变 电离剧烈 放电可以自行发展成流注 从而导致间隙击穿 根据这一基本思想 他们进行了理论推演 虽然他们计算电子崩头部电场的方法不尽相同 推导出不同的计算击穿电压的方程 但是计算得到的击穿电压很相
6、近 与试验比较相符 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 如何提高气体间隙的击穿电压 具体措施 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 壳体内的场强分布 110kV电流互感器 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 如何提高气体间隙的击穿电压 2 利用空间电荷畸变电场的作用细线效应 在持续作用电压下 线
7、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 如何提高气体间隙的击穿电压 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 如何提高气体间隙的击穿电压 4 高气压气体高气压下 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 改善电场分布 过滤水分 如何提高气体间隙的击穿电压 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 卤化物气体电气强度高的原因 负电性 分子量和分子直径
8、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 如何提高气体间隙的击穿电压 6高真空真空断路器真空接触器 真空灭弧室 电力电缆绝缘 0 6 1KV型1 8 3KV型3 6 6KV型6 6KV型6 10KV型8 7 10KV型8 7 15KV型12 20KV型21 35KV型26 35KV型 电力电缆绝缘 电缆的绝缘电阻值与电缆的种类 电压等级 电缆绝缘的温度 空气湿度 环境粉尘的性质以及电缆的使用年限有关 一 新电缆绝缘电阻的最低值 非测量相接地 新电缆绝缘电阻的最低值可比照制造厂给出的20 条件下 每千米长度的绝缘电阻的最低值 按电缆的实际长度 电缆绝缘的实际温度 折算到对应
9、的数值 如果没有制造厂的数据 下列数值可供参考 聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆 20 条件下 每千米长度的绝缘电阻最低值为 额定电压1kV 一般不小于40M 额定电压6kV 一般不小于60M 电力电缆绝缘 交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆 20 条件下 每千米长度的绝缘电阻最低值为 额定电压6kV 导体截面16 35mm2 一般不小于1000M 导体截面50 95mm2 一般不小于750M 导体截面120 240mm2 一般不小于500M 额定电压10kV 导体截面16 35mm2 一般不小于2000M 导体截面50 95mm2 一般不小于1500M 导体截面120 240mm2 一般不小
10、于1000M 橡皮电缆 20 条件下 每千米长度的绝缘电阻最低值为 额定电压6kV 一般不小于50M 额定电压1kV 一般不小于2M 电力电缆绝缘 选择2500V兆欧表一只 带有测试线 将兆欧表水平放置 未接线前先做仪表外观检查及开路 短路试验 确认兆欧表完好 摇测的接线方法应正确 接线前应先放电 摇测项目是相间及对地的绝缘电阻值 即U V W 地 V U W 地 W U V 地 共三次 电力电缆绝缘 判断合格的标准规定如下 1 长度在500m及以下的10kV电力电缆 用2500V兆欧表摇测 在电缆温度为 20 时 其绝缘电阻值不应低于400M 2 三相之间 绝缘电阻值比较一致 若不一致 则不
11、平衡系数不得大于2 5 3 本次测定值与上次测定的数值 换算到同一温度下 其值不得下降30 以上 1KV及以下电力电缆的绝缘电阻值 在电缆温度为20摄氏度时 不应低于1M 电力电缆绝缘 摇测中的安全注意事项 1 摇测前和摇测后都应放电 2 摇动兆欧表的手柄时 转速应尽量保持额定值 更不得低于额定转速的80 3 电缆的另一端也必须作好安全措施 勿使人接近被测电缆 更不能造成反送电事故 4 为保证仪表安全 要做到将兆欧表摇至120r min后 再将兆欧表的 L 线接被测电缆线芯 撤离测试线 L 后方可停止摇动手柄 变压器绝缘 变压器绝缘 变压器绝缘 变压器绝缘 油浸变压器 变压器绝缘 绝缘形式 油
12、浸式变压器 目前应用最广泛的变压器 采用油浸纸绝缘 绝缘油起绝缘和散热双重作用 据统计 抽样93台变压器事故中 绝缘事故占80 其中匝绝缘43 主绝缘23 套管绝缘15 干式变压器 指变压器的铁芯和线圈不浸在绝缘液体中的变压器类型 它的绝缘介质 散热介质是固体及空气 特点是无油 防火及防爆 简单的说干式变压器就是指铁芯和绕组不浸渍在绝缘油中的变压器 冷却方式分为自然空气冷却 AN 和强迫空气冷却 AF 自然空冷时 变压器可在额定容量下长期连续运行 强迫风冷时 变压器输出容量可提高50 适用于断续过负荷运行 或应急事故过负荷运行 由于过负荷时负载损耗和阻抗电压增幅较大 处于非经济运行状态 故不应
13、使其处于长时间连续过负荷运行 变压器绝缘 绝缘形式 环氧树脂干式变压器 环氧树脂干式变压器以环氧树脂为绝缘材料 高 低压绕组采用铜带 箔 绕成 在真空中浇注环氧树脂并固化 构成高强度玻璃钢体结构 绝缘等级有F H级 环氧树脂干式变压器有电气性能好 耐雷电冲击能力强 抗短路能力强 体积小重量轻等特点 可安装温度显示控制器 对变压器绕组的运行温度进行显示和控制 保证变压器正常使用寿命 变压器绝缘 SF6气体绝缘变压器 气体绝缘变压器无油 不易燃烧 防爆 气体绝缘50MVA 110kV变压器 变压器绝缘 电缆绕组变压器利用XLPE电力电缆的优良绝缘性能 省却了传统油浸变压器的绝缘油和相应的油箱 具有
14、以下优点 1 安全性采用易燃材料的数量远少于常规变压器 所用材料的易燃性也远低于常规变压器 并且用固体绝缘代替液体绝缘可降低事故的严重程度 2 可靠性电缆绕组变压器结构简单 部件少以及所使用的XLPE绝缘在电 力 热等诸多方面的优点 故较常规变压器发生故障的概率低 可靠性高 3 损耗漏磁产生的杂散损耗很小 导线很细且为束绞绝缘 使得附加损耗很小 故其总负载损耗比油浸式变压器小很多 变压器绝缘 4 过载能力设计的温度上限为90 C 连续负载的温度为70 C 在此温度范围内的XLPE电缆的老化几乎可忽略不计 即变压器可在其最高温度下运行而几乎无寿命损失 5 抗短路能力在正常运行中 电缆截面的负荷实
15、际上是绕组的自重 通常小于2 3kN m 故绕组能耐受严重的短路 试验结果表明 线匝具有很强的耐受短路能力 6 环境保护固体绝缘避免了绝缘油渗漏对环境的污染 变压器本体在退役后可完全分离 有机材料可焚化 金属材料可再回收 缺点 省却了变压器油绝缘介质后 其散热成为该类变压器的突出问题 变压器绝缘 图8 5电缆绕组变压器1 风扇 2 XLPE电缆组成的线圈 3 连接至变压器终端的电缆4 密闭盒 5 变压器终端 6 铁心 变压器绝缘 变压器的寿命 指变压器的绝缘系统因为受热老化而失去其绝缘性能而经历的时间 按照变压器绝缘材料的耐热等级可有如下划分 变压器绝缘 B级绝缘产品属于早期制造的产品 性能指
16、标差 无法满足现代化供电的要求 F级产品相对性能较好 易于实现产业化 其主要代表为F级薄绝缘环氧树脂真空浇注型产品 我国在八十年代末 九十年代初大量引进这种生产技术 目前国内使用的大多是这类干式变压器 环氧树脂浇注干式变压器 变压器绝缘 H级绝缘的产品在国内为九十年代的新技术 处于世界领先水平 目前在美国等发达国家广泛应用 在美国这类产品约占干变市场的70 虽然国内起步较晚 但其有突出的可靠性 安全性 经济性 环保性 已广泛引起重视 H级绝缘干式变压器 高压绕组绝缘结构 1 圆筒式绕制工艺简单 层间电容大 对地电容小 在冲击电压下层间电压分布较均匀 但同时端面比较小 轴向固定困难 层间油道长而窄 不利于散热 高压绕组绝缘结构 2 饼式1 连续式绕法简单纵向电容小 在雷电冲击下各线饼间电压分布很不均匀 高压绕组绝缘结构 2 饼式2 纠结式绕法复杂纵向电容大 有利于改善在雷电冲击下各线饼间电压分布情况 220kV以上常采用纠结式 油浸式变压器绝缘 变压器油部分 油浸式变压器绝缘 绝缘纸部分 油浸式变压器绝缘 油纸绝缘 变压器绝缘 主绝缘 绕组间绝缘或绕组对铁芯的绝缘 主绝缘计算 油隙最小击
