高电压绝缘绪论 静电场

1、华北电力大学华北电力大学高电压绝缘技术王胜辉华北电力大学华北电力大学 电气与电子工程学院电气与电子工程学院高压教研室高压教研室 20122012年年2 2月月绪论一、高电压绝缘的研究的对象高压设备的构成高压设备的构成绝缘作用：绝缘作用：将电位不等的导体分隔开，从而都能保持不同的电位。电介质（绝缘材料）：电介质（绝缘材料）：具有绝缘作用的材料称之为电介质。气态、液态、固态1.高压设备的组成高压设备的组成800kV特高压试验线段现场高压设备照片现场高压设备照片额定电压800kV的交流污秽试验电源 ，S一定时，提高U，则I降低，因而可以降低线路上的功率损耗。 2、提高输电电压等级的必要性S= 3UI

2、AC：10kV,35kV,110kV,220kV,330kV,500kV,750kV，1000kV我国电网的电压等级：我国电网的电压等级：1000kV：山西长治-湖北荆门（已经投入运行）我国的能源中心与负荷中心逆向分布。我国的能源中心与负荷中心逆向分布。西电东送，南北互供。西电东送，南北互供。正负500KV（葛洲坝-上海南桥线、天生桥-广州线、贵州-广东线、三峡-广东线）正负50KV（上海-嵊泗群岛线）100KV（宁波-舟山线）南方电网公司将建设正负800KV特高压直流输电线。DC: 50KV ,100kV,500kV,800kV特高压直流800kV：在建输电线路（向家坝-上海，锦屏-苏南）家

3、坝至上海特高压特高压直流输电线路晋东南南阳荆门特高压特高压交流试验线路我国2020 年前特高压特高压建设 但随着U的增加，设备的绝缘问题将日益突出，又会面临如下的问题：1）电压超过某个值后，设备的绝缘可能会遭受破坏，导致绝缘失效。2）绝缘费用增加3）设备的体积以及质量将会增加4）绝缘往往是高压设备中的薄弱环节，是运行中不少设备故 障的发源地 基于以上的原因，我们有必要研究绝缘的问题，即 经济 合理又 安全 可靠的解决高压电气设备的绝缘问题。高压高压绝缘绝缘电压增加带来的矛盾：电压增加带来的矛盾：1）电介质的电气物理性能，特别是其击穿的过程及其规律性2）各种高压电气设备的典型的绝缘结构、基本的形

4、式及分析和计算的方法；3）检测及判断设备绝缘质量的主要试验方法。3、本书阐述对象二、对高压电气设备绝缘的电气性能的主要二、对高压电气设备绝缘的电气性能的主要 要求要求1）在额定的工作电压下，能长期稳定的工作；2）能承受暂时的过电压的作用（雷电过电压，操作过电压）；3）其他的要求： a)满足机械性能的要求：机械负荷、电动力、机械振动等 b)满足温度和热稳定性的要求 高温加速老化和劣化的速度，性能热击穿 c)化学作用和不利环境下的稳定性要求绕组变形照片绕组变形照片三、高压电气设备绝缘的设计过程三、高压电气设备绝缘的设计过程1）选择绝缘结构类型及材料2）确定各部分的电场的结构和所承受电压的幅值及 波

5、形；3）决定结构的尺寸4）其他性能的校核 机械性能，热性能等四、高压设备的绝缘的试验四、高压设备的绝缘的试验1）工厂试验2）现场试验华北电力大学华北电力大学 第一章高电压绝缘技术中的静电场静电场：静电场：由静止电荷所产生的场。在电力系统中，在工频交流电压下，不同的电位导体间的电位差随时间的变化比较缓慢，导体间的距离远小于对应的电磁波的波长，所以在任一瞬间工频交流电气设备中的电场可视作静电场。工程中常见的静电场工程中常见的静电场1、电介质的局部放电及击穿 局部放电；击穿； 临界电场强度：电介质耐受的电场强度的极限。2、静电感应 导体受到邻近的带电体的影响，在其表面不同的部位出现了正负电荷的现象称

6、之为静电感应。 变电站浮空的导体会产生高电位，因此变电站内的金属部分要求接地或进行屏蔽。3.均匀电场和不均匀电场 1）均匀电场： 2）不均匀电场： 3）稍不均匀电场(f4）： 棒-板间隙、棒-棒间隙结论：结论：在相同的间隙距离下，电场越均匀，则击穿电压越高，因此在进行绝缘结构设计时应该尽可能的提高电场的均匀程度。电场的计算方法： 解析法： 数值计算方法：有限元、差分法、模拟电荷法、边界元法。一、单一电介质的电场计算 1、平行平板电极间的电场平行平板电极间的电场静电场的解析计算静电场的解析计算UEd=2、同轴圆柱电极间的电场、同轴圆柱电极间的电场 工程中：电缆、电容套管、标准电容器、变压器同一铁

7、心柱的高低压线圈之间 利用高斯定理。xlnUERxr=rlnUERrr=3、同心圆球电极间的电场同心圆球电极间的电场r2()RrEURr x=- 最大场强出现在内球表面，其值为r()REURr r=-二、最大场强的近似计算1、常见的典型的电极的最大值的近似计算 可用于工程中最大值的近似估计。 a）近似公式法 方法：将工程中的电极结构近似等效为图1-2中的有关结构，然后进行计算。 b）不均匀系数法 方法：先计算电场的几何特征系数： ， 然后查图1-7得到不均匀系数 f ，进而求得最大场强。 rdpr+maxavEE f=近似公式法近似公式法不均匀系数法三、应用许瓦兹变换求静电场四、多层介质中的静

8、电场四、多层介质中的静电场 由多种电介质组成绝缘称之为多层电介质。（一）平行平板电极间的静电场（一）平行平板电极间的静电场 a）交流电压的作用下：介质分界面上的电感应强度D相等12DD=1122EEee=1221EEee=111UEd=222UEd=12UUU+=211221UEddeee=+122112UEddeee=+2111221dUUddeee=+1221221d UUddeee=+ 分析：介电常数大，则内部的电场强度低。电场分布电场分布电压分布电压分布b）直流电压作用下 电流密度的 的方向都垂直于极板，且其大小相当，所以可得 或 ，由此可知直流电压下，双层电介质中场强之比为： 电导率

9、J12JJ=1122EEgg=1122EEgg=1g2g211 22 1121 22 1UEddUEddgggggg=+=+ 2 111 22 11 221 22 1d UUddd UUddgggggg=+=+ （二）同轴圆柱电极间的电场（二）同轴圆柱电极间的电场 在介质分界面处，不同介质中电感应强度的法向分量连续，于是得：11222312lnlnUUrrrree=11max211lnUErrr=22max322lnUErrr= 考虑到 ,所以可以写出两层介质上的电压分别为：12UUU=+211121112212222111221ln11lnln1ln11lnlnrrUUrrrrrrUUrrr

10、reeeeee=+=+ 11max22111 11112222max12122 22112211ln(lnln)11ln(lnln)UUErrrrrrrrUUErrrrrrrreeeeee=+=+1max 1 12max2 2ErEree对于多层介质有：1max1 12max2 2max.nn nErErEreee 对于双层介质的电场的讨论：（1） ，则 （2） ，进一步增加 （3） ，可降低 ，使得电场分布较均匀。12ee=1max22max1ErEr=12ee1maxE工程应用：在套管的导杆上套包绝缘纸层或加纸管，可降低导杆附近电场。工程应用：在套管的导杆上套包绝缘纸层或加纸管，可降低导杆附近电场。一、改善电极的形状 （1）增大曲率半径 （2）改善电极边缘 （3）使电极具有最佳的外形电场的调整电场的调整二、改善电极间的电容分布 （1）加屏蔽加屏蔽环环：支柱绝缘子、分压器的高压侧加均压环，作用是增加高压电极对设备本体的电容，从而补偿设备对地电容电流。 （2）增设中间电极增设中间电极三、利用