高电压技术讲解

1、武汉华中华能高电压科技进展有限公司高电压技术讲义（中）§气隙在各类电压下的击穿特性一、标准波形为了查验绝缘耐受雷电冲击电压的能力，在实验室中能够利用冲击电乐发生器产生冲击高压，以模拟雷电放电引发的过电压。为了使取得结果能够彼此比较，需规定标准波形。50us。T1说明雷电流上升的陡度，反映电磁感应的强烈程度.就是说T1越小，di/dt就越大（KA/us的值越大），那么刹时雷电流就越大，经公式HO=iO/（2Sa）（A/m）计算出的雷电磁场强度就越大，那么就说它的电磁感应强。T2说明雷电所含的电荷数量，反映雷电的能量那个就简单了。从T2时刻画一条直线。那么波形曲线下的阴影的面积通过积分计

2、算，就可算出电荷量和能量。T2时刻越长，则阴影的面积越大，那么电荷量和能量就越大。二、放电时延气隙在冲击电压作用下击穿所需的全数时刻为：t=tl+ts+tftl为升压时刻，ts为统计时延，tf为放电形成时延50%冲击放电电压在持续电压作用下，当气体状态不变时，必然距离的间隙，其击穿电压具有肯定的数值,当间隙上所加的电压达到其击穿电压时刻隙就击穿了。在冲击电压作用下，单独用一个电压来描述间隙的击穿就不合理了。U50%的含义是在该电压作用下，放电的概率为50%。三、伏秒特性：在同一波形、不同幅值的冲击电压作用下，间隙上出现的电压最大值和放电时刻的关系曲线称为间隙的伏秒特性曲线。工程上常常利用它来表

3、征间隙在冲击电压下的击穿特性。一、曲线的作出二、曲线的配合：保护设备的伏秒特性应完全位于被保护设备的伏秒特性的下面。间隙的伏秒特性形状与极间电场散布有关。对于均匀或梢不均匀电场，由于击穿时的平均场强较高，放电进展较快，放电时为曲线比较平坦，而且分散性也较小，仅在放电时刻极短时，略显场中靠提高电压来缩短击穿所需时刻是很难的。因为均匀电场的击击穿电压和静态击穿电压是相一致,所以在实践中常常利用电场量静态电压和冲击电压的通用仪表。对于极不均匀电场中的间隙，其平均击穿场强较低，放电形成时延情受电压的影响大,较长且分散性也大，其伏秒特性曲线在放电时刻还相当大时，便随时刻t之减小而明显上翘,曲线比较陡。即

4、便在电压作历时刻较长（击穿发生在波尾）时，冲击击穿电压也高于静态击穿电压。具有较陡伏秒特性曲线的保护设备不容易与具有平伏秒特性的被保护设备配合§大气条件对气隙击穿电压的影响结论：温度升高、气隙的击穿电压下降：湿度升高、气隙的击穿电压升高：海拔高度升高、气隙的击穿电压降低：气压升高、气隙的击穿电压升高。湿度对气隙击穿电压的影响与电场的形式有关，均匀电场和稍不均匀电场中湿度的影响比较小，极不均匀电场中湿度的影响比较大，其原因是均匀电场中击穿场强较高，电子运动速度较大，水分子不易吸附电子，所以湿度的影响较小；在极不均匀电场中，平均击穿场较低，放电形成时延较长，所以湿度的影响就比较明显。&#

5、167;提高气隙击穿电压的方式办法一、改良电极形状1、改良电极形状，增大电极曲率半径。采用屏蔽罩以增大电极的曲率半径是一种常常利用的方式，一些高压设备的高压出现端都加装屏蔽罩以降低出线端周围空间的最大场强，提高电晕起始电压，另外、在超高压线路绝缘子串上安装保护金具、超高压线路上采用扩径导线等都是按照屏蔽原理改善电场散布提高电晕起始电压的具体应用。2、去除电极表面及边缘的毛刺和棱角，消除电场局部增强的现象。办法二、利用空间电荷改善电场散布在极不均匀电场中，由于气隙击穿前先发生电晕放电，因此在必然条件下，能够利用放电自身产生的空间电荷来改善电场散布。例如采用细线，如“线-板”、“线-线”结构在必然

6、的距离范围内有可能提高气隙的击穿电压。这是因为：当导线直径很小时，周围容易形成比较均匀的电晕层，电晕放电形成的空间电荷调整和改善了电场散布，从而提高了击穿电压。当气隙距离超过必然值，细线也将产生刷形放电，或导线直径较大因其表而不够滑腻将产生局部电晕和刷形放电，破坏了比较均匀的电晕层，尔后其击穿电压也将下降°办法三、极不均匀电场中采用屏障改善电场散布。最有利的地方在X/处,1、在直流电压下，击穿电压随着屏障位置的不同有专门大的转变。针正板负间隙击穿电压可提高2-3倍，但针负板正间隙击穿电压仅提高倍。2、极间障能够提高气隙的击穿电压不是靠它自身分压，而是利用空间电荷对电场散布的改善实现的

7、。3、交流电压作用下，屏障作用同在直流电压下针正板负间隙。办法四、减弱或抑制游离进程。1、采用高气压：空气在常压下的电气强度约为30kV/cm,若是紧缩空气，使气压大大超过，它的电气强度就可以显著提高。实用（其"2中许多场合应用高气压的气体作为高电气强度的介质（紧缩空气断路器、标准电容器等设备的内绝缘）。从图中可见：的空气具有极高的击穿电压，但现在对电气设备外壳的密封性能和机械强度要求很高，因此目前普遍应用SF6,为取得一样的电气强度，只需的气压就可.2、采用强电负性气体（高电气强度）：目前、取得工程应用的强电负性气体惟有六氟化硫及其混合气体。SF6的电气强度约为空气的倍，其火弧能力

8、则为空气的100倍以上。SF6所以具有较高的电气强度是因为它具有电负性、游离能高、分子量大。但应该注意到：SF6优良的绝缘性能只有在均匀电场中才能充分发挥，因此设计SF6气体作为绝缘的各类电气设备时，应尽可能使气隙的电场均匀化。3、高真空的采用。依据巴申特性曲线，采用高真空将会得出击穿电压极高乃至趋于无穷大的结论。实验也表明极间距离较小时高真空的击穿电压很高，其值超过了紧缩气体：但极间距离较大时击穿电压提高缓慢，明显低于紧缩气体间隙的击穿电压。§沿面放电一、问题提出电力系统中，电气设备的带电部份总要用固体绝缘材料来支撑或°悬挂。绝大多数情形下，这些固体绝缘是处于空气中的。如

9、输电线路，,一:,的悬式绝缘子、隔离开关的支柱绝缘子等。当这些绝缘子的极间电压=i超过必然值时，常常在固体电介质和空气的交壤面上出现放电现象，Ji这种沿着固体电介质表面的气体发生的放电称为沿面放电。当沿而放i!电进展成贯通两极的放电时，称为闪络。研究表明：在相同的放电距;!离下，沿面闪络电压比纯气隙的击穿电压低得多，可见一个绝缘装置1-；、的实际耐压能力是取决于它的沿面闪络电压的。因此，在肯定输电线b路和变电所外绝缘的绝缘水平是，其沿面闪络电压起着决定性作用。应该注意的是，不仅要研究表而干燥、清洁时的沿面放电，而且要研究表面潮湿、污染时的沿而放电，因为它们的放电机理有专门大的不同，乃至可能在工

10、作电压下发生闪络，对电力系统的安全运行组成要挟，因此日趋受到重视。由于污闪引发的事故每一年都会有。二、均匀电场中沿面放电的形成一、用电介质表而不是理想滑腻来分析：在交流电场或冲击电压作用下，两种不同材料的电介质配合使历时、介电常数小的分担的电压低,虽然电瓷表而是滑腻的，但毕竟不是理想的滑腻，夸张地说是凸凹不平的，如此在电瓷表面就形成了固体与气体的串联。在交流或冲击电压的作用下，多层串联电介质中的电场散布与介质的介电常数成反比，空气的介电常数远小于固体介质的介电常数，所以气体分担的电压远比固体的要高，而气体的绝缘强度又比固体的低，所以很容易发生局部放电。2、解释方式二：固体介质与电极表而没有完全

11、密合接触而存在微小气隙，或介质表面有裂纹。由于空气的介电常数总比固体的低，这些微小气隙中的场强将比平均场壮大得多，从而引发局部放电。放电产生的带电质点从气隙中逸出，带电质点抵达介质表而后，畸变原有的电场，从而降低了沿而闪络电压。在实际绝缘结构中常将电极与介质接触面仔细研磨，使二者紧密接触，以消除气隙，或在介质端而上喷涂金属，将气隙短路，使沿面闪络电压提高。3、解释方式三：固体电介质表面吸收水分而形成水膜时，一方而水膜中的离子在电场作用下向两极移动，逐渐在两电极周闱枳聚电荷，并使电介质表而电场散布不均匀，电极周闱电场场强增加,因此降低了闪落电压；另一方面水的电导比较大，水膜上分担的压降低，而与之

12、串联的空气上分担的电压要高，也容易引发局部放电，而使闪络电压降低。介质表面的吸附水分的能力越大，闪络电压越低。有强垂直分量的极不均匀电场中沿面放电的形成1、放电进展进程在电压比较低时，在法兰周围第一产生了电晕，随着外加电压的提高，电晕转化成刷形放电：外加电压进一步提高，刷形放电转化成滑闪；当电压达到某临界值时，滑闪沟通两极形成闪络。二、当套管上加上交流电压时，沿套管表而将有电流流过，由于R、C的存在，沿套管表而的电流是不相等的,越靠近法兰处电流越大，单位距离上的压降也越大，电场也越强。当外加电压不足以使整个间隙击穿时，在法兰处产生了电晕，带电粒子被电力线的垂直分量压在电介质表面，纵向分量推动带

13、电粒子定向运动，加大了带电粒子与电介质的摩擦而使温度升高，产生了热游离，使放电进展。3、特点：1）固体介质的介电常数越大，固体介质的厚度越小，则电容越大，沿电介质表而的电压散布越不均匀，使沿而闪络电压越低：2）固体介质的体积电阻越小，沿而闪络电压越低；3）电压转变速度越快，频率高，分流作用也就越大，电压散布越不均匀，闪络电压越低;4）表面电阻在必然范围内适当减小，可使沿面的最大电场强度降低，从而提高闪络电压。如何提高沿而闪络电压1、增大沿而距离电介质表面采用带有瓷裙的结构，瓷裙下而还带棱。在系统中为避免污闪，对耐张绝缘子串来讲，可通过增加串中片数达到目的；而对悬垂串来讲，在增加片数有困难时可换

14、用每片爬距较大的耐污型绝缘子或改用V形串固定导线，或推行用一种复合材料制成环状薄片,将其嵌入绝缘子铁帽下部的防污闪新技术，加装了薄片后既增大了泄漏距离，又改善了绝缘子表面电场散布，对于抑制帽沿根部电晕的产生、防务和提高闪络电压很有效。2、采用半导体釉和硅橡胶绝缘子防污闪半导体釉绝缘子表而一直有一个比普通绝缘子表而泄漏电流为大的表面电导电流流过,使绝缘子表面温度比环境温度略高，因此污层不易吸潮，积污也比较少，另外，釉层电导还能减缓干区电场集中现象，使干区不易出现局部电弧，沿整个绝缘子传的电压散布都比较均匀。但这种材料比较容易被侵蚀和老化，影响了其推行.有机硅橡胶合成绝缘子的防污性能比普通绝缘子要

15、好得多，它由经受外力负荷的芯棒和保护芯棒免受大气环境侵袭的裾套和金属连接附件组成复合结构绝缘子，玻璃钢芯棒采用玻璃纤维束经树脂浸渍后通过引拔模加热固化而成，有极高的抗张强度。至目前为止，硅橡胶仍是最理想的伞套材料，它的电气强度、憎水性强、耐污性能好，在不同温度下性质稳固。绝缘子串上的电位散布1、不同电压品级利用绝缘子的片数一般35kV线路用3片,110kV线路用7-9片,220kV线路用13-15片,330kV线路用19-21片，500kV线路用25-28片。以330kV线路用19片绝缘子为例：相电压为，若是每片绝缘子分担的电压相等，则每片绝缘子分担的电压约为UkV。绝缘子的起晕电压为2022

16、kV,按理说330kV线路绝缘子上不该该发二生电晕，但事实上，330kV线路在正常设计和运：行时就有电晕，为何？；二、分析：其原因是绝缘子上的电位散布是不均;匀的，第一片绝缘子上分担的电压为相电压，即，;已经超过起晕电压。为何电压散布是不均匀的呢？电容：任意两点之间有电位差、又存在中间介质的话就可以够等效出电容.由于每片绝缘子的铁脚与铁塔之间存在着电位差、又有空气中间介质存在，所以绝缘子与铁塔之间存在杂散电容，通常绝缘子的等效电容为50-70pF,绝缘子与铁塔之间的等效电容为4-5pF,虽然比较小，但由于它的存在，要流走一部份电流，使电位散布不均匀。第一片上分担的电压最高，越远离导线分担的电压

17、越低。由于导线与绝缘子铁脚之间也存在电位差，一样存在着杂散电容，此电容一般为pF.由于它的存在，导线中会有杂散电流通过它流入绝缘子。由于此电流比绝缘子对铁塔之间流走的电流小，所以影响力也小。但随着它的枳累，使得靠近铁塔的几片绝缘子上分担的电压有所上升。3如何改善绝缘子串上的电压散布安装均压环。330kV及以上的线路绝缘子串上要安装均压环，其原理是利用增大导线对绝缘子的电容，提高其回路流过的电流，来补偿绝缘子对地杂散电容中流走的电流。小结外界游离因素提供的空间电荷形成了气体间隙的电导。在较低外加电场的作用下，电子的碰撞游离，使气体间隙出现非自持放电。在足够外加电场的作用下，电子崩中的正离子运动到

18、阴极，使阴极发出的有效电子能够取代外界游离因素使阴极发出起始电子时，则放电转为自持放电。汤逊理论只计入了电子在空间的碰撞游离及正离子使阴极放出电子的Y进程，故汤逊理论只能解释低气压短间隙中的气体放电。在汤逊理论的基础上，又考虑了空间电荷对电场的畸变和光游离的影响提出的流注理论，解释了大气压下一般间隙的气体放电。汤逊理论与流注理论的异同（见多媒体课件）均匀电场中，各点的电场强度相等，电场强度低于气体的绝缘强度时不存在电晕放电,能充分发挥间隙中全数气体的绝缘性能，故其放电电压最高。不均匀电场，以其不对称、极不均匀电场的棒板电场和对称的极不均匀电场的棒棒电极电场为例。棒端电场强度最高，间隙中大部份的

19、电场强度虽低于气体的绝缘强度，但最高电场强度若超过了气体的绝缘强度，则发生电晕放电。棒极带正电荷时，空间正电荷会增加未游离区的场强，使游离易于进展，故其击穿电压最低。而棒带负电荷时，空间正电荷使未游离区的场强降低，阻碍游离进展，其击穿电压就高得多。故不对称电场具有极性效应。由于点火电子的出现和碰撞游离的进展都需要时刻，故电压作历时刻是气体放电的三要素之一。放电时刻是统计时延及放电形成时延之和。统计时延的长短与外界游离因素的作用等相关，具有统计性，故放电时刻不是固定的，能够提前或滞后。放电时刻一般是很短的,是微秒级，工频电压的幅值作历时刻远大于间隙放电时刻，故工频放电取决于电压幅值。但冲击电压作

20、历时刻也是微秒级，专门是波头仅一个多微秒，电压转变专门快，放电时刻的长短就使放电电压值不同，故冲击电压作历时，间隙有伏杪特性。均匀电场比不均匀电场放电所需要时刻短，间隙的伏秒特性曲线较平，操作冲击电压作历时，气体间隙的伏秒特性呈“IT型曲线，在临界波头时其放电电压最低。周围接地体使间隙的电容增大，最大电场强度值增高，故使间隙的击穿电压降低，即临近效应。提高气体间隙的主要办法是改良电极形状，使电场散布均匀。棒板电场中加极间屏障,利用屏障阻挡离子，当屏障在靠近棒极为整个间隙的1520%位置，屏上的离子散布较均匀,与板极形成较均匀电场，可使击穿电压提高34倍。间隙在密闭容器中，加大气压或抽真空，减少

21、其碰撞游离概率或减少碰撞次数，而使间隙击穿电压提高。利用高绝缘强度的气体可使间隙的击穿电压提高。固体介质表面凸凹不平形成气体与固体介质的串联支路，工频电压按介电常数反比例故布，和固体表面附着水分、尘埃等使固体介质表而电场畸变。由于表面电容的影响使靠近短电极的固体介质表面电场强度增高，故使沿面放电（闪络）电压降低。将固体介质表面作得滑腻、干净、（浸涂绝缘漆、瓷釉）使沿面电场散布改善：加棱、裙等延长沿而放电路径，降低沿而场强：加内屏蔽减小表面电容的影响等都可使沿而放电电压提前由于绝缘子串对地电容的影响使其电压散布不均匀，靠导线绝缘子分担电压最高。利用均压环增大导线对绝缘子的电容，补偿对地电容的影响

22、，使其电压散布改善。第二章、液体和固体介质的绝缘性能§电介质的极化一、问题提出：在密闭容器中加入两平板电极，容器抽真空。在电极上加上外加电压进行充电。静止后电量为QO,QO=COUo在两电极间加入厚度与极间距相同的固体电介质从头完成实验。发觉极板上的电量增加了Q',Q=QO+Q问Q'这些电量是如何来的呢？二、解释：在电场的作用下，电介质相对电极两而呈现电性的现象。来源于固体电介质的极化。固体介质内部形成一个极性与外加电压方向相反的附加电场，为维持两极板间电压不变,电源需要再提供Q'这些电量来平衡附加电场。在电场的作用下，电介质相对电极两面呈现电性的现象称为极化

23、。对介电常数相对介电常数是用来描述电介质极化能力强弱的参数。极化的形式及特点电子式极化：速度快、不消耗能量、弹性的。离子式极化：速度较快、不消耗能量、弹性的。偶极子极化：速度较慢、消耗能量、弹性的。夹层极化：速度慢、消耗能量、非弹性的。所以、电介质极化能够概念为带电粒子弹性的位移和转向及空间电荷的从头分派，也能够概念为有损极化和无损极化。电介质极化在工程实际中的应用作电容的材料的介电常数要大；在交流及冲击电压作用下，多层串联电介质中的场强散布与介电常数成反比。利用夹层极化能够判断绝缘受潮的情形。§电介质的电导C.i.电导：任何电介质都有必然的导电性。1«金属电导是电子电导、

24、电介质电导是离子电导。4*印电介质的等值电路电路中il为几何充电电容电流i2为吸收电流"i3为泄漏电流D研究电导的意义：0-、在高压设备绝缘预防性实验中，测量电介质的电导和吸收比能够判断绝缘是不是受潮。多层介质在直流电压作用下的稳态电压散布与各层介质的电导成反比。设计绝缘时，要考虑到绝缘的利用条件，专门是湿度的影响。 并非是所有情形下都希望绝缘电阻高，有些情形下要设法减小 绝缘电阻。§电介质的损耗电介质损耗包括极化损耗和电导损耗。在直流电压的作用下， 由于电介质中没有周期性都极化进程，当外施电压低于发生局 部放电的电压时，介质中的损耗仅由电导所引发。个I2r 【J11 wP

25、=UIR=UIJgb=U2（oCpig5用有功功率P来表示介质损耗是不方便的，因为P值与实验电压、试品尺寸等因素有关，不同试品间难以彼此较较，而对必然结构的试品，在外界电压必然的情形下，介质损耗仅决定于吆，而抬。犹如介电常数和电导率一样，仅取决于介质本身的特性参数。因此，为了比较不同介质在交变电压作用下的损耗性能，就成为衡量介质损耗大小的物理量。研究介质损耗的意义：（1）在设计绝缘结构时，必需注意到绝缘材料的依°,若依°值过大则会引发严峻发烧，使材料容易劣化，乃至可能致使热击穿。（2）用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的供3值必需很小，不然冲击波在电缆中传播时将引发严峻畸变，影

26、响测量精准度。（3）预防性实验的一种。（4）作为绝缘材料，希望其依°越小越好。§液体电介质的击穿特性一、液体分纯净液体和工业上应用的液体，纯净液体的放电理论是电击穿理论，工业上应用的液体的放电理论是“小桥理论二二、“小桥理论”工程上所用的液体介质中总不免会混入一些杂质，如变压器油中常因受潮而含有水分，还有从固体绝缘材料中脱落的纤维或其他杂质，当油中含有水分和纤维时，由于水和纤维的介电常数专门大，尤其是纤维吸潮后，很容易沿电场方向极化定向排列，排列成杂质小桥，并在电极间形成电导较大的通道，引宣泄漏电流增大，温度升高，促使油和水分汽化，气泡扩大,最后击穿。三、标准试油杯为何要作

27、成均匀电场的？在不均匀电场中，间隙中强电场动身生的局部放电使液体介质发生波动，杂质不易搭成小桥，液体的击穿电压受到杂质的影响减小，不能正确判断油的品质，所以必需作成均匀电场。在标准试油杯中，液体（变压器油）的击穿电压为20-60KV,其平均击穿场强为2060KV/0.25cm=80240KV/cm而均匀电场中空气的击穿场强为30KV/cm,所以气体的击穿场强比液体的低很多。四、影响液体介质击穿电压的主要因素液体（变压器油）的击穿在标准试油杯中为2060KV,其平均击穿场强为2060KV/0.25cm=80240KV/cmo一、液体的品质的影响1）含水量对液体击穿电压的影响变压器油在不同的环境中

28、，吸收水分的能力和程度是不同的，因此变压器油中的含水量也不相同。比较干燥的油在潮湿的环境中，通过一段时刻后，含水量会逐渐增加，最后达到某一饱和值。水分在油中以溶解状态、悬浮状态和在容p器底部沉积三种状态出现。溶解状态的水分只要不因含宫期水量过大而使油的电导显著增加，对油的击穿电压影响不大。悬浮状态的小水滴能够在电场作用下极化并在极2口间排成导电的“小桥”，使油的击穿电压显著下降。从图中可见，变压器油的含水量仅达到十万分之几时，变压器油的击穿电压就显著降低。当含水量超过时，多余的水分常沉积在容器的底部，故对油的击穿电压进一步降低是有必然限度的。2、含纤维量的影响当变压器油中有纤维存在时，在电场作

29、用下，纤维将沿着电场方向定向排列，形成“小桥“，使变压器油的击穿电压大为降低。3、含碳量的影响某些电气设备中的绝缘油在运行中常受到电弧的作用，电弧的高温会使绝缘油分解而产生碳粒。新生的活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力，从而使油的绝缘强度提高，同时碳粒本身是导体，它分散在油中使周围的局部强场增强而使油的绝缘强度降低。总之，细而分散的碳粒对油的绝缘强度影响并非显著,但碳粒吸附水分逐渐沉积到电气设备的固体介质表而，形成油泥，易造成油中沿固体介质表面的放电，同时也影响散热。在不均匀电场中，由于油的波动使小桥不易搭成，所以液体的品质影响较小，冲击电压下液体的品质对击穿电压的影响也较小。4、温度的影响：温度对液体击穿电压的影响与水分的状态紧密相关。当温度由00C开始逐渐上升时，水在油中的溶解度逐渐增大，原来悬浮状态的水分逐渐转化为溶解状态，使油的击穿电影逐渐升高。当温度超过60-800C时，温度再升高，则水分开始汽化，油也开始汽化，产生气泡，使击穿电压降低。在0