电气工程概论第五章-高电压与绝缘技术课件

1、电气工程专业导论1高电压与绝缘技术的发展高电压与绝缘技术的主要内容高电压新技术及其在各领域的应用第五章 高电压与绝缘技术电气工程专业导论2一、高电压与绝缘技术的发展高电压与绝缘技术是以试验研究为基础的应用技术，主要研究在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象，高电压设备的绝缘结构设计，高电压实验和测量的设备及方法，电力系统的过电压、高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压、大电流的应用等。高电压技术对电力工业、电工制造业以及近代物理的发展（如X射线装置、粒子加速器、大功率脉冲发生器等）都有重大影响。电气工程专业导论31752年富兰克林进行了著名的

2、风筝引电实验1895-1896年W.K.伦琴发现X射线并将其用于人手骨骼影像1911年E.卢瑟福根据粒子轰击金箔引起散射而提出原子模型1931年范德格拉夫发明了高压静电起电机(a)巨型起电机（MIT网站）(b)小型起电机图5-1 范德格拉夫高压静电起电机一、高电压与绝缘技术的发展（续）电气工程专业导论4高电压是相对于低电压而言的，对于电力系统来说，1kV以上至220kV称为高压，220kV至800kV称为超高压（EHV），1000kV以上称为特高压（UHV）。绝缘体是相对于导体而言的，绝缘体电阻率很高（可达1091022.cm），通常通过的泄漏电流非常小，可以忽略不计。一、高电压与绝缘技术的发

3、展（续）电气工程专业导论5一、高电压与绝缘技术的发展（续）电气工程专业导论7二、高电压与绝缘技术的主要内容研究高电压的产生，在高电压下绝缘介质及其系统的特性，电气设备及绝缘，电气系统过电压及其限制措施，高电压试验技术，电磁环境及电磁污染防护，以及高电压技术的应用等。 主要内容可分为四部分： 各类电介质在高电场下的特性(图5-3)； 电气设备绝缘试验技术； 电力系统过电压与绝缘配合； 高电压技术在各个领域的应用等。 电气工程专业导论8图5-3 实验室产生的高压放电现象二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）电气工程专业导论9二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）1、高电压的产生 雷电：电流达100kA

4、，电压达108kV，但持续时间短。 雷电放电过程雷电放电过程雷电参数 雷电活动强度雷暴日及雷暴小时雷暴日：每年中有雷电的天数。 雷暴小时：每年中有雷电的小时数。 年平均雷暴日不超过 15 的地区为少雷区；超过 40 的为多雷区；超过 90 的地区及根据运行经验雷害特别严重的地区为强雷区。 落雷密度地面落雷密度 ：每一个雷暴日、每平方公里对地面落雷次数 。静电：放电脉冲上升时间约为15ns，脉宽 150ns，电流峰值约150A。高压发生装置：交流高电压发生装置，直流 高电压发生装置，冲击电压电流发生装置。 （图5-5，5-6）。电气工程专业导论13二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）图5-5 户

5、外式高压发生装置RRRR多级冲击电压发生器 RfRtATT（1）充电过程：由试验变压器T和高压硅堆D构成的整流电源，以峰值电压经保护电阻及充电电阻向主电容充电。（2）放电过程：当需要启动冲击电压发生器时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球表面之间产生火花放电，引起点火球隙放电，各球隙相继放电，将电容器串联起来，对试品放电。 “电容器并联充电，串联放电”，这一过程由一组球隙来完成。电气工程专业导论16二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）图5-6 6000kV冲击电压发生器（中国电力科学院）电气工程专业导论172、高电压绝缘与电气设备 绝缘材料：气体，液体，固体（有机，无机） 高电压技术发

6、展的关键是绝缘材料的研制和开发研究重点： 高压大容量发电机的环氧粉云母绝缘体系； 中小型电机的F、H级绝缘系列； 高压输电的六氟化硫气态介质； 高性能绝缘油。二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）电气工程专业导论18 电机为了可靠运行在带电部件和壳体之间需要用绝缘材料加以隔绝，而绝缘材料的使用寿命与其材料本身的绝缘等级及使用温度有很大的关系。 电机的绝缘等级是依据所用国内绝缘材料的耐热等级划分的，分E、B、F、H级。允许温升是指电机的温度与周围环境温度相比升高的限度。 绝缘等级使用极限温度温升限值E12075KB13080KF155105KH180120KSF6气体已有百年历史，它是法国两位化学

7、家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性气体，1940年前后，美国军方将其用于曼哈顿计划（核军事）。1947年提供商用。当前SF6气体主要用于电力工业中。SF6气体用于4种类型的电气设备作为绝缘和/或灭弧:SF6断路器及负荷开关设备，SF6绝缘输电管线，SF6变压器及SF6绝缘变电站。80用于高中压电力设备。 SF6气体主要有如下特性： 具有优异的灭弧性能； 绝缘强度高，在大气压下为空气的3倍； 热传导性能好且易复合，特别是当SF6气体由于放电或电弧作用出现离解时； 可在小的气罐内储存，这是因为室温下加高压力易液化。 供气方便，价格不贵且稳定。电气工程专业导论19电气工程专业导

8、论20电气设备的绝缘： 发电机绕组通常采用环氧粉云母带做绝缘； 变压器采用油-纸，树脂和六氟化硫等； 断路器采用空气，油，和六氟化硫等； 电容型设备采用套管和油-纸等绝缘； 架空输电线路-绝缘子和分裂导线； 地下输电线路-电力电缆； 气体绝缘金属封闭组合电器（图5-7）。电气工程专业导论21电气工程专业导论22二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）图5-7 气体绝缘金属封闭组合电器 （1）节省占用面积和空间；（2）性能好，运行安全可靠（3）不产生噪声和干扰（4）安装工期短， 维护工作量小电气工程专业导论243、高电压试验技术 随着电力系统电压等级的不断提高，绝缘成为电气设备中 的薄弱环节。高电压

9、试验是研究击穿机理、影响因素、电气 强度以及检验电气设备耐受水平的最好方法。介质绝缘强度电气设备绝缘试验： 集中性缺陷发展速度快1、绝缘缺陷: 分布性缺陷演变速度慢 2、试验方法分为两类：非破坏性试验和破坏性试验。 二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）非破坏性试验：在较低电压下或其他不会损坏绝缘的方法来检测绝缘，判断绝缘状态，及时发现可能的劣化现象。绝缘电阻测量兆欧表；直流泄漏电流测量；介质损失（损耗）角测量西林电桥；局部放电测量。电气工程专业导论25绝缘电阻 绝缘电阻是一切电介质和绝缘结构的绝缘状态最基本的综合性特性参数。由于电气设备中大多采用组合绝缘和层式结构，故在直流电压下均会有明显的吸

10、收现象，使外电路中出现一个随时间而衰减的吸收电流。绝缘电阻测量兆欧表对于不均匀试品的绝缘，如果绝缘状况良好，则吸收现象明显，值远大于1；如果绝缘严重受潮，由于Ig大增，Ia迅速衰减，Ka值接近于1。 测量绝缘电阻能有效地发现下列缺陷：总体绝缘质量欠佳；绝缘受潮；两极间有贯穿性的导电通道；绝缘表面情况不良。测量绝缘电阻不能发现下列缺陷：绝缘中的局部缺陷：如非贯穿性的局部损伤、含有气泡、分层脱开等；绝缘的老化。 不论是绝缘电阻的绝对值或是吸收比都只是参考性的。如不满足最低合格值，则绝缘中肯定存在某种缺陷；但是，如已满足最低合格值，也还不能肯定绝缘是良好的。有些绝缘，特别是油浸的或电压等级较高的绝缘

11、，即使有严重缺陷，用兆欧表测得的绝缘电阻值、吸收比，仍可能满足规定要求，这主要是因为兆欧表的电压较低的缘故。 测量泄漏电流从原理上来说，与测量绝缘电阻是相似的，但它所加的直流电压要高得多，能发现用兆欧表所不能显示的某些缺陷，具有自己的某些特点。 直流泄漏电流 测量泄漏电流相比测量绝缘电阻可使用较高的电压。泄漏电流能够发现一些尚未完全贯通的集中性缺陷。这是因为一方面加在试品上的直流电压要比兆欧表的工作电压高得多，故能发现兆欧表所不能发现的某些缺陷，另一方面，这时施加在试品上的直流电压是逐渐增大的，这样就可以在升压过程中监视泄漏电流的增长动向。 泄漏电流的测量 电气工程专业导论32直流泄漏电流测量

12、某设备绝缘的泄漏电流曲线曲线1：绝缘良好；曲线2：绝缘受潮；曲线3：绝缘中有未贯通的集中性缺陷；曲线4：绝缘有击穿的危险发电机的泄漏电流变化曲线 绝缘良好的发电机，泄漏电流值较小，且随电压呈线性上升，如曲线1所示；如果绝缘受潮，电流值变大，但基本上仍随电压线性上升，如曲线2所示； 曲线3表示绝缘中已有集中性缺陷，应尽可能找出原因加以消除；如果在电压尚未到直流耐压试验电压 的12时，泄漏电流就已急剧上升，如曲线4所示，那么这台发电机在运行电压下(不必出现过电压)就可能会发生击穿。 发电机的泄漏电流变化曲线 局部放电测量电气工程专业导论37介质损失（损耗）角电气工程专业导论39介质损失（损耗）角测

13、量电气工程专业导论40西林电桥的基本原理破坏性试验：在各种较高电压下进行的试验，也称为耐压试验。目的在于考核绝缘的电气强度雷电冲击耐压试验；交、直流耐压试验；操作冲击耐压试验。电气工程专业导论42电气工程专业导论43电气工程专业导论45二、高电压与绝缘技术的主要内容（续） 高电压试验设备 图5-9 高电压分压器 分压器是高电压试验中必备的测量设备，它能将高电压转换为可用普通电压表测量的安全低电压。其测量准确性、直观性及使用方便性是传统测量高电压采用的静电电压表、测量球隙等所无法比拟的。分压器一般是指不带测量仪表的“分压器体”，如配有普通电压表、专用电压表、多功能峰值表或记录仪等，则可称为：高压

14、分压器测量系统、千伏表等。2. 电容分压器C2C1U1U2交流电容分压器 分压器高压臂分压器低压臂 分压器的分压比是常数，即不应随被测电压的波形、频率、幅值、周围大气条件、安装地点的变化而改变。此外，分压器的接入应不影响电压波形和幅值。 （1）分布式电容分压器，它的高压臂有多个电容器元件串联组装而成，要求每个元件尽可能为纯电容，介质损耗和电感尽可能小。（2）集中式电容分压器，它的高压臂使用一个气体介质的高压标准电容器。 对于电容分压器低压臂电容C2，要求电容量较大而承受的电压较低，因此应采用高稳定度、低损耗、低电感量的云母、聚苯乙烯等介质的电容器。 电容量根据分压比和低压仪表的量程确定。 电气

15、工程专业导论47 图5-11 高压试验变压器作用1、产生工频高压试验电压2、作为直流高压和冲击高压设备的电源变压器3、产生操作波试验电压特点与一般电力变压器比较，试验变压器有以下特点：（1）变压器的容量不大（2）变压器一般为单相油浸式（3）由于变压器连续工作时间短，不需要散热装置（4）绝缘裕度较低，不需考虑变压器受大气或内部过电压的影响（5）工频输出电压高，可达到几百到几千KV电气工程专业导论48二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）图5-12 数字式局部放电检测系统图5-13 通用型钳形表电气工程专业导论49二、高电压与绝缘技术的主要内容（续） 电气设备诊断及在线监测 对电气设备进行试验和各种

16、特性测量，了解其特征，评估设备状态，及时发现故障，称为电气设备诊断技术（Diagnostic Technique） 电气工程专业导论50二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）4、电力系统过电压及其保护 电力系统过电压雷电（大气）过电压内部过电压暂态过电压操作过电压直击雷过电压感应雷过电压工频过电压谐振过电压常用过电压限制措施： 装避雷针、避雷器，调整线路参数，装设并联电抗器、静止无功补偿器，在操作断路器触头上装设并联电阻，以及用快速继电保护减小工频电压升高及其持续时间等。工频过电压工频过电压在暂时过电压中的重要性：它是确定超高压远距离输变电设备绝缘水平的重要依据，其幅值影响保护电器的工作条件和保

17、护效果。它的持续时间影响设备绝缘及运行性能，并且长线中的操作过电压是在工频过电压的基础上振荡产生的。在超高压输电系统中，工频电压升高应当受到相当的重视。产生原因：长线电容效应、不对称接地和突然甩负载。采取措施：传统的方法是使用同步补偿机或并联电抗器，近年来的发展了静止无功补偿技术，各有优缺点。电气工程专业导论51谐振过电压一、产生谐振过电压的原因：由于系统中存在着大量的电容电感元件，在系统进行操作或发生故障时，这些电容电感元件可能形成各种不同自振频率的振荡回路，在外电源的作用下发生谐振现象，造成某些元件上出现谐振过电压。二、谐振过电压的特点：是一种稳态现象，存在的时间较长，对电气设备绝缘的危害

18、大。三、谐振的类型：由于系统中的电阻电容元件可以认为是线性的，而电感则可能是线性的、非线性的或作周期性变化的，按电感的类型不同，谐振分为1、线性谐振2、参数谐振3、铁磁谐振电气工程专业导论52操作过电压1、产生：系统中对断路器的操作而带来的过电压。其过电压倍数K的大小和持续时间与电网的结构，断路器的性能，系统的接线方式及运行操作方式有关。K一般为342、类型：（1）空载线路合闸过电压（2）切除空载线路过电压（3）切除空载变压器过电压（4）中性点不接地系统中弧光过电压电气工程专业导论54电气工程专业导论56 电气工程专业导论57电气工程专业导论58二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）5、防雷及防

19、雷设备 避雷针与避雷器图5-14 氧化锌避雷器电气工程专业导论59三、高电压新技术及其在各领域的应用1、等离子体技术2、激光3、液电效应4、静电技术及其应用5、环保应用6、在材料、冶金及加工中的应用7、在照明技术中的应用电气工程专业导论60Thank you！Thats all电气工程专业导论615.1 Development of High Voltage and Insulation Technology5.2 Main Contents of High Voltage and Insulation Technology5.3 High Voltage New Technology and

20、 Application in Various FieldsChapter5 High Voltage and Insulation Technology电气工程专业导论625.1 Development of High Voltage and Insulation TechnologyHigh voltage and insulation technology is an application technology basing on experiment research. It studies the performance of insulation medium and diffe

21、rent types of discharge phenomena, insulation structure design of high voltage equipment, the devices and methods of high voltage experiment and measurement, the effects of highfield, intense magnetic field, and electromagnetic field producing by over voltage, high voltage and large current of power

22、 system, and protective measures on environment, the application of high voltage and large current, etc. High voltage technology has great effects on power industry, electrotechnical manufacturing industry and the development of modern physics (e.g. X ray device, particle accelerator and large power

23、 pulse generator, etc).电气工程专业导论635.1 Development of High Voltage and Insulation Technology1752Franklin made the famous kite electrical penetration experiment1895-1896Roentgen discovered X ray and used it in hand skeleton image1911E.Rutherford introduced atom model according to scattering caused by p

24、article bombarding the golden foil1931Van de Graaff invented high voltage electrostatic electrifier(a) Giant electrifier（MIT web）(b) Small electrifierFig.5-1 Van de Graaff high voltage electrostatic electrifier电气工程专业导论645.1 Development of High Voltage and Insulation Technology High voltage is a comp

25、arative value. To power system, high voltage is between 1kV and 220kV, extra high voltage (EHV) is between 220kV and 800kV, ultra high voltage (UHV) is greater than 1000kV.Insulator is corresponding with conductor. The resistivity is very high (1091022.cm), and the passed leakage current is so small

26、 that can be neglected.电气工程专业导论655.1 Development of High Voltage and Insulation TechnologyAs a technology science closely related to national economy, the high voltage technology develops with the need of distribution project and high voltage equipments.In 1891, Germany built the 175km long, 15.2kV

27、three-phase AC distribution line. Though the delivered power was only 200kW, it began the application in distribution project of high voltage technology. Fig 5-2 High voltage power transmission 电气工程专业导论665.2 Main Contents of High Voltage and Insulation TechnologyStudy the generation of high voltage,

28、 the performance of insulation medium and its system in high voltage, electrical equipment and insulation, over voltage and restriction measurement in electric system, high voltage test technique, electromagnetic environment and electromagnetic pollution protection, application of high voltage techn

29、ology, etc. Main contents: Characteristics of various electric mediums in highfield; Electric equipment insulation test technology; The over voltage and insulation coordination in power system; Application of high voltage technology in various fields.电气工程专业导论675.2 Main Contents of High Voltage and I

30、nsulation TechnologyFig 5-3 High voltage discharge in laboratory电气工程专业导论685.2 Main Contents of High Voltage and Insulation Technology1. The generation of high voltage Thunderstorm electricity：current can be 100kA, voltage can be 108kV, short duration time. Electrostatic：the rising time of discharge

31、pulse is about 15ns, pulse width is 150ns, current peak current is about 150A. (Fig 5-4) High voltage generation device: AC high voltage generation device, DC high voltage generation device, impulse voltage or current generation device. (Fig 5-5, 5-6)电气工程专业导论695.2 Main Contents of High Voltage and I

32、nsulation TechnologyFig 5-4 High voltage electrostatic 电气工程专业导论705.2 Main Contents of High Voltage and Insulation TechnologyFig 5-5 Outdoor high voltage generation device电气工程专业导论715.2 Main Contents of High Voltage and Insulation TechnologyFig 5-6 6000kV impulse voltage generator电气工程专业导论725.2 Main Co

33、ntents of High Voltage and Insulation Technology2. High voltage insulation and electric equipment Insulation materials: gas, liquid, solid (organic, inorganic); Key point of high voltage technology development: research and development of insulation materials; The insulation of electric equipment: G

34、enerator: epoxy micapaper tape; Transformer: oil-paper, resin, SF6, etc; Circuit breaker: air, oil, SF6, etc; Capacitive equipment: casing and oil-paper, etc; Overhead transmission line: insulator; Underground transmission line: power cable; Gas lnsulated Switchgear -GIS (Fig 5-7).电气工程专业导论735.2 Main

35、 Contents of High Voltage and Insulation TechnologyFig 5-7 GIS 电气工程专业导论745.2 Main Contents of High Voltage and Insulation Technology3. High voltage test technology With the increase of the voltage level in power system, insulation becomes a weak link in electric equipment. High voltage test is the b

36、est way to study the puncture principle, influencing factors, electric intensity and the duration level of electric equipment.Medium insulation intensityElectric equipment insulation test Test methods: non-destructive test and destructive test. Main contents of test:The measurement of insulation res

37、istance and absorptance;The measurement of leakage current;The measurement of partial discharge;Color spectrum analysis of insulating oil;Line-frequency AC withstand voltage test;DC withstand voltage test;Impulse high voltage test;Online monitoring technique of electric equipment, etc. 电气工程专业导论755.2

38、 Main Contents of High Voltage and Insulation TechnologyFig 5-8 Ball-gap discharge test 电气工程专业导论765.2 Main Contents of High Voltage and Insulation Technology High voltage test equipmentFig 5-9 High voltage bleeder Fig 5-11 High voltage testing transformerFig 5-10 High voltage voltmeter电气工程专业导论775.2

39、Main Contents of High Voltage and Insulation TechnologyFig 5-12 Digital partial discharge testing systemFig 5-13 General clip-on meter电气工程专业导论785.2 Main Contents of High Voltage and Insulation Technology Electric equipment diagnosis and online monitoring Electric equipment diagnostic technique: test and various characteristics measurement, understand of distinctions, evaluation of the equipment status, discovery of the failures in time.电气工程专业导论795.2 Main Contents of High Voltage and Insulation Technology4、Power system over voltage and