第二章液体和固体介质的电气特性

第二节液体介质的击穿液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为：液体介质：变压器油、电容器油、电缆油固体介质：纸、布、云母、塑料、瓷、玻璃、硅橡胶第二节液体介质的击穿应用广泛，作为设备的内绝缘。绝缘、灭弧、散热纯净的液体介质击穿场强比气体高得多（1MV／cm）。工程用的液体介质击穿场强很少超过300kV／cm。击穿机理理想：与气体类似工程：小桥理论一、小桥理论工程应用的液体介质不可避免地存在气泡或杂质如水分、悬浮的固体纤维等。

纤维对电场产生畸变作用，易导致纤维端部的液体介质放电汽化，产生气泡（分两种情况）水分流过电流时易发热气化，进而形成气泡在电极间排列搭成电导性较强的气泡“小桥”，造成击穿。判断变压器油的质量，其中最重要的实验项目就是测量油的工频击穿电压。二、影响液体介质击穿的因素1、杂质的影响水分：油中最主要的杂质。溶解悬浮气泡注入过程（放电）中产生静置一定时间以消除油中气泡变压器油Eb与含水重量浓度m的关系变压器油工频击穿电压与温度的关系2、温度的影响关系比较复杂，主要取决于油中水分的状态（固、悬浮、溶解、汽化）3、油体积的影响杂质出现的概率随油体积的增加而增加，击穿场强随之下降。4、电压形式的影响杂质形成小桥需要时间。冲击击穿强度比工频击穿强度高得多。极不均匀：1.4-1.5均匀：2三、减小杂质影响的措施过滤

防潮（呼吸器）

祛气（真空注油）

用固体介质减小油中杂质的影响

覆盖层：限制泄漏电流/电缆纸、黄蜡布或漆膜绝缘层：覆盖层厚度增大，本身承担一定电压屏障：既阻止杂质“小桥”的形成，又改善间隙中电场均匀度（最佳位置、厚度）-应用广泛第三节固体介质的击穿1年=31536000s固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高。特点：击穿场强与电压作用的时间有很大关系。一旦击穿，绝缘无法自行恢复。

（一）电击穿电击穿过程与气体中相似，电离足够强时破坏介质晶格结构导致击穿。体积效应由于材料的不均匀性，导致击穿场强分散性很大；加大试样的面积或体积，使材料弱点出现的概率增大，会使击穿场强降低；累积效应固体介质在冲击电压多次作用下，局部损伤会逐渐扩大，致使其击穿电压Un有可能低于单次冲击电压作用时的击穿电压U1。存在于有机材料。（二）热击穿是一个热不平衡的过程（电导电流、介质极化）。介质损耗导致发热和温度升高；温度升高加剧损耗和发热；发热与散热相等，达到平衡温度；发热大于散热，温度不断上升，造成热破坏。热击穿所需时间较长（几分钟～几小时）工频lmin耐压不能考验热击穿特性（5~10min）随外加电场频率的增加，热击穿的几率增大（极化：直流、工频，高频）。（三）电化学击穿介质长期加电压引起介质劣化而导致击穿强度下降。局部放电导致绝缘劣化。介质内气隙的局部放电（PartialDischarge，简称PD）PD产生活性气体如O3、NO、NO2等对介质将产生氧化和腐蚀作用；带电粒子对介质表面的撞击，也会使介质受到机械的损伤和局部的过热。气隙的产生制造过程：浇注、挤压成型等绝缘与电极接触不良局部放电导致绝缘劣化。1、局部放电的等值电路Cm>>Cg>>Cb

气隙放电时气隙上的电压变化1、微量压降2、电流脉冲放电前后，间隙g两端的电压变化为(Ug-Ur)对间隙g放电的电容量为：真实放电量Δqr为：不可测！视在放电量Δq=放电时试品上电压变化ΔU╳试品电容视在放电量可能比真实放电量小得多！绝缘上的电压变化：单次局部放电的能量设Cg放电时试品上电压为Ui，则：若近似地认为Ur≈0，则：2交流和直流电压下局部放电的比较随着交流电压频率的增高，单位时间内局放次数增多，局放对绝缘的危害加大。发电机定子绕组端部绝缘局部放电实测波形直流下局放频率很低，其危害性远小于交流时+++---3提高局部放电电压的措施各种材料耐受局放的性能不同：

无机材料有较强的耐局放性能：陶瓷、云母；有机材料耐局放的性能较差：塑料。提高绝缘局部放电电压的措施：尽量消除气隙或设法减小气隙的尺寸：钢管油压电缆；设法提高空穴的击穿场强：用液体介质或高耐电强度的压缩气体充填空穴。第四节组合绝缘的特性电气设备内部绝缘结构中常用液体与固体介质构成组合绝缘：油—屏障绝缘；油纸绝缘。组合绝缘电气强度不仅取决于所用介质的绝缘强度，还与介质的互相配合有关。油—屏障绝缘：

以油为主要绝缘介质，散热、冷却作用好；屏障的作用：改善油间隙中电场分布和阻止杂质小桥的形成；

广泛用于变压器中；屏障的总厚度不宜取得过大（否则可能引起油中场强增高）。一、油—屏障绝缘与油纸绝缘的特点油纸绝缘：液体介质用作充填固体绝缘中气隙的浸渍剂；固体介质为绝缘的主体；油纸绝缘的击穿强度很高，但散热比较困难；油纸绝缘的直流击穿场强比交流击穿场强高得多。1—粘浸渍电缆2—充油电缆直流电压下短时击穿场强约为交流时二倍以上，其长时间击穿场强则为交流时三倍以上。二、多介质系统中的电场三、电场调整的方法组合绝缘结构的电场调整用分阶绝缘的方法来降低电力电缆缆芯附近的场强第五节绝缘的老化绝缘老化：固体和液体介质在长期运行过程中会发生一些物理变化和化学变化，导致其机械和电气性能劣化。绝缘老化的原因：电的作用、热的作用、机械力的作用、水分、氧化和射线、微生物的作用等。一、电介质的热老化高温下，短时间内就能发生明显的损坏。热老化温度比短时允许温度低，但作用时间长时，绝缘性能发生的不可逆的变化绝缘的温度越高，老化越快，寿命越短。不同介质材料的耐热性不同：绝缘级别OAEBFHC最高容许温度90105120130155180>180工作温度超过规定值时，介质迅速劣化，寿命大大缩短（1/2）A级：8℃规则(油—屏障和油纸绝缘属A级)B级：10℃规则(大电机绝缘用云母制品属B级)H级：12℃规则（干式变压器等）绝缘级别OAEBFHC最高容许温度90105120130155180>180二、介质的电老化主要原因：局部放电。固体介质耐受局部放电的性能存在差别：抗电老化的性能是不同的（无机/有机)。绝缘设计时必须选择合适的工作场强。三、机械力的影响机械应力过大使固体介质内产生裂痕或气隙导致局部放电。悬式绝缘子串中靠近铁塔悬挂点的最易损坏。电机绕组机械力作用，使绝缘受到损伤。温度突变产生内部应力：突然降雨使瓷表面骤冷，其内部产生应力。四、环境的影响环境条件对绝缘的老化有很大的影响。绝缘油的老化（氧化、温度）户外绝缘应能耐受日晒雨淋湿热区域使用的要有抗生物特性材料的相容性。第六节电力系统过电压与绝缘配合过电压（overvoltage）电气设备上出现的高于工作电压的电压。按来源形式分类外部过电压（雷电过电压）：雷云放电。内部过电压：在电力系统内部，由于断路器的操作或系统发生故障，使系统参数发生变化，引起电网电磁能量的转化或传递。雷电过电压直击雷过电压：直击输电线路等，雷电流流过被击物（<60米）。感应雷过电压：雷击输电线路附近的地面，通过电磁耦合。一般不会超过500kV。一、电力系统过电压简介电容效应在集中参数L、C串联电路中，如果容抗大于感抗，即1/ωC>ωL，那么电路中将流过容性电流。电容上的电压等于电源电势加上电容电流流过电感造成的电压降，这种电容电压高于电源电势的现象，称为电容效应。1、空载长线的电容效应引起的工频过电压～RLUR.UL.EUCC..空载长线的简化等值电路Z：线路波阻抗，约300相位系数若线路末端开路，即：

可得线路首末端电压关系为

波长谐振：线路末端电压将趋于无穷大电源的容量的影响:1、无限大容量（Xs=0）2、有限大容量（Xs>0）加剧电容效应空载线路终端电压的升高2、中性点不接地系统电弧接地过电压jdI&1C2C3C2I&3I&dABCNL23LI&健全相的最大过电压为3.5p.u.，故障相的最大过电压为2.0p.u.。限制过电压的措施中性点直接接地。采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。消弧线圈作用：①补偿流过故障点的电容电流，使电弧能自行熄灭，系统自行恢复正常工作状态。②降低故障相上的恢复电压上升的速度，减小电弧重燃的可能性。采用中性点经消弧线圈接地的运行方式消弧线圈的补偿度：脱谐度：γr>0：欠补偿；γr<0：过补偿；二、过电压的防护和限制措施1、防雷装置防雷装置：避雷针、避雷线、避雷器、接地网。保护原理：吸引雷电击于自身，使其附近的处于保护范围内的被保护物（导线、设备、建筑物等）免遭雷击；同时通过良好的接地装置，将雷电流泻入大地。接地：把设备与作为0电位参照点的地球作电气上的连接。接地分类①工作接地：电力系统为了运行的需要，将电网某一点接地，其目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。②保护接地：为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘劣化，外壳可能带电而危及工作人员安全。③防雷接地：导泄雷电流，以消除过电压对设备的危害。④静电接地：在可燃物场所的金属物体，蓄有静电后，往往爆发火花，以致造成火灾。因此要对这些金属物体（如贮油罐等）接地。接地体：埋入地中并直接与大地接触的金属导体。接地装置：将接地体与需要接地的设备接地端连接起来的装置。接地电阻接地点处的电位U与经接地装置入地的接地电流I的比值（R＝U/I）。是大地电阻效应的总和（本体电阻+土壤电阻效应）。接地电阻越大越好还是越小越好？避雷器（Arrester，Arr）限制过电压的保护装置。种类：保护间隙；管型避雷器；阀型避雷器：普通阀型（FS、FZ）、磁吹式（FCZ、FCD）；金属氧化物避雷器（又称ZnO避雷器）。不同类型的避雷器的保护特性存在明显差别。排气式避雷器1—产气管2—棒形电极3—环形电极S1—内间隙S2—外间隙阀型避雷器的保护原理避雷器1非线性电阻元件2火花间隙避雷器阀片的伏安特性u=ciα阀片的伏安特性i1—工频续流u1—工频电压i2—雷电流u2—避雷器残压阀型避雷器动作过程金属氧化物避雷器架空输电线路防雷：任务：采用技术上和经济上的合理措施，使系统雷害降低到运行部门能够接受的程度。具体原则和措施（四道防线）：防止雷直击导线；防止雷击塔顶或避雷线后引起逆闪络；防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧；防止线路中断供电。2、雷电过电压的防护耦合地线架空避雷线发电厂和变电所的防雷防止直击雷：采用避雷针或避雷线。范围：电气设备、建筑物等。雷击独立避雷针1—母线2—变压器防止雷击输电线路后产生的雷电波沿线路侵入安装避雷器以限制过电压幅值。采用进线段保护。对于纵绝缘更为薄弱的直配电机，在母线上增装电容器以进一步降低侵入波的陡度。35kV～110kV变电所进线保护接线3、内部过电压的限制措施工频过电压的限制措施：利用并联电抗器补偿空载线路的电容效应；利用静止补偿装置（SVC）；采用良导体地线降低输电线路的零序阻抗。谐振过电压的限制措施：电网的设计或运行阶段，尽量避免谐振条件的出现；对于较难避免的铁磁谐振过电压，可安装消谐器、阻尼电阻、改善电压互感器的激磁特性。操作过电压的限制措施：安装消弧线圈；高压线路上装设并联电抗器；采用带有并联电阻的断路器；装设专门的避雷器。1—主触头2—辅助触头R—并联电阻三、绝缘配合的方法绝缘配合的原则：综合考虑电气设备在电力系统中可能承受的各种电压（工作电压和过电压）、限压保护装置的特性以及设备绝缘对各种作用电压的耐受特性，合理地确定设备必要的绝缘水平，以使设备的造价、维修费用和设备绝缘故障引起的事故损失，达到在经济上和安全运行上总体效益最高的目的。最终目的：确定电气设备的绝缘水平。考虑不同电压等级电网中过电压的不同特点220kV以下电网，绝缘水平主要由大气过电压决定；330kV及以上的超高压绝缘配合中，操作过电压将起主导作用；特高压电网中，绝缘水平甚至可能由工频过电压和长时工作电压决定。绝缘配合的具体方法：惯用法、统计法、简化统计法。1）惯用法原则（思想）：按作用在绝缘上的最大过电压和最小的绝缘强度的概念进行绝缘配合。办法首先确定设备上可能出现的最危险的过电压，然后根据运行经验乘上一个考虑各种因素影响和一定裕度的系数，从而决定绝缘应耐受的电压水平。缺点惯用法确定的绝缘水平裕度较大（过大）2）统计法思路：视过电压和绝缘强度均为随机变量。方法：已知过电压和绝缘放电电压的概率分布；计算出绝缘放电的概率和线路故障率；在技术经济比较的基础上，确定绝缘水平。绝缘故障率的估算示意图过电压概率密度函数绝缘放电概率函数3）简化统计法思路：假设已知过电压和绝缘放电电压的概率分布。方法：在假设的基础上，计算故障率，进而确定绝缘水平。特点：简化；只能用于自恢复绝缘，主要是输变电的外绝缘。四、输变电设备和线路的绝缘水平在变电所中，确定电力变压器的绝缘水平是中心环节。确定绝缘水平的基础是避雷器的保护水平。避雷器的保护水平：雷电冲击保护水平（BIL）；操作冲击保护水平（BSL）。分别为对应的标准冲击放电电流作用下，避雷器上呈现的最高电压（残压）。绝缘水平=K.U残K的影响因素（1.25~1.4）：避雷器和被保护设备之间的距离；避雷器参数和性能的变化；设备绝缘的老化；安全裕度。额定电压最高工作电压额定操作冲击耐受电压额定雷电冲击耐受电压额定短时工频耐受电压有效值（kV）峰值（kV）相对地过电压（p.u.）峰值（kV）有效值（kV）ⅠⅡⅠⅡ33.5－－2040101866.9－－406020231011.5－－607528301517.5－－7510538402023.0－－－125－503540.5－－－185/200*－806369.0－－－325－140110126－－－450/480*－185220252－－－850－36095039