电气工程概论第五章高电压与绝缘技术

电气工程概论第五章高电压与绝缘技术目前一页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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。目前二页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论31752年富兰克林进行了著名的风筝引电实验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α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）目前三页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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109~1022Ω.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展（续）目前四页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论5一、高电压与绝缘技术的发展（续）目前五页\总数八十二页\编于二十点目前六页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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：

①各类电介质在高电场下的特性(图5-3)；

②电气设备绝缘试验技术；

③电力系统过电压与绝缘配合；

④高电压技术在各个领域的应用等。

目前七页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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）目前八页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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，电压达108kV，但持续时间短。

目前九页\总数八十二页\编于二十点雷电放电过程雷电放电过程目前十页\总数八十二页\编于二十点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γ

：每一个雷暴日、每平方公里对地面落雷次数。目前十一页\总数八十二页\编于二十点静电：放电脉冲上升时间约为1~5ns，脉宽 150ns，电流峰值约1~50A。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）。目前十二页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论13二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）图5-5户外式高压发生装置目前十三页\总数八十二页\编于二十点目前十四页\总数八十二页\编于二十点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。目前十五页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论16二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）图5-66000kV冲击电压发生器（中国电力科学院）目前十六页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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）高电压技术发展的关键是绝缘材料的研制和开发研究重点：

①高压大容量发电机的环氧粉云母绝缘体系；

②中小型电机的F、H级绝缘系列；

③高压输电的六氟化硫气态介质；

④高性能绝缘油。二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）目前十七页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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E120℃75KB130℃80KF155℃105KH180℃120K目前十八页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论19SF6气体已有百年历史，它是法国两位化学家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。

目前十九页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论20电气设备的绝缘：①发电机绕组通常采用环氧粉云母带做绝缘；②变压器采用油-纸，树脂和六氟化硫等；③断路器采用空气，油，和六氟化硫等；

④电容型设备采用套管和油-纸等绝缘；

⑤架空输电线路--绝缘子和分裂导线；

⑥地下输电线路--电力电缆；

⑦气体绝缘金属封闭组合电器（图5-7）。目前二十页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论21目前二十一页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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

目前二十二页\总数八十二页\编于二十点（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，维护工作量小目前二十三页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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）目前二十四页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论25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。目前二十五页\总数八十二页\编于二十点绝缘电阻

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收现象，使外电路中出现一个随时间而衰减的吸收电流。目前二十六页\总数八十二页\编于二十点绝缘电阻测量——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。目前二十七页\总数八十二页\编于二十点

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。目前二十八页\总数八十二页\编于二十点

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，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。

目前二十九页\总数八十二页\编于二十点

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。

直流泄漏电流目前三十页\总数八十二页\编于二十点

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

目前三十一页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论32直流泄漏电流测量目前三十二页\总数八十二页\编于二十点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：绝缘有击穿的危险目前三十三页\总数八十二页\编于二十点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；目前三十四页\总数八十二页\编于二十点

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1／2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

目前三十五页\总数八十二页\编于二十点局部放电测量目前三十六页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论37目前三十七页\总数八十二页\编于二十点目前三十八页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论39介质损失（损耗）角目前三十九页\总数八十二页\编于二十点介质损失（损耗）角测量电气工程专业导论40目前四十页\总数八十二页\编于二十点西林电桥的基本原理目前四十一页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论42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。目前四十二页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论43目前四十三页\总数八十二页\编于二十点目前四十四页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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：高压分压器测量系统、千伏表等。目前四十五页\总数八十二页\编于二十点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。目前四十六页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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目前四十七页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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通用型钳形表目前四十八页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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（DiagnosticTechnique）

目前四十九页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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。目前五十页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论51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。目前五十一页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论52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、铁磁谐振目前五十二页\总数八十二页\编于二十点目前五十三页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论54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3～42、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目前五十四页\总数八十二页\编于二十点目前五十五页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论56目前五十六页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论57

目前五十七页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论58二、高电压与绝缘技术的主要内容（续）5、防雷及防雷设备

避雷针与避雷器图5-14氧化锌避雷器目前五十八页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论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目前五十九页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论60Thankyou！That'sall目前六十页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论615.1DevelopmentofHighVoltageandInsulationTechnology5.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnology5.3HighVoltageNewTechnologyandApplicationinVariousFieldsChapter5HighVoltageandInsulationTechnology目前六十一页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论625.1DevelopmentofHighVoltageandInsulationTechnology

Highvoltageandinsulationtechnologyisanapplicationtechnologybasingonexperimentresearch.Itstudiestheperformanceofinsulationmediumanddifferenttypesofdischargephenomena,insulationstructuredesignofhighvoltageequipment,thedevicesandmethodsofhighvoltageexperimentandmeasurement,theeffectsofhighfield,intensemagneticfield,andelectromagneticfieldproducingbyovervoltage,highvoltageandlargecurrentofpowersystem,andprotectivemeasuresonenvironment,theapplicationofhighvoltageandlargecurrent,etc.

Highvoltagetechnologyhasgreateffectsonpowerindustry,electrotechnicalmanufacturingindustryandthedevelopmentofmodernphysics(e.g.Xraydevice,particleacceleratorandlargepowerpulsegenerator,etc).目前六十二页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论635.1DevelopmentofHighVoltageandInsulationTechnology1752Franklinmadethefamouskiteelectricalpenetrationexperiment1895-1896RoentgendiscoveredXrayanduseditinhandskeletonimage1911E.Rutherfordintroducedatommodelaccordingtoscatteringcausedbyαparticlebombardingthegoldenfoil1931VandeGraaffinventedhighvoltageelectrostaticelectrifier(a)Giantelectrifier（MIT

web）(b)SmallelectrifierFig.5-1VandeGraaffhighvoltageelectrostaticelectrifier目前六十三页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论645.1DevelopmentofHighVoltageandInsulationTechnology

Highvoltageisacomparativevalue.Topowersystem,highvoltageisbetween1kVand220kV,extrahighvoltage(EHV)isbetween220kV

and800kV,ultrahighvoltage(UHV)

isgreaterthan1000kV.

Insulatoriscorrespondingwithconductor.Theresistivityisveryhigh(109~1022Ω.cm),andthepassedleakagecurrentissosmallthatcanbeneglected.目前六十四页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论655.1DevelopmentofHighVoltageandInsulationTechnologyAsatechnologysciencecloselyrelatedtonationaleconomy,thehighvoltagetechnologydevelopswiththeneedofdistributionprojectandhighvoltageequipments.In1891,Germanybuiltthe175kmlong,15.2kVthree-phaseACdistributionline.Thoughthedeliveredpowerwasonly200kW,itbegantheapplicationindistributionprojectofhighvoltagetechnology.

Fig5-2Highvoltagepowertransmission

目前六十五页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论665.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnology

Studythegenerationofhighvoltage,theperformanceofinsulationmediumanditssysteminhighvoltage,electricalequipmentandinsulation,overvoltageandrestrictionmeasurementinelectricsystem,highvoltagetesttechnique,electromagneticenvironmentandelectromagneticpollutionprotection,applicationofhighvoltagetechnology,etc.

Maincontents:

①Characteristicsofvariouselectricmediumsinhighfield;

②Electricequipmentinsulationtesttechnology;

③Theovervoltageandinsulationcoordinationinpowersystem;

④Applicationofhighvoltagetechnologyinvariousfields.目前六十六页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论675.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnologyFig5-3Highvoltagedischargeinlaboratory目前六十七页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论685.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnology1.Thegenerationofhighvoltage

Thunderstormelectricity：currentcanbe100kA,voltagecanbe108kV,shortdurationtime.

Electrostatic：therisingtimeofdischargepulseisabout1~5ns,pulsewidthis150ns,currentpeakcurrentisabout1~50A.(Fig5-4)

Highvoltagegenerationdevice:AChighvoltagegenerationdevice,DChighvoltagegenerationdevice,impulsevoltageorcurrentgenerationdevice.(Fig5-5,5-6)目前六十八页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论695.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnologyFig5-4Highvoltageelectrostatic

目前六十九页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论705.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnologyFig5-5Outdoorhighvoltagegenerationdevice目前七十页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论715.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnologyFig5-66000kVimpulsevoltagegenerator目前七十一页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论725.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnology2.Highvoltageinsulationandelectricequipment

Insulationmaterials:gas,liquid,solid(organic,inorganic);

Keypointofhighvoltagetechnologydevelopment:researchanddevelopmentofinsulationmaterials;

Theinsulationofelectricequipment:

①Generator:epoxymicapapertape;

②Transformer:oil-paper,resin,SF6,etc;

③Circuitbreaker:air,oil,SF6,etc;

④Capacitiveequipment:casingandoil-paper,etc;

⑤Overheadtransmissionline:insulator;

⑥Undergroundtransmissionline:powercable;

⑦

GaslnsulatedSwitchgear----GIS(Fig5-7).目前七十二页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论735.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnologyFig5-7GIS

目前七十三页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论745.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnology3.Highvoltagetesttechnology

Withtheincreaseofthevoltagelevelinpowersystem,insulationbecomesaweaklinkinelectricequipment.Highvoltagetestisthebestwaytostudythepunctureprinciple,influencingfactors,electricintensityandthedurationlevelofelectricequipment.MediuminsulationintensityElectricequipmentinsulationtest

Testmethods:non-destructivetestanddestructivetest.

Maincontentsoftest:

①Themeasurementofinsulationresistanceandabsorptance;

②Themeasurementofleakagecurrent;

③Themeasurementofpartialdischarge;

④Colorspectrumanalysisofinsulatingoil;

⑤Line-frequencyACwithstandvoltagetest;

⑥DCwithstandvoltagetest;

⑦Impulsehighvoltagetest; ⑧Onlinemonitoringtechniqueofelectricequipment,etc.

目前七十四页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论755.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnologyFig5-8Ball-gapdischargetest

目前七十五页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论765.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnology

HighvoltagetestequipmentFig5-9Highvoltagebleeder

Fig5-11HighvoltagetestingtransformerFig5-10Highvoltagevoltmeter目前七十六页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论775.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnologyFig5-12DigitalpartialdischargetestingsystemFig5-13Generalclip-onmeter目前七十七页\总数八十二页\编于二十点电气工程专业导论785.2MainContentsofHighVoltageandInsulationTechnology

Electricequipmentdiagnosisandonlinemonitoring

Electricequipmentdiagnostictechnique:testandvariouscharacteristicsmeasurement,understandofdistinctio