高电压绝缘技术讲义

关于高电压绝缘技术讲义1什么是绝缘

绝缘的功能是将具有不同电位的导体隔开，从而使电气设备能处于安全状态。绪论第2页,共191页，2024年2月25日，星期天表11995-2001年变压器故障台数统计

第3页,共191页，2024年2月25日，星期天故障类型击穿故障放电故障(1)随着变压器电压等级的提高，故障台率明显升高，330～500kV变压器故障台率是110kV的两倍以上；(2)变压器线圈故障占故障总数的71.2％，线圈故障对变压器危害很大。其中，因变压器抗短路能力不够的线圈故障占线圈故障的58.1％，应更加注意。第4页,共191页，2024年2月25日，星期天2与绝缘相关的问题

绝缘材料气体放电液体介质的性能固体介质的性能不同介质的交界面第5页,共191页，2024年2月25日，星期天研究对象电介质的击穿过程及其规律典型电气设备的绝缘问题绝缘试验及检测第6页,共191页，2024年2月25日，星期天3.高压电器中的绝缘绝缘子

电力电容器

电力电缆

高压套管

电流互感器

变压器第7页,共191页，2024年2月25日，星期天4.绝缘试验

绝缘特性试验

绝缘耐压试验第8页,共191页，2024年2月25日，星期天5.为什么要掌握高电压绝缘公司盈利降低电器产品绝缘性能不良通过型式试验与否在运行中发生故障公司成本上升，市场信誉降低裁员第9页,共191页，2024年2月25日，星期天公司盈利增长电器产品绝缘性能良好通过型式试验稳定运行公司成本下降，市场信誉上升升职第10页,共191页，2024年2月25日，星期天1.1基本概念气体放电:

将气体中流通电流的各种形式称作气体放电。击穿与闪络:当气体间隙上的电压达到一定数值时，电流突然剧增，使气体失去绝缘性能。气体由绝缘状态突变为良导电状态的过程，称为击穿。当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络。1.

气体放电介电强度第11页,共191页，2024年2月25日，星期天均匀电场与不均匀电场(1)采用电场不均匀系数来描述电场的不均匀程度，f=1为均匀电场，f<2为稍不均匀电场；f>4为极不均匀电场。式中，Emax为最大场强；Eav=；U为间隙上的电压；d为电极间最短的绝缘距离。(2)根据能否维持电晕放电来区分。若不均匀到能维持电晕放电，则是极不均匀电场；若不能维持稳定的电晕放电，一旦放电达到自持，则整个间隙立即击穿，就称为稍不均匀电场或均匀电场。第12页,共191页，2024年2月25日，星期天表1-1气体放电的主要外在形式辉光放电:放电光辉充满整个电极空间，电流密度在1-5A/cm2之间，整个间隙呈绝缘状态。电晕放电:高场强电极附近出现发光的薄层，伴随着咝咝的声音和臭氧的气味，整个间隙呈绝缘状态。刷状放电:由电晕电极伸出的明亮而细的断续的放电通道，电流增大，间隙仍未被击穿。火花放电:贯通两电极的明亮而细的断续的放电通道，火花放电间歇地击穿间隙。电弧放电:持续贯通放电通道，间隙被完全击穿。第13页,共191页，2024年2月25日，星期天1.2带电质点的产生和消失途径：气体分子的电离和金属的表面电离能级－原子具有一系列可取的确定的能量状态，称为能级。电子伏－电子行经1V电位差的电场所获得的能量，是能量单位。这点与距离单位－光年类似。激励－原子的电子在外界因素作用下，跃迁到能量较高的状态。当原子由较高能级跃迁到较低能级时，将以光子的形式释放出激励能。电离－原子在外界因素作用下，一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。电子的尺寸和质量远小于离子。第14页,共191页，2024年2月25日，星期天表1-2带电质点的产生带电质点的消失有三种方式：扩散复合消失于电极第15页,共191页，2024年2月25日，星期天1.3均匀电场中的气体击穿汤逊放电理论和巴申定律适用于气压较低、pd值较小的情况。过程过程相对密度

标准大气条件－p0=0.101325MPa，T0=293K，绝对湿度=11g/m3。击穿电压适用范围第16页,共191页，2024年2月25日，星期天流注理论：适用于压力较高气体的击穿，认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，同时考虑了空间电荷对电场的影响。正流注：电子崩先从阴极到阳极，在阳极附近形成正、负带电质点构成的等离子体，然后再从阳极贯穿阴极，整个间隙击穿。负流注：电子崩尚未贯穿间隙即形成流注，流注再贯穿气隙。流注理论与汤逊理论的比较第17页,共191页，2024年2月25日，星期天1.4不均匀电场中的气体击穿放电特征电晕放电：在极不均匀电场中，高场强电极周围出现的薄薄的发光层。电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。电晕放电的脉冲现象：在电晕放电的起始阶段及向击穿过渡的阶段，会出现放电的脉冲现象，并造成对外界的电磁干扰。电晕放电的起始场强和起始电压第18页,共191页，2024年2月25日，星期天

棒－板间隙的气体放电(1)正棒－负板的电晕起始电压大于负棒－正板的电晕起始电压(2)正棒－负板的击穿电压小于负棒－正板的击穿电压极性效应稍不均匀电场的极性效应：在稍不均匀电场中，不能形成稳定的电晕放电，电晕起始电压就是其击穿电压，故负极性下的击穿电压低。第19页,共191页，2024年2月25日，星期天为什么长空气间隙的平均击穿场强小于短间隙？先导放电中出现了热电离过程。表1-3不均匀电场的击穿过程第20页,共191页，2024年2月25日，星期天1.5持续作用电压下空气的击穿电压电压的分类

持续作用电压－直流电压工频电压冲击电压－雷电冲击电压操作冲击电压均匀电场中的击穿电压稍不均匀电场中击穿电压的估算第21页,共191页，2024年2月25日，星期天极不均匀电场中击穿电压1.直流电压下的击穿电压尖－尖电极的击穿电压介于极性不同的尖－板电极之间。正棒－负板和负棒－正板的平均击穿场强为4.5kV/cm、10kV/cm。棒－棒间隙的平均击穿场强为5.0kV/cm。2.工频电压下的击穿电压棒－板间隙击穿的时刻：棒的极性为正，电压达到峰值时。棒－板间隙的饱和现象：随着距离的增加，平均击穿场强反而降低。第22页,共191页，2024年2月25日，星期天1.6雷电冲击电压下空气的击穿特性雷电冲击电压－雷闪放电的巨大冲击电流在物体对大地的阻抗上产生持续时间极短的过电压，或极大的电流变化陡度在电感性被击物体上产生的高电压。同时引起热和力的问题。第23页,共191页，2024年2月25日，星期天雷电冲击电压标准波形采用雷电冲击电压标准波形来模拟雷闪放电引起的过电压。波形参数：视在波前时间1.230%；视在半峰值时间5020%；峰值允许偏差

3%；

图1-1雷电冲击标准波形第24页,共191页，2024年2月25日，星期天放电时延有效电子：能引起电离过程，并最终导致气隙击穿的电子；t0：冲击电压升到静态击穿电压的时间；ts：统计时延；tf：放电形成时延；第25页,共191页，2024年2月25日，星期天雷电冲击50%击穿电压：在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压。冲击系数：50%冲击击穿电压和持续作用电压下的击穿电压之比。均匀电场和稍不均匀电场中的冲击系数等于1，击穿发生在波头峰值附近。极不均匀电场的冲击系数大于1，击穿发生在波尾。2μs冲击击穿电压-间隙发生击穿时，放电时间小于或大于2μs的概率各为50%的冲击电压值。第26页,共191页，2024年2月25日，星期天伏秒特性：间隙上出现的冲击电压最大值和放电时间的关系。伏秒特性的用途-不同间隙的绝缘配合第27页,共191页，2024年2月25日，星期天1.7操作冲击电压下空气的击穿特性操作过电压-电力系统存在电感和电容，在操作过程或发生事故时会引起振荡过程，造成很高的过电压。操作冲击电压标准波形-非周期性指数衰减波；衰减振荡波；波前时间/半峰值时间-250/2500μs操作冲击50%击穿电压操作冲击击穿电压与波前时间的关系-U形曲线第28页,共191页，2024年2月25日，星期天1.8如何提高气体间隙的击穿电压为实现电气设备的小型化及降低成本，需要尽量减小绝缘距离。途径：1.改善电场分布2.采取合适的方法削弱气体的电离第29页,共191页，2024年2月25日，星期天AB具体措施：1.改善电极形状1.1增大电极曲率半径1.2改善电极边缘1.3使电极具有最佳外形110kVCT，壳体靠近二次引线管的位置存在最大电场强度值23kV/mm，数值偏大。该处的圆弧半径为5mm，将圆弧半径修改为10mm，此时壳体靠近二次引线管的位置(图中的A、B)场强下降为17.9kV/mm。图1-2壳体内的场强分布第30页,共191页，2024年2月25日，星期天2.利用空间电荷畸变电场的作用细线效应：在持续作用电压下，线径很小的导线周围产生比较均匀的电晕层，改善了电场分布，从而能提高击穿电压。第31页,共191页，2024年2月25日，星期天3.极不均匀电场中采用屏障屏障：在极不均匀电场中，放入薄片状固体绝缘材料，能提高击穿电压，这些薄片状固体绝缘材料称作屏障。第32页,共191页，2024年2月25日，星期天4.高气压气体4.1均匀电场中的击穿电压高气压下，击穿电压和电极的表面状态、电极的材料都有关系。老炼效应：多次击穿能烧去电极上的毛刺和尘埃等杂物，从而改善电场分布，提高击穿电压。4.2不均匀电场中的击穿电压4.3高气压下的措施改善电场分布、过滤水分第33页,共191页，2024年2月25日，星期天5高电气强度气体相对电气强度：在压力和距离相同的条件下，气体的电气强度和空气的电气强度之比。卤化物气体电气强度高的原因：负电性、分子量和分子直径大、极化对高电气强度的要求：液化温度低、化学稳定性好、价格便宜第34页,共191页，2024年2月25日，星期天6高真空真空断路器真空接触器

图1-3真空灭弧室第35页,共191页，2024年2月25日，星期天表1-4不同绝缘介质断路器的比例第36页,共191页，2024年2月25日，星期天2.1绝缘子的性能要求和材料2.1.1绝缘子的分类绝缘子:将不同电位的导体在机械上相互联接，而在电气上相互绝缘。分类：绝缘子瓷套套管2.气体中的沿面放电和高压绝缘子第37页,共191页，2024年2月25日，星期天图2-1绝缘子和瓷套第38页,共191页，2024年2月25日，星期天2.1.2性能要求电气性能

闪络电压干闪络电压湿闪络电压人造雨水－体积电阻率、细小均匀、降雨量、角度污秽闪络电压第39页,共191页，2024年2月25日，星期天机械性能拉伸负荷弯曲负荷扭转负荷第40页,共191页，2024年2月25日，星期天强度理论复合材料(1)最大应力理论，认为材料主向上的应力必须小于各自方向上的强度(2)最大应变理论，认为材料主向上的应变必须小于各自方向上的强度(3)Tsai-Hill理论，该理论只有一个判别式，而不象前两个理论中有几个判别式(4)Hoffman破坏理论，考虑了材料在同一方向的拉伸强度和压缩强度一般不同的特性(5)Tsai-Wu张量理论，该理论提出了以二阶张量多项式作为破坏准则的计算方法

各向同性材料(1)最大拉应力理论，认为最大拉应力是引起材料脆性断裂的主要原因(2)最大伸长线应变理论，认为最大伸长线应变是引起材料断裂破坏的主要原因(3)最大剪应力理论，认为最大剪应力是引起材料塑性破坏的主要原因(4)形状改变比能理论，该理论认为形状改变比能是引起材料塑性破坏的主要原因第41页,共191页，2024年2月25日，星期天热性能

热应力第42页,共191页，2024年2月25日，星期天2.1.3绝缘子的构成绝缘件－瓷、玻璃、环氧玻璃纤维、硅橡胶金属附件胶合剂第43页,共191页，2024年2月25日，星期天2.2支柱绝缘子支柱绝缘子户外支柱绝缘子伞裙的作用均压环户内支柱绝缘子外胶装内胶装内外联合胶装第44页,共191页，2024年2月25日，星期天图2-2沿绝缘子高度方向的电压分布从图2-2可以看出，电压沿绝缘子的高度是不均匀分布的，在顶端20%的范围内，承担了60%的电压。电压高度第45页,共191页，2024年2月25日，星期天2.3支柱绝缘子的计算干闪距离设计原则：根据干闪络电压初定绝缘件高度，根据湿闪络电压确定伞数、伞形、绝缘高度。2.3.1干闪络电压干闪络电压的经验公式2.3.2湿闪络电压伞宽与伞距之比绝缘子伞数工频湿闪络电压(有效值)的计算公式2.3.3机械强度第46页,共191页，2024年2月25日，星期天2.4套管套管分类：单一绝缘套管复合绝缘套管电容式套管第47页,共191页，2024年2月25日，星期天2.5气体中沿固体介质表面的放电沿面放电闪络2.5.1均匀电场中沿面放电

场强不变闪络电压低的原因：气隙介质表面吸附水分

第48页,共191页，2024年2月25日，星期天2.5.2极不均匀电场、强垂直分量时的沿面放电图2-3沿套管表面的场强矢量法兰电极第49页,共191页，2024年2月25日，星期天放电过程：电晕放电、辉光放电、滑闪放电、火花放电、电弧放电放电机理：热电离比电容式中，为常数；为相对介电常数；d为介质厚度。沿面放电起始电压式中，E0法兰处的场强；C0比电容；

角频率；

表面电阻率。

第50页,共191页，2024年2月25日，星期天提高放电起始电压的方法有：减小比电容、减小表面电阻率。滑闪放电起始电压(有效值)的经验公式滑闪放电火花长度的经验公式闪络电压(峰值)直流电压下没有明显的滑闪放电现象第51页,共191页，2024年2月25日，星期天2.5.3极不均匀电场、弱垂直分量时的沿面放电无滑闪放电第52页,共191页，2024年2月25日，星期天2.6线路绝缘子分类：悬式绝缘子瓷横担绝缘子第53页,共191页，2024年2月25日，星期天2.7复合绝缘子构成：环氧树脂玻璃纤维、硅橡胶特点：机械负荷由环氧玻璃纤维承受，硅橡胶提供爬电距离硅橡胶优点：憎水性、耐高低温、耐日光紫外线辐射、耐霉菌复合绝缘子的特点：具有憎水性，不易污闪或湿闪抗紫外线、抗老化力学性能优能，抗拉、抗弯、抗扭重量轻

第54页,共191页，2024年2月25日，星期天图2-4复合瓷套第55页,共191页，2024年2月25日，星期天应用范围：SF6断路器SF6互感器穿墙套管GIS进出线套管支柱绝缘子第56页,共191页，2024年2月25日，星期天2.8介质表面脏污时的沿面放电和污秽地区绝缘2.8.1介质表面脏污时的沿面放电污闪－户外绝缘子表面积聚的污秽在雨、雾、霜、露等气象条件下，污秽物的表面电导和泄漏电流剧增，使绝缘子的闪络电压显著降低，最终造成闪络。机理－脏污表面气体电离和局部电弧发展、熄灭、重烯、再发展。污闪的过程－辉光放电、局部电弧、表面闪络第57页,共191页，2024年2月25日，星期天2.8.2影响脏污表面沿面放电的因素污秽物性质与污染程度盐、酸、碱污染程度的判据：污层等值附盐密度湿润污层的表面电导率泄漏电流脉冲污秽等级的划分爬电比距大气湿度

相对湿度超过50%时，闪络电压迅速下降。爬电距离绝缘子直径第58页,共191页，2024年2月25日，星期天2.8.3绝缘子的人工污秽闪络试验方法洁雾试验湿污试验盐雾试验第59页,共191页，2024年2月25日，星期天2.9大气条件和海拔高度对外绝缘放电电压的影响外绝缘：空气间隙及电力设备固体绝缘的外露表面。它承受电压并受大气、污秽、潮湿、动物等外界条件的影响。内绝缘：电力设备内部绝缘的固体、液体或气体部分。它基本上不受大气、污秽、潮湿、动物等外界条件的影响。大气校正因数破坏性放电电压：又称作介质击穿电压，即使介质发生破坏性放电的电压值，按试验的不同类型可以用峰值，有效值或平均值来表示。第60页,共191页，2024年2月25日，星期天3.1概述绝缘配合

综合考虑系统中可能出现的各种过电压、保护装置特性及设备的绝缘特性，确定设备的绝缘水平及其使用，从而使设备绝缘故障率或停电事故率降低到经济上和运行上可以接受的水平。最高运行电压3.绝缘配合第61页,共191页，2024年2月25日，星期天3.2过电压过电压雷电过电压直击雷过电压雷电感应过电压第62页,共191页，2024年2月25日，星期天内过电压操作过电压操作过电压倍数操作过电压种类空载线路合闸与重合闸感性电路合闸时的过电流电流冲击系数为1.98切除容性电路切除感性电路弧光接地过电压第63页,共191页，2024年2月25日，星期天图3-1感性等效电路电路方程为：式中，UN为端电压；

为电压的相位角。

可得：第64页,共191页，2024年2月25日，星期天图3-2电流(0-0.4s)图3-3电流(1.8-2.2s)第65页,共191页，2024年2月25日，星期天暂时过电压

类型第66页,共191页，2024年2月25日，星期天过电压防护

基本原理措施避雷器接地装置断路器并联电阻363kV及以上电压等级的电网，在合空载长线时，由于系统参数的变化，电网中电磁能量的振荡会引起较大的过电压。为限制合闸过电压，利用合闸电阻将电网中的部分电能转化为热能，从而达到削弱电磁振荡和限制过电压的目的。消弧线圈电抗器第67页,共191页，2024年2月25日，星期天图3-4配电网单相接地故障示意图图3-5单相接地等值电路消弧线圈第68页,共191页，2024年2月25日，星期天消弧线圈的脱谐度表征偏离谐振状态的程度，可以用来描述消弧线圈的补偿程度

式中，Ic为对地电容电流，Il为消弧线圈电感电流。脱谐度数值的选取应适当。一方面，脱谐度的减小不仅能减小单相接地弧道中的残流，还可以降低恢复电压的上升速度，可见脱谐度越小越好；另一方面脱谐度的减小需要增加消弧线圈分接头数量，增加设备的复杂程度，还会使有载调节开关频繁动作，降低设备运行的可靠性。运行经验表明，脱谐度不大于5%就能很好地灭弧、维持较理想的残余电流和恢复电压的上升速度。第69页,共191页，2024年2月25日，星期天电抗器

ABEFGHACD图3-4干式空心电抗器结构A-上接线臂；B-线圈；C-绝缘材料；D-铝导线；E-下接线臂；F-绝缘子；G-底座；H-撑条第70页,共191页，2024年2月25日，星期天图3-5干式空心电抗器第71页,共191页，2024年2月25日，星期天3.3绝缘配合的原则绝缘试验短时工频电压试验

长时间工频电压试验操作冲击试验雷电冲击试验具体措施不同电压等级≤220kV≥330kV不同系统结构、地区及发展阶段第72页,共191页，2024年2月25日，星期天3.4绝缘配合方法确定性法避雷器的保护水平全波基本冲击绝缘水平(BIL)

操作基本冲击绝缘水平(BSL)高压输变电设备的绝缘配合统计法简化统计法第73页,共191页，2024年2月25日，星期天3.5架空线路绝缘水平的确定自恢复绝缘：施加试验电压而引起破坏性放电后，能完全恢复其绝缘性能的绝缘。这类绝缘一般是外绝缘，但未必都是外绝缘。非自恢复绝缘：施加试验电压而引起破坏性放电后，即丧失或不能完全恢复其绝缘性能的绝缘。这类绝缘一般是内绝缘，但未必都是内绝缘。第74页,共191页，2024年2月25日，星期天4.1SF6气体的基本特性4.SF6气体绝缘SF6的物理特性(1)负电性SF6分子中，6个氟原子围绕硫原子对阵排布。原子核外，内层和外层的电子数分别为2和7。原子核最外层电子数超过4时，便有吸附电子的能力。外层电子数为7的氟原子在卤族元素中具有最大的电子亲和能(4.1eV)，所以具有很强的吸附电子的能力。自由电子被SF6吸附，阻碍了碰撞电离过程的发展。第75页,共191页，2024年2月25日，星期天(2)导热性电弧弧套(弧心外围区)的平均温度为1000K~3000K，SF6在2000K~2500K时就急剧分解，并从电弧吸收热能，SF6在2000K附近的比定压热容急剧增长，出现导热峰值。而空气在弧套温度区没有热游离过程。在电弧弧套区内，SF6具有较强的导热能力和冷却特性。熄弧过程气吹从弧区排除能量电弧的电能转换成热能第76页,共191页，2024年2月25日，星期天(3)热稳定性纯SF6气体，热稳定性较高，500时仍不会分解。SF6与某些绝缘物(如硅树脂)接触时，160~200时就分解。IEC推荐SF6的最高使用温度为180第77页,共191页，2024年2月25日，星期天(4)气体状态参数理想气体的状态方程式中，p为气压，为密度，R为气体常数，T为绝对温度。准确实用的SF6气体的状态方程第78页,共191页，2024年2月25日，星期天(5)缺陷酸蚀性、部分分解物有毒第79页,共191页，2024年2月25日，星期天4.2SF6气体在电器中的应用4.2.1GISGIS－GasInsulatedSwitchgear，将除变压器以外的其他电气设备全部封闭在接地金属外壳内的气体绝缘变电站。GIS构件：包括断路器CB、电流互感器CT、电压互感器VT、避雷器AR、隔离开关DS、接地开关ES、母线M等设备。第80页,共191页，2024年2月25日，星期天图4-1气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)第81页,共191页，2024年2月25日，星期天

图4-2灭弧室结构图1.静弧触头2.静主触头3.喷口4.动弧触头5.动主触头6.压气缸4.2.2断路器第82页,共191页，2024年2月25日，星期天图4-3罐式断路器第83页,共191页，2024年2月25日，星期天图4-4SF6断路器第84页,共191页，2024年2月25日，星期天4.3均匀及稍不均匀电场中SF6的击穿4.3.1SF6气体介电强度高的原因负电性、分子直径大、极化4.3.2SF6的电子电离系数和附着系数空气SF6第85页,共191页，2024年2月25日，星期天4.3.3自持放电条件和巴申定律式中，Eb为击穿场强，p为气压，d为间隙距离。第86页,共191页，2024年2月25日，星期天4.3.4电极表面状态和导电微粒的影响电极表面有导电微粒时图4-5中，U=1kV，d=10mm。场强增大了20%。图4-5电极表面有导电微粒时的电场第87页,共191页，2024年2月25日，星期天间隙中存在导电微粒时：(1)导电微粒附在电极表面(2)导电微粒带有悬浮电位图4-6中，U=1kV，d=10mm。场强增大了210%。图4-6空间有带导电微粒时的电场第88页,共191页，2024年2月25日，星期天措施表面粗糙度要求带电体表面≤6.3μm地电位壳体内表面≤50μm砂磨后的电极表面用百洁布抛光净化效应第89页,共191页，2024年2月25日，星期天4.3.5SF6击穿电压的概率分布和面积效应概率分布贡贝尔分布面积效应第90页,共191页，2024年2月25日，星期天4.3.6稍不均匀电场中SF6的击穿同轴圆柱式中，R、r分别为外径和内径。同心球式中，R、r分别为外径和内径。极性效应第91页,共191页，2024年2月25日，星期天图4-7铁心罩壳第92页,共191页，2024年2月25日，星期天4.3.7SF6气体间隙绝缘的工程计算绝缘利用系数式中，f为不均匀系数。击穿电压电极曲率系数电极表面粗糙度系数第93页,共191页，2024年2月25日，星期天4.4极不均匀电场中SF6气体的击穿4.4.1极不均匀电场极不均匀电场与稍不均匀电场的区分通过基本概念区分－不均匀系数通过物理现象区分－局部放电4.4.2极不均匀电场中SF6的击穿击穿电压较低的原因：(1)电晕放电起始电压较低(2)电极周围不易形成均匀空间电荷层第94页,共191页，2024年2月25日，星期天4.5SF6气体的冲击击穿特性4.5.1放电时延4.5.2伏秒特性4.5.3冲击系数第95页,共191页，2024年2月25日，星期天4.6SF6气体中沿固体介质表面的放电4.6.1固体－气体介质分界面倾角对闪络电压的影响在不同介质交界面上，满足：式中，n为交界面的法向单位矢量；E1、E2为电场强度；D1、D2为电位移；为交界面上的面电荷密度。第96页,共191页，2024年2月25日，星期天在=0时，有：式中，E1t、E2t为场强的切向分量；E1n、E2n为场强的法向分量。可见第97页,共191页，2024年2月25日，星期天4.6.2固体介质表面粗糙度和表面状态对闪络电压的影响表面粗糙度:用于描述固体介质表面的光滑程度，数值有0.8μm、1.6μm、3.2μm等。维持表面状况良好的措施:防止表面脏污、受潮选用耐腐蚀性强的材料清洁，密封第98页,共191页，2024年2月25日，星期天4.6.3SF6沿面绝缘的工程计算闪络电压闪络场强第99页,共191页，2024年2月25日，星期天4.7含SF6的混合气体为什么要将SF6气体与其他气体混合？第100页,共191页，2024年2月25日，星期天5.1液体、固体电介质的极化、电导与损耗5.1.1电介质的极性和分类偶极子偶极矩离子键共价键极性分子：具有极性共价键且结构不对称的分子非极性分子：具有非极性共价键的分子或具有极性共价键且结构对称的分子极性电介质非极性电介质5.

液体和固体电介质的电气性能第101页,共191页，2024年2月25日，星期天看看自己是否完全做到了以下4条？没有预习课程内容没有复习课程内容没有集中注意力上课上课打开教材，下课合上，直到下节课再重复该过程第102页,共191页，2024年2月25日，星期天原因和解释讲得不好为什么要学没有时间学习晚饭在哪里晚上还有个约会电视剧的剧情如何发展教室太冷。。。第103页,共191页，2024年2月25日，星期天5.1.2电介质的极化相对介电常数极化率洛仑兹电场点电荷产生的电场偶极子产生的电场第104页,共191页，2024年2月25日，星期天表5-1极化的类型极化的类型第105页,共191页，2024年2月25日，星期天讨论电介质极化的意义绝缘材料的选用绝缘材料的配合介质损耗试验判断第106页,共191页，2024年2月25日，星期天5.1.3电介质的电导固体电介质吸收电流泄漏电流体积电阻：反映固体介质内部的绝缘表面电阻：反映固体介质表面的绝缘第107页,共191页，2024年2月25日，星期天固体电介质的电导体积电导带电粒子的来源带电粒子的产生原因表面电导带电粒子的来源第108页,共191页，2024年2月25日，星期天液体电介质的电导低电场电导区带电粒子的来源高电场电导区带电粒子的来源第109页,共191页，2024年2月25日，星期天分析电介质电导的意义绝缘试验绝缘材料的配合使用第110页,共191页，2024年2月25日，星期天5.1.4电介质的能量损耗介质损耗：电导损耗和极化损耗介质等效电路介质损耗角正切并联等值电路串联等值电路第111页,共191页，2024年2月25日，星期天液体电介质损耗中性或弱极性介质损耗极性介质损耗第112页,共191页，2024年2月25日，星期天固体电介质损耗分子式结构介质的损耗离子式结构介质的损耗不均匀结构介质的损耗第113页,共191页，2024年2月25日，星期天分析介质损耗的意义绝缘结构设计绝缘预防性试验第114页,共191页，2024年2月25日，星期天5.2液体电介质的击穿5.2.1击穿理论电击穿理论电子碰撞气泡击穿理论气泡放电工程液体介质的击穿杂质小桥-

气体小桥-击穿第115页,共191页，2024年2月25日，星期天5.2.2击穿电压棒-棒结构棒-板结构球-板结构第116页,共191页，2024年2月25日，星期天5.2.3影响因素及措施影响因素杂质温度电压作用时间电场均匀程度压力第117页,共191页，2024年2月25日，星期天防范措施：过滤、防潮、祛气、油固介质组合、防尘图5-1滤油机第118页,共191页，2024年2月25日，星期天5.2.4油中沿面放电弱垂直分量电场强垂直分量电场滑闪放电第119页,共191页，2024年2月25日，星期天5.3固体电介质的击穿5.3.1击穿理论电击穿理论碰撞电离第120页,共191页，2024年2月25日，星期天热击穿理论式中，P为电介质损耗功率；KT为综合散热系数；A为散热面积；c为比热；m为质量；为温升。

能量平衡方程第121页,共191页，2024年2月25日，星期天电化学击穿理论长时间击穿电压局部放电：发生在电极之间，但并未贯通的放电。这种放电可以在导体附近发生，也可以不在导体附近发生。局部放电引起介质劣化－损伤的途径撞击热氧化第122页,共191页，2024年2月25日，星期天局部放电脉冲特性真实放电量从放电气隙的角度分析视在放电量从电源的角度分析放电能量放电重复率第123页,共191页，2024年2月25日，星期天测量局部放电的意义：局部放电水平是反映电力设备绝缘状态的一个重要参数，对电力设备绝缘状态进行在线监测是对其进行维修的基础。以变压器为例，局部放电特性是衡量电力变压器绝缘系统质量的重要指标，110kV以上的电力变压器，在出厂试验中每台都要做局部放电试验。变压器在安装后、交接试验中以及运行中发现油中含气量超标时，一般也要做局部放电试验。通过在线监测变压器的局部放电，可以即时反映设备的绝缘状态并采取相应的措施，从而提高电网运行的可靠性，有效防止非计划停电带来的重大损失。

第124页,共191页，2024年2月25日，星期天图5-2局部放电监测系统的硬件结构在每相高压侧高压套管底座及套管末屏接地线上各装一宽带磁芯式电流传感器，系统通过软件对该两路传感器脉冲信号的极性进行识别，若检测到两路信号极性相同则判定为干扰信号；如果极性相反则判定为局放信号。利用预处理后的高压侧电压互感器(PT)信号触发系统采集数据，以获得放电发生的相位信息。根据脉冲电流及放电发生相位的丰富信息，可以得到各种放电谱图及在选定时期中放电发展的趋势图，为绝缘诊断提供依据。第125页,共191页，2024年2月25日，星期天树枝化放电劣化漏电痕迹第126页,共191页，2024年2月25日，星期天5.3.2影响因素电压作用时间温度电场均匀程度电压的种类累积效应受潮机械负荷第127页,共191页，2024年2月25日，星期天5.4电介质的其他性能

热性能耐热性耐热等级耐寒性

第128页,共191页，2024年2月25日，星期天机械性能

脆性材料-材料受力后没有明显的塑性变形而发生断裂破坏

塑性材料-应力达到屈服极限时，有明显的屈服现象，并产生显著的塑性变形

弹性材料

第129页,共191页，2024年2月25日，星期天吸潮性能化学性能及抗生物特性第130页,共191页，2024年2月25日，星期天6.1.1按照用途分类

并联电容器通常需与串联电抗器串接，以抑制电容器回路投入时的冲击电流。

串联电容器6.

电力电容器和电力电缆绝缘6.1电力电容器第131页,共191页，2024年2月25日，星期天耦合式电容器及电容式电压互感器载波通讯-电力线载波是利用电力线作传输媒介的载波通信，不需另外架设通信线路。电力线结构坚固，作为通信媒介使用可靠性很高。电力线载波通信是电力部门特有的一种通信方式，特别适用于以电力系统各发电厂、变电所和开关站为对象的电力系统调度电话、远动，及在被保护的电力线路两端间传送保护信号的远方保护系统。脉冲电容器第132页,共191页，2024年2月25日，星期天图6-1全密封集合式并联电容器全密封集合式并联电容器：主要用于工频50Hz或60Hz，额定电压6kV、10kV、及35kV的交流电力系统中用来提高功率因数、改善电网质量、降低线路损耗，充分发挥输变电设备效能。构成：由电容器单元组成的器身、波纹油箱、绝缘冷却油、出线套管、支持绝缘子、压力释放阀及温度控制器等部件构成。第133页,共191页，2024年2月25日，星期天高压并联电容器成套装置由集合式并联电容器和高压真空或六氟化硫断路器、串联电抗器、氧化锌避雷器及放电线圈等设备组成的高压并联电容器成套装置，具有装置结构简单、体积小、容量大、占地省、安装使用方便的优点，产品为全户外式，从而大幅度节省了基建费用，具有良好的经济和社会效益。第134页,共191页，2024年2月25日，星期天比特性储能因数第135页,共191页，2024年2月25日，星期天6.1.2电容器采用的介质对介质的要求：(1)电气性能­－介电强度高，大，小；(2)理化性能－凝固点低、无毒、不燃；(3)工艺性－来源广泛、处理工艺简单液体介质固体介质第136页,共191页，2024年2月25日，星期天组合绝缘油纸串联电路油纸第137页,共191页，2024年2月25日，星期天第138页,共191页，2024年2月25日，星期天公式(7-9)第139页,共191页，2024年2月25日，星期天6.2电力电缆6.2.1导电线芯及护层6.2.2绝缘材料及结构纸绝缘电缆橡皮及塑料电缆第140页,共191页，2024年2月25日，星期天交联聚乙烯1997年，瑞典ABB公司制造出一种新型干式电力变压器——电缆绕组变压器。该类变压器的新颖之处，在于其绝缘全部由交联聚乙烯(XLPE)组成，即线圈是用同轴电缆绝缘取代传统的油纸绝缘，而且每层绕组电缆外面的半导电层接地，该半导电层可以有效削弱局部放电(或电晕)和提高变压器的安全性。由于其结构上的固有特点，因此与传统油浸式变压器比较有许多特点，也提出了一些亟待解决的问题。第141页,共191页，2024年2月25日，星期天图6-2电缆绕组变压器1-风扇；2-XLPE电缆组成的线圈；3-连接至变压器终端的电缆4-密闭盒；5-变压器终端；6-铁心第142页,共191页，2024年2月25日，星期天(a)XLPE半导电层铜绞导线(b)图6-3电缆线圈(a)线圈模型示意；(b)电缆剖面第143页,共191页，2024年2月25日，星期天6.2.3电场分布及其改善第144页,共191页，2024年2月25日，星期天6.2.4电缆接头盒第145页,共191页，2024年2月25日，星期天套管：将载流导体穿过与其电位不同的金属箱壳或墙壁滑闪放电起始电压起始电晕电压7.

高压套管和高压互感器绝缘7.1高压套管第146页,共191页，2024年2月25日，星期天穿墙套管：主要用于引导高压载流导线穿过建筑物地板、楼板或屋面，从而使载流导线对地或墙板绝缘。图7-1油纸电容式穿墙套管第147页,共191页，2024年2月25日，星期天充油套管单个油隙多个油隙第148页,共191页，2024年2月25日，星期天电容式套管结构特点强场选择设计原理第149页,共191页，2024年2月25日，星期天有效的时间管理第150页,共191页，2024年2月25日，星期天有限的时间最重要重要且紧急紧急不重要不紧急不重要第151页,共191页，2024年2月25日，星期天7.2高压电流互感器绝缘电流互感器专门用作变换电流的特种变压器，互感器的一种绕组与电力线路相联，互感器的二次绕组外部回路接有测量仪器、仪表或继电保护、自动控制装置。根据电压等级的不同，电流互感器的一、二次绕组之间设置有足够的绝缘。第152页,共191页，2024年2月25日，星期天图7-2倒置式电流互感器第153页,共191页，2024年2月25日，星期天场强的选用原则计算步骤确定电容屏数确定电容屏尺寸场强校核第154页,共191页，2024年2月25日，星期天8.电力变压器绝缘8.1工作条件8.1.1分类油浸变压器：油浸纸绝缘主绝缘纵绝缘第155页,共191页，2024年2月25日，星期天图8­1油浸变压器第156页,共191页，2024年2月25日，星期天干式变压器：指变压器的铁芯和线圈不浸在绝缘液体中的变压器类型。它的绝缘介质、散热介质是固体及空气。变压器的寿命：指变压器的绝缘系统因为受热老化而失去其绝缘性能而经历的时间。按照变压器绝缘材料的耐热等级可有如下划分：第157页,共191页，2024年2月25日，星期天B级绝缘产品属于早期制造的产品，性能指标差，无法满足现代化供电的要求。F级产品相对性能较好，易于实现产业化，其主要代表为F级薄绝缘环氧树脂真空浇注型产品。我国在八十年代末、九十年代初大量引进这种生产技术，目前国内使用的大多是这类干式变压器。图8­2环氧树脂浇注干式变压器第158页,共191页，2024年2月25日，星期天H级绝缘的产品在国内为九十年代的新技术，处于世界领先水平，目前在美国等发达国家广泛应用，在美国这类产品约占干变市场的70%。虽然国内起步较晚，但其有突出的可靠性、安全性、经济性、环保性，已广泛引起重视。图8­3H级绝缘干式变压器第159页,共191页，2024年2月25日，星期天SF6气体绝缘变压器：气体绝缘变压器无油，不易燃烧，防爆。图8­4气体绝缘50MVA/110kV变压器第160页,共191页，2024年2月25日，星期天电缆绕组变压器

利用XLPE电力电缆的优良绝缘性能，省却了传统油浸变压器的绝缘油和相应的油箱，具有以下优点：1)安全性采用易燃材料的数量远少于常规变压器，所用材料的易燃性也远低于常规变压器；并且用固体绝缘代替液体绝缘可降低事故的严重程度。2)可靠性电缆绕组变压器结构简单、部件少以及所使用的XLPE绝缘在电、力、热等诸多方面的优点，故较常规变压器发生故障的概率低、可靠性高。3)损耗漏磁产生的杂散损耗很小，导线很细且为束绞绝缘，使得附加损耗很小，故其总负载损耗比油浸式变压器小很多。第161页,共191页，2024年2月25日，星期天4)过载能力

设计的温度上限为90ºC，连续负载的温度为70ºC。在此温度范围内的XLPE电缆的老化几乎可忽略不计，即变压器可在其最高温度下运行而几乎无寿命损失。5)抗短路能力

在正常运行中，电缆截面的负荷实际上是绕组的自重，通常小于2～3kN/m，故绕组能耐受严重的短路。试验结果表明，线匝具有很强的耐受短路能力。6)环境保护

固体绝缘避免了绝缘油渗漏对环境的污染，变压器本体在退役后可完全分离，有机材料可焚化，金属材料可再回收。缺点：省却了变压器油绝缘介质后，其散热成为该类变压器的突出问题。第162页,共191页，2024年2月25日，星期天图8-5电缆绕组变压器1-风扇；2-XLPE电缆组成的线圈；3-连接至变压器终端的电缆4-密闭盒；5-变压器终端；6-铁心第163页,共191页，2024年2月25日，星期天8.1.2对绝缘材料的性能要求电气性能机械性能热性能其他性能第164页,共191页，2024年2月25日，星期天8.2高压绕组结构及绝缘特性8.2.1绕组结构饼式-连续式、纠结式圆筒式第165页,共191页，2024年2月25日，星期天8.2.2油浸式变压器绝缘变压器油老化的原因：热老化、电老化绝缘纸电缆纸电话纸皱纹纸

NOMEX纸第166页,共191页，2024年2月25日，星期天高压电力设备在运行过程中易发生局放、过热、烧伤甚至起火烧毁等故障。设备中局部温度过高，而绝缘材料耐热等级偏低以及防潮性能不强是产生故障的主要原因。所以需要改善电力设备的温度分布，提高绝缘材料耐热等级。目前NOMEX绝缘纸已经在干式变压器中获得了成功应用。NOMEX纸是由美国杜邦公司发明的高品质的绝缘材料，NOMEX是一种芳香族聚酰胺。它具有以下优点：(1)电气性能突出，在250°C

时仍具有很高的表面电阻率和体积电阻率，工频击穿电压达到35kV/mm，沿面放电起始电压也很高；(2)优良的机械性能，具有很强的抗撕拉强度、良好的耐磨性和韧性；(3)良好的防潮性能，这对露天运行的电力设备尤其重要；(4)耐热等级达到C级，可长期稳定地在220°C下安全工作；(5)NOMEX纸可以降解处理，符合环保要求。(6)同时NOMEX纸具有优良的阻燃性，安全性好。第167页,共191页，2024年2月25日，星期天油纸绝缘油-屏障绝缘第168页,共191页，2024年2月25日，星期天8.2.3干式变压器绝缘浸渍型树脂型第169页,共191页，2024年2月25日，星期天8.3主绝缘8.3.1绕组间或对铁芯柱的绝缘8.3.2绕组对铁轭的绝缘8.3.3引线绝缘第170页,共191页，2024