高电压绝缘.docx

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高电压绝缘

绪论

一、现代电力系统的特点

1、系统的工作电压越来越高

随着电力系统的不断发展，输电电压等级的不断提高，需要相应的高压电气设备。

因此，绝缘问题成为高压电气设备制造中的主要问题，对绝缘材料的绝缘性能，绝缘劣化的评估及实验方法的不断研究极其重要

国内：

750KV

国外：

1000KV

电气设备的绝缘问题显得更加突出，要求对绝缘材料的绝缘性能，绝缘老化的评估以及试验方法不断进行研究。

高压设备绝缘的费用占设备造价的60%左右。

2、过电压的影响

系统过电压来自两个方面：

一是电力系统遭受雷击所形成的大气过电压

二是电力系统中因开关操作或者系统参数配合不当而引起谐振等所形成的内部过电压。

过电压作用时间虽很短，但它会造成设备绝缘损坏，危害电力系统的安全运行，

二、高电压技术研究的内容

高压输电线路存在着许多高电压技术问题，如高压输电线路的电晕及其对通信的干扰问题，高压磁场对周围环境和人体的影响问题，系统过电压问题等。

因此，研究过电压产生的原因及限制措施，提高设备绝缘耐受过电压能力是目前电力系统所面临的主要课题。

第1章      高电压绝缘

1.1概述

一、绝缘材料（电介质）

1、用途：

绝缘、冷却、灭弧、固定、支撑等

2、绝缘材料的类型：

（1）按其形态分为：

1）气体介质：

如空气、氮、SF6等。

2）液体介质：

如变压器油

3）固体介质：

橡胶、塑料、陶瓷、纤维等。

（2）按绝缘材料的耐热等级分为七级：

YAEBFHC

90105120130155180180度以上

3、绝缘材料的性能：

1、电气性能：

包括极化、电导、损耗、击穿；

2、机械性能；

3、耐热性能；

4、吸潮性能；

5、生化性能。

二、电介质的极化现象

1、极化现象

2、介质的介电常数ε

3、讨论电介质极化现象在工程中的实际意义

三、电介质的电导

1、电介质绝缘电阻R的定义

对于固体介质，R∞包括绝缘的体积电阻和表面电阻。

表面电阻受外界环境的影响大。

2、电导：

绝缘电阻的倒数。

四、介质损耗

1、介质损耗的定义：

电场中的电介质，在单位时间内消耗的能量。

2、产生损耗的原因：

电导和有损极化

3、介质损耗的表示：

P=U2ωCtgδ

介质损耗角的正切tgδ，一般用百分数表示

4、讨论电介质损耗在工程中的实际意义

（1）在设计绝缘结构时，要注意材料的tgδ。

（2）tgδ的大小可以判断绝缘受潮或劣化的程度。

1.2气体的绝缘性能

一、物质的结构

二、原子的激励（激发）和电离：

1、原子的激励

原子由外界获得能量，电子从低能级跃至高能级轨道的过程。

2、原子的电离（游离）：

当原子由外界获得能量足够大时，被束的电子变为自由电子（带电质点），即产生带电质点。

3、碰撞游离：

在电场作用下，电子得到加速与空气的分子碰撞，又产生新的带电质点，碰撞游离不断进行，产生大量的电子，形成电子崩，最后气体间隙击穿（放电）。

所以，气体放电就是气体分子电离产生带电质点，在电场作用下定向运动的结果。

三、汤逊放电理论

由天然辐射作用产生电离生成正离子和电子，在高电场作用下，电子加速碰撞气体分子，产生新的电子和离子。

电离过程象雪崩一样发展，称为电子崩。

正离子撞击阴极又会产生新的电子崩。

即使外界不传给起始电子，放电过程能持续下去，这种放电现象称为自持放电。

图1—1

四、巴森定律

1、气体绝缘击穿电压与气压P和电极间隙d的乘积的函数关系：

U=f（p*d）

2、图1—3，曲线有一极小值点，其击穿电压最低，

（1）当p*d由大变小时，击穿电压变低，

（2）当p*d太小时，击穿电压高，

五、流注理论

1、当p*d大于一定值时，汤逊理论不能说明在大气压下，间隙的放电现象。

可用流注理论解释。

2、流注的形成（流注是一种现象）

正离子的运动速度太小，正离子在阳极的运动速度很大，p*d越大，浓度越大，使二次电子崩与初始电子崩回合，电子和正离子混合，形成等离子通道，生成流注。

图1—4

六、局部放电（电晕放电）

1、在极不均匀电场中电极曲率半径小的附近空间的局部场强很大，造成局部放电。

2、电晕放电的现象

七、气体放电的几种形式：

1、辉光放电（低气压，小功率）

2、火花或电弧放电（高气压）

3、电晕放电（极不均匀电场中的局部放电）

4、沿面放电：

沿固体介质表面的气体放电。

八、影响气体间隙击穿的主要因素

1、电极的几何形状（均匀、极不均匀电场）

2、电压的类型（直流、工频交流、冲击电压）

3、极间距离

4、持续时间

1、3液体的绝缘性能

液体绝缘的击穿有：

电击穿、气泡击穿、悬浮粒子击穿

一、电击穿

液体绝缘在电场作用下，阴极上由于强电场发射或热电子发射出来的电子被加速后，引起电子崩，当电子密度达到一定值时就发生击穿。

液体分子振动击穿理论

二、气泡击穿

介质击穿场强按固体、液体、气体顺次降低。

所以当液体中含有气泡时，因气体的介电常数很小，承受较大的场强，从而使气泡放电，分解产生更多气泡，导致液体介质击穿。

气泡产生的原因：

1、电极表面的微小突起使电流集中而引起液体加热

2、液体中的杂质使电流增大而将液体加热

3、电极和流入电荷之间的或同电极注入电荷之间的排斥力抵消了液体表面张力

4、电子崩引起的液体分子离解

5、电极表面吸附的气泡脱离出来

三、悬浮粒子产生的击穿

液体中悬浮着杂质粒子，使电场畸变，在电极间搭成导电小桥，使液体介质的抗电场度下降，导致击穿。

以变压器油为例

当变压器油中含有杂质时（水分和纤维），水被纤维吸收后，在电场作用下，沿电场分析排列形成导电的杂质小桥，当小桥连通电极时，泄漏电流增加，最后造成介质击穿。

四、影响液体介质击穿电压的因素

1、水分：

造成击穿电压UB下降

2、纤维和其它杂质：

造成UB下降

3、电压作用的时间：

时间越长，UB下降

4、电场的均匀程度：

电场越均匀，UB越高。

五、提高液体介质击穿电压的措施

对液体介质进行过滤、干燥、脱气等。

1.4固体的绝缘性能

一、电击穿

固体介质中的电子在外电场作用下，发生碰撞电离，使传导电子增多，最后导致击穿.

主要特性：

电压作用时间短，击穿电压高，击穿电压和电场分布形式有关。

二、热击穿

介质长时间受电压的作用，由于泄漏电流的存在，产生损耗，引起介质发热，温度升高，绝缘劣化，最后造成击穿。

特征：

击穿时间长，负的温度依存性，散热条件越差，绝缘热击穿电压则越低，击穿过程与电压作用的时间；环境温度；电源的频率以及介质本身情况有关。

三、电化学击穿

运行中的绝缘长期受到电、热、化学、机械力等的作用，使其绝缘性能逐渐劣化，导致绝缘性能变坏，引起击穿。

绝缘劣化的主要原因：

绝缘内部的局部放电。

四、影响固体介质击穿的因素

1、电压作用的时间2、温度

3、电场的均匀程度4、电压的类型

5、积累效应6、受潮

7、机械负荷

1.5复合绝缘体的绝缘性能

一、双层介质的电场分布

两层介质，其厚度、相对介电常数、电导率分别为，真施加冲击电压时，场强与介电常数成反比，即介电常数小的介质，场强大，故易击穿。

固体表面电荷的影响，固体表面带有电荷时，加直流电压，所加电压几乎全加在固体上，气体、液体所加电压小，固体先行击穿的情况多。

加交流电压，固体表面所带电荷极性和外加电压的极性相反，气体或液体上所加电压将很大。

二、局部放电

类型：

沿面放电、气隙放电、气泡放电

三、沿面放电

1、不同绝缘结构的沿面放电特性

2、悬式绝缘子的电压分布及闪络特性

（1）绝缘子串的机械强度与单个绝缘子相同

（2）沿面闪络电压与绝缘子片数成正比

（3）线路的绝缘水平由绝缘子片数决定

（4）悬式绝缘子的电压分布

1）等值电路图1—18

图中C—绝缘子本身电容

CE—绝缘子金属部分的对地电容

CL—绝缘子金属部分对导线的电容

一般C大，CE小，CL最小

2）当绝缘子串的总电容C>>CE及CL时，电压分布均匀。

3）实际上C与CE、CL为同一数量级，当绝缘子串很长时，电压分布不均匀。

4）由于CE>CL，绝缘子串中靠近导线端的绝缘子电压降最大，从而产生电晕

5）改善电压分布均匀的措施：

在绝缘子串导线端安装均压环（330KV及以上使用）

（5）举重的电气性能常用闪络电压来衡量，分为干闪（户内绝缘子）和湿闪（户外绝缘子）

3、绝缘子表面污秽时的沿面放电——污闪

（1）污闪产生的条件以及造成的后果

（2）防止污闪的措施

高电压下绝缘与试验方法

2、1绝缘评估

一、高压设备的绝缘水平

1、绝缘水平的概念：

设备耐受电压能力的大小。

2、检验雷闪过电压——冲击耐压试验校验

3、检验内过电压——工频耐压试验校验

二、机械性能的要求

机械力使绝缘局部损坏，绝缘电气强度大大降低，最终导致绝缘击穿

三、温度和热稳定要求

高温引起热击穿导致绝缘能力丧失

有机绝缘材料高温下易氧化分解，绝缘性能劣化

温度变化过大，磁体开裂引起绝缘子击穿

四、化学稳定性

绝缘应有足够的化学稳定性

2、2绝缘劣化

一、绝缘劣化的原因及后果

1、原因：

电场、热场、机械应力、化学腐蚀、环境条件等

2、后果：

导致绝缘系统的破坏。

二、绝缘缺陷的分类

1、集中性缺陷——体现为局部

2、分布性缺陷——对整体而言

三、绝缘老化

1、定义：

绝缘系统在各种因素的长期作用下发生一系列的化学、物理变化，导致绝缘性能不断下降，重终导致设备绝缘击穿，这个过程称为老化。

2、老化的分类

电老化，热老化，机械老化，环境老化

3、表征绝缘老化程度的特征量

（1）直接量：

耐电强度，机械强度

（2）间接量：

绝缘电阻，泄漏电流，介质损耗等

2、3绝缘评估的试验方法

一、电气设备试验的种类

1、出厂试验

2、安装后的交接试验

3、使用过程中的绝缘预防性试验

二、绝缘预防性试验方法的分类

1、非破坏性试验：

试验项目有：

绝缘电阻的测量；直流泄漏电流的测量；介质损耗tgδ的测量。

2、破坏性试验：

直流耐压试验；工频耐压试验。

试验顺序：

先进行非破坏性试验，并且试验合格后，再进行破坏性试验。

三、绝缘电阻和吸收比的测量

1、电介质在直流作用下的等值电路

（1）电介质中的电流

1）        纯电容电流分量i1：

2）        吸收电流i2：

3）        电导电流（泄漏电流）i3：

4）        介质中的总电流i=i1+i2+i3

当t趋于无穷大时，i=i3

（2）等值电路：

2、.测量绝缘电阻的目的：

检查绝缘是否存在贯穿性的集中缺陷或整体受潮。

3、测量绝缘电阻的原理

4、用兆欧表测量绝缘电阻

（1）兆欧表（摇表）的结构和工作原理

结构：

由磁电式比率表和手摇发电机组成，

工作原理：

兆欧表的等值电路

（2）兆欧表的类型：

有手动和电动两种

电压等级有：

500V、1000V、2500V、5000V几种。

（3）测量绝缘电阻的步骤

5、测吸收比

吸收比K：

用兆欧表测量15s和60s时的绝缘电阻值，即R15和R60。

吸收比K=R60/R15，要求K≥1、3

6、测量结果分析：

采用纵向、横向比较的方法

（1）与规程规定的值比较

（2）同一设备的三相比较

与历年的的试验数据比较

四、泄漏电流测量

1、测量泄漏电流的目的

更灵敏地反应绝缘的集中性缺陷

2、直流高压的获得

（1）由交流高压半波整流电路

（2）直流高压发生器

3、泄漏电流的测量

（1）试验接线图

1）     微安表接在低压端——图2—5

优点：

读数安全，但测量误差较大

2）     微安表接在高压端——图2—6（被试品一端已接地）

参考高压实验指导书实验二，图7

（2）试验步骤和方法

4、试验结果分析

五、介质损失角正切值tgδ的测量

1、测量tgδ的作用：

反应绝缘的分布性缺陷，对检查变压器、互感器、套管、电容的绝缘状况有效

2、测量tgδ的方法

一般采用专门的仪器，如西林电桥QS1或介质损耗测量仪等。

西林电桥的结构和工作原理：

电桥的四个臂：

CN—标准电容器

ZX—被试品

C4—可调电容

R3—可调电阻

电桥平衡时：

tgδ=C4（f=50HZ）

3、试验接线

（1）正接法：

图2—8（a），被试品两端对地绝缘，实验室采用，安全

2、反接法：

图2—8（b）被试品一端固定接地，一般现场试验采用，为了保证安全，使用绝缘杆操作

4、测量过程

西林电桥的使用：

实验室讲授

六、工频耐压试验

1、工频耐压试验的目的：

（1）有效地发现设备较危险的集中性缺陷，

（2）确定设备的绝缘水平。

2、试验电压大小的确定

3、试验的接线（图2—9）

（1）试验设备

1）试验变压器；2）.调压设备，3）测量设备，

4）.保护装置等组成。

（2）试验变压器特点：

1）单相，2、）绝缘裕度低（不需要考虑过电压），

3、）不需要长期工作，无散热装置

4、）容量小（S=5~750KVA），变比大

试验变压器的型号

如：

YDJ—5/50表示：

5KVA，50/0.23KV

（3）试验变压器容量的选择

4、试验电压的测量

（1）在高压侧直接测量

1）静电电压表

2）球隙测压器

3）分压器（电阻分压器主要测直流高压；电容分压器主要测交流高压）

（2）在低压侧间接测量

5、试验步骤及注意事项

七、直流耐压试验

1、试验的特点

2、试验电压的确定

3、直流电压的测量

2、4电气设备状态监测与故障诊断

一、常规电气设备预防性试验的缺点

1、试验的周期

2、试验电压

二、在线监测技术：

1、定义：

利用运行电压来对高压设备绝缘状况进行试验的方法

2、优点：

（1）提高试验的真实性与灵敏度，及时发现绝缘缺陷

（2）对设备进行连续或选时监测

（3）实现设备的状态检修（维修）制

3、组成：

传感器系统、数据采集、预处理系统、数据处理、诊断决策系统

4、分类：

集中式实时在线监测系统、便携式在线监测系统，电力设备的状态监测按作用分：

保护性监测和维护性监测

5、比较成熟的在线监测方法：

（1）电流的在线监测

（2）tgδ的在线监测

（3）局部放电的在线监测

（4）油中气体含量的在线监测

6、在线监测的不足

（1）不能代替预防性试验

（2）对过电压不能进行测量

电力系统过电压及绝缘

3、1冲击电压发生器

一、作用

产生脉冲波的高电压，用于研究设备承受雷击过电压和操作过电压的绝缘性能。

二、冲击电压发生器的要求

输出电压高，且波形要达到规定的要求

三、冲击电压发生器基本电路

马克斯回路，图7—1

四、基本原理

靠电容器串联放电获得高压。

电容器并联充电，而后串联放电。

3、2试验变压器

一、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

二、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

3、3直流高压的产生

一、直流高电压的用途

1、测量介质的泄漏电流

2、直流耐压试验

3、超高压直流输电的电力设备进行直流高压试验

二、直流高压的产生

1、将工频高压进行整流获得（采用高压硅堆）

2、直流高压发生器

3、4高电压测量

一、交流高电压的测量方法

1、球隙测电压—利用球隙气体放电来测量电压的峰值

2、高压静电电压—测量电压的有效值

3、分压器

二、直流高压的测量方法

1、用球隙测量直流高压的最大值

2、高压静电电压表

3、电阻分压器

三、冲击高电压的测量方法

1、球隙

2、分压器和数字存储示波器组成的测量系统

3、光电测量系统

四、高电压测量设备的使用

高压实验室现场教学

电力系统大气过电压及防护

4、1电力系统的过电压

一、过电压定义：

超过正常运行电压并可使电力系统的绝缘或保护设备损坏的危险电压升高

二、分类：

外部过电压和内部过电压

（1）外部过电压

形式：

直击雷过电压、感应过电压、侵入波过电压

（2）内部过电压

电力系统内部因操作或发生故障，使系统常数发生变化所引起的过电压，其能量来自系统内部，幅值与最大工作相电压有一定比例关系。

形式：

工频过电压、操作过电压及谐振过电压

4、2高压设备的绝缘

一、旋转电机的绝缘

1、旋转电机绝缘的工作条件

旋转电机绝缘在运行中受到热、机械和电场的作用

2、旋转电机常用的绝缘材料

（1）云母制品

（2）绝缘漆和漆布

3、旋转电机常用的绝缘结构

绕组绝缘分主绝缘、匝间绝缘、股间绝缘和层间绝缘

定子绕组主绝缘的绝缘结构分套筒式绝缘和连续式绝缘

4、新技术、新产品简介

二、变压器绝缘

1、电力变压器绝缘的工作条件（对各方面的要求）

电气性能、机械性能、热性能以及其它性能方面的要求

2、油浸变压器中常用的绝缘材料

变压器油、绝缘纸、油－屏障绝缘

3、干式电力变压器特点

4、新技术、新产品简介：

采用SF6气体绝缘变压器（GIT）

三、电缆的绝缘

电力电缆常用的绝缘材料

1、35KV及以下：

采用油浸纸绝缘、塑料绝缘、橡皮绝缘

2、110KV及以上：

充油电缆、钢管油压电缆、充气电缆

4、3高压线路的绝缘

一、电瓷产品的分类：

绝缘子、瓷套、套管

二、绝缘子的特点：

1、对于电气和机械性能要求高

2、工作环境差

3、使用数量大，要求保证良好的老化性能。

三、绝缘子

1支持绝缘子

2线路绝缘子

3新技术、新产品简介：

有机复合绝缘子、玻璃绝缘子

4、4高压保护电气设备（本章重点）

一、气体间隙

二、避雷器

1、避雷器的作用：

它是一种保护电器。

用于防止侵人波过电压。

2、对避雷器的要求

（1）当电压超过一定值时，避雷器动作（放电）

（2）过电压消失后，避雷器迅速切断工频电弧。

三、避雷器的类型：

1、管型避雷器

2、阀型避雷器

3、磁吹避雷器

4、氧化锌避雷器

四、阀型避雷器：

1、结构：

主要由火花间隙和阀片组成。

1）     火花间隙用于切断工频续流。

2）     阀片：

是一种非线性电阻。

雷电流作用下，阀片呈低阻值，限制残压；对工频续流，阀片工作在高阻值区，限制工频续流，有利于灭电弧。

2、工作原理：

（1）正常时，由于火花间隙的作用，导线对地绝缘；

（2）当过电压作用时，间隙被击穿，将电流引人大地。

过电压消失后，间隙绝缘强度恢复，避雷器恢复正常状态。

3、阀型避雷器的阀式特性：

避雷器象一只阀门一样，正常时阀门关闭，导线对地绝缘；过电压作用时，阀门打开，让雷电流人地。

4、避雷器的主要电气参数：

（1）额定电压：

我国指正常工作时加在避雷器上的工作电压，即避雷器安装处的电网标称电压。

（2）灭弧电压：

在保证避雷器动作时工频续流第一次过零就灭弧的条件下，允许加在避雷器上的最大工频电压。

它应高于安装处工作母线上可能出现的最高工频电压。

否则就不能保证电弧熄灭。

1）对于中性点不接地电网，避雷器的灭弧电压规定为系统最大工作线电压的110%，称110%避雷器。

10KV避雷器的灭弧电压为：

10×（1+15%）×110%=12、7KV

2）35—60KV中性点经消弧线圈接地电网，避雷器的灭弧电压规定为系统最大工作线电压的100%，称100%避雷器。

35KV避雷器的灭弧电压为：

35×（1+15%）×100%=41KV

3）110KV及以上中性点直接接地电网，发生单相接地时，非故障相电压可达最大工作线电压的80%，避雷器的灭弧电压取该值，称80%避雷器。

（3）工频放电电压

（4）冲击放电电压

（5）残压

五、氧化锌避雷器

1、结构：

此避雷器无间隙，只有阀片。

其阀片是以氧化锌为主要材料的非

线性特性的压敏电阻。

2、工作原理：

在正常工作电压作用下，流过氧化锌阀片的电流很小，为10-5A，此时阀片相当于一个绝缘体，所以无需间隙。

当过电压作用时，阀片呈现出很小的电阻，相当于阀片“导通”，其残压与电流几乎无关。

3、主要电气参数

（1）额定电压

（2）最大长期工作电压

（3）压比（4）残压

4、特点：

无间隙，结构简单，体积轻小；无续流，不存在灭弧问题。

电力系统内部过电压及其限制

5、1雷闪过电压

一、雷闪放电过程

1、先导放电阶段：

当云中的电荷达到一定数量时，电场强度达到使空气绝缘破坏（击穿），变成导电通道，即先导放电通道，向地面发展（逐级）。

2、主放电阶段：

当先导通道头部接近地面时，先导通道头部对大地的极大电位差，使剩余间隙中产生极大的场强，造成强烈的游离，形成高导电通道，将先导通道头部与大地接通，即主放电阶段开始，发生闪电和巨大的雷响。

3、余辉放电阶段：

主放电完成后，云中的剩余电荷沿雷电流通道继续流向大地，形成余辉放电。

二、雷电参数：

1、雷电通道波阻抗Z=300~400欧

2、雷电流的波形

3、雷电流幅值及概率分布（图4—2）

4、雷暴日TD，

5、地面落雷密度

三、冲击波过电压和伏秒特性

1、冲击波过电压的定义：

作用时间很短的非周期变化的过电压。

2、标准冲击电压波形：

（1）规定标准冲击波电压波形的目的

（2）标准波形

（3）标准冲击电压波形的参数：

1）波前时间T1=（1、2±0.36）us，

2）波长T2=（50±10）us，通常表示为：

1、2/50us

四、50%冲击击穿电压U50%：

由于冲击电压作用下放电的分散性，如果在某一冲击电压作用下，间隙击穿的概率为50%时，称此电压为50%冲击击穿电压，用U50%表示。

它表示间隙耐受冲击电压的能力。

冲击系数：

表示U50%与静态放电电压U0之比。

即γ=U50%/U0

U0—静态放电电压（直流、工频）

五、间隙（绝缘结构）的伏秒特性：

表示间隙放电电压与放电时间的关系曲线。

5、2输电线路的雷闪过电压及其防护

一、输电线路的运行特点

二、输电线路上的感应过电压

1、雷击线路附近地面时导线上的感应过电压

主要说明避雷线对感应过电压的影响，结论是：

由于避雷线的存在，可使感应过电压下降。

2、雷击塔顶时线路上的感应过电压

（1）无避雷线时

（2）有避雷线时

三、输电线路的直击雷过电压

1、雷直击导线时的过电压

绕击的概念

2、雷击杆塔顶时的过电压

（1）作用在线路绝缘子串上的电压（即塔顶与导线之间的电压）由下列3个分量组成：

杆塔对地电位Utd；

避雷线和导线间的耦合作用在导线上具有的电位；

感应电位。

1）塔顶电位：

Utd=βI（Rch+Lgt/2、6）

2）导线电位：

Ud=KUtd-ahd（1–K）（包含耦合以及感应）

3）绝缘子串上的电压Uj：

Uj=Utd-Ud=I（βRch+βLgt/2、6+hd/2、6）（1–K）

（2）绝缘子串的闪络：

当Uj大于绝缘子串的冲击闪络电压时，绝缘子串将发生闪络，称为“反击”。

（3）反击耐雷水平

四、雷击跳闸

1、输电线路雷击跳闸率的定义

2、雷击时引起线路绝缘子闪络跳闸的原因

3、线路雷击