電力系統(tǒng)絕緣

1、第十七章 電力系統(tǒng)的絕緣,一、均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性,均勻電場(chǎng)擊穿所需的時(shí)間很短，它在直流、工頻和沖擊電壓作用下的擊穿電壓基本相同，擊穿電壓分散性很小，伏秒特性很快就變平。,均勻電場(chǎng)空氣間隙擊穿電壓特性可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來表示:,第一節(jié) 均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性,式中 Ub擊穿電壓峰值，kV ； d 極間距離，cm ； 空氣相對(duì)密度,上式符合巴申定律。由上式可知，隨著極間距離d的增大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb 稍有下降。 相應(yīng)的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng):,隨著極距離 d 的增大，擊穿場(chǎng)強(qiáng) Eb 稍有下降，在d=110cm 的范圍內(nèi)，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為 30kv/cm 。,稍不均勻電場(chǎng):與均勻電場(chǎng)相似，與極不均勻電場(chǎng)有很大差

2、別。稍不均勻電場(chǎng)中不可能存在穩(wěn)定的電暈放電，一旦出現(xiàn)局部放電即導(dǎo)致整個(gè)氣隙的擊穿。它的沖擊系數(shù)也接近1，即它的沖擊擊穿電壓與工頻擊穿電壓及直流擊穿電壓基本上是相等的,第二節(jié)、稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng),極不均勻電場(chǎng):在各種各樣的極不均勻電場(chǎng)氣隙中，“棒棒”氣隙具有完全的對(duì)稱性，而“棒板”氣隙具有最大的不對(duì)稱性。其他的極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿情況均處于這兩種極端情況的擊穿特性之間.,不對(duì)稱的極不均勻電場(chǎng)（例如“棒板” 氣隙）在直流電壓下的擊穿具有明顯的極性效應(yīng)?！鞍舭濉?氣隙在負(fù)極性時(shí)的擊穿電壓大大高于正極性時(shí)的擊穿電壓。,對(duì)極不均勻電場(chǎng)長(zhǎng)氣隙來說，操作沖擊電壓下 的擊穿具有如下特點(diǎn)：,（1）操作

3、沖擊電壓的波形對(duì)氣隙的電氣強(qiáng)度有很大的影響。,（2）在各種類型的作用電壓中，以操作沖擊電壓下的電氣強(qiáng)度為最小。,（3）極不均勻電場(chǎng)長(zhǎng)氣隙的操作沖擊擊穿電壓具有顯著的“飽和”特征。,提高氣隙的擊穿電壓有兩種途徑：一是改善氣隙中的電場(chǎng)分布，使之盡量均勻；二是設(shè)法消弱或抑制氣體介質(zhì)中的電離過程。具體方法有：,一、改進(jìn)電極形狀,電場(chǎng)分布越均勻，氣隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)也就越大。改進(jìn)電極形狀（增大電極的曲率半徑、消除電極表面的毛刺、尖角等）減小氣隙中的最大電場(chǎng)強(qiáng)、改善電場(chǎng)分布、提高氣隙的擊穿電壓。,第三節(jié) 提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法,當(dāng)導(dǎo)線直徑減小到一定程度后，氣隙的工頻擊穿電壓反而會(huì)隨導(dǎo)線直徑的減小而提高，

4、出現(xiàn)所謂“細(xì)線效應(yīng)”。,三、采用屏障,在氣隙中放置形狀和位置合適、能阻礙帶電粒子運(yùn)動(dòng)和調(diào)整空間電荷分布的屏障，也是提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的一種有效方法。,二、利用空間電荷改善電場(chǎng)分布,提高氣壓會(huì)大大減小電子的自由行程長(zhǎng)度，削弱和抑制了電離過程，使氣體的電氣強(qiáng)度得到提高。如果在采用高壓的同時(shí)再以某些高強(qiáng)度的氣體（例如SF6 氣體）來替代空氣，能獲得更好的效果。,五、采用高電氣強(qiáng)度氣體,在眾多氣體中，有一些含鹵族元素的強(qiáng)電負(fù)性氣體例如六氟化硫（SF6）、氟里昂（CCl2F2）等的電氣強(qiáng)度特別高可稱為高電器強(qiáng)度氣體。,四、采用高氣壓,六、采用高真空 高真空度可以減弱氣體的碰撞電離過程從而顯著提高氣隙的

5、擊穿電壓。在高真空時(shí)，不能用簡(jiǎn)單的氣體放電理論來說明。在極間距離較小時(shí)，高真空的擊穿與陰極表面的強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射有關(guān)。,SF6 的電氣強(qiáng)度約為空氣的2.5倍，滅弧能力高大空氣的100倍以上。在超高壓和特高壓范疇內(nèi)，它已完全取代絕緣油和壓縮空氣成為唯一的斷路器滅弧媒質(zhì)了。在封閉式氣體絕緣組合電器（GIS）和充氣管道輸電線等裝置中，SF6 也被廣泛的采用,電場(chǎng)的不均勻程度對(duì)SF6 電氣強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)比對(duì)空氣的的大， SF6 的優(yōu)異性能只有在電場(chǎng)比較均勻的情況下才能得到充分的發(fā)揮。,第四節(jié) SF6 和氣體絕緣設(shè)備,電極表面粗糙度Ra 對(duì)SF6 氣體強(qiáng)度Eb的影響隨著工作氣壓的提高而增大。電極表面粗糙度大時(shí)表面

6、突起處的局部電場(chǎng)強(qiáng)度要比氣隙的平均電場(chǎng)強(qiáng)度的得多。電極表面還會(huì)有其他缺陷，電極表面積越大這類缺陷出現(xiàn)的概率也就越大，SF6 的擊穿場(chǎng)強(qiáng)就越低，這一現(xiàn)象稱為“面積效應(yīng)”。,氣體絕緣電氣設(shè)備（GIS）,GIS 由斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘、互感器、避雷器、母線、連線和出線終端等部件組合而成，全部封閉在充SF6 氣體的金屬外殼中。,與傳統(tǒng)敞開式配電裝置相比，GIS具有下列突出優(yōu)點(diǎn)。,1、 大大節(jié)省占地面積和空間體積 。 2、運(yùn)行安全可靠。 3、有利于環(huán)保，使運(yùn)行人員不受電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響。 4、安裝工作量小、檢修周期長(zhǎng)。,氣絕緣管道輸電線亦可稱為氣體絕緣電纜(GIC），它與充油電纜相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：,

7、1、電容量小。 2、損耗小。 3、傳輸容量大。,氣體絕緣變壓器（GIT）與傳統(tǒng)的油浸變壓器相比，有以下主要優(yōu)點(diǎn)：,1、GIT是防火防爆型變壓器。 2、GIT的噪聲小于油浸變壓器。 3、氣體介質(zhì)不會(huì)老化，簡(jiǎn)化了維護(hù)工作。,一、絕緣子及套管 高壓絕緣子包括高壓套管，它們的基本用途是在電力系統(tǒng)或電氣設(shè)備中將不同電位的導(dǎo)電體在機(jī)械上固定起來。在高壓輸電線路中，絕緣子的投資百分率隨電壓等級(jí)而上升，在132、275、400和750kV的架空線路中，分別約占輸電線路造價(jià)的11、18、22和24% 。因此，絕緣子及套管在電力系統(tǒng)中占有重要的位置。,第五節(jié) 絕緣子 及其套管,懸式絕緣子,絕緣子、瓷套及套管按下述

8、分類： （1）按形狀分類； （2）按工作電壓分類， （3）按材質(zhì)分類。,套管的分類 當(dāng)導(dǎo)體穿過變壓器等的箱體以及墻壁、地板、屋頂?shù)雀舭鍟r(shí)需要有通道，套管就是使這些導(dǎo)體與隔板絕緣的一種支持裝置。套管可分類如下：,液體介質(zhì)和固體介質(zhì)廣泛用作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣。應(yīng)用的最多的液體介質(zhì)是變壓器油以及電容器油和電纜油。用作內(nèi)絕緣的固體介質(zhì)常見的有絕緣紙、紙板、云母、塑料等。以及用于制造絕緣子的電瓷、玻璃和硅橡膠等。,第六節(jié) 液體和固體的介質(zhì)的電氣特性,一、極化,電介質(zhì)極化的強(qiáng)弱可用介電常數(shù)的大小來表示，它與該電介質(zhì)分子的極性強(qiáng)弱有關(guān)，還受溫度外加電場(chǎng)頻率等因素的影響。,r 反映電介質(zhì)極化的物理量。,具有極性

9、分子的電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)，而由中性分子構(gòu)成的電介質(zhì)稱為中性電介質(zhì)。前者是即使沒有外電場(chǎng)的作用其分子本身也具有電矩的電介質(zhì)。 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),基本的極化形式有電子式極化、離子式極化和偶極子極化等三種，另外還有夾層極化和空間極化等。,由不同介電常數(shù)和電導(dǎo)率的多種電介質(zhì)組成的絕緣結(jié)構(gòu)，在加上外電場(chǎng)后各層電壓將從開始是按介電常數(shù)分布逐漸過度到穩(wěn)臺(tái)時(shí)按電導(dǎo)率分布。在電壓重新分布的過程中，夾層截面上會(huì)積聚起一些電荷，使整個(gè)介質(zhì)的等值電容增大，這種極化稱為夾層介質(zhì)面極化，或簡(jiǎn)稱夾層極化。,二、電導(dǎo) 任何電介質(zhì)都不同程度地具有一定的導(dǎo)電性，表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的主要物理量即為電導(dǎo)率 或其倒數(shù)電阻率 。,按

10、載流子的不同，電介質(zhì)的電導(dǎo)可分為離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)兩種，前者以離子為載流子，而后者以自由電子為載流子。,離子電導(dǎo)又可分為本征（固有）離子電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo)。在純凈的非極性電介質(zhì)中，電導(dǎo)率是很小的，亦即電阻率很大；而極性電介質(zhì)因具有較大的本征離子電導(dǎo)，其電阻率就小得多了（ 10101014cm）。,固體和液體介質(zhì)的電導(dǎo)率 和溫度 T 的關(guān)系均可近似的用下式表示,式中A、B為常數(shù)，均與介質(zhì)的特性有關(guān)，但固體介質(zhì)的常數(shù)B通常比液體介質(zhì)B值大得多；T為絕對(duì)溫度，K,上式表明，電介質(zhì)的電導(dǎo)率隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升。,在直流電壓的作用 下，電介質(zhì)中沒有周期性的極化過程，只要外加電壓還沒到達(dá)引起局部放電的數(shù)值

11、，介質(zhì)中的損耗將僅由電導(dǎo)所引起。,三、電介質(zhì)損耗,P = U I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg 式中 電源角頻率； 功率因數(shù)角； 介質(zhì)損耗角。,把電流歸并成有功電流和無功電流兩部分，即可得如下圖所示的并聯(lián)等值電路，圖中CP代表無功電流IC的等值電容、R代表有功電流IR的等值電阻。,并聯(lián)等值電路,此時(shí)電路的功率損耗為,由相量圖可得, 串聯(lián)等值電路,兩種等值電路中的電容值幾乎相同，可以用同一電容 C 來表示。另外串聯(lián)等值電路中的電阻 r 要比并聯(lián)等值電路中的電阻 R 小得多。,因?yàn)榻橘|(zhì)損耗角值一般都很小，所以,PU2CStg,1、氣體介質(zhì)損耗,氣體分子間的距離很的，

12、相互間的作用力很弱，所以在極化過程中不會(huì)引起損耗。不過當(dāng)氣體中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到放電起始場(chǎng)強(qiáng) E0 時(shí)，氣體中將發(fā)生局部放電，這是損耗將急劇增大。所即使外加電壓還不高時(shí)，氣泡中即可能出現(xiàn)很大的電場(chǎng)強(qiáng)度而導(dǎo)致局部放電。,四、 氣體、液體和固體介質(zhì)的損耗,中性和弱極性液體介質(zhì)（如變壓器油）的極化損失很小，起損耗主要有電導(dǎo)引起，因而引起損耗率 P0 （單位體積電介質(zhì)中的功率損耗）。,2、液體介質(zhì)損耗,電工陶瓷（簡(jiǎn)稱電瓷）既有電導(dǎo)損耗也有極化損耗。常溫下電導(dǎo)很?。缓写罅坎Ａ嗟钠胀姶傻膖g較大，而以結(jié)晶相為主的超高頻電瓷的tg很小。,玻璃也具有電導(dǎo)損耗和極化損耗，總的介質(zhì)損耗與玻璃的成分有關(guān)，含金屬氧

13、化物的玻璃損耗較大。假如重金屬氧化物能使損耗下降一些。,3、固體介質(zhì)的損耗,液體介質(zhì)的擊穿機(jī)理有各種理論，主要可分為兩大類，即電子碰撞電離理論和氣泡擊穿理論，前者亦稱電擊穿理論。,（一）電子碰撞電離理論,當(dāng)外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，在陰極產(chǎn)生的強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射或因肖特基效應(yīng)發(fā)射的電子將被電場(chǎng)加速而具有足夠的動(dòng)能，在碰撞液體分子是可引起電離，使電子數(shù)加倍，形成電子崩。當(dāng)外加電壓增大到一定程度時(shí)，電子崩電流回急劇增大，從而導(dǎo)致液體介質(zhì)的擊穿。,純凈液體介質(zhì)的電擊穿理論與氣體放電的湯遜理論中 、 的作用有些相似。,由電擊穿理論知 ：純凈液體的密度增加時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)增大；溫度升高時(shí)液體膨脹擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)下降；由于電子崩的產(chǎn)

14、生和空間電荷層的形成需要一定時(shí)間，當(dāng)電壓作用時(shí)間很短時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)將提高，因此液體介質(zhì)的沖擊擊穿場(chǎng)強(qiáng)高于共頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)。,在交流電壓下，串聯(lián)介質(zhì)中的電場(chǎng)分布是與介質(zhì)的 r 成反比的。由于氣泡的r 最小（1），其電氣強(qiáng)度又比液體介質(zhì)低得多，所以氣泡先發(fā)生電離。氣泡電離后溫度上升、體積膨脹、密度減小，這促使電離近一步發(fā)展。電離產(chǎn)生的帶電離子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導(dǎo)致氣體通道擴(kuò)大。擊穿就可能在此通道中發(fā)生。,（二）氣泡擊穿理論,不論在均勻電場(chǎng)中還是不均勻電場(chǎng)中，隨著溫度的上升，沖擊擊穿電壓均單調(diào)地稍有下降。這也可借助電子碰撞電離理論來加以解釋，而水滴等雜質(zhì)的影響很小，因?yàn)樵跊_擊電壓作用下來不及形

15、成雜質(zhì)小橋。,固體介質(zhì)中存在少量處于導(dǎo)電能級(jí)的電子（傳導(dǎo)電子），它們?cè)趶?qiáng)電場(chǎng)作用下加速，并與晶格接點(diǎn)上的原子（或離子）不斷碰撞。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電子從電場(chǎng)獲得的能量大于碰撞時(shí)失去的能量，則在電子的能量達(dá)到了能使晶格原子（或離子）發(fā)生電離的水平時(shí)，傳導(dǎo)電子數(shù)將迅速增多，引起電子崩，破壞了固體介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)，使電導(dǎo)大增而導(dǎo)致?lián)舸?（三） 固體介質(zhì)的擊穿,電擊穿的主要特征為：擊穿電壓幾乎與周圍環(huán)境溫度無關(guān)；除擊穿時(shí)間很短的情況外，擊穿電壓與電壓作用時(shí)間的關(guān)系不大；介質(zhì)發(fā)熱不顯著；電場(chǎng)的均勻程度對(duì)擊穿電壓有顯著影響。,熱擊穿是由于固體介質(zhì)內(nèi)熱不穩(wěn)定過程造成的。當(dāng)固體介質(zhì)長(zhǎng)期地承受電壓的作用時(shí)，會(huì)因介

16、質(zhì)損耗而發(fā)熱，與此同時(shí)也向周圍散熱，如果周圍環(huán)境溫度低、散熱條件好，發(fā)熱與散熱將在一定條件下達(dá)到平衡這時(shí)固體介質(zhì)處于熱穩(wěn)定狀態(tài)介質(zhì)溫度不會(huì)不斷上升而的導(dǎo)致絕緣的破壞。但是如果發(fā)熱大于散熱，介質(zhì)溫度將不斷上升，導(dǎo)致介質(zhì)分解、熔化、碳化或燒焦，從而發(fā)生熱擊穿。,電化學(xué)擊穿電壓的大小與加電壓時(shí)間的關(guān)系非常密切，但也因介質(zhì)種類的不同而異。一般來說，無機(jī)絕緣材料耐局部放電的性能較好。,影響固體介質(zhì)擊穿電壓的因素很多：,（一）電壓的作用時(shí)間,如果電壓作用時(shí)間很短（例如 0.1s以下），固體介質(zhì)的擊穿往往是電擊穿，擊穿電壓當(dāng)然也較高。隨著電壓作用時(shí)間的增長(zhǎng)，擊穿電壓下降，如果在加壓后數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)才引起擊穿

17、，則熱擊穿往往起主要作用。,處于均勻電場(chǎng)中的固體介質(zhì)，其擊穿電壓往往較高，且隨厚度的增加近似地成線性增大；若在不均勻電場(chǎng)中，介質(zhì)厚度增加將使電場(chǎng)更不均勻，于是擊穿電壓不在隨厚度的增加而線性上升。當(dāng)厚度增加到使散熱困難到可能引起熱擊穿時(shí)，增加厚度的意義就更小了。,（二）電場(chǎng)均勻程度,固體介質(zhì)在某個(gè)溫度范圍內(nèi)其擊穿性質(zhì)屬于電擊穿，這時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)很高，且與溫度幾乎無關(guān)。超過某個(gè)溫度將發(fā)生熱擊穿，溫度越高熱擊穿電壓越低；如果其周圍媒質(zhì)的溫度也高，且散熱條件又差，熱擊穿電壓將更低。不同固體介質(zhì)其耐熱性能和耐熱等級(jí)是不同的，因此它們有電擊穿轉(zhuǎn)為熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。,（三）溫度,（四）累積效應(yīng),

18、固體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中以及在幅值不是很高的過電壓、特別是雷電沖擊電壓下，介質(zhì)內(nèi)部可能出現(xiàn)局部損傷，并留下局部碳化、燒焦或裂縫等痕跡。多次加電壓時(shí)，局部損傷會(huì)逐步發(fā)展，這稱為累積效應(yīng)。它會(huì)導(dǎo)致固體介質(zhì)擊穿電壓的下降。,在幅值不高的內(nèi)部過電壓下以及幅值隨高、但作用時(shí)間很短的雷電過電壓下，由于加電壓時(shí)間短可能來不及形成貫穿性的擊穿通道，但可能在介質(zhì)內(nèi)部引起強(qiáng)烈的局部放電，從而引起局部損傷。,主要以固體介質(zhì)為絕緣材料的電氣設(shè)備，隨著施加沖擊或工頻試驗(yàn)電壓次數(shù)的增多，很可能因累積效應(yīng)而使其擊穿電壓下降。因此，在確定這類電氣設(shè)備耐壓試驗(yàn)加電壓的次數(shù)和試驗(yàn)電壓值時(shí)應(yīng)考慮這種累積效應(yīng)，而在設(shè)計(jì)固體絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)保證一定的絕緣裕度。,對(duì)高壓電氣設(shè)備絕緣的要求是多方面的，除了必須有優(yōu)異的電氣性能外，還要求有良好的熱性能、機(jī)械性能及其他物理化學(xué)性能，單一品種的電介質(zhì)往往難以同時(shí)滿足這些要求，所以實(shí)際的絕緣結(jié)構(gòu)一般由多種電介質(zhì)組合而成。,各層絕緣所承受的電壓與絕緣材料的特性和作用電壓的類型有關(guān)。例如在直流電壓下，各層絕緣分擔(dān)的電壓與其絕緣電阻成正比，即和電導(dǎo)率成反比。但在工頻交流和沖擊電壓的作用下，各層所分擔(dān)的電壓與各層的電