1、莫付江 电气绝缘基础理论本章主要内容2.1 气体介质的放电理论2.2 液体介质的击穿2.3 固体介质的击穿2.4 组合绝缘的特性2.5 绝缘的老化2.6 电力系统过电压与绝缘配合莫付江 2.2 液体介质的击穿2.2.0 引 言 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2.2.1 液体介质的击穿机理（小桥理论 )p 工程应用的液体介质不可避免地存在气泡或杂质如水分、悬浮的固体纤维等莫付江 2.2 液体介质的击穿p 气泡或杂质在电场作用下，在电极间排列搭成电
2、导性较强的 “小桥 ” 气泡：容易放电 水分流过电流时易发热气化，形成气泡 纤维相互间容易连接；且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p 杂质小桥通道电导大，电导电流大，容易产生电离p 进而引起液体介质的击穿2.2.2 影响液体介质击穿的因素p 杂质 :电场越均匀，影响越显著！ 油中最主要的杂质是水分 （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 温度 ：关系比较复杂，主要取决于油中水分状态（固 ，悬 ，溶解 ，汽化 ） 油体积 ：杂质出现的概率随油体积增大而增大，击穿场强随之下降 电压形式 ：杂质形成小桥需要时间。冲击击穿强度比工
3、频击穿高得多莫付江 2.2 液体介质的击穿2.2.3 减小杂质影响的措施p 过滤（运行中的变压器，常用此法恢复油绝缘性能）p 防潮（不能全封闭的变压器，在呼吸器入口放干燥剂）p 祛气（对于电压等级较高的电器设备，真空注油）p 用固体介质减小油中杂质的影响 . 覆盖层：限制泄漏电流 /如电缆纸，黄蜡布或漆膜。为什么充油电力设备很少采用裸导线。 绝缘层：覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，称绝缘层。（不均匀电场中将曲率半径小的电极包上较厚的绝缘纸、黄蜡布、皱纹纸等，使油中杂质减小，降低油中最大场强。） 屏障：既阻止杂质 “小桥 ”的形成，又能改善间隙中电场均匀度（最佳位置为离尖电极距离为整个间隙距
4、离的 0.2左右），在充油电力设备中（变压器）应用广泛。莫付江 2.3 固体介质的击穿2.3.0 引言u 固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高u 特点： 1. 击穿场强与电压作用的时间有很大关系2. 一旦击穿，绝缘无法自行恢复固体介质击穿场强与电压作用时间的关系莫付江 2.3 固体介质的击穿2.3.1 电击穿p 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p 体积效应 由于材料的不均匀性，导致击穿场强分散性很大；加大试样的面积和体积，使材料弱点出现的概率增大，会使击穿场强降低p 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
5、击电压作用时的击穿电压 U1. 有机材料有明显的累积效应2.3.2 热击穿p 是一个热不平衡的过程 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；发热大干散热，温度上升造成热破坏 .p 热击穿所需时间较长（几小时 几分钟） 工频 lmin耐压不能考验热击穿特性（ 510min）p 随外加电场频率的增加，热击穿几率增大（极化：直流、工频、高频）莫付江 2.3 固体介质的击穿2.3.3 电化学击穿u介质长期加电压引起介质劣化而导致击穿场强下降u局部放电导致绝缘劣化介质内气隙的局部放电（ Partial Discharge，简称 PD）PD产生活性气体如 O3、
6、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u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一、局部放电的等值电路放电前后，间隙 g两端的电压变化为 (Ug-Ur)对间隙 g放电的电容量为莫付江 2.3 固体介质的击穿可计算出间隙的放电量为这个放电量不能实测。在进行局部放电检测时，常根据气隙放电时试品上电压变化 U和试品电容来确定所谓的视在放电电荷量 q由于电压变化 U和试品电容可以测得，因此视在放电电荷量 q也可测出，但比气隙真实放电量小很多。单个局部放电的能量可以测得。用气隙量表示转化为用视在放电电荷量 q表示的公式为其中
7、 Ui 为试品上施加电压 .莫付江 2.3 固体介质的击穿发生局放时气隙上电压变化莫付江 2.3 固体介质的击穿发电机定子绕组端部绝缘局部放电实测波形莫付江 2.3 固体介质的击穿三、提高局部放电电压的措施u 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u 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尺寸。钢管油压电缆用高油压消除电缆绝缘层中可能出现的空隙； 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。用于电容器、电缆、互感器及电容套管中的油纸绝缘就是实例。二、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
8、，单位时间内局放次数增多，局 .放对绝缘的危害增大；直流下局放频率很小，其危害远小于交流时莫付江 2.4 组合绝缘特性2.4.0 引言u 电气设备内部绝缘结构中常用液体和固体介质构成组合绝缘 油 屏障绝缘 油纸绝缘u 组合绝缘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 2.4.1 油 屏障绝缘与油纸绝缘的特点u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）u 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，但散热困难
9、油纸绝缘的直流击穿场强比交流击穿场强高得多莫付江 2.4 组合绝缘特性u 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u 直流电压下，油与纸中的场强分配比交流时合理u 在电压长时间作用下，油纸绝缘直流局放的危害性比交流时小莫付江 2.4 组合绝缘特性2.4.2多介质系统中的电场莫付江 2.4 组合绝缘特性2.4.3 电场调整的方法u 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在不同绝缘厚度处夹入不同长度的导电箔作为电容极板，调整电场电容套管油纸绝缘的高压电流互感器u 改变绝缘材料的形状以改善电场分布GIS中环氧盘形绝缘子沿面电场分布莫付江
10、 2.5 绝缘的老化2.5.0 引言u绝缘老化：不可逆的劣化！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，导致其机械及电气性能劣化 u 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2.5.1 电介质的热老化u高温下，短时间内就能发生明显的损坏u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u绝缘的温度越高，老化越快 ,寿命越短u不同介质材料的耐热点不同耐热等级 ;最高允许工作温度莫付江 2.5 绝缘的老化O级： 90A级： 105E级： 120B级： 130F级： 155H级： 180C级： 180u 工作温
11、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）2.5.2 介质的电老化u 局部放电（电缆中的树枝状放电：电树枝和水树枝）u 固体介质耐受局部放电的能力存在差异 抗电老化的性能是不同的 (有机 /无机） 绝缘设计时必须选择合适的工作场强莫付江 2.5 绝缘的老化2.5.3 机械力的影响u机械应力对绝缘老化的速度有很大影响 固体介质内产生裂痕或气隙导致局部放电 举例：瓷绝缘子的老化；悬式绝缘子串中靠近铁塔悬挂点最易损坏；电机绕组机械力作用，使绝缘受到损伤
12、u温度突变产生内部应力 突然降雨使瓷表面骤冷，在其内部产生应力2.5.4 环境的影响u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u材料的相容性 绝缘与导体之间（化学反应、相容）莫付江 2.6 电力系统过电压与绝缘配合2.6.0 引言u 过电压（ over voltage）：电气设备上出现的高于工作电压的电压u 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u 过电压的幅值要比工作电压高 许多 (一般为几倍
13、 )u 过电压对电力系统绝缘水平起着决定性作用u 必须采取必要的限制过电压的 措施（不能依可能过电压值设计绝缘）u 绝缘水平 （绝缘强度） 电气设备能承受的试验电压值 通过耐压试验予以确认（交流、直流、冲击）u 绝缘配合 最终目的：确定电气设备的绝缘水平 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，以达到经济和安全运行总体效益最高的目的。莫付江 2.6 电力系统过电压与绝缘配合莫付江 2.6 电力系统过电压与绝缘配合2.6.1 电力系统过电压简介u 雷电过电压 直击雷过电压：直击输电线
14、路等，被击物流过雷电流 感应雷过电压：雷击输电线路附近的地面一般不会超过 500kV 内部过电压：暂时过电压 :持续时间长操作过电压 :持续时间短，小于 0.1s 操作过电压一般不超过相电压的 3.5倍过电压 大气过电压内部过电压感应雷过电压直击雷过电压暂时过电压操作过电压工频过电压谐振过电压间歇性弧光接地、合闸空载线路切除空载线路、切除空载变压器空载长线电容效应不对称短路突然甩负荷线性谐振参数谐振铁磁谐振莫付江 2.6 电力系统过电压与绝缘配合一、空载长线的电容效应引起的工频过电压u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/CL，那么电路中将流过容性电流。电容上的电压
15、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，称电容效应u空载长线的电容效应从分布参数的角度看，一条空载线路可看作由无数个串联的回路构成，在工频电压作用下，线路的总容抗一般大于导线的感抗，因此线路各点的电压均高于线路首端电压，而且愈往末端电压愈高。Z：线路波阻抗，约 300: 相位系数 , ,对于输电线路 ,若线路末端开路，即： I2=0，可得线路首末端电压关系为莫付江 2.6 电力系统过电压与绝缘配合根据上式，若 ，即 ， 或 时，末端电压为无穷大。电网频率 50赫兹时，电磁波波长为 6000千米。即此时出现 1/4波长谐振。u电源的容量的影响 :1、无限大容
16、量（ Xs=0）2、有限大容量（ Xs0）加剧电容效应 莫付江 2.6 电力系统过电压与绝缘配合二、中性点不接地系统电弧接地过电压u 电力系统中 60% 以上的故障是单相接地故障u 随着电网的发展和电压等级的提高，单相接地电容电流随之增加，一般 610kV电网的接地电容电流超 30A， 3560kV电网的接地电流超过10A 时电弧便难以自行熄灭，在健全相产生过电压（间歇性电弧过电压）小电流接地系统的单相接地（电路图、向量图）莫付江 2.6 电力系统过电压与绝缘配合根据工频熄弧理论，电弧要等到工频电流过零后熄灭。因此实际工频过电压值更大，且发生在一个周期电弧重燃时根据向量图分析，中性点不接地系统
17、单相接地故障时，非故障相电压达到正常线电压的 倍。右图表示 A相接地时过电压发展过程，接地时最大过电压为正常相 莫付江 2.6 电力系统过电压与绝缘配合u限制过电压的措施 消除电弧接地过电压的根本途径是消除间歇性电弧有效的方法是将中性点直接接地采用中性点经消弧线圈接地的运行方式 . 消弧线圈是一电感线圈，接于系统的中性点处基本作用是： 补偿流过故障点的电容电流，使电弧能够自行熄灭，系统恢复正常工作状态；降低故障相上恢复电压上升的速度，减小电弧重燃的可能性消弧线圈的使用存在一个补偿度问题。常把电感电流补偿电容电流的百分数称为消弧线圈的补偿度。定义脱谐度依次可分补偿方式为： 欠补偿， ，易谐振，不
18、常用； 过补偿， ，电感电流大于电容电流，故障点流过感性残流。常采用的补偿方法； 全补偿， ，电感电流与电容电流相互抵消，消弧线圈与三相出现并联谐振。莫付江 2.6 电力系统过电压与绝缘配合2.6.2 过电压的防护和限制措施u过电压的类型较多u 产生的原因及特点各异u 其防护和限制措施也有所不同一、防雷装置 避雷针 避雷线 避雷器 接地网 避雷针（线）的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把雷电流泻入大地 接地把设备与作为 0电位参考点的地球作电气上的连接莫付江 2.6 电力系统过电压与绝缘配合 接地的分类工作接地
19、：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。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。防雷接地：导泄雷电流，以消除过电压对设备的危害静电接地：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 接地装置 在大地表面土层中埋设金属电极，这种埋入地中并直接与大地接触的金属导体，叫做接地体 将接地体与需要接地的设备接地端连接起来，组成接地装置 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合（本体电阻 +土壤综
20、合电阻） 接地电阻越小越好莫付江 2.6 电力系统过电压与绝缘配合 接地网：为了实现良好的接地，将多个水平接地体（如扁铁）和垂直接地体（如钢筋、钢管）在地下连接起来构成网络结构。 避雷针、线、器均需要接地网接地装置原理图莫付江 2.6 电力系统过电压与绝缘配合 避雷器（ Arrester， Arr）u限制过电压的保护装置，实质是放电器 u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）u不同类型的避雷器其保护特性存在明显差异u 避雷器的保护原理避雷器与被保护设备相并联，当避雷器上出现高于其动作电压的过电压时， Arr先于被保护设备动作放电，利用其非线性电阻（ u=ci），将过电压限制在被保护设备绝缘能够承受的范围内，从而保护了电气设备
