电力系统的绝缘
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电力系统的绝缘. 第一节 均匀电场气隙的击穿特性. 一、均匀电场气隙的击穿特性. 均匀电场击穿所需的时间很短,它在直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压基本相同,击穿电压分散性很小,伏秒特性很快就变平。. 均匀电场空气间隙击穿电压特性可用下面的经验公式来表示 :. 式中 U b —— 击穿电压峰值, kV ; d —— 极间距离, cm ; δ —— 空气相对密度. 上式符合巴申定律。由上式可知,随着极间距离 d 的增大,击穿场强 E b 稍有下降。 相应的平均击穿场强 :.

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Presentation Transcript

第一节 均匀电场气隙的击穿特性

一、均匀电场气隙的击穿特性

均匀电场击穿所需的时间很短,它在直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压基本相同,击穿电压分散性很小,伏秒特性很快就变平。

均匀电场空气间隙击穿电压特性可用下面的经验公式来表示:


式中 Ub——击穿电压峰值,kV ;

d ——极间距离,cm ;

δ ——空气相对密度

上式符合巴申定律。由上式可知,随着极间距离d的增大,击穿场强Eb稍有下降。

相应的平均击穿场强:

随着极距离 d 的增大,击穿场强 Eb稍有下降,在d=1~10cm 的范围内,其击穿场强约为 30kv/cm 。


二节、稍不均匀电场和极不均匀电场

稍不均匀电场:与均匀电场相似,与极不均匀电场有很大差别。稍不均匀电场中不可能存在稳定的电晕放电,一旦出现局部放电即导致整个气隙的击穿。它的冲击系数也接近1,即它的冲击击穿电压与工频击穿电压及直流击穿电压基本上是相等的


极不均匀电场:在各种各样的极不均匀电场气隙中,“棒—棒”气隙具有完全的对称性,而“棒—板”气隙具有最大的不对称性。其他的极不均匀电场气隙的击穿情况均处于这两种极端情况的击穿特性之间.

不对称的极不均匀电场(例如“棒—板” 气隙)在直流电压下的击穿具有明显的极性效应。“棒—板” 气隙在负极性时的击穿电压大大高于正极性时的击穿电压。


对极不均匀电场长气隙来说,操作冲击电压下 的击穿具有如下特点:

(1)操作冲击电压的波形对气隙的电气强度有很大的影响。

(2)在各种类型的作用电压中,以操作冲击电压下的电气强度为最小。


的击穿具有如下特点:3)极不均匀电场长气隙的操作冲击击穿电压具有显著的“饱和”特征。


第三节 提高气体介质电气强度的方法 的击穿具有如下特点:

提高气隙的击穿电压有两种途径:一是改善气隙中的电场分布,使之尽量均匀;二是设法消弱或抑制气体介质中的电离过程。具体方法有:

一、改进电极形状

电场分布越均匀,气隙的平均击穿场强也就越大。改进电极形状(增大电极的曲率半径、消除电极表面的毛刺、尖角等)减小气隙中的最大电场强、改善电场分布、提高气隙的击穿电压。


二、利用空间电荷改善电场分布 的击穿具有如下特点:

当导线直径减小到一定程度后,气隙的工频击穿电压反而会随导线直径的减小而提高,出现所谓“细线效应”。

三、采用屏障

在气隙中放置形状和位置合适、能阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障,也是提高气体介质电气强度的一种有效方法。


四、采用高气压 的击穿具有如下特点:

提高气压会大大减小电子的自由行程长度,削弱和抑制了电离过程,使气体的电气强度得到提高。如果在采用高压的同时再以某些高强度的气体(例如SF6 气体)来替代空气,能获得更好的效果。

五、采用高电气强度气体

在众多气体中,有一些含卤族元素的强电负性气体[例如六氟化硫(SF6)、氟里昂(CCl2F2)等]的电气强度特别高可称为高电器强度气体。


六、采用高真空 的击穿具有如下特点:

高真空度可以减弱气体的碰撞电离过程从而显著提高气隙的击穿电压。在高真空时,不能用简单的气体放电理论来说明。在极间距离较小时,高真空的击穿与阴极表面的强场发射有关。


第四节 的击穿具有如下特点:SF6 和气体绝缘设备

SF6的电气强度约为空气的2.5倍,灭弧能力高大空气的100倍以上。在超高压和特高压范畴内,它已完全取代绝缘油和压缩空气成为唯一的断路器灭弧媒质了。在封闭式气体绝缘组合电器(GIS)和充气管道输电线等装置中,SF6 也被广泛的采用

电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响远比对空气的的大, SF6的优异性能只有在电场比较均匀的情况下才能得到充分的发挥。


电极表面粗糙度 的击穿具有如下特点:Ra对SF6气体强度Eb的影响随着工作气压的提高而增大。电极表面粗糙度大时表面突起处的局部电场强度要比气隙的平均电场强度的得多。电极表面还会有其他缺陷,电极表面积越大这类缺陷出现的概率也就越大,SF6的击穿场强就越低,这一现象称为“面积效应”。


气体绝缘电气设备 的击穿具有如下特点:(GIS)

GIS 由断路器、隔离开关、接地刀闸、互感器、避雷器、母线、连线和出线终端等部件组合而成,全部封闭在充SF6气体的金属外壳中。

与传统敞开式配电装置相比,GIS具有下列突出优点。

1、 大大节省占地面积和空间体积 。

2、运行安全可靠。

3、有利于环保,使运行人员不受电场和磁场的影响。

4、安装工作量小、检修周期长。


气绝缘管道输电线亦可称为气体绝缘电缆 的击穿具有如下特点:(GIC),它与充油电缆相比具有如下优点:

1、电容量小。

2、损耗小。

3、传输容量大。

气体绝缘变压器(GIT)与传统的油浸变压器相比,有以下主要优点:

1、GIT是防火防爆型变压器。

2、GIT的噪声小于油浸变压器。

3、气体介质不会老化,简化了维护工作。


第五节 绝缘子 及其套管 的击穿具有如下特点:

一、绝缘子及套管

高压绝缘子包括高压套管,它们的基本用途是在电力系统或电气设备中将不同电位的导电体在机械上固定起来。在高压输电线路中,绝缘子的投资百分率随电压等级而上升,在132、275、400和750kV的架空线路中,分别约占输电线路造价的11、18、22和24% 。因此,绝缘子及套管在电力系统中占有重要的位置。


悬式绝缘子 的击穿具有如下特点:


绝缘子、瓷套及套管按下述分类: 的击穿具有如下特点:

(1)按形状分类;

(2)按工作电压分类,

(3)按材质分类。


套管的分类 的击穿具有如下特点:

当导体穿过变压器等的箱体以及墙壁、地板、屋顶等隔板时需要有通道,套管就是使这些导体与隔板绝缘的一种支持装置。套管可分类如下:


第六节 液体和固体的介质的电气特性 的击穿具有如下特点:

液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。应用的最多的液体介质是变压器油以及电容器油和电缆油。用作内绝缘的固体介质常见的有绝缘纸、纸板、云母、塑料等。以及用于制造绝缘子的电瓷、玻璃和硅橡胶等。


一、极化 的击穿具有如下特点:

电介质极化的强弱可用介电常数ε的大小来表示,它与该电介质分子的极性强弱有关,还受温度外加电场频率等因素的影响。


具有极性分子的电介质称为极性电介质,而由中性分子构成的电介质称为中性电介质。前者是即使没有外电场的作用其分子本身也具有电矩的电介质。具有极性分子的电介质称为极性电介质,而由中性分子构成的电介质称为中性电介质。前者是即使没有外电场的作用其分子本身也具有电矩的电介质。

介质的相对介电常数

εr 反映电介质极化的物理量。

基本的极化形式有电子式极化、离子式极化和偶极子极化等三种,另外还有夹层极化和空间极化等。


由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。


二、电导由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。

任何电介质都不同程度地具有一定的导电性,表征电介质导电性能的主要物理量即为电导率 γ 或其倒数——电阻率 ρ 。

按载流子的不同,电介质的电导可分为离子电导和电子电导两种,前者以离子为载流子,而后者以自由电子为载流子。

离子电导又可分为本征(固有)离子电导和杂质离子电导。在纯净的非极性电介质中,电导率是很小的,亦即电阻率很大;而极性电介质因具有较大的本征离子电导,其电阻率就小得多了( 1010~1014Ω·cm)。


固体和液体介质的电导率 由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。γ 和温度 T的关系均可近似的用下式表示

式中A、B为常数,均与介质的特性有关,但固体介质的常数B通常比液体介质B值大得多;T为绝对温度,K

上式表明,电介质的电导率随温度按指数规律上升。


三、电介质损耗由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。

在直流电压的作用 下,电介质中没有周期性的极化过程,只要外加电压还没到达引起局部放电的数值,介质中的损耗将仅由电导所引起。


I由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。

I

U

U

U

CP

R

δ

φ

P = U I cosφ = U IR= U IC tgδ = U2 ω Cp tgδ式中 ω——电源角频率;

φ——功率因数角;

δ——介质损耗角。


U由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。

CP

R

⒈并联等值电路

把电流归并成有功电流和无功电流两部分,即可得如下图所示的并联等值电路,图中CP代表无功电流IC的等值电容、R代表有功电流IR的等值电阻。


此时电路的功率损耗为由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。


上述有损电介质也可用一只理想的无损耗电容由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。CS和一个电阻 r相串联的等值电路来代替,如图所示。

I

U

U

φ

δ

Cs

r

Ucs

Ur

⒉ 串联等值电路

由相量图可得


因为介质损耗角由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。δ值一般都很小,所以

P≈U2ωCStgδ

两种等值电路中的电容值几乎相同,可以用同一电容 C 来表示。另外串联等值电路中的电阻 r要比并联等值电路中的电阻 R小得多。


四、 气体、液体和固体介质的损耗由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。

1、气体介质损耗

气体分子间的距离很的,相互间的作用力很弱,所以在极化过程中不会引起损耗。不过当气体中的电场强度达到放电起始场强 E0 时,气体中将发生局部放电,这是损耗将急剧增大。所即使外加电压还不高时,气泡中即可能出现很大的电场强度而导致局部放电。


2由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。、液体介质损耗

中性和弱极性液体介质(如变压器油)的极化损失很小,起损耗主要有电导引起,因而引起损耗率 P0(单位体积电介质中的功率损耗)。


3由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构,在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过度到稳台时按电导率分布。在电压重新分布的过程中,夹层截面上会积聚起一些电荷,使整个介质的等值电容增大,这种极化称为夹层介质面极化,或简称夹层极化。、固体介质的损耗

电工陶瓷(简称电瓷)既有电导损耗也有极化损耗。常温下电导很小;含有大量玻璃相的普通电瓷的tgδ较大,而以结晶相为主的超高频电瓷的tgδ很小。

玻璃也具有电导损耗和极化损耗,总的介质损耗与玻璃的成分有关,含金属氧化物的玻璃损耗较大。假如重金属氧化物能使损耗下降一些。


液体介质的击穿机理有各种理论,主要可分为两大类,即电子碰撞电离理论和气泡击穿理论,前者亦称电击穿理论。液体介质的击穿机理有各种理论,主要可分为两大类,即电子碰撞电离理论和气泡击穿理论,前者亦称电击穿理论。

(一)电子碰撞电离理论

当外电场足够强时,在阴极产生的强场发射或因肖特基效应发射的电子将被电场加速而具有足够的动能,在碰撞液体分子是可引起电离,使电子数加倍,形成电子崩。当外加电压增大到一定程度时,电子崩电流回急剧增大,从而导致液体介质的击穿。


纯净液体介质的电击穿理论与气体放电的汤逊理论中 α 、γ 的作用有些相似。

由电击穿理论知 :纯净液体的密度增加时,击穿场强会增大;温度升高时液体膨胀击穿场强会下降;由于电子崩的产生和空间电荷层的形成需要一定时间,当电压作用时间很短时,击穿场强将提高,因此液体介质的冲击击穿场强高于共频击穿场强。


(二)气泡击穿理论

在交流电压下,串联介质中的电场分布是与介质的 εr成反比的。由于气泡的εr最小(≈1),其电气强度又比液体介质低得多,所以气泡先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小,这促使电离近一步发展。电离产生的带电离子撞击油分子,使它又分解出气体,导致气体通道扩大。击穿就可能在此通道中发生。


不论在均匀电场中还是不均匀电场中,随着温度的上升,冲击击穿电压均单调地稍有下降。这也可借助电子碰撞电离理论来加以解释,而水滴等杂质的影响很小,因为在冲击电压作用下来不及形成杂质小桥。不论在均匀电场中还是不均匀电场中,随着温度的上升,冲击击穿电压均单调地稍有下降。这也可借助电子碰撞电离理论来加以解释,而水滴等杂质的影响很小,因为在冲击电压作用下来不及形成杂质小桥。


(三) 固体介质的击穿不论在均匀电场中还是不均匀电场中,随着温度的上升,冲击击穿电压均单调地稍有下降。这也可借助电子碰撞电离理论来加以解释,而水滴等杂质的影响很小,因为在冲击电压作用下来不及形成杂质小桥。

固体介质中存在少量处于导电能级的电子(传导电子),它们在强电场作用下加速,并与晶格接点上的原子(或离子)不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得的能量大于碰撞时失去的能量,则在电子的能量达到了能使晶格原子(或离子)发生电离的水平时,传导电子数将迅速增多,引起电子崩,破坏了固体介质的晶格结构,使电导大增而导致击穿。


电击穿的主要特征为:击穿电压几乎与周围环境温度无关;除击穿时间很短的情况外,击穿电压与电压作用时间的关系不大;介质发热不显著;电场的均匀程度对击穿电压有显著影响。电击穿的主要特征为:击穿电压几乎与周围环境温度无关;除击穿时间很短的情况外,击穿电压与电压作用时间的关系不大;介质发热不显著;电场的均匀程度对击穿电压有显著影响。


热击穿是由于固体介质内热不稳定过程造成的。当固体介质长期地承受电压的作用时,会因介质损耗而发热,与此同时也向周围散热,如果周围环境温度低、散热条件好,发热与散热将在一定条件下达到平衡这时固体介质处于热稳定状态介质温度不会不断上升而的导致绝缘的破坏。但是如果发热大于散热,介质温度将不断上升,导致介质分解、熔化、碳化或烧焦,从而发生热击穿。热击穿是由于固体介质内热不稳定过程造成的。当固体介质长期地承受电压的作用时,会因介质损耗而发热,与此同时也向周围散热,如果周围环境温度低、散热条件好,发热与散热将在一定条件下达到平衡这时固体介质处于热稳定状态介质温度不会不断上升而的导致绝缘的破坏。但是如果发热大于散热,介质温度将不断上升,导致介质分解、熔化、碳化或烧焦,从而发生热击穿。


电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切,但也因介质种类的不同而异。一般来说,无机绝缘材料耐局部放电的性能较好电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切,但也因介质种类的不同而异。一般来说,无机绝缘材料耐局部放电的性能较好。


影响固体介质击穿电压的因素很多:电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切,但也因介质种类的不同而异。一般来说,无机绝缘材料耐局部放电的性能较好

(一)电压的作用时间

如果电压作用时间很短(例如 0.1s以下),固体介质的击穿往往是电击穿,击穿电压当然也较高。随着电压作用时间的增长,击穿电压下降,如果在加压后数分钟到数小时才引起击穿,则热击穿往往起主要作用。


(二)电场均匀程度电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切,但也因介质种类的不同而异。一般来说,无机绝缘材料耐局部放电的性能较好

处于均匀电场中的固体介质,其击穿电压往往较高,且随厚度的增加近似地成线性增大;若在不均匀电场中,介质厚度增加将使电场更不均匀,于是击穿电压不在随厚度的增加而线性上升。当厚度增加到使散热困难到可能引起热击穿时,增加厚度的意义就更小了。


(三)温度电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切,但也因介质种类的不同而异。一般来说,无机绝缘材料耐局部放电的性能较好

固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于电击穿,这时的击穿场强很高,且与温度几乎无关。超过某个温度将发生热击穿,温度越高热击穿电压越低;如果其周围媒质的温度也高,且散热条件又差,热击穿电压将更低。不同固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的,因此它们有电击穿转为热击穿的临界温度一般也是不同的。


(四)累积效应电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系非常密切,但也因介质种类的不同而异。一般来说,无机绝缘材料耐局部放电的性能较好

固体介质在不均匀电场中以及在幅值不是很高的过电压、特别是雷电冲击电压下,介质内部可能出现局部损伤,并留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时,局部损伤会逐步发展,这称为累积效应。它会导致固体介质击穿电压的下降。


在幅值不高的内部过电压下以及幅值随高、但作用时间很短的雷电过电压下,由于加电压时间短可能来不及形成贯穿性的击穿通道,但可能在介质内部引起强烈的局部放电,从而引起局部损伤。在幅值不高的内部过电压下以及幅值随高、但作用时间很短的雷电过电压下,由于加电压时间短可能来不及形成贯穿性的击穿通道,但可能在介质内部引起强烈的局部放电,从而引起局部损伤。

主要以固体介质为绝缘材料的电气设备,随着施加冲击或工频试验电压次数的增多,很可能因累积效应而使其击穿电压下降。因此,在确定这类电气设备耐压试验加电压的次数和试验电压值时应考虑这种累积效应,而在设计固体绝缘结构时,应保证一定的绝缘裕度。


第七节 组合绝缘的电气强度在幅值不高的内部过电压下以及幅值随高、但作用时间很短的雷电过电压下,由于加电压时间短可能来不及形成贯穿性的击穿通道,但可能在介质内部引起强烈的局部放电,从而引起局部损伤。

对高压电气设备绝缘的要求是多方面的,除了必须有优异的电气性能外,还要求有良好的热性能、机械性能及其他物理—化学性能,单一品种的电介质往往难以同时满足这些要求,所以实际的绝缘结构一般由多种电介质组合而成。

各层绝缘所承受的电压与绝缘材料的特性和作用电压的类型有关。例如在直流电压下,各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比,即和电导率成反比。但在工频交流和冲击电压的作用下,各层所分担的电压与各层的电容成反比,亦即各层中的电场强度与其介电常数成反比。


ε在幅值不高的内部过电压下以及幅值随高、但作用时间很短的雷电过电压下,由于加电压时间短可能来不及形成贯穿性的击穿通道,但可能在介质内部引起强烈的局部放电,从而引起局部损伤。1

E1

d1

U

d

ε2

E2

d2

在组合绝缘中,同时采用多种电介质,在需要对这一类绝缘结构中的电场作定性分析时,常常采用最简单的均匀电场双层介质模型,如右图。最基本的关系式为

ε1 E1 = ε2 E2

U = E1 d1+E2 d2


可得在幅值不高的内部过电压下以及幅值随高、但作用时间很短的雷电过电压下,由于加电压时间短可能来不及形成贯穿性的击穿通道,但可能在介质内部引起强烈的局部放电,从而引起局部损伤。

可改写成


可见在极间距离在幅值不高的内部过电压下以及幅值随高、但作用时间很短的雷电过电压下,由于加电压时间短可能来不及形成贯穿性的击穿通道,但可能在介质内部引起强烈的局部放电,从而引起局部损伤。d=d1+d2 保持不变的情况下的情况下,增大屏障的总厚度d2 ,将使油中E1 增大。即在油隙中放置多个屏障,会使油中电场强度显著增大,反而不利。


绝缘层中最大电场强度在幅值不高的内部过电压下以及幅值随高、但作用时间很短的雷电过电压下,由于加电压时间短可能来不及形成贯穿性的击穿通道,但可能在介质内部引起强烈的局部放电,从而引起局部损伤。Emax位于芯线的表面上

而最小电场强度Emin位于绝缘层的外表面(r=R)。此时的平均电场强度Eav 应为


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