高电压技术基础知20120719识.doc

高电压技术基础知识1 高电压技术与绝缘变电所电气设备的绝缘线路的绝缘电力系统绝缘输变电设备绝缘部分的投资占总设备投资的比重越来越大 系统电压等级高，输送容量大，一旦出现故障，损失巨大 绝缘配合重要性绝缘配合： 综合考虑电气设备在电力系统中可能承受的各种电压、保护装置的特性和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，以使设备的造价、维修费用和设备绝缘故障引起的事故损失，达到在经济上和安全运行上效益最高的目的。 220kV 以下的电网，电气设备的绝缘水平主要由大气过电压决定。330kV 及以上的超高压绝缘配合中，操作过电压将起主导作用 。特高压电网的绝缘水平可能由工频过电压及长时间工作电压决定。除型式试验外，一般电气设备出厂试验只做 l min 工频耐压试验。这不仅是为了试验的方便，也是考虑到在某种程度上雷电冲击对绝缘的作用可用工频电压来等价的缘故。 大气过电压下的避雷器残压雷电冲击耐受电压等值工频耐受电压内部过电压操作冲击耐受电压等值工频耐受电压工频试验电压/1 /2 绝缘配合的方法 首先确定设备上可能出现的最危险的过电压，然后根据运行经验乘上一个考虑各种因素的影响 和一定裕度的系数，从而决定绝缘应耐受的电压水平。统计法是根据过电压幅值和绝缘的耐受强度的概率分布，用计算的方法求出绝缘放电的概率和线路故障率，在技术经济比较的基础上，正确地确定绝缘水平在简化统计法中，对过电压和绝缘特性两条概率曲线的形状，作出一些通常认为合理的假定，并已知其标准偏差。在此基础上可以计算绝缘的故障率。 绝缘材料的研制和开发的水平是影响制约电工技术发展的关键之一。从今后趋势来看，要求发展耐高压、耐热绝缘,耐冲击，环保绝缘,复合绝缘,耐腐蚀、耐水、耐油、耐深冷、耐辐照及阻燃材料，研发环保节能材料。重点是发展用于高压大容量发电机的环氧云母绝缘体系，如FR5，金云母等；中小型电机用的F、H级绝缘系列，如不饱和聚酯树脂玻璃毡板等；高压输变电设备用的六氟化硫气态介质；取代氯化联苯的新型无毒合成介质；高性能绝缘油；合成纸复合绝缘；阻燃性橡塑材料和表面防护材料等，同时要积极推动传统电工设备绝缘材料的更新换代。不同污秽地区最小泄漏比距 外绝缘污秽等级最小爬电比距（cm kV1）线路电站设备01.391.62.02.53.11.481.62.02.53.12电介质电工中一般认为电阻率超过10欧/厘米的物质便归于电介质。电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着，因此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下，这些电荷也只能在微观范围内移动，产生极化。在静电场中，电介质内部可以存在电场，这是电介质与导体的基本区别。不导电的物质，如空气、玻璃、云母片、胶木等。电介质包括气态、液态和固态等范围广泛的物质。固态电介质包括晶态电介质和非晶态电介质两大类，后者包括玻璃、树脂和高分子聚合物等，是良好的绝缘材料。凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，因而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化，能产生电极化现象的物质统称为电介质。电介质的电阻率一般都很高，被称为绝缘体。有些电介质的电阻率并不很高，不能称为绝缘体，但由于能发生极化过程，也归入电介质。电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递或记录（存储）电的作用和影响；在其中起主要作用的是束缚电荷。电介质物理主要是研究介质内部束缚电荷在电或和光的作用下的电极化过程，阐明其电极化规律与介质结构的关系，揭示介质宏观介电性质的微观机制，进而发展电介质的效用。电介质物理也研究电介质绝缘材料的电击穿过程及其原理，以利于发展电绝缘材料。 实际上金属也具有介电性质；但金属的介电性是来源于电子气在运动过程中感生出虚空穴（正电荷）所引起的动态屏蔽效应。因其基本上不涉及束缚电荷，故不把金属的介电性列入电介质物理研究的范畴。电介质有气体的、液体的和固体的，分布极广。 电介质的分类1、分子的等效正电中心和等效负电中心：电介质均由分子和原子组成，每个分子中所有正电荷对外界作用的电效果可以等效为集中在某一点的等效点电荷的作用效果，这个等效点电荷的位置称为分子的正点中心；同理，每个分子中所有负电荷对外界作用的电效果可以等效为集中在某一点的等效点电荷的作用效果，这个等效点电荷的位置称为分子的负点中心；2、有极分子电介质：电介质中各分子的等效正电中心与等效负电中心不重合的电介质；正点中心和负电中心分别可用等量异号电荷代替，二者有一相对位移，这样每个分子对外界的电性效果可以等效为一个电偶极子的作用。3、无极分子电介质：电介质中各分子的等效正点中心与等效负电中心重合的电介质。可以认为每一个分子的正电荷q集中于一点，称为正电荷的“重心”，负电荷-q集中于一点，称为正负电荷的“重心”；定义从负电荷的重心到正电荷的重心的矢径为，则分子可以构成的电偶极子。电介质的电结构（1）电子被原子核紧紧束缚；（2）在静电场中电介质中性分子中的正、负电荷仅产生微观相对运动；（3）在静电场与电介质相互作用时，电介质分子简化为电偶极子。电介质由大量微小的电偶极子组成；（4）电介质在外电场中极化产生极化电荷产生附加电场作用于电介质达到静电平衡。电介质的极化（Polarization）电极化过程 电极化的基本过程有三：原子核外电子云的畸变极化；分子中正、负离子的（相对）位移极化；分子固有电矩的转向极化。电晕现象在潮湿或阴雨天的日子里，高压输电线(如220kV，550kV等)附近，常可见到有淡蓝色辉光的放电现象，这称作电晕现象。关于电晕现象的产生可作如下定性解释阴雨天气的大气中存在着较多的水分子，水分子是具有固有电偶极矩的有极分子长直带电的输电线附近的电场是非均匀电场水分子在此非均匀电场的作用下，一方面要使其固有电偶极矩转向外电场方向，同时还要向输电线移动，从而使水分子凝聚在输电线的表面上形成细小的水滴由于重力和电场力的共同作用，水滴的形状因而变长并出现尖端而带电水滴的尖端附近的电场强度特别大，从而使大气中的气体分子电离，以致形成放电现象这就是在阴雨天常看到高压输电线附近有淡蓝色辉光，即电晕现象的原因。电晕 极不均匀电场中，当电压及平均场强较低时，电极曲率较大处附近空间的局部场强已很大， 在这局部强场区中，产生强烈的电离， 由于离电极稍远处场强已大为减弱，所以此电离区不可能扩展到很大，只局限在电极附近的强场范围内。 伴随着电离而存在的复合和反激励，辐射出大量光子，使在黑暗中可看到在电极附近空间有蓝色的晕光，这就是电晕。 伴随着电离、复合、激励、反激励等过程而有声、光、热等效应，表现为发出“咝咝”的声音、蓝色的晕光以及使周围气体温度升高等。 在电极的突出处，电子和离子在局部强场驱动下高速运动，与气体分子交换动量，形成“电风”。 产生高频脉冲电流，含许多高次谐波，干扰无线电。 产生化学反应,在空气中形成O3、NO和NO2。 发出可听噪声，对人造成生理、心理上的影响。特高压系统尤甚。 产生能量损耗，在某些情况下，会达到可观的程度。固体电介质的击穿电导率很小的电介质用来作为电绝缘材料，称为绝缘体。电介质能够经受而不致损坏的最大电场(约107108V/m)称为击穿场强,这是绝缘性能好坏的一个重要标志。当外加电场超过此值时，电介质的电导突然增大甚至引起结构损坏或破碎，称为介电击穿。击穿的过程首先是在外电场不变情况下介质中的电流迅速增大。接着在介质中形成导电的沟道如图2所示。通常在两电极间有一个主沟道和许多分支。沟道中的固体已部分气化形成结构上的损坏。沟道取向与电介质微观结构、杂质、缺陷、外加电极形状等有关。 介电击穿过程很复杂，除与物质本身性质有关外还与样品厚度、电极形状、环境温度、湿度和气压、所加电场波形等有关。实验数据很分散，各种理论模型只能分别在一定范围内说明问题。有三种类型的介电击穿。 热击穿。电极间介质在一定外加电压作用下，其中不大的电导最初引起较小的电流。电流的焦耳热使样品温度升高。但电介质的电导会随温度迅速变大而使电流及焦耳热增加。若样品及周围环境的散热条件不好，则上述过程循环往复，互相促进，最后使样品内部的温度不断升高而引起损坏。在电介质的薄弱处热击穿产生线状击穿沟道。击穿电压与温度有指数关系，与样品厚度成正比；但对于薄的样品，击穿电压比例于厚度的平方根。热击穿还与介质电导的非线性有关，当电场增加时电阻下降，热击穿一般出现于较高环境温度。在低温下出现的是另一种类型的电击穿。 电击穿。又称本征击穿。电介质中存在的少量传导电子在强外电场加速下得到能量。若电子与点阵碰撞损失的能量小于电子在电场加速过程中所增加的能量，则电子继续被加速而积累起相当大的动能，足以在电介质内部产生碰撞电离，形成电子雪崩现象。结果电导急剧上升，最后导致击穿。1935年，A.R.希佩尔最先提出电子碰撞电离概念。后来，H.弗罗利希等人曾对击穿场强作过定量计算。开始击穿时电子所须具有的能量称为击穿判据。 在不完整或掺杂单晶和一些非晶态电介质中，缺陷和杂质形成的浅位阱束缚的电子所需激活能要比禁带宽度小很多。受外电场加速的传导电子更容易使这部分电子被激活参与导电而引起击穿。 电击穿的另一种机制是1934年C.曾讷提出来的内部冷发射模型。认为强外电场使能带发生倾斜。因而价带上的电子出现隧道效应。当场强为106V/cm数量级时,电子可通过隧道效应移动几百个原子的距离。在约10-12秒时间内导带就可以出现足够数量的电子而引起击穿。 此外，在强电场下金属电极中的自由电子也可以注入于电介质而参与导电，称为外部冷发射。 在研究碱族卤晶体的电击穿时，还提出了等离子体“电磁箍缩模型”。 化学击穿。电介质中强电场产生的电流在例如高温等某些条件下可以引起电化学反应。例如离子导电的固体电介质中出现的电解、还原等。结果电介质结构发生了变化，或者是分离出来的物质在两电极间构成导电的通路。或者是介质表面和内部的气泡中放电形成有害物质如臭氧、一氧化碳等，使气泡壁腐蚀造成局部电导增加而出现局部击穿，并逐渐扩展成完全击穿。温度越高，电压作用时间越长，化学形成的击穿也越容易发生。 以上各种击穿类型有时是某一种占主要，有时是几种原因的叠加。在击穿过程中也可出现不同类型的变化。研究电介质击穿有重要的科学意义和实用价值。它涉及材料的物质结构、杂质缺陷、能带结构、强场下的载流子输运过程、弛豫机制以及电子与声子、电子与电子间的相互作用等。在实用上，它关系到高电压输送与变换、高能粒子加速器、强激光与物质相互作用以及强场下半导体、电介质的大容量储能和大功率换能等。 研究电介质宏观介电性质及其微观机制以及电介质的各种特殊效应的物理学分支学科。基本内容包括极化机构、标志介电性质的电容率与介质的微观结构以及与温度和外场频率间的关系、电介质的导热性和导电性、介质损耗、介质击穿机制等。此外，还有许多电介质具有的各种特殊效应。 绝缘油是一种润滑油。通常由深度精制的润滑油基础油加入抗氧剂调制而成。主要用作电器设备的电介质。电器绝缘油的主要性能是低温性能、氧化安定性和介质损失。低温性能是指在低温条件下，油在电器设备中能自动对流，导出热量和瞬间切断电弧电流所必需的流动性。一般均要求电器绝缘油倾点低和低温时粘度较小。在电器设备中，油长时间地受到电场作用下的热和氧的作用而氧化。加入抗氧剂和金属钝化剂的油品，其氧化安定性较好。介质损失是反映油品在交流电场下其介质损耗的程度，一般以介质损耗角（）的正切值（tan）表示。一般，变压器油在90时测得的介质损失应低于 0.5 。环烷基油因倾点低，低温流动性好，电气性能好，热安定性和导热性好，是制造电器用油的良好材料。低温性能、氧化安定性和介质损失是电器绝缘油的三个主要性能指标。 低温性能是指在低温条件下，油在电器设备中能自动对流，导出热量和瞬间切断电弧电流所必须的流动性。一般均要求电器绝缘油倾点低和低温时粘度较小。国际电工协会对变压器油按倾点（指石油产品在标准管中冷却至失去流动性时的温度）分为-30、-45、-60三个等级。电容器油和电缆油的倾点一般在-30-50范围内。 氧化安定性电器设备中，油长时间地受到电场作用下的热和氧的作用而氧化。过去利用环烷基油在合理精制条件下制得氧化安定性较优的油品，但试验证明：加入抗氧剂和金属钝化剂的油品，其氧化安定性更好。 介质损失是反映油品在交流电场下，其介质损耗的程度，一般以介质损耗角()的正切值(tg)表示。tg是很灵敏的指标,反映油品的精制程度、清净程度以及氧化变质程度，油中含有胶质、多环芳烃，或混进水分、杂质、油品氧化生成物等均会使tg值增大。一般，变压器油在90时测得的介质损失应低于 0.5。 分类 这类油品共包括变压器油、油开关油、电容器油和电缆油。变压器油是一种低粘度油，用于变压器等设备中，起冷却和绝缘作用。油开关油是用于油浸开关的一种绝缘油，过去以变压器油代用。电容器油是用于电容器（主要是电力电容器或静电电容器）中起绝缘浸渍或隔潮作用的油品。电缆油是用于电缆中起绝缘、浸渍和冷却作用的精制润滑油，或润滑油与其他增稠剂（如软蜡、树脂、聚合物或沥青等）的混合物。SF6具有优良的绝缘性能，这是它最早被用于电力设备的原因。例如，0.3MPa压力的SF6气体的绝缘强度就可能达到变压器油的水平，而压缩空气同样的绝缘强度要0.60.7MPa。因此，早在四十年代SF6就开始用于电缆、高压静电发生器中，后来才用到开关中，现在又在变压器和高压互感器中应用。SF6用在全封闭的组合电器中，取代敞开式分立电器的空气绝缘，使传统的变电站设备构造发生了革命性的变化，这就是SF6绝缘性能所显示出的优越性。SF6气体的高绝缘强度是由卤族化合物的负电性，即对电子的吸附能力造成的。卤族元素中又以F元素的负电性最强，它的化合物SF6仍有强负电性。在温度不太高的情况下（108K以下），产生SF6+eSF6 的反应，生成负离子；使空间的自由电子减少，而负离子的活泼性差，抑制了空间游离过程的发展，击穿不易形成，因此绝缘强度大大提高.SF6气体的绝缘强度在不均匀的电场中要降低，这一点在设计与使用中应该引起注意。随着电场不均匀程度的增大，击穿场强下降，作为均匀电场的间隙击穿电压巴申定律，即击穿电压（UK）与气压间隙乘积（pd）成正比，只能在很小范围内符合。试验数据证明，在125mm间隙内，只有电场强度20KV/mm以下才符合巴申定律因此，不能简单地靠增大间隙来提高击穿电压，而应该注意改善结构的电场均匀性。 SF6气体绝缘特性还受杂质和电极表面状况影响很大。充入电气设备的气体如混杂了金属细屑，绝缘击穿电压将显著下降。这种影响在工作气压越高时越显著，金属细屑的尺寸越大绝缘强度降低越多。所以在实际加工装配或检修工作中注意清洁条件是很重要的。电极表面如粗糙不平，局部电场增强，对绝缘强度下降影响也很大，加工光洁度高的表面要比粗糙表面的绝缘强度高。由于表面缺陷，凸起的出现呈随机性质，这种局部电场增强效应也具随机性，对于面积越大的电极，局部放电的几率也越大。这就表现为绝缘强度随电极表面积增大而下降，并渐趋于一个稳定值。金属屑末和电极表面突起造成的绝缘弱点可以通过老练加以改善。老练就是对气体间隙进行多次重复放电，通过放电燃烧缺陷（杂质、凸起），是间隙的击穿电压提高。此外，也可以采用在电极表面覆盖绝缘薄层的方法来提高绝缘强度在介质内部如果存在气泡，在气泡中发生电离，造成邻近绝缘物分解、破坏（变酥、碳化）并沿着电场方向逐渐向绝缘深处发展，在有机绝缘材料中会呈树枝状发展，称为“