高電壓技術基礎知20120719識

1、高電壓技術基礎知識1 高電壓技術與絕緣變電所電氣設備的絕緣線路的絕緣電力系統(tǒng)絕緣輸變電設備絕緣部分的投資占總設備投資的比重越來越大 系統(tǒng)電壓等級高，輸送容量大，一旦出現(xiàn)故障，損失巨大 絕緣配合重要性絕緣配合： 綜合考慮電氣設備在電力系統(tǒng)中可能承受的各種電壓、保護裝置的特性和設備絕緣對各種作用電壓的耐受特性，合理地確定設備必要的絕緣水平，以使設備的造價、維修費用和設備絕緣故障引起的事故損失，達到在經濟上和安全運行上效益最高的目的。 220kV 以下的電網(wǎng)，電氣設備的絕緣水平主要由大氣過電壓決定。330kV 及以上的超高壓絕緣配合中，操作過電壓將起主導作用 。特高壓電網(wǎng)的絕緣水平可能由工頻過電壓及

2、長時間工作電壓決定。除型式試驗外，一般電氣設備出廠試驗只做 l min 工頻耐壓試驗。這不僅是為了試驗的方便，也是考慮到在某種程度上雷電沖擊對絕緣的作用可用工頻電壓來等價的緣故。 1 / 17大氣過電壓下的避雷器殘壓雷電沖擊耐受電壓等值工頻耐受電壓內部過電壓操作沖擊耐受電壓等值工頻耐受電壓工頻試驗電壓/1 /2 絕緣配合的方法 首先確定設備上可能出現(xiàn)的最危險的過電壓，然后根據(jù)運行經驗乘上一個考慮各種因素的影響 和一定裕度的系數(shù)，從而決定絕緣應耐受的電壓水平。統(tǒng)計法是根據(jù)過電壓幅值和絕緣的耐受強度的概率分布，用計算的方法求出絕緣放電的概率和線路故障率，在技術經濟比較的基礎上，正確地確定絕緣水平在

3、簡化統(tǒng)計法中，對過電壓和絕緣特性兩條概率曲線的形狀，作出一些通常認為合理的假定，并已知其標準偏差。在此基礎上可以計算絕緣的故障率。 絕緣材料的研制和開發(fā)的水平是影響制約電工技術發(fā)展的關鍵之一。從今后趨勢來看，要求發(fā)展耐高壓、耐熱絕緣,耐沖擊，環(huán)保絕緣,復合絕緣,耐腐蝕、耐水、耐油、耐深冷、耐輻照及阻燃材料，研發(fā)環(huán)保節(jié)能材料。重點是發(fā)展用于高壓大容量發(fā)電機的環(huán)氧云母絕緣體系，如FR5，金云母等；中小型電機用的F、H級絕緣系列，如不飽和聚酯樹脂玻璃氈板等；高壓輸變電設備用的六氟化硫氣態(tài)介質；取代氯化聯(lián)苯的新型無毒合成介質；高性能絕緣油；合成紙復合絕緣；阻燃性橡塑材料和表面防護材料等，同時要積極推動

4、傳統(tǒng)電工設備絕緣材料的更新?lián)Q代。不同污穢地區(qū)最小泄漏比距 外絕緣污穢等級最小爬電比距（cm kV1）線路電站設備01.391.62.02.53.11.481.62.02.53.12電介質電工中一般認為電阻率超過10歐/厘米的物質便歸于電介質。電介質的帶電粒子是被原子、分子的內力或分子間的力緊密束縛著，因此這些粒子的電荷為束縛電荷。在外電場作用下，這些電荷也只能在微觀范圍內移動，產生極化。在靜電場中，電介質內部可以存在電場，這是電介質與導體的基本區(qū)別。不導電的物質，如空氣、玻璃、云母片、膠木等。電介質包括氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)等范圍廣泛的物質。固態(tài)電介質包括晶態(tài)電介質和非晶態(tài)電介質兩大類，后者包括玻璃

5、、樹脂和高分子聚合物等，是良好的絕緣材料。凡在外電場作用下產生宏觀上不等于零的電偶極矩，因而形成宏觀束縛電荷的現(xiàn)象稱為電極化，能產生電極化現(xiàn)象的物質統(tǒng)稱為電介質。電介質的電阻率一般都很高，被稱為絕緣體。有些電介質的電阻率并不很高，不能稱為絕緣體，但由于能發(fā)生極化過程，也歸入電介質。電介質的特征是以正、負電荷重心不重合的電極化方式傳遞或記錄（存儲）電的作用和影響；在其中起主要作用的是束縛電荷。電介質物理主要是研究介質內部束縛電荷在電或和光的作用下的電極化過程，闡明其電極化規(guī)律與介質結構的關系，揭示介質宏觀介電性質的微觀機制，進而發(fā)展電介質的效用。電介質物理也研究電介質絕緣材料的電擊穿過程及其原理

6、，以利于發(fā)展電絕緣材料。 實際上金屬也具有介電性質；但金屬的介電性是來源于電子氣在運動過程中感生出虛空穴（正電荷）所引起的動態(tài)屏蔽效應。因其基本上不涉及束縛電荷，故不把金屬的介電性列入電介質物理研究的范疇。電介質有氣體的、液體的和固體的，分布極廣。 電介質的分類1、分子的等效正電中心和等效負電中心：電介質均由分子和原子組成，每個分子中所有正電荷對外界作用的電效果可以等效為集中在某一點的等效點電荷的作用效果，這個等效點電荷的位置稱為分子的正點中心；同理，每個分子中所有負電荷對外界作用的電效果可以等效為集中在某一點的等效點電荷的作用效果，這個等效點電荷的位置稱為分子的負點中心；2、有極分子電介質：

7、電介質中各分子的等效正電中心與等效負電中心不重合的電介質；正點中心和負電中心分別可用等量異號電荷代替，二者有一相對位移，這樣每個分子對外界的電性效果可以等效為一個電偶極子的作用。3、無極分子電介質：電介質中各分子的等效正點中心與等效負電中心重合的電介質?？梢哉J為每一個分子的正電荷q集中于一點，稱為正電荷的“重心”，負電荷-q集中于一點，稱為正負電荷的“重心”；定義從負電荷的重心到正電荷的重心的矢徑為，則分子可以構成的電偶極子。電介質的電結構（1）電子被原子核緊緊束縛；（2）在靜電場中電介質中性分子中的正、負電荷僅產生微觀相對運動；（3）在靜電場與電介質相互作用時，電介質分子簡化為電偶極子。電介

8、質由大量微小的電偶極子組成；（4）電介質在外電場中極化產生極化電荷產生附加電場作用于電介質達到靜電平衡。電介質的極化（Polarization）電極化過程 電極化的基本過程有三：原子核外電子云的畸變極化；分子中正、負離子的（相對）位移極化；分子固有電矩的轉向極化。電暈現(xiàn)象在潮濕或陰雨天的日子里，高壓輸電線(如220kV，550kV等)附近，?？梢姷接械{色輝光的放電現(xiàn)象，這稱作電暈現(xiàn)象。關于電暈現(xiàn)象的產生可作如下定性解釋陰雨天氣的大氣中存在著較多的水分子，水分子是具有固有電偶極矩的有極分子長直帶電的輸電線附近的電場是非均勻電場水分子在此非均勻電場的作用下，一方面要使其固有電偶極矩轉向外電場方向

9、，同時還要向輸電線移動，從而使水分子凝聚在輸電線的表面上形成細小的水滴由于重力和電場力的共同作用，水滴的形狀因而變長并出現(xiàn)尖端而帶電水滴的尖端附近的電場強度特別大，從而使大氣中的氣體分子電離，以致形成放電現(xiàn)象這就是在陰雨天?？吹礁邏狠旊娋€附近有淡藍色輝光，即電暈現(xiàn)象的原因。電暈 極不均勻電場中，當電壓及平均場強較低時，電極曲率較大處附近空間的局部場強已很大， 在這局部強場區(qū)中，產生強烈的電離， 由于離電極稍遠處場強已大為減弱，所以此電離區(qū)不可能擴展到很大，只局限在電極附近的強場范圍內。 伴隨著電離而存在的復合和反激勵，輻射出大量光子，使在黑暗中可看到在電極附近空間有藍色的暈光，這就是電暈。 伴

10、隨著電離、復合、激勵、反激勵等過程而有聲、光、熱等效應，表現(xiàn)為發(fā)出“咝咝”的聲音、藍色的暈光以及使周圍氣體溫度升高等。 在電極的突出處，電子和離子在局部強場驅動下高速運動，與氣體分子交換動量，形成“電風”。 產生高頻脈沖電流，含許多高次諧波，干擾無線電。 產生化學反應,在空氣中形成O3、NO和NO2。 發(fā)出可聽噪聲，對人造成生理、心理上的影響。特高壓系統(tǒng)尤甚。 產生能量損耗，在某些情況下，會達到可觀的程度。固體電介質的擊穿 電導率很小的電介質用來作為電絕緣材料，稱為絕緣體。電介質能夠經受而不致?lián)p壞的最大電場(約107108V/m)稱為擊穿場強,這是絕緣性能好壞的一個重要標志。當外加電

11、場超過此值時，電介質的電導突然增大甚至引起結構損壞或破碎，稱為介電擊穿。擊穿的過程首先是在外電場不變情況下介質中的電流迅速增大。接著在介質中形成導電的溝道如圖2所示。通常在兩電極間有一個主溝道和許多分支。溝道中的固體已部分氣化形成結構上的損壞。溝道取向與電介質微觀結構、雜質、缺陷、外加電極形狀等有關。 介電擊穿過程很復雜，除與物質本身性質有關外還與樣品厚度、電極形狀、環(huán)境溫度、濕度和氣壓、所加電場波形等有關。實驗數(shù)據(jù)很分散，各種理論模型只能分別在一定范圍內說明問題。有三種類型的介電擊穿。 熱擊穿。電極間介質在一定外加電壓作用下，其中不大的電導最初引起較小的電流。電流的焦耳熱使樣品溫度升高。但電

12、介質的電導會隨溫度迅速變大而使電流及焦耳熱增加。若樣品及周圍環(huán)境的散熱條件不好，則上述過程循環(huán)往復，互相促進，最后使樣品內部的溫度不斷升高而引起損壞。在電介質的薄弱處熱擊穿產生線狀擊穿溝道。擊穿電壓與溫度有指數(shù)關系，與樣品厚度成正比；但對于薄的樣品，擊穿電壓比例于厚度的平方根。熱擊穿還與介質電導的非線性有關，當電場增加時電阻下降，熱擊穿一般出現(xiàn)于較高環(huán)境溫度。在低溫下出現(xiàn)的是另一種類型的電擊穿。 電擊穿。又稱本征擊穿。電介質中存在的少量傳導電子在強外電場加速下得到能量。若電子與點陣碰撞損失的能量小于電子在電場加速過程中所增加的能量，則電子繼續(xù)被加速而積累起相當大的動能，足以在電介質內部產生碰撞

13、電離，形成電子雪崩現(xiàn)象。結果電導急劇上升，最后導致?lián)舸?935年，A.R.希佩爾最先提出電子碰撞電離概念。后來，H.弗羅利希等人曾對擊穿場強作過定量計算。開始擊穿時電子所須具有的能量稱為擊穿判據(jù)。 在不完整或摻雜單晶和一些非晶態(tài)電介質中，缺陷和雜質形成的淺位阱束縛的電子所需激活能要比禁帶寬度小很多。受外電場加速的傳導電子更容易使這部分電子被激活參與導電而引起擊穿。 電擊穿的另一種機制是1934年C.曾訥提出來的內部冷發(fā)射模型。認為強外電場使能帶發(fā)生傾斜。因而價帶上的電子出現(xiàn)隧道效應。當場強為106V/cm數(shù)量級時,電子可通過隧道效應移動幾百個原子的距離。在約10-12秒時間內導帶就可以出現(xiàn)足

14、夠數(shù)量的電子而引起擊穿。 此外，在強電場下金屬電極中的自由電子也可以注入于電介質而參與導電，稱為外部冷發(fā)射。 在研究堿族鹵晶體的電擊穿時，還提出了等離子體“電磁箍縮模型”。 化學擊穿。電介質中強電場產生的電流在例如高溫等某些條件下可以引起電化學反應。例如離子導電的固體電介質中出現(xiàn)的電解、還原等。結果電介質結構發(fā)生了變化，或者是分離出來的物質在兩電極間構成導電的通路?；蛘呤墙橘|表面和內部的氣泡中放電形成有害物質如臭氧、一氧化碳等，使氣泡壁腐蝕造成局部電導增加而出現(xiàn)局部擊穿，并逐漸擴展成完全擊穿。溫度越高，電壓作用時間越長，化學形成的擊穿也越容易發(fā)生。 以上各種擊穿類型有時是某一種占主要，有時是幾

15、種原因的疊加。在擊穿過程中也可出現(xiàn)不同類型的變化。研究電介質擊穿有重要的科學意義和實用價值。它涉及材料的物質結構、雜質缺陷、能帶結構、強場下的載流子輸運過程、弛豫機制以及電子與聲子、電子與電子間的相互作用等。在實用上，它關系到高電壓輸送與變換、高能粒子加速器、強激光與物質相互作用以及強場下半導體、電介質的大容量儲能和大功率換能等。 研究電介質宏觀介電性質及其微觀機制以及電介質的各種特殊效應的物理學分支學科?；緝热莅O化機構、標志介電性質的電容率與介質的微觀結構以及與溫度和外場頻率間的關系、電介質的導熱性和導電性、介質損耗、介質擊穿機制等。此外，還有許多電介質具有的各種特殊效應。 絕緣油是一

16、種潤滑油。通常由深度精制的潤滑油基礎油加入抗氧劑調制而成。主要用作電器設備的電介質。電器絕緣油的主要性能是低溫性能、氧化安定性和介質損失。低溫性能是指在低溫條件下，油在電器設備中能自動對流，導出熱量和瞬間切斷電弧電流所必需的流動性。一般均要求電器絕緣油傾點低和低溫時粘度較小。在電器設備中，油長時間地受到電場作用下的熱和氧的作用而氧化。加入抗氧劑和金屬鈍化劑的油品，其氧化安定性較好。介質損失是反映油品在交流電場下其介質損耗的程度，一般以介質損耗角（）的正切值（tan）表示。一般，變壓器油在90時測得的介質損失應低于 0.5 。環(huán)烷基油因傾點低，低溫流動性好，電氣性能好，熱安定性和導熱性好，是制造

17、電器用油的良好材料。低溫性能、氧化安定性和介質損失是電器絕緣油的三個主要性能指標。 低溫性能是指在低溫條件下，油在電器設備中能自動對流，導出熱量和瞬間切斷電弧電流所必須的流動性。一般均要求電器絕緣油傾點低和低溫時粘度較小。國際電工協(xié)會對變壓器油按傾點（指石油產品在標準管中冷卻至失去流動性時的溫度）分為-30、-45、-60三個等級。電容器油和電纜油的傾點一般在-30-50范圍內。 氧化安定性電器設備中，油長時間地受到電場作用下的熱和氧的作用而氧化。過去利用環(huán)烷基油在合理精制條件下制得氧化安定性較優(yōu)的油品，但試驗證明：加入抗氧劑和金屬鈍化劑的油品，其氧化安定性更好。 介質損失是反映油品在交流電場

18、下，其介質損耗的程度，一般以介質損耗角()的正切值(tg)表示。tg是很靈敏的指標,反映油品的精制程度、清凈程度以及氧化變質程度，油中含有膠質、多環(huán)芳烴，或混進水分、雜質、油品氧化生成物等均會使tg值增大。一般，變壓器油在90時測得的介質損失應低于 0.5。 分類 這類油品共包括變壓器油、油開關油、電容器油和電纜油。變壓器油是一種低粘度油，用于變壓器等設備中，起冷卻和絕緣作用。油開關油是用于油浸開關的一種絕緣油，過去以變壓器油代用。電容器油是用于電容器（主要是電力電容器或靜電電容器）中起絕緣浸漬或隔潮作用的油品。電纜油是用于電纜中起絕緣、浸漬和冷卻作用的精制潤滑油，或潤滑油與其他增稠劑（如軟蠟

19、、樹脂、聚合物或瀝青等）的混合物。SF6具有優(yōu)良的絕緣性能，這是它最早被用于電力設備的原因。例如，0.3MPa壓力的SF6氣體的絕緣強度就可能達到變壓器油的水平，而壓縮空氣同樣的絕緣強度要0.60.7MPa。因此，早在四十年代SF6就開始用于電纜、高壓靜電發(fā)生器中，后來才用到開關中，現(xiàn)在又在變壓器和高壓互感器中應用。SF6用在全封閉的組合電器中，取代敞開式分立電器的空氣絕緣，使傳統(tǒng)的變電站設備構造發(fā)生了革命性的變化，這就是SF6絕緣性能所顯示出的優(yōu)越性。SF6氣體的高絕緣強度是由鹵族化合物的負電性，即對電子的吸附能力造成的。鹵族元素中又以F元素的負電性最強，它的化合物SF6仍有強負電性。在溫度

20、不太高的情況下（108K以下），產生SF6+eSF6 的反應，生成負離子；使空間的自由電子減少，而負離子的活潑性差，抑制了空間游離過程的發(fā)展，擊穿不易形成，因此絕緣強度大大提高.SF6氣體的絕緣強度在不均勻的電場中要降低，這一點在設計與使用中應該引起注意。隨著電場不均勻程度的增大，擊穿場強下降，作為均勻電場的間隙擊穿電壓巴申定律，即擊穿電壓（UK）與氣壓間隙乘積（pd）成正比，只能在很小范圍內符合。試驗數(shù)據(jù)證明，在125mm間隙內，只有電場強度20KV/mm以下才符合巴申定律因此，不能簡單地靠增大間隙來提高擊穿電壓，而應該注意改善結構的電場均勻性。 SF6氣體絕緣特性還受雜質和電極表面狀況影響

21、很大。充入電氣設備的氣體如混雜了金屬細屑，絕緣擊穿電壓將顯著下降。這種影響在工作氣壓越高時越顯著，金屬細屑的尺寸越大絕緣強度降低越多。所以在實際加工裝配或檢修工作中注意清潔條件是很重要的。電極表面如粗糙不平，局部電場增強，對絕緣強度下降影響也很大，加工光潔度高的表面要比粗糙表面的絕緣強度高。由于表面缺陷，凸起的出現(xiàn)呈隨機性質，這種局部電場增強效應也具隨機性，對于面積越大的電極，局部放電的幾率也越大。這就表現(xiàn)為絕緣強度隨電極表面積增大而下降，并漸趨于一個穩(wěn)定值。金屬屑末和電極表面突起造成的絕緣弱點可以通過老練加以改善。老練就是對氣體間隙進行多次重復放電，通過放電燃燒缺陷（雜質、凸起），是間隙的擊穿電壓提高。此外，也可以采用在電極表面覆蓋絕緣薄層的方法來提高絕緣強度在介質內部如果存在氣泡，在氣泡中發(fā)生電離，造成鄰近絕緣物分解、破壞（變酥、碳化）并沿著電場方向逐漸向絕緣深處發(fā)展，在有機絕緣材料中會呈樹枝狀發(fā)展，稱為“電樹枝”。3巴申定理擊穿電壓與pd的規(guī)律稱為巴申定律，這是在碰撞電離學說提出之前，從實驗中總結出