電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)

第一章

緒論為什么需要故障診斷技術(shù)？全球截止到2030年仍將有1/5的人口，根本得不到電力供應(yīng)。

美國(guó)在未來20年中需要建設(shè)1300個(gè)發(fā)電廠（平均每年65個(gè)）才能保證充足的發(fā)電能力。否則，加州停電問題就肯定會(huì)在全國(guó)范圍內(nèi)出現(xiàn)。能源短缺將對(duì)美國(guó)所有的地區(qū)造成影響。

發(fā)展中國(guó)家和不發(fā)達(dá)國(guó)家嚴(yán)重的能源短缺和電力工業(yè)的落后狀態(tài)，已成為影響其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。

我國(guó)的發(fā)電一次能源主要分布西部地區(qū)，而電力消費(fèi)主要集中在中、東部和南部地區(qū)。西電東送、南北互供，發(fā)展全國(guó)聯(lián)網(wǎng)是解決我國(guó)能源分布與電力消費(fèi)矛盾的重要措施。并將形成北、中、南三個(gè)輸電通道。

中國(guó)電力工業(yè)分為7個(gè)跨省(區(qū))電力集團(tuán):東北、華北、華東、華中、西北、南方和川渝，5個(gè)獨(dú)立省級(jí)電網(wǎng):山東、福建、新疆、海南、西藏

(未包括臺(tái)灣和港澳地區(qū))。

電力系統(tǒng)是世界上最大的“瞬間動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)”。

發(fā)電和用電是同時(shí)發(fā)生的，基本沒有存儲(chǔ)環(huán)節(jié)。

電力系統(tǒng)的所有問題都是圍繞這個(gè)特點(diǎn)展開的。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題

發(fā)電、輸電和用電過程構(gòu)成了不可分割的整體，任何環(huán)節(jié)發(fā)生故障都有可能引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。1981～1990年間，我國(guó)主要電網(wǎng)有近1/3的電網(wǎng)事故的直接起因是設(shè)備故障損壞所造成的，而在“八五”期間，由設(shè)備故障直接引發(fā)的電網(wǎng)事故占事故總量的26.3%，可見提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

現(xiàn)代電力設(shè)備的可靠性在很大程度上取決于其絕緣的可靠性。

安全第一

“不求有功，但求無過”是電力運(yùn)行單位的宗旨。但要實(shí)現(xiàn)這一消極的目的，需要非常積極的態(tài)度?，F(xiàn)行維修體制—定期維修:預(yù)防性試驗(yàn)是電力設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的有效手段之一。在我國(guó)已有40年的使用經(jīng)驗(yàn)。

預(yù)防性試驗(yàn)、大修和小修構(gòu)成了定期維修制的基本內(nèi)容。定期維修制的種種弊端:1.維修周期頻繁

2.預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目過多

3.經(jīng)濟(jì)性差

4.增大不安全因素

5.過度維修

6.維修不足

7.預(yù)防性試驗(yàn)條件與實(shí)際運(yùn)行工況不同。第一節(jié)

故障診斷技術(shù)的產(chǎn)生及其作用

作用：它能實(shí)現(xiàn)設(shè)備在帶負(fù)載、不停機(jī)的情況下，通過使用先進(jìn)的技術(shù)手段，對(duì)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，判斷設(shè)備是否存在異?；蚬收?、故障的部位和原因以及故障的惡劣趨勢(shì)等，以確定合理的檢修時(shí)間和方案。一、產(chǎn)生與發(fā)展背景二十世紀(jì)60年代首先在美國(guó)出現(xiàn)，其最初的目的是用于航天、核能、軍事裝備等進(jìn)行早期異常檢測(cè)。隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)等的發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備不斷向著大型化、高速化、連續(xù)化和自動(dòng)化方向發(fā)展，因而設(shè)備復(fù)雜性加劇，成本昂貴，出現(xiàn)事故損失大，影響大。即使正常維修，維修量和費(fèi)用也很大。二、設(shè)備維修方式的變革1.事后維修：等到設(shè)備無法正常工作時(shí)再進(jìn)行維修。2.預(yù)防維修：預(yù)先制定計(jì)劃，定期進(jìn)行檢修和更換。3.狀態(tài)維修：根據(jù)設(shè)備狀態(tài)來確定維修工作的內(nèi)容和時(shí)間、制定維修方案。三、延長(zhǎng)了設(shè)備服役壽命1.初期階段：故障率較高。原因：1、必然會(huì)暴露出制造、安裝和調(diào)試中的遺留問題；2、相關(guān)人員對(duì)設(shè)備的操作和維護(hù)還需要有一個(gè)適應(yīng)和熟悉的過程。2穩(wěn)定期：初期遺留問題得到解決，故障率很低，一般是突發(fā)性故障。3.劣化期：設(shè)備逐漸老化，故障率開始上升。第二節(jié)

故障診斷技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展簡(jiǎn)況隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)等的發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備不斷向著大型化、高速化、連續(xù)化和自動(dòng)化方向發(fā)展，因而設(shè)備復(fù)雜性加劇，成本昂貴，出現(xiàn)事故損失大，影響大。即使正常維修，維修量和費(fèi)用也很大。

生產(chǎn)設(shè)備的這些特點(diǎn)和要求有力的促進(jìn)了故障診斷技術(shù)的發(fā)展。一、國(guó)外發(fā)展概況1967年由美國(guó)宇航局創(chuàng)導(dǎo)，成立了美國(guó)機(jī)械故障預(yù)防小組；隨后英國(guó)及歐洲其他國(guó)家也相繼開展了此項(xiàng)工作；亞洲的日本也積極開展故障診斷方面的研究工作，許多技術(shù)得到了成功的應(yīng)用。二、國(guó)內(nèi)發(fā)展概況

我國(guó)的故障診斷技術(shù)研究始于二十世紀(jì)70年代末，在政府的大力支持下，我國(guó)的故障診斷技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，故障診斷技術(shù)也趨于成熟。第三節(jié)

故障診斷技術(shù)的構(gòu)成與發(fā)展趨勢(shì)一、故障診斷技術(shù)的構(gòu)成

它以可靠性理論、信息論、控制理論和系統(tǒng)論為理論為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代測(cè)試儀器和計(jì)算機(jī)為技術(shù)手段，結(jié)合各種診斷對(duì)象的特殊規(guī)律而逐步形成為一門新興學(xué)科三部分組成（1）故障診斷機(jī)理的研究：即故障診斷物理、化學(xué)過程的研究。（2）故障診斷信息學(xué)的研究：主要研究故障信號(hào)的采集、選擇、處理和分析過程。（3）診斷邏輯和數(shù)學(xué)原理方面的研究：主要是通過邏輯方法、模型方法、推論方法及人工智能方法等。四項(xiàng)技術(shù)（1）檢測(cè)技術(shù)：準(zhǔn)確采集反映設(shè)備狀態(tài)的信號(hào)和參數(shù)。（2）信號(hào)處理技術(shù)：將現(xiàn)場(chǎng)采集到的各種信號(hào)，進(jìn)過各種變換，把反映設(shè)備狀態(tài)的真正信息提取出來。（3）識(shí)別技術(shù)：根據(jù)掌握的故障征兆和狀態(tài)參數(shù)，判斷各種并找出原因。（4）預(yù)測(cè)技術(shù)：對(duì)以識(shí)別出來的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)故障的發(fā)展趨勢(shì)和設(shè)備的剩余壽命。二、故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)系

根據(jù)故障診斷的功能和作用，要實(shí)現(xiàn)有效而靈敏的故障診斷，就必須對(duì)反應(yīng)設(shè)備或系統(tǒng)工作狀態(tài)的信息進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)和分析，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的基本工作狀態(tài)，即進(jìn)行工況監(jiān)測(cè)，實(shí)際上就是狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷構(gòu)成了設(shè)備診斷的兩個(gè)階段，狀態(tài)監(jiān)測(cè)是故障診斷的基礎(chǔ)，故障診斷是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的深化和提升，二者緊密相連。三、故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

實(shí)現(xiàn)故障診斷：以故障信息源和所采用的診斷方法為前提。故障診斷技術(shù)的發(fā)展，呈現(xiàn)出一種與當(dāng)代前沿科學(xué)相融合的發(fā)展趨勢(shì)。例如：與人工智能、數(shù)學(xué)、信息融合技術(shù)相結(jié)合。

一、電氣設(shè)備什么是電氣設(shè)備？主要指電力系統(tǒng)中承擔(dān)發(fā)電、變電、輸電及用電作用的高壓設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、變壓器、斷路器、電壓互感器、電容器、高壓管套、避雷器以及各種發(fā)電機(jī)。電氣設(shè)備一般由電路、磁路、絕緣、機(jī)械、通風(fēng)和散熱等多個(gè)部分組成。第四節(jié)

電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)二、故障診斷系統(tǒng)與繼電保護(hù)的區(qū)別電氣設(shè)備的狀態(tài)可以簡(jiǎn)單分為以下情況：（1）正常：設(shè)備具備其應(yīng)有的功能，沒有缺陷或缺陷不明顯，缺陷嚴(yán)重程度仍處于容限范圍內(nèi)。（2）異常：缺陷有了進(jìn)一步的發(fā)展，設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化，性能惡化，但仍能維持工作。（3）故障：缺陷發(fā)展到使設(shè)備性能和功能都有所喪失的程度。（4）事故：功能完全喪失，無法進(jìn)行工作的狀態(tài)。三、電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷實(shí)施、推廣以及逐步成熟和完善，故障診斷技術(shù)將成為電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化的一個(gè)重要組成部分。2.1.9氣體中沿固體絕緣表面的放電

2.1.9.1界面電場(chǎng)分布的典型情況2.1.9.2均勻電場(chǎng)中的沿面放電2.1.9.3極不均勻電場(chǎng)中的沿面放電2.1.9.4受潮表面的沿面放電1.表面凝露對(duì)沿面放電的影響2.表面淋雨對(duì)沿面放電的影響2.1.9.5臟污絕緣表面的沿面放電污閃：戶外絕緣子常會(huì)受到工業(yè)污穢或自然界鹽堿、飛塵等污染。干燥情況下，對(duì)閃絡(luò)電壓沒多大影響。但當(dāng)絕緣子表面污層被濕潤(rùn)，其表面電導(dǎo)劇增使絕緣子泄漏電流急劇增加。絕緣子的閃絡(luò)電壓（污閃電壓）大大降低，甚至有可能在工作電壓下發(fā)生閃絡(luò)。線路和發(fā)電廠、變電所污穢等級(jí)污穢等級(jí)污濕特征鹽密(mg/cm2)線路發(fā)電廠變電所0大氣清潔地區(qū)及離海岸鹽場(chǎng)50km以上無明顯污染地區(qū)≤0.03－Ⅰ大氣輕度污染地區(qū)，工業(yè)區(qū)和人口低密集區(qū)，離海岸鹽場(chǎng)10km～50km地區(qū)，在污閃季節(jié)中干燥少霧（含毛毛雨）或雨量較多時(shí)>0.03~0.06≤0.06Ⅱ大氣中等污染地區(qū)，輕鹽堿和爐煙污穢地區(qū)，離海岸鹽場(chǎng)3km～10km地區(qū)，在污閃季節(jié)中潮濕多霧（含毛毛雨）但雨量較少時(shí)>0.06~0.10>0.06~0.10Ⅲ大氣污染較嚴(yán)重地區(qū)，重霧和重鹽堿地區(qū)，近海岸鹽場(chǎng)1～3km地區(qū)，工業(yè)與人口密度較大地區(qū)，離化學(xué)污源和爐煙污穢300m～1500m的較嚴(yán)重污穢地區(qū)>0.10~0.25>0.10~0.25Ⅳ大氣特別嚴(yán)重污染地區(qū)，離海岸鹽場(chǎng)1km以內(nèi)，離化學(xué)污源和爐煙污穢300m以內(nèi)的地區(qū)>0.25~0.35>0.25~0.352.1.9.5.4防止污閃的措施（1）定期或不定期的清掃

（2）使用防污閃涂料或進(jìn)行表面處理（3）加強(qiáng)絕緣和采用耐污絕緣子（4）使用其他材質(zhì)的絕緣子第二節(jié)液體介質(zhì)的擊穿純凈液體介質(zhì)的擊穿理論工程用變壓器油的擊穿過程及其特點(diǎn)變壓器油擊穿電壓的影響因素及其提高的方法一旦作用于固體和液體介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，在介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象就不再限于前面介紹的極化、電導(dǎo)和介質(zhì)損耗了。與氣體介質(zhì)相似，液體和固體介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)(高電壓)的作用下，也會(huì)出現(xiàn)由介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的擊穿過程。液體介質(zhì)主要有天然的礦物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、氣體、固體微粒和纖維等雜質(zhì)，它們對(duì)液體介質(zhì)的擊穿有很大的影響。一、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論(一)電子碰撞電離理論（電擊穿理論）在外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，電子在碰撞液體分子可引起電離，使電子數(shù)倍增，形成電子崩。同時(shí)正離子在陰極附近形成空間電荷層增強(qiáng)了陰極附近的電場(chǎng)，使陰極發(fā)射的電子數(shù)增多，導(dǎo)致液體介質(zhì)擊穿。

純凈液體介質(zhì)的擊穿理論與氣體放電湯遜理論中的、作用有些相似。但液體密度比氣體密度大得多，電子的平均自由行程很小，必須大大提高場(chǎng)強(qiáng)才開始碰撞電離。(二)氣泡擊穿理論（小橋理論）液體中出現(xiàn)氣泡，在交流電壓下，串聯(lián)介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度的分布與介質(zhì)的εr

成反比。由于氣泡的εr

最小，其電氣強(qiáng)度又比液體介質(zhì)低很多，所以氣泡必先發(fā)生電離。氣泡電離后溫度上升、體積膨脹、密度減小，這促使電離進(jìn)一步發(fā)展。電離產(chǎn)生的帶電粒子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導(dǎo)致氣體通道擴(kuò)大。許多電離的氣泡在電場(chǎng)中排列成氣體小橋，擊穿就可能在此通道中發(fā)生。二、工程用變壓器油的擊穿過程及其特點(diǎn)可用氣泡擊穿理論來解釋擊穿過程，它依賴于氣泡的形成、發(fā)熱膨脹、氣泡通道擴(kuò)大并積聚成小橋，有熱的過程，屬于熱擊穿的范疇。

由于水和纖維的εr很大，易沿電場(chǎng)方向極化定向，并排列成雜質(zhì)小橋。發(fā)生兩種情況：

(1)雜質(zhì)小橋尚未接通電極時(shí)，則纖維等雜質(zhì)與油串聯(lián)，由于纖維的εr大以及含水分纖維的電導(dǎo)大，使其端部油中電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增高并引起電離，于是油分解出氣體，氣泡擴(kuò)大，電離增強(qiáng)，這樣下去必然會(huì)出現(xiàn)由氣體小橋引起的擊穿。(2)如果雜質(zhì)小橋尚未接通電極，因小橋的電導(dǎo)大而導(dǎo)致泄漏電流增大，發(fā)熱會(huì)促使汽化，氣泡擴(kuò)大，發(fā)展下去會(huì)出現(xiàn)氣體小橋，使油隙發(fā)生擊穿。判斷變壓器油的質(zhì)量，主要依靠測(cè)量其電氣強(qiáng)度、tgδ和含水量。其中最重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就是測(cè)量油的工頻擊穿電壓。三、變壓器油擊穿電壓的影響因素及其提高的方法(一)水分和其他雜質(zhì)水在變壓器油中有兩種狀態(tài)：①溶解狀態(tài):高度分散、且分布非常均勻；②懸浮狀態(tài):呈水珠狀一滴一滴懸浮在油中。圖3-16表示在常溫下油的含水量對(duì)均勻電場(chǎng)油間隙工頻擊穿電壓的影響。當(dāng)油中含水量達(dá)十萬(wàn)分之幾時(shí)，對(duì)擊穿電壓就有明顯影響。當(dāng)油中還含有其他雜質(zhì)時(shí)，擊穿電壓的下降程度隨雜質(zhì)的種類和數(shù)量而異。(二)油溫?fù)舸╇妷号c溫度的關(guān)系比較復(fù)雜，隨電場(chǎng)的均勻度、油的品質(zhì)以及電壓類型的不同而異。均勻電場(chǎng)油間隙的工頻擊穿電壓與溫度的關(guān)系如圖3-18所示；在極不均勻電場(chǎng)中，隨溫度上升，工頻擊穿電壓下降，如圖3-19所示：不論在均勻電場(chǎng)中還是不均勻電場(chǎng)中，隨溫度上升，沖擊擊穿電壓均單調(diào)地稍有下降。(三)電場(chǎng)均勻度優(yōu)質(zhì)油：保持油不變，而改善電場(chǎng)均勻度，能使工頻擊穿電壓顯著增大，也能大大提高其沖擊擊穿電壓。品質(zhì)差的油：改善電場(chǎng)對(duì)于提高其工頻擊穿電壓的效果較差。在沖擊電壓下，由于雜質(zhì)來不及形成小橋，故改善電場(chǎng)總是能顯著提高油隙的沖擊擊穿電壓，而與油的品質(zhì)好壞幾乎無關(guān)。(四)電壓作用時(shí)間油隙的擊穿電壓會(huì)隨電壓作用時(shí)間的增加而下降，加電壓時(shí)間還會(huì)影響油的擊穿性質(zhì)。從圖3—20的兩條曲線可以看出：在電壓作用時(shí)間短至幾個(gè)微秒時(shí)擊穿電壓很高，擊穿有時(shí)延特性，屬電擊穿；電壓作用時(shí)間為數(shù)十到數(shù)百微秒時(shí)，雜質(zhì)的影響還不能顯示出來，仍為電擊穿，這時(shí)影響油隙擊穿電壓的主要因素是電場(chǎng)的均勻程度；電壓作用時(shí)間更長(zhǎng)時(shí)，雜質(zhì)開始聚集，油隙的擊穿開始出現(xiàn)熱過程，于是擊穿電壓再度下降，為熱擊穿。(五)油壓的影響不論電場(chǎng)均勻度如何，工業(yè)純變壓器油的工頻擊穿電壓總是隨油壓的增加而增加，這是因?yàn)橛椭袣馀莸碾婋x電壓增高和氣體在油中的溶解度增大的緣故經(jīng)過脫氣處理的油，其工頻擊穿電壓幾乎與油壓無關(guān)。

從以上討論中可以看出，油中雜質(zhì)對(duì)油隙的工頻擊穿電壓有很大的影響，所以對(duì)于工程用油來說，應(yīng)設(shè)法減少雜質(zhì)的影響，提高油的品質(zhì)。通常可以采用過濾、防潮、祛氣等方法來提高油的品質(zhì)，在絕緣設(shè)計(jì)中則可利用“油—屏障”式絕緣(例如覆蓋層、絕緣層和隔板等)來減少雜質(zhì)的影響，這些措施都能顯著提高油隙的擊穿電壓。小結(jié)純凈液體介質(zhì)的擊穿可用以下理論來解釋：電子碰撞電離理論氣體小橋理論用氣泡擊穿理論來解釋工程用變壓器油擊穿過程變壓器油擊穿電壓的影響因素水分和其他雜質(zhì)油溫電場(chǎng)均勻度電壓作用時(shí)間油壓的影響第三節(jié)固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)的擊穿理論電擊穿理論熱擊穿理論電化學(xué)擊穿影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素電壓作用時(shí)間電場(chǎng)均勻程度溫度受潮累積效應(yīng)電過程（電擊穿）熱過程（熱擊穿）電化學(xué)過程（電化學(xué)擊穿）介質(zhì)本身的特性；絕緣結(jié)構(gòu)形式；電場(chǎng)均勻性；實(shí)際電氣設(shè)備中的固體介質(zhì)擊穿過程是錯(cuò)綜復(fù)雜的，常取決于以下多種因素：在電場(chǎng)作用下，固體介質(zhì)可能因以下過程而被擊穿：外加電壓波形；外加電壓時(shí)間；工作環(huán)境（周圍媒質(zhì)的溫度及散熱條件）常用的有機(jī)絕緣材料，如纖維材料(紙、布和纖維板)以及聚乙烯塑料等，其短時(shí)電氣強(qiáng)度很高，但在工作電壓的長(zhǎng)期作用下，會(huì)產(chǎn)生電離、老化等過程，從而使其電氣強(qiáng)度大幅度下降。

所以，對(duì)這類絕緣材料或絕緣結(jié)構(gòu)，不僅要注意其短時(shí)耐電特性，而且要重視它們?cè)陂L(zhǎng)期工作電壓下的耐電性能。一、固體介質(zhì)的擊穿理論(一)電擊穿理論1、固體介質(zhì)的電擊穿是指僅僅由于電場(chǎng)的作用而直接使介質(zhì)破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象。2、在介質(zhì)的電導(dǎo)很小，又有良好的散熱條件以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電的情況下，固體介質(zhì)的擊穿通常為電擊穿，擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)105-106kV/m。3、電擊穿的主要特征：

①與周圍環(huán)境溫度有關(guān)；②除時(shí)間很短的情況，與電壓作用時(shí)間關(guān)系不大；③介質(zhì)發(fā)熱不顯著；④電場(chǎng)均勻程度對(duì)擊穿有顯著影響。(二)熱擊穿理論固體介質(zhì)會(huì)因介質(zhì)損耗而發(fā)熱，如果周圍環(huán)境溫度高，散熱條件不好，介質(zhì)溫度將不斷上升而導(dǎo)致絕緣的破壞，如介質(zhì)分解、熔化、碳化或燒焦，從而引起熱擊穿。為簡(jiǎn)單起見，以圖3-21中的平板狀固體介質(zhì)為例，對(duì)熱平衡問題進(jìn)行討論。設(shè)平板電極和介質(zhì)的面積都足夠大，介質(zhì)以及介質(zhì)中的電場(chǎng)都是均勻的，于是介質(zhì)發(fā)熱均勻;介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量主要沿垂直于電極的方向（x軸方向）流向介質(zhì)表面和平板電極。在這種條件下，固體介質(zhì)沿厚度2h的雙向散熱可看作是沿厚度h的單向散熱。電介質(zhì)的損耗率（單位體積的功率損耗）（W/cm3）式中：

-電介質(zhì)的電導(dǎo)率，S/cm

E-電介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度，V/cm

f-外加電場(chǎng)的頻率，Hz設(shè)在1cm3介質(zhì)中單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q0，Q0可直接由上式求得。于是在x軸方向厚度為h、橫截面為1cm2的一條狀介質(zhì)中，單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量為：（J/s）另:單位時(shí)間內(nèi)電極上1cm2面積所逸出的熱量為：（J/s）式中：－散熱系數(shù)，J/(s·cm2·oC);

－電極表面溫度，oC；－周圍媒質(zhì)溫度，oC；如圖所示，在三個(gè)電壓下(U1>U2>U3)有發(fā)熱曲線1、2、3，4為散熱曲線。①曲線1，Q1>Q2，介質(zhì)一定擊穿；②曲線2，與散熱曲線4交于k點(diǎn)，它是不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，t>tk時(shí)，介質(zhì)溫度不斷上升，直至擊穿。③曲線3和曲線4有a、b兩個(gè)交點(diǎn)，a為穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)，b為不穩(wěn)定的熱平衡點(diǎn)，t>tb

時(shí)，介質(zhì)發(fā)生擊穿?？蛇_(dá)到以下幾點(diǎn)結(jié)論：①熱擊穿電壓會(huì)隨著周圍媒質(zhì)溫度t0的上升而下降，這時(shí)直線4會(huì)向右移動(dòng)；②熱擊穿電壓并不隨介質(zhì)厚度成正比增加，因厚度越大，介質(zhì)中心附近的熱量逸出越困難，所以固體介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨h的增大而降低；③如果介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱系數(shù)也大，則熱擊穿電壓上升；④f或增大時(shí)都會(huì)造成Q1增加，使曲線1、2、3向上移動(dòng)。曲線2上移表示臨界擊穿電壓下降。

(三)電化學(xué)擊穿固體介質(zhì)在長(zhǎng)期工作電壓作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等原因，使絕緣劣化，電氣強(qiáng)度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為電化學(xué)擊穿。局部放電是介質(zhì)內(nèi)部的缺陷（如氣隙或氣泡）引起的局部性質(zhì)的放電。局部放電使介質(zhì)劣化、損傷、電氣強(qiáng)度下降的主要原因?yàn)椋?)產(chǎn)生活性氣體對(duì)介質(zhì)氧化、腐蝕；2)溫升使局部介質(zhì)損耗增加；3)切斷分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致介質(zhì)破壞。電化學(xué)擊穿電壓的大小與施加電壓時(shí)間的關(guān)系非常密切，但也因介質(zhì)種類的不同而異。圖3—23是三種固體介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨施加電壓的時(shí)間而變化的情況：曲線l、2下降較快，表示聚乙烯、聚四氟乙烯耐局部放電的性能差；曲線3接近水平，表示硅有機(jī)玻璃云母帶的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨加電壓時(shí)間的增加下降很少?？梢姛o機(jī)絕緣材料耐局部放電的性能較好。在電化學(xué)擊穿中，還有一種樹枝化放電的情況，這通常發(fā)生在有機(jī)絕緣材料的場(chǎng)合。當(dāng)有機(jī)絕緣材料中因小曲率半徑電極、微小空氣隙、雜質(zhì)等因素而出現(xiàn)高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)時(shí)，往往在此處先發(fā)生局部的樹枝狀放電，并在有機(jī)固體介質(zhì)上留下纖細(xì)的溝狀放電通道的痕跡，這就是樹枝化放電劣化。在交流電壓下，樹枝化放電劣化是局部放電產(chǎn)生的帶電粒子沖撞固體介質(zhì)引起電化學(xué)劣化的結(jié)果。在沖擊電壓下，則可能是局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過了材料的電擊穿場(chǎng)強(qiáng)所造成的結(jié)果。二、影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素(一)電壓作用時(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。不過二者有時(shí)很難分清，例如在工頻交流1min耐壓試驗(yàn)中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結(jié)果。電壓作用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)甚至幾年才發(fā)生擊穿時(shí)，大多屬于電化學(xué)擊穿的范疇。隨著電壓作用時(shí)間的增長(zhǎng)，擊穿電壓將下降，如果在加電壓后數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用。在圖3—24中，以常用的油浸電工紙板為例，以lmin工頻擊穿電壓(峰值)作為基準(zhǔn)值，縱坐標(biāo)以標(biāo)么值來表示。電擊穿與熱擊穿的分界點(diǎn)時(shí)間約在105～106us之間，作用時(shí)間大于此值后，熱過程和電化學(xué)作用使得擊穿電壓明顯下降。

不過lmin擊穿電壓與更長(zhǎng)時(shí)間(圖中達(dá)數(shù)百小時(shí))的擊穿電壓相差已不太大，所以通?？蓪min工頻試驗(yàn)電壓作為基礎(chǔ)來估計(jì)固體介質(zhì)在工頻電壓作用下長(zhǎng)期工作時(shí)的熱擊穿電壓。許多有機(jī)絕緣材料的短時(shí)間電氣強(qiáng)度很高，但它們耐局部放電的性能往往很差，以致長(zhǎng)時(shí)間電氣強(qiáng)度很低，這一點(diǎn)必須予以重視。在那些不可能用油浸等方法來消除局部放電的絕緣結(jié)構(gòu)中(例如旋轉(zhuǎn)電機(jī))，就必須采用云母等耐局部放電性能好的無機(jī)絕緣材料。(二)電場(chǎng)均勻程度處于均勻電場(chǎng)中的固體介質(zhì)，其擊穿電壓往往較高，且隨介質(zhì)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)厚度增加使電場(chǎng)更不均勻，于是擊穿電壓不再隨厚度的增加而線性上升。當(dāng)厚度增加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。如果經(jīng)過真空干燥、真空浸油或浸漆處理，則擊穿電壓可明顯提高。常用的固體介質(zhì)一般都含有雜質(zhì)和氣隙，這時(shí)即使處于均勻電場(chǎng)中，介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)分布也是不均勻的，最大電場(chǎng)強(qiáng)度集中在氣隙處，使擊穿電壓下降。(三)溫度固體介質(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)溫度后將發(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，熱擊穿電壓更低。因此，以固體介質(zhì)作絕緣材料的電氣設(shè)備，如果某處局部溫度過高，在工作電壓下即有熱擊穿的危險(xiǎn)。不同的固體介質(zhì)其耐熱性能和耐熱等級(jí)是不同的，因此它們由電擊穿轉(zhuǎn)為熱擊穿的臨界溫度一般也是不同的。(四)受潮受潮對(duì)固體介質(zhì)擊穿電壓的影響與材料的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等中性介質(zhì)，受潮后擊穿電壓僅下降一半左右；容易吸潮的極性介質(zhì)，如棉紗、紙等纖維材料，吸潮后的擊穿電壓可能僅為干燥時(shí)的百分之幾或更低，這是因電導(dǎo)率和介質(zhì)損耗大大增加的緣故。所以高壓絕緣結(jié)構(gòu)在制造時(shí)要注意除去水分，在運(yùn)行中要注意防潮，并定期檢查受潮情況。(五)累積效應(yīng)固體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中以及在幅值不很高的過電壓、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)。顯然，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雖高、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)作絕緣材料的電氣設(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，對(duì)這些電氣設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，加電壓的次數(shù)和試驗(yàn)電壓值應(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。小結(jié)在電場(chǎng)作用下，固體介質(zhì)的擊穿可分為電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿；實(shí)際電氣設(shè)備中的固體介質(zhì)擊穿過程是錯(cuò)綜復(fù)雜的，常取決于介質(zhì)本身的特性、絕緣結(jié)構(gòu)形式和電場(chǎng)均勻性。第四節(jié)組合絕緣的特性第六節(jié)電力系統(tǒng)絕緣配合絕緣配合的基本概念絕緣配合慣用法輸變電設(shè)備以及輸電線路的絕緣配合絕緣配合統(tǒng)計(jì)法絕緣配合的基本概念絕緣配合的任務(wù)、原則和問題絕緣配合中存在的問題舉例絕緣配合的發(fā)展過程一、絕緣配合的任務(wù)、原則和問題根本任務(wù)：正確處理過電壓和絕緣這一對(duì)矛盾，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)供電的目的；基本原則：綜合考慮電氣設(shè)備在系統(tǒng)中可能承受的各種電壓、保護(hù)裝置的特性和設(shè)備絕緣對(duì)各種作用電壓的耐受特性，合理的確定設(shè)備必要的絕緣水平，以使設(shè)備的造價(jià)、維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備絕緣故障引起的事故的損失，達(dá)到經(jīng)濟(jì)上和安全運(yùn)行上總體效益最高的目的。權(quán)衡技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面。技術(shù)：作用電壓、限壓措施、設(shè)備絕緣耐受能力經(jīng)濟(jì)：投資費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、事故損失費(fèi)用核心問題：確定各種電氣設(shè)備的絕緣水平（首要前提）。絕緣水平：電氣設(shè)備能承受的試驗(yàn)電壓值。試驗(yàn)電壓：短時(shí)（1min）工頻試驗(yàn)：檢測(cè)設(shè)備在工頻運(yùn)行電壓和暫時(shí)過電壓下的絕緣性能長(zhǎng)時(shí)間（1～2h）工頻試驗(yàn)：檢測(cè)內(nèi)絕緣老化和外絕緣污穢對(duì)工頻運(yùn)行電壓及過電壓下性能的影響雷電沖擊試驗(yàn)操作沖擊試驗(yàn)二、絕緣配合中存在問題舉例1、架空線路和變電所之間的絕緣配合現(xiàn)代輸電線路的絕緣水平較變電設(shè)備絕緣水平高，主要有了避雷器的保護(hù)。降低變電設(shè)備的絕緣水平技術(shù)可行而且效益顯著。2、同桿架設(shè)的雙回線路之間的絕緣配合雙回線路的絕緣水平不平衡，一邊的絕緣子數(shù)量較多，另一邊較少，兩回線路絕緣水平的差距大小，為絕緣配合問題。3、電氣設(shè)備內(nèi)絕緣和外絕緣之間的絕緣配合在沒有獲得現(xiàn)代避雷器的可靠保護(hù)之前，曾將內(nèi)絕緣水平取得高于外絕緣水平，因?yàn)閮?nèi)絕緣擊穿的后果遠(yuǎn)比外絕緣閃絡(luò)更為嚴(yán)重。4、各種絕緣之間的絕緣配合有部分設(shè)備的外絕緣不止一種，它們之間也有絕緣配合問題，如桿塔空氣間隙和絕緣子串放電電壓。5、各種保護(hù)裝置之間以及與被保護(hù)絕緣之間的絕緣配合如變電所防雷接線中的閥式避雷器與斷路器外側(cè)的管式避雷器放電特性之間的關(guān)系就是不同保護(hù)裝置之間的絕緣配合。三、絕緣配合的發(fā)展過程1、多級(jí)配合階段（1940以前）由于當(dāng)時(shí)所用的避雷器保護(hù)性能及電氣特性較差，不能把它的特性作為絕緣配合的基礎(chǔ)，因此采用多級(jí)配合的方法。多級(jí)配合的原則：價(jià)格越昂貴、修復(fù)越困難、損壞后果越嚴(yán)重的絕緣結(jié)構(gòu)，其絕緣水平應(yīng)選的越高。2、兩級(jí)配合（慣用法）階段各種絕緣都接受避雷器的保護(hù)，僅僅與避雷器進(jìn)行絕緣配合，而不在各種絕緣之間尋求配合。

避雷器的保護(hù)特性成為絕緣配合的基礎(chǔ)，只要將它的保護(hù)水平乘上一個(gè)系數(shù)，就能確定該絕緣應(yīng)有的耐壓水平，該原則為現(xiàn)在仍廣泛使用的絕緣配合原則。3、絕緣配合統(tǒng)計(jì)法階段電力系統(tǒng)中的過電壓和絕緣的電氣強(qiáng)度都是隨機(jī)變量，要求絕緣在過電壓的作用下不發(fā)生任何的閃絡(luò)或擊穿，未免過于保守和不合理，正確做法為規(guī)定出某一可以接受的絕緣故障率，容許冒一定的風(fēng)險(xiǎn)?？傊?，用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)及方法來處理絕緣配合問題，以求獲得優(yōu)化的總經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。絕緣配合慣用法雷電過電壓下的絕緣配合操作過電壓下的絕緣配合工頻絕緣水平的確定長(zhǎng)時(shí)間工頻高壓實(shí)驗(yàn)

絕緣配合慣用法即由兩級(jí)配合原則出發(fā)，避雷器的保護(hù)水平就是確定電氣設(shè)備絕緣水平的基礎(chǔ)，其值就是避雷器上可能出現(xiàn)的最大電壓。絕緣配合時(shí)，將電壓分為兩個(gè)電壓等級(jí)：范圍Ⅰ：3.5kV≤Um≤252kV范圍Ⅱ：Um＞252kV一、雷電過電壓下的絕緣配合

基本沖擊絕緣水平（BIL）：表示電氣設(shè)備在雷電過電壓下的絕緣水平。BIL=KLUp(L)Up(L)：閥式避雷器在過電壓下的保護(hù)水平，即URKL：雷電過電壓下的配合系數(shù)，1.2～1.4，若電氣設(shè)備與避雷器相距很遠(yuǎn)，KL為1.4，若較近KL為1.25；BIL=(1.25～1.4)UR二、操作過電壓下的絕緣配合（SIL）1.避雷器不動(dòng)作（FD，范圍Ⅰ）SIL=KsK0UphKs：操作過電壓下的配合系數(shù)（1.15）K0：操作過電壓計(jì)算倍數(shù)Uph：相電壓2.避雷器動(dòng)作（MOA、FCD，范圍Ⅱ）SIL=KsUP(s)=1.15～1.25UP(s）Uph(s）：MOA—等于規(guī)定的操作沖擊電流下的殘壓；FCD—等于以下兩個(gè)電壓的較大者，一是250/2500us標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓下的放電電壓，二是規(guī)定的操作沖擊電流下的殘壓值。三、工頻絕緣水平的確定為了檢驗(yàn)電氣設(shè)備絕緣是否達(dá)到了以上所確定的BIL和SIL，就需要進(jìn)行雷電沖擊和操作沖擊耐壓試驗(yàn)。它們對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試技術(shù)提出了很高的要求。對(duì)于330kV及以上的超高壓電氣設(shè)備來說，這樣的試驗(yàn)是完全必需的，但對(duì)于220kV及以下的高壓電氣設(shè)備來說，應(yīng)該設(shè)法用比較簡(jiǎn)單的高壓試驗(yàn)去等效地檢驗(yàn)絕緣耐受雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓的能力。

短時(shí)（1min）工頻耐壓試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)電壓值往往要比額定相電壓高出數(shù)倍，它的目的和作用是代替雷電沖擊和操作沖擊耐壓試驗(yàn)、等效地檢驗(yàn)絕緣在這兩類過電壓下的電氣強(qiáng)度。凡是合格通過工頻耐壓試驗(yàn)的設(shè)備絕緣在雷電和操作過電壓作用下均能可靠地運(yùn)行。

凡是合格通過工頻耐壓試驗(yàn)的設(shè)備絕緣在雷電和操作過電壓作用下均能可靠地運(yùn)行（220kV及以下）。為了更加可靠和直觀，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定：1、對(duì)于300kV以下的電氣設(shè)備（1）絕緣在工頻工作電壓、暫時(shí)過電壓和操作過電壓下的性能用短時(shí)（1min）工頻耐壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)；（2）絕緣在雷電過電壓下的性能用雷電沖擊耐壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)。2、對(duì)于300kV及以上的電氣設(shè)備（1）絕緣在操作過電壓下的性能用操作沖擊耐壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)；（2）絕緣在雷電過電壓下的性能用雷電沖擊耐壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)。四、長(zhǎng)時(shí)間工頻高壓試驗(yàn)當(dāng)內(nèi)絕緣的老化和外絕緣的污染對(duì)絕緣在工頻工作電壓和過電壓下的性能有影響時(shí)，需作長(zhǎng)時(shí)間工頻高壓試驗(yàn)。由于試驗(yàn)?zāi)康牟煌?，長(zhǎng)時(shí)間工頻高壓試驗(yàn)時(shí)所加的試驗(yàn)電壓值和加壓時(shí)間均與短時(shí)工頻耐壓試驗(yàn)不同。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種電壓等級(jí)電氣設(shè)備以耐壓值表示的絕緣水平作出了規(guī)定。輸變電設(shè)備以及輸電線路的絕緣配合輸變電設(shè)備的絕緣配合雷電過電壓下的絕緣配合操作過電壓下的絕緣配合架空輸電線路的絕緣配合絕緣子串中絕緣子片數(shù)的確定空氣間距的選擇一、輸變電設(shè)備的絕緣配合實(shí)質(zhì)：變壓器的絕緣水平與避雷器的保護(hù)水平的配合就代表了輸變電設(shè)備的絕緣配合。1、雷電過電壓下的絕緣配合BIL=(1.25～1.4)UR當(dāng)電氣設(shè)備與避雷器緊靠時(shí)，取1.25當(dāng)電氣設(shè)備與避雷器有一定距離時(shí)，取1.42、操作過電壓下的絕緣配合采用FCD保護(hù)的變壓器的SIL應(yīng)與避雷器的保護(hù)水平相配合。SIL=KsUP(s)=1.15～1.25UP(s）3～500kV輸變電設(shè)備的基準(zhǔn)絕緣水平二、架空輸電線路的絕緣配合1、絕緣子片數(shù)的選擇線路絕緣子串應(yīng)滿足三方面的要求：在工作電壓下不發(fā)生污閃；雨天時(shí)在操作過電壓下不發(fā)生閃絡(luò)（濕閃）；具有一定的雷電沖擊耐壓強(qiáng)度，保證一定的線路耐雷水平和線路跳閘率。選擇順序按機(jī)械負(fù)荷和環(huán)境選擇絕緣子型號(hào)；按工作電壓所要求的泄漏距離決定絕緣子片數(shù)，按操作過電壓要求選擇片數(shù)，取其中較大者；校驗(yàn)該線路耐雷水平與雷擊跳閘率是否符合規(guī)定要求。（1）