《高电压绝缘技术》第1章V3

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高压设备的绝缘试验
高压设备的绝缘设计是否合理、制造是否达到设计要求，运输 中是否损坏，安装是否正确，长时间运行后是否出现故障，这 些都有必要通过绝缘试验加以确认。 (1)工厂试验 • • 型式试验 出厂试验
全面检查该产品的设计、材料、工艺是否满足技术条件 制造质量是否达到要求
(2)现场试验 • • 交接试验 预防性试验
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•分析绝缘结构的击穿电压时，不仅要考虑绝缘距离，而且要考 虑电场不均匀程度的影响。对于同样距离的间隙，电场愈不均 匀，通常击穿电压愈低。为了充分利用绝缘材料，提高绝缘结 构的击穿电压，必须设法减小电场的不均匀程度。 •电极表面毛刺、导电微粒等可能形成微观上的电场集中。
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高电压绝缘的研究对象
高电压
•无绝缘不成高压/为实现高压输电而研究绝缘问题 •而电压过高将破坏绝缘
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•随着电力工业的发展，用电量上升，输电距离增长，电力系统 的最高电压等级逐步提高。随着电压等级的提高，电气设备的 绝缘的问题越来越突出。 �电力系统的安全问题 电力设备的电压等级越高，其安全对电力系统的影响越 大 �绝缘的经济性问题 工作电压越高，花费在绝缘上的费用在设备成本中所占 的比例将越大、设备的体积及质量也越大；如不采用新 的技术，甚至有时将无法构成设备绝缘。 •对较低电压等级的电力设备，也需要研究绝缘问题，从而减小 设备体积，提高设备安全性。
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第一章：高电压绝缘技术中的静电场
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工程上常见的静电场
电介质的局部放电及击穿 当作为绝缘材料的电介质(固、液、气)承受的电场强度超过一 定限值时就会失去绝缘能力而损坏。电介质耐受电场的限度称 为临界电场强度E0。 局部放电 绝缘击穿
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均匀电场与不均匀电场 电场不均匀系数f 电场利 用系数η
Emax f = Ea
通常
Emax是电场中的最大场强 Ea是电场中的平均场强
均匀场 稍不均匀场 极不均匀场
f≈1 f<2 f>4
【问题】
稍不均匀� 场的典型
f 有没有小于1的情况？
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高电压绝缘技术
High Voltage Insulation Technology
Copyright © 2010 Xi’an Jiaotong University
西安交通大学 高电压技术教研室
丁卫东 wdding@ 029-82668162
绪论
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静电场的解析计算
单一电介质中简单电场的计算 平行平板电极间的电场
U E= d ε 0ε r A C= d
平行平板电极中间部分电场均 匀，但边缘电场极不均匀。若以 上图所示某等位面作为电极外 形，且该面上任一点的场强都不 超过电极均匀部分的场强，这样 电极形状可认为是满意的。
高压设备的绝缘在承受电场的同时还常受到 机械负荷，电动力或机械振动 等的作用。因此，选择绝缘时必须同时考虑机械和电气的双重作用。
•温度和热稳定性的要求
每种绝缘材料都有一定的耐热能力。如果温度过高，会使其丧失绝缘能力 或寿命缩短。因此，应给各类绝缘规定一定的工作温度。
•化学作用和不利环境条件下的稳定性的要求
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通过查表得到不均匀系数
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多层电介质中的电场 平行平板电极间的电场 •交流情况下，电极间的电场分布主要取决于电 介质的介电常数。 ⎧ε1E1 = ε 2 E2 ⎪ ⎪ E1 = U1 d1 ⎪ ⎨ ⎪E = U 2 ⎪ 2 d2 ⎪ ⎩U = U1 + U 2
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高电压 分析和限制 作用在电力设备上的电压 （电场强度）： •工作电压
绝缘 提高 绝缘结构的耐受电压： •掌握各类电介质的性能 •改善绝缘结构，使电场尽 可能分布均匀
雷电过电压 •过电压
直击雷 感应雷 工频电压升高 暂时过电压
内部过电压 操作过电压
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谐振过电压
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《高 电 压 绝 缘 技 术》
为了保证设备绝缘能安全可靠运行，除了在制造厂必须保证 一定的工艺条件，在运行现场还应对绝缘进行各种检查及试 验。 本课程的内容 •电介质（气体、液体、固体）的电气物理性能，特别 是其击穿过程与规律性 •各种高压电气设备的典型绝缘结构。基本形式及分析 计算方法 •检测及判断设备绝缘质量的主要实验方法
启示： •同轴圆柱电极的最佳内外径比例 •电场不均匀程度不一样时，气体 放电状况的差异。
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同心圆球电极间的电场 离球心距离为x处的电场强度为：
Q Ex = 4πε 0ε r x 2
内外电极间的电压为：
(高斯通量定理)
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对高压电气设备绝缘电气性能的基本要求
各种额定电压等级的设备绝缘所承受的长时电压或短时电压是 不同的，亦即要有不同的“绝缘水平”，设计设备绝缘时，必须 先选择合理的绝缘水平(绝缘配合过程)。 短时工频耐受电压 绝缘 水平 雷电冲击耐受电压 操作冲击耐受电压 选择太高 → 电气设备造价增加 选择太低 → 电气设备故障率增加，系统运行维护费用增加 国标GB311.1-1997《高压输变电设备的绝缘配合》
户外的高压设备的绝缘应能长期耐受日照、风沙、脏污、雨雾、水雪等的 侵蚀，在含有化学腐蚀性气体的场合，还应该有足够的 化学稳定性。 Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 技 术》 -*-
高压电气设备绝缘的设计过程
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提高接触系数的措施： 直接浇注内屏蔽电极
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•直流情况下，电极间的电场分布主要取决于电介质的电导率。
⎧γ 1E1 = γ 2 E2 ⎪ ⎪ E1 = U1 d1 ⎪ ⎨ ⎪E = U 2 ⎪ 2 d2 ⎪ ⎩U = U1 + U 2
γ 2U ⎧ ⎪ E1 = γ d + γ d 1 2 2 1 ⎪ γ 1U ⎪ ⎪ E2 = γ d + γ d ⎪ 1 2 2 1 ⎨ ⎪U = γ 2 d1U ⎪ 1 γ 1d 2 + γ 2 d1 ⎪ ⎪U = γ 1d 2U 2 ⎪ γ 1d 2 + γ 2 d1 ⎩
γ 2U ⎧ E = ⎪ 1 γ d +γ d 1 2 2 1 ⎪ γ 1U ⎪ ⎪ E2 = γ d + γ d ⎪ 1 2 2 1 ⎨ ⎪U = γ 2 d1U ⎪ 1 γ 1d 2 + γ 2 d1 ⎪ ⎪U = γ 1d 2U 2 ⎪ γ 1d 2 + γ 2 d1 ⎩
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工程上分析高压设备中电场的主要目的是，在规定的电压和一 定的绝缘条件下，使 ( 电介质中的 ) 最大电场强度不超过允许 值—参照临界场强并考虑一定裕度而确定的值。
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R
最大电场强度出现在内球表面：
R Er = U ( R − r )r
当R为常数，且外施电压U不变时，改变r, Er将有一极小值Er,min。
Er,min = 4U / r R / r = 2
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最大场强的近似计算 工程上，对一些形状比较复 杂的电极，常采用近似计算 法估算其最大场强。离场强 区较远的电极或等位面的形 状对最大场强的影响较小， 可用形状简单。较易计算的 电极来代替远处的电极或等 位面。 【问题】 相同球半径及距离(较大距离)的 情况下，球-板和球-球那一种电 场分布均匀？进一步，棒 - 棒电 极和棒-板电极那一个均匀？
ε 2U ⎧ E = ⎪ 1 ε d +ε d 1 2 2 1 ⎪ ε1U ⎪ ⎪ E2 = ε d + ε d ⎪ 1 2 2 1 ⎨ ⎪U = ε 2 d1U ⎪ 1 ε1d 2 + ε 2 d1 ⎪ ⎪U = ε1d 2U 2 ⎪ ε1d 2 + ε 2 d1 ⎩