17电力系统绝缘-电气工程基础

第十七章电力系统的绝缘一、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:)(66.655.24kVddUb第一节均匀电场气隙的击穿特性式中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:)/(/66.655.24cmkVddUEbb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。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第二节、稍不均匀电场和极不均匀电场极不均匀电场: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。（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。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。第三节提高气体介质电气强度的方法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。二、利用空间电荷改善电场分布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。四、采用高气压六、采用高真空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。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。第四节SF6和气体绝缘设备电极表面粗糙度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（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(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。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。第五节绝缘子及其套管悬式绝缘子绝缘子、瓷套及套管按下述分类：（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：套管充气　复合套管充填绝缘混合物套管胶纸电容式套管油纸电容式套管电容式套管－充油式套管树脂套管瓷套管单一式套管－套管－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。第六节液体和固体的介质的电气特性一、极化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。0rεr反映电介质极化的物理量。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。二、电导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γ和温度T的关系均可近似的用下式表示TBAe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。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。三、电介质损耗P=UIcosφ=UIR=UICtgδ=U2ωCptgδ式中ω——电源角频率；φ——功率因数角；δ——介质损耗角。UU～ICRIIIRICIRCPRICIUδφI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。UCRIIIRICIRCP⒈并联等值电路此时电路的功率损耗为tgCURUPP22RCCURUIItgPPCR1/由相量图可得rCCIIrtgSS/2222coscostgCUCtgCUrIPSSS上述有损电介质也可用一只理想的无损耗电容CS和一个电阻r相串联的等值电路来代替，如图所示。UICsrUδφIUrUcs⒉串联等值电路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。因为介质损耗角δ值一般都很小，所以P≈U2ωCStgδ1、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。四、气体、液体和固体介质的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）。2、液体介质损耗电工陶瓷（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。3、固体介质的损耗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。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。（二）气泡击穿理论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。（三）固体介质的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。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。影响固体介质击穿电压的因素很多：（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，