16电力系统的绝缘与交流电气装置的绝缘配合

电气工程基础（II）上海交通大学2010年6月2010‐12‐272第十六章电力系统的绝缘气体放电及气体绝缘电气设备液体及固体电介质的电气特性和电气设备的内绝缘影响绝缘水平的因素绝缘配合的方法绝缘子与沿面放电架空送电线路的绝缘配合变电所电气设备的绝缘配合2010‐12‐273第十六章电力系统的绝缘知识点气体、液体、固体电介质气体放电的基本物理过程气体介质的电气强度SF6气体及气体绝缘电气设备沿面放电固体与液体介质的电气特性和电气设备的内绝缘接地、绝缘配合2010‐12‐274第一节气体放电及气体绝缘电气设备一均匀电场中的气体放电碰撞电离电子崩：急剧增大的空间电子流电子崩的形成2010‐12‐275第一节气体放电及气体绝缘电气设备带点粒子在电子崩中的分布电子碰撞电离系数表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数的平均值。2010‐12‐276第一节气体放电及气体绝缘电气设备电子崩中的电子数目电子数目n00xdxdndnndxdxnnne对均匀电场0()xnxne式中，可由实验求得。2010‐12‐277第一节气体放电及气体绝缘电气设备对极间距离为d的平板电极形成的均匀电场，抵达阳极的电子数应为途中新增加的电子数或正离子数应为电流关系式非自持放电0dne00(1)ddnnnne000deIIeInq第一节气体放电及气体绝缘电气设备表面游离系数：每一个正离子撞击阴极表面时使阴极释放出的电子数。表16-1电极间电荷增长的过程2010‐12‐279阳极上获得电子的表达式第一节气体放电及气体绝缘电气设备22(1)(1)dddddZeeeee进入阳极的电流001(1)ddeZne单位时间内进入阳极内的电子数目01(1)ddeIIe自持放电条件1(1)0de2010‐12‐2710第一节气体放电及气体绝缘电气设备汤逊气体放电理论•过程：一个电子在气体间隙空间对气体分子进行碰撞并产生电子崩的过程——该过程具有普遍意义。•过程：电离形成的正离子撞击阴极并释放出电子的过程。•击穿过程：上述两个过程交替重复进行，自由电子数目越来越多，昀终导致击穿。•适用范围：20pdcmmmHg2010‐12‐2711第一节气体放电及气体绝缘电气设备二放电类型辉光放电：低压气体中显示辉光的放电线性。特征：低气压、高电压、低电流密度、电源功率小电弧放电：伴有强烈的弧光并产生高温的一种气体放电现象。特征：低电压、大电流、电流密度大、电源功率大火花放电：压力较高时，气体放电成细通道形状。特征：电源功率小。电晕放电：发生于极不均匀电场中2010‐12‐2712三影响气体放电过程的各种因素第一节气体放电及气体绝缘电气设备气压和间隙距离对气体放电的影响()bUfpd巴申定律•放电起始电压（击穿电压）•击穿电压有昀小值图16-3巴申曲线2010‐12‐2713第一节气体放电及气体绝缘电气设备温度对气体放电的影响放电起始电压（击穿电压）0000()()ln[]1ln(1)bpdBTTUpdATT电场不均匀程度对气体放电的影响特征：在整个间隙放电之前，曲率半径小的电极附件先出现碰撞电离，使极间部分出现空间电荷，空间电荷对以后的放电发展起着很大作用。以典型的棒-板间隙形成的不均匀电场为例2010‐12‐2714第一节气体放电及气体绝缘电气设备棒为正极性棒为负极性2010‐12‐2715第一节气体放电及气体绝缘电气设备冲击电压对气体放电的影响（1）标准雷电冲击电压波1(1.20.36)Ts2(5010)TsIEC和国标规定：1.2/50s2010‐12‐2716第一节气体放电及气体绝缘电气设备（2）标准操作冲击电压波IEC和国标规定：1(25050)Ts2(25001500)Ts2010‐12‐2717第一节气体放电及气体绝缘电气设备（3）放电时间1bsfttttt1－气隙在持续电压下的击穿电压为Us，为所加电压从0上升到Us的时间；ts－从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时间称为统计时延ts；放电时间的组成2010‐12‐2718tf－出现有效电子后，引起碰撞电离，形成电子崩，发展到流注和主放电，昀后完成气隙的击穿。这个过程需要的时间称为放电形成时延tf。第一节气体放电及气体绝缘电气设备放电时延lagbfttttb和tf都具有统计性放电时延的长短都与所加电压的幅值U有关，总的趋势是U越高，放电过程发展的越快，tb和tf越短。2010‐12‐2719第一节气体放电及气体绝缘电气设备（4）50%冲击电压（）50%U在工程实际中广泛采用击穿百分比为50％时的电压（）来表征气隙的冲击击穿特性。实际中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可认为是50％冲击击穿电压。50%U与静态击穿电压的比值称为冲击系数β。•均匀和稍不均匀电场下，β≈1;•极不均匀电场中,β1，冲击击穿电压的分散性也较大，其标准偏差可取3％。50%U2010‐12‐2720第一节气体放电及气体绝缘电气设备（5）伏秒特性冲击击穿特性昀好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压－时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性曲线，它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。图16-7伏秒特性做法2010‐12‐2721第一节气体放电及气体绝缘电气设备实际的伏秒特性曲线是一个以上、下包线为界的带状区域。通常取50％伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿特性。1——上包络线2——50%伏秒特性3——下包络线2010‐12‐2722第一节气体放电及气体绝缘电气设备四空气间隙的击穿电压均匀电场间隙的击穿电压工频电压下平板电极间隙6.662.55()bUddkV极不均匀电场间隙的击穿电压直流电压下棒-板间隙以棒-板间隙为例•直流电压•工频击穿电压1.250%7502ln(10.55)()UdkV•正极性雷电冲击500/kVm2010‐12‐2723第一节气体放电及气体绝缘电气设备提高气体介质电气强度的方法（1）改进电极形状以改善电场分布（2）利用空间电荷改善电场分布（3）采用屏障（4）采用高气压（5）采用高电气强度气体（6）采用高真空第一节气体放电及气体绝缘电气设备五高电气强度气体SF6及气体绝缘设备SF6的绝缘性能具有很强的电负性，容易俘获自由电子而形成负离子(电子附着过程)，电子变成负离子后,其引起碰撞电离的能力就变得很弱，因而削弱了放电发展过程。SF6的特性液化温度低；化学性能温度；具有优良的灭弧性能气体绝缘全封闭电器（GIS）2010‐12‐2725小结汤逊气体放电理论包括两个过程：过程和过程其适用范围为影响气体放电发展特性的主要因素有电场不均匀度、曲率半径小的电极极性、气体的气压和温度及外加电压类型等击穿电压有极小值（巴申定律）放电时间包括统计时延和放电时延伏秒特性表示气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系SF6具有高电气强度20pdcmmmHg2010‐12‐2726第二节绝缘子和沿面放电一绝缘子类型悬式绝缘子支柱绝缘子绝缘子功能丧失的两种可能：固体介质的击穿、闪络二干湿状态下绝缘子的沿面放电干试验：标准状态下相对湿度65%~85%空气中的绝缘子工频闪络耐压试验。湿试验（淋雨试验）：试验电压为工频电压2010‐12‐2727第二节绝缘子和沿面放电三长绝缘子串的电压分布绝缘子串绝缘子串的等值电路:EC绝缘子对地电容:C绝缘子本身电容:LC绝缘子对导线的电容50~70pF4~5pF0.5~1pF2010‐12‐2728第二节绝缘子和沿面放电分析方法：定性分析只考虑对地电容只考虑线路电容2010‐12‐2729第二节绝缘子和沿面放电考虑对地电容和线路电容电压分布曲线2010‐12‐2730四沿套管表面的放电第二节绝缘子和沿面放电1－导杆2－法兰套管示意图1C1C1C1C1C1T1T1T1T1T2C2C2C2C2T2T2T2T12套管的等效电路1:C瓷体单位面积对导杆的电容2:C单位面积的瓷表面电容瓷体的单位体积电阻瓷体的单位表面电阻1:T2:T2010‐12‐2731第二节绝缘子和沿面放电套管沿面放电的基本过程电晕放电细丝状辉光放电（1）在不太高的电压下，法兰边缘出现微弱的发光圈。（电晕放电）（2）随电压升高电晕延伸，逐渐形成由火花细线组成的光带。（辉光放电）2010‐12‐2732第二节绝缘子和沿面放电（3）当电压超过某临界值后，放电性质发生变化，个别细线迅速增长，转变为树枝状、紫色、较明亮的火花，在法兰不同位置交替出现（滑闪放电）。（4）滑闪火花随外施电压增加迅速增长，随着电压的增加，放电火花就延伸到另一电极，形成完全击穿（闪络）。滑闪放电电晕放电－刷状放电－滑闪放电－完全击穿2010‐12‐2733第二节绝缘子和沿面放电五污秽绝缘子的沿面放电污闪机理（1）表面电阻大的地方干得快，形成“干燥”带，电流变小，干燥带重新受潮；（2）干燥带承受高压，产生辉光放电。辉光放电具有上升的伏安特性，火花区域仍承受一定的电压；（3）线状放电火花跳动，热量使干燥带扩大，湿润区缩小；（4）电流增大，引起热电离，形成局部电弧放电；（5）电弧烘干邻近区域并迅速发展2010‐12‐2734第二节绝缘子和沿面放电设备外绝缘表面污秽度的表征参数等值附盐密度泄漏距离或爬电比距防止绝缘子污闪的措施•定期清扫•涂防尘涂料•增大泄漏距离•采用复合绝缘子2010‐12‐2735小结绝缘子工频闪络电压和湿闪电压表明了绝缘子的基本绝缘特性均压环可改善绝缘子串的电压分布套管沿面放电的基本过程为电晕放电、刷状放电、滑闪放电和完全击穿污闪放电有四个阶段：积污受潮干区形成局部电弧防止绝缘子污闪的措施：增大泄漏距离、定期清扫、涂防水涂料和采用复合绝缘子等2010‐12‐2736第三节液体及固体电介质的电气特性和电气设备的内绝缘一液、固体电介质的电气特性电介质的电导液体电介质：电阻率固体电介质：表面电阻率体积电阻率电介质损耗和损耗角正切直流电压下，损耗由电导引起交流电压下，损耗包括电导损耗和极化损耗注意：表面电阻率是介质本身的一种性能，但不能用它来说明绝缘内部的问题。2010‐12‐2737第三节液体及固体电介质的电气特性和电气设备的内绝缘介质损耗：电介质的能量损耗123iiii1CurR2C1i2i3iUI1I2I3I2CI2RI电介质的三支路等值电路相量图::功率因数角介质损耗角2010‐12‐2738第三节液体及固体电介质的电气特性和电气设备的内绝缘RCIIIURCRICIUICIRI简化并联等效电路相量图/1tanRCIURIUCCR2tantanRCpUIUIUC2010‐12‐2739第三节液体及固体电介质的电气特性和电气设备的内绝缘IURCUIRUCU简化串联等效电路相量图tan/RCUIRCRUIC222222tan()1tanURUCpIRRCR2010‐12‐2740液体介质的击穿场强第三节液体及固体电介质的电气特性和电气设备的内绝缘当液体介质处在高电场电导区域时，如再升高电压到某一数值，液体介质就将击穿。（1）两大类理论•电击穿理论•气泡击穿理论（2）工程液体电介质的击穿•杂质小桥•气体小桥2010‐12‐2741第三节液体及固体电介质的电气特性和电气设备的内绝缘固体介质的击穿场强（1）主要形式电击穿、热击穿、电化学击穿（2）两大类理论•电击穿理论•热击穿理论2010‐12‐2742第三节液体及固体电介质的电气特性和电气设备的内绝缘二绝缘的老化局部放电引起的电老化介质内部气隙gCbCaC等值电路:gC气隙电容:aC完好部分介质的电容:bC与气隙串联的那部分介质的电容abCCagCC2010‐