高压试验理论

高压试验基础知识电气室郭国胜2011年9月高压试验基础知识首先，感谢各位领导，各位同事！在百忙中抽出时间，来到这里共同探讨一些高压试验方面的知识。非常高兴有机会与大家一起交流和学习！高压试验的意义：电力系统包括众多的电气设备，有些电气设备的故障甚至会威胁到整个系统的安全供电。电力生产的实践证明，对电气设备按规定开展检测试验工作，是防患于未然，保证电力系统安全，经济运行的重要措施之一。“预防性试验”由此得名。高压试验基础什么是电力设备预防性试验？电力设备预防性试验是指对已投入运行的设备按规定的试验条件（规定的试验设备，环境条件、试验方法和试验电压等）、试验项目、试验周期所进行的定期检查或试验，以发现运行中电力设备的隐患、预防发生事故或电力设备损坏。是判断电力设备能否继续运行并且安全的重要措施。我国预试规程内容实际上已经超出了预防性试验的范围，而更加广泛，不仅包括了定期试验，还包括大修、小修后的试验及新设备投运前的交接试验。高压试验基础预防性试验检测的基础数据是什么？电介质（即设备绝缘）在电场作用下可以用4个参数来表征。介质极化性能用介电常数ε表征；介质导电性能用绝缘电阻率ρ表征；介质损耗性能用介质损耗角正切值tgδ表征；介质击穿性能用击穿强度Ε表征。目前预防性试验主要是检测表征电介质电气性能的4个参数变化。高压试验基础高压试验研究的是绝缘体在电场作用下的性能变化，如果变化量超过允许值，绝缘介质就可能变成导体，性能就发生了变化。我们在工作中，人工制造各种形式的外加电场，来检测设备内部性能的变化量，用各种表记测量上述参数。来进行研究判断。导电性能和击穿性能大家比较容易理解。我们大概介绍一下极化性能和损耗性能。极化性能原理：组成电介质的粒子不外是原子、分子或离子。而他们又都是由带正电的电子核和围绕核的电子云构成。当不存在外电场时（对于我们设备绝缘而言就是停运，不带电，不做试验时），粒子中电子云的中心与原子核重合，此时，电矩为零。高压试验基础当外加一个电场（对于我们设备绝缘而言就是带电，或者做试验时），电场力的作用使得荷正电的原子核向电场方向位移，荷负电的电子云中心向电场反方向位移，但原子核对电子云的引力又使二者倾向于重合，当他们的相互作用达到平衡时，原子中出现了感应电矩。这种现象，我们称作电子位移极化。知识链接：在物理学里，力矩是一个向量，可以被想象为一个旋转力或角力，导致出旋转运动的改变。力矩是角动量随时间的导数。力矩(torque[tɔːk])：力(F)和力臂(L)的叉乘(M)。物理学上指使物体转动的力乘以到转轴的距离。高压试验基础连接+Q和–Q两个点电荷的直线称为电偶极子的轴线，从–Q指向+Q的矢径l和电量Q的乘积定义为电偶极子的电矩，也称电偶极，通常用矢量p表示。即电偶极矩是电荷系统的极性的一种衡量。在两个点电荷的简单情形中，一个带有电荷+q，另一个带有电荷−q，则电偶极矩为：p=qr。高压试验基础电介质在外电场作用下可产生如下5种类型的极化：1、原子核外的电子云分布产生畸变，从而产生不等于零的电偶极矩，称为畸变极化或者叫电子位移极化；2、原来正、负电中心重合的分子，在外电场作用下正、负电中心彼此分离，称为离子位移位移极化；3、具有固有电偶极矩的分子原来的取向是混乱的，宏观上电偶极矩总和等于零，在外电场作用下，各个电偶极子趋向于一致的排列，从而宏观电偶极矩不等于零，称为转向极化。高压试验基础4、空间电荷极化。上述三种极化都是带电质点的弹性位移或转向形成的，空间电荷极化是由带电质点（电子或正，负离子）的移动形成的。5、夹层介质界面极化。由两层或多层不同材料组成的不均匀介质，叫做夹层电介质。由于各层的介电常数和电导率不同，在电场作用之下，各层中的电位，最初介电常数分布，（即按电容分布），以后逐渐过渡到按电导率分布，（即按电阻分布），此时，在各层电介质的交界面上的电荷必然移动，以适应电位的重新分布，最后在交界面上积累起电荷。这种电荷的移动和积累，叫做夹层介质界面极化。高压试验基础极化现象是高压试验研究的基础。由于介质在电场作用下会极化，也就是组成介质的基本粒子会随电场力的作用发生转动，我们后续研究的介质的电导，介质的损耗都与这种变化有密切关联。极化现象要损耗外加电场的能量。和大多数物理现象一样，极化过程对我们有用的，我们就加以利用。对我们不利的，我们要随时监测这种变化，掌控这种变化的趋势，达到不允许的值时，我们就停运设备，采取相关措施。举一个简单例子，电机的吸收比测量，就是监测极化现象，受潮后粒子中存在强极性水分子，极化现象就不符合变化规律了，那么我们就要采取烘干等措施。举一个利用极化现象应用的例子，在一定几何尺寸下，为了获得更大的电容量，就要选取相对介电常数大的电介质。在电力电容器制造中，用合成液体（介电常数ε约为3~5）代替变压器油（介电常数ε约为2.1）制成的电容器油，在相同体积和质量下可以增大电容量。所以，我们现场电容型套管的油和普通变压器油是有区别的。高压试验基础那么，我们再回到开头，我们用介电常数ε表征介质的极化性能。常见的介质介电常数ε介质种类空气水变压器油六氟化硫介电常数ε1.00059812.1（净化后）1.002026（25℃，0.101MPa）。我们可以看到水的介电常数ε是81，液体介质介电常数越大，则其电导也越大。水属于强极性液体，实际上即使经过净化的水也已经不能看作是电介质了，而是离子式导电液。知识链接：六氟化硫（SF6）常态下是一种无色、无味、无嗅、无毒的非燃烧性气体，分子量146.06，密度6.139g/l，约为空气的5倍。是已知化学安定性最好的物质之一，其惰性与氮气相似。它具有极好的热稳定性，纯态下即使在500℃以上也不分解。六氟化硫具有卓越的电绝缘性和灭弧特性，相同条件下，其绝缘能力为空气、氮气的2.5倍以上，灭弧能力为空气的100倍。六氟化硫的熔点为－50.8℃，可作为－45～0℃温度范围内的特殊制冷剂，又因其耐热性好，是一种稳定的高温热载体。六氟化硫因上述及其它优良特性，近年来被广泛用于电力、电子、电气行业和激光、医疗、气象、制冷、消防、化工、军事、宇航、有色冶金、物理研究等。高压试验基础介质的极化我们讨论完了。我们在讨论过程中说到电介质在电场作用下要产生极化现象。这种现象会从电场中吸收能量，产生损耗。这种损耗，叫做极化损耗。电介质在电场作用下，流过电导电流，会使电介质发热产生损耗，叫做电导损耗。最壮观的例子就是夏天的雷云放电，会产生极高的温度损耗掉电场的能量。夏天我们最担心这种电导损耗，会对我们电气设备造成极大影响。雷云放电损耗过程中伴随的其他物理能量转变，也会影响到我们的日常生活。电介质在电场作用下，还会产生一种游离损耗。电介质中局部电场集中处（如固体电介质中的气泡、油隙、气体电介质中电极的尖端），当电场强度高于某一值时，就产生游离放电，又称局部放电。局部放电伴随着很大的能量损耗，能量损耗就会产生不利于设备运行的物理化学现象，我们的设备现在对局放的控制十分严格，主变要求不超过500PC，500KV电流互感器不允许超过20PC。我们对发电机定子绕组也有局放水平的要求，依据标准是DL/T492-92《发电机定子绕组环氧粉云母绝缘老化鉴定导则》及IRISpower发电机局放测试标准。随着人们对局放危害性认识的提高，过去作为非标准试验项目的局放测量，正在转变为常规试验项目。这在华北局2008版预试规程中已经有了明显的改变。高压试验基础综上所述，电介质在电场作用下，会产生电导损耗，游离损耗，极化损耗。在工程测试中，哪一种损耗是电导产生的，哪一种损耗是极化产生的，目前还不能明确区分。为了表征某种绝缘材料或结构的介质损耗，一般不用W（瓦）或者J（焦耳）等单位来表示，而是用电介质中流过的电流的有功分量和无功分量的比值来表示，即tgδ。这个量是一个无因次的量。这个量的好处是只与绝缘材料的性质有关，而与它的结构、形状、几何尺寸无关，更加便于比较判断。高压试验基础我们看一下电导的概念。从电导机理看，电介质的电导可分为离子电导和电子电导。理想的电介质是不含带电质点的，但实际工程中电介质总是含有一些带电质点（主要是杂质离子),这些离子与电介质分子联系非常弱，甚至成自由状态；有些电介质在电场或外界因素影响下（如紫外线辐射），本身就会离解成正负离子。这些离子在电场作用下，沿电场方向移动，形成电导电流，这就是离子电导。一般说电介质的电导都是指离子电导。我们用绝缘电阻率ρ表征电介质的电导性能。电介质中的自由电子，主要是在高电场作用下，离子与电介质分子碰撞、游离激发出来的，这些自由电子在电场作用下移动，形成电子电导电流。当电介质中出现电子电导电流时，就表明电介质已经被击穿，不能做绝缘体用了。那么我们由电介质中出现电子性电导电流时，引出了击穿的概念。介质击穿性能用击穿强度Ε表征。高压试验基础明确一些常用的术语一、放电，击穿、闪络之间关系及概念区别1、放电指介质在电场作用下，由绝缘状态变为导电状态的跃变现象。可以应用在固体，液体，气体介质所有的介质及其组合中。放电可以分为破坏性放电和局部放电。破坏性放电又可以分为火花放电，击穿，闪络。1.1、击穿：在固体电介质中发生破坏性放电时，称为击穿。这个术语只限于固体电介质中使用。1.2、火花放电：在气体或液体电介质中，电极间发生的破坏性放电称为火花放电。这个术语只限于气体或液体电介质中使用。1.3、闪络：当在气体或液体电介质中沿固体电介质表面发生破坏性放电时，称为闪络。我们常见的是沿气体与固体电介质交界面发生的闪络。如沿绝缘子串表面，沿套管表面的破坏性放电。所以闪络这个术语只限于描述特殊条件下的放电现象。高压试验基础二、游离与局部放电之间关系及概念区别1、所谓游离是指任何中性分子或原子变成带电质点的过程。游离会产生放电，而局部放电又是放电的一种类型。局部放电：是游离导致的一种现象。具体指在电压作用下，绝缘结构内部的气隙、油膜或导体的边缘发生非贯穿性的放电现象。高压试验基础劣化与老化之间关系及概念区别1、劣化是指绝缘在电场、热、化学、机械力、大气条件等因素作用下，其性能变坏的现象。劣化的绝缘有的是可逆的，有的是不可逆的。不可逆的劣化称作老化。2、老化是绝缘在各种因素长期作用下发生一系列的化学物理变化，导致绝缘电气性能和机械性能等不断下降。绝缘老化原因有很多，但一般电气设备中常见的老化是电老化和热老化。高压试验基础了解一些基本术语后，下面我们探讨一些高压试验的基础分类：一、电力设备预防性试验方法和项目a)按对电力设备绝缘的危险性分：1、非破坏性试验。主要是指在较低电压下进行的，不会损伤电力设备性能的试验。包括测量绝缘电阻、泄漏电流和介质损耗因数tgδ。由于所加电压接近额定值，所以现在有规定局把放试验也归到非破坏性试验里边。非破坏性试验的目的是判断绝缘状态，及时发现可能的劣化现象。2、破坏性试验。在高于工作电压下所进行的试验称为破坏性试验。试验时在电力设备绝缘上施加规定的试验电压，考核对此电压的耐受能力，因此也叫耐压试验。现在主要指交流耐压和直流耐压。这类试验所加电压高，考验比较直接和严格，试验过程中会对设备绝缘造成一定的损伤，有积累效应，所以这么命名。今天，高压试验基础理论我们就共同探讨到这里。谢谢大家！！！