《高电压绝缘技术》第7章.pdf

高电压与绝缘技术专业 培训课程培训课程 2009年7月23日 高电压绝缘技术 High Voltage Insulation Technology UniversityUniversity 西安交通大学 an an JiaotongJiaotong 西安交通大学 高电压技术教研室 2009 2009 Xi aXi a 丁卫东 wdding 029 82668162 Copyright Copyright 029 82668162 第七章 电力电容器和电力电缆绝缘 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 2 电力电容器 基本概念 电力电容器的主要用途 电力电容器的主要用途 1 并联电容器 目的 并联在电力线路上以补偿感性负荷 并联在电力线路上以补偿感性负荷 提高系统的功率因素Cos 好处 好处 提供该传输容量的变压器容量可减小 线路的损耗 电压降也可降低 线路的损耗 电压降也可降低 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 3 2 串联电容器 它与线路串联 以补偿长距离线路的感抗 从而减小线路压 降 改进电压调整率 提高传输容量 3 耦合电容器及电容式电压互感器 耦合电容器一般装在绝缘外壳内 用以实现载波通讯及测量 耦合电容器一般装在绝缘外壳内 用以实现载波通讯及测量 保护的功能 而用由耦合电容器 中间变压器等所组成的电 容式电压互感器来测量电压时 准确度可比常用的铁磁式电容式电压互感器来测量电压时 准确度可比常用的铁磁式电 压互感器高 近年来应用日益广泛 4 脉冲电容器 4 脉冲电容器 常用于多种试验装置中 如构成冲击电压或电流发生器等 通常仅在试验时才间断性工作 于是其工作条件比交流下长通常仅在试验时才间断性工作 于是其工作条件比交流下长 期运行的电容器优越得多 因而允许使用的工作场强可显著 提高 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 4 提高 比特性和储能因数 在其他绝缘结构中 介质主要是对具有不同电位的导体起绝 缘及固定的作用 而在电容器中还要求介质中多储藏能量 因此一般要求储能材料的相对介电常数比较大 因此一般要求储能材料的相对介电常数比较大 dAC 0 dAC r 0 2 E Q 比特性 2 1 储能密度 2 0E V Q r 比特性 2 0 2 1 E r 储能密度 提高措施 提高措施 提高击穿场强 提高相对介电常数 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 5 提高相对介电常数 电力电容器所用的介质 要求 要求 介电强度高 r大 tg 小 耐老化 不污染环境 而且工艺 性好 与其他材料的相容性好 性好 与其他材料的相容性好 过去的组合绝缘主要采用油 矿物油 浸纸绝缘 由于塑料 薄膜及合成液体的发展 它已被合成油浸的膜纸复合介质以薄膜及合成液体的发展 它已被合成油浸的膜纸复合介质以 及全膜介质所逐步替代 比特性成倍提高 液体介质 变压器油 电容器油液体介质 变压器油 电容器油 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 6 固体介质 在油纸电容器中 以电容器纸为介质 它厚度薄 杂质少 但 tg 较大 又易吸潮 而塑料薄膜的机械 电气性能都好 有 的tg 极小 因此以合成液体浸渍的全膜 如聚丙烯膜 绝缘的tg 极小 因此以合成液体浸渍的全膜 如聚丙烯膜 绝缘 已愈来愈广泛地用来制作高压电力电容器 但薄膜表面光滑 互相紧贴 浸渍剂很难浸透 曾用纸膜交替 排列的复合介质以利于浸渍 现在采用表面粗化的薄膜 并在 更高真空下浸渍 这样制成的全膜电容器已广泛应用 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 7 更高真空下浸渍 这样制成的全膜电容器已广泛应用 金属化膜电容器 自愈 能力 影响自愈过程的因素 金属膜方阻值 电容量 外加电压 机械压力 浸渍剂 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 8 组合绝缘 纸或膜的击穿强度高 但可能存在空隙及弱点 浸油可提高其 耐电强度 以及散热性能 s xx xs 1 tgtg tg 特点 x s 1 xx x x x x s x x s 1 1 1 1 特点 在组合绝缘中 由于浸渍剂 液体或气体 油浸全聚丙烯薄膜 介质分到的场强常高于固体介质层 而介电强度却低 成了薄介质分到的场强常高于固体介质层 而介电强度却低 成了薄 弱环节 如发生局部放电 特别是在工作电压下持续的局部 放电 常是引起组合绝缘逐步损坏的一个主要原因 在油 纸 膜 组合绝缘中 如维持同样的极间距离d 而改用 厚度更薄的纸 膜 将有利于提高此组合绝缘的局部放电特 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 9 性 U d U CC C U s2 1 dCC gs21 d sgs U d U d s UU gs d UU E gs g s d dd Ein 每层纸 膜 厚度 降低 则整个组合每层纸 膜 厚度 降低 则整个组合 绝缘的平均局部放电起始场强将提高 当每层纸 膜 厚度 一定 则整个组当每层纸 膜 厚度 一定 则整个组 合绝缘的平均局部放电起始场强将随 总厚d的下降而提高 而且当提高油压总厚d的下降而提高 而且当提高油压 时 由于气隙 或油隙 中难以放电 也可提高局部放电性能 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 10 也可提高局部放电性能 在冲击或直流下的介电强度比工频下高好几倍 因为绝缘中 的局部放电过程有很大差别 的局部放电过程有很大差别 油压升高 工频击穿电压升高 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 11 因此工作条件不同 要求寿命不同 许用工作场强有显著差因此工作条件不同 要求寿命不同 许用工作场强有显著差 异 对同一个电容元件 或同一台电容器 如用于不同电压 型式下 适用的电压也应不同 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 12 电力电缆 基本结构 电力电缆的主要用途及优点 电力电缆的主要用途及优点 电力电缆常用作发电厂 变电站的引入 出 线 当线路遇江 河 铁路等时也常用它 现还广泛用于城市及工矿内部电网中 河 铁路等时也常用它 现还广泛用于城市及工矿内部电网中 如与架空线比 电缆的优点是受气候的影响小 安全可靠性高 且隐蔽耐用 不影响环境 但成本较高 且隐蔽耐用 不影响环境 但成本较高 导电线芯及护层 常用铜或铝芯 因铜易焊接 导电及机械性能都好 但铝成本 低 重量轻 且铝对油老化的催化作用也小些 为便于运输及 敷设 电缆要可以弯曲 为此 电缆线芯常用多股导线扭绞而敷设 电缆要可以弯曲 为此 电缆线芯常用多股导线扭绞而 成 在单芯或分相铅包电缆中常用圆形芯 而在电压不高的多 芯电缆中 为减小重量 也有采用扇形芯的 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 13 芯电缆中 为减小重量 也有采用扇形芯的 为防止水分等侵入绝缘层 常用铅 铝或塑料的外护套 铅护套柔软 耐铝或塑料的外护套 铅护套柔软 耐 腐蚀 但机械强度低 已逐渐被铝及 塑料护套所代替 塑料护套所代替 如需承受较大的机械负荷 在护套外 加以钢带或钢丝铠装 如需敷设在可加以钢带或钢丝铠装 如需敷设在可 能被腐蚀的场所 在铠甲外再包以由 沥青 浸渍纸 麻 组成的外护层 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 14 绝缘材料 1kV及以下的电缆仍用橡皮或聚氯乙烯PVC绝缘 过去6 35kV的1kV及以下的电缆仍用橡皮或聚氯乙烯PVC绝缘 过去6 35kV的 常用粘性浸渍的油纸绝缘 而更高电压常用充油电缆 而现在 后两者正被交链聚乙烯电缆所逐步替代 后两者正被交链聚乙烯电缆所逐步替代 1 纸绝缘电缆 粘性浸渍 为使浸渍剂既能在浸渍温度下实现对纸层的完善浸渍 而在工 作温度下又不流动 过去常采用粘性浸渍剂来浸渍 但在运行作温度下又不流动 过去常采用粘性浸渍剂来浸渍 但在运行 过程中 特别是当工作温度较高或敷设处落差较大时 这种绝 缘内部很易形成气隙 因为粘性浸渍剂的热膨胀系数大 在负缘内部很易形成气隙 因为粘性浸渍剂的热膨胀系数大 在负 荷 温度有变动时体积改变显著 而铅铝护层又是缺乏弹性的 当受热后再冷却时 虽浸渍剂的体积已缩小 但护层可能已难当受热后再冷却时 虽浸渍剂的体积已缩小 但护层可能已难 以恢复原尺寸 因而形成空隙 这是引起其tg 增大的重要原 因 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 15 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 16 电缆油浸渍 更高电压的油纸电缆改用粘度较小的电缆油浸渍 并加以油压更高电压的油纸电缆改用粘度较小的电缆油浸渍 并加以油压 的办法 以减小油中气隙 提高绝缘强度 利用电缆两端的压 力箱 使电缆油始终处于某油压下 而包缠用的纸带也改用0 力箱 使电缆油始终处于某油压下 而包缠用的纸带也改用0 045 0 075mm的薄纸以代替常用的电缆纸 因为薄纸的电气强 度高 但纸越薄 密度也大 tg 增大 这应引起注意 度高 但纸越薄 密度也大 tg 增大 这应引起注意 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 17 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 18 钢管充油电缆 国外也有采用钢管充油电缆的 管内油压比自容式高 且以钢国外也有采用钢管充油电缆的 管内油压比自容式高 且以钢 管为外护层 机械强度高 但三芯在同一钢管内 如一相故障 也可能影响到其他相 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 19 也可能影响到其他相 橡皮及塑料电缆 橡皮绝缘是以天然橡胶为主体 加进配合剂后经混炼 硫化而 成 它对潮气的渗透性低 特别是弹性好 适用于要求高柔软 性的移动式设备上 但它可燃 不耐电晕 工作温度低 性的移动式设备上 但它可燃 不耐电晕 工作温度低 乙丙 丁基等合成橡胶的耐电晕性等优于天然橡胶 但弹性差 些 而硅橡胶的绝缘性能很好 特别是耐温性高 但价格较贵 些 而硅橡胶的绝缘性能很好 特别是耐温性高 但价格较贵 现硅橡胶主要用以制作合成绝缘子或电器的外护套 低压塑料电缆常用聚氯乙烯绝缘 机械强度 耐酸碱性等都比低压塑料电缆常用聚氯乙烯绝缘 机械强度 耐酸碱性等都比 较好 且性能价格比高 曾广泛用以制造10kV及以下电缆 但 PVC为极性介质 tg 大 且燃烧时释放出有害气体 今后仅用PVC为极性介质 tg 大 且燃烧时释放出有害气体 今后仅用 于1kV及以下 聚乙烯 PE 的电气性能要好得多 如通过幅照 温室等交链聚乙烯 PE 的电气性能要好得多 如通过幅照 温室等交链 方法将线型的PE转变为三度空间结构的交链聚乙烯 XLPE 既保留了PE的优良电性 且大大提高了耐热性及机械强度 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 20 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 21 气体绝缘电缆 GIL Gas insulated Metal enclosed Transmission Li 与气体绝缘金属封闭式组合电器 GIS 的母线结构相似 分Line 与气体绝缘金属封闭式组合电器 GIS 的母线结构相似 分 单芯式GIL与三芯式GIL 单芯式GIL由同轴结构的外壳和中间 导体构成 中间导体由导电率较高的铝合金管构成 管壁厚度导体构成 中间导体由导电率较高的铝合金管构成 管壁厚度 约为10 mm 20mm 用绝缘子加以固定 外壳为铝合金或钢制 厚约为6mm 10mm 通常采用某种办法接地 管道中一般充以 压缩SF6或SF6 N2混合气体作为绝缘介质 端部与GIS 变压器等 直接连接或通过套管与其它设备连接 GIL两端可设置金属氧化 物避雷器 MOA 以抑制过电压 当它被用于较长线路时 可在物避雷器 MOA 以抑制过电压 当它被用于较长线路时 可在 线路中间安装隔离开关 以方便将线路分成几段进行现场试验 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 22 GIL的组成 的组成 直线单元 转角单元 补偿单元 隔离单元以及 套管 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 23 电缆绝缘中的电场分布及其改善 电场分布 单芯或分相铅包的三芯电缆中 如线 芯及金属护层的表面均光滑 其间绝 缘层中的电场分布近于同轴圆柱体电 场 但为便于弯曲 实际的线芯常由场 但为便于弯曲 实际的线芯常由 多股导线绞合而成 线芯表面处绝缘 层中的最大场强可能比表面光滑时的层中的最大场强可能比表面光滑时的 高30 总包绝缘的三芯电缆中 电场已非同轴圆柱分布 而且绝缘层 中存在着电场的切向分量 沿纸层方向 对层式绝缘而言 中存在着电场的切向分量 沿纸层方向 对层式绝缘而言 平行于纸层的介电强度几乎要比垂直于纸层时低一个数量级 而交流电缆绝缘层中当不仅存在法向分量且有较强切向分量时 就很易在低电压下出现滑闪放电 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 24 就很易在低电压下出现滑闪放电 1111 32 max 2 32 max 1 rr U E rr U E ln 1 ln 1 ln 1 ln 1 2 3 21 2 1 22 2 3 21 2 1 11 r r r r r r r r r r max nmax 222max 111 nnE rErEr 启示 启示 交流下要使内外层电场强度趋于均匀 则必须使内层的介电 常数大于外层 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 25 常数大于外层 交流下 在线芯表面采用相对介电常数大些的介质 可降低该处的最大 场强 对于油纸绝缘 可在该处用高密度的薄纸 不但相对介 电常数大 且电气强度也高 电常数大 且电气强度也高 直流下 直流电缆中的稳态电场分布取直流电缆中的稳态电场分布取 决于电阻率 这时在线芯附近 可以用电阻率较小的电介质 同时 应当考虑到电缆的温度 变化对电缆中电场分布的影响 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 26 绝缘老化及场强选取 宜根据运行时的工作条件以及制造时所用的材料 工艺来选 取工作场强 同时应认真考虑过去的制造及运行经验 老化 过程等 如可按油纸绝缘的寿命曲线为基础 除以安全系数过程等 如可按油纸绝缘的寿命曲线为基础 除以安全系数 后来选取工频及冲击下的许用场强 一般是工频下 取m 2 冲击下 取m 1 2 冲击下 取m 1 2 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 27 高压油纸电缆的老化过程 从线芯附近的气隙 或油隙 中先 发生局部放电 当放电持续且较强发生局部放电 当放电持续且较强 烈时浸渍剂分解出大量碳粒子 促 使气隙扩大 而由放电所形成的带 电质点可能穿过纸带而向前 这些电质点可能穿过纸带而向前 这些 附在放电通道上的碳粒子犹如尖端 深入绝缘内部 使原来仅有径向电深入绝缘内部 使原来仅有径向电 场的同轴圆柱电场畸变成具有很强 切向分量 与纸层平行 以致在 交流下较低电压时就出现强烈的滑 闪放电 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 28 改善方法 分阶绝缘 绝缘层内外包半导电层以改善电场分布 以提高分阶绝缘 绝缘层内外包半导电层以改善电场分布 以提高 油压 或气压 来提高局部放电起始场强 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 29 由于直流下绝缘中的局部放电问题远没有交流下严重 因此由于直流下绝缘中的局部放电问题远没有交流下严重 因此 直流下的击穿场强近于脉冲下的数值 而且在直流下 充油 电缆与粘性浸渍电缆的击穿场强的差别也不像交流下那样显电缆与粘性浸渍电缆的击穿场强的差别也不像交流下那样显 著 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 30 高压塑料电缆的老化过程 水树枝 电树枝 电化学树枝 电树枝常从不同材料的分界面电树枝常从不同材料的分界面 处引发 特别是存在气隙或屏 蔽层等有