《高电压技术》(主编刘吉来黄瑞梅)教案1-复合绝缘体的绝缘性能.ppt

高电压技术 复合绝缘体的绝缘性能 对高压电气设备绝缘的要求是多方面的 除了必须有优异的电气性能外 还要求有良好的热性能 机械性能及其他物理 化学性能 单一品质电介质往往难以同时满足这些要求 所以实际绝缘一般采用多种电介质的组合 例如变压器的外绝缘由套管的外瓷套和周围的空气组成 而其内绝缘更是由纸 布 胶木筒 聚合物 变压器油等固体和液体介质联合组成 复合绝缘体 不同的绝缘体组合起来使用 一方面 复合绝缘相互弥补弱点 得到更高的击穿场强 另一方面 实用绝缘结构很难使用单一绝缘 常见的复合绝缘体 由多种电介质构成的层叠绝缘 理想的电压分布 各层电介质承受的场强与该层介质的耐电强度成正比 这样整个组合绝缘的电气强度最高 各层绝缘材料的利用也最合理 最充分 双层介质电场分布 双层介质电场分布 交流电压 冲击电压下 各层介质所分担的电压与其电容成反比 亦即场强与各层介质介电常数成反比 E1 E2 2 1则E1 1 E2 2 各层Eb1 1值小的先击穿 且一般气体 液体 固体介电常数大的击穿场强也大 所以击穿难易程度为 气体 液体 固体 双层介质电场分布 直流电压下 各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比 亦即场强与各层电导率 成反比 E1 E2 2 1则E1 1 E2 2 各层Eb1 1值小的先击穿 由电导率决定 常见的组合绝缘形式 油 屏障 式绝缘油纸绝缘 一 油 屏障 式绝缘 油浸电力变压器主绝缘采用的是 油 屏障 式绝缘结构 在这种组合绝缘中以变压器油作为主要的电介质 在油隙中放置若干个屏障是为了改善油隙中的电场分布和阻止贯通性杂质小桥的形成 一般能将电气强度提高30 50 1 覆盖紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层 能显著提高油隙的工频击穿电压 并减小其分散性 其厚度一般只有零点几毫米 2 绝缘层当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压 即成为绝缘层 一般为数毫米到数十毫米 它能降低最大电场强度 提高油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压 3 屏障放置层压纸板或压布板做屏障 在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的2倍或更高 二 油纸绝缘 电气设备中使用的绝缘纸 包括纸板 纤维间含有大量的空隙 因而干纸的电气强度是不高的 用绝缘油浸渍后 整体绝缘性能可大大提高 前面介绍的 油 屏障 式绝缘是以液体介质为主体的组合绝缘 采用覆盖 绝缘层和屏障都是为了提高油隙的电气强度 而油纸绝缘则是以固体介质为主体的组合绝缘 液体介质只是用作充填空隙的浸渍剂 因此这种组合绝缘的击穿场强很高 但散热条件较差 绝缘纸和绝缘油的配合互补 使油纸组合绝缘的击穿场强可达500 600kV cm 大大超过了各组成成分的电气强度 油的击穿场强约为200kV cm 而干纸只有100 150kV cm 各种各样的油纸绝缘目前广泛应用于电缆 电容器 电容式套管等电力设备中 油纸绝缘的最大缺点 易受污染 包括受潮 因为纤维素是多孔性的极性介质 很易吸收水分 即使经过细致的真空干燥 浸渍处理并浸在油中 它仍将逐渐吸潮和劣化 分阶绝缘 超高压交流电缆常为单相圆芯结构 由于其绝缘层较厚 一般采用分阶结构 以减小缆芯附近的最大电场强度 所谓分阶绝缘是指由介电常数不同的多层绝缘构成的组合绝缘 分阶原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数越大的材料 以达到电场均匀化的目的 如 内层绝缘采用高密度的薄纸 纸的纤维含量高 质地致密 其介电常数较大 击穿场强也较大 外层绝缘则采用密度较低 厚度较大的纸 其介电常数较小 击穿场强也较小 先讨论单相圆芯均匀介质电缆中绝缘的利用系数 如果施加交流电压U 则其绝缘层中距电缆轴心r处的电场E可由下式求得 式中r0 R分别为电缆芯线的半径和外电极 金属护套 的半径 绝缘层中最大电场强度Emax位于芯线的表面上而最小电场强度Emin位于绝缘层的外表面 r R 处 此时的平均电场强度Eav应为 绝缘中平均场强与最大场强之比称为该绝缘的利用系数 则此时 值越大 则电场分布越均匀 亦即绝缘材料利用得越充分 平板电容器绝缘的 值可视为1 但对超高压电缆来说 因绝缘层较厚 R r0 值较大 如采用一种单一的介质 则 值将较小 为提高利用系数应采用分阶绝缘 小结 高压电气设备一般采用多种电介质组合的绝缘结构 油 屏障 式绝缘结构中应用的固体介质有三种不同的形式 即覆盖 绝缘层和屏障 绝缘油和绝缘纸组成 油 纸 绝缘 击穿场强大大提高 分阶绝缘的原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数越大的材料 以达到电场均匀化的目的 局部放电 电气设备绝缘中发生的局部的 非贯穿性放电 当外加电压在电气设备中产生的场强足以使绝缘部分区域发生放电 但在放电区域内未形成固定放电通道的放电现象 这种放电仅造成导体间的绝缘局部短 路桥 接而不在两电极间形成导电通道 局部放电 其形态有气泡放电 气隙放电 沿面放电 气泡放电 沿面放电 电场中固体 或液体 与气体 或液体 等不同介质分界面上所出现的放电现象 通常出现较多的是气体或液体电介质中沿固体介质表面的放电 沿面闪络 沿面放电发展成贯穿性放电 均匀电场沿面放电 沿面电场发生了畸变 所以沿面闪络电压比纯空气间隙击穿电压低得多 电场畸变原因 1 介质表面存在的小气隙引起了局部放电 畸变原有的电场 2 介质表面存在的薄水膜的分解引起电场畸变 极不均匀电场沿面放电 极不均匀电场的沿面放电总是由介质表面形状不规则 特别是电极的位置和形状不规则 在电场最强处先发生电晕 火花放电 滑闪放电最终导致闪络的 悬式绝缘子串的电压分布 靠近导线端的绝缘子电压降最大 离导线端远的绝缘子电压降减小 靠近铁塔横担时电压降又升高 悬式绝缘子串的电压分布 为改善绝缘子串的电压分布 在绝缘子串导线端安装均压环 通常330KV及以上电压等级的线路才