电气工程概论

第5章高电压与绝缘技术

1电气工程概论5．1高电压与绝缘技术的发展

高电压与绝缘技术是以试验研究为基础的应用技术，主要研究在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象、高电压设备的绝缘结构设计、高电压试验和测量的设备及方法、电力系统的过电压、高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压、大电流的应用等。高电压技术对电力工业、电工制造业以及近代物理的发展（如X射线装置、粒子加速器、大功率脉冲发生器等）都有重大影响。2电气工程概论巨型起电机（MITInstituteArchives）

小型起电机范德格拉夫高压静电起电机3电气工程概论1kV以上至220kV称为高压（HV）；220kV至800kV称为超高压（EHV）；1000kV以上称为特高压（UHV）。电压等级的技术与高电压技术密切相关，维持与雷可比的高电压安全运行要有水平非常高的技术，电气绝缘担负着维持高电压长期安全的作用。4电气工程概论1891年，在德国建造了从腊芬(Lauffen)到法兰克福长175公里、电压为15.2kV的三相交流输电线路，虽然输送功率只有200kW，但这却是高电压技术在输电工程中实际应用之先河。电视机、霓虹灯、复印、废水废气处理、人体内结石破碎、静电防护等，无不应用了高电压技术的成果。绝缘技术是电气领域安全、稳定、可靠运行的基础，高电压下绝缘材料的开发、绝缘结构的设计和绝缘性能的试验等都是维持电力运行的基础技术，支持着电力技术的发展。高电压与绝缘技术已成为电气工程及其自动化的一个重要分支。5电气工程概论交流发电机发出的6—10kV的电压，经变压器升压，通过主干输电线送到需求地附近的高压或超高压变电站，再经过降压，送到二级高压变电站或特别高压用户变电站中，然后通过二级输电线送到配电变电站中，经过配电变压器降压，为适应这一要求，必须尽可能提高输电电压，以降低损耗。6电气工程概论输电电压等级经历了交流6、10、20、35、60、110、150、220kV的高压(HV)，287、330、400、500、735～765kV的超高压(EHV)，直至1150kV的特高压(UHV)（工业试验线路）。高压直流输电电压由＋100、＋250、＋400、＋500发展至＋750kV。地下高压输电由220、275、345千伏发展到400、500千伏电缆和六氟化硫管道线路。当前，我国的交、直流输电电压已达750kV和＋500kV。“西电东送”和“北电南送”必然成为我国21世纪的送电格局，因此我国必将成为世界上少数几个发展1000kV及以上特高压（UHV）输电技术的国家之一。7电气工程概论5.2高电压与绝缘技术的主要内容高电压与绝缘技术学科领域研究高电压的产生，在高电压下绝缘介质及其系统的特性，电气设备及绝缘，电气系统过电压及其限制措施，高电压试验技术，电磁环境及电磁污染防护，以及高电压在技术的应用等。其主要内容可分为四部分：各类电介质在高电场下的特性，电气设备绝缘试验技术，电力系统过电压与绝缘配合，高电压技术在各个领域的应用等。8电气工程概论5．2．1高电压的产生高电压可由一些物理现象自然形成，如雷电、静电等；也可以是为达到某种目的而人为产生，如高压静电起电机。电力系统一般通过高电压变压器、高压电路瞬态过程变化等产生高电压。9电气工程概论一、雷电当带电的雷云之间或雷云与大地之间出现很高的电位差时，就会发生放电，放电会产生强烈的光和热，通道温度高达15000～20000度，使空气急剧膨胀、震动，发出隆隆声响，形成雷闪（雷击）。雷击的电功率极大，雷电电流达100kA，雷雨云电压达1×108V左右，为100×108＝1×1010KW。但是，雷的能量所持续的时间非常短，平均电能在300kW.h左右。因此，把雷电转化为可利用能源的价值并不大。10电气工程概论二雷电的危害雷电可能危害人及家畜，损坏建筑物，设备和电气系统，因此需采取防护对策。雷电对人、畜的危害来自雷电直击或“跨步电压”。当雷击中地面物体时，强大的电流使地面不同位置的电位由明显的差别，人行走时两腿间将会有电压作用，这就是跨步电压。跨步电压过高时将会危及人身安全。雷电过电压会损坏电气系统，影响吸引的正常运行。雷电还会危害高建筑物、通信线路、天线、飞机、船舶、油库等的安全。11电气工程概论三、静电1.静电充电2.静电放电3.静电的危害12电气工程概论四、高电压发生装置1.交流高电压发生装置包括工频试验装置、串联谐振试验装置和超低频试验装置。2.直流高电压发生装置除用于电气设备的试验，研究外，还可用作带电粒子加速器、电子显微镜、X射线机、静电除尘器等的直流高电压电源。6000kV冲击电压发生器（中国电力科学院）13电气工程概论5．2．2高电压绝缘与电气设备一、绝缘材料及其发展1、绝缘材料的分类和性能绝缘材料可分气体﹑液体﹑固体三大类。常用的气体绝缘材料有空气、氮气、六氟化硫等。液体绝缘材料主要有矿物绝缘油、合成绝缘油(硅油、十二烷基苯、聚异丁烯、异丙基联苯、二芳基乙烷等)两类。固体绝缘材料可分有机、无机两类。有机固体绝缘材料包括绝缘漆、绝缘胶、绝缘纸、绝缘纤维制品、塑料、橡胶、漆布漆管及绝缘浸渍纤维制品、电工用薄膜、复合制品和黏带、电工用层压制品等。无机固体绝缘材料主要有云母、玻璃、陶瓷及其制品。

14电气工程概论气体绝缘金属封闭组合电器

15电气工程概论二、电气设备的绝缘电气设备中使用的绝缘有气体、液体和固体绝缘，或把它们构成组合绝缘使用。金属导体加高电压在长时间通电流使用时性能几乎不劣化，但带高压的绝缘体多为高分子材料，随着加压时间延长，绝缘性能有下降倾向。因此，高电压系统对提高绝缘材料的长期特性、绝缘设计合理化和运行中电机电器的绝缘诊断等理论和技术都有很高的要求。16电气工程概论5．2．3高电压试验技术一、液体和固体介质的绝缘强度

绝缘介质除气体外，还有液体、固体。液体绝缘介质，除了做绝缘外，还常做载流导体或磁导体（铁心）的冷却剂，在开关电器中可用作灭弧材料。固体介质可作为载流导体的支撑或作为极间屏障，以提高气体或液体间隙的绝缘强度。因此，对液体、固体物质结构以及它们在电场作用下所产生的物理现象进行研究，能使我们了解并确定它们的电气强度及其它性能。17电气工程概论二、电气设备绝缘试验工程上的电介质在电场作用下的主要物理现象如极化、电导、损耗和击穿等现象，不能从理论上得到圆满的解释，这样在很大程度上要依靠试验技术进行解释和判断。同时，为了保证电气设备的安全运行，需对设备进行各种试验。通过试验，掌握电气设备绝缘的情况，保证产品的质量或尽早发现绝缘缺陷，从而进行相应的维护与检修，防患于未然，以保证设备的安全运行。电气设备的出厂试验、安装时的交接试验和运行中定期进行的预防性试验，都是为了这一目的。18电气工程概论电气设备绝缘试验主要包括：绝缘电阻及吸收比的测量；泄漏电流的测量；介质损失角正切值tan的测量；局部放电的测量；绝缘油的色谱分析；工频交流耐压试验；直流耐压试验；冲击高压试验；电气设备的在线监测技术等。球隙放电试验。19电气工程概论三、高电压试验设备20电气工程概论通用型钳形表数字式局部放电检测系统21电气工程概论

四、电气设备诊断及在线监测电气设备诊断过程的基本环节：①通过传感器及必要的测量手段，检测能表征设备状态的各种特性，得到初始模式；②对原始信号进行分析处理（数据处理），抑制干扰，去除冗余，提取出能敏感而有效地反映设备运行状态的特征参数，形成待检模式；③将待检模式与样板模式（根据理论知识、运用经验、试验研究以及积累的故障档案确定）对照，识别故障模式；④根据多种特征识别的结果，综合分析，判断设备状态，并对发展趋势进行预测，从而提供故障预警，为下一步设备维修决策提供根据。22电气工程概论5.2.4电力系统过电压及其防护电力系统过电压雷电（大气）过电压内部过电压直击雷过电压感应雷过电压暂时过电压操作过电压工频电压升高谐振过电压23电气工程概论5.2.5防雷及防雷设备一、避雷针为防止建筑物或设备遭受直接雷击，通常采用装设高于被保护物的避雷针（或避雷线），其作用是将雷电吸引到避雷针上并安全地将雷电流引入大地，从而遮蔽了被保护建筑物或设备。它的保护范围是个锥体，其半径与避雷针高度有关。24电气工程概论二、避雷器当系统中出现过电压时，避雷器的作用是既要限制过电压以保护电气设备不受过电压的损害，又要保证不会跳闸停电保证可靠运行，避雷器的种类有管型避雷器和阀型避雷器。氧化锌避雷器25电气工程概论三、输电线路和发电厂、变电所的防雷保护

据调查统计表明，因雷击线路造成的跳闸事故占电网总事故的60％以上。同时，雷击线路时自线路入侵变电所的雷电波也是威胁变电所的主要因素，所以要设线路的防雷保护，并且发电厂和变电所的防雷保护必须是十分可靠的。输电线路防雷性能的优劣主要由耐雷水平及雷击跳闸率来衡量，线路防雷问题是一个综合技术经济问题，在确定防雷措施时，应根据线路的电压等级、负荷性质、系统运行方式、雷电活动的强弱等经过技术经济比较来确定。26电气工程概论5.3高电压新技术及在各领域的应用5．3．1等离子体技术及其应用等离子体处理技术纺织工业造纸工业废物处理通信光学工业航空工业国防工业汽车工业计算机工业生物医药27电气工程概论5．3．2激光发电5．3．3液电效应及其应用5．3．4静电技术及其应用一、静电分选二、静电喷涂三、静电植绒四、静电纺纱五、静电制版28电气工程概论

一、静电除尘利用静电场的作用，使烟气中的尘粒带电，并将其从烟气中分离、去除的技术。

5.3.5在环保领域的应用29电气工程概论二、静电喷雾静电喷雾是利用静电吸附作用，将农药喷洒到防治对象上。农药的喷洒可使用静电喷雾机或静电喷粉机。30电气工程概论三、烟气脱硫如脉冲电晕放电等离子化学（PPCP）方法，是解决SO2和NOx问题的最有发展前途的新技术，它们具有联合脱硫脱硝、高效率、可回收资源、无二次污染、可与静的除尘器联合使用等优点。31电气工程概论5.3.7在材料、冶金及加工中的应用等离子冶炼技术已用于矿石和精矿的热分解、熔炼、氧化、还原等过程，并且已有用于碳钢或合金钢生产的容量达30