高电压技术液体介质的击穿

2.2液体介质的击穿

应用广泛，作为设备的内绝缘绝缘灭弧散热纯净的液体介质击穿场强比气体高得多（1MV／cm）工程用的液体介质击穿场强很少超过

300kV／cm

击穿机理理想：与气体类似工程：小桥理论

当前第1页\共有76页\编于星期一\17点2.2.1液体介质的击穿机理（小桥理论）工程应用的液体介质不可避免地存在气泡或杂质如水分、悬浮的固体纤维等

气泡或杂质在电场作用下，在电极间排列搭成电导性较强的“小桥”

气泡：容易放电水分流过电流时易发热气化，进而形成气泡纤维相互间容易连接；且对电场产生畸变作用，易导致纤维端部的液体介质放电汽化，产生气泡杂质小桥通道电导大，电导电流大，容易产生电离进而引起液体介质击穿

当前第2页\共有76页\编于星期一\17点2.2.2影响液体介质击穿的因素

杂质:电场越均匀，影响越显著！油中最主要的杂质是水分（溶解/悬浮）气泡

注入过程（放电）中产生静置一定时间以消除油中气泡

温度关系比较复杂，主要取决于油中水分的状态（固、悬浮、溶解、汽化）油体积杂质出现的概率随油体积的增加而增加，击穿场强随之下降电压形式杂质形成小桥需要时间冲击击穿强度比工频击穿强度高得多（不：均匀：2）当前第3页\共有76页\编于星期一\17点2.2.3减小杂质影响的措施

过滤

防潮（呼吸器）

祛气（真空注油）

用固体介质减小油中杂质的影响

覆盖层：限制泄漏电流/电缆纸、黄蜡布或漆膜绝缘层：覆盖层厚度增大，本身承担一定电压屏障：既阻止杂质“小桥”的形成，又能改善间隙中电场均匀度（最佳位置、厚度）-应用广泛

？？？屏障多了好还是少了好？？？当前第4页\共有76页\编于星期一\17点2.3固体介质的击穿

固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高特点：击穿场强与电压作用的时间有很大关系一旦击穿，绝缘无法自行恢复

1年=31536000s当前第5页\共有76页\编于星期一\17点2.3.1电击穿

电击穿过程与气体中相似，电离足够强时破坏介质晶格结构导致击穿体积效应由于材料的不均匀性，导致击穿场强分散性很大；加大试样的面积或体积，使材料弱点出现的概率增大，会使击穿场强降低累积效应固体介质在冲击电压多次作用下，局部损伤会逐渐扩大，致使其击穿电压Un有可能低于单次冲击电压作用时的击穿电压U1有机材料当前第6页\共有76页\编于星期一\17点2.3.2热击穿

是一个热不平衡的过程介质损耗导致发热和温度升高温度升高加剧损耗和发热发热与散热相等，达到平衡温度发热大干散热，温度不断上升，造成热破坏热击穿所需时间较长（几小时~几分钟）工频lmin耐压不能考验热击穿特性（5~10）随外加电场频率的增加，热击穿的几率增大（极化：直流、工频，高频）当前第7页\共有76页\编于星期一\17点2.3.3电化学击穿

介质长期加电压引起介质劣化而导致击穿强度下降局部放电导致绝缘劣化介质内气隙的局部放电（PartialDischarge，简称PD）PD产生活性气体如O3、NO、NO2等对介质将产生氧化和腐蚀作用带电粒子对介质表面的撞击，也会使介质受到机械的损伤和局部的过热气隙的产生制造过程：浇注、挤压成型等绝缘与电极接触不良当前第8页\共有76页\编于星期一\17点2.3.3.1局部放电的等值电路

Cm>>Cg>>Cb

1、微量压降2、电流脉冲当前第9页\共有76页\编于星期一\17点放电前后，间隙g两端的电压变化为(Ug-Ur)对间隙g放电的电容量为：

真实放电量Δqr为：

视在放电量Δq=放电时试品上电压变化ΔU╳试品电容视在放电量可能比真实放电量小得多！

绝缘上的电压变化：不可测！

当前第10页\共有76页\编于星期一\17点单次局部放电的能量设Cg放电时试品上电压为Ui，则：若近似地认为Ur≈0，则：

当前第11页\共有76页\编于星期一\17点2.3.3.2交流和直流电压下局部放电的比较

随着交流电压频率的增高，单位时间内局放次数增多，局放对绝缘的危害加大直流下局放频率很低，其危害性远小于交流时+++---当前第12页\共有76页\编于星期一\17点发电机定子绕组端部绝缘局部放电实测波形

当前第13页\共有76页\编于星期一\17点2.3.3.3提高局部放电电压的措施

各种材料耐受局放的性能不同

无机材料有较强的耐局放性能：陶瓷、云母有机材料耐局放的性能较差：塑料提高绝缘局部放电电压的措施尽量消除气隙或设法减小气隙的尺寸：钢管油压电缆设法提高空穴的击穿场强：用液体介质或高耐电强度的压缩气体充填空穴当前第14页\共有76页\编于星期一\17点2.4

组合绝缘的特性

电气设备内部绝缘结构中常用液体与固体介质构成组合绝缘油—屏障绝缘油纸绝缘

组合绝缘强度不仅取决于所用介质的绝缘强度，还与介质的互相配合有关当前第15页\共有76页\编于星期一\17点2.4.1油—屏障绝缘与油纸绝缘的特点

油—屏障绝缘

以油为主要绝缘介质，散热、冷却作用好屏障的作用：改善油间隙中电场分布和阻止杂质小桥的形成

广泛用于变压器中屏障的总厚度不宜取得过大（否则可能引起油中场强增高）油纸绝缘液体介质用作充填固体绝缘中气隙的浸渍剂固体介质为绝缘的主体油纸绝缘的击穿强度很高，但散热比较困难油纸绝缘的直流击穿场强比交流击穿场强高得多当前第16页\共有76页\编于星期一\17点1—粘浸渍电缆2—充油电缆直流电压下短时击穿场强约为交流时二倍以上，其长时间击穿场强则为交流时三倍以上直流电压下，油与纸中的场强分配比交流时合理在电压长时间作用下，油纸绝缘直流局放的危害性比交流时小对同一油纸绝缘，直流耐电强度明显高于交流！用于交流的油纸绝缘一定能用于直流，反之则不然！当前第17页\共有76页\编于星期一\17点2.4.2多介质系统中的电场

当前第18页\共有76页\编于星期一\17点2.4.3电场调整的方法

组合绝缘结构的电场调整用分阶绝缘的方法来降低电力电缆缆芯附近的场强

在不同绝缘厚度处夹入不同长度的导电箔作为电容极板，调整电场电容套管油纸绝缘的高压电流互感器改变绝缘材料的形状以改善电场分布GIS中环氧盘形绝缘子沿面电场分布当前第19页\共有76页\编于星期一\17点当前第20页\共有76页\编于星期一\17点当前第21页\共有76页\编于星期一\17点金属外壳当前第22页\共有76页\编于星期一\17点2.5绝缘的老化

绝缘老化：不可逆的劣化！固体和液体介质在长期运行过程中会发生一些物理变化和化学变化，导致其机械和电气性能劣化绝缘老化的原因电的作用热的作用机械力的作用水分、氧化和射线微生物的作用等当前第23页\共有76页\编于星期一\17点2.5.1电介质的热老化

高温下，短时间内就能发生明显的损坏热老化温度比短时允许温度低，但作用时间长时，绝缘性能发生的不可逆的变化绝缘的温度越高，老化越快，寿命越短不同介质材料的耐热性不同耐热等级最高允许工作温度当前第24页\共有76页\编于星期一\17点O级：90℃A级：105℃E级：120℃B级：130℃F级：155℃H级：180℃C级：>180℃工作温度超过规定值时，介质迅速劣化，寿命大大缩短（1/2）A级：8℃规则(油—屏障和油纸绝缘属A级)B级：10℃规则(大电机绝缘用云母制品属B级)H级：12℃规则（干式变压器等）当前第25页\共有76页\编于星期一\17点2.5.2介质的电老化

局部放电固体介质耐受局部放电的性能存在差别抗电老化的性能是不同的（有机/无机）绝缘设计时必须选择合适的工作场强当前第26页\共有76页\编于星期一\17点2.5.3机械力的影响

机械应力对绝缘老化的速度有很大影响固体介质内产生裂痕或气隙导致局部放电举例：瓷绝缘子的老化悬式绝缘子串中靠近铁塔悬挂点的最易损坏电机绕组机械力作用，使绝缘受到损伤温度突变产生内部应力突然降雨使瓷表面骤冷，在其内部产生应力

当前第27页\共有76页\编于星期一\17点2.5.4环境的影响

环境条件对绝缘的老化有很大的影响绝缘油的老化（氧化、温度》》》油枕）户外绝缘应能耐受日晒雨淋湿热区域使用的要有抗生物特性材料的相容性绝缘与导体之间（化学反应、相容）当前第28页\共有76页\编于星期一\17点支柱绝缘子内屏蔽

当前第29页\共有76页\编于星期一\17点330kV绝缘子柱

330kV及以上的悬式绝缘子串一般也装有均压环绝缘子数决定于线路所要求的绝缘水平：35kV-3片110kV-7片200kV-13片330kV-19片500kV-28片

当前第30页\共有76页\编于星期一\17点屏蔽电极的均压原理1（均压环）工程中应用很多！当前第31页\共有76页\编于星期一\17点屏蔽电极的均压原理2（均压环）a:只考虑对地电容CEb:只考虑对导线电容CLc:同时考虑CE和CL工程中应用很多！当前第32页\共有76页\编于星期一\17点pause当前第33页\共有76页\编于星期一\17点2.6电力系统过电压与绝缘配合

过电压（overvoltage）电气设备上出现的高于工作电压的电压按来源形式分类外部过电压（雷电过电压）：雷云放电内部过电压：在电力系统内部，由于断路器的操作或系统发生故障，使系统参数发生变化，引起电网电磁能量的转化或传递过电压的幅值要比工作电压高出许多（几倍）过电压对电力系统绝缘水平起着决定性作用必须采取必要的限制过电压的措施当前第34页\共有76页\编于星期一\17点绝缘水平与绝缘配合绝缘水平（绝缘强度）电气设备能承受的试验电压值通过耐压试验予以确认（交流、直流、冲击）绝缘配合最终目的：确定电气设备的绝缘水平综合考虑电气设备在电力系统中可能承受的各种电压（工作电压和过电压）、限压保护装置的特性以及设备绝缘对各种作用电压的耐受特性，合理地确定设备必要的绝缘水平，以使设备的造价、维修费用和设备绝缘故障引起的事故损失，达到在经济上和安全运行上总体效益最高的目的

当前第35页\共有76页\编于星期一\17点技术过电压限压装置特性绝缘耐受特性绝缘水平投资费用维护费用事故损失费用经济当前第36页\共有76页\编于星期一\17点2.6.1电力系统过电压简介

雷电过电压直击雷过电压：直击输电线路等，被击物流过雷电流感应雷过电压：雷击输电线路附近的地面一般不会超过500kV当前第37页\共有76页\编于星期一\17点雷电过电压

直击雷过电压直击输电线路等，雷电流流过被击物（<60米）感应雷过电压雷击输电线路附近的地面,通过电磁耦合一般不会超过500kV内部过电压

暂时过电压:持续时间长操作过电压:持续时间短，<0.1s操作过电压一般不超过相电压的3.5倍

2.6.1电力系统过电压简介

当前第38页\共有76页\编于星期一\17点当前第39页\共有76页\编于星期一\17点2.6.1.1空载长线的电容效应引起的工频过电压

当前第40页\共有76页\编于星期一\17点电容效应在集中参数L、C串联电路中，如果容抗大于感抗，即1/ωC>ωL，那么电路中将流过容性电流。电容上的电压等于电源电势加上电容电流流过电感造成的电压降，这种电容电压高于电源电势的现象，称为电容效应。空载长线的电容效应从分布参数的角度看，一条空载长线可以看作由无数个串联的,回路构成。在工频电压作用下，线路的总容抗一般远大于导线的感抗，因此线路各点的电压均高于线路首端电压，而且愈往线路末端电压愈高。

当前第41页\共有76页\编于星期一\17点Z：线路波阻抗，约300相位系数若线路末端开路，即：

可得线路首末端电压关系为

波长谐振：线路末端电压将趋于无穷大当前第42页\共有76页\编于星期一\17点电源的容量的影响:1、无限大容量（Xs=0）2、有限大容量（Xs>0）加剧电容效应

当前第43页\共有76页\编于星期一\17点2.6.1.2中性点不接地系统电弧接地过电压

电力系统中60%以上的故障是单相接地故障随着电网的发展和电压等级的提高，单相接地电容电流随之增加，一般6~10kV电网的接地电流超过30A，35~60kV电网的接地电流超过10A时电弧便难以自行熄灭

当前第44页\共有76页\编于星期一\17点当前第45页\共有76页\编于星期一\17点健全相的最大过电压为3.5p.u.，故障相的最大过电压为2.0p.u.。

当前第46页\共有76页\编于星期一\17点限制过电压的措施

消除电弧接地过电压的根本途径是消除间歇性电弧有效的方法是将中性点直接接地

采用中性点经消弧线圈接地的运行方式消弧线圈是一电感线圈，接于系统的中性点处，基本作用是：

①补偿流过故障点的电容电流，使电弧能自行熄灭，系统自行恢复正常工作状态。②降低故障相上的恢复电压上升的速度，减小电弧重燃的可能性。

当前第47页\共有76页\编于星期一\17点消弧线圈的补偿度：

脱谐度：

补偿方式：1、欠补偿（不采用，因易引发谐振）2、过补偿（常采用）当前第48页\共有76页\编于星期一\17点2.6.2过电压的防护和限制措施

过电压的类型较多产生的原因及特点各异其防护和限制措施也有所不同

当前第49页\共有76页\编于星期一\17点2.6.2.1防雷装置

避雷针避雷线避雷器接地网避雷针（线）的保护原理吸引雷电击于自身，使其附近的处于保护范围内的被保护物（导线、设备、建筑物等）免遭雷击；同时通过良好的接地装置，将雷电流泻入大地接地把设备与作为0电位参照点的地球作电气上的连接当前第50页\共有76页\编于星期一\17点接地分类①工作接地：电力系统为了运行的需要，将电网某一点接地，其目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。②保护接地：为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘劣化，外壳可能带电而危及工作人员安全。③防雷接地：导泄雷电流，以消除过电压对设备的危害④静电接地：在可燃物场所的金属物体，蓄有静电后，往往爆发火花，以致造成火灾。因此要对这些金属物体（如贮油罐等）接地当前第51页\共有76页\编于星期一\17点接地装置在大地表面土层中埋设金属电极，这种埋入地中并直接与大地接触的金属导体，叫做接地体将接地体与需要接地的设备接地端连接起来，组成接地装置接地电阻接地点处的电位U与经接地装置入地的接地电流I的比值（R＝U/I）是大地电阻效应的总和（本体电阻+土壤电阻效应）接地电阻越小越好

当前第52页\共有76页\编于星期一\17点接地网：为了实现良好的接地，将多个水平接地体（如扁铁）和垂直接地体（如钢筋、钢管）在地下连接起来构成网络结构避雷针、线、器均需要接地网接触电压（高1.8m,D0.8m）跨步电压（D0.8m）当前第53页\共有76页\编于星期一\17点避雷器（Arrester，Arr）

限制过电压的保护装置，实质是放电器种类保护间隙管型避雷器阀型避雷器普通阀型（FS、FZ）、磁吹式（FCZ、FCD）金属氧化物避雷器（又称ZnO避雷器）不同类型的避雷器的保护特性存在明显差别当前第54页\共有76页\编于星期一\17点避雷器的保护原理

避雷器与被保护设备相并联，当避雷器上出现高于其动作电压的过电压时，Arr先于被保护设备动作放电，利用其非线性电阻（u=ciα），将过电压限制在被保护设备绝缘能够承受的范围内，从而保护了电气设备当前第55页\共有76页\编于星期一\17点避雷器阀片的伏安特性

当前第56页\共有76页\编于星期一\17点阀型避雷器动作过程当前第57页\共有76页\编于星期一\17点2.6.2.2雷电过电压的防护

感应雷过电压一般仅对35kV及以下电压等级的电气绝缘有威胁电力系统防雷的重点是直击雷防护架空线路发电厂和变电所当前第58页\共有76页\编于星期一\17点架空输电线路防雷

任务采用技术上和经济上的合理措施，使系统雷害降低到运行部门能够接受的程度具体原则和措施（四道防线）防止雷直击导线避雷线、避雷针、改用电缆等防止雷击塔顶或避雷线后引起逆闪络

降低杆塔的接地电阻、增大耦合系数、加强线路绝缘、装设避雷器等防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧适当增加绝缘子片数、采用中性点不接地或经消弧线圈接地防止线路中断供电自动重合闸，或双回路、环网供电等

当前第59页\共有76页\编于星期一\17点耦合地线架空避雷线当前第60页\共有76页\编于星期一\17点当前第61页\共有76页\编于星期一\17点发电厂和变电所的防雷

雷害事故来源雷直击发电厂或变电所雷击输电线路后产生的雷电波沿线路侵入防护直击雷防护一般采用避雷针或避雷线范围：电气设备、建筑物等侵入波防护（行波保护）安装避雷器以限制过电压幅值采用进线段保护以降低来波陡度对于纵绝缘更为薄弱的直配电机，在母线上增装电容器以进一步降低侵入波的陡度当前第62页\共有76页\编于星期一\17点2.6.2.3内部过电压的限制措施

工频过电压的限制措施利用并联电抗器补偿空载线路的电容效应利用静止补偿装置（SVC）采用良导体地线降低输电线路的零序阻抗谐振过电压的限制措施电网的设计或运行阶段，尽量避免谐振条件的出现对于较难避免的铁磁谐振过电压，可安装消谐器、阻尼电阻、改善电压互感器的激磁特性操作过电压的限制措施安装消弧线圈高压线路上装设并联电抗器采用带有并联电阻的断路器装设专门的避雷器当前第63页\共有76页\编于星期一\17点单相接地系数当前第64页\共有76页\编于星期一\17点2.6.3绝缘配合的方法

考虑不同电压等级电网中过电压的不同特点220kV以下电网，绝缘水平主要由大气过电压决定330kV及以上的超高压绝缘配合中，操作过电压将起主导作用特高压电网中，绝缘水平甚至可能由工频过电压和长时工作电压决定绝缘配合的具体方法惯用法统计法简化统计法当前第65页\共有76页\编于星期一\17点1）惯用法

原则（思想）按作用在绝缘上的最大过电压和最小的绝缘强度的概念进行绝缘配合办法首先确定设备上可能出现的最危险的过电压，然后根据运行经验乘上一个考虑各种因素影响和一定裕度的系数，从而决定绝缘应耐受的电压水平缺点惯用法确定的绝缘水平裕度较大（过大）当前第66页\共有76页\编于星期一\17点2）统计法

思路视过电压和绝缘强度均为随机变量方法已知过电压和绝缘放电电压的概率分布计算出绝缘放电的概率和线路故障率在技术经济比较的基础上，确定绝缘水平特点能够给出定量的安全裕度，确定的绝缘水平更趋合理和科学过电压和绝缘放电电压的概率分布很难获得当前第67页\共有76页\编于星期一\17点绝缘故障率的估算示意图

过电压概率密度函数绝缘放电概率函数当前第68页\共有76页\编于星期一\17点3）简化统计法

思路假设已知过电压和绝缘放电电压的概率分布方法在假设的基础上，计算故障率，进而确定绝缘水平特点简化比较科学合理当前第69页\共有76页\编于星期一\17点2.6.4输变电设备和线路的绝缘水平

在变电所中，确定电力变压器的绝缘水平是中心环节确定绝缘水平的基础是避雷器的保护水平避雷器的保护水平雷电冲击保护水平（BIL）操作冲击保护水平（BSL）分别为对应的标准冲击放电电流作用下，避雷器上呈现的最高电压（残压）绝缘水平=K.U残K的影响因素（1.25~1.4）避雷器和被保护设备之间的距离避雷器参数和性能的变化设备绝缘的老化安全裕度当前第70页\共有76页\编于星期一\17点3～500kV输变电设备的基准绝缘水平

额定电压最高工作电压额定操作冲击耐受电压额定雷电冲击耐受电压额定短时工频耐受电压有效值（kV）峰值（kV）相对地过电压（p.u.）峰值（kV）有效值（kV）ⅠⅡⅠⅡ33.5－－2040101866.9－－406020231011.5－－607528301517.5－－7510538402023.0－－－125－503540.5－－－185/200*－806369.0－－－3