高電壓絕緣緒論 靜電場

1、華北電力大學(xué)華北電力大學(xué)高電壓絕緣技術(shù)王勝輝華北電力大學(xué)華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院高壓教研室高壓教研室 20122012年年2 2月月緒論一、高電壓絕緣的研究的對(duì)象高壓設(shè)備的構(gòu)成高壓設(shè)備的構(gòu)成絕緣作用：絕緣作用：將電位不等的導(dǎo)體分隔開，從而都能保持不同的電位。電介質(zhì)（絕緣材料）：電介質(zhì)（絕緣材料）：具有絕緣作用的材料稱之為電介質(zhì)。氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)1.高壓設(shè)備的組成高壓設(shè)備的組成800kV特高壓試驗(yàn)線段現(xiàn)場高壓設(shè)備照片現(xiàn)場高壓設(shè)備照片額定電壓800kV的交流污穢試驗(yàn)電源 ，S一定時(shí)，提高U，則I降低，因而可以降低線路上的功率損耗。 2、提高輸電電壓等級(jí)的必要性S= 3UI

2、AC：10kV,35kV,110kV,220kV,330kV,500kV,750kV，1000kV我國電網(wǎng)的電壓等級(jí)：我國電網(wǎng)的電壓等級(jí)：1000kV：山西長治-湖北荊門（已經(jīng)投入運(yùn)行）我國的能源中心與負(fù)荷中心逆向分布。我國的能源中心與負(fù)荷中心逆向分布。西電東送，南北互供。西電東送，南北互供。正負(fù)500KV（葛洲壩-上海南橋線、天生橋-廣州線、貴州-廣東線、三峽-廣東線）正負(fù)50KV（上海-嵊泗群島線）100KV（寧波-舟山線）南方電網(wǎng)公司將建設(shè)正負(fù)800KV特高壓直流輸電線。DC: 50KV ,100kV,500kV,800kV特高壓直流800kV：在建輸電線路（向家壩-上海，錦屏-蘇南）家

3、壩至上海特高壓特高壓直流輸電線路晉東南南陽荊門特高壓特高壓交流試驗(yàn)線路我國2020 年前特高壓特高壓建設(shè) 但隨著U的增加，設(shè)備的絕緣問題將日益突出，又會(huì)面臨如下的問題：1）電壓超過某個(gè)值后，設(shè)備的絕緣可能會(huì)遭受破壞，導(dǎo)致絕緣失效。2）絕緣費(fèi)用增加3）設(shè)備的體積以及質(zhì)量將會(huì)增加4）絕緣往往是高壓設(shè)備中的薄弱環(huán)節(jié)，是運(yùn)行中不少設(shè)備故 障的發(fā)源地 基于以上的原因，我們有必要研究絕緣的問題，即 經(jīng)濟(jì) 合理又 安全 可靠的解決高壓電氣設(shè)備的絕緣問題。高壓高壓絕緣絕緣電壓增加帶來的矛盾：電壓增加帶來的矛盾：1）電介質(zhì)的電氣物理性能，特別是其擊穿的過程及其規(guī)律性2）各種高壓電氣設(shè)備的典型的絕緣結(jié)構(gòu)、基本的形

4、式及分析和計(jì)算的方法；3）檢測(cè)及判斷設(shè)備絕緣質(zhì)量的主要試驗(yàn)方法。3、本書闡述對(duì)象二、對(duì)高壓電氣設(shè)備絕緣的電氣性能的主要二、對(duì)高壓電氣設(shè)備絕緣的電氣性能的主要 要求要求1）在額定的工作電壓下，能長期穩(wěn)定的工作；2）能承受暫時(shí)的過電壓的作用（雷電過電壓，操作過電壓）；3）其他的要求： a)滿足機(jī)械性能的要求：機(jī)械負(fù)荷、電動(dòng)力、機(jī)械振動(dòng)等 b)滿足溫度和熱穩(wěn)定性的要求 高溫加速老化和劣化的速度，性能熱擊穿 c)化學(xué)作用和不利環(huán)境下的穩(wěn)定性要求繞組變形照片繞組變形照片三、高壓電氣設(shè)備絕緣的設(shè)計(jì)過程三、高壓電氣設(shè)備絕緣的設(shè)計(jì)過程1）選擇絕緣結(jié)構(gòu)類型及材料2）確定各部分的電場的結(jié)構(gòu)和所承受電壓的幅值及 波

5、形；3）決定結(jié)構(gòu)的尺寸4）其他性能的校核 機(jī)械性能，熱性能等四、高壓設(shè)備的絕緣的試驗(yàn)四、高壓設(shè)備的絕緣的試驗(yàn)1）工廠試驗(yàn)2）現(xiàn)場試驗(yàn)華北電力大學(xué)華北電力大學(xué) 第一章高電壓絕緣技術(shù)中的靜電場靜電場：靜電場：由靜止電荷所產(chǎn)生的場。在電力系統(tǒng)中，在工頻交流電壓下，不同的電位導(dǎo)體間的電位差隨時(shí)間的變化比較緩慢，導(dǎo)體間的距離遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)的電磁波的波長，所以在任一瞬間工頻交流電氣設(shè)備中的電場可視作靜電場。工程中常見的靜電場工程中常見的靜電場1、電介質(zhì)的局部放電及擊穿 局部放電；擊穿； 臨界電場強(qiáng)度：電介質(zhì)耐受的電場強(qiáng)度的極限。2、靜電感應(yīng) 導(dǎo)體受到鄰近的帶電體的影響，在其表面不同的部位出現(xiàn)了正負(fù)電荷的現(xiàn)象稱

6、之為靜電感應(yīng)。 變電站浮空的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生高電位，因此變電站內(nèi)的金屬部分要求接地或進(jìn)行屏蔽。3.均勻電場和不均勻電場 1）均勻電場： 2）不均勻電場： 3）稍不均勻電場(f4）： 棒-板間隙、棒-棒間隙結(jié)論：結(jié)論：在相同的間隙距離下，電場越均勻，則擊穿電壓越高，因此在進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能的提高電場的均勻程度。電場的計(jì)算方法： 解析法： 數(shù)值計(jì)算方法：有限元、差分法、模擬電荷法、邊界元法。一、單一電介質(zhì)的電場計(jì)算 1、平行平板電極間的電場平行平板電極間的電場靜電場的解析計(jì)算靜電場的解析計(jì)算UEd=2、同軸圓柱電極間的電場、同軸圓柱電極間的電場 工程中：電纜、電容套管、標(biāo)準(zhǔn)電容器、變壓器同一鐵

7、心柱的高低壓線圈之間 利用高斯定理。xlnUERxr=rlnUERrr=3、同心圓球電極間的電場同心圓球電極間的電場r2()RrEURr x=- 最大場強(qiáng)出現(xiàn)在內(nèi)球表面，其值為r()REURr r=-二、最大場強(qiáng)的近似計(jì)算1、常見的典型的電極的最大值的近似計(jì)算 可用于工程中最大值的近似估計(jì)。 a）近似公式法 方法：將工程中的電極結(jié)構(gòu)近似等效為圖1-2中的有關(guān)結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行計(jì)算。 b）不均勻系數(shù)法 方法：先計(jì)算電場的幾何特征系數(shù)： ， 然后查圖1-7得到不均勻系數(shù) f ，進(jìn)而求得最大場強(qiáng)。 rdpr+maxavEE f=近似公式法近似公式法不均勻系數(shù)法三、應(yīng)用許瓦茲變換求靜電場四、多層介質(zhì)中的靜

8、電場四、多層介質(zhì)中的靜電場 由多種電介質(zhì)組成絕緣稱之為多層電介質(zhì)。（一）平行平板電極間的靜電場（一）平行平板電極間的靜電場 a）交流電壓的作用下：介質(zhì)分界面上的電感應(yīng)強(qiáng)度D相等12DD=1122EEee=1221EEee=111UEd=222UEd=12UUU+=211221UEddeee=+122112UEddeee=+2111221dUUddeee=+1221221d UUddeee=+ 分析：介電常數(shù)大，則內(nèi)部的電場強(qiáng)度低。電場分布電場分布電壓分布電壓分布b）直流電壓作用下 電流密度的 的方向都垂直于極板，且其大小相當(dāng)，所以可得 或 ，由此可知直流電壓下，雙層電介質(zhì)中場強(qiáng)之比為： 電導(dǎo)率

9、J12JJ=1122EEgg=1122EEgg=1g2g211 22 1121 22 1UEddUEddgggggg=+=+ 2 111 22 11 221 22 1d UUddd UUddgggggg=+=+ （二）同軸圓柱電極間的電場（二）同軸圓柱電極間的電場 在介質(zhì)分界面處，不同介質(zhì)中電感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量連續(xù)，于是得：11222312lnlnUUrrrree=11max211lnUErrr=22max322lnUErrr= 考慮到 ,所以可以寫出兩層介質(zhì)上的電壓分別為：12UUU=+211121112212222111221ln11lnln1ln11lnlnrrUUrrrrrrUUrrr

10、reeeeee=+=+ 11max22111 11112222max12122 22112211ln(lnln)11ln(lnln)UUErrrrrrrrUUErrrrrrrreeeeee=+=+1max 1 12max2 2ErEree對(duì)于多層介質(zhì)有：1max1 12max2 2max.nn nErErEreee 對(duì)于雙層介質(zhì)的電場的討論：（1） ，則 （2） ，進(jìn)一步增加 （3） ，可降低 ，使得電場分布較均勻。12ee=1max22max1ErEr=12ee1maxE工程應(yīng)用：在套管的導(dǎo)桿上套包絕緣紙層或加紙管，可降低導(dǎo)桿附近電場。工程應(yīng)用：在套管的導(dǎo)桿上套包絕緣紙層或加紙管，可降低導(dǎo)桿附近電場。一、改善電極的形狀 （1）增大曲率半徑 （2）改善電極邊緣 （3）使電極具有最佳的外形電場的調(diào)整電場的調(diào)整二、改善電極間的電容分布 （1）加屏蔽加屏蔽環(huán)環(huán)：支柱絕緣子、分壓器的高壓側(cè)加均壓環(huán)，作用是增加高壓電極對(duì)設(shè)備本體的電容，從而補(bǔ)償設(shè)備對(duì)地電容電流。 （2）增設(shè)中間電極增設(shè)中間電極三、利用