第二章液體和固體介質(zhì)的電氣特性

第二節(jié)液體介質(zhì)的擊穿液體和固體介質(zhì)廣泛用作電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣，常用的液體和固體介質(zhì)為：液體介質(zhì)：變壓器油、電容器油、電纜油固體介質(zhì)：紙、布、云母、塑料、瓷、玻璃、硅橡膠第二節(jié)液體介質(zhì)的擊穿應(yīng)用廣泛，作為設(shè)備的內(nèi)絕緣。絕緣、滅弧、散熱純凈的液體介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)比氣體高得多（1MV／cm）。工程用的液體介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)很少超過300kV／cm。擊穿機(jī)理理想：與氣體類似工程：小橋理論一、小橋理論工程應(yīng)用的液體介質(zhì)不可避免地存在氣泡或雜質(zhì)如水分、懸浮的固體纖維等。

纖維對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生畸變作用，易導(dǎo)致纖維端部的液體介質(zhì)放電汽化，產(chǎn)生氣泡（分兩種情況）水分流過電流時(shí)易發(fā)熱氣化，進(jìn)而形成氣泡在電極間排列搭成電導(dǎo)性較強(qiáng)的氣泡“小橋”，造成擊穿。判斷變壓器油的質(zhì)量，其中最重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就是測(cè)量油的工頻擊穿電壓。二、影響液體介質(zhì)擊穿的因素1、雜質(zhì)的影響水分：油中最主要的雜質(zhì)。溶解懸浮氣泡注入過程（放電）中產(chǎn)生靜置一定時(shí)間以消除油中氣泡變壓器油Eb與含水重量濃度m的關(guān)系變壓器油工頻擊穿電壓與溫度的關(guān)系2、溫度的影響關(guān)系比較復(fù)雜，主要取決于油中水分的狀態(tài)（固、懸浮、溶解、汽化）3、油體積的影響雜質(zhì)出現(xiàn)的概率隨油體積的增加而增加，擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨之下降。4、電壓形式的影響雜質(zhì)形成小橋需要時(shí)間。沖擊擊穿強(qiáng)度比工頻擊穿強(qiáng)度高得多。極不均勻：1.4-1.5均勻：2三、減小雜質(zhì)影響的措施過濾

防潮（呼吸器）

祛氣（真空注油）

用固體介質(zhì)減小油中雜質(zhì)的影響

覆蓋層：限制泄漏電流/電纜紙、黃蠟布或漆膜絕緣層：覆蓋層厚度增大，本身承擔(dān)一定電壓屏障：既阻止雜質(zhì)“小橋”的形成，又改善間隙中電場(chǎng)均勻度（最佳位置、厚度）-應(yīng)用廣泛第三節(jié)固體介質(zhì)的擊穿1年=31536000s固體介質(zhì)的固有擊穿強(qiáng)度比液體和氣體介質(zhì)高。特點(diǎn)：擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓作用的時(shí)間有很大關(guān)系。一旦擊穿，絕緣無法自行恢復(fù)。

（一）電擊穿電擊穿過程與氣體中相似，電離足夠強(qiáng)時(shí)破壞介質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)舸ｓw積效應(yīng)由于材料的不均勻性，導(dǎo)致?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)分散性很大；加大試樣的面積或體積，使材料弱點(diǎn)出現(xiàn)的概率增大，會(huì)使擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低；累積效應(yīng)固體介質(zhì)在沖擊電壓多次作用下，局部損傷會(huì)逐漸擴(kuò)大，致使其擊穿電壓Un有可能低于單次沖擊電壓作用時(shí)的擊穿電壓U1。存在于有機(jī)材料。（二）熱擊穿是一個(gè)熱不平衡的過程（電導(dǎo)電流、介質(zhì)極化）。介質(zhì)損耗導(dǎo)致發(fā)熱和溫度升高；溫度升高加劇損耗和發(fā)熱；發(fā)熱與散熱相等，達(dá)到平衡溫度；發(fā)熱大于散熱，溫度不斷上升，造成熱破壞。熱擊穿所需時(shí)間較長(zhǎng)（幾分鐘～幾小時(shí)）工頻lmin耐壓不能考驗(yàn)熱擊穿特性（5~10min）隨外加電場(chǎng)頻率的增加，熱擊穿的幾率增大（極化：直流、工頻，高頻）。（三）電化學(xué)擊穿介質(zhì)長(zhǎng)期加電壓引起介質(zhì)劣化而導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度下降。局部放電導(dǎo)致絕緣劣化。介質(zhì)內(nèi)氣隙的局部放電（PartialDischarge，簡(jiǎn)稱PD）PD產(chǎn)生活性氣體如O3、NO、NO2等對(duì)介質(zhì)將產(chǎn)生氧化和腐蝕作用；帶電粒子對(duì)介質(zhì)表面的撞擊，也會(huì)使介質(zhì)受到機(jī)械的損傷和局部的過熱。氣隙的產(chǎn)生制造過程：澆注、擠壓成型等絕緣與電極接觸不良局部放電導(dǎo)致絕緣劣化。1、局部放電的等值電路Cm>>Cg>>Cb

氣隙放電時(shí)氣隙上的電壓變化1、微量壓降2、電流脈沖放電前后，間隙g兩端的電壓變化為(Ug-Ur)對(duì)間隙g放電的電容量為：真實(shí)放電量Δqr為：不可測(cè)！視在放電量Δq=放電時(shí)試品上電壓變化ΔU╳試品電容視在放電量可能比真實(shí)放電量小得多！絕緣上的電壓變化：?jiǎn)未尉植糠烹姷哪芰吭O(shè)Cg放電時(shí)試品上電壓為Ui，則：若近似地認(rèn)為Ur≈0，則：2交流和直流電壓下局部放電的比較隨著交流電壓頻率的增高，單位時(shí)間內(nèi)局放次數(shù)增多，局放對(duì)絕緣的危害加大。發(fā)電機(jī)定子繞組端部絕緣局部放電實(shí)測(cè)波形直流下局放頻率很低，其危害性遠(yuǎn)小于交流時(shí)+++---3提高局部放電電壓的措施各種材料耐受局放的性能不同：

無機(jī)材料有較強(qiáng)的耐局放性能：陶瓷、云母；有機(jī)材料耐局放的性能較差：塑料。提高絕緣局部放電電壓的措施：盡量消除氣隙或設(shè)法減小氣隙的尺寸：鋼管油壓電纜；設(shè)法提高空穴的擊穿場(chǎng)強(qiáng)：用液體介質(zhì)或高耐電強(qiáng)度的壓縮氣體充填空穴。第四節(jié)組合絕緣的特性電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)中常用液體與固體介質(zhì)構(gòu)成組合絕緣：油—屏障絕緣；油紙絕緣。組合絕緣電氣強(qiáng)度不僅取決于所用介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度，還與介質(zhì)的互相配合有關(guān)。油—屏障絕緣：

以油為主要絕緣介質(zhì)，散熱、冷卻作用好；屏障的作用：改善油間隙中電場(chǎng)分布和阻止雜質(zhì)小橋的形成；

廣泛用于變壓器中；屏障的總厚度不宜取得過大（否則可能引起油中場(chǎng)強(qiáng)增高）。一、油—屏障絕緣與油紙絕緣的特點(diǎn)油紙絕緣：液體介質(zhì)用作充填固體絕緣中氣隙的浸漬劑；固體介質(zhì)為絕緣的主體；油紙絕緣的擊穿強(qiáng)度很高，但散熱比較困難；油紙絕緣的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)比交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)高得多。1—粘浸漬電纜2—充油電纜直流電壓下短時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為交流時(shí)二倍以上，其長(zhǎng)時(shí)間擊穿場(chǎng)強(qiáng)則為交流時(shí)三倍以上。二、多介質(zhì)系統(tǒng)中的電場(chǎng)三、電場(chǎng)調(diào)整的方法組合絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)調(diào)整用分階絕緣的方法來降低電力電纜纜芯附近的場(chǎng)強(qiáng)第五節(jié)絕緣的老化絕緣老化：固體和液體介質(zhì)在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生一些物理變化和化學(xué)變化，導(dǎo)致其機(jī)械和電氣性能劣化。絕緣老化的原因：電的作用、熱的作用、機(jī)械力的作用、水分、氧化和射線、微生物的作用等。一、電介質(zhì)的熱老化高溫下，短時(shí)間內(nèi)就能發(fā)生明顯的損壞。熱老化溫度比短時(shí)允許溫度低，但作用時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，絕緣性能發(fā)生的不可逆的變化絕緣的溫度越高，老化越快，壽命越短。不同介質(zhì)材料的耐熱性不同：絕緣級(jí)別OAEBFHC最高容許溫度90105120130155180>180工作溫度超過規(guī)定值時(shí)，介質(zhì)迅速劣化，壽命大大縮短（1/2）A級(jí)：8℃規(guī)則(油—屏障和油紙絕緣屬A級(jí))B級(jí)：10℃規(guī)則(大電機(jī)絕緣用云母制品屬B級(jí))H級(jí)：12℃規(guī)則（干式變壓器等）絕緣級(jí)別OAEBFHC最高容許溫度90105120130155180>180二、介質(zhì)的電老化主要原因：局部放電。固體介質(zhì)耐受局部放電的性能存在差別：抗電老化的性能是不同的（無機(jī)/有機(jī))。絕緣設(shè)計(jì)時(shí)必須選擇合適的工作場(chǎng)強(qiáng)。三、機(jī)械力的影響機(jī)械應(yīng)力過大使固體介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生裂痕或氣隙導(dǎo)致局部放電。懸式絕緣子串中靠近鐵塔懸掛點(diǎn)的最易損壞。電機(jī)繞組機(jī)械力作用，使絕緣受到損傷。溫度突變產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力：突然降雨使瓷表面驟冷，其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。四、環(huán)境的影響環(huán)境條件對(duì)絕緣的老化有很大的影響。絕緣油的老化（氧化、溫度）戶外絕緣應(yīng)能耐受日曬雨淋濕熱區(qū)域使用的要有抗生物特性材料的相容性。第六節(jié)電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合過電壓（overvoltage）電氣設(shè)備上出現(xiàn)的高于工作電壓的電壓。按來源形式分類外部過電壓（雷電過電壓）：雷云放電。內(nèi)部過電壓：在電力系統(tǒng)內(nèi)部，由于斷路器的操作或系統(tǒng)發(fā)生故障，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起電網(wǎng)電磁能量的轉(zhuǎn)化或傳遞。雷電過電壓直擊雷過電壓：直擊輸電線路等，雷電流流過被擊物（<60米）。感應(yīng)雷過電壓：雷擊輸電線路附近的地面，通過電磁耦合。一般不會(huì)超過500kV。一、電力系統(tǒng)過電壓簡(jiǎn)介電容效應(yīng)在集中參數(shù)L、C串聯(lián)電路中，如果容抗大于感抗，即1/ωC>ωL，那么電路中將流過容性電流。電容上的電壓等于電源電勢(shì)加上電容電流流過電感造成的電壓降，這種電容電壓高于電源電勢(shì)的現(xiàn)象，稱為電容效應(yīng)。1、空載長(zhǎng)線的電容效應(yīng)引起的工頻過電壓～RLUR.UL.EUCC..空載長(zhǎng)線的簡(jiǎn)化等值電路Z：線路波阻抗，約300相位系數(shù)若線路末端開路，即：

可得線路首末端電壓關(guān)系為

波長(zhǎng)諧振：線路末端電壓將趨于無窮大電源的容量的影響:1、無限大容量（Xs=0）2、有限大容量（Xs>0）加劇電容效應(yīng)空載線路終端電壓的升高2、中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電弧接地過電壓jdI&1C2C3C2I&3I&dABCNL23LI&健全相的最大過電壓為3.5p.u.，故障相的最大過電壓為2.0p.u.。限制過電壓的措施中性點(diǎn)直接接地。采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式。消弧線圈作用：①補(bǔ)償流過故障點(diǎn)的電容電流，使電弧能自行熄滅，系統(tǒng)自行恢復(fù)正常工作狀態(tài)。②降低故障相上的恢復(fù)電壓上升的速度，減小電弧重燃的可能性。采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式消弧線圈的補(bǔ)償度：脫諧度：γr>0：欠補(bǔ)償；γr<0：過補(bǔ)償；二、過電壓的防護(hù)和限制措施1、防雷裝置防雷裝置：避雷針、避雷線、避雷器、接地網(wǎng)。保護(hù)原理：吸引雷電擊于自身，使其附近的處于保護(hù)范圍內(nèi)的被保護(hù)物（導(dǎo)線、設(shè)備、建筑物等）免遭雷擊；同時(shí)通過良好的接地裝置，將雷電流瀉入大地。接地：把設(shè)備與作為0電位參照點(diǎn)的地球作電氣上的連接。接地分類①工作接地：電力系統(tǒng)為了運(yùn)行的需要，將電網(wǎng)某一點(diǎn)接地，其目的是為了穩(wěn)定對(duì)地電位與繼電保護(hù)上的需要。②保護(hù)接地：為了保護(hù)人身安全，防止因電氣設(shè)備絕緣劣化，外殼可能帶電而危及工作人員安全。③防雷接地：導(dǎo)泄雷電流，以消除過電壓對(duì)設(shè)備的危害。④靜電接地：在可燃物場(chǎng)所的金屬物體，蓄有靜電后，往往爆發(fā)火花，以致造成火災(zāi)。因此要對(duì)這些金屬物體（如貯油罐等）接地。接地體：埋入地中并直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體。接地裝置：將接地體與需要接地的設(shè)備接地端連接起來的裝置。接地電阻接地點(diǎn)處的電位U與經(jīng)接地裝置入地的接地電流I的比值（R＝U/I）。是大地電阻效應(yīng)的總和（本體電阻+土壤電阻效應(yīng)）。接地電阻越大越好還是越小越好？避雷器（Arrester，Arr）限制過電壓的保護(hù)裝置。種類：保護(hù)間隙；管型避雷器；閥型避雷器：普通閥型（FS、FZ）、磁吹式（FCZ、FCD）；金屬氧化物避雷器（又稱ZnO避雷器）。不同類型的避雷器的保護(hù)特性存在明顯差別。排氣式避雷器1—產(chǎn)氣管2—棒形電極3—環(huán)形電極S1—內(nèi)間隙S2—外間隙閥型避雷器的保護(hù)原理避雷器1非線性電阻元件2火花間隙避雷器閥片的伏安特性u(píng)=ciα閥片的伏安特性i1—工頻續(xù)流u1—工頻電壓i2—雷電流u2—避雷器殘壓閥型避雷器動(dòng)作過程金屬氧化物避雷器架空輸電線路防雷：任務(wù)：采用技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的合理措施，使系統(tǒng)雷害降低到運(yùn)行部門能夠接受的程度。具體原則和措施（四道防線）：防止雷直擊導(dǎo)線；防止雷擊塔頂或避雷線后引起逆閃絡(luò)；防止雷擊閃絡(luò)后轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電??；防止線路中斷供電。2、雷電過電壓的防護(hù)耦合地線架空避雷線發(fā)電廠和變電所的防雷防止直擊雷：采用避雷針或避雷線。范圍：電氣設(shè)備、建筑物等。雷擊獨(dú)立避雷針1—母線2—變壓器防止雷擊輸電線路后產(chǎn)生的雷電波沿線路侵入安裝避雷器以限制過電壓幅值。采用進(jìn)線段保護(hù)。對(duì)于縱絕緣更為薄弱的直配電機(jī)，在母線上增裝電容器以進(jìn)一步降低侵入波的陡度。35kV～110kV變電所進(jìn)線保護(hù)接線3、內(nèi)部過電壓的限制措施工頻過電壓的限制措施：利用并聯(lián)電抗器補(bǔ)償空載線路的電容效應(yīng)；利用靜止補(bǔ)償裝置（SVC）；采用良導(dǎo)體地線降低輸電線路的零序阻抗。諧振過電壓的限制措施：電網(wǎng)的設(shè)計(jì)或運(yùn)行階段，盡量避免諧振條件的出現(xiàn)；對(duì)于較難避免的鐵磁諧振過電壓，可安裝消諧器、阻尼電阻、改善電壓互感器的激磁特性。操作過電壓的限制措施：安裝消弧線圈；高壓線路上裝設(shè)并聯(lián)電抗器；采用帶有并聯(lián)電阻的斷路器；裝設(shè)專門的避雷器。1—主觸頭2—輔助觸頭R—并聯(lián)電阻三、絕緣配合的方法絕緣配合的原則：綜合考慮電氣設(shè)備在電力系統(tǒng)中可能承受的各種電壓（工作電壓和過電壓）、限壓保護(hù)裝置的特性以及設(shè)備絕緣對(duì)各種作用電壓的耐受特性，合理地確定設(shè)備必要的絕緣水平，以使設(shè)備的造價(jià)、維修費(fèi)用和設(shè)備絕緣故障引起的事故損失，達(dá)到在經(jīng)濟(jì)上和安全運(yùn)行上總體效益最高的目的。最終目的：確定電氣設(shè)備的絕緣水平?？紤]不同電壓等級(jí)電網(wǎng)中過電壓的不同特點(diǎn)220kV以下電網(wǎng)，絕緣水平主要由大氣過電壓決定；330kV及以上的超高壓絕緣配合中，操作過電壓將起主導(dǎo)作用；特高壓電網(wǎng)中，絕緣水平甚至可能由工頻過電壓和長(zhǎng)時(shí)工作電壓決定。絕緣配合的具體方法：慣用法、統(tǒng)計(jì)法、簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)法。1）慣用法原則（思想）：按作用在絕緣上的最大過電壓和最小的絕緣強(qiáng)度的概念進(jìn)行絕緣配合。辦法首先確定設(shè)備上可能出現(xiàn)的最危險(xiǎn)的過電壓，然后根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)乘上一個(gè)考慮各種因素影響和一定裕度的系數(shù)，從而決定絕緣應(yīng)耐受的電壓水平。缺點(diǎn)慣用法確定的絕緣水平裕度較大（過大）2）統(tǒng)計(jì)法思路：視過電壓和絕緣強(qiáng)度均為隨機(jī)變量。方法：已知過電壓和絕緣放電電壓的概率分布；計(jì)算出絕緣放電的概率和線路故障率；在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的基礎(chǔ)上，確定絕緣水平。絕緣故障率的估算示意圖過電壓概率密度函數(shù)絕緣放電概率函數(shù)3）簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)法思路：假設(shè)已知過電壓和絕緣放電電壓的概率分布。方法：在假設(shè)的基礎(chǔ)上，計(jì)算故障率，進(jìn)而確定絕緣水平。特點(diǎn)：簡(jiǎn)化；只能用于自恢復(fù)絕緣，主要是輸變電的外絕緣。四、輸變電設(shè)備和線路的絕緣水平在變電所中，確定電力變壓器的絕緣水平是中心環(huán)節(jié)。確定絕緣水平的基礎(chǔ)是避雷器的保護(hù)水平。避雷器的保護(hù)水平：雷電沖擊保護(hù)水平（BIL）；操作沖擊保護(hù)水平（BSL）。分別為對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)沖擊放電電流作用下，避雷器上呈現(xiàn)的最高電壓（殘壓）。絕緣水平=K.U殘K的影響因素（1.25~1.4）：避雷器和被保護(hù)設(shè)備之間的距離；避雷器參數(shù)和性能的變化；設(shè)備絕緣的老化；安全裕度。額定電壓最高工作電壓額定操作沖擊耐受電壓額定雷電沖擊耐受電壓額定短時(shí)工頻耐受電壓有效值（kV）峰值（kV）相對(duì)地過電壓（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－－－325－140110126－－－450/480*－185220252－－－850－36095039