第二篇 绝缘结构设计概论
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课间休息
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第二章 基本知识概述
1、绝缘材料的四大参数
实现产品的性能要求 2、导体、磁路、绝缘、机械等
绝缘：有机材料、老化性能差，主要薄弱环节 50％～80％电力系统停电故障由绝缘故障（热击穿、电击
穿）引起，如：发电机线圈绝缘、变压器匝间绝缘、线路绝缘 子表面污秽闪络。
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四、绝缘结构分类
1、按耐热分级：Y90ºC、A105ºC、E120ºC、 B130ºC、F155ºC、H180ºC、C220～250ºC
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五、本课程目的和任务
1、学会应用已学理论解决实际问题 （1）理论基础：电磁场、高等数学（复变函数等）—电场计算 （2）专业理论：极化、电导、损耗、击穿—绝缘结构分析和设计 （3）设计要素：参数选取、单位、量纲、经验数据及公式、图表 2、基本要求 （1）掌握几种基本电场的计算、分析；掌握几种多层电场计算 分析方法； （2）掌握绝缘结构对绝缘材料和制造工艺的基本要求； （3）熟悉绝缘结构（电缆）在使用或运行中的性能要求和技术 条件，电、热、机械和环境对绝缘结构的影响，老化和使用寿命以 及可靠性的关系，明确制造与运行的相互关系。
E= U r ln R r0
最大电场 据关系
Emax =
U R
r0 ln r0
τ = CU
得电容公式
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2.2－7 2.2－8
r0 R r
2.2－9
2.2－10
C = τ = 2πε rε 0 U ln R r0
C = 4πε rε 0r0
2.2－6
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2）柱形电场
公式
E= τ 2πε rε 0 r
电压与电场关系
∫R
U = E(r)dr =
τ
ln R
r0来自百度文库
2πε rε 0 r0
内外导体间任意位置电场
击穿强度EB ，介质损耗因数tanδ，介电常数ε ，体积电阻率ρ （1）击穿强度EB EB 与电极形式有关，均匀电场下才能获得材料的电气强度性能
a)球形电极
b) 柱状电极
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（2）介质损耗因数tanδ
2、基本电场结构及其特征
EB
tanδ
（1）球形电场；
（2）柱形电场；
ρv
ε
（3）平板电场。
3、双层介质电场分布
（1）双层平板 （2）多层柱壳 （3）多层球壳
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1、绝缘材料的四大参数
a 定义：
tan δ D
=
IR IC
= U /Rp U/ 1
=1 ωRpC p
ωC p
b 电缆对tanδ的要求
由于tanδ是导致绝缘发热的 主要因素之一，高压电缆需要 极低的tanδ。
IC
IC
IR
Cp
U Rp
δ
IR
U
（a）
（b）
图 4－16 并联等效电路及相量图
(a) 并联电路模型 (b) 相量图
tan δ D
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三、绝缘结构运行中的影响因素
1、导致绝缘破坏的原因 （1）电力系统内部过电压和外部过电压导致的击穿（不可逆）和 闪络（可逆）。 （2）长期工作电压下的局部放电和电老化，绝缘的电晕腐蚀和树 枝状（电树枝、水树枝、电化学树枝）老化。 （3）长期工作电压下的热击穿。 （4）长期负荷下的热老化（低压电器、电机）。 （5）机械负荷或电磁力，离心力、振动或冲击力所导致的绝缘机 械损伤，腐蚀或松散开裂。 （6）绝缘或其他材料之间热胀冷缩不同导致的绝缘蠕动或开裂。 （7）绝缘在长期工作电压下的电化学作用，例如直流和低频电压 下的电解作用。
第二篇 绝缘结构设计原理
•郑晓泉 教授（Ph.D）博导 •西安交通大学 •电力设备电气绝缘国家重点实验室
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第一章 绝缘结构设计概论
一、绝缘结构概念和设计意义 二、绝缘结构设计的基本要求 三、绝缘结构运行中的影响因素 四、绝缘结构分类 五、本课程目的和任务 参考文献
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1）地域（南方、北方，最高温度，最低温度，气压）； 2）区域（地上、地下，深海、浅海，同步轨道、低轨道）； 3）安装方式（架空、埋地、沟道、巷道）。
充分考虑以后维修方便
（1）维修走廊（设计中的敷设要求） （2）结构中的维修要求，方便拆卸。
=1 ωR pC p
=1 ωC p
⋅1 Rp
两边同乘以U2，则U2/Rp=w
U 2 ⋅ ωC p tan δ
=U2 Rp
= Wm
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（3）介电常数ε
ε= εrε0 ， ε0＝8.85×10-12 F/m 1）相对介电常数 2）真空介电常数 3）电缆（任何一种）对绝缘材料εr的要求 εr→ 1
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课程目的和任务
（4）明确试验对于绝缘结构的重要意义，熟悉典型绝缘（不同电 缆结构）试验方法和要求，具有创新设计能力； （5）熟悉某些基本数据、计算公式和实验曲线在实际电缆设计工 作中的应用；掌握设计参数的选择和设计计算原理；熟悉电性结构 的设计参数、计算方法和大致尺寸；明确电缆设计中的技术经济指 标和可靠性含义。
=
U r0 (1 −
r0 ) R
2.2－4
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孤球电容
据Q＝CU，由2.2－2可方便得出电容计算公式
Q = 4πε r ε 0 = C U 1−1
r0 R
2.2－5
对于孤球，R＝∞，可得
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绝缘结构运行影响因素 （8）环境作用影响：大气条件或有害气氛，化学物（如臭氧、氟、 氯、氧化氮、氧化硫、硫化氢、酸、碱和溶剂）的腐蚀、辐射作 用。 （9）工业污秽，导电性化学污染物，海水、盐雾 （10）生产中造成的绝缘缺陷：杂质和微孔缺陷，绝缘原始性能 不佳和相容性差，装配中的机械损伤。 （11）运行不当及外力损伤
2.2－11
3）平板电场
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3、双层介质电场分布
双层平板，双层同轴，双层球壳
（1）双层平板
由公式
C1
=
ε r1ε 0 A d1
Q1
=
C1U1
=
ε r1ε 0 AU1 d1
C2
目标 （1）高压设备：均匀电场，把钢用在刀刃上，以最低的投资，获
得最佳的 性能和收益。电场设计－￫热校核 （2）地压设备：热因素为主，热老化导致绝缘热击穿。 例如：航天、航空、航海等，电缆的寿命要与运载工具寿命相匹 配，可靠性是第一位的，一般工业品寿命要求较高：比如光纤光 缆 寿 命 要 求 35 年 ； 一 般 电 器 25 年 ； 一 次 性 武 器 系 统 要 求 存 储 稳 定，使用时有100％可靠性；家用电器安全性要求使用年限10年。 民用船类10年。 充分认识运行环境： （1）一般环境：电、热（等级：Y/A/E/B/F/H/C）、机械 （2）设备安装环境：
刘子玉，谢衡堃《电气绝缘结构设计原理》中册， 机械工业出版社，199*
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一、绝缘结构概念和设计意义
1、设计过程 产品技术条件 or 使用要求
合理确定结构 选用材料 材料性能和结构 相互协调充分发挥产品作用
介质电容
Cx
=
ε rε 0 A d
d
空气电容
A
C0
=
ε0A d
Εr定义为同尺寸介质电容与空气
d
电容之比
Cx C0
= εr
A
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（4）体积电阻率ρv 1)定义：单位体积的绝缘电阻Ωcm，或Ωm
R=ρ d Ω
2）量纲
A
d
ρ = R AΩm
A
d
3）电缆对绝缘电阻率要求
ρv→ ∞
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几类绝缘介质材料的典型电气参数
EB kV/mm
tanδ%
ε ρvΩcm 70ºC
PVC 20
=
ε r2ε 0 A d2
Q2
= C2U 2
=
ε r2ε 0 AU 2 d2
1）交流情况下
2.2－12
2.2－13 2.2－14
0.1
3.6 1011
PE XLPE 43.6 37.8
0.02 0.06
2.11 2.11 1017 1016
复合纸 高压电缆油 SF6 Air
120 35kV/2.5mm 6.9 3
～
0.08 0.15 （80ºC）
07.5 0
2.8 2.3
1.002 1
1014
∞∞
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5、电气试验 （1）工频， （2）直流试验， （3）冲击波（截波、全波、操作波） 6、对绝缘结构设计人员一般要求 （1）熟悉绝缘结构设计一般理论、基础知识
基础：计算数学、电路、磁路、电磁场 专业：电介质物理、化学，电工材料学，绝缘结构设计，电
2、基本电场结构及其特征
球形电场，柱形电场，平板电场
1）球形电场
公式
E
=
Q 4πε rε 0 r 2
电场与电压关系
2.2－1
r0 R r
∫R
U = E(r)dr =
Q
(1 − 1 )
r
4πε rε 0 r R
2.2－2
将2.2－2带入2.2－1得
Emax
=
U r (1 −
r0
)
R
2.2－3
Emax
气绝缘测试技术，高电压技术 （2）会进行电场计算和调整 （3）熟悉绝缘材料性能（物理和化学、老化） （4）熟悉制造工艺和设备 （5）熟悉试验方法和指标（GB和IEC）
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二、绝缘结构设计的基本要求
3、可靠性设计的理念 适应苛刻环境：高电压、高海拔、高容量、高湿热、高气压、高
辐射、高温、高频、激光，低气压、高真空。 选用新型材料：
（1）各种新型有机材料：合成树脂、塑料、高温材料 （2）无机材料：特种陶瓷、钢化玻璃、玻璃纤维，合成云母 （3）液体材料： 4、考核指标 结构试验项目： （1）破坏性试验：击穿试验、机械性能试验、老化试验 （2）可能破坏性试验：耐热试验、负荷试验（电或机） （3）非破坏性试验：绝缘电阻、电容、tanδ、PD、超声
课间休息
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第二章 基本知识概述
1、绝缘材料的四大参数
实现产品的性能要求 2、导体、磁路、绝缘、机械等
绝缘：有机材料、老化性能差，主要薄弱环节 50％～80％电力系统停电故障由绝缘故障（热击穿、电击
穿）引起，如：发电机线圈绝缘、变压器匝间绝缘、线路绝缘 子表面污秽闪络。
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四、绝缘结构分类
1、按耐热分级：Y90ºC、A105ºC、E120ºC、 B130ºC、F155ºC、H180ºC、C220～250ºC
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五、本课程目的和任务
1、学会应用已学理论解决实际问题 （1）理论基础：电磁场、高等数学（复变函数等）—电场计算 （2）专业理论：极化、电导、损耗、击穿—绝缘结构分析和设计 （3）设计要素：参数选取、单位、量纲、经验数据及公式、图表 2、基本要求 （1）掌握几种基本电场的计算、分析；掌握几种多层电场计算 分析方法； （2）掌握绝缘结构对绝缘材料和制造工艺的基本要求； （3）熟悉绝缘结构（电缆）在使用或运行中的性能要求和技术 条件，电、热、机械和环境对绝缘结构的影响，老化和使用寿命以 及可靠性的关系，明确制造与运行的相互关系。
E= U r ln R r0
最大电场 据关系
Emax =
U R
r0 ln r0
τ = CU
得电容公式
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2.2－7 2.2－8
r0 R r
2.2－9
2.2－10
C = τ = 2πε rε 0 U ln R r0
C = 4πε rε 0r0
2.2－6
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2）柱形电场
公式
E= τ 2πε rε 0 r
电压与电场关系
∫R
U = E(r)dr =
τ
ln R
r0来自百度文库
2πε rε 0 r0
内外导体间任意位置电场
击穿强度EB ，介质损耗因数tanδ，介电常数ε ，体积电阻率ρ （1）击穿强度EB EB 与电极形式有关，均匀电场下才能获得材料的电气强度性能
a)球形电极
b) 柱状电极
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（2）介质损耗因数tanδ
2、基本电场结构及其特征
EB
tanδ
（1）球形电场；
（2）柱形电场；
ρv
ε
（3）平板电场。
3、双层介质电场分布
（1）双层平板 （2）多层柱壳 （3）多层球壳
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1、绝缘材料的四大参数
a 定义：
tan δ D
=
IR IC
= U /Rp U/ 1
=1 ωRpC p
ωC p
b 电缆对tanδ的要求
由于tanδ是导致绝缘发热的 主要因素之一，高压电缆需要 极低的tanδ。
IC
IC
IR
Cp
U Rp
δ
IR
U
（a）
（b）
图 4－16 并联等效电路及相量图
(a) 并联电路模型 (b) 相量图
tan δ D
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三、绝缘结构运行中的影响因素
1、导致绝缘破坏的原因 （1）电力系统内部过电压和外部过电压导致的击穿（不可逆）和 闪络（可逆）。 （2）长期工作电压下的局部放电和电老化，绝缘的电晕腐蚀和树 枝状（电树枝、水树枝、电化学树枝）老化。 （3）长期工作电压下的热击穿。 （4）长期负荷下的热老化（低压电器、电机）。 （5）机械负荷或电磁力，离心力、振动或冲击力所导致的绝缘机 械损伤，腐蚀或松散开裂。 （6）绝缘或其他材料之间热胀冷缩不同导致的绝缘蠕动或开裂。 （7）绝缘在长期工作电压下的电化学作用，例如直流和低频电压 下的电解作用。
第二篇 绝缘结构设计原理
•郑晓泉 教授（Ph.D）博导 •西安交通大学 •电力设备电气绝缘国家重点实验室
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第一章 绝缘结构设计概论
一、绝缘结构概念和设计意义 二、绝缘结构设计的基本要求 三、绝缘结构运行中的影响因素 四、绝缘结构分类 五、本课程目的和任务 参考文献
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1）地域（南方、北方，最高温度，最低温度，气压）； 2）区域（地上、地下，深海、浅海，同步轨道、低轨道）； 3）安装方式（架空、埋地、沟道、巷道）。
充分考虑以后维修方便
（1）维修走廊（设计中的敷设要求） （2）结构中的维修要求，方便拆卸。
=1 ωR pC p
=1 ωC p
⋅1 Rp
两边同乘以U2，则U2/Rp=w
U 2 ⋅ ωC p tan δ
=U2 Rp
= Wm
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（3）介电常数ε
ε= εrε0 ， ε0＝8.85×10-12 F/m 1）相对介电常数 2）真空介电常数 3）电缆（任何一种）对绝缘材料εr的要求 εr→ 1
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课程目的和任务
（4）明确试验对于绝缘结构的重要意义，熟悉典型绝缘（不同电 缆结构）试验方法和要求，具有创新设计能力； （5）熟悉某些基本数据、计算公式和实验曲线在实际电缆设计工 作中的应用；掌握设计参数的选择和设计计算原理；熟悉电性结构 的设计参数、计算方法和大致尺寸；明确电缆设计中的技术经济指 标和可靠性含义。
=
U r0 (1 −
r0 ) R
2.2－4
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孤球电容
据Q＝CU，由2.2－2可方便得出电容计算公式
Q = 4πε r ε 0 = C U 1−1
r0 R
2.2－5
对于孤球，R＝∞，可得
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绝缘结构运行影响因素 （8）环境作用影响：大气条件或有害气氛，化学物（如臭氧、氟、 氯、氧化氮、氧化硫、硫化氢、酸、碱和溶剂）的腐蚀、辐射作 用。 （9）工业污秽，导电性化学污染物，海水、盐雾 （10）生产中造成的绝缘缺陷：杂质和微孔缺陷，绝缘原始性能 不佳和相容性差，装配中的机械损伤。 （11）运行不当及外力损伤
2.2－11
3）平板电场
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3、双层介质电场分布
双层平板，双层同轴，双层球壳
（1）双层平板
由公式
C1
=
ε r1ε 0 A d1
Q1
=
C1U1
=
ε r1ε 0 AU1 d1
C2
目标 （1）高压设备：均匀电场，把钢用在刀刃上，以最低的投资，获
得最佳的 性能和收益。电场设计－￫热校核 （2）地压设备：热因素为主，热老化导致绝缘热击穿。 例如：航天、航空、航海等，电缆的寿命要与运载工具寿命相匹 配，可靠性是第一位的，一般工业品寿命要求较高：比如光纤光 缆 寿 命 要 求 35 年 ； 一 般 电 器 25 年 ； 一 次 性 武 器 系 统 要 求 存 储 稳 定，使用时有100％可靠性；家用电器安全性要求使用年限10年。 民用船类10年。 充分认识运行环境： （1）一般环境：电、热（等级：Y/A/E/B/F/H/C）、机械 （2）设备安装环境：
刘子玉，谢衡堃《电气绝缘结构设计原理》中册， 机械工业出版社，199*
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一、绝缘结构概念和设计意义
1、设计过程 产品技术条件 or 使用要求
合理确定结构 选用材料 材料性能和结构 相互协调充分发挥产品作用
介质电容
Cx
=
ε rε 0 A d
d
空气电容
A
C0
=
ε0A d
Εr定义为同尺寸介质电容与空气
d
电容之比
Cx C0
= εr
A
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（4）体积电阻率ρv 1)定义：单位体积的绝缘电阻Ωcm，或Ωm
R=ρ d Ω
2）量纲
A
d
ρ = R AΩm
A
d
3）电缆对绝缘电阻率要求
ρv→ ∞
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几类绝缘介质材料的典型电气参数
EB kV/mm
tanδ%
ε ρvΩcm 70ºC
PVC 20
=
ε r2ε 0 A d2
Q2
= C2U 2
=
ε r2ε 0 AU 2 d2
1）交流情况下
2.2－12
2.2－13 2.2－14
0.1
3.6 1011
PE XLPE 43.6 37.8
0.02 0.06
2.11 2.11 1017 1016
复合纸 高压电缆油 SF6 Air
120 35kV/2.5mm 6.9 3
～
0.08 0.15 （80ºC）
07.5 0
2.8 2.3
1.002 1
1014
∞∞
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5、电气试验 （1）工频， （2）直流试验， （3）冲击波（截波、全波、操作波） 6、对绝缘结构设计人员一般要求 （1）熟悉绝缘结构设计一般理论、基础知识
基础：计算数学、电路、磁路、电磁场 专业：电介质物理、化学，电工材料学，绝缘结构设计，电
2、基本电场结构及其特征
球形电场，柱形电场，平板电场
1）球形电场
公式
E
=
Q 4πε rε 0 r 2
电场与电压关系
2.2－1
r0 R r
∫R
U = E(r)dr =
Q
(1 − 1 )
r
4πε rε 0 r R
2.2－2
将2.2－2带入2.2－1得
Emax
=
U r (1 −
r0
)
R
2.2－3
Emax
气绝缘测试技术，高电压技术 （2）会进行电场计算和调整 （3）熟悉绝缘材料性能（物理和化学、老化） （4）熟悉制造工艺和设备 （5）熟悉试验方法和指标（GB和IEC）
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二、绝缘结构设计的基本要求
3、可靠性设计的理念 适应苛刻环境：高电压、高海拔、高容量、高湿热、高气压、高
辐射、高温、高频、激光，低气压、高真空。 选用新型材料：
（1）各种新型有机材料：合成树脂、塑料、高温材料 （2）无机材料：特种陶瓷、钢化玻璃、玻璃纤维，合成云母 （3）液体材料： 4、考核指标 结构试验项目： （1）破坏性试验：击穿试验、机械性能试验、老化试验 （2）可能破坏性试验：耐热试验、负荷试验（电或机） （3）非破坏性试验：绝缘电阻、电容、tanδ、PD、超声