第16章电力系统的绝缘

《电气工程基础》第十六章 电力系统的绝缘
套管 当导体穿过变压器等的箱体以及墙壁、地板、 屋顶等隔板时需要有通道，套管就是使这些导体 与隔板绝缘的一种支持装置。套管可分类如下：
瓷套管 单一式套管－ 树脂套管 充油式套管 油纸电容式套管 套管－ 电容式套管－ 胶纸电容式套管 充填绝缘混合物套管 复合套管 充气 套管
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2. 利用空间电荷改善电场分布 当导线直径减小到一定程度后，气隙的工频击穿 电压反而会随导线直径的减小而提高，出现所谓“ 细线效应”。 3. 采用屏障 在气隙中放置形状和位置合适、能阻碍带电粒 子运动和调整空间电荷分布的屏障，也是提高气体 介质电气强度的一种有效方法。 4. 采用高气压 提高气压会大大减小电子的自由行程长度，削 弱和抑制了电离过程，使气体的电气强度得到提高 。如果在采用高压的同时再以某些高强度的气体（ 例如SF6 气体）来替代空气，能获得更好的效果。
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气体绝缘电缆（GIC） 气体绝缘管道输电线亦可称为气体绝缘电缆 (GIC），它与充油电缆相比具有如下优点： 1、电容量小。 2、损耗小。 3、传输容量大。 气体绝缘变压器（GIT） 气体绝缘变压器（GIT）与传统的油浸变压器 相比，有以下主要优点： 1、GIT是防火防爆型变压器。 2、GIT的噪声小于油浸变压器。 3、气体介质不会老化，简化了维护工作。
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电场的不均匀程度对SF6 电气强度的影响远比对
空气的的大， SF6 的优异性能只有在电场比较均匀的 情况下才能得到充分的发挥。
电极表面粗糙度Ra 对SF6 气体强度Eb的影响随着
工作气压的提高而增大。电极表面粗糙度大时表面突 ຫໍສະໝຸດ Baidu处的局部电场强度要比气隙的平均电场强度的大得 多。电极表面还会有其它缺陷，电极表面积越大这类 缺陷出现的概率也就越大，SF6 的击穿场强就越低， 这一现象称为“面积效应”。
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由电击穿理论知 ：纯净液体的密度增加时，击穿场 强会增大；温度升高时液体膨胀击穿场强会下降；由于 电子崩的产生和空间电荷层的形成需要一定时间，当电 压作用时间很短时，击穿场强将提高，因此液体介质的 冲击击穿场强高于工频击穿场强。 （二）气泡击穿理论 在交流电压下，串联介质中的电场分布是与介质的 εr 成反比的。由于气泡的εr 最小（≈1），其电气强 度又比液体介质低得多，所以气泡先发生电离。气泡电 离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电离近一 步发展。电离产生的带电离子撞击油分子，使它又分解 出气体，导致气体通道扩大。击穿就可能在此通道中发 生。
U50% 750 2 ln( 1 0.55d 1.2 )kV
不对称的极不均匀电场（例如“棒—板” 气隙）在直 流电压下的击穿具有明显的极性效应。“棒—板” 气 隙在负极性时的击穿电压大大高于正极性时的击穿电 压。
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对极不均匀电场长气隙来说，操作冲击电压下 的击穿 具有如下特点： （1）操作冲击电压的波形对气隙的电气强度有很大的 影响。 （2）在各种类型的作用电压中，以操作冲击电压下的 电气强度为最小。 （3）极不均匀电场长气隙的操作冲击击穿电压具有显 著的“饱和”特征。
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五 、提高气体介质电气强度的方法
提高气隙的击穿电压有两种途径：一是改善气隙 中的电场分布，使之尽量均匀；二是设法消弱或抑制 气体介质中的电离过程。具体方法有： 1.改进电极形状 电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大 。改进电极形状（增大电极的曲率半径、消除电极表 面的毛刺、尖角等）减小气隙中的最大电场强、改善 电场分布、提高气隙的击穿电压。
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污闪危害：污闪事故后果大于雷击事故后果，因为雷击 仅发生在一点，可实现自动重合闸，停电短，影响小； 污闪一般为一片地区，难实现自动重合闸，停电长，影 响大。 防止污闪：
(一)增大泄露距离；
(二)定期或不定期的清扫； (三)涂憎水性涂料，防止形成水膜； (四)半导体釉绝缘子； (五)新型合成绝缘子。
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介质损耗角δ为功率因数角 的余角，其正切tanδ 又可称为介质损耗因数，常用百分数（％）来表示。 它受外加电压的频率、大小及环境温度的影响。 三、击穿场强 （一）电子碰撞电离理论 当外电场足够强时，在阴极产生的强场发射或因 肖特基效应发射的电子将被电场加速而具有足够的动 能，在碰撞液体分子是可引起电离，使电子数加倍， 形成电子崩。当外加电压增大到一定程度时，电子崩 电流回急剧增大，从而导致液体介质的击穿。 纯净液体介质的电击穿理论与气体放电的汤逊 理论中 α 、γ 的作用有些相似
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按载流子的不同，电介质的电导可分为离子 电导和电子电导两种，前者以离子为载流子，而 后者以自由电子为载流子。离子电导又可分为本 征（固有）离子电导和杂质离子电导。在纯净的 非极性电介质中，电导率是很小的，亦即电阻率 很大；而极性电介质因具有较大的本征离子电导 ，其电阻率就小得多了（ 1010～1014Ω· cm）。 固体和液体介质的电导率 γ 和温度 T 的关 系均可近似的用下式表示
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绝缘子
1.绝缘子的类型
按形状、工作电压、材质分类。 2.绝缘子的失效。 固体介质击穿：一旦发生击穿，即意味着不可逆转地丧失 绝缘功能。 沿介质表面发生闪络：由于大多数绝缘子以电瓷、玻璃等 硅酸盐材料组成，所以沿着它们的表面发生放电或闪络时 ，一般不会导致绝缘子的永久性损坏。电力系统的外绝缘 ，一般均为自恢复绝缘，因为绝缘子闪络或空气间隙击穿 后，只要切除电源，它们的绝缘性能都能很快地自动彻底 恢复。
式中
Ub——击穿电压，kV ； d ——极间距离，也就是间隙距离，cm ； δ ——空气相对密度
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平均击穿场强: Eb
Ub 24.55 6.66 / d (kV / cm ) d
由上式可知，随着极距离 d 的增大，击穿场强 Eb 稍有下降，在d=1～10cm 的范围内，其击穿场强约为 30kv/cm 。
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4.防止污闪 环境应力：雨、露、雪、雾、风等气候条件和工业粉尘 、废气、自然盐碱、灰尘、鸟粪等污秽物的污染。 闪络形成：雨、雾、露等不利天气时，污层将被水分湿 润，电导大增，工作电压下泄漏电流大增。绝缘子表面 上不断延伸发展局部电弧（称为爬电），一旦达到某一 临界长度时，自动贯穿两极，形成沿面闪络。 污闪过程：可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的 出现和发展。 积污地点：城市>农村；化工厂、火电厂、冶炼厂等重污 染地区。 污层受潮条件：多雾；常下小雨；易凝露地区；长期干 旱。
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2. 极不均匀电场间隙的击穿电压
在各种各样的极不均匀电场气隙中，“棒—棒”气隙 具有完全的对称性，而“棒—板”气隙具有最大的不 对称性。其他的极不均匀电场气隙的击穿情况均处于 这两种极端情况的击穿特性之间.棒—板间隙就是一种 极不均匀电场间隙，对间隙距离在1～3m的棒—板间 隙的U50%击穿电压可以用以下近似式进行计算：
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四、空气间隙的击穿电压
1.均匀电场间隙的击穿电压 均匀电场击穿所需的时间很短，它在直流、工频和 冲击电压作用下的击穿电压基本相同，击穿电压分散 性很小，伏秒特性很快就变平。 均匀电场空气间隙击穿电压特性可用下面的经验公 式来表示:
Ub 24.55 d 6.66 d (kV )
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气体绝缘电气设备（GIS） GIS 由断路器、隔离开关、接地刀闸、互感器 、避雷器、母线、连线和出线终端等部件组合而成 ，全部封闭在充SF6 气体的金属外壳中。 与传统敞开式配电装置相比，GIS具有下列突出 优点： 1、 大大节省占地面积和空间体积 。 2、运行安全可靠。 3、有利于环保，使运行人员不受电场和磁场的 影响。 4、安装工作量小、检修周期长。
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第十六章 电力系统的绝缘 第一节 气体放电
一、均匀电场中的气体放电 放电在两平板电极间整个空间都是均匀连续发展 的。放电过程分为α 过程和β 过程。 自恃放电条件 二、放电类型 1. 辉光放电 2. 火花放电 3. 电弧放电 4. 电晕放电
（ead -1） 1
Ae

B T
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式中A、B为常数，均与介质的特性有关，但固体介 质的常数B通常比液体介质B值大得多；T为绝对温 度，K。 上式表明，电介质的电导率随温度按指数规律 上升。 二、电介质损耗 电介质损耗是指在电场作用下引起电介质发热所 损失的部分功率，用来判断绝缘材料的质量和状态 。在直流电压的作用 下，电介质中没有周期性的极 化过程，只要外加电压还没到达引起局部放电的数 值，介质中的损耗将仅由电导所引起，不必再引入 介质损耗这个概念。 交流电压下除电导损耗外，还有周期性极化引起 的损耗。
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三、影响气体放电的因素 1. 气压和间隙对气体放电的影响 2. 温度对气体放电的影响 气温对气体放电的影响是由于气体密度变化引起的。 3. 电场不均匀程度对气体放电的影响 4. 冲击电压对气体放电的影响 冲击电压的击穿特性和所加电压的上升时间和持 续时间有关。 50%击穿电压。
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第二节 绝缘子和沿表面放电
高压绝缘子包括高压套管，它们的基本用途是在电 力系统或电气设备中将不同电位的导电体在机械上固定 起来。其绝缘状况关系到整个电力系统的可靠运行。在 高压输电线路中，绝缘子的投资百分率随电压等级而上 升，在132、275、400和750kV的架空线路中，分别约占 输电线路造价的11、18、22和24% 。因此，绝缘子及套 管在电力系统中占有重要的位置。
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六、 SF6 和气体绝缘设备
SF6 的电气强度约为空气的2.5倍，灭弧能力是空气的
100倍以上。在超高压和特高压范畴内，它已完全取代绝 缘油和压缩空气成为唯一的断路器灭弧媒质了。在封闭式 气体绝缘组合电器（GIS）和充气管道输电线等装置中， SF6 也被广泛的采用。
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第三节 液体和固体介质的电气特性
液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内 绝缘。应用的最多的液体介质是变压器油以及 电容器油和电缆油。用作内绝缘的固体介质常 见的有绝缘纸、纸板、云母、塑料等。以及用 于制造绝缘子的电瓷、玻璃和硅橡胶等。 一、 电介质的电导 任何电介质都不同程度地具有一定的导电 性，表征电介质导电性能的主要物理量即为电 导率 γ 或其倒数——电阻率 ρ 。
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5. 采用高电气强度气体 在众多气体中，有一些含卤族元素的强电负性气体[ 例如六氟化硫（SF6）、氟里昂（CCl2F2）等]的电气 强度特别高可称为高电气强度气体。 6. 采用高真空 高真空度可以减弱气体的碰撞电离过程从而显著提 高气隙的击穿电压。在高真空时，不能用简单的气体放 电理论来说明。在极间距离较小时，高真空的击穿与阴 极表面的强场发射有关。
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沿固体介质表面的闪络电压不但比固体介质本身的击 穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击 穿电压低不少。可见绝缘的实际水平取决于它的沿面 闪络电压。它与设备表面的干燥、潮湿或清洁、污染 有较大关系。 3.绝缘子的电压分布。 绝缘子电压分布不均，需在导线端安装均压坏。