高电压与绝缘应用及发展新技术
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任务1
典型绝缘材料
【活动场景】 在教学教室或高电压实训室中进行。 【任务要求】 掌握气体、液体、固体三种类型的典型绝缘材料。
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【知识准备】 (一)典型绝缘材料
1、绝缘材料的定义
在电工技术上，电阻系数大于109Ω· cm的材料被称为绝缘材料或电介 质，其作用是在电气设备中把电位不同的带电部分隔离开来。 绝缘材料应具有良好的介电性能，即具有较高的绝缘电阻和耐受电 压强度，并能避免发生漏电、爬电或击穿等事故。其耐热性能要好，其 中尤其以不因长期受热作用而产生性能劣化最为重要。此外，还要有良 好的导热性、耐潮和有较高的机械强度以及工艺加工方便等要求。 绝缘材料按其存在状态分为气体、液体和固体等三种类型。
项目1 项目2
高电压与绝缘技术的主要内容 高电压与绝缘技术的应用现状
项目3
高电压与绝缘技术的应用现状发展新方向
项目1
高电压与绝缘技术的主要内容
2
【项目描述】 目前，我国电力系统正在进入特高压输电和智能电网的时代，交 流传输最高电压已提升到 1000kV ，直流传输最高电压也已提升到 〒800kV，大量智能变电站的投入运行，电网运行与控制的自动化程 度也越来越高。不断提高的输电电压等级和智能电网的技术要求，既 给高电压与绝缘技术提出了许多有待进一步研究的现实问题，也使高 电压与绝缘技术的理论和实践不断完善和发展。本项目明确阐述了高 电压技术的研究内容即电气装臵的绝缘、绝缘的测试和电力系统的过 电压等。
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（1）空气 空气在自然界中分布最广且最廉价，是应用最广的一种气体电 介质。作为一种混合介质， 空气具有液化温度低(-192℃)、击穿后 能自愈、物理化学性能稳定等优点，所以在断路器中多以空气作为 绝缘介质。 （2）氮气
与空气相比，氮气化学性质更稳定(空气中含有约21%的氧气及 其它杂质，与金属材料接触时，由于氧化使之易于腐蚀材料 ) ，其 呈惰性且不助燃，压缩氮气在电气设备中是一种常用的气体电介质。
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图5.2 纯净变压器油
（3）六氟化硫气体 六氟化硫（ SF6 ）气体是一种电负性气体（即容易吸附自由电 子），具有较高的击穿场强，在均匀电场下，其耐受击穿场强大约 为空气的 2.5 倍。在高压开关设备中 ， SF6 气体的工作压力如为 0.6MPa，此时击穿场强高出0.1MPa空气的10倍。因此，使用SF6气体 的高压开关设备，能大幅减小占地面积和设备体积。空气与SF6开关 设备的占地面积之比为30:1。同时SF6气体具有优良的灭弧性能，在 高压灭弧室中，其灭弧能力约为空气的数十倍。
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3、液体绝缘材料 液体绝缘材料不仅具有较高的电气强度，而且它的流动性使 其还具有散热和灭弧作用，特别是它和固体绝缘材料一道使用时， 可以填充固体介质的空隙，从而大大提高了绝缘的局部放电起始 电压和绝缘的电气强度。在一些高压电气设备中，充作绝缘用的 液体绝缘材料主要是矿物油和合成油两大类。
矿物油是从石油中提炼出来的由许多碳氢化合物（即一般所 称的“烃”）组成的混合物。其中绝大部分为：烷烃、环烷烃和 芳香烃这三种。不同地区出产的矿物绝缘油，上述这三种主要烃 类含量也多有不同。按不同成分和经不同精制过程后分别适用于 不同电气设备的绝缘油，分别称之为变压器油、电容器油、电缆 油和开关油等。
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2、气体绝缘材料 气体是电气设备中重要的电介质。在一些设备中，气体作为 主绝缘，其他固体电介质只起支撑作用，例如架空线、空气电容 器、断路器等。气体也可与承担主绝缘的固体或液体电介质以串 联或并联的形式存在。另外，在固体或液体绝缘中，都或多或少 地存在一定量的气体空隙，因此，气体绝缘材料是绝缘技术中应 用最广泛的绝缘材料。 气体绝缘材料主要包括空气、氮气、六氟化硫和它们的混合 气体等。
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【学习目标】 通过本项目的学习,要求掌握以下基本知识: 1.典型的绝缘材料。 2.电解质的电气性能。 3.气体、液体、固体电解质的击穿。 4.绝缘测试技术。 5.雷电及防雷装臵。 6.电力系统过电压。 【技能目标】
1.了解典型绝缘材料及其电气性能。
2.通过绝缘测试试验,掌握绝缘测试原理及方法。 3.了解雷电过电压产生原理，掌握防雷装臵。 4.了解电力系统过电压产生原理和限制过电压所 采取的方法。
充有SF6气体的全封闭组合开关设备。
图5.1 气体绝缘组合开关设备
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（4）混合气体 混合气体通常由两种或多种气体组成，目前作为电气绝缘 用混合气体大致可分为：① SF6或氟化烃气体与永久性气体混 合，如：SF6-He，SF6-N2；②SF6和其它电负性气体混合，如： SF6-空气，SF6-CO2，SF6-N2，SF6-氟化烃气体；③其它混合气 体，如：CO2-N2，CO2-空气。在上述混合气体中，SF6和其它气 体的混合气体具有比纯 SF 6更优异的电气强度，价格也较便宜， 特别是SF6-N2混合气体，被认为是目前较有发展前途的一种混 合气体。
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合成油是通过化学合成或精炼加工的方法获得的，其工艺复杂， 炼制成本高昂。常见的合成油如有机硅油、十二烷基苯（分子中平均 含碳原子数为12的烷基苯的混合物）和聚丁烯等。有机硅油多用于绝 缘子表面防污闪涂刷，十二烷基苯多用于充油电缆和浸渍电容器。而 目前高压电气设备中应用最多的还是矿物油。
（1）变压器油
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纯净的SF6气体是无毒的，有较好的化学稳定性和耐热性，在
150℃下不与水、酸、碱、卤素及绝缘材料作用，在500℃以下不分
解， 但温度超过600℃时，SF6气体将产生部分热分解。近30 年来， SF6气体在高压电气设备中的应用日益广泛，如充SF6气体的互感器
Hale Waihona Puke 和断路器已成为我国220～500kV 电力系统中的主流设备。图5.1为
变压器油是一种液体绝缘材料，大多采用矿物绝缘油，是石油的 一种分馏产物，其主要成分是烷烃，环烷族饱和烃，芳香族不饱和烃 等化合物。变压器油用于油浸变压器及其他油浸电力设备（如油断路 器、互感器等）中，具有质地纯净、绝缘性能良好、理论性能稳定、 粘度较低等特点。图5.2和图5.3分别为纯净变压器油和不纯净变压器 油。
任务1
典型绝缘材料
【活动场景】 在教学教室或高电压实训室中进行。 【任务要求】 掌握气体、液体、固体三种类型的典型绝缘材料。
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【知识准备】 (一)典型绝缘材料
1、绝缘材料的定义
在电工技术上，电阻系数大于109Ω· cm的材料被称为绝缘材料或电介 质，其作用是在电气设备中把电位不同的带电部分隔离开来。 绝缘材料应具有良好的介电性能，即具有较高的绝缘电阻和耐受电 压强度，并能避免发生漏电、爬电或击穿等事故。其耐热性能要好，其 中尤其以不因长期受热作用而产生性能劣化最为重要。此外，还要有良 好的导热性、耐潮和有较高的机械强度以及工艺加工方便等要求。 绝缘材料按其存在状态分为气体、液体和固体等三种类型。
项目1 项目2
高电压与绝缘技术的主要内容 高电压与绝缘技术的应用现状
项目3
高电压与绝缘技术的应用现状发展新方向
项目1
高电压与绝缘技术的主要内容
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【项目描述】 目前，我国电力系统正在进入特高压输电和智能电网的时代，交 流传输最高电压已提升到 1000kV ，直流传输最高电压也已提升到 〒800kV，大量智能变电站的投入运行，电网运行与控制的自动化程 度也越来越高。不断提高的输电电压等级和智能电网的技术要求，既 给高电压与绝缘技术提出了许多有待进一步研究的现实问题，也使高 电压与绝缘技术的理论和实践不断完善和发展。本项目明确阐述了高 电压技术的研究内容即电气装臵的绝缘、绝缘的测试和电力系统的过 电压等。
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（1）空气 空气在自然界中分布最广且最廉价，是应用最广的一种气体电 介质。作为一种混合介质， 空气具有液化温度低(-192℃)、击穿后 能自愈、物理化学性能稳定等优点，所以在断路器中多以空气作为 绝缘介质。 （2）氮气
与空气相比，氮气化学性质更稳定(空气中含有约21%的氧气及 其它杂质，与金属材料接触时，由于氧化使之易于腐蚀材料 ) ，其 呈惰性且不助燃，压缩氮气在电气设备中是一种常用的气体电介质。
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图5.2 纯净变压器油
（3）六氟化硫气体 六氟化硫（ SF6 ）气体是一种电负性气体（即容易吸附自由电 子），具有较高的击穿场强，在均匀电场下，其耐受击穿场强大约 为空气的 2.5 倍。在高压开关设备中 ， SF6 气体的工作压力如为 0.6MPa，此时击穿场强高出0.1MPa空气的10倍。因此，使用SF6气体 的高压开关设备，能大幅减小占地面积和设备体积。空气与SF6开关 设备的占地面积之比为30:1。同时SF6气体具有优良的灭弧性能，在 高压灭弧室中，其灭弧能力约为空气的数十倍。
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3、液体绝缘材料 液体绝缘材料不仅具有较高的电气强度，而且它的流动性使 其还具有散热和灭弧作用，特别是它和固体绝缘材料一道使用时， 可以填充固体介质的空隙，从而大大提高了绝缘的局部放电起始 电压和绝缘的电气强度。在一些高压电气设备中，充作绝缘用的 液体绝缘材料主要是矿物油和合成油两大类。
矿物油是从石油中提炼出来的由许多碳氢化合物（即一般所 称的“烃”）组成的混合物。其中绝大部分为：烷烃、环烷烃和 芳香烃这三种。不同地区出产的矿物绝缘油，上述这三种主要烃 类含量也多有不同。按不同成分和经不同精制过程后分别适用于 不同电气设备的绝缘油，分别称之为变压器油、电容器油、电缆 油和开关油等。
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2、气体绝缘材料 气体是电气设备中重要的电介质。在一些设备中，气体作为 主绝缘，其他固体电介质只起支撑作用，例如架空线、空气电容 器、断路器等。气体也可与承担主绝缘的固体或液体电介质以串 联或并联的形式存在。另外，在固体或液体绝缘中，都或多或少 地存在一定量的气体空隙，因此，气体绝缘材料是绝缘技术中应 用最广泛的绝缘材料。 气体绝缘材料主要包括空气、氮气、六氟化硫和它们的混合 气体等。
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【学习目标】 通过本项目的学习,要求掌握以下基本知识: 1.典型的绝缘材料。 2.电解质的电气性能。 3.气体、液体、固体电解质的击穿。 4.绝缘测试技术。 5.雷电及防雷装臵。 6.电力系统过电压。 【技能目标】
1.了解典型绝缘材料及其电气性能。
2.通过绝缘测试试验,掌握绝缘测试原理及方法。 3.了解雷电过电压产生原理，掌握防雷装臵。 4.了解电力系统过电压产生原理和限制过电压所 采取的方法。
充有SF6气体的全封闭组合开关设备。
图5.1 气体绝缘组合开关设备
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（4）混合气体 混合气体通常由两种或多种气体组成，目前作为电气绝缘 用混合气体大致可分为：① SF6或氟化烃气体与永久性气体混 合，如：SF6-He，SF6-N2；②SF6和其它电负性气体混合，如： SF6-空气，SF6-CO2，SF6-N2，SF6-氟化烃气体；③其它混合气 体，如：CO2-N2，CO2-空气。在上述混合气体中，SF6和其它气 体的混合气体具有比纯 SF 6更优异的电气强度，价格也较便宜， 特别是SF6-N2混合气体，被认为是目前较有发展前途的一种混 合气体。
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合成油是通过化学合成或精炼加工的方法获得的，其工艺复杂， 炼制成本高昂。常见的合成油如有机硅油、十二烷基苯（分子中平均 含碳原子数为12的烷基苯的混合物）和聚丁烯等。有机硅油多用于绝 缘子表面防污闪涂刷，十二烷基苯多用于充油电缆和浸渍电容器。而 目前高压电气设备中应用最多的还是矿物油。
（1）变压器油
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纯净的SF6气体是无毒的，有较好的化学稳定性和耐热性，在
150℃下不与水、酸、碱、卤素及绝缘材料作用，在500℃以下不分
解， 但温度超过600℃时，SF6气体将产生部分热分解。近30 年来， SF6气体在高压电气设备中的应用日益广泛，如充SF6气体的互感器
Hale Waihona Puke 和断路器已成为我国220～500kV 电力系统中的主流设备。图5.1为
变压器油是一种液体绝缘材料，大多采用矿物绝缘油，是石油的 一种分馏产物，其主要成分是烷烃，环烷族饱和烃，芳香族不饱和烃 等化合物。变压器油用于油浸变压器及其他油浸电力设备（如油断路 器、互感器等）中，具有质地纯净、绝缘性能良好、理论性能稳定、 粘度较低等特点。图5.2和图5.3分别为纯净变压器油和不纯净变压器 油。