電氣工程概論 第五章 高電壓及絕緣技術(shù)

1、電氣工程概論1第第5章章 高電壓與絕緣技術(shù)高電壓與絕緣技術(shù)電氣工程概論251 高電壓與絕緣技術(shù)的發(fā)展高電壓與絕緣技術(shù)的發(fā)展高電壓與絕緣技術(shù)是以試驗研究為基礎(chǔ)的應(yīng)用技術(shù)，主要研究在高電壓作用下各種絕緣介質(zhì)的性能和不同類型的放電現(xiàn)象、高電壓設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計、高電壓試驗和測量的設(shè)備及方法、電力系統(tǒng)的過電壓、高電壓或大電流產(chǎn)生的強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場或電磁波對環(huán)境的影響和防護(hù)措施，以及高電壓、大電流的應(yīng)用等。高電壓技術(shù)對電力工業(yè)、電工制造業(yè)以及近代物理的發(fā)展（如X射線裝置、粒子加速器、大功率脈沖發(fā)生器等）都有重大影響。電氣工程概論3巨型起電機(jī)（MIT Institute Archives） 小型起電機(jī)范德格

2、拉夫高壓靜電起電機(jī)電氣工程概論4l1kV以上至220kV稱為高壓（HV）；l220kV至800kV稱為超高壓（EHV）；l1000kV以上稱為特高壓（UHV）。電壓等級的技術(shù)與高電壓技術(shù)密切相關(guān)，維持與雷可比的高電壓安全運(yùn)行要有水平非常高的技術(shù)，電氣絕緣擔(dān)負(fù)著維持高電壓長期安全的作用。電氣工程概論5l1891年，在德國建造了從臘芬(Lauffen)到法蘭克福長175公里、電壓為15.2kV的三相交流輸電線路，雖然輸送功率只有200kW，但這卻是高電壓技術(shù)在輸電工程中實(shí)際應(yīng)用之先河。l電視機(jī)、霓虹燈、復(fù)印、廢水廢氣處理、人體內(nèi)結(jié)石破碎、靜電防護(hù)等，無不應(yīng)用了高電壓技術(shù)的成果。l絕緣技術(shù)是電氣領(lǐng)域

3、安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，高電壓下絕緣材料的開發(fā)、絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計和絕緣性能的試驗等都是維持電力運(yùn)行的基礎(chǔ)技術(shù)，支持著電力技術(shù)的發(fā)展。l高電壓與絕緣技術(shù)已成為電氣工程及其自動化的一個重要分支。電氣工程概論6交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的610kV的電壓，經(jīng)變壓器升壓，通過主干輸電線送到需求地附近的高壓或超高壓變電站，再經(jīng)過降壓，送到二級高壓變電站或特別高壓用戶變電站中，然后通過二級輸電線送到配電變電站中，經(jīng)過配電變壓器降壓，為適應(yīng)這一要求，必須盡可能提高輸電電壓，以降低損耗。電氣工程概論7l輸電電壓等級經(jīng)歷了交流6、10、20、35、60、110、150、220kV的高壓(HV)，287、330、400、5

4、00、735765kV的超高壓(EHV)，直至1150kV的特高壓(UHV)（工業(yè)試驗線路）。l高壓直流輸電電壓由100、250、400、500發(fā)展至750kV。l地下高壓輸電由220、275、345千伏發(fā)展到400、500千伏電纜和六氟化硫管道線路。l當(dāng)前，我國的交、直流輸電電壓已達(dá)750kV和500kV。l“西電東送”和“北電南送”必然成為我國21世紀(jì)的送電格局，因此我國必將成為世界上少數(shù)幾個發(fā)展1000kV及以上特高壓（UHV）輸電技術(shù)的國家之一。電氣工程概論85.2 高電壓與絕緣技術(shù)的主要內(nèi)容高電壓與絕緣技術(shù)的主要內(nèi)容高電壓與絕緣技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域研究高電壓的產(chǎn)生，在高電壓下絕緣介質(zhì)及其系統(tǒng)

5、的特性，電氣設(shè)備及絕緣，電氣系統(tǒng)過電壓及其限制措施，高電壓試驗技術(shù)，電磁環(huán)境及電磁污染防護(hù)，以及高電壓在技術(shù)的應(yīng)用等。其主要內(nèi)容可分為四部分：各類電介質(zhì)在高電場下的特性，電氣設(shè)備絕緣試驗技術(shù)，電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合，高電壓技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用等。電氣工程概論9521 高電壓的產(chǎn)生高電壓的產(chǎn)生高電壓可由一些物理現(xiàn)象自然形成，如雷電、靜電等；也可以是為達(dá)到某種目的而人為產(chǎn)生，如高壓靜電起電機(jī)。電力系統(tǒng)一般通過高電壓變壓器、高壓電路瞬態(tài)過程變化等產(chǎn)生高電壓。電氣工程概論10一、雷電當(dāng)帶電的雷云之間或雷云與大地之間出現(xiàn)很高的電位差時，就會發(fā)生放電，放電會產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱，通道溫度高達(dá)15000200

6、00度，使空氣急劇膨脹、震動，發(fā)出隆隆聲響，形成雷閃（雷擊）。雷擊的電功率極大，雷電電流達(dá)100kA，雷雨云電壓達(dá)1108V左右，為10010811010KW。但是，雷的能量所持續(xù)的時間非常短，平均電能在300kW.h左右。因此，把雷電轉(zhuǎn)化為可利用能源的價值并不大。電氣工程概論11二二 雷電的危害雷電的危害l雷電可能危害人及家畜，損壞建筑物，設(shè)備雷電可能危害人及家畜，損壞建筑物，設(shè)備和電氣系統(tǒng)，因此需采取防護(hù)對策。和電氣系統(tǒng)，因此需采取防護(hù)對策。l雷電對人、畜的危害來自雷電直擊或雷電對人、畜的危害來自雷電直擊或“跨步跨步電壓電壓”。當(dāng)雷擊中地面物體時，強(qiáng)大的電流。當(dāng)雷擊中地面物體時，強(qiáng)大的電流

7、使地面不同位置的電位由明顯的差別，人行使地面不同位置的電位由明顯的差別，人行走時兩腿間將會有電壓作用，這就是跨步電走時兩腿間將會有電壓作用，這就是跨步電壓?？绮诫妷哼^高時將會危及人身安全。壓?？绮诫妷哼^高時將會危及人身安全。l雷電過電壓會損壞電氣系統(tǒng)，影響吸引的正雷電過電壓會損壞電氣系統(tǒng)，影響吸引的正常運(yùn)行。雷電還會危害高建筑物、通信線路、常運(yùn)行。雷電還會危害高建筑物、通信線路、天線、飛機(jī)、船舶、油庫等的安全。天線、飛機(jī)、船舶、油庫等的安全。電氣工程概論12三、靜電三、靜電1.靜電充電2.靜電放電3.靜電的危害電氣工程概論13四、高電壓發(fā)生裝置四、高電壓發(fā)生裝置1.交流高電壓發(fā)生裝置包括工頻試

8、驗裝置、串聯(lián)諧振試驗裝置和超低頻試驗裝置。2.直流高電壓發(fā)生裝置除用于電氣設(shè)備的試驗，研究外，還可用作帶電粒子加速器、電子顯微鏡、X射線機(jī)、靜電除塵器等的直流高電壓電源。6000kV沖擊電壓發(fā)生器（中國電力科學(xué)院）電氣工程概論14522 高電壓絕緣與電氣設(shè)備高電壓絕緣與電氣設(shè)備一、絕緣材料及其發(fā)展一、絕緣材料及其發(fā)展1、絕緣材料的分類和性能、絕緣材料的分類和性能 絕緣材料可分氣體液體固體三大類。絕緣材料可分氣體液體固體三大類。 常用的氣體絕緣材料有空氣、氮?dú)?、六氟化硫等。常用的氣體絕緣材料有空氣、氮?dú)狻⒘虻?。液體絕緣材料主要有礦物絕緣油、合成絕緣油液體絕緣材料主要有礦物絕緣油、合成絕緣油

9、(硅油、硅油、十二烷基苯、聚異丁烯、異丙基聯(lián)苯、二芳基乙烷等十二烷基苯、聚異丁烯、異丙基聯(lián)苯、二芳基乙烷等)兩類。兩類。 固體絕緣材料可分有機(jī)、無機(jī)兩類。有機(jī)固體絕緣固體絕緣材料可分有機(jī)、無機(jī)兩類。有機(jī)固體絕緣材料包括絕緣漆、絕緣膠、絕緣紙、絕緣纖維制品、材料包括絕緣漆、絕緣膠、絕緣紙、絕緣纖維制品、塑料、橡膠、漆布漆管及絕緣浸漬纖維制品、電工用塑料、橡膠、漆布漆管及絕緣浸漬纖維制品、電工用薄膜、復(fù)合制品和黏帶、電工用層壓制品等。無機(jī)固薄膜、復(fù)合制品和黏帶、電工用層壓制品等。無機(jī)固體絕緣材料主要有云母、玻璃、陶瓷及其制品。體絕緣材料主要有云母、玻璃、陶瓷及其制品。電氣工程概論15氣體絕緣金屬封

10、閉組合電器電氣工程概論16二、電氣設(shè)備的絕緣二、電氣設(shè)備的絕緣電氣設(shè)備中使用的絕緣有氣體、液體和固體絕緣，或把它們構(gòu)成組合絕緣使用。金屬導(dǎo)體加高電壓在長時間通電流使用時性能幾乎不劣化，但帶高壓的絕緣體多為高分子材料，隨著加壓時間延長，絕緣性能有下降傾向。因此，高電壓系統(tǒng)對提高絕緣材料的長期特性、絕緣設(shè)計合理化和運(yùn)行中電機(jī)電器的絕緣診斷等理論和技術(shù)都有很高的要求。電氣工程概論17523 高電壓試驗技術(shù)高電壓試驗技術(shù)一、液體和固體介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度一、液體和固體介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度絕緣介質(zhì)除氣體外，還有液體、固體。液體絕緣介質(zhì)，除了做絕緣外，還常做載流導(dǎo)體或磁導(dǎo)體（鐵心）的冷卻劑，在開關(guān)電器中可用作滅弧材料

11、。固體介質(zhì)可作為載流導(dǎo)體的支撐或作為極間屏障，以提高氣體或液體間隙的絕緣強(qiáng)度。因此，對液體、固體物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及它們在電場作用下所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象進(jìn)行研究，能使我們了解并確定它們的電氣強(qiáng)度及其它性能。電氣工程概論18二、電氣設(shè)備絕緣試驗二、電氣設(shè)備絕緣試驗工程上的電介質(zhì)在電場作用下的主要物理現(xiàn)工程上的電介質(zhì)在電場作用下的主要物理現(xiàn)象如極化、電導(dǎo)、損耗和擊穿等現(xiàn)象，不能從理象如極化、電導(dǎo)、損耗和擊穿等現(xiàn)象，不能從理論上得到圓滿的解釋，這樣在很大程度上要依靠論上得到圓滿的解釋，這樣在很大程度上要依靠試驗技術(shù)進(jìn)行解釋和判斷。同時，為了保證電氣試驗技術(shù)進(jìn)行解釋和判斷。同時，為了保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，需對設(shè)

12、備進(jìn)行各種試驗。通過設(shè)備的安全運(yùn)行，需對設(shè)備進(jìn)行各種試驗。通過試驗，掌握電氣設(shè)備絕緣的情況，保證產(chǎn)品的質(zhì)試驗，掌握電氣設(shè)備絕緣的情況，保證產(chǎn)品的質(zhì)量或盡早發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，從而進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)與量或盡早發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，從而進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)與檢修，防患于未然，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。電檢修，防患于未然，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。電氣設(shè)備的出廠試驗、安裝時的交接試驗和運(yùn)行中氣設(shè)備的出廠試驗、安裝時的交接試驗和運(yùn)行中定期進(jìn)行的預(yù)防性試驗，都是為了這一目的。定期進(jìn)行的預(yù)防性試驗，都是為了這一目的。電氣工程概論19電氣設(shè)備絕緣試驗主要包括：絕緣電阻及吸收比的測量；泄漏電流的測量；介質(zhì)損失角正切值tan的測量；局部放電的

13、測量；絕緣油的色譜分析；工頻交流耐壓試驗；直流耐壓試驗；沖擊高壓試驗；電氣設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)等。球隙放電試驗。電氣工程概論20三、高電壓試驗設(shè)備三、高電壓試驗設(shè)備電氣工程概論21通用型鉗形表數(shù)字式局部放電檢測系統(tǒng)電氣工程概論22四、電氣設(shè)備診斷及在線監(jiān)測四、電氣設(shè)備診斷及在線監(jiān)測電氣設(shè)備診斷過程的基本環(huán)節(jié)：通過傳感器及必要的測量手段，檢測能表征設(shè)備狀態(tài)的各種特性，得到初始模式；對原始信號進(jìn)行分析處理（數(shù)據(jù)處理），抑制干擾，去除冗余，提取出能敏感而有效地反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)，形成待檢模式；將待檢模式與樣板模式（根據(jù)理論知識、運(yùn)用經(jīng)驗、試驗研究以及積累的故障檔案確定）對照，識別故障模式；根據(jù)

14、多種特征識別的結(jié)果，綜合分析，判斷設(shè)備狀態(tài)，并對發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，從而提供故障預(yù)警，為下一步設(shè)備維修決策提供根據(jù)。電氣工程概論235.2.4 電力系統(tǒng)過電壓及其防護(hù)電力系統(tǒng)過電壓及其防護(hù)電力系統(tǒng)過電壓雷電（大氣）過電壓內(nèi)部過電壓直擊雷過電壓感應(yīng)雷過電壓暫時過電壓操作過電壓工頻電壓升高諧振過電壓電氣工程概論245.2.5防雷及防雷設(shè)備一、避雷針一、避雷針 為防止建筑物或設(shè)備遭受為防止建筑物或設(shè)備遭受直接雷擊，通常采用裝設(shè)高于直接雷擊，通常采用裝設(shè)高于被保護(hù)物的避雷針（或避雷被保護(hù)物的避雷針（或避雷線），其作用是將雷電吸引到線），其作用是將雷電吸引到避雷針上并安全地將雷電流引避雷針上并安全地將雷電

15、流引入大地，從而遮蔽了被保護(hù)建入大地，從而遮蔽了被保護(hù)建筑物或設(shè)備。它的保護(hù)范圍是筑物或設(shè)備。它的保護(hù)范圍是個錐體，其半徑與避雷針高度個錐體，其半徑與避雷針高度有關(guān)。有關(guān)。電氣工程概論25二、避雷器二、避雷器當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)過電壓時，避雷器的作用是既要限制過電壓以保護(hù)電氣設(shè)備不受過電壓的損害，又要保證不會跳閘停電保證可靠運(yùn)行，避雷器的種類有管型避雷器和閥型避雷器。 氧化鋅避雷器電氣工程概論26三、輸電線路和發(fā)電廠、變電所的防雷保護(hù)三、輸電線路和發(fā)電廠、變電所的防雷保護(hù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計表明，因雷擊線路造成的跳閘事故占電網(wǎng)總事故的60以上。同時，雷擊線路時自線路入侵變電所的雷電波也是威脅變電所的主要因素，所

16、以要設(shè)線路的防雷保護(hù)，并且發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)必須是十分可靠的。輸電線路防雷性能的優(yōu)劣主要由耐雷水平及雷擊跳閘率來衡量，線路防雷問題是一個綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，在確定防雷措施時，應(yīng)根據(jù)線路的電壓等級、負(fù)荷性質(zhì)、系統(tǒng)運(yùn)行方式、雷電活動的強(qiáng)弱等經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來確定。電氣工程概論275.3高電壓新技術(shù)及在各領(lǐng)域的應(yīng)用531 等離子體技術(shù)及其應(yīng)用等離子體技術(shù)及其應(yīng)用 等離等離子子體處理技術(shù)紡織工業(yè)造紙工業(yè)廢物處理通信光學(xué)工業(yè) 航空工業(yè) 國防工業(yè) 汽車工業(yè)計算機(jī)工業(yè)生物醫(yī)藥電氣工程概論28532 激光發(fā)電激光發(fā)電533 液電效應(yīng)及其應(yīng)用液電效應(yīng)及其應(yīng)用534 靜電技術(shù)及其應(yīng)用靜電技術(shù)及其應(yīng)用一、靜電分

17、選一、靜電分選二、靜電噴涂二、靜電噴涂三、靜電植絨三、靜電植絨四、靜電紡紗四、靜電紡紗五、靜電制版五、靜電制版電氣工程概論29一、靜電除塵利用靜電場的作用，使煙氣中的塵粒帶電，并將其從煙氣中分離、去除的技術(shù)。5.3.5 在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用電氣工程概論30二、靜電噴霧二、靜電噴霧靜電噴霧是利用靜電吸附作用，將農(nóng)藥噴灑到防治對象上。農(nóng)藥的噴灑可使用靜電噴霧機(jī)或靜電噴粉機(jī)。電氣工程概論31三、煙氣脫硫如脈沖電暈放電等離子化學(xué)（PPCP）方法，是解決SO2和NOx問題的最有發(fā)展前途的新技術(shù)，它們具有聯(lián)合脫硫脫硝、高效率、可回收資源、無二次污染、可與靜的除塵器聯(lián)合使用等優(yōu)點(diǎn)。電氣工程概論325.3.7 在材料、冶金及加工中的應(yīng)用在材料、冶金及加工中的應(yīng)用等離