電氣工程概論

第5章高電壓與絕緣技術(shù)

1電氣工程概論5．1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(yàn)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(jì)、高電壓試驗(yàn)和測(cè)量的設(shè)備及方法、電力系統(tǒng)的過(guò)電壓、高電壓或大電流產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)或電磁波對(duì)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(duì)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。2電氣工程概論巨型起電機(jī)（MITInstituteArchives）

小型起電機(jī)范德格拉夫高壓靜電起電機(jī)3電氣工程概論1kV以上至220kV稱為高壓（HV）；220kV至800kV稱為超高壓（EHV）；1000kV以上稱為特高壓（UHV）。電壓等級(jí)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(zhǎng)期安全的作用。4電氣工程概論1891年，在德國(guó)建造了從臘芬(Lauffen)到法蘭克福長(zhǎng)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。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(wú)不應(yīng)用了高電壓技術(shù)的成果。絕緣技術(shù)是電氣領(lǐng)域安全、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(jì)和絕緣性能的試驗(yàn)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。高電壓與絕緣技術(shù)已成為電氣工程及其自動(dòng)化的一個(gè)重要分支。5電氣工程概論交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的6—10kV的電壓，經(jīng)變壓器升壓，通過(guò)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(guò)降壓，送到二級(jí)高壓變電站或特別高壓用戶變電站中，然后通過(guò)二級(jí)輸電線送到配電變電站中，經(jīng)過(guò)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。6電氣工程概論輸電電壓等級(jí)經(jīng)歷了交流6、10、20、35、60、110、150、220kV的高壓(HV)，287、330、400、500、735～765kV的超高壓(EHV)，直至1150kV的特高壓(UHV)（工業(yè)試驗(yàn)線路）。高壓直流輸電電壓由＋100、＋250、＋400、＋500發(fā)展至＋750kV。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。當(dāng)前，我國(guó)的交、直流輸電電壓已達(dá)750kV和＋500kV?！拔麟姈|送”和“北電南送”必然成為我國(guó)21世紀(jì)的送電格局，因此我國(guó)必將成為世界上少數(shù)幾個(gè)發(fā)展1000kV及以上特高壓（UHV）輸電技術(shù)的國(guó)家之一。7電氣工程概論5.2高電壓與絕緣技術(shù)的主要內(nèi)容高電壓與絕緣技術(shù)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)的特性，電氣設(shè)備及絕緣，電氣系統(tǒng)過(guò)電壓及其限制措施，高電壓試驗(yàn)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(chǎng)下的特性，電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)技術(shù)，電力系統(tǒng)過(guò)電壓與絕緣配合，高電壓技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用等。8電氣工程概論5．2．1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(guò)高電壓變壓器、高壓電路瞬態(tài)過(guò)程變化等產(chǎn)生高電壓。9電氣工程概論一、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(shí)，就會(huì)發(fā)生放電，放電會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱，通道溫度高達(dá)15000～20000度，使空氣急劇膨脹、震動(dòng)，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)1×108V左右，為100×108＝1×1010KW。但是，雷的能量所持續(xù)的時(shí)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(jià)值并不大。10電氣工程概論二雷電的危害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(duì)策。雷電對(duì)人、畜的危害來(lái)自雷電直擊或“跨步電壓”。當(dāng)雷擊中地面物體時(shí)，強(qiáng)大的電流使地面不同位置的電位由明顯的差別，人行走時(shí)兩腿間將會(huì)有電壓作用，這就是跨步電壓?？绮诫妷哼^(guò)高時(shí)將會(huì)危及人身安全。雷電過(guò)電壓會(huì)損壞電氣系統(tǒng)，影響吸引的正常運(yùn)行。雷電還會(huì)危害高建筑物、通信線路、天線、飛機(jī)、船舶、油庫(kù)等的安全。11電氣工程概論三、靜電1.靜電充電2.靜電放電3.靜電的危害12電氣工程概論四、高電壓發(fā)生裝置1.交流高電壓發(fā)生裝置包括工頻試驗(yàn)裝置、串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置和超低頻試驗(yàn)裝置。2.直流高電壓發(fā)生裝置除用于電氣設(shè)備的試驗(yàn)，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(guó)電力科學(xué)院）13電氣工程概論5．2．2高電壓絕緣與電氣設(shè)備一、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。液體絕緣材料主要有礦物絕緣油、合成絕緣油(硅油、十二烷基苯、聚異丁烯、異丙基聯(lián)苯、二芳基乙烷等)兩類。固體絕緣材料可分有機(jī)、無(wú)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、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(wú)機(jī)固體絕緣材料主要有云母、玻璃、陶瓷及其制品。

14電氣工程概論氣體絕緣金屬封閉組合電器

15電氣工程概論二、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(zhǎng)時(shí)間通電流使用時(shí)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(shí)間延長(zhǎng)，絕緣性能有下降傾向。因此，高電壓系統(tǒng)對(duì)提高絕緣材料的長(zhǎng)期特性、絕緣設(shè)計(jì)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。16電氣工程概論5．2．3高電壓試驗(yàn)技術(shù)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。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(duì)液體、固體物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及它們?cè)陔妶?chǎng)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。17電氣工程概論二、電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)工程上的電介質(zhì)在電場(chǎng)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，不能從理論上得到圓滿的解釋，這樣在很大程度上要依靠試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行解釋和判斷。同時(shí)，為了保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行各種試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，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(yàn)、安裝時(shí)的交接試驗(yàn)和運(yùn)行中定期進(jìn)行的預(yù)防性試驗(yàn)，都是為了這一目的。18電氣工程概論電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)主要包括：絕緣電阻及吸收比的測(cè)量；泄漏電流的測(cè)量；介質(zhì)損失角正切值tan的測(cè)量；局部放電的測(cè)量；絕緣油的色譜分析；工頻交流耐壓試驗(yàn)；直流耐壓試驗(yàn)；沖擊高壓試驗(yàn)；電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)等。球隙放電試驗(yàn)。19電氣工程概論三、高電壓試驗(yàn)設(shè)備20電氣工程概論通用型鉗形表數(shù)字式局部放電檢測(cè)系統(tǒng)21電氣工程概論

四、電氣設(shè)備診斷及在線監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備診斷過(guò)程的基本環(huán)節(jié)：①通過(guò)傳感器及必要的測(cè)量手段，檢測(cè)能表征設(shè)備狀態(tài)的各種特性，得到初始模式；②對(duì)原始信號(hào)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；③將待檢模式與樣板模式（根據(jù)理論知識(shí)、運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)研究以及積累的故障檔案確定）對(duì)照，識(shí)別故障模式；④根據(jù)多種特征識(shí)別的結(jié)果，綜合分析，判斷設(shè)備狀態(tài)，并對(duì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，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)。22電氣工程概論5.2.4電力系統(tǒng)過(guò)電壓及其防護(hù)電力系統(tǒng)過(guò)電壓雷電（大氣）過(guò)電壓內(nèi)部過(guò)電壓直擊雷過(guò)電壓感應(yīng)雷過(guò)電壓暫時(shí)過(guò)電壓操作過(guò)電壓工頻電壓升高諧振過(guò)電壓23電氣工程概論5.2.5防雷及防雷設(shè)備一、避雷針為防止建筑物或設(shè)備遭受直接雷擊，通常采用裝設(shè)高于被保護(hù)物的避雷針（或避雷線），其作用是將雷電吸引到避雷針上并安全地將雷電流引入大地，從而遮蔽了被保護(hù)建筑物或設(shè)備。它的保護(hù)范圍是個(gè)錐體，其半徑與避雷針高度有關(guān)。24電氣工程概論二、避雷器當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，避雷器的作用是既要限制過(guò)電壓以保護(hù)電氣設(shè)備不受過(guò)電壓的損害，又要保證不會(huì)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25電氣工程概論三、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(jì)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(shí)，雷擊線路時(shí)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(lái)衡量，線路防雷問(wèn)題是一個(gè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，在確定防雷措施時(shí)，應(yīng)根據(jù)線路的電壓等級(jí)、負(fù)荷性質(zhì)、系統(tǒng)運(yùn)行方式、雷電活動(dòng)的強(qiáng)弱等經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)確定。26電氣工程概論5.3高電壓新技術(shù)及在各領(lǐng)域的應(yīng)用5．3．1等離子體技術(shù)及其應(yīng)用等離子體處理技術(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(guó)防工業(yè)汽車工業(yè)計(jì)算機(jī)工業(yè)生物醫(yī)藥27電氣工程概論5．3．2激光發(fā)電5．3．3液電效應(yīng)及其應(yīng)用5．3．4靜電技術(shù)及其應(yīng)用一、靜電分選二、靜電噴涂三、靜電植絨四、靜電紡紗五、靜電制版28電氣工程概論

一、靜電除塵利用靜電場(chǎng)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29電氣工程概論二、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(duì)象上。農(nóng)藥的噴灑可使用靜電噴霧機(jī)或靜電噴粉機(jī)。30電氣工程概論三、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(wèn)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(wú)二次污染、可與靜的除塵器聯(lián)合使用等優(yōu)點(diǎn)。31電氣工程概論5.3.7在材料、冶金及加工中的應(yīng)用等離子冶煉技術(shù)已用于礦石和精礦的熱分解、熔煉、氧化、還原等過(guò)程，并且已有用于碳鋼或合金鋼生產(chǎn)的容量達(dá)30