電容器和電力電纜絕緣

第七章：電力電容器和電力電纜絕緣2/631電力電容器（1）并聯(lián)電容器目的：并聯(lián)在電力線路上以補償感性負荷、并聯(lián)在電力線路上以補償感性負荷、提高系統(tǒng)的功率因素Cos?。好處：提供該傳輸容量的變壓器容量可減小，線路的損耗、電壓降也可降低。1.1電力電容器主要用途3/634/631電力電容器（2）串聯(lián)電容器它與線路串聯(lián)，以補償長距離線路的感抗，從而減小線路壓降、改進電壓調整率、提高傳輸容量。1.1電力電容器主要用途5/631電力電容器（3）耦合電容器及電容式電壓互感器耦合電容器一般裝在絕緣外殼內，用以實現(xiàn)載波通訊及測量、耦合電容器一般裝在絕緣外殼內，用以實現(xiàn)載波通訊及測量、保護的功能。而用由耦合電容器、中間變壓器等所組成的電容式電壓互感器來測量電壓時，準確度可比常用的鐵磁式壓互感器高，近年來應用日益廣泛。1.1電力電容器主要用途6/631電力電容器（4）脈沖電容器常用于多種試驗裝置中，如構成沖擊電壓或電流發(fā)生器等，通常僅在試驗時才間斷性工作，于是其工作條件比交流下長期運行的電容器優(yōu)越得多，因而允許使用的工作場強可顯著提高。1.1電力電容器主要用途7/631電力電容器（5）電熱電容器:用于頻率為40～24000赫茲的電熱設備系統(tǒng)中,以提高功率因數(shù),改善回路的電壓或頻率等特性。（6）直流和濾波電容器：用于高壓直流裝置和高壓整流濾波裝置中。交流濾波電容器可用以濾去工頻電流中的高次諧波分量。（7）標準電容器：用于工頻高壓測量介質損耗回路中，作為標準電容或用作測量高電壓的電容分壓裝置。1.1電力電容器主要用途8/631絕緣介質的作用：絕緣、儲能2在電容器中還要求介質中多儲藏能量，因此一般要求儲能材料的相對介電常數(shù)比較大。1.2電力電容器的比特性1電力電容器9/633比特性：單位體積所儲存的能量（對直流或沖擊電容器而言）或無功功率（交流電容器）；表征技術經濟指標；1.2電力電容器的比特性1電力電容器提高措施：

?提高擊穿場強

?提高相對介電常數(shù)10/631介電強度高2介電常數(shù)大3介質損耗小4耐老化5工藝性好、與其他材料的相容性好1.3對電力電容器介質的要求1電力電容器11/63液體介質1電容器油、變壓器油：現(xiàn)逐步淘汰；電氣性能好，無毒；易老化、可燃。2合成液體：硅油耐燃－用于車船設備；多種合成油絕緣特性更好，介損小、耐局放，與薄膜相容，毒性低、能生物降解－廣泛用以浸漬全膜電容器。12/63液體介質13/63固體介質在油紙電容器中，以電容器紙為介質，它厚度薄、雜質少，但tgδ較大，又易吸潮。塑料薄膜的機械、電氣性能都好，有的tgδ極小。因此以合成液體浸漬的全膜（如聚丙烯膜）絕緣的tgδ極小。已愈來愈廣泛地用來制作高壓電力電容器。但薄膜表面光滑、互相緊貼，浸漬劑很難浸透，曾用紙膜交替排列的復合介質以利于浸漬；現(xiàn)在采用表面粗化的薄膜，并在更高真空下浸漬。這樣制成的全膜電容器已廣泛應用。14/63固體介質15/63固體介質金屬化膜（0.01~0.02um鋁）電容器“自愈”能力，短路電流產生的熱將金屬薄層蒸發(fā)掉。影響自愈過程的因素：金屬膜方阻值、電容量、外加電壓、機械壓力、浸漬劑16/631.3組合絕緣-估算介損和介電常數(shù)X油占的比例17/631.3組合絕緣-估算介損和介電常數(shù)X油占的比例單元體積的介質損耗18/631.3組合絕緣-估算介損和介電常數(shù)由于薄膜介損低于紙，浸漬后介損低很多X油占的比例19/631.3組合絕緣-估算介損和介電常數(shù)特點：?在組合絕緣中，由于浸漬劑（液體或氣體）油浸全聚丙烯薄膜介質分到的場強常高于固體介質層，而介電強度卻低，成了薄介質分到的場強常高于固體介質層，而介電強度卻低，成了薄弱環(huán)節(jié)。如發(fā)生局部放電，特別是在工作電壓下持續(xù)的局部放電，常是引起組合絕緣逐步損壞的一個主要原因.?在油-紙（膜）組合絕緣中，如維持同樣的極間距離d，而改用厚度更薄的紙（膜），將有利于提高此組合絕緣的局部放電特性20/631.3組合絕緣-估算起始放電場強當U1達到氣泡放電電壓Ud時：當極間距離d不變時，采用更薄的紙或膜（氣泡由于紙浸潤不透）有利于提高此組合絕緣的局放特性。21/63當每層膜的厚度一定，則平均起始放電場強隨總厚度的下降↓而升高↑；1.3組合絕緣-估算起始放電場強22/63提高油壓↑，提高了氣泡擊穿電壓↑；沖擊電壓和直流電壓下局放脈沖少，介電強度高，因為絕緣中的局部放電過程有很大差別。1.3組合絕緣-估算起始放電場強23/631.3組合絕緣-工作場強工作條件不同、要求壽命不同，許用工作場強有顯著差異長期運行的交流電容器許用工作場強要小于局放熄滅場強24/63電力電纜的主要用途及優(yōu)點： 電力電纜常用作發(fā)電廠、變電站的引入（出）線，當線路遇江河、鐵路等時也常用它，現(xiàn)還廣泛用于城市及工礦內部電網中。與架空線比，電纜的優(yōu)點是受氣候的影響小、安全可靠性高、且隱蔽耐用，不影響環(huán)境，但成本較高。2電力電纜2.1基本情況25/63截止到2001年6月，北京地區(qū)投運的高壓電纜線路情況：220千伏電源電纜線路16路63.225公里220千伏聯(lián)絡電纜線路15路0.949公里110千伏電源電纜線路114路283.422公里110千伏聯(lián)絡電纜線路82路4.722公里（其中110千伏及以上充油電纜60多公里）XLPE絕緣電纜最早投運時間是1988年9月，電纜生產廠家：日本藤倉電纜公司，至今已經運行14年。2電力電纜2.1基本情況26/63國產XLPE（交聯(lián)聚乙烯）絕緣電纜主要采用：上海電纜廠、沈陽古河電纜有限公司、鄭州電纜廠、山東電纜廠、北京威克瑞電纜廠、杭州華新電纜有限公司等廠家的電纜。

進口XLPE絕緣電纜主要采用：日本藤倉公司、日本住友公司、日本昭和公司、日本三菱公司、日本日立公司、法國阿爾卡特、德國AEG公司、澳大利亞澳力公司、法國雪力克公司的產品。27/63北京地區(qū)電纜線路大部分采用敷設安裝在電纜隧道內，也有一部分采用敷設安裝在磚槽內。2電力電纜電纜鋪設28/63導電線芯：銅：易焊接，導電性好機械性好，對油老化的催化作用較強；鋁：價格低，輕；多股扭絞；常為圓形。絕緣介質：常用鉸鏈聚乙烯材料（XLPE）；油紙絕緣；充油電纜；充氣電纜。2電力電纜2.2基本結構29/63電纜護套：防止水分侵入絕緣層；保護絕緣層不受腐蝕；鉛包柔軟，鋁包機械強度高。（鉛護套柔軟、耐腐蝕，但機械強度低，已逐漸被鋁及塑料護套所代替）。如需承受較大的機械負荷，在護套外加以鋼帶或鋼絲鎧裝；如需敷設在可加以鋼帶或鋼絲鎧裝；如需敷設在可能被腐蝕的場所，在鎧甲外再包以由瀝青、浸漬紙（麻）組成的外護層。2電力電纜2.2基本結構30/63導電線芯、半導體層、塑料絕緣層、半導體層、金屬護層、鎧甲、橡膠護套；常用鉸鏈聚乙烯材料（XLPE）；是發(fā)展趨勢2電力電纜2.2基本結構31/63利用油浸紙做絕緣介質，油填充紙的空隙。為使工作溫度下介質不流動，常用粘性浸漬劑，導致熱脹冷縮（隨負荷變化）造成空隙；因為粘性浸漬劑的熱膨脹系數(shù)大，在負荷、溫度有變動時體積改變顯著，而鉛鋁護層又是缺乏彈性的，當受熱后再冷卻時，雖浸漬劑的體積已縮小，但護層可能已難以恢復原尺寸，因而形成空隙。這是引起其tgδ增大的重要原因。2.2基本結構-油紙電纜2電力電纜32/632.2基本結構-油紙電纜2電力電纜落差較大時，浸漬劑向下流淌，導致上部空隙更多僅用于35kV及以下33/63利用油浸紙做絕緣介質;選用粘性小的浸漬劑，并施加油壓;選用更薄的紙或薄膜-纖維合成紙;選用合成油;分為自容式充油電纜和鋼管充油電纜;電壓等級可達500kV2.2基本結構-充油電纜2電力電纜34/632.2基本結構-充油電纜2電力電纜35/63國外也有采用鋼管充油電纜的，管內油壓比自容式高，且以鋼管為外護層，機械強度高。但三芯在同一鋼管內，如一相故障也可能影響到其他相。2.2基本結構-鋼管充油電纜2電力電纜36/63橡皮絕緣是以天然橡膠為主體，加進配合劑后經混煉、硫化而成。它對潮氣的滲透性低，特別是彈性好，適用于要求高柔軟性的移動式設備上，但它可燃、不耐電暈、工作溫度低。乙丙、丁基等合成橡膠的耐電暈性等優(yōu)于天然橡膠，但彈性差些。而硅橡膠的絕緣性能很好、特別是耐溫性高，但價格較貴現(xiàn)硅橡膠主要用以制作合成絕緣子或電器的外護套。低壓塑料電纜常用聚氯乙烯絕緣，機械強度、耐酸堿性等都比較好，且性能價格比高，曾廣泛用以制造10kV及以下電纜。但PVC為極性介質、tgδ大，且燃燒時釋放出有害氣體，今后僅用于1kV及以下。聚乙烯（PE）的電氣性能要好得多。如通過幅照、溫室等交鏈方法將線型的PE轉變?yōu)槿瓤臻g結構的交鏈聚乙烯（XLPE），既保留了PE的優(yōu)良電性，且大大提高了耐熱性及機械強度。2.2基本結構-橡皮及塑料電纜2電力電纜37/63GIL(Gas-insulatedMetal-enclosedTransmission

Line)與氣體絕緣金屬封閉式組合電器(GIS)的母線結構相似，分單芯式GIL與三芯式GIL，單芯式GIL由同軸結構的外殼和中間導體構成；中間導體由導電率較高的鋁合金管構成，管壁厚度約為10mm-20mm，用絕緣子加以固定；外殼為鋁合金或鋼制，約為6mm-10mm，通常采用某種辦法接地；管道中一般充以壓縮SF6或SF6/N2混合氣體作為絕緣介質；端部與GIS、變壓器等直接連接或通過套管與其它設備連接；GIL兩端可設置金屬氧化物避雷器(MOA)以抑制過電壓；當它被用于較長線路時，可在線路中間安裝隔離開關，以方便將線路分成幾段進行現(xiàn)場試驗。2.2基本結構-氣體絕緣電纜2電力電纜38/63GIL的組成：①直線單元、②轉角單元、③補償單元、④隔離單元以及⑤套管2.2基本結構-氣體絕緣電纜2電力電纜39/632.2基本結構-各種材料對比2電力電纜40/63單芯或分相鉛包的三芯電纜中，如線芯及金屬護層的表面均光滑，其間絕緣層中的電場分布近于同軸圓柱體電場；但為便于彎曲，實際的線芯常由多股導線絞合而成，線芯表面處絕緣層中的最大場強可能比表面光滑時的高30%2.3電場分布極其改善2電力電纜41/63總包絕緣型中，電場非圓柱型，絕緣層中存在垂直分量和切向分量，容易在較低電壓下就出現(xiàn)滑閃放電，僅用于10kV以下.2.3電場分布極其改善2電力電纜42/632.3電場分布極其改善2電力電纜交流下要使內外層電場強度趨于均勻，則必須使內層的介電常數(shù)大于外層。43/63多數(shù)電纜為同軸圓柱電場，為降低線芯附近的場強，可采用分階絕緣：如在由m層介質串聯(lián)成的同軸圓柱體中，交流下在半徑rn處第n層的最大場強為：交流下：對油紙絕緣，在線芯附近用高密度的薄紙，不但介電常數(shù)大，使該處場強降低，而且介質的電氣強度高。2.3電場分布極其改善2電力電纜44/63直流電場分布取決于電阻率，可在線芯處選用電阻率較低的介質；負荷的變化通過溫度變化影響電阻率，從而影響電場分布2.3電場分布極其改善2電力電纜45/63根據(jù)運行時的工作條件以及制造時所用的材料、工藝來選取工作場強，同時應認真考慮過去的制造及運行經驗、老化過程等。如可按油紙絕緣的壽命曲線為基礎，除以安全系數(shù)后來選取工頻及沖擊下的許用場強。一般是工頻下，取m≥2；沖擊下，取m≥1.2。2.3電場分布極其改善2電力電纜46/63從線芯附近的氣隙（或油隙）中先發(fā)生局部放電，當放電持續(xù)且較強烈時浸漬劑分解出大量碳粒，促使氣隙擴大，而由放電所形成的帶電質點可能穿過紙帶而向前，這些附在放電通道上的碳粒子猶如尖端深入絕緣內部，使原來僅有徑向電場的同軸圓柱電場畸變成具有很強切向分量（與紙層平行），以致在交流下較低電壓時就出現(xiàn)強烈的滑閃放電。2.3電場分布極其改善2電力電纜47/63高壓油紙電纜老化：原因：局部放電過程：線芯附近油隙發(fā)生局放→浸漬劑分解，間隙擴大→帶電質點穿透紙帶→電場出現(xiàn)很強的切向分量→滑閃放電改進：分階絕緣、絕緣層內外包半導電層；提高油壓。2.3電場分布極其改善2電力電纜48/63由于直流下絕緣中的局部放電問題遠沒有交流下嚴重，因此直流下的擊穿場強近似于脈沖下的數(shù)值；而且在直流下，充油電纜與粘性浸漬電纜的擊穿場強的差別也不像交流下那樣顯著。2.3電場分布極其改善2電力電纜49/63高壓塑料電纜老化：原因：電樹枝、水樹枝、電化學樹枝過程：雜質引發(fā)局放→通道擴大改進：分階絕緣、絕緣層內外包半導電層；盡可能消除雜質電樹2.3電場分布極其改善2電力電纜50/63電纜的故障隨著高壓電纜線路的逐年增加和投運時間的逐年增長，XLPE電纜存在的一些問題已逐漸顯現(xiàn)出來，事故也開始不斷增加。特別是發(fā)生在電纜接頭中的絕緣擊穿事故呈上升趨勢。自從1997年北京發(fā)生了第一起超高壓電纜運行故障以來，到目前共發(fā)生各類故障中電纜接頭、終端故障13起，占87%接頭盒：繞包型、模塑型、預制型、組裝型終端：戶外終端、GIS終端、油浸終端51/632.4電纜接頭盒2電力電纜電纜接頭盒、終端盒及連接盒正常情況下，單芯（或分相鉛包）油紙電纜的本體中只有垂直于紙層的徑向電場，絕緣的介電強度是很高的?？墒窃陔娎|終端處，如不采取措施，在金屬屏蔽或護層邊緣處不僅電場集中，而且有很強的軸向分量，成了電暈甚至滑閃放電的發(fā)源地。這時增加沿面距離已效果不大，宜改善電場分布。52/632.4電纜接頭盒－澆注式2電力電纜53/632.4電纜接頭盒－充油式2電力電纜54/632.4電纜接頭盒－預制式、組裝式2電力電纜55/632.4電纜接頭盒－-應力錐擊穿2電力電纜56/6357/632.5電纜終端2電力電纜58/632.5電纜終端2