GIS装置及其绝缘技术介绍(西安交通大学)

影响沿面闪络电压的其它因素
绝缘子材料对表面闪络电压的影响
•绝缘子的相对介电常数对绝缘子的电场分布和闪络电压有重要的影响，随着介电 常数的增加，会引发下列后果而使得沿面闪络电压降低： (1)在绝缘子表面的杂质处局部电场增加 (2)出现微观放电的外施电压降低 (3)微观放电的能量增加 •绝缘子的表面电阻率的降低有助于使绝缘子所带的表面电荷泄漏掉，从而降低了 表面电荷增强局部电场的作用，其结果是提高了闪络电压
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影响沿面闪络电压的其它因素
导电微粒对闪络电压的影响
绝缘子表面上存在的导电微粒会使绝缘子的闪络电压下降 导电微粒引发的局部放电有可能使得绝缘子表面带电，从而降低其闪络电压
采用第三章中讲述的方法控制导电微粒的影响
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当 =70°时，沿面电场分布是比较均匀的
Xi’an Jiaotong University -1缘子的闪络通常是在金属电极-环氧树脂-SF6气体的三重结合点开始的 •另外，当绝缘子和导体电极接触不良时，绝缘子和导体之间的小气体间隙会 出现高场强，使得绝缘子的闪络电压降低。针对这一问题，可以考虑采用内 装屏蔽电极。
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变介电常数材料绝缘子
沿绝缘子表面电场分布
沿面闪络电压
采用变介电常数的材料可改善绝缘子表面电位分布，提高其闪络电压
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小结
气体绝缘系统中支撑绝缘子的类别与材料
电场分布及其对沿面闪络电压的影响 屏蔽电极的好处
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提高接触系数的措施： 直接浇注内屏蔽电极
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影响沿面闪络电压的其它因素
水分对闪络电压的影响
•当SF6气体中的水汽含量大到在绝缘件表面上呈露滴状凝结时，闪络电压明显降低 •当水分的露点温度在零摄氏度以下时，水蒸汽在绝缘件表面上以霜的形式而不是 以露的形式凝结，这种情况下击穿电压没有明显的下降
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电场分布及其对沿面闪络电压的影响
• =30°时，绝缘子表面Et达到Er的1.6倍 •要增大泄漏距离，必须增大角度
=75°
避免支撑绝缘子与电极锐角相交
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电场分布及其对沿面闪络电压的影响
多介质系统中的电场分布
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直流电压作用下的绝缘子
绝缘子表面电荷的积聚
在外施电压的作用下，绝缘子表面会积聚电荷，这种表面电荷积聚现象在长时间 的直流电压作用下表现更为明显。当绝缘子表面存在电荷时，表面电荷可以降低 雷电冲击下的闪络电压。
当表面电荷达到饱和时，表面电荷密度与法向场强之间的关系为： max 1 2 2 1 En 2 1
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屏蔽电极的影响
•改善三重结合点的电场分布 •改善电极和绝缘子之间的结合
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屏蔽电极的影响
外部屏蔽电极的影响
•外加屏蔽电极，或者绝缘子带有绝缘 圆筒时，沿面场强与平均场强的比值 变得比较均匀，三重点处电场明显改 善。 •外屏蔽比绝缘圆筒的效果更明显
交流电压下，绝缘子的电位分布是受介电常数控制的，这一现象启发我们 采用变介电常数的材料来改善绝缘子的电位分布。
环氧树脂+填料(Al2O3)
通过改变Al2O3的组成百分比，以及Al2O3颗粒的大小来调整材料的介电常数
制造过程较为复杂： 通过远心分离使得较大的颗粒沉淀 到底部，使得随着绝缘子半径的不 同，绝缘子的介电常数发生改变。
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电场分布及其对沿面闪络电压的影响
电场强度沿介质分界面的折射规律 •电位移向量的闭合面积分等于面内所包含 的自由电荷
Dn1 Dn 2
1En1 2 En2
Et1 Et 2
•电场强度向量的环路积分恒等于零
tg1 1 tg 2 2
《GIS装置及其绝缘技术》
GIS装置及其绝缘技术
Copyright © 2007 Xi’an Jiaotong University
高电压技术教研室 穆海宝
西安交通大学
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第四章 SF6中支撑 绝缘子的沿面放电
内容
沿面放电 气体绝缘系统中绝缘子必须满足的要求 气体绝缘系统中支撑绝缘子的类别与材料 电场分布及其对沿面闪络电压的影响
隔板系数
绝缘子沿面闪络电压 纯气隙击穿电压
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影响沿面闪络电压的其它因素
电极同绝缘子的接触效应对闪络场强的影响
E1
1d 2 2 d1
2
U
2 U 1 d 2
气隙中的场强为平均场强的数倍， 因此在相当低的电压下就开始发生 放电，容易引发沿面闪络。
影响沿面闪络电压的其它因素
直流电压作用下的绝缘子 变介电常数材料绝缘子
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直流电压作用下的绝缘子
直流电压作用下绝缘子的电场分布与交流电压作用下不同 电压分配规律： 交流下 直流下
U1 U1
2 d1 U 1 d 2 2 d1
1 d 1 U 1 d 1 2 d 2
设计直流电压下使用的绝缘子必须考 虑直流电压下，绝缘子的电场分布与 交流电压下的不同。同时，如果遭受 雷击或操作波，电压分布仍然按照介 电常数进行分配。因此，直流电压下 绝缘子的设计比交流下复杂。
SF6: 环氧树脂：
1.002 3.9-6.5
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电场分布及其对沿面闪络电压的影响
当有两种介质置于平行平板电极之间而介质的交界面并不与电极表面垂直时， 可观察到在介电常数较小的介质中，位于介质交界面和电极表面的夹角小于 90°的一侧，等位线出现压缩现象。 避免支撑绝缘子与电极锐角相交。
•GIL中较多的使用支柱绝缘子，而GIS中较多 的使用盆式绝缘子。 •GIL中全部的支撑绝缘子都置于外壳内，故 外壳的连接可以采用焊接而不一定要采用法 兰，这种设计也可以帮助GIL适应小的方向改 变，或者适应热胀冷缩造成的导体和外壳的 相对滑动。
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气体绝缘系统中支撑绝缘子的类别与材料
盆式绝缘子(兼作气体隔离)
盆式绝缘子(带有通气孔)
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气体绝缘系统中支撑绝缘子的类别与材料
材料
•环氧树脂
机械强度和耐电强度都很高，热膨胀与铝导体匹配比较好，浇注性能与耐弧性能 也很好。缺点是介电常数较高。填料一般使用Al2O3
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气体绝缘系统中支撑绝缘子的类别与材料
支撑绝缘子的类别：
•单纯支持绝缘子 •兼作隔离气体用绝缘子
•单柱式绝缘子结构简单、成本较低
（在气体绝缘输电线路中大量使用）
•GIS系统中多使用盆式绝缘子 •设置距离(一般为6m) GIL和一般的GIS中支撑绝缘子的差别：
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影响沿面闪络电压的其它因素
气压的影响 第2章中研究过纯SF6气体间隙的击穿电压与气体充气压力的关系。结论是， 击穿电压与气压并不成正比，而是偏离线性关系的。
Ub E0 (10 p)n d / f
实际的环氧树脂浇注绝缘子的闪络电压也 不是与气压成正比的。随着气压的增加， 绝缘子闪络电压的增加相比纯气隙的击穿 电压的增加而言较小，也就是说，随着气 压的增加，隔板系数减小。
•塑料
聚四氟乙烯：介电常数低，耐电强度高，但价格贵 聚丙烯、聚碳酸酯：耐热性差 酰亚胺与丙烯酸的共聚物：介电常数低，耐热性好，耐电强度高，耐弧性能和挤 制性能比较差，只能用于挠性气体绝缘电缆中
•瓷料
SF6的放电气体生成物中有很多具有毒性和腐蚀性的成分，比如HF，会腐蚀金属 部件和瓷件，因此GIS中一般不使用瓷件作为绝缘子
屏蔽电极的影响
影响沿面闪络电压的其它因素 直流电压作用下的绝缘子
变介电常数材料绝缘子
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沿面放电
沿面放电
沿不同相(固、液、气)电介质的界面发生的放电现象称之为沿面放电。具体到SF6 气体绝缘中，则是沿着支撑绝缘子的表面发生的放电现象。沿整个固体绝缘表面 发生的放电称为闪络，在放电距离相同的情况下，沿面闪络电压低于纯气隙的击 穿电压。因此，很多情况下事故往往是由沿面闪络造成的，所以，正如我们已经 在第三章中所讲过的，支撑绝缘子是GIS装置的弱点之一。
隔板系数(0.5-0.9)：
绝缘子沿面闪络电压 纯气隙击穿电压
SF6充气压力、绝缘子介电常数、绝缘子 沿面污染、绝缘子沿面以及与金属结合 处的缺陷 支撑绝缘子的沿面闪络
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支撑绝缘子虽然是GIS系统中的弱点，但 其作用也是必不可少的，故必须对其特 性作一些了解。
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电场分布及其对沿面闪络电压的影响