绝缘结构（精选8篇）
绝缘结构 篇1
0 引言
两端直流输电系统或者多端直流输电系统中,换流站之间的电能传输,可采用架空线路、电缆线路和架空—电缆混合线路这3种线路类型。国内基于晶闸管的相控换流器高压直流输电(LCC-HVDC)多用于大容量、长距离、点对点输电,两端换流站均远离城市中心,电压等级均在500kV及以上,两端都采用架空线路连接,没有用直流电缆。基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC),国内也称为柔性直流(简称柔直),非常适用于向海岛供电、城市负荷中心增容、风电并网等,多采用直流电缆线路连接两端或者多端换流站。特别是城市直流配电系统的发展,柔直电缆线路是必不可少的设备,也有在跨海输电工程中采用电缆—架空混合线路连接,不失为一种经济的选择。
直流电缆及其连接件(终端和接头)的电压范围分类,按照绝缘厚度、参照交流挤出绝缘电缆的IEC标准[1,2,3],可以分为低压(30 kV及以下)、中压(30kV以上到150 kV)、高压(150 kV以上到250kV)、超高压(250kV以上到500kV)和特高压(500kV以上)。
从直流电缆制造工艺来分类,主要有绕包绝缘电缆和挤包绝缘电缆2类。绕包绝缘电缆是采用专门的电缆纸带绕包在导体及其屏蔽外面,再使用绝缘油浸渍纸绝缘,消除纸带之间的空气隙。这种电缆又分黏性浸渍纸绝缘和充油纸绝缘2种类型电缆。黏性浸渍纸绝缘电缆可以制造中压、高压直流电缆,超高压、特高压要采用充油电缆的结构形式。挤包绝缘电缆是采用塑料或橡皮,使用橡塑挤出机,将高分子材料挤包在导体及其屏蔽外面。塑料采用最多的是交联聚乙烯(XLPE),可以用来制造低压、中压、高压、超高压电缆;橡皮主要是采用乙丙橡胶,制造低压直流电缆,用于轨道交通机车内等弯曲半径较小的地方。
绕包纸绝缘电缆结构非常适合用于直流输电,其电场分布按电阻率呈正比分布,正好纸部分电阻大而承受的电压高,油隙部分电阻小而承受的电压低,物尽其用,且空间电荷积累不明显。但电缆纸需采用上好的木材制造,消耗森林资源,绝缘油容易污染环境,因此,这种电缆不益于环保,国内几乎没有电缆厂家生产了。
在当今世界范围内,中压、高压和超高压柔直挤包绝缘电缆均采用高聚物XLPE作为绝缘材料。LCC-HVDC的潮流变换需要改变极性,因此,相控换流器(LCC)电缆需要在绝缘上增加极性反转试验;而VSC-HVDC改变潮流不需要变换极性,故不需要进行极性反转试验。所以,柔直挤包绝缘电缆是发展方向。最近十几年发展起来的柔直输电中几乎都是采用挤包绝缘电缆。这种柔直电缆最先由ABB公司所属的电缆厂在几乎看不到市场前景的情况下研发出来,它们已在20多个工程中运用,有相当的运行业绩。世界上知名的电缆公司以及日本、韩国的企业都在研发这种技术和产品。最近半年,因为大连和厦门±320kV两端柔直工程、舟山±200kV五端柔直工程和南澳±160kV三端柔直工程的驱动,已经有五家国内电缆公司正在研发电缆。全球只有一家公司供应柔直电缆绝缘料,而且工作温度只有70℃。与运行温度为90℃的绝缘料相比,使用此柔直电流绝缘料制造的电缆,其输送容量较低。国内五家电缆公司均采用这种70℃绝缘料试制±200kV柔直电缆并套用到±160kV上去。由于国内工程的工期急需,电缆还没有全部完成型式试验和1年的预鉴定试验,就已被招标采购,选用到工程上。
国内尚无厂家供应柔直电缆绝缘料,世界上高载流量的90℃绝缘料也无商品供货;电缆结构尺寸的设计理论缺乏,消除绝缘中空间电荷积累的制造工艺技术还需要研究;电缆连接件的材料和设计理论都急待解决;电缆系统的试验验证技术,比如试验终端等迫切需要解决。
本文拟从柔直挤包绝缘电缆的绝缘料及电缆产品结构等方面出发,探讨柔直电缆结构设计。
1 柔直电缆绝缘料
在直流高压电场作用下,电缆面临的主要问题是绝缘介质中或者界面上会积累一定的空间电荷。如果空间电荷密度足够高,局部电场甚至可能超过绝缘介质的击穿场强,导致介质破坏[4]。因此,绝缘材料的空间电荷问题成为制约直流电缆系统向高压及超高压发展的主要障碍之一。
1.1 直流XLPE电缆绝缘料开发
早在2004年,日本开始研制500 kV直流XLPE电缆[5]。在XLPE电缆绝缘料中引入极性基团消除空间电荷。90℃温度下,在模型直流电缆上施加场强30 kV/mm,加压时间分别为0,5,2 160h,使用电声脉冲法测量了绝缘中的空间电荷分布,根据电荷分布求出了其场强分布,如图1(a)所示。为便于对比,在同样的条件下同时测量了模型交流XLPE电缆绝缘中的场强分布,如图1(b)所示。
由图1可见,在较长时间的直流高压作用下,直流XLPE电缆绝缘料中的电场分布均匀,接近于拉普拉斯电场分布。在图1(b)中,交流XLPE电缆绝缘料中的电场分布随着时间的变化而逐渐变得不均匀,在靠近内半导屏蔽层处出现场强畸变,最大场强超过平均场强的2倍。极性基团作为陷阱点,具有吸引和捕获载流子源(交联分解物等)的能力,其捕获载流子后,载流子不能在绝缘中迁移,使空间电荷密度在绝缘中分布均匀,从而使得场强也均匀分布。
需要说明的是,日本研发的用于500kV直流XLPE电缆的绝缘料并未商品化。绝缘材料中的空间电荷问题是直流电缆面临的最主要的问题之一,如何有效地抑制空间电荷成为科研工作者最为关心的问题,国内外的相关研究人员开始广泛研究抑制空间电荷的方法和寻找添加剂。
1.2 空间电荷测量技术
在绝缘试样的厚度方向上分布的空间电荷会影响其上的电场分布。在平行板结构中,无空间电荷时电场分布是均匀的;而在有空间电荷存在的情况下,电场分布将随厚度的变化而变化。若不计正负号,电场的积分总是等于外加电压。空间电荷使局部电场增加而高于外加电场,因而导致击穿。注入的同号电荷引起了电极附近的电场下降,而相应的,试样中部的电场就上升。反之,在电极附近的载流子积累若形成异号电荷,则引起此界面上电场增加。然而,更多的情况是异号电荷与同号电荷同时存在,这就更需要加以控制。空间电荷的测量具有双重的意义,一方面,在实际的应用上有助于控制因空间电荷而增强的局部电场;在另一方面,从空间电荷的发展演化中可以有助于理解电荷的传输机理[6]。在过去的20年中,对电介质内空间电荷分布的研究和认识已取得了明显的进展。这归功于能获得空间及极化电荷分布详细信息的几种重要测量方法的建立、发展和完善。特别是以分辨率为1μm数量级的声和热方法的应用,已大大地加深了对聚合物薄膜中电荷的建立、积累、储存和运输现象的认识和理解。目前,在直流XLPE电缆中的空间电荷的研究中,压力波(pressure wave propagation,PWP)法和电声脉冲(pulsed electro-acoustic,PEA)法是最有效、常用的2种测量方法。
PWP法的基本原理是[7]:弹性波在介质中以声速传播时,破坏了介质内部原先弹性力和电荷产生电场力的平衡,引起介质中的电荷发生微小位移,电荷的微小位移又导致介质电极上感应电荷量的变化,因此在外电路上可观测到电流或电压信号的变化,从而获得介质中空间电荷分布的有关信息。
PEA法的基本原理是[7]:在介质电极上加上一个窄高压脉冲,则介质中的空间电荷和电极界面都受到这一脉冲电场力的作用而相应地产生声脉冲。声脉冲的压力剖面与空间电荷的分布有关。用声传感器接收与测量这些声脉冲,就可以得到空间电荷的分布信息。
目前,空间电荷测量的试样大多数是平板试样,厚度为0.1~2 mm。而针对电缆的圆柱状且较厚的绝缘试样的空间电荷测量报道很少,这主要是由于国内外较少有单位能自主研发电缆绝缘空间电荷测量装置;另外,作为一种专利技术,已成功开发此装置的单位对此严格保密。总体来说,电缆绝缘空间电荷测量装置研制需注意两点:(1)由于电缆绝缘厚度较大,为了保证设备有足够的灵敏度和分辨率,脉冲发生器的功率必须足够大,建议研制50kV毫微秒脉冲发生器以用于激励空间电荷声波;(2)研制一套半弧形电极,与圆柱形电缆绝缘界面捏合。同时,区别于平板试样,圆柱状试样的空间电荷信号的数学处理必须在极坐标下进行。
1.3 空间电荷的陷阱能级
介质中的空间电荷行为主要取决于它的空间分布与陷阱能级分布。前者的研究基本上用测量空间电荷分布的技术,如前面提到的PEA法与PWP法,后者基本上以热刺激放电(thermally stimulated discharge,TSD)法、等温放电法、光刺激放电(photo-stimulated discharge,PSD)法等进行研究[8,9]。一般说来,聚合物的电击穿是由于介质微观结构的不完整性以及介质中引入的外来杂质所引起的,它们构成了引起介质老化的电荷积累的中心[10],即电荷的物理陷阱和化学陷阱。在目前广泛应用的聚合物材料中,由于材料中存在着链折叠和弯曲、分子链同分异构体转换构成的缺陷等分子间的空隙属于物理陷阱(约为0.1~0.5eV)。聚合物材料中还存在着分子结构的缺陷,分子结构型的无序,分子链上的各种支链、侧链、端基、断链、晶区与无定型区的界面,还有近年来被广泛关注的聚合物/纳米粒子复合电介质中的聚合物与纳米粒子的界面,以及各种极性基团、添加剂、抗氧化剂、交联剂和杂质等,这些因素都会在电介质材料中引入局域态,构成电荷的化学陷阱(深度可大于1eV)[11]。因此,认识聚合物介质的陷阱能量分布对于更好地研究和改善聚合物的绝缘性能具有重要的意义。
TSD法是研究电介质宏观规律及微观性质的基本方法之一。其测量系统简单、操作方便,被广泛地应用于电介质的电荷陷阱研究。分析TSD电流谱就能获得空间电荷的陷阱参数(电荷密度、活化能、平均渡越时间、电荷捕获的平均深度、尝试逃逸频率等)的详细信息。TSD法被认为是假设陷阱深度、捕获截面等陷阱参数与温度无关的前提下建立的理论。然而,加热过程不仅使陷阱中的电荷受到热激发,同时对陷阱本身也有热侵蚀作用[12],会引起陷阱及中心环境的改变,这必将导致陷阱参数的变化。
PSD法是Brodribb等人在20世纪70年代为获取有机晶体陷阱深度的信息提出来的[13]。PSD法是用能量可调的单能光子辐照试样使相应能量的陷阱电荷脱阱,并通过测量脱阱电荷迁移所形成的外电路电流来研究试样中空间电荷的陷阱能量分布。由于实验设备的昂贵性、电介质内陷阱电荷的光致排空并不彻底等问题,在随后的一些年里使用该技术研究介质中电荷陷阱的相关报道较少。然而与TSD法相比,它有如下特点:(1)在PSD实验过程中,试样可始终保持在任意设定的一个低温值,这样可以在保持材料结构或陷阱构造原貌特征的前提下,准确地获取试样的陷阱信息;(2)对于熔点较低的材料,由于陷阱结构的提前破坏,TSD法通常无法得到试样的深陷阱信息;而PSD法能够准确地探测深度高达6eV的深陷阱[14]。近年来,PSD法逐渐被接受并用于实验研究中,一些有意义的结果被不断报道。
文献[15-17]通过PSD法研究了聚乙烯的陷阱能量分布。他们在常规的连续扫描法的基础上,进一步提出了分步扫描法,即通过等能量光照使得陷阱电荷逐步地从浅到深依次释放,然后对记录的光电流积分即可得到各陷阱能量区间的空间电荷数量。图2显示了聚乙烯各陷阱能带中的捕获电荷量占总捕获电荷量的百分比[15],这些陷阱能带的中心陷阱能级分别为4.29,4.60,4.97,5.40,5.92eV,对应的波长分别为290,270,250,230,210nm。中心深度为4.97eV的陷阱能带(4.78~5.18eV)中捕获的电荷量约占总电荷量的57.4%,仅很少量的电荷(约为总电荷量的5%)被捕获在中心深度分别为5.92eV和4.29eV的深陷阱能带(5.65~6.22eV)和浅陷阱能带(4.14~4.44eV)。
1.4 绝缘料空间电荷抑制技术
为改善直流电缆XLPE绝缘中的空间电荷积聚问题,各国科研工作者对空间电荷抑制技术进行了大量的探索,总体来说,可以分为接枝和添加纳米填料两大类。这些工作都取得了一定的进展。如国外化工企业通过在聚乙烯链上接枝一种极性共聚单体,有效地抑制了空间电荷,开发了直流电缆用XLPE绝缘料并全球供应,但其使用温度只有70℃。日本选择在XLPE绝缘料中添加纳米填料,早在1998年首次研制了2根250kV直流电缆[18]。在国内,也有许多科研工作者进行了这方面的研究,其中有代表性的如下。
1)接枝。国内有高分子材料厂用马来酸酐接枝,成功地抑制了XLPE中的空间电荷,并批量生产高压直流电缆的XLPE料,工作温度为70℃。
2)添加纳米填料。文献[19]以质量百分比为0.1wt%,0.2wt%,0.5wt%,1wt%的二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、钛酸钡(BaTiO3)、三氧化铝(Al2O3)和氧化镁(MgO)等5种纳米粒子在150℃下的混炼机上混入低密度聚乙烯(LDPE)中,热压成1mm厚度的薄板试样,试样外贴半导体电极,在40℃下外施DC电场40kV/mm至电荷分布稳定,用PWP法测量了试样中空间电荷分布。研究发现,当质量百分比不小于0.2wt%时,Al2O3和MgO纳米粒子具有显著的抑制空间电荷的作用。另外,文献[20]以纳米MgO为填料,研究了不同含量下聚乙烯试样中空间电荷分布和电导与电场強度、温度的关系,最后确定当MgO含量为1%时,试样不再存在空间电荷。
在电力行业中,交流电缆中的XLPE工作温度为90℃。但在直流电缆中,通过接枝方法改性的XLPE的工作温度均只有70℃,这就较大地降低了电缆的载流能力。通过添加纳米填料的方法可能使得直流电缆在抑制空间电荷的同时,保证90℃的工作温度。上述研究表明,某些纳米填料能较好地抑制XLPE中的空间电荷,但在添加纳米填料的同时,如何使得纳米填料在XLPE中分散均匀是一个技术难点。这是因为聚乙烯属于非极性分子,而纳米填料属于极性分子,这2种材料的相容性较差,这样在XLPE中添加纳米填料的过程中很难保证纳米填料的分散均匀性。
对纳米粒子表面改性,可提高粒子与XLPE的相容性,并最终提高纳米填料在XLPE中的分散均匀性。改性手段可以分为两类。
1)物理表面修饰。通过吸附、涂敷、包覆等物理作用对微粒进行表面改性,利用紫外线、等离子射线等对粒子进行表面改性也属于物理修饰。文献[21]通过Ca2+,Ba2+无机阳离子等活化,使SiO2等纳米粒子表面由负电荷转变为正电荷,再吸附硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠等阴离子表面活性剂,制得了相应的有机化改性样品。
2)化学表面修饰。通过纳米微粒表面与处理剂之间进行化学反应,改变纳米微粒表面结构和状态,达到表面改性的目的称为纳米微粒的表面化学修饰。文献[22]把SiO2加入辛醇中,在甲苯磺酸的催化下,把反应物置于微波炉中照射加热,反应4h,即可得到改性SiO2样品。
最后应当指出,通过这2种改性手段获得的纳米粒子是否均匀地分散于XLPE中必须借助于实验仪器的观察,如扫描电子显微镜、透射电子显微镜等。另外,在改性过程中引入的一些杂质可能会对空间电荷、电导率造成一定的影响,这都有待于实验验证。
2 柔直电缆设计
2.1 电场分布
电缆绝缘层中的电场分布,交流电缆与直流电缆有很大的不同。交流电缆中电场分布是与介电常数ε呈反比分布,ε与温度无关。直流电缆中电场分布是与体积电阻率呈正比分布,电阻率与温度和电场有关。交流电缆中几乎没有空间电荷累积效应,而直流电缆中有明显的空间电荷累积的影响。运行中的直流电缆,受到雷电冲击电压、操作冲击电压时、电场分布受ε影响。这样,直流电缆绝缘层中电场分布比交流电缆复杂得多。
假定电缆绝缘发热已经稳定,绝缘中损耗忽略不计,不考虑空间电荷的影响,那么,距离电缆导体轴线r处的电场强度E为:
式中:U为绝缘层承受的电压;rc为导体屏蔽层外表面的半径;R为绝缘层外表面的半径;α为绝缘电阻温度系数,聚乙烯和XLPE的α=0.15℃-1;θc为导体屏蔽外表面温度;θs为绝缘外表面温度。
式(1)只考虑了温度对电阻率的影响,实际上,绝缘电阻率也受电场强度E的影响,两者同时作用时,有
式中:γ为系数,当E=5.25~21.0kV/mm时,γ为2.1~2.4。
式(1)与式(3)的形式完全一致,式(1)中的β相当于式(3)中的δ。从式(3)可以看出,直流电缆绝缘层中电场分布与电缆绝缘结构尺寸、承受电压大小和导体负载电流大小有关。
当直流电缆导体电流为零,即空载时,最大电场强度在导体屏蔽外表面上。当负载电流增加时,导体屏蔽表面场强减小,绝缘层外表面电场强度将增大,它会超过导体屏蔽上场强。
单纯的暂态电压(包括雷电冲击电压、操作冲击电压、极性转换瞬态电压)作用在直流电缆绝缘上,其电场分布与交流电缆一样,按ε呈反比分布。
运行中的直流电缆系统本身一直承载直流工作电压,暂态电压来袭时,会叠加在直流电压上,直流电压叠加冲击电压,其绝缘中电场分布既不同于交流电缆,又不同于直流电缆,而是两者的综合。
直流电压叠加同极性冲击电压时,叠加瞬间的电场Es为:
式中:Ed为直流工作电压的稳态电场,按电阻分布;Etr为叠加的冲击电压的暂态电场,按电容分布;Vd为直流电缆运行电压;Vs为叠加同极性冲击电压后电缆绝缘上的电压。
同样原理,直流电压上叠加反极性冲击电压时,叠加时的电场Er为:
式中:Vr为叠加反极性冲击电压后电缆绝缘上升高的电压。
运行中直流电缆绝缘上,经受雷击过电压或操作过电压时,叠加反极性冲击电压比同极性冲击电压时的绝缘介质对外表现出击穿强度下降。这是因为在直流电场作用下,靠近电极处存在着与电极极性相同的空间电荷。在施加反极性的冲击电压的极短时间内,被电缆绝缘材料捕获的空间电荷几乎保持不变,且其极性与电极极性相反。这样,在空间电荷与电极间存在着较高的电场,引起绝缘局部场强的畸变。故叠加冲击电压绝缘水平已成为影响电缆绝缘厚度的主要因素,特别是超高压直流电缆绝缘厚度更是决定因素。最近国内直流电缆的试验中,出现的击穿情况,也是在直流电压叠加冲击电压试验中,出现问题较多。
2.2 国内外柔直电缆
ABB公司将电压源换流器(VSC)换流站与聚合物电缆相结合形成柔直输电的概念,较传统的LCC直流输电,成本大大下降。为了提高输电线路可靠性,在柔直输电中通常采用电缆系统作为输电线路。ABB公司研制的直流电缆结构为:中间导体一般为铝材,导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层三层同时挤出均匀包裹在导体外面,形成绝缘结构,采用铜丝绕包在绝缘屏蔽外形成金属屏蔽,最外面由铝箔和聚乙烯形成外护套保护电缆。这种新型的三层聚合材料挤压的单极性电缆,较传统的油纸绝缘结构电缆,具有高强度、绿色环保等特点,适合用于深海等恶劣环境。这种直流电缆重量轻、成本低、传输功率大。例如:一对95mm2铝导体电缆,在直流工作电压为±100kV时,能够传输30MW的功率,其重量为1kg/m,绝缘厚度为5.5 mm,可以非常方便地埋在地下。
国产柔直电缆结构相似于交流电缆结构,就陆地柔直电缆而言,国内五家电缆公司试制的电缆参见图3,其为±200kV陆地柔直电缆,导体截面为1 000mm2。
海底柔直电缆与陆地柔直电缆在7之前结构一致。从7开始,将皱纹铝套改为平滑铅套,外护套改为内护套,增加1层或者2层钢丝铠装,钢丝外热涂沥青防腐,再覆盖聚丙烯绳作为外被层。
关键的材料以及导体屏蔽、直流交联料和绝缘屏蔽料,各厂均进口同一家电缆料公司的同一牌号产品,而且绝缘料的最高工作温度为70℃,比现在的交流交联料工作温度90℃低了许多,这就导致电缆的载流能力偏小,经济性能下降。
国产柔直电缆现状是几乎均采用铜导体,这就造成造价高、重量重、铝套容易电化腐蚀,故外面涂沥青防腐层,外护套外面涂石墨导电层,以便进行外护套直流耐压,但沥青和石墨在电缆制造和使用中均易污染环境。海底电缆的金属套多采用铅套,铅是重金属,也会污染环境。
2.3 新型柔直电缆设计
针对现有柔直电缆弊端,对柔直电缆重新进行设计。成本低、绿色环保的±320kV和±200kV新型柔直陆地和海底电缆分别见图4和图5。
±320kV和±200kV柔直陆地电缆和海底电缆,工作温度为90℃绝缘中的电场分布分别见图6和图7。
图6和图7中,β曲线只考虑了温度对电场分布的影响,δ曲线同时考虑了电场和温度对绝缘中电场分布的影响。可以看出,绝缘中电场和温度同时作用时,对电场分布有均匀作用。
3 柔直电缆发展趋势
国外ABB公司1997年开始试验投运±10kV柔直电缆系统,多采用铝导体和XLPE,外护层采用铝塑综合防水层。逐步淘汰了油纸电缆绝缘结构。2013年5月,ABB公司在德国北部投运了±320kV轻型直流系统,将北海800MW的海上风电接入欧洲输电系统。瑞典国家电网运营商Svenska Kraftnt公司投资1.6亿美元,建设连接瑞典南部和西部的地下输电线路,线路全长200km,电压等级为300kV,输送容量2×660 MW。采用柔直地下电缆系统,电缆为铝导体,挤包绝缘。ABB公司将负责包括终端、接头和其他配件在内的整套电缆系统的设计、生产、供货和安装工作,整个项目将于2014年完工。这套地下电缆解决方案主要是为了提高瑞典国家电网南部的输电能力和抵抗自然灾害能力,有助于提升瑞典与挪威两国间的电力交换容量。未来,该线路还将支持大量风电顺利并入瑞典电网。
欧洲超级电网是一种未来电力系统,主要基于直流输电,将偏远地区的大规模可再生电力传输到消费中心,输电线路大量采用直流交联电缆系统。
在中国,柔直电缆系统采用进口绝缘料的研究尚处于起步阶段,其电缆结构将交流电缆的结构套用过来,几乎都是铜导体铝护套或者铅护套。国内±200kV五端柔直工程和±160kV三端柔直工程的所需要的直流电缆系统正在试验验证之中。±160kV柔直陆地和海底电缆已经定标两家国内电缆公司生产。
国内外的商用柔直电缆导体工作温度都是70℃,而且均是单芯电缆。未来铜价约高于铝价4倍及以上时,国内就会发展铝导体或铝合金导体、铜护套,工作温度要达到90℃。绿色环保高载流量的柔直电缆、双芯电缆是发展方向。
向遥远的海岛供电及海上风电进网时,柔直海底电缆会大量采用。现在都采用2根极线分2次敷设,分开距离一般为2倍水深。这不仅使敷设费用增加,而且电缆线路占用海域面积较大,导致以后每年要交海域使用费用较多,增加了电缆线路运行成本。
未来的发展方向是将2根极线放在一起,一次性敷设完成,甚至还可以将光缆也与2根极线放在一起同时完成敷设。
对于电压低或者导体截面小的海缆,可以在工厂绞合在一起,然后装船敷设。对于电压高或者导体截面大的海缆,可以在敷设时将2根极线平行放在一起,也可加上光缆,采用坚固的带子绕包绑扎后,再敷设到海底。
4 结论
1)应大力开发用于电缆绝缘的空间电荷测量装置。在研究过程中,应重视功率足够大的脉冲发生器及与圆柱形电缆绝缘界面捏合的半弧形电极的研制。空间电荷陷阱电荷能量测量方法主要为TSD法和PSD法,PSD法测量聚乙烯陷阱能量分布的结果显示,电荷主要被捕获在中心深度为4.97 eV的陷阱能带中。
2)通过添加纳米填料抑制电缆XLPE绝缘中空间电荷时,必须解决纳米粒子与XLPE的相容性问题,通常可以通过表面物理修饰和表面化学修饰等改性手段完成,但改性的有效性必须通过实验的进一步验证。
3)柔直XLPE电缆绝缘中电场分布与体积电阻率呈正比分布,而电阻率与导体负载和绝缘中电场有关,运行中柔直电缆经受的反极性冲击电压是电缆绝缘的关键影响因素。
4)现有开发的柔直电缆工作温度较低,部分结构材料不环保,文中提出高载流90℃工作温度绝缘料,并研究设计出绿色环保高压、超高压陆地和海底电缆结构。
防雷绝缘子在绝缘线路上的应用 篇2
关键词：防雷击；架空线路；绝缘子；引弧近些年来，随着社会生产生活用电需求的提高，设备及供电线路的用电负荷增加，供电公司需要持续提高绝缘化率来保证设备处于高效率的工作状态。但是，在实际的应用过程中，因为受到外界不可抗力，例如雷电、风等问题，影响了供电线路供电的稳定性和可持续性。虽然线路都设置了过电压保护器、避雷器等设备，但是在应用过程中依然存在着一定比例的雷击事故。而防雷击绝缘子的出现和应用给架空绝缘线路防雷击性能的提高起到了一定的作用。因此，有必要在分析雷击造成架空绝缘线路故障甚至断线机理的基础上，探讨防雷绝缘子在绝缘线路保护中的作用，并提出完整的绝缘子应用技术方案，为提高绝缘线路的工作稳定性提供参考。
一、雷击造成架空绝缘线路断线的机理
（一）架空绝缘导线受力因素。首先，因为靠近杆塔位置处的导线需要承受更大的拉力和重量，这直接导致该位置的导线承受的应力更大。同时，供电导线除了在转角的杆塔处使用弹性优良、耐张力能力强的绝缘子之外，在一般地方都是使用简单的柱式绝缘子，在这些地方容易出现剪切疲劳问题。同时，因为金属导线具有一定的延展性，在这些内部应力的长期作用下，将导致直径减小、电阻增加，为绝缘导线雷击事故的发生提供了电热效应基础。
（二）架空绝缘导线受雷击的电学机理。在杆塔附近处的导线在压力作用下容易出现一定程度的破坏，因此在受到雷击作用时，高电压将会导致绝缘导线的薄弱位置处出现击穿孔，从而使得绝缘导线出现闪络问题，导致绝缘线路出现短路，瞬间出现很高的工频续流，在短时间内出现热效应而使得导线的温度升高，再在力的作用下出现断线问题。
从实际的情况来看，绝缘导线雷击断线故障一般出现在少遮蔽物的平整地方。这主要是因为这些断线故障并不是因为雷击直接作用而使得线路被击穿的，而是在地面放电的感应电压造成的绝缘线缆断线问题。这种感应电压产生的电流远远超过绝缘导线的承载能力，直接造成绝缘线缆烧断。
（三）架空绝缘导线性能。因为架空绝缘导线一般包括三
层，从里向外的结构依次是导体、内屏层以及绝缘层三层。按照线缆不同的规格和型号，每千米的绝缘导线重量从100kg到1000 kg不等，而且对应的允许电流值从100A到500A。但是，架空绝缘线缆的绝缘层总厚度一般是2.5mm，且电阻值超过1000MΩ，使用的材料通常是树脂、塑料、橡胶、PVC等。但是这些材料的熔点都较低，一旦受到雷击，电流产生的热效应将会将之迅速融化，从而导致架空线路出现雷击事故。
二、防雷绝缘子在架空绝缘线路中的防雷击设计原则
（一）防雷击绝缘子架空绝缘线路防雷击原理。通常，防雷绝缘子实现防雷击目的的基本原理是通过并联间隙的方式来实现的。通过在绝缘子的两端并联设置一对金属电极，通过形成保护间隙的方式来确保保护间隙的距离小于绝缘子串的总串长。当噪声雷击时，绝缘子串上产生很高的雷电过电压，但因保护间隙的雷电冲击放电电压低于绝缘子串的放电电压，雷击作用将首先在保护间隙放电，工频电弧在热应力以及点动力的作用下通过并联间隙形成了放电通道，最终被逐步引至金属电极的端部，将金属电极端部的部件烧毁，达到保护绝缘导线、绝缘子的目的。
通过这种方式，防雷保护装置具有引导放电、疏导工频电弧以及使得工频电场更加均匀的作用。在整个过程中，这种作用与设置的并联间隙的招弧角尺寸、形状等具有一定的关系。
（二）架空绝缘线缆防雷的并联间隙设计原则。首先，在设置过程中要将之与绝缘子串的绝缘相互配合，并考虑到绝缘子串与并联间隙在雷电的冲击作用电压以及雷电线路过电压作用下的特性。在雷击作用下，绝缘子串和并联间隙出现的闪络电压一般符合对应概率的随机分布，具有一定的统计特性。因此，在实际的过程中必须受限使用数理统计方法对并联间隙以及绝缘子串之间的配合形式进行设计，确定对应的安全间隙距离，保证所设计的并联问隙伏秒特性曲线处于绝缘子伏秒特性曲线的上方，使得雷击作用下出现闪络现象时，并联间隙将会先于绝缘子串出现闪络，从而达到保护绝缘子的目的。同时，还应该保证并联间隙在可能存在的正常操作电压下不会出现断开的问题，确保线路的绝缘水平处于正常水平。其次，在架空绝缘线缆中，电压等级处于220kV及以下的线路不会设置均压环，所以在设置并联间隙的过程中需要对间隙的均压能力予以考虑，即并联间隙不但要具有对应的引弧能力，而且还必须具有充当均压环的功能，起到一定的均压效果。在设置了防雷绝缘子之后，能够使得不均匀的电压分布情况得到有效的改善，以免绝缘子在电压的作用下出现电晕现象。
三、防雷绝缘子在架空绝缘线路中的应用技术
（一）防雷击绝缘子的主要技术类型。当前实际中应用的防雷击绝缘子金具主要包括两种：(1) 剥线型的防弧金具，该种防弧金具的电压水平较高，而且安装位置通常在导线绝缘子轴线的100.0-150.0mm范围当中。在设置之后，可以在架空绝缘导线线路的绝缘子端部与金属器件之间形成反应，在雷击作用下构成冲击放电通路。在架设的过程中，尤其要注意所架构的线路的特点，通过选择不同的安装区域来保证防雷击效果。通常，对于环网结构的绝缘配电网络而言，可以将这种防雷装置设置在绝缘子的两侧，而且安装的金具要与导线绝缘层之间相互剥离。而对于星型的配电网络而言，这种防护金具通常可以设置在绝缘子的负荷侧位置；(2) 穿刺型防弧金具：这种防弧金具的最大优点在于能够有效的避开采用剥线型防弧金具结构过程中出现的密封性能较差的问题。这种防雷击结果通过将电极结构设置成为穿刺形态，将尖齿作为电载荷体，将架空导绝缘线线路的绝缘层刺穿，使得金具与绝缘线的线芯直接接触，从而达到引出高位电压的目的。这种结构的防弧金具的结构主要包括低压电极、高压穿刺电极以及绝缘护罩构成。在实际的设置与应用过程中主要注意绝缘层与穿刺层之间的挤压，保证两者具有足够的密封性能，否则将影响到防雷击的效果。
对策与实施
（二） 防雷绝缘子架空绝缘线路应用方案流程。(1) 通过对现场的实际调研，统计得到整个项目方案中需要安装的防雷击绝缘子数量；(2) 开展经济技术评估，计算得到若不进行防雷击绝缘子的改造，当停电时间达到4h时，结合停电面积、影响总负荷(30%)，估算得到雷击造成全年总的供电量损失，确定是否需要对绝缘子进行防雷击改造；(3) 若需要改造，则对绝缘线路绝缘子的弯曲强度、耐受的额定电压等级进行测算，结合实际的使用环境，诸如耐污要求等形成完善的绝缘子综合设计要求。并按照对应的设置安装规范进行项目实施，最后与对应的国家标准进行对比，保证验收结果。
结语：架空绝缘线缆绝缘子的防雷改造工作是当前供电线路改造工作的重点之一，也是保证供电线路正常运行的重要环节，在具体的实施过程中必须结合实际的需求以及线路的应用环境制定出与之相对应的技术方案，这样才能使得整个线路达到防雷击等级。
参考文献：
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大型空冷汽轮发电机绝缘结构研究 篇3
1 主绝缘体系的确定
多胶环氧粉云母带连续式绝缘模压型或液压型绝缘体系, 和少胶环氧粉云母带线圈VPI型绝缘体系, 都能获得高质量的电机绕组绝缘, 所以两种绝缘体系在世界上都在广泛使用。
我公司大型发电机定子绕组为F级桐马环氧粉云母多胶模压型绝缘体系。通过与国外公司的合作项目, 我公司将国内交直流电机定子线圈、二滩18k V/550MW水轮发电机定子线棒及三峡20k V/700MW水轮发电机定子线棒分别发往日本三菱公司、加拿大GE公司、瑞士ALSTOM公司 (原ABB) , 这几家公司采用国际标准及相应国家标准, 对我公司提供的线棒进行了外观质量和几何尺寸检查;对表面电阻、介质损耗、冷热循环、电热老化及电老化试验等进行了严格的考核评定。试验结果表明:多胶模压体系制造的线棒, 其电气、机械性能达到国外少胶VPI体系同等。同时, 由于用于制造高电压等级少胶VPI线棒用的主绝缘材料 (特别是云母带、浸渍树脂) 及部分配套材料需完全依赖进口。从材料供货周期、质量保证、经济性、生产安全性等长远发展考虑, 仍采用国内传统的多胶模压绝缘体系。
2 角部电场分布的改善
电机运行时, 线棒导体的角部电场较为集中, 即线棒导体角部的电场强度要比导体其它部位高得多。
针对线棒导体角部电场集中问题, 国内外大电机制造商在这方面都进行了大量的研究工作。每个公司都有不同的处理方法, 对改善角部电场分布都有一定的效果。通过角部场强的良好均化, 使绝缘厚度减薄成为了可能, 同时对云母带材料进行了研究和改进, 使云母带的电气性能得到提高, 线棒的击穿性能相应提高。
综合分析国外技术, 结合我公司独有的经验以及考虑产品性能、制造工艺、可靠性等诸多因素, 最终确定了改善定子线棒角部电场分布的方案。即将导线的角部修成R2~R3, 按试验确定的长度找出等电位点, 并控制等电位层阻值在一定的范围内, 达到均压的目的。
3 线棒端部防电晕问题
为使起晕电压提高, 采用多级防晕处理法, 起晕电压明显提高, 同时采用新型防晕材料, 减薄了线圈端部防晕层厚度, 较少的占用了主绝缘尺寸。这种措施给模具加工、特别是线棒制造带来很大难度, 导致定子绕组的斜边间隙变小, 试验及运行过程中易产生放电。
使用传统的开槽结构, 防晕层将占掉绝缘尺寸, 这样绝缘就会变薄, 各项绝缘性能随之下降, 该处就会成为绝缘薄弱点。采用新型因此现有的防晕结构难于达到电晕的标准。因此需要选用新型的防晕材料, 减薄了线圈端部防晕层厚度, 较少的占用了主绝缘尺寸。新型防晕材料, 阻值特性较好, 袋子尺寸薄, 使整体防晕层厚度变薄, 有效的提高了线棒起晕电压水平, 新结构防晕层厚度较传统结构防晕层厚度减薄了40.8%, 有效的降低了对主绝缘的占用率。
4 绝缘材料开发
定子线棒的主绝缘材料的主绝缘材料是云母带, 汽性能好坏直接影响定子线棒的绝缘水平。因此, 对云母带的电、热和力学性能要求较苛刻。云母带是由胶和粉云母纸以及补强材料组成。粉云母纸的厚度、孔隙率和云母鳞片尺寸直接影响定子线棒电性能、老化寿命。因此, 在云母矿的选择、粉云母纸的操制时间及工艺上进行了严格的规定, 对操制好的粉云母纸性能提出更高的标准。
针对空冷机组, 若斜边间隙过小, 易产生放电, 所以不能采用开槽结构。传统的防晕材料特点是:带子偏厚、阻值特性不满足要求, 因此采用新型防晕材料, 新型反运材料具有阻值特型好, 尺寸薄的优点。很好的提高了线棒的防晕水平, 同时减薄了线棒的绝缘尺寸。
5 工艺改进
空冷汽轮发电机定子线棒第一大特点是绝缘厚度薄, 工作场强高。国内外电机制造厂家对此种特点的线棒都是采用线棒VPI (真空压力浸渍) 工艺进行生产, 如此制造的线棒既能保证绝缘厚度薄又使绝缘层均匀, 公司多年来一直坚持传统的多胶模压体系, 最大的弊端是绝缘厚度不均匀, 最薄面绝缘厚度小于设计值。要制造性能要求如此之高的空冷汽轮发电机定子线棒, 对传统模压工艺方法将是一个严峻的考验。
使用柔软的云母板材料, 将松散的电磁线粘接在一起, 既要保证使导线粘接好, 又要防止压制后导线侧面有缝隙。缝隙过大将造成模压后绝缘内部气体在高电压下游离放电, 因此必须保证导线之间云母材料填充饱满, 使导线有足够的强度。针对垫条使用数量和导线成型情况进行了试验, 既达到了流动性好保证填充, 又满足了粘接和强度要求, 解决了导线压制和填充的技术问题。
为保证云母带包扎紧度、层数, 提高绝缘包扎质量, 从以下几方面进行了研究:[1]采用数控包带机, 通过反复进行工艺试验, 确定了最佳包扎张力。 (2) 对线棒的不同部位, 采用不同的包扎工艺, 如直线转角部位由于存在增厚、减薄问题;引线转角去丝位置由于尺寸变小, 采取特殊的包扎工艺, 保证绝缘厚度均匀性和外观质量。 (3) 通过包扎层数、尺寸、成品表面状况及线棒性能测试, 确定了合理的绝缘包扎层数。
参考文献
绝缘结构 篇4
随着电磁发射技术的日趋成熟,其在科学实验、航空航天等诸多领域中扮演越来越重要的角色[1,2,3]。电磁轨道发射系统利用流经轨道-电枢的电流所产生的磁场与流经电枢的电流之间相互作用的电磁力加速电枢至超高速[4]。在电磁发射运行过程中,存在着电、热和力多场耦合作用[5]。实验中发现发射装置中的绝缘支撑结构破坏频发,尤其在重复发射过程中。由于电磁发射过程复杂,绝缘支撑结构的性能受到多种因素的影响。目前国内外针对绝缘支撑结构绝缘性能的研究涉及较少,早期的研究人员将研究重点放在发射装置绝缘材料的选择和评估[6,7]、使用等离子体电枢发射器时如何减少绝缘侧壁烧蚀的措施[8,9,10]以及方口径发射器绝缘侧壁的金属沉积[11,12,13]等方面,在数值计算上主要针对轨道及电枢的瞬态温度分析[14,15]。本文通过对实验用电磁发射装置建立简化二维模型,运用有限元分析方法,仿真计算得到发射装置绝缘支撑结构的电磁场、温度场及应力场多场耦合特性。
2 多场耦合计算
2.1 理论及模型
电磁发射装置横截面二维简化模型如图1所示。发射装置口径尺寸为10mm×10mm;轨道的横截面为矩形,宽20mm,厚为6mm,材料为紫铜;绝缘支撑结构包括两块绝缘压板和两块绝缘支撑板,材料均为玻璃钢,整个装置通过两排预紧螺栓连接并进行预紧。在构建模型时,为了更好地进行磁场计算,在整个模型外围包上圆形空气域。鉴于整个模型结构的对称性,故只选取左上1/4模型进行分析计算,如图2所示。
运用有限元方法求解轨道电磁场参数的理论基础是麦克斯韦方程,由麦克斯韦方程推导出A-法表示的磁场控制方程[16]为:
式中,A为磁矢势;Ф为标量电位;σ为材料的电导率;μ为材料的磁导率。这里主要考虑二维模型,忽略电枢速度的影响。在求出磁场后,根据场参数之间的关系求得电流密度J与磁感应强度B等参数,再将由电流密度表示的热源Q,导入到热传导方程中,即
式中,ρ为材料的密度;Cp为定压比热;k为材料的导热系数;T为温度。这里的热源主要考虑电流流过导体产生的焦耳热,由于轨道与绝缘支撑结构相接触,轨道内部电流作用产生的热量通过热传导会对绝缘支撑结构产生影响。同时由电流密度J与磁感应强度B可得载流导体所受的洛仑兹力为:
式中,V为轨道所在积分域。发射装置两轨道由于流过反向的脉冲电流而产生相互排斥的作用力,绝缘支撑结构同时受到轨道电动力和螺栓预紧力的作用,为了得到发射装置各装配结构之间的作用关系,研究绝缘支撑结构瞬态应力分布状态主要基于以结点位移为未知量的运动微分方程[17]:
结合相应的几何方程和本构关系:
式中,u为位移;ρ为质量密度;c为阻尼系数;f为力载荷;σ为应力;ε为应变;D为弹性矩阵;L为微分算子,其表达式为:
本文采用有限元软件COMSOL Multiphysics进行求解,在计算时,外围空气域正常网格剖分,而电磁发射装置需要局部加密剖分。
2.2 边界条件设置
在计算磁场时,边界S1可认为无穷远,故设置A=0;边界S2为两轨道对称轴,由于两轨道中电流的大小相等,方向相反,且磁矢势A与电流同向,所以设置A=0;由于磁场与边界S3垂直,所以设置S3为A/n=0;对于整个计算域A初始值设为零。在热传导模块求解时,对于装置所在边界S4、S5均设为对称边界,整个计算域温度初值设为T=293.15K。在磁场模块中求解电磁力之后,将计算结果作为力载荷导入到固体力学模块实现耦合。在运用结构力学模块计算时,需运用装配体模型分析得出各个部件之间的接触关系,其中装置所在边界S4、S5设为对称边界,螺栓预紧处设为固定约束,整个计算域u的初始值设为零。
在计算时施加在轨道中的脉冲电流波形如图3所示。峰值电流为165k A,脉宽约1ms。计算时所用到各材料物理参数如表1所示。
3 计算结果及分析
由于轨道的激励电流为脉冲电流,电流大小随时间变化且作用时间极短,所以导体内电流密度的分布会受到趋肤效应的影响而产生不均匀分布。图4为t=0.1ms,0.5ms,1ms时刻的轨道横截面电流密度分布。可以看出瞬态电流在轨道横截面的分布特点。在电流作用初始阶段,电流扩散具有明显的趋肤效应,轨道表面的电流密度高于轨道内部,电流更趋向于集中在轨道右边缘,也就是说趋向于分布在两轨道的内表面边缘。随着时间推移,电流逐渐由轨道表面向轨道内部扩散,以t=1ms时刻为例,轨道电流密度逐渐趋向于均匀分布。
图5为轨道和局部绝缘板表面在t=10ms和1时的温度分布。可以看出绝缘板的高温区域主要集中在与轨道相接触的表面上,并且从t=10ms到t=1s时刻,轨道的温度逐步趋于均匀分布,而绝缘板的高温仅分布在表面边缘,这是因为与轨道相比,绝缘材料的导热系数极低(轨道和绝缘板的导热系数分别为400W/(m·K)和0.88W/(m·K),热量在绝缘板中扩散十分缓慢,1s扩散不到1mm。绝缘板的温度范围在295~305K之间,温升大约在10K左右,可知轨道的热效应对绝缘板的影响很小。
图6为绝缘支撑结构1ms时在螺栓预紧力和轨道电动力共同作用下的应力分布和变形情况。从整体上看,绝缘压板受力远大于绝缘支撑板,绝缘支撑板基本不受力,最大应力出现在绝缘压板螺栓预紧内侧,其值为98MPa,远远小于玻璃钢材料的强度极限350MPa,同时绝缘压板拐角处也是相应的高应力区。仿真结果表明,在电磁发射过程中轨道的冲击力并没有对绝缘板产生很大影响。
4 结论
绝缘结构 篇5
风力发电机是新兴能源再生型环保电机, 我国风力资源丰富, 具有巨大的潜能。但因我公司在风电方面研究较晚, 为抢占市场, 公司引入国外公司MW级双馈风力发电机技术, 在消化吸收引进技术的基础上, 大胆地进行了风电定、转子线圈的绝缘结构改进和创新。经过大量的绝缘工艺试验后, 完全采用了国产绝缘材料和VPI浸渍树脂, 并据此制订了相应的VPI浸、烘工艺规范和绝缘工艺规范。
1 风电定子线圈电磁线的选择
风电电磁线铜线较粗、宽窄比较小, 给线圈绕线、涨形、成型造成了一定困难, 所以在选择定子线圈电磁线过程中我们进行了多次改进。
1.1 亚胺薄膜烧结线
绝缘较薄, 绝缘电气性能好, 但在应用过程中, 线圈涨形和整形时, 端部绝缘层易破裂, 直线胶化时, 股间不易粘结, 尺寸不好控制。
1.2 亚胺薄膜少胶云母带绕包线
在端部弯曲成型时搭接部位会错开, 使端部匝间绝缘受损, 造成两台定子在试验过程中匝间短路, 烧毁定子。
1.3 双层叠包绕包线
结合前面经验, 选择双层叠包线, 即:先采用较薄的H级亚胺薄膜半叠包, 再用H级亚胺薄膜少胶云母带外面半叠包, 并使搭接部位相互错开, 这样可使绝缘层更加柔软, 弯型时搭接处不易裂开和露铜, 从而有效保证了线圈端部的匝间性能稳定, 最大限度地避免了股间和匝间短路事故的发生。
2 匝间绝缘的选择
2.1 端部匝间绝缘
与Nomex比较后, 选用了机械性能和电气性能较好的0.2 mm厚的H级聚酰亚胺复合材料 (NHN) 作为线圈端部匝间绝缘。
2.2 直线部分匝间绝缘
反复试验后, 选用了0.2H桐马环氧衬垫粉云母板作为直线部分匝间绝缘, 取代了初期的排间绝缘和刷胶工序, 使线圈胶化后股间粘结一体性较好, 直线型腔尺寸得到了有效控制, 并保证了直线部分良好的匝间电气性能 (表1) 。
3线圈主绝缘结构的工艺试验研究和主绝缘材料的选择
风电线圈主绝缘是风电绝缘的核心, 风电定、转子绝缘结构与水、火电不同, 转子线圈可以参与发电, 并且转子线圈要常承受近20倍额定电压的冲击电压和高频脉冲过电压, 故在选定绝缘结构时, 还要考虑转子线圈绝缘的高频耐电晕性。
3.1 主绝缘材料和VPI浸渍树脂的初步确定
在对国内VPI少胶云母带和浸渍树脂质量状况不太确定的情况下, 对国内少胶云母带主要生产厂家进行调研, 并选择了4家生产的少胶带和浸渍树脂, 采用不同的绝缘结构进行多批次的工艺性试验研究, 以确定绝缘结构的初步方案。不同厂家材料制成的线棒所取得的工艺试验结果如表2所示。
注: (1) A、B、C、D代表不同厂家; (2) 玻表示玻璃布少胶云母带, 膜表示亚胺薄膜少胶云母带, 树脂表示H级VPI浸渍树脂, 混表示玻璃布亚胺薄膜三合一云母带。
从表2中大量的试验结论可以看出, C厂家的玻璃布及亚胺薄膜少胶带和D厂家的VPI浸渍树脂组合, 其常态介损tgδ、常态介损增量Δtgδ、热态介损tgδ (155 ℃) 、介电强度明显优于其他两厂家性能, 并能达到水电行业的优等品水平, 可以作为风电主绝缘材料的重点研究和选择对象。
3.2通过与进口亚胺薄膜少胶带电气性能进行比较, 验证国内少胶带的使用可靠性
为了进一步确定使用国内少胶云母带的可靠性, 并找出国内外材料性能的差距, 试验了国外E厂家亚胺薄膜少胶云母带与C膜同时采用D树 脂进行VPI浸渍工序, 测试结果如表3所示。
从表3试验数据可以看出, E亚胺薄膜少胶云母带与C膜同时采用D树脂浸烘后, 试验结果相近, 且国内厂家C膜热态介损tgδ (155 ℃) 性能具有一定优势, 符合风电在高温下运行要求损耗小的特性, 由此进一步确定了使用国产材料进行风电少胶VPI制造是可行可靠的。
3.3 耐电晕少胶云母带的选择及复合绝缘结构的研制
因风电属变频电机, 转子线圈在运行过程中要承受数倍额定电压的高频脉冲电压, 若线圈内部有缺陷, 在气隙内部将产生高频充放电现象, 对线圈绝缘产生电腐蚀和化学腐蚀, 从而减弱线圈绝缘性能, 缩短运行寿命。
为解决局部放电引起绝缘腐蚀问题, 除了采用无溶剂VPI浸烘以减少绝缘内部缺陷外, 需使用耐电晕性能好的绝缘材料, 以延长绝缘的耐电压寿命。公司制作了国产耐电晕薄膜少胶云母带和普通亚胺薄膜少胶带0.2×60×120板状试样各3 块, 进行VPI浸烘。经上海电气设备检测所在20 k Hz、90 ℃、3 000 V、脉冲上升时间400 ns条件下进行试验, 结果表明耐电晕材料的平均寿命是普通亚胺薄膜的5倍, 并用其制成烧结线与相同的国外耐电晕烧结线相比 (双面绝缘厚度为0.21 mm) , 在20 k Hz、90 ℃、2 000 V、脉冲上升时间400 ns条件下进行耐电晕老化试验, 老化寿命分别为130.9 h和178.8 h, 达国外耐电晕烧结线耐电晕寿命的0.73倍。
为了提高转子线圈绝缘的耐电晕性能, 在进行绝缘结构的工艺试验研究时, 采用了复合绝缘结构, 经VPI后线棒的试验结果如表4所示。
从表4试验结果可以看出, 采用复合绝缘结构, 常态介损及增量、热态介损和只使用普通亚胺薄膜少胶带相比均得到减小, 电气性能更好, 故采用耐电晕少胶云母带及复合绝缘结构。
注:C复为耐电晕亚胺薄膜与普通亚胺薄膜少胶带的复合结构。
4 定、转子线圈绝缘结构和VPI浸渍树脂的确定
在确定定、转子线圈绝缘结构时, 要考虑线圈的常态介损及增量、热态介损、击穿电压、击穿场强、绝缘材料与VPI树脂的相溶性、绝缘与导线的一体性。
4.1 定子线圈的绝缘结构
采用规格为0.13×25的DY7329 (表5) 玻璃布少胶云母带作线圈直线绝缘包扎, 并用0.2 mm厚的NHN复合材料 (表6) 制成U形状, 作线圈直线部分的槽绝缘及保护膜;端部和鼻部采用DY7329H (表5) 包扎, 并减薄端部绝缘厚度, 使嵌线时便于绑扎固定, 并保证良好的散热效果。
4.2 转子线圈的绝缘结构
采用DY7329B (表5) 耐电晕亚胺薄膜少胶云母带和DY7329H亚胺薄膜少胶云母带复合主绝缘结构, 并用Nomex纸为基材的低阻布作转子线圈槽衬及主绝缘保护膜, 这样既可防止转子线圈主绝缘嵌线受损, 又可防止转子线圈在高频下槽部产生电晕。
4.3 定、转子真空压力无溶剂浸渍树脂的确定
经过对多家产品的试验结果进行比较, 并在大量绝缘工艺试验的基础上进行综合评估, 最终选择了D厂家的H级T1149-2树脂 (表7) 作为风电真空压力无溶剂浸渍树脂。它是采用不饱和聚脂树脂、特种固化剂、和活性稀释剂制成, 试验结果证明, 在真空压力状态下, 能起到填充定、转子槽内空隙及线圈绝缘层内部气隙的作用, 并和少胶带中的薄膜、玻璃布、云母胶相溶, 具有机械性能好、耐热性好、介电强度高、常/热态介质损耗小的特点。
5 应用效果
选用上述国产绝缘材料和浸渍树脂, 经整机试验, 各项电气性能均达到设计要求。到目前为止, 该结构的产品有近5千台机组并网发电, 质量稳定可靠。
6 结语
我公司在风电绝缘材料、绝缘结构和绝缘工艺等的完全国产化转换研制过程中进行了大量的工艺改进和创新, 积累了许多宝贵的经验, 形成了自己的一套较为完整的风电VPI绝缘体系, 并为风电其他机型的开发垫定了坚实的基础。当然, 为了选用更合理的绝缘材料、更优化的绝缘结构和工艺, 提高风电电气性能, 仍有许多技术问题如线圈耐电晕寿命、VPI浸烘工艺的改进等需进一步研究和探索。
参考文献
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绝缘结构 篇6
1 实验部分
1.1 试验材料
试验选用的两种塑料电线为聚氯乙烯绝缘电线 (简称BV电线) 和阻燃聚氯乙烯绝缘电线 (简称ZR-BV电线) , 由江苏无锡某线缆公司生产, 符合GB/T 5023《额定电压450/750 V及以下聚氯乙烯绝缘电缆》的要求。具体型号及规格如表1所示。
1.2 实验设备及方法
(1) 过电流老化实验。
过电流试验设备为KSL-1000型大电流发生器, 由天津新科化电力电器设备有限公司生产制造, 工作电压为220 V, 额定容量为5 kW, 可以输出0～1 000 A的交流电流, 额定输出电压为0～5 V, 绝缘强度2 500 V/min, 绝缘电阻≥2 500 MΩ, 使用的环境温度为-20～45 ℃, 相对湿度不大于80%。设备主要是根据电磁感应原理, 在二次线圈侧加入较小电流, 在一次线圈侧感应出大电流。其工作原理如图1所示。
试验时, 将电线截成1.0 m长的线段, 负载的形式连接于大电流发生器的电流输出端, 使用交流钳形电流表监测通过电线的电流, 调节升流器, 使通过电线的电流达到所设定的过电流值。试验条件如表2所示。
(2) 扫描电镜 (SEM) 实验。
KY2800型扫描电子显微镜, 北京中科科仪技术发展有限责任公司生产制造;放大倍数为15～250 000 X;分辨率:4.5 nm;加速电压:0～30 kV。将不同老化程度的BV电线和ZR-BV电线试样的绝缘材料用小刀沿垂直于导体的表面切出小口, 用钳子将小块绝缘皮撕下, 得到具有断面的样品;将样品放入真空镀膜机, 对其断裂面喷镀金膜, 再使用扫描电镜对其断面的微观结构进行扫描分析。
(3) 傅立叶变换红外光谱实验。
NEXUS670型傅立叶变换红外光谱仪, 美国尼力高公司生产制造;扫描范围为4 000～400 cm-1, 扫描次数32次。
将不同老化程度的BV电线和ZR-BV电线试样的绝缘材料用打磨机磨成细屑状, 取少量试样放入坩埚, 加入溴化钾粉末, 用坩埚棒碾磨使二者充分混合, 然后用压片机压制成样片, 再进行红外光谱试验。
(4) 热重分析实验。
TGA/SDTA851热重/同步差热分析仪, 瑞士梅特勒-托利多公司生产;样品用量为7 mg左右;测试温度范围为25～600 ℃, 升温速率为20 ℃/min;测试气氛为高纯氮气 (N2) , 气体流量为30 mL/min。使用三氧化二铝 (Al2O3) 坩埚。
2 结果分析与讨论
2.1 扫描电镜分析
图2 (a) ～ (f) 和图3 (a) ～ (f) 分别给出了BV线和ZR-BV线在2倍过电流下不同老化时间后绝缘材料断面的SEM图。通过对断面显微结构进行对比分析, 可得出不同老化程度样品的形貌特征, 如表3所示。
对比表3列出的断面形貌特征, 不难发现, 未老化的新电线绝缘材料断裂面具有典型的韧性变形特征, 随着老化时间的增加, 绝缘材料的断裂延伸带逐渐变短, 韧性减少, 向脆性变形转变;对于老化时间较长的样品, 断裂面出现明显的块状结构, 断裂纹短小, 呈现脆性变形。韧性材料的抗裂能力强, 断裂伸长率大, 而脆性材料的抗裂能力差, 断裂伸长率小, 电线绝缘材料的抗裂能力和断裂伸长率随着老化程度逐渐减弱。当线缆绝缘材料断裂伸长率下降至150%即可出现裂纹, 此时, 一旦受到潮气和外力作用, 绝缘性能将迅速下降, 使绝缘失效。可见, 过电流时, 导线发热产生的温度将超过正常使用的允许温度, 过热将加速电线绝缘材料的热老化, 使绝缘材料韧性减少, 脆性增加, 在外力或自身荷载作用下更容易发生龟裂, 使导体暴露的几率增加, 从而导致漏电、短路等电气故障和电气火灾的可能性增加。在电气火灾原因调查中, 对现场残留电线的绝缘材料进行如上的SEM分析, 则可判断线路的老化程度, 从而为火灾原因的认定提供参考证据。
2.2 红外光谱分析
图4给出了未老化和经过2倍过电流不同老化时间的BV电线绝缘材料的红外吸收光谱图。比对标准图谱分析如下:3 440 cm-1为羟基化合物O-H伸缩振动峰, 为样品中含有一定结晶水的缘故;2 930 cm-1为脂肪族化合物C-H特征吸收峰;1 720 cm-1为羰基化合物C=O伸缩振动峰;1 450 cm-1为苯环骨架中C=C伸缩振动峰;1 270 cm-1为CH2扭曲振动峰, 1 120 cm-1为C-O伸缩振动峰, 660 cm-1为C-Cl特征振动峰。
从图谱可以看出, 未老化和不同老化程度的BV样品其特征吸收峰基本相同, 但吸收强弱有差异。随着老化时间的延长, 1 720 cm-1处C=O和1 450 cm-1处C=C的吸收峰呈现明显增强的趋势。此外, 值得注意的是, 老化20 h以后的样品, 在2 520 cm-1处出现了新的吸收峰, 这可能是氧化分解后生成氢键的结果。
图5给出了未老化和不同老化程度的ZR-BV样品的吸收光谱, 特征峰出现的位置与强度与图4基本相同。有所不同的是, 2 520 cm-1处的氢键吸收峰出现在老化30 h以后的样品中, 这也说明阻燃处理后可延缓PVC材料的氧化降解速度。
综上可得, 无论是BV线还是ZR-BV线, 随着老化时间的增加, 绝缘材料中的C=O和C=C双键呈现增强的趋势。电线绝缘电阻将下降, 泄漏电流将增加。因此, 对于老化的线缆工程, 漏电短路等电气故障发生几率增大, 电气火灾危险性增大。
2.3 热重分析
图6给出了经历不同老化时间的BV线绝缘的热失重曲线和热失重速率曲线。从热失重图中可以看出, 不同老化程度的BV线绝缘热解失重主要经历两个阶段, 同时, 从热失重速率曲线上可以看到两个明显的峰值。
根据图6中不同样品的TG和DTG曲线, 表4和表5分别列出了BV样品第一阶段和第二阶段的热失重基本数据。其中:Tb为失重起始温度;Tp为质量损失速率峰值对应的分解温度;Tf为失重结束温度;VP为与峰值温度Tp对应的质量损失速率峰值;Mp为峰值温度Tp对应的质量百分数;Mf为失重结束温度Tf对应的质量百分数。
从热失重的第一阶段数据看, 随着老化时间的增加, BV线绝缘起始失重温度是逐渐增加的;同时, 失重百分数在一定程度上也能反映材料的热解难易程度, 失重百分数越大, 材料热解越容易。随着老化时间的增加, 峰值质量分数Mp 和终点质量分数Mf都是增加趋势, 表明第一阶段的失重百分数 (1-Mf) 是递减变化的。
图7给出了经历不同老化时间的ZR-BV线绝缘的热失重曲线和热失重速率曲线。表6和表7分别列出了ZR-BV样品第一阶段和第二阶段的热失重基本数据。比较图6和图7的结果, 可以发现ZR-BV的热分解特性与BV基本相同。
上述热重分析结果表明, 无论是BV线还是ZR-BV线, 随着热老化程度的增加, 样品的热分解的起始温度升高, 失重百分率降低。这可能与聚氯乙烯树脂绝缘材料中所含的增塑剂、表面的润滑剂等小分子有机物有关。如增塑剂一方面增加树脂塑性, 便于加工生产, 但另一方面也会降低树脂的热分解温度。当受热老化时, 小分子的有机物极易分解挥发, 加之PVC降解炭化, 从而导致样品起始分解温度升高, 失重百分率降低。增塑剂等小分子分解逸出和主成分的降解炭化直接导致绝缘材料韧性降低, 这正好与扫描电镜分析结果一致。
3 结 论
通过以上研究可得出如下结论:
(1) 随着过电流热老化程度的增大, 绝缘材料韧性逐渐下降, 脆性增加, 抗裂能力下降, 线路发生漏电、短路等电气故障的几率增加, 引发火灾的危险性增大。
(2) 随着热老化程度的增大, 电线绝缘材料的红外光谱的特征吸收峰的吸收强度出现明显差异, 在2 520 cm-1处出现了新的氢键吸收峰。
(3) 随着热老化程度增大, 电线绝缘材料中共轭双键和氢键增加, 导电性增强, 绝缘性降低, 发生漏电和击穿断路的几率增大, 引发电气火灾的危险性增大。
(4) 随着热老化程度增大, 电线绝缘材料的热分解温度升高, 分解百分率降低。
总之, 线路长时间过电流将导致绝缘材料加速热老化, 使得线路发生漏电、短路等电气故障的几率增加。另外, 从火灾原因调查的角度看, 过电流引起的加速热老化对绝缘材料的结构、组成和热稳性造成的特征影响, 反过来可印证线路的热老化历程和漏电、短路等线路故障发生的可能性。
摘要：采用大电流发生器对聚氯乙烯绝缘电线和阻燃聚氯乙烯绝缘电线进行不同程度的过电流热老化试验, 采用扫描电镜、傅立叶变换红外光光谱仪和热重分析仪分析所获得的样品。研究结果表明, 过电流发热引起的热老化直接导致电线绝缘材料的韧性下降, 脆性增加;随着老化程度的增加, 样品中的C=O和C=C双键吸收峰增强, 并新出现氢键特征吸收峰, 说明电线绝缘电阻随着老化时间的增加而下降;样品的热分解起始温度随着热老化程度的增加而提高, 分解百分率降低。
关键词：塑料电线,过电流,热老化,红外光谱,热稳定性
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绝缘结构 篇7
1 ZF11- 252 (L) 封闭式组合电器的基本结构
ZF11- 252 (L) 组合电器是将高压变电站中除变压器器以外的所有一次设备组装在密封金属壳体内, 用环氧树脂绝缘子支持导体内充SF6气体作为绝缘和灭弧介质的一种设备。该设备由断路器、隔离开关、接地开关、避雷器、互感器、套管或电缆终端, 母线以及伸缩节等元件直接连接构成。该GIS为三相分箱式结构, 母线为三相共箱式结构。其结构原理见图1。
2 各元件的结构和功能性
GIS的核心组件断路器, 结构为单断口灭弧室, 灭弧室采用变开距双喷管形式, 在结构上, 动静触头用绝缘子联结成了一个整体, 降低了灭弧室的高度。特别是在开断过程中, 可以使热气流远离断口, 并使冷热气体充分混合, 因而气流场得到了大大的改善。再加上良好的速度特性配合, 使断路器既具有开断短燃弧能力, 又具有开断长燃弧能力。其三极灭弧室装配在三个铝合金壳体内呈一列式布置在机构箱体上部, 每极配一台机构, 通过电信号控制, 实现三极灭弧室电气联动操作。断路器配CYT液压操作系统 (CYT型液压操作机构采用集成块方式, 结构紧凑无外漏管路, 选用进口控制阀, 具有无渗漏, 性能优良, 可靠性高的优点) , 机械寿命可达5000次。大大提高了安全性和运行可靠性。隔离开关, 具有切合母线转换电流和隔离线路的能力。按其布置的位置分为角形隔离开关和线形隔离开关两种形式, 前者用于主回路转折处, 后者用于主回路非转折处 (即直线处) ;根据所配机构的不同, 又分为快动和慢动两种形式。机构采用一侧式布置, 三相机械联动。接地开关具有切合静电、电磁感应电流及关合峰值电流的能力。工作接地和快速接地。按其布置的位置分为角形接地开关和线形接地开关两种形式, 前者用于主回路转折处, 后者用于主回路非转折处 (即直线处) ;根据所配机构的不同, 又分为快动和慢动两种形式。机构采用一侧式布置, 三相机械联动。电流互感器在线路正常运行、过载状态或短路故障时测量电流, 给测量仪表和继电器保护提供电流参数。其采用一次穿心式结构, 二次线圈穿过一次导电杆放置在金属壳体内, 壳体内充额度压力的SF6气体。二次线圈分为计量级、测量级和保护级三种。电压互感器为GIS提供电压参考的测量和保护用, 与GIS配套的电压互感器是SF6绝缘电磁式电压互感器。金属壳体内充SF6气体作为主绝缘, 内装铁芯和一次绕组、二次绕组和剩余绕组。壳体上装有二次出线盒用于连接测量仪表, 进行测量和控制。氧化锌避雷器用于保护GIS的电气设备绝缘免受雷电和部分操作过电压损害。其主要由氧化锌阀片、均压罩、外壳、放电计数器以及绝缘盆和电联接器等部分组成。其主要元件氧化锌阀片封闭在接地的金属壳体内, 一端通过放电计数器与地接通, 另一端通过电联接器与封闭电器的电回路接通。氧化锌阀片具有优良的非线性伏安特性, 当系统出现过电压时, 氧化锌阀片呈现低电阻;在正常运行电压下, 它呈现高电阻, 避雷器中流过微小的电流, 几乎使系统与大地绝缘。当变电站出现大气 (雷电) 或操作冲击过电压时, 氧化锌避雷器首先释放过电压能量, 并将过电压幅值限制在被保护电气设备绝缘所能承受的允许值范围内, 并留有一定的安全裕度, 此后氧化锌避雷器又恢复高阻状态, 使电力系统正常工作。
汇控柜用于间隔主接线的模拟、主控室与间隔各元件的连接, 实现间隔各元件的近控、远控及状态显示和电气测量等。分支母线, 其作用是为各极连接出线套管过渡部分。共箱母线是GIS基本元件之一, 通过导电连接件和GIS三极连通, 满足不同的主接线方式, 来汇集、分配和传送电能。同时设有伸缩节、波纹管调节装置等。出线套管是供架空线与GIS连接使用。出线套管有两种:磁套管和硅橡胶套管。
结束语
本文对ZF11- 126 (L) 型SF6气体封闭式组合电器结构原理做了简要分析, 它具有元件模块化, 功能性强, 维护周期长等传统敞开高压交流设备不可比拟的优点。是当今高压交流输配电系统设备理想设备之一。
摘要：ZF11-252 (L) 型产品是以SF6气体作为绝缘和灭弧为介质的金属封闭式组合电器, 由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器等原件组成。其用于220k V电力系统中的三相交流高压输电设备, 在输电线路中用以开合系统空载、负载及故障电流、母线转换、隔离线路、过电压保护以及电压、电流测量等功能。本文对其结构原理做了简要分析。
关键词：断路器,隔离开关,接地开关,互感器,避雷器
参考文献
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绝缘材料知识(3)气体绝缘材料 篇8
自上世纪50年代以来，六氟化硫(SF6)气体因其优良的绝缘强度和化学惰性，逐渐成为高压电气设备中首选的绝缘气体。但SF6因含氟而对大气层的温室效应有不利的影响，因此，人们正在寻找新的气体绝缘介质来替代电力工业大量使用的SF6气体，以减少其排放量和使用量。
1 气体绝缘材料的分类
气体绝缘材料主要包括空气、氮气、二氧化碳、SF6和它们的混合气体等。附表为一些气体电介质的物理性质。
1.1 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。
1.2 氮气
与空气相比，N2化学性质更稳定 (空气中含有约21%的O2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) ，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。
1.3 SF6气体
SF6气体是一种电负性气体，具有高的击穿场强，在均匀电场下大约为空气的2.5倍，当气体压力为0.2MPa时，其绝缘强度相当于绝缘油。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10倍。
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气体的互感器和断路器已成为我国220～500kV电力系统中的主流设备。
1.4 混合气体
混合气体通常由2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; (2) SF6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SF6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。
2 气体绝缘材料的特点及应用
2.1 特点
一般说来，气体在放电电压以下具有很高的绝缘电阻，而且一旦发生绝缘破坏，也容易自行恢复。与液体和固体相比，其缺点是绝缘屈服值低。因此，对其要求为：(1)具有很好的游离场强和击穿场强，并且击穿后其绝缘性能能够迅速、自动地恢复，属于弹性击穿;(2)化学性质稳定，惰性大，无腐蚀性，无毒;(3)不燃，不爆，不易因放电作用而分解;(4)热稳定性高，热容量大，导热性和流动性好;(5)容易制取，成本较低;(6)液化温度低。
2.2 应用
气体绝缘材料主要承担着电气设备中的绝缘任务。由于气体绝缘材料的电导、介电常数和损耗都很小，对高压、高频绝缘都适用。因此，在电气绝缘技术中，它们被广泛应用于架空线路、变压器、全封闭高压电器、高压套管、通讯电缆、电力电缆、电容器、断路器以及静电电压发生器等设备中。
在电气设备中，空气常用作输、配电线路及变压器的绝缘或辅助绝缘;压缩气体常用作断路器的绝缘和灭弧介质;真空用于高压真空开关(如真空断路器等)和各种电子管等。
由于SF6气体绝缘强度高，因此越来越广泛地应用于全封闭组合电器、断路器、气体绝缘变压器、充气管路电缆、X射线装置电源和导波管等，具有设备体积小、占地省、造价低等特点。
3 影响气体绝缘材料击穿强度的因素
气体绝缘材料的击穿一般是由电子碰撞电离引起的。在强电场作用下，气体中的带电质点(主要是电子)获得巨大的能量向阳极运动，并撞击气体分子使之游离为正离子和电子，这些电子又从电场中获得能量，并在向阳极运动的过程中继续撞击其他的气体分子使之电离。这种连锁反应的结果就形成了一条电子向阳极运动的高电导通道，导致气体最终被击穿。
人们经过实践总结出气体击穿的规律，这个规律称为巴森定律，即在温度一定时，在均匀电场中，气体击穿电压Ecp与气体的压力p和电极距离d的乘积有关，其具体表达式为
Ecp=B·p·d/ln[A·p·d/ln (1+1/r)]
式中A、B、r是一组与气体种类、温度及电极材料有关的常数。在均匀电场中，当电极的距离在0.1cm左右，20℃时极距d与击穿电压关系Ecp=30d+1.35 (k V);当d值在1cm左右时，在上述温度和压力下空气的击穿电压Ecp=30.75d+1.23 (kV)。
影响气体间隙放电电压的因素是电场分布形式、外施电压波形和气体状态。
3.1 电场分布形式
均匀电场中的空气间隙，其击穿电压高，反之其击穿电压低，而且分散性也大，这是电场均匀程度影响放电电压的根本原因。
提高击穿电压的措施有：采用有利的电极结构，增大电极曲率半径，改善电场分布。在电场极不均匀的空气间隙中，放入薄片状的固体绝缘材料(纸或纸板)作为屏障，在一定条件下可以明显提高间隙的击穿电压。屏障本身的耐电强度没有多大意义，其主要作用是阻止了空间电荷的运动，改善了空间电荷的分布状态，使间隙的击穿电压提高。
3.2 外施电压波形
在电力系统中，空气间隙受到工频波、雷电波和操作波3种形式的电波作用。从其作用时间来说，工频波最长，操作波次之，雷电波最短。在均匀电场中，同一间隙下工频波、雷电波、操作波的击穿电压差相差不大。在不均匀电场中，同一间隙下，雷电波击穿电压最高，操作波击穿电压次之，工频波击穿电压最低。
3.3 大气状态
即气压、温度、湿度等因素的影响。
(1)气压、温度。当气压降低或温度升高时，空气密度下降，电子在两次碰撞间所经过的平均自由行程增大。因而从电场中获得的动能增多，碰撞电离能力增强，空气间隙的直流、工频、冲击等放电电压降低。如在高海拔地区，由于空气密度低，放电电压也降低。海拔每升高1000m，放电电压降低10%左右。所以，在设计变压器的外绝缘时要充分注意这一点，如套管要采用加强绝缘的措施。
(2)湿度。湿度增加时，气体间隙的火花放电电压升高。因为湿度增加后电子与水汽分子碰撞的机会增多，水汽分子容易形成活动能力差的负离子，以致碰撞游离能力减弱，在更高的电压下才发生放电。
在均匀电场中，湿度的影响较小，只需对气压、温度进行校正。在不均匀电场中，湿度的影响较明显，要求对气压、温度、湿度同时进行校正。
4 气体绝缘材料的发展趋势
当前对气体绝缘材料的研究主要集中在SF6气体及其混合气体上。由于SF6气体价格较贵，液化温度相对较高，对电场均匀性十分敏感，人们一直在寻找SF6与其它气体的混合介质，以期降低成本。通过试验，发现SF6气体与其它气体的混合介质在电气绝缘上是大有作为的。
4.1 电负性气体与缓冲气体的混合物
这类混合物中研究较多的是SF6-N2和SF6-CO2，其中SF6-N2已应用于实际装置中。试验表明，SF6气体与缓冲气体的混合物在均匀电场击穿电压下降不多，但可使SF6含量大大降低，并且在极不均匀电场中一定气压范围内SF6-CO2的电气强度高于SF6气体。
人们对SF6混合气体的研究，主要集中在SF6与常见的廉价气体上，如：空气、N2、CO2等气体的混合气体。实践表明，除了电气性能以外，混合气体在工程上的使用还应考虑气体的热稳定性和化学性能，如空气中含有氧气，对金属材料具有氧化作用;CO2在电弧作用下会分解出碳粒，导致设备的绝缘性能下降。因此，认为SF6-N2是比较理想的混合气体，但其在工程上的广泛应用还有待于人们的进一步研究。
4.2 SF6替代气体的研究
自上世纪90年代以来，SF6气体的温室效应引起了各国环保专家的重视。尽管气体绝缘开关装置的年气体泄漏率小于1%，但由于SF6化学稳定性高，在大气中的寿命长达3200年，因此1997年的京都会议将SF6列为全球6种温室气体之一。为此，国内外在寻找合适的SF6替代气体方面开展了大量的研究工作。
基于对SF6气体物理特性、绝缘和灭弧性能的分析，可替代SF6气体的其他绝缘气体应满足以下条件：(1)寻找SF6的替代气体的分子结构设计应该借鉴SF6，替代物中的组成原子，应当包含电负性较强的原子，同时从整个分子结构来看，应具有很好的对称性;(2)替代SF6的气体应当具有SF6的绝缘和灭弧性能，同时具有无毒，不易燃的特性，而且应基本没有温室效应;(3)新的气体或混合气体必须有良好的安全性而且对环境的影响小。