电气绝缘结构设计原理电气绝缘结构设计复习资料课程要求：绝缘结构中基本电场，特别是平板和圆柱体两种电场在绝缘结构中的应用；理解电场调控方法和绝缘结构按电场分类及其特性；能够正确分析介质中的电场分布，局部放电、击穿和界面放电现象。
充分认识试验对绝缘结构设计的重要性，重视制造与设计的相互依存关系，熟悉若干典型绝缘试验方法和要求，以及绝缘试验中性能参数的相互关系，从而能对设备或产品的性能或老化作出一定的评价。
熟悉基本数据、计算公式和试验曲线在绝缘结构设计中的应用，掌握设计参数的选择和设计原理；理解绝缘结构对绝缘材料和制造工艺的基本要求，以及材料、工艺与设计的关系；（一）SF1)ABB国际:国内:ABB、电容器电感器生产1000kV并联电容器。
（六）电缆及附件电缆-----油纸、塑料和橡胶；电缆附件-----电缆接头和终端日本、西欧最高达500kV，我国只达到220kV。
绝缘问题：1）绝缘材料；2）制造工艺；3）附件的应力锥（七）套管-----变压器套管和穿墙套管西门子等生产交流1000kV、直流800kV；我国可生产交流500kV；研制出交流1000kV，特、超高压直流产品正在研制。
（八）换流器件（晶闸管换流阀）送电容量500万kW=5GW,电流3125A，∅125阀片送电容量640万kW=6.4GW,电流4000A，∅150阀片（九）电动机--直流和交流（异步、同步、变频）:消耗70%的电能，特别是工业消耗一、电力设备绝缘配合和试验电压1.1电力系统过电压1.1.1术语标称电压(nominal voltage)：系统设计时选用的相间电压有效值，实际上就是标准电压，如:3kV、6kV、10kV、35kV、63kV、110kV等。
过电压(over voltage)：是指发生在当系统中某点相对地或相间电压超过正常值。
五种过电压：1)持续/工频过电压 2)暂时过电压--几ms~几s3)瞬态过电压 4)雷电过电压 5) 组合过电压1.1.2内部过电压：由于电力系统内部能量的转化或传递引起的过电压过电压的基准值相对地：1p.u.=2/3U m(工频最高过电压)相间：1p.u.=2U m1)持续/工频过电压(1.5 p.u，50s时间长)a.空载长线路的电容效应：长空载线路的对地电容与末端波反射的协同效应.b.甩负荷引起的工频过电压：甩负荷后发电机的空载高电势以及线路的电容效应c.不对称短路引起的工频过电压：一般情况下，是单相接地故障引起的健全相电压升高，相电压升为线电压→即升至3倍.2)谐振过电压a.系统中不带磁芯的线性电感元件与电容元件形成串联谐振b.铁磁元件的磁饱和引起的过电压c.传递过电压d.高频谐振过电压3)操作过电压(40p.u，10ms)：一般是合闸电容(峰值电压)、切断电感(峰值电流)a.单频/双频振荡回路→直流电源合闸时，系统中的LC之间发生的单频/双频振荡回路的过渡过程(继电保护容易引起)b.空载线路的分/合闸过电压：空载线路的正常的分/合闸操作和自动重合闸c.切除空载变压器时的过电压d.弧光接地过电压：非故障相最高3.5p.u,故障相最高2p.u1.1.3外部过电压(雷电过电压)---6p.u，100us90%是雷电带负电放电； 5%是雷电带正电放电；3%是雷电带负电，避雷器放电； 2%是雷电带正电，避雷器放电避雷器：电气与电网共同运行，连在一起，一般作绝缘体避雷针：非电器，与电网不相连输电线路的是感应过电压雷击塔顶的过电压可能出现“闪络”雷击导线的过电压1.2绝缘配合1.2.1基本术语系统最高电压：系统在正常运行条件下，任一时刻任一点，出现的最高线间电压有效值设备的最高电压≥系统的最高电压标幺值：设备最高工作电压峰值(p.u.=2/3U m)内绝缘：不受大气及其他外部条件，如：污秽、湿度、虫害等，影响设备的内部的固、液、气体的绝缘部分外绝缘：承受电压作用，并受大气及其他外部条件影响户内外绝缘：不受气候影响的外绝缘，因为主要在建筑物内运行户外外绝缘：受气候影响的外绝缘，因为主要在建筑物外运行自恢复绝缘：试验后引起破坏性放电后，可完全恢复绝缘性能(一般是气体/液体击穿)，一般是外绝缘非自恢复绝缘：试验后引起破坏性放电后，失效或者不完全恢复绝缘性能，一般是内绝缘1.2.2避雷器及其特性避雷器：放电器，并联在被保护设备附近，当过电压值达到避雷器动作电压时，避雷器将过电压能量泄入大地，同时将过电压限制在某一水平，即避雷器的残压值。
避雷器尽可能靠近被保护设备(<5m)1.2.3绝缘配合1)绝缘配合：就是根据设备所在系统可能出现的电压，并考虑所采用的过电压保护装置的特性来确定设备的绝缘水平，从安全运行和技术经济两方面达到合理化。
也就是使电力系统总体的绝缘设计和产生的过电压以及系统内的保护装置合理化。
1.32.12.2E=U/d，C=ε0εr∙S/d2.2.2同轴圆柱体电场(单芯电缆)：E r=Ur∙ln(r2/r1)，C=2πεrln(r2/r1)，E m=Ur1∙ln(r2/r1)a.当r2一定时，E m有最小值条件为：r2/r1=e=2.718.即最有利半径r1=r2/e时E m=U/r1=1.718U/d，其中d=r2−r1b.假定：η=E0/E m=1/f，E0=U/d.(其中E0为平均电压，E m为最大电压)c.利用/均匀因素:η=(U/d)/E m=0.582d.不均匀系数：E m/(U/d)=1.7182.2.3平行等圆柱体电场(架空输电线)E m=Ud∙(d/2r+1)2−1ln[d/2r+1+(d/2r+1)2−1]C=πε0εr∙lln[d/2r+1+(d/2r+1)2−1]E m有最小值条件为：d/r=5.85分裂导线的优势：降低表面最大电场、整个导体轮廓变大；增大有效表面积(集肤效应) 2.2.4同心球电场(悬式绝缘子头部)E=Ur2(1/r1−1/r2)C=4πε0εr1/r1−1/r2，E m有最小值条件为：r1=0.5r22.2.5球隙电场(球对球，如高电压测试或脉冲发生器的球隙)2.2.6a.b.2.3有限元法f s)]=const2.42.4.1.→闪络部分地方除了紧靠电极的很小区域外，电场强度平行于表面的分量要比垂直分量大。
如支柱绝缘子沿面放电过程电晕：高电压低电流，电流从100uA~mA级。
功率由Peek公式：P=C(V−V0)2刷形放电：特征为电流：几mA，是一种辉光放电闪滑放电：树枝状，交替出现闪络特征：大电流：1A~1MA，电压小：几十伏2.4.2套管型绝缘系统电场的特征最大场强不随长度L增加而上升2.4.3改善套管型电场分布的原理和方法a．原理要点：要使电压分布均匀，必须减小γ∙L。
而只有减小表面电阻才能使γ减小固体绝缘系统的导纳γ：（1）体积电阻可以忽略（2）体积电容很有限，无法改变（3）表面电阻可以改变（4）表面电容不易改变b.方法和措施中低压电气设备：表面用不同电导率的涂层(半导电层----电导率较高)中高压电气设备(>30kV)：采用应力锥结构改善电场分布2.4.4非套管型绝缘系统的电场：均压环、均压球、屏蔽环、并列电容均压2.4.5各种电场的调整三、电力设备绝缘系统中的热计算3.1绝缘的热老化与耐热性3.1.1绝缘的寿命lnt=B/T+A或t=e A∙e B/T=A′∙e B/T8度律(10℃减半)，温度每上升8~12℃，时间t减半3.1.2绝缘耐热性的分级IEC62114对电气绝缘结构的耐热性重新分类为：90/Y、105/E、120/A、130/B、155/F、180/H、200、220、250℃九级(超过180统称C级绝缘)，耐热性由老化试验推测出寿命为20000h的温度3.2绝缘系统中最高温度计算3.2.1绝缘系统中的发热与散热绝缘系统在热作用下导致的破坏形式绝缘中的最高温度超过材料极限承受温度绝缘发生热击穿(热引起的电击穿)电力设备的发热电流通过导体的发热介质损耗的发热铁磁损耗、涡流损耗的发热散热措施强波对流散热(H2、水、空气)传导散热(选导热好的材料)辐射散热(变压器油箱)3.2.2热稳态时最高温度计算热稳态时(发热量=散热量)：P=ςS(t1−t0)其中：P为表面散热功率；ς为确定的系数；S为表面面积；t1、t0分别为周围媒质、散热体表面温度3.2.3热暂态计算1）升温/降温过程 2）短路情况下的热计算：短路时间很短，可忽略散热3）绝缘短时耐受温度可能是长期使用的数倍3.2.4热击穿电压/电流计算3.3绝缘系统中热场的数值计算：有限元数值计算四、高海拔电气设备外绝缘设计4.1高海拔特点：气压低、辐射强4.2高海拔对电气设备的影响●气压下降，绝缘击穿电压和电晕起始电压下降●外绝缘的污闪电压下降所以高海拔地区的设备外绝缘水平要高于平原地区的设备当海拔<2100m，气温与气压的影响能够相互补偿一、电气绝缘结构设计的基本概念：特高压：设备结构设计、安全可靠运行试验1000kV，1000MVA设备体积大，要考虑热、力、电、运输方面的问题高海拔，绝缘结构设计需要增加尺寸干、湿环境，地域差别很大设计控制的主要是场强而不是电压电力系统：发电厂、输电线路、变电站、用户1.1电气绝缘结构（主要指电力设备）不按设备分类，可以看作导体、半导体、绝缘体的优化组合。
设计步骤：合理地选用材料，进行结构分析，确定结构型式，优化结构设计。
1.2电气绝缘结构的设计原则根据产品技术条件和运行要求，选用合适的绝缘材料，采用先进的绝缘工艺，确定优化的绝缘结构。
是产品成本低、寿命长、可靠性高、技术先进、结构优化、12341.3绝缘结构设计的评价体系结缘结构的设计和制造质量，必须通过试验考验。
它用来考核和评价电气设备整体的绝缘性能，因此不同于单纯绝缘材料的性能试验。
绝缘结构试验在制造部门是考核产品绝缘质量以及评定是否能进行正常生产的必要措施，在运行部门则是作评定电力设备可靠性的预防性试验。
1.3.1绝缘结构试验评价实验项目按破坏性质只分为：a)破坏性试验 b)可能破坏性 c)非破坏性试验1）型式试验产品定型试验，对产品设计和材料工艺的全面试验。
新产品试制或当设计、材料、工艺有重大改变时都要进行型式试验型式试验项目及试验方法通常由产品标准所规定标准由低至高为：国际标准<国家标准<行业标准(电力行业)<企业标准2）出厂试验(非破坏性)产品出厂前全部或抽样进行的若干基本试验，其项目一般只是型式试验的一部分。
实验项目、方法由标准规定。
3）预防性试验运行部门为评定电力设备运行可靠性所做的试验。
试验分不同的电力设备，可在运行现场进行，也可取样到中心试验研究所进行。
实验项目及方法也由产品标准所规定。