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2010年直流高壓發(fā)生器闡述

點(diǎn)擊次數(shù)：983 發(fā)布時(shí)間：2010/11/9 8:44:36

淡談直流高壓發(fā)生器技術(shù)的2010發(fā)展闡述

  

電氣設(shè)備的檢修應(yīng)實(shí)行根據(jù)設(shè)備實(shí)際狀況進(jìn)行的“狀態(tài)維修”。只有充分了解絕緣老化的規(guī)律，有針對(duì)性地對(duì)一些靈敏反映絕緣老化的物理或邏輯參量進(jìn)行間斷或連續(xù)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，才有可能真正實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修。
　絕緣擊穿機(jī)理的一些探討
 
　　氣體放電領(lǐng)域中湯遜放電理論和流注放電理論比較成熟，在實(shí)踐上也有很好的應(yīng)用。液體中的擊穿早在本世紀(jì)初即有研究，但其理論成就不及氣體和固體。文［6］對(duì)純凈液體電介質(zhì)分別施加沖擊電壓和緩變電壓研究后認(rèn)為，液體介質(zhì)的擊穿過(guò)程主要應(yīng)包含如下四個(gè)階段：金屬電極場(chǎng)致發(fā)射或介質(zhì)中的強(qiáng)場(chǎng)電離導(dǎo)致帶電粒子和空間電荷區(qū)形成的階段；帶電粒子的摩擦運(yùn)動(dòng)造成溫度升高，低密度區(qū)形成并向?qū)γ骐姌O擴(kuò)散的電熱階段；在低密度區(qū)形成氣體放電通道，液體分子鍵被打破，各種自由基和離子形成的氣體放電階段；放電熄滅，溫度降低，自由基及離子重新組合的物理—化學(xué)階段。其中電極上發(fā)生的過(guò)程作為階段十分重要，t.j.lewis1984年在ieeeei上提出，介質(zhì)中早期形成的擊穿通道尺寸在分子水平常與金屬表面有關(guān)，因此應(yīng)重點(diǎn)在分子水平上考慮電極上可能的電－化學(xué)過(guò)程。這與文［6］的觀(guān)點(diǎn)是一致的。對(duì)于非自恢復(fù)的絕緣介質(zhì)，電樹(shù)枝的形成和生長(zhǎng)受到很大的重視，因?yàn)殡姌?shù)枝的發(fā)展通常被認(rèn)為是絕緣將出現(xiàn)短期擊穿的征兆。有研究者認(rèn)為，固體介質(zhì)中電樹(shù)枝是在場(chǎng)強(qiáng)集中處發(fā)生了局部擊穿并沿電場(chǎng)方向逐漸擴(kuò)散的結(jié)果。電樹(shù)枝的生長(zhǎng)對(duì)機(jī)械應(yīng)力和振動(dòng)敏感。在選擇絕緣材料或進(jìn)行絕緣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮材料抵抗機(jī)械裂紋快速傳播的能力，盡量避免機(jī)械應(yīng)力的集中。
　　
　絕緣材料的老化
　　熱老化
高壓電氣設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致絕緣的溫度升高。1930年v.m.montsinger首次提出了絕緣壽命與溫度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系即10℃規(guī)則，認(rèn)為溫度每升高10℃則絕緣壽命約減半。但實(shí)際上，不同絕緣的老化速度應(yīng)該不同，因此10℃規(guī)則不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用于所有的絕緣系統(tǒng)。1985年epri針對(duì)不同等級(jí)的電機(jī)絕緣得出的研究結(jié)果見(jiàn)表1。
　　
　　1948年dakin提出的新觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為熱老化實(shí)為有聚合鏈分裂等作用的氧化效應(yīng)，本質(zhì)為一種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因此應(yīng)當(dāng)遵循化學(xué)反應(yīng)速率方程lnl＝lna＋b/t，其中，a、b分別是由特定老化反應(yīng)所決定的常數(shù)，l為絕緣壽命，t為絕對(duì)溫度。該方程的提出，為高溫加速老化試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果的外推提供了理論依據(jù)，彌補(bǔ)了montsinger10℃規(guī)則難以區(qū)分不同條件下老化的差異的缺點(diǎn)。
電老化
　　
　　絕緣在電場(chǎng)應(yīng)力作用下的老化行為，尚無(wú)定量化描述的理論公式。通常普遍采用倒數(shù)冪關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式l=k/en來(lái)表示絕緣在外施電場(chǎng)下的老化規(guī)律［1，2］，其中e為外加電場(chǎng)，k為試驗(yàn)確定的常數(shù)，與具體的絕緣系統(tǒng)或材料有關(guān)，n為電壓耐受系數(shù)，須在一定的電壓和溫度下試驗(yàn)確定。
　　
不少研究者認(rèn)為，當(dāng)外施電壓低于絕緣的局部放電起始放電電壓時(shí)，材料就不會(huì)發(fā)生由電場(chǎng)所引起的老化［8］。文［3］通過(guò)建立熱—電應(yīng)力聯(lián)合作用下的絕緣概率壽命模型，發(fā)現(xiàn)在溫度確定的條件下，絕緣材料的壽命曲線(xiàn)趨向一電場(chǎng)閾值et，當(dāng)絕緣承受的外加電場(chǎng)低于或接近該電場(chǎng)閾值時(shí)，其壽命將趨于無(wú)窮。這一臨界電場(chǎng)值可通過(guò)對(duì)擊穿時(shí)間與外施電場(chǎng)大小的weibull統(tǒng)計(jì)分析得出［4］。這種存在電場(chǎng)臨界值的觀(guān)點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)比較一致。通常認(rèn)為電氣擊穿強(qiáng)度是評(píng)價(jià)絕緣老化的一個(gè)*根本的屬性，當(dāng)外施電場(chǎng)遠(yuǎn)低于材料的擊穿強(qiáng)度時(shí)，相當(dāng)于材料具有非常高的耐電強(qiáng)度，此時(shí)絕緣材料將在非常長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)耐受該電場(chǎng)而不出現(xiàn)擊穿。
　　
　　對(duì)于上述閾值電場(chǎng)的存在，也有持不同觀(guān)點(diǎn)的［1］。arminbruning通過(guò)對(duì)氣穴中空氣從亞電暈（sub-corona）到強(qiáng)烈電暈（intense-corona）過(guò)渡過(guò)程中非線(xiàn)性電導(dǎo)率的理論計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，低電壓下的微小亞電暈電流將引起氣穴中氣體和氣穴表面溫度的升高。隨電壓的提高，亞電暈放電形式向強(qiáng)烈電暈放電形式轉(zhuǎn)化，放電源的溫度將不斷上升。以上現(xiàn)象說(shuō)明絕緣介質(zhì)在外施電場(chǎng)作用下的老化是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，不存在任何明顯影響老化進(jìn)程的電場(chǎng)閾值。通過(guò)測(cè)量氣穴表面的溫升有可能利用arrhenius方程在氣體空腔這樣的微小區(qū)域水平上評(píng)價(jià)絕緣的老化。該觀(guān)點(diǎn)如被更多的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，將因其物理過(guò)程清晰，測(cè)量方法明確，可能具有更大的說(shuō)服力。但是這種觀(guān)點(diǎn)似乎不好解釋進(jìn)行交流耐壓等試驗(yàn)中電壓升高到一定程度時(shí)，普遍觀(guān)察到的電流急劇上升現(xiàn)象。相比之下，閾值壽命模型更能為經(jīng)驗(yàn)所接受，且較能體現(xiàn)其對(duì)絕緣設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用。
　　3多應(yīng)力聯(lián)合老化
　　
　　經(jīng)驗(yàn)表明，絕緣老化的程度和老化的速率依材料的物理、化學(xué)特性，外施應(yīng)力的類(lèi)型和持續(xù)時(shí)間，生產(chǎn)過(guò)程中采用的工藝而定，故需對(duì)絕緣材料在上述應(yīng)力的多種組合作用下的老化行為及各種應(yīng)力的協(xié)同作用進(jìn)行廣泛深入的研究以求其老化規(guī)律。
　　
　　電—熱聯(lián)合應(yīng)力老化是目前研究中采用*多的一種應(yīng)力組合方式。建立老化壽命模型主要的手段是將電老化反冪形式經(jīng)驗(yàn)公式l=ke－n和熱應(yīng)力老化的arrhenius方程l=aexp（b／t）統(tǒng)一起來(lái)。而得到絕緣壽命—外施電場(chǎng)—溫度之間的關(guān)系。l（t，e）=k（t）e－n（t）exp（b／t）為ramu得出的電—熱聯(lián)合應(yīng)力下的壽命方程［2］，k和電壓耐受系數(shù)n成為溫度的函數(shù)。
　
　　基于觀(guān)察到的“低密度區(qū)”并利用電子平均自由程概念對(duì)氣體、液體和固體的擊穿過(guò)程進(jìn)行研究后［7］提出，這三種狀態(tài)下介質(zhì)的擊穿過(guò)程具有相同之處，即擊穿發(fā)生時(shí)沿放電路徑上介質(zhì)局部密度的波動(dòng)規(guī)律相同。這有可能為分別研究氣體、液體或固體絕緣的學(xué)者提供相互探討和借鑒的機(jī)會(huì)，有利于直接借助較為成熟的氣體放電研究成果，促進(jìn)固、液體絕緣研究向前發(fā)
以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)的應(yīng)用技術(shù)，主要研究在直流高壓發(fā)生器技術(shù)中占有格外重要的地位。常見(jiàn)的直流高壓發(fā)生器發(fā)生裝置有：①由工頻試驗(yàn)變壓器及其調(diào)壓設(shè)備等組成的工頻試驗(yàn)設(shè)備。②模擬雷電過(guò)電壓或操作過(guò)電壓的沖擊電壓發(fā)生裝置。③利用高壓硅堆等作為整流閥的高壓直流發(fā)生裝置。進(jìn)行直流高壓發(fā)生器試驗(yàn)需要有正確的試驗(yàn)方法，如耐壓試驗(yàn)、介質(zhì)損耗試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)等。對(duì)不同類(lèi)型的直流高壓發(fā)生器需采用不同的測(cè)量裝置。如測(cè)量直流電壓或低頻交流電壓的有效值用高壓靜電電壓表；測(cè)單次短脈沖用高壓示波器。常用的直流高壓發(fā)生器測(cè)量裝置還有各種分壓器、分流器、局部放電儀等。60年代以后，光電測(cè)試技術(shù)引入直流高壓發(fā)生器領(lǐng)域，避免了直流高壓發(fā)生器傳到低電壓的測(cè)量系統(tǒng)而引起的危險(xiǎn)和電磁場(chǎng)對(duì)低電壓測(cè)量系統(tǒng)的干擾。
發(fā)展趨勢(shì)60年代后期以后，直流高壓發(fā)生器技術(shù)在電工以外的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也不斷采用新技術(shù)以發(fā)展自身。前者主要指直流高壓發(fā)生器技術(shù)在粒子加速器、大功率脈沖發(fā)生器、受控?zé)岷朔磻?yīng)研究、磁流體發(fā)電、靜電噴涂、靜電復(fù)印等方面的應(yīng)用；后者包括利用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算電力系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程和變電所的波過(guò)程，利用激光技術(shù)進(jìn)行直流高壓發(fā)生器下大電流的測(cè)量等。另一方面，直流高壓發(fā)生器技術(shù)對(duì)于進(jìn)一步發(fā)展超高壓、特高壓輸電以及高壓直流輸電繼續(xù)起著重要的推動(dòng)作用。此外，美國(guó)、前蘇聯(lián)的一些學(xué)者還利用電力電子技術(shù)的新成就，對(duì)現(xiàn)有的超高壓電網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)改造和擴(kuò)大傳輸容量的研究。
　　電力設(shè)備中很多因素產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，主要有設(shè)備旋轉(zhuǎn)部分的振動(dòng)或絕緣結(jié)構(gòu)中介質(zhì)部分與金屬導(dǎo)體部分熱膨脹系數(shù)不同而引起的周期性應(yīng)力［1］以及絕緣材料承受的交變電場(chǎng)力等。機(jī)械應(yīng)力的破壞主要表現(xiàn)為絕緣材料疲勞而產(chǎn)生裂紋或氣穴，誘發(fā)電樹(shù)枝的形成和生長(zhǎng)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)等設(shè)備，其絕緣同時(shí)遭受電、熱及機(jī)械應(yīng)力的作用且都是占主導(dǎo)地位的應(yīng)力。因此，研究相應(yīng)固體絕緣材料在上述聯(lián)合應(yīng)力作用下的性能非常重要。
　
　　對(duì)于運(yùn)行在濕度較大的環(huán)境中的設(shè)備，濕度對(duì)絕緣材料尤其是潮氣敏感材料（如聚酯等）老化過(guò)程的影響不可忽視。dixon對(duì)封閉電氣設(shè)備中這類(lèi)材料的研究得出了該情形下絕緣壽命與溫度、濕度的函數(shù)關(guān)系［5］。在一定的范圍內(nèi)對(duì)不同的溫度和濕度進(jìn)行換算可得出在改變了的溫度及濕度下絕緣的累積等效壽命。
　　
　　有學(xué)者認(rèn)為，從本質(zhì)上來(lái)看，影響絕緣老化的*主要因素如電、熱、機(jī)械應(yīng)力、潮氣及輻射等，都以化學(xué)反應(yīng)的形式作用于絕緣材料，因此，在化學(xué)反應(yīng)速率方程的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)能夠找到一種統(tǒng)一的形式來(lái)表示多應(yīng)力下絕緣的老化規(guī)律�！　�
　　絕緣在正常工作應(yīng)力下的壽命，絕大多數(shù)是將加速老化試驗(yàn)結(jié)果向正常應(yīng)力下外推得到的。加速試驗(yàn)外推的真實(shí)性和等效性受到持統(tǒng)計(jì)學(xué)觀(guān)點(diǎn)的研究者的懷疑，而dakin認(rèn)為，在可靠的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行的外推總比缺乏數(shù)據(jù)，不能獲得任何信息好。但有的試驗(yàn)如高頻加速老化試驗(yàn)與工頻下有很大不同，無(wú)法向工頻外推，這是要妥善解決的問(wèn)題。
電力系統(tǒng)過(guò)電壓及其限制研究電力系統(tǒng)中各種過(guò)電壓，以便合理確定其絕緣水平是直流高壓發(fā)生器技術(shù)的重要內(nèi)容。電力系統(tǒng)的過(guò)電壓包括外過(guò)電壓（又稱(chēng)雷電過(guò)電壓）和內(nèi)過(guò)電壓。一般雷電過(guò)電壓幅值遠(yuǎn)超過(guò)系統(tǒng)的額定工作電壓，但作用時(shí)間較短，平均波長(zhǎng)時(shí)間為30微秒。雷擊除了威脅輸電線(xiàn)路和電工設(shè)備的絕緣外，還會(huì)危害高建筑物、通信線(xiàn)路、天線(xiàn)、飛機(jī)、船舶、油庫(kù)等設(shè)施的安全。因此，這些方面的防雷也屬于直流高壓發(fā)生器技術(shù)的研究對(duì)象。電力系統(tǒng)內(nèi)過(guò)電壓是因正常操作或故障等原因使電路狀態(tài)或電磁狀態(tài)發(fā)生變化，引起電磁能量振蕩而產(chǎn)生的。其中衰減較快、持續(xù)時(shí)間較短的稱(chēng)為操作過(guò)電壓；無(wú)阻尼或弱阻尼、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的稱(chēng)為暫態(tài)過(guò)電壓。對(duì)110～220千伏電力系統(tǒng)，內(nèi)過(guò)電壓水平一般取3倍工作電壓；對(duì)330～500千伏電力系統(tǒng)，取2～2.5倍；對(duì)特高壓電力系統(tǒng)，完全有可能將過(guò)電壓限制到1.5～1.8倍

原創(chuàng)作者：寶應(yīng)中測(cè)電氣設(shè)備廠(chǎng)

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