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高壓直流發生器2010年技術闡述

點擊次數：1309 發布時間：2010/11/9

淡談直流高壓發生器技術的2010發展闡述

電氣設備的檢修應實行根據設備實際狀況進行的“狀態維修”。只有充分了解絕緣老化的規律，有針對性地對一些靈敏反映絕緣老化的物理或邏輯參量進行間斷或連續的在線監測，才有可能真正實現狀態維修。
　絕緣擊穿機理的一些探討

　　氣體放電領域中湯遜放電理論和流注放電理論比較成熟，在實踐上也有很好的應用。液體中的擊穿早在本世紀初即有研究，但其理論成就不及氣體和固體。文［6］對純凈液體電介質分別施加沖擊電壓和緩變電壓研究后認為，液體介質的擊穿過程主要應包含如下四個階段：金屬電極場致發射或介質中的強場電離導致帶電粒子和空間電荷區形成的階段；帶電粒子的摩擦運動造成溫度升高，低密度區形成并向對面電極擴散的電熱階段；在低密度區形成氣體放電通道，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—化學階段。其中電極上發生的過程作為階段十分重要，t.j.lewis1984年在ieeeei上提出，介質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，因此應重點在分子水平上考慮電極上可能的電－化學過程。這與文［6］的觀點是一致的。對于非自恢復的絕緣介質，電樹枝的形成和生長受到很大的重視，因為電樹枝的發展通常被認為是絕緣將出現短期擊穿的征兆。有研究者認為，固體介質中電樹枝是在場強集中處發生了局部擊穿并沿電場方向逐漸擴散的結果。電樹枝的生長對機械應力和振動敏感。在選擇絕緣材料或進行絕緣系統的設計時，應充分考慮材料抵抗機械裂紋快速傳播的能力，盡量避免機械應力的集中。
　　
　絕緣材料的老化
　　熱老化
高壓電氣設備運行中產生的熱量導致絕緣的溫度升高。1930年v.m.montsinger首次提出了絕緣壽命與溫度之間的經驗關系即10℃規則，認為溫度每升高10℃則絕緣壽命約減半。但實際上，不同絕緣的老化速度應該不同，因此10℃規則不能簡單地應用于所有的絕緣系統。1985年epri針對不同等級的電機絕緣得出的研究結果見表1。
　　
　　1948年dakin提出的新觀點認為熱老化實為有聚合鏈分裂等作用的氧化效應，本質為一種化學反應過程，因此應當遵循化學反應速率方程lnl＝lna＋b/t，其中，a、b分別是由特定老化反應所決定的常數，l為絕緣壽命，t為絕對溫度。該方程的提出，為高溫加速老化試驗及試驗結果的外推提供了理論依據，彌補了montsinger10℃規則難以區分不同條件下老化的差異的缺點。
電老化
　　
　　絕緣在電場應力作用下的老化行為，尚無定量化描述的理論公式。通常普遍采用倒數冪關系的經驗公式l=k/en來表示絕緣在外施電場下的老化規律［1，2］，其中e為外加電場，k為試驗確定的常數，與具體的絕緣系統或材料有關，n為電壓耐受系數，須在一定的電壓和溫度下試驗確定。
　　
不少研究者認為，當外施電壓低于絕緣的局部放電起始放電電壓時，材料就不會發生由電場所引起的老化［8］。文［3］通過建立熱—電應力聯合作用下的絕緣概率壽命模型，發現在溫度確定的條件下，絕緣材料的壽命曲線趨向一電場閾值et，當絕緣承受的外加電場低于或接近該電場閾值時，其壽命將趨于無窮。這一臨界電場值可通過對擊穿時間與外施電場大小的weibull統計分析得出［4］。這種存在電場臨界值的觀點與經驗和直覺比較一致。通常認為電氣擊穿強度是評價絕緣老化的一個*根本的屬性，當外施電場遠低于材料的擊穿強度時，相當于材料具有非常高的耐電強度，此時絕緣材料將在非常長的時間內耐受該電場而不出現擊穿。
　　
　　對于上述閾值電場的存在，也有持不同觀點的［1］。arminbruning通過對氣穴中空氣從亞電暈（sub-corona）到強烈電暈（intense-corona）過渡過程中非線性電導率的理論計算和實測數據表明，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烈電暈放電形式轉化，放電源的溫度將不斷上升。以上現象說明絕緣介質在外施電場作用下的老化是一個連續的過程，不存在任何明顯影響老化進程的電場閾值。通過測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域水平上評價絕緣的老化。該觀點如被更多的實驗證實，將因其物理過程清晰，測量方法明確，可能具有更大的說服力。但是這種觀點似乎不好解釋進行交流耐壓等試驗中電壓升高到一定程度時，普遍觀察到的電流急劇上升現象。相比之下，閾值壽命模型更能為經驗所接受，且較能體現其對絕緣設計的指導作用。
　　3多應力聯合老化
　　
　　經驗表明，絕緣老化的程度和老化的速率依材料的物理、化學特性，外施應力的類型和持續時間，生產過程中采用的工藝而定，故需對絕緣材料在上述應力的多種組合作用下的老化行為及各種應力的協同作用進行廣泛深入的研究以求其老化規律。
　　
　　電—熱聯合應力老化是目前研究中采用*多的一種應力組合方式。建立老化壽命模型主要的手段是將電老化反冪形式經驗公式l=ke－n和熱應力老化的arrhenius方程l=aexp（b／t）統一起來。而得到絕緣壽命—外施電場—溫度之間的關系。l（t，e）=k（t）e－n（t）exp（b／t）為ramu得出的電—熱聯合應力下的壽命方程［2］，k和電壓耐受系數n成為溫度的函數。
　
　　基于觀察到的“低密度區”并利用電子平均自由程概念對氣體、液體和固體的擊穿過程進行研究后［7］提出，這三種狀態下介質的擊穿過程具有相同之處，即擊穿發生時沿放電路徑上介質局部密度的波動規律相同。這有可能為分別研究氣體、液體或固體絕緣的學者提供相互探討和借鑒的機會，有利于直接借助較為成熟的氣體放電研究成果，促進固、液體絕緣研究向前發
以試驗研究為基礎的應用技術，主要研究在直流高壓發生器技術中占有格外重要的地位。常見的直流高壓發生器發生裝置有：①由工頻試驗變壓器及其調壓設備等組成的工頻試驗設備。②模擬雷電過電壓或操作過電壓的沖擊電壓發生裝置。③利用高壓硅堆等作為整流閥的高壓直流發生裝置。進行直流高壓發生器試驗需要有正確的試驗方法，如耐壓試驗、介質損耗試驗、局部放電試驗等。對不同類型的直流高壓發生器需采用不同的測量裝置。如測量直流電壓或低頻交流電壓的有效值用高壓靜電電壓表；測單次短脈沖用高壓示波器。常用的直流高壓發生器測量裝置還有各種分壓器、分流器、局部放電儀等。60年代以后，光電測試技術引入直流高壓發生器領域，避免了直流高壓發生器傳到低電壓的測量系統而引起的危險和電磁場對低電壓測量系統的干擾。
發展趨勢60年代后期以后，直流高壓發生器技術在電工以外的領域得到廣泛的應用，同時也不斷采用新技術以發展自身。前者主要指直流高壓發生器技術在粒子加速器、大功率脈沖發生器、受控熱核反應研究、磁流體發電、靜電噴涂、靜電復印等方面的應用；后者包括利用電子計算機計算電力系統的暫態過程和變電所的波過程，利用激光技術進行直流高壓發生器下大電流的測量等。另一方面，直流高壓發生器技術對于進一步發展超高壓、特高壓輸電以及高壓直流輸電繼續起著重要的推動作用。此外，美國、前蘇聯的一些學者還利用電力電子技術的新成就，對現有的超高壓電網進行技術改造和擴大傳輸容量的研究。
　　電力設備中很多因素產生機械應力，主要有設備旋轉部分的振動或絕緣結構中介質部分與金屬導體部分熱膨脹系數不同而引起的周期性應力［1］以及絕緣材料承受的交變電場力等。機械應力的破壞主要表現為絕緣材料疲勞而產生裂紋或氣穴，誘發電樹枝的形成和生長。對于旋轉電機等設備，其絕緣同時遭受電、熱及機械應力的作用且都是占主導地位的應力。因此，研究相應固體絕緣材料在上述聯合應力作用下的性能非常重要。
　
　　對于運行在濕度較大的環境中的設備，濕度對絕緣材料尤其是潮氣敏感材料（如聚酯等）老化過程的影響不可忽視。dixon對封閉電氣設備中這類材料的研究得出了該情形下絕緣壽命與溫度、濕度的函數關系［5］。在一定的范圍內對不同的溫度和濕度進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。
　　
　　有學者認為，從本質上來看，影響絕緣老化的*主要因素如電、熱、機械應力、潮氣及輻射等，都以化學反應的形式作用于絕緣材料，因此，在化學反應速率方程的基礎上，應當能夠找到一種統一的形式來表示多應力下絕緣的老化規律�！　�
　　絕緣在正常工作應力下的壽命，絕大多數是將加速老化試驗結果向正常應力下外推得到的。加速試驗外推的真實性和等效性受到持統計學觀點的研究者的懷疑，而dakin認為，在可靠的理論基礎上進行的外推總比缺乏數據，不能獲得任何信息好。但有的試驗如高頻加速老化試驗與工頻下有很大不同，無法向工頻外推，這是要妥善解決的問題。
電力系統過電壓及其限制研究電力系統中各種過電壓，以便合理確定其絕緣水平是直流高壓發生器技術的重要內容。電力系統的過電壓包括外過電壓（又稱雷電過電壓）和內過電壓。一般雷電過電壓幅值遠超過系統的額定工作電壓，但作用時間較短，平均波長時間為30微秒。雷擊除了威脅輸電線路和電工設備的絕緣外，還會危害高建筑物、通信線路、天線、飛機、船舶、油庫等設施的安全。因此，這些方面的防雷也屬于直流高壓發生器技術的研究對象。電力系統內過電壓是因正常操作或故障等原因使電路狀態或電磁狀態發生變化，引起電磁能量振蕩而產生的。其中衰減較快、持續時間較短的稱為操作過電壓；無阻尼或弱阻尼、持續時間長的稱為暫態過電壓。對110～220千伏電力系統，內過電壓水平一般取3倍工作電壓；對330～500千伏電力系統，取2～2.5倍；對特高壓電力系統，完全有可能將過電壓限制到1.5～1.8倍

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