铁道供电系统的绝缘水平及防雷接地措施(4学时) 第一节高电压绝缘电气特性 教学内容：高电压绝缘电气特性。 重点：电介质的绝缘性能。 难点：对介质绝缘性能的理解。 解决方法：通过图示讲解、简单的理论推导和实例来加深知识的理解。 1.1电介质的极化、电导与损耗 1.1.1电介质的极化 一、问题提出：在密闭容器中加入两平板电极，容器抽真空。在电极上加上外加电压进行充 电。静止后电量为Qo,Q0=C0U。在两电极间加入厚度与极间距相同的固体电介质重新完成试 验。发现极板上的电量增加了Q',Q=Q+Q'。问Q'这些电量是如何来的呢？ 二、解释：在电场的作用下，电介质相对电极两面呈现电性的现象。来源于固体电介质的极 化。固体介质内部形成一个极性与外加电压方向相反的附加电场，为保持两极板间电压不变，电 源需要再提供Q这些电量来平衡附加电场。在电场的作用下，电介质相对电极两面呈现电性的 现象称为极化。对介电常数 相对介电常数是用来描述电介质极化能力强弱的参数。 二、极化的形式及特点 a)电子式极化：速度快、不消耗能量、弹性的。 b)离子式极化：速度较快、不消耗能量、弹性的。 c)偶极子极化：速度较慢、消耗能量、弹性的。 d)夹层极化：速度慢、消耗能量、非弹性的。 所以、电介质极化可以定义为带电粒子弹性的位移和转向及空间电荷的重新分配，也可 以定义为有损极化和无损极化。 三、电介质极化在工程实际中的应用 a)作电容的材料的介电常数要大； b)在交流及冲击电压作用下，多层串联电介质中的场强分布与介电常数成反比。 c)利用夹层极化可以判断绝缘受潮的情况。 §2.2电介质的电导 C 电导：任何电介质都有一定的导电性。 R2 C2 iz 一、金属电导是电子电导、电介质电导是离子电导。 二、电介质的等值电路 R 电路中为几何充电电容电流 i为吸收电流 → i3为泄漏电流 三、研究电导的意义：
(1)在高压设备绝缘预防性试验中，测量电介质的电导和吸收比可以判断绝缘是古 受潮 (2)多层介质在直流电压作用下的稳态电压分布与各层介质的电导成反比。 (3)设计绝缘时，要考虑到绝缘的使用条件，特别是湿度的影响。 (4)并不是所有情况下都希望绝缘电阻高，有些情况下要设法减小绝缘电阻 23电介质的损耗 电介质损耗包括极化损耗和电导损耗。在直流电压的作用下，山于电介质中没有周期 性都极化过程，当外施电压低于发生局部放电的电压时，介质中的损耗仪山电导所引起。 P=UI =UI 1g8=U'oC 1g8 用有功功率P来表示介质损耗是不方便的，因为P值与实验电压、试品尺小等因素有 关，不同试品难以相比较，而对一定结构的试品，在外界电压一定的情况下，介质损邦 仪决定于g心，而g6同介电常数和电导率一样，仪取决于介质本身的特性参数。因此， 为了比较不洞介质在交变电压作用下的损耗性能，g心就成为衡量介质损耗大小的物理量 研究介质损耗的意义： (1)在设计绝缘结构时，必须注意到绝缘材料的g心，若gδ值过大则会引起严重发 热，使材料容易劣化，甚金可能导致热击芽。 (2)用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的g6值必须很小，杏则冲击波在电缆中传播 时将引起严重畸变，影响测量精确度。 (3)预防性试验的一种。 (4)作为绝缘材料，希望其gδ越小越好
第二节高电压绝缘试验 教学内容：绝缘试验项目试验原理及方法 重点：绝缘电阻的测量：泄漏电流的试验：介质损失角正切值的测量：耐压试验（试验 原理) 难 点：绝缘电阻的测量：泄漏电流的试验：介质损失角正切值的测量：耐压试验（试验 原理) 解决方法：通过理论和实验相结合方法，加深理解，联系实际。 一、试验作用： 发现电气设备绝缘内部隐藏的缺陷，以便在进行设备检修时加以消除。 缺陷的分类：一类为集中性的缺陷：另一类为分布性缺陷（指电气设备整体绝缘 老化、变质、受湖能力下降) 二、设备（试品）缺陷原因： ()、厂家生产制造所致。 (②)、长期运行 三、试验分类： (①)、破坏性试验：试验电压大于正常额定电压，有积崇效应。 (2)、非破坏性试验：试验电小于正常额定电压。对设备的考验不够严格， 无积累效应。特点是在较低的电压下或者是用其他不会损伤绝缘的办法来测量绝 缘的各种特性，从而判断绝缘内部的缺陷。四、预防性试验的常测项目： (I)、绝缘电阻的测量及吸收试验。 (2)、tg8值的测定。 (3)、局部放电实验。 (④)、油的色谱分析。 (5)、交流耐压实验」 (6,、直流泄漏及耐压试验 ()、接地电阻的测量。 一、绝缘电组的测量 做为最简单最常用的非破坏性试验。 直流电压作用介质时，通过它的电流可包含三部分：泄漏电流、电容电流和吸收 电流。用兆欧表去测量绝缘电阻变化：兆欧表内直流电压一定，故绝缘电阻与电 流成反比。 当被试品有贯穿性缺陷时，反映泄漏电流的绝缘电阻明显下降。 对于电容量大设备，可利用吸收现象来测量它们的绝缘电阻随时间的变化，以判 断绝缘状况。 一.绝缘电阻和吸收比测量 (一）.绝缘电阻的测量 1.兆欧表的工作原理
2.作用 能发现绝缘受潮或有集中性的导电通道 3.接线 4.方法 规定以加电压后60秒测得的数值为该试品的绝缘电阻值 (二).吸收比的测量 1.吸收比k 吸收比大小可反映绝缘干燥或受潮k值大（大于或等于1.3）绝缘良好，吸收 现象明显：反之，绝缘受潮，吸收现象不明显。 吸收比：由于吸收比是两个绝缘电阻的比值，故与尺寸无关：若设备受潮严重， 则绝缘电阻值显著降低，传导电流增加，吸收电流衰减迅速，使吸收比下降。 2.方法：按测绝缘电阻的方法测15秒和60秒时的电阻 再按公式 K= 可求得k 注意事顶： R 1)、被试品的电源及对外连线应拆除，并充分放电 2)、在接地端应申联刀闸开关，待转速稳定时，开始读数。 3)、对大容量试品，在测量结束前，必须把兆欧表从测量回路断开，以免损坏兆 欧表。 4、兆欧表的线路端与接地端的引出线不要靠在一起。接高压端的导线不可放在 地上 5、记录测量时的气压、温度和湿度，以便校正。 二、泄漏电流的试验 1、试验原理：绝缘设备施加直流高压时，会流过泄漏电流，对于良好的绝缘， 泄漏电流随试验电压U成直线上升，且数值较小（如图曲线1），当绝缘受湖时， 电流数值如曲线2所示。如绝缘中有集中性缺陷时，则泄漏电流在超过一定试骏 电压时将剧烈增加，缺陷越，泄漏电流值发生剧增的试验电压值愈低 2.泄漏电流测量的特点 (1)能更有效地发现一些尚未完全贯通的集中性缺陷 (2)在试验升压过程中，可以随时监视微安表指示，了解绝缘情况 3、试验接线： 4.试验方法 被试品额定电压35kv及以下施加10一30kv直流电压 被试品额定电压110kv及以上施加40kv直流电压 试验时按每级0.5倍试验电压分阶段升高
每阶段停留lmin,读微安表读数即为泄漏电流 绘制泄漏电流与加压时间、泄漏电流与试验电压关系曲线后进行分析。 注意事项： 1)入、用一开关将微安表短路 2)、试验完毕，必须先将被试品上的剩余电荷放掉 3)、试验小容量试品时，需接入滤波电容以减小电压脉动 三、介质损失角正切值的测量 内容：用于反映绝缘内功率损失大小的参数，反映单位体积介质的介质损失。 通过测tg8可反映出整个绝缘的分布性缺陷。 作用：能有效地测出绝缘受潮、老化等分布性缺陷。对集中性缺陷不灵敏， 体积越大也越不灵敏 如果绝缘内的缺陷不是分布性而是集中性的，则测tg6就不灵敏，且被测试 品的体积越大，就越不灵敏。原因： OCU'1g8=@CU'1g +aC.U'1go: 得：gd=Cgd+C,gd 若21，则61，得：g6=g成+ggd 只有缺陷部分较大时，在整体tg8中才明显。 在预防性试验中，常用西林电桥法试验，其中C是无损标准空气电容器，C4 是可变十进位电容箱，P是检流计：R3是可变无感电阻，ZX是被试物阻抗 西林电桥法：正接和反接 1.电桥平衡时：ZX/Z3=ZN/Z4 1 依电桥平衡条件可得： +joc,店-（Ra+/oC Rx 1 由等式两边实部与虚部分别相等，得：g8= 2.接线方法：如图2-7所示： 3.使用方法：调节3、C4,使电桥平衡，即检流计中的电流为零 4.注意事项 5.注意事项 (1)电桥本体接地良好 (2)反接法时，三根引线处于高压，必须悬空 (3)能分开测的试品尽量分开测 (4)应保持试品表面干燥 (⑤)试品设备有绕阻时，应首尾短接起来 总结：非破坏性试验方法对不同故障的有效性： 1、测绝缘电阻：可发现贯穿性受潮、脏污及导电通道等缺陷
2、测泄漏电流：比1更灵敏 3、测介损角正切值：能发现绝缘整体普遍劣化及大面积受潮 四、耐压试验 1、交流耐压试验 作用：能确定电气设备绝缘的耐受水平 试验电压：工频耐压试验的优点是可准确地考验绝缘的裕度，能有效地发现 较危险的集中性缺陷。但是交流耐压试验有重要缺点：即对于固体有机绝缘，在 较高的交流电压作用时，会使绝缘中一些弱点更加发。 大修前发电机定子绕组的试验电压取1.3~1.5倍额定电压，对于运行20年 以上的发电机，取1.3倍额定电压做试验，对与架空线路有直接连接的发电机要 求用1.5倍额定电压做耐压试验。 变压器和互感器取出厂试验电压的0.85，其他高压电器按出厂试验电压的 0.9,绝缘子直接按出厂试验电压做耐压试验。 耐压时间一般不超过1分钟 试验接线图：如图2-9 容升效应：进行交流耐压试验时，被试品一般均属于电容性，试验变压器在电容 性负载下，由于电容电流在线图上会产生漏抗压降，使变压器高压侧电压发生升 高现象。 注意事项： ①、球隙的选择和布置，要求S/D≤0.75 ②、大气条件对放电的影响 2、直流耐压试验 特点：试验设备轻小，在绝缘进行直流耐压试验的同时，可通过测量泄漏电流来 观察绝缘内部集中性缺陷。接线同泄漏电流试验相同。 试验时间：一般采用5一10分钟， 不足：对绝缘的考验不如交流下接近实际和准确。 试验电压值：发电机定子绕组取2~2.5倍额定电压 电力电缆10kV及以下取5~6倍额定电压，35kV取4~5倍额定电压
第三节雷电的参数及防雷基本措施 教学内容：雷电的参数及防雷基本措施 重难 点：避害针线的保护范围的确定 点：避雷针线的保护范围的确定 解决方法：通过实例计算分析，训深理解 案例1 ■2000年6月17山、上海明殊线发生雷击事故，这是明珠线试运行以来，首次遭到的宙电袭 击。当天下午1时，明珠线5号列车在溪路驶向龙遭路途中，宽遭雷击。雷电窜入机车 使机车掉电，起用电池供电后列车只能限速，以每小时5公甲的速度行驶。到站后，遭电 击的列车当场退出了行驶，营运公可对其保护装肾进行了紧急抢修。下午时，修复后的 列车又重新上线运行， 案例2 ■2000年6月17中年12时50一55分，上海市郊一村民项某和麦子在水稻用正在插秧时遭雷 击，顾某当场身亡，距其3一4米处的老子双脚有发麻的感觉，据对雷击发生现场观察， 雷击点四周空旷，在周困150一200米范田内无任何建筑物和高大的物体（如树木等）。 另据死者妻子讲述，雷击发生时在死者身上有一团火光出现，除衣服湿透外，此他雷击 痕迹不明显。调查认为，雷击点附近无适当防雷电的保护区（如建筑物和高大的物体）， 死者本人又缺乏基本的雷电防护知识，在四周空旷的用间坚持插秧作业，是造成这次被 雷击而身亡惨喇的主要原因 §3.1、宙电参数 1、雷电流：雷击低接地电阻被击物时流过被击物的电流。我国测得的最大雷电流幅值 为300千安。 2、雷暴山（小时）：一年中有雷的天（小时）数，用此来播述一个地区雷电活动的强弱。 3、地面洛雷帝度：每一雷暴山、每半方公甲的地面落雷的次数 §3.2避雷针、避雷线的保护范田 避雷针的实质是引雷装置！中科院兰州高原大气物甲所进行了人工火箭引雷试验：在 196年6月4山于南昌做的一次空中触发电中，他们无意中将火箭发射架放得离引流杆 较远，结果引下的闪电没有以引流杆为接地点，而是打到发射架附近的地面上 一内甩 有10个回击，山于没有安排良好的接地，在整个放电过程中闪电的击地点在随风平行移动。 在后两次触发中，火箭发射架放得靠近引流杆，因而闪电都以引流杆为接地点。结果在闪电 过程中，尽管闪道也因风和瑞流而移动和改变形状，但共接地点却始终牢牢地固定在接地良 好的引流杆顶端。这一试验事实很好地说明了避雷针确有“引雷区域"存在，也说明了为使避 雷装置起到预期的作用 良好的接 分要的 个独立避雷针山接闪器、接地引下线和接地装肾组成.接闪器足指避雷针最上端1~-2m 长的一段，一般山直径不小于12mm的圆钢或直径不小于20mm的岸接钢管制成。接地引 下线是连接接闪器和接地装肾的一段导体，采用直径不小于8m的圆钢或截面积不小于 48m2、厚度不小于4mm的扁铜制作。接地装置是接地体和接地线的总和，是为了降低榜 地电阻而完成的接地整体。接地体包括垂直接地体和水平接地体，垂直接地体一般采用长度 为2.5m的角钢、钢管或圆钢，埋地深度不小 0.5m,两垂直接地体之间的间距不小于5m 水半接地体采用扁钢或园钢用于连接垂直接地体，采用扁钢时截而积不小于100m2、厚度
不小于4mm,采用圆级时截面积不小于10mm。既然避需针的实质是引雷装胃，所以接闪 器没有必要作得很复杂、不用分叉、也不用采用镀银等。 避雷针的保护范围 1、单支避雷针 当hx>=h/2.rx=h-hxp hx<h/2.rx=(1.5h-2hx)p h一避雷针的高度： p一高度影月系数，当h=<30m时，p=1:当30<h=<120m时 2、两支等高避雷针ho=h-D/7p: bx=1.5(ho-hx) 般两避雷针之间距离与针高之比Dh不宜大于5 3、两支不等高避雷针 §33避雷卷 早期人们只用避雷针在建筑防雷上防雷，月当时人们也只注意建筑防雷。在20世纪之 初，因为电信和电力的发屁，促使防雷技术有了新的发。 19世纪80年代木就出现第 种避宙装咒 导电器，它实际上是一个火花间限。在富兰克林时代，只注重直击雷的灾祸， 20世纪之后，电力部门注意到感应雷（或者叫雷电的二次效应）的祸害。德国w.Peterson (1914)提出用接地避雷线防雷的理论。1922年关国西屋公可制成自动阀型避雷器，1927 年美国开始采用非游离气体遮断工须续流的管型避雷器，20世纪50年代初做吹阀型避雷器 问世 968 电器研制出新 一代的无向隙避雷器，它实质上是一种 金属氧化 物非线性电阻，现在它已成为避宙器的主流了。 一、保护间隙 19世纪80年代木才出现了最原始的避雷器保护间隙。1、辅助间隙的作用：避免主间 的被短接面浩成工作母线接地短路 2、工作原理：当雷电波侵入时，间隙1、2击穿，将工作母线接地，雷电流引入大地 避免了被保护设备的电压升高，从而保护了设备。过地压消失后，间隙中仍有工电压所产 生的工频电弧电流，把沿着冲击放电通道流过的工频短路电流称为续流。山于间隙炮弧能力 差，往往不能自动熄弧，造成断路器跳闸，所以需要与自动重合闸配合， 3、缺点：1)伏秒特性陡，不能保护绕组设备：2)不且有灭弧能力：3)容易产生截波 管型避雷器 20世纪20年代术，研制了一种能自动熄弧的管型避雷器。1、辅助间隙的作用：隔离 工作电压，避免产气管被流过管子的工频泄漏电流所烧坏
2、工作原理：雷击过电压时，内外间隙同时被击穿，雷电流经管型避雷器内外间隙流 入大地，冲击波被截渐。 过电压消失后，在工频电压作用下，间隙中还有工须续流流过，其值为管型避雷誉安装 处的短路电流， 工频续流电弧的高温，将使管内产气管材料分解出大量的气体，使产气管内 气压升高，山于管型避雷器的一端是封闭的，高压力的气体将山环型电极开口孔喷出，形成 强烈的纵向吹弧，使续流在第一次过零时熄灭，使系统恢复正常状念。 3、缺点：管型避雷器的实质还是一个具有一定灭弧能力的保护间隙，所以还有伏秒特 性陆和容易产牛载被的缺占 对管型避雷器续流的求 GXW 35 ■1、续流的上限应大于安装点可能出现的最大短路电流。 2-10 ■2、续流的下限应小于安装点可能出现的最小短路电流。 20世纪80年代制我国研制了一种新型的管型避雷。新型的管型避雷器是利用雷电流 产气灭狐，因而为有牵流 、普通阀型避雷器 母址 1、如何限制截波 冲击电流在电阻阀片上的压降称为残压。 残压越低对被保护物越有利，所以希望串联的电阻 要小一比。 但串联的电阻越大，对灭弧越有利，所以从灭弧的角度来说串联 的电阻要大 2、电阻阀片 非线性电阻阀片是在大电流作用下体现出低电阻、而在小电流作用下体现出高电阻，其 伏安特性为u=C',式中C为取决于材料的常数，a称为阀片的非线性系数(0〈a(1) 越越小说明阀片的非线性越高，性能越好。 3普通阀型 宙器的 ·在电力系统下常工作时，间隙将阀片电阻和工作母线隔离，以免在母线工作电压下阀片 电阻中长时间流过电流而使阀片烧坏。当系统中出现过电压，月幅值超过间隙的放电电 压时，火花间隙被击穿，冲击电流通过阀片流入大地，山于阀片是非线性电阻，在雷电 流作用下，阀片早低阻值，文时阀片上产牛的线压将受到限制，若使残压低于被护物 的冲击耐压， 则被保护设备得到保护 ·当过电压消失后，在工作电压作用下，间隙中仍有工频电弧电流流过，但工频续流受到 阀片电阻的限制，若将工颜电流限制在一定值以下，使间隙能在工频续流第一次过零时 将电弧切断，间隙恢复绝缘，系统正常工作不受影响。 4、普通阀型避雷器是东样产生平伏秒特性的 ·普通阀型避雷器产生平伏秒特性是山其火花间隙的结构决定的 山于两个电极间形成的是短间隙均匀电场， 所以能够产生平伏秒特性 ·同时在过电压作用时，云母垫图与电极间的空气缝隙中首先发生电录，对间原起照射作 用，从而缩短了放电时间，所以伏秒特性的分散性很小。 ■单个火花间隙工撷放电电压约为2.7~3.0kV(有效值)共神击系数为1.1无右 避雷器动作后，工须续流屯弧被火花间隙分成许多串联的短电弧，利用短电弧自然熄弧 能力可使电弧想灭。在没有热电子发射时， 的制始恢复强度可达250V左右，实验 证明，要使火花间隙顺利地熄弧，必须将工频续流限制在一定值，我同生产的S和FZ 避雷器，当工频续流分别不大于50A和80A(峰值)时，能够在续流第一次过零时使电弧 稳灭
四、间隙并联电阻 ·避雷器的火花间隙是山许多向隙串联而成，多向隙串联后，向隙电容形成一个电容链。 山于间隙各电极对地饿对高压端有寄4 电容 故在多个串联间®上电压分布是不均匀的 这样避雷器动作后，每个间隙上的恢复电压分布也不均匀，从而降低了避雷器的熄弧能 力，工频放电电压也将下降。 五、磁吹避雷器 ■1、限流型火花间隙 又称拉长电弧型向隙，间隙山一对角状电极组成，磁场是轴向的，工频续流被轴向的 工频续流被轴向磁场拉入灭弧栅，其电弧最终长度可达起始长度的数倍。灭狐盒山 瓷或云母玻璃制成，电弧在灭弧栅中受到强烈的去游离而熄灭。山于电弧形成后，很快 被拉到远离击穿点位置，故间隙绝缘恢复很快.这种磁吹间隙想弧能力很强，可切断450八 一右的娃流 六、阀型避雷器的型号 ·普通型的有FZ和FS两种，FZ型适用于变电 ,下S型适用于配电系乡 FZ型与FS型相比 共结构特点是同隙采用了并联电阻，从而提高了工频放电电压。FZ型山一些结构和性脂 都已标准化的单件所组成，这些单件分别适用于3、6、10、15、20和30kV的额定电压。 h它们组合可以适用于各种电压等级，1FZ-110J型是山4个FZ.30串联而成 带型的参数 是指保证避雷器可 灭弧的条件 允许加在避雷器上的最高工频电压。避 雷器的灭弧电压是按照避雷器安装点可能出现的最大工频电压设计的。 工烦放电电压：指工频电压作用下避雷器发生放电的电压（有效）值，它表明间隙的绝 缘强度。 4、成压：神击中流在电阻阀片上的压降。残压裁低戴好 5、保护比：避雷器残压与灭弧电压之比。保护比B越小越好，说明残压越低或灭弧电压越 高。FS型和FZ型，B=2.3-2.5 ,FCZ型B=1.7-1.8 保护比和切断比都反映避害器的保 性能，前者针对用户而言，后者针对制造厂家而言意义史明确 6、直流沿漏电流：指在直流电压作用下流过避雷器的电导电流，它反映了避雷器是否受潮 分路电阻有无断裂、老化，以及串联组合元件的非线性系数的相互差值，是检测避宙料的主 要参新之 7、通流容量：指阀片通过电流的能力。避雷器中流过的电流一种是雷电流 另一种是工 电流。所以对低温阀片用通过20/40us、5kA的冲击电流和100A的工须半波电流各20次来 考验：对高温阀片用通过20/40us、10kA的冲击电流和800-1000A、2000us方波电流各20 次来者哈 八、氢化粹避宙兴 70年代制期出现了金属氧化物避雷器，其阀片以氧化锌为主要材料，附以少量精选过的 金属氧化物，经高温焙烧而成 ·氧化锌阀片具有很理想的非线性伏安特性，图中假定ZO、SiC电阻阀片在1OkA电流下 的残压相同，但在额定电压（或灭弧电压）下ZO曲线对应的电流一般在105A以下，可 近似认为续流为零，而S引C曲线所对应的续流却是(100-400)A无右. 1。伏安特性 ·ZO的伏安特性可分为小电流区、非饱和区和饱和区。在1mA以下的区域为小电流区 非线性系数“较高，为0.2左：右：电流在1mA到3kA范围内，通常为非线性区，其ū值在 0.02-0.05左右：电流大于3kA, 一般进入饱和区，这时电压增加，电流增长不快。 2、氧化锌避雷器的优点