浅析高电压与绝缘技术的新发展

张鹏远 王宇 王欢

【摘要】随着经济的快速发展，加强高电压与绝缘技术的结合，对我国高电压工程的发展起着至关重要的作用。本文将从高电压外绝缘的范围与主要问题、高电压技术实验研究探讨主要特点、高电压与绝缘技术领域的发展现状、及有机外绝缘的应用等几个方面进行分析。

【关键词】高电压；绝缘技术；发展

中图分类号：TM8文献标识码： A

前言

目前由于高电压工程的不断壮大，高电压工程中绝缘技术的问题得到了管理者的广泛关注。虽然我国在此技术上有所完善和进步，但是仍然存在一些问题和不足需要改进。在建设社会主义和谐社会的新时期，进一步加强高电压与绝缘技术结合的新发展，是高电压工程发展的一个重要环节。

二、高电压外绝缘的范围与主要问题

电气设备上所有暴露在大气中需要绝缘的部分都属于外绝缘的范畴，高电压设备的外绝缘包括室内绝缘与户外绝缘。户外绝缘的运行条件比户内外绝缘复杂得多，所面对的问题解决起来也困难得多，因而户外绝缘成为外绝缘研究的主要部分户外绝缘所面临的主要问题为：雷击造成的雷电过电压问题；电力系统正常或故障操作引起的操作过电压问题；雨中设备在工作电压下闪络的露闪问题；设备表面凝露时在工作电压下闪络的露闪问题；表面积污的设备在潮湿的气象条件时在工作电压下闪络的污闪问题；在设备本身结构力，在大风覆冰地震下的拉压弯扭，以及系统故障对瞬间电动力下的机械负荷问题；绝缘材料在长期运行条件下性能逐渐下降的劣化问题或老化问题户内外绝缘面临的主要问题为：表面凝露时在工作电压下闪络的露闪问题；表面积污后在潮湿的条件下的污闪问题；操作过电压的问题；以及设备本身结构力与电动力的问题。

三、高电压技术实验研究探讨主要特点

1、实验性强。实验和分析表明,影响电介质在高电压下行为的因素甚多。因此,根据特定条件所得出的理论,通常具有较大的局限性。为了获得具有普遍意义 的结果,需要从大量的实验结果中抽取出反映本质的因素。缺少这个由浅入深，由表及里的研究过程,基础理论的水平难以提高。从这个意义上说,实验的重要性在本学科的发展中是至关重要的。

2、理论性强。由于放电和击穿是发生在非限定空间的一种导电现象，其内在规律无法从“路”的观点来描述，只能从易受多种因素制约的“场”的理论出发，由于过程复杂，致使表征其内在规律的理论基础至今尚不成熟，而且带电粒 子的行为与物质性质和状态关系密切，这就更增加了理论探讨的难度。所以，长期以来理论研究一直沿着从宏观、半微观、微观的方向逐步深化。因此，不可避免地和电磁场理论、气体动力学、基础热力学、电介质物理、等离子体物理、电碱流体力学、统计物理等具有十分密切的联系。

3、交叉性强。在吸收其他新兴学科的最新成就促进自身不断发展的同时，高电压技术也在不断地向其他学科渗透并成为开拓新兴科学技术不可缺少的理论和技术基础，高功率脉冲技术的出现就是个突出的实例。

四、高电压与绝缘技术领域的发展现状

1、随着我国经济的快速发展，国民经济建设中涉及电气工程尤其是高电压与绝缘技术专业的重大工程被提上议事日程。当前，面对电力供应严重不足的局面， 我国正大力发展电力工业。据统计, 我国的发电容量1980年为3006亿kW·h；1995～1996年，年发电量跃居到世界第二位，而且增长迅速，2002年我国的年发电量已达16000亿kW·h。按照装机容量，1996年底我国发电设备的装机容量已达2.3亿kW， 居世界第二位。2002年更是达到了3.53亿kW。随着国家电力工业的战略布局，西电东送工程正在蓬勃展开。随着电力需求日益增长，为解决高电压、大容量、长距离送电和异步联网等交流输电难以实现的现况，直流输电由于其传输功率大、线路造价低、控制性能好等特点，作为重点输电工程在国内大力开展。

在电气化铁路事业中，目前高速铁路是国家的发展重点，随着京沪高速铁路的论证，中国已经开始新一轮高速电气化铁路的建设。同时，城市轨道交通的建设，包括地铁和城市轻轨，这些都为高电压与绝缘技术专业的研究生从事科研工作提供了前所未有的机遇和挑战。一方面，在高电压输电领域的推动下，合成高分子材料迅速代替天然材料，这也成为电气设备的主要研究与开发热点；另一方面，功能电介质(包括铁电、压电材料)开始崭露头角，无线电技术为其主要应用背景。到世纪末，计算机及光电子信息技术的蓬勃发展，又推动电介质的研究开发进入到微波与光频波段。

在新的世纪中，纳米材料技术将大大促进功能电介质的发展，将给传统绝缘介质学科找到新的突破点；而包括从极低频至光频波段的电介质理论和测试技术的发展成就，将会在生物学科与技术领域起到举足轻重的作用。青藏铁路(格拉段) 的建设，也提出了在高海拔、永冻土地区如何进行有效的防雷接地工程等一系列的新课题。随着我国国防事业的发展，脉冲功率技术也得到了迅猛发展， 这其中涉及到的有关材料、运行、评估等问题,也是高电压与绝缘技术专业科研工作者及研究生面临的新问题。

中国得天独厚的地理资源以及国家经济的迅速发展，为当今科研工作者提供了前所未有的机遇和挑战。高电压与绝缘技术学科跨度广阔，涉及物理、化学、材料、电气等，理论研究深至凝聚态物理，工程应用广到电气设备的监测与评估。该学科综合性很强，既有多学科的交叠与成果积累，又有科研与工程的结合，因此要求博士生的基础扎实，对学术研究与工程开发都有较好的适应性与可造就性。

五、有机外绝缘的应用

1、有机绝缘材料在高电压外绝缘中的应用

有机绝缘材料在高电压外绝缘领域的应用几乎扩展到了所有方面，凡是电工陶瓷有的产品，有机材料都有，甚至还制造出了一些电工陶瓷及钢化玻璃所没有的产品。棒形悬式合成绝缘子与线路支柱合成绝缘子是有机材料在高电压外绝缘领域应用最成功的代表，迄今已有数百万支棒形悬式合成绝缘子与线路支柱合成绝缘子运行在世界各国的输电线路上。70年代末80年代初，在总结以前运行经验的基础上，合成绝缘子在技术上得到了较大的改进，出现了所谓的第二代合成绝缘子。电力系统对合成绝缘子的态度也有了较大的变化，对合成绝缘子的诸多优点也有了更深切的认识，合成绝缘子的用量得到较大增长。进入90年代，合成绝缘子的应用得到了更大的发展。在线路合成绝缘子蓬勃发展的同时及以后，其它品种的有机外绝缘产品也逐步发展起来。

2、有机外绝缘产品的主要优点

从第一代棒形悬式合成绝缘子开始，有机外绝缘产品就显示出其明显的优点随着性能的改进及有机外绝缘产品的大量应用，有机外绝缘产品的优点得到了更为广泛的认同。如重量轻体积小。棒形悬式合成绝缘子的重量只有同电压等级瓷或玻璃绝缘子串重量的10%~15%，后来发展起来的硅橡胶合成套简与瓷套筒相比重量轻的优点仍然十分突出。这一优点对生产运输安装都很有意义，对于野外线路施工其优点尤其明显如不易碎破损率低防破坏性能好硅橡胶产品由于硅橡胶独特的憎水性迁移性能，在这一点上表现尤其突出如防潮。防爆性能好瓷套式避雷器互感器因内部留有较大的空隙，在运行中容易因空隙的呼吸作用而使内部组件受潮，并且若内部受潮后未得到及时处理，在雷击过电压，操作过电压等情况下就有可能发生爆炸，而且瓷套的爆炸不仅毁掉了自己，还会殃及临近的其它设备与运行人员，从而扩大事故。采用了硅橡胶伞裙与玻璃钢筒的合成套筒设备由于内部为全固体结构，不存在空隙的呼吸问题，也就避免了呼吸受潮问题。而且，即使有高能量的大电流流过其内部，玻璃钢筒也有很强的防爆性能，与玻璃钢筒粘接成一体的硅橡胶伞裙也很难飞出，并且，即使有伞裙飞出，也不会殃及其它设备。

六、高电压有机外绝缘需要研究解决的主要问题

首先是关于介质放电和击穿理论及其特性的研究。在气体方面，除了重视对气体放电基本理论方面新见解的探讨外，主要是强电负性气体及其混合介质，重点是研究这类气体的放电过程和影响因素并作全面的评价。另外是电弧放电及灭弧理论的研究，为提高我国断路器的水平提供可靠的理论依据。界面放电理论特别是在污秽条件下界面放电理论的研究是至关重要的。至于长间隙(雷电)放电的研究,重点是与国民经济密切相关的防雷新原理和新方法的研究。

在固体介质方面，应加强基础理论研究，因为比起先进国家来我国的研究基础还较薄弱。要特别加强组合绝缘介质击穿理论和劣化理论的研究。另外，空间电荷分布和运动规律对击穿过程影响的研究也具有十分重要的意义。

为了在不太长的时间内达到在放电和击穿理论以及介质放电特性的研究方面有较大的进展，在我因目前的条件下应十分注意加强联合研究。这样，可以充分发挥仪器设备的作用尤其有利于学术视野的扩大，同时还要提倡开拓和创新。

其次是关于过电压及其限制方法和措施的研究。重点是金属氧化物（以Zn O)为主)的非线性机理的研究，包括影响非线性系数和非线性宽度的因素。在Zn O避雷器方面，主要是散热理论,非线性特性的研究。含有非线补偿器等的系统稳 定性判据的研究以及复杂系统过电压的产生和限制的研究等都是十分重要的。

最后，应特别重视发展交叉学科方面的研究。在电工学科中,高电压和绝缘技术是与新兴学科如技术物理、光学、材料科学等结合比较密切的分支。发展的趋势已表明，完全有可能和有条件在不长的时间内，使高电压技术在其他学科中获得广泛的应用和发展。

七、结束语

通过对高电压与绝缘技术的问题分析，进一步明确了绝缘技术的新发展在高电压工程中的应用方向。因此，在高电压工程的后续发展中，要不断高电压与绝缘技术结合的研究，促进高电压工程的进一步发展。

参考文献:

[1] 梁曦东.高电压工程 .清华大学出版社 .2003年

[2] 徐传骧.刘辅宜.工程电介质本世纪的进展与21世纪的发展热点探讨, 电气电子教学学报 ,2000年

[3] 林伟连.电气绝缘材料在工程中的应用, 电气学会论文志, 2007年