《高压电器与绝缘材料》课件

高压电器与绝缘材料欢迎参加《高压电器与绝缘材料》课程学习本课程将系统介绍高压电力系统中关键设备及其绝缘材料的基本原理、结构特点和应用技术通过学习，您将掌握高压电器的工作原理、性能指标和选用方法，理解各类绝缘材料的特性及其在电气工程中的重要性，为今后从事相关领域工作奠定坚实基础本课程结合理论与实践，通过大量工程案例，帮助您建立系统性认知，培养解决实际问题的能力高压电器的定义与作用高压电器的定义在电力系统中的关键作用高压电器是指在额定电压及以上的电力系统中使用的电高压电器是电力系统的关节与神经，负责电能的控制、1kV器设备这些设备专门设计用于高电压、大电流的操作环保护、测量和转换等功能它们能够实现电路的接通与分境，具有较高的绝缘强度和可靠的机械结构断，保障设备和人身安全高压电器需满足严格的技术规范和安全标准，以确保在极在现代电网中，高压电器承担着电力传输与分配的关键任端条件下的稳定运行和长期可靠性务，是确保电力系统安全、稳定、经济运行的重要基础设施高压电器的历史发展1早期发展阶段1880-1920最初的高压开关多为明装式空气开关，随后发展出油开关各国研制出最早的变压器、断路器等基础设备，但技术水平有限2技术成熟期1920-1960油断路器得到广泛应用，绝缘材料从纸、木材发展到合成材料电力系统规模扩大，对高压电器性能要求提高3革新与发展期1960-2000SF6气体断路器、真空断路器问世并成为主流固体绝缘材料、复合绝缘技术显著进步高压设备小型化、智能化趋势明显4现代技术期2000至今数字化、智能化高压电器发展迅速绿色环保材料应用广泛，设备集成化程度高特高压技术取得重大突破高压等级的划分标准电压等级分类中国标准IEC标准典型应用场景低压≤1kV≤1kV居民用电、小型工商业高压1kV~35kV1kV~52kV工业配电、城市电网超高压110kV~220kV

72.5kV~300kV区域电网主干线特高压330kV~750kV300kV~800kV大区域电网互联超特高压≥1000kV≥800kV远距离大容量输电中国电力系统采用的常用标称电压等级包括3kV、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV和1000kV等不同国家和地区可能采用不同的电压等级，这与各国电力系统发展历史和标准体系有关电压等级的选择需要综合考虑输电距离、传输容量、经济性、安全性等多种因素随着技术进步，全球电压等级呈现升高趋势高压电器的主要性能指标绝缘性能指标开断能力指标•额定绝缘水平设备能承受的工•额定短路开断电流断路器能可频和冲击电压水平靠断开的最大短路电流•介质损耗角正切值反映绝缘材•额定短时耐受电流设备短时间料的绝缘质量内能承受的最大电流•局部放电量衡量内部绝缘结构•开断时间从分闸信号到电弧彻质量的关键参数底熄灭的时间•绝缘电阻表征绝缘体电阻特性•额定开断容量断路器能够开断的重要参数的最大视在功率寿命与稳定性指标•机械寿命断路器正常操作的循环次数•电寿命带负载操作的循环次数•温升限值不同部位允许的最高温升•动、热稳定性短路条件下保持稳定的能力高压电器分类概述测量类设备保护类设备用于电力参数的测量与监控保障系统安全运行开关类设备•电流互感器测量大电流•避雷器防止雷电过电压主要用于电路的接通与分断•电压互感器测量高电压•熔断器过电流保护变换类设备•组合互感器集成多种功能•保护继电器故障检测与处置改变电能参数•断路器能够开断短路电流•隔离开关隔离电气设备•变压器变换电压等级•负荷开关开断正常负荷电流•电抗器调节无功功率•接地开关确保设备安全接地•电容器补偿无功功率断路器工作原理闭合状态触头接触，电流正常流通主触头承载电流，辅助触头改善接触机构处于锁定状态，保持触头压力分闸过程操作机构释放储能，触头开始分离辅助触头先分离，电流转至主触头主触头分离时产生电弧，在灭弧介质作用下被拉长、冷却灭弧过程不同类型断路器采用不同灭弧原理•油断路器油分解产生高压气体喷射灭弧•SF6断路器利用SF6气体优异的绝缘和灭弧性能•真空断路器在真空环境下快速恢复绝缘强度完成断开电弧熄灭，绝缘强度快速恢复操作机构重新储能，为下次操作做准备辅助电路完成状态指示和联锁保护隔离开关与接地开关隔离开关特点与原理接地开关功能与应用隔离开关是一种可见分断点的开关设备，主要用于隔离电接地开关是保障人身和设备安全的重要装置，用于将已断路，使设备能够安全地进行检修其特点是无灭弧装置，电的高压设备可靠地接地，防止设备带电不能带负荷操作接地开关通常与隔离开关联锁，确保在设备带电时无法误工作原理基于简单的机械动作通过旋转或平移的方式使操作接地开关，防止短路事故发生触头分离，形成可见的断开点，确保设备与电源彻底隔应用场景离变电站检修维护时的安全接地•额定电压从到不等•

3.6kV1100kV防止感应电压和静电积累•结构形式单柱旋转式、双柱水平旋转式、垂直旋转式•配合隔离开关确保工作区域绝对安全•等特高压系统中防止电容电压的危害•驱动方式手动、电动或气动•高压熔断器基本构造工作原理高压熔断器主要由熔体、灭弧装置和支持绝缘件组成熔体通常由当电路中流过的电流超过熔体的额定值时，熔体会因过热而熔断，银、铜或合金制成，是电流通过的路径，也是限流和断路的关键部断开电路熔断过程中产生的电弧通过灭弧装置（如石英砂）进行件冷却、延长和分割，最终熄灭，完成电路断开主要应用领域主要类型高压熔断器广泛应用于变压器保护、电容器保护和配电线路保护等按灭弧介质可分为空气式熔断器、油浸式熔断器、充气式熔断器场景在中小容量变压器的一次侧保护中，熔断器能有效防止变压和限流式熔断器等其中限流式高压熔断器因断流能力强、动作时器因内部故障或外部短路而损坏，是经济实用的保护装置间短而被广泛采用，特别是在配电变压器保护中电流互感器与电压互感器电流互感器工作原理电压互感器测量原理电流互感器基于电磁感应原理，将高电流变换为适合电压互感器用于将高电压按比例转换为标准低电压CT PT/VT仪表使用的低电流其一次侧接入高压线路，二次侧连接（通常为），便于测量和保护100V测量仪表和保护装置工作原理类似变压器，采用铁心和绕组结构一次侧连PT主要由闭合磁心和绕组组成，当一次侧通过电流时，产接高压系统，二次侧连接测量装置通过控制绕组匝数CT生磁通量变化，在二次侧感应出电流，其比值为变比比，实现电压的精确变换电磁式传统结构，稳定可靠•PT额定变比一次侧与二次侧电流比值，如•600/5A电容式适用于更高电压等级•PT准确级表示测量误差范围，如级、级•

0.

20.5光电式基于光学原理，抗干扰能力强•PT二次侧负载影响测量精度的重要因素•避雷器的种类与结构传统阀型避雷器由间隙和非线性电阻串联组成，过电压时间隙击穿导通氧化锌避雷器主体为压敏电阻，具有极好的非线性伏安特性ZnO复合材料外套避雷器采用硅橡胶或环氧树脂外壳，重量轻，抗污性能好现代氧化锌避雷器已成为主流产品，其核心部件是氧化锌压敏电阻在正常工作电压下，避雷器呈高阻状态，泄漏电流极小；当出现过电压时，避雷器迅速转变为低阻状态，泄放雷电流，保护设备安全避雷器的典型结构包括压敏电阻元件、密封外壳、端子和安装附件等为提高性能，避雷器通常采用分段设计，并配有均压环和放电计数器在特高压系统中，避雷器还需要特殊的冷却和监测系统（气体绝缘开关设备）GIS基本构成与特点GIS是采用SF6气体作为绝缘和灭弧介质的金属封闭开关设备，将断路器、隔离开关、接地开关、互感器等设备集成在密封金属外壳中其占地面积仅为常规设备的1/10至1/3，绝缘可靠性高，适合空间受限场景工作原理与优势GIS利用SF6气体优良的绝缘和灭弧性能，在金属屏蔽下形成高度可靠的绝缘系统密封设计使设备不受外部环境影响，维护间隔长，运行可靠性高全封闭结构提供了卓越的防污、防潮、防火性能应用场景GIS广泛应用于城市地下变电站、高海拔地区变电站、恶劣环境区域以及空间受限的场所从

72.5kV到1100kV的各个电压等级均有应用在中国特高压工程中，GIS的应用显著提高了系统可靠性发展趋势现代GIS正向环保型SF6替代气体、数字化监测、模块化设计和更高电压等级方向发展智能诊断系统的引入使GIS的状态监测和故障预警能力大幅提升，减少了维护难度金属封闭组合电器金属封闭组合电器是一种将开关设备、测量和保护设备集成在金属外壳内的成套装置，具有安全可靠、占地面积小、维护方便等特点其主要由一次设备（断路器、隔离开关、互感器等）和二次设备（继电保护、测量控制装置等）组成按结构分为固定式、抽出式和手车式三种类型，其中抽出式最为常用各功能单元之间采用金属隔板分隔，形成断路器室、母线室和电缆室，有效防止故障扩大现代金属封闭组合电器已发展为智能化产品，配备先进的监测和通信系统自动重合闸与保护装置故障检测保护装置检测到线路故障，如短路、接地故障等断路器跳闸保护装置发出跳闸命令，断路器断开故障线路无电时间系统等待预设的无电时间（通常为

0.3-2秒）自动重合重合闸装置发出合闸命令，尝试恢复供电结果判断若故障已清除，恢复正常供电；若故障持续，执行最终跳闸自动重合闸技术对电力系统的安全稳定运行具有重要意义据统计，80%以上的架空线路故障为瞬时性故障，如雷击、树枝短路等，通过短时断电后自动重合，能够快速恢复供电，提高电网可靠性，减少停电时间现代保护装置采用数字化技术，集成了多种保护功能，如过电流保护、距离保护、零序保护等，并能根据系统状态自适应调整保护参数，提高了系统抗干扰能力和保护的灵敏度集成型高压开关设备智能断路器混合型开关设备数字化成套装置集成了传感器、控制器和通信模块的结合了不同绝缘技术的创新产品，如基于标准开发的数字化变电站IEC61850新型断路器，能够实时监测电流、温真空断路与固体绝缘的组合这种设备，采用过程总线和站控总线架SF6/度等参数，具备自诊断和远程控制功设计既保留了各技术的优势，又克服构，实现了一二次设备的深度融合能通过内置算法可预测潜在故障，了单一技术的局限，实现了更小尺通过光纤替代传统铜缆连接，大幅简提前预警，显著提高系统可靠性寸、更高可靠性和更环保的解决方化了系统结构，提高了抗干扰能力案高压电器常见故障类型绝缘击穿故障机械操作故障绝缘材料在电应力作用下击穿，导操作机构部件磨损、卡阻或控制回致设备内外部短路常见原因包括路故障导致无法正常分、合闸主绝缘老化、过电压冲击、制造缺陷要表现为拒动、失灵或动作不完全和污秽闪络等等情况电弧异常过热故障灭弧装置性能下降或灭弧介质变触头接触不良、连接部位松动或负质，导致断路器无法正常切断电荷过大导致局部过热，进而加速绝弧，引发严重事故缘老化或引发更严重故障故障诊断与监测方法监测项目监测技术检测设备评价指标绝缘状态局部放电测试超声波、UHF传感器放电幅值、频次机械状态行程-时间特性位移传感器、时间动作时间、速度、继电器同期性温度监测红外热成像红外热像仪、温度温升值、温度分布传感器气体分析SF6气体成分分析气体色谱仪、湿度分解物含量、湿度计触头状态接触电阻测量微欧计、直流电源电阻值、变化趋势现代高压设备故障诊断已从传统的定期检修转向状态监测和预测性维护通过在线监测系统实时采集设备运行参数，结合大数据分析和人工智能技术，可以准确预测设备潜在故障，显著提高维护效率和设备可靠性智能传感网络与物联网技术的结合，使远程实时监控成为可能，大大减少了人工巡检工作量，提高了电力系统的智能化水平绝缘材料基础概述绝缘的定义与基本要求电气性能核心指标绝缘是指阻止或限制电流在非预期路径上流动的材料或装绝缘材料的电气性能由多个关键指标表征置在电气系统中，绝缘材料需要满足多方面要求体积电阻率反映材料阻止电流通过的能力•ρv电气性能高绝缘电阻、高介电强度•表面电阻率表征材料表面漏电性能•ρs热性能耐热、低热膨胀系数•击穿电压材料发生电气击穿的电压阈值•Ud机械性能足够的机械强度和韧性•相对介电常数材料对电场极化程度的量度•εr环境适应性耐湿、耐老化、抗污染•介质损耗角正切反映绝缘材料在交变电场中的•tanδ化学稳定性耐油、耐酸碱、不腐蚀金属能量损耗•局部放电起始电压绝缘开始出现局部放电的电压值•绝缘材料的分类复合绝缘材料结合多种材料优势，如复合绝缘子、层压板有机绝缘材料包括树脂、橡胶、塑料等高分子材料无机绝缘材料如陶瓷、玻璃、云母、SF6气体等无机绝缘材料通常具有优良的耐热性和化学稳定性，但机械强度较低，加工性能较差陶瓷绝缘体在输电线路中应用广泛，玻璃绝缘子因自爆率低受到青睐，而SF6气体则是GIS设备的关键绝缘介质有机绝缘材料具有良好的加工性能和机械强度，但耐热等级和老化性能稍差环氧树脂因其优异的介电性能和机械强度，广泛用于变压器、互感器的绝缘系统橡胶和塑料则常用于电缆和电器零部件的绝缘复合绝缘材料通过结合不同材料的优点，弥补单一材料的不足，如玻璃纤维增强环氧树脂同时具备良好的机械强度和电气性能复合绝缘子的应用大大提高了输电线路的可靠性无机绝缘材料陶瓷——成分与结构电工陶瓷主要由氧化铝Al₂O₃、二氧化硅SiO₂、氧化镁MgO等组成，通过高温烧结形成致密的晶体结构根据氧化铝含量，可分为普通陶瓷Al₂O₃30%和高强度氧化铝陶瓷Al₂O₃95%陶瓷微观结构的均匀性对其电气性能影响显著制造工艺电工陶瓷的制造涉及原料准备、成型、干燥、烧结多个环节现代陶瓷生产采用先进的等静压成型和精确控温烧结技术，确保产品质量稳定为提高机械强度，某些高端陶瓷采用热等静压处理HIP工艺，显著减少气孔率电气性能高质量电工陶瓷具有优异的绝缘性能，体积电阻率达10¹²-10¹⁴Ω·m，击穿强度20-40kV/mm陶瓷的介电常数通常在5-10之间，介质损耗角正切值tanδ小于

0.005，是理想的高频绝缘材料此外，陶瓷还具有出色的耐热性和化学稳定性典型应用电工陶瓷在高压电器中应用广泛悬式和柱式绝缘子是输电线路和变电站的关键组件；陶瓷套管用于穿墙和穿变压器引线；真空断路器中的陶瓷外壳提供绝缘和机械支撑；避雷器、熔断器、小型互感器等设备也大量使用陶瓷绝缘元件无机绝缘材料玻璃——高压输电线路用玻璃绝缘子玻璃纤维增强材料中空玻璃绝缘套管钢化玻璃绝缘子因其透明性能使得内部玻璃纤维因其优异的绝缘性能、高强度中空玻璃绝缘套管在特定高压设备中用缺陷容易被发现，自爆后碎片能迅速掉和耐热性，被广泛用作复合绝缘材料的作外壳，其透明性便于观察内部状态和落，便于发现故障点这种自诊断特增强相玻璃纤维增强环氧树脂板具有气体颜色变化特殊成分的硼硅酸盐玻E性使得钢化玻璃绝缘子在高压和超高压优良的机械强度和电气性能，常用于高璃因其低膨胀系数和优良热稳定性，适输电线路中得到广泛应用，特别是在恶压电气设备的支撑结构和绝缘组件，如用于需要密封与金属配合的场合，如某劣气候条件下的线路断路器的操作杆、支架等些特种断路器和互感器的外壳有机绝缘材料环氧树脂——变压器和互感器绝缘外壳和支架浇注式绝缘套管复合绝缘子电路板和电子元件有机绝缘材料橡胶与塑料——硅橡胶交联聚乙烯聚四氟乙烯XLPE PTFE硅橡胶具有优异的耐高温、耐低温、耐臭是现代高压电缆的主要绝缘材料，具具有极佳的耐化学腐蚀性、耐高温性XLPE PTFE氧和紫外线性能，电气性能稳定，是复合有优异的电气性能、耐热性和稳定性相和优异的绝缘性能，其介电常数低约

2.1绝缘子的理想材料其疏水性能优异，即比传统的油纸绝缘，电缆重量轻、安且在宽广的频率范围内稳定在高压电器XLPE使在潮湿环境下也能保持良好的绝缘性装简便、维护成本低，已成为及以下中，常用于制作特殊部位的绝缘件，500kV PTFE能，有效防止表面爬电和闪络现代超高电压等级输电电缆的主流选择其介质损如开关中的支撑绝缘子、密封件等其SF6压输电线路大量采用硅橡胶复合绝缘子耗小，允许较高的工作温度不粘性和自润滑性也使其成为理想的轴承90°C和密封材料复合绝缘材料简介复合绝缘材料的基本组成主要应用案例复合绝缘材料通常由增强材料（如玻璃纤维、碳纤维）和复合绝缘材料在高压电器领域有广泛应用基体材料（如环氧树脂、硅橡胶）组成，有时还添加功能输电线路用复合绝缘子硅橡胶外套与玻璃纤维芯棒结•性填料（如纳米氧化铝、石英粉）以改善特定性能合，具有轻质、高强、疏水等优点设备中的复合绝缘支柱环氧树脂与石英粉混合，•GIS这种多相结构设计使复合材料能够扬长避短，同时具备多提高机械强度和热稳定性种优良性能变压器绕组绝缘聚酯薄膜与纤维纸复合，具有优异的•电气和机械性能基体材料提供基础绝缘性能和成型能力•绝缘操作杆环氧玻璃钢材质，兼具高强度和绝缘性增强材料提供机械强度和尺寸稳定性••断路器外壳环氧玻璃纤维材料，替代传统陶瓷，减轻功能性填料改善介电性能、热性能或增加阻燃性••重量绝缘材料的主要电气性能介电强度•定义材料在电场作用下抵抗击穿的能力•测量单位kV/mm•影响因素厚度、温度、湿度、电场分布•典型值空气3kV/mm、变压器油15-20kV/mm、环氧树脂20-25kV/mm、陶瓷20-40kV/mm体积电阻率•定义材料阻止电流通过其体积的能力•测量单位Ω·m或Ω·cm•影响因素材料纯度、温度、湿度•典型值聚乙烯10^16Ω·cm、环氧树脂10^14-10^15Ω·cm、陶瓷10^12-10^14Ω·cm介质损耗角正切•定义反映绝缘材料在交变电场中能量损耗的参数•测量单位无量纲，通常用百分数表示•影响因素频率、温度、杂质含量•典型值聚四氟乙烯

0.

0002、优质变压器油

0.

001、环氧树脂

0.005-

0.02表面性能指标•表面电阻率表征材料表面阻止电流流动的能力•爬电比距在污秽条件下，每千伏电压所需的爬电距离•耐电痕性材料表面抵抗电弧侵蚀形成导电通道的能力•疏水性表面排斥水分的能力，影响湿润条件下的绝缘性能绝缘材料的热性能与老化热导率耐热等级绝缘体传导热量的能力，对设备散按标准分为级、级IEC Y90°C A热至关重要陶瓷、环氧、级、级、级1-3W/m·K105°C E120°C B130°C F树脂、变压器油、级、级现

0.2-

0.3W/m·K

0.1-155°C H180°C C180°C添加氧化铝等填料可显代高压设备多采用级以上材料

0.15W/m·K F著提高热导率热膨胀系数热老化机制温度变化时材料尺寸变化比例，影高温加速氧化、分解和交联等化学响与金属配合部分的机械应力陶反应，导致绝缘材料性能劣化有瓷、硅橡胶6-8×10^-6/K200-机材料尤为敏感，老化表现为硬复合材料需考虑各向300×10^-6/K化、开裂、碳化和绝缘性能下降异性湿度与环境对绝缘性能的影响90%相对湿度达此值时多数绝缘材料表面电阻率下降2-3个数量级，严重影响表面绝缘性能15%绝缘性能平均下降比例陶瓷绝缘子在高污秽环境中工作一年后的性能衰减倍3-5硅橡胶绝缘子使用寿命延长与传统陶瓷绝缘子相比，在高湿高盐雾环境中的寿命优势70%绝缘故障比例由环境因素湿度、污染、温度引起的高压设备绝缘失效占比绝缘材料的吸湿性和耐腐蚀性对其长期性能具有决定性影响有机材料如环氧树脂在吸湿后，介电常数增加、体积电阻率下降，严重影响绝缘性能而无机材料如陶瓷受潮后表面电阻下降，容易形成表面放电在高污秽地区，绝缘材料表面积聚的导电尘埃与水分结合，形成导电膜，大大降低爬电距离，增加表面放电和闪络风险因此，在沿海、化工区等恶劣环境，应选择疏水性好、耐污秽等级高的绝缘材料，如硅橡胶复合绝缘子，或采用RTV涂层提高传统绝缘子的防污性能局部放电及其检测局部放电定义声学检测法电测法局部放电PD是指在绝缘系统利用放电过程中产生的声波信基于IEC60270标准，通过耦合的局部区域内发生的电击穿现号进行检测超声波传感器可电容器和测量阻抗检测放电脉象，不会立即导致绝缘系统完以捕捉放电时产生的高频声冲电流测量系统包括宽频带全失效，但长期存在会加速绝波，通过信号处理确定放电位和窄频带两种，可根据需要选缘老化典型的局部放电形式置和强度该方法抗干扰能力择电测法灵敏度高，是实验包括内部放电如气隙放电、强，特别适用于GIS设备和变压室测试的主要方法，但现场应表面放电和电晕放电等器内部放电的定位用易受外界干扰UHF法利用局部放电产生的超高频电磁波300MHz-3GHz进行检测UHF法对外界干扰不敏感，能有效滤除电力系统中的背景噪声，广泛应用于GIS设备在线监测多传感器阵列可实现放电源精确定位绝缘材料的机械性能耐疲劳性与蠕变特性弯曲强度与冲击韧性长期承受循环载荷和持续应力下的性能对绝抗拉强度与抗压强度弯曲强度对于悬式绝缘子和绝缘支柱尤为重缘材料寿命至关重要有机材料如环氧树脂抗拉强度表征材料抵抗拉伸破坏的能力，对要陶瓷的弯曲强度为70-100MPa，而环氧复的疲劳寿命受温度影响显著，高温下疲劳极于承受机械应力的绝缘支撑结构至关重要合材料可达200-300MPa冲击韧性反映材料吸限降低而聚合物材料普遍存在蠕变现象，陶瓷的抗压强度高300-400MPa但抗拉强度低收冲击能量的能力，硅橡胶复合绝缘子的抗即在恒定载荷下变形逐渐增加，设计时需留40-60MPa，容易因拉应力而破裂环氧玻璃冲击性能远优于陶瓷绝缘子，在机械冲击和足安全裕度复合绝缘子的芯棒材料须具有钢复合材料则具有较高的抗拉强度200-振动条件下不易破损，提高了输电线路的可优异的抗蠕变性能，防止长期拉伸导致永久400MPa，适合制作需承受拉力的绝缘件靠性变形绝缘材料的耐高压能力复合绝缘子的应用与优势传统陶瓷绝缘子的局限性复合绝缘子的结构与材料输变电线路中的显著优势陶瓷绝缘子虽然应用历史悠久，但存典型复合绝缘子由三部分组成复合绝缘子为电网带来多方面提升在多项不足芯棒环氧玻璃钢，提供机械强••重量大，运输安装困难度•重量仅为陶瓷的10-20%，便于运输安装•脆性材料，易碎，抗冲击能力差•伞裙硅橡胶或EPDM橡胶，提供爬电距离优异的疏水性，减少湿润条件下•亲水性表面，在潮湿环境下易形•的泄漏电流成连续水膜金属端件连接导线和塔架•较高的污秽闪络电压，适应恶劣•污秽条件下闪络风险高•高性能复合绝缘子采用高温硫化环境碎片可能造成线路短路•硅橡胶，添加填料提高耐电HTV ATH抗震、抗冲击性能好，可靠性高•痕性和阻燃性抗破坏能力强，不易被故意损坏•无爆炸风险，维护成本低•气体类绝缘材料及其替代气体——SF6SF6气体的基本特性六氟化硫SF6是一种无色、无味、无毒、不可燃的气体，分子量146，常温下液化压力约

2.2MPa其电气性能卓越在

0.5MPa压力下，绝缘强度是空气的3倍左右；灭弧能力是空气的100倍；具有极强的电负性，能迅速吸附自由电子这些特性使SF6成为GIS、断路器等设备理想的绝缘和灭弧介质环境问题与管控SF6是已知最强的温室气体之一，其全球变暖潜能值GWP为CO2的23500倍，大气寿命达3200年《京都议定书》将SF6列为六种限制排放的温室气体之一中国作为SF6生产和使用大国，已制定严格的回收和管理规范，以减少泄漏和排放电力行业建立了SF6气体全生命周期管理体系，包括回收、净化和再利用环保替代气体研发随着环保要求提高，SF6替代技术已成为研究热点主要方向包括混合气体如SF6与N

2、CO2的混合；纯新型气体如C4F7N、C5F10O等；固体/气体混合介质；真空和空气绝缘技术改进C4F7N与CO

2、O2的混合气体g3已在部分高压设备中应用，其GWP仅为SF6的1%，保持相近的绝缘性能C5F10O基混合气体也显示出良好应用前景应用挑战与前景替代气体面临的主要挑战包括低温液化问题大多替代气体液化温度高；灭弧性能有待提高；成本较高；长期安全性和可靠性数据不足预计未来5-10年内，中低压设备将率先实现SF6替代，而特高压设备可能采用气体混合物过渡，最终目标是完全无SF6化中国已在特定电压等级的环网柜中实现SF6替代气体的商业应用液体绝缘材料变压器油——矿物油硅油植物油合成酯其他固体绝缘材料主要应用实例环氧树脂浇注干式变压器瓷质支柱绝缘子绝缘高压电缆XLPE环氧树脂浇注干式变压器采用环氧树脂完高压瓷质支柱绝缘子主要由高强度氧化铝交联聚乙烯绝缘高压电缆已成为现代XLPE全浇注绕组，形成整体式绝缘结构浇注瓷制成，具有优异的机械强度和电气性输配电系统的主要选择通过化学交XLPE过程在真空条件下进行，加入石英砂等填能其内部结构采用多节串联设计，每节联形成三维网状结构，具有优异的电气、料提高导热性和机械强度这种变压器具之间有金属法兰连接，形成均匀电场分热和机械性能制造过程采用三层共挤技有防火、防潮、免维护等优点，广泛应用布这种绝缘子广泛应用于变电站母线支术，确保绝缘层无缺陷最新的HVDC XLPE于商业建筑、地铁、医院等场所撑、断路器本体支撑等场合，是电力系统电缆已实现的电压等级，大幅提升±525kV中的基础绝缘部件了长距离输电能力高压试验方法概述工频耐压试验冲击耐压试验工频耐压试验是最基本的高压绝缘试验，采用交冲击耐压试验模拟雷击或操作过电压对设备的影响，主要50Hz/60Hz流电压对设备进行耐压检验包括雷电冲击和操作冲击两种试验方法雷电冲击波电压从零逐渐升高至试验电压的标准波形，上升时间，半峰值时间•30-50%•

1.2/50μs

1.2μs50μs•然后缓慢升至试验电压通常为额定值的

1.5-2倍•试验电压按设备绝缘配合水平确定在试验电压下维持规定时间一般为分钟通常进行次正极性和次负极性试验•1•1515缓慢降至零•操作冲击波判断标准试验过程中无击穿和闪络现象，无明显放电现标准波形•250/2500μs象，试验后绝缘性能无明显下降主要用于超高压、特高压设备测试•模拟系统操作和内部故障引起的过电压•局部放电测试方法及标准测试方法优点缺点适用场景电测法IEC60270灵敏度高，定量准确易受外界干扰实验室测试，出厂检验声学检测法定位准确，抗干扰能灵敏度较低GIS、变压器PD定位力强UHF法抗干扰，适合在线监难以精确定量GIS在线监测测光学检测法直观可见，无电磁干仅适用于可见部位空气绝缘设备表面放扰电化学法DGA可检测内部隐蔽放电无法实时监测油浸设备内部放电局部放电测试设备的基本配置包括高压电源、耦合装置如耦合电容器、滤波电路、测量阻抗、放大器、数据采集系统和分析软件现代测试系统通常集成了数字滤波、相位分析和三维图谱分析等功能，能够区分不同类型的放电源中国的局部放电测试主要执行GB/T7354标准，与IEC60270基本一致，但在具体设备测试要求上有所差异例如，国内对GIS的局部放电要求更为严格，额定电压252kV及以下设备的允许放电量为5pC，而IEC标准为10pC此外，中国还制定了特高压设备的局部放电测试标准，对1000kV设备有特殊要求绝缘电阻与介质损耗角测试绝缘系统的温升测试℃105A级绝缘允许温升常用于传统低压电机和小型变压器的绝缘系统最高运行温度℃155F级绝缘允许温升现代高压电机和变压器常用绝缘等级，具有更高的耐热性℃10-15温升过高造成的寿命缩短每超出额定温度10-15℃，绝缘寿命将缩短一半℃±2红外测温精度专业红外热像仪的温度测量精度，保证了热点检测的可靠性绝缘系统温升测试是评估设备安全性的重要手段现代测试主要采用红外热像技术进行非接触式测量，能够快速发现设备表面温度分布异常高端红外热像仪具有高分辨率热图像和先进的图像处理功能，能检测出微小温差，识别潜在故障点常见的温升超标原因包括接触电阻增大导致连接点过热；局部放电引起绝缘局部发热；铁芯局部短路导致涡流增加；绝缘通风冷却通道堵塞；负载过大超过设计容量等对于发现的热点，应结合设备类型、负载状况和环境条件进行综合分析，确定故障性质和严重程度，制定相应的处理措施绝缘失效分析方法故障现象识别收集外观、电气特性、运行记录等信息，初步判断故障类型包括断路器拒动、变压器跳闸、绝缘子闪络等各类现象的细节记录和分类电气测试进行绝缘电阻、介质损耗、回路电阻等标准测试，并与历史数据比较对油浸设备进行油色谱分析，识别特征气体成分和比例，判断故障类型内部检查拆解设备进行内部检查，观察绝缘损伤形态利用电子显微镜分析材料微观结构，检测碳化痕迹、树枝状放电通道等细微特征对破损部位进行成分分析，确定是否有污染物根本原因分析综合各项证据，判断失效根本原因设计缺陷、材料老化、制造质量、运行环境、操作失误或外力破坏等建立失效模式数据库，为预防类似故障提供依据高压电器的寿命与维护绝缘状态对设备寿命的影响状态监测技术预防性维护策略•绝缘老化是限制设备寿命的主要因素，一•在线监测实时监测部分放电、谐波、温•基于时间的维护按固定周期进行检修般遵循阿伦尼乌斯方程度等参数•基于状态的维护根据设备实际状况决定•热老化持续高温导致有机绝缘材料结构•红外热成像定期检测设备热异常点维护时机变化，每升高8-10℃，寿命减半•超声波探测检测内部机械松动和放电情•预测性维护利用数据分析预测故障，提•电老化长期电场作用下，树枝状电痕生况前干预长，最终导致击穿•油色谱分析监测油中溶解气体变化趋势•可靠性中心维护RCM结合多种策略，针•环境老化湿度、污染、紫外线等环境因•振动分析评估机械部件状态对不同部件采用最优方案素加速绝缘劣化•风险基础检修RBM根据设备重要性和风•机械应力振动、热胀冷缩导致绝缘机械险水平确定维护优先级疲劳和开裂高压电器用智能传感与监测新型智能传感器无线传感网络大数据分析与诊断现代高压设备状态监测采用多种先进传感无线传感网络克服了传统有线监测系统布线基于云平台的状态监测系统将多源异构数据器微机电系统MEMS加速度传感器用于振复杂、成本高的缺点采用ZigBee、LoRa等低集成分析，实现设备健康状态评估通过机动监测；光纤布拉格光栅传感器可同时测量功耗无线通信技术，结合能量收集技术如器学习算法识别设备运行模式和异常状态，温度和应变；罗氏线圈电流传感器实现非接太阳能、振动能，实现了传感器的自供电建立设备健康指数模型，预测剩余使用寿触电流测量；超声波局部放电传感器可捕捉运行网络采用星型或网状拓扑结构，具有命南方电网某500kV变电站应用此技术，成微弱放电信号这些传感器具有小型化、数自组织、自修复能力，即使部分节点失效也功提前一个月预警了一台断路器的机械故字化、低功耗等特点，适合在高电磁干扰环能保持系统稳定运行障，避免了可能的重大事故境中长期工作新型绝缘材料研究方向自愈型绝缘材料1能自动修复微小损伤，延长绝缘寿命纳米复合绝缘材料纳米填料显著提升材料电气和热学性能功能型绝缘材料具有传感、散热等多功能的智能材料基础绝缘材料改性传统材料通过改性提升性能纳米复合绝缘材料是当前研究热点，通过在聚合物基体中均匀分散纳米粒子如纳米SiO

2、Al2O

3、TiO2等，显著改善材料性能研究表明，添加1-5%的纳米氧化铝可使环氧树脂的击穿强度提高20-30%，抑制电树枝生长，提高表面耐电痕性这种纳米效应主要源于界面区的特殊性质，纳米粒子与聚合物分子间的相互作用改变了电荷输运路径自愈型绝缘材料通过引入微胶囊或超分子结构，在绝缘体损伤时能够自动释放修复剂填充裂纹，或通过可逆化学键重建分子结构中国科学院电工研究所开发的自愈合硅橡胶材料，在表面放电破坏后能够自主修复表面疏水性，显著延长了复合绝缘子的使用寿命同时，功能型绝缘材料如温度敏感型和场致变色材料，可实现绝缘与传感功能的一体化，为设备状态监测提供新途径环境友好型绝缘技术无卤素绝缘材料可回收绝缘方案传统含卤素氯、溴绝缘材料燃烧时采用模块化设计和可拆卸连接，提产生有毒气体和浓烟新型无卤素高设备报废后的材料回收率开发材料如磷氮系阻燃环氧树脂、聚烯热塑性复合材料替代热固性材料，烃等，燃烧时仅产生水和二氧化实现高压绝缘件的回收再利用，降碳，大幅降低火灾危害低废弃物填埋量低能耗生产工艺生物基绝缘材料采用常温固化环氧树脂，相比传统以植物油为基础的变压器绝缘油，高温固化工艺能耗降低利用超可生物降解性达以上大豆基环60%95%临界代替有机溶剂进行材料加氧树脂、纤维素纳米晶体等从可再CO2工，无污染物排放，过程更安全生资源中提取的材料，减少对石油资源的依赖高压电器未来发展趋势数字化转型传统设备与数字技术深度融合，实现全生命周期数字化智能自感知设备具备自诊断、自愈合和自适应能力小型化集成通过新材料和结构创新显著减小体积绿色环保无SF

6、低碳、可回收成为设计标准超特高压化更高电压等级设备持续突破全球高压电器研发正朝着数字化、智能化方向迅速发展ABB推出的数字化GIS可实现设备状态实时监控和预测性维护；西门子开发的自适应保护系统能根据电网状态自动调整保护参数；中国国家电网研发的基于物联网的智能断路器已在特高压工程中应用，实现了设备全寿命周期管理材料科学领域，美国能源部资助的新一代高温超导体研究已取得突破，有望在高压电力设备中应用；中国科学院开发的纳米气凝胶绝缘材料热导率极低，可显著提高设备绝缘性能；欧盟Horizon2020计划支持的环保型SF6替代气体研究也取得重要进展这些前沿技术将推动高压电器向更高效、更可靠、更环保的方向发展典型工程案例分析±1100kV特高压工程绝缘方案三峡工程GIS设备应用上海500kV电缆工程我国昌吉-古泉±1100kV特高压直流输电工程创造三峡水电站采用了当时世界最先进的550kV GIS上海500kV西郊-华新输电线路工程是国内最早了世界最高电压等级记录该工程输电线路采设备，安装在地下厂房内，对设备抗震性和可采用大截面XLPE电缆的超高压工程该项目电用了创新的绝缘设计复合绝缘子串长度达到靠性要求极高设备采用了特殊的SF6气体处理缆绝缘采用特殊配方的超纯XLPE材料，通过三12米，由多个大型子绝缘子组成；绝缘子表面系统，保证在极端温度变化条件下的绝缘性层共挤技术制造，绝缘厚度达28mm；电缆接头采用新型高疏水硅橡胶材料，在新疆沙尘环境能；断路器采用自激发自吹扫灭弧室，开断容采用预制式结构，内部填充特种环氧树脂，确中保持优异的抗污闪性能；同时开发了世界首量达63kA；所有绝缘支柱采用高纯度氧化铝陶保接头区域无气隙；为防止绝缘老化，整个电个1100kV特高压瓷柱绝缘子，高度达6米，采用瓷，确保在高湿度环境下长期稳定运行该系缆隧道配备了先进的强制冷却系统，保持恒温新型氧化锌微晶瓷材料，机械强度提高30%统投运20余年来，可靠性指标一直保持世界领环境该工程代表了中国超高压电缆技术的最先水平高水平事故案例与经验教训污秽闪络引发的大面积停电某省500kV输电线路因极端雾霾天气触发连锁闪络绝缘老化导致的变压器爆炸主变压器运行25年后因绝缘击穿引发火灾SF6设备内部凝露故障3气体水分超标引发GIS内部绝缘子损坏某省500kV输电线路在一次严重雾霾天气后发生多点同时闪络，导致系统振荡并引发大面积停电事故调查发现，该线路绝缘子长期运行在重污染区域，表面积累了大量工业污垢当雾气出现时，污垢吸湿形成导电层，降低了绝缘子的耐闪电压改进措施包括更换为复合绝缘子；增加绝缘子串数量提高爬电距离；安装在线监测系统及时预警；建立季节性清扫维护制度针对变压器爆炸事故，分析表明主要原因是绝缘纸老化程度严重超标，聚合度低于150，远低于安全值改进措施包括加强变压器油色谱分析频率；实施基于状态的维护策略；增加在线局部放电监测；对老旧设备制定更严格的检查标准SF6设备凝露故障后，改进了湿度检测方法，采用双重干燥系统，并在极端气候前增加特别巡检这些案例强调了预防性维护和状态监测对高压设备安全运行的重要性高压电器与绝缘材料的标准规范标准分类代表性标准主要内容国家标准GB/T GB/T11022高压开关设备通用技术要求行业标准DL/T DL/T402SF6断路器技术条件国际标准IEC IEC60071绝缘配合测试标准GB/T16927高电压试验技术材料标准GB/T1303绝缘材料电气强度试验方法高压电器设备的检测认证流程通常包括型式试验、例行试验和抽样试验三个环节型式试验是产品设计定型阶段的全面测试，包括温升试验、机械寿命试验、短路试验等，需要在国家认可的高压试验室进行；例行试验是生产过程中的出厂检验，包括绝缘试验、机械操作测试等；抽样试验则在批量生产后随机抽取样品进行检测中国在高压电器标准领域近年来取得重大进展，已成为IEC多个技术委员会的牵头国家特别在特高压设备领域，中国标准已走在世界前列，如±1100kV直流设备系列标准被多国采纳随着一带一路倡议推进，中国标准正加速国际化进程，与IEC标准协调一致性不断提高，为中国高压设备出口创造了有利条件行业前沿人工智能与高压设备计算机视觉在巡检中的应用无人机搭载高分辨率相机和红外传感器，结合深度学习算法，可自动识别绝缘子缺陷、导线异常和金具腐蚀等问题国网某省公司应用该技术后，巡检效率提高300%，异常识别准确率达95%以上，显著降低了人工巡检成本和安全风险基于大数据的故障预测系统通过对历史运行数据、环境数据和设备参数的多维分析，AI系统能够识别故障发展模式某500kV变电站应用该技术后，成功提前3个月预测出一台断路器的控制回路异常，避免了可能的重大事故系统还能根据负荷和气象预测，优化设备检修计划数字孪生技术应用为高压设备建立虚拟模型，实时映射物理设备状态，模拟不同工况下的设备响应这一技术已在多个特高压工程中应用，可进行设备寿命预测和健康指数评估，为资产管理决策提供科学依据数字孪生平台还支持新员工培训和事故演练智能决策支持系统整合设备监测、气象预警和负荷预测等数据，AI系统为运维人员提供决策建议在极端天气来临前，系统可自动评估设备风险，提出预防措施；设备发生异常时，提供故障诊断和处置方案该系统已在多个智能变电站试点，大幅提高了运维效率和决策质量课程核心知识点回顾高压电器基础知识开关设备原理与应用绝缘材料基本特性高压试验与测试技术设备维护与故障分析前沿技术与发展趋势结束与展望通过本课程的学习，我们系统掌握了高压电器的基本原理、结构特点和绝缘材料性能，建立了从理论到实践的系统认知高压电器与绝缘材料作为电力系统的核心组成部分，其可靠性直接影响着电力供应的安全稳定展望未来，高压电器技术将向数字化、智能化、小型化和环保化方向发展特高压技术将继续突破，支撑更大范围能源优化配置；绝缘材料研究将深入纳米尺度，开发具有自诊断、自修复等功能的新型材料；人工智能与大数据技术将革新设备运维模式，实现预测性维护能源转型背景下，高压电器面临新能源并网、柔性直流输电、储能系统集成等新挑战我们期待各位同学运用所学知识，在未来职业生涯中不断创新，为电力系统的安全可靠运行和技术进步贡献力量！。