高电压与绝缘技术浅析
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摘要
随着我国经济与科技的双重发展，电力系统相关产业也在不断蓬勃壮大，电力企业的增多使得高电压输电与绝缘技术的研发、应用、推广越来越成为人们所关注的焦点。大部分的电气设备都需要直接裸露于空气中进行作业，但同时这对设备的外绝缘技术要求更高。电力事业的进一步发展需要电力研究在高电压与绝缘技术方面有着突破性的进展与创新。本文简要介绍了高电压与绝缘技术概况与部分应用，分析了当前此领域存在的一些问题，通过对其应用领域及发展现状、趋势的阐述，为高电压与绝缘技术的进步提供参考。
引言
在高电压绝缘技术形成的初期阶段，由于绝缘技术只能对相关的电气、电力系统起到“静止和消极”等作用，故未被人们广泛重视。但随着19世纪中期高电压、大容量的电力系统的不断发展，以及全球对于高温、高频、激光、航天等技术领域的不断拓展，电气产品也面临着新的挑战。在这样的背景下，绝缘技术的重要性得以彰显。20世纪初，高电压与绝缘技术逐渐成为一门独立的学科，经过一段时间的发展，其已成为电工相关学科的重要组成部分之一。然而尽管我国对于高电压及绝缘技术已有了较长时间的研究，甚至基本已推广全国，但高电压与绝缘技术仍有许多亟需突破之处。我们要充分认识到高电压与绝缘技术的复杂性、重要性、实用性及其发展现状，并通过不断地学习、摸索和研究，努力突破在使用方面的局限性与弊端，充分发挥它的价值。[1]
1． 定义与概述
高电压与绝缘技术是电气工程的二级学科之一，主要研究方向以设备绝缘状态为基础，涉及气体放电、等离子、局放、闪络等多个方向。研究在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象、高电压设备的绝缘结构设计、高电压试验和测量的设备及方法、电力系统的过电压、高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压、大电流的应用等。高电压技术对电力工业、电工制造业以及近代物理的发展都有重大影响。[2]
高电压绝缘技术基本定义为：通过建立可靠合理的绝缘系统实现电气、电力系统的绝缘功能。宏观上而言，高电压绝缘技术所涉及到的技术面是极其广泛的，它可划分为绝缘系统设计、绝缘材料的选择与改进、绝缘测试技 术三大模块，每一模块又可进一步划分，如绝缘测试技术囊括常规性能测试、环境影响测试、试验方法研究等等。而只要是电气设备上所有暴露在大气中需要绝缘的部分， 都可归属于外绝缘技术的范畴、包括室内设备的户内外绝缘、户外设备的户外绝缘等等。
高电压是个相对的概念,是针对某种极端条件下的电磁现象而言,并不意味着在电压数值上具有某一确定的划分界限。它的存在完全依赖于电介质及其系统,因此高电压和绝缘是一个不可分割的整体。高电压和绝缘技术的基本任务是研究高电压的获得和高电压(电场)下电介质及其系统的行为和应用。
高电压与绝缘技术学科领域研究高电压的产生，在高电压下绝缘介质及其系统的特性，电气设备及绝缘，电气系统过电压及其限制措施，高电压试验技术，电磁环境及电磁污染防护，以及高电压在技术的应用等。
其主要内容可分为四部分：各类电介质在高电场下的特性，电气设备绝缘试验技术，电力系统过电压与绝缘配合，高电压技术在各个领域的应用等。
2． 高电压与绝缘技术优点
(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。[3]
3． 发展现状
过去高电压绝缘技术常使用的材料是电工陶瓷，因为电工陶瓷具有较好的电气性能，并且自带的环境稳定性较好，机械性能也较强。然而电器陶瓷也有其弱点——易碎，且抗冲击能力较差、拉伸强度比较低。同时，电工陶瓷的亲水性也给电工陶瓷绝缘技术带来了很多麻烦。但是随着科学技术的发展与工业技术的进步，业内已经生产出了更多更优质的替代品。尤其是创新出来的新型的复合绝缘技术，能够集某些有机材料的优良性能于一身，现在国内经常使用的有乙丙橡胶、脂环族环氧树脂、硅橡胶、聚四氟乙烯等。在国外，有些国家采用聚烯烃、丁基橡胶或者聚合物混凝土等材料。其中，聚四氟乙烯的功能几乎是最好的，因为相比较而言它的环境稳定性和电气性能最好。硅橡胶的耐老化性较好，电气性能也较强，虽然它的机械性能差，为但是经过改良后，其机械性能可得到一定增强。硅橡胶之所以能在高电压绝缘领域得到广泛使用，是因它的憎水性的迁移性，这是其他材料没有且不可比拟的。所谓硅橡胶憎水性的迁移性，是指即使硅橡胶的表面被污染了，但是它可以把自己的憎水性传给污秽物质，并且硅橡胶仍然能够继续保持它的憎水性，而且使得粘附在其表面的污秽物也具有憎水性，这是硅橡胶所独有的特点，其因此也成为了现代高电压绝缘主要应用材料之一。
有机绝缘材料从第一代棒形悬式合成绝缘子开始,就具有重量轻、体积小的优点,随着有机外绝缘产品更为广泛的应用,其性能也在不断地优化中。重量轻这一优点对于生产安装来说具有十分重要的意义,尤其对野外输电线路工程的作用更为明显。[4]
绝缘技术是以绝缘体和按一定耍求组成的绝缘系统为基本研究对象,它与高电压技术共同构成了高电压的理论和技术基础。高电压和绝缘技术的研究,30多年来在各工业发达国家发展十分迅速,从事高电压和绝缘技术研究的机构从60年代开始在世界各国相继建立,德、法、苏、瑞(典)、日、加、美等都建立了大型的高压实验研究基地。实验和研究人员也相应有所增加。
4． 主要问题
高电压与绝缘技术当下所面临的主要问题有两部分——户外设备绝缘与室内设备绝缘。
（1）户外设备的外绝缘相较于室内设备的外绝缘而言，其运行条件上要更加得复杂、多样，其面临的问题也更多。因此，在绝缘技术的研究上，对户外设备的外绝缘研究始终是高电压外绝缘技术的研究主体。对户外绝缘所面临的问题进行详细地分析，有如下几点：第一，在雷雨天气下，由于雷击所造成的雷电过电压问题；第二，因电力系统故障操作，而引发的操作过电压问题；第三，在下雨天气下，高电压设备在工作电压下的雨闪问题；第四，因清晨露水凝于电气设备表面，而造成电气设备在工作电压下的露闪问题；第五，因电气设备长期处于户外作业下，其表面存在着大量的污垢，而一旦遇到潮湿气象在工作电压下势必会出现污闪问题；第六，电气设备的本身结构力在大风、覆冰、地震的拉、压、弯、扭下出现的机械负荷问题；第七，高电压绝缘材料在长期运行下，其逐渐变得老化、劣化。
（2）室内设备的外绝缘因受到房屋的保护，工作环境没有那么复杂，不会出现雷击、雨闪等问题。所以，室内设备的外绝缘问题也相对较少，常见的问题多为露闪问题、污闪问题、操作过电压问题、设备本身结构力问题。[5]
5． 发展趋势
随着有机外绝缘技术的快速发展，相应地绝缘产品也得到了大量应用，当前的发展局面已经打破了电工陶瓷的绝缘垄断地位，在绝缘技术中形成了一条由有机外绝缘技术的学科分支，而且随着发展步伐的加快，在国际相关领域专家已经提出了有机外绝缘的概念，受到了世界范围内的关注。在电力工程应用的陶瓷产品中都存在有机材料，甚至为了应用还制造出了电力工程陶瓷所没有的产品。随着电力工程的发展，有机外绝缘产品的使用量在逐渐加大。当前有机材料在绝缘技术中的成功应用就是棒形悬式合成绝缘子，到目前为止已经有数百万条这种产品在电力工程中被应用，取得的效果是有目共睹的。到二十世纪七十年代末八十年到初，相关人士在吸取一定经验的基础上，使我国的合成绝缘子技术得到了突飞猛进的发展，已经基本达到了国际领先水平。电力工程自从使用了这种绝缘技术也得到了很大发展，人们对高电压外绝缘技术有了更加深入的认识，其使用量也在不断增多，应用范围也越来越广。进而到二十世纪九十年代，一些其他种类的绝缘技术开始发展，但是合成绝缘子技术仍然占主体地位。[6]
显然，未来有机外绝缘技术的发展将是不可限量的，在市场中的地位也会越来越高。通过事实证明该项技术产品的使用量越来越大，不仅能促进整个电力工程外绝缘技术的发展，同时也能够保证我国电力事业的安全稳定运行。[7]
在超高压系统，有机外绝缘产品的价格已经接近甚至低于传统的电瓷产品。有机外绝缘产品的使用量已经越来越大，电力系统已经接受了有机外绝缘类的新产品。因此，在未来的超高压系统及特高压系统，有机外绝缘将占据十分重要甚至主要的地位与市场。有机外绝缘产品的大量应用不仅会对电力系统外绝缘水平产生重要影响，而且对整个电力系统的绝缘水平也会产生影响。
6． 展望
20世纪以来，随着低能耗产品、低碳工业及新能源产业等一些列环保工业发展战略目标的提出，整个电力产业的发展模式也朝着可持续发展模式不断迈进，整个绝缘技术的设计理念也因此产生了一定的革新。以大型高压交流电机外绝缘技术为例，随着真空压力浸无溶剂聚酯浸渍树脂第一代电机系统的淘汰，现代大型高压交流电机外绝缘技术主要有两条技术线路，且都取得了一定的进展。他们分别是以美国西屋公司为代表的利用环氧少胶粉云母的连续式绝缘技术，以及美国通用电气公司和法国Isotenax5为代表的利用环氧多胶粉云母进行真空模压固化的连续式绝缘技术。现阶段我国的大型高压交流电机中，两种绝缘技术线路均有采用，分别在低煤耗的超超临界大电机组和核电24kV百万千瓦级汽轮发电机中得到了广泛的应用。随着科学技术的不断发展，大型高压电机电动机H级绝缘系统设计将有望在未来二十年里变为现实。[1]
7． 感想
自第二次工业革命以来，电始终是科技发展的主旋律，而需求总随发展进步，越来越大的用电量要求着高电压下输电的安全与效率。高电压与绝缘技术这门学科便应运而生。对于这门学科，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。[3]对比往日，高电压输电给我们带来了太多的便利，这也正是我们对更高技术层次追求的原因与动力。然而，众多问题的存在与研究水平的不足仍旧困扰着我们，为此，我们仍需不断追求高电压与绝缘技术的创新和突破，扩大其应用领域的广度和深度。高电压与绝缘技术的进步不只是“电”的进步，而是人类科技，乃至全人类的进步。
结论
简而言之，高电压外绝缘技术的发展实际上就是研发出能够在较高温度和较高电场下等恶劣环境下正常运行的绝缘系统，但这其中面临的困难也是显而易见的，无论是成本和绝缘效果的平衡，还是环保型材料与能源消耗型材料的竞争，都值得相关的研究人员进一步深思。[1]同时，以硅橡胶为代表的有机材料在高电压外绝缘领域的大量成功应用，打破了电工陶瓷在高压外绝缘领域的长期垄断局面，使得电力系统的各种外绝缘产品拥有了全新的性能。有机外绝缘在中国的发展大大提高了电力系统的污秽绝缘水平，也成为中国特高压外绝缘发展的方向。总体而言，我国的高电压外绝缘技术仍是向着低能源消耗和可持续发展等方向不断迈进，我们亦有理由相信，我国的高电压外绝缘技术亦会随着科学技术的发展取得新的突破，为社会主义现代化建设增添浓墨重彩的一笔。
参考文献：
[1]解统彪.高电压外绝缘技术发展趋势[J]电子讯息，2015，03（上）：135~136
[2]盛道伟，朱长青.对高电压绝缘技术的认识及研究[J]能源·电力，2014,09：67~68
[3]王幽林，李正淑.高电压和绝缘技术中的几个基础问题[S]1991,02
[4]王静,周金.浅析高电压与绝缘技术的新发展[J]科技资讯，2014，NO.30：4
[5]张健，李瑞.浅析高电压与绝缘技术的新发展[J]电力科技，2013，第34期：151
[6]陈明俊.浅析高电压与绝缘技术的新发展[J]广东科技，2011,07（14）：228~229
[7]王鑫.浅析高电压与绝缘技术的新发展[N]科技创新报，2015，NO.20：64
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/a0b4f7c86c85ec3a86c2c54e.html
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