1.1 电介质的极化和电导

1、高压电气试验高压电气试验 理实一体课程理实一体课程 本课程的教学标准本课程的教学标准 学期授课计划学期授课计划 1 1、研究对象、研究对象 （1 1）绝缘又称为）绝缘又称为电介质电介质，分，分气体气体、液体液体和和固体固体三类。三类。 它的作用是将不同电位的导体分开；绝缘在运行中要承受各它的作用是将不同电位的导体分开；绝缘在运行中要承受各 种电压的作用，电压较低时会发生种电压的作用，电压较低时会发生极化极化、电导电导和和损耗损耗现象，现象， 电压超出临界值时会发生电压超出临界值时会发生击穿击穿现象。现象。 一、本课程研究的对象及特点一、本课程研究的对象及特点 绝缘技术；绝缘的试验技术及设备；绝

2、缘技术；绝缘的试验技术及设备； 模块一模块一 绝缘电阻测量绝缘电阻测量 情境一情境一 电介质的极化和电导电介质的极化和电导 （1 1）抽象性、多学科性、边缘性、不完善性；）抽象性、多学科性、边缘性、不完善性； 2、本课程的特点、本课程的特点 （2 2）实践性、危险性、工程性；）实践性、危险性、工程性； （2 2）研究击穿特性需要做高压试验，涉及到试验电源、测）研究击穿特性需要做高压试验，涉及到试验电源、测 量仪器、手段方法（在线、离线、智能化）等。量仪器、手段方法（在线、离线、智能化）等。 在设计、生产、试验、运行时要研究各种电介质在电压下在设计、生产、试验、运行时要研究各种电介质在电压下 的

3、电气物理性能，特别是在高压下的击穿特性。的电气物理性能，特别是在高压下的击穿特性。 (1) (1) 装机容量、发电量迅速增长装机容量、发电量迅速增长 建国后到建国后到1960年，装机容量突破年，装机容量突破1000万万kW，居世界第，居世界第9 位；位；1987年突破年突破1亿亿kW，居世界第，居世界第4位；位；1996年装机容量年装机容量 达到达到2.37亿亿kW，跃居世界第，跃居世界第2位，实现了全国电力供需基位，实现了全国电力供需基 本平衡；本平衡；2000年突破年突破3亿亿kW，仍居世界第，仍居世界第2位；位；2004年，年， 总装机容量达到总装机容量达到4.4亿亿KW，居世界第，居世

4、界第1位；位；2010年，总装年，总装 机容量达到机容量达到9亿亿KW。 二、本次课程主要内容（二、本次课程主要内容（9个方面）个方面） 1 1、我国电力发展的概况、我国电力发展的概况 (2) (2) 用电量迅速增长用电量迅速增长 2004年全国用电量是年全国用电量是1981年的年的7.08倍，其间用电量年均倍，其间用电量年均 增长增长8.88，20002004年用电量年均增长年用电量年均增长12。根据。根据 预测，预测，20042020年我国用电需求仍将保持较高的增长年我国用电需求仍将保持较高的增长 率，率，20052010年年均用电增长率在年年均用电增长率在6以上，预计以上，预计 2011

5、2020年年均用电增长率年年均用电增长率5。 (3) (3) 电网的建设有较大发展电网的建设有较大发展 建国后，建国后，1952年建设了年建设了110kV输电线路，逐渐形成京津唐输电线路，逐渐形成京津唐 110kV输电网；输电网； 1954年建成丰满李石寨年建成丰满李石寨220kV输电线，逐渐形成东北电输电线，逐渐形成东北电 网网220kV骨干网架；骨干网架； 1972年建成年建成330kV刘家峡关中输电线路，以后逐渐形成刘家峡关中输电线路，以后逐渐形成 西北电网西北电网330kV骨干网架；骨干网架； 1981年建成年建成500kV姚孟武昌输电线路，姚孟武昌输电线路，1983年又建成葛年又建成

6、葛 洲坝武昌和葛洲坝双河两回洲坝武昌和葛洲坝双河两回500kV线路，开始形成华线路，开始形成华 中电网中电网500kV骨干网架。骨干网架。1989年建成年建成500kV葛洲坝上葛洲坝上 海超高压直流输电线路，实现了华中华东两大区的直流海超高压直流输电线路，实现了华中华东两大区的直流 联网。联网。 我国上世纪我国上世纪80年代开始了更高电压等级的论证、研究、试年代开始了更高电压等级的论证、研究、试 验等，并于验等，并于2005年年9月在西北网建成投产了月在西北网建成投产了750kV输电线路输电线路 （官亭兰州）。（官亭兰州）。 2009年年1月，我国电压等级最高的月，我国电压等级最高的1000k

7、V特高压输电线路特高压输电线路 开始试运行（晋东南开始试运行（晋东南-南阳南阳-荆门）。荆门）。 800KV云云广特高压直流输电工程广特高压直流输电工程2009年投产。年投产。 电力发展为何需要越来越高的电压？电力发展为何需要越来越高的电压？ 理论上输电线路的输电能力与输电电压的平方成正比，电理论上输电线路的输电能力与输电电压的平方成正比，电 压提高压提高1倍，输送功率将提高倍，输送功率将提高4倍；倍； 大容量输电的需求：大容量输电的需求：高效率的大型、特大型发电机组的建高效率的大型、特大型发电机组的建 造投运，以其为基础建设的特大容量规模发电基地，需要造投运，以其为基础建设的特大容量规模发电

8、基地，需要 更高电压的输电网。更高电压的输电网。 资源配置要求：资源中心在西部，能源负荷中心在东部，资源配置要求：资源中心在西部，能源负荷中心在东部， 特高压输电实现更大范围的资源优化配置。特高压输电实现更大范围的资源优化配置。 2 2、高压的分类、高压的分类 输电电压一般分输电电压一般分高压高压、超高压超高压和和特高压特高压。 国际上，高压（国际上，高压（HV）通常指）通常指35220kV的电压；的电压； 超高压（超高压（EHV）通常指）通常指330kV及以上、及以上、750kV及及以下电压；以下电压； 特高压（特高压（UHV）指）指1000kV及以上的电压。及以上的电压。 高压直流（高压直

9、流（HVDC）通常指的是）通常指的是600kV及以下的直流及以下的直流 输电电压；输电电压； 600kV以上的电压称为特高压直流（以上的电压称为特高压直流（UHVDC）。）。 前苏联前苏联1150kV输电线于输电线于19851985年建成两段，到年建成两段，到1992年经过了年经过了 6年的商业运行考验；年的商业运行考验； 日本于上世纪日本于上世纪80年代建设东西和南北两条年代建设东西和南北两条1000V输电主干线，输电主干线， 将位于东太平洋沿岸的福岛核电站和柏崎核电站的电力输送将位于东太平洋沿岸的福岛核电站和柏崎核电站的电力输送 到东京。这两条线目前降压至到东京。这两条线目前降压至500k

10、V运行。运行。 液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。 常用的常用的：变压器油、电容器油、电缆油变压器油、电容器油、电缆油 常用的常用的：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、 硅橡胶等硅橡胶等 3、电介质的种类和应用、电介质的种类和应用 按状态分按状态分气体气体、液体液体和和固体固体三类三类 气体介质广泛用作电气设备的外绝缘；气体介质广泛用作电气设备的外绝缘； 4、电介质的极化和介电常数、电介质的极化和介电常数 （1）极化定义）极化定义 电介质在电场作用下，其束缚电荷相应电介质在电场作用下，其束缚电荷相应 于电场

11、方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。 （2）介电常数）介电常数 表示极化强弱程度的一个物理量。表示极化强弱程度的一个物理量。 以真空平板电容器为例分析：以真空平板电容器为例分析： 极化前：极化前： d A U Q C 00 0 极化后：极化后： d A U QQ U Q C 0 000 0 0 / / dA dA Q QQ C C r 引入相对介电常数表示引入相对介电常数表示 各种介质与真空的比较：各种介质与真空的比较： 是反映电介质极化特性的一个物理量。是反映电介质极化特性的一个物理量。 r 气体气体 接近于接近于1 1，因密度小、极化率低；

12、液体和固体多在，因密度小、极化率低；液体和固体多在 2 26 6之间。之间。 用于电容器的绝缘材料，希望选用用于电容器的绝缘材料，希望选用 大的介质，可使单位大的介质，可使单位 电容的体积和重量减小。电容的体积和重量减小。 其他电气设备中总是选其他电气设备中总是选 较小的介质，因介质损耗较小。较小的介质，因介质损耗较小。 采用采用 较小绝缘材料可减小电缆的充电电流、提高套管的较小绝缘材料可减小电缆的充电电流、提高套管的 沿面放电电压等。沿面放电电压等。 采用组合绝缘时应注意采用组合绝缘时应注意各种材料各种材料 值之间的配合，在值之间的配合，在交流交流 电压下，串联多层介质的场强分布与电压下，串

13、联多层介质的场强分布与介质的介质的 成反比。成反比。 r r r r r r 5、极化的种类、极化的种类 （1）无损极化：）无损极化： 电子式和离子式电子式和离子式 电子式极化电子式极化特点：特点：极化时间很短；极化时间很短； 各种频率下均可发生，各种频率下均可发生， 与外加频率无关；与外加频率无关； 具有弹性，无损耗；具有弹性，无损耗； 温度影响不大。温度影响不大。 特点：特点：极化时间稍长；极化时间稍长； 与频率无关；与频率无关； 弹性极化，无损；弹性极化，无损； r具具正的温度系数；正的温度系数； 温度较低时，温度较低时，TT分子间作用力分子间作用力转向容易转向容易极化极化； 偶极子极化

14、偶极子极化 （2）有损极化：）有损极化： 偶极子和夹层极化偶极子和夹层极化 特点：特点： 极化时间较长；极化时间较长； 有能耗；有能耗； 频率对极化有影响；频率对极化有影响； 夹层极化夹层极化 1 2 0 2 1 C C U U t 合闸瞬间：合闸瞬间： 温度较高时温度较高时热运动加剧热运动加剧 阻碍转向阻碍转向极化极化 非弹性极化；非弹性极化； 一般介质不均匀，初始与稳一般介质不均匀，初始与稳 态值不同，于是两层介质上态值不同，于是两层介质上 有一电压重新分配过程，亦有一电压重新分配过程，亦 即即C C1 1、C C2 2上电荷重新分配，上电荷重新分配， 在此过程中，分界面上将集在此过程中，

15、分界面上将集 聚起多余的电荷，从而对外聚起多余的电荷，从而对外 显出极性来。显出极性来。 1 2 2 1 2 1 G G R R U U t ： 等值电容增大；夹层界面堆积电荷产生极性。等值电容增大；夹层界面堆积电荷产生极性。 极化特点：极化特点： 与分子结构无关；与分子结构无关； 极化时间长（极化时间长（R很大时）；很大时）； 有能耗；有能耗； 稳定后：稳定后： 各种极化类型的比较各种极化类型的比较 极化类型极化类型产生场合产生场合极化时间极化时间(s)(s)极化原因极化原因能量损耗能量损耗 电子式电子式任何电介质任何电介质1010-15 -15 束缚电荷的位移束缚电荷的位移无无 离子式离子

16、式 离子式结构电离子式结构电 介质介质 1010-13 -13 离子的相对偏移离子的相对偏移几乎无几乎无 偶极子式偶极子式极性电介质极性电介质1010-10 -10 1010-2 -2 偶极子的定向排列偶极子的定向排列有有 夹层介质夹层介质 界面界面 多层介质多层介质 交界面交界面 1010-1 -1数小时 数小时自由电荷的移动自由电荷的移动有有 空间电荷空间电荷电极附近电极附近 6、电导的概念及分类、电导的概念及分类 电介质电导分为电介质电导分为离子电导离子电导、电子电导电子电导等等，主要表现为主要表现为前者。前者。 （1）概念：）概念：表征电介质导电性能的物理量，其倒数称为表征电介质导电性

17、能的物理量，其倒数称为 电阻；又电阻；又常用常用电导率电导率衡量，其倒数为衡量，其倒数为电阻率电阻率。 （2）电导的分类：）电导的分类： 电子电导：电子电导：一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；一般很微弱，因为介质中自由电子数极少； 如果电子电流较大，则介质已被击穿。如果电子电流较大，则介质已被击穿。 离子电导：离子电导： 本征离子电导：本征离子电导：极性电介质本身离解所呈现的电导；极性电介质本身离解所呈现的电导； 杂质离子电导：杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离 解呈现的电导。解呈现的电导。 电泳电导：电泳电导：载流子为带电的分子团，通常

18、是乳化态的胶体载流子为带电的分子团，通常是乳化态的胶体 粒子（如绝缘油中悬浮胶粒或细小水珠）吸附电荷变成了粒子（如绝缘油中悬浮胶粒或细小水珠）吸附电荷变成了 带电粒子。带电粒子。 表面电导：表面电导： 对固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在对固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导表面电导，受，受 外界因素的影响很大。所以，在测量外界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻体积电阻时，应尽时，应尽 量排除表面电导的影响，清除表面污秽、烘干水分、在测量排除表面电导的影响，清除表面污秽、烘干水分、在测 量电极上采取一定的措施。量电极上采取一定的措施。 7、绝缘电阻和吸收现象、绝缘电阻和吸收现象 电

19、介质的电阻通常称为绝缘电阻。对于绝缘材料，人们关电介质的电阻通常称为绝缘电阻。对于绝缘材料，人们关 注的多是其绝缘性能，而绝缘电阻的高低在一定程度上反注的多是其绝缘性能，而绝缘电阻的高低在一定程度上反 映了绝缘性能的好坏，所以对绝缘材料，我们常讨论其绝映了绝缘性能的好坏，所以对绝缘材料，我们常讨论其绝 缘电阻，这是与对导体我们常关注其电导不同的。缘电阻，这是与对导体我们常关注其电导不同的。 （2）流过电介质的电流及吸收现象：）流过电介质的电流及吸收现象： （1）绝缘电阻的一般概念：）绝缘电阻的一般概念： i=i1+i2+Ig 以施加直流为例，流以施加直流为例，流 过介质内部的电流：过介质内部的

20、电流： i1充电电流充电电流：无损极化对应的纯电容电流，又：无损极化对应的纯电容电流，又称快极化称快极化 电流电流； Ig电导电导：介质中少量离子或电子移动形成的电流，即：介质中少量离子或电子移动形成的电流，即 俗称的俗称的电流电流。 i2：为有损极化对应的电流：为有损极化对应的电流(主要为主要为夹层极化夹层极化)， 又称又称慢极化电流慢极化电流； 根据内部物理根据内部物理 过程，总电流过程，总电流 i可分解为三部可分解为三部 分：分： 与此稳定电流值的比值，即与此稳定电流值的比值，即 g I U R 而在施加直流电压一段时间后，电介质中的电流逐渐减小，而在施加直流电压一段时间后，电介质中的电

21、流逐渐减小， 像是被像是被“吸收吸收”掉了一样的现象，就是常说的掉了一样的现象，就是常说的“吸收现象吸收现象”。 1、吸收现象的本质是什么？对电介质的绝缘电、吸收现象的本质是什么？对电介质的绝缘电 阻有何影响？阻有何影响？ 8、影响电介质电导的因素、影响电介质电导的因素 （1）电压（电场强度）：）电压（电场强度）： 电导电流随电压增大而增大电导电流随电压增大而增大 （2）杂质：）杂质： 杂质是液体介质中带电质点的重要来源。杂质是液体介质中带电质点的重要来源。 中性液体离子主要来源于杂质分子的离解；中性液体离子主要来源于杂质分子的离解； 极性液体除杂质外本身分子也易离解，所以同等条件下，极性液体除杂质外本身分子也易离解，所以同等条件下， 其电导率比中性液体要大。其电导率比中性液体要大。 液体介质：液体介质： 固体介质：固体介质： 杂质也是固体电介质体积电导的重要来源，杂质也是固体电介质体积电导的重要来源， 杂质含量增大时，体积电导会明显增大。杂质含量增大时，体积电导会明显增大。 固体、液体介质的电导率与温度固体、液体介质的电导率与温度T 的关系：的关系： 式中：式中：A、B 为与介质有关的常数。为与介质有关的常数。T为绝对温度，单位为为绝对温度，单位为 K。该式表明。该式表明, , 介质