高电压绝缘及实验

1、North China Electric Power University高电压技术高电压技术谢红玲谢红玲高压教研室高压教研室绪绪 论论 一内容与范畴内容与范畴高电压技术主要研究高电压（强电场）下的各种电气物理问题。它起源于20世纪初期，由于大功率、远距离输电而发展、形成的一门独立学科，属于现代物理学中电学的一个分支。 学习目的：正确处理系统中过电压与绝缘的问题。二高电压技术的研究对象二高电压技术的研究对象 1.电气设备的绝缘电气设备的绝缘： 绝缘试验（固、液、气体）在电场作用下的电气物理性能和击穿的理论、规律。高压试验判断、监视绝缘质量的主要试验方法。2.电力系统的过电压：电力系统的过电压：

2、过电压及其防护过电压的成因与限制措施。三三中国电力系统电压等级的划分与分类中国电力系统电压等级的划分与分类交流系统交流系统 高压（HV）：1KV220KV， 包括：10KV，35KV，110KV，220KV 超高压（EHV）：3301000KV， 包括：330KV，500KV，750KV 特高压（UHV）：1000KV及以上直流系统直流系统 超高压（EHV）： 500KV 特高压（UHV）： 800KV四高电压技术在其它领域的应用四高电压技术在其它领域的应用1医学上：利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症；2农业：高压静电喷药，高电场诱发变异在育种上的应用；3环保：高压脉冲放电处理污水，电除尘技术；4

3、军事上：大功率脉冲技术，电磁干扰、电子对抗；5其它工业：静电喷涂，高压设备制造等。五五课程相关信息课程相关信息 参考书：参考书：u 高电压绝缘技术，中国电力，严璋，朱德恒u 电网过电压教程，中国电力，陈维贤u 高电压试验技术，清华，张仁豫u 高电压技术，中国电力，赵智大 考试： 20%（作业+实验）+80%（闭卷笔试） 答疑安排：u 时间：周四下午3:00-5:00u 地点：教三楼一楼104室第一篇第一篇 高电压绝缘及实验高电压绝缘及实验第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章 气隙的电气强度气隙的电气强度第四

4、章第四章 固体液体和组合绝缘的电气强度固体液体和组合绝缘的电气强度第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗第一节 电介质的极化第二节 电介质的介电常数第三节 电介质的电导第四节 电介质中的能量损耗1. 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗 电介质有气体、固体、液体三种形态，电介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的。一切电介质在电场的作用下都会出现极化、电导和损耗等电气物理现象。电介质的电气特性分别用以下几个参数来表示：即介电常数r，电导率（或其倒数电阻率），介质损耗角正切tg,击穿场强 E，它们分别反映了电介质的极化、电导、损耗、抗电性能。绝缘的作用：绝缘的作用

5、： 绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使其没有电绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使其没有电气的联系且能保持不同的电位气的联系且能保持不同的电位，又称为电介质又称为电介质.分类：分类： 气体绝缘材料：空气，SF6气体等 固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等 液体绝缘材料：变压器油 混合绝缘：电缆，变压器等设备1.0 1.0 电力系统的绝缘材料电力系统的绝缘材料 定义：定义：电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹 性位移和偶极子的转向位移现象，称为性位移和偶极子的转向位移现象，称为电电 介质的极化。介质的极化。 效果：效果：消弱外电场，使电介质的等值电容

6、增大。消弱外电场，使电介质的等值电容增大。 物理量：物理量：介电常数介电常数 类型：类型：电子位移极化； 离子位移极化； 转向极 化； 空间电荷极化。1.1 1.1 电介质的极化电介质的极化 一、一、 电子位移极化电子位移极化 一切电介质都是由分子组成，分子又是由原子组成，每个原子都是由带正电荷的原子核和围绕核带负电荷的电子云构成。 当不存在外电场时，电子云的中心与原子核重合，此时电矩为零当外加一电场，在电场力的作用下发生电子位移极化当外电场消失时，原于核对电子云的引力又使二者重合，感应电矩也随之消失。 电场中的所有电介质内都存在电子位移极化。qRRi-qOOE图图1-1 1-1 电子位移极化

7、电子位移极化二、离子位移极化二、离子位移极化 在由离子结合成的电介质内，外电场的作用除促使各个离子内部产生电子位移极化外还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化离子位移极化。图l-2表示氯化钠晶体的离子位移极化。 三、转向极化三、转向极化 在极性电介质中，即使没有外加电场，由于分子中正、负电荷的作用中心不重合。就单个分子而言，就已具有偶极矩，称为固有偶极矩。但由于分子不规则的热运动，使各分子偶极矩方向的排列没有秩序，因此，从宏观而言，对外并不呈现电矩。 当有外电场时，由于电场力的作用，每个分子的固有偶极矩就有转向与外电场平行的趋势，其排列呈现行一定的秩序。但是受分子热运动的干扰，

8、这种转向有秩序的排列。UU电极电介质E图l-3 偶极子的转向极化 四、空间电荷极化四、空间电荷极化 图1-4 双层电介质的夹层极化 G1G2 C1C2U上述的三种极化是带电质点的弹性位移或转向形成的，而空间电荷极化的机理则与上述三种完全不同，它是由带电质点(电子或正、负离子)的移动形成的。 最明显的空间电荷极化是夹夹层极化层极化。在实际的电气设备中，有不少多层电介质的例子，如电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器的绕组绝缘等，都是由多层电介质组成的。 如图l-4所示，各层介质的电容分别为C1和C2；各层介质的电导分别为G1和G2；直流电源电压为U。 为了说明的简便，全部参数均只标数值，

9、略去单位。 设C1=1，C22，G1=2，G2=1， U3。 当U作用在AB两端极扳上时，其瞬时电容上的电荷和电位分布，如图1-5(a)所示整个介质的等值电容为 。 到达稳态时，电容上的电荷和电位分布如图l-5(b)所示。整个介质的等值电容为 。 分界面上堆积的电荷量为+4-1+3。32UQCeq34 UQCeq 图1-5 双层电介质的电荷与电位分布（a）暂态分布 （b）稳态分布 特特 点点 夹层的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值电容的增大这就是夹层极化效应。 夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的。高压绝缘介质的电导通常都是很小的，所以，这种极化过程将是很缓慢的。它的形成时间从几

10、十分之一秒到几分钟甚至有长达几小时的。因此，这种性质的极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。 该极化伴随着能量损耗。 大电容设备进行高压实验后应对设备绝缘进行较长时间放电。 电介质极化种类及比较电介质极化种类及比较极化类型极化类型产生场合产生场合所需时间所需时间能量能量损耗损耗产生原因产生原因电子式极化任何电介质10-1410-15S无束缚电子运行轨道偏移离子式极化离子式结构电介质10-1210-13S几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质10-1010-2S有偶极子的定向排列夹层极化多层介质的交界面10-1S数小时有自由电荷的移动1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数一一. 介电

11、常数的物理意义介电常数的物理意义1. 在真空中，有关系式 式子中 E场强矢量 ； D电位移矢量，即电通量密度矢量 ， D与E同向，比例常数 为真空中的介电常数ED0mV2mC0mF1299010854. 810941109880. 8412. 在介质中, D与E同向， 为介质的相对介电常数，它是没有量纲和单位的纯数。3.介质的介电常数 通常， ， 的量纲和单位与 相同。EDr0rr00二、气体介质的相对介电常数二、气体介质的相对介电常数 一切气体的相对介电常数 都接近于1。 任何气体的相对介电常数均随温度的升高而减小，随压力的增大而增大，但影响都很小。r三、液体介质的相对介电常数三、液体介质的

12、相对介电常数 1中性液体电介质中性液体电介质 ：石油、苯、四氯化碳、硅油等均为 中性或弱极性液体介质其介电常数不大，其值在1.82.8范围内。 2极性液体介质：极性液体介质： (1)这类介质通常介电常数都较大。但这类介质的缺点是在交变电场中的介质损较大，在高压绝缘中很少应用。 (2)影响极性液体介质介电常数的主要因素： a. 介电常数与温度的关系； b. 介电常数与电场频率 f 的关系。四、固体电介质的介电常数四、固体电介质的介电常数1. 中性或弱极性固体电介质中性或弱极性固体电介质：只具有电子式极化和离子式极化，其介电常数较小。介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近。2. 极

13、性固体电介质：极性固体电介质：介电常数都较大，一般为36，甚至更大。这类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体所呈现的规律1.3电介质的电导电介质的电导电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。一一. 表征电介质导电性能的物理量表征电介质导电性能的物理量电导率 （or：电阻率 ） 电导形式电导形式电导率电导率金属导体 （自由电子）电子电导电子电导 很大 气体 液体 固体自由电子、正离子、负离子杂质电导、自身离解 离子离子杂质、离子 电导电导 很小， 很大 1rr二、影响介质电导的因素二、影响介质电导的因素(1) 温度温度 式中 A、B常数； T绝对温度 ； 电导率。 温度升高时，液体介质的黏度

14、降低，离子受电场力作用而移动时所受的阻力减小，离子的迁移率增大，使电导增大；另一方面，温度升高时，液体介质分子热离解度增加，这也使电导增大。 在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须注意记录温度温度。(2)电场强度电场强度E TBAe(3) 杂质：杂质：（考虑对固体介质的影响）固体介质除了体积电导体积电导以外，还存在着表面电导表面电导表面电导表面电导是由于介质表面吸附一些水分、尘埃、或导电性的化学沉淀物而形成的，其中水分起着特别重要的作用。 一般中性介质的表面电导最小，极性介质次之，离子性介质最大。采取使介质表面洗净、光洁、烘干、或表面涂以石蜡、绝缘漆、有机硅等措施，可以降低介质表面电导。1.4

15、电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗一一.电介质损耗的基本概念电介质损耗的基本概念1. 在电场的作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化（如偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，总称为电介质的损耗。2. 等值电路(1) 细化等效电路细化等效电路（从物理概念出发） 泄漏电阻，代表电导损耗。 介质真空和无损耗极化所形成的电容，代表介质的无损极化。 有损耗极化形成的等效电阻. 代表各种 有损耗极化形成的等效电容. 有损耗极化 lkRgCpRpC(2)计算用等效电路计算用等效电路（或简化等效电路简化等效电路）（从工程实际测量出发）2221)(11PPPPkeqRCRCRG2)(1PPPgeqRCCCC(3) 相量图相量图 介质损耗角 功率因数角crJJtg 介质损耗角介质损耗角 为功率因数角 的余角，其正切 tg 又可称为