高電壓技術(shù)第一章講義

1、緒 論高電壓技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展： 有關(guān)高電壓的幾個(gè)著名試驗(yàn) 1752年6月：富蘭克林&風(fēng)箏 1895年11月：倫琴&X射線 1919年：E.盧瑟福&元素的人工轉(zhuǎn)變（a射線轟擊氮原子）1945年威克斯勒爾和麥克米倫，電子回旋加速器等 1931年：范德格拉夫起電機(jī)（1000萬(wàn)伏）直到20世紀(jì)初高電壓技術(shù)才逐漸成為一個(gè)獨(dú)立的科學(xué)分支。當(dāng)時(shí)的高電壓技術(shù)，主要是為了解決高壓輸電中的絕緣問(wèn)題。因此，可以這樣說(shuō)高電壓與絕緣技術(shù)是隨著高電壓遠(yuǎn)距離輸電和高電壓設(shè)備的需要而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)電力科學(xué)技術(shù)。高電壓技術(shù)：電力系統(tǒng)中涉及過(guò)電壓、耐壓、絕緣等問(wèn)題的技術(shù)。如： 雷擊變電所、發(fā)電廠的過(guò)電壓及防護(hù)措施 絕緣材料的研制

2、 合閘分閘空載運(yùn)行以及短路引起的過(guò)電壓 電氣設(shè)備的耐壓試驗(yàn) 一、研究意義 研究意義：如何將電能大容量、遠(yuǎn)距離、低損耗地輸送，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，防止過(guò)電壓，提高耐壓水平，保持電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。 二研究?jī)?nèi)容： 1. 提高絕緣能力 電壓等級(jí)提高，需要相應(yīng)的高壓電氣設(shè)備，要對(duì)各類(lèi)絕緣電介質(zhì)的特性及其放電機(jī)理進(jìn)行研究，其中氣體放電機(jī)理是基礎(chǔ)。 電介質(zhì)理論研究介質(zhì)特性 放電過(guò)程研究放電機(jī)理 高電壓試驗(yàn)技術(shù)高壓產(chǎn)生、測(cè)量、檢驗(yàn)，分預(yù)防性和破壞性 2. 降低過(guò)電壓 雷擊或操作暫態(tài)過(guò)程產(chǎn)生高電壓 絕緣破壞故障 防止破壞恢復(fù) 研究過(guò)電壓的形成及防止措施 高電壓種類(lèi)：大氣過(guò)電壓 內(nèi)部過(guò)電壓操作過(guò)電壓，

3、暫時(shí)過(guò)電壓 3. 絕緣配合 使作用電壓的數(shù)值、保護(hù)電器的特性和絕緣的電氣特性之間相互協(xié)調(diào)以保證電氣裝置的可靠運(yùn)行與高度經(jīng)濟(jì)性。 三學(xué)習(xí)要求 與電工及物理的基礎(chǔ)理論，如電介質(zhì)理論、電磁場(chǎng)理論、電路中的瞬變理論相關(guān)。內(nèi)容涉及面廣，經(jīng)驗(yàn)公式多，文字?jǐn)⑹龆?，試?yàn)數(shù)據(jù)、圖表多，實(shí)踐性強(qiáng) 第一章 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗 1 1 電介質(zhì)的極化一、電介質(zhì)簡(jiǎn)介 定義：電介質(zhì)是指通常條件下導(dǎo)電性能極差的物質(zhì)，云母、變壓器油等都是介質(zhì). 電介質(zhì)中正負(fù)電荷束縛得很緊，內(nèi)部可自由移動(dòng)的電荷極少，因此導(dǎo)電性能差。 電介質(zhì)的作用：1、 使導(dǎo)體與其他不同電位導(dǎo)體隔離；2、 提供電容器儲(chǔ)能條件；3、 改善高電電場(chǎng)中的電位梯度

4、。電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下主要發(fā)生哪幾種物理現(xiàn)象？常用哪些參數(shù)表示其相應(yīng)的性能？電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下主要發(fā)生下列4種現(xiàn)象：極化、電導(dǎo)、損耗和擊穿。常用相對(duì)介電系數(shù)、電導(dǎo)率、介質(zhì)損耗角正切和擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度；分別表示其極化性能、導(dǎo)電性能、損耗性能和耐電性能。二電介質(zhì)極化的基本類(lèi)型 1 .電子位移極化（原子，分子）2. 離子位移極化（離子結(jié)構(gòu)的分子）3 .轉(zhuǎn)向極化（偶極子）.空間電荷極化（多層介質(zhì)的夾層極化） 1 電子位移極化：Ri-qOOE定義： 就是在外電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)粒子中電子與原子核之間產(chǎn)生相對(duì)位移而引起了感應(yīng)電矩。 特點(diǎn)：（）此種極化存在于一切電介質(zhì)中 （）完全彈性，不引起能量損耗，一旦外電場(chǎng)消

5、失，正負(fù)電荷作用中心立即重合，整體恢復(fù)中性。所以這種極化不產(chǎn)生能量損耗，不會(huì)使電介質(zhì)發(fā)熱（）是瞬時(shí)建立的（約14 15 ），即與外加電場(chǎng)的頻率無(wú)關(guān) （）單元粒子的極化電矩與溫度無(wú)關(guān)（熱運(yùn)動(dòng)不改變粒子半徑）；溫度可改變介質(zhì)密度，使介質(zhì)的電子位移極化率隨之變化。 圖11 電子位移極化原理圖2離子位移極化： 定義：固體化合物大多數(shù)屬離子式結(jié)構(gòu)，如云母、陶瓷等。無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，各個(gè)離子對(duì)的偶極矩互相抵消，平均偶極矩為零。出現(xiàn)外電場(chǎng)后正、負(fù)離子將發(fā)生方向相反的偏移，使平均偶極矩不再為零，介質(zhì)呈極化，這就是離子式極化或稱離子位移極化特點(diǎn)：（）該極化多存在于固態(tài)無(wú)機(jī)化合物中 （）電場(chǎng)消失，極化也消失，伴有微量的

6、能量損耗可忽略 （）極化過(guò)程也非?？?，（約13 ），所以與外加電場(chǎng)的頻率無(wú)關(guān) （）溫度上升，極化程度增加，故r有正的溫度系數(shù)。3轉(zhuǎn)向極化：UU電極電介質(zhì)E 圖12 轉(zhuǎn)向極化原理圖定義：極性介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，每個(gè)分子的固有偶極矩有轉(zhuǎn)向與電場(chǎng)平行的趨勢(shì)，受分子熱運(yùn)動(dòng)的干擾，在某種程度上達(dá)到平衡，對(duì)外呈現(xiàn)宏觀電矩。 特點(diǎn)：（）存在于偶極電介質(zhì)中，如：液體（水，乙醇），固體（纖維，滌綸） （）極化過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間（約06 02，很高時(shí)轉(zhuǎn)向不充分（跟不上電場(chǎng)的變化）極化率，即r也會(huì)下降。（）偶極分子的轉(zhuǎn)向需要消耗能量，故伴有能量損耗（電場(chǎng)能熱能） （）與溫度的關(guān)系過(guò)高或者過(guò)低時(shí)都會(huì)影響偶極子的極化。

7、1、低溫時(shí)，分子間吸附力強(qiáng)，轉(zhuǎn)向困難，轉(zhuǎn)向極化對(duì)極化總體極化貢獻(xiàn)??；升溫時(shí)，可以改變這一情況；2、溫度過(guò)高時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，干擾了分子定向排列，減弱了轉(zhuǎn)向極化。空間電荷極化（夾層極化）上述三種極化都是由于帶電質(zhì)點(diǎn)的彈性位移或轉(zhuǎn)向而形成的 定義：空間電荷極化是由自由電荷（通常為離子）在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)所形成的。在不均勻電介質(zhì)中或電介質(zhì)中有晶格缺陷時(shí)，電場(chǎng)的作用使帶電質(zhì)點(diǎn)在電介質(zhì)中移動(dòng)，可能被晶格缺陷俘獲或在兩層電介質(zhì)的界面上堆積，造成電荷在介質(zhì)空間中新的分布，從而產(chǎn)生電矩。 實(shí)際意義：高壓設(shè)備絕緣中往往采用不均勻介質(zhì)材料 或復(fù)合型電介質(zhì)其本質(zhì)可用夾層極化來(lái)說(shuō)明?，F(xiàn)以兩層電介質(zhì)模型為例 等效電路如

8、右圖：分析：（）在合閘瞬間，電流流過(guò)電容，電阻相當(dāng)于開(kāi)路 （）經(jīng)過(guò)一段時(shí)間達(dá)穩(wěn)態(tài)后，電流流過(guò)R、R,電容相當(dāng)于開(kāi)路 和分界面上堆積的電荷量為 圖13 兩層電介質(zhì)等效電路結(jié)論:夾層的存在將會(huì)造成電荷在夾層界面上的堆積和等值電容的增大，這就是夾層極化效應(yīng)。 特點(diǎn):（1）極化過(guò)程很緩慢（幾十秒幾分鐘幾小時(shí)） 夾層介質(zhì)界面上電荷的積累通過(guò)介質(zhì)電導(dǎo)完成，高壓絕緣介質(zhì)電導(dǎo)小所以極化慢。只在低頻下有意義。 （2）此種極化伴隨著能量損耗 （3）夾層極化效應(yīng)：電荷堆積、等值電容增大。 1 2電介質(zhì)的介電常數(shù)一、介電常數(shù)的物理意義（又稱為電容率） 定義：同一電容中用某一介質(zhì)為介電體，和真空中的電容的比值，表示該電

9、解質(zhì)在電場(chǎng)中存儲(chǔ)靜電能的相對(duì)能力。真空中的介電常數(shù):依次是表示為電位移矢量、真空中的介電常數(shù)、場(chǎng)強(qiáng)矢量、介質(zhì)極化強(qiáng)度。介質(zhì)中則為： r為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，是一個(gè)沒(méi)有量綱單位的數(shù)值。相對(duì)介電常數(shù)r 0二、氣體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)氣體介質(zhì)的密度很小，其極化率也就很小。r1。變化規(guī)律為隨溫度的上述減小，壓力的增大而增大。三、液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 中性液體介質(zhì)：相對(duì)介電常數(shù)不大，r=1.82.8；如石油、苯、四氯化碳等。極性液體介質(zhì)：具有較大的介電常數(shù)r=4102，如果作為電容器的浸漬劑，可增大電容比。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)向極化導(dǎo)致介質(zhì)在交變電場(chǎng)中能量損耗較大，故在高壓絕緣中較少采用。受頻率和溫度的影響比較大。

10、四、固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)分為中性固體介質(zhì)和極性固體介質(zhì)，中性固體介質(zhì)，基本上只有電子位移極化和離子位移極化兩種形式，其介電常數(shù)較小。極性固體介質(zhì)，由于分子具有極性，所以這類(lèi)介質(zhì)的介電常數(shù)與溫度和頻率的關(guān)系，類(lèi)似于極性的液體介質(zhì) 。影響r 的因素：極性介質(zhì)的r 受溫度、頻率影響較大 頻率影響：電場(chǎng)交變的頻率過(guò)高，偶極子將來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)，打亂了分子定向排列，最嚴(yán)重的情況是使得轉(zhuǎn)向極化對(duì)總體極化貢獻(xiàn)為0。溫度影響：1）、低溫時(shí)，分子間吸附力強(qiáng)，轉(zhuǎn)向困難，轉(zhuǎn)向極化對(duì)極化總體極化貢獻(xiàn)??；升溫時(shí)，可以改變這一情況；2）、溫度過(guò)高時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，干擾了分子定向排列，減弱了轉(zhuǎn)向極化。圖14 介電常數(shù)與頻率

11、關(guān)系曲線 圖15 介電常數(shù)與溫度關(guān)系曲線r 在工程實(shí)際上的意義 （）不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)r 大小的要求不同 （）在交流及沖擊電壓作用下，多層串聯(lián)介質(zhì)與r 成反比 相對(duì)介電系數(shù)在工程上的意義事例： 1、在電機(jī)、電氣的結(jié)構(gòu)中，由于不同絕緣材料的合用會(huì)影響到整個(gè)絕緣系統(tǒng)的電壓分布，小的絕緣材料承受較大電壓，大的絕緣材料承受的的電壓較小。因而在工程設(shè)計(jì)的時(shí)候，可選用適當(dāng)?shù)牡牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，使各種電介質(zhì)上的電壓分布與其耐電強(qiáng)度相配合。2、在電容器中，為了減小體積和重量，增大電容量，可選用大的電介質(zhì)，如氯化聯(lián)苯代替石油制成的電容器油，在同樣體積的情況下，可使得電容量增大。而在電纜中，為了防止產(chǎn)生過(guò)大的電容電流，則

12、需要選用較小的的電介質(zhì)。3、電介質(zhì)受潮或臟污后，其將會(huì)增大，對(duì)溫度及頻率的變化呈一定的規(guī)律，工程上利用這些規(guī)律來(lái)判斷材料的受潮或臟污程度，從而決定是否投運(yùn)。13電介質(zhì)的電導(dǎo)電導(dǎo)：反映電介質(zhì)導(dǎo)電強(qiáng)弱的物理量 。任何電介質(zhì)都不同程度地具有一定的導(dǎo)電性。金屬不是電介質(zhì)，它的電導(dǎo)是由金屬原子中的自由電子定向移動(dòng)造成的。按載流子的不同，電介質(zhì)的電導(dǎo)可分為離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)兩種，前者以離子為載流子，后者以自由電子為載流子。在正常情況下，電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是離子電導(dǎo)，這是與金屬電導(dǎo)的本質(zhì)區(qū)別。一、 氣體電介質(zhì)電導(dǎo) 無(wú)電場(chǎng)時(shí)：由于因素產(chǎn)生一定量的電子和離子，但是出于平衡中。有電場(chǎng)存在： ：紫外線造成氣體介質(zhì)中保

13、持500-1000對(duì)/cm3,這些離子在不斷增強(qiáng)的電場(chǎng)的作用下，越來(lái)越多地參與到定向移動(dòng)中來(lái)。（電子遷移率）：所有外因離子都參與到定向移動(dòng)，電場(chǎng)增加，電流取向飽和，此時(shí)，電導(dǎo)還很小。：當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)E2時(shí)，電流迅速增加，此時(shí)，電導(dǎo)變大，場(chǎng)強(qiáng)也隨之增加。：當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)E3時(shí)，氣隙被擊穿。 氣體介質(zhì)的電導(dǎo)載流子是：電離出的自由電子、正離子、負(fù)離子二、液體電介質(zhì)電導(dǎo) 1、中性液體：由雜質(zhì)離子和荷電粒子（電泳電導(dǎo)）的定向移動(dòng)形成電導(dǎo)。 （注釋?zhuān)弘娪倦妼?dǎo)，其載流子為帶電的分子團(tuán)，通常是乳化狀態(tài)的膠體粒子或小水珠，它們吸附電荷后變成了帶電粒子。）2、極性液體：除了上面兩種因素外，還有自身分子的分解，因此，其電導(dǎo)

14、率較大。3、影響因素 與溫度的關(guān)系：具有正的溫度系數(shù)（注釋?zhuān)簻囟壬邥r(shí)，分子離解度增大、液體粘度減小，所以液體介質(zhì)中的離子數(shù)增多、遷移率增大，可見(jiàn)其電導(dǎo)將隨溫度的上升而急劇增大。）與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系：極純凈液體介質(zhì)其電導(dǎo)與氣體介質(zhì)類(lèi)似；工業(yè)用液體介質(zhì)的電導(dǎo)隨電場(chǎng)強(qiáng)度變化如圖三、固體介質(zhì)的電導(dǎo) 具有中性分子的固體介質(zhì)的電導(dǎo)主要是由雜質(zhì)離子引起的，只有當(dāng)溫度較高時(shí)，中性分子本身才可能發(fā)生分解，產(chǎn)生自由離子，形成電導(dǎo)。 具有離子結(jié)構(gòu)的固體介質(zhì)的電導(dǎo)主要是由離子在熱運(yùn)動(dòng)影響下脫離晶格而移動(dòng)產(chǎn)生的，當(dāng)然雜質(zhì)在離子式結(jié)構(gòu)的固體介質(zhì)中也是造成電導(dǎo)的原因之一。在相同溫度下雜質(zhì)離子更容易脫離原位而發(fā)生遷移了。 影響

15、因素：溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、雜質(zhì)有關(guān)。14電介質(zhì)中的損耗一定義 在交流電壓作用下，電介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生電導(dǎo)電流和位移電流，電介質(zhì)的部分電能將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽@部分能量損耗稱為介質(zhì)的損耗。 對(duì)于恒定電場(chǎng)即直流來(lái)說(shuō)，不存在什么困難。正弦交變電場(chǎng)有兩種情況1、當(dāng)電場(chǎng)的交變速度遠(yuǎn)低于極化建立的速度。介質(zhì)的極化強(qiáng)度P和交變電場(chǎng)強(qiáng)度E幾乎是同相位，此時(shí)介電常數(shù)為一常數(shù)。2、當(dāng)電場(chǎng)的交變速度快于極化建立的速度時(shí)，電通量密度D就滯后于電場(chǎng)強(qiáng)度E一個(gè)相位角角度。此時(shí)介電常數(shù)為一復(fù)數(shù)。表示為在此情況下可以得到電場(chǎng)E和電流密度J的矢量關(guān)系為純電容電流密度（為真空和無(wú)損極化電流密度；有損極化電流的無(wú)功部分）為有功電流密度（為泄露電導(dǎo)

16、所引起的的電流密度；有損極化電流的有功部分）二分析 電介質(zhì)等效電路如右圖。簡(jiǎn)化為在并聯(lián)電路則有： 單位體積介質(zhì)中的損耗功率可用下列表達(dá)式表示對(duì)于含有均勻介質(zhì)的平板電容器，總損耗功率為： 可見(jiàn)，在其他各值給定的情況下，取決于介質(zhì)的 tg。 可用交流電橋測(cè)出 tg、等參數(shù)。 tg能量損耗大絕緣電阻判斷絕緣材料有受潮、劣化、氣泡現(xiàn)象 三、氣體介質(zhì)中的損耗氣體介質(zhì)的極化率是很小的，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)很小時(shí)，電導(dǎo)很小，故氣體介質(zhì)的中的損耗也很小，工程中忽略不計(jì)。四、液體介質(zhì)中的損耗中性液體介質(zhì)極化中主要是電子位移極化和離子位移極化，為無(wú)損耗極化。其損耗主要是漏導(dǎo)所決定的，其受溫度和場(chǎng)強(qiáng)的影響的變化關(guān)系，如圖1-4-

17、4,1-4-5。極性液體介質(zhì)極化中主要是電導(dǎo)式損耗和電偶式損耗兩個(gè)部分，和溫度與場(chǎng)強(qiáng)有極為密切的聯(lián)系。圖1-4-6,1-4-7（是比值關(guān)系不是絕對(duì)數(shù)值）。很好的反應(yīng)了兩者與損耗的關(guān)系。五、固體介質(zhì)中的損耗極性固體介質(zhì)中的損耗和溫度、頻率關(guān)系和液體類(lèi)似關(guān)系；需要指出的是在高頻率下（）損耗隨著頻率的增大而增大，且快于頻率增長(zhǎng)，這點(diǎn)已有的極化理論尚不能解釋。六、討論介質(zhì)損耗的意義 1、根據(jù)的變化可以判斷電氣設(shè)備的絕緣品質(zhì)。對(duì)于均勻介質(zhì)，它能夠反映介質(zhì)內(nèi)部電能損耗的大??；對(duì)于受潮或含雜質(zhì)的劣化介質(zhì)，的變化可反映出受潮和雜質(zhì)量的變化。 2、工程上要求電氣設(shè)備的越小越好，尤其是在高頻率下使用的絕緣材料，如果過(guò)大的話內(nèi)部發(fā)熱比較嚴(yán)重，導(dǎo)致絕緣老化甚至擊穿，降低設(shè)備的使用壽命。3、在微波加熱、微波理療等部門(mén)，廣泛利用電介質(zhì)在高頻電場(chǎng)中由于很大，因而發(fā)熱量大的原理進(jìn)行加熱烘干和殺菌消毒。因?yàn)檫@種熱量是由電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的，所以這種加熱方法迅速均勻，能深入導(dǎo)電介質(zhì)的里層。4、用于沖擊測(cè)量的連接電纜，其必須要小，否則沖擊電壓波在傳播中會(huì)發(fā)生畸變，影響測(cè)量。什么叫電介質(zhì)的疲勞、老化、擊穿？其間的相互關(guān)系如何？ 如同承受機(jī)械負(fù)荷時(shí)各種材料會(huì)有疲勞、折斷等現(xiàn)象一樣，電