高電壓絕緣及實(shí)驗(yàn)

1、North China Electric Power University高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)謝紅玲謝紅玲高壓教研室高壓教研室緒緒 論論 一內(nèi)容與范疇內(nèi)容與范疇高電壓技術(shù)主要研究高電壓（強(qiáng)電場）下的各種電氣物理問題。它起源于20世紀(jì)初期，由于大功率、遠(yuǎn)距離輸電而發(fā)展、形成的一門獨(dú)立學(xué)科，屬于現(xiàn)代物理學(xué)中電學(xué)的一個分支。 學(xué)習(xí)目的：正確處理系統(tǒng)中過電壓與絕緣的問題。二高電壓技術(shù)的研究對象二高電壓技術(shù)的研究對象 1.電氣設(shè)備的絕緣電氣設(shè)備的絕緣： 絕緣試驗(yàn)（固、液、氣體）在電場作用下的電氣物理性能和擊穿的理論、規(guī)律。高壓試驗(yàn)判斷、監(jiān)視絕緣質(zhì)量的主要試驗(yàn)方法。2.電力系統(tǒng)的過電壓：電力系統(tǒng)的過電壓：

2、過電壓及其防護(hù)過電壓的成因與限制措施。三三中國電力系統(tǒng)電壓等級的劃分與分類中國電力系統(tǒng)電壓等級的劃分與分類交流系統(tǒng)交流系統(tǒng) 高壓（HV）：1KV220KV， 包括：10KV，35KV，110KV，220KV 超高壓（EHV）：3301000KV， 包括：330KV，500KV，750KV 特高壓（UHV）：1000KV及以上直流系統(tǒng)直流系統(tǒng) 超高壓（EHV）： 500KV 特高壓（UHV）： 800KV四高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用四高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用1醫(yī)學(xué)上：利用高壓脈沖體外碎石、治療癌癥；2農(nóng)業(yè)：高壓靜電噴藥，高電場誘發(fā)變異在育種上的應(yīng)用；3環(huán)保：高壓脈沖放電處理污水，電除塵技術(shù)；4

3、軍事上：大功率脈沖技術(shù)，電磁干擾、電子對抗；5其它工業(yè)：靜電噴涂，高壓設(shè)備制造等。五五課程相關(guān)信息課程相關(guān)信息 參考書：參考書：u 高電壓絕緣技術(shù)，中國電力，嚴(yán)璋，朱德恒u 電網(wǎng)過電壓教程，中國電力，陳維賢u 高電壓試驗(yàn)技術(shù)，清華，張仁豫u 高電壓技術(shù)，中國電力，趙智大 考試： 20%（作業(yè)+實(shí)驗(yàn)）+80%（閉卷筆試） 答疑安排：u 時間：周四下午3:00-5:00u 地點(diǎn)：教三樓一樓104室第一篇第一篇 高電壓絕緣及實(shí)驗(yàn)高電壓絕緣及實(shí)驗(yàn)第一章第一章 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗第二章第二章 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程第三章第三章 氣隙的電氣強(qiáng)度氣隙的電氣強(qiáng)度第四

4、章第四章 固體液體和組合絕緣的電氣強(qiáng)度固體液體和組合絕緣的電氣強(qiáng)度第一章第一章 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗第一節(jié) 電介質(zhì)的極化第二節(jié) 電介質(zhì)的介電常數(shù)第三節(jié) 電介質(zhì)的電導(dǎo)第四節(jié) 電介質(zhì)中的能量損耗1. 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗 電介質(zhì)有氣體、固體、液體三種形態(tài)，電介質(zhì)在電氣設(shè)備中是作為絕緣材料使用的。一切電介質(zhì)在電場的作用下都會出現(xiàn)極化、電導(dǎo)和損耗等電氣物理現(xiàn)象。電介質(zhì)的電氣特性分別用以下幾個參數(shù)來表示：即介電常數(shù)r，電導(dǎo)率（或其倒數(shù)電阻率），介質(zhì)損耗角正切tg,擊穿場強(qiáng) E，它們分別反映了電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)、損耗、抗電性能。絕緣的作用：絕緣的作用

5、： 絕緣的作用是將電位不等的導(dǎo)體分隔開，使其沒有電絕緣的作用是將電位不等的導(dǎo)體分隔開，使其沒有電氣的聯(lián)系且能保持不同的電位氣的聯(lián)系且能保持不同的電位，又稱為電介質(zhì)又稱為電介質(zhì).分類：分類： 氣體絕緣材料：空氣，SF6氣體等 固體絕緣材料：陶瓷，橡膠，玻璃，絕緣紙等 液體絕緣材料：變壓器油 混合絕緣：電纜，變壓器等設(shè)備1.0 1.0 電力系統(tǒng)的絕緣材料電力系統(tǒng)的絕緣材料 定義：定義：電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的束縛電荷的彈電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的束縛電荷的彈 性位移和偶極子的轉(zhuǎn)向位移現(xiàn)象，稱為性位移和偶極子的轉(zhuǎn)向位移現(xiàn)象，稱為電電 介質(zhì)的極化。介質(zhì)的極化。 效果：效果：消弱外電場，使電介質(zhì)的等值電容

6、增大。消弱外電場，使電介質(zhì)的等值電容增大。 物理量：物理量：介電常數(shù)介電常數(shù) 類型：類型：電子位移極化； 離子位移極化； 轉(zhuǎn)向極 化； 空間電荷極化。1.1 1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化 一、一、 電子位移極化電子位移極化 一切電介質(zhì)都是由分子組成，分子又是由原子組成，每個原子都是由帶正電荷的原子核和圍繞核帶負(fù)電荷的電子云構(gòu)成。 當(dāng)不存在外電場時，電子云的中心與原子核重合，此時電矩為零當(dāng)外加一電場，在電場力的作用下發(fā)生電子位移極化當(dāng)外電場消失時，原于核對電子云的引力又使二者重合，感應(yīng)電矩也隨之消失。 電場中的所有電介質(zhì)內(nèi)都存在電子位移極化。qRRi-qOOE圖圖1-1 1-1 電子位移極化

7、電子位移極化二、離子位移極化二、離子位移極化 在由離子結(jié)合成的電介質(zhì)內(nèi)，外電場的作用除促使各個離子內(nèi)部產(chǎn)生電子位移極化外還產(chǎn)生正、負(fù)離子相對位移而形成的極化，稱為離子位移極化離子位移極化。圖l-2表示氯化鈉晶體的離子位移極化。 三、轉(zhuǎn)向極化三、轉(zhuǎn)向極化 在極性電介質(zhì)中，即使沒有外加電場，由于分子中正、負(fù)電荷的作用中心不重合。就單個分子而言，就已具有偶極矩，稱為固有偶極矩。但由于分子不規(guī)則的熱運(yùn)動，使各分子偶極矩方向的排列沒有秩序，因此，從宏觀而言，對外并不呈現(xiàn)電矩。 當(dāng)有外電場時，由于電場力的作用，每個分子的固有偶極矩就有轉(zhuǎn)向與外電場平行的趨勢，其排列呈現(xiàn)行一定的秩序。但是受分子熱運(yùn)動的干擾，

8、這種轉(zhuǎn)向有秩序的排列。UU電極電介質(zhì)E圖l-3 偶極子的轉(zhuǎn)向極化 四、空間電荷極化四、空間電荷極化 圖1-4 雙層電介質(zhì)的夾層極化 G1G2 C1C2U上述的三種極化是帶電質(zhì)點(diǎn)的彈性位移或轉(zhuǎn)向形成的，而空間電荷極化的機(jī)理則與上述三種完全不同，它是由帶電質(zhì)點(diǎn)(電子或正、負(fù)離子)的移動形成的。 最明顯的空間電荷極化是夾夾層極化層極化。在實(shí)際的電氣設(shè)備中，有不少多層電介質(zhì)的例子，如電纜、電容器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器、互感器、電抗器的繞組絕緣等，都是由多層電介質(zhì)組成的。 如圖l-4所示，各層介質(zhì)的電容分別為C1和C2；各層介質(zhì)的電導(dǎo)分別為G1和G2；直流電源電壓為U。 為了說明的簡便，全部參數(shù)均只標(biāo)數(shù)值，

9、略去單位。 設(shè)C1=1，C22，G1=2，G2=1， U3。 當(dāng)U作用在AB兩端極扳上時，其瞬時電容上的電荷和電位分布，如圖1-5(a)所示整個介質(zhì)的等值電容為 。 到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，電容上的電荷和電位分布如圖l-5(b)所示。整個介質(zhì)的等值電容為 。 分界面上堆積的電荷量為+4-1+3。32UQCeq34 UQCeq 圖1-5 雙層電介質(zhì)的電荷與電位分布（a）暫態(tài)分布 （b）穩(wěn)態(tài)分布 特特 點(diǎn)點(diǎn) 夾層的存在將會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)。 夾層界面上電荷的堆積是通過介質(zhì)電導(dǎo)G完成的。高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)通常都是很小的，所以，這種極化過程將是很緩慢的。它的形成時間從幾

10、十分之一秒到幾分鐘甚至有長達(dá)幾小時的。因此，這種性質(zhì)的極化只有在直流和低頻交流電壓下才能表現(xiàn)出來。 該極化伴隨著能量損耗。 大電容設(shè)備進(jìn)行高壓實(shí)驗(yàn)后應(yīng)對設(shè)備絕緣進(jìn)行較長時間放電。 電介質(zhì)極化種類及比較電介質(zhì)極化種類及比較極化類型極化類型產(chǎn)生場合產(chǎn)生場合所需時間所需時間能量能量損耗損耗產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因電子式極化任何電介質(zhì)10-1410-15S無束縛電子運(yùn)行軌道偏移離子式極化離子式結(jié)構(gòu)電介質(zhì)10-1210-13S幾乎沒有離子的相對偏移偶極子極化極性電介質(zhì)10-1010-2S有偶極子的定向排列夾層極化多層介質(zhì)的交界面10-1S數(shù)小時有自由電荷的移動1.2 電介質(zhì)的介電常數(shù)電介質(zhì)的介電常數(shù)一一. 介電

11、常數(shù)的物理意義介電常數(shù)的物理意義1. 在真空中，有關(guān)系式 式子中 E場強(qiáng)矢量 ； D電位移矢量，即電通量密度矢量 ， D與E同向，比例常數(shù) 為真空中的介電常數(shù)ED0mV2mC0mF1299010854. 810941109880. 8412. 在介質(zhì)中, D與E同向， 為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，它是沒有量綱和單位的純數(shù)。3.介質(zhì)的介電常數(shù) 通常， ， 的量綱和單位與 相同。EDr0rr00二、氣體介質(zhì)的相對介電常數(shù)二、氣體介質(zhì)的相對介電常數(shù) 一切氣體的相對介電常數(shù) 都接近于1。 任何氣體的相對介電常數(shù)均隨溫度的升高而減小，隨壓力的增大而增大，但影響都很小。r三、液體介質(zhì)的相對介電常數(shù)三、液體介質(zhì)的

12、相對介電常數(shù) 1中性液體電介質(zhì)中性液體電介質(zhì) ：石油、苯、四氯化碳、硅油等均為 中性或弱極性液體介質(zhì)其介電常數(shù)不大，其值在1.82.8范圍內(nèi)。 2極性液體介質(zhì)：極性液體介質(zhì)： (1)這類介質(zhì)通常介電常數(shù)都較大。但這類介質(zhì)的缺點(diǎn)是在交變電場中的介質(zhì)損較大，在高壓絕緣中很少應(yīng)用。 (2)影響極性液體介質(zhì)介電常數(shù)的主要因素： a. 介電常數(shù)與溫度的關(guān)系； b. 介電常數(shù)與電場頻率 f 的關(guān)系。四、固體電介質(zhì)的介電常數(shù)四、固體電介質(zhì)的介電常數(shù)1. 中性或弱極性固體電介質(zhì)中性或弱極性固體電介質(zhì)：只具有電子式極化和離子式極化，其介電常數(shù)較小。介電常數(shù)與溫度之間的關(guān)系也與介質(zhì)密度與溫度的關(guān)系很接近。2. 極

13、性固體電介質(zhì)：極性固體電介質(zhì)：介電常數(shù)都較大，一般為36，甚至更大。這類電介質(zhì)的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系類似極性液體所呈現(xiàn)的規(guī)律1.3電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)與金屬的電導(dǎo)有本質(zhì)上的區(qū)別。一一. 表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的物理量表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的物理量電導(dǎo)率 （or：電阻率 ） 電導(dǎo)形式電導(dǎo)形式電導(dǎo)率電導(dǎo)率金屬導(dǎo)體 （自由電子）電子電導(dǎo)電子電導(dǎo) 很大 氣體 液體 固體自由電子、正離子、負(fù)離子雜質(zhì)電導(dǎo)、自身離解 離子離子雜質(zhì)、離子 電導(dǎo)電導(dǎo) 很小， 很大 1rr二、影響介質(zhì)電導(dǎo)的因素二、影響介質(zhì)電導(dǎo)的因素(1) 溫度溫度 式中 A、B常數(shù)； T絕對溫度 ； 電導(dǎo)率。 溫度升高時，液體介質(zhì)的黏度

14、降低，離子受電場力作用而移動時所受的阻力減小，離子的遷移率增大，使電導(dǎo)增大；另一方面，溫度升高時，液體介質(zhì)分子熱離解度增加，這也使電導(dǎo)增大。 在測量電介質(zhì)的電導(dǎo)或絕緣電阻時，必須注意記錄溫度溫度。(2)電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度E TBAe(3) 雜質(zhì)：雜質(zhì)：（考慮對固體介質(zhì)的影響）固體介質(zhì)除了體積電導(dǎo)體積電導(dǎo)以外，還存在著表面電導(dǎo)表面電導(dǎo)表面電導(dǎo)表面電導(dǎo)是由于介質(zhì)表面吸附一些水分、塵埃、或?qū)щ娦缘幕瘜W(xué)沉淀物而形成的，其中水分起著特別重要的作用。 一般中性介質(zhì)的表面電導(dǎo)最小，極性介質(zhì)次之，離子性介質(zhì)最大。采取使介質(zhì)表面洗凈、光潔、烘干、或表面涂以石蠟、絕緣漆、有機(jī)硅等措施，可以降低介質(zhì)表面電導(dǎo)。1.4

15、電介質(zhì)中的能量損耗電介質(zhì)中的能量損耗一一.電介質(zhì)損耗的基本概念電介質(zhì)損耗的基本概念1. 在電場的作用下，電介質(zhì)由于電導(dǎo)引起的損耗和有損極化（如偶極子極化、夾層極化等）引起的損耗，總稱為電介質(zhì)的損耗。2. 等值電路(1) 細(xì)化等效電路細(xì)化等效電路（從物理概念出發(fā)） 泄漏電阻，代表電導(dǎo)損耗。 介質(zhì)真空和無損耗極化所形成的電容，代表介質(zhì)的無損極化。 有損耗極化形成的等效電阻. 代表各種 有損耗極化形成的等效電容. 有損耗極化 lkRgCpRpC(2)計算用等效電路計算用等效電路（或簡化等效電路簡化等效電路）（從工程實(shí)際測量出發(fā)）2221)(11PPPPkeqRCRCRG2)(1PPPgeqRCCCC(3) 相量圖相量圖 介質(zhì)損耗角 功率因數(shù)角crJJtg 介質(zhì)損耗角介質(zhì)損耗角 為功率因數(shù)角 的余角，其正切 tg 又可稱為