高電壓技術(shù)1課件

NorthChinaElectricPowerUniversity高電壓技術(shù)課程相關(guān)信息參考書：

《高電壓絕緣技術(shù)》，中國(guó)電力，嚴(yán)璋，朱德恒

《電網(wǎng)過電壓教程》，中國(guó)電力，陳維賢

《高電壓試驗(yàn)技術(shù)》，清華，張仁豫

《高電壓技術(shù)》，中國(guó)電力，趙智大

考試：

20%（作業(yè)10%

+實(shí)驗(yàn)10%

）+80%（閉卷筆試）

課程學(xué)時(shí)安排：講課32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)

答疑安排：時(shí)間：周四下午3:00-5:00

地點(diǎn)：教三樓一樓104室緒論

一．內(nèi)容與范疇《高電壓技術(shù)》主要研究高電壓（強(qiáng)電場(chǎng)）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(gè)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(duì)象

1.電氣設(shè)備的絕緣：

①絕緣試驗(yàn)（固、液、氣體）——在電場(chǎng)作用下的電氣物理性能和擊穿的理論、規(guī)律。②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：③過電壓及其防護(hù)——過電壓的成因與限制措施。三．中國(guó)電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的劃分與分類交流系統(tǒng)高壓（HV）：10KV～220KV，

包括：10KV，35KV，110KV，220KV

超高壓（EHV）：330～750KV，

包括：330KV，500KV，750KV

特高壓（UHV）：1000KV及以上直流系統(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(chǎng)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．軍事上：大功率脈沖技術(shù)，電磁干擾、電子對(duì)抗；5．其它工業(yè)：靜電噴涂，高壓設(shè)備制造等。第一篇高電壓絕緣及實(shí)驗(yàn)第一章電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗第二章氣體放電的物理過程第三章氣隙的電氣強(qiáng)度第四章固體液體和組合絕緣的電氣強(qiáng)度第一章電介質(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)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(chǎng)的作用下都會(huì)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(gè)參數(shù)來表示，即（1）介電常數(shù)εr——極化性能；（2）電導(dǎo)率γ（或其倒數(shù)：電阻率ρ）——導(dǎo)電性能；（3）介質(zhì)損耗角正切tgδ——損耗性能；（4）擊穿場(chǎng)強(qiáng)E——抗電性能。絕緣的作用：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)系并能保持不同的電位。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電力系統(tǒng)的絕緣材料定義：電介質(zhì)在電場(chǎng)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，稱為電介質(zhì)的極化。效果：消弱外電場(chǎng)，使電介質(zhì)的等值電容增大。物理量：介電常數(shù)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電介質(zhì)的極化

一、電子位移極化電介質(zhì)分子原子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(chǎng)時(shí)，電子云的中心與原子核重合，此時(shí)感應(yīng)電矩為零．當(dāng)外加一電場(chǎng)，在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生電子位移極化．當(dāng)外電場(chǎng)消失時(shí)，原子核對(duì)電子云的引力又使二者重合，感應(yīng)電矩也隨之消失。電場(chǎng)中的所有電介質(zhì)內(nèi)都存在電子位移極化。qRRi-qO’OE圖1-1電子位移極化二、離子位移極化在由離子結(jié)合成的電介質(zhì)內(nèi)，外電場(chǎng)的作用除促使各個(gè)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(duì)位移而形成的極化，稱為離子位移極化。圖l-1-2表示氯化鈉晶體的離子位移極化。

三、轉(zhuǎn)向極化

在極性電介質(zhì)中，即使沒有外加電場(chǎng)，由于分子中正、負(fù)電荷的作用中心不重合。就單個(gè)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(dòng)，使各分子偶極矩方向的排列沒有秩序，因此，從宏觀而言，對(duì)外并不呈現(xiàn)電矩。當(dāng)有外電場(chǎng)時(shí)，由于電場(chǎng)力的作用，每個(gè)分子的固有偶極矩就有轉(zhuǎn)向與外電場(chǎng)平行的趨勢(shì)，其排列呈現(xiàn)一定的秩序。但是受分子熱運(yùn)動(dòng)的干擾，這種轉(zhuǎn)向有秩序的排列只能達(dá)到某種程度，而不能完全。對(duì)外呈現(xiàn)宏觀電矩。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

圖1-4雙層電介質(zhì)的夾層極化

G1G2C1C2U

產(chǎn)生機(jī)理：帶電質(zhì)點(diǎn)(電子或正、負(fù)離子)的移動(dòng)形成的。

典型的空間電荷極化：夾層極化。

如圖l-4，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(jiǎn)便，全部參數(shù)均只標(biāo)數(shù)值，略去單位）設(shè)C1=1，C2＝2，G1=2，G2=1，U＝3。當(dāng)U作用在AB兩端極板上時(shí)，t=0時(shí)，；整個(gè)介質(zhì)的等值電容為。t=∞時(shí)，

；整個(gè)介質(zhì)的等值電容為。

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

分界面上堆積的電荷量為+4-1＝+3。特點(diǎn)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)。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(shí)間從幾十分之一秒到幾分鐘甚至有長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)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(duì)設(shè)備絕緣進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間放電。

電介質(zhì)極化種類及比較極化類型產(chǎn)生場(chǎng)合所需時(shí)間能量損耗產(chǎn)生原因電子式極化任何電介質(zhì)10-14~10-15S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)10-12~10-13S幾乎沒有離子的相對(duì)偏移偶極子極化極性電介質(zhì)10-10~10-2S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(shí)有自由電荷的移動(dòng)§1.2電介質(zhì)的介電常數(shù)一.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(chǎng)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)為真空的介電常數(shù)在介質(zhì)中,

D與E同向，為介質(zhì)的相對(duì)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。二、氣體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)①一切氣體的相對(duì)介電常數(shù)都接近于1。②任何氣體的相對(duì)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。三、液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)1．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)值在1.8—2.8范圍內(nèi)。2．極性液體介質(zhì)：(1)極性液體介質(zhì)：如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等。

r數(shù)值在26范圍內(nèi)。還能用作絕緣介質(zhì)強(qiáng)極性液體介質(zhì)：如酒精、水等。

r

>10，此類液體電介質(zhì)用作電容器浸漬劑，可使電容器的比電容增大，但通常損耗都較大.

(2)影響極性液體介質(zhì)介電常數(shù)的主要因素：a.與溫度的關(guān)系（圖1-2-1）；b.與電場(chǎng)頻率f

的關(guān)系（圖1-2-2）。轉(zhuǎn)向極化對(duì)介電常數(shù)隨溫度及頻率變化的關(guān)系：（1）T不變f增大，r減小（2）f不變T升高，r先增（分子間黏附力↓）后減（熱運(yùn)動(dòng)↑）圖1-2-1（頻率f1f2f3）介電常數(shù)同溫度和頻率的關(guān)系（氯化聯(lián)苯）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)：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.極性固體電介質(zhì)：介電常數(shù)都較大，一般為3-6，甚至更大。該類電介質(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（圖1-2-3）。討論極化的意義選擇絕緣

在實(shí)際選擇絕緣時(shí)，除了考慮電氣強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮介電常數(shù)r

。

對(duì)于電容器，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇r較大的介質(zhì)。對(duì)于電纜，為減小電容電流，要選擇r

較小的介質(zhì)。討論極化的意義多層介質(zhì)的合理配合

對(duì)于多層介質(zhì)，在交流及沖擊電壓下，各層電壓分布與其r

成反比，要注意選擇r

，使各層介質(zhì)的電場(chǎng)分布較均勻，從而達(dá)到絕緣的合理應(yīng)用。研究介質(zhì)損耗的理論依據(jù)

極化形成和介質(zhì)損失有關(guān)，要掌握不同極化類型對(duì)介質(zhì)損失的影響。電氣預(yù)防性試驗(yàn)：項(xiàng)目的理論根據(jù)研發(fā)新型材料§1.3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.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)率金屬導(dǎo)體（自由電子）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)、自身離解離子雜質(zhì)、離子電導(dǎo)很小很大二、影響介質(zhì)電導(dǎo)的因素(1)溫度

式中A、B——常數(shù)；T——絕對(duì)溫度；——電導(dǎo)率。溫度升高時(shí)，液體介質(zhì)的黏度降低，離子受電場(chǎng)力作用而移動(dòng)時(shí)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(shí)，液體介質(zhì)分子熱離解度增加，這也使電導(dǎo)增大。在測(cè)量電介質(zhì)的電導(dǎo)或絕緣電阻時(shí)，必須注意記錄溫度。(2)電場(chǎng)強(qiáng)度E

(3)雜質(zhì)：（考慮對(duì)固體介質(zhì)的影響）固體介質(zhì)除了體積電導(dǎo)以外，還存在著表面電導(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)?！?.4電介質(zhì)中的能量損耗一.電介質(zhì)損耗的基本概念在電場(chǎng)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。等值電路(1)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)的無損耗極化。

——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

(2)計(jì)算用等效電路（或簡(jiǎn)化等效電路）（從工程實(shí)際測(cè)量出發(fā)）(3)相量圖——介質(zhì)損耗角——功率因數(shù)角