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1、North China Electric Power University,高电压技术,谢红玲,高压教研室,课程相关信息,参考书：高电压绝缘技术，中国电力，严璋，朱德恒 电网过电压教程，中国电力，陈维贤 高电压试验技术，清华，张仁豫 高电压技术，中国电力，赵智大 考试：20%（作业10%+实验10%）+80%（闭卷笔试）课程学时安排：讲课32学时，实验8学时 答疑安排：时间：周四下午3:00-5:00 地点：教三楼一楼104室,绪 论,一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
2、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,1.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：过电压及其防护过电压的成因与限制措施。,三中国电力系统电压等级的划分与分类,交流系统,高压（HV）：10KV220KV，包括：10KV，35KV，110KV，220KV 超高压（EHV）：330750KV，包括：330KV，500KV，750KV 特高压（UHV）：1000KV及以上,直流系统,超高压（EHV）：500KV 特高压（UHV）：800KV,四高电压
3、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。,第一篇 高电压绝缘及实验,第一章 电介质的极化、电导和损耗第二章 气体放电的物理过程第三章 气隙的电气强度第四章 固体液体和组合绝缘的电气强度,第一章 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,电介质有气体、固体、液体三种形态，电介质在电气设备中是作
4、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（1）介电常数r极化性能；（2）电导率（或其倒数：电阻率）导电性能；（3）介质损耗角正切tg损耗性能；（4）击穿场强 E抗电性能。,绝缘的作用：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并能保持不同的电位。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 电力系统的绝缘材料,定义：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，称为电 介质的极化
5、。效果：消弱外电场，使电介质的等值电容增大。物理量：介电常数 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 电介质的极化,一、电子位移极化,电介质 分子 原子 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，此时感应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，原子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。,图1-1 电子位移极化,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
6、，称为离子位移极化。图l-1-2表示氯化钠晶体的离子位移极化。,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，其排列呈现一定的秩序。但是受分子热运动的干扰，这种转向有秩序的排列只能达到某种程度，而不能完全。对外呈现宏观电矩。,图l-3 偶极子的转向极化,四、空间电荷极化,图1-4 双层电介质的夹层极化,G1,G2,C1,C2,U,产生
7、机理：带电质点(电子或正、负离子)的移动形成的。典型的空间电荷极化：夹层极化。,如图l-4，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，略去单位）设C1=1，C22，G1=2，G2=1，U3。,当U作用在AB两端极板上时，t=0时，；整个介质的等值电容为。t=时，；整个介质的等值电容为。,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,分界面上堆积的电荷量为+4-1+3。,特 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。
8、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,1.2 电介质的介电常数,一.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 为真空的介电常数,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。,二、气体介质的相对介电常数 一切气体
9、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。,三、液体介质的相对介电常数 1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。其介电常数值在1.82.8范围内。2极性液体介质：(1)极性液体介质：如蓖麻油、氯化联苯等。r数值在26范围内。还能用作绝缘介质 强极性液体介质：如酒精、水等。r 10，此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器 的比电容增大，但通常损耗都较大.(2)影响极性液体介质介电常数的主要因素：a.与温度的关系（图1-2-1）；b.与电场频率 f 的关系（图1-2-2）。,转向极化对介电常数随温度
10、及频率变化的关系：（1）T不变 f增大，r 减小（2）f不变 T升高，r先增（分子间黏附力）后减（热运动）,图1-2-1（频率 f1f2f3）,介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）,四、固体电介质的介电常数1.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.极性固体电介质：介电常数都较大，一般为3-6，甚至更大。该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（图1-2-3）。,讨论极化的意义,选择绝缘 在实际选择绝缘时，除了考虑电气强度外，还应考虑介电常数r。对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，
11、要选择r 较大的介质。对于电缆，为减小电容电流，要选择r 较小的介质。,讨论极化的意义,多层介质的合理配合 对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与其r 成反比，要注意选择r，使各层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用。研究介质损耗的理论依据 极化形成和介质损失有关，要掌握不同极化类型对介质损失的影响。电气预防性试验：项目的理论根据研发新型材料,1.3 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.表征电介质导电性能的物理量电导率（or：电阻率）,二、影响介质电导的因素(1)温度 式中 A、B常数；T绝对温度；电导率。温度升高时，液体介质的黏度降低，离子受电场力作
12、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。(2)电场强度E,(3)杂质：（考虑对固体介质的影响）固体介质除了体积电导以外，还存在着表面电导。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 电介质中的能量损耗,一.电介质损耗的基本概念在电场的作用下，电介质由于电
13、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。等值电路(1)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，代表介质的无损耗极化。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,(2)计算用等效电路（或简化等效电路）（从工程实际测量出发）,(3)相量图,介质损耗角 功率因数角,介质损耗角 的正切 tg 又称为介质损耗因数，常用百分数（%）来表示。,90,(4)损耗功率的表达式,J=Jg+Jp+Jlk,二.吸收电流与吸收曲线,在等值电路上加上直流电压时，电介质中流过的将是电容电流 i1、吸收电流
14、 i2 和传导电流 i3。三者随时间的变化如上右图。这三个电流分量加在一起，即得出总电流。右图中的总电流 i,它表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间而变化的曲线，称为吸收曲线。,三、讨论介质损耗的意义,设计绝缘结构时，应注意到绝缘材料的tg 值。若tg 过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿.用于冲击测量的连接电缆，其tg 必须要小，否则冲击电压波在其中传播时将发生畸变，影响测量精度.在绝缘试验中，tg 的测量是一项基本测试项目。当绝缘受潮劣化或含有杂质时，tg 将显著增加，绝缘内部是否存在局部放电，可通过测tg U的关系曲线加以判断.用做绝缘材料的介质，希望tg 小。在其他场合，可利用tg 引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干需较长时间，在泥坯上加适当的交流电压，则可利用介质损耗发热，加速干燥过程,
