《高电压技术》课件.ppt

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 高电压绝缘技术高电压绝缘技术，中国电力，严璋，朱德恒，中国电力，严璋，朱德恒u 电网过电压教程电网过电压教程，中国电力，陈维贤，中国电力，陈维贤u 高电压试验技术高电压试验技术，清华，张仁豫，清华，张仁豫u 高电压技术高电压技术，中国电力，赵智大，中国电力，赵智大 考试考试：20%（作业（作业10%+实验实验10%）+80%（闭卷笔试）（闭卷笔试）课程学时安排：课程学时安排：讲课讲课32学时，实验学时，实验8学时学时 答疑安排答疑安排：u 时间：周四下午时间：周四下午3:00-5:00u 地点：教三楼一楼地点：教三楼一楼104室室绪绪 论论 一一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。物理问题。它起源于它起源于20世纪初期，由于大功率、远距离世纪初期，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。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。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）绝缘试验（固、液、气体）在电场作用下的电气物理性在电场作用下的电气物理性能和击穿的理论、规律。能和击穿的理论、规律。高压试验高压试验判断、监视绝缘判断、监视绝缘质量的主要试验方法。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：过电压及其防护过电压及其防护过电压的过电压的成因与限制措施成因与限制措施。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（高压（HV）：10KV220KV，包括：包括：10KV，35KV，110KV，220KV 超高压（超高压（EHV）：）：330750KV，包括：包括：330KV，500KV，750KV 特高压（特高压（UHV）：）：1000KV及以上及以上直流系统直流系统 超高压（超高压（EHV）：）：500KV 特高压（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；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；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；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；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。其它工业：静电喷涂，高压设备制造等。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、电导和损耗第一节第一节 电介质的极化电介质的极化第二节第二节 电介质的介电常数电介质的介电常数第三节第三节 电介质的电导电介质的电导第四节第四节 电介质中的能量损耗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作用下都会出现极化、电导极化、电导和和损耗损耗等电气物理现象。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）介电常数r极化性能；极化性能；（2）电导率）电导率（或其倒数：电阻率（或其倒数：电阻率）导电性能；导电性能；（3）介质损耗角正切）介质损耗角正切tg损耗性能；损耗性能；（4）击穿场强）击穿场强 E抗电性能。抗电性能。绝缘的作用：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气的联系并能保持不同的电位。分类：分类：气体绝缘材料：空气，气体绝缘材料：空气，SF6气体等气体等 固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等 液体绝缘材料：变压器油液体绝缘材料：变压器油 混合绝缘：电缆，变压器等设备混合绝缘：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；电子位移极化；离子位移极化；离子位移极化；转向极化；转向极化；空间电荷极化。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 电介质电介质 分子分子 原子原子 带正电荷的带正电荷的原子核原子核和围绕核和围绕核带负电荷的带负电荷的电子云电子云构成。构成。当不存在外电场时，电子云的当不存在外电场时，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，感应电云的引力又使二者重合，感应电矩也随之消失。矩也随之消失。电场中的所有电介质内都存在电场中的所有电介质内都存在电子位移极化。电子位移极化。qRRi-qOOE图图1-1 1-1 电子位移极化电子位移极化二、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，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，称为称为离子位移极化离子位移极化。图。图l-1-2表示氯化钠晶体的离子位移极化。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，称为固有偶极矩固有偶极矩。但由于分。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。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。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。UU电极电介质E图图l-3 偶极子的转向极化偶极子的转向极化 四、空间电荷极化四、空间电荷极化 图图1-4 双层电介质的夹层极化双层电介质的夹层极化 G1G2 C1C2U产生机理：带电质点产生机理：带电质点(电子电子或正、负离子或正、负离子)的移动形成的。的移动形成的。典型的空间电荷极化：典型的空间电荷极化：夹层极夹层极化化。如图如图l-4l-4，各层介质的电容分别为，各层介质的电容分别为C1C1和和C2C2；各层介质的电导分别为；各层介质的电导分别为G1G1和和G2G2；直流电源电压为；直流电源电压为U U。（为了说明的简便，全部参数均只标数值，略去单位）。（为了说明的简便，全部参数均只标数值，略去单位）设设C1=1C1=1，C2C22 2，G1=2G1=2，G2=1G2=1，U U3 3。当当U作用在作用在AB两端极板上时，两端极板上时，t=0时，时，；整个介质的等值电容为整个介质的等值电容为 。t=时，时，；整个介质的等值电容为整个介质的等值电容为 。图图1-5 双层电介质的电荷与电位分布双层电介质的电荷与电位分布（a）暂态分布）暂态分布（b）稳态分布）稳态分布 分界面上堆积的电荷量为分界面上堆积的电荷量为+4-1+3。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夹层的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值电等值电容的增大容的增大，这就是夹层极化效应。，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夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的。高压完成的。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。和低频交流电压下才能表现出来。该极化伴随着能量损耗。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。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电子式极化任何任何电介质电介质10-1410-15S无无束束缚缚电电子子运运行行轨轨道偏移道偏移离子式极化离子式极化离子式结构离子式结构电介质电介质10-1210-13S几乎几乎没有没有离子的相对偏移离子的相对偏移偶极子极化偶极子极化极性极性电介质电介质10-1010-2S有有偶偶极极子子的的定定向向排排列列夹层极化夹层极化多层介质的多层介质的交界面交界面10-1S数小数小时时有有自由电荷的移动自由电荷的移动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，有关系式在真空中，有关系式 式子中式子中 E场强矢量场强矢量 ；D电位移矢量，即电通量密度矢量电位移矢量，即电通量密度矢量 ，D与与E同向，比例常数同向，比例常数 为为真空的介电常数真空的介电常数2.在介质中在介质中,3.D与与E同向，同向，为介质的为介质的相对介电常数相对介电常数，它是没有量纲，它是没有量纲和单位的纯数。和单位的纯数。3.介质的介电常数介质的介电常数 通常，通常，的量纲和单位与的量纲和单位与 相同。相同。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。三、液体介质的相对介电常数三、液体介质的相对介电常数 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：石油、苯、四氯化碳、硅油等均为 中性或弱极性液体介质。中性或弱极性液体介质。其介电常数值在范围内。其介电常数值在范围内。2极性液体介质：极性液体介质：(1)极性极性液体液体介质：如蓖麻油、氯化联苯等。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 强极性强极性液体液体介质：如酒精、水等。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：影响极性液体介质介电常数的主要因素：a.与与温度温度的关系（图的关系（图1-2-1）；）；b.与与电场频率电场频率 f 的关系（图的关系（图1-2-2）。）。转转向向极极化化对对介介电电常常数数随随温温度度及及频频率率变变化化的的关系：关系：（1 1）T T不变不变 f f增大，增大，r 减小减小 （2 2）f f不变不变 T T升升高高，r先先增增（分分子子间间黏黏附附力力 ）后后减减（热运动（热运动 ）图图1-2-1（频率（频率 f1f2f3）介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）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。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关系很接近。2.2.极性固体电介质：极性固体电介质：介电常数都较大，一般为介电常数都较大，一般为3-63-6，甚至更大。，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（图所呈现的规律（图1-2-31-2-3）。讨论极化的意义讨论极化的意义n选择绝缘选择绝缘 在在实实际际选选择择绝绝缘缘时时，除除了了考考虑虑电电气气强强度度外外，还还应应考考虑虑介介电常数电常数 r r 。对对于于电电容容器器，若若追追求求同同体体积积条条件件有有较较大大电电容容量量，要要选选择择 r r 较大的介质。较大的介质。对于电缆，为减小电容电流，要选择对于电缆，为减小电容电流，要选择 r r 较小的介质。较小的介质。讨论极化的意义讨论极化的意义n多层介质的合理配合多层介质的合理配合 对对于于多多层层介介质质，在在交交流流及及冲冲击击电电压压下下，各各层层电电压压分分布布与与其其 r r 成成反反比比，要要注注意意选选择择 r r ，使使各各层层介介质质的的电电场场分分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用。布较均匀，从而达到绝缘的合理应用。n研究介质损耗的理论依据研究介质损耗的理论依据 极极化化形形成成和和介介质质损损失失有有关关，要要掌掌握握不不同同极极化化类类型型对对介介质损失的影响。质损失的影响。n电气预防性试验电气预防性试验：项目的理论根据项目的理论根据n研发新型材料研发新型材料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。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电导率 （or：电阻率：电阻率 ）电导电导形式形式电导电导率率金属金属导导体体（自由（自由电电子）子）电电子子电导电导 很大很大 气体气体 液体液体 固体固体自由自由电电子、正离子、子、正离子、负负离子离子杂质电导杂质电导、自身离解、自身离解 离子离子杂质杂质、离子、离子 电导电导 很小很小 很大很大 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。(2)电场强度电场强度E (3)杂质：（考虑对固体介质的影响）杂质：（考虑对固体介质的影响）固体介质除了固体介质除了体积电导体积电导以外，还存在着以外，还存在着表面电导表面电导。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。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涂以石蜡、绝缘漆、有机硅等措施，可以降低介质表面电导。导。1.4 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，电介质由于在电场的作用下，电介质由于电导引起的损耗电导引起的损耗和和有损极有损极化化（如偶极子极化、夹层极化等）（如偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗引起的损耗，总称为，总称为电介质的损耗电介质的损耗。2.等值电路等值电路3.(1)细化等效电路（从物理概念出发）细化等效电路（从物理概念出发）泄漏电阻，代表泄漏电阻，代表电导损耗电导损耗。介质真空和无损耗极化所形成的电容，代表介质介质真空和无损耗极化所形成的电容，代表介质的的无损耗极化无损耗极化。有损耗极化形成的等效电阻有损耗极化形成的等效电阻.代表各种代表各种 有损耗极化形成的等效电容有损耗极化形成的等效电容.有损耗极化有损耗极化 (2)计算用等效电路（或简化等效电路）（从工程实际测量出发）计算用等效电路（或简化等效电路）（从工程实际测量出发）(3)相量图相量图 介质损耗角介质损耗角 功率因数角功率因数角 介质损耗角介质损耗角 的正切的正切 tg 又称为又称为介质损耗因数介质损耗因数，常，常用百分数（用百分数（%）来表示。）来表示。90(4)损耗功率的表达式损耗功率的表达式J=Jg+Jp+Jlk二二.吸收电流与吸收曲线吸收电流与吸收曲线 在等值电路上加上直在等值电路上加上直流电压时，电介质中流电压时，电介质中流过的将是流过的将是电容电流电容电流 i1、吸收电流吸收电流 i2 和和传导传导电流电流 i3。三者随时间。三者随时间的变化如上右图。这的变化如上右图。这三个电流分量加在一三个电流分量加在一起，即得出总电流。起，即得出总电流。右图中的右图中的总电流总电流 i,它它表示在直流电压作用表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电下，流过绝缘的总电流随时间而变化的曲流随时间而变化的曲线，称为线，称为吸收曲线吸收曲线。i1i3i2iI606015I15i t(s)三、讨论介质损耗的意义三、讨论介质损耗的意义 n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.n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.n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.n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