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1、North China Electric Power University 高电压技术 张重远 高压教研室 2010年 2月 电力工程系 North China Electric Power University 绪 论 各种高电压现象 研究对象 中国电力系统电压等级划分 高电压技术在其它领域的应用 课程相关信息 North China Electric Power University 雷电 极光 电离圈 绝缘子闪络 电晕 电弧 各种高电压现象 North China Electric Power University 研究对象 1.内容与范畴： 高电压技术 主要研究高电压（强电场）下的各种
2、电气设备物理问题。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的一个分支。 2.电气设备的绝缘 ： 绝缘介质（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与试验原理。 3.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 。 North China Electric Power University 中国电力系统电压等级划分 高压（ HV）： 1kV 220kV 10kV,20kV,35kV,110kV,220kV 超高压（ EHV）： 330 1000kV 330kV,500
3、kV,750kV 特高压（ UHV）： 1000kV及以上 交流系统 直流系统 超高压（ EHV）： 500kV 666kV 特高压（ UHV）： 800kV North China Electric Power University 高电压技术在其它领域的应用 医学：利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症； 农业：高压静电喷药，高电场诱发变异育种； 环保：高压脉冲放电处理污水，电除尘技术； 军事：大功率脉冲技术，电磁干扰、电子对抗； 其它：静电喷涂，高压设备制造等。 North China Electric Power University 课程相关信息 参考书： 高电压绝缘技术 ，中国电力，严璋，
4、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 High-Voltage Engineering ， Pergamon Press, E. Kuffel (Canada), W.S. Zaengl, (Switzerland) 学习方法： 理论联系实际 考试： 20%（作业 +实验） +80%（闭卷笔试） 答疑安排： 时间：周四下午 3:00-5:00 地点：教三楼一楼 105室 North China Electric Power University 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
5、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 North China Electric Power University 第一章 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：即介电常数 r，电导率 (或其倒数 电阻率 )，介质损耗角正切 tg,击穿场强 E，它们分别反映了电介质的极化、电导、损耗、抗电性能。 North China Electric Power University 绝缘的作用： 绝缘的作用是将
6、电位不等的导体分隔开，使其没有电 气的联系能保持不同的电位 ,又称为电介质 . 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 North China Electric Power University 1.1 电介质的极化 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。 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。 North China
7、 Electric Power University 电子位移极化 一切电介质都是由分子组成，分子又是由原子组成，每个原子都是由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，原于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。 q R R i -q O O E 图 1-1 电子位移极化 North China Electric Power University 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
8、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，称为离子位移极化。图 l-2表示氯化钠晶体的离子位移极化。 N a +N a +N a +N a +C l-C l-C l-C l-C l-C l-C l-N a +N a +N a +N a + l l lC l- l l lC l- l l图 l-2 氯化钠晶体的离子位移极化 North China Electric Power University 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
9、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，其排列呈现行一定的秩序。但是受分子热运动的干扰，这种转向有秩序的排列。 U U 电极 电介质 E 图 l-3 偶极子的转向极化 North China Electric Power University 空间电荷极化 图 1-4 双层电介质的夹层极化 G1 G2 C1 C2 U 上述的三种极化是带电质点的弹性位移或转向形成的，而空间电荷极化的机理则与上述三种完全不同，它是由带电质点 (电子或正、负离子 )的移动形成的。 最明显的空间电荷极化是夹层极化 。在实际的电气设备中
10、，有不少多层电介质的例子，如电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器的绕组绝缘等，都是由多层电介质组成的。 如图 l-4所示，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， C2 2， G1=2， G2=1， U 3。 North China Electric Power University 当 U作用在 AB两端极扳上时，其瞬时电容上的电荷和电位分布，如图1-5(a)所示整个介质的等值电容为 。 到达稳态时，电容上的电荷和电位分布如图 l-5(b)所示。整个介质的等值电容为
11、。 分界面上堆积的电荷量为 +4-1 +3。 32 UQC eq34 UQCeq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 空间电荷极化（续） C1C2U = 3UC 1= 2 UC 2= 1+ 2 + 2 - 2- 2( a )C1C2U = 3UC 1= 1 UC 2= 2+ 1 + 4 - 4- 1( b )North China Electric Power University 空间电荷极化的 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。高压绝缘介质的电导通常都是很
12、小的，所以，这种极化过积将是很缓慢的。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。 North China Electric Power University 电介质极化种类及比较 极化类型 产生场合 所需时间 能量损耗 产生原因 电子式极化 任何 电介质 10-1410-15S 无 束缚电子运行轨道偏移 离子式极化 离子式结构 电介质 10-1210-13S 几乎没有 离子的相对偏移 偶极子极化 极性 电介质 10-1010-2S 有 偶极子的
13、定向排列 夹层极化 多层介质的 交界面 10-1S数小时 有 自由电荷的移动 North China Electric Power University 1.2 电介质的介电常数 一 . 介电常数的物理意义 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 为真空中的介电常数 ED 0mV2mC0mF12990 10854.81094 11098 8 0.84 1 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。 介质的介电常数 通常， ， 的量纲和单位与 相同 ED r 0rr 0 0二、气体介质的相对介电常
14、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 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不大，其值在 1.82.8范围内。 rNorth China Electric Power University 2极性液体介质： (1)这类介质通常介电常数都较大。但这类介质的缺点是在交变电场中的介质损较大，在高压绝缘中很少应用。 (2)影响极性液体介质介电常数的主要因素： a. 介电常数与温度的关系 b. 介电常数与电场频率 f 的关系 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。 这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。 电介质的介电常数 (续 ) North China Electric Power University 1.3
