高电压技术第一章讲义

绪论高电压技术的产生和发展：•有关高电压的几个著名试验•1752年6月：富兰克林&风筝•1895年11月：伦琴&X射线•1919年：E.卢瑟福&元素的人工转变（a射线轰击氮原子）1945年威克斯勒尔和麦克米伦，电子回旋加速器等•1931年：范德格拉夫起电机（1000万伏）直到20世纪初高电压技术才逐渐成为一个独立的科学分支。当时的高电压技术，主要是为了解决高压输电中的绝缘问题。因此，可以这样说高电压与绝缘技术是随着高电压远距离输电和高电压设备的需要而发展起来的一门电力科学技术。高电压技术：电力系统中涉及过电压、耐压、绝缘等问题的技术。如：▲雷击变电所、发电厂的过电压及防护措施▲绝缘材料的研制▲合闸分闸空载运行以及短路引起的过电压▲电气设备的耐压试验一、研究意义研究意义：如何将电能大容量、远距离、低损耗地输送，提高电力系统运行的经济效益，防止过电压，提高耐压水平，保持电网运行的安全可靠性。二．研究内容：1.提高绝缘能力电压等级提高，需要相应的高压电气设备，要对各类绝缘电介质的特性及其放电机理进行研究，其中气体放电机理是基础。电介质理论研究——介质特性放电过程研究——放电机理高电压试验技术——高压产生、测量、检验，分预防性和破坏性2.降低过电压雷击或操作→暂态过程→产生高电压→绝缘破坏→故障→防止破坏→恢复研究过电压的形成及防止措施高电压种类：大气过电压内部过电压——操作过电压，暂时过电压3.绝缘配合使作用电压的数值、保护电器的特性和绝缘的电气特性之间相互协调以保证电气装置的可靠运行与高度经济性。三．学习要求与电工及物理的基础理论，如电介质理论、电磁场理论、电路中的瞬变理论相关。内容涉及面广，经验公式多，文字叙述多，试验数据、图表多，实践性强＋＋Ri-qO’OE第一章电介质的极化、电导和损耗§1—1电介质的极化一、电介质简介定义：电介质是指．通常条件下导电性能极差的物质，云母、变压器油等都是介质.电介质中正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷极少，因此导电性能差。电介质的作用：1、使导体与其他不同电位导体隔离；2、提供电容器储能条件；3、改善高电电场中的电位梯度。电介质在电场作用下主要发生哪几种物理现象？常用哪些参数表示其相应的性能？电介质在电场作用下主要发生下列4种现象：极化、电导、损耗和击穿。常用相对介电系数r、电导率、介质损耗角正切tg和击穿电场强度jE；分别表示其极化性能、导电性能、损耗性能和耐电性能。二．电介质极化的基本类型1.电子位移极化（原子，分子）2.离子位移极化（离子结构的分子）3.转向极化（偶极子）４.空间电荷极化（多层介质的夹层极化）1．电子位移极化：定义：就是在外电场的作用下，电介质粒子中电子与原子核之间产生相对位移而引起了感应电矩。特点：（１）此种极化存在于一切电介质中（２）完全弹性，不引起能量损耗，一旦外电场消失，正负电荷作用中心立即重合，整体恢复中性。所以这种极化不产生能量损耗，不会使电介质发热（３）是瞬时建立的（约１０－14～１０－15ｓ），即与外加电场的频率无关（４）单元粒子的极化电矩与温度无关（热运动不改变粒子半径）；温度可改变介质密度，使介质的电子位移极化率随之变化。图1－1电子位移极化原理图2．离子位移极化：定义：固体化合物大多数属离子式结构，如云母、陶瓷等。无外电场时，各个离子对的偶极矩互相抵消，平均偶极矩为零。出现外电场后正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈极化，这就是离子式极化或称离子位移极化特点：（１）该极化多存在于固态无机化合物中（２）电场消失，极化也消失，伴有微量的能量损耗可忽略（３）极化过程也非常快，（约１０－13ｓ），所以与外加电场的频率无关（４）温度上升，极化程度增加，故εr有正的温度系数。3．转向极化：图1－2转向极化原理图定义：极性介质在外电场作用下，每个分子的固有偶极矩有转向与电场平行的趋势，受分子热运动的干扰，在某种程度上达到平衡，对外呈现宏观电矩。特点：（１）存在于偶极电介质中，如：液体（水，乙醇），固体（纤维，涤纶）（２）极化过程需要较长的时间（约１0－6～１0－2ｓ，ｆ很高时→转向不充分（跟不上电场的变化）→极化率↓，即εr也会下降。（３）偶极分子的转向需要消耗能量，故伴有能量损耗（电场能→热能）（４）与温度的关系过高或者过低时都会影响偶极子的极化。1、低温时，分子间吸附力强，转向困难，转向极化对极化总体极化贡献小；升温时，可以改变这一情况；2、温度过高时，分子的热运动加强，干扰了分子定向排列，减弱了转向极化。４．空间电荷极化（夹层极化）上述三种极化都是由于带电质点的弹性位移或转向而形成的定义：空间电荷极化是由自由电荷（通常为离子）在电场中的运动所形成的。在不均匀电介质中或电介质中有晶格缺陷时，电场的作用使带电质点在电介质中移动，可能被晶格缺陷俘获或在两层电介质的界面上堆积，造成电荷在介质空间中新的分布，从而产生电矩。实际意义：高压设备绝缘中往往采用不均匀介质材料或复合型电介质其本质可用夹层极化来说明。现以两层电介质模型为例等效电路如右图：分析：（１）在合闸瞬间，电流流过电容，电阻相当于开路（２）经过一段时间达稳态后，电流流过R１、R２,电容相当于开路Ｃ１和Ｃ２分界面上堆积的电荷量为＋４－１＝＋３图1－3两层电介质等效电路结论: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。特点:（1）极化过程很缓慢（１／几十秒～几分钟～几小时）夹层介质界面上电荷的积累通过介质电导Ｇ完成，高压绝缘介质电导Ｇ小所以极化慢。只在低频下有意义。（2）此种极化伴随着能量损耗（3）夹层极化效应：电荷堆积、等值电容增大。UU电极电介质E§1—2．电介质的介电常数一、介电常数的物理意义（又称为电容率）定义：同一电容中用某一介质为介电体，和真空中的电容的比值，表示该电解质在电场中存储静电能的相对能力。真空中的介电常数:PED0依次是表示为电位移矢量、真空中的介电常数、场强矢量、介质极化强度。介质中则为：PEDr0εr为介质的相对介电常数，是一个没有量纲单位的数值。相对介电常数εr＝Ｃ／Ｃ0二、气体介质的相对介电常数气体介质的密度很小，其极化率也就很小。εr≈1。变化规律为随温度的上述减小，压力的增大而增大。三、液体介质的相对介电常数中性液体介质：相对介电常数不大，εr=1.8~2.8；如石油、苯、四氯化碳等。极性液体介质：具有较大的介电常数εr=4~102，如果作为电容器的浸渍剂，可增大电容比。缺点是转向极化导致介质在交变电场中能量损耗较大，故在高压绝缘中较少采用。受频率和温度的影响比较大。四、固体介质的相对介电常数分为中性固体介质和极性固体介质，中性固体介质，基本上只有电子位移极化和离子位移极化两种形式，其介电常数较小。极性固体介质，由于分子具有极性，所以这类介质的介电常数与温度和频率的关系，类似于极性的液体介质。影响εr的因素：极性介质的εr受温度、频率影响较大频率影响：电场交变的频率过高，偶极子将来不及转动，打乱了分子定向排列，最严重的情况是使得转向极化对总体极化贡献为0。温度影响：1）、低温时，分子间吸附力强，转向困难，转向极化对极化总体极化贡献小；升温时，可以改变这一情况；2）、温度过高时，分子的热运动加强，干扰了分子定向排列，减弱了转向极化。图1－4介电常数与频率关系曲线图1－5介电常数与温度关系曲线３．εr在工程实际上的意义（１）不同应用场合，对εr大小的要求不同（２）在交流及冲击电压作用下，多层串联介质Ｅ与εr成反比相对介电系数在工程上的意义事例：1、在电机、电气的结构中，由于不同绝缘材料的合用会影响到整个绝缘系统的电压分布，r小的绝缘材料承受较大电压，r大的绝缘材料承受的的电压较小。因而在工程设计的时候，可选用适当的r的材料和结构，使各种电介质上的电压分布与其耐电强度相配合。2、在电容器中，为了减小体积和重量，增大电容量，可选用r大的电介质，如氯化联苯5r代替石油制成的电容器油2r，在同样体积的情况下，可使得电容量增大。而在电缆中，为了防止产生过大的电容电流，则需要选用较小的r的电介质。3、电介质受潮或脏污后，其r将会增大，r对温度及频率的变化呈一定的规律，工程上利用这些规律来判断材料的受潮或脏污程度，从而决定是否投运。§1－3电介质的电导电导：反映电介质导电强弱的物理量。任何电介质都不同程度地具有一定的导电性。金属不是电介质，它的电导是由金属原子中的自由电子定向移动造成的。按载流子的不同，电介质的电导可分为离子电导和电子电导两种，前者以离子为载流子，后者以自由电子为载流子。在正常情况下，电介质的电导主要是离子电导，这是与金属电导的本质区别。一、气体电介质电导无电场时：由于因素产生一定量的电子和离子，但是出于平衡中。有电场存在：Ⅰ：紫外线造成气体介质中保持500-1000对/cm3,这些离子在不断增强的电场的作用下，越来越多地参与到定向移动中来。（电子迁移率）Ⅱ：所有外因离子都参与到定向移动，电场增加，电流取向饱和，此时，电导还很小。Ⅲ：当场强超过E2时，电流迅速增加，此时，电导变大，场强也随之增加。Ⅳ：当场强超过E3时，气隙被击穿。εrff0εrθ(0C)气体介质的电导载流子是：电离出的自由电子、正离子、负离子二、液体电介质电导1、中性液体：由杂质离子和荷电粒子（电泳电导）的定向移动形成电导。（注释：电泳电导，其载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子或小水珠，它们吸附电荷后变成了带电粒子。）2、极性液体：除了上面两种因素外，还有自身分子的分解，因此，其电导率较大。3、影响因素与温度的关系：具有正的温度系数（注释：温度升高时，分子离解度增大、液体粘度减小，所以液体介质中的离子数增多、迁移率增大，可见其电导将随温度的上升而急剧增大。）与电场强度关系：极纯净液体介质其电导与气体介质类似；工业用液体介质的电导随电场强度变化如图三、固体介质的电导具有中性分子的固体介质的电导主要是由杂质离子引起的，只有当温度较高时，中性分子本身才可能发生分解，产生自由离子，形成电导。具有离子结构的固体介质的电导主要是由离子在热运动影响下脱离晶格而移动产生的，当然杂质在离子式结构的固体介质中也是造成电导的原因之一。在相同温度下杂质离子更容易脱离原位而发生迁移了。影响因素：温度、电场强度、杂质有关。ⅠⅡⅢABCE1E2E3JJsEⅣEIEcrIc§1－4电介质中的损耗一．定义在交流电压作用下，电介质中会产生电导电流和位移电流，电介质的部分电能将转变为热能，这部分能量损耗称为介质的损耗。对于恒定电场即直流来说，不存在什么困难。正弦交变电场有两种情况1、当电场的交变速度远低于极化建立的速度。介质的极化强度P和交变电场强度E几乎是同相位，此时介电常数ε为一常数。2、当电场的交变速度快于极化建立的速度时，电通量密度D就滞后于电场强度E一个相位角θ角度。此时介电常数ε为一复数。表示为ED..在此情况下可以得到电场E和电流密度J的矢量关系J为纯电容电流密度（gJ为真空和无损极化电流密度；有损极化电流的无功部分pcJ）J为有功电流密度（lkJ为泄露电导所引起的的电流密度；有损极化电流的有功部分prJ）二．分析电介质等效电路如右图。简化为在并联电路则有：单位体积介质中的损耗功率可用下列表达式表示tgEtgEtgEJEJprcr022对于含有均匀介质的平板电容器，总损耗功率为：CtgUpVP2可见，在其他各值给定的情况下，Ｐ取决于介质的tgδ。可用交流电桥测出tgδ、Ｒ等参数。tgδ↑→能量损耗大→绝缘电阻Ｒ↓→判断绝缘材料有受潮、劣化、气泡现象三、气体介质中的损耗气体介质的极化率是很小的，当场强很小时，电导很小，故气体介质的中的损耗也很小，工程中忽略不计。四、液体介质中的损耗中性液体介质极化中主要是电子位移极化和离子位移极化，为无损耗极化。其损耗主要是漏导所决定的，其受温度和场强的影响的变化关系，如图1-4-4,1-4-5。极性液体介质极化中主要