高电压技术(全套课件)

高电压技术绪论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的一个分支。学习目的：正确处理电力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：①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。②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：③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）：1KV～220KV，包括：10KV，35KV，110KV，220KV超高压（EHV）：330KV～1000KV，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．高电压技术在其它领域的应用1．医学：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：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。五．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）答疑安排：时间：周四下午3:00-5:00地点：教三楼一楼110室（办公电话：752-2357）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εr，电导率γ（或其倒数——电阻率ρ），介质损耗角正切tgδ，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。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。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。qRRi-qO’OE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，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。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，对外并不呈现合成电矩。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。对外呈现出宏观电矩。UU电极电介质E图l-3偶极子的转向极化四、空间电荷极化图1-4双层电介质的极化模型G1G2C1C2U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，如电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器等的绝缘体，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。当U作用在AB两端极板上时，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。分界面上堆积的电荷量为+4-1＝+3。32''UQCeq34'''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G1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10-14~10-15S无束缚电子运行轨道偏移离子式极化离子式结构电介质10-12~10-13S几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质10-10~10-2S有偶极子的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§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ED0mV2mC0mF1299010854.810941109880.8412.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。EDr0rr00二、气体介质的相对介电常数①一切气体的相对介电常数都接近于1。②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。r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1.8—2.8范围内。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（图1-2-1）；b.介电常数与电场频率f的关系（图1-2-2）。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）。§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）电导形式电导率金属导体（自由电子）电子电导很大气体液体固体自由电子、正离子、负离子杂质电导、自身离解离子杂质、离子电导很小很大1rr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ETBAe(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1.在电场的作用下，电介质由于电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。2.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lkRgCpRpC(2)计算用等效电路（或简化等效电路）（从工程实际测量出发）2221)(11PPPPkeqRCRCRG2)(1PPPgeqRCCCC(3)相量图——介质损耗角——功率因数角crJJtg介质损耗角δ为功率因数角φ的余角，其正切tgδ又可称为介质损耗因数，常用百分数（%）来表示。＋＝90°CtgUtgUIUIPCR2(4)损耗功率的表达式二.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，即得出总电流上右图中的总电流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。i1i3i2iI606015I15it(s)第二章气体放电的物理过程第一节气体中带电质点的产生和消失第二节气体放电机理第三节电晕放电第四节不均匀电场气隙的击穿第五节雷电放电第六节气隙的沿面放电§2.1气体中带电质点的产生和消失一.带电质点在气体中的运动1.自由行程长度当气体中存在电场时，其中的带电粒子将具有复杂的运动轨迹，它们一方面与中性的气体粒子（原子或分子）一样，进行着混乱热运动，另一方面又将沿着电场作定向漂移。各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞。E单位行程中的碰撞次数Z的倒数λ即为该粒子的平均自由行程长度。实际的自由行程长度是随机量，并有很大的分散性，粒子的平均自由形成长度等于或大于某一距离x的概率为：xxep所以电子的平均自由行程长度:式中r——气体分子的半径；N——气体分子的密度；由于代入上式即得:Nre21kTpNprkTe22.带电粒子的迁移率带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞，但在电场力的驱动下，仍将沿着电场方向漂移，其速度u与场强E其比例系数k=u/E，称为迁移率，它表示该带电粒子单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。3.扩散气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关。在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程叫扩散。气压越低或温度越高，则扩散进行的越快。电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度也要比离子快得多。二.带电质点的产生气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生电离(包括撞击电离，光电离、热电离等多种形式)；另一是气体中的固体或液体金属发生表面电离。1.电离是气体放电的首要前提电离——产生带电离子的物理过程称为电离。激励——在常态下，电子受外界因素影响由低能量级轨道上跃迁到高能量级轨道的现象称为激