高電壓技術(shù)-華電版課件

1、高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)主講教師：律方成、王永強(qiáng)、張重遠(yuǎn)主講教師：律方成、王永強(qiáng)、張重遠(yuǎn)華北電力大學(xué)電力工程系華北電力大學(xué)電力工程系緒論 課程地位：電氣工程專業(yè)平臺(tái)課之一課程地位：電氣工程專業(yè)平臺(tái)課之一 課程學(xué)時(shí)安排：講課課程學(xué)時(shí)安排：講課3232學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8 8學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 成績(jī)?cè)u(píng)定：考試成績(jī)?cè)u(píng)定：考試8080( (實(shí)驗(yàn)作業(yè)實(shí)驗(yàn)作業(yè))20)20 緒論 教材：教材：高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)（第二版）周澤存主編（第二版）周澤存主編 參考書(shū)：參考書(shū)： n 高電壓絕緣技術(shù)，中國(guó)電力，嚴(yán)璋，朱德恒n電網(wǎng)過(guò)電壓教程，中國(guó)電力，陳維賢n高電壓試驗(yàn)技術(shù)，清華，張仁豫n高電壓技術(shù)，中國(guó)電力，趙智大 高壓（HV）

2、： 10220KV 超高壓（EHV）：330750KV 特高壓（UHV）：1000KV及以上 一輸電電壓等級(jí)的劃分：二高電壓技術(shù)的研究對(duì)象： 高電壓絕緣與試驗(yàn)： 1.絕緣材料的電氣物理性能和擊穿的理論、規(guī)律（實(shí)踐到理論）。 2.高壓試驗(yàn)：判斷、監(jiān)視絕緣質(zhì)量的主要試驗(yàn)方法。 電力系統(tǒng)的過(guò)電壓： 3.過(guò)電壓的成因與限制措施。 第一篇：高電壓絕緣及試驗(yàn) 第一章第一章 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗 第二章第二章 氣體放電的物理過(guò)程氣體放電的物理過(guò)程 第三章第三章 氣隙的電氣強(qiáng)度氣隙的電氣強(qiáng)度 第四章第四章 固體液體和組合絕緣的電氣強(qiáng)固體液體和組合絕緣的電氣強(qiáng)度度電介質(zhì)極化基本類型電

3、介質(zhì)的極化有四種基本形式：電介質(zhì)的極化有四種基本形式：電子位移極化離子位移極化轉(zhuǎn)向極化空間電荷極化 極化機(jī)理：電子偏離軌道極化機(jī)理：電子偏離軌道介質(zhì)類型：所有介質(zhì)介質(zhì)類型：所有介質(zhì)建立極化時(shí)間：極短，建立極化時(shí)間：極短，10-14 10-15s極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（無(wú)關(guān)）電源頻率（無(wú)關(guān)）溫度（無(wú)關(guān)）溫度（無(wú)關(guān)）極化彈性：彈性極化彈性：彈性消耗能量：無(wú)消耗能量：無(wú) 1.電子位移極化qRRi-qOOE2.離子位移極化極化機(jī)理：正負(fù)離子位移極化機(jī)理：正負(fù)離子位移介質(zhì)類型：離子性介質(zhì)介質(zhì)類型：離子性介質(zhì)建立極化時(shí)間：極短，建立極化時(shí)間：極短，10

4、-1210-13 s極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（無(wú)關(guān)）電源頻率（無(wú)關(guān)）溫度（隨溫度升高而增加）溫度（隨溫度升高而增加）極化彈性：彈性極化彈性：彈性消耗能量：極微消耗能量：極微 2.離子位移極化3.轉(zhuǎn)向極化UU電極電介質(zhì)E極化機(jī)理：極化機(jī)理：極性分子轉(zhuǎn)向介質(zhì)類型：介質(zhì)類型：偶極性及有離子弛豫性極化的離子性介質(zhì)建立極化時(shí)間：建立極化時(shí)間：需時(shí)較長(zhǎng)，10-610-2 s極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（有關(guān)）溫度（溫度較高時(shí)降低，低溫段隨溫度增加）極化彈性：極化彈性：非彈性消耗能量：消耗能量：有3.轉(zhuǎn)向極化4.空間電荷極化

5、極化機(jī)理：極化機(jī)理：正負(fù)離子移動(dòng)介質(zhì)類型：介質(zhì)類型：含離子和雜質(zhì)離子的介質(zhì)建立極化時(shí)間：建立極化時(shí)間：很長(zhǎng)極化程度影響因素：極化程度影響因素：電場(chǎng)強(qiáng)度（有關(guān)）電源頻率（低頻下存在）溫度（有關(guān)）極化彈性：極化彈性：非彈性消耗能量：消耗能量：有當(dāng)當(dāng)t=0: 當(dāng)當(dāng)t=: A C1 U B P G2 G1 C2 1221CCUU1221GGUU C1 U G2 G1 C2 一般有一般有 電荷重新分配，在兩層介質(zhì)的交界面處有積累電荷，稱為夾層極化夾層極化。 夾層界面上電荷的堆積是通過(guò)介質(zhì)電導(dǎo)G完成的，高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)通常都很小，這種性質(zhì)的極化只有在低頻時(shí)才有意義 1212GGCC 為便于比較，將上述各

6、種極化列為下表極化種類產(chǎn)生場(chǎng)合所需時(shí)間能量損耗產(chǎn)生原因電子式極化任何電介質(zhì)10-15 s無(wú)束縛電子運(yùn)行軌道偏移離子式極化離子式結(jié)構(gòu)電介質(zhì)10-13 s幾乎沒(méi)有離子的相對(duì)偏移偶極子極化極性電介質(zhì)10-1010-2 s有偶極子的定向排列夾層極化多層介質(zhì)的交界面10-1 s數(shù)小時(shí)有自由電荷的移動(dòng)1-2 電介質(zhì)的介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)及其物理意義相對(duì)介電常數(shù)及其物理意義相對(duì)介電常數(shù)是反映電介質(zhì)極化程度的物理量相對(duì)介電常數(shù)是反映電介質(zhì)極化程度的物理量n氣體分子間的距離很大，密度很小，氣氣體分子間的距離很大，密度很小，氣體的極化率很小，一切氣體的相對(duì)介電體的極化率很小，一切氣體的相對(duì)介電常數(shù)都接近常數(shù)都接近

7、1 1n氣體的介電常數(shù)隨溫度的升高略有減小，氣體的介電常數(shù)隨溫度的升高略有減小，隨壓力的增大略有增加，但變化很小隨壓力的增大略有增加，但變化很小氣體電介質(zhì)的介電常數(shù)部分氣體的相對(duì)介電常數(shù)（環(huán)境條件部分氣體的相對(duì)介電常數(shù)（環(huán)境條件 20, 1 atm20, 1 atm） 氣體種類氣體種類相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)氦氦1.000072氫氫1.000027氧氧1.00055氮氮1.00060甲烷甲烷1.00095二氧化碳二氧化碳1.00096乙烯乙烯1.00138空氣空氣1.00059非極性和弱極性電介質(zhì)：非極性和弱極性電介質(zhì)：如石油、苯、四氯化碳、硅油等 r數(shù)值不大，在1.82.5范圍內(nèi)。介電常數(shù)和

8、溫度的關(guān)系和單位體積中的分子數(shù)與溫度的關(guān)系相似極性電介質(zhì)：極性電介質(zhì)：如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等 r數(shù)值在26范圍內(nèi)。還能用作絕緣介質(zhì)強(qiáng)極性電介質(zhì)：強(qiáng)極性電介質(zhì)：如酒精、水等 r10，此類液體電介質(zhì)用作電容器浸漬劑，可使電容器的比電容增大，但通常損耗都較大液體電介質(zhì)的介電常數(shù)轉(zhuǎn)向極化對(duì)介電常數(shù)隨溫度及頻變化的關(guān)系： （1）T不變 f增大，r 減小 （2）f不變 T升高，r先增（分子間黏附力 ）后減（熱運(yùn)動(dòng) ）0246-30-10103050溫度T ()相對(duì)介電常數(shù)f1f3f2頻率頻率 f1f2f3介電常數(shù)同溫度和頻率的關(guān)系（氯化聯(lián)苯）非極性和弱極性固體電介質(zhì)：非極性和弱極性固體電介質(zhì)： 聚乙烯、聚丙

9、烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉、無(wú)機(jī)玻璃等都屬此類 電介質(zhì)只有電子式極化和離子式極化， r不大，通常在2.02.7范圍 介電常數(shù)與溫度的關(guān)系也與單位體積內(nèi)的分子數(shù)與溫度的關(guān)系相近極性固體電介質(zhì)：極性固體電介質(zhì)： 樹(shù)脂、纖維、橡膠、蟲(chóng)膠、有機(jī)玻璃、聚氯乙烯和滌綸等 r 較大，一般為36，還可能更大。 r和T及f的關(guān)系和極性液體的相似離子性電介質(zhì)：離子性電介質(zhì)： 如陶瓷，云母等，相對(duì)介電常數(shù)r 一般在58左右固體電介質(zhì)的介電常數(shù)討論極化的意義n選擇絕緣選擇絕緣 在實(shí)際選擇絕緣時(shí)，除了考慮電氣強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮介電常數(shù)r 對(duì)于電容器，若追求同體積條件有較大電容量，要選擇r 較大的介質(zhì) 對(duì)于電纜，

10、為減小電容電流，要選擇r 較小的介質(zhì)討論極化的意義n多層介質(zhì)的合理配合多層介質(zhì)的合理配合 對(duì)于多層介質(zhì)，在交流及沖擊電壓下，各層電壓分布與其r 成反比，要注意選擇r ，使各層介質(zhì)的電場(chǎng)分布較均勻，從而達(dá)到絕緣的合理應(yīng)用n研究介質(zhì)損耗的理論依據(jù)研究介質(zhì)損耗的理論依據(jù) 極化形成和介質(zhì)損失有關(guān)，要掌握不同極化類型對(duì)介質(zhì)損失的影響n電氣預(yù)防性試驗(yàn)：電氣預(yù)防性試驗(yàn)：項(xiàng)目的理論根據(jù)n研發(fā)新型材料研發(fā)新型材料1.3 電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)與金屬的電導(dǎo)有本質(zhì)上的區(qū)別。一一. 表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的物理量表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的物理量電導(dǎo)率 （或：電阻率 ） 電導(dǎo)形式電導(dǎo)形式電導(dǎo)率電導(dǎo)率金屬導(dǎo)體 （自由

11、電子）電子電導(dǎo)電子電導(dǎo) 很大 氣體 液體 固體自由電子、正離子、負(fù)離子雜質(zhì)電導(dǎo)、自身離解 離子離子雜質(zhì)、離子 電導(dǎo)電導(dǎo) 很小 很大 1rr二、影響液體介質(zhì)電導(dǎo)的因素二、影響液體介質(zhì)電導(dǎo)的因素(1)溫度溫度 式中 A、B常數(shù)； T絕對(duì)溫度 ； 電導(dǎo)率。 溫度升高時(shí)，液體介質(zhì)的黏度降低，離子受電場(chǎng)力作用而移動(dòng)時(shí)所受的阻力減小，離子的遷移率增大，使電導(dǎo)增大；另一方面，溫度升高時(shí)，液體介質(zhì)分子熱離解度增加，這也使電導(dǎo)增大。 所以在測(cè)量電介質(zhì)的電導(dǎo)或絕緣電阻時(shí)，必須注意記錄溫度溫度。TBAe(2)電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度分成三個(gè)區(qū)域分成三個(gè)區(qū)域 區(qū)域1：液體電介質(zhì)的電導(dǎo)在電場(chǎng)比較小的情況下，遵循歐姆定律 區(qū)域2

12、：隨著場(chǎng)強(qiáng)的增大，有一平坦區(qū)域 區(qū)域3：場(chǎng)強(qiáng)繼續(xù)增大超過(guò)某一極限，引起電流激增，最終擊穿液體電介質(zhì)中電壓電流特性液體電介質(zhì)中電壓電流特性1.4 電介質(zhì)中的能量損耗電介質(zhì)中的能量損耗一一.電介質(zhì)損耗的基本概念電介質(zhì)損耗的基本概念 在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)由于電導(dǎo)引起的損耗和有損極化（如偶極子極化、夾層極化等）引起的損耗，總稱為電介質(zhì)的損耗。二二. 等效電路與相量圖等效電路與相量圖R3C1R2C2 i=i1+i2+i3i1i2i3uICI2RI23IU2I1I圖中C1 代表介質(zhì)的無(wú)損極化（電子式和離子式極化），C2 R2 代表各種有損極化，而R3則代表電導(dǎo)損耗。 介質(zhì)損耗角 為功率因數(shù)角 的余角，其

13、正切 tg 又可稱為介質(zhì)損耗因數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)（%）來(lái)表示。三三. 簡(jiǎn)化等效電路與損耗簡(jiǎn)化等效電路與損耗UUICRIIIRICIRCPRICIUI P = U I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg 式中 電源角頻率； 功率因數(shù)角； 介質(zhì)損耗角。n 定義定義 為介質(zhì)損失角，是功率因數(shù)角為介質(zhì)損失角，是功率因數(shù)角 的余角的余角n 介質(zhì)損失角正切值介質(zhì)損失角正切值tg ，如同，如同 r 一樣，一樣，取決于材料的特性，而與材料尺寸無(wú)關(guān)，取決于材料的特性，而與材料尺寸無(wú)關(guān)，可以方便地表示介質(zhì)的品質(zhì)可以方便地表示介質(zhì)的品質(zhì) CRIItg電介質(zhì)的并聯(lián)與串聯(lián)等值電路并聯(lián)等值電路并聯(lián)等值電路RCCURUIItgPPCR1/tgCURUPP22串聯(lián)等值電路串聯(lián)等值電路 rCCIIrIItgSScr/222222222211/1tgtgCurCrCUCrrUrIPSSSS4.討論介質(zhì)損耗的意義討論介質(zhì)損耗的意義 n設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意到絕緣材料的tg 值。若tg 過(guò)大會(huì)引起嚴(yán)重發(fā)熱，使材料劣化，甚至