高電壓技術(shù)-絕緣部分

高電壓技術(shù)-絕緣部分第一篇電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度

第二篇電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)第三篇電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合緒論一．輸電電壓的劃分標(biāo)準(zhǔn)：

高壓（HV）：35～220KV超高壓（EHV）：330～1000KV特高壓（UHV）：1000KV及以上

二．高電壓技術(shù)的研究對(duì)象及目的：

1．目的：為滿足電力系統(tǒng)不斷發(fā)展高電壓大功率遠(yuǎn)距離輸電的需要，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2．研究對(duì)象：

電氣設(shè)備的絕緣

①絕緣試驗(yàn)（固、液、氣體）——在電場(chǎng)作用下的電氣物理性能和擊穿的理論、規(guī)律。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)的過電壓

③過電壓及其防護(hù)——過電壓的成因與限制措施。

三．高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用：

1.醫(yī)學(xué)上：利用高壓脈沖體外碎石、治療癌癥；2.農(nóng)業(yè)：高壓靜電噴藥，高電場(chǎng)誘發(fā)變異在育種上的應(yīng)用；3.環(huán)保：高壓脈沖放電處理污水，電除塵技術(shù)；4.軍事上：大功率脈沖技術(shù)，電磁干擾、電子對(duì)抗；5.其它工業(yè)：靜電噴涂，高壓設(shè)備制造等。

第一篇電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度§1.電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗電介質(zhì)有氣體、固體、液體三種形態(tài)，電介質(zhì)在電氣設(shè)備中是作為絕緣材料使用的。電介質(zhì)的電氣特性分別用以下幾個(gè)參數(shù)來表示：即

介電常數(shù)εr——電介質(zhì)的極化電導(dǎo)率γ（或電阻率ρ）——電導(dǎo)

介質(zhì)損耗角正切tgδ——損耗

擊穿場(chǎng)強(qiáng)E——抗電性能§1.1電介質(zhì)的極化

一．極化的定義與作用：1．極化：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下發(fā)生的束縛電荷的彈性位移和極性分子的趨向位移的現(xiàn)象，叫極化。2．作用：削弱外電場(chǎng)。3．討論極化的意義：①選擇絕緣。②多層介質(zhì)的合理配合。③是研究介質(zhì)損耗的理論依據(jù)。④是電氣預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目的理論依據(jù)。⑤是研究靜電形成、靜電技術(shù)應(yīng)用的理論依據(jù)，防止靜電危害。

二.相對(duì)介電常數(shù)εr

——反映了極化的強(qiáng)弱

以平行板電容器為例，如下圖所示：

(a)極間為真空(b)極間放置固體介質(zhì)圖1-1極化現(xiàn)象

由上式可知，電容增大了。原因：極化的效果使平行板電容器的等值電容增大。公式中，——真空的介電常數(shù)，為8.86×10－14F/cm；

A——極板面積；d——極間距離；——介質(zhì)的介電常數(shù)。是綜合反映電介質(zhì)極化特性的一個(gè)物理量。

三、極化的形式/基本類型：

極化類型極化時(shí)間能量損耗極化彈性介質(zhì)類型/產(chǎn)生場(chǎng)合電子式極化極短10－14－10－15S無彈性所有電介質(zhì)離子式極化極短10－12－10－13S無彈性離子性電介質(zhì)（云母，陶瓷，玻璃等）轉(zhuǎn)向極化（偶極子極化）短10－10－10－2S有非彈性極性電介質(zhì)（分子正負(fù)電荷作用中心不重合，單個(gè)分子呈極性，如膠木，橡膠等）夾層極化長(zhǎng)10－1－104S有非彈性混和絕緣、多層介質(zhì)的交界面夾層極化以最簡(jiǎn)單的平行板電極間的雙層電介質(zhì)為例，對(duì)夾層極化作以說明：其電路圖如下圖所示，(a)示意圖(b)等值電路圖1-2直流電壓作用于雙層介質(zhì)

、、G1、C1、U1——第一層介質(zhì)的參數(shù)和電壓；、、G2、C2、U2——第二層介質(zhì)的參數(shù)和電壓。（1）在t=0瞬間突然合閘，（2）時(shí)（到達(dá)穩(wěn)態(tài)），電容相當(dāng)于開路（“隔直”）但是,可見有一個(gè)電壓重新分配的過程，亦即C1、C2上的電荷要重新分配?！纠}】設(shè)C1=1，C2＝2，G1=2，G2=1，U＝3

U1=2,U2=1t=0時(shí)，

(a)初瞬時(shí)(b)穩(wěn)態(tài)時(shí)U1=1，U2=2

時(shí)，堆積電荷＝－1＋4＝3【分析】隨著時(shí)間t的增加，U1減小，U2增大，這意味著C1要通過G1放掉一部分電荷，C2要通過G1從電源再補(bǔ)充一部分電荷，于是分界面上將積聚起一批多余的空間電荷，這就是夾層極化所引起的吸收電荷，電荷積聚過程所形成的電流稱為吸收電流。這種極化伴隨有能量損耗；由于高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)通常都是很小的，所以這種極化過程將是很緩慢的。所以，這種極化只有在直流和低頻交流電壓下才能表現(xiàn)出來?！?.2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。1.表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的物理量——電導(dǎo)率

（or：電阻率）電導(dǎo)形式電導(dǎo)率金屬導(dǎo)體（自由電子）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)、自身離解離子雜質(zhì)、離子電導(dǎo)很小很大2.電導(dǎo)率與溫度T的關(guān)系:

=f(T)或R=f(T)

TR在測(cè)量電介質(zhì)的電導(dǎo)或絕緣電阻時(shí)，必須注意溫度?！?.3電介質(zhì)的損耗一.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。等值電路：(1)細(xì)化等效電路（從物理概念出發(fā)）

——泄漏電阻，代表電導(dǎo)損耗。

——介質(zhì)真空和無損耗極化所形成的電容，代表介質(zhì)的無損極化。

——有損耗極化形成的等效電阻.代表各種

——有損耗極化形成的等效電容.有損極化(2)計(jì)算用等效電路（或簡(jiǎn)化等效電路）（從工程實(shí)際測(cè)量出發(fā)）(3)相量圖——介質(zhì)損耗角——功率因數(shù)角(4)損耗功率的表達(dá)式＋＝90°

§2.1氣體放電的物理過程一.概念：1.氣體擊穿；2.擊穿場(chǎng)強(qiáng)；3.沿面閃絡(luò)；4.擊穿（閃絡(luò)）電壓；二.帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失：

1.“電離”是氣體放電的首要前提：2.電離的幾種形式：

(1)光電離；(2)熱電離；(3)碰撞電離；(4)電極表面的電離?！?.氣體液體固體電介質(zhì)的擊穿特性3.帶電質(zhì)點(diǎn)的消失：(1)擴(kuò)散；(2)復(fù)合；(3)附著。當(dāng)電子與氣體分子碰撞時(shí)，可能會(huì)發(fā)生電子與中性分子相結(jié)合而形成負(fù)離子的情況，這種過程成為附著。易于產(chǎn)生負(fù)離子的氣體稱為電負(fù)性氣體。這個(gè)過程有時(shí)需要放出能量，有時(shí)需吸收能量。

負(fù)離子的形成不會(huì)改變帶電質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量，但卻使自由電子數(shù)減少，因此對(duì)氣體放電的發(fā)展起抑制作用。（或有助于提高氣體的耐電強(qiáng)度）。如SF6氣體對(duì)電子有很強(qiáng)的親和性，因此具有高電氣強(qiáng)度。三.均勻電場(chǎng)氣體的放電:1.概述：（1）電子崩外界電離因子在陰極附近產(chǎn)生一個(gè)初始電子，如果空間的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引起碰撞電離，產(chǎn)生出一個(gè)新電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新的碰撞電離，產(chǎn)生出更多的電子。依次類推，電子數(shù)將按幾何級(jí)數(shù)不斷增多，象雪崩似的發(fā)展,這種急劇增大的空間電流被稱為電子崩。

電子碰撞電離系數(shù)α，表示一個(gè)電子在走向陽極的1cm路程中與氣體質(zhì)點(diǎn)相碰撞所產(chǎn)生的自由電子數(shù)（平均值）。電子崩示意圖（2）自持放電、非自持放電：當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)小于某個(gè)臨界值時(shí)候，電子崩有賴于外界電離因素的原始電離才能持續(xù)和發(fā)展，如果外界電離因素消失，則這種電子崩也隨之逐漸衰減以至消失，稱這種放電為非自持放電。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)大于某個(gè)臨界值時(shí)，電子崩可以僅由電場(chǎng)的作用而自行維持和發(fā)展，不再依賴外界電離的因素，這種性質(zhì)的放電稱為自持放電。電離放電進(jìn)一步發(fā)展到氣隙擊穿的過程，隨電場(chǎng)情況的不同，可以分為“較均勻電場(chǎng)”和“不均勻電場(chǎng)”兩大類。電場(chǎng)的不均勻系數(shù)均勻電場(chǎng)=1不均勻電場(chǎng)>1稍不均勻電場(chǎng)<2極不均勻電場(chǎng)>22.

湯森德氣體放電理論：（1）適用條件：低氣壓、短間隙的電場(chǎng)中。（2）理論要點(diǎn)：電子碰撞電離和正離子撞擊陰極產(chǎn)生的金屬表面電離是使帶電質(zhì)點(diǎn)激增,并導(dǎo)致?lián)舸┑闹饕蛩亍舸╇妷捍篌w上是的函數(shù)。（3）自持放電條件：表示一個(gè)起始電子經(jīng)上述一次過程后，能從陰極產(chǎn)生的新電子數(shù)不少于原有的那一個(gè)起始電子，這樣，以后過程顯然就可以不需要外界游離因素而自己持續(xù)下去了。這就是自持放電的條件，也就是氣隙擊穿的條件。外界電離因子陰極表面電離氣體空間電離氣體中的自由電子在電場(chǎng)中加速碰撞電離電子崩（α）過程陰極表面二次發(fā)射(γ過程）正離子圖2-1低氣壓、短氣隙情況下氣體的放電過程第三節(jié)自持放電放電條件放電過程（4）帕邢(巴申)定律-----帕邢(巴申)曲線及其含義實(shí)驗(yàn)求得的均勻場(chǎng)空氣氣隙帕邢曲線

如果在改變極間距離d的同時(shí)，也相應(yīng)地改變氣壓p,而使pd的乘積保持不變，則極間距離不等的氣隙的擊穿電壓Ub卻彼此相等。(5)標(biāo)準(zhǔn)大氣條件：

壓強(qiáng)P。=101.3KPa溫度濕度(6)湯森德放電機(jī)理的不足：a.只是在一定的范圍內(nèi)有效b.不均勻的電場(chǎng)中，該理論不適用。3.流注理論：（1）適用條件：高氣壓、長(zhǎng)間隙的電場(chǎng)中。[Pd>>26.66Kpa.cm]（2）發(fā)展過程：a.空間電荷對(duì)原有電場(chǎng)的影響；b.空間光電離的作用。（3）流注理論認(rèn)為：在初始階段，氣體放電以碰撞電離和電子崩的形式出現(xiàn)，但當(dāng)電子崩發(fā)展到一定程度后，某一初始電子崩的頭部積聚到足夠數(shù)量的空間電荷，就會(huì)引起新的強(qiáng)烈電離和二次電子崩，這種強(qiáng)烈的電離和二次電子崩是由于空間電荷使局部電場(chǎng)大大增強(qiáng)以及發(fā)生空間光電離的結(jié)果，這時(shí)放電即轉(zhuǎn)入新的流注階段。（4）理論要點(diǎn):電子碰撞電離和空間光電離是使帶電質(zhì)點(diǎn)激增，導(dǎo)致?lián)舸┑闹饕蛩?。并且充分的考慮了空間電荷對(duì)外電場(chǎng)的畸變作用。（5）自持放電的條件

:流注：這些電離強(qiáng)度和發(fā)展速度遠(yuǎn)大于初始電子崩的新放電區(qū)（二次電子崩）以及它們不斷匯入初崩通道的過程被稱為流注。四.不均勻電場(chǎng)的放電:1.不均勻電場(chǎng)的分類:(按電場(chǎng)不均勻系數(shù)分)稍不均勻電場(chǎng)、極不均勻電場(chǎng)。2.電暈放電：適用條件：曲率半徑小的電極。(1)外觀特征：電極附近空間發(fā)出藍(lán)色的暈光——電暈。(2)電暈放電是極不均勻電場(chǎng)所特有的一種自持放電形式。(3)電暈放電的危害：

a.聲、光、熱、化學(xué)反應(yīng)等引起能量損耗；b.電暈會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波，對(duì)無線電通信產(chǎn)生干擾。c.化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物具有強(qiáng)烈的氧化和腐蝕作用，所以電暈是促使有機(jī)絕緣老化的重要因素。(4)消除電暈措施：最根本途徑:設(shè)法限制和降低導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度。a.采用分裂導(dǎo)線，使等值曲率半徑增大。b.改進(jìn)電極的形狀，增大電極的曲率半徑，使表面光滑。(5)電暈效應(yīng)有利的方面：a.電暈可削弱輸電線上雷電沖擊或操作沖擊波的幅值和陡度；b.利用電暈放電來改善電場(chǎng)分布；c.利用電暈原理制造除塵器、靜電涂噴裝置、臭氧發(fā)生器等．3.極性效應(yīng)：（短間隙的擊穿）以棒—板間隙為例，從流注理論的概念出發(fā)，說明放電發(fā)展過程的極性效應(yīng)。（1）正極性：對(duì)放電發(fā)展有利。（2）負(fù)極性：對(duì)放電發(fā)展不利。五.提高氣隙擊穿電壓的方法：1.改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布；2.利用空間電荷改善電場(chǎng)分布；（如電暈）3.采用屏障；4.增高氣體；5.高真空的采用；（真空斷路器）6.采用高電氣強(qiáng)度的氣體。（如SF6氣體）§2.2氣隙的擊穿特性靜態(tài)擊穿電壓U?！L(zhǎng)時(shí)間作用在間隙上能使間隙擊穿的最低電壓。擊穿時(shí)間tb——從開始加壓的瞬時(shí)起到氣隙完全擊穿為止總的時(shí)間稱為擊穿時(shí)間。(1)升壓時(shí)間t0——電壓從零升到靜態(tài)擊穿電壓U0所需的時(shí)間。(2)統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts——從電壓達(dá)到U0的瞬時(shí)起到氣隙中形成第一個(gè)有效電子為止的時(shí)間。(3)放電發(fā)展時(shí)間tf——從形成第一個(gè)有效電子的瞬時(shí)起到氣隙完全被擊穿為止的時(shí)間。(4)t1=ts+tf

t1——放電時(shí)延2.標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波形：（兩種）(1)雷電沖擊電壓——為了模擬雷電電壓而制定的。a.標(biāo)準(zhǔn)的雷電沖擊全波：非周期的雙指數(shù)波1.2/50usb.截波：模擬雷電沖擊波被某處放電而截?cái)嗟牟ㄐ巍?shù)：視在波前時(shí)間截?cái)鄷r(shí)間截波峰值Uc；截?cái)鄷r(shí)間Uj標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓：模擬電力系統(tǒng)中的操作過電壓波,250/2500us參數(shù)：波前時(shí)間半峰值時(shí)間峰值允差3.50%沖擊擊穿電壓U50%和沖擊系數(shù)β：50%沖擊擊穿電壓（U50%)——指某氣隙被擊穿的概率為50%的沖擊電壓峰值。沖擊系數(shù)β——U50%與靜態(tài)擊穿電壓Us之比稱為沖擊系數(shù)β。均勻和稍不均勻電場(chǎng)下沖擊擊穿電壓的分散性很小，沖擊系數(shù)β≈1。極不均勻電場(chǎng)中由于放電時(shí)延較長(zhǎng)，沖擊系數(shù)β均大于1。4、伏秒特性

（1）概念：氣隙的伏秒特性——在同一波形，不同幅值的沖擊電壓作用下，氣隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時(shí)間的關(guān)系，稱為該氣隙的伏秒特性。伏秒特性曲線——表示該氣隙伏秒特性的曲線，稱為伏秒特性曲線。（2）伏秒特性曲線的制作：

保持一定的沖擊電壓波形不變，而逐級(jí)升高電壓，以電壓為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)，

電壓較低時(shí)，擊穿一般發(fā)生在波尾，取該電壓的峰值與擊穿時(shí)刻，得到相應(yīng)的點(diǎn)；

電壓較高時(shí)，擊穿一般發(fā)生在波頭，取擊穿時(shí)刻的電壓值及該時(shí)刻，得到相應(yīng)的點(diǎn)；把這些相應(yīng)的點(diǎn)連成一條曲線，就是該氣隙在該電壓波形下的“伏秒特性曲線”。實(shí)際上伏秒特性具有統(tǒng)計(jì)分散性，是一個(gè)以上下包線為界的帶狀區(qū)域。工程上，通常取“50%伏秒特性曲線”來表征一個(gè)氣隙的沖擊擊穿特性。（3）應(yīng)用：在保護(hù)設(shè)備和被保護(hù)設(shè)備的絕緣配合上具有重要的意義；是防雷設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備和被保護(hù)設(shè)備的絕緣配合的依據(jù)。舉例：如果一個(gè)電壓同時(shí)作用在兩個(gè)并聯(lián)的氣隙S1和S2上，其中一個(gè)氣隙先被擊穿了，則電壓被短接截?cái)?，另一個(gè)氣隙就不會(huì)再被擊穿了。這個(gè)原則如用于保護(hù)裝置和被保護(hù)設(shè)備，那就是前者保護(hù)了后備。設(shè)前者的伏秒特性以S2記之，后者的以S1記之