高电压技术1

§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
1

）
电导形式 金属导体 （自由电子）电子电导 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
电导率
很大
r 很大 r 很小
' ' eq
个介质的等值电容为 。 分界面上堆积的电荷量为+4-1＝+3。
'' eq
Q' 4 C U 3
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。
(2)计算用等效电路（或简化等效电路）（从工程实际测量出发）
2 1 2CP RP Geq R1k 1 (CP RP ) 2
CP Ceq C g 1 (CP RP ) 2
(3) 相量图
——介质损耗角 ——功率因数角 ＋ ＝ 90°
Jr tg Jc
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。
(4)损耗功率的表达式
P UI R UIC tg U 2Ctg
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。
二、影响介质电导的因素
(1) 温度
Ae

B T
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E
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
电介质 电极
E
U
U
图l-3 偶极子的转向极化
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。
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 2 分布，如图1-5(a)所示．整个介质的等值电容为 C Q 。 U 3 到达稳态时，电容上的电荷和电位分布如图l-5(b)所示。整
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）。
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。
几乎 没有
有 有
离子的相对偏移
偶极子的定向排 列 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 D 0 E
式子中 E——场强矢量 m ； D——电位移矢量，即电通量密度矢量 C
m2
V
，
D与E同向，比例常数 0 为真空的介电常数
1 1 12 0 8 . 854 10 F m 9 9 4 8.9880 10 4 9 10
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。
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
电介质极化种类及比较
极化类型 电子式极化 产生场合 任何 电介质 所需时间 10-14~10-15S 能量 损耗 无 产生原因 束缚电子运行轨 道偏移
离子式极化
偶极子极化 夹层极化
离子式结构 电介质
极性 电介质 多层介质的 交界面
10-12~10-13S
10-10~10-2S 10-1S～数小 时
North China Electric Power University
高电压技术
谢红玲
高压教研室
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。
2. 在介质中, D 0 r E D与E同向， r 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 0 r ， 的量纲和单位与 0 相同。 通常，
二、气体介质的相对介电常数 ①一切气体的相对介电常数 r 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。
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）。
§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） Rlk ——泄漏电阻，代表电导损耗。 Cg ——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。 R p ——有损耗极化形成的等效电阻. 代表各种 C p ——有损耗极化形成的等效电容. 有损耗极化
i
I15 i i2 i1 15 i3 60 t(s)
I60
四、空间电荷极化
G1 G2
C1
C2
U
图1-4 双层电介质的极化模型
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。
(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，Fra Baidu bibliotek以降低介质表面电 导。
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 第二节 第三节 第四节 电介质的极化 电介质的介电常数 电介质的电导 电介质中的能量损耗
§1. 电介质的极化、电导和损耗
§1.0 电力系统的绝缘材料
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
§1.1 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。
一、 电子位移极化
E
R
i -q O’
R
q
O
图1-1 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。