高电压技术教案

课题：第一章高电压绝缘

教学目的：使学生对气体放电有一个基本的认识、培养专业兴趣。重点：介质的绝缘性能。

难点：对介质绝缘性能的理解。

组织教学：点名。

复习旧课：

引入新课：基本概念

§1—1 概述

一、电介质的极化

极化的基本形式有：电子式极化、离子式极化、偶极子极化

1、电子式极化：

可以存在于液体、固体、气体中。

E=0时（对称的）对外不显电性，

E不等于0时（对称的）对外显电性。

特点：（1）极化过程快，10-15s且介电系数与电源无关。

（2）极化过程属于弹性，无损耗。

（3）其介电系数有负的温度系数。

2、离子式极化

（1）极化过程快，10 -13s，且介电系数与频率无关。

（2）极化过程属于弹性，无损耗。

（3）其介电系数有正的温度系数。

3、偶极子极化

极性电介质━由偶极子分子构成

特点：（1）极化过程长，10-10～10-2s，且介电系数与频率有关。

（2）极化过程属于非弹性，有损耗。

（3）其介电系数有关。

综述：

1）、气体的介电系数很小通常实践中介电系数约等于1，

2）、液体 ：a 、极性（3~6)，如：蓖麻油

b 、非极性（1.8~2.5)，如变压器油

c 、强极性（>10) ，如水、酒精

4、夹层式极化

组成：设备的绝缘由几种不同的材料组成

特点：1、进行过程特别长，

2、有明显的损耗。

等效图如右所示，过程分析： 在合闸瞬间：1

2210C C U U t =→ 到达稳态时：1

221

g g U U t =∞→ 若介质是均匀的，则C1/C2=g1/g2,可得

∞→→=t t U U U U 21210，

即合闸后两层电荷不会发生重新分配。 若介质不均匀，则合闸后C1、C2上的电荷要重新分配。设

C1>C2,g1U1，t=∞时，U1>U2，电荷要重新分配，

称为吸收电荷，相当于电容增大称为夹层电介质极化。

电介质极化的意义：

１、对于电容器而言希望εr 大，这样单位容量的体积和重量

可减小。但其它绝缘希望εr 小，可减小充电电流。

2、高压设备在使用时应注意各材料εr 的配合，介电系数小

的材料承受较大的电场强度；介电系数大的材料承受较小的电场

强度。

3、夹层介质极化现象在绝缘试验中，可用于判断绝缘受潮的

情况。

4、材料的介质损耗与极化形式有关。

二、 电介质的电导

1、绝缘电阻I

U R =

∞ I ──泄漏电流，也即电导电流 绝缘电阻对固体介质来说包括：绝缘电阻的体积绝缘和表面

绝缘电阻。

介质的绝缘电阻决定着介质中的泄漏电流，它将引起介质发热，加速绝缘老化。

2、电介质电导与电金属电导的区别

电介质电导──离子，电导小，电阻大，电导与温度成正比；金属电导──自由电子，电导很大，电阻很小，电导与温度成反比

3、直流电压下介质电流的变化

（1）i1 电容电流

（2）i2吸收电流，夹层式极化引起，过程长，衰减慢。

（3） I 泄漏电流，电介质电导引起。

介质电流 i＝i1+i2+I

4、气体介质电导。

在oa段可视为常数，通常气体绝缘工作在ab段，只要工作在场强低于其击穿值时，可不必考虑。

5、液体介质电导

构成液体介质电导的因素主要有两种：一是由液体本身的分子和杂质的分子离解为离子；另一种是液体中的胶体质点，吸附电荷后变成带电质点。

影响液体介质电导的因素主要是杂质和温度。

6、固体介质的电导。

分体积电导和表面电导。体积电导由本身离子和杂质离子构成。

与受潮及温度有关。

三、电介质的损耗

四、讨论绝缘电阻的作用

1、在预防性试验中的应用，以绝缘电阻值判断绝缘的优劣或是否受潮。

2、介质中的电压分布与电导成反比，设计时应合理使用绝缘材料

3、绝缘的使用环境，特是对湿度的要求。

4、并非所有场合需R很大。如半导体高压套管上的法兰附近的半导体釉，是为了改善电压分布，使电场更均匀。

小结新课：电介质的极化；电介质的电导；电介质的损耗

布置作业

P24页练习题

1-1

1-2

板书设计：

课题：第一章高电压绝缘

教学目的：使学生对气体放电有一个基本的认识、培养专业兴趣。重点：介质的绝缘性能

难点：对介质绝缘性能的理解

组织教学：点名

复习旧课：绝缘材料在电场的作用下会产生许多物理现象，如极化、电导电离、损耗和击穿放电等现象，本次课将介绍

电介质的极化；电介质的电导；电介质的损耗等内容引入新课：

§1—2 气体的绝缘性能

一、气体原子的激发与游离

激发：当原子由外界获得能量时，其电子可跃至能级较高的轨道。

游离：由外部获得的能量足够大，以致使原子的一个或几个电子脱离原子核束缚而成为自由电子与正离子

1、带电质点的产生

（1）碰撞游离

（2）光游离

（3）热游离

（4）负离子的形成

2、气体品带电质点的消失

（1）扩散

（2）复合

（3）定向运动

3、自持放电与非自持放电

（1）非自持放电需要外界游离因素的作用。

（2）自持放电无需外界游离因素的作用，放电仅靠电场作用得以连续下去。

起始放电电压：由非自持放电转入自持放电的电压

U＝U＝UB (击穿电压）（均匀电场，击穿场强约为30kV/cm）U ＝U （极不均匀电场中）＜＜U

二、汤逊放电理论

1、条件：低气压、小间隙。

2、理论实质：

非自持的三个阶段：o—a、a—b、b—c。

c 以后－－自持阴极表面产生游离（聚积）。

3、非自持→自持放电条件。

4、巴申定律：U＝f(pd)

压力增大，气体密度δ随之增大，电子在运动过程易与气体分子相碰撞，平均自由行程缩短，每次碰撞，由电子积聚的能量不足以引起气体分子的游离，因而击穿电压升高，反之，压力减小，δ减小，电子在运动过程中不易与气体分子碰撞。

5、汤逊理论的适用范围：低气压小间隙的放电现象。

6、汤逊放电理论解释大气压下放电的不符之处。

〈1〉放电时间：

以汤逊理论计算出的击穿时间与实际的击穿时间有很大不同，

〈2〉阴极材料的作用。

以汤逊理论，阴极性质在击穿过程中起重要作用，然而在大气压力下的空气中，间隙击穿电压与阴极性质无多大关系。

〈3〉放电形式。

以汤逊理论放电沿整个间隙是均匀放连续发展的，但在大气中气体击穿时，会出现有分枝的明亮细通道。

三、流注理论

以电子崩为基础发展的结果为基础

1、空间电荷对电场畸变作用。

2、光游离的作用。

3、正流注的形成。

4、负流注的形成。

5、用流注理论解释，大气中的放电。

（1）放电时间短。

（2）与阴极材料无关。

（3）放电形成。

四、极不均匀电场的放电过程。

（一）电晕放电

1、性质：极不均匀电场中所特有的自持放电现象。

2、定义：在曲率半径小的电极附近，电场强度将先达到引起游离过程的数值，间隙在这一局域形成的自持放电。

开始发生电晕时的电压称为电晕起始电压，电极表面的电场强度称为电晕起始电场强度。

3、现象：光、咝咝的放电声

4、危害：能量损耗，产生臭氧及氧化氮，引起电磁干扰

a、电能损耗

b、腐蚀电器材料

c、对通信线路产生干拢

(二）极性效应

1、棒为负－－板为正：

易形成电晕放电，自持放电易电形成，间隙击穿难形成（放电难形成）

UB电晕－低、放电电压UB－高。

2、棒为正－－板为负：

电晕放电难实现，不易形成自持放电，易形成放电。

UB电晕－高放电压UB－低。

棒极为正极性放电电压较棒为负极性时的放电电压为低。

3、棒－棒：

UB棒－棒＜UB棒－－板＋

（三）工频电压下的击穿

UB＝UB棒＋（直流）：击穿总是在棒为极性为正、电压达

到幅值时发生。

棒――棒间隙的平均击穿场强约为3.8Kv/cm（有效值）或5.36kVcm

棒――板间隙的平均击穿场强约为3.35Kv/cm（有效值）或

4.8kVcm

五、冲击电压作用下的空气击穿

1、冲击电压的定义

作用时间短暂的电压

2、冲击电压的标准波形

冲击波波形可由波头长度τ1及波长τ2加以确定，现用的波形参数为1.2/50μS

3、雷电冲击电压下50％击穿电压

由于完成击穿过程需要一定时间，所以间隙的冲击击穿特性和外施电压波形有关。

在实际工程中用50％冲击击穿电压，即在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，以反映间隙的耐受冲击电压特性。

4、伏秒特性

用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。

伏秒特性曲线和间隙电场的均匀程度有关。对于不均匀电场，平均击穿场强低，放电时延长，分散性亦大；对于均匀电场，平均击穿场强较高，流注发展较快，放电时延较短，其伏秒特性平坦。

伏秒特性对比较不同绝缘设备的冲击击穿特性有重要意义。单是50％冲击击穿电压不能充分说明间隙的冲击击穿特性，在考虑不同间隙绝缘配合时，为更全面反映间隙的冲击特性，就必须采用间隙的伏秒特性进行配合。

小结新课：气体非自持放电和自持放电；气体放电的汤逊理论、

流注理论。

布置作业：

P24页练习题

1-3

板书设计：

课题：第一章高电压绝缘

教学目的：使学生对气体放电有一个基本的认识、培养专业兴趣。重点：介质的绝缘性能。

难点：对介质绝缘性能的理解。

组织教学：点名。

复习旧课：气体非自持放电和自持放电；气体放电的汤逊理论、流注理论；熟练掌握汤逊理论、流注理论的适用条件，

流注理论和汤逊理论在解释大气压下气体放电现象的

区别。

引入新课：

§1—3 液体的绝缘性能

一、讨论液体介质的击穿过程

1、对纯净油┈┈碰撞游离理论

油中少量杂质在电场的作用下碰撞原子、导致液体介质的击穿。

很高

击穿过程U

B

2、含杂质（水份）油——“小桥”理论

由于水分或杂质的介电系数大，在电场作用下易沿电场方向排列，形成杂质小桥，当杂质小桥接通后电极后，将使泄漏电流增大，发热增多，因而又使水分汽化，气泡扩大，游离加强，最后可能在气体通道中形成击穿。

二、影响液体介质击穿因素

1、水份含量、温度等。

2、压力↑水份变为溶解状，击穿电压升高

3、纤维和其他杂质

4、电场均匀程度

a、纯净油改善电场均匀程度，击穿电压变化明显。

b、含杂质的油：时间↓，击穿电压提高，受电场影响小。

5、电压作用时间油间隙的击穿电压随电压的作用时间的增大而减小。

油的耐压实验加压1分钟，杂质的聚集，介质的发热所需时间。

油的净度及温度提高，电压作用时间对油的击穿电压影响减小。

三、提高液体介质击穿电压的措施。

1、过滤与干燥

白土、硅胶处理或压滤机过滤

2、祛气

将油中气体赶出来，密封性好

3、油和固体绝缘组合，防止小桥的形成，还可以改善电场分布

a、覆盖层

b、绝缘层，有耐电强度，阴止小桥形成更好的作用。

c、屏障：改善电场均匀程度，阻止小桥形成，也能提高油的Ub。

d、设多重屏障，长油道（长间隙）→短油道（短间隙）。击穿电压Ub↑小桥不易形成，缩小变压器的体积、造价。

小结新课：电介质的击穿的过程、影响因素。

布置作业：

板书设计：

课题：第一章高电压绝缘

教学目的：使学生对气体放电有一个基本的认识、培养专业兴趣。

通过学习应了解双层介质的电场分布；局部放电；应

掌握沿面放电的有关内容。

重点：固体介质的击穿；沿面放电的有关内容。

难点：固体介质的击穿；双层介质的电场分布；局部放电；

沿面放电。

组织教学：点名。

复习旧课：液体的电击穿、气泡击穿、悬浮粒子产生的击穿理论电介质的击穿的过程、影响因素

引入新课：

§1—4 固体的绝缘性能

一、固体介质的击穿

1、电击穿，固体介质在强电场作用下，碰撞游离，导致击穿。

特点：击穿过程快，击穿电压值高，介质温度没升高，击穿与环境温度无关。

2、热击穿，受电压作用，介质内部温度的吸热比发热快，最终丧失绝缘性能。

特点：与环境温度有关，击穿电压较低。

3、老化定义

设备运行时间很长以后，运行中其绝缘受到热、化学、机械作用，绝缘性能逐渐变坏，在电压去除后，介质不再恢复它原来特性，这过程称为老化。

造成老化原因，介质过热，放电发生气体腐蚀、机械撞击及不同温度系数的应力引起的损伤；或介质不均匀及电场边缘场强集中引起局部过电压。

4、电化学击穿：介质在电场作用下，又受介质发热、化学腐蚀、机械同时作用最终导致击穿。

二、影响液体介质击穿的因素及提高其电气强度的措

施。

1、电压作用时间：图2-19 时间较长→热击穿

2、温度：温度↑，Ub ↓强度大，时短→电击穿

图2-20 电瓷t=900C以前，与温度基本无关，直线关系

t>900C，Ub↓不同材料相同材料，不同厚度

3、电场均匀程度，图2-21

均匀致密材料，均匀电场击穿电压随温度斜线上升。

固体介质本身含杂质，不均匀电场，温度的变化增加 Ub 效果小

4、电压种类，交、直、冲击电压下

冲击电压>直流耐压>交流耐压

冲击系数，冲击击穿电压与工频击穿电压值比>1。

5、累积效应：

交流电压作用下，介质中含局部缺陷，下次再加电压便会击穿，击穿电压下降

6、受潮：Ub下降

7、机械负荷：Ub 由于介质出现裂纹而下降

电介质的其它性能

一、电介质的热性能

温度每升高8°C平均寿命减少一半

1、耐寒性，

2、耐热性，

3、耐弧性，

4、脆性材料──耐冲击稳定性

绝缘材料的耐热等级：

二、电介质的机械性能、吸潮、生化性能

1、机械性能

2、吸潮性

3、生化性能

§1—5 复合绝缘体的绝缘性能

一、介绍双层介质的电场分布

二、气体中的沿面放电

1.什么叫沿面放电

沿着固体介质表面的气体发生的放电

沿面放电电压通常比纯空气间隙的击穿电压要低

2.界面电场分布的三种典型情况

气体介质与固体介质的交界称为界面

(1).固体介质处于均匀电场中,且界面与电力线平行;

(2).固体介质处于极不均匀电场中,且电力线垂直于界面的分量比平行于界面的分量大得多;类似套管

(3).固体介质处于极不均匀电场中,且电力线平行于界面的分量以垂直于界面的分量大得多。类似支持绝缘子

3.均匀电场中的沿面放电

其放电特点:

(1).放电发生在沿着固体介质表面,且放电电压比纯空气间隙的放电电压要低.

其原因：a.固体介质与电极表面没有完全密合而存在微小气隙,或者介面有裂纹.

b.介质表面不可能绝对光滑,使表面电场不均匀.

c.介质表面电阻不均匀使电场分布不均匀

d.介质表面易吸收水分,形成一层很薄的膜,水膜中的离子在电场作用下向两极移动,易在电极附近积聚电荷,使电场不均匀

4. 极不均匀电场具有强法线分量时的沿面放电(套管型)

(1) 放电发展特点:

a.电晕放电

b.线状火花放电

c.滑闪放电

d.闪络放电

(2) 影响沿面放电因素分析

等值电路图如图1-17所示

a.固体介质厚度越小，则体积电容越大，沿介质表面电压分布越不均匀，其沿面闪络电压越低；

b.同理，固体介质的体积电阻越小，沿面闪络电压越低

c.固体介质表面电阻减少，可降低沿面的最大电场强度，从而提高沿面闪络电压

(3).提高沿面闪络电压措施

a.减少套管的体积电容。如增大固体介质厚度，加大法兰处套管的外经

b.减少绝缘的表面电阻。如在套管近法兰处涂半导体漆或半导体釉

5.极不均匀电场具有强切线分量时的沿面放电(支柱绝缘子型) 由于电极本身的形状和布置己使电场很不均匀，故介质表面积聚电荷使电压重新分布不会显著降低沿面闪络电压，为了提高沿面闪络电压，一般从改进电极形状，如采用屏蔽罩和均压环。

6.绝缘子串的电压分布；如图1-18所示，分析如下：

a.绝缘子片数越多，电压分布越不均匀

b.靠近导线端第一个绝缘子电压降最高，易产生电晕放电。在工作电压下不允许产生电晕，故对330kv及以上电压等级考虑使用均压环

7.绝缘子表面污秽时的沿面放电

户外绝缘子，会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污染，在干燥时，由于污秽尘埃电阻很大，绝缘子表面泄漏电流很小，对绝缘子安全运行无危险；但下雨时，绝缘子表面容易冲掉，而大气湿度较高，或在毛毛雨、雾等气候下，污秽尘埃被润湿，表面电导剧增，使绝缘子的泄漏电流剧增，降低闪络电压。

8.防止绝缘子的污闪，应采取措施

(1).对污秽绝缘子定期或不定期进行清洗

(2).绝缘子表面涂一层憎水性防尘材料

(3).加强绝缘和采用防污绝缘子

(4).采用半导体釉绝缘子

小结新课：固体介质的击穿和电介质的其它性能；固体绝缘材料的电击穿理论；热击穿理论；电化学击穿理论；双层

介质的电场分布；局部放电；沿面放电

布置作业：

P50页练习题

1-4

板书设计：

课题：第2章高电压下的绝缘评估及试验方法

第1节绝缘评估

第2节绝缘劣化

教学目的：通过学习应了解机械性能的要求；温度和热稳定的要求；化学稳定性；掌握高压设备的绝缘水平。通过学习

还应了解设备绝缘故障的分类；掌握老化（电老化、热

老化、机械老化、环境老化）

重点：高压设备的绝缘水平；老化（电老化、热老化、机械老化、环境老化）

难点：高压设备的绝缘水平

组织教学：点名

复习旧课：双层介质的电场分布；局部放电；沿面放电

引入新课：

§2—1绝缘评估

一.高压设备的绝缘水平

绝缘水平:设备耐受电压能力的大小称为绝缘水平,应保证绝缘在最大工作电压的持续作用下和过电压短时作用下都能安全工作.

在实际运行中应注意的事项:长期工作不得超过其最大工作电压检验手段:用短时工频过电压等效进行试验,判断其绝缘水平的高低.

二.机械性能的要求

三.温度和热稳定的要求

四.化学稳定性

§2—2 绝缘的劣化

一、电力设备的组成:导电材料\导磁材料\结构材料\绝缘材料组成.

二、绝缘缺陷

集中性缺陷:缺陷集中于绝缘的某一个或几个部分.

分布性缺陷:指由于受潮,过热,动力负荷及长时间过电压作用导

致的电气设备整体绝缘性能下降.

三、老化:绝缘在各种因素的长期作用下发生一系列的化学,物理变化,导致绝缘性能和机械性能等不断下降,最终导致电力设备绝缘击穿.

老化可分为:电老化,热老化,机械老化,环境老化

四、表征绝缘劣化的特征量:

直接表征绝缘剩余寿命的特征量如耐电强度,机械强度等

间接表征绝缘剩余寿命的特征量,如绝缘电阻,介质损失角正切,泄漏电流,局部放电量,油中气体含量/水分含量.

小结新课：机械性能的要求；温度和热稳定的要求；化学稳定性；

掌握高压设备的绝缘水平；设备绝缘故障的分类；老化

（电老化、热老化、机械老化、环境老化）

布置作业：

P44页练习题

2-1

板书设计：

课题：第2章高电压下的绝缘评估及试验方法

第3节绝缘评估的试验方法

第4节电气设备状态监测与故障诊断

教学目的：通过学习应掌握绝缘电阻的测量；泄漏电流的试验；

介质损失角正切值的测量；耐压试验；（试验原理试验

操作、测量方法及注意事项）。通过学习应了解电气设

备状态监测与故障诊断

重点：绝缘电阻的测量；泄漏电流的试验；介质损失角正切值的测量；耐压试验（试验原理）

1、实验目的

2、实验所需器材

3、实验内容

4、实验原理

5、实验接线图

6、实验步骤

7、实验电压的测量

8、实验注意事项

（本试验内容见高压试验指导书）

难点：绝缘电阻的测量；泄漏电流的试验；介质损失角正切值的测量；耐压试验（试验原理）

组织教学：点名

复习旧课：设备绝缘故障的分类；老化（电老化、热老化、机械老化、环境老化）

引入新课：

§2—3

一、试验作用：

发现电气设备绝缘内部隐藏的缺陷，以便在进行设备检修时加以

消除。

缺陷的分类：一类为集中性的缺陷；另一类为分布性缺陷（指电

气设备整体绝缘老化、变质、受潮能力下降）

二、设备（试品）缺陷原因：

⑴、厂家生产制造所致。

⑵、长期运行。

三、试验分类：

⑴、破坏性试验：试验电压大于正常额定电压，有积累效应。

⑵、非破坏性试验：试验电小于正常额定电压。对设备的考验不够严格，无积累效应。特点是在较低的电压下或者是用其他不会损伤绝缘的办法来测量绝缘的各种特性，从而判断绝缘内部的缺陷。四、预防性试验的常测项目：

⑴、绝缘电阻的测量及吸收试验。

⑵、tgδ值的测定。

⑶、局部放电实验。

⑷、油的色谱分析。

⑸、交流耐压实验。

⑹、直流泄漏及耐压试验。

⑺、接地电阻的测量。

一、绝缘电阻的测量

做为最简单最常用的非破坏性试验。

直流电压作用介质时，通过它的电流可包含三部分：泄漏电流、电容电流和吸收电流。用兆欧表去测量绝缘电阻变化：兆欧表内直流电压一定，故绝缘电阻与电流成反比。

当被试品有贯穿性缺陷时，反映泄漏电流的绝缘电阻明显下降。对于电容量大设备，可利用吸收现象来测量它们的绝缘电阻随时间的变化，以判断绝缘状况。

一.绝缘电阻和吸收比测量

(一).绝缘电阻的测量

1.兆欧表的工作原理如图2-2所示

2.作用

能发现绝缘受潮或有集中性的导电通道

3.接线

4.方法

规定以加电压后60秒测得的数值为该试品的绝缘电阻值.