高电压技术 第一章讲义

绪论

高电压技术的产生和发展：

•有关高电压的几个著名试验

•1752年6月：富兰克林&风筝

•1895年11月：伦琴&X射线

•1919年：E.卢瑟福&元素的人工转变（a射线轰击氮原子）1945年威克斯勒尔和麦克米伦，电子回旋加速器等

•1931年：范德格拉夫起电机（1000万伏）

直到20世纪初高电压技术才逐渐成为一个独立的科学分支。当时的高电压技术，主要是为了解决高压输电中的绝缘问题。因此，可以这样说高电压与绝缘技术是随着高电压远距离输电和高电压设备的需要而发展起来的一门电力科学技术。

高电压技术：电力系统中涉及过电压、耐压、绝缘等问题的技术。如：

▲雷击变电所、发电厂的过电压及防护措施

▲绝缘材料的研制

▲合闸分闸空载运行以及短路引起的过电压

▲电气设备的耐压试验

一、研究意义

研究意义：如何将电能大容量、远距离、低损耗地输送，提高电力系统运行的经济效益，防止过电压，提高耐压水平，保持电网运行的安全可靠性。

二．研究内容：

1. 提高绝缘能力

电压等级提高，需要相应的高压电气设备，要对各类绝缘电介质的特性及其放电机理进行研究，其中气体放电机理是基础。

电介质理论研究——介质特性

放电过程研究——放电机理

高电压试验技术——高压产生、测量、检验，分预防性和破坏性

2. 降低过电压

雷击或操作→暂态过程→产生高电压→绝缘破坏→故障→防止破坏→恢复

研究过电压的形成及防止措施

高电压种类：大气过电压

内部过电压——操作过电压，暂时过电压

3. 绝缘配合

使作用电压的数值、保护电器的特性和绝缘的电气特性之间相互协调以保证电气装置的可靠运行与高度经济性。

三．学习要求

与电工及物理的基础理论，如电介质理论、电磁场理论、电路中的瞬变理论相关。内容涉及面广，经验公式多，文字叙述多，试验数据、图表多，实践性强

E 第一章 电介质的极化、电导和损耗

§ 1 — 1 电介质的极化

一、电介质简介

定义：电介质是指．通常条件下导电性能极差的物质，云母、变压器油等都是介质. 电介质中正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷极少，因此导电性能差。 电介质的作用：

1、 使导体与其他不同电位导体隔离；

2、 提供电容器储能条件；

3、 改善高电电场中的电位梯度。

电介质在电场作用下主要发生哪几种物理现象？常用哪些参数表示其相应的性能？ 电介质在电场作用下主要发生下列4种现象：极化、电导、损耗和击穿。常用相对介电系数r ε、电导率γ、介质损耗角正切δtg 和击穿电场强度j E ；分别表示其极化性能、导电性能、损耗性能和耐电性能。

二．电介质极化的基本类型

1 .电子位移极化（原子，分子）

2. 离子位移极化（离子结构的分子）

3 .转向极化（偶极子）

４.空间电荷极化（多层介质的夹层极化）

1 ．电子位移极化：

定义： 就是在外电场的作用下，电介质粒子中电子与原子核之间产生相对位移而引起了感应电矩。

特点：（１）此种极化存在于一切电介质中

（２）完全弹性，不引起能量损耗，正负电荷作用中心立即重合，整体恢复中性。所以这种极化不产生能量损耗，不会使电介质发热 （３）是瞬时建立的（约１０－14 ～１０－15 ｓ），即与外加电场的频率无关

粒子半径）；温度可改变介质密度，使介质的电子位移极化率随之变化。

图1－1 电子位移极化原理图

2．离子位移极化：

定义：固体化合物大多数属离子式结构，如云母、陶瓷等。无外电场时，各个离子对的偶极矩互相抵消，平均偶极矩为零。出现外电场后正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈极化，这就是离子式极化或称离子位移极化

特点：（１）该极化多存在于固态无机化合物中

（２）电场消失，极化也消失，伴有微量的能量损耗可忽略

（３）极化过程也非常快，（约１０－13 ｓ），所以与外加电场的频率无关

（４）温度上升，极化程度增加，故εr 有正的温度系数。

3．转向极化：

图1－2 转向极化原理图 定义：极性介质在外电场作用下，每个分子的固有偶极矩有转向与电场平行的趋势，受分子热运动的干扰，在某种程度上达到平衡，对外呈现宏观电矩。

特点：（１）存在于偶极电介质中，如：液体（水，乙醇），固体（纤维，涤纶）

（２）极化过程需要较长的时间（约１0－6 ～１0－2ｓ，ｆ很高时→转向不充分（跟不

上电场的变化）→极化率↓，即εr 也会下降。

（３）偶极分子的转向需要消耗能量，故伴有能量损耗（电场能→热能）

（４）与温度的关系过高或者过低时都会影响偶极子的极化。1、低温时，分子间吸附力强，转向困难，转向极化对极化总体极化贡献小；升温时，可以改变这一情况；2、温度过高时，分子的热运动加强，干扰了分子定向排列，减弱了转向极化。

４．空间电荷极化（夹层极化）

上述三种极化都是由于带电质点的弹性位移或转向而形成的

定义：空间电荷极化是由自由电荷（通常为离子）在电场中的运动所形成的。在不均匀电介质中或电介质中有晶格缺陷时，电场的作用使带电质点在电介质中移动，可能被晶格缺陷俘获或在两层电介质的界面上堆积，造成电荷在介质空间中新的分布，从而产生电矩。

实际意义：高压设备绝缘中往往采用不均匀介质材料

或复合型电介质其本质可用夹层极化来说明。

现以两层电介质模型为例

等效电路如右图：

分析：（１）在合闸瞬间，电流流过电容，电阻相当于开路

（２）经过一段时间达稳态后，电流流过R １、R ２,

电容相当于开路 Ｃ１和Ｃ２分界面上堆积的电荷量为＋４

－１＝＋３ 图1－3 两层电介质等效电路

结论: 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。

特点:（1）极化过程很缓慢（１／几十秒～几分钟～几小时） 夹层介质界面上电荷的积累通过介质电导Ｇ完成，高压绝缘介质电导Ｇ小所以极化慢。只在低频下有意义。

（2）此种极化伴随着能量损耗

（3）夹层极化效应：电荷堆积、等值电容增大。

U

U 电极

E