高电压技术课程教案.doc

院 系： 电力工程系 教研室： 高电压与绝缘技术教研室 教 师： 高电压技术课程教案高电压技术课程教案课程名称高电压技术课程学分2.5课程属性必修课（ ） 专业选修课（ ） 校定公共选修课（ ）课程总学时40学时其中：讲课：32学时实验：学时先修课程电路；电磁场授课专业、班级电力系统及其自动化专业，电力04-1、电力042、电机041电子信息工程，电信041基本教材和主要参考书教材名称出版社作者出版时间高电压技术中国电力出版社周泽存等2004年7月参考书出版社作者出版时间高电压技术中国电力出版社赵智大1994年10月高电压绝缘技术清华大学出版社严璋朱德恒2002年3月电网过电压教程水利电力出版社陈唯贤1996年11月教学目的及要求该课程是理论与实践并重的一门课程，主要研究电力系统过电压产生机理及其限制措施和电介质的放电理论。目的是培养学生掌握电气设备绝缘及其试验和电力系统过电压及其防护两个方面的基本概念和主要知识，从而具有从事高电压技术工作的能力。基本要求如下： 1.掌握电介质主要电气特性的基本概念，了解电气设备绝缘结构的基本特性。2.掌握电力系统中雷电过电压和主要内部过电压的产生机理、防护措施等基本知识。3.掌握高电压试验和绝缘预防性试验中常用的高压试验装置及测试仪器的原理与用法，并具有一定的高电压试验能力。注：表中（ ）选项请打“”20052006学年第二学期授课计划上课时间安排1-8、1011周周二第二节、周五第二节上课地点实验楼301授课班级电力04-1、电力042、电机041、电信041学生人数109授课内容及学时分配章节主要内容学时1电介质的极化、电导和损耗1.1 电介质的极化 1.1.1极化的基本概念和效果11.1.2四种极化的基本含义及比较（存在场合，能量损耗和完成时间，列表讲述）1.2电介质的介电常数1.2.1介电常数的基本概念11.2.2气体、液体、固体介电常数的不同以及与温度、频率的关系1.3电介质的电导1.3.1与金属电导的区别1.3.2气体、液体、固体电导的特点，以及与温度的关系1.4电介质中的能量损耗1.4.1基本概念11.4.2等效电路、向量图、功率表达式1.4.3与温度的关系1.4.4应用2气体放电的物理过程2.1气体中带电质点的产生和消失2.1.1带电质点在气体中的运动12.1.2带电质点的产生2.1.3带电质点的消失2.2气体放电机理2.2.1汤逊理论（发展过程、自持放电条件、应用条件）1.52.2.2帕邢曲线及其含义、物理解释2.2.3流注理论（发展过程、自持放电条件、应用条件，对比汤逊理论）2.3电晕放电2.3.1电晕放电的基本物理过程0.52.3.2 电晕放电的效应，消除措施2.3.3 电晕放电的优缺点2.4不均匀电场气隙的击穿2.4.1短间隙击穿12.4.2极性效应2.4.3长间隙的击穿（先导）2.5气隙的沿面放电2.5.1基本概念12.5.2影响因素（重点是污秽）2.5.3提高气隙的沿面放电电压方法授课内容及学时分配（续）章节主要内容学时3.气隙的电气强度3.1气隙的击穿时间23.2气隙的伏秒特性3.2.1基本电压波形3.2.3伏秒特性的定义、制作和应用3.3大气条件对气隙击穿电压的影响3.4各种电场在不同电压下的击穿电压3.5提高气隙击穿电压的方法4固体、液体绝缘的电气强度4.1固体电介质的击穿特性4.1.1固体击穿理论：电击穿、热击穿14.1.2影响固体击穿电压的因素4.1.3提高固体击穿电压的方法4.1.4固体电介质的老化4.2液体电介质的击穿特性4.2.1液体击穿理论：电击穿、热击穿4.2.2影响液体击穿电压的因素4.2.3提高液体击穿电压的方法4.2.4液体电介质的老化5电气设备绝缘试验（一）5.1测定绝缘电阻5.1.1兆欧表原理、接线15.1.2绝缘电阻、吸收比、极化指数5.1.3可发现的缺陷5.2测定泄漏电流5.2.1测量原理、试验接线25.2.2微安表的位置5.2.3可发现的缺陷5.3 测定介质损耗因数5.3.1测量原理、试验接线5.3.2正、反接线的使用场合5.3.3抗干扰措施6电气设备绝缘试验（二） 6.1 工频高压试验26.2直流高压试验6.3冲击高压试验7线路和绕组中的波过程7.1无损耗单导线线路中的波过程7.1.1微分方程的推倒27.1.2波过程的四个基本规律7.1.3波阻抗和波速的概念7.2行波的折射与反射7.2.1折、返射定理和推倒7.2.2彼得逊法则7.3行波通过串联电感和并联电容27.4行波的多次折、反射7.9变压器和旋转电机绕组中的波过程28.雷电及防雷装置8.1雷电参数18.2 避雷针、避雷线的保护范围8.3 避雷器8.3.1工作原理8.3.2氧化锌避雷器的特点8.4 接地装置8.4.1基本概念授课内容及学时分配（续）8.4.2接地种类8.4.3接触电阻和跨步电压9. 输电线路的防雷保护9.1耐雷水平的定义19.2雷击塔顶时耐雷水平的推导9.3输电线路的防雷措施10.变电站与发电厂的防雷保护10.1发、变电站的直击雷防护 210.2变电站对入侵雷电波的防护10.3变电站进线段保护210.4旋转电机的防雷保护11.内部过电压11.1工频电压升高211.2铁磁谐振过电压11.3空载线路合闸过电压11.4切断空载线路过电压11.5切断空载变压器过电压11.6断续电弧接地过电压12试验12.1高压实验入实验室教育212.2工频高压实验12.3冲击高压实验212.4冲击电流实验12.5绝缘电阻、吸收比和泄漏电流的测量212.6介质损耗角正切的测量213复习课复习课及习题讲解2授课内容要点章节1. 电介质的极化、电导和损耗1.1电介质的极化1.2电介质的介电常数 1.3电介质的电导1 电介质极化的四种基本类型1） 电子位移极化2） 离子位移极化3） 转向极化4） 空间电荷极化重点讲述这四种极化的概念和各自的特点，建议画表对比讲述2 电介质的介电常数1） 介电常数的物理意义和相对介电常数的概念2） 了解气体、液体、固体介电常数的不同以及（简讲）与温度、频率的关系。3 电介质的电导1） 电介质的电导和金属电导的区别2） 气体、液体、固体电导的特点，强调与温度的关系，其它关系简讲。章节1点介质的极化、电导和损耗1.4电介质中的能量损耗1. 介质损耗的基本概念 1）损耗的概念 2）结合图142讲述介质的非简化的等值电路，解释其各支路电路元件的意义 并画出其向量图，指出介质损耗角 3）介质的简化等效电路和向量图，介质中损耗功率表达式2气体，液体，固体介质中的损耗与温度的关系，其它关系简讲 章节2气体放电的物理过程2.1气体中带电质点的产生和消失1. 气体中带电质点的产生 1）简单讲述原子的核外电子跃迁，激励和反激励的物理过程及几个基本概念2）电离的四种基本形式 讲述各种电离方式的基本原理，物理过程，公式可不讲3）金属表面电离的4中形式4）负离子的形成2气体中带电质点的消失 带电质点消失有3种方式 章节2气体放电的物理过程2.2气体的放电机理1. 放电的基本过程的概述可以均匀电场为例，讲述在电压逐渐增加的过程种，极板间的电流的变化规律和放电现象，在这个过程中引出电子崩，自持放电，非自持放电等重要的概念。2. 汤森放气体放电理论1） 说明该放电理论的使用范围2） 解释3个系数的意义3） 从数学的角度推导得到电极间电子的变化规律和自持放电条件1 结合图223说明帕邢曲线及其含义2 说明汤森放电理论的不足定性的解释为什么在长间隙高气压下的放电，利用汤森放电理论不能很好的解释的原因。3 流注放电理论1） 结合图224说明空间电荷对原电场的畸变作用空间电荷大大加强头部的电场，也加强了尾部的电场，但减弱了中间部位的电场。 2） 结合图225说明正流注的放电发展过程，对比汤森放电理论，说明这两种放电理论的不同。3） 自持放电的条件和使用范围章节2气体放电的物理过程2.3电晕放电 2.4不均匀电场的击穿1. 电晕放电的放电现象说明其是极不均匀电场中的一种自持放电，伴随发声，发光等现象2. 电晕放电的物理过程说明其放电具有脉动性，并简单的加以解释3. 电晕放电的几种效应和减少电晕放电危害的措施1）有害的一方面2）有利的一方面3）结合工程实际说明减少这些危害的具体措施4 不均匀电场的击穿1） 短气隙的击穿解释击穿过程中存在极性效应的原因及在实际中的应用。建议结合赵智大编的那本教材来讲解，重点分析空间电荷对原来电场的畸变，并要说明极性效应在电晕放电阶段和流注放电阶段其效应的不同。2） 长气隙的击穿简单讲解击穿的几个过程：先导放电，迎面先导，主放电5 长间隙的预放电现象简单说明一些预放电的现象章节2气体放电的物理过程2.6 气隙的沿面放电 3.7影响气体沿面闪络电压的因素 3.8提高气隙沿面闪络电压的方法1. 沿面放电的概述 1）闪络的概念 2）与纯气体放电相比，沿面放电的特点 分析为什么沿面放电比同样间隙的纯气体间隙的击穿电压要低2具有强垂直分量和弱垂直分量两种情况下的沿面放电现象 重点分析具有强垂直分量情况下的放电的特点和过程，建议结合赵智大编的那本教材来讲解。 结合图265说明套管绝缘子的等效电路，让学生了解比电容，法兰等概念 说明抑制沿面放电发展的措施。3影响气体沿面放电电压的因素 1）电场状况和电压波形 2）气体的条件 3）介质表面的状况 重点讲述介质表面有污秽物时的放电现象和过程，电力系统污秽等级的划分，几个概念也要重点解释：污闪，等值盐沉积密度，污层电导率，爬电比距4污闪最易发生的大气条件和提高污闪的一些措施 说明污闪为什么在毛毛雨，细雨等气象条件下最容易发生5提高沿面放电的一些具体措施 可结合清华大学编的高电压与绝缘技术以及赵智大编的高电压技术来讲解。 章节3气隙的电气强度 3.1气隙的击穿时间1静态击穿电压2击穿时间组成升压时间，统计时延，放电发展时间3放电时延组成 放电时延统计时延放电发展时间3.2气隙的伏秒特性1电压波形 直流电压，工频交流电压，雷电冲击电压，操作冲击电压2伏秒特性1）概念：伏秒特性曲线，50冲击击穿电压，冲击系数；2）伏秒特性曲线的制作：保持一定的波形而逐级升高电压，电压较低时，击穿一般发生在波尾；电压较高时，击穿一般发生在波头。3）统计分散性3应用在保护设备和被保护设备的绝缘配合上具有重要的意义。是防雷设计中实现保护设备和被保护设备的绝缘配合的依据。 举例3.3大气条件对气隙击穿时间的影响1标准大气条件压强P。=101.3KPa 温度 湿度2影响1）气隙的击穿电压随着大气密度或湿度的增加而升高； 2）大气校正因数Kt 空气密度校正因数，空气湿度校正因数思考 1为什么气隙的击穿电压随空气密度的增大而升高？2为什么气隙的击穿电压随湿度的增大而升高？3.4电场在不同电压下的击穿电压1较均匀电场气隙的击穿电压1）在均匀电场中，击穿电压与电压极性无关，且起始放电电压就等于气隙的击穿电压。不同电压波形作用下，击穿电压实际上相同，且分散性很小，对于空气，可以用以上的经验公式表示：2）稍不均匀电场稍不均匀电场的典型的电场结构型式有；球球、球板、圆柱板、两同轴圆柱、两平行圆柱、两垂直圆柱等。对这些较简单的、有规则的、较典型的电场，有相应的计算击穿电压的经验公式或曲线，而用时，可参阅有关的手册和资料。3）影响稍不均匀电场间隙击穿电压的因素：电场结构、大气条件、还有邻近效应和照射效应。2不均匀电场气隙的击穿电压 1）不均匀电场的特征：各处场强差别很大，在所加电压小于整个间隙击穿电压时，可能出现局部的持续的放电。由于持续的局部放电的存在，空间电荷的积累对击穿电压的影响很大，导致显著的极性效应。2）对很不均匀电场，只要宏观上保持原有的电场布局和气隙最小距离不变，则电极的具体形状、尺寸和结构的改变，对击穿电压的影响不大。3）预先对几种典型的电场的气隙，如棒棒或线线、棒板或线板作出击穿电压和气隙距离的关系曲线，在工程上遇到的各种不均匀电场，其击穿电压可以参照与接近的典型气隙的击穿电压来估计。3.5提高气隙击穿电压的方法1改善电场分布2采用高度真空3增高气压4采用高耐电强度气体5SF6气体的应用思考作业 1什么叫气隙的伏秒特性曲线？它有什么作用，试举例说明。 2如何绘制气隙的伏秒特性曲线? 3试举例说明提高气隙击穿电压的各种方法。章节4.固体、液体绝缘的电气强度4.1固体电介质的击穿特性4.1.1固体电介质的击穿理论1电击穿2热击穿4.1.2影响固体击穿电压的因素1电压作用时间的影响2温度的影响临界温度（电击穿与热击穿的分界点）3电场均匀度和介质厚度的影响均匀电场、不均匀电场4电压频率的影响5受潮度的影响6机械力的影响7多层性的影响8累积效应的影响4.1.3提高固体击穿电压的方法1改进绝缘设计采用合理的绝缘结构，改善电极形状及表面光洁度，改善电极与绝缘体的接触条件，改进密封结构。2改进制造工艺3改善运行条件 注意防潮、防尘和有害气体的侵蚀，加强散热冷却4.1.4固体电介质的老化1环境老化 光氧老化、臭氧老化、盐雾酸碱等污染性化学老化2电老化3热老化 热老化象征，设备绝缘寿命与其工作温度之间的关系（蒙辛格热老化规则）作业1简述提高固体绝缘击穿电压的方法。2简述固体绝缘的热老化象征。章节4.固体、液体绝缘的电气强度4.2液体电介质的击穿特性4.2.1液体电介质的击穿理论1电击穿2热击穿 杂质击穿/小桥理论4.2.2影响液体击穿电压的因素1液体本身介质品质2电压作用时间3电场情况4温度5压强4.2.3提高液体击穿电压的方法1提高并保持油的品质2覆盖3绝缘层4极间障4.2.4液体介质的老化1变压器油的老化过程 油老化的现象和特征，老化的主要原因，老化过程2影响油老化的因素 温度，触媒，光照，电场3延缓变压器油老化的方法 装置油扩张器，装置隔离胶囊，将油与强烈触媒物质隔离，掺入抗氧化剂以提高油的安全性4变压器油的再生 酸碱白土法，氢化法 作业1简述提高液体绝缘击穿电压的方法。2简述液体的热击穿的发生过程。章节5电气设备绝缘试验（一）5.0电气设备绝缘试验概述1. 绝缘试验的必要性2. 绝缘试验的分类和相互关系1）. 破坏性试验（耐压试验）2）. 非破坏性试验（检查性试验）3）. 两类试验的关系3. 绝缘试验的用途： 1）. 交接、安装和调试 2）. 运行中定期检查4. 试验项目 1）. 绝缘电阻和吸收比的测量 2）. 泄露电流的测量 3）. 介质损耗角正切的测量 4）. 局部放电的测量5）. 油的气相色谱分析6）. 直流耐压试验7）. 交流耐压试验8）. 冲击耐压试验 章节5电气设备绝缘试验（一）5.1绝缘电阻和吸收比的测量1. 兆欧表的测量原理 1）. 兆欧表的构件、组成2）. 接线端子的用途画图P4-1讲述，注意接地端和屏蔽端的区别和联系。2. 绝缘电阻和吸收比的概念1）.结合电介质吸收曲线给出绝缘电阻和吸收比的概念。2）.根据测量结果判断绝缘优劣的方法：一般标准；横向和纵向比较。3）.判断的盲区（缺点）3. 极化指数的概念极化指数的概念的产生原因和适用对象章节5电气设备绝缘试验（一）5.2 泄露电流的测量3. 泄露电流测量与绝缘电阻和吸收比的测量的区别和联系结合发电机泄露电流变化曲线图4-2讲述4. 泄露电流实验原理1）.画接线图4-3，说明各个元件的名称和作用2）.微安表位置的选择，上接和下接微安表的应用场合和效果。章节5电气设备绝缘试验（一）5.3 测定介质损耗因数4. 测试电路1）.结合图5-3-2讲解基本电路原理图和电桥平衡原理，简要推导试品介质损耗角、的表达式。2）.产生干扰的原因和抑制措施。2. 测试功效 说明能有效发现的缺陷和不能发现的缺陷。章节6电气设备绝缘试验（二）6.1工频高压实验1. 工频高压实验原理接线图 1）结合图6-1-3说明图中各元件的名称和作用。 2）测试方法 章节6电气设备绝缘试验（二）6.2 直流高压实验1.结合图6-2-5和图6-2-7说明串级直流高压的产生原理章节6电气设备绝缘试验（二）6.3 冲击高压实验1.结合图6-3-3和图6-3-4、6-3-5说明串级直流高压的产生原理和波形参数的计算方法。章节7绕组和线路中的波过程 7.1无损耗单导线中的波过程1. 无损耗单导线的等值电路的建立说明电路种各个参数的物理意义2. 电路方程的求解1）解方程得到了通解后，说明解的意义，引出行波的概念2）波速和波阻抗的概念和计算表达式3）前（反）行波电压波，前（反）行电流波之间的关系3无损耗单导线波过程的四个基本方程4从电磁场的角度简要说明行波在无损耗单导线上的运动章节7绕组和线路中的波过程 7.2行波的折射与反射7.3行波通过串联电感和并联电容1行波折、反射规律 利用无损耗单导线波过程的四个基本方程和边界条件推导得到折射系数和反射系数的数学表达式，要理解其物理意义2分析线路末端开路、短路两种特殊情况下的行波的折反射规律3彼得逊法则 1）彼得逊法则的推导 2）彼得逊法则的应用 可结合例74习题来讲解该法则的应用4 无限长直角波通过串联电感结合图731和方程的求解来说明行波的变化规律5 无限长直角波通过并联电容可留做学生的课后思考题6总结串联电感和并联电容在降低入侵雷电波的幅值和陡度上的应用章节7绕组和线路中的波过程 7.4行波的折射与反射1行波经多次折反射后线路上的电压表达式结合图741逐步的求解得到2点的不同时刻的电压，将其电压叠加得到最终的电压值的表达式。2.分析Z1,Z2不同大小的情况下的2点的电压波形和最大的上升速率章节7绕组和线路中的波过程 7.9单相变压器绕组中的波过程1绕组等效电路的建立2初始电位分布 1）结合边界条件，得到末端开路和短路情况下的初始电位分布，可参看图793，注意两者的差别 2）入口电容的概念3绕组中的稳态电位分布和振荡过程 1）最大电位包络线的概念和求解方式 2）最大电位包络线的近似求解4改善绕组中电位分布的措施 1）补偿对地电容 2）增大纵向电容授课内容要点（以2学时为单元）章节8雷电及防雷装置 9输电线路的防雷保护8雷电及防雷装置1雷电参数雷电流的波形和幅值，表达式，雷暴日，雷暴小时。2避雷针的保护范围单支、多支、等高、不等高避雷针保护范围的计算。3避雷器保护间隙、管型避雷器和阀型避雷器的工作原理，氧化锌避雷器的工作原理及优点。4接地装置基本概念，接地种类，说明接触电压和跨步电压。9输电线路的防雷保护1输电线路雷击过电压类型和耐雷水平直击、绕击、反击、耐雷水平。2雷击塔顶时耐雷水平雷击塔顶时耐雷水平的推导。3输电线路的防雷措施雷击输电线路时8条防雷措施。 讨论问题1：雷电流与流过雷通道电流的区别和联系？ 问题2：在避雷针保护范围内是否绝对安全？问题3：氧化锌避雷器较之以前避雷器有更优异性能的原因是什么？它的缺点是什么？问题4：综述输电线路防雷的措施？重点与难点 1、非线性电阻在避雷器中的作用。2、直击、绕击和反击的理解？3、雷击杆塔塔顶时耐雷水平的推导。思考题 P286： 83作业1、说明避雷线的作用。为什么降低接地电阻、架设耦合地线可以降低线路的雷击掉闸率，后者用于什么情况？2、综述输电线路的防雷措施。章节10发电厂与变电站的防雷保护10.1发电厂、变电所直击雷保护 10.2变电所内阀型避雷器的保护作用10.1发电厂、变电所直击雷保护1独立避雷针直击雷产生电压计算避雷针没有装在架构上时，雷直击于避雷针上时过电压的计算。2架构避雷针直击雷产生电压计算避雷针装在架构上时，雷直击于避雷针上时过电压的计算。 10.2变电所内阀型避雷器的保护作用1被保护设备与避雷器直接相连时产生过电压的计算 被保护设备将承受与避雷器一样高的电压。2被保护设备与避雷器有一定距离时产生过电压的计算 被保护设备将承受比避雷器更高的电压。给定被保护设备的耐受电压、避雷器的残压及进波陡度时对最大保护距离的计算；给定被保护设备的耐受电压、避雷器的残压及最大保护距离时对进波陡度的计算。讨论问题1：什么时候用独立避雷针，什么时候用架构避雷针，雷击于两种类型的避雷针上产生过电压的不同？ 问题2：被保护设备与避雷器有一定距离时被保护设备承受更高的那部分电压与哪些因素有关？重点与难点 1、当被保护设备与阀式避雷器有一定距离时被保护设备承受更高电压的原因、承受电压的相关因素及对相关问题的计算。思考 P316：10-1；10-2 作业1、安装在终端变电所的220kV变压器的冲击耐压水平UWi945kV，220kV阀式避雷器的冲击放电电压Uis630kV。设进波陡度a450kV/s，求避雷器安装点到变压器的最大允许电气距离lmax？2、某一275kV系统，已知避雷器的残压为890kV