高电压技术1-6章.docx

高电压技术Chapter 1 电介质的极化,电导,损耗电介质:通常条件下导电性能极差的物质,电力系统中用作绝缘材料原理:电介质中正负电荷束缚的很紧，内部可自由移动的电子很少，因此导电性能差第一节.电介质的极化分类: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:电介质由分子和原子构成，原子是由带电的原子核和外围电子构成的1无外加电场:电子云中心与原子重合，无感应力矩2有外加电场:原子核向电场方向移动，电子云中心向反方向移动，原子核和电子云产生吸引力，当外加电场力与吸引力平衡时，产生一个稳定的感应力矩特点:极化速度快，无能量消耗 与温度无关二离子位移极化:电介质由正离子和负离子构成1无外加电场:各正负离子对构成的偶极矩彼此抵消2有外加电场:正离子沿电场方向运动，负离子沿反方向运动，两者产生吸引力，当吸引力等于电场力时平衡，产生了稳定电距特点:极化速度较快，有轻微的能量损耗 温度越高极化率越大三转向极化:电介质是极性电介质1无外加电场:正负电荷中心不重合，存在固有偶极矩，但分子热运动不规则，偶极矩排列方向无序，合成电距为零 2有外加电场:固有偶极矩有转向电场的趋势，顺着电场方向做定向排列，形成转向极化特点:速度慢 能耗较大 受温度影响（热运动）四空间电荷极化:由电质点在电介质上的移动形成的，电荷在介质中产生了新的分布，从而产生电距1被晶格缺陷捕获 2在两层介质的介面上堆积特点:极化速度慢（仅适用于低频）能耗大与温度无关第二节.电介质介电常数一. 介电常数的物理意义介电常数:介质在有外加电场时,会产生感应电荷,从而导体内部削弱电场,即外加电场与介质中电场之比二. 气体电介质的相对介电常数气体分子距离大,极化率小,相对介电常数接近于1影响因素:随温度升高减小 随电压增大而增大三. 液体电介质的相对介电常数1中性液体介质(石油,苯,四氯化碳,硅油)相对介电常数不大1.8-2.82极性液体介质(蓖麻油) 优点:介电常数大,绝缘能力强 缺点:在交变电场中介质损耗大影响因素:温度:i)低温:分子间的黏附力强，转向极化弱，介电常数随温度升高而变大 ii)高温:分子热运动加剧阻碍转向极化，介电常数变小电场频率i)低频:转向极化跟得上电场交变转向，介电常数大 ii)高频:转向极化跟不上电场交变转向，介电常数小四. 固体电介质的相对介电常数1中性或弱极性固体介质:只有电子位移极化和离子位移极化，介电常数小2极性固体介质:有转向极化，相对介电常数大影响因素:受温度和电场频率影响情况同液体介质相似3-6第三节.电介质的电导一 气体电介质的电导产生:由气体电离出来的自由电子，正离子和负离子，在外加电场作用下丁香移动造成的1无外加电场:外界因素使1cm2气体每秒产生一对离子，在离子不断产生的同时，正负离子又在不断复合，达到动态品恒，电导小2有外加电场:离子在电场力的作用下和服与气体分子的阻力，移动速度为 v（离子迁移率b = v/E）当电场小时b=const较小，电导小，当电场较大，超过某一值，气体分子发生碰撞电离，电流密度迅速增大，绝缘被破坏，气隙被击穿，电导大*图Page5:1-3-1气体介质中电流密度J与场强E的关系二 液体电介质的电导1中性液体介质:理解微弱，电导主要对杂质敏感2极性液体介质:不仅由杂质引起，而且与本身分子的理解度有关，其电导大于中性液体介质的电导.极性液体介质的介电常数越大，电导越大，强极性液体介质不能看作电介质，而是离子式导电液影响因素:温度:随温度升高，电导变大电场强度:与气体电介质类似三 固体电介质的电导1中性固体介质（具有中性分子的固体介质）:电导由杂质决定2极性固体介质（离子式结构的固体介质）:由离子在热运动影响下脱离晶格移动产生1）无外加电场:离子移动是无序的，不形成电流2）有外加电场:离子在电场方向上，获得一定的速度形成电流影响因素:温度:随温度升高电导变大电场强度:在电场强度小于某值时,电导小,但大于临界值时,电导将急剧增大杂质:对电导率影响很大（eg:固体介质吸收潮气）第四节.电介质中的能量损耗一 介质损耗:介质在电场中消耗的能量稳恒电场:极化损耗低，介质损耗小，主要由漏电导产生交变电场:1极化速度远大于电场变化速度:极化损耗低，介质损耗小D=E 2极化速度与电场变化速度相当:极化损耗大，介质损耗大D=*E = （-j）E两边求导J=*Et=（-j）jE= jE +E= J+J(Et =|E|ejt =j|E|ej= jE)由此可知，复介电常数实部贡献武功电流密度，虚部贡献有功电电流密度.形成有功功率损耗是介质损耗的一部分介质损耗角 tan=Jr/Jc 越小越好电介质等效电路 Rlk电导损耗 Rp有功损耗 Cp无功损耗 Cg真空和无损耗极化所引起的电流密度（容性）*图Page8:1-4-1电介质中的电流密度和场强向量二 气体介质中的损耗特点:1极化率低2电导小，介质损耗小，但若场强过大，导致气体电离，则介质损耗大大增加三 液体和固体介质中的损耗中性:极化（电子式或离子式）损耗小，主要为电导损耗极性:电导式损耗和电偶式损耗（极性损耗）*图Page10:1-4-6松香油的tan与温度的关系Chapter2气体放电的物理过程第一节.气体中带电质点的产生和消失气体导电性:中性状态下气体不导电 气体中出现了带电质点（电子，离子）在电场作用下，气体导电，发生气体放电现象一 气体中带电质点的来源1气体分子本身发生电离2.气体中炫富的固体或液体金属发生表面电离电离:当外界加入的能量很大，使电子具有的能量超过最远轨道能量，电子就跳出原子轨道之外，成为自由电子（能级跃迁），使原来的一个原子变成一个自由电子和一个带正电荷的离子现象电离能:达到电离所需的最小能量3.电离分类:撞击电离光电离热电离表面电离撞击电离原理:欲使气体质点电离，必须给该气体质点以足够的能量，大于电离能，在撞击电离能中，能量有撞击质点给出撞击质点的能量:动能，势能1）无外加电场:质点的动能是分子热运动，不足以造成碰撞电离2）有外加电场:带电质点受到电场力的作用，在电场方向加速运动，积聚动能.若中途与别的质点碰撞，则失去已积聚的动能若积聚到足够的能量去撞击中性原子核分子则发生电离Ps:正负离子的体力比电子大得多，中途容易发生碰撞，因此，在电场中造成撞击电离的主要因素是电子光电离原理:光子的能量大于电离能光电子:由光电离产生的电子光子:i)高能射线（伦琴射线，射线，宇宙射线）ii)紫外线iii)复合和能级回归释放光电离在气体放电中起重要作用热电离原理:由气体的热状态，造成的电离，不是独立电离形式，包括撞击电离和光电离原因:在无电场作用下，温度升高，分子热运动加剧具有足够的能量，发生碰撞电离，高温时发生光电离表面电离原理:气体中的电子是从金属电极的表面电离出来的逸出功:电子从金属电极表面逸出所需要的能量远小于气体原子的电离能.因此，表面电离在气体放电中起重要作用表面电离所需能量来源:i)加热金属电极，热电子发射ii)在电极附近加上很强的外电场，强场发射或冷发射iii)用某些具有足够能量的质点撞击金属表面，二次发射iv)用短波光（高能）照射金属电极表面，光电子发射二 负离子:一个中性分子或原子与一个电子相结合，构成一个负离子离子的电离能力小于电子.因此，俘获自由电子而成为负离子这一现象，对气体放电的发生起阻碍作用，有助于提高气体的耐点强度三气体中带电质点的消失消失方式: 带电质点中和电量:带电质点受电场力的作用下而流入电极带电质点的扩散:这些质点会从浓度大的区域扩散到小的区域，而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程带电质点的复合:带有异号电荷的质点相遇发生电荷传递，中和而还原为中性质点的过程，复合时.原先在电离时吸收的电离能会以光子的形式释放，异号质点的浓度越大复合越强烈.因此，强烈电离区也是强烈的复合区，这个区的光亮度就越高第二节.气体放电机理一 概述1.研究内容:大气中不长间隙间的放电过程2.电子崩:（撞击电离雪崩式增加:漏电流撞击电离电子崩）在外加电场强度尚不能在气隙中产生碰撞电离时，气隙中电流是由外界电离因素引起的电子和离 子形成的.其数量小，是漏电流当气隙场强增大，气体中放生撞击电离，电离出来的电子和离子又加入撞击电离过程，于是电离的过程就如雪崩式增加，称为电子崩，电流也较大增加3.非自持放电:场强小于临界值Ecr，这种电子崩还必须依赖外界电离因素造成的原始电离才能维持和发展，若外界电离因素消失，则电子崩随之衰减至消亡4.自持放电:场强超过临界值Ecr，这种电子崩可仅由电场的作用而自行维持和发展，不必依赖外界电离因素5.临界场强:Ecr由非自持放电转入自持放电的场强6.临界电压:Ucr与临界场强对应的电压7.放电发展过程:(1)较均匀电场:各处场强差异不大，任意一处一旦形成自持放电，自持放电就发展到整个间隙.气隙被击穿击穿电压:使气隙能够击穿的电压 击穿电压Ub临界电压Ucr(2)不均匀电场:棒-板电极（典型，点对面）电压较低时，棒端场强已超过Ecr，棒端附近发生自持放电，离棒端稍远处场强已经大为减少，故此电离只局限在棒端附近的空间，而不能拓展开来.该区域内所形成的离子在复合时将辐射出光子，人眼可见.有均匀稳定的发光层笼罩在电极周围（光晕）电压较高时，i)电极间距小，电晕放电直接转化为整个间隙的火花击穿ii)电极间距大，电晕放电刷形放电电弧当电源功率足够大时，火花击穿电弧二 汤森德气体放电理论1.内容:当Pd较小时，电子的撞击电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起主要作用，气隙的击穿电压是Pd的函数2.意义:考虑和讨论气体放电的物理过程是很基本的，具有普遍指导意义3.主要研究参数:(1)电离系数:表示一个电子在走向阳极1cm路程中与气体质点碰撞产生的自由电子数(2)电离系数:表示一个正离子在走向阴极1cm路程中与气体质点碰撞产生的自由电子数所以主要研究，(3)电离系数:表示一个正离子撞击到阳极表面时从阴极逸出的自由电子数(表面电离)假设在外界光照作用下，单位时间在阴极单位面积产生n个自由电子，在距离阳极为x的横截面上单位面积有n个电子飞过dx距离后，又产生dn个新电子，dn = nxdx 积分得 n = n0ex.到达阳极的电子n = n0ed,正离子数n-n0=n0(ed-1)14.假设在外界光照的作用下，单位时间在阴极单位面积上产生n0个自由电子，在距离阴极为x的横截面上，单位面积有n个电子飞过，这n个电子飞过dx距离后又产生了dn个新电子.dn = ndx，积分得n = n0e2x,到达阳极的电子数n = n0e2d,正离子数n n0 = n0(e2d-1).正离子到达阴极电离出的电子数n0r(e2d-1)。自持放电条件:r(e2d-1) = 1*图Page19:2-2-1放电发展规律的推导系5.巴申定律:击穿电压与Pd关系的曲线（U型）Ub=f(Pd)物理解释:d（极板间距），P（压强）在d不变时，i)P增大，电子相邻两次碰撞累积到足够动能的概率变小，Ub增大ii)P减小，电子在碰撞前，能够累积动能，碰撞次数少，Ub增大在P不变时，i)d增大，欲得到同样场强，电压必须增大，Ub增大ii)d减小，场强增大，但电子走完全程碰撞次数减小，故需增加电压，Ub增大*图Page21:2-2-3试验求得的均匀电场空气隙曲线6.适用范围 1均匀电场 2.Pd0.26cm5.较均匀电场流柱理论*图Page24:2-2-4/2-2-5/2-2-6/2-2-7/2-2-8过程 i)电子崩阶段:在阴极附近出现自由电子，在电场的作用下，在向阳极运动的过程中，不断发生碰撞电离形成电子崩.电子数和正离子数随距离增加呈指数增长.而电子的速度比正离子快得多，因此电子主要集中在电子崩的头部，而正离子缓慢向阴极运动.因此发生电子崩在发展过程中半径逐步增大，形成头部为球状的圆锥体纺锤体绝大部分电子集中在崩头，崩尾为正离子区空间电荷的畸变电场:电子崩头部和尾部的电场加强 电子崩内部的电场大大削弱 电子崩作用:畸变电场（改变电子崩内电场方向）放出光子（利于光电离） 外加电压:达不到击穿电压，电子崩最终消亡，不能转入自持放电 达到击穿电压，放电进入下一阶段（流柱阶段） ii)流柱阶段空间光电离:当电子崩走完整个间隙后，大密度头部空间电荷大大加强外部电场，向周围放射出大量光子二次电子崩（衍生电子崩）:空间光电离中光电子被主电子崩尾部的正电荷所吸引，在崩尾局部强化的电场中产生新的电子崩发展方向:向崩尾方向发展特点:主崩可自持发展，其余电子崩不能自持（1主崩处场强大2主崩发展成流柱后，屏蔽其他崩）正流柱形成过程:二次电子崩中的电子进入主电子崩尾部正空间电荷区，由于电场较弱，大多数形成负离子，电子崩空间由大量正负带点质点构成的等离子体流柱通道导电性良好，流柱头部是电子崩尾部形成的正电荷.因此，流柱头部前方会出现很强的电场流柱不断向阳极推进，且随流柱接近阴极头部电场越来越强，发展速度逐渐加快流柱发展到阴极，间隙被导电良好的等离子体通道贯穿，间隙的击穿完成速度3*108cm/s 光速的百分之一3自持放电条件:一旦形成流柱放电就可由本身的光电离而自行维持，即转入自持放电，流柱形成条件即为自持放电条件6.不均匀电场:间断放电第三节.电晕放电1.电晕:电离区的放电过程造成有咝咝的声音，有臭氧的气味，回路电流增加，有能量损失2.起始电压:产生电晕的电压3.工程实践意义:不利影响i)能量损失 ii)放电脉冲引起高频干扰iii)噪声iv)生物化学反应腐蚀 有利影响i)削弱雷电压冲击 ii)改善电场分布 iii)利用电晕高压电除尘第四节.不均匀电场气隙击穿(棒板电极)一.短气隙击穿1.正棒-负板:过程:i)电子崩向棒极发展，是从场强较弱的区域向较强的区域发展，有利于电子崩的发展ii)当电子崩进入阳极，在棒极前方留下正离子，加强了前方电场，有利于流柱的发展特点:流柱的发展是连续的，速度快，击穿电压小2.负棒-正板:过程:i)电子崩由场强较强的区域向较弱的区域发展，不利于电子崩的发展ii)电子崩留下的正电荷空间，加强了棒极附近电场却削弱了前方阳极空间电场，不利于流柱的发展特点:流柱发展是阶段式的速度慢，击穿电压高二.长气隙的击穿（不成熟，不完善）（d1m）1.正先导过程:（正棒-负板）过程:当间隙距离大，欲使间隙击穿，所加电压要很高，高的电压使棒极附近电场达到极高的值，使棒的前方空间产生强烈电离，发展电子崩和流柱.电离出的自由电子，能量大密度大，使该空间温度升至10E4K.造成热电离.在棒的前方造成炽热的等离子体通道，称之为先导通道.近似于把棒极电极延伸到了通道前端，近一步加强前方区域的电场，引起新的流柱，使先导通道不断加强，直到对面电极2.负先导过程:（负棒-正板）过程:当很高的电压加到间隙上，在负棒极前方空间立即发展大量负流柱，自由电子向板方向移动（大-小）电子被中性气体分子俘获，形成大量负离子.流柱中的正电荷加强棒极附近电场，使该区域强烈电离，继而发生热电离形成负先导通道.近似把棒极的电位延伸到通道的前端.但前方负离子行程的反向电场使区域的合场变弱，通道发展停滞.停滞期间，负电荷被电场力驱散，场强又重新变大，在场强前方形成新的流柱，使先导通道向前推进.上述过程重复发生，直至先导通道到达对面电极3.正负先导区别 正先导连续，负先导具有分级特性 正先导速度快，负先导速度慢（1/51/3）4.迎面先导过程:当负先导发展到接近对面电极时，流柱区前大量的负离子使平板电极附近的电场大大增强，导致从对面极板发出迎面的放电.开始为电子崩和流柱，随后形成迎面的正先导通道（多出现于负先导过程中）5.主放电过程:先导通道有较高的导电性，存在大量与棒极同号的空间电荷.当通道发展到对面电极时，大量正负电荷在通道内中和，这个过程沿着通道贯穿两极.三.区别1.长间隙:热 电离起重要作用2.短间隙:热热电离不起作用3.长间隙击穿场强Ebr小于短间隙击穿场强第五节.雷电放电（典型长间隙放电*自学*）第六节.气隙的沿面放电（爬电）一.概述1.概念沿面放电:沿着气体与固体（液体）介质分界面上发展的放电现象闪络:沿面放电发展到贯穿两极使整个气隙沿面击穿二.意义:实验表明，闪络电压不但低于固体介质击穿电压，且远低于气体戒指击穿电压三.分类:1.强法线 2.弱法线四.如何提高闪络击穿电压1.清洁固体介质表面 2.增大电极间距离Chapter 3 气隙的电气强度第一节.气隙的击穿时间一.概述击穿时间:从开始加压的瞬间到气隙完全击穿为止总的时间静态击穿电压U0:长时间作用在气隙上，能使气隙击穿的最低电压升压时间t0:电压从0升到U0所需时间统计延时ts:从电压到达到U0形成第一个有效电子为止的时间放电发展时间tf:从形成第一个有效电子到气隙完全击穿所需时间（短间隙tstf;长间隙tsS2, S2在S1下方,S2先击穿，消耗冲击电压，若有交集则无法保护三.气隙击穿电压的概率分布特点:符合正态分布，可用V50和变异系数Z表示耐受电压:确保耐受而不被击穿的电压100%耐受电压那难以测量，实际99% 第三节.大气条件对气隙击穿电压的影响一. 大气条件:气温,气压,湿度二. 对击穿电压的影响1.温度:温度高有利于气体电离和放电条件的形成,击穿电压低2.气压:气隙的击穿电压随着空气密度的增大而升高，随着空气密度的增大，空气中自由电子的平均自由程缩短了，不易造成碰撞电离3.湿度:气隙的击穿电压随空气湿度的增大而升高，水蒸气是电负性气体，易俘获自由电子形成负离子，使自由电子数量减少，阻碍电离的发展三.我国标准规定的大气标准条件压力:P0=101.3kPa温度:t0=20或293K绝对湿度:h0=11g/m3三. 气隙击穿电压矫正Uer = KdU0(标准大气条件下击穿电压)第四节. 较均匀电场气隙的击穿电压一.均匀电场气隙击穿电压的特点1.其实放电电压等于气隙的击穿电压2.击穿电压与电压极性无关3.空气的击穿电压（峰值）的经验公式Ub=24.48s+6.53(s)为空气的相对密度 s为气隙的距离标准条件下电气强度（峰值）约为302KV/cm二.稍不均匀电场的击穿电压特点1.不能形成稳定的电晕放电2.电场不对称时，极性效应不明显3.直流工频下的击穿电压（峰值）以及U50%冲击击穿电压都相同，击穿电压的分散性小4.击穿电压和电场均匀程度成关系极大，电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高三.电极类型1.球-球间隙2.球-板间隙3.同轴圆柱间隙第五节.极不均匀电场气隙的击穿电压一.特点1.影响气隙击穿电压的主要因素是间隙距离大2.选择电场极不均匀的极端情况典型电极 棒-极 电场分布不均匀，不对称棒-棒 电场分布不均匀，对称直流工频及冲击击穿电压的差别明显，分散性大，且极性效应显著工程上，击穿电压可以参考与接近的气隙的击穿电压来估计二.直流电压下得击穿电压特点:击穿电压与间隙距离近似成正比平均击穿场强 正棒-负板 4.5kV/cm 负棒-正板 5.4kV/cm 棒-棒10kV/cm*图Page57:3-5-1三种不均匀电场气隙直流1min临界耐受电压与气隙距离的关系三.工频电压下得击穿电压 *图Page58:-3-5-3长气隙和绝缘子串的工频50%击穿（和闪络）电压与气隙距离的关系特点:击穿在棒的极性始终为正，电压达到幅值时发生除了起始部分外，击穿电压和间隙距离近似直线关系棒-棒3.8kV/cm,棒板低饱和现象，距离加大，平均击穿场强明显降低，棒-板严重四. 雷电冲击电压*图Page58:3-5-4气隙的冲击击穿电压Ub与气隙距离S的关系特点:极性效应明显线-棒击穿电压可用棒-板代替五.操作冲击电压特点:正极性U50%都比负极性低，更危险长间隙在操作冲击电压作用下呈现饱和现象，尤其是棒-板波形波前时间对U50%有影响，呈U形曲线，在最小值点U50%低于工频击穿电压幅值U50%击穿电压分散性大第六节.提高气隙击穿电压的措施一.原理1.改善电场分布，使之尽量均匀，改变电极形状2.削弱气体中的电离过程二.方法1.改善电场分布增大电极和曲率半径 改善电极边缘，做成弧形 使电极具有最佳外形2.采用高真空（真空断路口）3.增高气压4.采用高耐点强度的气体（SF6 CCl2 F2）三.卤化物气体电气强度高的原因1.气体具有很强的电负性，容易俘获自由电子以形成负离子，削弱电子碰撞电离能力，又加强了复合过程2.气体分子量大，分子直径大，使电子的自由径程缩短，不易积累能量，减弱碰撞电离能力3.电子和气体分子相遇时，易于引起分子极化，增加能量损耗，从而减弱碰撞电离能力第七节.影响沿面闪络电压的因素影响因素电场状况和电压波形气体条件介质表面状态1表面粗糙度 2雨水 3覆冰 4污秽第八节.提高气隙沿面闪络电压的方法提高方法屏蔽屏障加电容极板 消除空气隙处理绝缘表面 改变局部绝缘体的电阻率强制固定绝缘沿面各点的点位附加金具Chapter4.固体和液体的电气强度第一节.固体介质的击穿机理一.概述（固体电介质的忒点）1.气固液三种电介质中，固体密度最大，故耐电强度最高2.固体电介质击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的绝缘普遍规律任何介质的击穿，总是从电气性能最薄弱的缺隙处发展起来的薄弱处电场集中介质不均匀二.分类（击穿原理）1.电击穿:在固体电介质发生碰撞电离的基础上，固体电介质中的少量电子，在电场作用下加速到一定程度碰撞电离出一定的数量，与晶格上得原子碰撞发生碰撞电离，从而发生了击穿，使介质失去绝缘性能2.热击穿:由于介质损耗的存在，固体电介质在电场中发出的热量多于散发的热量，介质温度不断上升.温度升高使固体电介质的电导变大，电流进一步增大使介质温度不点上升，电介质分解碳化，最终击穿形成导电通道A:t小于10s电击穿，复合伏秒特性（冲击电压）B:t10s-0.2s电击穿，长时间直流作用下特性（静态击穿电压）C:大于0.2热击穿三.固体电介质的击穿电压与温度关系1.温度临界温度 温度越高击穿电压越低tk:临界热击穿温度 ta:稳定平衡点 tb:不稳定平衡点 U2:临界热击穿电压曲线3 tattb最终热击穿临界温度特性:不是固体介质固有的物理常数与固体介质的厚度，冷却条件和所加电压性质有关四.在均匀电场中，在极短时间脉冲电压作用下，击穿电压与厚度成正比.长时间作用下，与厚度不成正比，具有饱和特性五.高频时固体击穿电压比工频时低很多Eg:0.1mm玻璃击穿电压 20kV(工频) 2-2.5kV(高频)且高频时击穿点不在电场大的边缘而在中心原因:高频时介质损耗大，产生热击穿第二节.影响固体电介质击穿电压的因素电压作用时间温度 电场均匀度和介质厚度电压频率受潮程度 机械力 多层性 累积效应:固体介质在脉冲电压下存在不完全击穿的现象,因为电压持续时间短,放电时间来不及扩张到整个介质,但不完全击穿,具有累积效应,介质击穿电压随不完全击穿次数增多而降低第三节.提高固体电介质击穿电压方法一.改进绝缘设计方法:1.采用合理的绝缘结构,使个部分绝缘的耐电强度与其所承担的场强配合2.对多层绝缘结构可充分利用中间多层电容屏蔽的作用3.改善电极形状表面光洁度尽可能使电场均匀,将边缘效应减为最少4.改善电极与绝缘体的接触条件,消除气隙或使接触气隙不存在电位差二.改善制造工艺方法:清除固体电介质残留的杂质气泡三.改善运行条件方法:注意防潮,防尘和各种有害气体的侵蚀,加强散热冷却第四节.固体电介质的老化一概述1.老化:电气设备的绝缘在长期运行的过程中灰发生一系列物理和化学变化,致使电气,机械及其他性能劣化物理变化:固体介质软化或溶解,以及低分子化合物或增塑剂挥发化学变化:氧化,电解,电离成新物质2.分类i)环境老化ii)电老化iii)热老化二固体介质的环境老化1.分类i)光氧老化（主要为紫外光的照射）ii)臭氧老化（电晕或局部放电）iii)化学老化（酸碱盐的腐蚀）三固体介质的电老化1.电老化:在电场长时间作用下逐渐使介质的物理，化学性能发生不可逆转的劣化,最终导致击穿2.分类i)电离性老化（交流）:表象:在电极边缘介质表面，介质夹层或介质内部存在某些电离，电晕，局部放电或沿面放电内因:固体介质中存在气隙和气泡原理:气体的介电常数小，气隙或气泡场强打，耐电强度低，首先电离，发生击穿危害:a.气隙会使局部电场畸变，使局部介质承受高场强b.带电质点撞击气泡壁，使绝缘疲劳损坏c.化学腐蚀产生O3 NO NO2老化形状:a树枝状b灌木丛状c栗子状直流电场老化性弱的原因:在直流电压作用下，气隙电离后，带电质点被驱赶到气隙两侧壁上，使气隙产生一附加电场，与原电场相反，削弱原电场作用，最终导致电离停止应用:愈多高压电气设备都讲局部放电水平作为检验其绝缘质量的重要指标ii)电导性老化（交流）表象:树枝状放电（水树枝）内因:固体介质中存在液态导电物质原理:当场强超过某定值时，导电物质沿电场逐渐渗入绝缘深处，形成近似树状，树叶状的泄痕，最终导致击穿水树枝与电树枝的比较:水树枝贯穿所需场强低iii)电解性老化（直流）:在直流电压长期作用下，即使所加电压远低于局部放电起始电压，但由于介质内部的电化学过程，介质逐渐老化，最终导致击穿（电池的原理）四.固体介质的热老化1.过程:热裂解，氧化裂解，交联及低分子挥发物逸出2.表象:介质失去弹性变脆，发生龟裂，机械强度降低，甚至有些介质变软变黏，失去定形，介质电气性能变坏3.绝缘寿命和工作温度的关系短时上限工作温度UL:超过此温度，绝缘急剧损坏工作温度每升高10，热绝缘寿命缩短一半设备绝缘寿命由热老化决定4.电介质的耐热等级（IEC）等级YAEBFHC温度90105120130155180180第五节.液体电介质击穿机理一.概述:液体电介质机理很不成熟，远不如对气体介质的研究，仅局限于定性研究二.分类:1.纯净液体电介质2.工程用液体电介质三.纯净液体电介质击穿机理与气体介质击穿过程相似，液体介质中总会有一些最初的自由电子，这些电子在电场作用下产生碰撞电离而未击穿，属于电击穿特点电击穿性质耐点强度大，强度高达106量级四.工程用液体电介质击穿机理（变压汽油）原理:液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成杂质的“小桥”，由于构成“小桥”的杂质电导大，使泄漏变大，发热增多，促使“小桥”附近水分汽化，形成气泡，由于气泡的介电常数和电导都比液体介质小得多.因此，气泡场强远大于液体场强，气体的耐点强度低，因此，气泡首先击穿，电流进一步增大，温度进一步升高，产生更多气泡.最终，液体电介质在气体通道中击穿，即使“小桥”尚未贯穿两极.这一过程与发热密切相关，属于热击穿，又称杂质击穿特点热击穿性质气泡击穿理论“小桥”击穿理论第六节.影响液体电介质击穿电压的因素一.试验方法:通常用标准试油器，按标准的试验方法测击穿电压，来衡量油的品质二.影响因素: 1.自身的品质因素:化学成分低含水量含纤维量含碳量含气量（析出氯化，酸增大）2.外在影响因素:电压作用时间（tUb）电场情况（均匀对Ub无太大影响）温度（干燥油T Ub潮湿油由于水分蒸发似正态分布）压强（PUb）第七节.提高液体电介质击穿电压方法一.提高和保持油的品质1.压力过滤法2.真空喷雾法3.吸附剂法二.覆盖:在金属电极上覆盖绝缘层RI三.绝缘层:在曲率半径小的电极上加绝缘层，防止形成局部放电四.极间障:放在电极间油隙中的固体绝缘板Chapter5.电气设备的绝缘试验（一）一概述分类按对设备造成的影响分类1.非破坏性试验（检查试验）:在较低电压下，或其他不会损伤绝缘的方法，测量绝缘的各种情况，判断绝缘内部缺陷包括i)绝缘电阻试验（万用表测电阻）ii)介质损耗因素试验iii)局部放电试验iv)绝缘油的气相色谱分析2.破坏性试验（耐压试验）:以等价或高于设备的正常运行电压来考核设备的电压耐受能力和绝缘水平优点:能保证绝缘有一定的绝缘水平或裕度缺点:试验可能会对绝缘造成一定损伤包括i)交流耐压试验ii)直流耐压试验iii)雷电冲击耐压试验iv)操作冲击耐压试验按设备是否带电分类1离线试验:被验设备退出运行状态特点:可进行破坏或非破坏性试验2在线试验:被验对象设备处于带电运行条件下，对设备的绝缘状况进行连续或定时监测特点:只能进行非破坏性试验，在线监测实际运行情况，判断准确性高第一节测定绝缘电阻试验1意义:绝缘电阻是反映绝缘性能的最基本指标之一2测量设备:兆欧表3测量原理*图Page133:5-1-1绝缘电阻表原理电路图MV= IVfV()MA= IAfA()MV=MA f(IAIV) IA= URx+RA+RA0= URx+RC IA=URV+RV0=URV f(RVRC+Rx)特点:与直流工作电压U无关（但若N太小则无法形成转动力矩）在不测量时，指针指向任何位置4兆欧表的分类（按直流电压U产生方式）摇表:手摇发电机供电 晶体管兆欧表:采用电池供电，晶体管震荡，经变压器升压，被压整流后输出直流电压5测量方法:静态测量:稳定绝缘电阻动态测量:电容充电的动态过程tR*图Page134:5-1-3某发电机在不同状态时用绝缘电阻表测得的绝缘电阻R值与时间t的关系吸收比:（普通电介质）用时间为60s与15s时测量的绝缘电阻之比k=R60s/R15s(1.3-1.5)约等于1极率指数P:(大容量设备)取绝缘体在加压10min 和 1min所测得的绝缘电阻之比P = R10min/R1min(1.5-2.0)6.其能发现的缺陷:总体绝缘质量欠佳绝缘受潮 两极间有贯穿性导电通道4绝缘表面情况不良7.不能发现的缺陷:局部缺陷（局部损伤，气泡，分层，脱开）绝缘的老化8.测量绝缘电阻时的注意事项:试验前后将试验品接地放电高压测试连线悬空，支撑物对测量无影响测量K和P应待电源电压稳定后接入试验品防止试验品向兆欧表放电，将其损坏（先断L）注意绕组的影响绝缘电阻与温度的关系第二节.测定泄漏电流试验1.测量方法:将直流高压加到被试品上，测量流经被试品绝缘的泄漏电流2.直流高压电源的要求:输出电压（幅值，脉动系数小于3%）输出电流（1mA以下，电压不减低）电源保护功能3.测量电路*图Page136:5-2-1测泄漏电流的电路图4.测试电路试品接地（危险）测量接地注意事项:包括了测绝缘电阻的注意事项电压保持时间1min，泄漏电流稳定5.试验优点:所加直流电压较高，可以发现一些兆欧表不能发现的缺陷直流电压在逐渐升高，所以观察电压，电流的线性程度线性刻度均匀，能准确读取第三节.介质损耗因素测量1.测量意义:介质损耗因素是表征绝缘在交变电压作用下损耗大小的特征参数2.交变电压下介质损耗角正切*图Page9:1-4-3正弦交变电场下电介质的计算用等效电路tg = |URq|U1Cq| = 1RqCq3.测量方法:瓦特表法电桥法（西林电桥测量法最通用） 不平衡电桥法4.西林电桥测量电路5.测量原理*图Page137：5-3-1通用电桥原理图平衡条件 Z1Z3= Z2Z4 Z1Z4 = Z2Z3Z1:被测电介质，Rx,Cx 1Gx+jCx;Z2:用CN 1jCN ; Z3:用可调电阻R3 1G3 ;Z4:R4可调 C4可调 1G4+jC4；1Gx+jCx1G4+jC4 = 1jCN1G3 GxG4 - 2CxC4 + j（CxG4+GxC4）= jCNG3GxG4 - 2CxC4 = 0 ；j（CxG4+GxC4） = jCNG31RxCx = C4R4 = tg; CxCNR4R3 R4取值 104/ =100 tg = 106C4(即调节电容可测)6.影响电桥测得准确度的因素:高压电源对桥体杂散电容的影响外界磁场的干扰7.解决方法:屏蔽8.其能发现的缺陷:受潮穿透的导电通道绝缘内气泡的电离，绝缘分层脱壳绝缘的老化劣化绝缘油脏污，老化9.不能发现的缺陷:局部损坏小部分绝缘老化，劣化个别绝缘弱点10.测试时应注意的问题:分部测试tg与温度的关系（TRtg） tg与试验电压的关系（绝缘好tg不变）护环与屏蔽的影响测试绕组时首尾相接（阻止在绕组上产生的高压）Chapter6.电气设备绝缘试验（二）第一节工频高压试验概述一.概述1.类型:交流耐压2.应用220kV以下设备3.试验方法*图Page153:6-1-3工频高压的测量4.试验时间:1min二.工频高压的获得1.设备:工频高压试验变压器2.特点:单相工作电压不允许超过额定电压间隙工作方式一，二次绕组变比高输出波形好自身绝缘性能好3.外形结构:单套管式:高电位端一大套引出，低电位端接地（安全电压）双套管式:高压绕组中点接地，两端通过两个套管引出（0.5安全电压）绝缘筒式:高压绕组中点接地，两端连在套筒两电极上（0.5安全电压）4.电压等级（kV）:5；10；25；35；50；100；150；250；300；500；750；5.串极变压器Ua1-b1 = Ua2-b2 = UA2-B2 = Ua3-b3 = 10kVU二次 = 50kV 则Up1 = 250kV Up2 = 750kV Up3 = 1250kV Uout = 1500kV6.调压方式自耦调压器移圈调压器用电动发电机组调压三.工频高压的测量1.测量电路直接测量 间接测量球隙测量 分压器配用低压仪表*图Page153:6-1-3工频高压的测量2.测量球隙（标定器，属于直接测量）测量原理:均匀电场短间隙伏秒特性曲线，分散性小，击穿电压稳定，不同间隙距离对应不同的击穿电压，S0.5D(球直径)测量方法:i)取连续三次击穿电压的平均值;ii)相邻两次击穿时间要大于30s;iii)各次击穿电压与平衡值之差小于3%;球隙电阻Rq作用:i)限制流过球隙的工频电流，不致灼伤球面;ii)防止球隙击穿时在试品上产生极陡的截波;iii)防止球隙高压侧局部击穿震荡对隙电阻Rq的要求:i)取1/V ;ii)有足够长度，防沿面闪络击穿;3.静电电压表（属于直接测量）测量原理:指示电压方均根值优点:i）输入阻抗高，对被测电路无影响;ii）测量频率范围宽0-1MHz量程 200kV注意事项:起始部分（1/4量程刻度粗略，应避开）4分压器配用低压仪表(间接测量)分类i）电阻型ii)电容型iii)阻容混合型测量:分布电容的影响四工频高压试验的注意事项在被试品的电容量大的场合，用工频高压试验时，会出现大的电容电流，这需要工频试验装置具有较大的容量,为避免这一情况,用直流高压代替第二节直流高压试验一概述1类型:直流耐压2试验方法*图Page164:6-2-1基本半波整流电路3试验时间:5-10min4试验放电:通过限流电阻反复放电几次，而后直接放电*图Pa