高电压工程 01

1、第一章第一章 电介质的基本电气特性电介质的基本电气特性 高电压工程基础高电压工程基础 主讲教师：田翠华高电压工程基础高电压工程基础第一篇 高电压绝缘及试验n1.1 电介质的极化n1.2 电介质的电导n1.3 电介质的损耗n1.4 电介质的击穿2第一章 电介质的基本电气特性高电压工程基础高电压工程基础3电介质通常称为绝缘介质或绝缘材料，在高电压工电介质通常称为绝缘介质或绝缘材料，在高电压工程中被广泛地用来程中被广泛地用来将不同电位的导体以及导体与地将不同电位的导体以及导体与地之间隔离开来，使其保持各自的电位之间隔离开来，使其保持各自的电位。 极化特性：相对介电常数极化特性：相对介电常数 r电导特

2、性：电导率电导特性：电导率 损耗特性：介质损耗因数损耗特性：介质损耗因数 tg击穿特性：击穿电场强度击穿特性：击穿电场强度 Eb电介质的定义及作用：电介质的定义及作用：电介质的电气特性：电介质的电气特性：高电压工程基础高电压工程基础41 1、电介质的极化和相对介电常数、电介质的极化和相对介电常数 极化：在外加电场的作用下，电介质中的正、负电荷将沿着电极化：在外加电场的作用下，电介质中的正、负电荷将沿着电场方向作有限的位移或者转向的现象场方向作有限的位移或者转向的现象 1.1 1.1 电介质的极化电介质的极化图图1-1 1-1 电介质的极化电介质的极化(a)(a)极间为真空极间为真空 (b)(b

3、)极间放入介质极间放入介质高电压工程基础高电压工程基础5介电常数、相对介电常数：介电常数、相对介电常数：平行平板电容器在真空中的电容量为平行平板电容器在真空中的电容量为当极板间插入固体介质后，电容量为当极板间插入固体介质后，电容量为 式中：式中： A极板面积，极板面积，cm2； d极间距离，极间距离，cm； 介质的介电常数；介质的介电常数； 0真空的介电常数，真空的介电常数，0=8.8610-14F/cm 。定义定义 为介质的相对介电常数。为介质的相对介电常数。 00ACdACdr00CC高电压工程基础高电压工程基础6材料类别材料类别名称名称r（工频，（工频，20）气体介质气体介质 空气（大气

4、压）空气（大气压）1.00059液体介质液体介质弱极性弱极性 变压器油变压器油硅有机液体硅有机液体2.22.52.22.8 极性极性蓖麻油蓖麻油4.5强极性强极性丙酮丙酮酒精酒精水水223381固体介质固体介质中性或中性或弱极性弱极性石蜡石蜡聚乙烯聚乙烯2.02.52.252.35极性极性聚氯乙烯聚氯乙烯3.24离子性离子性云母云母电瓷电瓷575.56.5高电压工程基础高电压工程基础7（1）在制造电容器时，选择适当的电介质。为了追求一定的）在制造电容器时，选择适当的电介质。为了追求一定的电容器具有较大的电容量，应选择电容器具有较大的电容量，应选择r较大的电介质。较大的电介质。（2）设计某些绝缘

5、结构时，为了减小通过绝缘的电容电流及）设计某些绝缘结构时，为了减小通过绝缘的电容电流及由极化引起的发热损耗，这时就不宜选择由极化引起的发热损耗，这时就不宜选择r太大的电介质。太大的电介质。（3） 交流及冲击电源作用下，由于多层串联电介质中的电场交流及冲击电源作用下，由于多层串联电介质中的电场强度分布与强度分布与r成反比，因此可利用不同成反比，因此可利用不同r的电介质适当组合来的电介质适当组合来改善绝缘中的电场分布，使之尽可能趋于均匀，以充分利用电改善绝缘中的电场分布，使之尽可能趋于均匀，以充分利用电介质的绝缘强度，优化绝缘结构。介质的绝缘强度，优化绝缘结构。电介质的相对介电常数在工程上的实用意

6、义：电介质的相对介电常数在工程上的实用意义：高电压工程基础高电压工程基础82 2 极化的基本形式极化的基本形式电子式极化电子式极化离子式极化离子式极化偶极子极化偶极子极化空间电荷极化空间电荷极化无损极化无损极化有损极化有损极化极化的基本形式极化的基本形式高电压工程基础高电压工程基础9（1）电子式极化）电子式极化 在外加电场在外加电场E的作用下，介质原子中的电子运动轨道将相对的作用下，介质原子中的电子运动轨道将相对于原子核发生弹性位移，原子的正、负电荷作用中心不再重于原子核发生弹性位移，原子的正、负电荷作用中心不再重合，形成电矩。合，形成电矩。图图1-2 电子式极化电子式极化（a）无外加电场；（

7、）无外加电场；（b）有外加电场）有外加电场 电子式极化存在于一切物质中；极化所需的时间极短，约电子式极化存在于一切物质中；极化所需的时间极短，约10-15s ；具有弹性，没有损耗；温度对电子式极化影响不大。具有弹性，没有损耗；温度对电子式极化影响不大。高电压工程基础高电压工程基础10（1）电子式极化）电子式极化高电压工程基础高电压工程基础11（2）离子式极化）离子式极化 在离子式结构的电介质中，如在离子式结构的电介质中，如云母、陶瓷云母、陶瓷等，等，当有外电场作用时，正、负离子沿电场方式产当有外电场作用时，正、负离子沿电场方式产生相对位移，使平均偶极矩不再为零，电介质生相对位移，使平均偶极矩不

8、再为零，电介质呈现极化。呈现极化。高电压工程基础高电压工程基础12氯化钠晶体氯化钠晶体高电压工程基础高电压工程基础13离子式极化是弹性极化（离子式极化是弹性极化（极微量的损耗，可忽略极微量的损耗，可忽略）；）；极化过程所需的时间很短，约极化过程所需的时间很短，约10-13s （只要低于红外）（只要低于红外）；温度有一定影响，温度有一定影响，r一般具有一般具有正正的温度系数。的温度系数。 原因：原因：T 体积体积 弹性力弹性力 r 高电压工程基础高电压工程基础14（3）偶极子极化）偶极子极化 （转向极化） 在在极性分子极性分子结构的电介质中，其分子中的正、负电荷中心永结构的电介质中，其分子中的正

9、、负电荷中心永不重合，每个极性分子都是不重合，每个极性分子都是偶极子偶极子，具有一定的电矩。当有，具有一定的电矩。当有外加电场作用时，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，外加电场作用时，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，从而对外显示出电极性作较有规则的排列，从而对外显示出电极性 。高电压工程基础高电压工程基础15 转向极化，非弹性转向极化，非弹性-有损耗有损耗 极化所需时间较长，约极化所需时间较长，约10-10s10-2s -电源电源频率增加，频率增加， r减小减小 极性介质极性介质r与频率的关系与频率的关系 极性介质极性介质r 与温度的关系与温度的关系 r在低温下先随

10、温度的升高而增加，在低温下先随温度的升高而增加， 以后当热运动变得强烈时，以后当热运动变得强烈时，r又随温度上升而减小又随温度上升而减小（3）偶极子极化）偶极子极化 （转向极化）高电压工程基础高电压工程基础16（4）空间电荷极化）空间电荷极化 电介质中存在一些可以迁徙的电子或离子，因而在电场作电介质中存在一些可以迁徙的电子或离子，因而在电场作用下这些用下这些带电质点将会发生移动带电质点将会发生移动，并聚积在电极附近的介质，并聚积在电极附近的介质界面上，形成客观的空间电荷积累，这种极化称为空间电荷界面上，形成客观的空间电荷积累，这种极化称为空间电荷极化。极化。 空间电荷极化进行比较缓慢，而且需要

11、消耗能量，属于有空间电荷极化进行比较缓慢，而且需要消耗能量，属于有损极化。损极化。 在电场距离较低的交变电场中容易发生这种极化，而在高在电场距离较低的交变电场中容易发生这种极化，而在高频电场中，由于带电质点来不及移动，使这种极化难以发生。频电场中，由于带电质点来不及移动，使这种极化难以发生。 高电压工程基础高电压工程基础17（5）夹层极化）夹层极化 夹层极化是多层电介质组成的复合绝缘中产生夹层极化是多层电介质组成的复合绝缘中产生的一种特殊的空间电荷极化。的一种特殊的空间电荷极化。 合闸瞬间两层介质的电合闸瞬间两层介质的电压比压比由电容决定由电容决定；稳态；稳态时分压比时分压比由电导决定由电导决

12、定高电压工程基础高电压工程基础18 则双层介质的表面电荷不重新分配。但实际上则双层介质的表面电荷不重新分配。但实际上很难满足上述条件，电荷要重新分配，这样在很难满足上述条件，电荷要重新分配，这样在两层介质的交界面处会积累电荷，这种极化形两层介质的交界面处会积累电荷，这种极化形式称夹层极化式称夹层极化 。如果如果高电压工程基础高电压工程基础191.2 电介质的电导电介质的电导1、吸收现象、吸收现象 直流电压直流电压加到固体电介质上时，通过介质的电流将随加到固体电介质上时，通过介质的电流将随时间而衰减，最终达到某一稳定值，流过电介质电流时间而衰减，最终达到某一稳定值，流过电介质电流随时间的变化的现

13、象随时间的变化的现象 直流电压下流过电介质的电流直流电压下流过电介质的电流（a）实验电路；）实验电路； （b）电流随时间的变化曲线）电流随时间的变化曲线高电压工程基础高电压工程基础20cagiiiIciai无损极化产生电流无损极化产生电流有损极化产生电流有损极化产生电流gI电介质的电导电流或泄漏电流电介质的电导电流或泄漏电流 图图1-8 电介质的等值电路电介质的等值电路高电压工程基础高电压工程基础21吸收比吸收比15606015ssssIRKIR 良好的绝缘一般良好的绝缘一般K1.3，当绝缘受潮或劣化时，当绝缘受潮或劣化时K值值减小。减小。 对吸收现象较显著的绝缘试验中，如电缆、电容对吸收现象

14、较显著的绝缘试验中，如电缆、电容器等设备，要特别注意由吸收电流聚积起来的所器等设备，要特别注意由吸收电流聚积起来的所谓谓“吸收电荷吸收电荷”对人身和设备安全的威胁。对人身和设备安全的威胁。 高电压工程基础高电压工程基础22 电介质电导主要是离子电导，表征电导的参数是电介质电导主要是离子电导，表征电导的参数是电导率电导率，在高电压工程中一般常用，在高电压工程中一般常用电阻率电阻率来来表征介质的绝缘电阻。液体与固体电介质的电导表征介质的绝缘电阻。液体与固体电介质的电导率率与温度有下述关系：与温度有下述关系： 式中式中 A A常数，与介质性质有关；常数，与介质性质有关； T热力学温度，单位为热力学温

15、度，单位为K； 电导活化能；电导活化能； k波尔兹曼常数。波尔兹曼常数。 ekTA2、电介质的电导、电介质的电导高电压工程基础高电压工程基础23电介质的电导与金属导体的电导的区别电介质的电导与金属导体的电导的区别 ：金属的电导是金属导体中的自由电子在电场作金属的电导是金属导体中的自由电子在电场作用下的定向流动所造成的，是电子式电导，电用下的定向流动所造成的，是电子式电导，电介质的电导主要是离子式电导介质的电导主要是离子式电导 ；电介质的电导随温度的升高近似于指数规律增电介质的电导随温度的升高近似于指数规律增加，即其电阻率随温度的升高而下降，金属电加，即其电阻率随温度的升高而下降，金属电阻率随温

16、度的升高而升高。阻率随温度的升高而升高。 高电压工程基础高电压工程基础24 在高电压工程中，测试绝缘的电导特性时常常用电在高电压工程中，测试绝缘的电导特性时常常用电阻率来表示，称为阻率来表示，称为绝缘电阻绝缘电阻。 外加外加直流电压作用下直流电压作用下，介质中流过的电流是随时间，介质中流过的电流是随时间而衰减，因此介质的电阻则随时间而增加，最后达而衰减，因此介质的电阻则随时间而增加，最后达到某一稳定值，称为介质的到某一稳定值，称为介质的泄漏电流泄漏电流。 一般情况下，加在绝缘上的直流电压大约经过一般情况下，加在绝缘上的直流电压大约经过60s，泄漏电流即可达到稳定值，因此常用泄漏电流即可达到稳定

17、值，因此常用R60s的值作为电的值作为电介质的绝缘电阻值。介质的绝缘电阻值。 高电压工程基础高电压工程基础25绝缘电阻绝缘电阻R测量测量: 体积电阻体积电阻RV 表面电阻表面电阻RS VSVSR RRRR（消除或减小介质表面状况对所测绝缘电阻的影响）（消除或减小介质表面状况对所测绝缘电阻的影响）体积电阻的测量电路体积电阻的测量电路高电压工程基础高电压工程基础26电介质的电导特性在工程实际中的意义：电介质的电导特性在工程实际中的意义：绝缘预防性试验绝缘预防性试验 通过测量绝缘电阻和泄漏电流来反映绝缘的电导特性，判断绝通过测量绝缘电阻和泄漏电流来反映绝缘的电导特性，判断绝缘是否受潮或存在其他劣化现

18、象。缘是否受潮或存在其他劣化现象。串联多层电介质的绝缘结构设计串联多层电介质的绝缘结构设计 设计用于直流电压下的设备绝缘时对不同电导率的电介质进行设计用于直流电压下的设备绝缘时对不同电导率的电介质进行适当搭配，使电场分布合理，绝缘材料得到充分利用。适当搭配，使电场分布合理，绝缘材料得到充分利用。合理地利用表面电阻合理地利用表面电阻 提高表面电阻，减小表面泄漏电流；提高表面电阻，减小表面泄漏电流； 减小该处的表面电阻，以减小表面的电场强度，以消除电晕。减小该处的表面电阻，以减小表面的电场强度，以消除电晕。 法兰法兰 半导体釉半导体釉 定子槽口定子槽口 半导体漆半导体漆高电压工程基础高电压工程基础

19、271.3 电介质的损耗电介质的损耗1、电介质损耗的基本概念、电介质损耗的基本概念 电介质的能量损耗简称电介质的能量损耗简称介质损耗介质损耗，包括由电导引起的，包括由电导引起的损耗和由极化引起的损耗。损耗和由极化引起的损耗。在直流电压下，电介质的损耗就只有电导引起的损耗，在直流电压下，电介质的损耗就只有电导引起的损耗，电介质的电导率或泄漏电流即可表达其损耗特性。电介质的电导率或泄漏电流即可表达其损耗特性。在交流电压下，除电导损耗之外，还存在由于周期性在交流电压下，除电导损耗之外，还存在由于周期性反复进行的极化而引起的不可忽略的极化损耗，所以反复进行的极化而引起的不可忽略的极化损耗，所以需要引入

20、一个新的物理量，需要引入一个新的物理量，即介质损耗因数（即介质损耗因数（tg）来来反映电介质的能量损耗特性。反映电介质的能量损耗特性。高电压工程基础高电压工程基础282、介质损耗因数（、介质损耗因数（tg）图图1-9 电介质的并联等值电路及相量图电介质的并联等值电路及相量图图中，图中， 为通过介质的电流与所加电压间的相位角，为通过介质的电流与所加电压间的相位角，即功率因数角，即功率因数角， 为为的余角，称之为的余角，称之为介质损耗角介质损耗角。高电压工程基础高电压工程基础29/1RPCPPPIURtgIU CC R介质损耗为：介质损耗为：2PPQtgUC tg P值和试验电压、试品电容量等因素

21、有关，不同值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于互相比较，所以改用介质损耗角的正切试品间难于互相比较，所以改用介质损耗角的正切tg（介质损耗因数介质损耗因数 ）来判断介质的品质。来判断介质的品质。 2、介质损耗因数（、介质损耗因数（tg）高电压工程基础高电压工程基础30tg表示电介质的损耗特性的优点：表示电介质的损耗特性的优点：便于对不同尺寸的同一绝缘材料的损耗特性进便于对不同尺寸的同一绝缘材料的损耗特性进行比较。行比较。是一个比值，无量纲，它与材料的几何尺寸无是一个比值，无量纲，它与材料的几何尺寸无关，而只与材料的品质特性有关，因此可以直关，而只与材料的品质特性有关，因此可以直接

22、根据的值对介质的损耗特性作出评价接根据的值对介质的损耗特性作出评价。高电压工程基础高电压工程基础31（1）气体介质的损耗）气体介质的损耗 当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的损耗是损耗是由电导引起由电导引起的，损耗极小（的，损耗极小（tg10-8）。）。 但当外施电压但当外施电压U超超过电晕起始电压过电晕起始电压U0时，时，将发生局部放电，损将发生局部放电，损耗急剧增加，如图所耗急剧增加，如图所示。示。 3、各类电介质损耗的特点、各类电介质损耗的特点高电压工程基础高电压工程基础32（2）液体介质的损耗）液体介质的损耗 中性或弱极性液体介质：电导损耗，

23、损耗较小。中性或弱极性液体介质：电导损耗，损耗较小。极性液体及极性和中性液体的混合油：电导和极化损极性液体及极性和中性液体的混合油：电导和极化损耗，所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。耗，所以损耗较大，而且和温度、频率都有关系，如图。 电导损耗占主要部电导损耗占主要部分，分，tan重新随温重新随温度上升而增加度上升而增加 T升高，液体粘度减升高，液体粘度减小，偶极子极化增强，小，偶极子极化增强，极化损耗增加极化损耗增加 分子热运动加快，极分子热运动加快，极化强度减弱，极化损化强度减弱，极化损耗减小耗减小 3、各类电介质损耗的特点、各类电介质损耗的特点高电压工程基础高电压工程基础33（3）固体介质的损耗）固体介质的损耗分子式结构介质分子式结构介质：中性：中性：主要是电导损耗，损耗极小，如石蜡、聚乙烯、聚主要是电导损耗，损耗极小，