高电压技术教案.doc

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1、高电压技术 （High Voltage Technology）课程编号200620总学时48总学分2.5先修课程电路理论、电力系统分析基础适合专业电气工程及其自动化所属院系部电力系所属教研室高电压与电磁兼容 第一讲 绪论第二讲 电介质理论（一） 第三讲 电介质理论（二） 第四讲 气体放电的物理过程（一） 第五讲 气体放电的物理过程（二） 第六讲 气体放电的物理过程（三）第七讲 气隙的击穿特性（一）第八讲 气隙的击穿特性（二）第九讲 固体电介质的击穿机理和特性第十讲 液体电介质的击穿机理和特性第十一讲 电气设备绝缘试验第十二讲 实验一：电气设备绝缘电阻和泄漏电流测量第十三讲 实验二：电气设备绝缘

2、介质损耗测量第十四讲 实验三：冲击高压放电；实验四：液体电介质击穿实验第十五讲 线路中的波过程（1）第十六讲 线路中的波过程（2）第十七讲 雷电及防雷设备第十八讲 输电线路的防雷保护第十九讲 发电厂和变电所的防雷保护第二十讲 电力系统操作过电压概述教案执笔： 李卫国教案审核：制定日期：2005-9-10第一讲 绪论一、 教学目标l 了解高电压输电的发展概况；l 了解中国电力工业的现状与发展；l 了解高电压工程的主要问题；l 了解过电压防护问题；l 了解电磁环境问题；l 了解高电压技术在其它领域中应用。二、 教学重点前四个基本高压问题和现状。三、 教学难点高电压技术的整体把握和各种问题之间的联系

3、。四、 教学内容和要点高电压技术的发展始于20世纪初期，至今已成为电工学科的一个重要分支，它主要研讨高电压(强电场)下的各种电气物理问题。4.1 高压输电的发展4.1.1 高压输电的出现与电压等级的提高高电压技术的进展始终与大功率远距离输电的需求密切相关，自从1890年在英国南部出现从Deptford到London28英里的10kV输电线路以来， 100年来世界上的输电电压提高了约100倍。图1为各电压等级首次出现的时间曲线。图1 交流输电各电压等级首次出现的时间l 美国最早于1882年在珍珠街发电厂开始发电，仅用于照明l 从十九世纪末到二十世纪五十年代，电压直线上升l 从二十世纪六十年代后，

4、电压上升速度加剧l 采用750KV电压等级的有美、苏、日、德、英、法、加、意八个国家l AEP（美国电力公司）和ASEA（瑞典通用电力公司）联合对2000KV进行了试验，技术上没有问题，二十世纪七十年代就有15002000KV线路和变电所的初步设计。4.1.2 高压输电的发展历史第一阶段: (18901930)1890年英国第一条10kV、28英里的高压输电线路1907年瑞典实现50kV的输电1912年英国实现110kV的输电1926年美国实现220kV等级的输电第二阶段：(19501965)年 发展了 330KV ， 500KV ， 750KV 的超高压 1959年前苏联实现525kV输电1

5、965年加拿大完成735kV的输电线路美苏日德英法加意等八国均实现750kV输电第三阶段：（1970以后）1984 年前苏联建成西伯利亚乌拉尔 1150KV线路1990 年美国电力公司(AEP)建成了1500KV线路1993 年日本建成新泻山梨 1000KV 线路美国及瑞典已经对2000kV输电电压等级进行了试验 现代电力系统的输电电压己由高压（Hv）提高到超过220kv的超高压（EHV），目前世界上最高的交、直流输电电压等级已分别达到1150kv和土600kv。随着经济的发展，对能源的需求日益迫切，电力工业作为能源工业的主力受到极大的重视，在以往火力发电、水力发电的基础上，又发展了核能发电、

6、太阳能发电、潮汐发电、地热发电、风力发电等多种新能源形式。不管哪种发电形式都离不开电力的传输，离不开高压输电。 促使输电电压等级提高的直接动力就是对电力需求的激增。因为线路的输送容量P与交流输送电压U的平方成正比，即P=U2Z，Z为线路波阻抗，对架空线Z=250W，各电压等级下的输送容量见表l。表1 各电压等级下的输送容量 系统电压U(kV)11022033050075010002000输送容量P(MW)4819443610002250400016000除了大容量输电需要高压输电以外，促使电压等级提高的另一个因素是电力的远距离输送，当发电中心远离用电中心时，高压输电就不可避免了。巨型水电站、坑

7、口电站往往都远离城市，远离负荷中心，如长江三峡、金沙江、雅鲁藏布江的水电，内蒙的火电等。核电也希望远离市中心，巨型空间太阳能地面接收站更是建在沙漠里才好。例如：输送750万千伏安容量的电力345KV电压等级需：七条双回线，走廊宽度为 221.5 m1200KV电压等级 需：仅用一条单回线，走廊宽度为 91.5 m，即：可提高单位走廊宽度输送容量4.1.3 特高压输电的出现与展望习惯上称l00kV以下为高压，100l000kV为超高压，l000kV及以上为特高压，国际上60年代后期就开始了特高压（百万伏级）输电的研究，前苏联于1985年率先建成了1236km长的交流1150kV特高压线路，送负荷

8、5700MW。日本也于九十年代初建成了第一条ll00kV特高压线路。美、意、法等国，包括巴西等也早已开始了特高压的研究。俄罗斯有可能在2020年左右建设18002000kY线路，送出西西伯利亚的巨大能源，以及用来与美国联网，实现东西半球调峰。各国发展特高压输电的原因不尽相同，俄罗斯是远距离大容量两方面因素都有，日本、意大利发展特高压，除大容量输电外，很关键的一点是为了压缩线路走廊，节省土地资源。中国一向号称幅员辽阔，实际上很多地方也已出现走廊紧张的问题了。4.1.4 直流输电、紧凑型输电及灵活输电直流因为不能利用变压器，所以最初交流输电得到迅速发展，五十年代中期以来，随着各方面技术的进步，直流

9、输电的优越性又得到重视。从输电的角度说，直流没有距离的限制，也可在水下、地下，因此远距离输电上很有发展，但存在几大难题：如换流站设备昂贵，尚未造出性能满意的直流断路器，直流绝缘子耐污性能差等。各直流电压等级下的输送容量见表2。表2 各直流电压等级下的输送容量电压U(kV)400500600700800双极容量P(MW)5001001000250002500040004000600060009000电流(A)600125010002500210033002150430028005600高自然功率的紧凑型输电是靠减小电感，增大电容来降低线路波阻抗，提高输送容量。在同样电压等级下，占地少，自然功率高

10、，技术经济指标可比常规线路优越2030，甚至更高。在好几个国家都有试验线路。我国第一条220kV紧凑型试验线路从北京安定到河北廊坊，长26公里，于1994年9月投入试运行，现正在研究建设500kV紧凑型线路。 灵活输电，或称柔性输电（Flexible AC Transmission System）是利用新型电力电子器件改造现有超高压交流输电的操作、参数和特性，全面提高运行性能。其它的输电方式如超导输电、低温输电、无线输电、多相输电等也在研究中。4.2 中国电力工业的现状与发展我国作为装机容量和年发电量均居世界第二位的电力大国，也已建成相当规模的500kv交流输电系统，土500kv直流输电线路也

11、已投入运行。由于国土辽阔、动力资源与用电中心相距遥远，我国还是世界上少效几个有可能要发展1000kV及以上特高压（UHV）输电技术的国家之一。4.2.1 发电量表3列出了我国近几年发电量的增长情况，平均年增长率约为9%，而19902000年世界发电量子均年增约为3.5，20002020年年增约2.9。表4列出了1991年世界发电量前几位的其他国家的发电量，可见我国的年发电量已稳居世界第四位（目前居第二位），而且增长迅速，到2020年我国发电量有可能接近48000亿度。但我国2020年的人口将达16亿左右，即人均电量也仅3000度左右，而1991年美国的人均电量已达12000度左右，俄罗斯达70

12、00度左右，日本达60007000度左右，英国达5000度左右，可见2020年中国的人均电量依然很低。4.2.2 装机容量1993年我国发电量设备装机容量已达1.82亿千瓦，居世界第四位（目前居第二位），2000年将达3.3亿千瓦左右，2010年将达5.86.2亿千瓦，2020年将达910亿千瓦。表5列出了我国发电设备装机容量占世界总装机的比例。表3 近几年中国年发电量年 份199019911992199319941995年增长率发电量(亿度)60006700747082009200100009%表4 1991年各国发电量国 家美国俄罗斯日本德国加拿大法国发电量(亿度)270501436085

13、704370431037504.2.3 电压等级我国目前已建成交流500kV、330kV、220kV、110kV、35kV及直流500kV电压等级，西北正在建设750kV线路，正在着手研究交流10002000kV等级及直流600kV等级的输电。4.2.4 我国电网基本框架我国的发电一次能源主要分布西部地区，而电力消费主要集中在中、东部和南部地区。西电东送、南北互供，发展全国联网是解决我国能源分布与电力消费矛盾的重要措施。并将形成北、中、南三个输电通道。中国电力工业分为7个跨省(区)电力集团: 东北、华北、华东、华中、西北、南方和川渝，5个独立省级电网: 山东、福建、新疆、海南、西藏 (未包括台

14、湾和港澳地区)。4.2.5 展望从高压输电的角度看，中国电力工业、电力系统的发展有几条基本国情是改变不了的，首先要大容量输电，其次是远距离输电，我国用电中心在东部，而一次能源中心在西部，我国水电总资源3.76亿KW，目前开发了仅500万KW，水电在西南，火电在内蒙、山西，几千公里的距离是必须跨越的。因此交直流特高压输电在中国是必然的，势在必行的。1986年电力部组织了未来三十年我国特高压输电的预测，1994年6月电力部召开的电力科技会议上，更高一级输电电压的研究列为电力部主要抓的五大关键技术之一。按照世界电力系统电压等级发展的规律，一个新电压等级可以满足二、三十年的需要，即国民经济发展二、三十

15、年后，对电力的需求增长45倍时，应当出现新的一个电压等级才能保证电力的合理输送，新老电压等级之比一般为1.73，大致上翻一番。新电压等级选低了过不了多少年又要上新电压等级，太浪费，新电压等级选高了实现起来难度太大，可靠性受到影响。 对中国500kV主网来说，百万伏级特高压是比较合适的。当前要紧的是抓紧开展前期研究，一个新电压等级必须有二、三十年的前期研究才能最终实现。4.3 高电压工程的主要问题对于电力工程类专业的学生来说，学习本课程的主要目的是学会正确处理电力系统中过电压与绝缘这一对矛盾。电力系统的设计、建设和运行都要求工程技术人员在各种电介质和绝缘结构的电气特性、电力系统中的过电压及其防护

16、措施、绝缘的高电压试验等方面具有必要的知识，这些问题彼此密切相关，一起构成了高电压技术的主体内容。为了说明电力工业与高电压技术的密切关系，不妨以高压架空输电线路的设计为例，在图1中列出种种与高电压技术直接相关的工程问题 4.3.1 绝缘问题没有可靠的绝缘，高电压甚至无法出现。高电压下绝缘问题之所以突出就是因为高电压对绝缘的要求太高，以致于为绝缘所花的代价太高，而且可靠性还有问题。4.3.1.1 绝缘材料 首先要选择性能优良的绝缘材料，要研究各种绝缘材料在高电压下的各种性能，各种 现象以及相应的过程、理论。尤其是绝缘击穿破坏的过程及理论。在此基础上也可以开发新材料，进而大幅度提高性能。4.3.1

17、.2 绝缘结构（电场结构）材料的性能并不能代表结构的性能，绝缘结构的性能才是实际的使用性能，同一种材料在不同的绝缘结构下其外在表现是不同的。对绝缘结构的研究就是要更好的利用材料的性能4.3.1.3 电压形式研究绝缘问题是不能离开电压形式的。如交流电压、直流电压、冲击电压等，同样的材料、结构，在不同电压下，绝缘性能是不尽相同的。4.3.1.4 试验问题 对任何一门工程性很强的学科而言，实际的试验都是必不可少的。高电压试验面临的问题首先就是如何产生各种高电压，而且所产生的高电压应该在波形、幅值都方便可调，这就需要研究各种经济、灵活的高电压发生装置。有了人为产生的高电压，如何对电气设备进行高电压试验

18、也是很值得研究的。另外，还有如何测量高电压的问题，在各学科的研究中，计量与测试都是研究的基础，因此如何能测的准确、方便、及时是基本要求。低电压下各种电量的测量方法手段仪器很多，但高电压下的测量就不那么方便了。高强量、微弱量、快速量都不好测，而高电压试验中这三类信号都有，微弱量受到高电压、大电流下的强电磁干扰也是普通干扰所不能比的。预防性试验，包括破坏性试验和非破坏性试验各类试验项目定期维修制的种种弊端1)维修周期频繁设备发电机变压器电力电缆GIS小修周期（年）1111大修周期（年）3510552) 预防性试验项目过多电力变压器32项，发电机25项，互感器11项，GIS达20项3) 经济性差大修

19、一台30万kVA的发电机需要大约3个月的时间，耗费资金近百万元。大修一台12万kVA的变压器需投入300多个工作人日，资金10万元。大修一台220 kV开关需投入100多个工作人日，资金2万元。长时间停电检修，将造成大量的电量损失。300MW机组停运一天，少发电720万度，直接损失150万元。4) 增大不安全因素易发生人身和设备安全事故。发生在检修、试验人员身上的伤亡事故占全部供电伤亡事故的77.8%。停送电过程易造成误操作。5) 过度维修对110台高压变压器进行的162台次定期吊检大修结果进行统计。共发现缺陷24项，其中一般性缺陷23项，危及安全运行的仅1项。对110kV及以上油开关大修统计

20、表明，95%以上未发现部件损坏。定期检修虽有成效，但过于保守。实践证明，频繁检修非但不能改善设备性能，反而常常会引入新的故障因素。 6) 维修不足由于采用周期性定期检查，很难预防由于随机因素引起的偶发事故。设备仍可能在试验间隔期间内由于微小缺陷的持续发展导致发生故障。 7) 预防性试验条件与实际运行工况不同预防性试验是在停电情况下，进行的非破坏性试验，试验电压一般不超过10kV。而大部分变电设备工作电压为110 500kV。很难正确反映高压电气设备在运行中存在的缺陷。在线监测 (On-line monitoring):在不影响设备运行的条件下，对设备状况连续或定时进行的监测，通常是自动进行的状

21、态维修：状态维修即根据具体设备的实际情况来确定检修周期和检修内容的维修体制。通过对设备运行情况的实时监测，随时查明设备可能“存在着什么样的隐患，什么时候会发生故障”，预先得知将要发生事故的部位和时间，设备管理人员因此可以从容地安排停电计划和组织维修人力，采购必须的备件，以便在短时间内完成高质量的维修工作。实现“无病不修、有病才修、修必修好”的目的。 4.4 过电压防护问题高电压设备上的工作电压已经很高了，设备造价也已很高了，如一台500kV， 360000kVA的电力变压器1994年出厂价12001300万元。但在电力系统的运行中，还会有各种情况导致比工作电压高得多的过电压的产生，如自然界的雷

22、击，称大气过电压或外过电压，又如电力系统本身操作导致参数变化引起振荡的过渡过程，称操作过电压或内过电压。这些过电压如不加防护而完全用设备本身的绝缘去承受，将使设备的造价高到无法承受的地步。所以要研究各种过电压的特点及形成条件，研究各种保护装置及其保护特性。 4.4.1 绝缘配合中心问题：解决电力系统中过电压与绝缘这一对矛盾，将电力系统绝缘确定在既经济又可靠的水平。所谓电气设备的绝缘水平是用设备绝缘可以承受(不发生闪络、放电或其他损坏)的试验电压值表示。对应于设备绝缘可能承受的各种作用电压，在进行绝缘试验时，有以下几种试验类型：1) 短时(一分钟)工频试验；2) 长时间工频试验；3) 操作冲击试

23、验；4) 雷电冲击试验。其中短时工频试验用来检验设备在工频运行电压和暂时过电压下的绝缘性能，若内绝缘的老化和外绝缘的污秽对工频运行电压及过电压下的性能有影响时，需作长时间工频试验。至于其他两种冲击试验，顾名思义，分别检验设备绝缘耐受冲击过电压的性能。研究电压、绝缘、保护三者之间的绝缘配合问题。以上四个部分即构成了本课程的主要内容，事实上，在目前电力工程类专业的教学计划中，高电压技术是电压和绝缘问题的一门课程，而且本课程的有些部分（例如电介质的电气特性、分布参数电路中的行波理论等）还具有专业基础知识的性质是强电方面各个专业学生知识结构中不可或缺的组成部分。对高电压下这些问题的研究与解决，也有助于

24、低电压下类似问题的解决，如电子设备抗干扰问题，电子线路过电压防护问题等。4.5 电磁环境问题高电压下的电磁环境问题可分为电磁兼容与生态效应两个方面。4.5.1 电磁兼容对于电子设备来说，过电压一般称为电磁干扰。发变电站环境具有各种电磁干扰源，如大型感性负荷操作、大故障电流、与发电机或传输电源水平有关的高能高频暂态，通过各种耦合方式在弱电系统内产生相应的干扰电压。弱电系统中的设备，包括继电保护、控制、信号、通讯、监测等的仪器和仪表都属于弱电设备，特别是电子和微电子装置，其耐压水平和抗干扰能力都比较弱，如不采取措施，可能会影响电力系统的安全可靠运行。发电站及超高压和特高压变电站在电力系统中处于相当

25、重要的地位，需要采用先进的弱电设备对强电系统进行保护和监控。随着现代电子技术的发展，电力系统采用了更多的电子及微电子设备对强电系统进行保护和监控。计算机、电子及微电子设备、半导体器件、超大规模集成电路等固体电路在弱电系统中广泛采用，而这些固体电路的抗干扰能力比过去的电磁式设备的抗干扰能力明显减弱，对暂态干扰更具有明显的敏感性和脆弱性，暂态干扰问题显得更为突出。与此同时，由于强电系统电压高、容量大，反过来会对弱电系统产生更加强烈的电磁干扰。近年来，变电所中的电磁兼容问题得到了国内外电力部门的普遍关注，不断开展关于如何限制弱电系统内的暂态干扰电压的试验及研究工作，力求从变电站的布置、接地网的结构、

26、弱电系统电缆的屏蔽、接地和走向等方面，将弱电系统的干扰电压限制到控制和保护器件可以承受的电压水平，从而进一步提高变电站运行的安全和可靠性。4.5.2 生态效应500kV输电线正下方地面最大场强约100Vcm，但随离开输电线距离的增加。地面场强衰减很快，这种场强当然是低压线路所没有的。特高压下地面场强与此差不多，110kV、220kV下地面场强小一些。七十年代初苏联、西德、美国、法国、西班牙、加拿大、瑞典都对高压线路、变电站的工作人员及居民在长期电场下的健康情况进行了考察，以及病理学研究，至今未发现在 200Vcm电场下有什么差异。美、日等国对动物（白鼠、小型哺乳动物、鸟类、蜜蜂）进行的研究也未

27、得出任何统计性的差异，但是鸟类往往回避在带电的高压线上栖息；对作物、林木的研究表明，即便在 765kV线路下，78kVm的场强不大可能影响作物生长。在树顶2025kVm的场强下，树枝端部有电晕烧伤，但这种烧伤对树木生长并无影响。4.6 高电压技术在其它领域中应用从20世纪60年代开始高电压技术加强了与其他学科的相互渗透和联系，在这个过程中，高电压技术一方面不断汲取其他科技领域的新成果，促近了自身的更新和发展，另一方面也使高电压技术方面的新进展、新方法更广没地应用到诸如大功率脉冲技术、激光技术、核物理、生态与环境保护、生物医学、高压静电工业应用等科技领域，显示出强大的活力。4.6.1 电晕与静电

28、现象及其应用静电除尘器效率达99以上，在国际上已得到广泛应用，在我国也成为大力发展的新型环保产品。静电除尘器在大型发电厂已成为与汽轮机、锅炉、发电机并称的四大主要设备。另外，在污水处理、选矿，印刷、纺织、喷漆、喷雾、食品保鲜等方面，各种利用电晕与静电现象制成的设备也得到了广泛的应用。4.6.2 液电效应及其应用 液电效应即液体电介质在高电压、大电流放电时伴随产生的力、声、光、热等效应的总称。利用液电效应制成的肾结石体外碎石机、铸件清砂装置等已在国内外得到广泛的应用，在石油开采、水下大型桥桩的探伤等方面也已得到应用。4.6.3 线爆技术及其应用强大的电流脉冲通过金属线时，会使金属线熔化、汽化、爆

29、炸，产生很强的力学效应及光、热、电磁效应，从而可以对难熔金属、难镀材料喷涂，也可以用线爆来模拟高空核爆炸或地下核爆炸。4.6.4 脉冲功率技术及其应用 许多高技术领域、尖端武器领域如可控热核聚变、激光技术、电子及离子加速器、电磁轨道炮，包括美国的星球大战计划中的许多课题对脉冲功率的要求都越来越高，目前脉冲功率技术正向着电压高、电流大、脉冲窄、重复率高的方向发展。五、 采用的教学方法和手段教学方法：讲述法教学手段：多媒体投影。第二讲 电介质理论（一）一、 教学目标l 了解电介质介电常数的物理意义；l 掌握电介质极化的基本形式和极化特性；l 掌握电介质极化的等值电路；l 了解相对介电常数在工程应用

30、上的意义。二、 教学重点四种基本极化形式，各自的特点和影响因素。三、 教学难点温度和频率对偶极子极化的影响。四、 教学内容和要点1 电介质极化的基本概念图2.1 极化现象（a）电极间无介质 （b） 电极间有介质实验如图2.1所示。平行平扳电容器放在密闭容器内，抽成真空，然后在极板上施加直流电压U。这时极板上积聚有正、负电荷，其电荷量为Q0（图2.1（a）然后把一块固体介质（厚度与极间距离相等）放在极板之间，施加同样的电压，就可发现极板上的电荷量增加到Q0+DQ（图2.1（b）)。这是由介质极化现象造成的：即在外施电场作用下，此固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出

31、现了束缚电荷，相应地便在极板上另外吸住了一部分电荷DQ，所以极板上电荷增多，并造成电容量亦增大。平行平板电容器在真空中的电容量为 (2-1)式中 A极板面积，cm2； d极板距离，cm； e0真空的介电常数，8.8610-14Fcm极板间插入固体介质后，电容量增为 (2-2)式中 e 介质的介电常数显然，C C0。定义： (2-3)为相对介电常数。它是充满介质时的几何电容和真空时的静电电容的比值。各种气体的er均接近于1，而常用的液、固体介质的er 则各不相同，多在26之间，且和温度、电源频的不同而各不相同，并和各种极化形式有关。2. 极化的形式极化的类型很多，基本形式有以下四种：2.1 电子

32、式位移极化任何介质都是由原子组成，原子为带正电荷的原子核和带负电荷的外层电子组成，其电荷量相等，且正负电荷作用中心重合，对外不显电性。而在外电场作用下，原子外层电子轨轨道对于原子核产生位移，其正、负电荷作用中心不再重合，对外呈现出一个电偶极子的状态，如图 1.2所示。这就是电子式位移极化。 电子式位移极化存在于一切介质中。它有以下特点：形成极化所需时间很短，约10-14 10-15 s，在各种频率下都可能发生，故er与外加电源频率无关；它具有弹性，当外施电压去掉后，正、负电荷的相互吸引力又可使极化原子恢复到原有状态，因是弹性的，故无能量损耗；温度对电子式极化的影响极小，er随温度上升略有降低，

33、但工程上可忽略温度的影响。2.2 离子式位移极化固体有机化合物多属离子式结构，如云母、陶瓷、玻璃等材料。在无外电场时，正、负离子对称排列，各离子对的偶极矩互相抵消，故平均偶极矩为零。在外电场的作用下，正、负离子将发生相反方向的偏移，使平均偶极矩不再为零，而形成电矩，对外呈现出电性，如图2.3所示。特点有：a) 离子式极化与电子式极化一样，也属弹性极化，几乎无损耗；b) 极化过程的时间较电子式极化稍长，为10-l210-13 s，因此，在一般使用的频率范围内，er与频率无关。c) 温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素：即离子的结合力随温升升高而降，使极化程度增强；但温度升高，离子的密度减

34、小，极化程度降低。其中以第一种因素影响较大，所以其er一般具有正的温度系数。2.3 偶极子极化偶极子是正、负电荷作用中心不重合的分子，分子的一端呈正电荷，另一端呈负电荷，分子本身就是一个永久性的偶极矩。如图2.4所示。由这种永久性的偶极子构成的介质叫极性介质。例如蓖麻油、氯化联苯、橡胶、胶木、纤维素等均是常用的极性绝缘材料。单个偶极子虽具有极性，但无电场时，整个介质分子处于不停的热运动状态，宏观上是正负电荷是平衡的，对外不显电性。在外电场的作用下，原来混乱分布的极性分子沿电场方向作定向排列，因而呈现出极性。图2.5 氯化联苯的er与温度、频率的关系f1f2f3 图2.4 偶极子极化 (a)无外

35、电场时；(b)有外电场时 偶极子极化的特点：a) 偶极子极化是非弹性的，因为极化时极性分子旋转时克服分子间的吸引力而消耗的电场能量在复原时不可能收回；b) 极化所需时间较长，为10-1010-2 s。因此，极性介质的er与电源频率有较大的关系，随频率的增高而上升，频率很高时，偶极子来不及转向，因而其er减小，如图2.5所示，给出了极性液体氯化联苯的相对介电常数er，与频率的关系。图中f1 f2 C2，G1G2，则在t = 0时，U1 U2。即t =0以后，随时间t的增大，U1逐渐增大而U2逐渐下降（因为U1+U2=U是一个常数）。也即C2上一群分电荷要通过G2放掉，而C1要从电源再吸收一部分电

36、荷，这一部分电荷称为吸收电荷。由于夹层的存在，使得在介质分界面上出现吸收电荷，整个介质的等值电容增大，这一过程称为吸收过程。吸收过程完毕，极化过程结束，因而该极化称为夹层极化。吸收过程要经过C1、C2和G1、G2进行，其放电时间常数为t =(C1+C2)(G1+G2)。由于电导G的数值很小，因而时间常数t 很大，极化速度非常缓慢。当介质受潮，电导增大，t 将大大降低，极化速度加快。假如外加电压频率高，因电荷来不及动作而无此极化。同样道理，去掉外加电压之后，介质内部电荷释放也是十分缓慢的。因此，对使用过的大电容量设备，应将两极短接充分放电，以免过一定时间后吸收电荷陆续释放出来，危及人身安全。夹层

37、极化特点：a) 夹层极化是是非弹性的，且有能量损耗的。b) 计划过程很缓慢，它的形成时间从几十分之一秒到几分钟，甚至有长达几小时。因此，这种性质的极化只有在低频时才有意义。3 电介质的介电常数3.1 气体介质的介电常数由于密度很小，也即单位体积内所含分子的数目很少，所以不论是非极性气体还是极性气体，其er 均很小，在工程上可近似地认为其等er=1。3.2 液体介质的介电常数可分为非极性、极性与强极性三种。非极性(或弱极性)液体的er 在1.82.5，变压器油等矿物油属此类。极性液体的er，在26，如蓖麻油、氯化联苯即属此类。强极性液体的er很大（er10），如酒精、水等，但这类液体介质的电导也

38、很大，所以不能用做绝缘材料。3.3 固体介质的的介电常数非极性介质：此类电介质的种类很多，聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等。介电常数不大，通常在2.02.7范围。极性介质：用作高压设备绝缘材料，如酚醛树脂、纤维、橡胶、有机玻璃、聚氯乙烯等，这类电介质的相对介电常数较大，一般为36，还可能更大。离子介质：如云母、陶瓷等，其er约在58左右，还有一些er很大的固体介质，如钛酸钡等，er 1000，不能用做绝缘材料。3.4 一些电介质的相对介电常见表1.1。表2.1 几种电介质的相对介电常数和电导率材料类别名称相对介电常数er（工频，20）电导率（20，W-2cm-1）气体介质（

39、标准大气条件）空气1.00059液体介质弱极性变压器油硅有机油类2.22.810-1510-1210-1510-14极性蓖麻油氯化联苯4.54.65.210-1310-1210-1210-10固体介质中性石蜡聚苯乙烯聚四氟乙烯1.92.22.42.6210-1610-1810-1710-1810-17极性松香纤维素胶木聚氟乙烯沥青2.52.66.54.53.32.62.710-1610-1510-1410-1410-1310-1610-1510-1610-15离子性云母电瓷576710-1610-1510-1510-144 讨论介质极化在工程实际中的意义4.1 选择电容器中的绝缘材料时，在相同

40、耐电强度的情况下，要选择er 大的材料，以使电容器单位容量的体积、重量减小；在其他绝缘结构里，希望材料的er要小些，如电缆，以减少工作时的充电电流，如电机定子绕组出口槽和套管情况，以提高交流下沿面放电电压。4.2 在使用组合绝缘时，要注意各种材料的er的适当配合，否则会降低整体绝缘的绝缘能力。如图2.7所示，设有厚度为d1、d2的两种材料，其介电常数分别为e1、e2，电容量C1、C2。当施加交流电压U后，若略去材料的电导不计，则有：图2.7 双层电介质 (2-8) (2-9)由此可得： (2-10) (2-11)而E1d1 = E2d2 = U所以 (2-12) (2-13)则 (2-14)由

41、上式可知，双层串联介质结构中的电场强度是不相同的，与绝缘材料的介电常数成反比，即在介电常数小的材料中承受较大的电场强度。如果绝缘中存在气泡，由于气体的er是最小的，所以气泡将承受较大的电场强度，首先在气泡处发生游离，引起局部放电，使整体材料的绝缘能力降低。利用式所示特性，可以改善电缆中的电场分布。在电缆芯处使用er较大的材料，可减小电缆芯处场强，电缆中电场分布均匀一些，从而提高整体的耐电强度。4.3 材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因数。4.4 在绝缘预防性试验中，夹层极化现象可用来判断绝缘受潮情况。在使用电容器等大电容量设备时，须特别注意吸收电荷对人身

42、安全的威胁。五、 采用的教学方法和手段教学方法：讲述法教学手段：多媒体投影。第三讲 电介质理论（二）一、 教学目标l 了解电介质产生电导的机理l 了解影响电介质电导的因素；l 掌握介质损耗的基本概念；l 了解损耗随温度、频率变化规律二、 教学重点l 产生电导的机理l 介质损耗的概念三、 教学难点介质损耗随温度、频率的变化规律四、 教学内容和要点1. 电介质的电导任何电介质都不是理想的绝缘体，在它们内部总有一些联系较弱的带电质点存在。在外电场作用下，这些带电质点作定向运动，形成电流。因而任何电介质都具有电导。1.1 漏导电流和绝缘电阻 在电介质上加上直流电压，初始瞬时由于各种极化的存在，流过电介质的电流很大，之后随时间而变化。经过一定时间后，极化过程结束，流过介质的电流趋于一定值I，这一稳定电流称为漏导电流，与之相应的电阻称为电介质的绝缘电阻R。 (2-15)这个电阻值包括了绝缘介质的体积绝缘电阻和表面绝缘电阻 (2-16)式中 R1体积绝缘电阻；