1、高電壓技術(shù)重慶電力高等專科學(xué)校重慶電力高等專科學(xué)校劉赟劉赟 講師講師高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)課程內(nèi)容高電壓技術(shù)課程內(nèi)容絕緣絕緣試驗(yàn)試驗(yàn)絕緣絕緣材料材料過電壓過電壓保護(hù)保護(hù)高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程絕緣的概念：將不同電位的導(dǎo)體分開，使之在電氣上不相連接。具有絕緣作用的材料稱為電介質(zhì)或絕緣材料。電介質(zhì)的分類：按狀態(tài)分為氣體、液體和固體三類。學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境1 1：絕緣介質(zhì)電氣性能及擊穿過程：絕緣介質(zhì)電氣性能及擊穿過程在電場作用下電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生許多物理現(xiàn)象，如極化、電導(dǎo)、游離、在電場作用下電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生許多物理現(xiàn)象，如極化、電導(dǎo)、游離、損耗

2、和擊穿放電等現(xiàn)象，正確理解和認(rèn)識這些現(xiàn)象，對我們進(jìn)行絕損耗和擊穿放電等現(xiàn)象，正確理解和認(rèn)識這些現(xiàn)象，對我們進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)、絕緣材料的合理利用以及對絕緣性能的準(zhǔn)確評緣結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)、絕緣材料的合理利用以及對絕緣性能的準(zhǔn)確評估有著非常重要的意義。估有著非常重要的意義。高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程重慶電力高等專科學(xué)校重慶電力高等專科學(xué)校1.1 絕緣材料的電氣性能絕緣材料的電氣性能重慶電力高等專科學(xué)校重慶電力高等專科學(xué)校1.1 絕緣材料的電氣性能絕緣材料的電氣性能學(xué)習(xí)情境一學(xué)習(xí)情境一 絕緣介質(zhì)電氣性能及擊穿過程絕緣介質(zhì)電氣性能及擊穿過程子情境子情境1.1 絕緣材料的電氣

3、性能絕緣材料的電氣性能子情境子情境1.2 氣體絕緣材料及其擊穿特性氣體絕緣材料及其擊穿特性子情境子情境1.3 液體絕緣材料及其擊穿特性液體絕緣材料及其擊穿特性子情境子情境1.4 固體絕緣材料及其擊穿特性固體絕緣材料及其擊穿特性高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程重慶電力高等專科學(xué)校重慶電力高等專科學(xué)校1.1 .1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化1.1.2 電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)1.1.3 電介質(zhì)的損耗電介質(zhì)的損耗1.1 絕緣材料的電氣性能絕緣材料的電氣性能子情境子情境 1.11.1 絕緣材料的電氣性能絕緣材料的電氣性能認(rèn)識絕緣認(rèn)識絕緣材料（電材料（電介質(zhì)）在介質(zhì)）在較低電壓較低電壓

4、下的電氣下的電氣性能性能高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程重慶電力高等專科學(xué)校重慶電力高等專科學(xué)校1.1 絕緣材料的電氣性能絕緣材料的電氣性能【學(xué)習(xí)任務(wù)學(xué)習(xí)任務(wù)】了解電介質(zhì)在電場作用下的極化了解電介質(zhì)在電場作用下的極化現(xiàn)象，熟悉各類電介質(zhì)極化的特點(diǎn)，了解介電現(xiàn)象，熟悉各類電介質(zhì)極化的特點(diǎn)，了解介電常數(shù)的物理意義及電介質(zhì)極化在工程上的意義。常數(shù)的物理意義及電介質(zhì)極化在工程上的意義。v1.1.1 1.1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程無論何種結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)，在沒有外電場作用無論何種結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)，在沒有外電場作用時(shí)，內(nèi)部的正、負(fù)電荷處

5、于相對平衡狀態(tài)，時(shí)，內(nèi)部的正、負(fù)電荷處于相對平衡狀態(tài)，整體上對外沒有極性。整體上對外沒有極性。當(dāng)有外電場作用時(shí)，均勻介質(zhì)內(nèi)部各處仍呈當(dāng)有外電場作用時(shí)，均勻介質(zhì)內(nèi)部各處仍呈電中性，但在介質(zhì)表面要出現(xiàn)異號電荷（靠電中性，但在介質(zhì)表面要出現(xiàn)異號電荷（靠近正極板的表面出現(xiàn)負(fù)電荷，靠近負(fù)極板的近正極板的表面出現(xiàn)負(fù)電荷，靠近負(fù)極板的表面出現(xiàn)正電荷），這種電荷不能離開電介表面出現(xiàn)正電荷），這種電荷不能離開電介質(zhì)到其它帶電體，也不能在電介質(zhì)內(nèi)部自由質(zhì)到其它帶電體，也不能在電介質(zhì)內(nèi)部自由移動(dòng)，我們稱它為束縛電荷。它不象導(dǎo)體中移動(dòng)，我們稱它為束縛電荷。它不象導(dǎo)體中的自由電荷能用傳導(dǎo)方法將其引走。因此，的自由電荷能

6、用傳導(dǎo)方法將其引走。因此，在外電場作用下，電介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷在外電場作用下，電介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷的現(xiàn)象，我們稱為極化。的現(xiàn)象，我們稱為極化。1.1.1 1.1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程v1.1.1 1.1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化極化的概念：極化的概念： 在外電場作用下，電介質(zhì)的表面上出現(xiàn)束縛電荷的現(xiàn)象叫做電介質(zhì)極化。極化的形式：極化的形式： 電子式極化、離子式極化偶極子式極化、夾層式極化一、極化的概念和極化的形式一、極化的概念和極化的形式高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程任何電介質(zhì)都是由原子組成，原子為帶正電

7、荷的原子核和帶負(fù)電荷的外層電子組成，其電荷量相等，正、負(fù)電荷作用中心重合，對外不顯電性。而在外電場作用下，原子外層電子軌道相對于原子核產(chǎn)生位移，其正、負(fù)電荷作用中心不再重合，對外呈現(xiàn)出一個(gè)電偶極子的狀態(tài)。v 1.1.1 1.1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化電子式電子式極化：極化：由于電子發(fā)生相對位移由于電子發(fā)生相對位移而發(fā)生的極化。而發(fā)生的極化。特點(diǎn)：時(shí)間短，彈性極化,無能量損耗 存在于一切材料中存在于一切材料中高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程v 1.1.1 1.1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化離子式極化離子式極化離子式極化發(fā)生于離子結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中。固體無機(jī)化合物（如云母、

8、陶瓷、玻璃等）多屬于離子結(jié)構(gòu)。在無外電場作用時(shí)，每個(gè)分子的正、負(fù)離子的作用中心是重合的，故不呈現(xiàn)極性。在外電場作用下，正、負(fù)離子偏移其平衡位在外電場作用下，正、負(fù)離子偏移其平衡位置，作用中心不再重合，使整個(gè)分子呈現(xiàn)極置，作用中心不再重合，使整個(gè)分子呈現(xiàn)極性。性。特點(diǎn)：時(shí)間短，彈性極化, 無能量損耗 存在于離子結(jié)構(gòu)物質(zhì)中存在于離子結(jié)構(gòu)物質(zhì)中高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程有些電介質(zhì)具有固有的電矩，即正、負(fù)電荷作用中心永不重合，這種分子稱為極性分子，這種電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)，例如膠木、橡膠、纖維素、蓖麻油、氯化聯(lián)苯等。每個(gè)極性分子都是偶極子，具有一定的電矩，但當(dāng)不存在外電場時(shí)，

9、這些偶極子因熱運(yùn)動(dòng)而雜亂無序地排列著，宏觀電矩等于零，整個(gè)介質(zhì)對外并不表現(xiàn)出極性v 1.1.1 1.1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化偶極子式偶極子式極化極化出現(xiàn)外電場后偶極子沿電場方向轉(zhuǎn)動(dòng)，作較出現(xiàn)外電場后偶極子沿電場方向轉(zhuǎn)動(dòng)，作較有規(guī)則的排列，有規(guī)則的排列， 因而顯出極性，這種極化稱因而顯出極性，這種極化稱為偶極子極化或轉(zhuǎn)向極化。為偶極子極化或轉(zhuǎn)向極化。特點(diǎn)：時(shí)間較長，非彈性極化,有能量損耗. 存在于極性材料中存在于極性材料中高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程v 1.1.1 1.1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化夾層式夾層式極化極化前面所講的三種極化均是在單一電介質(zhì)中發(fā)生的。

10、但在高壓設(shè)備中，常應(yīng)用多種介質(zhì)絕緣，如電纜、電容器、電機(jī)和變壓器等，兩層介質(zhì)中常夾有油層、膠層等，這時(shí)在介質(zhì)的分界面上會(huì)產(chǎn)生“夾層極化”現(xiàn)象。圖1-4 夾層極化物理過程示意圖（a）示意圖；（b）等值電路UC1C2G1G2KUK+_+_U1U2(a)(b)以平行板電極間的雙層電介質(zhì)為例說明夾層極化過程。在開關(guān)K剛合閘瞬間（相當(dāng)于施加很高頻率的電壓），等值電路中電容支路的容抗遠(yuǎn)小于電導(dǎo)支路的電阻，兩層介質(zhì)上的電壓分配與各層電容成反比，即tUCUC12210到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，等值電路中電容支路相當(dāng)于開路，兩層介質(zhì)上的電壓分配與各層電導(dǎo)成反比，即tUGUG1221一般來說，對兩層不同的介質(zhì)， ，即CGCG2

11、211ttUUUU11220合閘后，兩層介質(zhì)上的電壓有一個(gè)重新分配的過程.結(jié)果使兩層介質(zhì)的分界面上出現(xiàn)了不等量的異號電荷，從而顯示出電的極性來（分界面上正電荷比負(fù)電荷多，呈現(xiàn)正極性，否則，呈現(xiàn)負(fù)極性）。這種使夾層電介質(zhì)分界面上出現(xiàn)電荷積聚的這種使夾層電介質(zhì)分界面上出現(xiàn)電荷積聚的過程稱為夾層式極化。過程稱為夾層式極化。 特點(diǎn)特點(diǎn)：時(shí)間很長，非彈性極化，有時(shí)間很長，非彈性極化，有能量損耗能量損耗 存在于多種材料的交界面存在于多種材料的交界面 當(dāng)絕緣受潮時(shí)，由于電導(dǎo)增大，極化完成當(dāng)絕緣受潮時(shí)，由于電導(dǎo)增大，極化完成時(shí)間將大大下降。時(shí)間將大大下降。 對使用過的大電容設(shè)備，應(yīng)將兩電極短接對使用過的大電容

12、設(shè)備，應(yīng)將兩電極短接并徹底放電，以免有吸收電荷釋放出來，并徹底放電，以免有吸收電荷釋放出來，危及人身安全。危及人身安全。高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程設(shè)圖1-4（b）中C1=1F，C2=2F，G1=2S，G2=1S，U=3V，為了說明的簡便，全部參數(shù)均采用基本單位。合閘初瞬，根據(jù)式（1-1）可得，則U1=2V，U2=1V，Q1=U1C1=2C，Q2=U2C2=2C，如圖1-5（a）所示；穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)式（1-2）可得，U1=1V，U2=2V，則Q1=U1C1=1C，Q2=U2C2=4C，如圖1-5（b）所示；分界面上堆積的電荷為413C。圖1-5 雙層介質(zhì)中電荷和電位分布（

13、a）合閘初瞬時(shí)；（b）穩(wěn)態(tài)時(shí)+_+_U1=1U2=2U=3+1-1+4-4C1C2G1G2+_+_U1=2U2=1U=3+2-2+2-2C1C2G1G2(a)(b)v1.1.1 1.1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化夾層式夾層式極化極化實(shí)例分析實(shí)例分析高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程極化種類極化種類產(chǎn)生場合產(chǎn)生場合所需時(shí)間所需時(shí)間能量損耗能量損耗產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因電子式極化電子式極化任何電介質(zhì)任何電介質(zhì)10-15 s無無束縛電子運(yùn)行束縛電子運(yùn)行軌道偏移軌道偏移離子式極化離子式極化離子式結(jié)構(gòu)電離子式結(jié)構(gòu)電介質(zhì)介質(zhì)10-13 s幾乎沒有幾乎沒有離子的相對偏離子的相對偏移移偶極子極化

14、偶極子極化極性電介質(zhì)極性電介質(zhì)10-1010-2 s有有偶極子的定向偶極子的定向排列排列夾層極化夾層極化多層介質(zhì)的交多層介質(zhì)的交界面界面10-1 s數(shù)小數(shù)小時(shí)時(shí)有有自由電荷的移自由電荷的移動(dòng)動(dòng)為便于比較，將上述各種極化列為下表v1.1.1 1.1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程介電常數(shù)：表征電介質(zhì)在電場作用下極化程度的物理量介電常數(shù)：表征電介質(zhì)在電場作用下極化程度的物理量. .二、介電常數(shù)二、介電常數(shù)v1.1.1 1.1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化重慶電力高等專科學(xué)校重慶電力高等專科學(xué)校1.1 絕緣材料的電氣性能絕緣材料的電氣性能高電壓技術(shù)精

15、品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程U 0 0真空的介電常數(shù)，8.8610-14F/cm。當(dāng)極板間充滿一塊固體介質(zhì)后,在電場作用下，電介質(zhì)發(fā)生極化.為維持電場恒定，極板上的電荷必然會(huì)增加，增加的電荷用以抵消極化電荷所產(chǎn)生的反電場。QQSCUd 0 固體介質(zhì)的介電常數(shù)。固體介質(zhì)的介電常數(shù)。二、介電常數(shù)二、介電常數(shù)高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程相對介電常數(shù)：相對介電常數(shù)：表征電介質(zhì)在電場作用下極表征電介質(zhì)在電場作用下極化程度化程度的物理量的物理量0r二、介電常數(shù)二、介電常數(shù)相對介電常數(shù)r的值由電介質(zhì)的材料決定，并且與溫度、頻率等因素有關(guān)。氣體電介質(zhì)因密度很小，極化程度很弱

16、，因而一切氣體的r應(yīng)用時(shí)都可看作1。在工頻電壓下、溫度為20時(shí)，常用的液體、固體電介質(zhì)的r大多在26之間，如表1-2、1-3所示。高電壓技術(shù)精品資源共享課程高電壓技術(shù)精品資源共享課程二、介電常數(shù)二、介電常數(shù)電介質(zhì)極化在工程上的意義：電介質(zhì)極化在工程上的意義：選擇電介質(zhì)時(shí)，選擇電介質(zhì)時(shí)，應(yīng)注意應(yīng)注意相對介電相對介電常數(shù)常數(shù) 的的大小大小。用作電容器的絕用作電容器的絕緣介質(zhì)緣介質(zhì)時(shí)，希望時(shí)，希望 大大些好些好。用作其它設(shè)備的用作其它設(shè)備的絕緣介質(zhì)絕緣介質(zhì)時(shí)，時(shí)，希希望望 小小些好。些好。在絕緣試驗(yàn)中，在絕緣試驗(yàn)中，夾層極化現(xiàn)夾層極化現(xiàn)象象可用可用來判斷絕緣受潮來判斷絕緣受潮情況情況。例如例如，水分

17、侵入電介質(zhì)水分侵入電介質(zhì)后后，使材料的介電常數(shù)使材料的介電常數(shù)增大，增大，同同時(shí)水分時(shí)水分能增強(qiáng)能增強(qiáng)夾層式極化作夾層式極化作用用，因此，因此，通過測量材料的，通過測量材料的相對介電常數(shù)，就能判斷電相對介電常數(shù)，就能判斷電介質(zhì)介質(zhì)受潮受潮程度程度。在使用。在使用電容電容器器等等大容量大容量設(shè)備時(shí)，須設(shè)備時(shí)，須特別特別注意注意吸收電荷對人身安全吸收電荷對人身安全的的威脅威脅。 rrr幾種幾種絕緣介質(zhì)絕緣介質(zhì)組合組合在一起在一起使使用用時(shí)，應(yīng)時(shí)，應(yīng)注意注意 的的配合配合。小的電介質(zhì)小的電介質(zhì)其其電氣電氣強(qiáng)度應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)高高些些。 rr介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗是影響絕是影響絕緣劣化和緣劣化和熱擊穿的熱擊穿的一個(gè)重要一個(gè)重要因素。如因素。如極性介質(zhì)極性