高电压技术课程教案.docx
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高电压技术课程教案
教案
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
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:
8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“∨”
2005——2006学年第二学期授课计划
上课时间安排
1-8、10-11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
1
1.1.2四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
1
1.2.2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
1
1.4.2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
1
2.1.2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)
1.5
2.2.2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
0.5
2.3.2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
1
2.4.2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
1
2.5.2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
2
3.2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
1
4.1.2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
1
5.1.2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
2
5.2.2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
2
6.2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
2
7.1.2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
2
7.4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
2
8.雷电及防雷装置
8.1雷电参数
1
8.2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
1
9.2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
2
10.2变电站对入侵雷电波的防护
10.3变电站进线段保护
2
10.4旋转电机的防雷保护
11.内部过电压
11.1工频电压升高
2
11.2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
2
12.2工频高压实验
12.3冲击高压实验
2
12.4冲击电流实验
12.5绝缘电阻、吸收比和泄漏电流的测量
2
12.6介质损耗角正切的测量
2
13.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1-4-2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2-2-3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2-2-4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2-2-5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2-6-5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
5.SF6
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7-4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7-3-1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7-4-1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7-9-3,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:
8-3
[作业]
1、①说明避雷线的作用。
②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UWi=945kV,220kV阀式避雷器的冲击放电电压Uis=630kV。
设进波陡度a=450kV/
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