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高电压技术动力系统、电力系统和电力网示意图电力系统的结构•输电+配电•发电+输电+变电+配电+用电–各部分的功能和结构各有特点，但又不绝对–按照承担的功能划分，而不是电压等级划分500kV500kV500kV220kV220kV110kV10kV分布式电源用户380V110kV用户有关数字•电能占能源的比例：占一次能源约50%，占终端能源消费20%•2013年，全国总装机容量达：12.47亿千瓦，世界上第一–第二：美国，装机容量大约是11亿千瓦–一年新增发电能力=2个英国的总和•2013年，全国发电量为53,616亿千瓦时，世界第一–接近全球总发电量的1/4–约等于第二（美国）、第三（印度）的总和•电网规模超过美国，居世界第一位•我国在能源和电力消耗上需解决的问题–单位GDP能耗是世界平均水平的2.2倍–供电可靠性较低–……•未来智能电网带来的新机遇•气候与环境问题电力行业结构能源局国内主要电网结构电网规模发展趋势•电网规模日益增大–跨区域联合电网正在形成•三华电网将使电网规模达到一个新高度–覆盖19省市(含4直辖市)–控制全国70%的经济规模和装机容量–近75%电力用户和近2/3人口–2020年装机规模将达10亿千瓦，相当于目前美国水平•大电网的利与弊高压输电电压等级的发展提高电压的效益提高输送功率提高输送距离降低线路损耗降低工作电流节省线路走廊降低线路造价长距离输电可联接地域网，有利于电力调度例：输送750万千伏安容量的电力•345kV电压等级，需要七条双回线，走廊宽度为221.5m•1200kV电压等级，仅需一条单回线，走廊宽度为91.5m中国的电压等级•交流电压等级（kV）：–常规：1000-500-220-110-35-10-6-0.4，–西北地区：750-330-110-…….–东北地区：……-66-……–部分城市大负荷区域：……-20-……•直流（kV）：–±800，±600，±500，±100，•交流电压等级的划分–特高压：1000KV及以上–超高压：330～750KV–高压：35～220KV–中压：6~20kV–低压：0.4kV高电压技术的学科地位•电气工程专业平台课之一•专业基础课之一•日本小崎正光教授：电能有关的知识和技术体系称为电气－电子工程学高电压工程的主要问题（1）电力工业与高电压技术的密切关系高电压工程的主要问题（2）——绝缘问题绝缘材料研究各种绝缘材料在高电压下的各种性能、现象以及相应的过程、理论绝缘结构（电场结构）同一种材料在不同的绝缘结构下的外在表现电压形式同样的材料、结构，在不同电压下，绝缘性能不相同高电压工程的主要问题（3）——试验问题各种经济、灵活的高电压发生装置电气设备各种绝缘试验项目的设计预防性试验在线监测、故障诊断状态维修高电压的测量高强量、微弱量、快速量高电压工程的主要问题（4）—过电压防护问题外过电压（雷电过电压）内过电压老化、污秽（在运行电压及过电压下）保护装置分析各类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工频过电压谐振过电压操作过电压高电压工程的主要问题（5）—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原则方法高电压工程的主要问题（6）—电磁环境问题电磁兼容众多的电子及微电子设备对暂态干扰具有明显的敏感性和脆弱性强电系统电压高、容量大，对弱电系统产生更加强烈的电磁干扰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生态效应高电压技术在其它领域中的应用（1）•高压静电除尘–基于静电吸引的作用收集灰尘–已有十分广泛成熟的应用。•电火花加工–利用火花放电时的放电能量处理加工材料•体外碎石技术–肾结石、胆结石的体外粉碎是利用高压脉冲产生一定向冲击波，经聚焦后作用于患处将结石击碎–上海交大率先开发成功，成果人成为中国工程院院士•除菌及清鲜空气–利用空气中电晕放电，控制产生一定浓度臭氧(强氧化剂)，达到杀菌及清洁空气的作用–目前空调中所谓的等离子体空气清新技术高电压技术在其它领域中的应用（2）•污水处理–利用高频脉冲高压产生高浓度臭氧，与污水作用能够分解污水中的有机物，去除臭气•烟气处理–利用高功率脉冲形成高能活性离子，可以实现工厂烟气的脱硫脱硝，净化排污–国家863项目•等离子体隐身–利用等离子体与电磁波的作用机制(能够有效吸收大量的电磁波),产生覆盖飞行器的等离子体层，能有效吸收雷达信号，达到隐身的目的–国家自然科学基金重大研究项目高电压技术在其它领域中的应用（3）•等离子体表面处理–高压放电产生活性粒子作用于织物等，增强材料表面活性，不但易于染色和进行表面涂覆等，且处理过程对环境不会有污染。–是当前印染行业十分看好的织物处理技术•三次采油技术–将高功率脉冲电源引至油井下进行瞬间放电，产生很强的冲击波，此冲击波将地下岩层震裂，使得原有的缝隙增大(解堵作用)，原油渗出更容易，能提高油井的产量高电压技术在其它领域中的应用（4）•新概念武器国防科工委重大研究项目•电磁炮–利用高压脉冲电源瞬间击穿产生高功率脉冲（强电流）–强电流产生强磁场通过电磁力的作用将炮弹发出•微波弹–高压快速脉冲重复放电产生强电磁波，对敌方电子设备进行干扰，能量足够时可导致设备失效•等离子体推进–利用高压放电产生等离子体，通过等离子体间的电磁相互作用(排斥力)推进舰艇–具有无声的优点，可有效避免被敌人的声纳探测主要内容1、各类电解质在高电场下的特性•气体的放电基本物理过程和电气强度•液体、固体介质的电气特性2、电气设备绝缘试验技术•电气设备绝缘预防性试验•绝缘的高电压试验•电气设备绝缘在线检测与诊断3.电力系统过电压与绝缘配合•线路和绕组中的波过程•雷电及防雷保护装置•电力系统防雷保护•电力系统内部过电压•电力系统绝缘配合国家电网校园招聘考试大纲高电压技术的特点高电压技术的特点•理论性强•实践性强•跨学科多•非线性明显•电力工程中唯一一门研究电力系统过电压和绝缘的课程本课程学习目的•重点掌握电力系统产生过电压的机理和过电压保护的基本方法•培养分析和解决电力系统中绝缘与作用电压矛盾的能力。•为今后从事有关高电压与绝缘方面的工作打下基础。预备知识、参考书1、预备知识：电路知识电力系统分析知识物理2、参考书《高电压技术》，周泽存，中国电力出版社，2004年《电力系统过电压》，解广润，水利电力出版社，1985；《高电压技术》，胡国根，重庆大学出版社，1996；《电力系统运行及过电压保护》，河南省电力工业局，中国电力出版社，1995。学习进度与建议•理论学习与实际分析相结合•理解绝缘机理与过电压的相互关系•注意培养自己的分析问题的能力。第一章气体的放电基本物理过程和电气强度主要内容第一节汤逊理论和流注理论第二节不均匀电场中的放电过程第三节空气气隙在各种电压下的击穿特性第五节提高气体介质电气强度的方法第六节沿面放电及防污对策1.1汤逊理论和流注理论主要内容•基础知识••非自持放电和自持放电•汤逊理论•巴申定律•流注理论•强电负性气体自持放电的条件气体的绝缘与导电•纯净的、中性状态的气体是不导电的•气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）后才可能导电，并在电场作用下发展成各种形式的气体放电现象带电粒子的产生•电离：外因下，原子产生自由电子和带（正）电粒子•光电离：–可见光不能使气体直接电离，X射线、γ射线可以–光源可以是外部的，也可以是内部自产生的–金属表面电离更容易–了解：光电效应，光的波粒二象性•碰撞电离–气体中主要碰撞电离由电子产生，正离子和负离子很少，为什么？–阴极表面，正离子撞击可产生电离•热电离：常温下，气体热电离的概率很小。–空气1万度后可考虑–空气2万度时，几乎全部的分子都处于热电离状态•电极表面的电离–正离子撞击阴极表面光电子发射热电子发射强场发射–由于逸出功电离能，阴极表面电离更容易带电粒子在气体中的运动•带电粒子：电子、正粒子、负粒子•各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞–粒子在单位行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关•带电粒子自由行程：带电粒子与气体分子相邻两次碰撞之间的自由行程。•带电粒子的平均自由行程：两次碰撞之间的平均行程–随即量，有很大的分散性–电子体积小，自由行程长度远大于分子和带电粒子–气体密度越大，平均自由行程越小–大气压、常温下，电子在空气中的平均自由行程为10-5cm数量级•迁移率：粒子移动速度与电场之比–电子迁移率高，为什么？•扩散：热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使分布均匀化–电子运动速度大、自由行程长度大，扩散速度比离子快得多负离子的形成•附着：电子与气体分子碰撞时，相结合而形成负离子•电子与气体分子碰撞的可能结果：碰撞电离，附着•负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。–为什么？•电负性气体：容易发生附着产生负离子的气体。带电粒子消失•复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和–电子和正离子复合，称为电子复合，产生一个中性分子–正离子和负离子复合，称为离子复合，产生两个中性分子•带电粒子消失的几种情况–在电场驱动下定向运动到电极，消失于电极而形成外电路中的电流–带电粒子因扩散而逸出气体放电空间–带电粒子的复合非自持放电和自持放电（1）图1-1其他放电的试验电路不外加电源时：光电离和复合同时存在，并处于平衡状态。存在一定带电质点，但无电流外加电源后，带电粒子定向运动，电路中产生电流。其过程如下：oa-阶段：电流随电压增加。电子移动速度加快，复合概率降低ab-阶段：电流不随电压变化。外界因素产生的电离固定。绝缘仍良好bc-阶段：电流随电压增加。（碰撞电离↑）→带电离子↑cs-阶段：电流急剧增加。气体间隙击穿，伴随发声、发光，导电良好非自持放电和自持放电（2）•非自持放电：依靠外电离因素作用才能维持的放电–当UU0时–电流需要外电离因素（如光源照射）才能维持–取消外电离因素，电流将消失–气隙内虽然有电流，但很小。uA•自持放电：放电过程不需要外电离因素，电流可以自维持–UU0，电流剧增–气隙中电流过程仍然需要外施电压•气体放电的起始电压：放电由非自持转为自持的起始电压–图中的U0–均匀电场中，起始电压等于击穿电压–不均匀电场中击穿电压大于起始电压。电场越不均匀，电压差越大汤逊理论（1）•电子崩–外界因素，如光照，使阴极表面电离，产生一个电子–电子在电场作用下向阳极运动–当两极间电压（电场）足够强时，电子动能足够大，就发生碰撞电离–新电子和原有电子继续向阳极运动，继续发生碰撞电离，产生更多的电子•应注意：不是每次碰撞都会电离–电子数将按照1,2,4,8,16……，几何级数规律增长，类似雪崩。–这种急剧增大的空间电流称为电子崩剧增的电子流称为电子崩剧增的离子流称为离子崩汤逊理论（2）•离子崩：正离子在向阴极运动中，也会发生碰撞电离，产生新的电子。–与电子崩类似–离子崩的条件？•电子奔向阳极，正离子奔向阴极–电子速度远大于正离子•正离子到达阴极附近时，将使雪崩现象加剧–加强了阴极场强，阴极产生场强发射–正离子撞击阴极表面，发生电离–新电子参与气体碰撞–可能使放电得以自持剧增的电子流称为电子崩剧增的离子流称为离子崩为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数：•α—电子沿电场方向行径1cm平均发生的碰撞电离次数–对应起始电子形成的电子崩过程，称为α过程•β—正离子沿电场方向行径1cm平均发生的碰撞电离次数–β系数对应于离子崩过程，称为β过程•γ—折合到每个到达阴极表面的正离子，使阴极金属平均释放出的自由电子数–正离子使阴极发射新的电子的机理：强场发射（正离子加强阴极附近场强）、碰撞发射、热发射–离子崩达到阴极后引起阴极发射二次电子的过程，γ过程汤逊理论（3）汤逊理论（4）•设x处有n个电子，再经历dx距离新增的电子为dn，则有：•解微分方程得到：–含义：从n个电子处（任何位置）前行x距离后的电子数–注意：实际过程是离散的，公式只在统计意义上起作用。–统计：大量电