高电压技术第一章

•电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为：–气体介质–液体介质–固体介质•在电气设备中:•外绝缘:一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成•内绝缘:较多由固体介质和液体介质联合构成,也有由气体介质构成•在电场作用下，电介质中出现的电气现象可分为两大类:•弱电场—电场强度比击穿场强小得多,极化、电导、介质损耗等•强电场—电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强,放电、闪络、击穿等第一章气体放电的基本物理过程•研究气体放电的目的–了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程–掌握气体介质的电气强度及其提高方法–了解电气设备中常用气体介质:空气、压缩的高电气强度气体（如SF6）气体介质中带电质点的产生与消失带电粒子在气体中的运动带电粒子的产生负离子的形成带电粒子的消失（一）自由行程长度气体中存在电场时，粒子进行热运动和沿电场定向运动一、带电粒子在气体中的运动•各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。•单位行程中的碰撞次数Z的倒数λ–即为该粒子的平均自由行程长度。二、带电粒子的产生•产生带电粒子的物理过程称为电离，是气体放电的首要前提。•激励当原子获得外部能量，一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去，该现象称为激励。•电离能使基态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需要的最小能量称为电离能。iWmv221当满足以下条件时，产生光电离光的波长；光速；气体的电离能光子来源外界高能辐射线气体放电本身iWhv（一）光电离常温下，气体分子发生热电离的概率极小。气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度。下图为空气的电离度m与温度T的关系：（二）热电离•当t10000K时，才需考虑热电离；•当t20000K时，几乎全部的分子都处于热电离状态（三）碰撞电离•电子获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者引起碰撞电离。•电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：–m电子的质量：–qe电子的电荷量ExqmvWe221•如果W大于或等于气体分子的电离能Wi，该电子就有足够的能量完成碰撞电离。•由此可得碰撞电离时应满足以下条件：ieWExq•电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离为：Ui气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的Wi相等,xi的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使值减少。可见提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。EUEqWxieii（四）电极表面的电离•当逸出功电离能时，阴极表面电离可在下列情况下发生：•正离子撞击阴极表面•光电子发射•热电子发射•强场发射三、负离子的形成•附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。•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。四、带电粒子的消失•带电粒子的消失可能有以下几种情况：带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达电极时，消失于电极上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。•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，这种现象称为复合。•复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一个中性分子；•复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。•汤逊理论•流注理论•巴申定律气体放电的基本理论1.电子崩一汤逊气体放电理论•电子崩的形成过程•碰撞电离和电子崩引起的电流•碰撞电离系数•气体放电的现象与发展规律与气体种类、气压大小、气隙中的电场型式、电源容量等一系列因素有关。•但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。•各种高能辐射线（外界电离因子）引起：•阴极表面光电离•气体中的空间光电离•因此：空气中存在一定浓度的带电离子•在曲线oa段，I随U的提高而增大，这是由于电极空间的带电粒子向电极运动加速而导致复合数的减少所致。•当电压接近Ua时，电流趋于饱和值；•当电压提高到Ub时，电流又开始随电压的升高而增大；气隙中出现碰撞电离和电子崩。•电压继续升高至U0电流急剧上升，说明放电过程又进入了一个新的阶段。此时气隙转入良好的导电状态。(一)电子崩的形成•外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子(二)电子崩形成的电流•为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入：电子碰撞电离系数。电子碰撞电离系数——一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数•如图为平板电极气隙，板内电场均匀，设外界电离因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数为n0。xdxenn00denn0•当初始电子到达离阴极为x处时电子数已增加到n个。这n个电子行经dx后又会产生dn个新电子。dxndn•途中新增加的电子数或正离子数应为：)1(00daennnn•将等号两侧乘以电子的电荷qe，即得电流关系式：：deII0eqnI00一旦除去外界电离因子?(三)自持放电与非自持放电在I-U曲线的BC段一旦去除外电离因素，气隙中电流将消失。外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，外施电压到达U0后的放电称为自持放电，U0称为放电的起始电压。自持放电的形成•在电场作用下，正离子向阴极运动，由于它的平均自由行程长度较短，不易积累动能，所以很难使气体分子发生碰撞电离。•但当正离子撞击阴极表面时却有可能引起表面电离而拉出电子，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动和形成新的电子崩。•如果电压足够大，初始电子崩中的正离子在阴极上产生出来的新电子等于或大于1，即使除去外界电离因子的作用，放电也不会停止。这就变成了自持放电。自持放电的条件•由自持放电的概念出发，可推出当满足以下条件时，会发生自持放电：1)1(de自持放电的条件•：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数•：电子碰撞电离系数•d：两极板距离自持放电的物理含义•一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正离子数为：•正离子在阴极造成的二次自由电子数为：•如果它等于1，就意味着那个初始电子有一个后继电子，放电得以自持。)1(de)1(de•如果自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分：巴申定律在温度不变的情况下，均匀电场中气隙的击穿电压是气体压力p和极间距离d乘积的pd函数pdfUb二巴申定律•利用汤逊理论的自持放电条件•以及碰撞电离系数与气压、电场强度的关系式(当气温不变时)，•并考虑均匀电场中自持放电起始场强（式中U0为起始电压，可得以下关系：)()1ln()(ln)(10pdfpdApdBU由物理学家巴申从实验中得出，所以通常称为巴申定律。•巴申曲线表明，改变极间距离d的同时，也相应改变气压p而使pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等。在p很大或p很小时，碰撞电离系数都较小，可见击穿电压都较高。——提高气压或降低气压到高度真空，都能提高气隙的击穿电压。前面汤逊放电理论所讨论的是低气压、短气隙的情况，但在高气压(101.3kPa或更高)、长气隙的情况[pd26.66kPa(200mmHgcm)]，汤逊理论将不适用。以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的过程和二次电子发射根本无关。三流注理论•气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下两方面：–空间电荷对原有电场的影响–空间光电离的作用（一）空间电荷对原有电场的影响•电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变；•在电场很小的区域，电子和离子浓度最大，有利于完成复合；•强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离辐射源。（二）空间光电离的作用•汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象，而这一因素在高气压、长气隙的击穿过程中起着重要的作用。•考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射光子而引起光电离。•如图所示：如果这时产生的光子位于崩头前方和崩尾附近的强场强区，则造成的二次电子崩将以更大的电离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中•这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注。流注条件•流注的特点是电离强度很大和传播速度很快，出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见这时出现流注的条件也就是自持放电的条件。•流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界值。对均匀电场来说，自持放电条件为：常数或常数ded•实验研究所得出的常数值为：20108ded或•可见初崩头部的电子数要达到108时，放电才能转为自持，出现流注。不均匀电场中气隙的放电特性稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征电晕放电极不均匀电场的放电过程均匀电场是一种少有的特例，在实际电力设施中常见的却是不均匀电场。为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数f，表示为：一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征Emax：最大电场强度Eav:平均电场强度f2时为稍不均匀电场，f4属不均匀电场。avEEfmax二、电晕放电•由于电场强度沿气隙的分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近空间的电场强度首先达到了起始场强E0，因而在这个局部区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电。•电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，流传最广的是皮克公式，电晕起始场强近似为：r—导线半径（cm）m1—导线表面粗糙系数，光滑导线m11，绞线的m10.8-0.9对于雨雪等使导线表面偏离理想状态的因素(雨水的水滴使导线表面形成凸起的导电物)可用系数m2加以考虑。—空气相对密度；kV/cm3.013021rmmEC电晕放电的危害•电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。•电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。•电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。降低电晕的方法：•从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。•在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。•对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。电晕放电的有利之处：•在列举电晕放电所引起的危害之后，也应提到它有利的一面，例如：•在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度。•操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。•电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。三、极不均匀电场的放电过程•极性效应在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。但后来的发展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与该电极的极性有密切的关系。•极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。•决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电位符号：•在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如“棒-板”气隙。•在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的那个电极上的电位，如“棒-棒”气隙。•下面以电场极不均匀的“棒-板”气隙为例，从流注的概念出发，说明放电的：•发展过程•极性效应（