高电压技术重点复习大纲

第1章气体的绝缘特性与介质的电气强度1、气体中带电质点产生的方式热电离、光电离、碰撞电离、表面电离2、气体中带电质点消失的方式流入电极、逸出气体空间、复合3、电子崩与汤逊理论电子崩的形成、汤逊理论的基本过程及适用范围4、巴申定律及其适用范围击穿电压与气体相对密度和极间距离乘积之间的关系。两者乘积大于0.26cm时,不再适用5、流注理论考虑了空间电荷对原有电场的影响和空间光电离的作用，适用两者乘积大于0.26cm时的情况6、均匀电场与不均匀电场的划分以最大场强与平均场强之比来划分。7、极不均匀电场中的电晕放电电晕放电的概念、起始场强、放电的极性效应8、冲击电压作用下气隙的击穿特性雷电和操作过电压波的波形冲击电压作用下的放电延时与伏秒特性50%击穿电压的概念9、电场形式对放电电压的影响均匀电场无极性效应、各类电压形式放电电压基本相同、分散性小极不均匀电场中极间距离为主要影响因素、极性效应明显。10、电压波形对放电电压的影响电压波形对均匀和稍不均匀电场影响不大对极不均匀电场影响相当大完全对称的极不均匀场：棒棒间隙极大不对称的极不均匀场：棒板间隙11、气体的状态对放电电压的影响湿度、密度、海拔高度的影响12、气体的性质对放电电压的影响在间隙中加入高电强度气体,可大大提高击穿电压，主要指一些含卤族元素的强电负性气体，如SF613、提高气体放电电压的措施电极形状的改进空间电荷对原电场的畸变作用极不均匀场中屏障的采用提高气体压力的作用高真空高电气强度气体SF6的采用14、沿面放电的概念沿着固体介质表面发展的气体放电现象。多发生在绝缘子、套管与空气的分界面上。15提高沿面放电电压的措施屏障屏蔽表面处理应用半导体材料阻抗调节汤逊理论三个过程:α过程:起始电子形成电子崩的过程。β过程：造成离子崩的过程。γ过程：离子崩到达阴极后，引起阴极发射二次电子的过程。自持放电条件：总结：1.将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。2.汤逊理论的实质是电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。3.阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。汤逊理论的适用范围汤逊理论是在低气压pd较小条件下建立起来的，pd过大，汤逊理论就不再适用。)()/exp(EfEBA1ln1)1(dedpd过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释：放电时间：很短；放电外形：具有分支的细通道；击穿电压：与理论计算不一致；阴极材料：无关；汤逊理论适用于pd26.66kPa·cm。巴申定律：当气体成份和电极材料一定时，气体间隙击穿电压(ub)是气压(p)和极间距离(d)乘积的函数。气体放电流注理论：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。四个过程：a)起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩；初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，放射出大量光子；b)光电离产生二次电子，在加强的局部电场下形成二次崩；c)二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使其发展；流注头部电离迅速发展，放射出大量光子，引起空间光电离，流注前方出现新的二次崩，延长流注通道；d)流注通道贯通，气隙击穿。注：流注速度为108～109cm/s，而电子崩速度为107cm/s。流注条件：必要条件是电子崩发展到足够的程度，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，加强电子崩崩头和崩尾处的电场；另一方面电子崩中电荷密度很大，所以复合频繁，放射出的光子在这部分很强，电场区很容易成为引发新的空间光电离的辐射源，二次电子主要来源于空间光电离；气隙中一旦形成流注，放电就可由空间光电离自行维持。流注自持放电条件：初崩头部电子数要达到10的8次方时，放电才能转为自持，出现流注。小结1.汤逊理论只适用于pd值较小的范围，流注理论只适用于pd值较大的范围，二者过渡值为pd=26.66kPa·cm；(1)汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。(2)流注理论的基本观点：①以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程；②放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达10的8次方以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注；③流注一旦形成，放电转入自持。2.引起气体放电的外部原因有两个，其一是电场作用，其二是外电离因素。把去掉外界因素作用后，放电立即停止的放电形式称为非自持放电；把由电场作用就能维持的放电称为自持放电。3.汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较(1)汤逊理论：自持放电由阴极过程来维持；流注理论：依赖于空间光电离。(2)γ系数的物理意义不同。电场不均匀程度的划分电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压之间的差别越大；从放电观点看：电场的不均匀程度可以根据是否存在稳定的电晕放电来区分；从电场均匀程度看：可用电场的不均匀系数划分；f2时为稍不均匀电场；f4时为极不均匀电场。稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场相似，属于流注击穿，击穿条件就是自持放电条件，无电晕产生。但稍不均匀电场中场强并非处处相等.电晕放电定义：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，avEEfmax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，开始出现电晕放电的电压成为电晕起始电压。特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。极性效应极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。极性决定于表面电场较强的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。正极性（1）自持放电前阶段正空间电荷削弱棒极附近场强而加强外部电场，阻止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高；（2）自持放电阶段空间电荷加强放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高时，强场区将逐渐向极板推进至击穿。负极性（1）自持放电前阶段：正空间电荷加强棒极附近场强而削弱外部电场，促进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低。（2）自持放电阶段：空间电荷削弱放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，气隙击穿将不顺利，因此负极性击穿电压比正极性高很多，完成击穿所需时间也长得多。因此：冲击电压：冲击电压就是作用时间极为短暂的电压，一般之雷电冲击电压和操作冲击电压冲击放电时延实验表明：对气隙施加冲击电压使其击穿不仅需要足够幅值的电压，有引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子，而且需要一定的电压作用时间。冲击放电的总时间为：短气隙中（1cm以下），特别是电场均匀时，tfts，放电时延主要取决于)()(ccUU)()(bbUUfsbtttt1ts。为减小ts：可提高外施电场使气隙中出现有效电子的概率增加可采用人工光源照射，使阴极释放出更多的电子较长气隙时，放电时延主要决定于形成延时tf，且电场越不均匀，tf越大雷电冲击50％击穿电压定义：在多次施加同一电压时，其中半数导致气隙击穿，以此反映气隙的耐受冲击电压的能力。特点：(1)在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散性小冲击系数(2)在极不均匀电场中，由于放电时延较长，其冲击系数击穿电压分散性也较大。伏秒特性绘制伏秒特性的方法保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，记录击穿电压波形，读取击穿电压值U与击穿时间t。当电压不很高时击穿一般在波长发生；当电压很高时，击穿百分比将达100％，放电时延大大缩短，击穿可能发生在波前发生当击穿发生在波前时，U与t均取击穿时的值；当击穿发生在波长时，U取波峰值，t取击穿值50％伏秒特性的绘制极不均匀：平均击穿场强低，放电时延长，曲线上翘；稍不均匀：平均击穿场强高，放电时延短，曲线平坦。050UU1050UU1因此在避雷器等保护装置中，保护间隙采用均匀电场，确保在各种电压下保护装置伏秒特性低于被保护设备。提高气体介质电气强度的方法一、改善电场分布1.改善电极形状一改善电场分布。电场分布越均匀，平均击穿场强越高，如不可避免出现极不均匀电场，则尽可能采用对称电场2.利用空间电荷改善电场分布。极不均匀电场中间隙被击穿前先发生电晕现象，所以在一定条件下，可以利用放电产生的空间电荷来改善电场分布，提高击穿电压。3.极不均匀电场采用屏障改善电场分布。在极不均匀电场中，放入薄片固体绝缘材料，在一定条件下可以显著提高间隙的击穿电压二、削弱或抑制电离过程1.高气压的采用。2.高真空的采用。a)在各种设备的绝缘结构中大都还要采用固体或者液体介质，他们在真空中都会逐渐释放出气体，是高真空无法长期保持。所以实际中采用高真空作为绝缘介质的情况很少。3.采用强电负性气体。a)高电气强度气体（SF6）的采用①其电子附着效应大大减弱碰撞电离过程；②分子量、直径大，自由行程小；③碰撞引起分子极化反应，能量损失。④SF6电气设备尺寸大大缩小，且不受气候影响，但造价高而且它是对臭氧层有破坏作用的温室气体。b)高电气强度气体（SF6）的理化特性①液化问题一般不存在。②纯净的SF6无毒，但它的分解物有毒，对材料有腐蚀作用。③关于含水量：水分是最有害的物质。在设备安装、运行时要检测和控制含水量是否符合国家标准。④用SF6-N2混合气体代替SF6气体。可取得很大经济效益。沿面放电及防污措施沿面放电是指沿气体介质与固体介质的界面上发展的放电现象，它是一种特殊的气体放电。沿面放电的三种现象：1.均匀和稍不均匀电场中的沿面放电。2.极不均匀电场具有弱垂直分量时的沿面放电、3.极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电。第二章液体、固体介质的电气特性电介质:在电场中能产生极化的物质，指通常条件下导电性能极差、在电力系统用作绝缘的材料。极化：在电场的作用下，电荷质点会沿电场方向产生有限的位移现象，并产生电矩（偶极矩）。介电常数：电介质极化的强弱可用介电常数的大小来表示，与电介质分子的极性强弱有关。极性电介质和非极性电介质：具有极性分子的电介质称为极性电介质。由中性分子构成的电介质。极化的基本形式电子式、离子式（不产生能量损失）转向、夹层介质界面极化（有能量损失）极化种类产生场合所需时间能量损耗产生原因电子式极化任何电介质10-15s无束缚电子运行轨道偏移离子式极化离子式结构电介质10-13s几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质10-10～10-2s有偶极子的定向排列夹层极化多层介质的交界面10-1s～数小时有自由电荷的移动电介质的电导定义：在电场的作用下，由带电质点沿电场方向移动而形成电导电流;它可以分为离子电导和电子电导。要点：带电质点主要是离子，也称离子式电导指标：用电导率γ(s/ｃｍ)表示电介质的损耗介质损耗的含义：任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损耗。电介质的能量损耗简称介质损耗。用tgδ作为综合反映介质损耗特性优劣的指标理由：介质损耗P值和试验电压U、试品等值电容量、电源频率等许多因素有关，而tgδ是一个仅取决于材料本身的损耗特征而与上述种种因素无关的物理量。tgδ的增大，意味着介质绝缘性能变差，实践中常通过测量tgδ来判断设备绝缘的好坏。在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：1.在弱电场下，主要有极化、电导、介质损耗等2.在强电场下，主要有放电、闪络、击穿等液体电介质的击穿理论1.电击穿：认为在电场作用下，阴