高电压技术

高电压技术杨保初主编绪论1.学科地位2.本课程性质、任务和要求3.本课程学习方法4.课程导入一、学科地位电能与人类的生存、发展有密切关系，而高电压与绝缘技术是其中一个很重要的知识体系，它是支撑电能应用的一根有力的支柱。二本课程性质、任务和要求高电压技术是电工学科的一个重要分支，它主要研究高电压、强电场下各种电气物理问题。本课程是一门重要的专业技术基础课，主要内容包括：1.高压电气绝缘2.高压电气试验3.电力系统过电压及其保护在电气工程及自动化工程中具有较强的理论性、实践性的应用价值。通过本课程的学习，学生应达到以下要求：1、获得各种电介质的绝缘特性知识2、提高抗电强度的方法3、了解高电压试验设备原理、试验方法4、掌握波过程的基本理论5、具有分析计算供电系统中大气过电压、操作过电压的能力6、学会限制各种过电压的措施7、理解供电系统中绝缘配合的原则3.本课程学习方法高电压是门实践性很强的学科，其中有些内容是用微观和半微观的概念来说明宏观的现象，故比较抽象；有些内容因为理论和计算很不完善，所以有些规律性的东西常用试验数据或经验公式来表达。在学习过程中，重点掌握分析和解决问题的基本思路和方法。绝缘试验和过压保护等内容还要结合国家标准和规程进行学习。4.课程导入高压输电的发展过程1890英国出现从Deptford到伦敦长达45km的10kV输电线路1891德国出现从Lauffen到法兰克福长达170km的15kV三相输电线路在高压输电行业中，习惯上称：低压35kV以下高压35kV-100kV超高压100kV-1000kV特高压1000kV以上高电压实验问题高电压技术是一门工程性很强的学科，实验是必不可少的。高电压试验面临诸如以下问题：如何产生高压？如何对电气设备进行高压试验？如何测量高压？过电压保护问题电力系统运行过程中，经常会导致比工作电压高得多的电压产生，如：自然界的雷击、电力系统本身操作导致的操作过电压等。电磁环境问题电磁兼容：高电压高场强下各种电磁干扰信号更强，电磁兼容问题也更加突出。生态效应：研究强电场、强磁场下对生物生活环境的影响。气体的绝缘特强度第一章1.1气体放电的基本物理过程气体在正常状态下是良好的绝缘体,在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但在高电压下,气体从少量电符会突然产生大量的电符,从而失去绝缘能力而发生放电现象.一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态.输电线路以气体作为绝缘材料(1)激发原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态(2)游离原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子脱离原子核的束博而形成自由电子和正离子(3)游离的方式a.碰撞游离b.光游离c.热游离d.表面游离碰撞游离当带电质点具有的动能积累到一定数值后，在与气体原子（或分子）发生碰撞时，可以使后者产生游离，这种由碰撞而引起的游离称为碰撞游离引起碰撞游离的条件：iWm221iW：气体原子（或分子）的游离能光游离由光辐射引起气体原子（或分子）的游离称为光游离产生光游离的条件：iWhh:普朗克常数ν:光的频率热游离气体在热状态下引起的游离过程称为热游离产生热游离的条件：iWKT23K:波茨曼常数T:绝对温度表面游离电子从金属电极表面逸出来的过程称为表面游离，其能量可以从以下几个途径获得A、正离子碰撞阴极B、光电效应C、强场发射D、热电子发射带电质点的消失a.扩散带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动.b.复合正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子c.附着效应电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子1.1.2汤逊理论和巴申定律1.汤逊放电理论.实验装置试验结果均匀电场中气体的伏安特性曲线oa段:随着电压升高，到达阳极的带电质点数量和速度也随之增大ab段：电流不再随电压的增大而增大bc段：电流又再随电压的增大而增大c点:电流急剧突增(1).电子崩在电场作用下电子从阴极向阳极运动而形成的一群电子(2).非自持放电去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止(3).自持放电不需要外界游离因素存在,放电也能维持下去几个重要概念(4).自持放电条件a.电子的空间碰撞系数α一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰撞游离数b.正离子的表面游离系数γ一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的电子数自持放电条件可表达为:1)1(Se2、巴申定律表达式:)(PSfUFP:气体压力S:极间距离其曲线称为巴申曲线。它表明：如果改变极间距离d的同时，也相应的改变气压p，而是pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙的击穿电压却彼此相等。击穿电压Ub具有极小值，提高气压或降低气压到真空都能提高气隙的击穿电压)(PSfUFUb(kV)0.10.20.30.5123510203050100300100050201010.3520.20.10.5330Pd(x133.3Pa.cm)2.流注理论(1).在ps乘积较大时,用汤逊理论无法解释的几种现象a.击穿过程所需时间,实测值比理论值小10--100倍b.按汤逊理论,击穿过程与阴极材料有关,然而在大气压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关.c.按汤逊理论,气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展,但在大气中击穿会出现有分枝的明亮细通道(2).流注理论的要点:流注理论认为电子碰撞游离及空间光游离是维持自持放电的主要因素,流注形成便达到了自持放电条件,它强调了空间电符畸变电场的作用和热游离的作用.(3)放电流程图:有效电子(经碰撞游离)---电子崩(畸变电场)---发射光子(在强电场作用下)---产生新的电子崩(二次崩)---形成混质通道(流注)---由阳极向阴极(阳极流注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿.（4）流注的特点a、流注发展的速度很快b、主放电通道为细长通道（5）流注形成的条件流注形成的条件既是流注的自持放电条件，=常数或αd=常数实验研究所得出的常数值为：αd≈20或≈dede8101.1.4.不均匀电场中气隙的放电特性1.电晕放电一定电压作用下,在曲率半径小的电极附近发生局部游离,并发出大量光辐射,称为电晕放电.电晕起始场强开始出现电晕时电极表面的场强电晕起始电压开始出现电晕时的电压电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式电晕放电的危害降低电晕的方法：从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。2.极性效应(1).正棒---负板（1）.由于捧极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离，使电晕放电难以形成，造成电晕起始电压提高。（2）.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故降低了击穿电压。(2).负棒---正板（1）.捧附近正空间电荷产生附加电场加强了朝向棒端的电场强度，容易形成自持放电，所以其电晕起始电压较低。（2）.在间隙深处，正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，使放电的发展比较困难，因而击穿电压较高。结论：在相同间隙下正捧-----负板负捧-----正板电晕起始电压间隙击穿电压高低低高1.1.5.冲击电压下气隙的击穿特性1.标准波形雷电冲击波的几个参数波头时间T1：T1=(1.230%)μs波长时间T2:T2=(5020%)μs标准波形通常用符号表示s50/2.12.放电时延(1).间隙击穿要满足二个条件a.一定的电压幅值b.一定的电压作用时间c.在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子；(2).统计时延ts通常把电压达间隙的静态击穿电压开始到间隙中出现第一个有效电子为止所需的时间(3).放电形成时延tf从第一个有效电子到间隙完成击穿所需的时间(4).放电时延tLtL=ts+tf气体间隙在冲击电压作用下击穿所需全部时间：t=t1+ts+tf其中：ts+tf就是放电时延tL3.50%冲击放电电压U50%放电概率为50%时的冲击放电电压50%冲击放电电压与静态放电压的比值称为绝缘的冲击系数β0%50UU4.伏秒特性(1)定义同一波形、不同幅值的冲击电压下，间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线(2)曲线求取方法(3)电场均匀程度对曲线的影响不均匀电场由于平均击穿电场强度较低,而且流注总是从强场区向弱场区发展,放电速度受到电场分布的影响,所以放电时延长,分散性大,其伏秒特性曲线在放电时间还相当大时,便随时间之减小而明显地上翘,曲线比较陡.均匀或稍不均匀电场则相反,由于击穿时平均场强较高,流注发展较快,放电时延较短,其伏秒特性曲线较平坦.(4)伏秒特性的应用如图所示：S1被保护设备的伏秒特性曲线，S2保护设备的伏秒特性曲线。为了使被保护设备得到可靠的保护,被保护设备绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线.1.2影响气体放电电压的因素一、电场形式对放电电压的影响1、均匀电场中的击穿电压在均匀电场中直流及其工频击穿电压及其50％冲击击穿电压大致相同，其分散性很小。当s1cm时，均匀电场中的电气强度约为30kv/cm2、稍不均匀电场中的击穿电压在稍不均匀电场中的击穿电压与电场均匀程度关系极大。没有能概况各种电场分布的试验数据，具体间隙的击穿电压要通过试验才能确定。但是有这样一个规律；电场越均匀，同样间隙的击穿电压就越高。工程上常见的稍不均匀电场形式有球－球、球－板等3、极不均匀电场下的击穿电压在极不均匀电场中，放电分散性较大，且极性效应显著。间隙距离相同时，电场越均匀，气隙的击穿电压就越高。1、直流电压下的击穿击穿电压与间隙距离近似成正比，其平均击穿场强：正棒－负板约为4.5kv/cm，负棒－正板约为10kv/cm，棒棒电极约为5.4kv/cm.2、工频电压下的击穿电压除了起始部分外，击穿电压与距离近似成正比，帮板间隙约为4.8kv/cm，比棒棒电极稍微低一些，但是，当距离大于2m后，这种关系将出现明显的饱和现象，平均击穿场强明显降低，棒板间隙尤其严重。二、电压波形对击穿电压的影响3、冲击电压下的击穿电压由于空间电荷的形成，扩散和放电时延的统计性很大，所以操作冲击击穿的分散性也很大，且与距离存在明显的“饱和”现象。三、气体的性质和状态对气体放电电压的影响1.标准大气条件大气压力P0=101.3kpa温度t0=20湿度f0=11g/m32.相对密度的影响相对密度p=0.289----T当在0.95到1.05之间时,空气间隙的击穿电压U与成正比U=U03.湿度的影响(1).均匀或稍不均匀电场湿度的增加而略有增加,但程度极微,可以不校正(2).极不均匀电场由于平均场强较低,湿度增加后,水分子易吸附电子而形成质量较大的负离子,运动速度,减慢游离能力大大降低,使击穿电压增大.因此需要校正.4.高度的影响随着高度增加,空气逐渐稀薄,大气压力及空气相对密度下降,间隙的击穿电压也随之下降.U=kaU010001.11Hk四.提高气体间隙绝缘强度的方法有两个途径:一个是改善电场分布,使之尽量均匀;另一个是削弱气体间隙中的游离因素.1.改善电场分布的措施(1).改变电极形状(2).利用空间电荷对电场的畸变作用(3).极不均匀电场中采用屏障当屏障与棒极之间的距离约等于间隙的距离的15%-----20%时，间隙的击穿电压提高得最多，可达到无屏障时的2---3倍2.削弱游离因素的措施(1).采用高气压气体压力提高后，气体的密度加大，减少了电子的平均自由行程，从而削弱了碰撞游离的过程。如高压空气断路器和高压标准电容器等(2).采用高真空气体间隙中压力很低时，电子的平均自由行程已增大到极间空间很难产生碰撞游离的程度。如真空电容器、真空断路器等(3).采用高强度气体SF6气体属强电负性气体,容易吸附电子成为负离子,从而削弱了游离过程.提高压力后可相当于一般液体或固体绝缘的绝缘强度.它是一种无色、无味、无臭、无毒、不燃的不活泼气体，化学性能非常稳定，无腐蚀作用。它具有优良的灭弧性能，其灭弧能力是空气的100倍，故极适用于高压断路器中。1.3沿面放电什么叫沿面放电沿着固体介质表面的气体发生的放电沿面放电电压通常比纯空气间隙的击穿电压要低1.3.1.沿面放电