课件：高电压技术分解.ppt

高 电 压 技 术 王富荣 20011年9月,西南交通大学电气工程学院,绪 论,高电压技术 研究高电压（强电场）下的电气物理问题,电力系统：输送的功率一定时，输电线路电压越高，功率损耗越低，输送距离越远。 大功率、远距离输电高压、超高压、特高压电网 我国 中压电网 63、35、10 kV 高压电网 110、220 kV 超高压电网 330、500kV 、750kV 特高压电网 1000kV 另有直流输电网： 800kV； 660kV； 500kV,电气化铁道牵引供电系统：110（或220）kV/27.5kV高压供 电网络,牵引供电系统电气原理示意图,电力系统（及牵引供电系统）高电压问题：,高电压技术的应用： 高能物理（粒子加速器） 医学（基于高电压的医疗器械 X光机、CT ） 环保（静电除尘、烟气脱硫（硝）、污水处理、汽车 尾气处理 ） 食品卫生（杀毒灭菌） 高压静电喷涂 。,1 气体放电的基本物理过程,正常使用，电介质为良好的绝缘体 过高电压下，发生放电、失去绝缘性 击穿。,1.1 带电质点的产生、运动和消失,气体放电的原因：气体中出现带电质点,气体中出现带电质点的原因：电离 气体分子电离：气体分子（原子）接受外界能量后，其核外电子脱离原子核的束缚，成为自由电子。气体分子（原子） 正离子+自由电子,电离能使气体分子发生电离所需要的最小能量。 单位：电子伏特（ev),一、气体中带电质点的产生,表1-1 气体分子的电离能,气体电离方式 电子碰撞电离-电子被电场加速获得动能，在和气体 分子碰撞时，把动能传给后者引起碰 撞电离。 条件：自由电子的动能气体分子的电离能。,光电离光辐射引起的气体分子电离 条件：光子的能量气体分子的电离能。,热电离高温（数千度以上）气体产生的气体分子电离。 气体分子碰撞电离； 热辐射电离。,阴极表面电离,阴极表面逸出功气体分子电离能 不同的金属材料逸出功不同,表1-2 一些金属的逸出功,阴极表面电离阴极表面发射自由电子。,逸出功使阴极表面发射电子所需要的最小能量， 单位：电子伏特（ev),正离子撞击阴极表面 光电子发射 热电子发射 强场发射。,阴极表面电离方式：,负离子的形成,附着：电子与中性分子相结合形成负离子。 负离子的形成并未使气体中带电质点的数目 改变，但却使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用,二、带电质点的运动和消失,定向运动 带电粒子在电场的驱动下，沿电场方向运动， 到达电极时，消失于电极上而形成电流。 扩散 带电粒子从浓度高的地方向浓度低的地方移动因而 逸出气体放电空间。 复合 正离子和负离子或电子相遇，发生电荷传递而互相 中和，还原为中性分子的过程。,复合是电离的逆过程 以光子形式向外释放能量，可导致 光电离,1.2 汤逊放电理论,一、气隙中的放电电流,二、电子崩,电子崩的形成,电子碰撞电离系数：,图1-4a 电子崩的形成,电子崩中带电粒子分布,图1-4b 电子崩中带电粒子分布,三、电子崩（ 过程）产生的电流 设：单位时间从阴极发出 n0个自由电子 因：电子崩过程 在：x处为 n个 在：xdx处为 n+dn个 则： dnndx 积分得： n= n0ex X=d: na= n0ed,则：电子崩所引起的放电电流： I=I0ed （19) I0n0e 饱和电流（由外界电离因素形成） 若：n00 I0=0 放电需依靠外界电离因素维持 非自持放电,四、过程同时作用引起的电流,过程正离子撞击阴极表面电离 正离子撞击阴极表面电离系数 （每一个正离子撞击阴极表面时，使阴极表面所 发射的自由电子数），决定于气体种类和阴极材料，不同金属材料其值不同。,同时考虑、过程极间自由电子数目变化：,阴极表面 到达阳极 过程使气隙中产生 过程使阴极表面发射 n0 n0ed n0（ed1） n0（ed1） . . . . nc nced nc（ed1） nc（ed1）,平衡状态下： nc= n0+ nc（ed1）,则： nc= n0/1- （ed1）,阳极： na nc ed n0 ed /1- （ed1）,放电电流： Ia= I0 ed /1- （ed1）,自持放电的条件,若使： 1- （ed1）0 则：I0= 0, I0- 去掉外界电离因素，放电可依靠间隙自身电离（ 过程）维持-自持放电。,自持放电的条件： （ed1）1,物理意义：每一个从阴极出发的自由，在消失于阳极之 前，因、过程，使阴极产生一个新的自 由电子，以维持间隙的的电离过程，放电 得以自持。,放电形式：辉光放电、火花放电、电弧放电,五、击穿电压与气压的关系（巴申定律） 将： ApeBP/Eb， EbUb/d 代入自持放电条件： （ed1）1,可得击穿电压：,击穿电压随pd乘积变化且存在极值,即：,六 汤逊放电理论的局限,1. 放电外形 汤逊理论：放电应是充满整个电极间、均匀、连续发展的。 实际：大气压下，放电路径贯穿两极细通道且具有分支、 放电多为间歇性、不均匀（如火花放电、雷电）,2. 阴极材料 汤逊理论：阴极材料的特性对击穿过程起重要作用。 实际：大气压下，击穿电压与阴极材料无关。,3. 放电时间 汤逊理论：击穿需时较长，。 实际：大气压下，击穿需时很少。,汤逊理论适用于pd26.6kpa.cm的情况。 原因：1. 没有考虑空间电荷对电场的畸变 2. 没有考虑空间光电离作用,汤逊放电理论适用于：低气压、短间隙（pd26.66kpa.cm),1.3 气体放电的流注理论,流注理论-分析各种气压、各种间隙下的气体放电过程,流注理论： 强调了空间电荷对电场的畸变作用 认为电子碰撞电离、空间光电离为主要电离因素,一、空间电荷对电场的畸变作用 电子崩中正负电荷形成的电场导致空间电场畸变, 电子崩头、崩尾电场增强 正负电荷衔接区电场减弱， 正负电荷衔接区中带电粒子（正、负离子）浓度十分高,二、 空间光电离的作用 正负电荷衔接区带电粒子复合 ，带电粒子浓度足够高，复合运动剧烈，可引起光电离，产生光电子 光电子在电场作用下运动，电子碰撞电离，导致二次电子崩,三、 流注的形成和发展 二次电子崩中带电粒子不断汇初崩通道，构成正负离子混合的导电区流注,图1-9 从电子崩到流注的转换,图1-10 负流注的形成,1.4 不均匀电场中的放电过程,一、不均匀电场的放电特点 均匀电场（平板电极）：达到自持放电条件，间隙击穿。 稍不均匀电场（同轴圆柱电极、球隙等）：达到自持放电 条件，间隙击穿，间隙平均击穿场强低于均匀电场。 极不均匀电场（棒-棒电极、棒-板电极）：出现电晕放电阶段，间隙平均击穿场强低于均匀电场和稍不均匀电场,电晕放电：外加电压达到一定数值时，在小曲率半径 电极处强烈电离，出现流注，为局部范围 的自持放电，间隙仍保持绝缘状态。 电晕起始电压：开始出现电晕放电时，极间所加电压。,击穿过程：u 电晕区扩大放电电流.u 进一步增加到一 定数值，导致间隙击穿。,二、输电线路电晕 交流 输电线路电晕起始场强（幅值）皮克公式 式中：m1 导线表面粗糙系数 ， 光滑导线 , 绞线 m2 气象系数 取0.8-1.0； 空气相对密度； r 导线半径（cm）。 输电线路电晕危害 放电脉冲产生高频电磁波，形成无线干扰。 产生电晕损耗。 产生化学腐蚀。 防止（减轻）输电线路电晕的措施 减小导线表面场强，对330kV及以上线路，采用分裂导线。,三、极性效应,放电一定从曲率半径小的电极表面开 始。,极性效应击穿电压与小曲率半径电极极性有关,典型的极不均匀电场-棒-板间隙 棒板间隙：放电发展过程存在明显的极性效应 直流下及冲击电压： 工频电压下：击穿总发生在棒极为正的半周内。,出现极性效应的原因 棒为正：出现电晕后，棒极附近滞留的正空间电荷加 强了流注头部电场，放电易于发展。 棒为负：出现电晕后，棒极附近滞留的正空间电荷减 弱了流注头部电场，放电不易发展。,正极性“棒-板”间隙中的电场畸变 负极性“棒-板”间隙中的电场畸变,四、长空气间隙放电过程,先导放电过程 主放电过程,1.5 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,一、放电时间 完成气隙击穿的三个必备条件： 足够高的电场强度或（电压）； 气隙中出现能引起电子崩并导致流注 的有效电子； 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展 并完成击穿。 完成击穿所需的时间是很短的（微秒级）。 直流、工频下放电时间对击穿电压无影响； 冲击电压，击穿电压和放电时间有关。,放电时间的组成,总放电时间： tb=t1+ts+tf,t1电压上升时间，气隙电压从0上升 到Us上升到所需时间。 ts统计时延，从t1 开始到气隙出现 第一个有效电子所需的时间； tf 放电形成时延，出现有效电子到 完成气隙的击穿需要的时间。,图1-14 放电时间的组成,二、冲击电压标准波形 （一）标准雷电冲击电压波 图1-15 雷电冲击电压波形的标准化 T1视在波前时间； T2视在半峰值时间； Um冲击电压峰值 IEC和国标的规定为： T11.2 s 30 T250 s 20 记为1.2/50 s，,u/um,（二）标准雷电截波 标准雷电截波：用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或 外绝缘闪络后所出现的截尾冲击波。 图1-16 雷电截波 IEC和国标规定为： T11.2 s 30波前时间 Tc =2 5 s 截断时间,u/um,（三）标准操作冲击电压波 图1-17 操作冲击试验电压波形 （a）非周期性双指数冲击波； （b）衰减振荡波 IEC和国标规定： Tcr250 s 20 波前时间 T22500 s 60 半峰值时间,三、冲击电压下气隙的击穿特性 间隙耐电强度表示： 持续电压作用下击穿电压 冲击电压下 U50% （50冲击击穿电压） 间隙伏秒特性 原因：放电时间对冲击击穿电压的影响，放电 有分散性。 （一） U50% 50冲击击穿电压 U50%表征气隙的耐受冲击电压的能力。 指气隙被击穿的的概率为50%的冲击电压峰值 同一间隙雷电冲击u50%和操作冲击U50%不同,（二）伏秒特性 伏秒特性表示气隙冲击击穿电压与放电时间 的关系曲线。 通过实验方法取得伏秒特性曲线 伏秒特性曲线用于系统绝缘配合,平均伏秒特性曲线 实际的伏秒特性曲线，是一个以上、下包络线为 界的带状区域。 通常取50伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一 个气隙的冲击击穿特性。,图1-19 伏秒特性带与50伏秒特性 1上包络线；250伏秒特性；3下包络线,1.6 气体介质的电气强度,了解气体放电的基本物理过程，有助于分析、说明各种气隙在各种高电压下的击穿规律和实验结果。 对气体介质的电气强度（击穿电压或击穿场强）定量分析， 采用实验方法 气体电气强度首先取决于电场形式 均匀电场：平行板电极 稍不均匀电场：球球，同轴圆筒 极不均匀电场：棒棒（对称电场） 棒板（不对称电场） 气体的击穿特性与所加电压的类型有很大关系 主要的四种类型电压波形： 工频交流电压、直流电压、雷电过电压波和操作过电压波。,1.6.1 均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性,一、均匀电场的击穿特性 各处电场强度相等，击穿所需时间短 直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压相同。 击穿电压的分散性很小,图1-11 均匀电场空气间隙击穿电压峰值随极间距离的变化,二、 稍不均匀电场下气隙的击穿电压 一旦出现局部放电就导致整个气隙的击穿。 实例：球-球、球-板、同轴圆筒、平行圆柱等 球间隙:电场不均匀度随着球间距离d与球极直径D之 比增大而增加。,直流击穿电压=工频击穿电压（峰值）=U50%（冲击击穿电压） 击穿场强比均匀电场下低 各种稍不均匀电场下气隙的击穿电压见式（1-37）-（1-60）,1.6.2 极不均匀电场下气隙的击穿电压 气隙中各处场强差别很大， 存在电晕放电阶段和极性效应,典型极不均匀电场 对称：棒-棒、线-线 不对称：棒-板、线-板,“棒-棒”和“棒-板”空气间隙直流击穿电压曲线,直流电压下 平均耐受场强（10cmd300cm): 正棒-负板 约为 4.5Kv/cm ;负棒- 板 约为 10Kv/cm 棒-棒约为 5.4Kv/cm,工频交流电压下 棒-板 击穿总是发生在棒为负的半波,雷电冲击电压下,1.7 大气条件对气隙击穿特性的影响及校正,大气条件：空气密度、湿度 密度增加，击穿电压上升， 均匀电场和稍不均匀电场下，湿度对击穿电压基本无影响 极不均匀下电场湿度增加，击穿电压有所提高。,一、空气密度、湿度的校正的校正 在不同的大气状态下，外绝缘的击穿电压按下式校正： UKd/Kh*U0 U -试验条件下外绝缘的击穿电压 U0-标准大气条件下外绝缘的击穿电压 Kd-空气密度校正因数 Kh-湿度校正因数 标准大气条件：P0=101.3kPa t0=20 h0=11g/m3,m指数，取决与电压形式、距离等 ，查图可得。,k绝对湿度函数，取决于绝对湿度和电压极性，查图可得 W取决于电压形式、气体密度、放电距离等，查图可得。,二、海拔高度的影响 随着海拔高度增加，大气压力下降，空气密度减小，电气设备外绝缘放电电压下降。 国标规定：用于海拔高度 1000mH4000m的电气设备外绝缘，在非高海拔地区试验时，其试验电压：,U0该设备外绝缘在平原地区的试验电压 kv H该设备安装点的海拔高度 m,基本途径：1. 改善电场分布，尽量均匀 2. 削弱或抑制气体电离过程,1.8 提高气体电气强度的方法,具体措施：1. 改进电极形状以使电场尽量均匀 2. 采用屏间障 3. 采用高气压 4. 采用真空 5. 采用高强度气体（SF6),1.9 沿面放电和污闪事故,一、沿面放电概念 带电导体用固体绝缘装置将它们悬挂起来或支撑起来。 绝缘子一个电极接电压，一个电极接地。 绝缘的丧失：1)固体介质本身击穿; 2)沿面闪络 沿面放电-沿着固体介质表面发展的气体放电 现象。 沿面闪络-沿着放电沟通两电极。 污闪-沿着污秽固体电介质表面发生的闪络。 绝缘子 干闪络电压 湿干闪络电压 污秽闪络电压,二、沿面放电的类型与特点,固体介质与其体介质交接面电场分布的三种典型情况：,1)均匀电场，固体介质界面与电力线平行 2)稍不均匀电场，切线分量Et大于垂直分量En 3)极不均匀电场，垂直分量En比切线分量Et要大得多,（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电 平板电极间插入一块固体介质，沿面闪络电压比纯空气间隙时的击穿电压下降很多，原因： （1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。 （2）大气中的潮气吸附到固体介质的表面形成薄水膜， 水膜中的离子电荷聚集于电极附近，固体介质沿面电 场分布不均 （3）固体表面粗糙不平会造成电场畸变。,（二）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电 放电发展过程如图124 外施电压升高 电压超过某一值 电压再升高 电晕放电 辉光放电 滑闪放电 闪络 （法兰附近） 特点：出现滑闪放电（不稳定的树枝状火花放电） 原因：辉光放电出现的大量带电粒子，在强垂直分量作用下， 紧贴固体表面运动，是固体表面因摩擦产生高温，导 致气体分子热电离，火化通道带电粒子数目剧增，火 化通道向前延伸， 滑闪放电。 滑闪放电树枝中的一枝沟通两电极时， 沿面闪络。 （三）极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电 沿面闪络过程中无滑闪放电（不会出现热电离） 平均闪络场强比均匀电场时低得多；但大于强垂直 电场分量时的平均闪络场强。,三、影响沿面闪络电压的因素 （一）固体介质材料 取决于材料得亲水性或憎水性 （二）电场型式 固体介质表面电场越均匀，闪络电压越高。 四