高电压技术教案终稿

高电压技术教案 第62页，共62页 教 案（2008/2009学年第一学期）课程名称 高 电 压 技 术 课程编号 课程性质 考查 教学时数 3 0 教学对象 05电力本 授课教师 谢 彦 斌 职 称 讲 师 邵阳学院电气工程系2008年10月（一）课程教学目的和要求目的：高电压技术课程是电力专业的一门专业课，本课程主要内容由三部分组成：各类电介质在高电场下的电气绝缘特性，电气设备绝缘实验技术，电力系统过电压与绝缘配合。学习本课程的目的是让同学们学会正确认识和处理电力系统中绝缘与作用电压这一对矛盾，掌握从事电力系统设计、建设和运行的必要的基础知识。要求：通过本课程的学习熟练掌握各类电介质在高电场下的电气绝缘特性，电气设备绝缘实验技术，电力系统过电压与绝缘配合。（二）课程教学重点和难点1、重点：气体的放电基本物理过程和电气强度：绝缘预防性试验和高电压试验：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2、难点：气体的放电基本物理过程和电气强度：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（三）教学方法：板书讲解。（四）课时安排总课时：30课时，其中：气体的放电基本物理过程和电气强度：5课时液体、固体介质的电气特性：3课时电气设备绝缘预防性试验：3课时绝缘的高电压试验：3课时电气设备绝缘在线监测与诊断 1课时线路和绕组中的波过程：4课时雷电及防雷保护装置：2课时电力系统防雷保护：3课时电力系统内部过电压：4课时电力系统绝缘配合：2课时（五）考核方式开卷考试。平时成绩占30%，考试成绩占70%。 （六）参考教材：周泽存主编，高电压技术（第二版），中国电力出版社。第一章 气体的放电基本物理过程和电气强度教研室：电气教研室 教师姓名：谢彦斌 课程名称高电压技术授课专业及班次05级电力本科班授课内容1、汤逊理论和流注理论2、不均匀电场中的放电过程3、空气间隙在各种电压下的击穿特性4、大气条件对气隙击穿特性的影响5、提高气体介质电气强度的方法6、沿面放电及防污对策授课方式及学时板书，5学时目的要求让学生掌握气体放电的基本理论及规律、击穿特性和影响因素、以及提高气体介质电气强度的方法等。重点与难点重点：1、汤逊理论和流注理论2、不均匀电场中的放电过程3、空气间隙在各种电压下的击穿特性4、沿面放电及防污对策难点：1、汤逊理论和流注理论2、不均匀电场中的放电过程讲授内容及时间分配1、汤逊理论和流注理论：1节课2、不均匀电场中的放电过程：1节课3、空气间隙在各种电压下的击穿特性：1节课4、大气条件对气隙击穿特性的影响：0.5节课5、提高气体介质电气强度的方法：0.5节课6、沿面放电及防污对策：1节课教 具黑板、粉笔参考资料周泽存主编，高电压技术（第二版），中国电力出版社。第一节、汤逊理论和流注理论气体放电类型：非自持放电：依靠外电离因素的作用才能维持的放电过程自持放电：因电压足够大，气隙中电离过程仅靠外施电压就可维持的放电过程。结合教材中图1-1，1-2讲解。汤逊理论20世纪初，汤逊对电场均匀、气压低、气隙短的气体放电实验进行总结，得到较系统的气体放电理论即所谓的汤逊理论。简介如下：光源电子（光电离）电子向阳极方向运动（电场的作用）碰撞电离产生新的电子产生剧增的电子崩/雪崩电子崩中的正离子向阴极方向运动加强阴极场强且撞击阴极表面阴极表面发生电离新的电子发射新的循环过程。为了定量分析气隙中气体放电过程，引入3三个参数：1个电子沿电场方向行经1CM平均发生的撞击电离次数。：1个正离子沿电场方向行经1CM平均发生的撞击电离次数。：每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属释放出的平均自由电子数。结合教材中图1-4可得：均匀电场中自持放电的条件为：（ed-1）1 (教材中为=号)汤逊理论的实质：1、 电子碰撞电离是气体放电的主要原因2、 二次电子来源主要是正离子撞击阴极表面是阴极表面逸出的电子3、 逸出电子是维持气体放电的必要条件。流注理论汤逊理论可以较好的解决电场均匀、气压低、气隙短（pd26.66kPa.cm)的气体放电现象，但用来解释现实中发生的气压高、气隙长的气体放电现象（如雷电）时却出现了矛盾。主要表现在：1、 实测大气击穿时间远低于按汤逊理论推测的时间2、 在大气压力下的气体放电几乎与阴极材料无关3、 大气中发生气体击穿时会出现带有分支的明亮细长通道（均场中是均匀连续发展的）此时只能用流注理论来解释如下：外电离因素阴极附近产生起始电子电子向阳极方向运动（电场的作用）碰撞电离初始电子崩（正离子与电子迁移速度不同，形状见图1-6）空间电场产生畸变，即电子崩外围电场加强而崩内电场减弱空间电场畸变程度加强（随着电子崩迁移过程的推进）外施电压较低时电子崩到达阳极后就消失，外施电压达到气隙的最低击穿电压时撞击电离程度较强电子崩外围带电粒子较多+空间电场畸变程度较大产生强烈的激励和反激励产生大量光子空间光电离产生许多衍生/二次电子崩衍生电子崩的头部即电子受崩内正离子吸引汇合到场强较弱的崩内正空间电荷区形成导电性能良好的混合通道，即所谓的流注衍生崩残留的正离子则可以加强原电子崩的外围电场产生新的衍生电子崩流注继续往崩内正离子迁移方向即阴极方向发展流注到达阴极时即整个间隙击穿。流注理论的实质：1、 形成流注的必要条件是电子崩发展到足够程度，使原电场发生明显畸变，即崩外围电场得到显著加强，进而引发空间光电离。2、 二次电子的主要来源是空间的光电离。3、 形成流注的条件及自持放电的条件流注理论对气压高、气隙长的气体放电现象的解释：1、 光子的速度远大于电子，因而流注发展速度远大于汤逊理论的推算。2、 二次崩的发展具有随机性，所以流注的推进不可能均匀，甚至具有分支。3、 大气条件下气体放电的发展是依靠光电离，故阴极材料对气体击穿电压的影响不大。4、 在pd值较小的情况下难以完成足够的碰撞电离，因而不可能出现流注。补充说明：强电负性气体（SF6）的击穿场强（89kV/cm）远大于非电负性气体（空气）的击穿场强(30kV/cm)。第二节、不均匀电场中的放电过程一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点（结合图1-7）稍不均匀电场：4Dd2D ：随电压升高会出现电晕，但不稳定，马上转化为火花放电：f(=Emax/Eav)2 极不均匀电场： ：d4D ：电压达到某一临界值时，2球极表面出现蓝紫色晕光，即电晕：f(=Emax/Eav)4QUESTION：稍不均匀电场与极不均匀电场中达到自持放电条件时分别会出现什么情况？ANSWER：击穿、起晕。二、电晕：在极不均匀电场中，在外电离因素及电场的作用下产生激发电离同时伴随着可逆过程-复合产生光辐射，即形成晕光。 电晕的负面作用：无线电干扰（电离与复合过程的周期发生，形成高频脉冲） ：耗能：噪声：产生化学反应如O3（强烈氧化剂），NO2（于空气中的水分形成硝酸类），对有机绝缘造成损害。电晕的积极作用：改善电场分布 ：可以削弱雷电或操作电压冲击波的幅值和陡度：工业用途：静电除尘器净化工业废气、静电喷涂、臭氧发生器净水等三、极不均匀电场中的放电过程典型情况：棒-板电极 （结合教材中图1-9，1-10讲解）1：自持放电（电晕放电）前的阶段：对于正极性棒-板，起晕电压较高；对于负极性棒-板，起晕电压较低。 2：自持放电（电晕放电）后的阶段：电晕放电发展到击穿放电：对于正极性棒-板，击穿电压较低；对于负极性棒-板，击穿电压较高。 结论：电离总是先从棒极开始，而与该电极的极性无关。：放电发展过程，与棒板电极的极性密切相关。QUESTION：为什么电离总是先从棒极开始？第三节 空气间隙在各种电压下的击穿特性电力系统中空气间隙得击穿电压可分为2种：1、 稳态电压：直流电压，工频交流电压2、冲击电压：雷电冲击电压，操作冲击电压空气间隙的击穿电压不仅取决于电压，还取决于电极的形状，即电场形式。下面将分别讨论；一、空气间隙在稳态电压下的击穿1均匀电场气隙的击穿：无极性效应：击穿时间短：击穿场强30kV/cm：在直流、工频电压下的击穿电压相同。Q：为什么在直流、工频电压下的击穿电压相同？2稍不均匀电场气隙的击穿（高压标准电容器、单芯电缆、等）：有极性效应：击穿电压有一定的分散性。：击穿场强30kV/cm3极不均匀电场中的击穿实际工程中遇到的极不均匀电场间隙按电极的对称情况分为2类：棒-板型，棒-棒型棒-棒型：导线-导线棒-板型：导线-大地 ：有极性效应（相对来说棒-棒型较不明显）：击穿电压有一定的分散性 ：击穿场强30kV/cm：极间距离大小有很大影响 共同点：工频电压下击穿电压的分散性都比较小。二、空气间隙在冲击电压下的击穿1、在雷电冲击电压下的击穿 （1）雷电冲击电压标准波形（IEC和GB规定）见教材中图1-18 。 +-1.2us/50us(+-30%, +-20%) （2）冲击放电的时延实验表明：气隙放电不仅需要足够幅值的电压，而且需要一定的电压作用时间。见教材中图1-19 。ts ：统计时延：从电压达到静态击穿电压Ub开始到气隙中开始出现第一个有效电子。 tf ：放电形成时延：从气隙中出现第一个有效电子到气隙击穿所需的时间。 tb ：放电总时间:= t1 + ts + tf tlag：放电时延：= ts + tf 研究表明：短气隙、电场均匀时：ts tf长气隙、电场不均匀：tf ts（3）雷电50%冲击击穿电压Q：对于某一个气隙，如果100KV和200KV都可以击穿它，那么，评定这个气隙耐冲击能力时，那个电压较合适呢？在评定气隙绝缘耐冲击电压的能力时，应是刚好引发击穿的电压。但要准确得到这一值是比较困难的，因此工程上采用多次施加同一电压，其中半数导致气隙击穿的电压来反映其耐冲击能力，即所谓的50%冲击击穿电压，记为U50%。 Q：工频击穿电压U50%相比，哪个值较高？见教材中图1-17，1-20，比较2图可得到结论。 （4）伏秒特性刚才讲到，气隙的击穿不仅与电压幅值有关，还与电压作用时间有关。所以单纯地用U50%来评价气隙耐击穿能力是不够准确和全面的。所以工程上还有另一种方法来表征气隙的击穿特性，即所谓的伏秒特性，见教材中图1-22。（横坐标tb 为放电总时间即击穿时间）。 鉴于伏秒特性的分散性，工程上常用平均或50%伏秒特性曲线表征气隙的冲击击穿特性但伏秒特性的制作相当费时，有些情况下采用U50%就足够了。但仿真分析时一般用伏秒特性。被保护设备的伏秒特性与保护间隙的伏秒特性的配合：见教材中图1-23。Q：被保护设备的伏秒特性曲线应该是哪条曲线才正确？（1）2、在操作冲击电压下的击穿见教材中图1-24。（IEC和GB规定）+-250us/2500us(+-20%, +-60%)研究表明：对于均匀电场及稍不均匀电场，气隙的U50%与工频击穿电压峰值几乎相同。但对于极不均匀电场，则呈U型曲线，见图1-25。解释如下：1、U型曲线左边是由于放电时延造成的2、U型曲线右边是由于空间电荷的迁移改善了气隙中电场分布，从而提高了击穿电压。注意：1、 气隙的操作冲击电压不仅远低于雷电操作冲击电压，某些情波前时间下，甚至低于工频击穿电压。因此，在确定电力设施的空间距离时必须慎重考虑。 2、 操作冲击电压下的气隙击穿及放电时间的分散性比雷电冲击电压的分散性大很多。3、 极不均匀电场下的操作冲击击穿特性具有一定的“饱和”特性，这对发展特高压输电技术是不利的。第四节 大气条件对气隙击穿特性的影响自习。 第五节 提高气体介质电气强度的方法Q：研究气隙放电的目的是什么？A：知道如何提高气体介质的电气强度。Q：提高气体介质的电气强度可从哪方面入手？通常的思路：1、 改善气隙中的电场分布2、 削弱或抑制气体介质的电离过程一、改善电场分布1、改进电极形状2、利用空间电荷改善电场分布（电晕）3、极不均匀电场中采用屏障改善电场分布（阻碍带电粒子运动，调整空间电荷分布）Q：被阻碍的带电粒子的极性根电晕电极同号还是异号？二、削弱或抑制电离过程1、采用高气压（减小电子的自由行程）2、采用强电负性气体（SF6：电气强度为空气的2.5倍，灭弧能力为100倍以上） 但SF6的分解物有腐蚀性。研究表明：SF6混合N2，CO2，或空气会提高其电气强度。第六节 沿面放电及防污对策沿面放电的概念：沿气体介质与固体介质的交界面上发展的放电。主要有沿面滑闪（尚未击穿）和沿面闪络（沿面击穿）2种情况。Q：在相同的放电条件下，沿面闪络电压与纯气隙的击穿电压相比哪个高？Q：一个绝缘装置的实际耐压能力取决于它的气隙击穿电压吗