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1 高电压技术 2 绪论 高电压技术 研究高电压 强电场 下的电气物理问题 3 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 10kV高压电网110 220kV超高压电网330 500kV 750kV特高压电网1000kV另有直流输电网 800kV 660kV 500kV 电力系统 牵引供电系统 的高电压技术问题 电气化铁道牵引供电系统 110 或220 kV 27 5kV高压供电网络 4 5 牵引供电系统电气原理示意图 6 电力系统 牵引供电系统 高电压问题 电介质的电气强度 电气绝缘试验技术 电力系统过电压及其防护 7 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 8 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 9 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 电离电离 当原子 分子 获得足够大的外加能量 电子脱离原子核的束缚 成为自由电子 电离形式 气体分子电离阴极表面电离 阴极表面发射自由电子 电离能 使气体分子发生电离所需要的最小能量 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 一 气体中带电质点的产生 10 表1 1气体分子的电离能 11 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 12 阴极表面电离方式 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 13 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 14 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 15 1 2汤逊放电理论 一 气隙中的放电电流 16 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 17 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 x dx处为n dn个则 dn ndx积分得 n n0e dX d na n0e d 18 则 电子崩所引起的放电电流 I I0e d 1 9 I0 n0e饱和电流 由外界电离因素形成 若 n0 0I0 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 19 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n0n0e dn0 e d 1 n0 e d 1 ncnce dnc e d 1 nc e d 1 平衡状态下 nc n0 nc e d 1 则 nc n0 1 e d 1 阳极 na nce d n0e d 1 e d 1 放电电流 Ia I0e d 1 e d 1 20 自持放电的条件 若使 1 e d 1 0则 I0 0 I 0 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 e d 1 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 21 五 击穿电压与气压的关系 巴申定律 将 Ape BP Eb Eb Ub d代入自持放电条件 e d 1 1 可得击穿电压 击穿电压随pd乘积变化且存在极值 即 22 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 23 汤逊理论适用于pd 26 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 24 汤逊放电理论适用于 低气压 短间隙 pd 26 66kpa cm 1 3气体放电的流注理论 流注理论 分析高气压 长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 25 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 26 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 27 图1 9从电子崩到流注的转换 28 图1 10负流注的形成 29 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 30 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 31 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 32 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 33 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 34 四 长空气间隙放电过程 先导放电过程主放电过程 35 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 36 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 37 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 T1 1 2 s 30 T2 50 s 20 记为1 2 50 s u um 38 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 T1 1 2 s 30 波前时间Tc 2 5 s 截断时间 u um 39 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 Tcr 250 s 20 波前时间T2 2500 s 60 半峰值时间 40 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 41 42 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 43 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 2 50 伏秒特性 3 下包络线 44 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 45 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 46 47 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 48 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 49 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 10cm d 300cm 正棒 负板约为4 5Kv cm 负棒 板约为10Kv cm棒 棒约为5 4Kv cm 50 工频交流电压下棒 板击穿总是发生在棒为负的半波 51 雷电冲击电压下 52 53 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 U Kd Kh U0U 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 3kPat0 20 h0 11g m3 54 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 55 二 海拔高度的影响海拔高度1000m H 4000m 56 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 采用屏障3 采用高气压4 采用真空5 采用高强度气体 57 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 58 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En3 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 59 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1 24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 60 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 绝缘子在淋雨状态下的沿面闪络绝缘子在淋雨状态下的沿面闪络 湿闪络 u湿闪 u干闪湿闪途径 1 沿湿表面AB和干表面BCA 发展 缘子湿闪电压为干闪时的40 50 2 沿湿表面AB和空气间隙BA 发展 绝缘子湿闪电压比干闪时不会下降很多 3 沿湿表面AB和水流BB 发展 湿闪电压降低到很低的数值 61 五 绝缘子污秽状态下的沿面闪络 绝缘子污秽原因 工业粉尘 废气 自然盐碱 灰尘等污秽物的污染 污垢层 干燥状态 导电性较小 大雨时被冲刷干净 均不会影响运行 污闪 污秽绝缘子在毛毛雨 雾 露等不利天气时 在工作电压下发生的闪络 污闪过程 污层将被水分湿润 电导 工作电压下泄漏电流 绝缘子表面污层上出现局部烘干区 烘干区电场强度 烘干区击穿 烘干区出现电弧放电 泄漏电流 出现新的烘干区 新的烘干区击穿 电弧拉长 弧道不断延伸发展 称为爬电 弧道贯穿两极 沿面闪络 62 污区等级 0 级 等值盐密 将绝缘子污垢层的导电性能还算为单位面积含盐量 爬电比距 每千伏线电压所需要的爬电距离 污闪危害 造成系统长时间 大面积停电 防污闪措施 增大爬距定期清扫涂憎水性涂料涂半导体釉采用合成绝缘子 63 污区等级 0 级 64 2 2极不均匀电场气隙的击穿特性 棒 棒 气隙 完全对称性 棒 板 气隙 最大不对称性其它类型极不均匀电场气隙击穿特性处于这两种之间 一 直流电压 棒 棒 和 棒 板 击穿特性见图2 4 棒 板 负极性击穿电压大大高于正极性击穿电压图2 4 65 四 操作冲击电压 250 2500us标准操作冲击波形随着输电电压的不断提高 操作过电压下的绝缘问题变得越来越突出 特点 1