高电压技术ppt课件 (2).ppt

高电压技术讲义 绪论 课程简介本课程性质和任务教学基本要求课程内容重点和难点 高电压技术是电工学科的一个重要分支 它涉及到数学 物理 化学 材料等基础学科 主要研究高电压 强电场 下的各种电气物理问题 20世纪60年代以来 高电压技术一直不断吸收其他学科尤其是新科技领域的成果 促进自身发展 也促进了电力传输 大功率脉冲技术 激光技术 核物理等科技领域的发展 显示出强大的活力 课程简介 高电压技术专业 研究高电压 高电场下的现象与应用高电压技术与电力系统有密切关系高电压的早期发展与电能的传输是密切相关的 目前高电压技术与现代电力系统的发展仍是息息相关的 高电压技术与若干非电力系统有密切关系高电压技术早已超出了电力和电工部门而在很多领域得到应用 脉冲功率技术 静电技术 放电等离子体 液体中放电的应用等 包括三门专业课 高电压绝缘 高电压试验技术 过电压及其防护 教学基本要求 本课程的教学环节包括课堂讲授 学生自学 实验 习题 答疑和考试 通过上述基本教学步骤 使学生获得各种电介质的绝缘特性和提高抗电强度方法的知识 了解高电压试验设备原理 试验方法 掌握波过程的基本理论 具有分析计算供电系统中大气过电压 操作过电压的能力 学会限制各种过电压的措施 理解供电系统中绝缘配合的原则 课程内容 第一篇各类电介质在高电场下的特性教学内容 气体放电的基本物理过程 气体介质的气强度 液体和固体介质的电气特性 第二篇电气设备绝缘试验技术教学内容 电气设备绝缘预防性试验 绝缘的高电压试验 第三篇电力系统过电压与绝缘配合教学内容 输电线路和绕组中的波过程 雷电放电与防雷保护装置 电力系统的防雷保护 内部过电压 电力系统绝缘配合 重点和难点 课程的重点包括 汤逊理论和流注理论等气体放电的基本理论 电场型式及其与击穿特性的关系 液体和固体电介质的绝缘特性 绝缘特性的测量方法 电气设备的高电压试验设备及原理 线路和绕组中的波过程 电力系统中的过电压及其防护 绝缘配合 课程的难点是 汤逊 流注气体放电理论的理解 电介质的极化 电导和损耗的物理概念及其工程概念 介质损耗和局部放电试验的试验原理和试验方法 线路和绕组中的波过程 图0 1实际输电线路图 动力系统 电力系统和电力网示意图 图0 2动力系统 电力系统和电力网示意图 电力工程的发展 电力工程是20世纪对人类影响最大的20项工程技术成果之一 美国工程院联合30多家美国职业工程协会的调查 发展简史1875年 法国巴黎建成世界上第一座火力发电厂 1879年 中国上海公共租界点亮了第一盏灯 1882年 在上海创办了中国第一家公用电业公司 上海电气公司 1891年 德国建设世界上第一台三相交流发电机 13 8kV 1985年 1150kV输电线 6年商业运行输电电压提高1倍 输送功率的能力提高几倍 电能从产生到销费的四个环节 发电 输电 配电 用电 电压等级的划分 高压 HV 35 220kV超高压 EHV 330kV及以上 1000kV以下特高压 UHV 1000kV及以上高压直流 HVDC 600kV及以下特高压直流 UHVDC 600kV以上我国高压电网 110及220kV 超高压电网 330 500 750kV 特高压电网 1000kV交流及 800kV直流 一 电力系统的电压等级是如何划分的 依据是什么 电晕 电能污染 1kV 0 4kV 0 22kV 36V 高压 低压 普通高压1 250kV 超高压250 1000kV 特高压1000kV及以上 电压等级划分的级差为2 3倍 电网的基本功能 电能不能大规模储存 发电和用电实时保持供需平衡电网 输电网 配电网提高功率输送能力 1 提高电压等级 2 降低线路阻抗区域电网互联 电力资源优化配置 电力经济调度 电网的发展历史 欧美 1908年 第一条110kV线路 美国 1923年 230kV 美国 1952年 世界第一条380kV超高压线路 瑞典 1954年 345kV 美国 1964年 500kV 美国 1965年 世界第一条735kV线路 加拿大 1969年 765kV 美国 苏联 1952年 330kV线路 1956年 400kV1964年 建成完善的500kV输电系统 源自400kV 1967年 750kV 1985年 1150kV 中国的输电线路 早期输电线路的电压视具体工程决定 电压等级繁多 混乱 1908年 22kV 石龙坝水电站 昆明 1921年 33kV 石景山电厂 北京城 1933年 44kV 抚顺电厂出线 1934年 66kV 延边 老头沟 1935年 154kV 抚顺电厂 鞍钢 1943年 110kV 镜泊湖水电厂 延边 续 新中国1949年统一电压等级1952年 京津唐110kV输电网 1954年 东北电网220kV骨干网架 1972年 330kV刘 天 关线路 534km 形成西北电网330kV骨干网架 1981年 500kV姚孟 武昌 595km 83年葛洲坝 武昌和葛洲坝 双河两回500kV 形成华中500kV骨干网架 1989年 500kV葛洲坝 上海直流线路 实现华中华东大区间直流联网 90年后 220kV 500kV线路迅速铺开 目前世界上已基本形成两个主要的超高压 特高压电压等级系列 交流 330 345 750 765 1500kV500 1000 1100 kV交流750kV系统 2005年9月26日 西北750kV青海官亭至甘肃兰州东输变电示范工程正式投入运行 线路全长141km 交流1000kV系统 陕北煤电基地 山西晋东南煤电基地 南阳 荆门 武汉的单回1000kV交输变电示范工程在2009年建成 直流 800kV系统 云南至广东 800千伏直流输电工程 已于2009年6月实现单极投运 2010年6月双极投运 准备在全国规划建设7个特高压输变电示范工程 即3个1000kV交流特高压输变电工程 4个 800kV直流工程 我国电力工业的发展 2004年 全国440GW2005年 突破500GW 人均340W 2010年 700GW2020年 预计1000GW每年新增装机50GW左右 二 为什么采用高电压 电力系统输送的电能P正比于电压的平方 U2 反比于系统阻抗Z 而系统阻抗Z正比于线路长度L 所以P正比于U2 反比于L 所以采用高电压是大功率远距离输电的要求 要实现大功率远距离输电唯一可行的措施就是采用高电压 作为二次能源 输送电能要较输送一次能源经济 快捷 安全 方便 清洁 三 要采用高电压首先要解决的技术问题是什么 例 1 用青壳纸和电缆纸作绝缘的10 5kV 10MW的发电机 改用粉云母纸作绝缘 其他条件不变时 发电机容量就提高到12 5MW 可见绝缘限制了设备的容量 2 绝缘限制了设备的寿命 3 绝缘限制了电力系统的投资 1 因为绝缘限制了设备的温升 限制了温升也就限制了设备的容量 体积和重量 高电压下的绝缘问题 因为在电力系统三大技术材料 导电材料 导磁材料和绝缘材料 中绝缘的影响力最大 四 如何解决绝缘问题 寻找和研制新型的绝缘材料 限制作用在绝缘上的过电压 例 由于瓷吹避雷器使作用在被保护设备上的残压降低 使原设计额定电压为400kV的输变电系统生压为500kV的系统 第一章气体的放电基本物理过程和电气强度 一 补充的基本概念1 放电 在电场的作用下由于游离使流过电介质电流增大的现象 2 击穿 电介质在电场作用下丧失其绝缘性能 形成沟通两极的放电 3 击穿电压 使电介质失去其绝缘性能所需要的最低 临界 外加电压 4 击穿场强 使电介质失去其绝缘性能所需要的最低 临界 外加电场强度 5 绝缘强度 在均匀电场中 使电介质不失去其绝缘性能所需要的最高 临界 外加电场强度 6 绝缘水平 电气设备出厂时保证承受的试验电压 第一节汤逊理论和流注理论 一 气体间隙中带电粒子的产生 补充 中性质点中的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子的过程就是游离 要游离需要吸收能量 吸收的能量称为游离能 结论 气体间隙中带电粒子来源于气体分子本身的游离和金属表面游离 1 气体分子本身的游离 3 金属表面游离 金属中的电子摆脱金属表面的位能势垒的束缚成为自由电子的过程 其条件是电子的能量不小于金属的逸出功 金属的逸出功要比气体的游离能低 所以金属表面游离是气体放电起始电子的主要来源 包括光电子发射 热电子发射 强电场发射和二次发射 日光灯中起始带电粒子来源于热电子发射 一非自持放电和自持放电 气体放电通常分为 非自持放电依靠外电离因素的作用而维持的放电自持放电只需要外加电压就能维持的放电 图1 1测定气体间隙的电压和电流 图1 2气体放电的伏案特性 2 a b段 单位时间内产生的带电粒子带电粒子投入运动 运动速度达到趋引速度 没有新的带电粒子来源 此时电流仅取决于外电离的因素 而与电压大小无关3b c段 产生碰撞游离 放电 4c点以后 气隙击穿 转入良好的自持放电状态 U0放电的起始电压 1 0 a段 U Ua 起始带电粒子定向运动 随着外加电压的加大 带电粒子的运动速度越来越快 故电流在加大 此时气隙仍处在绝缘状态 二 汤逊理论 20世纪初 汤逊从均匀电场 低气压 低于26 66kpa cm 短间隙气隙的气体放电实验出发 总结出较系统的气体放电理论 汤逊理论的实质是电子崩理论 图1 3电子崩形成示意图 电子崩的形成 外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子 如果空间电场强度足够大 该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离 产生一个新的电子 初始电子和新电子继续向阳极运动又会引起新的碰撞电离 产生更多电子 依此 电子将按照几何级数不断增多 类似雪崩似地发展 这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩 图1 3电子崩形成示意图 为了定量分析气隙中气体放电过程 引入三个系数 表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完成的碰撞电离次数平均值 一个正离子沿着电场方向行径1cm长度 平均发生的碰撞电离次数 表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子 使阴极金属平均释放出的自由电子数 均匀电场中的电子崩的计算 如图1 4为平板电极气隙 板内电场均匀 设外界电离因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数为n0 图1 4均匀电场中的电子数增长计算 根据碰撞电离系数的定义 可得 1 1 得到 1 2 对于均匀电场来说 气隙中各点的电场强度相同值不随电场强度的变化而变化 所以上式也可写成 1 3 于是到达阳极的电子数为 1 4 途中新增加的电子数或正离子数应为 1 5 将式 1 5 的等号两侧乘以电子的电荷即得到电流关系式 1 6 式中 1 7 式 1 6 表明 虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大 但这时放电还不能自持 因为一旦除去外界电离因子 令I0 0 I即变为0 一个起始带电粒子从阴极到阳极的过程中由于碰撞游离产生的正离子撞击阴极板时如果能打拉出两个电子 一个与正离子复合掉了 另一个成为自由电子 它会产生新的电子崩 维持放电的发展 就发生了自持放电 因此自持放电的条件为 汤逊理论自持放电条件 在不均匀场中 由于各点的电场强度E不一样 而各处的 值也不一样 自持放电条件为 1 9 1 8 汤逊放电的实质是 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 所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据 自持放电 前面的放电过程 可用下图概括 图1 5低气压 短气隙放电过程 巴申定律 根据自持放电条件可以导出击穿电压的表达式为 1 10 式中 A B是两个与气体种类有关的常数 式 1 10 表明了击穿电压与气体状态等因素的关系 将 1 10 代入式 1 9 可得 1 11 式中 U0为气温不变的条件下 均匀电场中气体的自持放电的起始电压 它等于气隙的击穿电压Ub 式 1 11 是从试验中总结出来的称为巴申定律 它的内容是 当气体成分和电极材料一定时 气体间隙击穿电压 Ub 是气压 p 和极间距离 d 乘积的函数 即改变极间距离d的同时 也相应改变气压p而使pd的乘积不变 则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等 图1 6均匀场的巴申曲线 巴申定律 由图1 6可知 随pd的变化 击穿电压Ub有最小值 巴申曲线可用汤逊理论解释 形成自持放电需要达到一定的电离数 d 而这由决定于碰撞次数于电离概率的乘积 若d固定 则当p增大时 碰撞次数将增加 而电离概率将减小 图1 6均匀场的巴申曲线 因此 在某一个p下 d有最大值 从而Ub最小 同时 若p固定 则当d增大时 碰撞次数将增加 但由于E U d减小 电离概率将减小 因此在某个d值下 d有最大值 从而Ub最小 巴申曲线特性 巴申曲线特性 巴申定律更普遍的形式是以气体的密度 代替压力 对空气可以表示为 1 12 式中 Ts ps为标准大气压条件 ps 101 3kPa Ts 293K T p为实验时大气条件 流注理论 汤逊理论适用于低气压 短间隙 均匀电场 间隙的划分 2cm以下的为短间隙 2 100cm为一般间隙 100cm及以上的为长间隙 汤逊理论解释不了一般间隙 标准大气压下气隙的放电 1 按汤逊理论计算的击穿电压比实际值高 2 按汤逊理论计算的击穿所需时间比实际值长 3 一般间隙的击穿电压与阴极材料无关 4 放电形状不同 因为汤逊理论没有考虑空间电荷对电场的畸变和光游离对放电的影响 流注理论对标准大气压 一般间隙的气体放电现象进行了解释 以自然界的雷电为例 它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间 这时不存在金属阴极 因而与阴极上的 过程和二次电子发射根本无关 因此 必须采用另外一种理论 流注理论来解释 本节重点 流注的形成过程流注的条件 气体放电流注理论以实验为基础 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 流注的形成过程 在外电离 如光源 作用下 在阴极附近产生起始电子 这些电子在电场作用下 在向阳极运动的途中与中性原子发生碰撞电离 而形成初始电子崩图1 7 a 当初崩发展到阳极时图示崩头中电子迅速跑到该极进行中和 图1 7流注的形成过程 流注形成过程 暂留的正离子 在电子崩头部其密度最大 作为正空间电荷使原有的电场畸变 加强了的局部电场作用下 又形成新的电子崩叫二次崩 1 7 b 二次崩头部的电子跑向初崩的正空间电荷区域 与之汇合成为充满正负带电离子的混合通道 这个通道就称为流注 图1 7流注的形成过程 流注的发展 流注通道导电性能良好 其端部 流注的发展方向是从阳极到阴极 与初崩的方向相反 又有二次崩留下的正电荷 因此大大加强了流注发展方向的电场 促使更多的新电子崩相继产生并与之汇合 从而使流注向前发展 图1 8 b 到流注通道把两极接通时 就导致气隙完全被击穿 图1 8 c 图1 8流注的发展 流注形成的条件 流注理论认为 形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后 电子崩中的空间电荷足以使原电场 外施电压在气隙中产生的电场 明显畸变 大大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 所以复合过程频繁 放射出的光子在这部分强场区很容易成为引发新的空间光电离的辐射源 因此流注理论认为 二次电子的主要光源是空间的光电离 形成流注的条件 气隙中一旦出现了流注 放电过程可以由本身产生的空间光电离而自行维持 因此形成流注的条件即自持放电的条件 对均匀场可写成 e d 常数 1 13 或 e d 1 d ln 1 1 14 一般认为当 d 20 或e d 108 便可满足上述条件 使流注得以形成 流注理论与汤逊理论的区别与联系 相同点 都有电子崩的产生不同点 流注的形成过程中有二次崩的形成 二次电离在气体击穿过程中起了重要作用 流注理论可以解释汤逊理论无法解释的在高电压 长气隙情况下出现的放电现象 根据流注理论 二次崩的起始电子是由光电子形成的 而光子的速度远比电子的大 二次崩又是在加强了的电场中 所以流注发展更迅速 击穿时间比汤逊理论推算小得多 二次崩的发展具有不同的方位 所以流注的推进也不可能均匀 而且具有分支 大气条件下气体放电的发展不是依靠正离子使阴极表明电离形成的电子维持的 而是靠空间光电离产生的电子维持的 故阴极材料对气体击穿电压影响不大 均匀场中强负电性流注自持放电的条件 自持放电条件公式非电负性气体是适用的 但对于强电负性 绝缘性能好 气体 还应引入 系数描述电子的附着 过程 的定义与 相似 即一个电子沿电场方向行径1cm时平均发生的电子附着次数 由此可知 在电负性气体中 有效碰撞电离系数 对于这种情况 汤逊理论自持放电条件 1 13 1 14 式中的 不能简单的用 来代替 这是因为在电负性气体中 正离子数等于新增的电子数与负离子数之和 一般强电负性的工程应用属于流注放电的范畴 因此 均匀电场中电负性气体的流注自持放电条件为 d K 1 16 式中 K为电子崩中电子的临界值取对数 1 15 第二节不均匀电场中的放电过程 第二节不均电场中的放电过程 一稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点图1 10表示直径为D的球隙的放电电压与极间矩d的关系曲线 d 2D 电场比较均匀 其放电特性与均匀电场相似 一旦出现自持放电 立即导致整个气隙击穿 稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点 当d 4D后 电场强度沿气隙分布不均 因而当所加电压达到某一临界值时 在靠近二球极的表面出现蓝紫色的晕光 并发出 嗞嗞 这种局部放电现象称为电晕放电 开始出现电晕放电的电压称为电晕起始电压 当外加电压进一步增大时 电极表面电晕层亦随之扩大 并出现刷状的细火花 火花越来越长 最终导致气隙完全击穿 气隙距离在2D 4D之间时 属于过渡区域 随电压升高会出现电晕 但不稳定 该球隙立刻就转为火花放电 由实验可知 随着电场不均匀程度增加 放电现象不相同 电场越是不均匀 两球距离越大 电场越不均匀 击穿电压和电晕起始电压之间的差别也越大 不均匀场的划分 用是否存在稳定的电晕放电来区分电场的不均匀度 如果电场的不均匀程度导致存在稳定电晕放电就称为极不均匀电场 虽然电场不均匀 但还不存在稳定的电晕放电 电晕一旦出现 气隙立刻被击穿 就称为不均匀电场 要明确划分稍不均匀场和极不均匀常比较困难 通常用电场的不均匀系数来大致划分 不均匀系数f等于气隙中最大场强Emax与平均场强Eav的比值 式中 U为极间电压 d为极间距离 通常f4就明显地属于极不均匀电场 1 17 1 18 由上述可见 在稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿现象 此时气隙中平均电场强度比均匀电场气隙的要小 因此在同样极间距离时稍不均匀常气隙的击穿电压比均匀场气隙的要低 在极不均匀场气隙中自持放电条件即是电晕起始条件 有发生电晕至击穿电压的过程还必须升高电压才能完成 二极不均匀电场中的电晕放电现象 电晕放电 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 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 它是极不均匀电场中特有的气体放电现象 是划分均匀 稍不均匀 电场和极不均匀电场的依据 电晕放电现象 在雨 雪 雾天气时 导线表面会出现许多水滴 它们在强电场和重力的作用下 将克服本身的表面张力而被拉成锥形 从而使导线表面的电场发生变化 结果在较低的电压和电场强度下就会出现电晕放电 电晕具有的效应 声 光 热效应 消耗能量 对无线电产生干扰 产生化学反应 产生 电风 电晕放电的电流强度取决于外加电压 电极形状 极间距离 气体性质和密度等 能够引起电晕的电压称为起晕电压 起晕电压与电极的曲率半径有关 而与间隙距离关系不大 半径越小 起晕电压越低 电晕放电的危害 电晕放电引起的光 声 热等效应使空气发生化学反应 都会消耗一定的能量 电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素 坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多 电晕放电中 由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波 从而对无线电和电视广播产生干扰 电晕放电还会产生可闻噪声 并有可能超出环境保护所容许的标准 降低电晕的方法 总原则 从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度 在选择导线的结构和尺寸时 应使好天气时电晕损耗接近于零 对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下 对于超高压和特高压线路的分裂线来说 找到最佳的分裂距 使导线表面最大电场强度值最小 电晕放电的有利之处 在列举电晕放电所引起的危害之后 也应提到它有利的一面 例如 在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度 电晕放电还在除尘器 静电喷涂装置 臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用 在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度 操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制 三极不均匀电场中的放电过程 极性效应在极不均匀电场中 放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始 与该电极极性无关 但后来的发展过程 气隙的电气强度 击穿电压等都与该电极的极性有密切的关系 极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应 极性效应 决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电位符号 1 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 2 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 极性效应 下面以电场极不均匀的 棒 板 气隙为例 从流注的概念出发 说明放电的 1发展过程2极性效应 极性效应 正极性如图所示 棒极带正电位时 电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子 这些正离子虽朝板极移动 但速度很慢而暂留在棒极附近 这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度 而加强了正离子群外部空间的电场 因此当电压进一步提高 随着电晕放电区的扩展 强场区亦将逐渐向板极方向推进 因而放电的发展是顺利的 正极性 空间正电荷阻止了棒极附近的流注形成 从而使电晕起始电压有所提高 极性效应 负极性 棒 如图1 12 a 所示 棒极负极性时 电子崩将由棒极表面出发向外发展 崩头的电子在离开强场 电晕 区后 虽不能再引起碰撞电离 但仍继续往板极运动 图1 12 b 中 留在棒极附近的也是大批正离子 这时它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间的电场 极性效应 电场情况如图1 12 c 所示 所以 当电压进一步提高时 电晕区不易向外扩展 整个气隙击穿将是不顺利的 因而这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多 完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多 极性效应 输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于极不均匀电场的情况 所以在工频高电压的作用下 击穿发生在外加电压为正极性的那半周内 在进行外绝缘的冲击电压实验时 也往往施加正极性冲击电压 因为此时电气强度较低 均匀电场的击穿场强为30kV cm 极不均匀电场的平均击穿场强为5kV cm 随着间隙距离的增大 击穿电压随着增大 但击穿场强是随着降低的 因为击穿电压的增加速度没有距离增加的速度快 试验数据 试验数据 在极不均匀电场的情况下 不管棒 板间隙或是不同直径的球 板间隙 击穿电压和距离的关系曲线都比较接近 就是说 在极不均匀电场中 击穿电压主要决定于间隙距离 而与电极形状的关系不大 因此在工程实践中常用棒 板或棒 棒这两种类型间隙的击穿特性曲线作为选择绝缘距离的参考 试验数据 在工频电压作用下 棒 板间隙的击穿总是发生在棒的极性为正 电压达幅值时 并且其击穿电压 幅值 和直流电压下的正棒 负板的击穿电压相近 棒 棒间隙的平均击穿场强为3 8kV 有效值 cm或5 36kV 幅值 cm 棒 板间隙梢低一些 约为3 35kV 有效值 cm或4 8kV 幅值 cm 小结 用不均匀系数来描述电场的不均匀程度 电晕放电是发生在小曲率半径电极附近的放电 电场极不均匀的 棒 板 气隙 负极性击穿电压高于正极性击穿电压 第三节空气气隙在各种电压下的击穿特性第四节大气条件对气隙击穿特性的影响 第三节空气间隙在各种电压下的击穿特性 气隙的击穿特性与所加电压的类型有很大的关系 在电力系统中 引起空气气隙击穿的作用电压波形及持续时间是多种多样的 通常可以归纳为 直流电压 工频交流电压 2雷电冲击电压 1稳态电压 3操作冲击电压 以上任何一种电压下气隙的击穿特性还取决于电极的形状 即电场形式 一 空气间隙在稳态电压下的击穿 直流电压和工频交流电压统称为稳态电压 这类电压随时间的变化率很小 在放电发展所需的时间范围内可以认为外施电压没什么变化 在稳态电压下气隙的击穿强度还与电场的均匀度有很大关系 因此下面讨论电场均匀度不同的气隙在稳态电压下的击穿特性 1均匀电场气隙的击穿 均匀电场就是电极间电力线互相平行的场 也就是电极尺寸比极间距离大得多的平行电极间的电场 由于均匀电场中电极布置是对称的 各处场强相等 因此不存在极性效应 击穿所需时间极短 实验表明均匀场气隙在直流 工频电压作用下的击穿电压是相同的 1均匀电场气隙的击穿 图1 11给出了均匀电场中标准大气状态条件下 p0 101 3kPa T0 293K hc 11g m3 在稳态电压作用时空气间隙的击穿电压峰值Ub与极间距离的关系 均匀电场气隙的击穿 在稳态电压作用时空气间隙的击穿电压峰值Ub与极间距离的关系 可用下面的经验公式表示 式中 d为极间距离 cm 为空气相对密度 电压单位为KV 空气的击穿场强为30Kv cm 2稍不均匀电场气隙的击穿 f 2 若两球对称布置 其中任何一球都不接地 测量对地对称的直流电压时 无极性效应 但通常是一球接地适用 如图1 12所示 由于大地的影响 电场分布不对称 因而有极性效应 2稍不均匀电场气隙的击穿 f 2 球隙图1 13表示一球接地时 直径为D的球隙的击穿电压Ub与气隙距离d的关系 当dD 4时 电场不均匀度增大 大地对球隙中电场分布的影响加大 因而平均击穿场强小 击穿电压的分散性增大 因此 为了保证测量精度 球隙测压器的工作范围应在d D 2 2稍不均匀电场气隙的击穿 f 2 2 同轴圆柱图1 14给出同轴圆柱电极的外筒内半径R为10cm 而改变内筒外半径r大小 其电晕起始电压Uc 击穿电压Ub随内筒外半径r的变化而变化的趋势 R 10cm 当r R0 1时 气隙已逐渐变为稍不均匀电场 这时有Ub Uc 击穿前不再有稳定的电晕放电 击穿电压的极大值出现在r R 0 33 同轴圆柱 同轴圆柱 击穿电压随r变化出现极大值可解释为 当r很大时虽然电场均匀度接近1 但因气隙距离d R r 很小 所以Ub很低 若r过小 虽然此时d增大 但由于电场不均匀度增大 也会使Ub下降 3极不均匀电场中的击穿 在各种各样的极不均匀电场气隙中 棒 棒 气隙具有完全的对称性 而 棒 板 气隙具有最大的不对称性 实测表明 其他类型的极不均匀电场气隙的击穿特性均处于这两种极端情况的击穿特性之间 因而对于实际工程中遇到的各种极不均匀电场气隙来说 均可按其电极的对称程度分别选用 棒一棒 或 棒 板 这两种典型气隙的击穿特性曲线来估算其电气强度 3极不均匀电场中的击穿 图1 15给出了 棒 棒 和 棒 板 气隙的直流击穿电压与极间距离 0 10cm范围 的关系曲线 可以看出 正极性 棒 板 的击穿电压远低于负极性 棒 板 的击穿电压 棒 棒 的击穿电压介于二者之间 这说明不对称的极不均匀电场在直流电压下的击穿电压具有明显的极性效应 而 棒 棒 气隙的极性效应不明显 极不均匀电场中的直流击穿 图1 16表示 棒 棒 和 棒 板 长气隙的击穿特性曲线 此时 负极性下的平均击穿场强降至10kV cm左右 而正极性下只有约4 5kvcm 比均匀场中的击穿场强 约30kV cm 小得多 这些实验结果可用于估算超高压直流输电工程中对称布置和不对称布置所需的绝缘距离 图1 16 棒 棒 和 棒 板 长气隙直流的击穿特性曲线 极不均匀电场中的工频交流击穿 在工频交流电压下测量气隙的击穿电压时 通常是将电压慢慢升高 自至发生击穿 升压的速率一般控制在每秒升高预期击穿电压值的3 左右 在这样的情况下 棒 板 气隙的击穿总是发生在棒极为正极性的那半周的峰值附近 可见其工频击穿电压的峰值 定与正极性直流击穿电压相近 甚至稍小 这可以解释为 棒极附近空间电场会因上一个半波电压所遗留下来的电荷而加强 棒一棒 气隙的工频击穿电压要比 棒一板 气隙高一些 因为相对而言 棒 棒 气隙的电场要比 棒一板 气隙稍微均匀一些 后者的最大场强区完全集中在棒板附近 而前者则由两个棒极来分摊 极不均匀电场中的工频交流击穿 图1 17是空气中棒间隙的工频击穿电压与气隙长度的关系曲线 可以看出在气隙长度d不超过1m时 棒 棒 和 棒一板 气隙的工频击穿电压几乎一样 但在d进一步增大后 二者的区别就变得越来越大了 图1 17棒间隙的工频击穿电压与气隙长度的关系曲线 极不均匀电场中的工频交流击穿 图1 18是空气间隙更长时的试验数据 由图可知 当距离超过2m 击穿电压与气隙距离的关系出现饱和趋势 很明显 如果再增大 棒一板 气隙长度 对于提高其工频击穿电压是无效的 因此在设计高压装置时 必须注意这点 各种气隙的工频击穿电压的分散性 般不大 其标准偏差 值不会超过2 3 图1 18各种长空气间隙的工频击穿特性曲线 二空气间隙在冲击电压下的击穿 冲击电压就是作用时间极为短暂的电压 一般指雷电冲击和操作冲击电压 前者是由雷电造成的幅值高 陡度大 作用时间极短的冲击电压 后者是由电力系统操作或发生事故时 因状态发生突然变化引起的持续时间较长 幅值高于系统相电压几倍的冲击电压 下面分别讨论雷电冲击电压和操作冲击电压下气隙的击穿特性 一在雷电冲击电压下的击穿 1 雷电冲击电压标准波形 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 一般写为1 2 50 s 有国家为1 5 40 s 冲击电压下击穿的放电时延 Us 静态击穿电压 冲击电压下 即使达到t1时 击穿过程也可能还没有开始 原因是 间隙中受到外界因素的作用而出现自由电子需要一定时间 那些自由电子中后来有的结合成了负离子 有的扩散到间隙外面去了 根本没有引起电离过程 有的即使己经引起电离过程 但由于各种不利因素的巧合 电离又可能终止 间隙中出现一个能引起电离过程并最终导致击穿的电子即所消有效电子需要更长的时间 由于上述各种过程都具有统计件 故出现有效电子的时间也遵循统计规律 从t1开始 到间隙中出现一个有效电子所需的时间称为统计时延ts 然而间隙出现有效电子 击穿过程才只是开始 从出现有效电子 引起强烈的电离过程 到击穿通道完全形成即间隙完全击穿 还需要一定时间 称为放电形成时延tf 同样 tf也具有统计性 所以全部放电时间td有上述3部分组成 2冲击放电的时延 冲击放电的总时间tb tb t1 ts tftlag ts tf放电时延t1 气隙在持续电压下的击穿电压为Us 为所加电压从0上升到Us的时间 ts 从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时间称为统计时延ts tf 出现有效电子后 引起碰撞电离 形成电子崩 发展到流注和主放电 最后完成气隙的击穿 这个过程需要的时间称为放电形成时延tf 研究表明 短气隙 几cm内 中 特别是电场较均匀时 ts tf 这种情况下tlag主要决定于ts 为了减小ts 一方面可以提高外施电压使气隙中出现有效电子的概率增加 另一方面可以采用人工光源照射 使阴极释放出更多得的电子 较长气隙中 放电时延往往主要决定于tf 且电场越不均匀则tf越长 显然 对气隙施加高于击穿所需的最低电压 可是ts和tf都缩短 3 雷电冲击50 击穿电压 在持续电压作用下 当气体状态不变时 一定距离的间隙 其击穿电压具有确定的数值 当间隙上所加的电压达到其击穿电压时间隙就击穿了 在冲击电压作用下 单独用一个电压来描述间隙的击穿就不合理了 U50 的含义是在该电压作用下 气隙击穿和不击穿的概率各为50 雷电冲击50 击穿电压 均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压 50 冲击击穿电压与静态击穿电压相差不大 冲击系数 1 击穿通常发生在波头峰值附近 极不均匀电场中的击穿电压 放电时延较长 其冲击系数均大于1 击穿电压分散性也大一些 其标准偏差可取3 冲击系数 雷电冲击50 击穿电压 图1 22是 棒 棒 和 棒 板 长气隙的雷电50 冲击击穿电压和极间距离的关系 可以看出 棒 棒 和 棒 板 气隙有明显的极性效应 由图可知 50 冲击电压比工频击穿电压的峰值要高 雷电冲击50 击穿电压 极不均匀电场中的击穿电压 冲击系数 1 在50 击穿电压下 当间隙较长时 击穿通常发生在波尾 伏秒特性 冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示 这种在 电压 时间 坐标平面上形成的曲线 通常称为伏秒特性曲线 它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系 如图1 23所示 绘制方法 保持冲击电压波形不变 逐步升高电压使气隙击穿 记录击穿电压波形 读取击穿电压值U与击穿时间t 实际的伏秒特性曲线 实际的伏秒特性曲线如图1 24所示 是一个以上 下包线为界的带状区域 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 伏秒特性曲线 保护设备要保护被保护设备 其伏秒特性曲线必须完全位于被保护设备伏秒特性曲线的下面 图1 24伏秒特性的正确配合1 保护间隙2 被保护设备 具有较陡伏秒特性曲线的保护设备不容易与具有平伏秒特性的被保护设备配合所以不能用保护间隙 管型避雷器来保护变压器 图1 24伏秒特性的正确配合 操作冲击电压下的击穿 标准操作冲击电压波IEC和国标规定为 Tcr 波前时间 T2 半峰值时间 Um 冲击电压峰值Tcr 250 s 20 T2 2500 s 60 操作冲击电压下的击穿 标准操作冲击电压波衰减振荡波 图1 25b 其中第一个半波的持续时间为2000 3000 s 第二个半波为反极性 它的峰值约占第一个半波峰值的4 5 操作冲击电压下的击穿 由图可知 50 操作冲击击穿电压具有极小值 对应于极小值的波前时间随气隙距离加大而增大 这是放电延时和空间电荷迁移造成的 U形曲线极小值左边Eb随tf的减小而增大是放电延时时间在起作用 U形曲线极小值右边Eb随tf的增加而增大 是因为电压作用时间增加后空间电荷迁移的范围扩大 改善了气隙中的电场分布 从而使击穿电压提高 操作冲击电压下极不均匀场长气隙呈U形曲线 如图1 26所示 虽然操作冲击电压的变化速度和作用均介于工频交流电压和雷电冲击电压之间 但气隙的操作冲击击穿电压不仅远低于雷电冲击击穿电压 在某些波前时间内 甚至比工频击穿电压还低 操作冲击电压下的击穿 虽然操作冲击电压的变化速度和作用均介于工频交流电压和雷电冲击电压之间 但气隙的操作冲击击穿电压不仅远低于雷电冲击击穿电压 在某些波前时间内 甚至比工频击穿电压还低 极不均匀电场长气隙的操作击穿特性也具有饱和特征 其饱和程度与电极对称度 操作冲击极性 波形形状等有关 随着极间距离的增大 气隙的饱和更甚 这对发展特高压技术是很不利的 操作冲击电压下的气隙击穿电压和放电时间的分散性都比雷电冲击电压大得多 此时极不均匀电场的相应标准偏差可达5 8 对空气密度的校正对湿度的校正对海拔的校正 大气条件对气隙击穿特性的影响 第四节大气条件对气隙击穿特性的影响 前面介绍的不同气隙在各种电压下的击穿特性均对应于标准大气条件和正常海拔高度 由于大气的压力 温度 湿度等条件都会影响空气的密度 电子自由行程长度 碰撞电离及附着过程 所以也必然会影响气隙的击穿电压 海拔高度的影响亦与此类似 因为随着海拔高度的增加 空气的压力和密度均下降 压力 p0 101 3kPa 760mmHg 温度 t0 20摄氏度或T0 293K 绝对湿度 hc 11g m3 国标规定的大气条件 正由于此 在不同大气条件和海拔高度下所得出的击穿电压实测数据都必须换算到某种标准条件下才能互相进行比较 上式不仅适用于气隙的击穿电压 也适用于外绝缘的沿面闪络电压 空气密度校正因数 湿度校正因数 实验条件下的气隙击穿电压与标准大气条件下的击穿电压之间关系 在进行高压试验时 也往往要根据实际试验时的大气条件 将试验标准中规定的标准大气条件下的试验电压值换算得出实际应加的试验电压值 下面分别讨论各个校正因数的取值 一 对空气密度的校正 空气密度与压力和温度有关 空气的相对密度 式中 气压 kPa 温度 K 实验表明 当处于0 95 1 05的范围内时 气隙的击穿电压几乎与成正比 即此时的空气密度校正因数 因而 在大气条件下 气隙的击穿电压随的增大而提高 气隙不很长 例如不超过1m 时 上式能足够准确地适用于各种电场型式和各种电压类型下作近似的工程估算 更长的空气间隙 击穿电压与大气条件变化的关系 并不是一种简单的线性关系 而是随电极形状 电压类型和气隙长度而变化的复杂关系 除了在气隙长度不大 电场也比较均匀或长度虽大 但击穿电压仍随气隙长度呈线性增大 如雷电冲击电压 的情况下 上式仍可适用外 其他情况下的空气密度校正因数应按下式求取 式中指数m n与电极形状 气隙长度 电压类型及其极性有关 其值在0 4 1 0的范围内变化 具体取值国家标准中有规定 二 对湿度的校正 大气中所含的水气分子能俘获自由电子而形成负离子 这对气体中的放电过程显然起着抑制作用 可见大气的湿度越大 气隙的击穿电压也会增高 在均匀和稍不均匀电场中 放电开始时 整个气隙的电场强度都较大 电子的运动速度较快 不易被水气分子所俘获 因而湿度的影响就不太明显 可以忽略不计 例如用球隙测量高电压时 只需要按空气相对密度校正其击穿电压就可以了 而不必考虑湿度的影响 在极不均匀电场中 湿度的影响就很明显了 这时可以用下面的湿度校正因数来加以修正 式中的因数k与绝对湿度和电压类型有关 而指数 之值则取决于电极形状 气隙长度 电压类型及其极性 三 对海拔的校正 我国幅员辽阔 有不少电力设施 特别是输电线路 位于高海拔地区 随着海拔高度的增大 空气变得逐渐稀薄 大气压力和相对密度减小 因而空气的电气强度也将降低 海拔高度对气隙的击穿电压和外绝缘的闪络电压的影响可利用一些经验公式求得 我国国家标准规定 对于安装在海拔高于1000m 但不超过4000m处的电力设施外绝缘 其试验电压U应为平原地区外绝缘的试验电压Up乘以海拔校正因数足Ka即 本节完 在不同大气条件和海拔高度下所得出的击穿电压实测数据都必须换算到某种标准条件下才能互相进行比较 对空气密度 湿度和海拔 分别有不同的校正方法 小结 第五节空气气隙在各种电压下的击穿特性第六节沿面放电及房污对策 为了缩小电力设施的尺寸 总希望将气隙长度或绝缘距离尽可能取得小一些 为此就应采取措施来提高气体介质的电气强度 从实用角度出发 要提高气隙的击穿电压不外乎采用两条途径 改善气隙中的电场分布 使之均匀 设法削弱和抑制气体介质中的电离过程 提高气体介质电气强度的方法 改进电极形状以改善电场分布利用空间电荷改善电场分布采用屏障采用高气压采用高电气强度气体采用高真空 改善电场分布 削弱或抑制电离过程 一 改进电极形状以改善电场分布 电场分布越均匀 气隙的平均击穿场强也就越大 因此 可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的最大电场强度 以改善电场分布 提高气隙的击穿电压 如 增大电极的曲率半径消除电极表面的毛刺消除电极表面尖角 利用屏蔽来增大电极的曲率半径是一种常用的方法 以电气强度最差的 棒一板 气隙为例 如果在棒极的端部加装一只直径适当的金属球 就能有效地提高气隙的击穿电压 图1 28表明采用不同直径屏蔽球时的效果 例如在极间距离为100cm时 采用一直径为75cm的球形屏蔽极就可使气隙的击穿电压约提高1倍 许多高压电气装置的高压出线端 例如电力设备高压套管导杆上端 具有尖锐的形状 往往需要加装屏蔽罩来降低出线端附近空间的最大场强 提高电晕起始电压 屏蔽罩的形状和尺寸应选得使其电晕起始电压大于装置的最大对地工作电压 即 最简单的屏蔽罩当然是球形屏蔽极 它的半径R按下式选择 超高压输电线路上应用屏蔽原理来改善电场分布以提高电晕起始电压的实例有 超高压线路绝缘子串上安装的保护金具 均压环 超高压线路上采用的扩径导线等 式中 电晕放电起始场强 二 利用空间电荷改善电场分布 由于极不均匀电场气隙被击穿前一定先出现电晕放电 所以在一定条件下 还可以利用放电本身所产生的空间电荷来调整和改善空间的电场分布 以提高气隙的击穿电压 三 采用屏障 由于气隙中的电场分布和气体放电的发展过程都与带电粒子在气隙空间的产生 运动和分布密切有关 所以在气隙中放置形状和位置合适 能阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障 也是提高气体介质电气强度的一种有效方法 屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同号的空间电荷 这样就能使电晕电极与屏障之间的空间电场强度减小 从而使整个气隙的电场分布均匀化 屏障用绝缘材料制成 但它本身的绝缘性能无关紧要 重要的是它的密封性 拦住带电粒子的能力 它一般安装在电晕间隙中 其表面与电力线垂直 如图 1 29 虽然这时屏障与另一电极之间的空间电场强度反而增大了 但其电场形状变得更象两块平板电极之间的均匀电场 所以整个气隙的电气强度得到了提高 有屏障气隙的击穿电压与该屏障的安装位置有很大的关系 以图1 30所示的 棒一板 气隙为例 最有利的屏障位置在x 1 5 1 6 d处 这时该气隙的电气强度在正极性直流时约可增加为2 3倍 但当棒为负极性时 即使屏障放在最有利的位置 也只能略微提高气隙的击穿电压 例如20 而在大多数位置上 反而使击穿电压有不同程度的降低 在冲击电压下 屏障的作用要小一些 因为这时积聚在屏障上的空间电荷较少 显然 屏障在均匀或稍不均匀电场的场合就难以发挥作用了 四 采用高气压 在常压下空气的电气强度是比较低的 约为30kV cm 即使采取上述各种措施来尽可能改善电场 其平均击穿场强也不可能超越这一极限 可见常压下空气的电气强度要比一般固体和液体介质的电气强度低得多 如果把空气加以压缩 使气压大大超过0 1MPa 1atm 那么它的电气强度也能得到显著的提高 这主要是因为提高气压可以大大减小电子的自由行程长度 从而削弱和抑制了电离过程 如能在采用高气压的同时 再以某些高电气强度气体 例如SF6气体 来代替空气 那就能获得更好的效果 图1 31为不同气压的空气和SF6气体 电瓷 变压器油 高真空等的电气强度比较 从图上可以看出 2 8MPa的压缩空气具有很高的击穿电压 1 空气 气压为2 8MPa5 电瓷2 SF6 0 7Mpa6 SF6 0 1Mpa3 高真空7 空气 0 1Mpa4 变压器油 但采用高气压会对电气设备外壳的密封性和机械强度提出很高的要求 往往难以实现 如果用SF6来代替空气 为了达到同样的电气强度 只要采用0 7MPa左右的气压就够了 1 空气 气压为2 8MPa5 电瓷2 SF6 0 7Mpa6 SF6 0 1Mpa3 高真空7 空气 0 1Mpa4 变压器油 五 采用高电气强度气体 有一些含卤族元素的强电负性气体电气强度特别高 因而可称之为高电气强度气体 采用这些气体来替换空气 可以大大提高气隙的击穿电压