高电压技术讲解(上).doc

武汉华中华能高电压科技发展有限公司 Tel汉华中华能高电压科技发展有限公司高电压技术讲义（上）一、 电压等级的划分以一千为界，一千伏以下的为低压，一千伏以上的为高压。高压部分分普通高压、超高压和特高压。普通高压和超高压划分的依据是电晕，超高压和特高压划分的依据是电能污染。二、 什么要采用高电压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高电压下的绝缘问题。因为在电力系统三大技术材料中绝缘的影响力最大，绝缘限制了设备的温升、也就限制了设备的容量、体积和重量；绝缘限制了设备的寿命；绝缘限制了电力系统的投资。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、绝缘材料的老化速度在三大技术材料中是最快的。四、 如何解决绝缘问题一、 寻找和研制新型绝缘材料，二、限制作用在绝缘上的过电压。这也是本课程的两大内容。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400 kV的输变电系统生压为500 kV的系统。五、 学科特点a) 历史短，研究不充分，理论很不完整，工程上高电压问题不能用理论来分析，所以只能从试验入手。b) 研究起来很困难，其所研究的问题与其他学科完全不同。其他学科研究的是电的导通，而高压研究的是绝缘，它所研究的 是空间的问题，场的问题，所受的影响因素（温度、湿度、气压、极距）很多。c) 研究手段难以具备，场地难以满足，问题的重复性小，一次击穿后很难找到完全相同的对象，是暂态问题。d) 思考问题的领域宽。第一章 气体的放电基本物理过程和电气强度一、 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。1.1汤逊理论和流注理论 一、气体间隙中带电粒子的产生结论：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（1）游离：在电场的作用下中性质点中电子摆脱原子核的束缚成为自由电子的过程。（2）碰撞游离：由于碰撞引起的游离。其条件是撞击质点的能量不小于被撞质点的游离能、并且有足够的作用能。碰撞游离是气体放电中主要的带电粒子来源，电子是碰撞游离的主导因素。（3）光游离：由于高能射线的作用产生的游离。其条件是光子的能量不小于游离能。光游离是起始带电粒子的主要来源。具有分级游离的特点。（4）热游离：在高温作用下发生的游离。热游离是碰撞游离和光游离的综合。2、负离子的行成对放电具有抑制作用。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。包括光电子发射、热电子发射、强电场发射和二次发射。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, 日光灯中起始带电粒子来源于热电子发射。二、带电粒子的消失1、进入电极并中和电量。所有物质的电子都是相同的，但不同物质的正离子是不同的，所以，电子可以进入电极中和电量，而正离子是靠其能量打、拉出电子与之复合。2、复合：影响复合的主要因素是带电粒子之间的相对运动速度和浓度。带电粒子在固体表面相对运动速度较慢，容易复合，灭弧栅也利用了这一点。3、扩散。带电粒子从浓度高的区域向浓度低的区域运动。磁吹避雷器、空气断路器等都利用了这一点。三、伏安特性曲线：电介质在电场作用下，流过电介质的电流与外加电压的关系曲线。伏安特性曲线如图所示：（1）0a段，启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。（2）ab段，单位时间内产生的带电粒子全部投入运动，运动速度达到趋引速度，没有新的带电粒子来源。（3）bc段，产生碰撞游离，放电。（4）c点以后，自持放电。四、汤逊理论电子崩理论，其自持放电条件为：一个启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，就发生了自持放电。即：五、巴申特性曲线A点左侧：（1）p一定、s减小、外加电压一定，p一定、自由行程一定，s减小、电场强度加大，所以游离能加大，游离率提高；p一定、s减小，碰撞次数减少，其幅度比游离率增大的幅度大，所以总游离数降低，击穿电压提高。（2）s一定、p减小，同上。A点右侧：（1）p一定、s增大、外加电压一定，p一定、自由行程一定，s加大、电场强度减小，所以游离能减小，游离率降低；p一定、s增大，碰撞次数增多，其幅度没有游离率下降的幅度大，所以总游离数降低，击穿电压提高。（2）s一定、p增大，同上。均匀电场的平均击穿场强为30kV/cm。六、汤逊理论适用范围：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、2100cm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、放电形状不同七、流注理论：（一）分析：1、按汤逊理论计算的击穿电压比实际值高，说明带电粒子来得更容易，那么放电中会不会有其他游离方式提供带电粒子呢？2、按汤逊理论计算的击穿所需时间比实际值长：说明粒子运动的速度快，那么什么粒子的运动速度比电子的运动速度快呢？3、一般间隙的击穿电压与阴极材料无关：说明是纯空间的问题。（二）解释：一个由外界游离因素从阴极释放出来的初始电子，在奔向阳极运动的过程中，不断地产生碰撞游离而发展成电子崩，此电子崩称为初始电子崩。初始电子崩不断发展，由于电子的移动速度大，故电子总是位于朝向阳极方向的电子崩的头部。而正离子速度慢，可近似地看成停留在原来产生的位置上，较缓慢地向阴极运动，相对于电子来说，可认为正离子是静止的。初始电子崩在其发展过程中逐渐增大，电子崩中出现大量的空间电荷，这些电荷在空间的分布将使电极间的电场发生畸变如图2所示。从图中可以看出，空间电荷的存在，大大加强了电子崩头部和尾部的电场，而削弱了其正负极区域之间的电场。电子崩头部前后的强电场有利于发生游离和激励，它们从激励状态回复到正常状态时，将发射出光子。电子崩中部的弱电场区，则有助于发生复合过程，同样也发出光子。当初始电子崩发展到阳极时，电子迅速进入阳极并中和电量了。留下来的正离子作为正空间电荷，使后面的电场受到畸变和加强，同时向周围发射出大量的光子。这些光子射到附近的气体中，导致光游离，在空间产生光电子，它们在正空间电荷所畸变和加强的电场作用下，又形成新的电子崩，称为子崩。子崩中的带电粒子受主崩的吸引，将注入到主崩中，而形成带电粒子数更多的区域，称为流注。流注从阳极向阴极发展，由于它的导电性能良好，其边缘又有子崩留下的正电荷，因此大大加强了流注前方的电场，促使更多的新电子崩相继产生并与之汇合，从而使流注不断向阴极发展。当流注发展到阴极后，整个间隙就被导电良好的正负带电离子的混合通道所贯通，从而导致整个间隙的击穿。（三）结论：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。1.2不均匀电场中气体的放电电晕：极不均匀电场中特有的气体放电现象。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。一、 电晕具有如下效应：（1） 声、光、热效应（2） 消耗能量（3） 对无线电产生干扰（4） 产生化学反应（5） 产生“电风”二、 极性效应：问题引出：同一个针对板的不对称极不均匀电场，极间距离为4cm，当针极为正时，击穿电压是35kV；当针极为负时，击穿电压是80kV；而针对针的对称极不均匀电场，极间距离是4cm 时，击穿电压为45 kV。为什么会有这么大的区别？概念：不对称极不均匀电场中曲率半径小的电极所带电荷极性对击穿电压的影响。分析：针极附近产生的电晕，带电粒子定向运动，正离子向板极运动，由于速度慢，就在针极附近形成电荷积累区，使未游离区的电场强度增大，而导致击穿电压降低。试验数据：1、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5 kV/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。2、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