高电压技术复习资料

1 1 带电粒子的产生与消失 电离 产生带电粒子的物理过程 电力能 电力过程所需要的能量 原子的激发 激励 在外界因素作用下 气体原子获得外加能量时 一个或若干个电子有可能转移到离核较远 的轨道上去的现象 带电粒子的产生 碰撞电离碰撞电离 有碰撞引起的电离 光电离光电离 由光辐射 引起的气体原子或分子电离的现象 热电离热电离 气体在热状态下引起的电离过程 表面电离表面电离 气体中的电子也可以由电场作用下的金属表面发射出来 这三种形式同时存在 相互作 用 只是各种电离形式表现出的强弱不同 空间电离空间电离 气体在间隙空间里带电粒子的产生 过程 逸出功逸出功 从金属电极表面发射电子需要的一定的能量 去电离过程 当气体中发生 放电时 与不断产生带电粒子的电力过程相反的过程 气体去电离的基本形式 漂移漂移 带 电粒子在外电场的作用下做定向移动 消逝于电极面形成的回路电流 从而减少了气体中 的带电粒子的现象 扩散 复合 吸附 1 2 均匀电场中的气体放电 均匀电场均匀电场 在电场中 电场强度处处相等 汤逊放电理论实验条件 均匀电场 低气压 短间隙 自持放电 仅由电场的作用就能自行维持的放电 非自持放电非自持放电 需要外界电离因 素才能维持的放电 起始放电电压起始放电电压 放电由非自持转为自持的临界电压 起始放电场强起始放电场强 起始放电电压对应的场强 汤逊自持放电条件 电子碰撞电离形成电子崩是气体放电的主 要过程 而放电是否由非自持转为自持 则取决于阴极表面是否释放出了二代电子 光电 离 书图 1 2 巴申曲线 放电电压与放电距离 d 和气压 p 的乘积的曲线 呈 U 型 巴申定 律 高气压或真空都可提高击穿电压 工程上已广泛使用 正流注正流注 当外加电压较低时 电子崩需要整个间隙才能形成流注 这种流注是由阳极向阴极发展的 负流注负流注 外加电压 高于击穿电压 流注由阴极向阳极发展 流注放电理论 解释高气压长间隙以及不均匀电 场中的气体放电现象 1 3 不均匀电场中的气体放电 气体放电特征气体放电特征 稍不均匀电场的间隙击穿前看不到放电迹象 一旦出现自持放电 便立即 导致整个间隙的击穿 极不均匀电场当外加电压达到某一临界时间时 首先出现电晕放电 现象 当外加电压进一步增大时 电晕区也随之扩大 但气隙依然保持其绝缘状态没有被 击穿 电晕放电电晕放电 局部放电 极不均匀电场中的极性效应 正棒负板击穿电压较低 电晕 起始电压较高 正极性 负棒正板击穿电压较高 电晕起始电压较低 负极性 1 4 不同电压形式下气隙的击穿特性 气隙的击穿电压气隙的击穿电压与电场均匀程度 电极形状 极间距离 气体的状态 外加电压形式有关 外加电压分类外加电压分类 作用时间长短分持续电压和冲击电压 完成气隙击穿的条件完成气隙击穿的条件 1 足够大的 电场强度或足够高的电压 2 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子 3 需要一定的时间 让放电得以逐步发展并完成击穿 最低静态击穿电压最低静态击穿电压 长时间作用在间 隙上能使间隙击穿的最低电压值 欲使间隙击穿 外加电压必须不小于静态击穿电压 对 于冲击电压为必要条件 击穿时间击穿时间 从开始加压到间隙完全击穿位置的时间 间隙的击穿 不仅需要足够的电压还需要足够的时间 升压时间升压时间 电压从零升高到静态击穿电压所需的 时间 统计时延统计时延 从电压升到静态击穿电压时起间隙中形成第一个有效电子的时间 有效有效 电子电子 能引起电子崩并最终导致击穿的电子 等候有效电子的出现所需要的时间具有统计等候有效电子的出现所需要的时间具有统计 性性 放电形成时延放电形成时延 从出现第一个有效电子的时刻到间隙完全击穿的时间 50 冲击击穿 电压 施加 10 次电压中有 4 6 次击穿 即可认为是冲击击穿电压 伏秒特性 气隙的冲击 击穿特性必须用电压峰值和击穿时间这两个参量共同来描述的特性 伏秒特性曲线 把在 电压 时间 坐标平面上形成的表示这种特性的曲线 带状区域 研究伏秒特性的意义 为了使被保护设备得到可靠的保护 保护设备绝缘的伏秒特性曲线的上包线必须始终地狱 被保护设备的傅淼特性曲线的下包线 为了能得到较理想的绝缘配合 保护设备绝缘的伏 秒特性曲线需平坦一些 分散性小一些 即保护设备应采用电场比较均匀的绝缘结构 1 5 提高气体电介质电气强度的方法 提高气体电介质电气强度的方法 改进电极形状 1 利用空间电荷改善电场分布 1 采用屏 障 1 采用高气压 2 采用高真空 2 采用高电气强度气体 2 提高途径提高途径 改善气隙中的电 场分布使之尽量均匀 设法削弱或抑制气体介质中的电离过程 屏障与棒极距离等于气隙 距离的 1 5 1 6 是击穿电压提高得最多 SF6 与 N2 的混合气体来降低野花温度 其混合比 通常为 1 1 或 3 2 混合气体的电器强度约为纯 SF6 气体的 85 左右 1 6 沿面放电 高压绝缘分高压绝缘分 内绝缘与外绝缘 绝缘子绝缘子 将处于不同点位的导体在机械上固定 在电气上 隔离的一种使用量极大的绝缘部件 沿面放电 沿着固体介质表面发生的气体放电 沿面 闪络 闪络 当压面放电发展成为电极间贯穿性的空气击穿时 实际耐压能力取决于其沿实际耐压能力取决于其沿 面电压面电压 界面电场分布情况界面电场分布情况 均匀电场中的沿面放电 极不均匀电场中垂直分量很强时的 沿面放电 极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电 闪络电压分闪络电压分 干闪电压干闪电压 表面清 洁而且干燥时绝缘子的闪络电压 户内绝缘子的主要性能 湿闪电压湿闪电压 洁净的绝缘子在淋 雨情况下的闪络电压 户外绝缘子的主要性能 污闪污闪 绝缘子表面的污物被润湿 表面电 倒和泄漏电流剧增 闪络电压明显降低 甚至可以在工作电压下发生闪络 电压 防污闪防污闪 的措施的措施 增加爬电距离 加强清扫或采取带点水冲洗 绝缘子表面涂憎水性材料 采用新 型的合成绝缘子 2 1 电介质的极化 极化 当有外电场作用时 电介质中的正负电荷将沿着电场方向作有限的位移或者转向而 形成电距的现象 介电常数介电常数 表示电介质极化的强弱 与该电介质分子的极性强弱有关 并受温度 外加电场频率等因素的影响 真空相对介电常数为 1 各种气体也可视为 1 常 温常压下常用固液体为 2 6 电介质极化形式 电子式极化 离子式极化 固体无机化合 物 偶极子极化 极性电介质 空间电荷极化 夹层极化 2 2 电介质的电导 电导 在电场作用下 电介质中的带电质点沿电场方向定向移动构成电流的现象 电介质电介质 与金属电导的区别与金属电导的区别 介 离子电导 电导很小 正温度系数 金 电子电导 电导很大 负温度系数 吸收现象 电介质在直流电压 U 作用下 流过电介质的电流 i 随时间的变化 逐渐衰减 最终达到某个稳定值的现象 泄漏电流 电介质在直流电压的作用下 开始由 于各种极化过程的存在 流过的电流较大 然后随着极化过程的结束 电流逐渐衰减而趋 于一稳定值 I 泄漏电流所对应的电阻称为电介质的绝缘电阻 液体电介质电导的因素液体电介质电导的因素 离 子电导 有液体本身分子或杂志的分子离解出来的离子造成的 电泳电导 由液体介质中 的胶体质点吸附电荷后形成带电胶粒产生的 体积电导体积电导 在固体介质上加电压是 介质的 内部有电流流过 表面电导表面电导 在固体介质上加电压是 介质的表面有电流流过 2 3 电介质的损耗 损耗 在外加电压作用下 电介质在单位时间内消耗的能量 电解质损耗包括 电导损耗 直流交流 极化损耗 交流 书 28 29 页 2 4 液体电介质的击穿特性 书 32 页小桥理论 影响液体电介质击穿电压的因素 液体电介质本身品质 温度 电场均 匀度 电压作用时间 油压 提高液体电介质击穿电压的措施 提高及保持油的品质 采 用油 屏障式绝缘 2 5 固体电介质击穿特性 固体与气液体击穿特性的不同固体与气液体击穿特性的不同 固体电介质的固有耐电强度极高 固体电介质为非自恢复 绝缘 固体电介质的击穿形式 电击穿电击穿 特征特征 电压作用时间短 击穿电压高 与环境温 度无关与电场均匀度有关 介质发热不显著 热击穿热击穿 与电场均匀度无关与电压作用时 间 介质散热条件有关 击穿电压随环境温度的升高而下降 介质温度升高 电化学击穿电化学击穿 与事件有关 局部升温 温度升高击穿电压降低 与电场均匀度关系不大 影响固体电 介质击穿电压的因素 电压作用时间电压作用时间 时间增长电压下降 电场均匀程度电场均匀程度 均匀度高电压 高 温度 电压种类电压种类 工频交流电压最低 工频击穿电压 直流击穿电压 冲击电压 受潮 累积效应累积效应 在多次冲击或工频是呀电压下 介质内部的局部损伤会逐步发展 最终 导致击穿电压下降的现象 机械负荷 提高固体电介质击穿电压的措施 改进制造工艺 改进绝缘设计 改进绝缘运行条件 2 6 组合绝缘的电气强度 绝缘的组合原则书绝缘的组合原则书 39 页页 2 7 电介质的老化 电介质老化分为 电老化 热老化 电老化原因电老化原因 介质内部的局部放电现象 局部放电引 起老化的原因老化的原因 放电过程中形成的氧化氮臭氧等对绝缘产生氧化和腐蚀 游离产生的带电 质点对绝缘介质的撞击对绝缘结构产生破坏 介质局部升温使介质加速氧化 局部电导和 介质损耗增加 严重是出现局部烧焦 热老化热老化 A 级绝缘材料的工作温度超过规定值 8 时 寿命缩短一半 热老化的 8 规则 B 级绝缘和 H 级绝缘则分别使用 10 12 规则 5 1 雷电放电过程和雷电参数 过电压分为 产生根源不同 外部过电压 内部过电压内部过电压 由于断路器操作 故障或其他原 因而是系统参数变化 引起内部电磁能量的积聚和转换 最终导致系统电压升高 雷电雷电 自然界一种气体放电现象 雷电过电压分为 直击雷过电压 感应雷过电压 水沫水沫 水珠水珠 冰冰 雷云上雷云上 下下 雷电的放电形式雷电的放电形式 线状雷电 片状雷电 球状雷电 放电阶段 先导放电 导电通道形成和向下发展的过程 一段接着一段分级向下 每级先导发展的速度快但有 一定停歇 平均速度较慢 100 800km s 电流也不大 主放电 顶部发出向上发展的迎面 先导 极大电流 200 300kA 20000 150000km s 余晖放电 电流不大时间较长 雷暴雷暴 日日 一年中发生雷电的天数 一听到雷声为准 雷暴小时 一年中发生雷电放电的小时数 电力系统耐雷性能比较 40 个雷暴日为基准 地面落雷密度地面落雷密度 每平方公里地面在一个雷暴日 中收到的平均雷击次数 雷波阻抗 主放电通道类似于一条分布参数电路 具有某一等值 波阻抗 300 欧 雷电极性一般为负 书 95 页 5 2 雷电过电压 直击雷过电压直击雷过电压 雷电直接对电气设备放电 引起强大的雷电流通过被击物导入大地 在被 击物上产生的过电压 感应雷过电压感应雷过电压 雷击电气设备附近地面或其他物体由于电磁感应和 静电感应产生的过电压 5 3 避雷针和避雷器 计算 直击雷防护装置 避雷针 避雷线 架空地线 避雷针组成避雷针组成 接闪器 接地引下线 接地 体 作用原理作用原理 通过使雷电击向自身来发挥其保护所用 绕击 雷电绕过避雷装置而击中 被保护物体的现象 书 98 页计算 5 4 避雷器 避雷器实质 限压器 限制入侵电压幅值 当避雷器动作将强大的雷电流引入大地之后 由于系统共还有工频电压的作用 避雷器中将流过工频短路电流 称工频续流 以电弧放 电的形式存在 避雷器满足的要求 具有良好的伏秒特性 具有较强的灭弧能力 避雷器避雷器 分类分类 保护间隙 管式避雷器 阀式避雷器 氧化锌避雷器 特点 保护性能优越 无续 流动作负载轻能重复动作实时保护 通流容量大 能制成重载避雷器 耐污性能好 适于 大量生产造价低 氧化锌避雷器伏安特性氧化锌避雷器伏安特性 低电场区 小电流区 中电场区 高电场区 饱和区 5 5 防雷接地 接地接地 由于运行和安全的需要 常将电力系统及其电气设备的某些部分与大地相连接 接接 地体地体 埋入大地并直接与土壤接触的金属导体 接地体和接地引下线接地引下线 电气设备的接地部 分同接地体相连的金属导体 合成接地装置接地装置 接地分为 工作接地 保护接地 防雷接地 6 1 输电线路中的波过程 电力系统的过电压绝大多数发源于电线路 在发生雷击或进行操作时 线路上都可能产生 一行波形时出现的过电压波过电压波 过电压波在线路上的传播本质过电压波在线路上的传播本质是电磁场能量沿线路的传播过 程 即在导线周围空间逐步建立起电场和磁场的过程 也是在导线周围空间储存电磁能的 过程 波阻抗与电阻的区别波阻抗与电阻的区别 波阻抗表示具有同一方向的电压波与电流波大小的比值 其 数值只与导线单位长度电感和电容有关与线路的长度无关 而一条长线的电阻值与线路的 长度成正比 电磁波通过波阻抗时 波阻抗从电源吸收的功率和能量是以电磁能的形式储 存在导线周围的媒质中 并没有消耗掉 而电阻从电源吸收的功率和能量均转化为热能散 失掉 6 2 架空输电线路的防雷保护 输电线路跳闸的主要原因输电线路跳闸的主要原因 雷击 输电线路防雷的根本目的输电线路防雷的根本目的 尽可能少线路雷害事故的次 数和损失 输电线路耐雷性能指标 耐雷水平 雷击线路时 其绝缘尚不至于发生闪络的 最大雷电流幅值或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅值 雷击跳闸率 在雷暴日为 40 的情 况下 没 100km 线路每年因雷击而引起的跳闸次数 雷击有避雷线线路情况 1 累计杆塔 可能造成 反击 由接地杆塔的点位升高引起的闪络 使绝缘子发生冲击闪络 2 雷击挡 距中央的避雷线 可能造成导线 地线之间的空气间隙发生击穿 3 雷绕击 可能会造成线 路绝缘子串反生冲击闪络 7 1 空载线路 电容电容 分闸过电压 内部过电压按生产原因不同分内部过电压按生产原因不同分 操作过电压 暂时过电压 将一条空载线路分闸到电源上 此时初相的操作过电压称为空载线路分闸过电压 电流过 0 时电弧熄灭 电压差最大时重 燃 振荡电压幅值 稳态值 积态值 初始值 影响因素 中性点接地方式的影响 断路 器性能 母线上的出线数 在断路器外侧姐有点此时电压互感器等设备 限制切空载线路 过电压的根本措施根本措施 设法消除断路器的重燃现象 措施 采用不重燃断路器 加装并联分 压电阻 利用避雷器保护 7 2 空载线路合闸过电压 将一条空载线路合闸到电源上 是电力系统中一种常见的操作 此时初相的操作过电压称 为空载线路合闸过电压 过电压发展过程 计划性合闸 线路上不存在故障和残余电压 即等值电路中厨师电压为 0 最大过电压值 稳态值 稳态值 初始值 Em Em 0 2Em 自动重合闸 非故障相线路电容有残余电荷 最大过电压值 稳态值 稳态值 初 始值 Em Em Em 3Em 初始值和稳态值相反时为最大值 影响因素 合闸时电 源电压相位 线路残余电压的极性和大小 线路损耗