高电压技术(全套课件)ppt课件

高电压技术 绪论 一 内容与范畴 高电压技术 主要研究高电压 强电场 下的各种电气物理问题 它起源于20世纪初期 由于大功率 远距离输电而发展 形成的一门独立学科 属于现代物理学中电学的一个分支 学习目的 正确处理电力系统中过电压与绝缘的问题 二 高电压技术的研究对象 1 电气设备的绝缘 绝缘试验 固 液 气体 在电场作用下的电气物理性能和击穿的理论 规律 高压试验 判断 监视绝缘质量的主要试验方法 2 电力系统的过电压 过电压及其防护 过电压的成因与限制措施 三 中国电力系统电压等级的划分与分类 交流系统 高压 HV 1KV 220KV 包括 10KV 35KV 110KV 220KV超高压 EHV 330KV 1000KV 包括 330KV 500KV 750KV特高压 UHV 1000KV及以上 直流系统 超高压 EHV 500KV特高压 UHV 800KV 四 高电压技术在其它领域的应用 1 医学 利用高压脉冲体外碎石 治疗癌症 2 农业 高压静电喷药 高电场诱发变异在育种上的应用 3 环保 高压脉冲放电处理污水 电除尘技术 4 军事 大功率脉冲技术 电磁干扰 电子对抗 5 其它工业 静电喷涂 高压设备制造等 五 课程相关信息 参考书 高电压绝缘技术 中国电力 严璋 朱德恒 电网过电压教程 中国电力 陈维贤 高电压试验技术 清华 张仁豫 高电压技术 中国电力 赵智大考试 20 作业10 实验10 80 闭卷笔试 答疑安排 时间 周四下午3 00 5 00地点 教三楼一楼110室 办公电话 752 2357 第一篇高电压绝缘及实验 第一章电介质的极化 电导和损耗第二章气体放电的物理过程第三章气隙的电气强度第四章固体液体和组合绝缘的电气强度 第一章电介质的极化 电导和损耗 第一节电介质的极化第二节电介质的介电常数第三节电介质的电导第四节电介质中的能量损耗 1 电介质的极化 电导和损耗 电介质有气体 固体 液体三种形态 电介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的 一切电介质在电场的作用下都会出现极化 电导和损耗等电气物理现象 电介质的电气特性分别用以下几个参数来表示 即介电常数 r 电导率 或其倒数 电阻率 介质损耗角正切tg 击穿场强E 它们分别反映了电介质的极化 电导 损耗 抗电性能 绝缘的作用 绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开 使其没有电气的联系并能保持不同的电位 分类 气体绝缘材料 空气 SF6气体等固体绝缘材料 陶瓷 橡胶 玻璃 绝缘纸等液体绝缘材料 变压器油混合绝缘 电缆 变压器等设备 1 0电力系统的绝缘材料 定义 电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹性位移和偶极子的转向位移现象 称为电介质的极化 效果 消弱外电场 使电介质的等值电容增大 物理量 介电常数类型 电子位移极化 离子位移极化 转向极化 空间电荷极化 1 1电介质的极化 一 电子位移极化 一切电介质都是由分子组成 分子又是由原子组成 每个原子都是由带正电荷的原子核和围绕核带负电荷的电子云构成 当不存在外电场时 电子云的中心与原子核重合 此时电矩为零 当外加一电场 在电场力的作用下发生电子位移极化 当外电场消失时 原子核对电子云的引力又使二者重合 感应电矩也随之消失 电场中的所有电介质内都存在电子位移极化 图1 1电子位移极化 二 离子位移极化 在由离子结合成的电介质内 外电场的作用除促使各个离子内部产生电子位移极化外还产生正 负离子相对位移而形成的极化 称为离子位移极化 图l 2表示氯化钠晶体的离子位移极化 三 转向极化 在极性电介质中 即使没有外加电场 由于分子中正 负电荷的作用中心不重合 就单个分子而言 就已具有偶极矩 称为固有偶极矩 但由于分子不规则的热运动 使各分子偶极矩方向的排列没有秩序 因此 从宏观而言 对外并不呈现合成电矩 当有外电场时 由于电场力的作用 每个分子的固有偶极矩就有转向与外电场平行的趋势 其排列呈现一定的秩序 但是受分子热运动的干扰 这种转向有秩序的排列只能达到某种程度 而不能完全 对外呈现出宏观电矩 图l 3偶极子的转向极化 四 空间电荷极化 图1 4双层电介质的极化模型 G1 G2 C1 C2 U 上述的三种极化是带电质点的弹性位移或转向形成的 而空间电荷极化的机理则与上述三种完全不同 它是由带电质点 电子或正 负离子 的移动形成的 最明显的空间电荷极化是夹层极化 在实际的电气设备中 如电缆 电容器 旋转电机 变压器 互感器 电抗器等的绝缘体 都是由多层电介质组成的 如图l 4所示 各层介质的电容分别为C1和C2 各层介质的电导分别为G1和G2 直流电源电压为U 为了说明的简便 全部参数均只标数值 略去单位 设C1 1 C2 2 G1 2 G2 1 U 3 当U作用在AB两端极板上时 其瞬时电容上的电荷和电位分布 如图1 5 a 所示 整个介质的等值电容为 到达稳态时 电容上的电荷和电位分布如图l 5 b 所示 整个介质的等值电容为 分界面上堆积的电荷量为 4 1 3 图1 5双层电介质的电荷与电位分布 a 暂态分布 b 稳态分布 特点 夹层的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值电容的增大 这就是夹层极化效应 夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G1完成的 高压绝缘介质的电导通常都是很小的 所以这种极化过程将是很缓慢的 它的形成时间从几十分之一秒到几分钟甚至有长达几小时的 因此 这种性质的极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来 该极化伴随着能量损耗 大电容设备进行高压实验后应对设备绝缘进行较长时间放电 电介质极化种类及比较 1 2电介质的介电常数 一 介电常数的物理意义 1 在真空中 有关系式式子中E 场强矢量 D 电位移矢量 即电通量密度矢量 D与E同向 比例常数为真空的介电常数 在介质中 D与E同向 为介质的相对介电常数 它是没有量纲和单位的纯数 3 介质的介电常数通常 的量纲和单位与相同 二 气体介质的相对介电常数 一切气体的相对介电常数都接近于1 任何气体的相对介电常数均随温度的升高而减小 随压力的增大而增大 但影响都很小 三 液体介质的相对介电常数1 中性液体电介质 石油 苯 四氯化碳 硅油等均为中性或弱极性液体介质 其介电常数不大 其值在1 8 2 8范围内 2 极性液体介质 1 这类介质通常介电常数都较大 但这类介质的缺点是在交变电场中的介质损较大 在高压绝缘中很少应用 2 影响极性液体介质介电常数的主要因素 a 介电常数与温度的关系 图1 2 1 b 介电常数与电场频率f的关系 图1 2 2 四 固体电介质的介电常数1 中性或弱极性固体电介质 只具有电子式极化和离子式极化 其介电常数较小 介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近 2 极性固体电介质 介电常数都较大 一般为3 6 甚至更大 该类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体所呈现的规律 图1 2 3 1 3电介质的电导 电介质的电导与金属的电导有本质上的区别 一 表征电介质导电性能的物理量 电导率 or 电阻率 二 影响介质电导的因素 1 温度式中A B 常数 T 绝对温度 电导率 温度升高时 液体介质的黏度降低 离子受电场力作用而移动时所受的阻力减小 离子的迁移率增大 使电导增大 另一方面 温度升高时 液体介质分子热离解度增加 这也使电导增大 在测量电介质的电导或绝缘电阻时 必须注意记录温度 2 电场强度E 3 杂质 考虑对固体介质的影响 固体介质除了体积电导以外 还存在着表面电导 表面电导是由于介质表面吸附一些水分 尘埃 或导电性的化学沉淀物而形成的 其中水分起着特别重要的作用 一般中性介质的表面电导最小 极性介质次之 离子性介质最大 采取使介质表面洗净 光洁 烘干 或表面涂以石蜡 绝缘漆 有机硅等措施 可以降低介质表面电导 1 4电介质中的能量损耗 一 电介质损耗的基本概念在电场的作用下 电介质由于电导引起的损耗和有损极化 如偶极子极化 夹层极化等 引起的损耗 总称为电介质的损耗 等值电路 1 细化等效电路 从物理概念出发 泄漏电阻 代表电导损耗 介质真空和无损耗极化所形成的电容 代表介质的无损耗极化 有损耗极化形成的等效电阻 代表各种 有损耗极化形成的等效电容 有损耗极化 2 计算用等效电路 或简化等效电路 从工程实际测量出发 3 相量图 介质损耗角 功率因数角 介质损耗角 为功率因数角 的余角 其正切tg 又可称为介质损耗因数 常用百分数 来表示 90 4 损耗功率的表达式 二 吸收电流与吸收曲线 在等值电路上加上直流电压时 电介质中流过的将是电容电流i1 吸收电流i2和传导电流i3 三者随时间的变化如上右图 这三个电流分量加在一起 即得出总电流上右图中的总电流i 它表示在直流电压作用下 流过绝缘的总电流随时间而变化的曲线 称为吸收曲线 第二章气体放电的物理过程 第一节气体中带电质点的产生和消失第二节气体放电机理第三节电晕放电第四节不均匀电场气隙的击穿第五节雷电放电第六节气隙的沿面放电 2 1气体中带电质点的产生和消失 一 带电质点在气体中的运动 1 自由行程长度当气体中存在电场时 其中的带电粒子将具有复杂的运动轨迹 它们一方面与中性的气体粒子 原子或分子 一样 进行着混乱热运动 另一方面又将沿着电场作定向漂移 各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞 单位行程中的碰撞次数Z的倒数 即为该粒子的平均自由行程长度 实际的自由行程长度是随机量 并有很大的分散性 粒子的平均自由形成长度等于或大于某一距离x的概率为 所以电子的平均自由行程长度 式中r 气体分子的半径 N 气体分子的密度 由于代入上式即得 2 带电粒子的迁移率 带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞 但在电场力的驱动下 仍将沿着电场方向漂移 其速度u与场强E其比例系数k u E 称为迁移率 它表示该带电粒子单位场强 1V m 下沿电场方向的漂移速度 由于电子的平均自由行程长度比离子大得多 而电子的质量比离子小得多 更易加速 所以电子的迁移率远大于离子 3 扩散 气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关 在热运动的过程中 粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域 从而使每种粒子的浓度分布均匀化 这种物理过程叫扩散 气压越低或温度越高 则扩散进行的越快 电子的热运动速度大 自由行程长度大 所以其扩散速度也要比离子快得多 二 带电质点的产生 气体中带电质点的来源有二 一是气体分子本身发生电离 包括撞击电离 光电离 热电离等多种形式 另一是气体中的固体或液体金属发生表面电离 1 电离是气体放电的首要前提电离 产生带电离子的物理过程称为电离 激励 在常态下 电子受外界因素影响由低能量级轨道上跃迁到高能量级轨道的现象称为激励 产生激励所需的能量 激励能 等于该轨道和常态轨道的能级差 2 电离的几种形式 1 光电离频率为 的光子能量为W h 式中h 普郎克常数 发生空间光电离的条件为或者式中 光的波长 m c 光速Wi 气体的电离能 eV 2 撞击电离 主要是电子碰撞电离 原因 1 电子小 自由程长 可以加速到很大的速度 2 电子的质量小 可以加速到很大 产生条件 所以提高场强可以使碰撞电离加剧 3 热电离在常温下 气体分子发生热电离的概率极小 是气体在热状态下光电离和撞击电离的综合 4 表面电离电子从金属表面逸出需要一定的能量 称为逸出功 主要发生在阴极 原因 阳极自由电子不会向气体中释放 主要有4种形式 1 热电子发射 金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出 称为热电子发射 在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射 2 强场发射 冷发射 当阴极表面附近空间存在很强的电场时 106V cm数量级 也能时阴极发射电子 常态下作用气隙击穿完全不受影响 在高气压 压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用 真空中更起着决定性作用 3 正离子撞击阴极表面 通常正离子动能不大 可忽略 只有在它的势能等于或大于阴极材料逸出功两倍时 才能引起阴极表面电离 这个条件可满足 4 光电子发射 高能辐射先照射阴极时 会引起光电子发射 其条件是光子的能量应大于金属的逸出功 当电子与气体分子碰撞时 可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况 这种过程称为附着 易于产生负离子的气体称为电负性气体 这个过程有时需要放出能量 有时需吸收能量 负离子的形成不会改变带电质点的数量 但却使自由电子数减少 因此对气体放电的发展起抑制作用 或有助于提高气体的耐电强度 如SF6气体对电子有很强的亲和性 因此具有高电气强度 5 负离子的形成 三 带电质点的消失 气体中带电粒子的消失有可有下述几种情况 1 带电粒子在电场的驱动下作定向运动 在到达电极时 消失于电极上而形成外电路中的电流 2 带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间 3 带电粒子的复合 气体中带异号电荷的粒子相遇时 可能发生电荷的传递与中和 这种现象称为复合 是与电离相反的一种过程 2 2气体放电机理 自持放电与非自持放电放电发展过程与电场的关系电子崩汤森德放电理论帕邢定律流注放电理论 一 自持放电 非自持放电 当场强小于某个临界值时候 电子崩有赖于外界电离因素的原始电离才能持续和发展 如果外界电离因素消失 则这种电子崩也随之逐渐衰减以至消失 称这种放电为非自持放电 当场强大于某个临界值时 电子崩可以仅由电场的作用而自行维持和发展 不再依赖外界电离的因素 这种性质的放电称为自持放电 二 在很不均匀的电场中 以棒电极为例 1 在电压比较低时 棒极附近场强可能已超过临界值 即发生自持放电 离棒端稍远处有电晕出现 2 电压再升高时 若电极间距不大 则有可能从电晕放电直接转为整个间隙的火花击穿 若电极间隙较大 则从电晕到击穿之间还有刷状放电的过渡阶段 3 电压再提高 刷状放电中的个别光束突发的前伸 形成明亮的火花通道到达对面电极 气隙被就击穿了 当电源功率足够时 火花击穿迅速的转变成电弧 一 在大体均匀的电场中 各处场强的差异不大 任意一处一旦形成自持放电 就会很快发展到整个间隙 气隙即被直接击穿 二 放电发展过程与电场的关系 三 电场不均匀系数 式中 Emax最大电场强度 Eav平均电场强度 式中 U 电极间的电压 d 极间距离 f4以上时明显地属于极不均匀电场 可分为棒 棒间隙和棒 板间隙 例如架空线的导线 导线 导线 大地 均匀电场f 1不均匀电场f 1 三 电子崩 外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子如果空间的电场强度足够大 该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离 产生出一个新电子 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 产生出更多的电子 依次类推 电子数将按几何级数不断增多 象雪崩似的发展 这种急剧增大的空间电流被称为电子崩 第二节电子崩 1 适用条件低气压 短间隙的电场中 2 理论要点电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离是使带电质点激增 并导致击穿的主要因素 击穿电压大体上是的函数 四 汤森德气体放电理论 1 系数 表示一个电子由阴极到阳极每1cm路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数 平均值 2 系数 表示一个正离子由阳极到阴极每1cm路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数 平均值 3 系数 表示一个正离子撞击到阴极表面时使阴极逸出的自由电子数 平均值 系数和与气体的性质 密度及该处的电场强度等因素有关 3 引用三个系数来定量地反映所考虑的三种因素的作用 4 电子碰撞电离系数 根据碰撞电离系数 的定义 可得 分离变数并积分 可得 均匀电场 不随x变化 抵达阳极的电子数 5 自持放电条件与表面电离系数 如果电压 电场强度 足够大 初始电子崩中的正离子能在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0 那么即使除去外界电离因子的作用放电也不会停止 即放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子 它们的数目取决于电场强度 就能维持下去 这就变成了自持放电 在整个路程撞击出的正离子数为 令 表示一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数 则从金属表面电离出的电子数为 若该电子数大于等于起始电子数n0 那么放电可以自持 即自持放电条件为 式 1 14 包含的物理意义为 一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正电子数为ead 1 这批在阴极上造成的二次自由电子数应为 ead 1 如果它等于1 就意味着那个初试电子有了一个后继电子 从而使放电得以自持 物理 物理意义 在不均匀电场中 各点的电场强度E不同 所以各处的 值也不同 在这种条件下 上面的自持条件应改写成 实验表明正离子在返回阴极途中造成的碰撞电离作用极小 可以忽略不计 上述过程可以用图2 1中的图解加以概括 当自持放电条件得到满足时 就会形成图解闭环部分循环不息的状态 放电就能自己维持下去 而不再依赖外界电离因子的作用了 第三节自持放电放电条件 放电过程 五 帕邢定律 帕邢定律 在均匀的电场中 击穿电压与气体的相对密度 极间距离S的积有函数关系 只要的乘积不变 也就不变 物理解释 假设S保持不变 当气体密度增大时 电子的平均自由行程缩短了 相邻两次碰撞之间 电子积聚到足够动能的几率减小了 故必然增大 反之 当减到过小时 电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大了 但气体很稀薄 电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小 所以也会增大 在这两者之间 总有一个值对造成撞击游离最有利 此时最小 同样 可假设保持不变 S值增大时 欲得一定的场强 电压必须增大 当S值减到过小时 场强虽大增 但电于在走完全程中所遇到的撞击次数已减到很小 故要求外加电压增大 才能击穿 这两者之间 也总有一个S的值对造成撞击游离最有利 此时最小 汤森德放电机理的不足 1 只是在一定的范围内有效 2 不均匀的电场中 该理论不适用 其主要原因如下 汤森德理论没有考虑电离出来的空间电荷会使电场畸变 从而对放电过程产生影响 汤森德理论没有考虑光子在放电过程中的作用 空间光电离和阴极表面光电离 六 流注理论 高电压技术面对的往往是高气压长气隙的情况 汤逊理论并不适用 应当用流注理论解释 适用条件为 流注理论也是以实验为基础的 影响因素主要有以下几方面 一 空间电荷对原有电场的影响 电子崩的头部集中着大部分的正离子和几乎全部电子 原有均匀场强在电子崩前方和尾部处都增强了 在这两个强场区中间出现了一个电场强度很小但电子和正离子浓度却最大的区域 使此处产生强烈的复合并发射出许多光子 成为引发新的空间光电离的辐射源 第三节 上面所说的辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离 如果光子位于强场区 二次电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展 或汇入崩尾 这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区 二次电子崩 以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流注 二 空间光电离的作用 第三节 自持放电条件 二 空间光电离的作用流柱理论 流注的特点 电离强度很大 传播速度很快 超过初崩发展速度10倍以上 出现流注后放电便获得独立继续发展的能力 而不再依赖外界电离因子的作用 可见出现流注的条件也就是自持放电条件 初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值 对于均匀电场自持放电条件应为 2 3电晕放电 一 基本物理过程 在极不均匀电场中 最大场强与平均场强相差很大 以至当外加电压及其平均场强还较低的时候 电极曲率半径较小处附近的局部场强已很大 在这局部强场区中 产生强烈的游离 但由于离电极稍远处场强已大为减小 所以 此游离区不可能扩展到很大 只能局限在此电极附近的强场范围内 伴随着游离而存在的复合和反激励 发出大量的光辐射 使在黑暗中可以看到在该电极附近空间发出蓝色的晕光 这就是电晕 1 外观特征 电极附近空间发出蓝色的晕光 电晕 2 外加电压增大 电晕区也随之扩大 放电电流也增大 由微安级到毫安级 但气隙总的来看 还保持着绝缘状态 还没有被击穿 3 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式 它可以是极不均匀电场气隙击穿的第一个阶段 也可以是长期存在的稳定的放电形式 它与其他的形式的放电有着本质的区别 二 电晕放电效应1 伴随着游离 复合 激励 反激励等过程而有声 光 热等效应 表现是发出 丝丝 的声音 蓝色的晕光以及使周围气体温度升高等 2 在尖端或电极的某些突出处 电子和离子在局部强场的驱动下高速运动 与气体分子交换动量 形成 电风 当电极固定得刚性不够时 气体对 电风 的反作用力会使电晕极振动或转动 3 电晕会产生高频脉冲电流 其中还包含着许多高次谐波 这会造成对无线电的干扰 4 电晕产生的化学反应产物具有强烈的氧化和腐蚀作用 所以 电晕是促使有机绝缘老化的重要因素 5 电晕还可能产生超过环保标准的噪声 对人们会造成生理 心理的影响 6 电晕放电 会有能量损耗 三 消除电晕措施最根本的途径就是设法限制和降低导线的表面电场强度 1 采用分裂导线 使等值曲率半径增大 2 改进电极的形状 增大电极的曲率半径 使表面光滑 四 电晕效应有利的方面1 电晕可削弱输电线上雷电冲击或操作冲击波的幅值和陡度 2 利用电晕放电来改善电场分布 3 利用电晕原理制造除尘器 静电涂喷装置 臭氧发生器等 2 4不均匀电场气隙的击穿 极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应 在两个电极几何形状不同的场合极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号 几何形状相同则取决于不接地的那个电极上的电位 下面以最不均匀的 棒 板 气隙为例 从流注理论的概念出发 说明放电发展过程的极性效应 一 短气隙的击穿 一 正极性棒极带正电位时 棒极附近强场区域的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子 这些空间电荷削弱的棒极附近的电场强度 加强了正离子群外部空间的电场 因此随着电压提高电晕的扩展 强场区也将逐渐向板极方向推进 因而放电的发展是顺利的直至气隙被击穿 二 负极性棒极带负电位时 电子崩将由棒极表面出发向外发展 留在棒极附近的也是大批正离子它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间电场 电晕区不易向外扩展 整个气隙的击穿是不顺利的 气隙的击穿电压要比正极性时高很多 完成击穿所需时间也比正极性时间长得多 结论 1 2 二 长气隙的击穿气隙较长时 流注往往不能一次贯穿整个气隙 而出现逐级推进的先导放电现象 长间隙的放电过程 电晕放电 先导放电 主放电 整个气隙被击穿 电离形式 热电离 雷电放电是自然界的超长间隙放电 其先导过程和主放电过程发展的最充分 2 6气隙的沿面放电 一 概述 一切导体都要靠固体绝缘装置 各类绝缘子 固定 这些固体绝缘装置还起着电气绝缘的作用 它们丧失绝缘功能有两种可能 一是固体介质本身的击穿 二是沿着固体介质表面发生闪络 电力系统的外绝缘一般都是自恢复绝缘 绝缘子闪络或空气间隙击穿后 它们的绝缘性能很快自动恢复 实验表明 沿固体表面的闪络电压不但比固体介质本身的击穿电压低得多 而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少 可见一个固体绝缘装置的实际耐压能力取决于沿面闪络电压 在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平时 沿面闪络电压起着决定性作用 在表面潮湿污染的情况下 沿面闪络电压会更低 1 固体介质处于均匀电场中 且界面与电力线平行 这种情况在工程中比较少见 但实际结构中会遇到固体处于稍不均匀电场中 且界面与电力线大致平行的情况 此时的沿面放电特性与均匀电场的情况有些相似 固体介质与气体介质交界面上的电场分布状况对沿面放电特性有很大影响 界面电场分布可分为典型三种情况 二 沿面放电的类型与特点 下面就三种情况分别介绍其放电特性 情况一中 虽界面与电力线平行 但沿面闪络电压仍要比空气间隙的击穿电压低很多 说明电场发生了畸变 主要原因如下 一 均匀和稍不均匀电场中的沿面放电 在电压还不高时 如右a图法兰附近先出现电晕放电 随着电压升高放电区变成许多平行的火花细线组成的光带 b图 当电压超过某一临界值后个别细线突然迅速增长 转为分叉的树枝状明亮火花通道 如c图 这种树枝火花在不同的位置上交替出现 成为滑闪放电 电压再升高一些火花就到达另一电极 完成表面气体的完全击穿 称为沿面闪络或简称 闪络 1 固体介质与电极表面接触不良 存在小气隙 小气隙中的电场强度很大 首先发生放电 所产生的带电粒子沿固体介质表面移动 畸变了原有电场 可采用在固体介质表面喷涂导电粉末的办法消除 2 大气的湿度影响 大气中的潮气吸附在固体介质表面形成水膜 其中的离子受电场的驱动而沿着介质表面移动 降低了闪络电压 与固体介质吸附水分的性能也有关 3 固体介质表面电阻的不均匀和表面的粗糙不平也会造成沿面电场畸变 二 极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电 这种绝缘子的两个电极之间的距离较长 其间固体介质本身不可能被击穿 只可能出现沿面闪络 与前两种相比平均闪络场强要比均匀电场时低得多 不出现热电离和滑闪放电 干闪络电压随极间距离的增大而提高 平均闪络场强大于前一种有滑闪放电时的情况 三 沿面放电电压的影响因素和提高方法 影响因素 一 固体介质材料主要取决于该材料的亲水性或憎水性 二 电场形式同样的表面闪络距离下均匀与稍不均匀电场闪络电压最高 界面电场主要为强切线分量的极不均匀电场中 闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压低的较少强垂直分量极不均匀电场则低得很多 三 极不均匀电场垂直分量很弱时的沿面放电 主要是增大极间距离 防止或推迟滑闪放电 以瓷套管为例 要在瓷套的内壁上喷铝 消除内壁消除内壁两侧的电位差 加大法兰处瓷套的外直径和壁厚或涂半导体漆或半导体釉 防止滑闪放电过早出现 对35kV以上的高压套管要采用电容式套管和充油式套管 四 固体表面有水膜时的沿面放电 此处讨论的是洁净的瓷表面被雨水淋湿时的沿面放电 相应的电压称为湿闪电压 绝缘子表面有湿污层时的闪络电压称为污闪电压 将在后面再作探讨 提高方法 如右图 棒型绝缘子除最上面的一个伞裙的上表面会全部淋湿外 下面各伞的上表面都只有一部分淋湿 且全部伞裙的下表面及瓷柱也不会被淋湿 只可能有少量的回溅雨水 可见绝缘子表面的水膜是不均匀和不连续的 有水膜覆盖的表面电导大 无水膜处的表面电导小 决大多数外加电压将由干表面 图中的BCA 段来承受 当电压升高时 或者空气间隙BA 先击穿或者干表面BCA 先闪络 但结果都是形成ABA 电弧放电通道 出现一连串的ABA 通道就造成整个绝缘子完全闪络 如雨量特别大时 伞绝缘间有可能被雨水短接而构成电弧通道 绝缘子也将发生完全的闪络 四 固体表面有水膜时的沿面放电 可见绝缘子在雨下有三种可能的闪络途径 沿湿表面AB和干表面BCA 发展 沿湿表面AB和空气间隙BA 发展 沿湿表面AB和水流BB 发展 第一种情况湿闪只有干闪电压的40 50 还受雨水电导率的影响 第二种情况下绝缘子的湿闪电压不会降低太多 第三种情况 湿闪电压将降低到很低的数值 在设计时对各级电压的绝缘子应有的伞裙数 三的倾角 伞裙直径 伞裙伸出长度与伞裙间气隙长度的比均应仔细考虑 合理选择 绝缘子污染通常可分为积污 受潮 干区形成 局部电弧的出现和发展等四个阶段 采取措施抑制或阻止其中任何一个阶段的完成就能防止污闪事故的发生 五 绝缘子污染状态下的沿面放电 线路和变电所的外绝缘受环境应力的作用 包括雨 露 霜 雪 风等气候条件和工业粉尘 废气 自然盐碱 灰尘 鸟粪等污秽物的污染 外绝缘被污染的过程一般是渐进的 但有时也可能是急速的 染污绝缘子表面上的污层在干燥状态下一般不导电 遇到雨 雾 露等不利天气时 污层被湿润 电导增大 在工作电压下的泄漏电流大增 电流所产生的焦耳热 既可能使污层电导增大 又可能使水分蒸发 污层变干而减小其电导 例如悬式绝缘子铁脚和铁帽附近的污层中电流密度较大 污层烘干较快先出现干区或干带 干区的电阻比其余湿区的电阻大的多 整个绝缘子上的电压都集中到干区上 一般干区宽度不大 所以电场强度很大 如果电场强度已足以引起表面空气的电离 在铁脚和铁帽周围即开始电晕放电或辉光放电 由于此时泄漏电流较大 电晕或辉光放电很容易转为只存在于绝缘子局部表面的有明亮通道的电弧 成为局部电弧 随着干区的扩大 电弧被拉长 在雾 露天 污层湿润度不断增大 泄漏电流也随之增大 在一定电压下能维持的局部电弧长度也不断增大 一旦局部电弧达到某一临界长度时弧道温度已很高 弧道的进一步伸长不需要更高电压 而是自动延伸直至贯穿两极完成沿面闪络 污闪造成的后果很严重 由于一个区域内绝缘子积污受潮情况差不多 所以容易发生大面积污闪事故 自动重合闸成功率远低于雷击闪落时 造成事故的扩大和长时间停电 就经济损失而言 污闪在各类事故中居首位 污秽度除了与积污量有关还与污秽的化学成分有关 通常采用 等值附盐密度 简称 等值盐密 来表征绝缘子表面的污秽度 它指的是每平方厘米表面所沉积的等效氯化钠 NaCl 毫克数 等值的方法 把表面沉积的污秽刮下 溶于300ml蒸馏水 测出其在20 水温时的电导率 然后在另一杯20 300ml的蒸馏水中加入NaCl 直到其电导率等于混合盐溶液的电导率时 所加入的NaCl毫克数 即为等值盐量 再除以绝缘子的表面积 即可得出 等值盐密 mg cm2 一 调整爬距 增大泄漏距离 爬电比距 指外绝缘 相 地 之间的爬电距离 cm 与系统最高工作 线 电压 kv 有效值 之比 一定要遵循规定的爬电比距来选择绝缘子串的总爬电距离和片数 六 污闪事故的对策 下表为各污秽等级所要求的爬电比距值 各污秽等级所要求的爬电比距值 二 定期或不定期的清扫 三 涂料 四 半导体釉绝缘子 五 新型合成绝缘子 1 重量轻 仅相当于瓷绝缘子的1 10左右 2 抗弯 抗拉 耐冲击附和等机械性能都很好 3 电气绝缘性能好 特别是在严重污染和大气潮湿的情况下性能十分优异 4 耐电弧性能也很好 价格昂贵 老化等问题是影响它获得更大推广的问题 随着材料工艺的进步这种绝缘子必将获得越来越多的采用 新型合成绝缘子的优点 七 提高间隙沿面闪络电压的方法 1 屏障如果使安放在电场中的固体电介质在电场等位面方向具有突出的棱缘 称为屏障 则将能显著地提高沿面闪络电压 最有效的形式是使屏障的边缘接近与等位面平行 2 屏蔽与气隙中的放电相似 改善电极形状使沿固体电介质表面的电位分布均匀化 使其最大电位梯度减小 也可以提高沿面闪络电压 这种处理方法称为屏蔽 3 加电容极板 4 消除窄气隙 5 绝缘表面处理 6 改变局部绝缘体的表面电阻率 7 强制固定绝缘沿面的电位 8 附加金具 9 阻抗调节 3气隙的电气强度 第一节气隙的击穿时间第二节气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布第三节大气条件对气隙击穿电压的影响第四节较均匀 不均匀电场气隙的击穿电压第五节提高气隙击穿电压的方法 3 1气隙的击穿时间 静态击穿电压U0 长时间作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压 击穿时间tb 从开始加压的瞬时起到气隙完全击穿为止总的时间称为击穿时间 1 升压时间t 电压从零升到静态击穿电压U0所需的时间 2 统计时延ts 从电压达到U0的瞬时起到气隙中形成第一个有效电子为止的时间 3 放电发展时间tf 从形成第一个有效电子的瞬时起到气隙完全被击穿为止的时间 4 t1 ts tft1 放电时延 3 2气隙的伏秒特性 一 电压波形1 直流电压直流试验电压大都由交流整流而得 其波形必然有一定的脉动 通常所称的电压值是指平均值 直流电压的脉动幅值是最大值与最小值之差的 半 纹波系数为脉动幅值与平均值之比 国家标准规定被试品上直流试验电压的纹波系数应不大于3 2 工频交流电压工频交流试验电压应近似为正弦波 正负两半波相同 其峰值与有效值之比应在以内 频率一般在45 65Hz范围内 3 雷电冲击电压 为了模拟雷电电压而制定的 标准的雷电冲击全波 非周期的双指数波1 2 50us 参数 视在波前时间视在半峰值时间峰值允许误差 截波 模拟雷电冲击波被某处放电而截断的波形 参数 视在波前时间截断时间截波峰值Uc 截断时间Uj 4 操作冲击电压 模拟电力系统中的操作过电压波250 2500us 参数 波前时间半峰值时间峰值允差 二 伏秒特性 1 概念气隙的伏秒特性 在同一波形 不同幅值的冲击电压作用下 气隙上出现的电压最大值和放电时间的关系 称为该气隙的伏秒特性 伏秒特性曲线 表示该气隙伏秒特性的曲线 称为伏秒特性曲线 50 冲击击穿电压 U50 指某气隙被击穿的概率为50 的冲击电压峰值 冲击系数 U50 与静态击穿电压Us之比称为冲击系数 均匀和稍不均匀电场下冲击击穿电压的分散性很小 冲击系数 1 极不均匀电场中由于放电时延较长 冲击系数 均大于1 2 伏秒特性曲线的制作 保持一定的冲击电压波形不变 而逐级升高电压 以电压为纵坐标 时间为横坐标 电压较低时 击穿一般发生在波尾 取该电压的峰值与击穿时刻 得到相应的点 电压较高时 击穿一般发生在波头 取击穿时刻的电压值及该时刻 得到相应的点 把这些相应的点连成一条曲线 就是该气隙在该电压波形下的 伏秒特性曲线 实际上伏秒特性具有统计分散性 是一个以上下包线为界的带状区域 工程上 通常取 50 伏秒特性曲线 来表征一个气隙的冲击击穿特性 3 应用 在保护设备和被保护设备的绝缘配合上具有重要的意义 是防雷设计中实现保护设备和被保护设备的绝缘配合的依据 举例 如果一个电压同时作用在两个并联的气隙S1和S2上 其中一个气隙先被击穿了 则电压被短接截断 另一个气隙就不会再被击穿了 这个原则如用于保护装置和被保护设备 那就是前者保护了后备 设前者的伏秒特性以S2记之 后者的以S1记之 如图3 2 6情况 三 气隙击穿电压的概率分布不论是在何种电压作用下 气隙的击穿电压都有一定的分散性 即 击穿概率分布特性 研究表明 气隙击穿的几率分布接近正态分布 通常可以用U50 和变异系数Z来表示 用作绝缘的气隙 人们所关心的不仅是其U50 击穿电压 更重要的是其耐受电压即能确保耐受而不被击穿的电压 100 的耐受电压是很难测的 要做无穷次的实验 工程实际中常用对应于很高耐受几率 例如99 以上 的电压作为耐受电压 3 3大气条件对气隙击穿电压的影响 一 标准大气条件压强P 101 3KPa温度湿度 二 影响1 气隙的击穿电压随着大气密度或湿度的增加而升高 原因 大气密度升高而击穿电压升高 随着空气密度的增大 气体中自由电子的平均自由程缩短了 不易造成撞击电离 湿度的增加而击穿电压升高 水蒸汽是电负性气体 易俘获自由电子形成负离子 使自由电子的数量减少 阻碍了电离的发展 2 国标GB T16927 1 1997提出了大气校正因数Kt 1 2 式中U0为标准大气条件下 外绝缘破坏性放电电压值 Kd为空气密度校正因数 Kh为空气湿度校正因数 关于Kd和Kh值的求取教材有详细的说明 3 4电场在不同电压下的击穿电压 一 较均匀电场气隙的击穿电压1 在均匀电场中 电场是对称的 故击穿电压与电压极性无关 由于间隙各处的场强大致相等 不可能出现持续的局部放电 故起始放电电压就等于气隙的击穿电压 不同电压波形作用下 击穿电压实际上相同 且分散性很小 对于空气 可以用以下的经验公式表示 KV peak 式中 空气的相对密度S 气隙的距离 cm 2 稍不均匀电场稍不均匀电场的结构形式有多种多样 常遇到的较典型的电场结构形式有 球 球 球 板 圆柱 板 两同轴圆筒 两平行圆柱 两垂直圆柱等 对这些较简单的 有规则的 较典型的电场 有相应的计算击穿电压的经验公式或曲线 可参阅有关的手册和资料 3 影响稍不均匀电场间隙击穿电压的因素 电场结构 大气条件 还有邻近效应和照射效应 二 不均匀电场气隙的击穿电压不均匀电场的特征 各处场强差别很大 在所加电压小于整个间隙击穿电压时 可能出现局部的持续的放电 由于持续的局部放电的存在 空间电荷的积累对击穿电压的影响很大 导致显著的极性效应 对很不均匀电场 只要宏观上保持原有的电场布局和气隙最小距离不变 则电极的具体形状 尺寸和结构的改变 对击穿电压的影响不大 预先对几种典型的电场的气隙 如棒 棒或线 线 棒 板或线 板作出击穿电压和气隙距离的关系曲线 在工程上遇到的各种不均匀电场 其击穿电压可以参照与接近的典型气隙的击穿电压来估计 一 直流电压作用下 总结 二 工频电压作用下 表示中等距离空气间隙的工频击穿电压曲线 图3 5 2棒 棒和棒 板空气间隙的工频击穿电压与间隙距离的关系 击穿总是发生在棒极为正半波时 结论 气隙较大时 S大于2 5m 击穿电压与距离关系出现了明显的饱和趋向 特别是棒 板气隙 其饱和趋向更明显 三 雷电冲击电压作用下实验表明 导线 平板气隙的U50 与棒 板气隙的十分接近 不论正 负极性 在缺乏线 板击穿电压的具体数据的时候 可以用棒 板的击穿数据来估计 图3 5 4 另外 棒 棒和棒 板的击穿电压曲线是各种不均匀电场气隙击穿电压曲线的上下包络线 这点对设计很有用 图3 5 4气隙的冲击击穿电压与距离的关系 四 操作冲击电压作用下1 波形的影响 一般均指 正极性 情况 图3 5 8不同性质电压作用下棒 板气隙的击穿电压与气隙距离的关系 2 饱和现象 长气隙在操作电压作用下呈现显著的 饱和现象 图3 5 9棒 棒和棒 板间隙的操作冲击击穿电压 3 分散性大 五 叠加性电压作用下工程实际中 作用在气隙上的电压常常是由不同性质电压叠加的 而不是单一性质的 注意 同一气隙对叠加性电压的 耐受程度与对单一性电压的耐受程度是不同的 当工作电压是稳态直流时 两者的差异更显著 3 5提高气隙击穿电压的方法 一 改善电场分布一般说来 电场分布越均匀 气隙的击穿电压就越高 故如能适当地改进电极形状 增大电极的曲率半径 改善电场分布 就能提高气隙的击穿电压 不仅要注意改善高压电极的形状以降低该电极旁边的局部强场 还要注意改善接地电极和中间电极的形状 以降低该电极旁边的局部场强 常用办法 增大电极的曲率半径 简称屏蔽 二 采用高度真空从气体撞击游离的理论可知 将气隙抽成高度的真空能抑制撞击游离的发展 提高气隙的击穿电压 注意 高真空中 击穿机理发生了变化 撞击电离的机制不起主要作用 而击穿与强场发射有关 应用 真空断路器中用作绝缘和灭弧 三 增高气压增高气体的压力可以减小电子的平均自由行程 阻碍撞击游离的发展 从而提高气隙的击穿电压 在一定的气压范围内 增高气压对提高气隙的击穿电压是极为有效的 但是容器的密封比较困难 即使做到了密封 造价也比较昂贵 四 采用高耐电强度气体卤族元素的气体 六氟化硫 SF6 氟里昂 CCl2F2 等耐电强度比气体高的多 采用该气体或在其他气体中混入一定比例的这类气体 可以大大提高击穿电压 卤族物有高耐电强度的原因 卤族元素 尤其是F和CL 分子具有很强的电负性 易俘获电子形成负离子 使电离能力很强的电子数减少 且形成负离子以后 易与正离子相复合 这些气体的分子量较大 分子直径较大 使电子在其中的自由程缩短 不易积聚能量 从而减小了其撞击电离的能力 高耐电强度气体除了具有较高的耐电强度以外 还应具有较好的物理化学性能 才能在工程上得到广泛应用 如 液化温度要低 在大气压力下和常温下是液态的物质 不能采用 如CCL4在大气压力下和常温下是液态 有良好的化学稳定性 不易腐蚀其他材料 不易燃 不易爆 无毒 即使在放电的过程中也不易分解等 对环境无明显的负面影响 氟里昂对大气中的臭氧层有破坏作用 故不能采用 有实用的经济性 能大量的供应 SF6气体得到了广泛的应用 用于高压断路器 高压充气电缆 高压电容器等 以及用SF6绝缘的全封闭组合电器 五 SF6气体的应用SF6气体除了具有很高的电气强度以外 还具有优异的灭弧能力 利用SF6气体作为绝缘介质和灭弧媒质制成的各种电力设备和封闭式组合电器具有一系列突出的优点 如大大节省占地面积和空间体积 运行安全可靠 简化安置维护等 发展前景十分广阔 4 固体 液体和组合绝缘的电气强度 第一节固体介质的击穿特性第二节液体电介质的击穿特性第三节组合绝缘 4 1固体电介质的击穿特性 一 固体击穿理论固体电介质的击穿有两种不同的性质 第一种是类似于气体电介质那样 由于电场的作用使电介质中的某些带电质点积聚的数量和移动的速度达到一定程度时 使电介质失去了绝缘的性能 形成导电通道 这样的击穿称为电击穿 第二种是在电场的作用下 由于电介质损耗和泄漏等原因而使固体电介质内发出的热量大于散失的热量 使介质温度不断上升 最终造成介质本身的破坏 转化成导电通道 这样的击穿称为热击穿 二 影响固体击穿电压的因素1 电压作用时间的影响 注意临界点 图4 1 1电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系 2 温度 临界温度是 热击穿和电击穿的分界点 电击穿 热击穿 图4 1 2瓷的击穿电压与温度的关系 均匀电场 交变电压 3 电场均匀度和介质厚度的影响 均匀电场 电击穿 击穿电压与厚度无关 不论电压的性质 电压作用的时间长短 热击穿 厚度越大 击穿电压越小 不均匀电场 电击穿和热击穿均随介质厚度的增大 击穿电压减小 4 电压频率的影响 电击穿领域 若电场均匀度不变 击穿电压与频率无关 热击穿领域 5 受潮度的影响 某些具有吸水性的固体介质 含水量升高 则击穿电压减小 6 机械力的影响 机械力使孔隙缩小 则击穿电压上升 机械力使致密的介质产生裂缝 如该固体介质放在气体中 则气体将充填到裂缝内 造成击穿电压下降 7 多层性的影响8 累积效应的影响 实验指出 不完全击穿具有累积效应 即介质的击穿电压随着过去承受过的不完全击穿次数的增加而降低 三 提高具体击穿电压的方法1 改进绝缘的设计 如采取合理的绝缘结构 使各部分绝缘的耐电强度能与共所承担的场强有适当的配合 改善电极形状及表面光洁度 尽可能使电场分布均匀 把边缘效应减到最小 改善电极与绝缘体的接触状态 消除接触处的气隙或使接触处的气隙不承受电位差 2 改进制造工艺 尽可能地清除固体电介质中残留的杂质 气泡 水分等 使固体介质尽可能做得均匀致密 这可以通过精选材料 改善工艺 真空干燥 加强浸渍等方法来实现 3 改善运行条件 如注意防潮 防止尘污和各种有害气体的侵蚀 加强散热冷却 四 固体介质的老化老化 电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系列物理变化 如固体介质软化或熔解 低分子化合物及增塑剂的挥发 和化学变化 如氧化 电解 电离 生成新物质 致使其电气 机械及其他性能逐渐劣化 1 环境老化 光氧老化 主要 臭氧老化 盐雾酸碱等污染性化学老化 2 电老化 电介质在电场的长时间作用下 会逐渐发生某些物理化学变化 例如电解 电离 氧化等 形成新的物质 逐渐使介质的物理 化学性能发生不可逆的劣化 最终寻致被击穿 这个过程称为电老化 电老化主要有三种类型 即电离性老化 电导性老化和电解性老化 前两种主要在交流电压下产生 后一种主要在直流电压下产生 3 热老化 在较高温度下 固体介质会逐渐热老化 热老化的主要过程为热裂解 氧化裂解 交联 以及低分子挥发物的进出 热老化的象征大多为介质失去弹性 变僵硬 变脆 发生龟裂 设备 绝缘寿命 与其 工作温度 之间的关系 蒙辛格热老化规则 该类设备绝缘的工作温度如提高10 8 或6 绝缘寿命便缩短到原来的一半 4 2液体电介质的击穿特性 一 击穿理论电击穿 热击穿 或 杂质击穿 小桥理论 小桥理论 液体中所含的杂质在电场力的作用下沿电力线排列形成杂质 小桥 由于组成此 小桥 的纤维及水分等的电导较大 使泄漏电流增大 发热增加 最终造成液体的击穿 二 影响液体击穿电压的因素1 液体本身的介质品质2 电压作用的时间3 电场情况4 温度5 压强 三 提高液体击穿