高电压技术重点复习大纲

1、汤逊理论三个过程:过程:起始电子形成电子崩的过程。过程：造成离子崩的过程。过程：离子崩到达阴极后，引起阴极发射二次电子的过程。自持放电条件：总结：1. 将电子崩和阴极上的过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。2. 汤逊理论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表面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。3. 阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。汤逊理论的适用范围Ø 汤逊理论是在低气压pd较小条件下建立起来的， pd过大，汤逊理论就不再适用。Ø pd过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释：v 放电时间：

2、很短；v 放电外形：具有分支的细通道；v 击穿电压：与理论计算不一致；v 阴极材料：无关；Ø 汤逊理论适用于pd<26.66kPa ·cm。巴申定律： 当气体成份和电极材料一定时，气体间隙击穿电压(ub)是气压(p)和极间距离(d)乘积的函数。气体放电流注理论：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 Ø 空间电荷对原有电场的影响； Ø 空间光电离的作用。四个过程：a) 起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩；初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，放射出大量光子；b) 光电离产生二

3、次电子，在加强的局部电场下形成二次崩；c) 二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使其发展； 流注头部电离迅速发展，放射出大量光子，引起空间光电离，流注前方出现新的二次崩，延长流注通道；d)流注通道贯通，气隙击穿。注：流注速度为108109cm/s，而电子崩速度为107cm/s。流注条件：必要条件是电子崩发展到足够的程度，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，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，所以复合频繁，放射出的光子在这部分很强，电场区很容易成为引发新的空间光电离的辐射源，二次电子主要来源于空间光电离；气隙中一旦

4、形成流注，放电就可由空间光电离自行维持。流注自持放电条件：初崩头部电子数要达到10的8次方时，放电才能转为自持，出现流注。小 结1.汤逊理论只适用于pd值较小的范围，流注理论只适用于pd值较大的范围，二者过渡值为pd=26.66kPa·cm；(1)汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。(2)流注理论的基本观点： 以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程； 放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达10的8次方以上时，引起空间光

5、电离质变，电子崩汇合成流注； 流注一旦形成，放电转入自持。2. 引起气体放电的外部原因有两个，其一是电场作用，其二是外电离因素。把去掉外界因素作用后，放电立即停止的放电形式称为非自持放电；把由电场作用就能维持的放电称为自持放电。3. 汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较(1)汤逊理论：自持放电由阴极过程来维持； 流注理论：依赖于空间光电离。(2) 系数的物理意义不同。电场不均匀程度的划分Ø 电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压之间的差别越大；Ø 从放电观点看：电场的不均匀程度可以根据是否存在稳定的电晕放电来区分；Ø 从电场均匀程度看：可用电场的不均匀系数划分；f&

6、lt;2时为稍不均匀电场； f>4时为极不均匀电场。Ø 稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场相似，属于流注击穿，击穿条件就是自持放电条件，无电晕产生。Ø 但稍不均匀电场中场强并非处处相等.电晕放电Ø 定义：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 ，开始出现电晕放电的电压成为电晕起始电压。Ø 特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起

7、始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。极性效应极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。极性决定于表面电场较强的电极所具有的电位符号：v 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。v 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。正极性（1）自持放电前阶段 正空间电荷削弱棒极附近场强而加强外部电场，阻止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高；（2）自持放电阶段 空间电荷加强放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高时，强场区将逐渐向极板推进至击穿。负极性（1）自持放电前阶段：正空间电荷加强棒极附近场强而削弱外部电

8、场，促进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低。（2）自持放电阶段：空间电荷削弱放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，气隙击穿将不顺利，因此负极性击穿电压比正极性高很多，完成击穿所需时间也长得多。因此：冲击电压：冲击电压就是作用时间极为短暂的电压，一般之雷电冲击电压和操作冲击电压冲击放电时延Ø 实验表明：对气隙施加冲击电压使其击穿不仅需要足够幅值的电压，有引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子，而且需要一定的电压作用时间。冲击放电的总时间为：Ø 短气隙中（1cm以下），特别是电场均匀时，tf<<ts，放电时延主要取决于ts。为减小ts：v

9、 可提高外施电场使气隙中出现有效电子的概率增加v 可采用人工光源照射，使阴极释放出更多的电子Ø 较长气隙时，放电时延主要决定于形成延时tf，且电场越不均匀， tf越大雷电冲击50击穿电压定义：在多次施加同一电压时，其中半数导致气隙击穿，以此反映气隙的耐受冲击电压的能力。特点：(1)在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散性小冲击系数(2)在极不均匀电场中，由于放电时延较长，其冲击系数 击穿电压分散性也较大。伏秒特性绘制伏秒特性的方法Ø 保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，记录击穿电压波形，读取击穿电压值U与击穿时间t。Ø 当电压不很高时击穿一般在波长发生；

10、当电压很高时，击穿百分比将达100，放电时延大大缩短，击穿可能发生在波前发生Ø 当击穿发生在波前时，U与t均取击穿时的值；当击穿发生在波长时， U取波峰值，t取击穿值Ø 50伏秒特性的绘制Ø 极不均匀：平均击穿场强低，放电时延长，曲线上翘；Ø 稍不均匀：平均击穿场强高，放电时延短，曲线平坦。Ø 因此在避雷器等保护装置中，保护间隙采用均匀电场，确保在各种电压下保护装置伏秒特性低于被保护设备。提高气体介质电气强度的方法一、 改善电场分布1. 改善电极形状一改善电场分布。电场分布越均匀，平均击穿场强越高，如不可避免出现极不均匀电场，则尽可能采用对称电

11、场2. 利用空间电荷改善电场分布。极不均匀电场中间隙被击穿前先发生电晕现象，所以在一定条件下，可以利用放电产生的空间电荷来改善电场分布，提高击穿电压。3. 极不均匀电场采用屏障改善电场分布。在极不均匀电场中，放入薄片固体绝缘材料，在一定条件下可以显著提高间隙的击穿电压二、 削弱或抑制电离过程1. 高气压的采用。2. 高真空的采用。a) 在各种设备的绝缘结构中大都还要采用固体或者液体介质，他们在真空中都会逐渐释放出气体，是高真空无法长期保持。所以实际中采用高真空作为绝缘介质的情况很少。3. 采用强电负性气体。a) 高电气强度气体（SF6）的采用 其电子附着效应大大减弱碰撞电离过程； 分子量、直径

12、大，自由行程小； 碰撞引起分子极化反应，能量损失。 SF6电气设备尺寸大大缩小，且不受气候影响，但造价高而且它是对臭氧层有破坏作用的温室气体。b) 高电气强度气体（SF6）的理化特性 液化问题一般不存在。 纯净的SF6无毒，但它的分解物有毒，对材料有腐蚀作用。 关于含水量：水分是最有害的物质。在设备安装、运行时要检测和控制含水量是否符合国家标准。 用SF6-N2混合气体代替SF6气体。可取得很大经济效益。沿面放电及防污措施沿面放电是指沿气体介质与固体介质的界面上发展的放电现象，它是一种特殊的气体放电。沿面放电的三种现象：1. 均匀和稍不均匀电场中的沿面放电。2. 极不均匀电场具有弱垂直分量时的

13、沿面放电、3. 极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电。液体、固体介质的电气特性电介质:在电场中能产生极化的物质，指通常条件下导电性能极差、在电力系统用作绝缘的材料。极化：在外加电场的作用下，电介质中的正、负电荷沿电场方向作有限位移或转向，形成电矩（偶极矩）极化种类产生场合所需时间能量损耗产生原因电子式极化任何电介质10-15 s无束缚电子运行轨道偏移离子式极化离子式结构电介质10-13 s几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质10-1010-2 s有偶极子的定向排列夹层极化多层介质的交界面10-1 s数小时有自由电荷的移动电介质的电导定义：在电场的作用下，由带电质点沿电场方向移动而形成电

14、导电流;它可以分为离子电导和电子电导。要点： 带电质点主要是离子，也称离子式电导 指标：用电导率(s/)表示 电介质的损耗介质损耗的含义：任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损耗。电介质的能量损耗简称介质损耗。用tg作为综合反映介质损耗特性优劣的指标 理由：介质损耗P值和试验电压U、试品等值电容量、电源频率等许多因素有关，而tg 是一个仅取决于材料本身的损耗特征而与上述种种因素无关的物理量。tg 的增大，意味着介质绝缘性能变差，实践中常通过测量tg来判断设备绝缘的好坏。在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：1.在弱电场下，主要有极化、电导、介质损耗等

15、2.在强电场下，主要有放电、闪络、击穿等液体电介质的击穿理论1.电击穿：认为在电场作用下，阴极上由于强场发射或热发射出来的电子产生碰撞电离形成电子崩，最后导致液体击穿2.气泡击穿：认为液体分子由电子碰撞而产生气泡，或在电场作用下因其它原因产生气泡，由气泡内的气体放 电，产生电和热而引起液体击穿。3.纤维桥接击穿：（小桥理论）工程用变压器油中含有水分和纤维等杂质，由于它们的 ER很大，容易沿电场方向极化定向，排列成杂质小桥。工程判断变压器油质量方法：判断油的质量，依靠测量其电气强度、tg和含水量等。其中最重要的试验项目是用标准油杯测量油的工频击穿电压。我国采用的标准油杯极间距离为2.5mm，电极

16、是直径等于25mm的圆盘型铜电极，电极的边缘加工成半径为2.5mm的半圆以减弱边缘效应。影响液体介质击穿电压的因素1.电压形式和电极形状的影响击穿电压跟电压的作用时间和电压上升率有关，电压作用时间越长，b越小；电压上升越快b越大2. 含水量、含气量含水量越大击穿场强越小，但是降到某一极限时基本不变3. 温度含水量较低时，击穿场强基本与温度无关；含水量较高时，击穿场强随温度上升而上升4.杂质的影响5. 油量的影响油量越大，击穿场强越小，因为缺陷概率增加提高液体介质击穿电压的方法提高油的品质 过滤；防潮；除去水分和气体2 覆盖层在金属电极上贴固体绝缘薄层，可阻断杂质小桥 油本身品质越差，电压作用时

17、间越长，效果越好。 3 绝缘层 当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，成为绝缘层。 用在不均匀电场中，被覆在曲率半径较小的电极上 。4 屏障 放在电极间油间隙中的固体绝缘板 作用可以割断杂质小桥的形成 固体介质击穿的特点1. 击穿场强一般比气体和液体电介质高得多2. 击穿场强与电压作用时间有很大的关系；3. 绝缘是非自恢复的，一旦发生击穿，其绝缘性能不能再自行恢复；击穿理论1. 电击穿：在强电场下电介质内部电子剧烈运动，发生碰撞电离，产生新的更多自由电子，这些二次电子参与随后电离，形成电子崩，同时碰撞破坏了固体介质的晶格结构，使电导增大而导致击穿。特点：电压作用时间短、击穿电压高，电介质发热不

18、显著；击穿场强与电场均匀程度密切相关，而与周围环境温度无关。2. 热击穿：由于固体介质内部热不稳定性造成。特点：(1)在电压作用下，产生的电导电流和介质极化引起介质损耗， 使介质发热发热温度升高，电导率进一步增大，温度进一步上升，发热大于散热而击穿(2)热击穿电压随环境温度的升高而下降,热击穿电压直接与散热条件有关热击穿时间较长3. 电化学击穿：固体介质在长期（几个月乃至几年）工作电压下，由于介质内部缺陷，导致发生局部放电，产生的腐蚀性物质使使绝缘劣化，电气强度逐渐下降并引起的击穿。局部放电使电介质劣化损伤的机理： 绝缘层表面污秽，形成泄漏电流，引起热破坏，称为电老化，发展下去电击穿或热击穿

19、放电过程产生活性气体O3、H2等对介质产生氧化和腐蚀作用，使介质逐渐劣化； 放电过程产生的带电粒子撞击介质，引起局部温度上升，加速介质氧化并使局部电导和介质损耗增加； 带电粒子撞击还有可能破坏有机高分子材料结构，使其裂解； 放电产生的高能辐射线引起材料分解；影响固体电介质击穿电压的因素1. 电压作用时间2. 电场均匀程度与介质厚度3.温度4.受潮5.累积效应提高固体电介质击穿电压的措施1. 改进制造工艺。清除杂质、水分、气泡；使介质尽可能致密均匀2. 改进绝缘设计采用合理的绝缘结构；改进电极形状，使电场尽可能均匀；改善电极与绝缘体的接触状态，消除接触处的气隙3. 改善运行条件注意防潮、防尘；加

20、强散热绝缘老化电气设备的绝缘在运行过程中受到电、热、化学和机械力的长期作用，导致其物理、化学、电气和机械等性能的劣化，称为绝缘的老化。1. 电老化 (电解,局部放电)2. 热老化3. 固体介质的机械应力老化4. 固体介质的环境老化绝缘电阻：施加直流电压时测得的电阻，通常指吸收电流衰减完毕后测得的稳态电阻值。吸收比：K1>1，K1值越大，表示吸收现象越显著，绝缘的性能越好反之，则表明绝缘受潮严重或者有贯穿性缺陷极化指数：测试功效 :可有效地发现：（1）两极间有穿透性的导电通道 （2）整体受潮或局部严重受潮 （3）表面污秽 不能发现的缺陷： (1) 绝缘中的局部缺陷 (2) 绝缘的老化 判断

21、方法：将所测电阻值与标准及以往历史数据比 较二. 介质损耗角正切 的测量测试功效有效： 整体受潮、全面老化 b小电容试品的严重局部缺陷 c绕组上附积油泥 d绝缘油脏污劣化等 很少有效：大容量设备的局部缺陷西林电桥通常施加510kV交流电压西林电桥接线正接线：点接地，点接高压，试品两端不能接地。电桥可调部分处于低电位，调试方便安全，主要用于实验室试验 反接线：点接高压，点接地，试品一端直接接地。电桥本体应有高绝缘强度，有可靠的接地线 ，适用于现场试验 测量的影响因素（1）外界电磁场干扰屏蔽（2）温度的影响尽可能在1030的条件下测量（3）试验电压的影响测量 与 的关系，有助（一般510kV) 于

22、判断绝缘的状态和缺陷的类型，图3-11（4）试品表面泄漏的影响将试品擦拭干净，必要时加屏蔽（5）试品电容量的影响对电容量大的试品，测 不灵敏，应分别测量各部分的工频交流耐压试验 工频交流耐压试验是用来检验绝缘在工频交流电压下的性能，在有些场合也用来等效地检验绝缘对操作过电压和雷电过电压的耐受能力。工频高压试验的基本接线 AVkVTMT高压实验变压器特点l 电压高 击穿电压比正常工作电压高很多l 容量小 在击穿前只需要提供电容电流；击穿后，切断 电源，出现短路时间短。一般试品的电容量小 故容量小l 体积小 容量小，故体积小；电压高，套管大而长l 绝缘裕度小 实验条件下，产生的过电压小，绝缘裕度小

23、l 连续运行时间短 运行时间短，发热较轻l 漏抗大 串级实验变压器 实验电压超过500KV时，一般采用串级试变。l 增加累接绕组，累接绕组电压与低压侧电压相同；l 累接绕组的低端和高压绕组高端相连；l 各台变压器高压绕组的容量相同。N级装置容量利用率为：级数越多利用率越低，一般串级数不大于3工频高电压的测量1、球隙测压器 根据球的直径和被测电压类型查找放电电压表2、静电电压表 利用静电力的效应制成的，让外力与静电力平衡，外力 的大小反应外加电压的大小3、峰值电压表4、分压器配低压表计电阻分压器和电容分压器直流高电压的产生 半波整流 TV 倍压整流 TV1123V2额定直流电压额定直流电流电压脉

24、动系数串级直流高压发生器 空载输出电压：Uo2nUmUm电源交流电压幅值n级数直流高电压测量： 1、棒棒间隙测压器 2、静电电压表 3、高值电阻串接微安表 4、高值电阻分压器配低压仪表冲击高电压试验 冲击高电压试验是用来检验各种高压电气设备在雷电过电压和操作过电压作用下的绝缘性能或保护性能。多级 冲击电压发生器(Marx回路） T123456789接被试品工作原理：并联充电、串联放电电阻R的作用： 充电过程看，R可以取为零；放电过程，要求R足够大 可减小附加放电的不利影响。 阻尼电阻Rd的作用：阻尼寄生振荡。 n级冲击电压发生器的等效关系操作冲击高压波的产生： 1、利用冲击电压发生器产生 2、

25、利用变压器产生操作冲击电压波冲击高压波的测量： 1、球隙测压 2、冲击分压器测压 3、冲击电压数字测量系统 4、峰值电压表线路和绕组中的波过程实际电路中参数具有分布性，必须考虑参数分布性的电路，称为分布参数电路。均匀无损单导线系统：磁通的增加量波阻抗波速由电磁场理论可知：导线单位长度所具有的磁场能量等于电场能量比较波阻抗Z和R：1.二者量纲相同，并且都和电源频率或 波形无关，可见波阻抗是阻性的；2.波阻抗是一个比例常数，其数值只与导线单位长度的电感和电容有关，与线路长度无关；而线路的电阻与线路长度成正比；3.波阻抗是储能元件，它从电源吸收能量，以电磁波的形式沿导线向前传播，能量以电磁能的形式储

26、存在导线周围的介质中；电阻是耗能元件，它从电源吸收的能量转换成热能而散失。均匀无损单导线的波动方程：前行电压波（入射波）反行电压波（反射波）前行电流波反行电流波 注意：行波计算的基本方程：例题1：沿高度10m，半径为10mm的单根架空线有一个幅值700kV的过电压波运动，求电流波的幅值。解题：导线的波阻抗为：电流波幅值为：例题2：如还有一个幅值为500kV的过电压波反向运动，求两波叠加范围内导线上的电压和电流反行波电流导线电压：导线电流： I=1.561.11=0.45kA 雷电及防雷保护装置雷电过程与雷电参数当电荷密集中心处场强达2530KV/cm时，就引发雷电放电。绝大多数电力系统事故是云

27、-地之间的线状雷电造成的 雷电放电过程1.先导阶段微弱的放电通道，分级推进，每级平均长度2550m，下行的平均速度0.10.8m/us.电流不大数十至数百安2.主放电和迎面流注阶段下行先导场强高，使周围空气电离，在地面或突起的物体上形成向上的迎面先导，当下行先导与迎面先导相遇，进入主放电阶段，出现强烈电荷中和过程，出现雷鸣和闪光。主放电时间短，50100us;速度快，50100m/us;电流大，数十至数百千安3. 余辉阶段主放电之后，云层中剩余电荷沿导电通道流向大地，持续时间0.030.15s，电流为数百安雷电参数1. 雷暴日(Td)：一年中发生雷电的天数(30-40)。 雷暴小时(Th)：一年中发生雷电的小时数(100)。 地面落雷密度( ) :每平方公里地面在一个雷暴日 中受到的平均雷击次数。2. 雷道波阻抗：雷电流幅值（I）：雷电流指雷击于低接地电阻（ ）的物体时流过雷击点的电流。经验公式：一般地区：少雷地区：I雷电流幅值（kA)P幅值大于I的雷电流出现的概率防雷保护装置：指能使被保护物体避免雷击，而引雷于本身，并顺利地泄入大地的装置避雷针和避雷线保护原理：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针的顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击保护范围、绕击率绕击率：指