高电压技术课件

1、1.1 气体放电的基本概念1.2 气体放电的主要形式1.1.1 气体放电1.1.2 气体的绝缘特性1.1.3 气体的电气强度气体放电：气体中流通电流的各种形式气体击穿：气体电绝缘状态突变为良导电状态的过程沿面闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上工程上将击穿和闪络统称为放电气体指高压电气设备中常用的空气、sf6、以及高强度混合气体等气态绝缘介质v空气：架空线路、变压器外绝缘vsf6： sf6断路器和sf6全封闭组合电器空气是最廉价、应用最广、自动恢复绝缘的气体，因此我们主要研究空气的放电气体失去绝缘后，虽然可以自动恢复，但其放电所造成的事故已经发生，因此我们要研究气体的电气强度气体的电

2、气强度表征气体耐受电压作用的能力均匀电场中击穿电压ub与间隙距离之比称为击穿场强eb。我们把均匀电场中气隙的击穿场强eb称为气体的电气强度v空气在标准状态下的电气强度为30kv/cm注意：不能把不均匀场中气隙ub与间隙距离之比称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强常见放电形式v辉光放电v电晕放电v火花放电v电弧放电注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同，这些放电现象可相互转换。2.1 气体中带电质点的产生2.2 气体中带电质点的消失碰撞电离v含义：电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体分子引起电离的过程v因素：外电场强弱；能量的积

3、累（行经距离x）v自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离v平均自由行程：众多质点自由行程的平均值 比较电子与离子的碰撞电离qexmv221pt/v条件： wi为气体分子的电离能注意：即使满足上述条件，不是每次碰撞都能引起电离v电子碰撞电离系数： 一个电子在电场力作用下，沿电场方向行经单位距离平均发生碰撞电离的次数，汤逊第一电离系数。v离子碰撞电离系数： 一个正离子沿电场方向行经单位距离时平均发生的碰撞电离次数，汤逊第二电离系数。ieewvm221光电离v含义：由光辐射引起气体分子电离的过程，光电离产生的电子称为光电子。v来源：紫外线、宇宙射线、x射线等；异号带电质点复合成中性质点释放

4、出光子；激励态分子回复到正常态释放出光子v条件：热电离v本质：气体分子热状态引起的碰撞电离和光电离的综合v条件：iwhv imwktw 32表面电离v含义：金属阴极表面发射电子的过程。v形式：正离子碰撞阴极 光电效应 强场发射 热电子发射v表面电离系数： 折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面释放出的自由电子数，汤逊第三电离系数。v负离子的形成（电子附着系数： ） 电子行经单位距离时附着于中性原子的电子数目。电场作用下气体中带电质点的定向运动v带电质点一旦产生，在外电场作用下作定向运动，形成电导电流。v带电质点的运动速度 b为带电质点在电场中的迁移率v电子的迁移率比离子大2个数量级带电质

5、点的扩散v带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域的性质v电子扩散比离子扩散高3个数量级bevd带电质点的复合v正离子和负离子或电子相遇时，发生电荷的传递而相互中和还原为分子的过程。v复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展。v放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之间的复合，参加复合的电子绝大多数是先形成负离子再与正离子复合1. 气体间隙中带电质点的产生和消失是气体放电的一对基本矛盾，气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位。2. 强电场下，气体中带电质点的产生形式可以分为空间电离和表面电离。它们都与外界供给的能量有关，能量的形式主要是电场能、光辐射和

6、热能，而能量的传递靠电子、光子或气体分子的热运动，其传递的过程主要是碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程。电子碰撞电离电子碰撞电离 正离子碰撞电离正离子碰撞电离 碰撞电离碰撞电离光电离光电离热电离热电离空间电离空间电离表面电离表面电离负离子的形成负离子的形成正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极光电效应光电效应强场发射强场发射热电子发射热电子发射电场作用下气体中带电质点的定向运动电场作用下气体中带电质点的定向运动带电质点的扩散带电质点的扩散带电质点的复合带电质点的复合带电质带电质点产生点产生带电质带电质点消失点消失气体放电气体放电发展过程发展过程3.1 汤逊理论和巴申定律3.2 流注理论3.1.1 非自

7、持放电和自持放电3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论3.1.3 巴申定律3.1.4 汤逊理论的适用范围气体放电实验的伏安特性曲线非自持放电与自持放电的分界点实验分析voa段：电流随电压升高而升高vab段：电流仅取决于外电离因素与电压无关vbc段：电压升高碰撞电离增强但仍靠外电离维持(非自持)vc点后：只靠外加电压就能维持(自持)注意：起始电压u0（非自持自持 ）均匀场：击穿电压ub不均匀场：电晕起始电压，气隙仍绝缘，ubu0电子崩光电离初始电子电子个数2482n电子崩产生的正离子撞击阴极发生表面电离新的电子(如果去掉外电离因素)仍有后继电子放电自持 、 、过程过程设外电离因素在阴极表

8、面产生的起始电子数为n0，当起始电子到达离阴极x处时，电子数为n，这n个电子行经dx后，又会产生dn个新电子即 这就是包括起始电子在内的电子崩中的电子数，即为电子崩发展规律，它表征一个起始电子在向阳极运动过程到达阳极时产生的电子数。dxndndenn0 过程气隙中碰撞电离而产生的正离子，即从阴极产生的一个电子消失在阳极前，由过程形成的正离子数。即过程这些正离子消失在阴极前，由过程在阴极上释放出二次电子数，即若表示由过程在阴极上重新产生一个电子，此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展，即转入自持放电。1de) 1(de1) 1(de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

9、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)逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据1ln1) 1(ded根据自持放电条件，导出击穿电压的表达式a、b是与气体种类有关的常数，u0为气温不变的条件下，均匀电场中气体的自持放电起始电压等于气隙击穿电压。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。)()11ln()(ln)(pdfpdapdbub巴申定律的u型曲线原因：形成自持放电需要达到一定的电离数d，而这

10、又取决于碰撞次数与电离概率的乘积。高气压、高真空都可以提高击穿电压，工程上已得到广泛应用（如：压缩空气开关、真空开关等）bpud电离概率电子自由行程碰撞次数一定bduduep电离概率碰撞次数一定)/(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pd过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释：v放电时间：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：无关汤逊理论适用于pd26.66kpa cm3.2.1 空间电荷对电场的畸变3.2.2 高气压下均匀电场自持放电的流注理论3.2.3 流注理论对放电现象的解释(1)电子崩崩头集中着电子，其后是正离

11、子，形状似半球形锥体；(2)空间电荷分布极不均匀，大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了电子崩内部的电场；(3)崩头电场明显增强，有利于分子和离子的激励现象，当它们从激励态恢复到正常态时将放射出光子；电子崩内部电场削弱，有助于复合将放射出光子；(4)这些光子将导致空间光电离。流注的形成和发展示意图(a)起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩(b)初崩发展到阳极，电子中和，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(c)光电离产生二次电子，在加强的局部电场作用下形成二次崩(d)二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部又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(

12、e)流注头部电离过程迅速发展，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(f)流注通道贯通，气隙击穿注意：流注速度为108109cm/s，而电子崩速度为107cm/s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；气隙中一旦形成流注，放电就可由空间光电离自行维持。自持放电条件：201lnd放电时间 二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传

13、播，所以流注发展非常快放电外形 二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可能均匀，而且具有分支阴极材料 大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关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=26.66kpacm；(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

14、初始电子崩中离子数达108以上时，引起空间光电离质变，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。因此，我们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4.1 电场不均匀程度的划分4.2 稍不均匀电场中的击穿过程4.3 极不均匀电场中的击穿过程球隙的放电特性与极间距离的关系球隙的放电特性与极间距离的关系1-击穿电压 2-电晕起始电压 3

15、-放电不稳定区电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压之间的差别越大从放电观点看：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；从电场均匀程度看：可用电场的不均匀系数划分， f4时为极不均匀电场。aveefmax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，无电晕产生但稍不均匀电场中场强并非处处相等， 电离系数是空间坐标x的函数，因此自持放电条件为201ln)(0ddxx4.3.1 电晕放电4.3.2 极性效应4.3.3 长间隙放电定义：电场极不均匀时，在大曲率电极附近很薄一层空气中具备自持放电条件，放电仅局限在大曲率电极周围很小范围内，而整个气隙尚未击穿

16、特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大影响：能量损耗；通信干扰；化学腐蚀等方法：增大电极曲率半径；采用扩径导线等其他：削弱输电线路雷电冲击或操作冲击电压幅值陡度；制造臭氧发生器、电晕除尘器等(1)自持放电前阶段正极性：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；负极性：正空间电荷加强棒极附近场强而削弱外部电场，促进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低。)()(ccuu(2)自持放电阶段正极性：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：空间电荷削弱放电

17、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)()(bbuu工程实际中，输电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生在正半波因此，考核绝缘冲击特性时应施加正极性的冲击电压先导放电v特点：电子通过通道根部时由于剧烈的摩擦产生的热电离过程v先导加强了前方电场，引起新的流注，使其进一步伸展并逐级推进主放电v当先导贯穿两极，导致沿先导通道向反方向扩展到棒极的主放电和最终击穿5.1 雷电冲击电压下的击穿5.2 操作冲击电压下的击穿5.1.1 雷电冲击电压标准波形5.1.2 冲

18、击放电时延5.1.3 雷电冲击50击穿电压5.1.4 伏秒特性冲击电压变化速度很快，作用时间很短（s），与稳态电压作用时气隙相比，它的放电时间就成为关注的重要因素实验表明：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：fsbtttt1短气隙中（几cm以下），特别是电场均匀时，tfts，放电时延主要取决于ts。为减小ts：v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较长气隙时，放电时延主要决定于tf，且电场越不均匀， tf越大定义：在多次施加同一电压时，其中半

19、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。050uu1050uu1绘制伏秒特性的方法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。当电压不很高时击穿一般在波长发生；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50伏秒特性的绘制极不均匀：平均击穿场强低，放电时延长，曲线上翘；稍不均匀

20、：平均击穿场强高，放电时延短，曲线平坦。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。伏秒特性在绝缘配合中的应用5.2.1 操作冲击电压的形成5.2.2 操作冲击电压标准波形5.2.3 操作冲击放电电压的特点电力系统的输电线及电气设备都有各自的电感和电容，由于系统运行状态的突变（正常或故障）将导致电感和电容元件间电磁能的互相转换，引起振荡性的过渡过程过渡过程会在电气设备或局部电网上造成远远超过正常运行的电压，称为操作过电压操作过电压幅值与波形跟电力系统的参数有密切关系，由于其过渡过程的振荡基值是系统运行电压，因此电压等级越高，操作过电压幅值越高

21、，最高可达到最大相电压峰值的34倍均匀场和稍不均匀场中v操作冲击电压的作用时间介于工频电压与雷电冲击电压之间v操作冲击50%冲击放电电压u50、直流放电电压、工频放电电压等峰值几乎相同，分散性不大，击穿发生在峰值附近极不均匀场中 操作冲击表现出许多不同的特点vu形曲线左半支：波前放电时延ub 右半支：波前空间电荷迁移范围电极附近电场ub v极性效应 在各种不同的电场结构中，正操作冲击50%击穿电压比负极性低一般均讨论正极性的情况 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 在同极性的雷电冲击标准波作用下，棒-板间隙的击穿电压比棒-棒间隙时低得不多，而在

22、操作过电压下，前者比后者低得多 启示：在设计高压电气设备时应尽量 避免出现棒-板间隙v饱和现象 原因：长间隙下先导形成后，放电更易发展，这对于发展特高压输电技术是不利的；而雷电冲击作用时间太短，其饱和不明显，放电电压与间隙距离一般呈线性关系v分散性大 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6.1 电场形式对放电电压的影响6.2 电压波形对放电电压的影响6.3 大气条件对放电电压的影响均匀电场中的击穿电压击穿电压等于起始放电电压，且无极性效应。经验公式： d-间隙距离，-空气相对密度稍不均匀电场中的击穿电压极性效应：负极性击穿电压略低于正极性50uuudcac)(0

23、8. 622.24kvddub50uuudcac极不均匀电场中的击穿电压v工程上常见电场大多数是极不均匀电场v工程上遇到极不均匀电场时，可由典型电极的击穿电压来修正绝缘距离，对称电场参照“棒棒”电极数据；不对称电场可参照“棒板”电极数据v放电的分散性大，且极性效应明显)()(bbuu)()(ccuu均匀电场中 不同电压波形下击穿电压(峰值)相同，放电分散性小稍不均匀电场中 不同电压波形下击穿电压基本相同，放电分散性不大，极性效应不显著极不均匀电场中 直流、工频及冲击电压间差别明显v直流电压下的击穿电压棒-板间隙存在极性效应棒-棒电极击穿电压介于不同极性棒-板之间)()(bbuuv工频电压下的击

24、穿电压无论棒-棒或棒-板电极击穿都发生在正半周峰值附近，分散性不大；当间隙距离不太大时，击穿电压与间隙距离呈线性关系；当间隙距离很大时，平均击穿场强明显降低，呈现出饱和现象v冲击电压下的击穿电压雷电冲击击穿电压与距离呈正比，无饱和；操作冲击电压有明显的极性效应和饱和现象)()(5050uu不同大气条件下测得的击穿电压必须换算到统一的参考条件下才能进行比较；我国规定的标准大气条件为：压力：101.3kpa；温度：20；绝对湿度：11g/m3实际试验条件下的击穿电压和标准大气条件下的击穿电压可通过相应的校正系数换算： kd为空气密度校正系数 kh为湿度校正系数0ukkuhd对空气密度的校正对湿度的

25、校正 在极不均匀场中对海拔高度的校正气体性质对放电电压的影响nmdttppk)273273()(00whkkpauku 4101 . 11hka)40001000(mhm7.1 改善电场分布7.2 削弱或抑制电离过程7.1.1 改进电极形状7.1.2 空间电荷的利用7.1.3 极不均匀电场中屏障的采用一般说来，电场分布越均匀，平均击穿场强越高改进电极形状、增大电极曲率半径，可以改善电场分布，提高间隙击穿电压电极表面尽量避免毛刺、棱角等以消除电场局部增强的现象如不可避免出现极不均匀电场，则尽可能采用对称电场（棒-棒电极）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

26、的空间电荷来改善电场分布，提高击穿电压。例如：导线与平板间隙中，导线直径很小时，导线周围容易形成比较均匀的电晕层，由于电晕层比较均匀，电场分布改善，提高了击穿电压在极不均匀电场中，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例如：正针-板电极中设置屏障后，正离子将在屏障上集聚，由于同号排斥作用，正离子沿屏障表面均匀分布，在屏障前方从而形成较均匀的电场，改善了电场分布，提高了击穿电压7.2.1 高气压的采用7.2.2 高真空的采用7.2.3 高电气强度气体（sf6）的采用采用高气压可以减少电子的平均自由行程，削弱电离过程，提高击穿电压在高气压下，电场均匀程度下降，击穿电压将剧烈降低，因此采用高气压的电气设备应使电场尽可能均匀在高气压下，电极表面状态（粗糙度）对击穿电压影响显著高气压下应尽可能改进电极形状，改善电场分布，电极应仔细加工光洁，气体要过滤（滤去尘埃和水份）处理在高真空中，电子的平均自由行程远大于极间距离，使碰撞电离几乎不可能实现，从而显著提高间隙击穿电压在电气设备中气、液、固等几种绝缘材料往往并存，而固体、液体等绝缘材料在高真空下会逐渐释放出气体，因此电气设备中实际使用高真空的还很少只