高电压工程(完整版)1.

1、绪论绪论 n 高电压技术的起源高电压技术的起源n高压输电的必要性高压输电的必要性 n我国高压输电技术的现状我国高压输电技术的现状n高电压技术在其他领域的应用高电压技术在其他领域的应用n研究高电压的目的和方法研究高电压的目的和方法n本课程主要内容和任务本课程主要内容和任务n教材与参考书教材与参考书二二、高压输电的必要性高压输电的必要性 输电线路的传输容量受以下三个因素的制约:(1)线损和发热 传输损耗正比于I2R(2)线路电压降一一、高电压技术的起源高电压技术的起源绪论绪论 起源于高压大功率远距离输电-高电压工程中的电介质现象1915,美国工程师皮克(F.W.Peek)提出了高电压工程这一术语高

2、电压工程解决高压输电工程中的绝缘问题目前：国际高电压工程学术会议（International Symposium on High Voltage Engineering）(3)电力系统稳定 在静态稳定的极限状态下, 线路输送功率的极限值XUPN2max85. 0绪论绪论 减小线路损耗、提高输电容量的途径：提高输电电压输电电压等级的不断提高促进高电技术的发展绪论绪论 高压输电的发展趋势：高压输电的发展趋势：60kV110kV220kV330kV500kV750kV 超高压EHV (Extra High Voltage)1000kV 及以上交流电压称为特高压UHV (Ultra High Volt

3、age)三三、 我国高电压输电技术的现状我国高电压输电技术的现状发电容量增长快2004年底，发电装机容量440.7GW，居世界第二位。相对于发电容量的迅速增长情况相比，2009年以前我国高压输电技术的发展相对滞后。1、1974年，我国第一条330kV输电线路在西北地区投运 1981年，在华中地区首次建成500kV输电线路 2005年9月，第一条750kV线路在西北地区投运 相比之下，加拿大1965年、前苏联1967年、美国1969年就分别建成投运了750kV输电线路。绪论绪论 2、我国装机容量为18.2GW的三峡水电站为全球最大的电站，但其输电电压却仅为交流500kV和直流500kV，而20年

4、前建成巴西伊泰普水电站（装机容量12.6GW）的输电电压是交流765kV和直流600kV。3、20世纪七、八十年代中期前苏联、美国和日本都已建成1000kV及以上特高压输电线路并取得了多年的运行经验。 我国2006年开工建设的“晋东南南阳荆门特高压示范工程”于2009年1月正式投运，标志着我国在远距离、大容量、低损耗特高压输电核心技术和设备国产化上取得重大突破。绪论绪论 4、我国发展高压大容量输电技术的必要性。 是否有必要发展高压大容量远距离输电，与发电的能源结构及其分布有关; 我国发电的能源结构及电力负荷分布特点5、高电压技术人才的缺乏。 绪论绪论 四四、高电压技术在其他领域的应用高电压技术

5、在其他领域的应用1、大功率脉冲技术2、电磁兼容EMC (Electromagnetic Compatibility)3、静电技术 4、放电的广泛应用绪论绪论 五五、研究高电压技术的目的和方法研究高电压技术的目的和方法目的：实现绝缘与高电压的合理配合，保证电力系统的安全稳定运行，提 高电力设备使用的经济性。 保证和提高绝缘介质的耐压水平 降低和限制电力系统的过电压方法： 理论分析：电介质物理；电路；电磁场；电力系统分析 试验研究:特别重要 实践检验 计算机仿真:研究对象：电力系统中的绝缘和过电压问题绪论绪论 六六、本课程主要内容和任务本课程主要内容和任务本课程主要任务：1、研究各类绝缘介质的特性

6、及其放电机理，掌握高电压绝缘的基础理论知识；2、掌握基本的高电压测量与试验技术；3、熟悉电力系统过电压产生的机理和防护措施；学会正确处理电力系统中过电压与绝缘之间的矛盾；理解电力系统绝缘配合的基本原则。本课程的主要内容分为三大部分：第一篇：电介质的电气强度 各类绝缘介质的特性及其放电机理第二篇：电气设备绝缘试验第三篇：电力系统过电压与绝缘配合第四篇：新输电系统所推进的高电压技术（自学）绪论绪论 七、教材与参考书七、教材与参考书教材：高电压技术（第二版） 浙江大学 赵智大参考书：1、高电压技术 高等教育出版社 常美生2、高电压技术 中国电力出版社 周泽存3、期刊杂志-高电压技术、 高压电器 ，中

7、国电机工程学报第一篇第一篇 电介质的电气强度电介质的电气强度2、电气强度的概念、表示方法耐受电压的能力，用kV/cm或kV表示4、强弱电场的划分1）弱电场比击穿场强小得多（10倍以上），极化、电导，介质损耗2）强电场大于等于击穿场强，放电、闪络、击穿1、电介质与绝缘材料电介质物理概念，按物质形态分为气、液、固。绝缘材料工程概念(功能性)3、击穿的概念电介质或绝缘材料从不导电到导电的过程，并伴随剧烈的物理化学现象重点内容：气体介质的放电过程和电气强度第一章 气体放电的基本物理过程 气体绝缘介质的特点：具有自恢复性固体和气体交界面：发生沿面放电或表面闪络火花放电或电弧放电刷状放电电晕放电辉光放电气

8、体放电的多种形式：气体放电(Gas Discharge):各种气体导电的现象辉光放电气体放电的多种形式：电晕放电辉光放电气体放电的多种形式：气体放电的多种形式：辉光放电气体放电的多种形式：电晕放电火花放电或电弧放电刷状放电火花放电或电弧放电电晕放电刷状放电火花放电或电弧放电辉光放电电晕放电刷状放电火花放电或电弧放电气体放电的多种形式：辉光放电电晕放电刷状放电火花放电或电弧放电气体放电的多种形式：辉光放电电晕放电气体放电的多种形式：辉光放电刷状放电电晕放电气体放电的多种形式：辉光放电火花放电或电弧放电刷状放电电晕放电气体放电的多种形式：辉光放电研究气体放电的目的：第一节 气体中带电粒子的产生与消

9、失一、带电粒子在气体中的运动1、自由行程和平均自由行程一个粒子（气体分子）在相邻两次碰撞之间所经过的距离自由行程定义：一个气体分子在行进1cm的行程中发生的碰撞次数的倒数，单位cm把所有粒子的自由行程进行平均平均自由行程实际自由行程长度大于等于某一距离x的概率为xexP)(由气体分子运动论可以得出电子的平均自由程为Nre21r-为气体分子半径N-气体分子数密度：个/cm3PrkTe2由于kTpN ，代入上式可得带电粒子从浓度高的区域向浓度低的区域运动。电子扩散速度比离子快的多。 （为什么）3、扩散电子的迁移率远大于离子（为什么）Ek2、带电粒子的迁移率带电粒子的漂移运动带电粒子的漂移速度与场强

10、之比，称为带电粒子的迁移率二、带电粒子的产生气体原子的基态气体原子的基态,激励态和电离态激励态和电离态基态：电子在离核最近的轨道上围绕原子核作旋转运动，整个原子的能量最低激励态：气体原子获得外加能量后，一个或若干个电子转移到离核较远的轨道上，称为激励，所需能量为该轨道与基态轨道的能级差，称为激励能电离态：气体原子所获得的能量足够大，电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。使气体分子或原子中结合的最松弛的那个电子电离的最小能量电离能。电离能的表示方法：(1)电子伏特(eV)表示电子经过1V电势差所获得的能量，Wi (2)电离电位Ui，排除电子电量的影响，单位V。激励电位Ue上节课内容一、绪论：课程特点

11、、主要内容、特点、任务二、几个基本概念：电介质与绝缘材料、电气强度、击穿、强弱电场的划分三、气体放电的基本概念气体放电的种类自由程气体分子的自由程、电子的自由程、离子的自由程、平均自由程带电粒子的迁移率、扩散激励与电离、激励能与电离能（激励电位与电离电位）剩余电离的概念：在标准状态下，空气中由于外界电离因子和地下放射性物质产生的高能射线的作用而存在一定数量的带电粒子气体电离能Wi(eV)气体电离能Wi(eV)N215.6CO213.7O212.5H2O12.8H215.4SF615.6气体中产生带电粒子的基本形式：气体中产生带电粒子的基本形式：（一）光电离频率为的光子的能量 cW波长越短，光子

12、能量越大。发生光电离的条件iWc注意：可见光不能使气体直接发生光电离（二）热电离电离度的概念a、常温下气体分子发生热电离的概率极小b、10000K以上时，热电离才有明显的作用（电弧放电中）c、20000K时大多数气体分子都处于完全电离状态等离子态（三）碰撞电离在电场中获得加速的带电粒子在和气体分子碰撞时,可以把自己的动能传递给后者引起电离带电粒子在电场方向经过距离x后所获得的动能eExmv 221被加速的带电粒子在与气体分子碰撞时，如果其动能大于该气体分子的电离能，则可引起其电离，发生电离的条件iWeEx 为造成电离带电粒子必须经过的最小距离EUeEWxii注意：碰撞电离是气体中产生带电粒子的

13、重要因素，主要由电子碰撞引起。（四）金属电极表面的电离电子发射金属的逸出功电子脱离金属表面需要的能量，单位：eV表1-2 某些金属的逸出功金属逸出功(eV)金属逸出功(eV)铝1.8铜3.9银3.1氧化铜5.3铁3.9铯0.7引起表面电子发射的因素：（1）正离子撞击阴极表面（2）高能射线照射光电子发射（3）加热阴极热电子发射（4）增强阴极表面电场强场发射三、负离子的形成附着电子与气体分子碰撞时，与中性气体分子结合形成负离子的过程。气体分子对电子的亲和性与亲和能电负性气体附着对放电过程的影响抑制放电的发展四、带电粒子的消失（去电离）去电离的基本形式：（1）进入电极，形成回路电流（2）带电粒子的扩

14、散（3）带电粒子间的复合，包括电子复合和离子复合，复合过程释放出光子重点：理解电离与去电离这一对矛盾在气体放电过程中的作用第二节 电子崩（汤逊气体放电理论一）曲线说明：（1）线性段OA段；（2）饱和段AB电流非常小;（3）电离段BC;（4）自持放电段理解自持放电与非自持放电的概念一、汤逊气体放电实验AV紫外线二、电子崩两个特点：（1）电子集中在崩头 （2）正离子形成崩体急剧增大的空间电子流电子崩电子碰撞电离系数（第一电离系数）的定义：表示一个电子在沿电场方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数的平均值。-+n0nxdxd均匀电场中电子崩电子数的计算n个电子经过dx距离产生出的电子数目ndxd

15、ndxndn即积分得到xdxenn00对均匀电场， 是常数xenn0到达阳极的电子数目应为daenn0式中d为极间距离（1-7）（1-8）新增加的电子数目应为) 1(00daennnn式（1-7）两边乘以电子电量，可得电流关系式deII0影响碰撞电离系数的因素：（1）电子在单位距离内产生的碰撞次数，即1/e（2）每次碰撞产生电离的概率据此可以推导出电离碰撞系数的表达式eiEUee1当气体的温度不变时，平均自由行程与气体压强成反比，由此可得EBpApeA、B是两个与气体种类有关的常数（1-11）分析E和p对放电的影响第二电离系数第三节 自持放电条件（汤逊气体放电理论二）正离子对放电发展过程的影响

16、（当极间电压大于某一数值时）阴极表面电离系数（二次电子发射系数）一个正离子撞击阴极表面产生出来的二次自由电子数为假定在阴极表面附近有nc个电子，则到达阳极时，电子数目变为dcaennnc两部分组成，即) 1(0dccennn（1-12）把式（1-12）代入，可得) 1(0ddadaeennen整理可得)1(10ddaeenn两边乘以电子电荷，得到电流表达式)1(10ddaeeII一、自持放电条件物理意义：一个电子从阴极到阳极的过程中产生 个离子，这些离子在阴极表面产生的二次电子数为 ，如果其值等于一，则意味着初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。均匀电场中气隙的自持放电条件11 de与阴极材料，气体种类有关，见表1-3二、起始电压（场强）、击穿电压（场强）起始电压：放电由非自持转为自持时的电压称为起始电压，相应的电场强度称为起始场强，均匀电场中即为击穿电压（击穿场强）均匀电场：起始电压=击穿电压不均匀电场：起始电压击穿电压三、汤逊理论的适用范围电子崩（过程）和阴极表面的过程是汤逊理论的基础1de) 1(de) 1(de) 1(de) 1(de) 1(de) 1(de1de) 1(de物理意义：一个电子从阴极到阳极的过程中产生 个离子，这些离子在阴极表面产生的二次电子数为 ，如果其值等于一，则意味着初始电