高电压技术1-8.ppt

1、施振雷 电话E-mail:,高电压技术,绪论,一、高电压技术的研究对象 1、分析过电压的幅值、波形等参数，采取有效措施降低或限制作用于设备上的过电压； 2、设法保证及提高绝缘结构的耐受电压。,绪论,二、本课程主要内容 1、电介质的电气强度 2、电气设备绝缘试验 3、电力系统过电压与绝缘配合 三、本课程参考书目 1、高电压技术（第三版） 周泽存等著 中国电力出版社 2、高电压技术（第二版） 张一尘主编 中国电力出版社 3、高电压技术 浙江大学 赵智大主编 中国电力出版社,气体电介质的电气强度,一、气体放电的主要形式简介 气体放电气体中流通电流的各种形式。 正常状态：优良

2、的绝缘体（大气中：1000对正、负离子/立方厘米）。 击穿电压Ub或闪络电压Uf 发生击穿或闪络的最低临界电压； 击穿场强Eb =均匀电场中的击穿电压/间隙距离； 平均击穿场强 =不均匀电场中的击穿电压/间隙距离。 击穿后气体放电形式: 辉光放电气体压力小，电源功率很小，电流密度较小，放电区域占据 电极的整个空间（霓虹灯管）； 电弧放电 放电通道收细，越来越明亮； 火花放电 收细的通道形式，放电过程不稳定。（大气条件下）,气体电介质的电气强度,二、带电粒子的产生和消失 （一）原子的激励和电离 1、原子的能级 原子结构可用行星系模型描述。 根据原子核外电子的能量状态，原子具有一系列可取的确定的能

3、量状态能级。 2、原子的激励 原子在外界因素（电场、高温等）的作用下，吸收外界能量使其内部能量增 加，原子核外的电子将从离原子核较近的轨道跳到离原子核较远的轨道上去，此 过程称原子的激励（或激发）。 激励能。不稳定状态。 3、原子的电离 原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电 子和正离子的过程。 电离能Wi（电子伏 eV）。 1eV一个电子行径1V电位差的电场所获得的能量。,气体电介质的电气强度,（二）气体中带电粒子的产生 1、光电离 光辐射引起的气体分子的电离过程。 光电离条件:,气体电介质的电气强度,2、热电离 一切因气体热状态引起的电离过程。 热电离条件:,

4、气体电介质的电气强度,3、碰撞电离 由于质点碰撞引起的电离过程。主要是电子碰撞电离。 碰撞电离条件： 4、金属的表面电离 电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。 逸出功。 （1）正离子撞击阴极 （2）光电子发射（光电效应） （3）热电子发射 （4）强场发射,气体电介质的电气强度,5、负离子的形成 电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是附着于分子，形 成负离子。 阻碍放电的作用。 有些气体形成负离子时可释放出能量，这类气体容易形成负离子电 负性气体（氧、氟、氯等）。,气体电介质的电气强度,（三）带电粒子在气体中的运动 1、自由行程长度 带电粒子在电场中具有复杂的运动轨迹： “混乱热运动+

5、沿电场作定向漂逸” 平均自由行程长度单位行程中的碰撞次数Z的倒数。 实际自由行程长度是一个随机量，并具有很大的分散性。 粒子的自由行程等于或大于某一距离x的概率：,气体电介质的电气强度,2、带电粒子的迁移率 带电粒子在单位场强（1v/m) 下沿电场方向的漂移速度。 电子的迁移率远大于离子。 3、扩散 带电粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域。 电子的扩散速度比离子快得多。 气压越低，温度越高，扩散越快。,气体电介质的电气强度,（四）带电粒子的消失 1、在电场作用下定向运动 2、带电粒子的扩散 3、带电粒子的复合,气体电介质的电气强度,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 （一）非自持放电和自持

6、放电 去掉外电离因素的作用后放电随即停止非自持放电； 仅由电场的作用而维持的放电自持放电。,气体电介质的电气强度,（二）汤森德气体放电理论 1、过程 （1）电子崩的形成 电子数按几何级数不断增多，象雪崩似地发展， 这种急剧增大的空间电子流电子崩。 （2）过程引起的电流 电子碰撞电离系数一个电子沿着电场方 向行径1cm的长度，平均发生的碰撞电离次数。 设阴极表面初始电子数n0，在距离阴极x 处， 电子数增至n个，这n 个电 子在dx距离中又会产生dn个新电子，则：,气体电介质的电气强度,气体电介质的电气强度,（3） 的分析,气体电介质的电气强度,2、过程 （1）正离子表面电离系数 一个正离子在电

7、场作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面 产生表面电离的电子数。 （2） 过程和过程同时引起的电流 设阴极表面单位时间内发射出来的电子数,气体电介质的电气强度,3、均匀场中的击穿电压 （1）自持放电条件 （2）击穿电压、帕邢定律,气体电介质的电气强度,帕邢定律帕邢实验曲线。 在气温非恒定下：,气体电介质的电气强度,4、汤森德理论的适用范围 （1）适用范围 均匀场、低气压、Pd值较小（ Pd200mmHg.cm) （2）局限性 Pd较大，解释现象与实际不符 放电外形/放电时间/击穿电压/阴极材料的影响,气体电介质的电气强度,（三）气体击穿的流注理论 理论要点： 认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自

8、持放电的主要因素，并强调 了空间电荷畸变电场的作用。 放电过程：电子崩、流注、击穿。 1、电子崩 电子崩形成以后畸变电场， 大大加强崩头和崩尾的电场， 而在两个强场区之间出现一 个电场强度很小的区域。,气体电介质的电气强度,2、流注的形成 电离强度和发展速度远大于初崩的新放电区以及他们不断汇入初崩通 道的过程称为流注。 等离子通道。 3、击穿 一旦等离子通道短接两极，放电即转为火化放电或电弧放电造成击穿。,气体电介质的电气强度,4、均匀场中的击穿电压 （1）自持放电条件 即流注形成条件=初崩头部的空间电荷数量达到某一临界值。 （2）击穿电压 与汤森德理论完全相同，但必须记住仅仅只是形式上相同。

9、 （3）流注理论对Pd很大时放电现象的解释 放电外形/放电时间/阴极材料,气体电介质的电气强度,四、不均匀电场中的放电过程 （一）稍不均匀场和极不均匀场的特征 均匀电场：放电达到自持，间隙即将被击穿，击穿前看不到放电迹象； 稍不均匀电场：与均匀电场相似； 极不均匀电场：两大基本特征（1）电晕放电（2）极性效应 典型极不均匀场：棒棒（针针），棒板（针板）,气体电介质的电气强度,（二）极不均匀场中的电晕放电 1、电晕放电的一般描述 （1）电晕放电现象 极不均匀电场的自持放电现象。 （2）电晕起始电压和电晕起始场强 以输电线路的导线为例 皮克公式：,气体电介质的电气强度,2、电晕放电的两种形式 （1

10、）电子崩形式 起晕电极曲率很大时，电晕层很薄且较均匀，放电电流稳定，自持放 电采用汤森德放电形式。 （2）流注形式 电压增加，电晕层扩大，出现放电脉冲现象； 电极曲率半径加大，电晕一开始就很强烈，一旦出现就采取流注形式。 3、电晕放电的利弊 （1）危害 发光、声、热，损失能量；使空气化学反应，产生O3、NO、NO2 等，引起腐蚀作用；脉冲现象产生高频电磁波，干扰通讯和测量。 （2）有利 削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度； 工业上应用。,气体电介质的电气强度,（三）极不均匀场的放电过程 极性效应 理论基础：短间隙流注理论； 长间隙先导放电。 1、正极性（正棒负板）,气体电介质的电气强度,2

11、、负极性（负棒正板）,气体电介质的电气强度,五、持续电压作用下空气的击穿电压 气体的击穿电压与电场分布有关； 气体的击穿电压与电压种类有关； 气体的击穿电压与气体种类有关； 气体的击穿电压与气体状态有关； （一）均匀电场中的击穿电压 通常只有间隙不太大时的击穿电压试验数据。 直流及工频击穿电压（峰值）以及50%冲击击穿电压相同。 经验公式：,气体电介质的电气强度,气体电介质的电气强度,（二）稍不均匀场中的击穿电压 和均匀场相似。 （1）击穿前不发生电晕； （2）电场不对称时，极性效应不明显； （3）直流及工频下的击穿电压（峰值） 及50%冲击击穿电压实际相同； （4）击穿电压的分散性小； （5

12、）但击穿电压和电场不均匀程度关系 大，所以没有能概括各种电场分布 的实验数据。,气体电介质的电气强度,（三）极不均匀场中的击穿电压 直流、工频及冲击电压间的差别较明显，分散性也较大，且极性效应 显著。 1、直流电压下的击穿电压 具有明显的极性效应。,气体电介质的电气强度,2、工频电压下的击穿电压 棒板气隙的击穿总是发生在棒极为正极性的那半周的峰值附近，其 工频击穿电压的峰值与正极性直流击穿电压相近。 棒棒间隙的工频击穿电压比棒板高一些。,气体电介质的电气强度,六、雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性 （一）雷电冲击电压标准波形 1、标准雷电冲击电压波 非周期性双指数衰减波。 波前时间T1

13、=1.2s30% 半峰值时间T2=50s20% 通常写成： 1.2/50s 2、标准雷电截波 波前时间T1=1.2s30% 截断时间Tc=2-5s 通常写成： 1.2/2-5s,气体电介质的电气强度,（二）放电时延 气隙击穿必备条件： （1）足够大的E或足够高的U； （2）气隙中存在有效电子； （3）一定时间。,气体电介质的电气强度,（三）雷电冲击50%击穿电压（U50%） 击穿百分比为50%时的电压。 1、均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压 击穿电压分散性小， U50%和Us相差很小。 冲击系数= U50%/ Us 均匀电场、稍不均匀场： =1。 2、极不均匀场中的击穿电压 放电时延长，冲击

14、击穿电压分散大， 1。 （四）伏秒特性 1、概念 伏秒特性曲线同一波形、不同幅值的冲击电压作用下，间隙上出 现的电压最大值和放电时间的关系曲线。,气体电介质的电气强度,2、伏秒特性的制订方法 实验方法求取。,气体电介质的电气强度,3、v-t 特性的用途 绝缘配合。 4、 U50%冲击击穿电压和2s冲击击穿电压 2s冲击击穿电压击穿时放电时间小于或大于2s的概率为50%的击 穿电压值。,气体电介质的电气强度,气体电介质的电气强度,七、操作冲击电压作用下气隙的击穿电压 （一）操作冲击电压推荐波形 非周期性双指数衰减波。 波前时间Tcr= 250s20%， 半峰值时间T2=2500s60%。 波前时

15、间Tcr =20003000s。,气体电介质的电气强度,（二）操作冲击50%击穿电压 1、均匀电场和稍不均匀场中的击穿电压 与雷电冲击50%击穿电压，工频击穿电压（峰值）相同，且分散性小。 2、极不均匀场中的击穿电压 （1）极性效应 （2）电场分布的影响 （3）波形的影响 （4）分散性大 （5）“饱和”现象 （6）50%击穿电压极小值的经验公式 正棒负板空气间隙U形曲线中50%击穿电压极小值U50min：,气体电介质的电气强度,气体电介质的电气强度,气体电介质的电气强度,八、SF6和气体绝缘电气设备 （一） SF6的物理化学特性 无色、无味的气体，具有较高的介电强度，优良的灭弧性能，良好的 冷

16、却特性，不可燃。 SF6 分子中，6个氟原子F围绕硫原子S对称排布呈正八面体，化学性能 稳定。 纯SF6气体是一种无毒气体，但它仍会因引起窒息而对生命造成威胁； 若纯度不够，会含有SF4、S2F10、HF、SO2等杂质，这些杂质有毒；另 外SF6因放电而产生的一些分解物也是有毒的。 200C充气压力0.45MPa，液化温度-400C； 200C充气压力0.75MPa，液化 温度-250C。在高寒地区需采用加热措施。,气体电介质的电气强度,（二） SF6的绝缘性能 1、均匀和稍不均匀场中的SF6击穿 过程+电子附着过程 电子附着过程一个电子沿电场方向运动1cm的行程中所发生的电子 附着平均值。

17、电负性气体中有效碰撞电离系数 均匀场中电子崩增长规律 SF6 气体击穿电压 在工程上，通常Pd1MPa.mm，所以 在0.1MPa（1atm)下击穿场强 另外在稍不均匀电场下，负极性下击穿电压反而比正极性时低10%。,气体电介质的电气强度,2、极不均匀场中SF6的击穿 电场不均匀程度对击穿电压的影响远比对空气的影响大。 有“异常”现象： （1）工频击穿电压随气压的变化曲线存在“驼峰”； （2） “驼峰”区雷电冲击电压明显低于静态击穿电压。,气体电介质的电气强度,（三） SF6混合气体 将气体和别的气体（N2、CO2等）按一定的容积比混合。 现工业应用的是SF6N2混合气体。,气体电介质的电气强

18、度,（四）气体绝缘电气设备 1、封闭或气体绝缘组合电器（GIS） 2、气体绝缘管道输电线（GIC） 3、气体绝缘变压器（GIT）,气体电介质的电气强度,九、大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正 我国的国家标准规定的标准大气条件为： 在实际试验条件下的气隙击穿电压U与标准大气条件下的击穿电压U0 之间的换算关系:,气体电介质的电气强度,（一）空气密度的校正 空气密度与压力和温度有关。 空气的相对密度 在大气条件下，气隙的击穿电压随的增大而提高。实验表明，当处 于0.951.05的范围时，气隙的击穿电压几乎与成正比，即此时的空气密 度校正因数Kd ，因而 对于更长的空气间隙来说，击穿电压与大气条件

19、变化的关系，并不是 一种简单的线性关系，而是随电极形状、电压类型和气隙长度而变化的 复杂关系。,气体电介质的电气强度,（二）湿度的校正 大气的湿度越大，气隙的击穿电压增高。 均匀和稍不均匀电场：湿度影响不太明显； 极不均匀电场：湿度影响明显，可用下式修正。 （三）海拔高度的校正 我国国家标准规定：海拔高度为1000m4000m的电力设施外绝缘，其 试验电压U与平原地区外绝缘的试验电压Up的关系;,气体电介质的电气强度,（四）举例 1、在p=755mmHg，t=330C条件下测得一气隙的击穿电压峰值为 108kV，试近似求取该气隙在标准大气条件下的击穿电压值。,气体电介质的电气强度,2、某110

20、kV电气设备的外绝缘应有的工频耐压（有效值）为260kV，如该 设备将安装到海拔3000m的地方运行，问出厂时（工厂位于平原地区）的 试验电压应增大到多少？,气体电介质的电气强度,十、提高气体介质电气强度的方法 两个途径: （1）改善电场分布； （2）削弱气体的电离过程。 （一） 改善电场分布 1、改善电极形状 （1）增大电极的曲率半径； （2）改善电极边缘； （3）使电极具有最佳外形。 2、利用空间电荷畸变电场 “细线效应”,气体电介质的电气强度,气体电介质的电气强度,3、采用屏障 空气隙中放入薄片固体绝缘材料（如纸或纸板）。 极不均匀电场中，在一定条件下可以利用屏障提高气隙的击穿电压； 在

21、均匀场及稍不均匀场中，实验表明设置屏障不能提高气隙的击穿电压。,气体电介质的电气强度,（二） 削弱气体的电离过程 1、高气压的采用 减小电子的平均自由行程。 高气压下应尽可能改善电场分布，因电场不均匀程度对击穿电压的影 响比在大气压力下要显著得多，电场不均匀程度增加，击穿电压将剧烈 降低。 2、高电气强度气体的采用 （1）高电气强度气体 含卤族元素的气体化合物，如SF6、CCL2F2等。 （2）卤化物气体电气强度高的原因 a)含卤族元素，这些气体具有很强的电负性； b）气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其中自由行程短，碰撞 有效性差； c)电子和这些分子相遇，还易引起分子发生极化，增加能

22、量损失，减弱 碰撞电离能力。,气体电介质的电气强度,（3）要求 液化温度低/良好的化学稳定性、不腐蚀、无毒、不爆炸、不易燃烧/ 经济上合理，价格便宜，能大量供应。 目前，工程上已得到采用的是SF6。 3、高真空的采用 削弱间隙中的碰撞电离过程。,气隙击穿理论,小结,气隙击穿理论,气隙击穿理论,气体中的沿面放电和污闪事故,一、沿面放电的一般概念 沿面放电沿着固体介质表面发展的气体放电现象。 若沿面放电发展到贯穿性的空气击穿，称为闪络。 沿面闪络电压比气体或固体单独存在时的击穿电压都低。 二、沿面放电的类型与特点 沿面放电与固体介质表面的电场分布有很大关系。 界面电场分布可分为三种典型情况。,气体中的沿面放电和污闪事故,（一）固体介质处于均匀或稍不均匀电场中，且界面与电力线平行 加入固体介质后，沿面闪络电压比纯空气间隙的击穿降低很多。 1、固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙； 2、潮气吸附到固体介质表面形成水膜，离子沿介质表面移动，介质表面电场分布不均匀； 3、固体介质表面电阻不均匀和表面粗糙不平畸变电场。,气体中的沿面放电和污闪事故,（二） 极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电 套管。 机理：辉光放电因碰