高電壓課件-第一章第二章

《高電壓技術緒高壓低

特高壓1000kV及以普通高壓

電壓等級劃分的級差為2~3UPZ電力系統(tǒng)輸送的電能P正比于電壓的平方（U2），度L，所以P正比于U2，反比于L。三、要采用高電壓首先要解決的技術問題什么高電壓下的絕緣問題。因為在電力系統(tǒng)三大技術材料（導電材料、導磁材料和絕緣材料）中絕緣 例：1、用青殼紙和電纜紙作絕緣的10.5kV、10MW的發(fā)電2、絕緣限制了設備的；四、如何解決絕緣問題使原設計額定電壓為400kV的輸變電系統(tǒng)生壓為500kV五、高電壓技術課程講授的兩個問絕緣問題和限制作用在絕緣上的過電壓六、學科特點1、歷史短，研究不充分，理論很不完整，工程上高電壓問題不能用理論來分析，所以只能從試驗入手2、研究起來很，其所研究的問題與其他學科完全不同。其他學科研究的是電的導通，而高壓研究的是絕緣，它所研究的是空間的問題，場的問題，所受的影響因素（溫度、濕度、氣壓、極距）很多。3、研究難以具備，場地難以滿足，問題的重復性小，一次擊穿很難找到完全相同的對象，是暫4、思考問題的領域寬電介質在電場中能產(chǎn)生極化的物質，指通常條件下導電性能極差、在電力系統(tǒng)用作絕緣的材料。----極化是指物質中電荷分離形成耦極子的過電介質－ 電能的角度絕緣材料－ 電流角度氣體電介電介

液體電介固體電介1電介質的極化、電導和損一.電介質的極化(dielectric和介電常極化對介電常數(shù)的影響束縛電UQ0QC0QQC相對介電常數(shù)relativedielectric

r Q Q電介質的極化種E

電子式極

E0不隨頻率變化；極化具有彈性，不損耗能量離子式極 特點：存在于離子結構電介質中，極化所需時間也很短；極化具有彈性， 量損耗r隨溫度升高而增大

規(guī)則的排列，因而顯出偶極子極 E

E0特點：存在于極性電介質中，極化所需時間較長r與電源頻率有很大關系；極化消耗能量；溫度過高或過低r都會減小εr值變小。溫度對極性電介質r值也有很大的影響。因為溫度較低時分子間的聯(lián)系緊密，偶極子轉動。所以εr很小。溫度升高后分子熱運動加劇，阻礙極性分子沿電場取向，使極化減弱。所以液體固體的r在低溫下先隨溫度的升εr又開始隨溫度的上升而減小。存在于復合介質、不均勻介質中；極化過程很緩慢，只在流和低頻交流下表現(xiàn)出來；極化伴隨著能量損 R2C2 討論電介質極化的意（１）不同應用場合，對εr大小的要求不（２）在交流及沖擊電壓作用下，多層串聯(lián)介質場強Ｅ與成反比，要注意各種材料的εr值的配合（3）極化類型影響介質損耗，從而影響絕緣劣化和熱擊為便于比較，將上述各種極化列為極化種產(chǎn)生場所需時能量損產(chǎn)生原電子式極任何電介10-15無離子式極離子式結構介10-13幾乎沒離子的相對移偶極子極極性電介10-10～10-2有夾層極10-1s～數(shù)小有二電介質的電導(electrical要點電質點主要是離子，也稱離子式電導電阻

1/絕緣材料的電阻率

半導體的電阻率：10-

電介質電導與金屬電導的區(qū)帶電質點：電介質中為離子（固有離子，雜質離子金屬中為自由電數(shù)量級：電介質的γ小，泄漏電流??；金屬的電導電流很主要因素液體和固體電介質的γ與溫度的關系

AeB/溫度↑ａ．熱運動加劇→離子遷移率↑→γ↑電介質的電阻率具有負的溫度系數(shù)；金屬的電阻率具有正的度系數(shù)固體電介質的體積電阻和表面電 水分起著特別重要作用親水性介質（玻璃、陶瓷）表面電導三.電介質的損介質損耗的含電介質的三支路等值i

電介質在直流電壓作用下的吸收現(xiàn)ii

吸收

i

|

| t(s)介質損耗角正切交流電壓作用下的向量圖I

I2 II I

介質損耗δ為功率因數(shù)φ的余角，其tgδ又可稱為介質損%）來表示U并聯(lián)等值電路 IIRI

~~ICIIIRp ICU并聯(lián)電路

RRRpICUCp∴PUIR

U

由相量圖

tgIR

U/Rp IC CpRp用tgδ作為綜合反映介質損耗特性優(yōu)劣的量、電源頻率等許多因素有關，而tgδ一個僅tgδ的增大，意味著介質絕緣性能變差，實踐中▲一切電介質的電氣強度都是有限的，超過在電場的作用下，電介質中出現(xiàn)的電氣在弱電場下，主要有極化、電導、介質在強電場下，主要有放電、閃絡、擊穿第二章氣體電介質的擊穿特研究氣體放電的目的了解氣體在高電壓（強電場）演變成導體的過程掌握氣體介質的電氣強度及其提高的方氣體放電的基本理論湯遜理流注理基本概念回顧電

—原子在外界因素作用下，使其一個或幾電離能—電離過程所需要的能量稱

，也可用電離

Ui(V

反映施加能自由電

施加能量激激激分級電

自由電電施加能光§2.1氣體中帶電粒一.帶電粒子的產(chǎn)生(電離過程是氣體中產(chǎn)生帶最重要的形動能、位條件：⑴撞擊粒子的總能量＞被撞粒子動能、位⑵一定的相互作用的時間和條件，通過復雜電子引起碰撞電離的

≥

xi 由光電離而產(chǎn)生的自由電子稱為光電必要條件：光子的能量大于氣體粒子的h≥≤ Ｔ↑→分子動能↑→碰撞電離溫度超過10000K時（如電弧放電）才需要考慮熱電離，在溫度達到20000K左右，幾乎全部空電極表面電離---氣體中的電子也可從金屬電極表面游離出來⑴正離子撞擊陰極⑵光電子發(fā)射：高能輻射線照射電極表⑶熱電子發(fā)射：金屬電極加⑷強場發(fā)射：電極表面附近存在強負離子的形成:中性分子或原子與電子相結合，成負離子（附著附著過程中放出能量（親合能Ｅ）－負性氣體Ｅ大,易形成負離子－強電負性氣體，如SF6二.帶電粒子 （去電離、消電離 而形成外電路中的電流(遷移率)擴散－因擴散而逸出氣體放電空間（熱運動（多為負離子與正離子復合，而碰撞電物理過§2.2均勻電場中氣隙的擊穿過EAV一.平行板電極實驗（湯遜EAVI自持放電S非自持放電區(qū)a0

空氣中電流和電壓的關0a段：隨著E加快而導致復合數(shù)減少，表現(xiàn)為I隨的提高而增大；ab段：外界電離因子產(chǎn)生的帶電流趨于飽和，飽和電流值很小，氣體仍處于良好的絕緣狀態(tài)b段：I隨著的提高而增大，表明此時電場E足夠大，使電越大，電子碰撞電離越激烈，產(chǎn)生的帶電粒子越多；cS段：隨著外加電場的增大，碰撞電離愈激烈，帶電粒子目呈指數(shù)增長，電流增大更快S點后：當電壓增大到U0

過程產(chǎn)生的二次電子足夠多能電階段，氣隙擊穿，表現(xiàn)為電流急劇增大，并伴有發(fā)光、發(fā)聲等現(xiàn)象，氣隙轉入良好的導電狀態(tài)。二.電子崩的形成 帶電粒子在電子崩中的分布電子崩中電子數(shù)a—電子碰撞電離系設每次碰撞電離個正離子，則

就是一個電度行程內新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù)1nxd設：初始1nxd到達

處，電子數(shù)增加到這n個電子在dx的距離中產(chǎn)生dn個新電子，則有dnxadx ne在均勻電場中a為常 n

eax抵達陽極的電子na

途中新增加的電n

1

ed三.自持放電條非自持放—必須依靠外界電離因素的作用提供自持放—撤除外界電離因素后，能僅由電場作用而維持的放 過程面電離，產(chǎn)生二次電子的過程系—一個正離子撞擊陰極表面時產(chǎn)生的二次電子

1

物理含義—自持放∵ea>>1∴自持放電條件可寫為

不均勻電場中，各處的a值不同，自持放電條件為d0(e0

1)起始場（起始電壓均勻電場中：起始場強=擊穿場起始電壓=擊穿電不均勻電場中：起始電壓<擊穿電湯遜放電理論總外界電離因 陰極表面電氣體空間電氣體中的自由電 在電場中加速碰撞電陰極表面二次發(fā)（過程

正離

電子（a過程四、巴申定1.內容Ub=f曲線圖Ub(kV)50.10.3

300pdda、P較小時：↓P→碰撞次數(shù)進一步↓→有效碰撞次數(shù)b、P較大時：↑P→平均自由行 ↓→碰撞次數(shù)↑，不易累足夠游離能（只碰撞不游離）→有效碰撞次數(shù) 意義：當極間距離d不變時提高氣壓或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓Pa、d較小時：進一步 →全程碰撞次數(shù)少→無足的碰撞次數(shù)b、d較大時：↑d→E↓→不易游離意義：減小或增大d，都能使擊穿電壓提五.氣體放電的流注理湯遜理論的適用放電外形：在大氣壓下放電不再是輝光放電，而是火花通放電時間：放電時間短于正離子在通道中到達陰極的行程時陰極材料的影響：陰極材料對放電電壓影響不空間電荷對電場的影EE0 空間光電離的作流注的形初 空間光電 二次電子匯入初 流正流注形成過程：（當外加電壓不是很高時流注的特點—導電性對均勻電場來說，自持放電條件ead

實驗得

ead

或ad 常

或ad

流注理論和湯遜理論比較湯遜理論適用于低氣壓、短氣隙的情況流注理論適用于高氣壓、長氣隙的情況湯遜理論認為電子崩和陰極上的二次發(fā)射過程是氣體自持放電的決定性因素；流注理論認為電子碰撞電離及空間光電離是維持自持放電的主要因素，并強調了空間電荷畸變電場的作用。§1.3不均勻電場中氣體的擊穿過一.常見電場的結構均勻場 板－稍不均勻場：球－ 對稱同軸圓極不均勻場棒－ 不對稱▼稍不均勻電場中氣隙的放電特性與均勻電場相似，一旦出現(xiàn)自持放電，便會導致整個間隙的擊穿，▼極不均勻電場中，首先在強場區(qū)發(fā)生電暈放電，自持放條件即是電暈起始條件，氣隙擊穿電壓大于電暈起始電壓1、電暈放2、極性效三電暈放電暈的危害及作有光、聲、熱效應造成能量損耗；電暈損耗在壓輸電極性效定義極性不同時，間隙的擊穿電壓不相同。Ub-→|+>直流電壓下棒-板間隙擊穿電壓特性曲Ub0

dE0棒負板電極正棒負板電極ExEEEE0負棒負棒正 板板電極電極x小結極不均勻電場放電特點存在穩(wěn)定的電暈放電，U起始<存在極性效負尖—正板Uj 正尖——負板第四節(jié)氣隙在 壓作用下?lián)舸┨貧庀兜膿舸┨匦匀Q于▼電場形▼外加電壓類直流電

穩(wěn)態(tài)電沖擊電一.均勻電場氣隙的擊不存在極性效應直流、工頻、沖擊電壓作用下的擊穿電壓相同；擊穿電壓分散性很??；空氣間隙的擊穿電壓經(jīng)驗公式UUbU

Eb d

24.55

/（kV）Ub－擊穿電壓峰值Eb－平均擊穿場強，kV/cmd－間隙距離d＝1～10cm內二.稍不均勻電與均勻電場相似，一旦出現(xiàn)局部放電，立即導致整個間隙的完全擊穿。電場不對稱時有極性效應，不很顯 壓波形下Ｕb都相同，且分散性不典型結構形式：球－球，球－板，兩同軸圓三.極不均勻電電極形狀對氣隙擊穿電壓影響不大，可型電極代表,如，棒－板在不同性質電壓下，Ｕb有明顯差別，且分散性直流電壓作用顯著的極性效正棒－負板，Ｕb5d負棒－正板，Ｕb10d注意:負棒－正板比正棒－負板先產(chǎn)生電暈放電,生擊穿2.工頻電壓作用擊穿總是在棒極為正半波峰值附近發(fā)d＜１ｍ時，Ｕb接近與d成正，Ｕb≈棒－板，Ｕb≈ 相差不d＞２ｍ時，Ｕb與d各種氣隙的工頻Ｕb分散性不大，標準偏差σ＝２％四.沖擊電壓下氣隙的擊 沖擊電壓變化速度放電時間的組uUU

ts ttlag

t導致流注和主放電Us:靜態(tài)擊穿電壓，氣隙在持ts:統(tǒng)計時延，從t1開始到氣隙中出現(xiàn)第一個有效電子所的時tf:放電形成時延，從有效電子出現(xiàn)到氣隙完成擊穿所的時放電時延

放電時間具有具有統(tǒng)分散

ts

t

tlag標準試驗電壓波▲直流電壓－大多由交流整流而得，波形有脈動脈動系數(shù)＝脈動幅值／電壓平均值↓最大值與最小值之差的一▲工頻交流電為√２，偏差不超過５％▲標準雷電沖擊電壓波形定半峰值時 T2半峰值時 T2（或波長時間tu/Um10

1.2/▲標準操作沖擊電壓波形定u/Um

/10

t 氣隙的沖擊擊穿特性（1）.50%沖擊擊穿電

U50%變化，導致間隙擊穿概率為５０％時的電壓稱為U50%沖擊系

UU均勻和稍不均勻極不均勻電場下（2）.伏秒特在電壓波形一定的情況下，氣隙擊穿時的外加電壓峰值與擊穿時間的關系:Ub＝ｆ(tb作法：保持一定的波形而逐漸升高電壓，以示波圖來求取電壓較低時，擊穿發(fā)生在峰值過后，取峰值作縱坐標；擊穿發(fā)生在波峰時，取峰值作縱坐標；擊穿發(fā)生在尚未到峰值時，取擊穿時電壓值作縱坐標321321 特點：①在每級電壓U作用下小于下包絡線所示數(shù)值t1的概率為0％，其左方完全不擊穿小于上包絡線所示數(shù)值t3的概率為100％，其小于t2的概率為50％——50%概率放電時間對應50％伏UbU0t1

32——50％伏秒特1②21U21 ~ 在絕緣配合中的意義ABABABABPA 圖1：A－設備，Ｂ－保護間圖2：保護間隙的伏秒特性曲線B低于設備的曲線A，能保護設圖3：間隙曲線Ｂ較陡，間隙在交叉點前不能保護設備，在后能保護設備。曲線Ａ、Ｂ形狀可以改變，若曲線Ｂ過低，運行不安全但若抬高曲線Ａ，將會增加經(jīng)濟投五大氣條件對空氣間隙擊穿電壓的影響標準大氣條件：壓力實際擊穿電壓校

UKdKh Kd—空氣密度校正系Kh—空氣濕度校正系U0—標準大氣條件下的擊穿電對空氣密度的?！諝獾南鄬γ芏扰c標準大氣條件下的密度之pT

2.9T氣隙間距小于1m時UKdU0U0p

273 長間隙下

Kd

0p0

273tKhkk與絕對濕度和電壓類型有長度、電壓類