高電壓技術(shù)前言及第一章講稿

高電壓技術(shù)前言1.為什么巨大的電能需要通過高電壓輸送2.高電壓技術(shù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和要求高電壓技術(shù)作為工程技術(shù)中的一門學(xué)科是因為大功率、遠距離輸電的發(fā)展而產(chǎn)生的20世紀電力發(fā)展特點:大機組大電網(wǎng)高電壓

美國中國俄國單機(千瓦)120萬90萬90萬電壓(千伏)80050076521世紀電力發(fā)展特點:更加可靠更加開放更加有效更加靈活設(shè)備可靠性隨電壓升高而下降設(shè)備的體積隨電壓升高而增大電壓設(shè)備可靠性體積燃料電池21世紀最有希望的能源60年代用于宇宙飛船,21世紀將用于商業(yè).工業(yè)其特點:模塊式結(jié)構(gòu)無環(huán)境污染節(jié)省水電源可分散價格高1500美金/千瓦

液體和固體電介質(zhì)的絕緣特性

第一章一.電介質(zhì)的極化1.定義電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點在電場作用下沿電場方向作有限位移Qo=CoU2.相對介電系數(shù)εr表征電介質(zhì)在電場作用下的極化程度3.極化的基本形式：電子式極化、離子式極化、偶極子極化、夾層式極化、（空間電荷極化）。(1)電子式極化其特點:a.極化所需時間極短b.極化時沒有能量損耗c.溫度對極化影響極小(2).離子式極化其特點:a.極化過程極短b.極化過程無能量損耗c.溫度對極化有影響,極化隨溫度升高而增強(3).偶極子式極化其特點a.極化所需時間較長,因而與頻率有關(guān)b.極化過程有能量損耗c.溫度對極化影響很大,溫度很高和很低時,極化均減弱(4).夾層式極化其特點在兩層電介質(zhì)的界面上發(fā)生電荷的移動和積累,極化過程緩慢,并有損耗二.電介質(zhì)的電導(dǎo)1.定義介質(zhì)在電場作用下,使其內(nèi)部聯(lián)系較弱的帶電粒子作有規(guī)律的運動形成電流,即泄漏電流.這種物理現(xiàn)象稱為電導(dǎo).表征電導(dǎo)過程強弱程度的物理量為電導(dǎo)率γ，或它的倒數(shù)電阻率ρo2.介質(zhì)中的電流(1).電容電流ic在加壓初瞬間介質(zhì)中的電子式極化和離子式極化過程所引起的電流,無損耗,存在時間極短(2)吸收電流ia有損極化所對應(yīng)的電流,即夾層極化和偶極子極化時的電流,它隨時間而衰減.(3)泄漏電流絕緣介質(zhì)中少量離子定向移動所形成的電導(dǎo)電流,它不隨時間而變化.流過介質(zhì)的電流i由三個分量組成：3.吸收現(xiàn)象固體電介質(zhì)在直流電壓作用下,觀察到電路中的電流從大到小隨時間衰減,最終穩(wěn)定于某一數(shù)值,稱為“吸收現(xiàn)象”介質(zhì)干燥和嘲濕,吸收現(xiàn)象不一樣,據(jù)此可判斷絕緣性能的好壞.三.電介質(zhì)的損耗1.損耗的形式(1).電導(dǎo)損耗由泄漏電流引起的損耗.交直流下都存在.(2).極化損耗由偶極子與夾層極化引起,交流電壓下極明顯(3).游離損耗指氣體間隙的電暈放電以及液固體介質(zhì)內(nèi)部氣泡中局部放電所造成的損耗.2.用介質(zhì)損耗角的正切tgδ來表示介損的意義在交流電壓作用下,由于存在三種形式的損耗,需引入一個新的物理量來表征介損的特性.經(jīng)推導(dǎo),介質(zhì)損耗P為

經(jīng)推導(dǎo),介質(zhì)損耗P為由于:(1).P值與試驗電壓U的高低等因素有關(guān);(2).tgδ是與電壓、頻率、絕緣尺寸無關(guān)的量，而僅取決于電介質(zhì)的損耗特性。(3)tgδ可以用高壓電橋等儀器直接測量.所以表征介損用介質(zhì)損失角的正切tgδ來表示,而不是用有功損耗P來表示.3.影響tgδ的因素（1）溫度的影響（2）頻率的影響（3）電壓的影響在電場強度不很高時，tgδ不變；在電場強度較高時，tgδ隨電場強度升高而迅速增大氣體的絕緣特性第二節(jié)1.空氣在強電場下放電特性一.氣體電介質(zhì)的放電特性氣體在正常狀態(tài)下是良好的絕緣體,在一個立方厘米體積內(nèi)僅含幾千個帶電粒子,但在高電壓下,氣體從少量電荷會突然產(chǎn)生大量的電荷,從而失去絕緣能力而發(fā)生放電現(xiàn)象.一旦電壓解除后,氣體電介質(zhì)能自動恢復(fù)絕緣狀態(tài)輸電線路以氣體作為絕緣材料變壓器相間絕緣以氣體作為絕緣材料2.帶電質(zhì)點的產(chǎn)生與消失(1)激發(fā)原子在外界因素作用下,其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)(2)游離原子在外界因素作用下,使其一個或幾個電子脫離原子核的束博而形成自由電子和正離子(3)游離的方式a.碰撞游離b.光游離c.熱游離d.金屬表面游離碰撞游離當(dāng)帶電質(zhì)點具有的動能積累到一定數(shù)值后，在與氣體原子（或分子）發(fā)生碰撞時，可以使后者產(chǎn)生游離，這種由碰撞而引起的游離稱為碰撞游離引起碰撞游離的條件：：氣體原子（或分子）的游離能光游離由光輻射引起氣體原子（或分子）的游離稱為光游離產(chǎn)生光游離的條件：h:普朗克常數(shù)ν:光的頻率熱游離氣體在熱狀態(tài)下引起的游離過程稱為熱游離產(chǎn)生熱游離的條件：K:波茨曼常數(shù)T:絕對溫度金屬表面游離電子從金屬電極表面逸出來的過程稱為表面游離(4)去游離a.擴散帶電質(zhì)點從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運動.b.復(fù)合正離子與負離子相遇而互相中和還原成中性原子c.附著效應(yīng)電子與原子碰撞時,電子附著原子形成負離子二.氣體放電的兩個理論1.湯遜放電理論.適用條件:均勻電場,低氣壓,短間隙實驗裝置均勻電場中氣體的伏安特性分析：oa段:隨著電壓升高，到達陽極的帶電質(zhì)點數(shù)量和速度也隨之增大ab段：電流不再隨電壓的增大而增大bc段：電流又再隨電壓的增大而增大c點:電流急劇突增(1).電子崩在電場作用下電子從陰極向陽極推進而形成的一群電子(2).非自持放電去掉外界游離因素的作用后,放電隨即停止(3).自持放電不需要外界游離因素存在,放電也能維持下去(4).自持放電條件a.電子的空間碰撞系數(shù)α一個電子在電場作用下在單位行程里所發(fā)生的碰撞游離數(shù)

b.正離子的表面游離系數(shù)γ一個正離子到達陰極,撞擊陰極表面產(chǎn)生游離的電子數(shù)自持放電條件可表達為:綜上所述，將電子磞和陰極上的r過程作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。湯遜理論的實質(zhì)：電子碰撞電離是氣體放電的主要原因，二次電子來源于正離子撞擊陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。所逸出的電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。(5)巴申定律a.表達式:P:氣體壓力S:極間距離b.均勻電場中幾種氣體的擊穿電壓與ps的關(guān)系2.流注理論(1).在ps乘積較大時,用湯遜理論無法解釋的幾種現(xiàn)象a.擊穿過程所需時間,實測值比理論值小10--100倍b.按湯遜理論,擊穿過程與陰極材料有關(guān),然而在大氣壓力下的空氣隙中擊穿電壓與陰極材料無關(guān).c.按湯遜理論,氣體放電應(yīng)在整個間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展,但在大氣中擊穿會出現(xiàn)有分枝的明亮細通道(2).理論要點:認為電子碰撞游離及空間光游離是維持自持放電的主要因素,流注形成便達到了自持放電條件,它強調(diào)了空間電符畸變電場的作用和熱游離的作用.(3)放電簡單流程圖:有效電子(經(jīng)碰撞游離)-----電子崩(畸變電場)-----發(fā)射光子(在強電場作用下)-----產(chǎn)生新的電子崩(二次崩)-----形成混質(zhì)通道(流注)-----由陽極向陰極(陽極流注)或由陰極向陽極(陰極流注)擊穿.三.不均勻電場中氣隙的放電特性1.電暈放電一定電壓作用下,在曲率半徑小的電極附近發(fā)生局部游離,并發(fā)出大量光輻射,有些像日月的暈光,稱為電暈放電.電暈起始場強開始出現(xiàn)電暈時電極表面的場強電暈起始電壓開始出現(xiàn)電暈時的電壓電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自持放電形式2.極性效應(yīng)(1).正棒---負板分析：a.由于捧極附近積聚起正空間電荷，削弱了電離，使電暈放電難以形成，造成電暈起始電壓提高。b.由于捧極附近積聚起正空間電荷在間隙深處產(chǎn)生電場加強了朝向板極的電場，有利于流注發(fā)展，故降低了擊穿電壓。(2).負棒---正板分析：a.捧附近正空間電荷產(chǎn)生附加電場加強了朝向棒端的電場強度，容易形成自持放電，所以其電暈起始電壓較低。b.在間隙深處，正空間電荷產(chǎn)生的附加電場與原電場方向相反，使放電的發(fā)展比較困難，因而擊穿電壓較高。結(jié)論：在相同間隙下正捧-----負板負捧-----正板電暈起始電壓間隙擊穿電壓高低低高第四節(jié)液體的絕緣性能四.液體電介質(zhì)的擊穿特性1.“小橋”理論(即:“氣泡”擊穿理論)變壓器油的擊穿主要原因,在于雜質(zhì)的影響,而雜質(zhì)是水分、受潮的纖維和被游離了的氣泡等構(gòu)成，它們在電場的作用下，在電極間逐漸排列成為小橋，從而導(dǎo)致?lián)舸?.影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素（1）自身品質(zhì)因素：雜質(zhì)的多少（含水量、纖維量、氣量）通過標準油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓來衡量油的品質(zhì)（2）溫度（3）電壓作用時間加壓后短至幾個微秒時，表現(xiàn)為電擊穿，擊穿電壓很高當(dāng)電壓作用時間大于毫秒級時，表現(xiàn)為熱擊穿，擊穿電壓隨作用時間增加而降低（4）電場均勻程度電場愈均勻，雜質(zhì)對擊穿電壓的影響愈大分散性也愈大，擊穿電壓也愈高5.提高液體電介質(zhì)擊穿電壓的措施（1）過濾（2）防潮（3）脫氣（4）覆蓋層（5）絕緣層（6）屏障第四節(jié)固體的絕緣性能1.擊穿形式(1).電擊穿(2).熱擊穿(3).電化學(xué)擊穿2.影響因素(1).電壓作用時間(2).電場均勻程度與介質(zhì)厚度(3).電壓種類(4).電壓作用的累積效應(yīng)(5).受潮3.提高擊穿電壓的措施(1).改進制造工藝:盡可能清除介質(zhì)中的雜質(zhì),可以通過精選材料、改善工藝、真空干燥、加強浸漬等方法。(2).改進絕緣設(shè)計:盡可能使電場均勻(3).改善運行條件:注意防潮、塵污，加強散熱冷卻變壓器排風(fēng)散熱六.電介質(zhì)的老化老化的主要形式：電老化和熱老化絕緣材料的耐熱等級七.描寫電介質(zhì)電性能的四個物理量與對應(yīng)的四個物理現(xiàn)象1.電介質(zhì)的極化相對介電系數(shù)2.電介質(zhì)的電導(dǎo)電導(dǎo)率γ3.電介質(zhì)的損耗介質(zhì)損失角正切tgδ4.電介質(zhì)的擊穿電場強度E第五節(jié)復(fù)合絕緣體的特性有機復(fù)合絕緣跌落式熔斷器

一.大氣條件對氣體間隙擊穿電壓的影響1.標準大氣條件大氣壓力P0=101.3kpa溫度濕度f0=11g/m32.相對密度的影響相對密度

p=0.289----

T當(dāng)

在0.95到1.05之間時,空氣間隙的擊穿電壓U與

成正比U=U03.濕度的影響(1).均勻或稍不均勻電場濕度的增加而略有增加,但程度極微,可以不校正(2).極不均勻電場由于平均場強較低,濕度增加后,水分子易吸附電子而形成質(zhì)量較大的負離子,運動速度,減慢游離能力大大降低,使擊穿電壓增大.因此需要校正.4.高度的影響隨著高度增加,空氣逐漸稀薄,大氣壓力及空氣相對密度下降,間隙的擊穿電壓也隨之下降.U=ka

U0

六.

提高氣體間隙絕緣強度的方法有兩個途徑:一個是改善電場分布,使之盡量均勻;另一個是削弱氣體間隙中的游離因素.1.改善電場分布的措施(1).改變電極形狀(2).利用空間電荷對電場的畸變作用(3).極不均勻電場中采用屏障當(dāng)屏障與棒極之間的距離約等于間隙的距離的15%-----20%時，間隙的擊穿電壓提高得最多，可達到無屏障時的2---3倍2.削弱游離因素的措施(1).采用高氣壓

氣體壓力提高后，氣體的密度加大，減少了電子的平均自由行程，從而削弱了碰撞游離的過程。如高壓空氣斷路器和高壓標準電容器等10kv高壓標準介損器(2).采用高真空

氣體間隙中壓力很低時，電子的平均自由行程已增大到極間空間很難產(chǎn)生碰撞游離的程度。如真空電容器、真空斷路器等真空電容器真空斷路器(3).采用高強度氣體SF6氣體屬強電負性氣體,容易吸附電子成為負離子,從而削弱了游離過程.提高壓力后可相當(dāng)于一般液體或固體絕緣的絕緣強度.它是一種無色、無味、無臭、無毒、不燃的不活潑氣體，化學(xué)性能非常穩(wěn)定，無腐蝕作用。它具有優(yōu)良的滅弧性能，其滅弧能力是空氣的100倍，故極適用于高壓斷路器中。七.氣體中的沿面放電1.什么叫沿面放電沿著固體介質(zhì)表面的氣體發(fā)生的放電沿面放電電壓通常比純空氣間隙的擊穿電壓要低2.界面電場分布的三種典型情況氣體介質(zhì)與固體介質(zhì)的交界稱為界面(1).固體介質(zhì)處于均勻電場中,且界面與電力線平行;(2).固體介質(zhì)處于極不均勻電場中,且電力線垂直于界面的分量比平行于界面的分量大得多;類似套管瓷套管變壓器用電容套管(3).固體介質(zhì)處于極不均勻電場中,且電力線平行于界面的分量以垂直于界面的分量大得多.類似支持絕緣子復(fù)合支持絕緣子戶外高壓支持絕緣子3.均勻電場中的沿面放電其放電特點:(1).放電發(fā)生在沿著固體介質(zhì)表面,且放電電壓比純空氣間隙的放電電壓要低.其原因a.固體介質(zhì)與電極表面沒有完全密合而存在微小氣隙,或者介面有裂紋.b.介質(zhì)表面不可能絕對光滑,使表面電場不均勻.c.介質(zhì)表面電阻不均勻使電場分布不均勻d.介質(zhì)表面易吸收水分,形成一層很薄的膜,水膜中的離子在電場作用下向兩極移動,易在電極附近積聚電荷,使電場不均勻4.極不均勻電場具有強法線分量時的沿面放電(套管型)(1)放電發(fā)展特點:a.電暈放電b.線狀火花放電c.滑閃放電d.閃絡(luò)放電等值電路圖(2)影響沿面放電因素分析等值電路圖a.固體介質(zhì)厚度越小，則體積電容越大，沿介質(zhì)表面電壓分布越不均勻，其沿面閃絡(luò)電壓越低；b.同理，固體介質(zhì)的體積電阻越小，沿面閃絡(luò)電壓越低c.固體介質(zhì)表面電阻減少，可降低沿面的最大電場強度，從而提高沿面閃絡(luò)電壓(3).提高沿面閃絡(luò)電