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1、绪论 高电压技术是电工学科的一个重要分支 它主要研究高电压 强电场下各种电气物理问题 一 电力系统的电压等级是如何划分的 依据是什么 电晕 电能污染 资料 1kV 0 4kV 0 22kV 36V 高压 低压 普通高压1 250kV HV 超高压250 1000kV EHV 特高压1000kV及以上 UHV 电压等级划分的级差为2 3倍 二 为什么采用高电压 电力系统输送的电能P正比于电压的平方 U2 反比于系统阻抗Z 而系统阻抗Z正比于线路长度L 所以P正比于U2 反比于L 所以采用高电压是大功率远距离输电的要求 要实现大功率远距离输电唯一可行的措施就是采用高电压 作为二次能源 输送电能要较
2、输送一次能源经济 快捷 安全 方便 清洁 6倍多 6倍 输电电压等级与输送自然功率 以220kV输送自然功率132MW为基准 根据电力发展规划 在水电方面 继三峡水电站之后 西南水电基地即将开发 金沙江上 中 下游13个梯级电站共装机67 38GW 澜沧江中下游14个梯级共装机28 9GW 雅砻江11个梯级共装机24 30GW 大渡河17个梯级共装机17 72GW 将大容量外送60GW 在火电方面 我国煤炭资源主要分布在华北 西北地区 约占全国煤炭资源的76 由于采用运煤发电方式存在许多弊端 因此 需建设坑口电厂 以远距离 大容量方式 将火电基地的能源输送到负荷中心 例 用青壳纸和电缆纸作绝缘
3、的10 5kV 10MW的发电机 改用粉云母纸作绝缘 其他条件不变时 发电机容量就提高到12 5MW 可见绝缘限制了设备的容量 2 绝缘限制了设备的寿命 3 绝缘限制了电力系统的投资 1 因为绝缘限制了设备的温升 限制了温升也就限制了设备的容量 体积和重量 高电压下的绝缘问题 因为在电力系统三大技术材料 导电材料 导磁材料和绝缘材料 中绝缘的影响力最大 三 要采用高电压首先要解决的技术问题是什么 四 如何解决绝缘问题 1 寻找和研制新型的绝缘材料 例 由于瓷吹避雷器使作用在被保护设备上的残压降低 使原设计额定电压为400kV的输变电系统升压为500kV的系统 而绝缘被破坏的最主要原因就是电力系
4、统过电压 2 限制作用在绝缘上的过电压 五 高电压技术课程讲授的两个问题 绝缘问题和过电压问题是本课程的两大内容 六 学科特点 1 历史短 研究不充分 理论很不完整 工程上高电压问题不能用理论来分析 所以只能从试验入手 2 研究起来很困难 其所研究的问题与其他学科完全不同 其他学科研究的是电的导通 而高压研究的是绝缘 它所研究的是空间的问题 场的问题 所受的影响因素 温度 湿度 气压 极距 很多 3 研究手段难以具备 场地难以满足 问题的重复性小 一次击穿后很难找到完全相同的对象 是暂态问题 4 思考问题的领域宽 第一章气体的绝缘强度 在电气设备中作为绝缘材料使用的物质称电介质 按其物质形态
5、可分为 气体介质 液体介质 固体介质 在电气设备中 外绝缘 一般由气体介质 空气 和固体介质 绝缘子 联合构成 内绝缘 一般由固体介质和液体介质联合构成 1 1气体放电的基本物理过程 一 气体间隙中带电粒子的产生 中性质点中的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子的过程就是游离 要游离需要吸收能量 吸收的能量称为游离能 结论 气体间隙中带电粒子来源于气体分子本身的游离和金属表面游离 1 气体分子本身游离的定义 常见气体及金属蒸汽的激励电位和游离电位单位 V 2 气体分子本身的游离方式 按照电子获得能量的方式划分游离 1 碰撞游离 由于碰撞引起的游离 其条件是撞击质点的能量不小于被撞质点的游离能 并且
6、有足够的作用时间 碰撞游离是气体放电中主要的带电粒子来源 电子是碰撞游离的主导因素 红球 气体分子小绿球 电子粉色球 正离子红球带绿球 负离子 2 光游离 由于高能射线的作用产生的游离 其条件是光子的能量不小于游离能 光游离是起始带电粒子的主要来源 具有分级游离的特点 3 热游离 在高温 温度达104k0 作用下发生的游离 热游离不是一种单独的游离形式 是碰撞游离和光游离的综合 3 负离子的形成 能够俘获电子与之结合成一个呈现负电性的分子称为具有电负性 例如 水分子 SF6等 4 金属表面游离 金属中的电子摆脱金属表面的位能势垒的束缚成为自由电子的过程 其条件是电子的能量不小于金属的逸出功 金
7、属的逸出功要比气体的游离能低 所以金属表面游离是气体放电起始电子的主要来源 包括光电子发射 热电子发射 强电场发射和二次发射 日光灯中起始带电粒子来源于热电子发射 二 带电粒子的消失 1 进入电极并中和电量 所有物质的电子都是相同的 但不同物质的正离子是不同的 所以 电子可以进入电极中和电量 而正离子是靠其能量打 拉出电子与之复合 2 复合 正负带电粒子碰到一起重新形成中性质点的过程 影响复合的主要因素是带电粒子之间的相对运动速度和浓度 带电粒子在固体表面相对运动速度较慢 容易复合 灭弧栅也利用了这一点 3 扩散 带电粒子从浓度高的区域向浓度低的区域运动 磁吹避雷器 空气断路器等都利用了这一点
8、 一 补充的基本概念1 放电 在电场的作用下由于游离使流过电介质电流增大的现象 2 击穿 电介质在电场作用下丧失其绝缘性能 形成沟通两极的放电 3 击穿电压 使电介质失去其绝缘性能所需要的最低 临界 外加电压 4 击穿场强 在均匀电场中 使电介质失去其绝缘性能所需要的最低 临界 外加电场强度 5 绝缘强度 电介质不失去其绝缘性能所能承受的最高 临界 外加电场强度 6 绝缘水平 电气设备出厂时保证承受的试验电压 三 伏安特性曲线 伏安特性曲线 电介质在电场作用下 流过电介质的电流与外加电压的关系曲线 放电管中形成一个低气压 短间隙 均匀电场 外界游离因素 1 试验 B U UA A I 0 UB
9、 UC C O A段 电流随着电压的升高而增大 但此时电流很小 饱和电流密度为10 19A cm2的数量级 电阻率达1022 m 空气处于良好的绝缘状态 流过间隙的电流为泄漏电流 B点以后 电流为微安级 C点以后 流过间隙的电流急剧加大 由于回路中串联了保护电阻 此时放电管两端的电压略有下降 2 伏安特性曲线 R U 外界游离因素 代表电子 代表气体分子 G 3 分析 U I 0 1 O A段 B UB B C段 R 代表电子 代表气体分子 G U UA A I 0 放电与漏电的区别在于是否发生游离 C点以后 四 汤逊理论 20世纪初 汤逊从均匀电场 低气压 低于26 66kpa cm 短间隙
10、气隙的气体放电实验出发 总结出较系统的气体放电理论 汤逊理论的实质是电子崩理论 汤逊理论 六 汤逊理论的适用范围 汤逊理论适用于低气压 短间隙 均匀电场 间隙的划分 2cm以下的为短间隙 2 100cm为一般间隙 100cm及以上的为长间隙 汤逊理论解释不了一般间隙 标准大气压下气隙的放电 1 按汤逊理论计算的击穿电压比实际值高 2 按汤逊理论计算的击穿所需时间比实际值长 3 一般间隙的击穿电压与阴极材料无关 4 放电形状不同 1 空间电荷分布及对电场的畸变 汤逊理论没有考虑空间电荷对电场的畸变 七 流注理论 流注理论认为 发生光游离并形成流注的条件就是发生自持放电的条件 是纯空间问题 所以与
11、阴极材料无关 汤逊理论也没有考虑光游离 2 流注理论 108 流注发展的速度为3 4 108cm s 电位梯度为5 20kV cm 因为汤逊理论没有考虑空间电荷对电场的畸变和光游离对放电的影响 流注理论对标准大气压 一般间隙的气体放电现象进行了解释 七 先导主放电理论 流注停顿形成先导 先导分级向前发展 流注最后一次停顿后形成主放电 主放电阶段产生了闪电和雷声 但仅有30 的电荷复合掉 70 的电荷在余辉阶段复合 五 巴申特性曲线 是关于气隙的击穿电压与气体压力及极间距离两者乘积的关系曲线 A点左侧 1 p一定 s减小 外加电压一定 p一定 自由行程一定 s减小 电场强度加大 所以积累的能量加
12、大 游离率提高 p一定 s减小 碰撞次数减少 其幅度比游离率增大的幅度大 所以总游离数降低 击穿电压提高 2 s一定 p减小 同上 A点右侧 1 p一定 s增大 外加电压一定 p一定 自由行程一定 s加大 电场强度减小 所以积累的能量减小 游离率降低 p一定 s增大 碰撞次数增多 其幅度没有游离率下降的幅度大 所以总游离数降低 击穿电压提高 2 s一定 p增大 同上 八 不均匀电场中气体的放电 电场的不均匀系数f等于气隙中最大场强EMAX与平均场强Eav的比值 f2时是极不均匀电场 1 击穿电压2 电晕起始电压3 放电不稳定区 球隙的放电特性与极间距离的关系 一 电晕 极不均匀电场中特有的气体
13、放电现象 电晕是划分普通高压与超高压的依据 是划分均匀 稍不均匀 电场和极不均匀电场的依据 1 电晕具有的效应 1 声 光 热效应 2 消耗能量 3 对无线电产生干扰 4 产生化学反应 5 产生 电风 2 能够引起电晕的电压称为起晕电压 起晕电压与电极的曲率半径有关 而与间隙距离关系不大 半径越小 起晕电压越低 导线 板气隙的工频击穿电压 有效值 与气隙距离的关系 点划线 均匀电场气隙 1 导线直径D 0 5mm 2 D 3mm 3 D 16mm 4 D 20mm 虚线 尖 板气隙 500kV四分裂导线 二 极性效应 1 极性效应 不对称极不均匀电场中曲率半径小的电极所带电荷极性对击穿电压的影
14、响 引出 同一个针对板的不对称极不均匀电场 极间距离为4cm 当针极为正时 击穿电压是35kV 当针极为负时 击穿电压是80kV 而针对针的对称极不均匀电场 极间距离是4cm时 击穿电压为45kV 为什么会有这么大的区别 2 分析 针极为正 板极为负 针极附近产生的电晕 带电粒子定向运动 正离子向板极运动 由于速度慢 就在针极附近形成电荷积累区 使未游离区的电场强度增大 而导致击穿电压降低 试验数据 1 均匀电场的击穿场强为30kV cm 极不均匀电场的平均击穿场强为5kV cm 随着间隙距离的增大 击穿电压随着增大 但击穿场强是随着降低的 因为击穿电压的增加速度没有距离增加的速度快 2 在极
15、不均匀电场的情况下 不管棒 板间隙或是不同直径的球 板间隙 击穿电压和距离的关系曲线都比较接近 就是说 在极不均匀电场中 击穿电压主要决定于间隙距离 而与电极形状的关系不大 因此在工程实践中常用棒 板或棒 棒这两种类型间隙的击穿特性曲线作为选择绝缘距离的参考 3 在工频电压作用下 棒 板间隙的击穿总是发生在棒的极性为正 电压达幅值时 并且其击穿电压 幅值 和直流电压下的正棒 负板的击穿电压相近 棒 棒间隙的平均击穿场强为3 8kV 有效值 cm或5 36kV 幅值 cm 棒 板间隙稍低一些 约为3 35kV 有效值 cm或4 8kV 幅值 cm 九 冲击电压下气隙的击穿特性 我国国家标准规定的
16、雷电冲击电压标准波形为T1 1 2us 30 T2 50 20 us 通用符号为1 2us 50us 直击雷的雷电流波形为10 350us 感应雷和传导雷的雷电流波形为8 20us 1 标准波形 T1说明雷电流上升的陡度 反映电磁感应的强烈程度 就是说T1越小 di dt就越大 kA s的值越大 那么瞬间雷电流就越大 它的电磁感应强 T2说明雷电所含的电荷数量 反映雷电的能量 从T2时间画一条直线 波形曲线下的阴影的面积通过积分计算 就可算出电荷量和能量 T2时间越长 则阴影的面积越大 那么电荷量和能量就越大 二 放电时延 击穿时间 t t0 ts tft0为升压时间 ts为统计时延 tf为放电发展时间 三 伏秒特性 在同一波形 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称为间隙的伏秒特性曲线 工程上常用它来表征间隙在冲击电压下的击穿特性 1 曲线的作出 2 伏秒特性曲线的配合 保护设备要保护被保护设备 其伏秒特性曲线必须完全位于被保护设备伏秒特性曲线的下面 四 50 冲击放电电压与2us冲击放电电压 U50 的含义是在该电压作用下 气隙击穿和不击穿的概率各为
