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1、高电压技术 高电压技术作为工程技术中的一门学科是因为大功率 远距离输电的发展而产生的 电气工程学科的5个二级学科之一 特高压电网与高铁一样是中国工程技术界的两大靓丽的名片 学科介绍 电网电压的发展历史 1 1891 1920年低压 100V 220V 380V高压 10kV 15kV 35kV 110kV 220kV存在的主要问题 雷击引起了大气过电压解决 发展了避雷针 线 器 且多用于市区网络或近距离的输电 lightningrod Agroundedmetalrodplacedhighonastructuretopreventdamagebyconductinglightningtothe
2、ground Arrester Aprotectivedeviceforelectricalequipmentthatreducesexcessivevoltageresultingfromlightningtoasafelevelbygroundingthedischarge 2 1950 1965年发展了330kV 500kV 750kV的超高压主要问题 内部过电压 电晕损耗增大 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式 其电流强度不取决于电源电路中的阻抗 而取决于电极外气体空间的电导 只可能在电极附近的一个狭小区域内进行 如架空输电线路导线间 解决 能够限制内部过电压的避雷器 采用
3、分裂导线 3 1970 出现了100kV及以上特高压美国 1990年建成了1500kV 前苏联 1984年建成西伯利亚 乌拉尔1150kV 日本 1993年建成了新泻 山梨的1000kV线路 中国 特高压网络投入大规模商业运行 唯一 我国第一条特高压线路 2009年1月投入运行 特高压电网规划方案 1000千伏特高压线路的输电能力超过500万千瓦 是500千伏线路的5倍 800千伏直流特高压的输电能力达700万千瓦 是 500千伏超直流线路输电能力的2 4倍 1 提高绝缘能力电压等级提高 需要相应的高压电气设备 要对各类绝缘电介质的特性及其放电机理进行研究 其中气体放电机理是基础 电介质理论研
4、究 介质特性 放电过程研究 放电机理 高电压试验技术 高压产生 测量 检验 分预防性和破坏性 研究内容 2 降低过电压雷击或操作 暂态过程 产生高电压 绝缘破坏 故障 防止破坏 恢复 研究过电压的形成及防止措施 高电压种类 大气过电压 内部过电压 操作过电压 暂时过电压3 绝缘配合使作用电压的数值 保护电器的特性和绝缘的电气特性之间相互协调以保证电气装置的可靠运行与高度经济性 发展动态 高电压领域中采用的新技术则包括利用电子计算机计算电力系统的暂态过程和变电所的波过程 采用激光技术进行高电压下大电流的测量 采用光纤技术进行高电压的传递和测量 采用信息技术进行数据处理等 这一切构成了高电压技术近
5、年来发展的一个重要方面 此外高电压技术对于进一步发展超高压 特高压输电继续起着重要的推动作用 一些国家正在沿着传统的 外沿发展模式 继续开展更高一级电压 例如1500 1800千伏特高压输电的科研工作 第一篇电介质的电气强度 一切电介质的电气强度都是有限的 超过某种限度 电介质就会逐步失去原有的绝缘性能 甚至演变为导体 1 弱电场下主要是极化 电导 介质损耗等 2 强电场下 主要有放电 闪络 击穿等 气体放电的基本物理过程 第一章 研究目的 1 了解气体在高电压 强电场 的作用下逐步从电介质演变为导体的过程 2 掌握气体介质的电气强度及其提高方法 输电线路以气体作为绝缘材料 变压器相间绝缘以气
6、体作为绝缘材料 1 气体中带电质点的产生和消失 一 带电粒子在气体中的运动当气体中存在电场时 粒子进行热运动和沿电场定向运动 如图1 1所示 自由行程长度 粒子在气体中运动时不断地互相碰撞 任一粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关 单位行程中的碰撞次数的倒数即为该粒子的平均自由行程长度 粒子自由行程长度 随机变量 大于或等于某一距离x的概率为 实际自由行程长度大于平均自由行程长度的概率为 36 8 电子的自由平均行程长度为 在大气压与常温下 电子在空气中的平均自由行程长度的数量级为10 5cm 带电粒子的迁移率 带电粒子在电场力的驱动下 将沿电场方向漂移 其速度和场强
7、成正比 比例系数称为迁移率 电子的迁移率远大于离子 扩散 粒子从浓度大的区域运动到浓度小的区域 从而使粒子浓度的分布均匀化 这种物理过程称为扩散 电子扩散的速度大于离子 二 带电粒子的产生 碰撞电离 电子碰撞 光电离 热电离 表面电离 阴极表面 产生带点粒子的过程称为电离 它是气体放电的前提 电离的关键 足够的能量 激励能与电离能 均以电子伏表示 电子的电量恒等于1 6 10 19C 所以 往往用激励电位与电离电位来表示激励能与电离能 三 负离子的形成 中性分子或原子与电子相结合 将放出能量 亲和能 这种气体称为电负性气体 如SF6 大 易形成负离子 负离子现象对气体放电的发展起抑制作用 四
8、带电粒子的消失 中和受电场力作用流入电极 中和电量 扩散带电粒子由高浓度区向低浓度区移动 使空间各处的浓度趋于均匀的过程 由热运动造成 复合带有异号电荷的粒子相遇 发生电荷的传递 中和而还原为中性粒子的过程 1 2电子崩 汤逊理论 电子在气体中发生碰撞电离时的链式反应发展过程 一个电子在电场作用下由阴极向阳极运动时 将与气体原子 或分子 碰撞 如果电场很强 电子的能量足够大时 会发生碰撞电离 使原子分解为正离子和电子 此时空间出现两个电子 这两个电子又分别与两个原子发生碰撞电离 出现4个自由电子 如此进行下去 空间中的自由电子将迅速增加 类似于电子雪崩 故名电子崩 S x n0 n dx na
9、 抵达阳极的电子数为 改写成电流形式为 电子碰撞电离系数的计算 电子平均自由行程长度 电离电位 平均自由行程长度正比于气温T 反比于气压p 则有 1 3自持放电条件 自持放电 不需要外界游离因素存在 放电也能维持下去 自持放电条件可表达为 为正离子的表面游离系数 其含义为 一个正离子到达阴极 撞击阴极表面产生游离的电子数 在ps乘积较大时 用汤逊理论无法解释的几种现象 a 击穿过程所需时间 实测值比理论值小10 100倍 b 按汤逊理论 击穿过程与阴极材料有关 然而在大气压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关 c 按汤逊理论 气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展 但在大气中击穿会出现有分枝的明
10、亮细通道 1 4起始电压与气压的关系 表达式 由汤逊理论推导 P 气体压力S 极间距离 表征均匀电场气体间隙击穿电压 间隙距离和气压间关系的定律 1889年由F 帕邢根据平行平板电极的间隙击穿试验结果得出 击穿电压出现极小值 由曲线可见 提高气压或是降低气压到真空都能提高间隙击穿电压 这概念在实际应用中是有意义的 帕邢定律在一定范围有效 气压过高或高真空中 放电过程不能用汤森理论 帕邢定律也不适用 1 5气体放电的流注理论 汤逊理论适用范围 低气压 短气隙 流注理论认为电子的碰撞游离和光游离是形成自持放电的主要因素 并强调空间电荷畸变电场的作用 适用范围 可以用来解释一些在高气压 长气隙下出现
11、的放电现象 放电过程 电场畸变 出现流注 空间光电离 流注 电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区 二次电子崩 以及它们不断汇入初崩通道的过程 3 出现流注的条件 初崩头部的空间电荷数量必须达到某一临界数值 对均匀电场来说 出现流注的条件是 1 6不均匀电场中的放电过程 不均匀电场 稍不均匀电场 极不均匀电场 放电特征与均匀电场类似 一旦出现自持放电 便会导致气隙被击穿 曲率半径较小的电极附近首先放电 出现电晕 由于电场不均匀 在电极附近发生的局部放电 电晕的定义 电场不均匀系数 均匀电场 稍不均匀电场 极不均匀电场 电晕起始场强的计算 皮克公式 导线半径 为什么天气不好时更容易出现电晕
12、 电晕危害 1 能量损耗 2 电磁干扰 3 产生可闻噪声 如何降低电晕危害 采用分裂导线 从线路输送能力来看 增大分裂距有利于提高输送容量 极不均匀电场中的放电过程 1 正棒 负板 空间电荷导致棒极附近的电场畸变 有利于放电的发展 2 负棒 正板 空间电荷导致棒极附近的电场畸变 不利于放电的发展 1 7放电时间和冲击电压下的气隙击穿 间隙击穿要满足三个条件 a 一定的电压幅值 b 气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子 c 需要有一定的时间 让放电得以逐步发展 并完成击穿 放电时间 放电时延 放电形成时延 冲击电压波形的标准化 雷击冲击电压波形的标准化 冲击电压下的气隙击穿特性 5
13、0 冲击放电电压U50 u击 50 p 50 冲击放电电压与静态放电压的比值称为绝缘的冲击系数 4 伏秒特性 1 定义 同一波形 不同幅值的冲击电压下 间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线 2 曲线求取方法 3 电场均匀程度对曲线的影响 不均匀电场由于平均击穿电场强度较低 而且流总是从强场区向弱场区发展 放电速度受到电场分布的影响 所以放电时延长 分散性大 其伏秒特性曲线在放电时间还相当大时 便随时间之减小而明显地上翘 曲线比较陡 均匀或稍不均匀电场则相反 由于击穿时平均场强较高 流注发展较快 放电时延较短 其伏秒特性曲线较平坦 4 实际意义 S1被保护设备的伏秒特性曲线 S2保护设备的
14、伏秒特性曲线 1 8沿面放电和污闪事故 什么叫沿面放电 沿着固体介质表面的气体发生的放电 固体介质表面干净 闪络和污闪 沿面放电跨接了固体介质的两极 称为闪络 沿污染表面发生的闪络称为污闪 1沿面放电的一般概念 绝缘子一般一极接地 一极接高电压 两极之间绝缘功能丧失的两种情况 固体介质本身被击穿 闪络 2沿面放电的类型与特点 界面电场分布的三种典型情况 1 固体介质处于均匀电场中 且界面与电力线平行 注 气体介质与固体介质的交界称为界面 2 固体介质处于极不均匀电场中 且电力线垂直于界面的分量比平行于界面的分量大得多 类似套管 3 固体介质处于极不均匀电场中 且电力线平行于界面的分量以垂直于界
15、面的分量大得多 类似支持绝缘子 均匀和稍不均匀电场中的沿面放电 放电特点 放电发生在沿着固体介质表面 且放电电压比纯空气间隙的放电电压要低 固体介质与电极表面没有完全密合而存在微小气隙 介质表面易吸收水分 形成一层很薄的膜 水膜中的离子在电场作用下向两极移动 易在电极附近积聚电荷 使电场不均匀 介质表面电阻不均匀和表面的粗糙不平使电场分布不均匀 极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电 1 放电发展特点 电晕放电 细线状辉光放电 滑闪放电 闪络 法兰 flange Flange Aprotrudingrim edge rib orcollar asonawheelorapipeshaft us
16、edtostrengthenanobject holditinplace orattachittoanotherobject 极不均匀电场且垂直分量很弱时的沿面放电 平均闪络场强大于有滑闪放电时的情况 3沿面放电电压的影响因素和提高方法 A 固体介质材料 B 界面电场型式 如何提高套管的闪络电压 a 减少套管的体积电容 如增大固体介质厚度 加大法兰处套管的外经 b 减少绝缘的表面电阻 如在套管近法兰处涂半导体漆或半导体釉 采取各种措施防止法兰处过早出现滑闪放电 4固体介质表面有水膜时的沿面放电 绝缘子在雨下的三种可能闪络路径 沿湿表面和干表面发展 沿湿表面和空气间隙发展 沿湿表面和水流发展 5绝缘子染污状态下的沿面放电 户外绝缘子 会受到工业污秽或自然界盐碱 飞尘等污染 在干燥时 由于污秽尘埃电阻很大 绝缘子表面泄漏电流很小 对绝缘子安全运行无危险 下大雨时 绝缘子表面容易被冲洗干净 对绝缘子的安全运行也没有影响 而大气湿度较高 或在毛毛雨 雾等气候下 污秽尘埃被润湿 表面电导剧增 使绝缘子的泄漏电流剧增 降低闪络电压 污闪过程 污闪电压 绝缘子表面有湿污层时的沿面闪络电压 在雾 露天
