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1、高电压技术 李青青liqinqing03 机械与控制工程学院 本课程的性质和要求 课程类别 专业课课程性质 限选课学时要求 理论 32学时考核要求 平时出勤 作业及听课表现共计30分 无故缺席3次以上无平时成绩 期末考试70分 绪论 一 高电压技术的研究对象 一对矛盾 作用在电气设备上的电压 电气设备承受电压的能力 工作电压 耐受正常工作电压 耐受过电压 雷电过电压 内部过电压 过电压 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 二 本课程的主要内容分为三篇 第一篇各类电介质在高电场下的特性第二篇电气设备绝缘试验技术第三篇
2、电力系统过电压与绝缘配合 三 高电压技术课程的特点和要求高电压技术课程是一门实践性很强的学科 用微观的概念解释宏观现象 所以比较抽象 另外 这个理论还处在发展中 发展不完善 所以一些规律的东西常需用试验数据或经验公式去表示 我们学习中需要注意这些特点 通过学习本课程 使学生获得各种电介质的绝缘特性和提高抗电强度方法的知识 了解高电压试验设备原理 掌握电气设备绝缘的测试原理和分析方法 掌握电力系统过电压的产生以及对过电压防护措施 理解电力系统中绝缘配合的原则 教材与参考资料文远芳主编高电压技术华中科技大学出版社周泽存主编高电压技术中国电力出版社赵智大主编高电压技术中国电力出版社 第一篇各类电介质
3、在高电场下的特性 第一章气体的放电基本物理过程和电气强度一 气体放电的主要形式简介1 几个概念击穿电压Ud或闪络电压Uf 发生击穿或闪络的最低临界电压击穿场强Ed 均匀电场中的击穿电压 间隙距离平均击穿场强Ed 不均匀电场中的击穿电压 间隙距离击穿场强是表征气体间隙绝缘性能的重要参数 2 一气体放电的一般分类根据电源容量 气体压力 电极形状不同 分为辉光放电 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 如节日彩灯等火花放电 在大气压力下 电源功率较小时 间隙间歇性击穿 放电通道细而明亮 电弧放电 大气压力下 电源功率较大时 放电具有明亮 持续的细致通道 电晕放电 极不均
4、匀电场中 高电场强度电极附近出现发光薄层 二 气体中带电质点的产生与消失 一 激励和游离的概念产生带电质点的物理过程称为游离 是气体放电的首要前提 激励 当原子获得外部能量 一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象 激励需要外界给原子一定的能量 称为激励能 激励这种状态非常不稳定 电子在高能量的轨道上只能呆很短的时间 随后便回到原来的轨道上去 此时它会将激励过程中吸收的能量以光子的形式释放出去 即对外发生光辐射 2 游离 若原子从外界获得的能量足够大 以致使一个或多个电子摆脱原子核的束缚形成自由电子和正离子 这一过程称为游离 二 气体间隙中带电质点的产生气体分子本身的游离 空间游
5、离 1 碰撞游离 气体中带电质点在电场中获得加速后和气体分子碰撞时 把动能传给后者引起游离 自由行程 一个带电质点在两次碰撞之间自由通过的平均距离 自由行程与分子密度有关 分子密度越小自由行程越长 越容易获得足够的动能发生碰撞游离 2 光游离所谓光游离是指由于光辐射引起的原子或分子游离W hv hc h 普朗克常熟v 光子频率 波长通常我们看到的可见光不会发生光游离 只有一些短的才会发生光游离 比如 宇宙射线 射线等 3 热游离气体在热状态下引起的游离过程称为热游离 所谓热游离并不是一种新游离 它实质上是在热状态下发生的碰撞游离和热辐射下引起的光游离 这两种游离结合起来形成热游离 气体分子的平
6、均动能 W 3 2kTT 气体温度K 波尔茨曼常熟 1 38 10 232 气体中金属表面的游离指阴极发射电子的过程 也称电极表面游离 当逸出功 游离能时 阴极表面的电离可以发生在下列几种情况下 正离子撞击阴极表面 正离子撞击阴极表面时把它的能量传递给阴极表面里的电子 使电子能溢出阴极表面 一个与正离子中和 其余电子沿电场方向向正极板走 可能发生新的游离过程 短波光照射 用波长比较短的强光 对阴极表面照射 也能使电子逸出阴极表面 这种现象称为光电效应 强场放射 指阴极表面的电场非常强时 也可以把阴极表面的电子释放出来 热电子放射 即加热阴极表面 当温度达到一定程度以后 会向外释放电子 这种现象
7、称之为热电子放射 气体中带电质电的产生与消失影响着气体放电的发展过程 前者促进放电发展 后者阻碍放电发展 三 带电质点的消失带电质点的消失可能有以下几种情况 1 与两电极的电量中和 带电质点受电场力作用定向运动 正 负极板运动 负 正极板运动 在到达电极时 消失在电极上 而形成电路中的电流 因此气隙中的带电质点减少 2 扩散 主要是由热运动引起的 热运动会使带电质点从高浓度区向低浓度区移动 使空气间隙里各个地方的带电质点的浓度趋于一致 这种现象称之为扩散 3 复合 异号电荷相遇 发生电荷的传递而还原为中性质点的过程 复合主要指正负离子之间 第一节汤逊理论和流注理论 一 均匀电场中气体击穿的发展
8、过程1 自持放电与非自持放电 非自持放电 依靠外电离因素的作用而维持的放电 自持放电 仅需外加电场的作用就能维持的放电 C点以后 电压达到某一临界值U0 气体被击穿 处于导通状态 由绝缘状态 良导体均匀电场中 U0即击穿电压Ub 不均匀电场中 U0为起始电晕电压 当UU0时 此时气体放电不需要外界游离因素 故为自持放电 oA段 随着U升高 带电质点运动速度增大 AB段 电流趋于饱和 因为带电质点已全部落入电极 形成外电路的电流 此时电流去取决于外界电离因素而与电压无关 BC段 发生电子碰撞电离 产生大量带电质点 所以随着U I 二 汤逊理论 汤逊气体放电理论 1 过程 1 电子崩的形成 电子数
9、按几何级数不断增多 像雪崩似的发展 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 系数 一个电子沿着电场方向行经1cm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 令n0 1 x d 则 即为一个电子走完全程产生的电子数目 I0为外电离因素引起的初始电流 如果I0 0 则I 0 即如果去掉外界游离因素 则气体的放电就停止了 所以说 只有 过程 放电不能自持 2 过程正离子碰撞游离系数 一个正离子沿着电场方向行径1cm长度 平均发生的碰撞电离次数 也称之为汤逊第二游离系数 正离子在
10、运动时 不易积累能引起碰撞游离的能量 因而 值极小 在分析时可予忽略3 过程正离子表面电离系数 表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子 使阴极金属释放出的自由电子数 自持放电条件 一个电子走完全程以后 所产生的正离子到达阴极以后 只要它撞出来的电子数目大于等于1 就可以抵偿到刚消失的那个电子 放电就能达到自持 三 巴神定律当气体成分和电极材料一定时 气体间隙击穿电压是气压和极间距离乘积的函数 Ub f pd 式中P 气压 Pa d 极间距 cm 对应于某一pd值 气体间隙的击穿电压最低 即Ud有极小值 原因 为使放电达到自持 电子从阴极到阳极的整个行程中需完成足够多次数的碰撞游离 巴神定律试验曲线
11、图 巴申定律曲线呈U型 可解释如下 1 当d一定时P 电子动能 气体游离能力 击穿电压Ub 反之P 碰撞次数 击穿电压Ub 2 当P一定时d 要维持足够的电场强度 必须升高电压反之d 当与平均 可比拟时 电子走完全程中的碰撞次数 Ub 由巴申曲线可知 当极间距离d一定时 提高气体压力p或降低气体压力到真空 都可以提高气隙的击穿电压 这一概念具有十分重要的意义 汤逊理论的适用范围及局限性汤逊理论可以较好的解释低气压 短间隙 均匀电场中的放电现象 即pd较小时 但是在解释大气压长间隙放电过程时 汤逊理论就不适用了 发现有以下几点实验现象无法全部在汤逊理论范围内给予解释 放电外形 在低气压小间隙中气
12、体放电主要是辉光放电 但是在大气压下做实验时我们发现能够看到细而明亮的放电通道 但是带有分支 放电形状不一样 放电时间 在大气压下我们测得的击穿时间要比汤逊理论中小10 100倍 阴极材料的影响 在大气压力下做实验 我们发现击穿电压与阴极材料没有关系 当气体间隙 气体性质一定时 击穿电压就一定 造成汤逊理论不能解释大气压力下放电现象的主要原因 汤逊理论没有考虑游离出来的空间电荷对外电场的畸变作用 汤逊理论没有考虑光子在放电过程中的作用 四 流注理论该理论认为 电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素 并且强调了空间电荷对电场的畸变作用 放电过程 电子崩 流注 击穿1 电子崩 初始电子
13、崩以后 大大加强了崩头和崩尾的场强 而在两个强电场区域之间出现一个电场强度很弱的区域 则电场强度不再均匀 这些光子使附近气体因光电离而产生二次电子 他们在正空间电荷所引起的畸变和加强了局部电场作用下 又形成了新的电子崩 叫二次崩 图1 6流注的形成与发展 2 流注的形成在主崩形成以后 在正负电荷交接处 电荷密度最大 电场强度最弱 这时极易发生复合现象 子崩的头部带负离子 它们会被主崩崩尾的正离子吸引 而靠近主崩 然后头部的自由电子就进入到主崩里面形成流注通道 流注通道导电性良好 其头部又是二次电子崩形成的正电荷 因此流注头部前方出现很强的电场 产生新的电子崩 从而使流注向前发展 3 击穿 随着
14、流注通道向阴极移动 即等离子体向阴极移动 当这个通道贯穿对极以后 就形成一个等离子通道 从而导致气隙击穿 放电为火花放电或电弧放电 所以流注理论与汤逊理论最大的不同就是它考虑了空间电荷畸变电场形成二次崩 二次崩靠近主崩形成等离子体 良导体 一旦等离子通道贯穿两极 就会造成间隙被击穿 这就是流注理论的基本理论 4 自持放电条件 即流注的形成 足够的空间光电离 主崩头部空间电荷的数量达到某一个值 一般认为当 d 20 e d 108 便可以认为满足条件 使流注得以形成 空间光电离可以维持放电 其中 没有实际的物理意义 只是一个定义的常数 与汤逊理论中的 不同 5 适用范围和局限性在高气压 长气隙情
15、况下 放电外形 放电时间 阴极材料流注理论适用于高气压 大气隙情况下 即pd较大的情况 汤逊理论与流注理论相互补充 可以说明广阔的pd范围内的放电现象 小结 无论是均匀电场还是不均匀电场 放电都是逐渐发展的 都是由非自持放电转入自持放电 解释维持自持放电的气体放电理论有汤逊理论与流注理论 前者强调表面游离的作用 后者强调空间电荷对电场的畸变与空间光游离的作用 前者可定量分析 巴申定律 后者只是定性分析 前者适用于解释均匀电场 短间隙 低气压的情况 后者适用于解释长间隙 不均匀电场 大气压下的情况 要求 简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程 电离因素以及自持放电条件的观点有何不同 并说明这两
16、种理论各自的适用范围 解释电气放电过程的 系数 第二节不均匀电场中的放电过程 电气设备的绝缘结构的电场大多数都是不均匀电场 不均匀电场分为稍不均匀电场和极不均匀电场 一 稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点 放电具有稍不均匀场间隙的特点 击穿电压与电晕起始电压相同 放电过程不稳定 分散 属于过渡区 放电具有极不均匀场间隙的特点 电晕起始电压明显低于击穿电压 有实验可知 随着电场不均匀程度增加 放电现象不同 电场越是不均匀 两球间距离越大 电场越不均匀 击穿电压和电晕起始电压之间的差别也越大 均匀电场 放电达到自持 间隙即将被击穿 击穿前看不到放电现象 稍不均匀电场 与均匀电场相似 虽然电场不均匀 不存在稳定的电晕放电 电晕一旦发现 气隙立即被击穿 如2D d 4D时 极不均匀电场 若果电场的不均匀程度导致存在稳定的电晕放电 如d 4D以后 就称为极不均匀电场 具有两大基本特征 电晕放电 极性效应 电场的均匀系数f等于气隙中最大场强Emax与平均场强Eav的比值其中通常对均匀电场f 1 当f4时就明显属于极不均匀电场 U 为极间电压 d 为极间距离 典型的不均匀场 棒 棒电极 对称的 棒
