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1、高电压和绝缘技术中的几个基础问题SomeFundamentalAspo etsofH igh一Voltag eandInsulatio nTeehniques国家自然科学墓金会华中理工大学王幽林李正淑摘要本文讨论了当前国内外高电压和绝缘技术基础研究的现状和发展趋势以及主要的研究课题,并 对我国今后高电压和绝缘技术基础研究应加强的若干方面提出了分析意见。Abstra etDeseri bedinthispape r15thede v elopmentofsomefundamentalaspeetsofhigh一voltageandin sulatio nte ehnique sa ndsomef
2、iel dsforthefuturere se a reharepr opo sed.关锐饲高电压绝缘基础研究介质放电击穿Keywordshighvoltageins ulationfundamentalrese a r ehd ieleetriesdis ehar gebre ak down1前盲高电压是个相对的概念,是针对某种极端条件下 的 电磁 现象而言,并不 意味着在电压数值上具有某一确定的划分界限。它 的存在完全依赖于电介质及其系统,因此高电压和绝缘是一个不可分割的整体。高电压和 绝缘技术的基本任务是研究高电压 的获得和高电压(电场)下电介质及其系统的行为和应用。人类对高电压现象的关
3、注已有悠久的历史,但作为一 门独立的科 学分支是本世纪初 逐渐形成的。4 0年代以后,由于 电力系统输送容量 的扩大,电压 水平 的增高以及 原子物理、技术物理等学科的进步,高电压和 绝缘技术加快了发展 速度。6 0年代 以来,受特高压、超高压输电和新兴科学技术发展 的推动,进展更加迅速。到近 代,已冲 出了原有的传统 范 围,丰富了研究内容,生长 出许多新的分支,扩大了应用领域,现已成为电工学科的一个重要组成部分。尽管如此,由于高电压 现象物理本质的复杂性,至今许多理 论尚不成熟。因此,在理论探讨方面,仍然是世人瞩 目的课题。高电压技术的发展走过 了从现象观测实验研 究理论探讨 的漫长道路,
4、概括 起来具有以下几个主要特点:(1)实验性强。实验和分析表明,影响电介质在高电压下行为的因素甚 多。因此,根据特定条件所得出的理论,通常具有较大的局 限性。为了获得 具有普遍意义 的结果,需要从大 量 的实验结果中抽取 出反映本质的 因素。缺少这个由浅 入深,由表及 里 的研究过程,基础理论 的水平难以提高。从这个意义 上说,实验的重要性在本学科 的发展中是 至关重要的。(2)理论性强。由于放电和击穿是发生在非限定空间的一 种导 电现象,其内在规律无法 从“路”的观点来描述,只能从 易受多种因素制约 的“场”的理论出发,由于过 程复杂,致使表征其内在规律的理论基础至今尚不成熟,而且带电粒子
5、的行为与物质性质和状 态关系密切,这就更增加了理论探讨的难度。所以,长期以来理论研 究一直沿着从宏观半微观微观 的方向逐步 深化。因此,不可避免地和 电磁场理论、气体动力学、基 础热力学、电介质物理、等离子体物理、电碱流体力学、统计物理等具有十分密切的联系。(3)交叉性强。在吸收其他新兴 学科的最新成就促进自身不断发展的 同时,高电压技术也在不 断地 向其他学科渗透并成为开拓新兴科学技术不可缺少的理论 和技术基础,高功率脉冲技术的 出现就是个 突出的实例。高电压技术的研究范围,主要包括以下两个部分:(1)根据需要如何人 为地获得预期 的高电压。在电力系统 中,几十万伏以上 的高电压是 电能大容
6、量、远距离经济输送不可缺少 的技术条件,而绝缘和按一定要求组成的绝缘系统(通常称为绝缘结构)是支撑高电压的基础,其可靠性在很大程度上决定了整个电力系统的经济性。在新兴科学技术中,对高电压的具体要求更加苛刻。因此,它是高电压技术中的核心研究内容。(2)如何得知由于随机干扰因素(电磁能量转换,雷击等)引起的非正常过 电压 的特性和变化规律以便采取对策。通常,该值比正常值高几倍甚至更高,对运行中的 电力设备构成致命的威胁,严 重时可一导致放 电或击穿,造成停电和 设备损坏。据估计,一台工作电 压为soo kV,额定电流2.5一3.o kA,开断电流63 kA,总开断时间小于0.06:,冲击耐压水平1
7、8 0 0 kV的S F6全封闭组合电器(GIS )估价为25 0 30 0 万元,一旦损坏不但直接经济损失巨大,而且由于停电造成的 间接损失更加 可观。据计算,一台60 0MW的机组停电1 h,少发电6 0 万度,合3.6万元(每度按6分计),给国民经济造成的间接损失约为1 20万元。从电力建设上看,提高输电电压,输变电设备绝缘部分 占总造价的比重也相应提高,为了降低造价,需要将可能出现的过电压峰值,所采取的过电压限制措施的能力和绝缘所能承受的能力三者恰当地配合,为此必须依赖高电压和绝缘技术的基础知识。由此可见,高电压与绝缘技术在电力工 业和新兴科学技术中占有十 分重要的地位,研究价值和意义
8、是显而易见的。高电压技术的理论基础是电介质的放电和击穿理论及其相关理论。电介质按其状态分为气、固、液三种。前两种在高电压绝缘技术中占绝大部分,而且从发展上看,气体介质在许多方面已显示出将逐渐取代液体介质的趋势(个别除外)。不同状态 的介质在高电压(电场)作用下具有不同的行为和表现。对于气态介质,由于气体放电通常是在非限定空 间进行,强 电场解除后,放电通道随即消失,基本不留痕迹,介电性质可迅速恢复;固体介质的击穿路径是随机的,事先无法预计,击穿后介质上留下永久性痕迹,介电性质不再恢复;液体介质的特性介于气体和固体之间,击穿之 后通道路径是非永久性的,在一定限度内介电性质可 以恢复但速度较气体介
9、质为慢。气体放电的形 式和特性除介质本身性质外,还与外加电压 的种类(交流、直流、冲击)和参数以及非限定空 间的状态(包括电极状况)和环境条件(压力、温度、湿度、杂质一)等有着十分密切 的依赖关系。经过世人长期的探索,在阐明气体放电宏观特性和微观机理的关系方面主要提出了Town sen d和S tre ame r两种近似理论。本世纪中叶 以来,在推进和发展这两种放电理论 的研究中遇到了较大 的困难,至今进展甚微,仍然是今后高电压技术领域十分重要的前沿性基础课题。特别是近十几年来,由于实际需要,不少研究者把注意力转到由两种甚至多种气体组成的强 电负性混合气体上来,给放电理论研究增添了新的难度。从
10、学科的角度看,高电压和绝缘技术的基础和应用基础性研究内容主要包括:(l)气体放电(含雷电)基本理论;(2)电晕(含局部)放电,(3)电弧(含真空)放电;(4)界面放 电;(5)固体介质击穿理 论;(6)冲击波的传播过程。2国 内外现状和发展趋势绝缘技术是以绝缘体和按一定耍求组成的绝缘系统为基本研究对象,它与高电压技术共同构成了高电压的理论和技术基础。高电压 和绝缘技术的研究,3 0 多年来在各工业发达国家发展十分迅速,从事高电压和 绝缘技术研究的机构从6 0年代开始在世界各国相继建立,德、法、苏、瑞(典)、日、加、美等都建立 了大型 的高压实验研究基地。实验和研 究人员也相应有所增加。比如,法
11、 国 电力公司(ED F)所属的雷那第(Re na rd i e re)高压实验中心是个开放性实验研究机构,具有先进的高水平的实验设备和 现代化的测试手段,研究和实验人员来 自不同的国家,具有研究工作所需要的各种专业背景(高压和绝缘技术、物理、化学、计算机等)。此外,ASEA高压实验室(瑞典),B pA高压实验室(美),I REQ(加),J lnH高压实验室(苏)等也都具有类似的特点。在电力工业方 面,6 0年代以来许多 国家相 继发展 了4 0。、5 00、7 50 kV交流输电系统和所需的系列成套电力设备。soo kV等级的输电系统已有近3 0年 的运行经验,可以说超高压输电技术基本成熟,
12、直流输电也有很大发展。在电力事业发展中,高电压和绝缘技术是关键的技术基础之一。近3 0年来,我 国高压实验基地的建设和人员的增加是非常迅速的。据不完全统计,我国现有的高压技术人才是世界上最多 的,我国大型高压实验基地的主设备在世界上也是较先进的。5 0 一6 0 年代,首先由制造和运行部门在沈阳、西安、北京、上海建立 了高压实验室,到8 0 年代初,又在武汉等地建成一些较先进的设备,其 中冲击电压发生装置的 电压达 到60 00 kV、冲击电流装置的输出电流达63 kA、最高工频实验电压达到2250 kV、最大工频短路电流达4 0kA,都已接近当今的国际水平。多年来在研究工作方面已取得了很大的
13、成绩,但是在许多方面与国际水平相比尚有很大差距。造成这种局面的原因是多方面的,其中对基础理论重视不够是重要原因之一,具体表现为思路比较狭窄,眼界不够开阔,缺乏对新理论、新观点、新创见的开拓和创新,主要精力集中在研究、证实、评价国外的创造性新概念和新见解上,影响了我国理论水平的提高。为了获得令世人瞩 目的理论成果,必须克服上述缺点。就气体介质而言,S氏由于其优异的 电气性能用于 电力设备已有较长历史,特别是6 0年代 以来,在高压大容量断路器改型换代方 面发挥了极其重要作用,目前应用己非常广 泛。在宏观特性方面已进行了大量的研究,取得了许多有价值的成果。近些年来,为了克服S凡 的某些缺点和解决价
14、格晶贵(国内每公斤10 0一15 0元以上)的间题,正在进行寻求实用 的混合介质的研究工作。据估计,用 7 0 %S凡+3 0 %N:取代S凡 可使成本降低2 0%,用1:1的混合介质,成本可降低3 0 %4 0%.可 以预计,这项研究一 旦取得突破,不仅能使性能得到 改善,同时所带来的经济效益也是十分可观的。今后仍然是个重点研究方向。在固体介质方面,工程上 应用较多的是高分子聚合物,由于其优越性能已有可能取代纤维纸,因此除了固体介质击穿和劣化理论外,对杂质、微孔和表面状态对聚合物绝缘强度稳定性影响的研究也同样具有重要的理论和实用意义。3甲1主要研究领域气体放电(含雷电)基本理论l一”在本世纪
15、初诞生Town se nd气体放 电理 论之前就已经建立了Pa schen定律(188 9年),为Town seol理 沦准 备了实验依据。Town scnd认为 电子 的碰撞电离 和正离子 的阴极表面 电离是 气体发生放电的基 本囚素,并假 定正离r对有效碰撞电离 的贡 献因其迁移率和平 均自由程小,积累的动能不 易达到电离闭值可略而不 计。根据这一理论对均匀场给出了著 名的Town se nd自持放电判据:袱严一1 ) )1.很显然,在这个判据中,并 没有反映空 间 电荷分布等因素的影响。实验结果 表明,它只适 用于满足条件Pd镇Hc r 让.的均 匀 电场,且HC r认.不是定值,它与介
16、质性质等许多因素有关。事实上,在非均匀场的情况下放电的形成与外加电压 的波形和极性有显著的关 系,并且 放电具有明显 的时延。对 于P dHc ri t.,由于 空间 电荷积累导致电场 局部畸变,也 相当于非均 匀场。可见,Town se nd理论仍具有明显 的不 足。时隔 3 0年,在总结 了Tow nse nd理论 的不 足并经过大量的实验和雷电观测的基础 上由H.R ae th er等 人于 4 0年代初首先提出一种近 似理论s tre ame r理论。按照这个理论,由电子碰撞电离形 成 的电子崩在发展过程 中,电子和正离子数随电子崩发展 的长度按指数规律增长,并且在 头部形成快速运动的枝状流注,在光电离和热电离的作用下 多枝流 注构成高电导率的先导通道。当达到一定的程度时,贯穿整个 空间,放电就完成了。其自持放电判据为:J(“一帕d x=I nNc r i t.(Nc ri t二5又1 0一10 5).该理论反映了光电离和空 间 电荷对放电发展的影响,也能较好地解释放电时延 的存在,用子非均匀场的放电过程获得比较满意的结果。但是Nc ri t除了取决于介
