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1、高电压技术讲义,武汉理工大学自动化学院,绪 论,课程简介本课程性质和任务教学基本要求课程内容 重点和难点,高电压技术是电工学科的一个重要分支，它涉及到数学、物理、化学、材料等基础学科，主要研究高电压（强电场）下的各种电气物理问题。20世纪60年代以来，高电压技术一直不断吸收其他学科尤其是新科技领域的成果，促进自身发展；也促进了电力传输、大功率脉冲技术、激光技术、核物理等科技领域的发展，显示出强大的活力。,课程简介,高电压技术专业,研究高电压/高电场下的现象与应用 高电压技术与电力系统有密切关系高电压的早期发展与电能的传输是密切相关的;目前高电压技术与现代电力系统的发展仍是息息相关的. 高电压技
2、术与若干非电力系统有密切关系高电压技术早已超出了电力和电工部门而在很多领域得到应用:脉冲功率技术,静电技术,放电等离子体,液体中放电的应用等. 包括三门专业课: 高电压绝缘, 高电压试验技术, 过电压及其防护,教学基本要求,本课程的教学环节包括课堂讲授，学生自学，实验，习题，答疑和考试。通过上述基本教学步骤，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、试验方法；掌握波过程的基本理论，具有分析计算供电系统中大气过电压、操作过电压的能力，学会限制各种过电压的措施，理解供电系统中绝缘配合的原则。,课程内容,第一篇 各类电介质在高电场下的特性 教学内容：气体放电的基
3、本物理过程；气体介质的 气强度；液体和固体介质的电气特性。 第二篇 电气设备绝缘试验技术 教学内容：电气设备绝缘预防性试验；绝缘的高电压 试验。 第三篇 电力系统过电压与绝缘配合 教学内容：输电线路和绕组中的波过程；雷电放电与 防雷保护装置；电力系统的防雷保护；内部过电压； 电力系统绝缘配合。,重点和难点,课程的重点包括： 汤逊理论和流注理论等气体放电的基本理论、电场型式及其与击穿特性的关系、液体和固体电介质的绝缘特性； 绝缘特性的测量方法、电气设备的高电压试验设备及原理； 线路和绕组中的波过程、电力系统中的过电压及其防护、绝缘配合。,课程的难点是： 汤逊、流注气体放电理论的理解； 电介质的极
4、化、电导和损耗的物理概念及其工程概念、介质损耗和局部放电试验的试验原理和试验方法； 线路和绕组中的波过程。,图0-1实际输电线路图,动力系统、电力系统和电力网示意图,图0-2 动力系统、电力系统和电力网示意图,电力工程的发展,电力工程是20世纪对人类影响最大的20项工程技术成果之一（美国工程院联合30多家美国职业工程协会的调查）。,发展简史 1875年法国巴黎建成世界上第一座火力发电厂； 1879年中国上海公共租界点亮了第一盏灯； 1882年在上海创办了中国第一家公用电业公司（上海电气公司）； 1891年德国建设世界上第一台三相交流发电机（13.8kV） 1985年1150kV输电线，6年商业
5、运行 输电电压提高1倍，输送功率的能力提高几倍？电能从产生到销费的四个环节：发电、输电、配电、用电。,电压等级的划分,高压(HV): 35220kV 超高压(EHV): 330kV及以上、1000kV以下 特高压(UHV): 1000kV及以上 高压直流(HVDC): +/-600kV及以下 特高压直流(UHVDC): +/-600kV以上我国高压电网: 110及220kV， 超高压电网: 330,500,750kV， 特高压电网：1000kV交流及+/-800kV直流,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,1kV,0.4kV,0.22kV,36V,高压,低压,普通
6、高压1250kV,超高压2501000kV,特高压1000kV及以上,电压等级划分的级差为23倍。,电网的基本功能,电能不能大规模储存，发电和用电实时保持供需平衡 电网输电网配电网 提高功率输送能力：1、提高电压等级；2、降低线路阻抗 区域电网互联：电力资源优化配置，电力经济调度,电网的发展历史,欧美： 1908年第一条110kV线路（美国）； 1923年230kV（美国） ； 1952年世界第一条380kV超高压线路（瑞典） 1954年345kV（美国） ； 1964年500kV（美国）； 1965年世界第一条735kV线路（加拿大） 1969年765kV（美国）,苏联： 1952年330k
7、V线路；1956年400kV 1964年建成完善的500kV输电系统(源自400kV) 1967年750kV； 1985年1150kV；,中国的输电线路,早期输电线路的电压视具体工程决定，电压等级繁多、混乱。 1908年22kV（石龙坝水电站昆明）； 1921年33kV（石景山电厂北京城） ； 1933年44kV（抚顺电厂出线）； 1934年66kV（延边老头沟） 1935年154kV（抚顺电厂鞍钢）； 1943年110kV（镜泊湖水电厂延边） ；,（续）,新中国1949年统一电压等级 1952年京津唐110kV输电网； 1954年东北电网220kV骨干网架； 1972年330kV刘天关线路(
8、534km)，形成西北电网330kV骨干网架 ； 1981年500kV姚孟武昌(595km)，83年葛洲坝武昌和葛洲坝双河两回500kV，形成华中500kV骨干网架； 1989年+/-500kV葛洲坝-上海直流线路，实现华中华东大区间直流联网； 90年后，220kV、500kV线路迅速铺开。,目前世界上已基本形成两个主要的超高压特高压电压等级系列(交流)：330(345)750(765)1500kV5001000(1100)kV交流750kV系统： 2005年9月26日，西北750kV青海官亭至甘肃兰州东输变电示范工程正式投入运行，线路全长141km。交流1000kV系统：陕北煤电基地山西晋东
9、南煤电基地南阳荆门武汉的单回1000kV交输变电示范工程在2009年建成。直流800kV系统：云南至广东800千伏直流输电工程，已于2009年6月实现单极投运、2010年6月双极投运。准备在全国规划建设7个特高压输变电示范工程，即3个1000kV交流特高压输变电工程，4个800kV直流工程。,我国电力工业的发展,2004年，全国440GW 2005年，突破500GW (人均340W) 2010年，700GW 2020年，预计1000GW 每年新增装机50GW左右,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
10、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，输送电能要较输送一次能源经济、快捷、安全、方便、清洁。,三、要采用高电压首先要解决的技术问题是什么？,例：1、用青壳纸和电缆纸作绝缘的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）
11、中绝缘的影响力最大：,四、如何解决绝缘问题？,寻找和研制新型的绝缘材料，限制作用在绝缘上的过电压。,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400 kV的输变电系统生压为500 kV的系统。,第一章 气体的放电基本物理过程和电气强度,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：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：在均匀电场中、使电介质不失去其绝缘
12、性能所需要的最高、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。,第一节 汤逊理论和流注理论,一、气体间隙中带电粒子的产生（补充）,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、气体分子本身的游离,3、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
13、光灯中起始带电粒子来源于热电子发射。,一 非自持放电和自持放电,气体放电通常分为： 非自持放电依靠外电离因素的作用而维持的放电 自持放电只需要外加电压就能维持的放电,图1.1 测定气体间隙的电压和电流,图1.2 气体放电的伏案特性,2、 ab段，单位时间内产生的带电粒子带电粒子投入运动，运动速度达到趋引速度，没有新的带电粒子来源。此时电流仅取决于外电离的因素，而与电压大小无关 3 bc段，产生碰撞游离，放电。 4 c点以后，气隙击穿，转入良好的自持放电状态。U0放电的起始电压,1、0a段，UUa, 起始带电粒子定向运动，随着外加电压的加大，带电粒子的运动速度越来越快，故电流在加大,此时气隙仍处
14、在绝缘状态.,二、汤逊理论,20世纪初，汤逊从均匀电场、低气压（低于26.66kpacm）短间隙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。,图1.3 电子崩形成示意图,电子崩的形成,外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动又会引起新的碰撞电离，产生更多电子 。依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展。这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。,图1.3电子崩形成示意图,为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数：表示一个电子沿电场方向运动
15、1cm的行程 所完成的碰撞电离次数平均值 ；：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；：表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属平均释放出的自由电子数。,均匀电场中的电子崩的计算,如图1-4为平板电极气 隙，板内电场均匀，设 外界电离因子每秒钟使 阴极表面发射出来的初 始电子数为n0,图1.4 均匀电场中的电子数增长计算,根据碰撞电离系数 的定义，可得：(1-1)得到： (1-2) 对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相同 值不随电场强度 的变化而变化，所以上式也可写成：(1-3) 于是到达阳极的电子数为：(1-4),途中新增加的电子数或正离子数应为:(1-5)
16、 将式(1-5)的等号两侧乘以电子的电荷 即得到电流关 系式：(1-6) 式中：(1-7),式(1-6) 表明：虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子 (令I00),I即变为0。,一个起始带电粒子从阴极到阳极的过程中由于碰撞游离产生的正离子撞击阴极板时如果能打拉出两个电子，一个与正离子复合掉了，另一个成为自由电子，它会产生新的电子崩，维持放电的发展，就发生了自持放电，因此自持放电的条件为：,汤逊理论自持放电条件,在不均匀场中，由于各点的电场强度E不一样，而各处的值也不一样，自持放电条件为：,(1-9),(1-8),汤逊放电的实质是：电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二 次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出 电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。 所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持 放电的判据。,
