高电压技术分解

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1、高 电 压 技 术 王富荣 20011年9月,西南交通大学电气工程学院,绪 论,高电压技术 研究高电压（强电场）下的电气物理问题,电力系统：输送的功率一定时，输电线路电压越高，功率损耗越低，输送距离越远。 大功率、远距离输电高压、超高压、特高压电网 我国 中压电网 63、35、10 kV 高压电网 110、220 kV 超高压电网 330、500kV 、750kV 特高压电网 1000kV 另有直流输电网： 800kV； 660kV； 500kV,电气化铁道牵引供电系统：110（或220）kV/27.5kV高压供 电网络,牵引供电系统电气原理示意图,电力系统（及牵引供电系统）高电压问题：,高电

2、压技术的应用： 高能物理（粒子加速器） 医学（基于高电压的医疗器械 X光机、CT ） 环保（静电除尘、烟气脱硫（硝）、污水处理、汽车 尾气处理 ） 食品卫生（杀毒灭菌） 高压静电喷涂 。,1 气体放电的基本物理过程,正常使用，电介质为良好的绝缘体 过高电压下，发生放电、失去绝缘性 击穿。,1.1 带电质点的产生、运动和消失,气体放电的原因：气体中出现带电质点,气体中出现带电质点的原因：电离 气体分子电离：气体分子（原子）接受外界能量后，其核外电子脱离原子核的束缚，成为自由电子。气体分子（原子） 正离子+自由电子,电离能使气体分子发生电离所需要的最小能量。 单位：电子伏特（ev),一、气体中带电

3、质点的产生,表1-1 气体分子的电离能,气体电离方式 电子碰撞电离-电子被电场加速获得动能，在和气体 分子碰撞时，把动能传给后者引起碰 撞电离。 条件：自由电子的动能气体分子的电离能。,光电离光辐射引起的气体分子电离 条件：光子的能量气体分子的电离能。,热电离高温（数千度以上）气体产生的气体分子电离。 气体分子碰撞电离； 热辐射电离。,阴极表面电离,阴极表面逸出功气体分子电离能 不同的金属材料逸出功不同,表1-2 一些金属的逸出功,阴极表面电离阴极表面发射自由电子。,逸出功使阴极表面发射电子所需要的最小能量， 单位：电子伏特（ev),正离子撞击阴极表面 光电子发射 热电子发射 强场发射。,阴极

4、表面电离方式：,负离子的形成,附着：电子与中性分子相结合形成负离子。 负离子的形成并未使气体中带电质点的数目 改变，但却使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用,二、带电质点的运动和消失,定向运动 带电粒子在电场的驱动下，沿电场方向运动， 到达电极时，消失于电极上而形成电流。 扩散 带电粒子从浓度高的地方向浓度低的地方移动因而 逸出气体放电空间。 复合 正离子和负离子或电子相遇，发生电荷传递而互相 中和，还原为中性分子的过程。,复合是电离的逆过程 以光子形式向外释放能量，可导致 光电离,1.2 汤逊放电理论,一、气隙中的放电电流,二、电子崩,电子崩的形成,电子碰撞电离系数：,图1-4a

5、 电子崩的形成,电子崩中带电粒子分布,图1-4b 电子崩中带电粒子分布,三、电子崩（ 过程）产生的电流 设：单位时间从阴极发出 n0个自由电子 因：电子崩过程 在：x处为 n个 在：xdx处为 n+dn个 则： dnndx 积分得： n= n0ex X=d: na= n0ed,则：电子崩所引起的放电电流： I=I0ed （19) I0n0e 饱和电流（由外界电离因素形成） 若：n00 I0=0 放电需依靠外界电离因素维持 非自持放电,四、过程同时作用引起的电流,过程正离子撞击阴极表面电离 正离子撞击阴极表面电离系数 （每一个正离子撞击阴极表面时，使阴极表面所 发射的自由电子数），决定于气体种类

6、和阴极材料，不同金属材料其值不同。,同时考虑、过程极间自由电子数目变化：,阴极表面 到达阳极 过程使气隙中产生 过程使阴极表面发射 n0 n0ed n0（ed1） n0（ed1） . . . . nc nced nc（ed1） nc（ed1）,平衡状态下： nc= n0+ nc（ed1）,则： nc= n0/1- （ed1）,阳极： na nc ed n0 ed /1- （ed1）,放电电流： Ia= I0 ed /1- （ed1）,自持放电的条件,若使： 1- （ed1）0 则：I0= 0, I0- 去掉外界电离因素，放电可依靠间隙自身电离（ 过程）维持-自持放电。,自持放电的条件： （ed

7、1）1,物理意义：每一个从阴极出发的自由，在消失于阳极之 前，因、过程，使阴极产生一个新的自 由电子，以维持间隙的的电离过程，放电 得以自持。,放电形式：辉光放电、火花放电、电弧放电,五、击穿电压与气压的关系（巴申定律） 将： ApeBP/Eb， EbUb/d 代入自持放电条件： （ed1）1,可得击穿电压：,击穿电压随pd乘积变化且存在极值,即：,六 汤逊放电理论的局限,1. 放电外形 汤逊理论：放电应是充满整个电极间、均匀、连续发展的。 实际：大气压下，放电路径贯穿两极细通道且具有分支、 放电多为间歇性、不均匀（如火花放电、雷电）,2. 阴极材料 汤逊理论：阴极材料的特性对击穿过程起重要作

8、用。 实际：大气压下，击穿电压与阴极材料无关。,3. 放电时间 汤逊理论：击穿需时较长，。 实际：大气压下，击穿需时很少。,汤逊理论适用于pd26.6kpa.cm的情况。 原因：1. 没有考虑空间电荷对电场的畸变 2. 没有考虑空间光电离作用,汤逊放电理论适用于：低气压、短间隙（pd26.66kpa.cm),1.3 气体放电的流注理论,流注理论-分析各种气压、各种间隙下的气体放电过程,流注理论： 强调了空间电荷对电场的畸变作用 认为电子碰撞电离、空间光电离为主要电离因素,一、空间电荷对电场的畸变作用 电子崩中正负电荷形成的电场导致空间电场畸变, 电子崩头、崩尾电场增强 正负电荷衔接区电场减弱，

9、 正负电荷衔接区中带电粒子（正、负离子）浓度十分高,二、 空间光电离的作用 正负电荷衔接区带电粒子复合 ，带电粒子浓度足够高，复合运动剧烈，可引起光电离，产生光电子 光电子在电场作用下运动，电子碰撞电离，导致二次电子崩,三、 流注的形成和发展 二次电子崩中带电粒子不断汇初崩通道，构成正负离子混合的导电区流注,图1-9 从电子崩到流注的转换,图1-10 负流注的形成,1.4 不均匀电场中的放电过程,一、不均匀电场的放电特点 均匀电场（平板电极）：达到自持放电条件，间隙击穿。 稍不均匀电场（同轴圆柱电极、球隙等）：达到自持放电 条件，间隙击穿，间隙平均击穿场强低于均匀电场。 极不均匀电场（棒-棒电

10、极、棒-板电极）：出现电晕放电阶段，间隙平均击穿场强低于均匀电场和稍不均匀电场,电晕放电：外加电压达到一定数值时，在小曲率半径 电极处强烈电离，出现流注，为局部范围 的自持放电，间隙仍保持绝缘状态。 电晕起始电压：开始出现电晕放电时，极间所加电压。,击穿过程：u 电晕区扩大放电电流.u 进一步增加到一 定数值，导致间隙击穿。,二、输电线路电晕 交流 输电线路电晕起始场强（幅值）皮克公式 式中：m1 导线表面粗糙系数 ， 光滑导线 , 绞线 m2 气象系数 取0.8-1.0； 空气相对密度； r 导线半径（cm）。 输电线路电晕危害 放电脉冲产生高频电磁波，形成无线干扰。 产生电晕损耗。 产生化

11、学腐蚀。 防止（减轻）输电线路电晕的措施 减小导线表面场强，对330kV及以上线路，采用分裂导线。,三、极性效应,放电一定从曲率半径小的电极表面开 始。,极性效应击穿电压与小曲率半径电极极性有关,典型的极不均匀电场-棒-板间隙 棒板间隙：放电发展过程存在明显的极性效应 直流下及冲击电压： 工频电压下：击穿总发生在棒极为正的半周内。,出现极性效应的原因 棒为正：出现电晕后，棒极附近滞留的正空间电荷加 强了流注头部电场，放电易于发展。 棒为负：出现电晕后，棒极附近滞留的正空间电荷减 弱了流注头部电场，放电不易发展。,正极性“棒-板”间隙中的电场畸变 负极性“棒-板”间隙中的电场畸变,四、长空气间隙

12、放电过程,先导放电过程 主放电过程,1.5 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,一、放电时间 完成气隙击穿的三个必备条件： 足够高的电场强度或（电压）； 气隙中出现能引起电子崩并导致流注 的有效电子； 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展 并完成击穿。 完成击穿所需的时间是很短的（微秒级）。 直流、工频下放电时间对击穿电压无影响； 冲击电压，击穿电压和放电时间有关。,放电时间的组成,总放电时间： tb=t1+ts+tf,t1电压上升时间，气隙电压从0上升 到Us上升到所需时间。 ts统计时延，从t1 开始到气隙出现 第一个有效电子所需的时间； tf 放电形成时延，出现有效电子到 完成气隙的击穿需要

13、的时间。,图1-14 放电时间的组成,二、冲击电压标准波形 （一）标准雷电冲击电压波 图1-15 雷电冲击电压波形的标准化 T1视在波前时间； T2视在半峰值时间； Um冲击电压峰值 IEC和国标的规定为： T11.2 s 30 T250 s 20 记为1.2/50 s，,u/um,（二）标准雷电截波 标准雷电截波：用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或 外绝缘闪络后所出现的截尾冲击波。 图1-16 雷电截波 IEC和国标规定为： T11.2 s 30波前时间 Tc =2 5 s 截断时间,u/um,（三）标准操作冲击电压波 图1-17 操作冲击试验电压波形 （a）非周期性双指数冲击波； （b）衰减

14、振荡波 IEC和国标规定： Tcr250 s 20 波前时间 T22500 s 60 半峰值时间,三、冲击电压下气隙的击穿特性 间隙耐电强度表示： 持续电压作用下击穿电压 冲击电压下 U50% （50冲击击穿电压） 间隙伏秒特性 原因：放电时间对冲击击穿电压的影响，放电 有分散性。 （一） U50% 50冲击击穿电压 U50%表征气隙的耐受冲击电压的能力。 指气隙被击穿的的概率为50%的冲击电压峰值 同一间隙雷电冲击u50%和操作冲击U50%不同,（二）伏秒特性 伏秒特性表示气隙冲击击穿电压与放电时间 的关系曲线。 通过实验方法取得伏秒特性曲线 伏秒特性曲线用于系统绝缘配合,平均伏秒特性曲线

15、实际的伏秒特性曲线，是一个以上、下包络线为 界的带状区域。 通常取50伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一 个气隙的冲击击穿特性。,图1-19 伏秒特性带与50伏秒特性 1上包络线；250伏秒特性；3下包络线,1.6 气体介质的电气强度,了解气体放电的基本物理过程，有助于分析、说明各种气隙在各种高电压下的击穿规律和实验结果。 对气体介质的电气强度（击穿电压或击穿场强）定量分析， 采用实验方法 气体电气强度首先取决于电场形式 均匀电场：平行板电极 稍不均匀电场：球球，同轴圆筒 极不均匀电场：棒棒（对称电场） 棒板（不对称电场） 气体的击穿特性与所加电压的类型有很大关系 主要的四种类型电压波形： 工频交流电压、直流电压、雷电过电压波和操作过电压波。,1.6.1 均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性,一、均匀电场的击穿特性 各处电场强度相等，击穿所需时间短 直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压相同。 击穿电压的分散