高电压技术绪论ppt课件

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1、高 电 压 技 术1绪绪 论论高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术 研究高电压（强电场）下的电气物理问题研究高电压（强电场）下的电气物理问题2电力系统：电力系统：电力系统：电力系统：输送的功率一定时输送的功率一定时，输电线路电压越高，功率输电线路电压越高，功率损耗越低，输送距离越远。损耗越低，输送距离越远。 大功率、远距离输电大功率、远距离输电 高压、超高压、特高压电网高压、超高压、特高压电网 我国我国 中压电网中压电网 6363、3535、10 kV10 kV 高压电网高压电网 110110、220220 kVkV 超高压电网超高压电网 330330、500kV 500kV 、750kV

2、750kV 特高压电网特高压电网 1000kV1000kV另有直流输电网：另有直流输电网： 800kV800kV； 660kV660kV； 500kV 500kVl l 电力系统（牵引供电系统）的高电压技术问题电力系统（牵引供电系统）的高电压技术问题电气化铁道牵引供电系统电气化铁道牵引供电系统电气化铁道牵引供电系统电气化铁道牵引供电系统：110110（或（或220220）kV/27.5kVkV/27.5kV高压供高压供 电网络电网络 34 牵引供电系统电气原理示意图牵引供电系统电气原理示意图 5电力系统（牵引供电系统）高电压问题：电力系统（牵引供电系统）高电压问题： 电介质的电气强度电介质的电

3、气强度 电气绝缘试验技术电气绝缘试验技术 电力系统过电压及其防护电力系统过电压及其防护 6l l高电压技术的应用：高电压技术的应用： 高能物理（粒子加速器高能物理（粒子加速器 ） 医学（基于高电压的医疗器械医学（基于高电压的医疗器械 X X光机、光机、CT CT ） 环保（静电除尘、烟气脱硫（硝）、污水处理、汽车环保（静电除尘、烟气脱硫（硝）、污水处理、汽车 尾气处理尾气处理 ） 食品卫生（杀毒灭菌）食品卫生（杀毒灭菌） 高压静电喷涂高压静电喷涂 。71 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。电介质气体空气、SF6等液体变压器油、电容器油等

4、固体绝缘纸、云母、塑料、电瓷、硅橡胶等81.1 带电质点的产生、运动和消失带电质点的产生、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：电离气体中出现带电质点的原因：电离电离电离：当原子（分子）获得足够大的外加能量，当原子（分子）获得足够大的外加能量， 电子脱离原子核的束缚，成为自由电子。电子脱离原子核的束缚，成为自由电子。电离形式：气体分子电离电离形式：气体分子电离 阴极表面电离阴极表面电离阴极表面发射自由电子阴极表面发射自由电子电离能电离能使气体分子发生电离所需要的最小能量。使气体分子发生电离所需要的最小能量。逸出功逸出功使阴极表面

5、发射电子所需要的最小能量使阴极表面发射电子所需要的最小能量单位：电子伏特（单位：电子伏特（ev)ev)一、气体中带电质点的产生一、气体中带电质点的产生一、气体中带电质点的产生一、气体中带电质点的产生9气体电离能/ev激励能/ev气体电离能/ev激励能/evN212.56.1SF615.66.8O212.57.9H2O12.77.6CO213.710表表1-1 1-1 气体分子的电离能气体分子的电离能10 气体电离方式气体电离方式气体电离方式气体电离方式 电子碰撞电离电子碰撞电离电子碰撞电离电子碰撞电离-电子被电场加速获得动能，在和气体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

6、引起碰分子碰撞时，把动能传给后者引起碰 撞电离。撞电离。 条件：自由电子的动能条件：自由电子的动能气体分子的电离能。气体分子的电离能。光电离光电离光电离光电离 光辐射引起的气体分子电离光辐射引起的气体分子电离条件：光子的能量条件：光子的能量气体分子的电离能。气体分子的电离能。 热电离热电离热电离热电离高温（数千度以上）气体产生的气体分子电离高温（数千度以上）气体产生的气体分子电离 气体分子碰撞电离气体分子碰撞电离 热辐射电离热辐射电离11 阴极表面电离方式阴极表面电离方式阴极表面电离方式阴极表面电离方式正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面光电子发射光电子发射热电子发射热电子发射强场发射强场发射

7、。 阴极表面逸出功阴极表面逸出功气体分子电离能气体分子电离能不同的金属材料逸出功不同不同的金属材料逸出功不同金金 属属铝铝银银铁铁铜铜氧化铜氧化铜铯铯逸出功逸出功（eVeV）4.084.084.734.734.484.484.74.75.35.31.881.88表表1-2 1-2 一些金属的逸出功一些金属的逸出功12 负离子的形成负离子的形成负离子的形成负离子的形成附着：电子与中性分子相结合形成负离子。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，因而对气体改变，但却使自由电子数减少，因而对气体放电

8、的发展起抑制作用放电的发展起抑制作用13二、带电质点的运动和消失二、带电质点的运动和消失二、带电质点的运动和消失二、带电质点的运动和消失 定向运动定向运动定向运动定向运动 带电粒子在电场的驱动下，沿电场方向运动，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。到达电极时，消失于电极上而形成电流。 扩散扩散扩散扩散 带电粒子从浓度高的地方向浓度低的地方移动因而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。逸出气体放电空间。 复合复合复合复合 正离子和负离子或电子相遇，发生电荷传递而互相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

9、子的过程。中和，还原为中性分子的过程。 复合是电离的逆过程复合是电离的逆过程复合是电离的逆过程复合是电离的逆过程 以光子形式向外释放能量，可导致以光子形式向外释放能量，可导致 光电离光电离141 1.2 2 汤逊放电理论汤逊放电理论一、气隙中的放一、气隙中的放一、气隙中的放一、气隙中的放电电电电流流流流oaoaoaoa段：段：段：段：u I I=Iu I I=Iu I I=Iu I I=I0 0 0 0 I I0 0- -饱和电流取决饱和电流取决饱和电流取决饱和电流取决 于外界电离因素于外界电离因素于外界电离因素于外界电离因素abababab段：段：段：段：u I=Iu I=Iu I=Iu I

10、=I0 0 0 0 间隙中间隙中间隙中间隙中 无新的带电粒子无新的带电粒子无新的带电粒子无新的带电粒子 产生产生产生产生 bcbcbcbc段：段：段：段：u I u I u I u I 间隙中出现了电子碰撞电离，产生了间隙中出现了电子碰撞电离，产生了间隙中出现了电子碰撞电离，产生了间隙中出现了电子碰撞电离，产生了 电子崩电子崩电子崩电子崩 15二、电子崩二、电子崩二、电子崩二、电子崩vv 电子崩的形电子崩的形电子崩的形电子崩的形成成成成电子碰撞电离系数：电子碰撞电离系数：电子碰撞电离系数：电子碰撞电离系数：图图1-4a 1-4a 电子崩的形成电子崩的形成vv 电子崩中带电粒子分布电子崩中带电粒

11、子分布电子崩中带电粒子分布电子崩中带电粒子分布图图1-4b 1-4b 电子崩中带电粒子分布电子崩中带电粒子分布16三、三、三、三、电电子崩（子崩（子崩（子崩（ 过过程）程）程）程）产产生的生的生的生的电电流流流流 设设：单单位位时间时间从阴极从阴极发发出出 n n0 0个自由个自由电电子子 因：因：电电子崩子崩过过程程 在：在：x x处为处为 n n个个 在：在：x xdxdx处为处为 n+dnn+dn个个 则则： dndnn ndxdx 积分得积分得： n= n0ed X=d: X=d: na= n0ed dxdxn0n+-图15 电子崩中的电子数计算17则：电子崩所引起的放电电流：则：电子

12、崩所引起的放电电流： I=II=I0 0e ed d （1 19)9) I I0 0n n0 0e e 饱和电流（由外界电离因素形成）饱和电流（由外界电离因素形成）若：若：n n0 00 0 I I0 0=0 =0 放电需依靠外界电离因素维持放电需依靠外界电离因素维持 非自持放电非自持放电 四、四、四、四、过程同时作用引起的电流过程同时作用引起的电流过程正离子撞击阴极表面电离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（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），决定于气体种类和阴极材发射的自由电子

13、数），决定于气体种类和阴极材料，不同金属材料其值不同。料，不同金属材料其值不同。18vv同时考虑同时考虑 、 过程极间自由电子数目变化：过程极间自由电子数目变化：阴极表面阴极表面 到达阳极到达阳极 过程使气隙中产生过程使气隙中产生 过程使阴极表面发射过程使阴极表面发射 n n0 0 n n0 0e edd n n0 0（e edd1 1） nn0 0（e edd1 1） . . . . . . . n nc c n nc ce edd n nc c（e edd1 1） nnc c（e edd1 1）平衡状态下：平衡状态下：平衡状态下：平衡状态下： n n n nc c c c= n= n= n

14、= n0 0 0 0+ n+ n+ n+ nc c c c（e e e edddd1 1 1 1）则：则：则：则： n n n nc c c c= n= n= n= n0 0 0 0/1- /1- /1- /1- （e e e edddd1 1 1 1）阳极：阳极：阳极：阳极： n n n na a a a n nc c e edd n n n n0 0 0 0 e e e ed d d d /1- /1- /1- /1- （e e e edddd1 1 1 1）放电电流：放电电流：放电电流：放电电流： I I I Ia a a a= I= I= I= I0 0 0 0 e e e ed d

15、d d /1- /1- /1- /1- （e e e edddd1 1 1 1）19自持放电的条件自持放电的条件 若使：若使： 1- 1- （e edd1 1）0 0 则：则：I I0 0= 0, I0- = 0, I0- 去掉外界电离因素，放电可依靠间隙自去掉外界电离因素，放电可依靠间隙自身电离（身电离（ 过程）维持过程）维持-自持放电。自持放电。自持放电。自持放电。 自持放电的条件：自持放电的条件：自持放电的条件：自持放电的条件： （e e e edddd1 1 1 1）1 1 1 1物理意义：物理意义：物理意义：物理意义：每一个从阴极出发的自由，在消失于阳极之每一个从阴极出发的自由，在消

16、失于阳极之 前，因前，因 、 过程，使阴极产生一个新的自过程，使阴极产生一个新的自 由电子，以维持间隙的的电离过程，放电由电子，以维持间隙的的电离过程，放电 得以自持。得以自持。 放电形式：放电形式：放电形式：放电形式：辉光放电、火花放电、电弧放电辉光放电、火花放电、电弧放电20五、击穿电压与气压的关系（巴申定律）五、击穿电压与气压的关系（巴申定律）五、击穿电压与气压的关系（巴申定律）五、击穿电压与气压的关系（巴申定律） 将将： ApeApeBP/EBP/Eb b， E Eb bU Ub b/d/d 代入自持放电条件代入自持放电条件： （e edd1 1）1 1可得击穿电压：可得击穿电压：击穿

17、电压随击穿电压随击穿电压随击穿电压随pdpdpdpd乘积变化且存在极值乘积变化且存在极值乘积变化且存在极值乘积变化且存在极值即：即：即：即：21六六六六 汤逊放电理论的局限汤逊放电理论的局限汤逊放电理论的局限汤逊放电理论的局限 1. 1. 1. 1. 放电外形放电外形放电外形放电外形汤逊理论：放电应是充满整个电极间、均匀、连续发展的。汤逊理论：放电应是充满整个电极间、均匀、连续发展的。汤逊理论：放电应是充满整个电极间、均匀、连续发展的。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、实际：大气压下，放电路径贯穿两极细通道且具有分支、实际：大

18、气压下，放电路径贯穿两极细通道且具有分支、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）放电多为间歇性、不均匀（如火花放电、雷电）放电多为间歇性、不均匀（如火花放电、雷电）放电多为间歇性、不均匀（如火花放电、雷电） 2. 2. 2. 2. 阴极材料阴极材料阴极材料阴极材料汤逊理论：阴极材料的特性对击穿过程起重要作用。汤逊理论：阴极材料的特性对击穿过程起重要作用。汤逊理论：阴极材料的特性对击穿过程起重要作用。汤逊理论：阴极材料的特性对击穿过程起重要作用。实际：大气压下，击穿电压与阴极材料无关。实际：大气压下，击穿电压与阴极材料无关。实际：大气压下，

19、击穿电压与阴极材料无关。实际：大气压下，击穿电压与阴极材料无关。 3. 3. 3. 3. 放电时间放电时间放电时间放电时间汤逊理论：击穿需时较长，。汤逊理论：击穿需时较长，。汤逊理论：击穿需时较长，。汤逊理论：击穿需时较长，。实际：大气压下，击穿需时很少。实际：大气压下，击穿需时很少。实际：大气压下，击穿需时很少。实际：大气压下，击穿需时很少。 22汤逊理论适用于汤逊理论适用于汤逊理论适用于汤逊理论适用于pdpd26.6kpa.cm26.6kpa.cm的情况。的情况。的情况。的情况。原因：原因：原因：原因：1. 1. 没有考虑空间电荷对电场的畸变没有考虑空间电荷对电场的畸变没有考虑空间电荷对电

20、场的畸变没有考虑空间电荷对电场的畸变 2. 2. 没有考虑空间光电离作用没有考虑空间光电离作用没有考虑空间光电离作用没有考虑空间光电离作用23汤逊放电理论适用于：低气压、短间隙（汤逊放电理论适用于：低气压、短间隙（汤逊放电理论适用于：低气压、短间隙（汤逊放电理论适用于：低气压、短间隙（pdpdpdpd26.66kp26.66kp26.66kp26.66kpa a a a.cm).cm).cm).cm)1.3 气体放电的流注理论流注理论流注理论流注理论流注理论-分析高气压、长间隙下的气体放电过程分析高气压、长间隙下的气体放电过程分析高气压、长间隙下的气体放电过程分析高气压、长间隙下的气体放电过程

21、流注理论：流注理论：流注理论：流注理论： 强调了空间电荷对电场的畸变作用强调了空间电荷对电场的畸变作用强调了空间电荷对电场的畸变作用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认为电子碰撞电离、空间光电离为主要电离因素认为电子碰撞电离、空间光电离为主要电离因素认为电子碰撞电离、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一、空间电荷对电场的畸变作用一、空间电荷对电场的畸变作用一、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、崩尾电场增强电子崩头、崩尾电场增强 正负电荷衔接区电场减弱

22、，正负电荷衔接区电场减弱， 正负电荷衔接区中带电粒子（正、负离子）浓度十分高正负电荷衔接区中带电粒子（正、负离子）浓度十分高24二、二、二、二、 空间光电离的作用空间光电离的作用空间光电离的作用空间光电离的作用 正负电荷衔接区带电粒子复合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，带电粒子浓度足够高，复合运动剧烈，可引起光电离，产生光动剧烈，可引起光电离，产生光电子电子 光电子在电场作用下运动，电光电子在电场作用下运动，电子碰撞电离，导致二次电子崩子碰撞电离，导致二次电子崩25三、三、三、三、 流注的形成和发展流注的形成和发展流注的形成和发展流注的形成和发展 二次电子崩中带电粒子不

23、断汇初崩通道，构成正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负离子混合的导电区流注 外加电场足够强时，流注通道不断向前发展外加电场足够强时，流注通道不断向前发展流注沟通两电极流注沟通两电极击穿击穿 击穿时的放电形式击穿时的放电形式击穿时的放电形式击穿时的放电形式：火花放电或电弧放电：火花放电或电弧放电 流注出现的条件流注出现的条件流注出现的条件流注出现的条件：初始电子崩中的带电粒子必：初始电子崩中的带电粒子必须达到一定的浓度。须达到一定的浓度。 出现流注，间隙自持放电。出现流注，间隙自持放电。正流注正流注正流注正流注-外施电压正好等于间隙击穿电压时，外施电压正好等于间隙

24、击穿电压时，初崩到达阳极才出现流注，流注首先出现在阳极附初崩到达阳极才出现流注，流注首先出现在阳极附近，向阴极发展。近，向阴极发展。负流注负流注负流注负流注-外施电压远高于间隙击穿电压时，初外施电压远高于间隙击穿电压时，初崩发展离开阴极不远处即可出现流注，流注首先出崩发展离开阴极不远处即可出现流注，流注首先出现在阴极附近，向阳极发展。现在阴极附近，向阳极发展。26图图1-9 1-9 从电子崩到流注的转换从电子崩到流注的转换27图图1-10 1-10 负流注的形成负流注的形成281.4 不均匀电场中的放电过程 一、不均匀电场的放电特点一、不均匀电场的放电特点均匀电场均匀电场均匀电场均匀电场（平板

25、电极）：达到自持放电条件，间隙击穿。（平板电极）：达到自持放电条件，间隙击穿。稍不均匀电场稍不均匀电场稍不均匀电场稍不均匀电场（同轴圆柱电极、球隙等）：达到自持放电（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。条件，间隙击穿，间隙平均击穿场强低于均匀电场。极不均匀电场极不均匀电场极不均匀电场极不均匀电场（棒（棒- -棒电极、棒棒电极、棒- -板电极）：出现电晕放电板电极）：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阶段，间隙平均击穿场强低于均匀电场和稍不均匀电场29电晕电晕放放放放电电：外加：外加电压电压达到一定数达到一定数值时值时，在

26、小曲率半径，在小曲率半径 电电极极处强处强烈烈电电离，出离，出现现流注，流注，为为局部范局部范围围 的自持放的自持放电电，间间隙仍保持隙仍保持绝缘绝缘状状态态。电晕电晕起始起始起始起始电压电压：开始出：开始出现电晕现电晕放放电时电时，极，极间间所加所加电压电压。 击穿过程：击穿过程：击穿过程：击穿过程：uu 电晕区扩大电晕区扩大放电电流放电电流 .u .u 进一进一步增加到一步增加到一 定数值，导致间隙击穿。定数值，导致间隙击穿。30二、输电线路电晕二、输电线路电晕l l 交流交流交流交流 输电线路电晕起始场强（幅值）输电线路电晕起始场强（幅值）输电线路电晕起始场强（幅值）输电线路电晕起始场强

27、（幅值）皮克公式皮克公式皮克公式皮克公式式中：式中：m m1 1 导线表面粗糙系数导线表面粗糙系数 ， 光滑导线光滑导线 , , 绞线绞线 m m2 2 气象系数气象系数 取取0.8-1.00.8-1.0； 空气相对密度；空气相对密度； r r 导线半径（导线半径（cmcm）。）。l l 输电线路电晕危害输电线路电晕危害输电线路电晕危害输电线路电晕危害 放电脉冲产生高频电磁波，形成无线干扰。放电脉冲产生高频电磁波，形成无线干扰。 产生电晕损耗。产生电晕损耗。 产生化学腐蚀。产生化学腐蚀。l l 防止（减轻）输电线路电晕的措施防止（减轻）输电线路电晕的措施防止（减轻）输电线路电晕的措施防止（减轻

28、）输电线路电晕的措施 减小导线表面场强，对减小导线表面场强，对330kV330kV及以上线路，采用分裂导线。及以上线路，采用分裂导线。31三、极性效应三、极性效应三、极性效应三、极性效应l l 放电一定从曲率半径小的电极表面开放电一定从曲率半径小的电极表面开 始。始。l l 极性效应极性效应极性效应极性效应击穿电压与小曲率半径电极极性有关击穿电压与小曲率半径电极极性有关l l 典型的极不均匀电场典型的极不均匀电场典型的极不均匀电场典型的极不均匀电场-棒棒棒棒- - - -板间隙板间隙板间隙板间隙棒棒棒棒 板间隙：板间隙：板间隙：板间隙：放电发展过程存在明显的放电发展过程存在明显的极性极性极性极

29、性效应效应效应效应 直流下及冲击电压：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。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。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。弱了流注头部电场，放电不易发展。32正极性正极性“ “棒棒- -板板” ”间隙中的电场畸变间隙中的电场畸变 负极性负极性“ “棒棒- -板

30、板” ”间隙中的电场畸变间隙中的电场畸变33四、长空气间隙放电过程四、长空气间隙放电过程四、长空气间隙放电过程四、长空气间隙放电过程 先导放电过程先导放电过程 主放电过程主放电过程341.5 放电时间和冲击电压下的气隙击穿一、放一、放一、放一、放电时间电时间l l 完成气隙完成气隙击击穿的三个必穿的三个必备备条件：条件： 足足够够高的高的电场强电场强度或（度或（电压电压）；）； 气隙中出气隙中出现现能引起能引起电电子崩并子崩并导导致流注致流注 的有效的有效电电子；子； 需要有一定的需要有一定的时间时间，让让放放电电得以逐步得以逐步发发展展 并完成并完成击击穿。穿。l l 完成完成击击穿所需的穿

31、所需的时间时间是很短的（微秒是很短的（微秒级级）。）。 直流、工直流、工频频下放下放电时间对击电时间对击穿穿电压电压无影响；无影响；冲冲击电压击电压，击击穿穿电压电压和放和放电时间电时间有关。有关。35l l 放电时间的组成放电时间的组成放电时间的组成放电时间的组成总放电时间：总放电时间： t tb b= =t t1 1+ +t ts s+ +t tf ft t1 1电压上升时间，气隙电压从电压上升时间，气隙电压从0 0上升上升 到到UsUs上升到所需时间。上升到所需时间。t ts s统计时延，从统计时延，从t t1 1 开始到气隙出现开始到气隙出现 第一个有效电子所需的时间；第一个有效电子所

32、需的时间；t tf f 放电形成时延，出现有效电子到放电形成时延，出现有效电子到 完成气隙的击穿需要的时间。完成气隙的击穿需要的时间。图图1-14 1-14 放电时间的组成放电时间的组成36二、冲二、冲二、冲二、冲击电压标击电压标准波形准波形准波形准波形（一）（一）标标准雷准雷电电冲冲击电压击电压波波 图图1-15 1-15 雷雷电电冲冲击电压击电压波形的波形的标标准化准化 T T1 1视视在波前在波前时间时间； T T2 2视视在半峰在半峰值时间值时间； U Um m冲冲击电压击电压峰峰值值 IECIEC和国和国标标的的规规定定为为： T T1 11.2 1.2 ss 30 30 T T2

33、250 50 ss 20 20 记为记为1.2/50 1.2/50 ss， u/uu/umm37（二）（二）标标准雷准雷电电截波截波 标标准准雷雷雷雷电电截波：截波：截波：截波：用来模用来模拟拟雷雷电过电压电过电压引起气隙引起气隙击击穿或穿或 外外绝缘闪络绝缘闪络后所出后所出现现的截尾冲的截尾冲击击波。波。 图图1-16 1-16 雷雷电电截波截波 IECIEC和国和国标规标规定定为为： T T1 11.2 1.2 ss 30 30波前波前时间时间 T Tc c =2 =2 5 5 s s 截断截断时间时间u/uu/umm38（三）（三）（三）（三）标标准操作冲准操作冲准操作冲准操作冲击电压击

34、电压波波波波 图图1-17 1-17 操作冲操作冲击试验电压击试验电压波形波形 （a a）非周期性双指数冲）非周期性双指数冲击击波；波； （b b）衰减振）衰减振荡荡波波 IECIEC和国和国标规标规定定： TcrTcr250 250 ss 20 20 波前波前时间时间 T T2 22500 2500 ss 60 60 半峰半峰值时间值时间39三、冲三、冲三、冲三、冲击电压击电压下气隙的下气隙的下气隙的下气隙的击击穿特性穿特性穿特性穿特性 间间隙耐隙耐电强电强度表示度表示： 持持续电压续电压作用下作用下击击穿穿电压电压 冲冲击电压击电压下下 U50% U50% （5050冲冲击击击击穿穿电压电

35、压） 间间隙伏秒特性隙伏秒特性 原因：放原因：放电时间对电时间对冲冲击击击击穿穿电压电压的影响，放的影响，放电电 有分散性。有分散性。 （一）（一） U U50%50% 5050冲冲击击击击穿穿电压电压l l U50%U50%表征气隙的耐受冲表征气隙的耐受冲击电压击电压的能力。的能力。 指气隙被指气隙被击击穿的的概率穿的的概率为为50%50%的冲的冲击电压击电压峰峰值值 l l同一同一间间隙雷隙雷电电冲冲击击u50%u50%和操作冲和操作冲击击U50%U50%不同不同4041（二）伏秒特性（二）伏秒特性（二）伏秒特性（二）伏秒特性l l伏秒特性伏秒特性伏秒特性伏秒特性表示气隙冲表示气隙冲击击击

36、击穿穿电压电压与放与放电时间电时间 的关系曲的关系曲线线。l l通通过实验过实验方法取得伏秒特性曲方法取得伏秒特性曲线线 l l伏秒特性曲伏秒特性曲线线用于系用于系统绝缘统绝缘配合配合42l l 平均伏秒特性曲平均伏秒特性曲平均伏秒特性曲平均伏秒特性曲线线 实际实际的伏秒特性曲的伏秒特性曲线线，是一个以上、下包，是一个以上、下包络线为络线为 界的界的带带状区域。状区域。 通常取通常取5050伏秒特性或平均伏秒特性曲伏秒特性或平均伏秒特性曲线线来表征一来表征一 个气隙的冲个气隙的冲击击击击穿特性。穿特性。 图图1-19 1-19 伏秒特性带与伏秒特性带与5050伏秒特性伏秒特性 1 1上包络线；

37、上包络线；2 25050伏秒特性；伏秒特性；3 3下包络线下包络线431.6 气体介质的电气强度气体介质的电气强度 了解气体放了解气体放电电的基本物理的基本物理过过程，有助于分析、程，有助于分析、说说明各种气隙明各种气隙在各种高在各种高电压电压下的下的击击穿穿规规律和律和实验结实验结果。果。 对对气体介气体介质质的的电电气气强强度（度（击击穿穿电压电压或或击击穿穿场强场强）定量分析，）定量分析， 采用采用实验实验方法方法vv气体气体电电气气强强度首先取决于度首先取决于电场电场形式形式 均匀均匀电场电场：平行板：平行板电电极极 稍不均匀稍不均匀电场电场：球球，同：球球，同轴圆轴圆筒筒 极不均匀极

38、不均匀电场电场：棒棒（：棒棒（对对称称电场电场） 棒板（不棒板（不对对称称电场电场）vv气体的气体的击击穿特性与所加穿特性与所加电压电压的的类类型有很大关系型有很大关系 主要的四种主要的四种类类型型电压电压波形：波形： 工工频频交流交流电压电压、直流、直流电压电压、雷、雷电过电压电过电压波和操作波和操作过电压过电压波。波。441.6.1 均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性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一、均匀电场的击穿特性一、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

39、。直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压相同。 击穿电压的分散性很小击穿电压的分散性很小 气隙击穿电压与极间距离的关系气隙击穿电压与极间距离的关系: : Kv(Kv(峰值）峰值）图图1-11 1-11 均匀电场空气间隙击穿电压峰值随极间距离的变化均匀电场空气间隙击穿电压峰值随极间距离的变化4546二、二、二、二、 稍不均匀电场下气隙的击穿电压稍不均匀电场下气隙的击穿电压稍不均匀电场下气隙的击穿电压稍不均匀电场下气隙的击穿电压 一旦出现局部放电就导致整个气隙的击穿。一旦出现局部放电就导致整个气隙的击穿。实例：球实例：球- -球、球球、球- -板、同轴圆筒、平行圆柱等板、同轴圆筒、平行圆柱等球间隙球

40、间隙: :电场不均匀度随着球间距离电场不均匀度随着球间距离d d与球极直径与球极直径D D之之 比增大而增加。比增大而增加。 直流击穿电压直流击穿电压= =工频击穿电压（峰值）工频击穿电压（峰值）=U=U50%50%（冲击击穿（冲击击穿电压）电压） 击穿场强比均匀电场下低击穿场强比均匀电场下低各种稍不均匀电场下气隙的击穿电压见式（各种稍不均匀电场下气隙的击穿电压见式（1-371-37）- -（1-1-6060）471.6.2 1.6.2 1.6.2 1.6.2 极不均匀电场下气隙的击穿电压极不均匀电场下气隙的击穿电压极不均匀电场下气隙的击穿电压极不均匀电场下气隙的击穿电压 气隙中各处场强差别很

41、大，气隙中各处场强差别很大，气隙中各处场强差别很大，气隙中各处场强差别很大， 存在电晕放电阶段和极性效应存在电晕放电阶段和极性效应存在电晕放电阶段和极性效应存在电晕放电阶段和极性效应 典型极不均匀电场典型极不均匀电场典型极不均匀电场典型极不均匀电场 对称：棒对称：棒对称：棒对称：棒- - - -棒、线棒、线棒、线棒、线- - - -线线线线 不对称：棒不对称：棒不对称：棒不对称：棒- - - -板、线板、线板、线板、线- - - -板板板板 48“ “棒棒- -棒棒” ”和和“ “棒棒- -板板” ”空气间隙直流击穿空气间隙直流击穿电压曲线电压曲线 直流电压下直流电压下直流电压下直流电压下 平

42、均耐受场强（平均耐受场强（平均耐受场强（平均耐受场强（10cmd300cm):10cmd300cm):10cmd300cm):10cmd300cm): 正棒正棒正棒正棒- - - -负板负板负板负板 约为约为约为约为 4.5Kv/cm ;4.5Kv/cm ;4.5Kv/cm ;4.5Kv/cm ;负棒负棒负棒负棒- - - - 板板板板 约为约为约为约为 10Kv/cm10Kv/cm10Kv/cm10Kv/cm 棒棒棒棒- - - -棒约为棒约为棒约为棒约为 5.4Kv/cm5.4Kv/cm5.4Kv/cm5.4Kv/cm49 工频交流电压下工频交流电压下工频交流电压下工频交流电压下棒棒棒棒-

43、 - - -板板板板 击穿总是发生在棒为负的半波击穿总是发生在棒为负的半波击穿总是发生在棒为负的半波击穿总是发生在棒为负的半波50 雷电冲击电压下雷电冲击电压下雷电冲击电压下雷电冲击电压下51521.7 大气条件对气隙击穿特性的影响及校正大气条件：空气密度、湿度大气条件：空气密度、湿度 密度增加，击穿电压上升，密度增加，击穿电压上升， 均匀电场和稍不均匀电场下，湿度对击穿电压基本无影响均匀电场和稍不均匀电场下，湿度对击穿电压基本无影响 极不均匀下电场湿度增加，击穿电压有所提高。极不均匀下电场湿度增加，击穿电压有所提高。一、空气密度、湿度的校正的校正一、空气密度、湿度的校正的校正 在不同的大气状

44、态下，外绝缘的击穿电压按下式校正：在不同的大气状态下，外绝缘的击穿电压按下式校正： U UK Kd d/K/Kh h*U*U0 0 U U -试验条件下外绝缘的击穿电压试验条件下外绝缘的击穿电压 U U0 0-标准大气条件下外绝缘的击穿电压标准大气条件下外绝缘的击穿电压 K Kd d-空气密度校正因数空气密度校正因数 K Kh h-湿度校正因数湿度校正因数 标准大气条件：标准大气条件：P P0 0=101.3kPa t=101.3kPa t0 0=20 h=20 h0 0=11g/m=11g/m3 3 53-空气密度校正系数空气密度校正系数-空气相对密度空气相对密度m m 指数，取决与电压形式

45、、距离等指数，取决与电压形式、距离等 ，查图可得，查图可得 k k 绝对湿度函数，取决于绝对湿度和电压极性，查图绝对湿度函数，取决于绝对湿度和电压极性，查图可得可得54二、海拔高度的影响二、海拔高度的影响二、海拔高度的影响二、海拔高度的影响 海拔高度海拔高度 1000m1000mH H4000m4000m55基本途径：基本途径：基本途径：基本途径：1. 1. 改善电场分布，尽量均匀改善电场分布，尽量均匀 2. 2. 削弱或抑制气体电离过程削弱或抑制气体电离过程1.8 提高气体电气强度的方法具体措施：具体措施：具体措施：具体措施：1. 1. 改进电极形状以使电场尽量均匀改进电极形状以使电场尽量均

46、匀 2. 2. 采用屏障采用屏障 3. 3. 采用高气压采用高气压 4. 4. 采用真空采用真空 5. 5. 采用高强度气体采用高强度气体561.9 沿面放电和污闪事故一、沿面放一、沿面放一、沿面放一、沿面放电电概念概念概念概念 带电导带电导体用固体体用固体绝缘绝缘装置将它装置将它们悬们悬挂起来或支撑起来。挂起来或支撑起来。 绝缘绝缘子一个子一个电电极接极接电压电压，一个，一个电电极接地。极接地。 绝缘绝缘的的丧丧失：失：1)1)固体介固体介质质本身本身击击穿穿; 2); 2)沿面沿面闪络闪络l l 沿面放沿面放电电-沿着固体介沿着固体介质质表面表面发发展的气体放展的气体放电电 现现象。象。l

47、 l沿面沿面闪络闪络-沿着放沿着放电电沟通两沟通两电电极。极。l l污闪污闪-沿着沿着污秽污秽固体固体电电介介质质表面表面发发生的生的闪络闪络。l l绝缘绝缘子子 干干闪络电压闪络电压 湿干湿干闪络电压闪络电压 污秽闪络电压污秽闪络电压57二、沿面放电的类型与特点二、沿面放电的类型与特点二、沿面放电的类型与特点二、沿面放电的类型与特点固体介质与其体介质交接面电场分布的三种典型情况：固体介质与其体介质交接面电场分布的三种典型情况：1)1)均匀电场均匀电场均匀电场均匀电场，固体介质界面与电力线平行，固体介质界面与电力线平行2)2)稍不均匀电场，切线分量稍不均匀电场，切线分量EtEt大于垂直分量大于

48、垂直分量EnEn3)3)极不均匀电场，垂直分量极不均匀电场，垂直分量EnEn比切线分量比切线分量EtEt要大得多要大得多 （一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电 平板电极间插入一块固体介质，平板电极间插入一块固体介质，沿面闪络电压比纯空气沿面闪络电压比纯空气沿面闪络电压比纯空气沿面闪络电压比纯空气间隙时的击穿电压下降很多间隙时的击穿电压下降很多间隙时的击穿电压下降很多间隙时的击穿电压下降很多，原因：，原因：（1 1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。）固体介质与电极表面接触不良，存在

49、小气隙。（2 2）大气中的潮气吸附到固体介质的表面形成薄水膜，）大气中的潮气吸附到固体介质的表面形成薄水膜， 水膜中的离子电荷聚集于电极附近，固体介质沿面电水膜中的离子电荷聚集于电极附近，固体介质沿面电 场分布不均场分布不均（3 3）固体表面粗糙不平会造成电场畸变。）固体表面粗糙不平会造成电场畸变。58（二）极不均匀（二）极不均匀（二）极不均匀（二）极不均匀电场电场且具有且具有且具有且具有强强垂直分量垂直分量垂直分量垂直分量时时的沿面放的沿面放的沿面放的沿面放电电 放放电发电发展展过过程如程如图图1 12424 外施外施电压电压升高升高 电压电压超超过过某一某一值值 电压电压再升高再升高电晕电

50、晕放放电电 辉辉光放光放电电 滑滑闪闪放放电电 闪闪络络（法（法兰兰附近）附近）特点：出特点：出现现滑滑闪闪放放电电（不（不稳稳定的定的树树枝状火花放枝状火花放电电）原因：原因：辉辉光放光放电电出出现现的大量的大量带电带电粒子，在粒子，在强强垂直分量作用下，垂直分量作用下， 紧贴紧贴固体表面运固体表面运动动，是固体表面因摩擦，是固体表面因摩擦产产生高温，生高温，导导 致气体分子致气体分子热电热电离，火化通道离，火化通道带电带电粒子数目粒子数目剧剧增，火增，火 化通道向前延伸，化通道向前延伸， 滑滑闪闪放放电电。滑滑闪闪放放电树电树枝中的一枝沟通两枝中的一枝沟通两电电极极时时， 沿面沿面闪络闪络

51、。（三）极不均匀（三）极不均匀（三）极不均匀（三）极不均匀电场电场中垂直分量很弱中垂直分量很弱中垂直分量很弱中垂直分量很弱时时的沿面放的沿面放的沿面放的沿面放电电l l 沿面沿面沿面沿面闪络过闪络过程中无滑程中无滑程中无滑程中无滑闪闪放放放放电电（不会出不会出现热电现热电离）离）l l 平均平均闪络场强闪络场强比均匀比均匀电场时电场时低得多；但大于低得多；但大于强强垂直垂直 电场电场分量分量时时的平均的平均闪络场强闪络场强。59三、影响沿面三、影响沿面三、影响沿面三、影响沿面闪络电压闪络电压的因素的因素的因素的因素（一）固体介（一）固体介质质材料材料 取决于材料得取决于材料得亲亲水性或憎水性水

52、性或憎水性（二）（二）电场电场型式型式 固体介固体介质质表面表面电场电场越均匀，越均匀，闪络电压闪络电压越高。越高。四、四、绝缘绝缘子在淋雨状子在淋雨状态态下的沿面下的沿面闪络闪络 绝缘绝缘子在淋雨状子在淋雨状态态下的沿面下的沿面闪络闪络湿湿闪络闪络。 u u湿湿闪闪 u u干干闪闪 湿湿闪闪途径：途径：（1 1）沿湿表面）沿湿表面ABAB和干表面和干表面BCABCA 发发展，展，缘缘子湿子湿闪电压为闪电压为干干 闪时闪时的的40405050（2 2）沿湿表面）沿湿表面ABAB和空气和空气间间隙隙BABA 发发展，展，绝缘绝缘子湿子湿闪电压闪电压 比干比干闪时闪时不会下降很多不会下降很多（3

53、3）沿湿表面）沿湿表面ABAB和水流和水流BBBB 发发展，湿展，湿闪电压闪电压降低到很低降低到很低 的数的数值值60五、绝缘子污秽状态下的沿面闪络五、绝缘子污秽状态下的沿面闪络五、绝缘子污秽状态下的沿面闪络五、绝缘子污秽状态下的沿面闪络绝缘子污秽原因：绝缘子污秽原因：绝缘子污秽原因：绝缘子污秽原因：工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘等污工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘等污 秽秽 物的污染。物的污染。污垢层：污垢层：污垢层：污垢层：干燥状态，导电性较小；大雨时被冲刷干净，均不干燥状态，导电性较小；大雨时被冲刷干净，均不 会影响运行。会影响运行。污闪：污闪：污闪：污闪： 污秽绝缘子在毛毛雨、雾、露等不

54、利天气时，在工污秽绝缘子在毛毛雨、雾、露等不利天气时，在工 作电压下发生的闪络。作电压下发生的闪络。 污闪过程：污闪过程：污闪过程：污闪过程：污层将被水分湿润污层将被水分湿润 电导电导 工作电压下泄工作电压下泄 漏电流漏电流 绝缘子表面污层上出现局部烘干绝缘子表面污层上出现局部烘干 区区烘干区电场强度烘干区电场强度 烘干区击穿烘干区击穿烘干烘干 区出现电弧放电区出现电弧放电泄漏泄漏 电流电流 出现新的烘出现新的烘 干区干区新的烘干区击穿新的烘干区击穿电弧拉长电弧拉长 . . 弧道不断延伸发展（称为爬电）弧道不断延伸发展（称为爬电） 弧道贯穿弧道贯穿 两极两极沿面闪络。沿面闪络。61污区等级：污

55、区等级：污区等级：污区等级：0 0 0 0级级级级 等值盐密：等值盐密：等值盐密：等值盐密：将绝缘子污垢层的导电性能还算为单位面将绝缘子污垢层的导电性能还算为单位面 积含盐量。积含盐量。爬电比距：爬电比距：爬电比距：爬电比距：每千伏线电压所需要的爬电距离。每千伏线电压所需要的爬电距离。 污闪危害污闪危害污闪危害污闪危害：造成系统长时间、大面积停电。：造成系统长时间、大面积停电。 防污闪措施防污闪措施防污闪措施防污闪措施：增大爬距：增大爬距 定期清扫定期清扫 涂憎水性涂料涂憎水性涂料 涂半导体釉涂半导体釉 采用合成绝缘子采用合成绝缘子62污秽等级污秽条件爬电距离参考值 /mm污秽特征等值盐密 /

56、mg.cm-2轻污区大气轻度污染地区，农业地区和山区，离海岸50km以远地区，无混合牵引和非工业性污染线路、站场，在污闪季节干燥少雾或雨量较大地区0.010.19201100重污区大气中等及严重污染地区，工业粉尘污染地区，离海岸1km50km的地区，使用双机和三机混合牵引的线路、站场，潮湿多雾和重雾地区0.10.2512001380特重污区大气特别严重污染地区，距冶炼、化工、水泥、石灰和矿山企业，以及离海岸线1km以内的线路、站场和货物装卸线0.250.3514501600隧道不作具体规定1450污区等级：污区等级：污区等级：污区等级：0 0 0 0级级级级 632.2 极不均匀电场气隙的击穿

57、特性“ “棒棒棒棒” ”气隙气隙-完全完全对对称性称性“ “棒板棒板” ”气隙气隙-最大不最大不对对称性称性其它其它类类型极不均匀型极不均匀电场电场气隙气隙击击穿特性穿特性处处于于这这两种之两种之间间。一、直流一、直流电压电压“ “棒棒棒棒” ”和和“ “棒板棒板” ”击击穿特性穿特性见图见图2-42-4。“ “棒板棒板” ”：负负极性极性击击穿穿电压电压大大大大高于正极性高于正极性击击穿穿电压电压 图图2-42-464四、操作冲四、操作冲击电压击电压 250/2500us 250/2500us标标准操作冲准操作冲击击波形波形 随着随着输电电压输电电压的不断提高，操作的不断提高，操作过电压过电

58、压下的下的绝缘问题变绝缘问题变得越得越来越突出。来越突出。特点：特点：1)1)操作冲操作冲击电压击电压波形波形对对气隙的气隙的电电气气强强度有很大的影响度有很大的影响 击击穿穿电压电压U U50%(s)50%(s)与波前与波前时间时间T Tct ct的关系曲的关系曲线线呈呈现现“ “U”U”形形2)2)气隙的操作冲气隙的操作冲击击击击穿穿电压电压3)3)极不均匀极不均匀电场长电场长气隙的操作冲气隙的操作冲击击击击穿特性具有穿特性具有显显著的著的“ “饱饱和和现现象象” ”4)4)操作冲操作冲击电压击电压下的气隙下的气隙击击穿穿电压电压和放和放电时间电时间的分散性都要比的分散性都要比雷雷电电冲冲

59、击电压击电压下大得多。下大得多。652.4 提高气体介质电气强度的方法提高气隙的提高气隙的击击穿穿电压电压的两条途径的两条途径：1)1)改善气隙中的改善气隙中的电场电场分布，使之分布，使之进进来均匀；来均匀；2)2)设设法削弱和抑制气体介法削弱和抑制气体介质质中的中的电电离离过过程。程。一、一、改改进电进电极形状以改善极形状以改善电场电场分布分布 改改进电进电极形状，利用屏障增大极形状，利用屏障增大电电极的曲率半径极的曲率半径二、二、利用空利用空间电间电荷改善荷改善电场电场分布分布 细线细线效效应应三、三、采用屏障采用屏障 在气隙中放置形状和位置合适、能阻碍在气隙中放置形状和位置合适、能阻碍带

60、电带电粒子运粒子运动动和和调调整空整空间间电电荷分布的屏障。荷分布的屏障。四、四、采用高气采用高气压压 提高气提高气压压可大大减少可大大减少电电子的自由行程子的自由行程长长度，削弱和抑制了度，削弱和抑制了电电离离过过程。程。五、五、采用高采用高电电气气强强度气体度气体 SFSF6 6及其混合气体及其混合气体六、六、采用高真空采用高真空 极极间间距离距离较较大大时时，” ”全全电压电压效效应应“ “662.5 六氟化硫和气体绝缘电气设备 SF SF6 6的的电电气气强强度度约为约为空气的空气的2.52.5倍，倍，灭灭弧能力更高达空气的弧能力更高达空气的100100倍以上。倍以上。一、一、SFSF

61、6 6的的绝缘绝缘性能性能 只有在只有在电场电场均匀的均匀的场场合下才能得到充分合下才能得到充分发挥发挥。( (一一) )均匀和稍不均匀均匀和稍不均匀电场电场中中SFSF6 6的的击击穿穿 附着系数；自持放附着系数；自持放电电条件；稍不均匀条件；稍不均匀电场电场中的特性中的特性( (二二) )极不均匀极不均匀电场电场中中SFSF6 6的的击击穿穿异常异常现现象象 1 1、工、工频击频击穿穿电压电压随气随气压变压变化的曲化的曲线线存在存在驼驼峰峰 2 2、驼驼峰区段内的冲峰区段内的冲击击击击穿穿电压电压明明显显低于静低于静态击态击穿穿电压电压上述上述现现象如象如图图2 21818所示，主要与空所示，主要与空间电间电荷有关荷有关( (三三) )影响影响击击穿穿场强场强的其它因素的其它因素1 1）电电极表面缺陷极表面缺陷 “ “面面积积效效应应” ”2 2）导电导电微粒微粒67三、三、 SFSF6 6混合气体混合气体 SFSF6 6-N-N2 2混合气体混合气体四、气体四、气体绝缘电绝缘电气气设备设备( (一一) )封封闭闭式气体式气体绝缘组绝缘组合合电电器器(GIS)(GIS) 优优点有点有4 4点点( (二二) )气体气体绝缘绝缘管道管道输电线输电线 优优点有点有4 4点点( (三三) )气体气体绝缘变压绝缘变压器器 优优点有点有3 3点点68