1、高电压技术word版绪 论高电压技术：电力系统中涉及过电压、耐压、 绝缘等问题的技术。如： 雷击变电所、发电厂的过电压及防护措施 绝缘材料的研制 合闸分闸空载运行以及短路引起的过电压 电气设备的耐压试验 一、研究意义 目前，随着科技的发展、经济的需要，输电电压等级越来越高，输电距离越来越长，电网结构也越来越复杂。 1. 为什么需要不断提高电压等级 （ 1 ）输电线路输送的电能 S = U I （ 2 ）输送过程中的热耗 Q = I2 R t 可以看出，损耗 Q 与电流 I 的平方成正比，若想提高输电能力S而又维持一定的损耗 Q ，必须提高输电电压 U 。 2. 电网电压的发展历史 （ 1 ）
2、18911920 年 低压： 100V ， 220V ， 380V 高压： 10KV ， 15KV ， 35KV ， 110KV ， 220KV 存在的主要问题：雷击引起了大气过电压 解决：发展了避雷针（线、器） , 且多用于市区网络或近距离的输电。 （ 2 ） 19501965 年 发展了 330KV ， 500KV ， 750KV 的超高压 主要问题：内部过电压，电晕损耗增大（电晕防电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式，其电流强度不取决于电源电路中的阻抗，而取决于电极外气体空间的电导，只可能在电极附近的一个狭小区域内进行，如架空输电线路导线间） 解决：能够限制内过电压的避雷器，采用分裂
3、导线 （ 3 ） 1970 出现了 100KV 及以上特高压等级网络 美国 AEP 公司： 1990 年建成了 1500KV 前苏联： 1984 年建成西伯利亚乌拉尔 1150KV 目前正在研究 2000KV 线路 日本： 1993 年建成了新泻山梨的 1000KV 线路 从电压等级的发展历史来看，在高压技术研究领域，主要存在以下问题： 1. 绝缘配合问题 2. 可听噪声 (5560db) 3. 静电效应 10KV/M ，对生物无影响 12KV/M ，对谷物无明显影响 25100KV/M ，血液成分将发生变化 4. 无线电干扰 5. 电晕损耗：与 U成正比 国内电压等级情况： 220KV 为干
4、线， 500KV （交、直流）为主干线， 750KV1000KV 为发展目标。 研究意义：如何将电能大容量、远距离、低损耗地输送，提高电力系统运行的经济效益，防止过电压，提高耐压水平，保持电网运行的安全可靠性。 二研究内容： 1. 提高绝缘能力 电压等级提高，需要相应的高压电气设备，要对各类绝缘电介质的特性及其放电机理进行研究，其中气体放电机理是基础。 电介质理论研究介质特性 放电过程研究放电机理 高电压试验技术高压产生、测量、检验，分预防性和破坏性 2. 降低过电压 雷击或操作暂态过程产生高电压 绝缘破坏故障 防止破坏恢复 研究过电压的形成及防止措施 高电压种类：大气过电压 内部过电压操作过
5、电压，暂时过电压 3. 绝缘配合 使作用电压的数值、保护电器的特性和绝缘的电气特性之间相互协调以保证电气装置的可靠运行与高度经济性。 三学习要求 与电工及物理的基础理论，如电介质理论、电磁场理论、电路中的瞬变理论相关。内容涉及面广，经验公式多，文字叙述多，试验数据、图表多，实践性强 第一章 电介质的极化、电导和损耗 1 1 电介质的极化 一电介质简介 1定义：电介质是指通常条件下导电性能极差的物质，云母、变压器油等都是电介质。 电介质中正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷极少，因此导电性能差。 电介质的极化 电介质分子电结构不同，可方法分为：无极分子，如 CH 4；有极分子，如 H2O 有
6、极分子取向极化 无极分子位移极化 电介质的侧面出现束缚电荷 解释：（ 1 ）是束缚电荷而不是自由电子 （ 2 ）是有限位移而不是电荷流通，不产生电流 （ 3 ）内部电荷的总和仍为零，但由于外电场的作用对外显现电场力 二电介质极化的基本类型 1 电子位移极化：就是在外电场的作用下，电介质粒子中电子轨道变形（偏移）而引 起了感应电矩。 特点：（）此种极化存在于一切电介质中 （）完全弹性，不引起能量损耗 （）是瞬时建立的（约14 15 ），即与外加电场的频率无关 （）单元粒子的极化电矩与温度无关（热运动不改变粒子半径）；温度可改变介质 密度，使介质的电子位移极化率随之变化。 2离子位移极化：由离子结
7、合成的电介质，在外电场的作用下，除各离子的内部产生电 子位移极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。 特点：（）存在于离子结构介质中，如：云母、陶瓷、玻璃等 （）极化完成时间极短（约1213），几乎与外电场频率无关（低于 红外线） （）有极微量的能量损耗 （）极化率随温度升高而。增大温度体积离子间距离子间作用力 3转向极化：极性介质在外电场作用下，每个分子的固有偶极矩有转向与电场平行的趋 势，受分子热运动的干扰，在某种程度上达到平衡，对外呈现宏观电矩。 特点：（）存在于极性电介质中，如：液体（水，乙醇），固体（纤维，涤纶） （）极化过程需要较长的时间（约06 02） 转
8、向不充分（跟不上电场的变化）极化率 （）伴有能量损耗（电场能热能） （）与温度的关系 分子间联系紧密转向困难极化率 分子间联系较松转向较易极化率 分子运动剧烈排序困难极化率 空间电荷极化（夹层极化） 上述三种极化都是由于带电质点的弹性位移或转向而形成的 空间电荷极化是由自由电荷（通常为离子）在电场中的运动所形成的。在不均匀电介质中或电介质中有晶格缺陷时，电场的作用使带电质点在电介质中移动，可能被晶格缺陷俘获或在两层电介质的界面上堆积，造成电荷在介质空间中新的分布，从而产生电矩。 实际意义：高压设备绝缘中往往采用不均匀介质材料或复合型电介质 其本质可用夹层极化来说明，现以两层电介质模型为例 等效
9、电路为： G1 G2 C1 C2 U设 ， ， ， ，（单位略） 分析：（）在合闸瞬间，电流流过电容，电阻相当于开路 +2 -2 +2 -2 C1 C2 U （ ）* U （ ）* eq 1 2 （1 2 ） Qeq eq （）经过一段时间达稳态后，电流流过 、 ，电容相当于开路 +1 -1 +4 -4 C1 C2 1 2 1 1 2 2 1 ，2 1 ，2 eq eq 和 分界面上堆积的电荷量为 夹层的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值电容的增大，这就是夹层极化效应。 特点：（）存在于复合介质、不均匀介质中 电介质不均匀性的条件，双层电介质中存在空间电荷极化的条件。此时， 初始电压分布
10、不等于稳态电压分布，会引起电荷的重新分配。 吸收电荷：两层介质分界面上积累的电荷 稳态 1 稳态 吸收电流：在吸收电荷积累过程中形成的电流 （）极化过程很缓慢（几十秒几分钟几小时） 夹层介质界面上电荷的积累通过介质完成，高压绝缘介质小所以极化慢。 只在低频下有意义。 （）此种极化伴随着能量损耗 小结：四种极化结构上分别为电子结构、离子结构、分子结构，极化时间、温度影响、能耗影响很大。 三电介质的介电常数 电极间为真空时 00 电极间放入介质后 0 补偿电介质极化产生的束缚电荷 定义：相对介电常数r 0物理意义：相对真空时感应电荷（电容量）变化的倍数。 真空r，空气r，其余r 影响r 的因素：极
11、性介质的r 受温度、频率影响较大 r 在工程实际上的意义 （）不同应用场合，对r 大小的要求不同 （）在交流及冲击电压作用下，多层串联介质与r 成反比 电介质中的电流和电导 一电介质中的电流 介质加直流电压后测得电流为 a g c a 夹层极化的吸收电流 g 泄漏电流 c 位移极化电流 吸收现象的意义：对判断绝缘是否受潮很有用 二电导 定义：在电场的作用下，由带电质点（电子、正负离子）沿电场方向移动而造成的。 要点：带电质点主要是正负离子，也称离子式电导，与金属电导有本质区别。 指标：用电导率（）表示，泄漏电流大 电介质电导与金属电导的本质区别 （）带电质点不同：电介质为带电离子（固有离子，杂
12、质离子）；金属为自由电子 （）数量级不同：电介质的小，泄漏电流小；金属电导的电流很大 （）电导电流的受影响因素不同：电介质中由离子数目决定，对所含杂质、温度很敏 感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是主要因素 影响电介质电导的因素 气体电介质与游离有关 液体和固体电解质 () 温度：温度 热运动加剧迁移率 分子或离子热离解 经验公式 （）电场强度 0时，与呈指数关系 （）杂质 中性介质的电导一般主要由杂质引起（离子数） 固体介质受潮（加入强极性杂质） 4 固体介质的表面电导 除体积电导外介质还有表面电导由于介质表面吸附一些水分、尘埃或导电性的化学沉淀物形成的水分起着特别重要作用。 亲水性
13、介质（玻璃、陶瓷）表面电导大 憎水性介质（石蜡、四氟乙烯、聚苯乙烯）表面电导小 3电介质中的损耗 一定义 在交流电压作用下，电介质中会产生电导电流和位移电流，电介质的部分电能将转变为热能，这部分能量损耗称为介质的损耗。 二分析 电介质等效电路为 Rlk Rp Cg CP 进一步简化 并联等值电路及矢量图 Rp CP 串联等值电路及矢量图 RS CS在并联电路中 tgRC（P ）P PPcosR C tg2P tg 在串联电路中 tgSS 2S tg（ tg2） 所以 P S（ tg2） 因为 tg远小于，所以PS 2tg 可见，在其他各值给定的情况下，取决于介质的 tg。 可用交流电桥测出 t
14、g、等参数。 tg能量损耗大绝缘电阻判断绝缘材料有受潮、劣化、气泡现象 三影响 tg的因素 中性或弱极性介质的损耗主要由电导引起， tg较小 极性介质中除电导损耗外，还有转向引起的极化损耗，tg较大，而且与温度频率有关。图 本章小结： 介质的三个特性：极化、电导、损耗 三个指标：r 、 tg 三个要点：夹层极化的条件，电介质电导与金属电导的区别，介质的电流成分 常用高压工程术语 击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。 放电：气体绝缘的击穿过程。 闪络：沿固体表面的放电（亦称沿面放电） 电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。 击穿电压（放电电压）b（）
15、：使绝缘击穿的最低临界电压。 击穿场强（抗电强度，绝缘强度）b（）：发生击穿时在绝缘中的最小 平均电场强度。 （：极间距离） 一般在常压大气中， ，当为时 ，当接近时常见电场的结构 均匀场： 板板 稍不均匀场： 线线 对称场 不均匀场： 棒棒 棒板 不对称场 第二章电介质在强电场下的特性 气体中带电质点的产生和消失 一带电粒子的产生（电离过程） 气体中出现带电粒子才可在电场作用下发展成各种气体放电现象 碰撞电离 气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离 条件：撞击粒子的总能量被撞粒子的电离能 动能、位能 无电场时，动能小 有电场作用，带电粒子在电场方向加速，但离子体积大，易碰撞
16、损失动能，所以电场中造成碰撞电离的主要因素是电子。 一定的相互作用的时间和条件 通过复杂的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换 光电离 在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子 由光电离而产生的自由电子称为光电子 必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能 光子来源：紫外线、伦琴射线、射线、宇宙射线 气体本身反激励，异号粒子复合也产生光子 光电离在气体放电中很重要 热电离 气体的热状态造成的电离，实质仍是碰撞电离和光电离，能量来自气体分子的热能。 分子动能碰撞电离 热辐射光子的能量、数量光电离 热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合 高温时，气体分子分解或化合，电离能将改变 表面电离 气体
17、中的电子也可从金属电极表面游离出来。 游离需要能量，称逸出功，小于电离能 获得逸出功的途径： 热电子发射：金属电极加热，分子动能 强场发射或冷发射：电极加上强电场 二次发射：高能量粒子撞击金属电极表面 短波光照射金属表面 负离子的形成 中性分子或原子与电子相结合，将放出能量亲和能 大 , 易形成负离子 负离子现象对气体放电的发展起抑制作用 二气体中带电粒子的消失 中和 受电场力作用流入电极，中和电量 扩散 带电粒子由高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于均匀的过程。 由热运动造成 复合 带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递，中和而还原为中性粒子的过程。 复合时异号粒子的静电力起重要作用
18、 三游离和复合的关系 游离过程吸收能量产生电子等带电质点，不利于绝缘；复合过程放出能量，使带电质点减少消失，有利于绝缘。两种过程在气体中同时存在，条件不同，强弱程度不同。游离主要发生在强电场区、高能量区；复合发生在低电场、低能量区。 气体放电过程的一般描述 1外加电压很小时，气隙中的电流是由外界因素所造成的电子和离子所形成的。随电压 ，这些质点中和后，电流饱和，仍有极微小的泄漏电流。 2场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，向雪崩似的增长，称电子崩。电流 大增 3cr （临界场强：由非自持放电转入自持放电的场强）时，电子崩有赖外界游离 因素，为非自持放电。 cr 时，电子崩仅由电场的作用
19、而自行维持和发展，为自持放电。 此后的发展随电场情况不同 均匀电场气隙击穿 不均匀电场：自持放电形成电晕 火花击穿（小） 刷形放电（大）， 火花击穿 电源功率大时，火花击穿迅速变成电弧 均匀电场气隙的击穿 要点：气隙的击穿就是各种形式的游离持续发展的过程，条件不同（影响最大的是值。：气体的相对密度，：极间距离），各种游离所起作用的强弱不同，气隙击穿的机理也就有不同。 （）当值较小时，电子的撞击游离和正离子撞击阴极造成的表面游离起主要作用，气隙击穿电压大体是值的函数汤森德机理，. （）当值较大时，实验表明，数据、现象与汤森德机理有矛盾，提出流注机理 一、值较小时气隙的击穿过程（汤森德机理） 汤森
20、德机理适用范围：低气压、短间隙、直流电压、均匀电场中的放电过程（ .cm） 描述撞击游离和阴极表面游离的系数 系数：表示一个电子由阴极到阳极每路程中与气体质点相撞击所产生的 自由电子数 系数：表示一个正离子由阳极到阴极每路程中与气体质点相撞击所产生 的自由电子数 系数：表示一个正离子撞击到阴极表面时使阴极逸出的自由电子数 气隙击穿的条件（汤森德机理） n0 n x S 在平行板电极均匀电场中 设最初从阴极表面游离出一个初始自由电子（由外界因素形成），即0 。此电子在电场作用下向阳极运动，不断撞击游离，到处时游离出的总电子数为，这些电子继续运动距离，游离出个电子。 即：处，0 处，a 边界条件
21、积分 x 与无关（各处场强相等），且（）0 所以 0 一个自由电子由阴极到达阳极时，撞击出的自由电子数： a 撞击游离产生的正离子数（新电子数）+ ( ) 正离子撞击阴极表面游离出的新的自由电子数： （） 所以 （ ） 自持放电的条件（不需要外界游离因素的存在可致气隙击穿） 帕邢定律的理论论证 帕邢定律：击穿电压b（）（与的积有函数关系） 年由实验结果总结出 论证：自持放电条件（ ），、的值与气体的压强、温度、 场强、电极材料和表面状态等有关系 设电子与气体分子相邻两次撞击之间的平均自由行程为e，则电子沿电场方向迁移与气体分子撞击的平均次数为e 相邻两次撞击之间电子聚集能量大于气体分子游离能y
22、 的几率为-y e （为场强，y y 为撞击时可产生游离的电子至少在电场方向迁移的距离） 由的定义，（e ）-ye 对特定的气体介质，电子的平均自由行程e 与该气体的成反比，即e （为比例系数），所以 - ， 由自持放电条件（） （） 当气隙击穿时，b （b 为均匀电场气隙击穿电压） 综上，得：-b （）即：b （） （） （） 可视为常数时（取二次对数，b 对不敏感），b与的积有函数关系。 实验曲线 （） （） 当时， 有最小值 解释： 设不变 短，聚能少，有效碰撞几率小 长，但气体分子少，碰撞少 两者之间有 实用意义：将气隙抽真空或加大气隙气压，均能提高气隙的绝缘强度（） 设不变得一定的，
23、必须 大, 但电子在全程中的碰撞次数少，必须 汤森德放电机理的局限性 当气隙气压升高至大气压，过大时，汤森德机理存在不足： 在大气压下放电不再是辉光放电，而是火花通道 放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间 阴极材料（）对放电电压影响不大 二（流注机理）值较大时气隙的击穿过程 流注机理认为电子的碰撞游离和光游离是形成自持放电的主要因素，并强调空间电荷畸变电场的作用 适用范围： 大气压、短间隙、不均匀、均匀电场中的放电过程 放电过程的三个阶段 电子崩阶段 当外加电压不是很高时。 电子在奔向阳极的途中，不断地发生撞击游离，形成电子崩，崩内的电子数和正离子数随电子崩发展的距离按指数规律急剧增长
24、。电子在崩头并扩散成球形，正离子滞后在崩尾。空间电荷将使电源电场畸变。 当电场畸变严重时（电子崩快走完间隙时，崩头电子和崩尾正离子总数很高），崩头的强烈游离伴随反激励，放出光子，同时，中部弱电场中的复合也放出大量的光子，在崩尾强化了的电场中形成许多衍生电子崩。 流注阶段 衍生电子崩和主崩汇合后，形成正负电荷的混合通道，称为流注通道，这种现象称为流注。其中的电子大多形成负离子，周围加强的电场中不断产生新衍生崩并汇入主崩尾部。就一个衍生电子崩的方向来看是向着阳极推进的，但从整个间隙的放电发展来看，衍生电子崩却是一个一个的向着阴极扩展的，称为正流注（从正极出发的）。 主放电阶段 当流注通道发展到接近阴极时，通道端部与阴极间的场强急剧升高，再着区域内发生在这区域内发生极强烈的游离，大量电子沿流注通道流向阳极，在通道内发生热游离（几千度），放电就由流注过渡到火花或电弧的形式（电源功率大小决定），间隙击穿。
