高電壓技術(shù)第一章

1、高 電 壓 技 術(shù)動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)示意圖電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 輸電+配電 發(fā)電+輸電+變電+配電+用電 各部分的功能和結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，但又不絕對(duì) 按照承擔(dān)的功能劃分，而不是電壓等級(jí)劃分有關(guān)數(shù)字 電能占能源的比例：占一次能源約電能占能源的比例：占一次能源約50%50%，占終端能源消費(fèi)，占終端能源消費(fèi)20%20% 2013年，全國總裝機(jī)容量達(dá)：年，全國總裝機(jī)容量達(dá)：12.47億千瓦，世界上第一億千瓦，世界上第一 第二：美國，裝機(jī)容量大約是第二：美國，裝機(jī)容量大約是11億千瓦億千瓦一年新增發(fā)電能力一年新增發(fā)電能力=2=2個(gè)英國的總和個(gè)英國的總和 20132013年，全國發(fā)電量為年，全國發(fā)電量為53

2、,616億千瓦時(shí)，世界第一億千瓦時(shí)，世界第一接近全球總發(fā)電量的接近全球總發(fā)電量的1/41/4約等于第二（美國）、第三（印度）的總和約等于第二（美國）、第三（印度）的總和 電網(wǎng)規(guī)模超過美國，居世界第一位電網(wǎng)規(guī)模超過美國，居世界第一位 我國在能源和電力消耗上需解決的問題我國在能源和電力消耗上需解決的問題單位單位GDPGDP能耗是世界平均水平的能耗是世界平均水平的2.22.2倍倍供電可靠性較低供電可靠性較低 未來智能電網(wǎng)帶來的新機(jī)遇未來智能電網(wǎng)帶來的新機(jī)遇 氣候與環(huán)境問題氣候與環(huán)境問題電力行業(yè)結(jié)構(gòu)能源局能源局國內(nèi)主要電網(wǎng)結(jié)構(gòu)電網(wǎng)規(guī)模發(fā)展趨勢電網(wǎng)規(guī)模日益增大電網(wǎng)規(guī)模日益增大 跨區(qū)域聯(lián)合電網(wǎng)跨區(qū)域聯(lián)合電

3、網(wǎng)正在形成正在形成三華電網(wǎng)將使電網(wǎng)規(guī)模三華電網(wǎng)將使電網(wǎng)規(guī)模達(dá)到一個(gè)新高度達(dá)到一個(gè)新高度 覆蓋覆蓋19省市省市(含含4直轄市直轄市) 控制全國控制全國70%的經(jīng)濟(jì)規(guī)模的經(jīng)濟(jì)規(guī)模和裝機(jī)容量和裝機(jī)容量 近近75%電力用戶和近電力用戶和近2/3人口人口 2020年裝機(jī)規(guī)模將達(dá)年裝機(jī)規(guī)模將達(dá)10億千瓦，相當(dāng)于目前美國億千瓦，相當(dāng)于目前美國水平水平 大電網(wǎng)的利與弊大電網(wǎng)的利與弊高壓輸電電壓等級(jí)的發(fā)展提高電壓的效益n提高輸送功率n提高輸送距離n降低線路損耗n降低工作電流n節(jié)省線路走廊n降低線路造價(jià)n長距離輸電可聯(lián)接地域網(wǎng)，有利于電力調(diào)度例：輸送750萬千伏安容量的電力345kV電壓等級(jí)，需要七條雙回線，走廊

4、寬度為 221.5 m1200kV電壓等級(jí)，僅需一條單回線，走廊寬度為 91.5 m中國的電壓等級(jí)交流電壓等級(jí)（kV）：常規(guī)：1000-500-220-110-35-10-6-0.4，西北地區(qū)：750-330-110-.東北地區(qū)：-66-部分城市大負(fù)荷區(qū)域：-20-直流（kV）：800， 600 ，500， 100，交流電壓等級(jí)的劃分特高壓： 1000KV及以上超高壓： 330750KV高壓： 35220KV 中壓：620kV低壓：0.4kV高電壓技術(shù)的學(xué)科地位 電氣工程專業(yè)平臺(tái)課之一電氣工程專業(yè)平臺(tái)課之一 專業(yè)基礎(chǔ)課之一專業(yè)基礎(chǔ)課之一 日本小崎正光教授：電能有關(guān)的知識(shí)和技術(shù)體系稱為電氣電子工

5、程學(xué)高電壓工程的主要問題（1） 電 力電 力工 業(yè)工 業(yè)與 高與 高電 壓電 壓技 術(shù)技 術(shù)的 密的 密切 關(guān)切 關(guān)系系 高電壓工程的主要問題（2）絕緣問題n絕緣材料絕緣材料 研究各種絕緣材料在高電壓下的各種性能、現(xiàn)象以及相應(yīng)的過程、理論 n絕緣結(jié)構(gòu)（電場結(jié)構(gòu)）絕緣結(jié)構(gòu)（電場結(jié)構(gòu)） 同一種材料在不同的絕緣結(jié)構(gòu)下的外在表現(xiàn) n電壓形式電壓形式 同樣的材料、結(jié)構(gòu)，在不同電壓下，絕緣性能不相同高電壓工程的主要問題（3）試驗(yàn)問題 n各種經(jīng)濟(jì)、靈活的高電壓發(fā)生裝置各種經(jīng)濟(jì)、靈活的高電壓發(fā)生裝置 n電氣設(shè)備各種絕緣試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)電氣設(shè)備各種絕緣試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì) 預(yù)防性試驗(yàn)預(yù)防性試驗(yàn) 在線監(jiān)測、故障診斷在線監(jiān)

6、測、故障診斷 狀態(tài)維修狀態(tài)維修n高電壓的測量高電壓的測量 高強(qiáng)量、微弱量、快速量高強(qiáng)量、微弱量、快速量 高電壓工程的主要問題（4）過電壓防護(hù)問題 n外過電壓外過電壓 （雷電過電壓）（雷電過電壓）n內(nèi)過電壓內(nèi)過電壓n老化、污穢（在運(yùn)行電壓及過電壓下）老化、污穢（在運(yùn)行電壓及過電壓下）n保護(hù)裝置保護(hù)裝置 分析各類過電壓的特點(diǎn)及形成條件分析各類過電壓的特點(diǎn)及形成條件 研究各種保護(hù)裝置及其保護(hù)特性研究各種保護(hù)裝置及其保護(hù)特性 工頻過電壓工頻過電壓諧振過電壓諧振過電壓操作過電壓操作過電壓高電壓工程的主要問題（5）絕緣配合 n中心問題：中心問題： 解決電力系統(tǒng)中解決電力系統(tǒng)中過電壓與絕緣過電壓與絕緣這一對(duì)

7、矛盾，這一對(duì)矛盾，將將電力系統(tǒng)絕緣確定在既經(jīng)濟(jì)又可靠的水平電力系統(tǒng)絕緣確定在既經(jīng)濟(jì)又可靠的水平n原則原則n方法方法 高電壓工程的主要問題（6）電磁環(huán)境問題 n電磁兼容電磁兼容 眾多的電子及微電子設(shè)備對(duì)暫態(tài)干擾具有明顯的敏感性眾多的電子及微電子設(shè)備對(duì)暫態(tài)干擾具有明顯的敏感性和脆弱性和脆弱性 強(qiáng)電系統(tǒng)電壓高、容量大，對(duì)弱電系統(tǒng)產(chǎn)生更加強(qiáng)烈的強(qiáng)電系統(tǒng)電壓高、容量大，對(duì)弱電系統(tǒng)產(chǎn)生更加強(qiáng)烈的電磁干擾電磁干擾 開展關(guān)于如何限制弱電系統(tǒng)內(nèi)的暫態(tài)干擾電壓的試驗(yàn)及開展關(guān)于如何限制弱電系統(tǒng)內(nèi)的暫態(tài)干擾電壓的試驗(yàn)及研究工作研究工作 n生態(tài)效應(yīng)生態(tài)效應(yīng) 高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用（1） 高壓靜電除塵高壓靜電除塵

8、基于靜電吸引的作用收集灰塵 已有十分廣泛成熟的應(yīng)用。 電火花加工電火花加工 利用火花放電時(shí)的放電能量處理加工材料 體外碎石技術(shù)體外碎石技術(shù) 腎結(jié)石、膽結(jié)石的體外粉碎是利用高壓脈沖產(chǎn)生一定向沖擊波，經(jīng)聚焦后作用于患處將結(jié)石擊碎 上海交大率先開發(fā)成功，成果人成為中國工程院院士 除菌及清鮮空氣除菌及清鮮空氣 利用空氣中電暈放電，控制產(chǎn)生一定濃度臭氧(強(qiáng)氧化劑)，達(dá)到殺菌及清潔空氣的作用 目前空調(diào)中所謂的等離子體空氣清新技術(shù)高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用（2） 污水處理污水處理 利用高頻脈沖高壓產(chǎn)生高濃度臭氧，與污水作用能夠分解污水中的有機(jī)物，去除臭氣 煙氣處理煙氣處理 利用高功率脈沖形成高能活性離子，

9、可以實(shí)現(xiàn)工廠煙氣的脫硫脫硝，凈化排污 國家863項(xiàng)目 等離子體隱身等離子體隱身 利用等離子體與電磁波的作用機(jī)制(能夠有效吸收大量的電磁波), 產(chǎn)生覆蓋飛行器的等離子體層，能有效吸收雷達(dá)信號(hào)，達(dá)到隱身的目的 國家自然科學(xué)基金重大研究項(xiàng)目高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用（3） 等離子體表面處理等離子體表面處理 高壓放電產(chǎn)生活性粒子作用于織物等，增強(qiáng)材料表面活性，不但易于染色和進(jìn)行表面涂覆等，且處理過程對(duì)環(huán)境不會(huì)有污染。 是當(dāng)前印染行業(yè)十分看好的織物處理技術(shù) 三次采油技術(shù)三次采油技術(shù) 將高功率脈沖電源引至油井下進(jìn)行瞬間放電，產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊波，此沖擊波將地下巖層震裂，使得原有的縫隙增大(解堵作用)，原油滲

10、出更容易，能提高油井的產(chǎn)量高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用（4） 新概念武器新概念武器 國防科工委重大研究項(xiàng)目國防科工委重大研究項(xiàng)目 電磁炮電磁炮 利用高壓脈沖電源瞬間擊穿產(chǎn)生高功率脈沖（強(qiáng)電流） 強(qiáng)電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場通過電磁力的作用將炮彈發(fā)出 微波彈微波彈 高壓快速脈沖重復(fù)放電產(chǎn)生強(qiáng)電磁波，對(duì)敵方電子設(shè)備進(jìn)行干擾，能量足夠時(shí)可導(dǎo)致設(shè)備失效 等離子體推進(jìn)等離子體推進(jìn)利用高壓放電產(chǎn)生等離子體，通過等離子體間的電磁相互作用(排斥力)推進(jìn)艦艇具有無聲的優(yōu)點(diǎn)，可有效避免被敵人的聲納探測主要內(nèi)容1、各類電解質(zhì)在高電場下的特性、各類電解質(zhì)在高電場下的特性 氣體的放電基本物理過程和電氣強(qiáng)度氣體的放電基本物理過程和電

11、氣強(qiáng)度 液體、固體介質(zhì)的電氣特性液體、固體介質(zhì)的電氣特性 2、電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)技術(shù)、電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)技術(shù) 電氣設(shè)備絕緣預(yù)防性試驗(yàn)電氣設(shè)備絕緣預(yù)防性試驗(yàn) 絕緣的高電壓試驗(yàn)絕緣的高電壓試驗(yàn) 電氣設(shè)備絕緣在線檢測與診斷電氣設(shè)備絕緣在線檢測與診斷3.電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合 線路和繞組中的波過程線路和繞組中的波過程 雷電及防雷保護(hù)裝置雷電及防雷保護(hù)裝置 電力系統(tǒng)防雷保護(hù)電力系統(tǒng)防雷保護(hù) 電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓 電力系統(tǒng)絕緣配合電力系統(tǒng)絕緣配合國家電網(wǎng)校園招聘考試大綱高電壓技術(shù)的特點(diǎn)高電壓技術(shù)的特點(diǎn)高電壓技術(shù)的特點(diǎn)理論性強(qiáng)理論性強(qiáng)實(shí)踐性強(qiáng)實(shí)踐性強(qiáng)跨學(xué)科多跨學(xué)科多非線

12、性明顯非線性明顯電力工程中唯一一門研究電力系統(tǒng)過電壓和絕緣的課電力工程中唯一一門研究電力系統(tǒng)過電壓和絕緣的課程程本課程學(xué)習(xí)目的本課程學(xué)習(xí)目的重點(diǎn)掌握電力系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓的機(jī)理和過電壓保護(hù)的重點(diǎn)掌握電力系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓的機(jī)理和過電壓保護(hù)的基本方法基本方法培養(yǎng)分析和解決電力系統(tǒng)中絕緣與作用電壓矛盾的能培養(yǎng)分析和解決電力系統(tǒng)中絕緣與作用電壓矛盾的能力。力。為今后從事有關(guān)高電壓與絕緣方面的工作打下基礎(chǔ)。為今后從事有關(guān)高電壓與絕緣方面的工作打下基礎(chǔ)。 預(yù)備知識(shí)、參考書1、預(yù)備知識(shí)：、預(yù)備知識(shí)： 電路知識(shí)電路知識(shí) 電力系統(tǒng)分析知識(shí)電力系統(tǒng)分析知識(shí) 物理物理2、參考書、參考書 高電壓技術(shù)，周澤存，中國電力出版社

13、，高電壓技術(shù)，周澤存，中國電力出版社，2004年年 電力系統(tǒng)過電壓，解廣潤，水利電力出版社，電力系統(tǒng)過電壓，解廣潤，水利電力出版社，1985； 高電壓技術(shù)，胡國根，重慶大學(xué)出版社，高電壓技術(shù)，胡國根，重慶大學(xué)出版社，1996； 電力系統(tǒng)運(yùn)行及過電壓保護(hù)，河南省電力工業(yè)局，中國電力出版社，電力系統(tǒng)運(yùn)行及過電壓保護(hù)，河南省電力工業(yè)局，中國電力出版社，1995。 學(xué)習(xí)進(jìn)度與建議 理論學(xué)習(xí)與實(shí)際分析相結(jié)合理論學(xué)習(xí)與實(shí)際分析相結(jié)合 理解絕緣機(jī)理與過電壓的相互關(guān)系理解絕緣機(jī)理與過電壓的相互關(guān)系 注意培養(yǎng)自己的分析問題的能力。注意培養(yǎng)自己的分析問題的能力。 第一章 氣體的放電基本物理過程和電氣強(qiáng)度主要內(nèi)容第

14、一節(jié) 湯遜理論和流注理論第二節(jié) 不均勻電場中的放電過程第三節(jié) 空氣氣隙在各種電壓下的擊穿特性第五節(jié) 提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法第六節(jié) 沿面放電及防污對(duì)策 1.1 湯遜理論和流注理論主要內(nèi)容基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí) 非自持放電和自持放電非自持放電和自持放電 湯遜理論湯遜理論 巴申定律巴申定律 流注理論流注理論 強(qiáng)電負(fù)性氣體自持放電的條件強(qiáng)電負(fù)性氣體自持放電的條件氣體的絕緣與導(dǎo)電 純凈的、中性狀態(tài)的氣體是不導(dǎo)電的純凈的、中性狀態(tài)的氣體是不導(dǎo)電的 氣體中出現(xiàn)了帶電質(zhì)點(diǎn)（電子、正離子、負(fù)氣體中出現(xiàn)了帶電質(zhì)點(diǎn)（電子、正離子、負(fù)離子）后才可能導(dǎo)電，并在電場作用下發(fā)展離子）后才可能導(dǎo)電，并在電場作用下發(fā)展成各種形式

15、的氣體放電現(xiàn)象成各種形式的氣體放電現(xiàn)象帶電粒子的產(chǎn)生 電離：外因下，原子產(chǎn)生自由電子和帶（正）電粒子電離：外因下，原子產(chǎn)生自由電子和帶（正）電粒子 光電離：光電離： 可見光不能使氣體直接電離，可見光不能使氣體直接電離，X射線、射線、 射線可以射線可以 光源可以是外部的，也可以是內(nèi)部自產(chǎn)生的光源可以是外部的，也可以是內(nèi)部自產(chǎn)生的 金屬表面電離更容易金屬表面電離更容易 了解：光電效應(yīng)，光的波粒二象性了解：光電效應(yīng)，光的波粒二象性 碰撞電離碰撞電離 氣體中主要碰撞電離由電子產(chǎn)生，正離子和負(fù)離子很少，為什么？氣體中主要碰撞電離由電子產(chǎn)生，正離子和負(fù)離子很少，為什么？ 陰極表面，正離子撞擊可產(chǎn)生電離陰極

16、表面，正離子撞擊可產(chǎn)生電離 熱電離：常溫下，氣體熱電離的概率很小。熱電離：常溫下，氣體熱電離的概率很小。 空氣空氣1萬度后可考慮萬度后可考慮 空氣空氣2萬度萬度時(shí)，幾乎全部的分子都處于熱電離狀態(tài) 電極表面的電離正離子撞擊陰極表面 光電子發(fā)射 熱電子發(fā)射 強(qiáng)場發(fā)射由于逸出功電離能，陰極表面電離更容易帶電粒子在氣體中的運(yùn)動(dòng) 帶電粒子：電子、正粒子、負(fù)粒子帶電粒子：電子、正粒子、負(fù)粒子 各種粒子在氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷地互相碰撞 粒子在單位行程中所遭遇的碰撞次數(shù)與氣體分子的半徑和密度有關(guān)粒子在單位行程中所遭遇的碰撞次數(shù)與氣體分子的半徑和密度有關(guān) 帶電粒子帶電粒子自由行程：帶電粒子與氣體分子相鄰兩次碰撞之間

17、的自由行程。 帶電粒子的平均自由行程：兩次碰撞之間的平均行程帶電粒子的平均自由行程：兩次碰撞之間的平均行程 隨即量，有很大的分散性隨即量，有很大的分散性 電子體積小，自由行程長度遠(yuǎn)大于分子和帶電粒子電子體積小，自由行程長度遠(yuǎn)大于分子和帶電粒子 氣體密度越大，平均自由行程越小氣體密度越大，平均自由行程越小 大氣壓、常溫下，電子在空氣中的平均自由行程為大氣壓、常溫下，電子在空氣中的平均自由行程為10-5cm數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí) 遷移率：粒子移動(dòng)速度與電場之比遷移率：粒子移動(dòng)速度與電場之比 電子遷移率高，為什么？電子遷移率高，為什么？ 擴(kuò)散：擴(kuò)散：熱運(yùn)動(dòng)中，粒子從濃度較大的區(qū)域運(yùn)動(dòng)到濃度較小的區(qū)域，從而使分

18、布均勻化電子運(yùn)動(dòng)速度大、自由行程長度大，擴(kuò)散速度比離子快得多負(fù)離子的形成 附著：電子與氣體分子碰撞時(shí)，相結(jié)合而附著：電子與氣體分子碰撞時(shí)，相結(jié)合而形成負(fù)離子形成負(fù)離子 電子與氣體分子碰撞的可能結(jié)果：碰撞電離，附著 負(fù)離子的形成并未使氣體中帶電粒子的數(shù)目改變，但卻能使自由電子數(shù)減少，因而對(duì)氣體放電的發(fā)展起抑制作用。為什么？ 電負(fù)性氣體：容易發(fā)生附著產(chǎn)生負(fù)離子的電負(fù)性氣體：容易發(fā)生附著產(chǎn)生負(fù)離子的氣體。氣體。帶電粒子消失 復(fù)合復(fù)合：當(dāng)氣體中帶異號(hào)電荷的粒子相遇時(shí)，有可能發(fā)生電荷的傳遞與中和 電子和正離子復(fù)合，稱為電子復(fù)合，產(chǎn)生一個(gè)中性分子 正離子和負(fù)離子復(fù)合，稱為離子復(fù)合，產(chǎn)生兩個(gè)中性分子 帶電粒

19、子消失的幾種情況 在電場驅(qū)動(dòng)下定向運(yùn)動(dòng)到電極，消失于電極而形成外電路中的電流 帶電粒子因擴(kuò)散而逸出氣體放電空間 帶電粒子的復(fù)合非自持放電和自持放電（非自持放電和自持放電（1）圖1-1 其他放電的試驗(yàn)電路不外加電源時(shí)：光電離和復(fù)合同時(shí)存在，并處于平衡狀態(tài)。存在一定帶不外加電源時(shí)：光電離和復(fù)合同時(shí)存在，并處于平衡狀態(tài)。存在一定帶電質(zhì)點(diǎn)，但無電流電質(zhì)點(diǎn)，但無電流外加電源后，帶電粒子定向運(yùn)動(dòng)，電路中產(chǎn)生電流。其過程如下：外加電源后，帶電粒子定向運(yùn)動(dòng)，電路中產(chǎn)生電流。其過程如下：oa-階段階段 ：電流隨電壓增加。電子移動(dòng)速度加快，復(fù)合概率降低：電流隨電壓增加。電子移動(dòng)速度加快，復(fù)合概率降低ab-階段：電

20、流不隨電壓變化。外界因素產(chǎn)生的電離固定。絕緣仍良好階段：電流不隨電壓變化。外界因素產(chǎn)生的電離固定。絕緣仍良好bc-階段：電流隨電壓增加。（碰撞電離階段：電流隨電壓增加。（碰撞電離）帶電離子帶電離子 cs-階段：電流急劇增加。氣體間隙擊穿，伴隨發(fā)聲、發(fā)光，導(dǎo)電良好階段：電流急劇增加。氣體間隙擊穿，伴隨發(fā)聲、發(fā)光，導(dǎo)電良好非自持放電和自持放電（2） 非自持放電：依靠外電離非自持放電：依靠外電離因素作用才能維持的放電因素作用才能維持的放電 當(dāng)當(dāng)UU0時(shí)時(shí) 電流需要外電離因素（如光電流需要外電離因素（如光源照射）才能維持源照射）才能維持 取消外電離因素，電流將消取消外電離因素，電流將消失失 氣隙內(nèi)雖然

21、有電流，但很小。氣隙內(nèi)雖然有電流，但很小。 U0 ， 電流劇增電流劇增氣隙中電流過程仍然需要外施電壓氣隙中電流過程仍然需要外施電壓氣體放電的氣體放電的起始電壓起始電壓：放電由非自持轉(zhuǎn)為自持的起始電壓：放電由非自持轉(zhuǎn)為自持的起始電壓圖中的圖中的U0均勻電場中，起始電壓等于擊穿電壓均勻電場中，起始電壓等于擊穿電壓不均勻電場中擊穿電壓大于起始電壓。電場越不均勻，電壓差越大不均勻電場中擊穿電壓大于起始電壓。電場越不均勻，電壓差越大 湯遜理論（1）電子崩外界因素，如光照，使陰極表面電離，產(chǎn)生一個(gè)電子電子在電場作用下向陽極運(yùn)動(dòng)當(dāng)兩極間電壓（電場）足夠強(qiáng)時(shí)，電子動(dòng)能足夠大，就發(fā)生碰撞電離新電子和原有電子繼續(xù)

22、向陽極運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生更多的電子應(yīng)注意：不是每次碰撞都會(huì)電離電子數(shù)將按照1,2,4,8,16，幾何級(jí)數(shù)規(guī)律增長，類似雪崩。這種急劇增大的空間電流稱為電子崩 劇增的電子流稱為劇增的電子流稱為電子崩電子崩劇增的離子流稱為離子崩劇增的離子流稱為離子崩湯遜理論（2）離子崩：正離子在向陰極運(yùn)動(dòng)中，也會(huì)發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生新的電子。與電子崩類似離子崩的條件？電子奔向陽極，正離子奔向陰極電子速度遠(yuǎn)大于正離子正離子到達(dá)陰極附近時(shí)，將使雪崩現(xiàn)象加劇加強(qiáng)了陰極場強(qiáng)，陰極產(chǎn)生場強(qiáng)發(fā)射正離子撞擊陰極表面，發(fā)生電離新電子參與氣體碰撞可能使放電得以自持劇增的電子流稱為劇增的電子流稱為電子崩電子崩劇增的離子流稱為

23、離子崩劇增的離子流稱為離子崩為了定量分析氣隙中氣體放電過程，引入三個(gè)系數(shù)：電子沿電場方向行徑電子沿電場方向行徑1cm平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)對(duì)應(yīng)起始電子形成的電子崩過程，稱為對(duì)應(yīng)起始電子形成的電子崩過程，稱為過程過程正離子沿電場方向行徑正離子沿電場方向行徑1cm平均發(fā)生的碰撞電離次平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)數(shù)系數(shù)對(duì)應(yīng)于離子崩過程，稱為系數(shù)對(duì)應(yīng)于離子崩過程，稱為過程過程折合到每個(gè)到達(dá)陰極表面的正離子，使陰極金屬平折合到每個(gè)到達(dá)陰極表面的正離子，使陰極金屬平均釋放出的自由電子數(shù)均釋放出的自由電子數(shù)正離子使陰極發(fā)射新的電子的機(jī)理：正離子使陰極發(fā)射新的電子的機(jī)理：強(qiáng)場發(fā)射強(qiáng)場發(fā)射（正離

24、子加強(qiáng)陰（正離子加強(qiáng)陰極附近場強(qiáng)）、碰撞發(fā)射、熱發(fā)射極附近場強(qiáng)）、碰撞發(fā)射、熱發(fā)射離子崩達(dá)到陰極后引起陰極發(fā)射二次電子的過程，離子崩達(dá)到陰極后引起陰極發(fā)射二次電子的過程，過程過程湯遜理論（3）湯遜理論（4） 設(shè)x處有n個(gè)電子，再經(jīng)歷dx距離新增的電子為dn，則有： 解微分方程得到： 含義：從n個(gè)電子處（任何位置）前行x距離后的電子數(shù) 注意：實(shí)際過程是離散的，公式只在統(tǒng)計(jì)意義上起作用。 統(tǒng)計(jì)：大量電子、多次實(shí)驗(yàn)xenxn0)( )xn xnendxdnordxndndxndn湯遜理論（5）設(shè)陰極發(fā)射一個(gè)起始電子，則有 過程電子崩的電子（含起始電子）到陽極 到達(dá)陰極表面的正離子數(shù)，也是過程產(chǎn)生的正

25、離子數(shù)。注：注：課本(P3)過程中產(chǎn)生的離子崩中的正離子數(shù)講法不準(zhǔn)確 過程又在陰極上釋放出二次電子數(shù)自持放電的條件： ，臨界條件 二次電子數(shù)大于等于起始電子數(shù)，則不需外部因素，實(shí)現(xiàn)自持放電課堂提問：忽略了哪個(gè)過程？ 不均勻電場中，自持放電的條件： den1de) 1(de) 1(de1) 1(de1) 1(de1) 1(0ddxe湯遜理論（6）外界電離因素陰極表面電離氣體空間電離氣體中的自由電子在電場中加速碰撞電離電子崩（）過程正離子陰極表面二次發(fā)射(過程）湯遜理論（7） 湯遜理論的基礎(chǔ)：湯遜理論的基礎(chǔ)： 將電子崩（將電子崩（ 過程）和陰極的過程）和陰極的過程作為氣體放電自持的決定因素過程作為

26、氣體放電自持的決定因素 問題：為什么沒有問題：為什么沒有過程？過程？ 湯遜理論的實(shí)質(zhì)：湯遜理論的實(shí)質(zhì)： 氣體放電的主要原因：存在電子碰撞電離。氣體放電的主要原因：存在電子碰撞電離。 維持氣體放電的必要條件：二次電子來源于正離子撞擊陰極，使維持氣體放電的必要條件：二次電子來源于正離子撞擊陰極，使陰極表面逸出電子。陰極表面逸出電子。 判據(jù)：陰極逸出電子可以替代起始點(diǎn)的作用判據(jù)：陰極逸出電子可以替代起始點(diǎn)的作用 湯遜理論的適用范圍：湯遜理論的適用范圍： 解釋低氣壓短氣隙中的放電現(xiàn)象解釋低氣壓短氣隙中的放電現(xiàn)象 pd電子蹦的速度電子蹦的速度流注理論（7） 流注流注：正負(fù)離子的混合質(zhì)通道 流注理論流注理

27、論內(nèi)容： 在初始階段，氣體放電以碰撞電離和電子崩的形式出現(xiàn) 當(dāng)電子崩發(fā)展到一定程度后，初始電子崩的頭部積聚到足夠數(shù)量的空間電荷，使局部電場大大增強(qiáng) 帶電粒子復(fù)合放出光子，引起新的強(qiáng)烈電離和二次電子崩。 進(jìn)而引發(fā)氣隙擊穿。 流注理論核心：二次電子的來源是空間光電離。流注理論核心：二次電子的來源是空間光電離。 對(duì)比。湯遜理論認(rèn)為：二次電子來源于正離子撞擊陰極使其逸出電子 流注理論的自持放電的條件自持放電的條件：即出現(xiàn)流注的條件 對(duì)于均勻場，有 或 （實(shí)驗(yàn)得出）一般認(rèn)為 或 ，流注得以形成 如果電極間所加電壓正好等于自持放電起始電壓U0，那就意味著初崩要跑完整個(gè)氣隙，頭部才能積聚到足夠的電子數(shù)而引起

28、流柱。 電壓超過自持放電電壓U0 ，流柱將提前出現(xiàn)常數(shù)de1de)1ln(d20d810de流注理論（8） 流注的特點(diǎn)流注的特點(diǎn) 電離強(qiáng)度大電離強(qiáng)度大 傳播和擊穿速度快（初崩傳播和擊穿速度快（初崩10倍以上）倍以上） 場強(qiáng)得到增強(qiáng)場強(qiáng)得到增強(qiáng) 光子速度比電子大，更比正離子速度大光子速度比電子大，更比正離子速度大 流注的推進(jìn)不均勻，具有分支。流注的推進(jìn)不均勻，具有分支。 光子傳播具有隨機(jī)性光子傳播具有隨機(jī)性 陰極材料對(duì)氣體擊穿電壓影響不大。陰極材料對(duì)氣體擊穿電壓影響不大。 二次電子的來源不同二次電子的來源不同 pd較小時(shí)，起始電子在穿越極間距離時(shí)不可能聚集到足夠多的電較小時(shí)，起始電子在穿越極間距

29、離時(shí)不可能聚集到足夠多的電子子 流注理論和湯遜理論各適用一定條件，不能互相替代流注理論和湯遜理論各適用一定條件，不能互相替代 湯遜理論適用低氣壓、短距離湯遜理論適用低氣壓、短距離 流注理論適用高氣壓、長距離流注理論適用高氣壓、長距離 二者均針對(duì)非電負(fù)性氣體。二者均針對(duì)非電負(fù)性氣體。Pd 26.66kPa cm陰極（負(fù)）流注的發(fā)展過程 當(dāng)U外施Ub時(shí)，初崩發(fā)展到接近陽極時(shí)開始光游離，流注從陽極（正極）產(chǎn)生向陰極發(fā)展 稱為正流注 陰極流注（負(fù)流注）： 當(dāng)U外施Ub 由于E很強(qiáng)，初崩不需經(jīng)過整個(gè)間隙其頭部已聚集到足夠的空間電荷來產(chǎn)生流注了 則流注由陰極產(chǎn)生向陽極發(fā)展 負(fù)流注發(fā)展速度較正流注小 陰極流

30、注在發(fā)展過程中電子的運(yùn)動(dòng)受到電子崩留下的正電荷的牽制 一般為0.70.8108cm/s(比正流注慢） 同樣：流注貫串整個(gè)間隙時(shí)，間隙就擊穿了強(qiáng)電負(fù)性氣體自持放電的條件（1）電負(fù)性氣體電負(fù)性氣體：捕捉自由電子形成負(fù)離子并阻止放電的氣體。如強(qiáng)電負(fù)性氣體SF6電子的附著效應(yīng)附著效應(yīng)電子附著系數(shù)附著系數(shù) ，一個(gè)電子沿電場方向行徑1cm時(shí)平均發(fā)生的電子附著次數(shù)。對(duì)應(yīng)過程為 過程過程。定義和含義與 類似。在電負(fù)性氣體中，有效碰撞電離系數(shù)有效碰撞電離系數(shù)為：湯遜理論中，不能直接不能直接用有效碰撞電離系數(shù) 代替代替碰撞電離系數(shù)因?yàn)檎x子數(shù)和自由電子數(shù)不等。工程中也較少應(yīng)用。強(qiáng)電負(fù)性氣體自持放電的條件（2）一般

31、強(qiáng)電負(fù)性氣體的工程應(yīng)用屬于流注放電范疇均勻電場中，按流注理論，電負(fù)性氣體的自持放電條件：由于附著效應(yīng)，使 ，導(dǎo)致自持放電場強(qiáng)遠(yuǎn)大于非電負(fù)性氣體。對(duì)于SF6強(qiáng)電負(fù)性氣體，K=10.5。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、均勻電場中，SF6擊穿場強(qiáng)（89kV/cm）約為空氣（30kV/cm）的3倍。思考題思考題：在流注理論中，強(qiáng)電負(fù)性氣體流注出現(xiàn)的臨界電子數(shù)為 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非電負(fù)性氣體的108個(gè)，為什么？ Kd ）（45 .1010*6 . 3e2.2 不均勻電場中的放電過程主要內(nèi)容稍不均勻電場的放電特點(diǎn)稍不均勻電場的放電特點(diǎn) 極不均勻電場中的電暈放電現(xiàn)象極不均勻電場中的電暈放電現(xiàn)象 極不均勻電場中的放電過程極不均勻電場中的

32、放電過程均勻電場與不均勻電場 均勻電場中，流注一旦形成，放電達(dá)到自持程度，氣隙就會(huì)擊穿。 自持放電電壓=擊穿電壓 不均勻電場中，情況會(huì)復(fù)雜的多。 均勻電場只是理想狀態(tài)，實(shí)際電氣設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)的電場大多是不均勻的。 均勻電場下的放電特性是研究不均勻電場特性的基礎(chǔ) 常見的不均勻電場類型：球-球，球-板，導(dǎo)線-板，導(dǎo)線-導(dǎo)線，棒-棒，棒-板，同軸圓柱不均勻電場的分類 不均勻電場的分類：稍不均勻電場、極不均勻電場，二者之間存在過渡區(qū)域。 一般只研究稍不均勻電場和極不均勻電場 不均勻電場的劃分：明確劃分比較困難，通常用電場不均勻系數(shù)來大致劃分。 電場不均勻系數(shù)f：等于氣隙中最大場強(qiáng)Emax與平均場強(qiáng)Eav

33、的比值： 其中：U為極間電壓，d為極間距離 通常：f4為極不均勻電場，2 f4為過渡區(qū)域 劃分標(biāo)準(zhǔn)的不同。周澤存二版書P22：f2為極不均勻電場。 對(duì)于不同類型不均勻電場，其具體標(biāo)準(zhǔn)可查閱有關(guān)資料avEEfmaxdUEav稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特點(diǎn)1 以球-球不均勻電場為例 d=4D時(shí)，電場分布極不均勻。 極間電壓達(dá)到某一臨界值時(shí)，球極出現(xiàn)藍(lán)紫色的暈光，伴隨“咝咝”聲 稱這種局部放電為電暈放電，稱臨界電壓為電暈起始電壓。 電暈是放電的一種。 外加電壓增大，電極表面電暈層隨之?dāng)U大，出現(xiàn)刷狀細(xì)火花，最終擊穿 2Dd4D時(shí)，過渡區(qū)域。 隨電壓升高會(huì)出現(xiàn)電暈，但不穩(wěn)定，球隙立刻轉(zhuǎn)為火花放電

34、極不均勻電場中，電暈起始電壓=4D），為極不均勻電場。 不存在穩(wěn)定的電暈放電（如球-球模型中dD最小 D較小 D最大 D較大尖-板 D在厘米級(jí)時(shí)，擊穿電壓大于棒（尖）-板氣隙，二者相近。 D為0.5mm時(shí)，擊穿電壓略小于均勻場，二者接近。 發(fā)現(xiàn)什么問題？極不均勻電場中的電暈放電現(xiàn)象（5）電暈起始電壓、擊穿電壓，以及二者與電場不均勻程度的變化關(guān)系電暈起始電壓、擊穿電壓，以及二者與電場不均勻程度的變化關(guān)系電暈起始電壓：電場越不均勻，越低電暈起始電壓：電場越不均勻，越低擊穿電壓：電場越不均勻，越低擊穿電壓：電場越不均勻，越低電場越不均勻，電暈起始電壓與擊穿電壓的差越大電場越不均勻，電暈起始電壓與擊穿

35、電壓的差越大矛盾矛盾：D越小，電場越不均勻，應(yīng)該越接近尖越小，電場越不均勻，應(yīng)該越接近尖-板，實(shí)際卻遠(yuǎn)離尖板，實(shí)際卻遠(yuǎn)離尖-板而接近板而接近均勻場？均勻場？D較大時(shí)，局部毛刺（類似于尖）先出現(xiàn)刷狀放電，與尖較大時(shí)，局部毛刺（類似于尖）先出現(xiàn)刷狀放電，與尖-板接近板接近D較小時(shí)，電暈放電形成的均勻電暈層，改善了電場分布，提高擊穿電壓較小時(shí)，電暈放電形成的均勻電暈層，改善了電場分布，提高擊穿電壓重要結(jié)論重要結(jié)論：某些情況下，可利用電暈放電的空間電荷來改善極不均勻電場：某些情況下，可利用電暈放電的空間電荷來改善極不均勻電場的分布，以提高擊穿電壓。的分布，以提高擊穿電壓。同等情況下，擊穿電壓與電場均勻

36、度的關(guān)系：均勻場最高，不均勻度越強(qiáng)同等情況下，擊穿電壓與電場均勻度的關(guān)系：均勻場最高，不均勻度越強(qiáng)擊穿電壓越小擊穿電壓越小在雨、雪、霧天氣時(shí)，在較低的電壓和電場強(qiáng)度下就會(huì)出現(xiàn)電暈放電在雨、雪、霧天氣時(shí)，在較低的電壓和電場強(qiáng)度下就會(huì)出現(xiàn)電暈放電導(dǎo)線表面的水滴在強(qiáng)電場和重力的作用下，將克服本身的表面張力而被拉成錐導(dǎo)線表面的水滴在強(qiáng)電場和重力的作用下，將克服本身的表面張力而被拉成錐形，從而使導(dǎo)線表面的電場發(fā)生變化形，從而使導(dǎo)線表面的電場發(fā)生變化極不均勻電場中的電暈放電現(xiàn)象（6）電暈放電的弊端： 功率損耗。聲光電熱和化學(xué)反應(yīng) 對(duì)無線電干擾。高頻電流和電磁脈沖。 噪聲。可能超出環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。 腐蝕作用。

37、電暈化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的臭氧等會(huì)腐蝕金屬，使有機(jī)絕緣材料老化。電暈放電的作用： 提高擊穿電壓：改善電場分布 增強(qiáng)限制過電壓能力：利用沖擊電暈來降低沖擊電壓幅值及陡度， 靜電除塵：凈化工業(yè)廢氣 靜電噴涂：利用高壓靜電電場使帶負(fù)電的涂料微粒沿著電場相反的方向定向運(yùn)動(dòng)，并將涂料微粒吸附在工件表面 凈化水：臭氧發(fā)生器 防止電暈的方法：分裂導(dǎo)線。實(shí)質(zhì)：增加導(dǎo)線半徑，減小不均勻程度。 分裂導(dǎo)線的另一個(gè)作用：克服集膚效應(yīng)，提高輸電能力。在高壓特別是超高壓、特高壓中要嚴(yán)加限制電暈。我國設(shè)計(jì)要求： 220kV及以下輸電線路要求在惡劣天氣下也無可見電暈, 500kV輸電線路要求在好天氣下夜間無可見電暈 極不均勻電場中的

38、放電過程 （1） 以棒-板電極為例 電離總是從“棒”開始的。且與電壓極性無關(guān)。 電極曲率半徑小，不均勻程度高，電場最強(qiáng)。 本質(zhì)上，是從場強(qiáng)最大電極處開始。 電離后的放電發(fā)展過程、氣隙電氣強(qiáng)度、擊穿電壓等與電極極性相關(guān) 結(jié)論：不均勻電場的放電有明顯的極性效應(yīng)。 模型極性的確定： 取決于曲率半徑小的電極極性 相同幾何形狀時(shí)取決于不接地電極的極性極不均勻電場中的放電過程 （2） 自持放電前的階段。也就是電暈放電階段。 以最不均勻電場的棒-板電極為例 對(duì)于正棒-負(fù)板的情況。 即正極性 棒極附近有充分的電子崩。 崩頭電子迅速進(jìn)入棒極。 正離子反方向運(yùn)動(dòng)，速度很慢，暫留棒極附近。 正離子削弱了棒極附近場強(qiáng)

39、，而加強(qiáng)了群外（與板極間）空間電場。 即對(duì)不均勻電場起到了平均的作用，使其向稍不均勻電場發(fā)展。 正離子阻止了棒極附近流注的形成，使電暈起始電壓提高極不均勻電場中的放電過程 （3） 自持放電前的階段。也就是電暈放電階段。 對(duì)于負(fù)棒-正板的情況。即負(fù)極性。 電子崩中的電子快速向板極運(yùn)動(dòng) 正離子暫留棒極附近 空間電荷的作用與正極性相反。 加強(qiáng)了棒極附近場強(qiáng)，而削弱了外部空間電場。 加強(qiáng)了電場的不均勻程度，向更不均勻方向發(fā)展。 棒極附近容易形成流注，電暈起始電壓降低。 注意注意：隨電子快速移動(dòng)，場強(qiáng)的變化特點(diǎn)。極不均勻電場中的放電過程 （4） 自持放電后的階段。也就是擊穿放電階段。 對(duì)于正棒-負(fù)板的情

40、況。 外部場強(qiáng)得到增強(qiáng)。 當(dāng)極間電壓提高時(shí)，電暈放電區(qū)容易向外擴(kuò)展，強(qiáng)場區(qū)逐漸向極板方向推進(jìn)。 放電發(fā)展順利，直至氣隙被擊穿極不均勻電場中的放電過程 （5） 自持放電后的階段。也就是擊穿放電階段。 對(duì)于負(fù)棒-正板的情況。 與正棒-負(fù)板情況相反。 外部場強(qiáng)得到削弱。 當(dāng)極間電壓提高時(shí)，電暈放電區(qū)不易向外擴(kuò)展， 放電發(fā)展不順利，擊穿電壓比正極性時(shí)高的多，所需時(shí)間也長的多。極不均勻電場中的放電過程 （6） 注意注意：電暈起始電壓和擊穿電壓在不同極性下的不同變化。 結(jié)論結(jié)論：對(duì)于極不均勻場氣隙，擊穿電壓的極性效應(yīng)與電暈起始放電的極性效應(yīng)相反。 利用電暈改變電場分布、提高擊穿電壓的原理 推論推論：實(shí)際的

41、電力元件多屬于極不均勻場氣隙，擊穿都發(fā)生在交流電壓的正半周。 絕緣試驗(yàn)時(shí)應(yīng)施加正極性沖擊電壓。 了解概念：對(duì)于長氣隙（大于1m）放電，如雷擊。主要由電暈放電-先導(dǎo)放電-主放電幾個(gè)階段組成。 對(duì)比：短氣隙放電，由電暈放電-主放電組成。 區(qū)別主要在于通道溫度高，產(chǎn)生了熱游離。 1.3 空氣間隙在各種電壓下的擊穿特性一、作用電壓類型二、空氣間隙在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿三、空氣間隙在沖擊電壓下的擊穿主要內(nèi)容作用電壓類型 氣隙的擊穿特性與所加電壓的類型有很大關(guān)系。氣隙的擊穿特性與所加電壓的類型有很大關(guān)系。 分類標(biāo)準(zhǔn)：電壓波形、持續(xù)時(shí)間分類標(biāo)準(zhǔn)：電壓波形、持續(xù)時(shí)間 直流電壓直流電壓 穩(wěn)態(tài)電壓穩(wěn)態(tài)電壓 工頻交流電

42、壓工頻交流電壓 沖擊電壓沖擊電壓 雷電沖擊電壓雷電沖擊電壓 操作沖擊電壓操作沖擊電壓 除電壓形式外，氣隙的擊穿還取決于電極的形狀除電壓形式外，氣隙的擊穿還取決于電極的形狀 本質(zhì)上是取決于電場形式本質(zhì)上是取決于電場形式 對(duì)于氣隙擊穿無區(qū)別對(duì)于氣隙擊穿有區(qū)別空氣間隙在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿 氣隙擊穿的時(shí)間：一般以氣隙擊穿的時(shí)間：一般以u(píng)S計(jì)計(jì) 對(duì)于氣隙擊穿而言：直流電壓和工頻電壓無區(qū)別對(duì)于氣隙擊穿而言：直流電壓和工頻電壓無區(qū)別 穩(wěn)態(tài)電壓下氣隙的擊穿與電場均勻度有很大關(guān)系：穩(wěn)態(tài)電壓下氣隙的擊穿與電場均勻度有很大關(guān)系： 均勻電場氣隙均勻電場氣隙 稍不均勻電場氣隙稍不均勻電場氣隙 極不均勻電場氣隙極不均勻電場

43、氣隙空氣在穩(wěn)態(tài)均勻電場下的擊穿均勻電場中：電極布置是對(duì)稱的，不存在極性效應(yīng)，擊穿所需時(shí)間極短標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下，擊穿電壓峰值Ub與極間距離d的關(guān)系： 為空氣相對(duì)密度。d在1-10cm內(nèi)，空氣的擊穿場強(qiáng)約為30kV/cm問題：擊穿場強(qiáng)E隨d的變化趨勢是什么？為什么？ 注意適用范圍 ddUb66. 655.24標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)： 1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓:P=101.3kPa常溫：T=293K or 20C絕對(duì)濕度：hc=11g/m3空氣在穩(wěn)態(tài)稍不均勻電場下的擊穿（1）標(biāo)準(zhǔn)氣隙有： 球隙（測量高壓幅值的球隙測壓器） 同軸圓柱（高壓電容器、單芯電纜）以球隙為例。 任何一球都不接地，電場對(duì)稱，無極性效應(yīng)。 一球接地時(shí)，

44、有極性效應(yīng)。 大地影響電場分布，不對(duì)稱。 增加了接地球的等效曲率，不接地球先放電 球直徑D、擊穿電壓Ub與氣隙距離d的關(guān)系 dD/4時(shí)，電場不均勻度增加，平均擊穿場強(qiáng)減小，分散性增大。課外思考問題課外思考問題：為何負(fù)極性擊穿電壓小于正極性？（與前述理論分析相反） 空氣在穩(wěn)態(tài)稍不均勻電場下的擊穿（2）以同軸圓柱為例外筒內(nèi)徑固定，改變內(nèi)筒外半徑r電暈起始電壓Uc呈倒U型r/R0.1時(shí)，為極不均勻電場，擊穿前有穩(wěn)定電暈。Uc很小，且Uc0.1時(shí)，為稍不均勻電場。不再有穩(wěn)定電暈放電。擊穿電壓極大值出現(xiàn)在r/R0.33時(shí)。r增大時(shí)，電場均勻度接近于1，所需場強(qiáng)提高。但氣隙距離減小。所需Ub也下降r減小時(shí)

45、，氣隙距離增大，平均場強(qiáng)下降。但電場不均勻度增加，所需場強(qiáng)也下降。綜合考慮所需Ub也下降。絕緣設(shè)計(jì)通常?。簉/R=（0.25,0.4）空氣在穩(wěn)態(tài)極不均勻電場下的擊穿（1） 以棒-棒、棒-板為例 棒-棒：可模擬導(dǎo)線對(duì)導(dǎo)線，完全對(duì)稱 棒-板：可模擬導(dǎo)線對(duì)大地，最大的不對(duì)稱性 注意：棒-棒與導(dǎo)線-導(dǎo)線，棒-板與導(dǎo)線-板模型的差異，如何理解可以模擬？ 其它類型不均勻電場氣隙擊穿特性介于這兩種之間。實(shí)際工程中遇到的各種極不均勻電場氣隙來說，均可按其電極的對(duì)稱程度分別選用“棒-棒”或“棒-板”兩種典型氣隙空氣在穩(wěn)態(tài)極不均勻電場下的擊穿（2）負(fù)極性棒板棒棒正極性棒板空氣在穩(wěn)態(tài)極不均勻電場下的擊穿（3）空氣在

46、穩(wěn)態(tài)極不均勻電場下的擊穿（4）擊穿電壓從高到低依次為：負(fù)極性棒-板棒-棒正極性棒-板。說明：不對(duì)稱的極不均勻電場擊穿有極性效應(yīng)，對(duì)稱的極不均勻電場擊穿無極性效應(yīng) 注意：擊穿電壓與擊穿場強(qiáng)分別隨氣隙長度變化的變化特點(diǎn)工頻作用下，棒-板在棒極正極性半周峰值附近率先擊穿，擊穿電壓峰值與直流擊穿電壓相近。棒-棒擊穿電壓則要高。根據(jù)圖2-17 氣隙距離2m，擊穿電壓呈現(xiàn)飽和趨勢。特別是棒-板氣隙，飽和趨勢更明顯。 說明擊穿場強(qiáng)對(duì)距離增加顯著下降 再增大氣隙長度，對(duì)于提高工頻擊穿電壓作用不明顯。 問題：能設(shè)計(jì)出3000kV的輸電線路嗎？結(jié)論結(jié)論：電極對(duì)稱程度、極間距離均影響氣隙的擊穿特性空氣在雷電沖擊電壓

47、下的擊穿（1） 沖擊電壓：作用時(shí)間極為短暫的電壓，一般指雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓。 雷電沖擊電壓：雷電產(chǎn)生的幅值高、陡度大、作用時(shí)間極短的沖擊電壓 直擊雷，感應(yīng)雷 雷電沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形 視在波前時(shí)間：T1=1.2uS 30% 視在半峰時(shí)間，或者波長時(shí)間：T2=50uS 20% P為波形峰值，允許偏差 30% 通常表示為：1.2/50uS波 表示波的極性空氣在雷電沖擊電壓下的擊穿（2）放電時(shí)間成為一個(gè)重要因素沖擊電壓持續(xù)（作用）時(shí)間與氣隙擊穿時(shí)間接近，不容忽略沖擊電壓氣隙擊穿的條件：電壓幅值有效電子：能引起電子崩并最終導(dǎo)致?lián)舸┑碾娮与妷鹤饔靡欢〞r(shí)間：沖擊放電所需的時(shí)間：升壓時(shí)間t0，電壓升高

48、到靜態(tài)擊穿電壓。擊穿尚未開始。統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts，從t0開始到氣隙中出現(xiàn)第一個(gè)有效電子所需的時(shí)間。具有隨機(jī)性和統(tǒng)計(jì)性放電的形成時(shí)延tf，從有效電子出現(xiàn)到產(chǎn)生電子崩、形成流注、發(fā)展到主放電，以至氣隙擊穿所需時(shí)間。也具有統(tǒng)計(jì)性沖擊放電總時(shí)間：td=t0+ts+tf。放電時(shí)延：t1=ts+tf。短氣隙內(nèi)（cm級(jí)），特別是電場較均勻時(shí)，tstf為減小ts，可增加有效電子出現(xiàn)概率，如提高電壓、采用光源照射較長氣隙中，放電時(shí)延主要取決于tf，電場越不規(guī)則，tf越長增加電壓空氣在雷電沖擊電壓下的擊穿（3）雷電50%沖擊擊穿電壓：U50%。 隨電壓提高，氣隙擊穿比例逐步升高，從0100%。 相同電壓多次作用，計(jì)算其

49、擊穿與否及比例 電壓從低到高：不擊穿，有時(shí)擊穿（比例逐步提高），全部擊穿 課堂提問：為什么出現(xiàn)擊穿比例？比例為什么隨電壓提高？ 理論上的擊穿電壓為剛好能引發(fā)一次擊穿的電壓，從實(shí)用角度也最有意義。但要通過試驗(yàn)準(zhǔn)確獲得這一電壓很難。 工程上采用50%沖擊擊穿電壓來描述氣隙的沖擊擊穿電壓 根據(jù)擊穿電壓的分散性，留有一定裕度。 均勻或稍不均勻電場，擊穿電壓分散較小，U50%約等于靜態(tài)擊穿電壓Us。沖擊系數(shù)（U50%與Us之比）接近于1 極不均勻電場，擊穿電壓分散性大，U50%靜態(tài)擊穿電壓Us。沖擊系數(shù)大于1 工程上表征氣隙擊穿特性的一種方法空氣在雷電沖擊電壓下的擊穿（4） 伏秒特性的繪制方法。 步驟：

50、保持沖擊電壓波形不變，逐級(jí)升高電壓使氣隙擊穿，記錄擊穿電壓波形，讀取擊穿電壓值U與擊穿時(shí)間t。 電壓不很高時(shí)，擊穿一般發(fā)生在波長時(shí)間。 電壓很高時(shí)，擊穿可能在波前時(shí)間 波前擊穿時(shí)，U與t均取擊穿時(shí)刻的值 波長擊穿時(shí)，U取波峰值，t取擊穿時(shí)刻值 伏秒特性。即將擊穿電壓值和放電時(shí)延聯(lián)系起來確定氣隙的擊穿特性。 表征氣隙擊穿特性的另一種方法 可用于絕緣配合空氣在雷電沖擊電壓下的擊穿（5）由于放電時(shí)間有分散性，伏秒特性應(yīng)是以上下包絡(luò)線為界由于放電時(shí)間有分散性，伏秒特性應(yīng)是以上下包絡(luò)線為界的帶狀區(qū)域。的帶狀區(qū)域。為方便，工程上常采用平均伏秒特性或?yàn)榉奖?，工程上常采用平均伏秒特性?0%伏秒特性曲線伏秒特

51、性曲線伏秒特性在絕緣配合中具有重要作用。伏秒特性在絕緣配合中具有重要作用。保護(hù)間隙的伏秒特性曲線應(yīng)位于被保護(hù)元件伏秒特性曲線的下方。保護(hù)間隙的伏秒特性曲線應(yīng)位于被保護(hù)元件伏秒特性曲線的下方。 空氣在操作沖擊電壓下的擊穿 操作沖擊電壓：由電力系統(tǒng)操作或事故，因系統(tǒng)狀態(tài)突然變化引起的持續(xù)時(shí)間長、幅值高于系統(tǒng)相電壓幾倍的沖擊電壓 持續(xù)時(shí)間長：是和雷電沖擊電壓相比。 暫態(tài)過電壓 長氣隙中，不能用工頻試驗(yàn)代替操作過電壓耐受試驗(yàn)，前者偏寬松 操作沖擊標(biāo)準(zhǔn)波形。 與雷電標(biāo)準(zhǔn)波類似。記為 250/2500uS。 波前時(shí)間250uS 20%，半峰時(shí)間2500uS 60%。無“視在” 衰減振蕩波。首半波20003

52、000uS，次半波反極性，為首峰的4/5?？諝庠诓僮鳑_擊電壓下的擊穿（2） 結(jié)論1：均勻電場和稍不均勻電場中，雷電和操作50%沖擊擊穿電壓與工頻擊穿電壓基本相同。擊穿幾乎發(fā)生在峰值。 結(jié)論2： 對(duì)于極不均勻電場、長氣隙 即操作沖擊擊穿電壓隨波前時(shí)間變化有極小值，呈U型 具有飽和特性。即隨氣隙距離的增加，擊穿電壓提高不明顯。 氣隙的操作沖擊擊穿電壓不僅遠(yuǎn)低于雷電沖擊電壓，有些波前時(shí)間內(nèi)，甚至低于工頻擊穿電壓。 結(jié)論3： 擊穿電壓幅值和放電時(shí)間的分散性比雷電沖擊電壓下大的多。 因此：不僅沖擊電壓擊穿特性與穩(wěn)態(tài)不同，雷電沖擊電壓與操作沖擊電壓也不同1.4 大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響大氣條件對(duì)氣隙擊

53、穿特性的影響因素 影響因素包括：壓力、溫度、濕度、海拔影響因素包括：壓力、溫度、濕度、海拔 影響氣隙放電環(huán)境，如空氣密度、電子自由行程、碰撞影響氣隙放電環(huán)境，如空氣密度、電子自由行程、碰撞電離概率、附著過程等。電離概率、附著過程等。 有的因素相互關(guān)聯(lián)。有的因素相互關(guān)聯(lián)。 獨(dú)立因素可歸納為：密度、濕度獨(dú)立因素可歸納為：密度、濕度 不同大氣條件下的擊穿電壓和統(tǒng)一參考大氣條件的不同大氣條件下的擊穿電壓和統(tǒng)一參考大氣條件的擊穿電壓必須能夠相互換算。擊穿電壓必須能夠相互換算。 比較和標(biāo)注時(shí)：將不同大氣條件換算到參考大氣條件比較和標(biāo)注時(shí)：將不同大氣條件換算到參考大氣條件 應(yīng)用時(shí)：將參考大氣條件換算到具體的

54、大氣環(huán)境應(yīng)用時(shí)：將參考大氣條件換算到具體的大氣環(huán)境 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：對(duì)空氣密度校正對(duì)空氣密度校正 對(duì)濕度的校正對(duì)濕度的校正 對(duì)海拔高度的校正對(duì)海拔高度的校正TpTppTss.92對(duì)擊穿電壓的補(bǔ)償（1） 對(duì)空氣密度的校正對(duì)空氣密度的校正 空氣相對(duì)密度：空氣相對(duì)密度： 當(dāng)當(dāng)=0.951.05時(shí)時(shí) 適用：極間距離不大于適用：極間距離不大于1m的各種電場和各種電壓波形。的各種電場和各種電壓波形。 其它情況：其它情況： U m，n：0.41.00UKKUhddKhK0U-空氣密度校正系數(shù)，空氣密度校正系數(shù)， -濕度校正系數(shù)濕度校正系數(shù)-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下?lián)舸╇妷簶?biāo)準(zhǔn)大氣壓下?lián)舸╇妷篢p9 . 2dK對(duì)擊穿

55、電壓的補(bǔ)償（2）對(duì)濕度的校正水汽分子為電負(fù)性氣體，可以抑制放電過程。濕度越大，擊穿電壓也越高對(duì)均勻和稍不均勻電場，濕度影響可忽略。電子運(yùn)動(dòng)速度較快，不易被捕獲對(duì)極不均勻電場的影響顯著：k與絕對(duì)濕度和電壓種類有關(guān)；與絕對(duì)濕度和電壓種類有關(guān)；w取決于電極形狀、極間距、電壓種類及其極性。取決于電極形狀、極間距、電壓種類及其極性。問題：濕度增加時(shí)，Kh如何變化？對(duì)海拔高度的校正海拔高度增加，大氣壓力即密度均減小，擊穿電壓也隨之降低。海拔高于1000m而又低于4000m，補(bǔ)償方法：如何理解公式？paUKU 4101 . 11HKa U -高海拔地區(qū)試驗(yàn)電壓高海拔地區(qū)試驗(yàn)電壓 Up -平原地區(qū)絕緣試驗(yàn)電壓

56、平原地區(qū)絕緣試驗(yàn)電壓 Ka -海拔校正系數(shù)海拔校正系數(shù) H -為海拔高度為海拔高度whkK 1.5 提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法目的和措施 研究氣隙放電的目的目的：提高氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度 影響氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的因素 氣隙長度 電場均勻度 氣體特性（電負(fù)性） 氣體參數(shù)（氣壓、溫度、濕度、海拔） 工程上，為了縮小絕緣尺寸，常用措施有： 改善氣隙中的電場分布，使之均勻化。 理論基礎(chǔ)：電場分布越均勻，氣隙的平均擊穿場強(qiáng)越高。 方法：改進(jìn)電極形狀、利用空間電荷改善電場分布、采用屏障 削弱或抑制氣體介質(zhì)中的電離過程。 方法：采用高氣壓、采用強(qiáng)電負(fù)性氣體、采用高真空增大電極曲率半徑，如采用屏蔽罩。增大電極曲率

57、半徑，如采用屏蔽罩。改善電極絕緣形狀，消除邊緣效應(yīng)。消除電極表面毛刺和尖角。改善電極絕緣形狀，消除邊緣效應(yīng)。消除電極表面毛刺和尖角。 其它：保護(hù)金具（絕緣子串上的保護(hù)金具）等其它：保護(hù)金具（絕緣子串上的保護(hù)金具）等。改善電場分布-改進(jìn)電極形狀（1）改善電場分布-改進(jìn)電極形狀（2）瑞典380kV變壓器出線套管上的籠型屏蔽前蘇聯(lián)750kV隔離開關(guān)上的籠型屏蔽改善電場分布-改進(jìn)電極形狀（3）1200kV直流高壓發(fā)生器上的環(huán)型屏蔽1000kV標(biāo)準(zhǔn)電容器高壓端雙環(huán)型屏蔽電極系統(tǒng)改善電場分布-利用空間電荷極不均勻電場中，氣隙擊穿前先發(fā)生電暈放電，放電自身產(chǎn)生的空間電荷可改善電場分布。 如：在線-板、線-線

58、結(jié)構(gòu)中采用細(xì)線，導(dǎo)線周圍可形成均勻電暈層，可改善電場分布，提高擊穿電壓。有一定限制范圍（細(xì)線是相對(duì)氣隙距離而言），消耗能量 注意：改進(jìn)電極形狀是增大尺寸，而利用空間電荷是要縮小尺寸。改善電場分布-采用屏障（1）在極不均勻電場中，采用薄片固體絕緣材料插入電暈間隙適當(dāng)位置 材料：紙和紙板 擋住與電暈電極同號(hào)的空間電荷 使電暈電極與屏障間場強(qiáng)減弱 使屏障與另一極板間場強(qiáng)增大 使電場均勻化 改善電場分布-采用屏障（2）直流電壓下，棒-板空氣間隙擊穿電壓和屏障位置關(guān)系屏障位置不同，擊穿電壓變化很大棒極極性不同，屏障的影響也不同屏障靠近板極，負(fù)極性擊穿電壓下降正極性提高2-3倍，負(fù)極性提高0.2倍。最佳位

59、置：x/d=0.2處。對(duì)于交流工頻電壓，作用仍明顯。棒-棒氣隙，兩極均需設(shè)置屏障原因：電暈從兩個(gè)棒極發(fā)生球-球氣隙如何？其中一極接地？屏障對(duì)提高穩(wěn)態(tài)擊穿電壓作用明顯，對(duì)暫態(tài)（沖擊）電壓不明顯 時(shí)間短，電荷移動(dòng)本身不明顯削弱或抑制電離過程-采用高氣壓 機(jī)理：減小電子平均自由行程，削弱和抑制電離過程。 應(yīng)用：壓縮空氣斷路器、電容器等。 對(duì)電氣設(shè)備外殼密封性能要求很高。 高氣壓下，電場均勻度的影響更明顯。應(yīng)采取措施均勻電場。 高氣壓下，電極表面粗糙度的影響也更明顯。電極應(yīng)仔細(xì)加工，保持光潔。 氣體要過濾水分和塵埃等。 削弱或抑制電離過程-采用強(qiáng)電負(fù)性氣體機(jī)理：吸附自由電子，降低電離概率 如SF6，氟

60、利昂等鹵族元素優(yōu)點(diǎn)：電氣強(qiáng)度大于空氣，氣壓不必太高，簡化設(shè)備制造要求： 液化溫度不高； SF6:0.75MPa時(shí)液化溫度為-20度，高寒地區(qū)戶外限用 化學(xué)性能穩(wěn)定，放電不易分解、不燃燒、不產(chǎn)生有毒氣體； 生產(chǎn)不困難，價(jià)格不過高。SF6，除空氣外應(yīng)用最廣泛。 電氣強(qiáng)度是空氣的2.5倍，滅弧能力則為空氣的100倍以上。 0.7Mpa的SF6擊穿電壓=2.8MPa空氣 電場不均勻度對(duì)SF6的影響比對(duì)空氣的大SF6混合氣體。廉價(jià)氣體，如N2，CO2或空氣與SF6混合。 相比于廉價(jià)氣體自身電氣強(qiáng)度，電氣強(qiáng)度有很大提高。 但仍低于純SF6 電氣強(qiáng)度對(duì)電場敏感度減小。 液化溫度降低。 價(jià)格降低削弱或抑制電離