高電壓氣體絕緣

高電壓氣體絕緣第1頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四第1講一、緒論二、氣體放電理論（一）2第2頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四1.電網(wǎng)發(fā)展歷史＊1875年，法國巴黎北火車站建成世界上第一座火力直流發(fā)電廠，標志著世界電力時代的到來。＊

1891年，在德國勞芬電廠安裝了世界第一臺三相交流發(fā)電機：它發(fā)出的三相交流電通過第一條13.8kV輸電線將電力輸送到遠方用電地區(qū)，使電力既用于照明，又用于動力，從而開始了高壓輸電的時代。＊

1879年，中國上海公共租界點亮了第一盞電燈。1882年，第一家電業(yè)公司—上海電氣公司成立（1臺12kW直流)。＊

100多年來，輸電電壓由最初的13.8kV逐步發(fā)展到20，35，66，110，134，220，330，345，400，500，735，750，765，1000kV。一、高壓輸電的發(fā)展3第3頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四2.中國電網(wǎng)發(fā)展歷史中國，1949年前，電力工業(yè)發(fā)展緩慢，輸電電壓按具體工程決定，電壓等級繁多：1949年新中國成立后，按電網(wǎng)發(fā)展統(tǒng)一電壓等級，逐漸形成經(jīng)濟合理的電壓等級系列：1989年建成±500kV葛洲壩-上海高壓直流輸電線，實現(xiàn)了華中-華東兩大區(qū)的直流聯(lián)網(wǎng)。

1984年，國家明確提出500kV以上的輸電電壓為1000kV特高壓、330kV以上的輸電電壓為750kV。

1）2005年9月，中國在西北地區(qū)（青海官廳—蘭州東）建成了一條750kV輸電線路，長度為140.7km。輸、變電設(shè)備，除GIS外，全部為國產(chǎn)。2）2010年1000kV晉東南～南陽～荊門輸電線路工程

4第4頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四電網(wǎng)發(fā)展的歷史表明：相鄰兩個電壓等級的級差，在一倍以上是經(jīng)濟合理的。新的更高電壓等級的出現(xiàn)時間一般為15—20年。前蘇聯(lián)1150kV輸電線路的運行表明：特高壓輸電技術(shù)和設(shè)備，經(jīng)過20年的研究和開發(fā)，到20世紀80年代中期，已達到用于實際的特高壓輸電工程的要求。5第5頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四高壓100kV超高壓1001000kV特高壓1000kV6第6頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四3.特高壓輸電的優(yōu)點1）提高輸送容量交流線路的自然功率是表征其送電能力的一項指標，其計算公式如下：

一回1000kV特高壓輸電線路的自然功率接近500萬千瓦，約為500kV輸電線路的五倍左右?！?00kV直流特高壓輸電能力可達到640萬千瓦，是±500kV高壓直流的2.1倍，是±620kV高壓直流的1.7倍。7第7頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四自然功率自然功率就是輸電線路受端每相接入一個波阻抗的負荷時線路輸送的功率，它主要用來分析輸電線路的輸電能力、電壓和無功調(diào)節(jié)等問題。當線路輸送自然功率時，由于線路對地電容產(chǎn)生的無功與線路電抗消耗的無功相等，因此送端和受端的功率因數(shù)一致；當輸送功率低于自然功率時，由于充電功率大于線路消耗無功，必然導(dǎo)致線路電壓升高；相反，當線路輸送功率大于自然功率，由于無功不足，需要額外的無功補償，在沒有無功補償?shù)那闆r下，線路電壓就會下降。所以，線路在輸送自然功率的時候，經(jīng)濟性最好、最合理。8第8頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四2）縮短電氣距離，提高穩(wěn)定極限

交流線路的輸送功率可按下式計算：1000千伏線路的電氣距離相當于同長度500千伏線路的1/4～1/5。換句話說，在輸送相同功率的情況下，1000kV特高壓輸電線路的最遠送電距離約為500kV線路的4倍。采用±800kV直流輸電技術(shù)使超遠距離的送電成為可能，經(jīng)濟輸電距離可以達到2500km及以上。

9第9頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四3）降低線路損耗

輸電線路損耗可按下式估算：

可見，在導(dǎo)線總截面、輸送容量均相同，即R、S值相等的情況下，1000kV交流線路的電阻損耗是500kV交流線路四分之一?！?00kV直流線路的電阻損耗是±500kV直流線路的39％，是±620kV直流線路的60％。

10第10頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四4）減少工程投資1000kV交流輸電方案的單位輸送容量綜合造價約為500kV輸電方案的四分之三?！?00kV直流輸電方案的單位輸送容量綜合造價也約為±500kV直流輸電方案的四分之三。

11第11頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四5）提高單位走廊輸電能力，節(jié)省走廊面積交流特高壓：同塔雙回和貓頭塔單回線路的走廊寬度分別為75米和81米，單位走廊輸送能力分別為13.3萬千瓦/米和6.2萬千瓦/米，約為同類型500kV線路的三倍。直流特高壓：±800kV、640萬千瓦直流輸電方案的線路走廊約76米，單位走廊寬度輸送容量為8.4萬千瓦/米，是±500kV、300萬千瓦方案的1.29倍，±620kV、380萬千瓦方案的1.37倍。

12第12頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四6）改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，降低短路電流

通過特高壓實現(xiàn)長距離送電，可以減少在負荷中心地區(qū)裝設(shè)機組的需求，從而降低短路電流幅值。長距離輸入1000萬千瓦電力，相當于減少本地裝機17臺60萬千瓦機組。每臺60萬千瓦機組對其附近區(qū)域500千伏系統(tǒng)的短路電流約增加1.8kA，如果這些機組均裝設(shè)在負荷中心地區(qū)，對當?shù)仉娋W(wǎng)的短路電流水平有較大的影響。通過特高壓電網(wǎng)，實現(xiàn)分層分區(qū)布局，可以優(yōu)化包括超高壓在內(nèi)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從根本上解決短路電流超標問題。13第13頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四7）加強聯(lián)網(wǎng)能力通過交流特高壓同步聯(lián)網(wǎng)，可以大幅度縮短電網(wǎng)間的電氣距離，提高穩(wěn)定水平，發(fā)揮大同步電網(wǎng)的各項綜合效益。通過直流特高壓異步聯(lián)網(wǎng)，滿足長距離、大容量送電的要求，沿線不需要提供電源支撐。通過特高壓聯(lián)網(wǎng)，增強網(wǎng)絡(luò)功率交換能力，可以在更大范圍內(nèi)優(yōu)化能源資源配置方式。14第14頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四4、高電壓工程的主要研究的問題

電力工業(yè)與高電壓技術(shù)密切相關(guān)

過電壓與絕緣15第15頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四1）絕緣問題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

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)

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16第16頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四2）試驗問題各種經(jīng)濟、靈活的高電壓發(fā)生裝置

電氣設(shè)備各種絕緣試驗項目的設(shè)計

預(yù)防性試驗在線監(jiān)測、故障診斷狀態(tài)維修高電壓的測量高強量、微弱量、快速量

17第17頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四3）過電壓防護問題外過電壓（雷電過電壓）內(nèi)過電壓老化、污穢（在運行電壓及過電壓下）保護裝置分析各類過電壓的特點及形成條件，研究各種保護裝置及其保護特性

工頻過電壓諧振過電壓操作過電壓18第18頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四4）絕緣配合中心問題：解決電力系統(tǒng)中過電壓與絕緣這一對矛盾，將電力系統(tǒng)絕緣確定在既經(jīng)濟又可靠的水平19第19頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四5）電磁環(huán)境問題電磁兼容更多的電子及微電子設(shè)備對強電系統(tǒng)進行保護和監(jiān)控，其對暫態(tài)干擾具有明顯的敏感性和脆弱性強電系統(tǒng)電壓高、容量大，對弱電系統(tǒng)產(chǎn)生更加強烈的電磁干擾開展關(guān)于如何限制弱電系統(tǒng)內(nèi)的暫態(tài)干擾電壓的試驗及研究工作

生態(tài)效應(yīng)

20第20頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四1與應(yīng)用物理的聯(lián)系緊密2實驗/經(jīng)驗性3理論探索性4瞬變性5與其他學科的交叉與滲透性理工結(jié)合的學科內(nèi)涵21第21頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四高電壓學科的特點人類最先觀察到的電現(xiàn)象是高電壓現(xiàn)象人類最初研制出來的電氣裝置是產(chǎn)生高電壓的摩擦起電裝置人類最先應(yīng)用電的實例是利用高壓放電給人治病電學的發(fā)展史：高電壓——低電壓——高電壓高電壓技術(shù)—實現(xiàn)遠距離大功率輸電的前提條件建立現(xiàn)代大電力系統(tǒng)的前提條件我國西電東送必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

—高海拔、沙塵暴、永凍土環(huán)境下的高壓輸電開辟新領(lǐng)域的先鋒22第22頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四高電壓學科的應(yīng)用第二張23第23頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四5、高電壓技術(shù)面臨的主要問題

提高設(shè)備可靠性的技術(shù)問題設(shè)備緊湊化高場強的技術(shù)問題新型絕緣材料的開發(fā)大功率電力電子器件在高壓中的應(yīng)用架空線及變電所的電磁環(huán)境24第24頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四第一篇電介質(zhì)的電氣強度第一章氣體放電的基本物理過程25第25頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四26主要內(nèi)容氣體中帶電粒子的產(chǎn)生和消失氣體放電的一般描述

均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程

不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程第26頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四概述1用于高壓電氣設(shè)備絕緣的介質(zhì)氣體如絕緣氣體：空氣液體如油，變壓器等固體如絕緣子等不存在老化問題；擊穿后具有完全的絕緣自恢復(fù)特性。3氣體介質(zhì)的兩大優(yōu)點2絕緣的擊穿：作用在絕緣材料上的電場強度超過某一臨界值而使其失去絕緣性能的現(xiàn)象。第27頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四28在電場作用下，氣隙中帶電粒子的形成和運動過程空氣介質(zhì)中性分子（原子）能否變?yōu)閹щ娏Ｗ咏^緣狀態(tài)導(dǎo)電狀態(tài)研究氣體放電的主要目的：1、了解氣體在高電壓（強電場）的作用下逐步由電介質(zhì)演變成導(dǎo)體的物理過程2、掌握氣體介質(zhì)的電氣強度及其提高的方法第28頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四29粒子的平均自由行程

：一個粒子在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通過的平均行程長度電子在其自由行程內(nèi)從外電場獲得動能，能量除決定于電場強度外，還和其自由行程有關(guān)第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失一、帶電粒子在氣體中的運動第29頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四30氣體中電子和離子的自由行程是它們和氣體分子發(fā)生碰撞時的行程電子的平均自由行程要比分子和離子的大得多氣體分子密度越大，其中粒子的平均自由行程越小。對于同一種氣體，其分子密度和該氣體的密度成正比自由行程的分布：具有統(tǒng)計性的規(guī)律。粒子的自由行程大于x的概率為

第30頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四31二、帶電粒子的產(chǎn)生氣體分子的電離可由下列因素引起：

（1）光電離

（2）熱電離

（3）碰撞電離（4）電極表面的電離

第31頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四32光電離光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光電離自然界、人為照射、氣體放電過程當氣體分子受到光輻射作用時，如光子能量滿足下面條件，將引起光電離，分解成電子和正離子光輻射能夠引起光電離的臨界波長（即最大波長）為對所有氣體來說，在可見光（400750nm）的作用下，一般是不能直接發(fā)生光電離的

第32頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四33熱電離因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離氣體分子的平均動能和氣體溫度的關(guān)系為

在它們相互碰撞時，就可能引起激勵或電離在高溫下，例如發(fā)生電弧放電時，氣體溫度可達數(shù)千度，氣體分子動能就足以導(dǎo)致發(fā)生明顯的碰撞電離高溫下高能熱輻射光子也能造成氣體的電離第33頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四34碰撞電離氣體放電中，碰撞電離主要是電子和氣體分子碰撞而引起的在電場作用下，電子被加速而獲得動能。當電子的動能滿足如下條件時，將引起碰掩電離

me——電子的質(zhì)量；

ve——電子的速度；

Wi——氣體分子的電離能。碰撞電離的形成與電場強度和平均自由行程的大小有關(guān)第34頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四35電極表面的電離陰極發(fā)射電子的過程逸出功

：金屬的微觀結(jié)構(gòu)、金屬表面狀態(tài)金屬表面電離有多種方式，即可以有多種方法供給電子以逸出金屬所需的能量（1）正離子撞擊陰極正離子碰撞陰極時使電子逸出金屬（傳遞的能量要大于逸出功）。逸出的電子有一個和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子。因此正離子必須碰撞出兩個及以上電子時才能出現(xiàn)自由電子第35頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四36（2）光電子發(fā)射金屬表面受到光的照射，當光子的能量大于逸出功時，金屬表面放射出電子（3）強場發(fā)射（冷發(fā)射）當陰極附近所加外電場足夠強時，使陰極發(fā)射出電子（4）熱電子發(fā)射當陰極被加熱到很高溫度時，其中的電子獲得巨大動能，逸出金屬第36頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四37三、負離子的形成有時電子和氣體分子碰撞非但沒有電離出新電子，反而是碰撞電子附著分子，形成了負離子有些氣體形成負離子時可釋放出能量。這類氣體容易形成負離子，稱為電負性氣體（如氧、氟、SF6等）負離子的形成起著阻礙放電的作用第37頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四38（一）電場作用下氣體中帶電粒子的運動

（二）帶電粒子的擴散（三）帶電粒子的復(fù)合

四、氣體中帶電粒子的消失第38頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四39電場作用下氣體中帶電粒子的運動帶電粒子產(chǎn)生以后，在外電場作用下將作定向運動，形成電流

第39頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四40帶電粒子的擴散帶電粒子的擴散和氣體分子的擴散一樣，都是由于熱運動造成，帶電粒子的擴散規(guī)律和氣體的擴散規(guī)律也是相似的氣體中帶電粒子的擴散和氣體狀態(tài)有關(guān)，氣體壓力越高或者溫度越低，擴散過程也就越弱電子的質(zhì)量遠小于離子，所以電子的熱運動速度很高，它在熱運動中受到的碰撞也較少，因此，電子的擴散過程比離子的要強得多第40頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四41帶電粒子的復(fù)合正離子和負離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過程在帶電粒子的復(fù)合過程中會發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又可能成為導(dǎo)致電離的因素

正、負離子間的復(fù)合概率要比離子和電子間的復(fù)合概率大得多。通常放電過程中離子間的復(fù)合更為重要一定空間內(nèi)帶電粒子由于復(fù)合而減少的速度決定于其濃度第41頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四氣體中帶電粒子的產(chǎn)生與消失中性的氣體能量電離電離去電離過程帶電粒子的擴散帶電粒子的復(fù)合定向運動形成電流電離的方式碰撞電離光電離熱電離表面電離第42頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四第二節(jié)電子崩湯遜放電理論（又名電子崩理論）.適用條件:

實驗裝置：

均勻電場,低氣壓,短間隙如右圖所示第43頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四均勻電場中氣體的伏安特性試驗圖形分析：oa段:

隨著電壓升高，到達陽極的帶電質(zhì)點數(shù)量和速度也隨之增大。ab段：電流不再隨電壓的增大而增大因為這時由外界電離因素在極間產(chǎn)生的帶電離子已全部參加導(dǎo)電，所以電流趨于飽和。電流密度是極小的，一般只有10-19A/cm2，間隙仍處于良好的絕緣狀態(tài)。首先，大氣中少量的正負離子存在；其次，在極間加上電壓后，帶電離子分別向兩極移動，形成電流；第44頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四均勻電場中氣體的伏安特性試驗圖形分析：bc段：電流又再隨電壓的增大而增大，到達b點后，電流又重新隨電壓升高而增大。間隙中出現(xiàn)新的電離因素，這就是電子的碰撞電離。c點:電流急劇突增隨著電壓的升高，電流越來越大。最后達到c點時，電流更急劇增加到必須依靠外電路的電阻來限制的地步。放電的這一階段叫自持放電。電子雪崩。第45頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四均勻電場中氣體的伏安特性試驗圖形分析：電子在電場作用下從陰極奔向陽極，并與中性分子碰撞產(chǎn)生電離，由此產(chǎn)生的新電子也加入其中，使電子的數(shù)目迅速增加，這種迅猛發(fā)展的碰撞電離過程被稱為電子雪崩。第46頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四(1).電子崩

在電場作用下電子從陰極向陽極推進而形成的一群電子。(2).非自持放電去掉外界游離因素的作用后,放電隨即停止。(3).自持放電不需要外界游離因素存在,放電也能維持下去。相關(guān)的概念第47頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四----------------+d電子雪崩的示意圖第48頁，共55頁，2022年，5月20日，21點9分，星期四電子崩的電荷分布+--------+d