高電壓技術(shù)課件

高電壓技術(shù)20011年9月緒論高電壓技術(shù)—研究高電壓（強(qiáng)電場）下的電氣物理問題電力系統(tǒng)：輸送的功率一定時，輸電線路電壓越高，功率損耗越低，輸送距離越遠(yuǎn)。大功率、遠(yuǎn)距離輸電—高壓、超高壓、特高壓電網(wǎng)我國中壓電網(wǎng)63、35、10kV高壓電網(wǎng)110、220

kV超高壓電網(wǎng)330、500kV、750kV特高壓電網(wǎng)1000kV另有直流輸電網(wǎng)：±800kV；±660kV；±500kV電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)：110（或220）kV/27.5kV高壓供電網(wǎng)絡(luò)

牽引供電系統(tǒng)電氣原理示意圖

電力系統(tǒng)（及牽引供電系統(tǒng)）高電壓問題：電氣絕緣絕緣材料絕緣結(jié)構(gòu)

電氣絕緣試驗

電氣絕緣試驗技術(shù)

各種高電壓產(chǎn)生及測量技術(shù)

電力系統(tǒng)過電壓及其防護(hù)

系統(tǒng)各種過電壓產(chǎn)生的機(jī)理過電壓的防護(hù)技術(shù)

電磁環(huán)境問題

電磁兼容

電磁的生態(tài)效應(yīng)

1氣體放電的基本物理過程

正常使用，電介質(zhì)為良好的絕緣體

過高電壓下，發(fā)生放電、失去絕緣性

—擊穿。

電介質(zhì)

氣體—空氣、SF6等液體—變壓器油、電容器油等固體—絕緣紙、云母、塑料、電瓷、硅橡膠等1.1帶電質(zhì)點的產(chǎn)生、運(yùn)動和消失氣體放電的原因：氣體中出現(xiàn)帶電質(zhì)點氣體中出現(xiàn)帶電質(zhì)點的原因：電離

氣體分子電離：氣體分子（原子）接受外界能量后，其核外電子脫離原子核的束縛，成為自由電子。氣體分子（原子）正離子+自由電子電離能——使氣體分子發(fā)生電離所需要的最小能量。單位：電子伏特（ev)一、氣體中帶電質(zhì)點的產(chǎn)生氣體電離能/ev激勵能/ev氣體電離能/ev激勵能/evN212.56.1SF615.66.8O212.57.9H2O12.77.6CO213.710表1-1氣體分子的電離能

陰極表面電離陰極表面逸出功<<氣體分子電離能

不同的金屬材料逸出功不同金屬鋁銀鐵銅氧化銅銫逸出功（eV）4.084.734.484.75.31.88表1-2一些金屬的逸出功陰極表面電離—陰極表面發(fā)射自由電子。逸出功——使陰極表面發(fā)射電子所需要的最小能量，單位：電子伏特（ev)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。陰極表面電離方式：負(fù)離子的形成附著：電子與中性分子相結(jié)合形成負(fù)離子。

負(fù)離子的形成并未使氣體中帶電質(zhì)點的數(shù)目

改變，但卻使自由電子數(shù)減少，因而對氣體放電的發(fā)展起抑制作用1.2湯遜放電理論一、氣隙中的放電電流oa段：uII=I0

I0-飽和電流取決于外界電離因素ab段：uI=I0間隙中無新的帶電粒子產(chǎn)生

bc段：uI間隙中出現(xiàn)了電子碰撞電離，產(chǎn)生了電子崩

二、電子崩電子崩的形成電子碰撞電離系數(shù)：圖1-4a電子崩的形成電子崩中帶電粒子分布圖1-4b電子崩中帶電粒子分布三、電子崩（α過程）產(chǎn)生的電流

設(shè)：單位時間從陰極發(fā)出

n0個自由電子

因：電子崩過程在：x處為n個

在：x＋dx處為n+dn個則：dn＝αndx

積分得：

n=n0eαx

X=d:na=n0eαd

dxdxn0n+-圖1－5電子崩中的電子數(shù)計算同時考慮α、γ過程極間自由電子數(shù)目變化：陰極表面到達(dá)陽極α過程使氣隙中產(chǎn)生γ過程使陰極表面發(fā)射n0n0eαdn0（eαd－1）γn0（eαd－1）....ncnceαdnc（eαd－1）γnc（eαd－1）平衡狀態(tài)下：

nc=n0+γnc（eαd－1）則：

nc=n0/1-γ（eαd－1）陽極：

na＝

nceαd

＝n0eαd/1-γ（eαd－1）放電電流：

Ia=I0eαd/1-γ（eαd－1）自持放電的條件若使：1-γ（eαd－1）＝0

則：I0=0,I≠0---去掉外界電離因素，放電可依靠間隙自身電離（αγ過程）維持---自持放電。自持放電的條件：γ（eαd－1）＝1物理意義：每一個從陰極出發(fā)的自由，在消失于陽極之前，因α、γ過程，使陰極產(chǎn)生一個新的自由電子，以維持間隙的的電離過程，放電得以自持。放電形式：輝光放電、火花放電、電弧放電五、擊穿電壓與氣壓的關(guān)系（巴申定律）

將：α＝Ape－BP/Eb，Eb＝Ub/d

代入自持放電條件：γ（eαd－1）＝1可得擊穿電壓：擊穿電壓隨pd乘積變化且存在極值即：湯遜理論適用于pd＜26.6kpa.cm的情況。原因：1.沒有考慮空間電荷對電場的畸變2.沒有考慮空間光電離作用湯遜放電理論適用于：低氣壓、短間隙（pd＜26.66kpa.cm)1.3氣體放電的流注理論流注理論---分析各種氣壓、各種間隙下的氣體放電過程流注理論：①強(qiáng)調(diào)了空間電荷對電場的畸變作用②認(rèn)為電子碰撞電離、空間光電離為主要電離因素一、空間電荷對電場的畸變作用電子崩中正負(fù)電荷形成的電場導(dǎo)致空間電場畸變◆電子崩頭、崩尾電場增強(qiáng)◆正負(fù)電荷銜接區(qū)電場減弱，◆正負(fù)電荷銜接區(qū)中帶電粒子（正、負(fù)離子）濃度十分高圖1-9從電子崩到流注的轉(zhuǎn)換圖1-10負(fù)流注的形成1.4不均勻電場中的放電過程一、不均勻電場的放電特點均勻電場（平板電極）：達(dá)到自持放電條件，間隙擊穿。稍不均勻電場（同軸圓柱電極、球隙等）：達(dá)到自持放電條件，間隙擊穿，間隙平均擊穿場強(qiáng)低于均勻電場。極不均勻電場（棒-棒電極、棒-板電極）：出現(xiàn)電暈放電階段，間隙平均擊穿場強(qiáng)低于均勻電場和稍不均勻電場電暈放電：外加電壓達(dá)到一定數(shù)值時，在小曲率半徑電極處強(qiáng)烈電離，出現(xiàn)流注，為局部范圍的自持放電，間隙仍保持絕緣狀態(tài)。電暈起始電壓：開始出現(xiàn)電暈放電時，極間所加電壓。擊穿過程：u↑→電暈區(qū)擴(kuò)大→放電電流↑….u進(jìn)一步增加到一定數(shù)值，導(dǎo)致間隙擊穿。二、輸電線路電暈交流輸電線路電暈起始場強(qiáng)（幅值）－－皮克公式式中：m1—導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)，光滑導(dǎo)線

,絞線

m2—?dú)庀笙禂?shù)取0.8-1.0；

δ—空氣相對密度；r—導(dǎo)線半徑（cm）。輸電線路電暈危害放電脈沖產(chǎn)生高頻電磁波，形成無線干擾。產(chǎn)生電暈損耗。產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。防止（減輕）輸電線路電暈的措施減小導(dǎo)線表面場強(qiáng)，對330kV及以上線路，采用分裂導(dǎo)線。三、極性效應(yīng)放電一定從曲率半徑小的電極表面開始。極性效應(yīng)－－擊穿電壓與小曲率半徑電極極性有關(guān)典型的極不均勻電場---棒-板間隙棒—板間隙：－－放電發(fā)展過程存在明顯的極性效應(yīng)直流下及沖擊電壓：

工頻電壓下：擊穿總發(fā)生在棒極為正的半周內(nèi)。出現(xiàn)極性效應(yīng)的原因棒為正：出現(xiàn)電暈后，棒極附近滯留的正空間電荷加強(qiáng)了流注頭部電場，放電易于發(fā)展。棒為負(fù)：出現(xiàn)電暈后，棒極附近滯留的正空間電荷減弱了流注頭部電場，放電不易發(fā)展。正極性“棒-板”間隙中的電場畸變負(fù)極性“棒-板”間隙中的電場畸變四、長空氣間隙放電過程

先導(dǎo)放電過程主放電過程1.5放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿一、放電時間

完成氣隙擊穿的三個必備條件：①足夠高的電場強(qiáng)度或（電壓）；②氣隙中出現(xiàn)能引起電子崩并導(dǎo)致流注的有效電子；③需要有一定的時間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿。完成擊穿所需的時間是很短的（微秒級）。直流、工頻下放電時間對擊穿電壓無影響； 沖擊電壓，擊穿電壓和放電時間有關(guān)。放電時間的組成總放電時間：

tb=t1+ts+tft1－電壓上升時間，氣隙電壓從0上升到Us上升到所需時間。ts－統(tǒng)計時延，從t1開始到氣隙出現(xiàn)第一個有效電子所需的時間；tf－放電形成時延，出現(xiàn)有效電子到完成氣隙的擊穿需要的時間。圖1-14放電時間的組成二、沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形（一）標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波

圖1-15雷電沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化

T1－視在波前時間；

T2－視在半峰值時間；

Um－沖擊電壓峰值IEC和國標(biāo)的規(guī)定為：T1＝1.2μs±30％T2＝50μs±20％記為1.2/50μs，

u/um（二）標(biāo)準(zhǔn)雷電截波標(biāo)準(zhǔn)雷電截波：用來模擬雷電過電壓引起氣隙擊穿或外絕緣閃絡(luò)后所出現(xiàn)的截尾沖擊波。圖1-16雷電截波

IEC和國標(biāo)規(guī)定為：

T1＝1.2μs±30％－－波前時間

Tc=2－5μs－截斷時間u/um（三）標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波

圖1-17操作沖擊試驗電壓波形（a）非周期性雙指數(shù)沖擊波；（b）衰減振蕩波

IEC和國標(biāo)規(guī)定：Tcr＝250μs±20％－波前時間T2＝2500μs±60％－半峰值時間三、沖擊電壓下氣隙的擊穿特性

間隙耐電強(qiáng)度表示：

持續(xù)電壓作用下－擊穿電壓

沖擊電壓下－U50%（50％沖擊擊穿電壓）－間隙伏秒特性

原因：放電時間對沖擊擊穿電壓的影響，放電有分散性。

（一）U50%－－50％沖擊擊穿電壓

U50%－表征氣隙的耐受沖擊電壓的能力。指氣隙被擊穿的的概率為50%的沖擊電壓峰值

同一間隙雷電沖擊u50%和操作沖擊U50%不同（二）伏秒特性伏秒特性－－表示氣隙沖擊擊穿電壓與放電時間的關(guān)系曲線。通過實驗方法取得伏秒特性曲線

伏秒特性曲線用于系統(tǒng)絕緣配合平均伏秒特性曲線實際的伏秒特性曲線，是一個以上、下包絡(luò)線為界的帶狀區(qū)域。通常取50％伏秒特性或平均伏秒特性曲線來表征一個氣隙的沖擊擊穿特性。

圖1-19伏秒特性帶與50％伏秒特性1－上包絡(luò)線；2－50％伏秒特性；3－下包絡(luò)線1.6氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度了解氣體放電的基本物理過程，有助于分析、說明各種氣隙在各種高電壓下的擊穿規(guī)律和實驗結(jié)果。對氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度（擊穿電壓或擊穿場強(qiáng)）定量分析，采用實驗方法氣體電氣強(qiáng)度首先取決于電場形式均勻電場：平行板電極稍不均勻電場：球－球，同軸圓筒極不均勻電場：棒－棒（對稱電場）棒－板（不對稱電場）氣體的擊穿特性與所加電壓的類型有很大關(guān)系主要的四種類型電壓波形：工頻交流電壓、直流電壓、雷電過電壓波和操作過電壓波。1.6.1均勻電場和稍不均勻電場的擊穿特性一、均勻電場的擊穿特性各處電場強(qiáng)度相等，擊穿所需時間短直流、工頻和沖擊電壓作用下的擊穿電壓相同。擊穿電壓的分散性很小氣隙擊穿電壓與極間距離的關(guān)系:Kv(峰值）圖1-11均勻電場空氣間隙擊穿電壓峰值隨極間距離的變化二、稍不均勻電場下氣隙的擊穿電壓一旦出現(xiàn)局部放電就導(dǎo)致整個氣隙的擊穿。實例：球-球、球-板、同軸圓筒、平行圓柱等球間隙:電場不均勻度隨著球間距離d與球極直徑D之比增大而增加。直流擊穿電壓=工頻擊穿電壓（峰值）=U50%（沖擊擊穿電壓）擊穿場強(qiáng)比均勻電場下低各種稍不均勻電場下氣隙的擊穿電壓見式（1-37）-（1-60）1.6.2極不均勻電場下氣隙的擊穿電壓氣隙中各處場強(qiáng)差別很大，存在電暈放電階段和極性效應(yīng)典型極不均勻電場對稱：棒-棒、線-線不對稱：棒-板、線-板“棒-棒”和“棒-板”空氣間隙直流擊穿電壓曲線直流電壓下平均耐受場強(qiáng)（10cm<d<300cm):

正棒-負(fù)板約為4.5Kv/cm;負(fù)棒-板約為10Kv/cm

棒-棒約為5.4Kv/cm工頻交流電壓下棒-板擊穿總是發(fā)生在棒為負(fù)的半波雷電沖擊電壓下1.7大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及校正大氣條件：空氣密度、濕度密度增加，擊穿電壓上升，均勻電場和稍不均勻電場下，濕度對擊穿電壓基本無影響極不均勻下電場濕度增加，擊穿電壓有所提高。一、空氣密度、濕度的校正的校正在不同的大氣狀態(tài)下，外絕緣的擊穿電壓按下式校正：

U＝Kd/Kh*U0U

---試驗條件下外絕緣的擊穿電壓U0---標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下外絕緣的擊穿電壓Kd----空氣密度校正因數(shù)Kh---濕度校正因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)大氣條件：P0=101.3kPat0=20℃h0=11g/m3

-----空氣密度校正系數(shù)----空氣相對密度m—指數(shù)，取決與電壓形式、距離等，查圖可得。

k—絕對濕度函數(shù)，取決于絕對濕度和電壓極性，查圖可得W—取決于電壓形式、氣體密度、放電距離等，查圖可得。二、海拔高度的影響

隨著海拔高度增加，大氣壓力下降，空氣密度減小，電氣設(shè)備外絕緣放電電壓下降。國標(biāo)規(guī)定：用于海拔高度1000m＜H＜4000m的電氣設(shè)備外絕緣，在非高海拔地區(qū)試驗時，其試驗電壓：U0—該設(shè)備外絕緣在平原地區(qū)的試驗電壓kvH—該設(shè)備安裝點的海拔高度m基本途徑：1.改善電場分布，盡量均勻2.削弱或抑制氣體電離過程1.8提高氣體電氣強(qiáng)度的方法具體措施：1.改進(jìn)電極形狀以使電場盡量均勻2.采用屏間障3.采用高氣壓4.采用真空5.采用高強(qiáng)度氣體（SF6)1.9沿面放電和污閃事故一、沿面放電概念帶電導(dǎo)體用固體絕緣裝置將它們懸掛起來或支撐起來。絕緣子一個電極接電壓，一個電極接地。絕緣的喪失：1)固體介質(zhì)本身擊穿;2)沿面閃絡(luò)沿面放電----沿著固體介質(zhì)表面發(fā)展的氣體放電現(xiàn)象。沿面閃絡(luò)----沿著放電溝通兩電極。污閃----沿著污穢固體電介質(zhì)表面發(fā)生的閃絡(luò)。絕緣子干閃絡(luò)電壓濕干閃絡(luò)電壓污穢閃絡(luò)電壓二、沿面放電的類型與特點固體介質(zhì)與其體介質(zhì)交接面電場分布的三種典型情況：1)均勻電場，固體介質(zhì)界面與電力線平行2)稍不均勻電場，切線分量Et大于垂直分量En3)極不均勻電場，垂直分量En比切線分量Et要大得多

（一）均勻和稍不均勻電場中的沿面放電

平板電極間插入一塊固體介質(zhì)，沿面閃絡(luò)電壓比純空氣間隙時的擊穿電壓下降很多，原因：（1）固體介質(zhì)與電極表面接觸不良，存在小氣隙。（2）大氣中的潮氣吸附到固體介質(zhì)的表面形成薄水膜，水膜中的離子電荷聚集于電極附近，固體介質(zhì)沿面電場分布不均（3）固體表面粗糙不平會造成電場畸變。（二）極不均勻電場且具有強(qiáng)垂直分量時的沿面放電放電發(fā)展過程如圖1－24外施電壓升高電壓超過某一值電壓再升高電暈放電輝光放電滑閃放電閃絡(luò)（法蘭附近）特點：出現(xiàn)滑閃放電（不穩(wěn)定的樹枝狀火花放電）原因：輝光放電出現(xiàn)的大量帶電粒子，在強(qiáng)垂直分量作用下，緊貼固體表面運(yùn)動，是固體表面因摩擦產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致氣體分子熱電離，火化通道帶電粒子數(shù)目劇增，火化通道向前延伸，滑閃放電?；W放電樹枝中的一枝溝通兩電極時，沿面閃絡(luò)。（三）極不均勻電場中垂直分量很弱時的沿面放電

沿面閃絡(luò)過程中無滑閃放電（不會出現(xiàn)熱電離）平均閃絡(luò)場強(qiáng)比均勻電場時低得多；但大于強(qiáng)垂直電場分量時的平均閃絡(luò)場強(qiáng)。三、影響沿面閃絡(luò)電壓的因素（一）固體介質(zhì)材料取決于材料得親水性或憎水性（二）電場型式固體介質(zhì)表面電場越均勻，閃絡(luò)電壓越高。四、絕緣子在淋雨狀態(tài)下的沿面閃絡(luò)絕緣子在淋雨狀態(tài)下的沿面閃絡(luò)－濕閃絡(luò)。u濕閃＜

u干閃濕閃途徑：（1）沿濕表面AB和干表面BCA’