高电压技术--xuey课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高 电 压 技 术,动力系统、电力系统和电力网示意图,电力系统的结构,输电,+,配电,发电,+,输电,+,变电,+,配电,+,用电,各部分的功能和结构各有特点，但又不绝对,按照承担的功能划分，而不是电压等级划分,有关数字,电能占能源的比例：占一次能源约,50%,，占终端能源消费,20%,2013,年，全国总装机容量达：,12.47,亿千瓦，世界上第一,第二：美国，装机容量大约是,11,亿千瓦,一年新增发电能力,=2,个英国的总和,2013,年，全国发电量为,53,616,亿千瓦时，世界第一,接近全球总发电量的,1/4,约等于第二（美国）、第三（印度）的总和,电网规模超过美国，居世界第一位,我国在能源和电力消耗上需解决的问题,单位,GDP,能耗是世界平均水平的,2.2,倍,供电可靠性较低,未来智能电网带来的新机遇,气候与环境问题,电力行业结构,能源局,国内主要电网结构,电网规模发展趋势,电网规模日益增大,跨区域联合电网,正在形成,三华电网将使电网规模达到一个新高度,覆盖,19,省市,(,含,4,直辖市,),控制全国,70%,的经济规模和装机容量,近,75%,电力用户和近,2/3,人口,2020,年装机规模将达,10,亿千瓦，相当于目前美国水平,大电网的利与弊,高压输电电压等级的发展,提高电压的效益,提高输送功率,提高输送距离,降低线路损耗,降低工作电流,节省线路走廊,降低线路造价,长距离输电可联接地域网，有利于电力调度,例：输送,750,万千伏安容量的电力,345kV,电压等级，需要七条双回线，走廊宽度为,221.5 m,1200kV,电压等级，仅需一条单回线，走廊宽度为,91.5 m,中国的电压等级,交流电压等级（,kV,）：,常规：,1000-500-220-110-35-10-6-0.4,，,西北地区：,750-330-110-.,东北地区：,-66-,部分城市大负荷区域：,-20-,直流（,kV,）：,800,，,600,，,500,，,100,，,交流电压等级的划分,特高压：,1000KV,及以上,超高压：,330,750KV,高压：,35,220KV,中压：,620kV,低压：,0.4kV,高电压技术的学科地位,电气工程专业平台课之一,专业基础课之一,日本小崎正光教授：,电能有关的知识和技术体系称为,电气电子工程学,高电压工程的主要问题（1）,电力工业与高电压技术的密切关系,高电压工程的主要问题（,2,）,绝缘问题,绝缘材料,研究各种绝缘材料在高电压下的各种性能、现象以及相应的过程、理论,绝缘结构（电场结构）,同一种材料在不同的绝缘结构下的外在表现,电压形式,同样的材料、结构，在不同电压下，绝缘性能不相同,高电压工程的主要问题（,3,）,试验问题,各种经济、灵活的高电压发生装置,电气设备各种绝缘试验项目的设计,预防性试验,在线监测、故障诊断,状态维修,高电压的测量,高强量、微弱量、快速量,高电压工程的主要问题（,4,）,过电压防护问题,外过电压 （雷电过电压）,内过电压,老化、污秽（在运行电压及过电压下）,保护装置,分析各类过电压的特点及形成条件,研究各种保护装置及其保护特性,工频过电压,谐振过电压,操作过电压,高电压工程的主要问题（5）绝缘配合,中心问题：,解决电力系统中,过电压与绝缘,这一对矛盾,，将,电力系统绝缘确定在既经济又可靠的水平,原则,方法,高电压工程的主要问题（,6,）,电磁环境问题,电磁兼容,众多的电子及微电子设备对暂态干扰具有明显的敏感性和脆弱性,强电系统电压高、容量大，对弱电系统产生更加强烈的电磁干扰,开展关于如何限制弱电系统内的暂态干扰电压的试验及研究工作,生态效应,高电压技术在其它领域中的应用（1）,高压静电除尘,基于静电吸引的作用收集灰尘,已有十分广泛成熟的应用。,电火花加工,利用火花放电时的放电能量处理加工材料,体外碎石技术,肾结石、胆结石的体外粉碎是利用高压脉冲产生一定向冲击波，经聚焦后作用于患处将结石击碎,上海交大率先开发成功，成果人成为中国工程院院士,除菌及清鲜空气,利用空气中电晕放电，控制产生一定浓度臭氧,(,强氧化剂,),，达到杀菌及清洁空气的作用,目前空调中所谓的等离子体空气清新技术,高电压技术在其它领域中的应用（2）,污水处理,利用高频脉冲高压产生高浓度臭氧，与污水作用能够分解污水中的有机物，去除臭气,烟气处理,利用高功率脉冲形成,高能活性离子,，可以实现工厂烟气的脱硫脱硝，净化排污,国家,863,项目,等离子体隐身,利用等离子体与电磁波的作用机制,(,能够有效吸收大量的电磁波,),产生覆盖飞行器的等离子体层，能有效吸收雷达信号，达到隐身的目的,国家自然科学基金重大研究项目,高电压技术在其它领域中的应用（3）,等离子体表面处理,高压放电产生活性粒子作用于织物等，增强材料表面活性，不但易于染色和进行表面涂覆等，且处理过程对环境不会有污染。,是当前印染行业十分看好的织物处理技术,三次采油技术,将高功率脉冲电源引至油井下进行瞬间放电，产生很强的冲击波，此冲击波将地下岩层震裂，使得原有的缝隙增大,(,解堵作用,),，原油渗出更容易，能提高油井的产量,高电压技术在其它领域中的应用（4）,新概念武器 国防科工委重大研究项目,电磁炮,利用高压脉冲电源瞬间击穿产生高功率脉冲（强电流）,强电流产生强磁场通过电磁力的作用将炮弹发出,微波弹,高压快速脉冲重复放电产生强电磁波，对敌方电子设备进行干扰，能量足够时可导致设备失效,等离子体推进,利用高压放电产生等离子体，通过等离子体间的电磁相互作用,(,排斥力,),推进舰艇,具有无声的优点，可有效避免被敌人的声纳探测,主要内容,1、各类电解质在高电场下的特性,气体的放电基本物理过程和电气强度,液体、固体介质的电气特性,2、电气设备绝缘试验技术,电气设备绝缘预防性试验,绝缘的高电压试验,电气设备绝缘在线检测与诊断,3.,电力系统过电压与绝缘配合,线路和绕组中的波过程,雷电及防雷保护装置,电力系统防雷保护,电力系统内部过电压,电力系统绝缘配合,国家电网校园招聘考试大纲,高电压技术的特点,高电压技术的特点,理论性强,实践性强,跨学科多,非线性明显,电力工程中唯一一门研究电力系统过电压和绝缘的课程,本课程学习目的,重点掌握电力系统产生过电压的机理和过电压保护的基本方法,培养分析和解决电力系统中绝缘与作用电压矛盾的能力。,为今后从事有关高电压与绝缘方面的工作打下基础。,预备知识、参考书,1、预备知识：,电路知识,电力系统分析知识,物理,2、参考书,高电压技术,，周泽存，中国电力出版社，,2004,年,电力系统过电压，解广润，水利电力出版社，1985；,高电压技术，胡国根，重庆大学出版社，1996；,电力系统运行及过电压保护，河南省电力工业局，中国电力出版社，,1995,。,学习进度与建议,理论学习与实际分析相结合,理解绝缘机理与过电压的相互关系,注意培养自己的分析问题的能力。,第一章 气体的放电基本物理过程和电气强度,主要内容,第一节 汤逊理论和流注理论,第二节 不均匀电场中的放电过程,第三节 空气气隙在各种电压下的击穿特性,第五节 提高气体介质电气强度的方法,第六节,沿面放电及防污对策,1.1,汤逊理论和流注理论,主要内容,基础知识,非自持放电和自持放电,汤逊理论,巴申定律,流注理论,强电负性气体自持放电的条件,气体的绝缘与导电,纯净的、中性状态的气体是不导电的,气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）后才可能导电，并在电场作用下发展成各种形式的气体放电现象,带电粒子的产生,电离：外因下，原子产生自由电子和带（正）电粒子,光电离：,可见光不能使气体直接电离，,X,射线、,射线可以,光源可以是外部的，也可以是内部自产生的,金属表面电离更容易,了解：光电效应，光的波粒二象性,碰撞电离,气体中主要碰撞电离由电子产生，正离子和负离子很少，为什么？,阴极表面，正离子撞击可产生电离,热电离：常温下，气体热电离的概率很小。,空气,1,万度后可考虑,空气,2,万度,时，几乎全部的分子都处于热电离状态,电极表面的电离,正离子撞击阴极表面 光电子发射 热电子发射 强场发射,由于,逸出功,电离能,，阴极表面电离更容易,带电粒子在气体中的运动,带电粒子：电子、正粒子、负粒子,各种粒子在气体中运动时不,断地互相碰撞,粒子在单位行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关,带电粒子,自由行程：带电粒子与气体分子相邻两次碰撞之间的自由行程。,带电粒子的平均自由行程：两次碰撞之间的平均行程,随即量，有很大的分散性,电子体积小，自由行程长度远大于分子和带电粒子,气体密度越大，平均自由行程越小,大气压、常温下，电子在空气中的平均自由行程为,10,-5,cm,数量级,迁移率：粒子移动速度与电场之比,电子迁移率高，为什么？,扩散：,热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使分布均匀化,电子,运动速度大,、,自由行程长度大,，扩散速度比离子快得多,负离子的形成,附着：电子与气体分子碰撞时，相结合而形成负离子,电子与气体分子碰撞的可能结果：碰撞电离，附着,负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。,为什么？,电负性气体：容易发生附着产生负离子的气体。,带电粒子消失,复合,：,当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和,电子和正离子复合，称为电子复合，产生一个中性分子,正离子和负离子复合，称为离子复合，产生两个中性分子,带电粒子消失的几种情况,在电场驱动下定向运动到电极，消失于电极而形成外电路中的电流,带电粒子因扩散而逸出气体放电空间,带电粒子的复合,非自持放电和自持放电（,1,）,图1-1 其他放电的试验电路,不外加电源时：光电离和复合同时存在，并处于平衡状态。存在一定带电质点，但无电流,外加电源后，带电粒子定向运动，电路中产生电流。其过程如下：,oa-,阶段 ：电流随电压增加。电子移动速度加快，复合概率降低,ab-,阶段：电流不随电压变化。外界因素产生的电离固定。绝缘仍良好,bc-,阶段：电流随电压增加。（碰撞电离）带电离子,cs-,阶段：电流急剧增加。气体间隙击穿，伴随发声、发光，导电良好,非自持放电和自持放电（2）,非自持放电：依靠外电离因素作用才能维持的放电,当,UU0,时,电流需要外电离因素（如光源照射）才能维持,取消外电离因素，电流将消失,气隙内虽然有电流，但很小。, U0,， 电流剧增,气隙中电流过程仍然需要外施电压,气体放电的,起始电压,：放电由非自持转为自持的起始电压,图中的,U0,均匀电场中，起始电压等于击穿电压,不均匀电场中击穿电压大于起始电压。电场越不均匀，电压差越大,汤逊理论（1）,电子崩,外界因素，如光照，使阴极表面电离，产生一个电子,电子在电场作用下向阳极运动,当两极间电压（电场）足够强时，电子动能足够大，就发生碰撞电离,新电子和原有电子继续向阳极运动，继续发生碰撞电离，产生更多的电子,应注意：不是每次碰撞都会电离,电子数将按照,1,2,4,8,16,，几何级数规律增长，类似雪崩。,这种急剧增大的空间电流称为电子崩,剧增的电子流称为,电子崩,剧增的离子流称为离子崩,汤逊理论（2）,离子崩：正离子在向阴极运动中，也会发生碰撞电离，产生新的电子。,与电子崩类似,离子崩的条件？,电子奔向阳极，正离子奔向阴极,电子速度远大于正离子,正离子到达阴极附近时，将使雪崩现象加剧,加强了阴极场强，阴极产生场强发射,正离子撞击阴极表面，发生电离,新电子参与气体碰撞,可能使放电得以自持,剧增的电子流称为,电子崩,剧增的离子流称为离子崩,为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数：,电子沿电场方向行径,1cm,平均发生的碰撞电离次数,对应起始电子形成的电子崩过程，称为,过程,正离子沿电场方向行径,1cm,平均发生的碰撞电离次数,系数对应于离子崩过程，称为,过程,折合到每个到达阴极表面的正离子，使阴极金属平均释放出的自由电子数,正离子使阴极发射新的电子的机理：,强场发射,（正离子加强阴极附近场强）、碰撞发射、热发射,离子崩达到阴极后引起阴极发射二次电子的过程，,过程,汤逊理论（3）,汤逊理论（4）,设,x,处有,n,个电子，再经历,dx,距离新增的电子为,dn,，则有：,解微分方程得到：,含义：从,n,个电子处（任何位置）前行,x,距离后的电子数,注意,：实际过程是离散的，公式只在统计意义上起作用。,统计：大量电子、多次实验,汤逊理论（5）,设阴极发射一个起始电子，则有,过程电子崩的电子（含起始电子）到阳极,到达阴极表面的正离子数，也是,过程,产生的正离子数。,注：,课本,(P3),过程中产生的离子崩中的正离子数讲法不准确,过程又在阴极上释放出二次电子数,自持放电的条件： ，临界条件,二次电子数大于等于起始电子数，则不需外部因素，实现自持放电,课堂提问：忽略了哪个过程？,不均匀电场中，自持放电的条件：,汤逊理论（6）,外界,电离因素,阴极表面,电离,气体空间,电离,气体中的,自由电子,在电场中加速,碰撞电离,电子崩,（,）过程,正离子,阴极表面二次发射,(,过程）,汤逊理论（7）,汤逊理论的基础：,将电子崩（,过程）和阴极的,过程作为气体放电自持的决定因素,问题：为什么没有,过程？,汤逊理论的实质：,气体放电的主要原因：存在电子碰撞电离。,维持气体放电的必要条件：二次电子来源于正离子撞击阴极，使阴极表面逸出电子。,判据：阴极逸出电子可以替代起始点的作用,汤逊理论的适用范围：,解释低气压短气隙中的放电现象,pd,电子蹦的速度,流注理论（,7,）,流注,：,正负离子的混合质通道,流注理论,内容：,在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现,当电子崩发展到一定程度后，初始电子崩的头部积聚到足够数量的空间电荷，使局部电场大大增强,带电粒子复合放出光子，引起新的强烈电离和二次电子崩。,进而引发气隙击穿。,流注理论核心：二次电子的来源是空间光电离。,对比。汤逊理论认为：二次电子来源于正离子撞击阴极使其逸出电子,流注理论的,自持放电的条件,：即出现流注的条件,对于均匀场，有 或,（实验得出）一般认为 或 ，流注得以形成,如果电极间所加电压正好等于自持放电起始电压,U0,，那就意味着初崩要跑完整个气隙，头部才能积聚到足够的电子数而引起流柱。,电压超过自持放电电压,U0,，流柱将提前出现,流注理论（,8,）,流注的特点,电离强度大,传播和击穿速度快（初崩,10,倍以上）,场强得到增强,光子速度比电子大，更比正离子速度大,流注的推进不均匀，具有分支。,光子传播具有随机性,阴极材料对气体击穿电压影响不大。,二次电子的来源不同,pd,较小时，起始电子在穿越极间距离时不可能聚集到足够多的电子,流注理论和汤逊理论各适用一定条件，不能互相替代,汤逊理论适用低气压、短距离,流注理论适用高气压、长距离,二者均针对非电负性气体。,Pd 26.66kPa cm,阴极（负）流注的发展过程,当,U,外施,Ub,时，初崩发展到接近阳极时开始光游离，流注从阳极（正极）产生向阴极发展,称为正流注,阴极流注（负流注）：,当,U,外施,U,b,由于,E,很强，初崩不需经过整个间隙其头部已聚集到足够的空间电荷来产生流注了,则流注由阴极产生向阳极发展,负流注发展速度较正流注小,阴极流注在发展过程中电子的运动受到电子崩留下的正电荷的牵制,一般为,0.7,0.810,8,cm/s(,比正流注慢）,同样：流注贯串整个间隙时，间隙就击穿了,强电负性气体自持放电的条件（1）,电负性气体,：捕捉自由电子形成负离子并阻止放电的气体。,如强电负性气体,SF,6,电子的,附着效应,电子,附着系数,，一个电子沿电场方向行径,1cm,时平均发生的电子附着次数。,对应过程为,过程,。,定义和含义与 类似。,在电负性气体中，,有效碰撞电离系数,为：,汤逊理论中，,不能直接,用有效碰撞电离系数,代替,碰撞电离系数,因为正离子数和自由电子数不等。,工程中也较少应用。,强电负性气体自持放电的条件（2）,一般强电负性气体的工程应用属于流注放电范畴,均匀电场中，按流注理论，电负性气体的自持放电条件：,由于附着效应，使 ，导致自持放电场强远大于非电负性气体。,对于,SF6,强电负性气体，,K=10.5,。,标准状态、均匀电场中，,SF6,击穿场强（,89kV/cm,）约为空气（,30kV/cm,）的,3,倍。,思考题,：在流注理论中，强电负性气体流注出现的临界电子数为 ，远远小于非电负性气体的,10,8,个，为什么？,2.2,不均匀电场中的放电过程,主要内容,稍不均匀电场的放电特点,极不均匀电场中的电晕放电现象,极不均匀电场中的放电过程,均匀电场与不均匀电场,均匀电场中，流注一旦形成，放电达到自持程度，气隙就会击穿。,自持放电电压,=,击穿电压,不均匀电场中，情况会复杂的多。,均匀电场只是理想状态，实际电气设备绝缘结构的电场大多是不均匀的。,均匀电场下的放电特性是研究不均匀电场特性的基础,常见的不均匀电场类型：球,-,球，球,-,板，导线,-,板，导线,-,导线，棒,-,棒，棒,-,板，同轴圆柱,不均匀电场的分类,不均匀电场的分类：稍不均匀电场、极不均匀电场，二者之间存在过渡区域。,一般只研究稍不均匀电场和极不均匀电场,不均匀电场的划分：明确划分比较困难，通常用,电场不均匀系数,来大致划分。,电场不均匀系数,f,：等于气隙中最大场强,Emax,与平均场强,Eav,的比值：,其中：,U,为极间电压，,d,为极间距离,通常：,f4,为极不均匀电场，,2,f4,为过渡区域,划分标准的不同,。周泽存二版书,P22,：,f2,为极不均匀电场。,对于不同类型不均匀电场，其具体标准可查阅有关资料,稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点1,以球,-,球不均匀电场为例,d=4D,时，电场分布极不均匀。,极间电压达到某一临界值时，球极出现蓝紫色的晕光，伴随“咝咝”声,称这种局部放电为,电晕放电,，称临界电压为电晕起始电压。,电晕是放电的一种。,外加电压增大，电极表面电晕层随之扩大，出现刷状细火花，最终击穿,2Dd4D,时，过渡区域。,随电压升高会出现电晕，但不稳定，球隙立刻转为火花放电,极不均匀电场中，电晕起始电压,=4D,），为极不均匀电场。,不存在稳定的电晕放电（如球,-,球模型中,dD,最小, D,较小, D,最大, D,较大,尖,-,板,D,在厘米级时，击穿电压大于棒（尖）,-,板气隙，二者相近。,D,为,0.5mm,时，击穿电压略小于均匀场，二者接近。,发现什么问题？,极不均匀电场中的电晕放电现象（5）,电晕起始电压、击穿电压，以及二者与电场不均匀程度的变化关系,电晕起始电压：电场越不均匀，越低,击穿电压：电场越不均匀，越低,电场越不均匀，电晕起始电压与击穿电压的差越大,矛盾,：,D,越小，电场越不均匀，应该越接近尖,-,板，实际却远离尖,-,板而接近均匀场？,D,较大时，局部毛刺（类似于尖）先出现刷状放电，与尖,-,板接近,D,较小时，电晕放电形成的均匀电晕层，改善了电场分布，提高击穿电压,重要结论,：某些情况下，可利用电晕放电的空间电荷来改善极不均匀电场的分布，以提高击穿电压。,同等情况下，击穿电压与电场均匀度的关系：均匀场最高，不均匀度越强击穿电压越小,在雨、雪、雾天气时，在较低的电压和电场强度下就会出现电晕放电,导线表面的水滴在强电场和重力的作用下，将克服本身的表面张力而被拉成锥形，从而使导线表面的电场发生变化,极不均匀电场中的电晕放电现象（6）,电晕放电的弊端：,功率损耗。声光电热和化学反应,对无线电干扰。高频电流和电磁脉冲。,噪声。可能超出环境保护标准。,腐蚀作用。电晕化学反应产生的臭氧等会腐蚀金属，使有机绝缘材料老化。,电晕放电的作用：,提高击穿电压：改善电场分布,增强限制过电压能力：利用冲击电晕来降低冲击电压幅值及陡度，,静电除尘：净化工业废气,静电喷涂：利用高压静电电场使带负电的涂料微粒沿着电场相反的方向定向运动，并将涂料微粒吸附在工件表面,净化水：臭氧发生器,防止电晕的方法：分裂导线。实质：增加导线半径，减小不均匀程度。,分裂导线的另一个作用：克服集肤效应，提高输电能力。,在高压特别是超高压、特高压中要严加限制电晕。我国设计要求：,220kV,及以下输电线路要求在恶劣天气下也无可见电晕,500kV,输电线路要求在好天气下夜间无可见电晕,极不均匀电场中的放电过程 （1）,以棒,-,板电极为例,电离总是从“棒”开始的。且与电压极性无关。,电极曲率半径小，不均匀程度高，电场最强。,本质上，是从场强最大电极处开始。,电离后的放电发展过程、气隙电气强度、击穿电压等与电极极性相关,结论：,不均匀电场的放电有明显的极性效应,。,模型极性的确定：,取决于曲率半径小的电极极性,相同几何形状时取决于不接地电极的极性,极不均匀电场中的放电过程 （2）,自持放电前的阶段。也就是电晕放电阶段。,以最不均匀电场的棒,-,板电极为例,对于正棒,-,负板的情况。,即正极性,棒极附近有充分的电子崩。,崩头电子迅速进入棒极。,正离子反方向运动，速度很慢，暂留棒极附近。,正离子削弱了棒极附近场强，而加强了群外（与板极间）空间电场。,即对不均匀电场起到了,平均的作用,，使其向稍不均匀电场发展。,正离子阻止了棒极附近流注的形成，使电晕起始电压提高,极不均匀电场中的放电过程 （3）,自持放电前的阶段。也就是电晕放电阶段。,对于负棒,-,正板的情况。即负极性。,电子崩中的电子快速向板极运动,正离子暂留棒极附近,空间电荷的作用与正极性相反。,加强了棒极附近场强，而削弱了外部空间电场。,加强了,电场的,不均匀程度,，向更不均匀方向发展。,棒极附近容易形成流注，电晕起始电压降低。,注意,：随电子快速移动，场强的变化特点。,极不均匀电场中的放电过程 （4）,自持放电后的阶段。也就是击穿放电阶段。,对于正棒,-,负板的情况。,外部场强得到增强。,当极间电压提高时，电晕放电区容易向外扩展，强场区逐渐向极板方向推进。,放电发展顺利，直至气隙被击穿,极不均匀电场中的放电过程 （5）,自持放电后的阶段。也就是击穿放电阶段。,对于负棒,-,正板的情况。,与正棒,-,负板情况相反。,外部场强得到削弱。,当极间电压提高时，电晕放电区不易向外扩展，,放电发展不顺利，击穿电压比正极性时高的多，所需时间也长的多。,极不均匀电场中的放电过程 （6）,注意,：电晕起始电压和击穿电压在不同极性下的不同变化。,结论,：对于极不均匀场气隙，,击穿电压的极性效应与电晕起始放电的极性效应相反,。,利用电晕改变电场分布、提高击穿电压的原理,推论,：实际的电力元件多属于极不均匀场气隙，击穿都发生在交流电压的正半周。,绝缘试验时应施加正极性冲击电压。,了解概念：对于长气隙（大于,1m,）放电，如雷击。主要由电晕放电,-,先导放电,-,主放电几个阶段组成。,对比：短气隙放电，由电晕放电,-,主放电组成。,区别主要在于通道温度高，产生了热游离。,1.3,空气间隙在各种电压下的击穿特性,一、作用电压类型,二、空气间隙在稳态电压下的击穿,三、空气间隙在冲击电压下的击穿,主要内容,作用电压类型,气隙的击穿特性与所加电压的类型有很大关系。,分类标准：电压波形、持续时间,直流电压,稳态电压 工频交流电压,冲击电压 雷电冲击电压,操作冲击电压,除电压形式外，气隙的击穿还取决于电极的形状,本质上是取决于电场形式,对于气隙击穿无区别,对于气隙击穿有区别,空气间隙在稳态电压下的击穿,气隙击穿的时间：一般以,uS,计,对于气隙击穿而言：直流电压和工频电压无区别,稳态电压下气隙的击穿与电场均匀度有很大关系：,均匀电场气隙,稍不均匀电场气隙,极不均匀电场气隙,空气在稳态均匀电场下的击穿,均匀电场中：电极布置是对称的，不存在极性效应，击穿所需时间极短,标准大气状态下，击穿电压峰值,Ub,与极间距离,d,的关系：,为空气相对密度。,d,在,1-10cm,内，空气的击穿场强约为,30kV/cm,问题,：击穿场强,E,随,d,的变化趋势是什么？为什么？,注意适用范围,标准大气状态,：,1,个标准大气压,:P=101.3kPa,常温：,T=293K or 20C,绝对湿度：,hc=11g/m,3,空气在稳态稍不均匀电场下的击穿（1）,标准气隙有：,球隙（测量高压幅值的球隙测压器）,同轴圆柱（高压电容器、单芯电缆）,以球隙为例。,任何一球都不接地，电场对称，无极性效应。,一球接地时，有极性效应。,大地影响电场分布，不对称。,增加了接地球的等效曲率，不接地球先放电,球直径,D,、击穿电压,Ub,与气隙距离,d,的关系,dD/4,时，电场不均匀度增加，平均击穿场强减小，分散性增大。,课外思考问题,：为何负极性击穿电压小于正极性？（与前述理论分析相反）,空气在稳态稍不均匀电场下的击穿（2）,以同轴圆柱为例,外筒内径固定，改变内筒外半径,r,电晕起始电压,Uc,呈倒,U,型,r/R0.1,时，为极不均匀电场，击穿前有稳定电晕。,Uc,很小，且,Uc0.1,时，为稍不均匀电场。不再有稳定电晕放电。,击穿电压极大值出现在,r/R0.33,时。,r,增大时，电场均匀度接近于,1,，所需场强提高。但气隙距离减小。所需,Ub,也下降,r,减小时，气隙距离增大，平均场强下降。但电场不均匀度增加，所需场强也下降。综合考虑所需,Ub,也下降。,绝缘设计通常取：,r/R=,（,0.25,0.4,）,空气在稳态极不均匀电场下的击穿（1）,以棒,-,棒、棒,-,板为例,棒,-,棒：可模拟导线对导线，完全对称,棒,-,板：可模拟导线对大地，最大的不对称性,注意,：棒,-,棒与导线,-,导线，棒,-,板与导线,-,板模型的差异，如何理解可以模拟？,其它类型不均匀电场气隙击穿特性介于这两种之间。,实际工程中遇到的各种极不均匀电场气隙来说，均可按其电极的对称程度分别选用“棒,-,棒”或“棒,-,板”两种典型气隙,空气在稳态极不均匀电场下的击穿（2）,负极性棒板,棒棒,正极性棒板,空气在稳态极不均匀电场下的击穿（3）,空气在稳态极不均匀电场下的击穿（4）,击穿电压从高到低依次为：负极性棒,-,板,棒,-,棒,正极性棒,-,板。,说明：不对称的极不均匀电场击穿有极性效应，对称的极不均匀电场击穿无极性效应,注意：击穿电压与击穿场强分别随气隙长度变化的变化特点,工频作用下，棒,-,板在棒极正极性半周峰值附近率先击穿，击穿电压峰值与直流击穿电压相近。棒,-,棒击穿电压则要高。,根据图,2-17,气隙距离,2m,，击穿电压呈现饱和趋势。特别是棒,-,板气隙，饱和趋势更明显。,说明击穿场强对距离增加显著下降,再增大气隙长度，对于提高工频击穿电压作用不明显。,问题：能设计出,3000kV,的输电线路吗？,结论,：电极对称程度、极间距离均影响气隙的击穿特性,空气在雷电冲击电压下的击穿（1）,冲击电压：作用时间极为短暂的电压，一般指雷电冲击电压和操作冲击电压。,雷电冲击电压：雷电产生的幅值高、陡度大、作用时间极短的冲击电压,直击雷，感应雷,雷电冲击电压的标准波形,视在波前时间：,T1=1.2uS 30%,视在半峰时间，或者波长时间：,T2=50uS 20%,P,为波形峰值，允许偏差,30%,通常表示为：,1.2/50uS,波,表示波的极性,空气在雷电冲击电压下的击穿（2）,放电时间成为一个重要因素,冲击电压持续（作用）时间与气隙击穿时间接近，不容忽略,冲击电压气隙击穿的条件：,电压幅值,有效电子：能引起电子崩并最终导致击穿的电子,电压作用一定时间：,冲击放电所需的时间：,升压时间,t0,，电压升高到静态击穿电压。击穿尚未开始。,统计时延,ts,，从,t0,开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时间。具有随机性和统计性,放电的形成时延,tf,，从有效电子出现到产生电子崩、形成流注、发展到主放电，以至气隙击穿所需时间。也具有统计性,冲击放电总时间：,td=t0+ts+tf,。,放电时延：,t1=ts+tf,。,短气隙内（,cm,级），特别是电场较均匀时，,tstf,为减小,ts,，可增加有效电子出现概率，如提高电压、采用光源照射,较长气隙中，放电时延主要取决于,tf,，电场越不规则，,tf,越长,增加电压,空气在雷电冲击电压下的击穿（3）,雷电,50%,冲击击穿电压,：,U50%,。,随电压提高，气隙击穿比例逐步升高，从,0100%,。,相同电压多次作用，计算其击穿与否及比例,电压从低到高：不击穿，有时击穿（比例逐步提高），全部击穿,课堂提问,：为什么出现击穿比例？比例为什么随电压提高？,理论上的击穿电压为刚好能引发一次击穿的电压，从实用角度也最有意义。但要通过试验准确获得这一电压很难。,工程上采用,50%,冲击击穿电压来描述气隙的冲击击穿电压,根据击穿电压的分散性，留有一定裕度。,均匀或稍不均匀电场，击穿电压分散较小，,U50%,约等于静态击穿电压,Us,。冲击系数（,U50%,与,Us,之比）接近于,1,极不均匀电场，击穿电压分散性大，,U50%,静态击穿电压,Us,。冲击系数大于,1,工程上表征气隙击穿特性的一种方法,空气在雷电冲击电压下的击穿（4）,伏秒特性的绘制方法。,步骤：保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙击穿，记录击穿电压波形，读取击穿电压值,U,与击穿时间,t,。,电压不很高时，击穿一般发生在波长时间。,电压很高时，击穿可能在波前时间,波前击穿时，,U,与,t,均取击穿时刻的值,波长击穿时，,U,取波峰值，,t,取击穿时刻值,伏秒特性。即将击穿电压值和放电时延联系起来确定气隙的击穿特性。,表征气隙击穿特性的另一种方法,可用于绝缘配合,空气在雷电冲击电压下的击穿（5）,由于放电时间有分散性，伏秒特性应是以上下包络线为界的带状区域。,为方便，工程上常采用平均伏秒特性或,50%,伏秒特性曲线,伏秒特性在绝缘配合中具有重要作用。,保护间隙的伏秒特性曲线应位于被保护元件伏秒特性曲线的下方。,空气在操作冲击电压下的击穿（1）,操作冲击电压：由电力系统操作或事故，因系统状态突然变化引起的持续时间长、幅值高于系统相电压几倍的冲击电压,持续时间长：是和雷电冲击电压相比。,暂态过电压,长气隙中，不能用工频试验代替操作过电压耐受试验，前者偏宽松,操作冲击标准波形。,与雷电标准波类似。记为,250/2500uS,。,波前时间,250uS,20%,，半峰时间,2500uS,60%,。无“视在”,衰减振荡波。首半波,20003000uS,，次半波反极性，为首峰的,4/5,。,空气在操作冲击电压下的击穿（2）,结论,1,：均匀电场和稍不均匀电场中，雷电和操作,50%,冲击击穿电压与工频击穿电压基本相同。击穿几乎发生在峰值。,结论,2,： 对于极不均匀电场、长气隙,即操作冲击击穿电压随波前时间变化有极小值，呈,U,型,具有饱和特性。即随气隙距离的增加，击穿电压提高不明显。,气隙的操作冲击击穿电压不仅远低于雷电冲击电压，有些波前时间内，甚至低于工频击穿电压,。,结论,3,： 击穿电压幅值和放电时间的分散性比雷电冲击电压下大的多。,因此：不仅冲击电压击穿特性与稳态不同，雷电冲击电压与操作冲击电压也不同,1.4,大气条件对气隙击穿特性的影响,大气条件对气隙击穿特性的影响因素,影响因素包括：压力、温度、湿度、海拔,影响气隙放电环境，如空气密度、电子自由行程、碰撞电离概率、附着过程等。,有的因素相互关联。,独立因素可归纳为：密度、湿度,不同大气条件下的击穿电压和统一参考大气条件的击穿电压必须能够相互换算。,比较和标注时：将不同大气条件换算到参考大气条件,应用时：将参考大气条件换算到具体的大气环境,主要内容：,对空气密度校正,对湿度的校正,对海拔高度的校正,对击穿电压的补偿（1）,对空气密度的校正,空气相对密度：,当,=0.951.05,时,适用：极间距离不大于1,m,的各种电场和各种电压波形。,其它情况：,U,m,，,n,：,0.41.0,-,空气密度校正系数，,-,湿度校正系数,-,标准大气压下击穿电压,对击穿电压的补偿（2）,对湿度的校正,水汽分子为电负性气体，可以抑制放电过程。,湿度越大，击穿电压也越高,对均匀和稍不均匀电场，湿度影响可忽略。,电子运动速度较快，不易被捕获,对极不均匀电场的影响显著：,k,与绝对湿度和电压种类有关；,w,取决于电极形状、极间距、电压种类及其极性。,问题：湿度增加时，,Kh,如何变化？,对海拔高度的校正,海拔高度增加，大气压力即密度均减小，击穿电压也随之降低。,海拔高于,1000m,而又低于,4000m,，补偿方法：,如何理解公式？,U -,高海拔地区试验电压,Up -,平原地区绝缘试验电压,Ka -,海拔校正系数,H -,为海拔高度,1.5,提高气体介质电气强度的方法,目的和措施,研究气隙放电的,目的,：提高气体介质的电气强度,影响气体介质电气强度的因素,气隙长度,电场均匀度,气体特性（电负性）,气体参数（气压、温度、湿度、海拔）,工程上，为了缩小绝缘尺寸，,常用措施,有：,改善气隙中的电场分布，使之均匀化。,理论基础,：电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强越高。,方法：改进电极形状、利用空间电荷改善电场分布、采用屏障,削弱或抑制气体介质中的电离过程。,方法：采用高气压、采用强电负性气体、采用高真空,增大电极曲率半径，如采用屏蔽罩。,改善电极绝缘形状，消除边缘效应。消除电极表面毛刺和尖角。,其它：保护金具（绝缘子串上的保护金具）等,。,改善电场分布,-,改进电极形状（,1,）,改善电场分布,-,改进电极形状（,2,）,瑞典,380kV,变压器出线套管上的笼型屏蔽,前苏联,750kV,隔离开关上的笼型屏蔽,改善电场分布,-,改进电极形状（,3,）,1200kV,直流高压发生器上的环型屏蔽,1000kV,标准电容器高压端,双环型屏蔽电极系统,改善电场分布,-,利用空间电荷,极不均匀电场中，气隙击穿前先发生,电晕,放电，放电自身,产生的空间电荷,可改善电场分布。,如：在线,-,板、线,-,线结构中采用细线，导线周围可形成,均匀电晕层,，可改善电场分布，提高击穿电压。,有一定限制范围（细线是相对气隙距离而言），消耗能量,注意：改进电极形状是增大尺寸，而利用空间电荷是要缩小尺寸。,改善电场分布,-,采用屏障（,1,）,在极不均匀电场中，采用,薄片固体绝缘材料,插入电晕间隙,适当位置,材料：纸和纸板,挡住与电晕电极同号的空间电荷,使电晕电极与屏障间场强减弱,使屏障与另一极板间场强增大,使电场均匀化,改善电场分布,-,采用屏障（,2,）,直流电压下，棒,-,板空气间隙击穿电压和屏障位置关系,屏障位置不同，击穿电压变化很大,棒极极性不同，屏障的影响也不同,屏障靠近板极，负极性击穿电压下降,正极性提高,2-3,倍，负极性提高,0.2,倍。,最佳位置：,x/d=0.2,处。,对于交流工频电压，作用仍明显。,棒,-,棒气隙，两极均需设置屏障,原因：电晕从两个棒极发生,球,-,球气隙如何？其中一极接地？,屏障对提高稳态击穿电压作用明显，对暂态（冲击）电压不明显,时间短，电荷移动本身不明显,削弱或抑制电离过程-采用高气压,机理：,减小电子平均自由行程,，削弱和抑制电离过程。,应用：压缩空气断路器、电容器等。,对电气设备外壳密封性能要求很高。,高气压下，电场均匀度的影响更明显。应采取措施均匀电场。,高气压下，电极表面粗糙度的影响也更明显。电极应仔细加工，保持光洁。,气体要过滤水分和尘埃等。,削弱或抑制电离过程-采用强电负性气体,机理：吸附自由电子，降低电离概率,如,SF6,，氟利昂等卤族元素,优点：电气强度大于空气，气压不必太高，简化设备制造,要求：,液化温度不高；,SF6:0.75MPa,时液化温度为,-20,度，高寒地区户外限用,化学性能稳定，放电不易分解、不燃烧、不产生有毒气体；,生产不困难，价格不过高。,SF6,，除空气外应用最广泛。,电气强度是空气的,2.5,倍，灭弧能力则为空气的,100,倍以上。,0.7Mpa,的,SF6,击穿电压,=2.8MPa,空气,电场不均匀度对,SF6,的影响比对空气的大,SF6,混合气体。廉价气体，如,N2,，,CO2,或空气与,SF6,混合。,相比于廉价气体自身电气强度，电气强度有很大提高。,但仍低于纯,SF6,电气强度对电场敏感度减小。,液化温度降低。,价格降低,削弱或抑制电离过程-采用高真空,机理：提高电子平均自由行程，减少碰撞次数。,据巴申理论，电气强度可以做到无限大。但实际上做不到,极间距离较小时，击穿电压很高。大于常压、高气压气体。,击穿机理：,真空击穿理论,：与阴极表面的强场发射有关。阴极强场发射电流过大，引发阴极过热、释放金属气体破坏真空度，引起击穿。,极间距离较大时，击穿电压提高较缓，低于高气压。,击穿机理：,全电压效应,：电子从阴极到阳极，积累了很高的动能,轰击阳极，释放正离子和光子,正离子和光子到达阴极表面，加强阴极电离,不断重复，电子流越来越大，电极气化，气隙击穿。,全电压效应，引起击穿电压随极间距离增大而降低。,应用。,在真空断路器中得到应用：绝缘性能好，灭弧能力强,其它电气设备中很少应用：真空无法长久保持。,削弱或抑制电离过程-措施对比,几种措施的,性能对比,：,曲线,1,和,7,，曲线,2,和,6,，说明高气压能提高电气强度,曲线,1,和,2,，曲线,6,和,7,，说明强电负性气体电气强度高,曲线,3,说明，短气隙真空效果最好，长气隙效果提升不明显,措施,1,（高气压）和措施,2,（强电负性气体）同时使用，那就能获得更好的效果,如：采用高气压的同时，再采用,SF6,气体来代替空气,1.6,沿面放电及防污对策,主要内容,沿面放电,固体介质表面有水膜时的沿面放电,绝缘子污染状态下的沿面放电,沿面放电,相同放电距离下，沿面闪络电压比纯气隙的击穿电压低得多。,在绝缘装置的耐压能力中具有,决定性作用,。是木桶中最短的板。,沿面放电的适用环境：表面干燥、清洁；表面潮湿、污染,后者沿面闪络电压远低，,机理不同,沿面放电,：沿气体介质和固体介质的交界面上发展的,气体,放电现象。,一种特殊的,气体放电,。特点：电子、离子运动方向不仅取决于电场方向，也取决于固体形状。,应用：如绝缘子、绝缘支撑、绝缘套管。,沿面滑闪。尚未发生击穿的放电形式。,沿面闪络：沿面击穿放电。,击穿的概念。沿面滑闪和沿面闪络的本质区别。,界面电场的分布类型,界面的,电场分布,严重,影响沿面放电特性,。,界面电场分布可分为三种典型情况。,固体介质处于,均匀电场,中，且,界面与电力线平行,。,实用中更多的是固体介质处于稍不均匀电场,固体介质处于,极不均匀电场,中，且电力线的垂直于界面的,法向分量,大于,平行界面的,切向分量,。,固体介质处于极不均匀电场中，且电力线垂直于界面的,法向分量,小于,平行界面的,切向分量,。,均匀和稍不均匀电场中的沿面放电,插入固体介质后且保持界面与电力线平行，看似没有影响，事实上沿面闪络电压将远低于纯间隙击穿电压,原来的均匀电场发生了畸变。因素如下：,固体介质与气体接触的状况。,电场畸变机制：潮气吸附到固体表面形成薄水膜,其中离子受电场驱动而移动,电极附近聚集大量电荷,电场畸变。,既取决于空气的潮湿程度，更取决于固体材料的吸附水分的性能。,策略：多采用憎水性材料，如石蜡、硅橡胶。少用亲水材料：瓷、玻璃,固体介质与电极接触的状况。,电场畸变机理：接触不良，存在小气隙,小气隙首先放电,电电粒子沿固体表