《高电压技术》word版.doc

绪 论1第一章 电介质的极化、电导和损耗3 1 1 电介质的极化3电介质中的电流和电导63电介质中的损耗7第二章电介质在强电场下的特性8气体中带电质点的产生和消失8气体放电过程的一般描述9均匀电场气隙的击穿10不均匀电场气隙的击穿13第三章 气隙的击穿特性1531气隙的击穿时间153-2气隙的伏秒特性163-3 气隙的击穿电压193-4提高气隙击穿电压的方法213-6气体电解质中的沿面放电22第四章 固体电介质和液体电介质的击穿特性2241固体电介质的击穿机理2242影响固体电介质击穿电压的因素2343提高固体介质击穿电压的方法2344固体电介质的老化2445液体电解质的击穿机理2546影响击穿电压的因素2647提高液体电解质击穿电压的方法2748液体电介质的老化27第五章 电气设备绝缘试验285测定绝缘电阻285测定泄漏电流295测定介质损失角正切 tg305局部放电的测试32第六章 耐压试验33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 ） 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 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。 离子位移极化：由离子结合成的电介质，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 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 tg、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（）：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 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 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 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。 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 cr （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 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 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，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。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。 可见：流注过程是由于空间电荷的存在积累到一定数量，引起电场畸变，由光电子衍生出新的电子崩，流注发展，产生伴有强烈热游离的主放电，最后导致间隙击穿。 阴极流注 当外加电压足够强时，主崩不需经过整个间隙距离就可发展流注。主崩头部局部电场最强，极易发展衍生电子崩，其后，主崩头部的电子和衍生崩尾的正离子形成混合通道。这些新的衍生崩与主崩汇合成迅速向阳极推进的流注，称为负流注。起源也是光电子。正负流注同时发展，还可出现分支。 不均匀电场气隙的击穿 电力工程中大多是不均匀电场，其气隙的击穿有显著的极性效应和较长的放电时延，因而与所加电压波形有显著关系。长、短间隙的放电过程不一样，雷电是特长间隙的冲击放电。击穿过程中还存在不同形式的局部放电（电晕、刷形） 不均匀电场，大多数不对称：尖板，线板 少数对称：尖尖，线线 用流注机理分析 一短间隙的击穿 如尖板不均匀电场中 气隙的击穿有很强的极性效应 1 正棒负板： 电子崩是从场强大的区域向场强小的区域发展，很有利。电子崩的电子立即进入正棒极，使前方电场被留下的正离子加强，造成发展正流注的有利条件。流注形成后，头部仍为正电荷，使流注进一步向阴极发展。正流注的发展是连续的，速度很快。 2 负棒正板： 初崩先经过强场区，场强愈来愈弱。初崩留下的正空间电荷增强负尖极电场，但削弱前方电场。必须升高电压，使初崩通道发展成流注通道，才能产生二次电子崩。这样负流注的发展是阶段式的，平均速度比正尖极流注小。 当正负流注发展到对面电极时，间隙被充满正负离子混合质的、大电导的通道所贯穿。在电源电压作用下，间隙内发生更强烈的游离，通道的电导和温度急剧增大，通道失去绝缘，气隙击穿。 二长间隙的击穿 棒板电场为例 三个阶段：电晕放电，先导放电，主放电 当外加电压升高，棒电极附近的场强足够大时，棒极附近出现局部自持放电现象，称为电晕，此时的间隙电压称为电晕起始电压（起晕电压）。不均匀电场中，一般电晕 ，先导过程有很强的极性效应 先导通道：继流注之后发展起来的二次过程，通道中伴有热游离。在通道前方由于热游离而形成炙热的等离子体通道，其电导极大，但轴向场强很小，可看作棒极向板极的延伸先导放电：先导通道的不断伸长、发展即形成先导放电。 1 正先导过程 正棒极附近极高场强使其附近发展电子崩、流注，大量的电子进入正棒极，使棒极附近的电流密度增大，温度很高（4 ），发生强烈的热游离，形成先导通道，将棒极电位带到通道前端，加强前方电场，发展新流注，使通道不断延伸，到达对面电极。 先导通道外是正空间电荷套，径向场强很小，电流很小。 2 负先导过程 大量电子向远离负棒极的方向移动，崩头附近由于大量正空间电荷的存在使电场削弱，不足以产生撞击游离；棒极附近的正空间电荷使其附近的电场加强，产生强烈游离，并伴有热游离，形成先导通道。但前方空间中大量的负空间电荷（迁移慢）在通道前端形成相当强的反向电场，使电场减弱，通道发展停滞。一段时间后，通道前端的负空间电荷被电场力逐渐驱散，先导通道又向前发展，并重复第一阶段的过程。这样的过程可重复多次，使负先导通道的前进有分级的特性。 当发展到贯穿阶段时，从迎面电极形成正先导。 正、负先导发展过程的区别： 正先导的发展加强了前方电场，使先导通道易于延伸，较负先导过程快 负先导的发展中，由于电子在向正极的行进中，形成了负离子，这些负空间电荷使先导通道分级、停滞，过程较慢 长间隙火花放电较短间隙火花放电的本质区别： 炙热的导电通道是在放电发展过程中建立的，而不是在间隙两极短路之后建立的，因此，长间隙击穿的平均场强远低于短间隙的。 主放电过程 在先导通道接近板极时，场强剧增，发生强烈的放电过程，并沿先导通道的反方向扩展，同时中和先导通道中多余的空间电荷，这个过程称为主放电过程。主放电把先导通道改造成火花通道（电弧通道），气隙击穿。 三雷电放电 1 概述 雷云对大地造成雷害事故的主要因素 类型：雷云对雷云 雷云内部 方向分：上行雷接地体激发出，向雷云发展 下行雷雷云中产生，向大地发展 雷电的极性：由流入大地的电荷的极性决定，为负性雷 雷电流通过被击物体流入大地，电流脉冲在被击物体阻抗上的压降形成冲击电压 2 三个阶段 （ 1 ）先导放电： 延续约几毫秒，先导通道逐级向下发展，高电导，高温，最高电压可达。 （ 2 ）主放电： 先导通道的前端接近被击物体时，场强较大，空气间隙击穿，巨大的电流导入大地（几百千安），并在与大地的反向电荷中和时释放能量，伴有巨大的轰鸣和突发亮光。造成雷电放电的最大破坏作用 （ 3 ） 余光放电： 主放电后，剩余电荷沿雷电通道继续流向大地，形成电流幅值衰减的几次较小的放电，并伴有相对较弱的亮光 3 后续分量 原因可能是雷云中存在几个电荷聚集中心 主放电电流幅值较小，但电流波前时间比第一分量小得多，易造成过电压 各分量中的最大电流和电流增长最大陡度是造成被击物体上过电压、电动力和爆破力的主要因素 在余光阶段流过较长时间的电流则是造成雷电热效应的重要因素之一 四电晕放电 1 电晕的形成： 在极不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大，当外加电压和平均场强还较低时，在电极尖端附近的局部场强已很大，足以产生强烈的游离。但由于电极较远处的场强仍很小，所以次游离不能扩展。伴随着游离过程，存在着正负离子的复合和反激励，发出大量的光辐射和“丝丝”的声音以及兰色的晕光，这就是电晕。 2 分析 （ 1 ）电晕与导线尺寸的关系 导线表面场强（） 线间距离 起晕场强 30 （ +0.3/( ) V/ 粗造系数，电流密度 起晕电压 （） 随输电线路电压升高，电晕严重 2（） 导线截面（） （ ) 可见：等级高时，可超过 的方法：， （ 2 ）电晕损耗与导线表面状况及天气状况有关 电晕的危害 有声、光的产生和能量损耗；产生的高频脉冲电流含有许多高次谐波，造成无线电干扰；使空气局部游离，产生的臭氧和氧化氮等会腐蚀金属器具。 有利的一面：可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值和陡度，除尘，负氧离子发生器 小结： 汤森德机理：适用范围，自持放电条件 流注机理：适用范围，三个阶段 汤森德与流注的异同点 同有电子崩 产生新电子的途径不同，适用范围不同 不均匀电场放电：三个阶段，极性效应 雷云放电的三个阶段 电晕放电 第三章 气隙的击穿特性31气隙的击穿时间 气隙的击穿有一个最低静态击穿电压 ，但外加电压不小于 仅是气隙击穿的必要条件，欲使气隙击穿，还必须使该电压持续作用一定的时间。 一静态击穿电压0 使气隙击穿的最小电压 二击穿时间tb从加压的瞬时起到气隙完全击穿为止的总时间 由三部分组成 0 s f tl b 0 （升压时间）： 电压从零升到静态击穿电压 所需的时间 s（统计时延）： 从电压达到0 的瞬时起到气隙中形成第一个有效电子为止的时间 f（放电形成（发展）时延） 从产生第一个有效电子的瞬时到气隙完全被击穿为止的时间 有效电子能发展一系列的游离过程，最后导致间隙完全击穿的那个电子。 自由电子有效电子：形成负离子 扩散到间隙外 游离中途衰亡 影响f 的因素：间隙长度、电场均匀度、外加电压 tl （放电时延）：l s f tl 的特点：根据电场的不同，l具有分散性和随机性 （ 1 ）在短间隙、均匀场中 fsl s 即：均匀电场的放电时延l 主要是产生有效电子的时间，s的长短具有统计性质，可取其平均值 （ 2 ）在长间隙不均匀场中，由于电场的不均匀性容易产生有效电子，使 f s l f即：不均匀长间隙电场中，先导放电的发展占放电时延的主要部分 3-2气隙的伏秒特性 对于不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压是不同的。为此，需对各种电压的波形制定统一的标准（） 一标准试验电压波形 直流电压 大多由交流整流而得，波形有脉动 脉动系数脉动幅值电压平均值 最大值与最小值之差的一半 规定：脉动系数 工频交流电压 波形近似为正弦波，正负半波相同，峰值与有效值之比应为 ，偏差不超过 雷电冲击电压：模拟雷电过电压 分为：全波 截波雷电冲击波被某处放电而截断的波形 (1) 全波：非周期性冲击电压，很快到峰值再逐渐下降 作图：取峰值1.， .点， .点， .点， 连线，交.于点，交横轴点。 波前 1 视在波前时间 1 （.）（.） 1 . 视在半峰值时间 波形有振荡时，取平均曲线。 规定：波形参数为1 . 峰值允差 (2) 截波 截断时间 ：段 截波峰值 ：截断前的电压峰值 截断时刻电压 ：截断时实际电压 截波电压骤降视在陡度：线斜率 电压过零系数 规定： .（.范围内） 操作冲击电压 随电压等级、系统参数、设备性能、操作性质、操作时机等因素而变化。用长波尾的非周期性冲击波来模拟 规定：波前时间cr 半峰值时间 峰值允差 峰值以上持续时间d 未做规定 不适用时，推荐采用100/2500， 5002500 二伏秒特性曲线 对某一定的非持续作用的电压波形，气隙的耐压性能需用外加电压的峰值和击穿时间共同表示，这就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性 在峰值较低但延续时间较长的冲击电压作用下气隙可能击穿，而在峰值较高但延续时间较短的冲击电压作用下气隙可能不击穿。 伏秒特性：在电压波形一定的情况下，气隙击穿时的外加电压峰值与击穿时间的关系 （tb ） 作法 保持一定的波形而逐级升高电压，以示波图来求取。电压低击穿发生在峰值过后时，峰值作纵坐标；击穿发生在波峰时，即为伏秒特性的点；击穿发生在尚未到峰值时，击穿时电压值作纵坐标。 特点 （ 1 ）伏秒特性有分散性，为一组曲线，代表不同击穿几率（同一气隙在同一电压作用下，每次击穿时间不完全一样）。 下包络线，其左方完全不击穿 上包络线，其右方完全击穿 一般取 . （曲线）为平均伏秒特性 （ 2 ）曲线形状与电场的均匀性有关，如图 均匀场，曲线低且平坦，上翘范围小均匀场、短间隙各处场强相差不大，某处达到自持放电值时放电很快贯穿整个 间隙击穿时间短；在均匀场中， b s，若击穿电压幅值稍降低 s加长b加长曲线平坦 不均匀电场，曲线较高且陡间隙大的不均匀场，由于电场分布的不均匀性，使击穿时间b加长, 若保证 与均匀电场相同的击穿时间，需加大电压幅值曲线高；放电时延由 f 决定，电压幅值的变化对f影响很大曲线陡 实用意义 A A B C B A B (1) (2) (3)图（ 1 ）： A 设备，保护间隙 图（ 2 ）：保护间隙的伏秒特性曲线（ B ）低于设备的曲线（A ），能保护设备 图（ 3 ）：间隙曲线较陡，间隙在交叉点前不能保护设备，在后能保护设备 曲线、形状可以改变，若曲线过低，运行不安全；但若抬高曲线，将会增加经济投入。 可见，若保护间隙是不均匀场，其伏秒曲线较陡，只能保护不重要设备。 保护间隙在实际应用中的主要缺点： 不均匀场伏秒特性陡，不能进行全电压保护 灭弧能力差，工频续流造成线路接地或短路 有截断波，易损坏设备绝缘 击穿电压50 在一定波形的冲击电压作用下，外加电压的幅值变化，导致间隙击穿概率为时的电压称为50（不考虑电压作用时间）50 接近伏秒特性带的最下边缘，可用50 代 替最小冲击放电电压；50 放电时间较长，已接近静态放电临界电压值0。 冲击击穿电压 某气隙在该电压作用下会产生击穿放电，其击穿前时间小于和大于的几率各为即：曲线与时间标尺相交点的电压。 3-3 气隙的击穿电压 一气隙击穿电压的几率分布 气隙的击穿电压有一定的分散性，经研究，气隙击穿的几率分布接近正态分布，因此，设备的击穿率和耐受率可用50 电压和相对标准偏差来表示。 l 正态分布：对于离散变量的标准偏差，其有的几率在范围内，有 .的几率在内，误差大于的几率仅为.。 如：当外加电压为50（）时，气隙的耐受几率为.，其击穿几率为0.。 二大气条件对击穿电压的影响 通常，气隙的击穿电压随着空气密度和湿度的增加而提高。大气条件对其他外绝缘沿面闪络电压的影响在此一并说明。 Kd/Kh实测的放电电压值 标准条件下的放电电压值 Kd/Kh标准大气条件 温度 压强 湿度 3 空气密度修正系数 （ ）m （ 273 ）（273 ）n ， t 、与电极形状，间隙距离以及电压形式和极性有关，其值在 0.4 1.0 。 通常取，此时 （1013 ） （273 20 ）（273 ） 0.289 P （273 ） 湿度修正系数 （）w ，值与温度，电压形式，电压极性等因素有关，可查表 海拔高度修正 （1.1 H*10 4 ） 每升高 1000 米，空气密度 10 总之：e 不易撞击游离 水是电负性，易获电子形成负离子，阻碍游离 三击穿电压的求取 均匀电场 无极性效应，起始放电电压气隙的放电电压 不同电压波形下 相同，且分散性小 峰值 24.4 6.53 S 空气的相对密度 间隙距离， 0.01 20cm 内，计算误差小于 稍不均匀电场 与不均匀电场的区别：一出现局部的放电，立即导致整个间隙的完全击穿。 电场不对称时有极性效应，不很显著 不同电压波形下都相同，且分散性不大 典型结构形式：球球，球板，圆柱板，两同轴圆柱，两平行圆柱，两垂直圆柱。 球球间隙可用来测高电压峰值，