第一章-xueyd

1、高高 电电 压压 技技 术术康忠健康忠健薛永端薛永端中国石油大学信控学院中国石油大学信控学院高电压技术导言高电压技术导言高电压技术的特点高电压技术的特点非线性非线性实验科学实验科学本课程学习目的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，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培养分析和解决电力系统中绝缘与作用电压矛盾的能力。的能力。为今后从事有关高电压与绝缘方面的工作打下基为今后从事有关高电压与绝缘方面的工作打下基础。础。 高电压技术导言高电压技术导言主要内容主要内容1、各类电解质在高电场下的特性、各类电解质

2、在高电场下的特性 气体的放电基本物理过程和电气强度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、电气设备绝缘试验技术 电气设备绝缘预防性试验电气设备绝缘预防性试验 绝缘的高电压试验绝缘的高电压试验 电气设备绝缘在线检测与诊断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电力系统过电压与绝缘配合 线路和绕组中的波过程线路和绕组中的波过程 雷电及防雷保护装置雷电及防雷保护装置 电力系统防雷保护电力系统防雷保护 电力系统内部过电压电力系统内部过电压 电力系统绝缘配合电力系统绝缘配合高电压技术导言高电压技术导言预备知识、参考书预备

3、知识、参考书1、预备知识：、预备知识： 电路知识电路知识 电力系统分析知识电力系统分析知识 物理物理2、参考书、参考书 电力系统过电压，解广润，水利电力出版社，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，高电压技术，胡国根，重庆大学出版社，1996； 高电压技术高电压技术，中国电力出版社，中国电力出版社，2004年年 电力系统运行及过电压保护，河南省电力工业局，中国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，电力出版社，1995。 高电压技术导言高电压技术导言学习进度与建议学习进度与建议 学习本门课程应注意理论学习与实际分析相结合，理

4、学习本门课程应注意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。题的能力。 主要内容：主要内容：第一节第一节 汤逊理论和流注理论汤逊理论和流注理论 第二节第二节 不均匀电场中的放电过程不均匀电场中的放电过程 第三节第三节 空气气隙在各种电压下的击穿特性空气气隙在各种电压下的击穿特性 第五节第五节 提高气体介质电气强度的方法提高气体介质电气强度的方法第六节第六节 沿面放电及防污对策沿面放电及防污对策 第一章第一章 气体的放电基本物理过程和电气强度气体的放电基本物理过程和电气强度主要内容：主要内容：一、一、

5、非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电 二、二、汤逊理论汤逊理论 三、巴申定律三、巴申定律 四、流注理论四、流注理论 五、强电负性气体自持放电的条件五、强电负性气体自持放电的条件第一节第一节 汤逊理论和流注理论汤逊理论和流注理论带电粒子的平均自由行程：两次碰撞之间的平均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电子体积小，自由行程长度远大于分子和带电粒子大气压、常温下，电子在空气中的平均自由行程为大气压、常温下，电子在空气中的平均自由行程为10-5cm数量级数量级迁移率：粒子移动速度与电场之比迁移

6、率：粒子移动速度与电场之比电子迁移率高，为什么？电子迁移率高，为什么？电离：外因下，原子产生自由电子和带（正）电粒子电离：外因下，原子产生自由电子和带（正）电粒子光电离：光电离：可见光不能使气体直接电离，可见光不能使气体直接电离，X射线、射线、 射线可以射线可以光源可以是外部的，也可以是内部自产生的光源可以是外部的，也可以是内部自产生的金属表面电离更容易，金属表面电离更容易，了解：光电效应，光的波粒二象性，了解：光电效应，光的波粒二象性，热电离：常温下，气体热电离的概率很小。空气热电离：常温下，气体热电离的概率很小。空气1万度后可考虑万度后可考虑碰撞电离：碰撞电离：气体中主要碰撞电离均由电子产

7、生，正离子很少，为什么？气体中主要碰撞电离均由电子产生，正离子很少，为什么？阴极表面，正离子撞击可产生电离阴极表面，正离子撞击可产生电离附着：电子与气体与分子碰撞时，相结合而形成负离子。附着：电子与气体与分子碰撞时，相结合而形成负离子。电负性气体：容易发生附着产生负离子的气体。电负性气体：容易发生附着产生负离子的气体。基础知识和基础概念基础知识和基础概念一、非自持放电和自持放电一、非自持放电和自持放电1、非自持放电、非自持放电图1-1测定气体间隙的电压和电流其过程如下：其过程如下：O点，不加电源：电离和复合平衡，存在一定带电质点，但无电流点，不加电源：电离和复合平衡，存在一定带电质点，但无电流

8、oa-阶段阶段 ：电流随电压增加，电子移动速度加快，复合概率降低：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，绝缘良好阶段：电流不随电压变化，外界因素产生的电离固定，绝缘良好bc-阶段：电流随电压增加，（碰撞电离阶段：电流随电压增加，（碰撞电离）带电离子带电离子 cs-阶段：电流急剧增加，气体间隙击穿，伴随发生、发光，导电良好阶段：电流急剧增加，气体间隙击穿，伴随发生、发光，导电良好当当U U0 时时,电流剧增电流剧增,此时气隙中电流过程只靠外施电压已能维持此时气隙中电流过程只靠外施电压已能维持; 不需外电离不需外电离因素维持，称其为自持

9、放电区。因素维持，称其为自持放电区。U0为放电的起始电压为放电的起始电压二、汤逊理论二、汤逊理论1.电子崩电子崩将这一剧增的电子流称为将这一剧增的电子流称为电子崩电子崩将这一剧增的离子流称为离子崩将这一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：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电子沿电场方向行径1cm平均发生的碰撞电离次数平均发生的碰撞电离次数 正离子沿电场方向行径正离子沿电场方向行径1cm平均发生的碰撞电离次数平均发生的碰撞电离次数 折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属平均折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属平均释放出的自

10、由电子数释放出的自由电子数系数系数电子崩过程（电子崩过程（过程过程）系数系数离子崩过程（离子崩过程（过程过程）系数系数离子崩达到阴极后引起阴极发射二次电子的过程离子崩达到阴极后引起阴极发射二次电子的过程 （过程过程）二、汤逊理论二、汤逊理论2.三个系数三个系数二、汤逊理论二、汤逊理论3.均匀场中电子崩的计算均匀场中电子崩的计算dxndndxndnden1de1de-过程电子崩的电子过程电子崩的电子-过程中产生的离子崩中的正离子数过程中产生的离子崩中的正离子数 -过程又在阴极上释放出二次电子数过程又在阴极上释放出二次电子数如果如果 则则 在阴极上重新发射一个新电子，这时不再需要外在阴极上重新发射

11、一个新电子，这时不再需要外电离因素，就能使电离维持发展，即转入自持放电。电离因素，就能使电离维持发展，即转入自持放电。自持放电的条件：自持放电的条件：11 de11110ddxdee汤逊理论的基础：汤逊理论的基础：将电子崩和阴极上的将电子崩和阴极上的过程作为气体放电自持的决定性因素。过程作为气体放电自持的决定性因素。问题：为什么没有问题：为什么没有过程？过程？汤逊理论的实质：汤逊理论的实质：气体放电的主要原因：存在电子碰撞电离。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。阴极

12、表面逸出电子。判据：阴极逸出电子可以替代起始点的作用判据：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：汤逊理论的适用范围：解释低气压短气隙中的放电现象解释低气压短气隙中的放电现象pd26.66kPa.cm)pd26.66kPa.cm)的放电过程不同，需用流注理论解释。的放电过程不同，需用流注理论解释。 电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，大电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，大大加强电子崩崩头和崩尾处的电场。同时放射出大量光子成为引发新的空间光电大加强电子崩崩头和崩尾处的电场。同时放射出大量光子成为引发新的空间光电离的辐射源。

13、离的辐射源。 （二次电子的主要来源是空间的光电离）（二次电子的主要来源是空间的光电离） 汤逊理论：汤逊理论：二次电子来源于正离子撞击阴极使其逸出电子二次电子来源于正离子撞击阴极使其逸出电子。2.注流形成条件注流形成条件 一般认为当一般认为当 或或 时，流注得以形成（流注时，流注得以形成（流注 理论只适用于非电负性气体）理论只适用于非电负性气体）20d810de五、强电负性气体自持放电的条件五、强电负性气体自持放电的条件 1、附着效应、附着效应系数系数电子附着效应电子附着效应过程，表示一个过程，表示一个电子沿电场方向行径电子沿电场方向行径1cm时平均发生的电子附着次数。时平均发生的电子附着次数。

14、 2、流注自持放电条件、流注自持放电条件（强电负性气体的工程应用属于（强电负性气体的工程应用属于流注放电范畴）。流注放电范畴）。 10.5( )电子崩中电子的临界值取对数电子崩中电子的临界值取对数Kd 6SF主要内容：主要内容：一、稍不均匀电场的放电特点一、稍不均匀电场的放电特点 二、极不均匀电场中的电晕放电现象二、极不均匀电场中的电晕放电现象 三、三、极不均匀电场中的放电过程极不均匀电场中的放电过程第二节第二节不均匀电场中的放电过程稍不均匀 (d4D时)Dd一一. 稍不均匀电场稍不均匀电场 当当d=2D时，稍不均匀，电晕放电不稳定，一旦出现，时，稍不均匀，电晕放电不稳定，一旦出现，气隙立即被

15、击穿。气隙立即被击穿。f=4D时，极不均匀，存在稳定的电晕放电。时，极不均匀，存在稳定的电晕放电。f4 稍不均匀场气隙击穿电压稍不均匀场气隙击穿电压 D D最小最小 较小较小 较大较大 最大最大 尖尖- -板板即即D D越大击穿电压越低越大击穿电压越低（同气隙距离情（同气隙距离情况下）况下）电晕放电的应用电晕放电的应用：静电除尘器、臭氧发：静电除尘器、臭氧发生器、静电喷涂等。生器、静电喷涂等。电晕放电的害处电晕放电的害处：引起功率损耗，产：引起功率损耗，产生放电脉冲，导致电磁干扰、噪声。生放电脉冲，导致电磁干扰、噪声。防止电晕方法防止电晕方法：采用分裂导线的方法：采用分裂导线的方法三三. .极

16、不均匀电场中的放电过程极不均匀电场中的放电过程 棒棒- -板电极，电离总是从板电极，电离总是从“棒棒”开始的。开始的。 不均匀电场的放电有明显的极性效应，极性取决于曲率半径较小（不均匀电场的放电有明显的极性效应，极性取决于曲率半径较小（最最尖尖）的棒极的电位符号。）的棒极的电位符号。 在在“棒棒- -棒棒”气隙中，极性取决于气隙中，极性取决于不接地不接地的棒极的电位。的棒极的电位。1.1.自持放电前的阶段自持放电前的阶段： 正极性棒正极性棒- -电晕起始电压增加电晕起始电压增加( (原因原因: :崩头电子被棒吸收崩头电子被棒吸收) ) 负极性棒负极性棒- -电晕起始电压电晕起始电压 1m）的放

17、电过程的放电过程 电晕放电电晕放电-光导放电光导放电-主放电主放电 (第第7章详细讲解章详细讲解)主要内容：主要内容：一、作用电压类型一、作用电压类型 二、空气间隙在稳态电压下的击穿二、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三、空气间隙在冲击电压下的击穿第三节第三节 空气间隙在各种电压下的击穿特性空气间隙在各种电压下的击穿特性 一、作用电压类型一、作用电压类型 稳态电压稳态电压 直流电压直流电压 工频交流电压工频交流电压 冲击电压冲击电压 雷电冲击电压雷电冲击电压 操作冲击电压操作冲击电压二、空气间隙在稳态电压下的击穿二、空气间隙在稳态电压下的击穿（与电场均匀程度有很（与电

18、场均匀程度有很大关系）大关系） 1.均匀电场气隙击穿均匀电场气隙击穿 直流、工频电压下击穿电压相同直流、工频电压下击穿电压相同ddUb66. 655.24图图1-11均匀电场空气间隙均匀电场空气间隙二、空气间隙在稳态电压下的击穿二、空气间隙在稳态电压下的击穿2.稍不均匀电场气隙的击穿稍不均匀电场气隙的击穿（f2,f不均匀系数）不均匀系数） 包括球隙与同轴圆柱包括球隙与同轴圆柱 球隙：球隙： 当当dD/4时，时， （平均）（平均） （均）（均），击穿电压分散性增大，击穿电压分散性增大bUbU同轴圆柱同轴圆柱：（外径：（外径R，内径内径r）当当r/R当当r/R0.1时，是稍不均匀电场，时，是稍不均

19、匀电场， (解释原因是什么解释原因是什么?)在在r/R0.33时出现时出现 ，同轴圆筒绝缘设计时通常取，同轴圆筒绝缘设计时通常取r/R=0.25-0.43.极不均匀电场中的击穿极不均匀电场中的击穿“导线导线导线导线”可用可用“棒棒棒棒”气隙击穿特性估算气隙击穿特性估算“导线导线大地大地”可用可用“棒棒板板”气隙击穿特性估算气隙击穿特性估算cUbUcUcUbUmaxbU二二.空气间隙在冲击电压下的击穿空气间隙在冲击电压下的击穿 作用时间极为短暂的电压，一般指雷电冲击电压和操作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。冲击电压。1.在雷电冲击电压下的击穿在雷电冲击电压下的击穿（1）

20、雷电波冲击电压标准波形）雷电波冲击电压标准波形T1视在波前时间； T2视在半峰值时间； Um冲击电压峰值U/Um（2）冲击放电的时延冲击放电的时延 实验时施加冲击电压，需对冲击放电时间延长，使放电得实验时施加冲击电压，需对冲击放电时间延长，使放电得以发展以至击穿。以发展以至击穿。t td d击穿时间击穿时间 t td d=t=t0 0+t+ts s+t+tf f t t0 0升压时间升压时间（电压从0升到静态击穿电压U0的时间）t ts s统计时延统计时延 ( (从电压达到U0时间起到间隙出现有效电子能引起初崩到导致击穿的电子的时间）t tf f放电发展时延放电发展时延( (从第一个有效电子出

21、现时间到间隙完全击穿为止的时间) t ts s+t+tf f= =t tl l 称为称为放电时延放电时延（3）雷电雷电50%击穿电压击穿电压（ ） 由于准确到刚好引发一次击穿的最低电压值很难，因此工由于准确到刚好引发一次击穿的最低电压值很难，因此工程上采用程上采用50%冲击电压（冲击电压（ ）来描述气隙的冲击击穿电）来描述气隙的冲击击穿电压。压。50%U50%U 均匀和稍不均匀电场均匀和稍不均匀电场： (静态击穿电压静态击穿电压) 极不均匀场：极不均匀场： 工频击穿电压的峰值工频击穿电压的峰值 50%U50%USU（4）伏秒特性伏秒特性 由于气隙的击穿存在时延现象，故将击穿电压值与放电时延联由

22、于气隙的击穿存在时延现象，故将击穿电压值与放电时延联系起来确定气隙击穿特性系起来确定气隙击穿特性 即即伏秒特性伏秒特性 用于绝缘配合用于绝缘配合（4）伏秒特性伏秒特性伏秒特性在绝缘配合中具有重要作用伏秒特性在绝缘配合中具有重要作用 二二.空气间隙在冲击电压下的击穿空气间隙在冲击电压下的击穿2.操作冲击电压下的击穿操作冲击电压下的击穿图1-17 操作冲击试验电压波形（a）非周期性双指数冲击波；（b）衰减振荡波在均匀、稍不均匀电场中：在均匀、稍不均匀电场中： (工频工频) 且击穿几乎发生在峰且击穿几乎发生在峰值值在极不均匀电场中：在极不均匀电场中：“U”形曲线形曲线注意：注意： 操操 雷，有时雷，

23、有时 操操 工频工频 操具有饱和特性，随操具有饱和特性，随d的增大，的增大， 饱和特性更明显饱和特性更明显 不利不利于发展特高压输电技术于发展特高压输电技术mU50%UbUbUbUbUbU主要内容：主要内容：一、一、空气密度校正空气密度校正 二、二、对湿度的校正对湿度的校正 三、三、对海拔高度的校正对海拔高度的校正第四节第四节 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0UKKUhddKhK0U-空气密度校正系数，空气密度校正系数， -湿度校正系数湿度校正系数-标准大气压下击穿电压标准大气压下击穿电压当当=0.951.05时时适用于（极间距离不大于适用于（极间距离不大于1m，电场

24、较均匀，雷电冲击电压）。电场较均匀，雷电冲击电压）。其它情况：其它情况：一一.空气密度校正空气密度校正 -空气相对密度空气相对密度Tp9 . 2U二二.对湿度的校正对湿度的校正 (水分子俘获电子抑制放电过程，主要针对极不均匀电场水分子俘获电子抑制放电过程，主要针对极不均匀电场)k与绝对湿度和电压种类有关；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。取决于电极形状、极间距、电压种类及其极性。三三.对海拔高度的校正对海拔高度的校正 whkKpaUKU 4101 . 11HKa U -高海拔地区试验电压高海拔地区试验电压 Up -平原地区绝缘试验电压平原地区绝缘试验电压 K

25、a -海拔校正系数海拔校正系数 H -为海拔高度为海拔高度适用范围：适用范围：1000m4000m主要内容：主要内容：一、改善电场分布一、改善电场分布 二、削弱或抑制电离过程二、削弱或抑制电离过程 第五节第五节 提高气体介质电气强度的方法提高气体介质电气强度的方法 一一.改善电场分布改善电场分布1.改进电极形状改进电极形状： 增大电极曲率半径，如采用屏蔽罩。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。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）等其它：保护金具（绝缘子串上的保护金具）等。瑞典380

26、kV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一一.改善电场分布改善电场分布2.利用空间电荷改善电场分布利用空间电荷改善电场分布（细线（细线周围形成均匀电晕层周围形成均匀电晕层可提高击穿电压）可提高击穿电压）3.极不均匀电场中采用屏障改善电场分布极不均匀电场中采用屏障改善电场分布 插入薄片固体绝缘材料（纸或纸板）作为屏障。插入薄片固体绝缘材料（纸或纸板）作为屏障。 最佳位置在最佳位置在x/d0.2处处 (棒棒-棒需要设立两层屏蔽棒需要设立两层屏蔽,为什么为什么?) （只能提高气隙的稳态击穿电

27、压，对暂态电压的作用较小，（只能提高气隙的稳态击穿电压，对暂态电压的作用较小，为什么为什么）二二.削弱或抑制电离过程削弱或抑制电离过程1.采用高电压：采用高电压：2.8Mpa空气空气相当于相当于0.7MPa 气体气体 目的目的减小电子的自由行程，从而减小碰撞机会减小电子的自由行程，从而减小碰撞机会 2.强电负性气体强电负性气体： ，氟里昂（，氟里昂（ ） 的电气强度的电气强度2.5倍空气，灭弧能力为倍空气，灭弧能力为100倍空气。倍空气。 的绝缘性能的绝缘性能 因为因为 是强电负性气体是强电负性气体俘获自由电子俘获自由电子负离子负离子电子碰撞电离能力电子碰撞电离能力放放电电（其绝缘性能在均匀场

28、中最好）（其绝缘性能在均匀场中最好） 3.采用高真空（采用高真空（自行分析原因？自行分析原因？）6SF22FCCl6SF6SF6SF6SF主要内容：主要内容：一、沿面放电一、沿面放电 二、固体介质表面有水膜时的沿面放电二、固体介质表面有水膜时的沿面放电 三、绝缘子污染状态下的沿面放电三、绝缘子污染状态下的沿面放电第六节第六节 沿面放电及防污对策沿面放电及防污对策 一一.沿面放电沿面放电1.概念概念：沿气体介质与固体介质的交界面上发展的放电现象。：沿气体介质与固体介质的交界面上发展的放电现象。 包括包括沿面滑闪沿面滑闪（尚未发生击穿的放电形式）和（尚未发生击穿的放电形式）和沿面闪络沿面闪络（沿（沿面击穿放电现象）。面击穿放电现象）。 2.特点特点：沿面放电击穿电压：沿面放电击穿电压湿污层电阻湿污层电阻整整个绝缘子上的电压集中在干区个绝缘子上的电压集中在干区干区电场强度很大干区电场强