高电压技术课件

高电压技术20011年9月绪论高电压技术—研究高电压（强电场）下的电气物理问题电力系统：输送的功率一定时，输电线路电压越高，功率损耗越低，输送距离越远。大功率、远距离输电—高压、超高压、特高压电网我国中压电网63、35、10kV高压电网110、220

kV超高压电网330、500kV、750kV特高压电网1000kV另有直流输电网：±800kV；±660kV；±500kV电气化铁道牵引供电系统：110（或220）kV/27.5kV高压供电网络

牵引供电系统电气原理示意图

电力系统（及牵引供电系统）高电压问题：电气绝缘绝缘材料绝缘结构

电气绝缘试验

电气绝缘试验技术

各种高电压产生及测量技术

电力系统过电压及其防护

系统各种过电压产生的机理过电压的防护技术

电磁环境问题

电磁兼容

电磁的生态效应

1气体放电的基本物理过程

正常使用，电介质为良好的绝缘体

过高电压下，发生放电、失去绝缘性

—击穿。

电介质

气体—空气、SF6等液体—变压器油、电容器油等固体—绝缘纸、云母、塑料、电瓷、硅橡胶等1.1带电质点的产生、运动和消失气体放电的原因：气体中出现带电质点气体中出现带电质点的原因：电离

气体分子电离：气体分子（原子）接受外界能量后，其核外电子脱离原子核的束缚，成为自由电子。气体分子（原子）正离子+自由电子电离能——使气体分子发生电离所需要的最小能量。单位：电子伏特（ev)一、气体中带电质点的产生气体电离能/ev激励能/ev气体电离能/ev激励能/evN212.56.1SF615.66.8O212.57.9H2O12.77.6CO213.710表1-1气体分子的电离能

阴极表面电离阴极表面逸出功<<气体分子电离能

不同的金属材料逸出功不同金属铝银铁铜氧化铜铯逸出功（eV）4.084.734.484.75.31.88表1-2一些金属的逸出功阴极表面电离—阴极表面发射自由电子。逸出功——使阴极表面发射电子所需要的最小能量，单位：电子伏特（ev)正离子撞击阴极表面光电子发射热电子发射强场发射。阴极表面电离方式：负离子的形成附着：电子与中性分子相结合形成负离子。

负离子的形成并未使气体中带电质点的数目

改变，但却使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用1.2汤逊放电理论一、气隙中的放电电流oa段：uII=I0

I0-饱和电流取决于外界电离因素ab段：uI=I0间隙中无新的带电粒子产生

bc段：uI间隙中出现了电子碰撞电离，产生了电子崩

二、电子崩电子崩的形成电子碰撞电离系数：图1-4a电子崩的形成电子崩中带电粒子分布图1-4b电子崩中带电粒子分布三、电子崩（α过程）产生的电流

设：单位时间从阴极发出

n0个自由电子

因：电子崩过程在：x处为n个

在：x＋dx处为n+dn个则：dn＝αndx

积分得：

n=n0eαx

X=d:na=n0eαd

dxdxn0n+-图1－5电子崩中的电子数计算同时考虑α、γ过程极间自由电子数目变化：阴极表面到达阳极α过程使气隙中产生γ过程使阴极表面发射n0n0eαdn0（eαd－1）γn0（eαd－1）....ncnceαdnc（eαd－1）γnc（eαd－1）平衡状态下：

nc=n0+γnc（eαd－1）则：

nc=n0/1-γ（eαd－1）阳极：

na＝

nceαd

＝n0eαd/1-γ（eαd－1）放电电流：

Ia=I0eαd/1-γ（eαd－1）自持放电的条件若使：1-γ（eαd－1）＝0

则：I0=0,I≠0---去掉外界电离因素，放电可依靠间隙自身电离（αγ过程）维持---自持放电。自持放电的条件：γ（eαd－1）＝1物理意义：每一个从阴极出发的自由，在消失于阳极之前，因α、γ过程，使阴极产生一个新的自由电子，以维持间隙的的电离过程，放电得以自持。放电形式：辉光放电、火花放电、电弧放电五、击穿电压与气压的关系（巴申定律）

将：α＝Ape－BP/Eb，Eb＝Ub/d

代入自持放电条件：γ（eαd－1）＝1可得击穿电压：击穿电压随pd乘积变化且存在极值即：汤逊理论适用于pd＜26.6kpa.cm的情况。原因：1.没有考虑空间电荷对电场的畸变2.没有考虑空间光电离作用汤逊放电理论适用于：低气压、短间隙（pd＜26.66kpa.cm)1.3气体放电的流注理论流注理论---分析各种气压、各种间隙下的气体放电过程流注理论：①强调了空间电荷对电场的畸变作用②认为电子碰撞电离、空间光电离为主要电离因素一、空间电荷对电场的畸变作用电子崩中正负电荷形成的电场导致空间电场畸变◆电子崩头、崩尾电场增强◆正负电荷衔接区电场减弱，◆正负电荷衔接区中带电粒子（正、负离子）浓度十分高图1-9从电子崩到流注的转换图1-10负流注的形成1.4不均匀电场中的放电过程一、不均匀电场的放电特点均匀电场（平板电极）：达到自持放电条件，间隙击穿。稍不均匀电场（同轴圆柱电极、球隙等）：达到自持放电条件，间隙击穿，间隙平均击穿场强低于均匀电场。极不均匀电场（棒-棒电极、棒-板电极）：出现电晕放电阶段，间隙平均击穿场强低于均匀电场和稍不均匀电场电晕放电：外加电压达到一定数值时，在小曲率半径电极处强烈电离，出现流注，为局部范围的自持放电，间隙仍保持绝缘状态。电晕起始电压：开始出现电晕放电时，极间所加电压。击穿过程：u↑→电晕区扩大→放电电流↑….u进一步增加到一定数值，导致间隙击穿。二、输电线路电晕交流输电线路电晕起始场强（幅值）－－皮克公式式中：m1—导线表面粗糙系数，光滑导线

,绞线

m2—气象系数取0.8-1.0；

δ—空气相对密度；r—导线半径（cm）。输电线路电晕危害放电脉冲产生高频电磁波，形成无线干扰。产生电晕损耗。产生化学腐蚀。防止（减轻）输电线路电晕的措施减小导线表面场强，对330kV及以上线路，采用分裂导线。三、极性效应放电一定从曲率半径小的电极表面开始。极性效应－－击穿电压与小曲率半径电极极性有关典型的极不均匀电场---棒-板间隙棒—板间隙：－－放电发展过程存在明显的极性效应直流下及冲击电压：

工频电压下：击穿总发生在棒极为正的半周内。出现极性效应的原因棒为正：出现电晕后，棒极附近滞留的正空间电荷加强了流注头部电场，放电易于发展。棒为负：出现电晕后，棒极附近滞留的正空间电荷减弱了流注头部电场，放电不易发展。正极性“棒-板”间隙中的电场畸变负极性“棒-板”间隙中的电场畸变四、长空气间隙放电过程

先导放电过程主放电过程1.5放电时间和冲击电压下的气隙击穿一、放电时间

完成气隙击穿的三个必备条件：①足够高的电场强度或（电压）；②气隙中出现能引起电子崩并导致流注的有效电子；③需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。完成击穿所需的时间是很短的（微秒级）。直流、工频下放电时间对击穿电压无影响； 冲击电压，击穿电压和放电时间有关。放电时间的组成总放电时间：

tb=t1+ts+tft1－电压上升时间，气隙电压从0上升到Us上升到所需时间。ts－统计时延，从t1开始到气隙出现第一个有效电子所需的时间；tf－放电形成时延，出现有效电子到完成气隙的击穿需要的时间。图1-14放电时间的组成二、冲击电压标准波形（一）标准雷电冲击电压波

图1-15雷电冲击电压波形的标准化

T1－视在波前时间；

T2－视在半峰值时间；

Um－冲击电压峰值IEC和国标的规定为：T1＝1.2μs±30％T2＝50μs±20％记为1.2/50μs，

u/um（二）标准雷电截波标准雷电截波：用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后所出现的截尾冲击波。图1-16雷电截波

IEC和国标规定为：

T1＝1.2μs±30％－－波前时间

Tc=2－5μs－截断时间u/um（三）标准操作冲击电压波

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

IEC和国标规定：Tcr＝250μs±20％－波前时间T2＝2500μs±60％－半峰值时间三、冲击电压下气隙的击穿特性

间隙耐电强度表示：

持续电压作用下－击穿电压

冲击电压下－U50%（50％冲击击穿电压）－间隙伏秒特性

原因：放电时间对冲击击穿电压的影响，放电有分散性。

（一）U50%－－50％冲击击穿电压

U50%－表征气隙的耐受冲击电压的能力。指气隙被击穿的的概率为50%的冲击电压峰值

同一间隙雷电冲击u50%和操作冲击U50%不同（二）伏秒特性伏秒特性－－表示气隙冲击击穿电压与放电时间的关系曲线。通过实验方法取得伏秒特性曲线

伏秒特性曲线用于系统绝缘配合平均伏秒特性曲线实际的伏秒特性曲线，是一个以上、下包络线为界的带状区域。通常取50％伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿特性。

图1-19伏秒特性带与50％伏秒特性1－上包络线；2－50％伏秒特性；3－下包络线1.6气体介质的电气强度了解气体放电的基本物理过程，有助于分析、说明各种气隙在各种高电压下的击穿规律和实验结果。对气体介质的电气强度（击穿电压或击穿场强）定量分析，采用实验方法气体电气强度首先取决于电场形式均匀电场：平行板电极稍不均匀电场：球－球，同轴圆筒极不均匀电场：棒－棒（对称电场）棒－板（不对称电场）气体的击穿特性与所加电压的类型有很大关系主要的四种类型电压波形：工频交流电压、直流电压、雷电过电压波和操作过电压波。1.6.1均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性一、均匀电场的击穿特性各处电场强度相等，击穿所需时间短直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压相同。击穿电压的分散性很小气隙击穿电压与极间距离的关系:Kv(峰值）图1-11均匀电场空气间隙击穿电压峰值随极间距离的变化二、稍不均匀电场下气隙的击穿电压一旦出现局部放电就导致整个气隙的击穿。实例：球-球、球-板、同轴圆筒、平行圆柱等球间隙:电场不均匀度随着球间距离d与球极直径D之比增大而增加。直流击穿电压=工频击穿电压（峰值）=U50%（冲击击穿电压）击穿场强比均匀电场下低各种稍不均匀电场下气隙的击穿电压见式（1-37）-（1-60）1.6.2极不均匀电场下气隙的击穿电压气隙中各处场强差别很大，存在电晕放电阶段和极性效应典型极不均匀电场对称：棒-棒、线-线不对称：棒-板、线-板“棒-棒”和“棒-板”空气间隙直流击穿电压曲线直流电压下平均耐受场强（10cm<d<300cm):

正棒-负板约为4.5Kv/cm;负棒-板约为10Kv/cm

棒-棒约为5.4Kv/cm工频交流电压下棒-板击穿总是发生在棒为负的半波雷电冲击电压下1.7大气条件对气隙击穿特性的影响及校正大气条件：空气密度、湿度密度增加，击穿电压上升，均匀电场和稍不均匀电场下，湿度对击穿电压基本无影响极不均匀下电场湿度增加，击穿电压有所提高。一、空气密度、湿度的校正的校正在不同的大气状态下，外绝缘的击穿电压按下式校正：

U＝Kd/Kh*U0U

---试验条件下外绝缘的击穿电压U0---标准大气条件下外绝缘的击穿电压Kd----空气密度校正因数Kh---湿度校正因数标准大气条件：P0=101.3kPat0=20℃h0=11g/m3

-----空气密度校正系数----空气相对密度m—指数，取决与电压形式、距离等，查图可得。

k—绝对湿度函数，取决于绝对湿度和电压极性，查图可得W—取决于电压形式、气体密度、放电距离等，查图可得。二、海拔高度的影响

随着海拔高度增加，大气压力下降，空气密度减小，电气设备外绝缘放电电压下降。国标规定：用于海拔高度1000m＜H＜4000m的电气设备外绝缘，在非高海拔地区试验时，其试验电压：U0—该设备外绝缘在平原地区的试验电压kvH—该设备安装点的海拔高度m基本途径：1.改善电场分布，尽量均匀2.削弱或抑制气体电离过程1.8提高气体电气强度的方法具体措施：1.改进电极形状以使电场尽量均匀2.采用屏间障3.采用高气压4.采用真空5.采用高强度气体（SF6)1.9沿面放电和污闪事故一、沿面放电概念带电导体用固体绝缘装置将它们悬挂起来或支撑起来。绝缘子一个电极接电压，一个电极接地。绝缘的丧失：1)固体介质本身击穿;2)沿面闪络沿面放电----沿着固体介质表面发展的气体放电现象。沿面闪络----沿着放电沟通两电极。污闪----沿着污秽固体电介质表面发生的闪络。绝缘子干闪络电压湿干闪络电压污秽闪络电压二、沿面放电的类型与特点固体介质与其体介质交接面电场分布的三种典型情况：1)均匀电场，固体介质界面与电力线平行2)稍不均匀电场，切线分量Et大于垂直分量En3)极不均匀电场，垂直分量En比切线分量Et要大得多

（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电

平板电极间插入一块固体介质，沿面闪络电压比纯空气间隙时的击穿电压下降很多，原因：（1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。（2）大气中的潮气吸附到固体介质的表面形成薄水膜，水膜中的离子电荷聚集于电极附近，固体介质沿面电场分布不均（3）固体表面粗糙不平会造成电场畸变。（二）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电放电发展过程如图1－24外施电压升高电压超过某一值电压再升高电晕放电辉光放电滑闪放电闪络（法兰附近）特点：出现滑闪放电（不稳定的树枝状火花放电）原因：辉光放电出现的大量带电粒子，在强垂直分量作用下，紧贴固体表面运动，是固体表面因摩擦产生高温，导致气体分子热电离，火化通道带电粒子数目剧增，火化通道向前延伸，滑闪放电。滑闪放电树枝中的一枝沟通两电极时，沿面闪络。（三）极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电

沿面闪络过程中无滑闪放电（不会出现热电离）平均闪络场强比均匀电场时低得多；但大于强垂直电场分量时的平均闪络场强。三、影响沿面闪络电压的因素（一）固体介质材料取决于材料得亲水性或憎水性（二）电场型式固体介质表面电场越均匀，闪络电压越高。四、绝缘子在淋雨状态下的沿面闪络绝缘子在淋雨状态下的沿面闪络－湿闪络。u湿闪＜

u干闪湿闪途径：（1）沿湿表面AB和干表面BCA’