高电压技术前言及第一章讲稿

高电压技术前言1.为什么巨大的电能需要通过高电压输送2.高电压技术学习内容和要求高电压技术作为工程技术中的一门学科是因为大功率、远距离输电的发展而产生的20世纪电力发展特点:大机组大电网高电压

美国中国俄国单机(千瓦)120万90万90万电压(千伏)80050076521世纪电力发展特点:更加可靠更加开放更加有效更加灵活设备可靠性随电压升高而下降设备的体积随电压升高而增大电压设备可靠性体积燃料电池21世纪最有希望的能源60年代用于宇宙飞船,21世纪将用于商业.工业其特点:模块式结构无环境污染节省水电源可分散价格高1500美金/千瓦

液体和固体电介质的绝缘特性

第一章一.电介质的极化1.定义电介质中的带电质点在电场作用下沿电场方向作有限位移Qo=CoU2.相对介电系数εr表征电介质在电场作用下的极化程度3.极化的基本形式：电子式极化、离子式极化、偶极子极化、夹层式极化、（空间电荷极化）。(1)电子式极化其特点:a.极化所需时间极短b.极化时没有能量损耗c.温度对极化影响极小(2).离子式极化其特点:a.极化过程极短b.极化过程无能量损耗c.温度对极化有影响,极化随温度升高而增强(3).偶极子式极化其特点a.极化所需时间较长,因而与频率有关b.极化过程有能量损耗c.温度对极化影响很大,温度很高和很低时,极化均减弱(4).夹层式极化其特点在两层电介质的界面上发生电荷的移动和积累,极化过程缓慢,并有损耗二.电介质的电导1.定义介质在电场作用下,使其内部联系较弱的带电粒子作有规律的运动形成电流,即泄漏电流.这种物理现象称为电导.表征电导过程强弱程度的物理量为电导率γ，或它的倒数电阻率ρo2.介质中的电流(1).电容电流ic在加压初瞬间介质中的电子式极化和离子式极化过程所引起的电流,无损耗,存在时间极短(2)吸收电流ia有损极化所对应的电流,即夹层极化和偶极子极化时的电流,它随时间而衰减.(3)泄漏电流绝缘介质中少量离子定向移动所形成的电导电流,它不随时间而变化.流过介质的电流i由三个分量组成：3.吸收现象固体电介质在直流电压作用下,观察到电路中的电流从大到小随时间衰减,最终稳定于某一数值,称为“吸收现象”介质干燥和嘲湿,吸收现象不一样,据此可判断绝缘性能的好坏.三.电介质的损耗1.损耗的形式(1).电导损耗由泄漏电流引起的损耗.交直流下都存在.(2).极化损耗由偶极子与夹层极化引起,交流电压下极明显(3).游离损耗指气体间隙的电晕放电以及液固体介质内部气泡中局部放电所造成的损耗.2.用介质损耗角的正切tgδ来表示介损的意义在交流电压作用下,由于存在三种形式的损耗,需引入一个新的物理量来表征介损的特性.经推导,介质损耗P为

经推导,介质损耗P为由于:(1).P值与试验电压U的高低等因素有关;(2).tgδ是与电压、频率、绝缘尺寸无关的量，而仅取决于电介质的损耗特性。(3)tgδ可以用高压电桥等仪器直接测量.所以表征介损用介质损失角的正切tgδ来表示,而不是用有功损耗P来表示.3.影响tgδ的因素（1）温度的影响（2）频率的影响（3）电压的影响在电场强度不很高时，tgδ不变；在电场强度较高时，tgδ随电场强度升高而迅速增大气体的绝缘特性第二节1.空气在强电场下放电特性一.气体电介质的放电特性气体在正常状态下是良好的绝缘体,在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但在高电压下,气体从少量电荷会突然产生大量的电荷,从而失去绝缘能力而发生放电现象.一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态输电线路以气体作为绝缘材料变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料2.带电质点的产生与消失(1)激发原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态(2)游离原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子脱离原子核的束博而形成自由电子和正离子(3)游离的方式a.碰撞游离b.光游离c.热游离d.金属表面游离碰撞游离当带电质点具有的动能积累到一定数值后，在与气体原子（或分子）发生碰撞时，可以使后者产生游离，这种由碰撞而引起的游离称为碰撞游离引起碰撞游离的条件：：气体原子（或分子）的游离能光游离由光辐射引起气体原子（或分子）的游离称为光游离产生光游离的条件：h:普朗克常数ν:光的频率热游离气体在热状态下引起的游离过程称为热游离产生热游离的条件：K:波茨曼常数T:绝对温度金属表面游离电子从金属电极表面逸出来的过程称为表面游离(4)去游离a.扩散带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动.b.复合正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子c.附着效应电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子二.气体放电的两个理论1.汤逊放电理论.适用条件:均匀电场,低气压,短间隙实验装置均匀电场中气体的伏安特性分析：oa段:随着电压升高，到达阳极的带电质点数量和速度也随之增大ab段：电流不再随电压的增大而增大bc段：电流又再随电压的增大而增大c点:电流急剧突增(1).电子崩在电场作用下电子从阴极向阳极推进而形成的一群电子(2).非自持放电去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止(3).自持放电不需要外界游离因素存在,放电也能维持下去(4).自持放电条件a.电子的空间碰撞系数α一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰撞游离数

b.正离子的表面游离系数γ一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的电子数自持放电条件可表达为:综上所述，将电子磞和阴极上的r过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。汤逊理论的实质：电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。(5)巴申定律a.表达式:P:气体压力S:极间距离b.均匀电场中几种气体的击穿电压与ps的关系2.流注理论(1).在ps乘积较大时,用汤逊理论无法解释的几种现象a.击穿过程所需时间,实测值比理论值小10--100倍b.按汤逊理论,击穿过程与阴极材料有关,然而在大气压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关.c.按汤逊理论,气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展,但在大气中击穿会出现有分枝的明亮细通道(2).理论要点:认为电子碰撞游离及空间光游离是维持自持放电的主要因素,流注形成便达到了自持放电条件,它强调了空间电符畸变电场的作用和热游离的作用.(3)放电简单流程图:有效电子(经碰撞游离)-----电子崩(畸变电场)-----发射光子(在强电场作用下)-----产生新的电子崩(二次崩)-----形成混质通道(流注)-----由阳极向阴极(阳极流注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿.三.不均匀电场中气隙的放电特性1.电晕放电一定电压作用下,在曲率半径小的电极附近发生局部游离,并发出大量光辐射,有些像日月的晕光,称为电晕放电.电晕起始场强开始出现电晕时电极表面的场强电晕起始电压开始出现电晕时的电压电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式2.极性效应(1).正棒---负板分析：a.由于捧极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离，使电晕放电难以形成，造成电晕起始电压提高。b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故降低了击穿电压。(2).负棒---正板分析：a.捧附近正空间电荷产生附加电场加强了朝向棒端的电场强度，容易形成自持放电，所以其电晕起始电压较低。b.在间隙深处，正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，使放电的发展比较困难，因而击穿电压较高。结论：在相同间隙下正捧-----负板负捧-----正板电晕起始电压间隙击穿电压高低低高第四节液体的绝缘性能四.液体电介质的击穿特性1.“小桥”理论(即:“气泡”击穿理论)变压器油的击穿主要原因,在于杂质的影响,而杂质是水分、受潮的纤维和被游离了的气泡等构成，它们在电场的作用下，在电极间逐渐排列成为小桥，从而导致击穿。2.影响液体电介质击穿电压的因素（1）自身品质因素：杂质的多少（含水量、纤维量、气量）通过标准油杯中变压器油的工频击穿电压来衡量油的品质（2）温度（3）电压作用时间加压后短至几个微秒时，表现为电击穿，击穿电压很高当电压作用时间大于毫秒级时，表现为热击穿，击穿电压随作用时间增加而降低（4）电场均匀程度电场愈均匀，杂质对击穿电压的影响愈大分散性也愈大，击穿电压也愈高5.提高液体电介质击穿电压的措施（1）过滤（2）防潮（3）脱气（4）覆盖层（5）绝缘层（6）屏障第四节固体的绝缘性能1.击穿形式(1).电击穿(2).热击穿(3).电化学击穿2.影响因素(1).电压作用时间(2).电场均匀程度与介质厚度(3).电压种类(4).电压作用的累积效应(5).受潮3.提高击穿电压的措施(1).改进制造工艺:尽可能清除介质中的杂质,可以通过精选材料、改善工艺、真空干燥、加强浸渍等方法。(2).改进绝缘设计:尽可能使电场均匀(3).改善运行条件:注意防潮、尘污，加强散热冷却变压器排风散热六.电介质的老化老化的主要形式：电老化和热老化绝缘材料的耐热等级七.描写电介质电性能的四个物理量与对应的四个物理现象1.电介质的极化相对介电系数2.电介质的电导电导率γ3.电介质的损耗介质损失角正切tgδ4.电介质的击穿电场强度E第五节复合绝缘体的特性有机复合绝缘跌落式熔断器

一.大气条件对气体间隙击穿电压的影响1.标准大气条件大气压力P0=101.3kpa温度湿度f0=11g/m32.相对密度的影响相对密度

p=0.289----

T当

在0.95到1.05之间时,空气间隙的击穿电压U与

成正比U=U03.湿度的影响(1).均匀或稍不均匀电场湿度的增加而略有增加,但程度极微,可以不校正(2).极不均匀电场由于平均场强较低,湿度增加后,水分子易吸附电子而形成质量较大的负离子,运动速度,减慢游离能力大大降低,使击穿电压增大.因此需要校正.4.高度的影响随着高度增加,空气逐渐稀薄,大气压力及空气相对密度下降,间隙的击穿电压也随之下降.U=ka

U0

六.

提高气体间隙绝缘强度的方法有两个途径:一个是改善电场分布,使之尽量均匀;另一个是削弱气体间隙中的游离因素.1.改善电场分布的措施(1).改变电极形状(2).利用空间电荷对电场的畸变作用(3).极不均匀电场中采用屏障当屏障与棒极之间的距离约等于间隙的距离的15%-----20%时，间隙的击穿电压提高得最多，可达到无屏障时的2---3倍2.削弱游离因素的措施(1).采用高气压

气体压力提高后，气体的密度加大，减少了电子的平均自由行程，从而削弱了碰撞游离的过程。如高压空气断路器和高压标准电容器等10kv高压标准介损器(2).采用高真空

气体间隙中压力很低时，电子的平均自由行程已增大到极间空间很难产生碰撞游离的程度。如真空电容器、真空断路器等真空电容器真空断路器(3).采用高强度气体SF6气体属强电负性气体,容易吸附电子成为负离子,从而削弱了游离过程.提高压力后可相当于一般液体或固体绝缘的绝缘强度.它是一种无色、无味、无臭、无毒、不燃的不活泼气体，化学性能非常稳定，无腐蚀作用。它具有优良的灭弧性能，其灭弧能力是空气的100倍，故极适用于高压断路器中。七.气体中的沿面放电1.什么叫沿面放电沿着固体介质表面的气体发生的放电沿面放电电压通常比纯空气间隙的击穿电压要低2.界面电场分布的三种典型情况气体介质与固体介质的交界称为界面(1).固体介质处于均匀电场中,且界面与电力线平行;(2).固体介质处于极不均匀电场中,且电力线垂直于界面的分量比平行于界面的分量大得多;类似套管瓷套管变压器用电容套管(3).固体介质处于极不均匀电场中,且电力线平行于界面的分量以垂直于界面的分量大得多.类似支持绝缘子复合支持绝缘子户外高压支持绝缘子3.均匀电场中的沿面放电其放电特点:(1).放电发生在沿着固体介质表面,且放电电压比纯空气间隙的放电电压要低.其原因a.固体介质与电极表面没有完全密合而存在微小气隙,或者介面有裂纹.b.介质表面不可能绝对光滑,使表面电场不均匀.c.介质表面电阻不均匀使电场分布不均匀d.介质表面易吸收水分,形成一层很薄的膜,水膜中的离子在电场作用下向两极移动,易在电极附近积聚电荷,使电场不均匀4.极不均匀电场具有强法线分量时的沿面放电(套管型)(1)放电发展特点:a.电晕放电b.线状火花放电c.滑闪放电d.闪络放电等值电路图(2)影响沿面放电因素分析等值电路图a.固体介质厚度越小，则体积电容越大，沿介质表面电压分布越不均匀，其沿面闪络电压越低；b.同理，固体介质的体积电阻越小，沿面闪络电压越低c.固体介质表面电阻减少，可降低沿面的最大电场强度，从而提高沿面闪络电压(3).提高沿面闪络电