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高电压技术,主讲人：黄力 工作单位：三峡大学,第一篇电介质的电气强度,第一章气体放电的基本物理过程,一、几个基本概念 气体放电 气体中流通电流的各种形式。 击穿电压Ub或闪络电压Uf 发生击穿或闪络的最低临界电压。 击穿场强Eb 均匀电场中的击穿电压/间隙距离 平均击穿场强Eb 不均匀电场中的击穿电压/间隙距离 辉光放电 电弧放电 火花放电,二、带电粒子的产生和消失 1、原子的激励和电离 A.原子的能级： 根据原子核外电子的能量状态，原子具有一系列可取的确定的能量状态。 B.原子的激励 原子在外界因素（电场、高温等）作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，原子核外的电子将从离原子核较近的轨道跳到离原子核较远的轨道上去，此过程称为原子的激励（或激发）。 激励能（We，电子伏eV） C.原子的电离 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缚，而形成自由电子和正离子的过程。 电离能（Wi，电子伏eV）,二、带电粒子的产生和消失 2、气体中带电粒子的产生 A.光电离 B.热电离,二、带电粒子的产生和消失 2、气体中带电粒子的产生 C.碰撞电离 气体中产生带电粒子的最重要的方式。 主要是由电子完成。 D.金属的表面电离 逸出功 产生的原因 正离子撞击阴极表面/光电子发射/热电子发射/强场发射,ABC为空间电离，D为表面电离，均有利于电离过程。,二、带电粒子的产生和消失 2、气体中带电粒子的产生 E.负离子的形成 附着过程 电负性气体 氧/氟/氯等 SF6 抑制气体放电的发展,二、带电粒子的产生和消失 3、带电粒子在气体中的运动 A.自由行程长度 平均自由行程长度（） 单位行程中的碰撞次数Z的倒数。 粒子的自由行程长度等于或大于某一距离的概率 定性分析：,二、带电粒子的产生和消失 3、带电粒子在气体中的运动 B.带电粒子的迁移率 带电粒子在单位场强（1kV/m）下沿电场方向的漂移速度。 定性分析：电子的迁移率远大于离子。 C.扩散 带电粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域。 电子的扩散速度比离子快得多。 气压越低，温度越高，扩散越快。,二、带电粒子的产生和消失 4、带电粒子的消失 A.在电场作用下定向运动 B.带电粒子的扩散 C.带电粒子的复合,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 1、非自持放电和自持放电 非自持放电去掉外电离因素的作用后，放电随即停止。 自持放电仅由电场的作用而维持放电。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 2、汤逊气体放电理论 A.过程 （1）电子崩的形成 电子按几何级数不断增多，象雪崩式的发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 2、汤逊气体放电理论 A.过程 （2） 过程引起的电流 电子碰撞电离系数一个电子沿着电场方向行经1cm的长度，平均发生碰撞电离次数平均值。,如图为平板电极气隙，板内电场均匀，设外界电离因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数为n0。,由于碰撞电离和电子崩的结果，在它们到达x处时，电子数已增加为n，这n个电子在dx的距离中又会产生dn个新电子。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 2、汤逊气体放电理论 A.过程 （2） 过程引起的电流 电子碰撞电离系数一个电子沿着电场方向行经1cm的长度，平均发生碰撞电离次数平均值。,根据的定义：,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 2、汤逊气体放电理论 A.过程 （3） 的分析 设电子的平均自由行程为e，运动1cm碰撞1/ e，但不是每次碰撞都引起电离。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 2、汤逊气体放电理论 A.过程 （3） 的分析,所以，在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。,可以看出： 电场强度E增大时，急剧增大； P很大或很小时，都比较小。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 2、汤逊气体放电理论 B.过程 （1） 正离子表面电离系数 一个正离子在电场作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面电离的电子数。 （2） 过程和过程同时引起的电流,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 2、汤逊气体放电理论 B.过程 （1） 正离子表面电离系数 一个正离子在电场作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面电离的电子数。 （2） 过程和过程同时引起的电流 若分母 ，即使除去了外界电离因子（I0=0），放电也能维持下去。 因此过程和过程同时作用，能达到自持放电。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 2、汤逊气体放电理论 C.均匀场中的击穿电压 （1） 自持放电条件,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 2、汤逊气体放电理论 C.均匀场中的击穿电压 （2） 击穿电压和巴申定律 均匀电场气体的击穿电压Ub=自持放电电压U0 将 代入 可推得： 这条曲线称为巴申曲线。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 2、汤逊气体放电理论 C.均匀场中的击穿电压 （2） 击穿电压和巴申定律,左图给出了空气间隙的Ub与pd的关系曲线。从图中可见，首先，Ub并不仅仅由d决定，而是pd的函数；其次Ub不是 的单调函数，而是U型曲线，有极小值。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 2、汤逊气体放电理论 D.汤逊理论的适用范围 （1） 适用范围 均匀电场，低气压，pd值较小（pd200mmHg.cm） （2）局限性 Pd值较大时，解释现象与实际不符。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 3、气体放电的流注理论 A.电子崩 （1）空间电荷对原有电场的影响 （2）空间光电离的作用,上面所说的辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离。如果光子位于强场区，二次电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展，或汇入崩尾。,原有均匀场强在电子崩前方和尾部处都增强了，在这两个强场区中间出现了一个电场强度很小但电子和正离子浓度却最大的区域，使此处产生强烈的复合并发射出许多光子，成为引发新的空间光电离的辐射源。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 3、气体放电的流注理论 B.流注的形成 这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流柱。,流柱理论认为：在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这是放电即转入新的流柱阶段。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 3、气体放电的流注理论 B.流注的形成 这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流柱。,流柱的特点是电离强度很大，传播速度很快（超过初崩发展速度10倍以上）。 出现流柱后放电便获得独立继续发展的能力，而不在依赖外界电离因子的作用可见出现流柱的条件也就是自持放电条件。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 3、气体放电的流注理论 C.击穿 这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流柱。,二次崩的电子进入初崩通道后，便与正离子群构成了导电的等离子通道，一旦等离子通道短接了两个电极，放电即转为火花放电或电弧放电。,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 3、气体放电的流注理论 D.均匀电场中的击穿电压 即：流注形成条件初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值。,实验研究所得的常数值为,三、均匀电场中气体击穿的发展过程 3、气体放电的流注理论 E.对pd很大时放电现象的解释 流柱理论能够说明Townsend理论无法解释的一系列高气压、长气隙下出现的放电现象。 放电外形/放电时间/阴极材料,注意：这两种理论各适用一定条件下的放电过程，不能用一种理论来代替另一种理论。,四、不均匀电场中的放电过程 1、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征 均匀电场 放电达到自持，间隙即被击穿，击穿前看不到放电迹象 稍不均匀电场 与均匀电场相似 极不均匀电场 场强高的空间先发生电晕放电 电场如何区分,四、不均匀电场中的放电过程 2、电晕放电 A.电晕放电的一般描述 极不均匀电场的自持放电现象 B.电晕起始电压和电晕起始场强 由于影响因素多，常利用实验方法求取，再利用表面电场强度和所加电压的关系推导出计算电晕起始场强Ec的经验公式。 以输电线路导线为例：（皮克公式）,四、不均匀电场中的放电过程 2、电晕放电 C.电晕放电两种形式 电子崩形式 流注形式 D.电晕放电的利弊 E. 防止和减轻电晕的方法 根本的途径是设法限制和降低导线的表面电场强度。 可采用扩径导线和空心导线，更加合适的措施是采用分裂导线。 分裂导线的电场强度与分导线的直径和分导线间的距离 d 有关。在某一最佳值d0 时最大电场强度会产生一极小值。,330-750kV的超高压线路，分裂数一般取2-4； 1000kV及以上的特高压线路分裂数就更多，例如取8或更大。,分裂导线：每相都用若干根直径较小的平行分导线来替换大直径导线。分裂数超过两根时，这些分导线通常被布置在一个圆的内接正多边形顶点上。,四、不均匀电场中的放电过程 3、极性效应 A.正极性,正空间电荷,削弱的棒极附近的电场强度,加强了正离子群外部空间的电场,四、不均匀电场中的放电过程 3、极性效应 B.负极性,负空间电荷,削弱的朝向板极方向的电场强度,加强了朝向棒极端的电场强度,综合考虑， 棒极为正极性时，不容易发生电晕放电，但是起晕后到完全击穿电压低； 棒极为负极性时，容易发生电晕放电，但起晕后，受空间电荷影响，使完全击穿电压升高。,在进行外绝缘的冲击高压试验时往往加正极性冲击电压，因为这时电气强度较低。在工频高压作用下，击穿均发生在外加电压为正极性的那半周内。,四、不均匀电场中的放电过程 4、长气隙放电 流柱往往不能一次贯穿整个气隙，而出现逐级推进的先导放电现象。 流柱发展到足够长度后，会出现新的强电离过程，通道的电导大增，形成先导通道，引起新的流柱，导致先导进一步伸展。 所加电压达到或超过该气隙的击穿电压时，先导贯通整个气隙，使气隙击穿。 热电离在先导放电和主放电阶段均有重要的作用。,五、冲击电压下的气隙击穿 1、放电时间 A.气隙击穿必备条件 足够大的电场强度或足够高的电压； 气隙中存在有效电子； 需要有一定的时间。 B.放电时间的组成 放电的总时间 tb 由三部分组成,tb = tl + ts + tf ts 统计时延，指从 tl 到气隙中出现第一个有效电子； tf放电形成时延，从出现有效电子到最终击穿,tlag = ts + tf tlag放电时延,五、冲击电压下的气隙击穿 2、冲击电压波形的标准化 A.标准雷电冲击电压波 用来模拟电力系统中的雷电过电压波，采用非周期性双指数波。,国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为： T1=1.2s，容许偏差30% ； T2=50s，容许偏差20%； 通常写成1.2/50s，可在前面加上正、负号表示极性。,五、冲击电压下的气隙击穿 2、冲击电压波形的标准化 B.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落后出现的截尾冲击波。,国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为： T1=1.2s，容许偏差30% ； T2=25s，容许偏差20%； 通常写成1.2/25s，可在前面加上正、负号表示极性。,五、冲击电压下的气隙击穿 2、冲击电压波形的标准化 C.标准操作冲击电压波 用来等效模拟电力系统中操作过电压波，一般也用非周期性双指数波。,波前时间Tcr=250s, 容许偏差20%； 半峰值时间T2=2500s, 容许偏差60% 。 可写成250/2500s冲击波。,衰减震荡波，第一个半波的持续时间在20003000s之间，极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80%,五、冲击电压下的气隙击穿 3、冲击电压下的气隙击穿特性 A.50%冲击击穿电压 工程实际中广泛采用击穿百分比为50%时的电压U50%来表征气隙的冲击击穿特性。 U50%与Us之比称为冲击系数 均匀和稍不均匀电场下冲击击穿电压的分散性很小， 冲击系数 1。 极不均匀电场中由于放电时延较长，冲击系数均大于1，冲击击穿电压的分散性也较大，其标准偏差可取 3% 。,五、冲击电压下的气隙击穿 3、冲击电压下的气隙击穿特性 B.伏秒特性 同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，空气间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线。 伏秒特性的制订方法,保持冲击电压波形不变，逐渐提高冲击电压的峰值。电压不高时击穿一般发生在波尾，电压很高时击穿百分比达到100% ，放电时间大大缩短，击穿可发生在波头部分。在波头时如右图 3 点，无疑取击穿瞬间的电压为该气隙的击穿电压；在波尾击穿时取该冲击电压的峰值作为击穿电压图中点1 和点2 。每档电压重复施加时气隙放电时间均相同（或以多个放电时间的平均值作为放电时间），可得出如图所示的伏秒特性曲线。,五、冲击电压下的气隙击穿 3、冲击电压下的气隙击穿特性 B.伏秒特性 同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，空气间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线。 伏秒特性的制订方法,实际上伏秒特性具有统计分散性，是一个以上下包线为界的带状区域，为了方便的解决工程实际问题，通常采用将平均放电时间各点相连所得的平均伏秒特性或 50% 伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿电压。,五、冲击电压下的气隙击穿 3、冲击电压下的气隙击穿特性 B.伏秒特性 同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，空气间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线。 伏秒特性的制订方法 电场均匀程度对曲线的影响,不均匀电场由于平均击穿电场强度较低,而且流注总是从强场区向弱场区发展,放电速度受到电场分布的影响,所以放电时延长,分散性大,其伏秒特性曲线在放电时间还相当大时,便随时间之减小而明显地上翘,曲线比较陡. 均匀或稍不均匀电场则相反,由于击穿时平均场强较高,流注发展较快,放电时延较短,其伏秒特性曲线较平坦.,五、冲击电压下的气隙击穿 3、冲击电压下的气隙击穿特性 B.伏秒特性 同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，空气间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线。 伏秒特性的制订方法 电场均匀程度对曲线的影响 实际意义,S1被保护设备的伏秒特性曲线 S2保护设备的伏秒特性曲线,为了使被保护设备得到可靠的保护,被保护设备绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线.,六、沿面放电和污闪事故 1、沿面放电的一般概念 A.沿面放电 沿着固体介质表面发展的气体放电现象。 B.闪络 若沿面放电发展到贯穿性的空气击穿，称为闪络。 沿面闪络电压比气体或固体单独存在时的击穿电压都低。,六、沿面放电和污闪事故 2、沿面放电的类型与特点,六、沿面放电和污闪事故 2、沿面放电的类型与特点 A.均匀和稍不均匀电场中的沿面放电 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很多。 原因： 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； 介质表面不可能绝对光滑，使表面电场不均匀； 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， 介质表面电阻不均匀使电场分布不均匀。,六、沿面放电和污闪事故 2、沿面放电的类型与特点 B.极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电,电晕放电,细线状辉光放电,滑闪放电,闪络,局部温升,热电离,滑闪放电,六、沿面放电和污闪事故 2、沿面放电的类型与特点 C. 极不均匀电场垂直分量很弱时的沿面放电 不出现热电离和滑闪放电。 平均闪落场强大于前一种有滑闪放电时的情况。,六、沿面放电和污闪事故 3、沿面放电电压的影响因素和提高方法 A. 影响因素 固体介质材料 主要取决于该材料的亲水性或憎水性。 电场形式 同样的表面闪络距离下均匀与稍不均匀电场闪络电压最高。 界面电场主要为强切线分量的极不均匀电场中，闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压低的较少；强垂直分量极不均匀电场则低得很多。,六、沿面放电和污闪事故 3、沿面放电电压的影响因素和提高方法 B. 提高方法 以套管为例。 加大法兰处瓷套的外直径和壁厚； 在法兰处电场较强的瓷套外表面涂半导体漆或半导体物； 额定电压大于35kV的高压套管，还必须采用能调节径向和轴向电场分布的电容式套管和绝缘性能更好的充油式套管。,六、沿面放电和污闪事故 4、固体表面有水膜时的沿面放电 湿闪电压 洁净的瓷面或玻璃表面被雨水淋湿时的沿面放电，相应的电压称为湿闪电压。 放电的三个途径 绝缘子表面的水膜是不均匀和不连续的； 沿湿表面AB和干表面BCA发展； 沿湿表面AB和空气间隙BA发展； 沿湿表面AB和水流BB发展。,在设计时对各级电压的绝缘子应有的伞裙数、伞的倾角、伞裙直径、伞裙伸出长度与伞裙间气隙长度的比均应仔细考虑、合理选择。,六、沿面放电和污闪事故 5、绝缘子污染状态下的沿面