高电压技术o.docx

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高电压技术o

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高电压技术杨保初主编绪论学科地位本课程性质、任务和要求本课程学习方法课程导入一、学科地位电能与人类的生存、发展有密切关系而高电压与绝缘技术是其中一个很重要的知识体系它是支撑电能应用的一根有力的支柱。

二本课程性质、任务和要求高电压技术是电工学科的一个重要分支它主要研究高电压、强电场下各种电气物理问题。

本课程是一门重要的专业技术基础课主要内容包括：

高压电气绝缘高压电气试验电力系统过电压及其保护在电气工程及自动化工程中具有较强的理论性、实践性的应用价值。

通过本课程的学习学生应达到以下要求：

、获得各种电介质的绝缘特性知识、提高抗电强度的方法、了解高电压试验设备原理、试验方法、掌握波过程的基本理论、具有分析计算供电系统中大气过电压、操作过电压的能力、学会限制各种过电压的措施、理解供电系统中绝缘配合的原则本课程学习方法高电压是门实践性很强的学科其中有些内容是用微观和半微观的概念来说明宏观的现象故比较抽象有些内容因为理论和计算很不完善所以有些规律性的东西常用试验数据或经验公式来表达。

在学习过程中重点掌握分析和解决问题的基本思路和方法。

绝缘试验和过压保护等内容还要结合国家标准和规程进行学习。

课程导入高压输电的发展过程英国出现从Deptford到伦敦长达km的kV输电线路德国出现从Lauffen到法兰克福长达km的kV三相输电线路在高压输电行业中习惯上称：

低压kV以下高压kVkV超高压kVkV特高压kV以上高电压实验问题高电压技术是一门工程性很强的学科实验是必不可少的。

高电压试验面临诸如以下问题：

如何产生高压？

如何对电气设备进行高压试验？

如何测量高压？

过电压保护问题电力系统运行过程中经常会导致比工作电压高得多的电压产生如：

自然界的雷击、电力系统本身操作导致的操作过电压等。

电磁环境问题电磁兼容：

高电压高场强下各种电磁干扰信号更强电磁兼容问题也更加突出。

生态效应：

研究强电场、强磁场下对生物生活环境的影响。

气体的绝缘特强度第一章气体放电的基本物理过程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,气体从少量电符会突然产生大量的电符,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（）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（）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（）游离的方式a碰撞游离b光游离c热游离d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其能量可以从以下几个途径获得A、正离子碰撞阴极B、光电效应C、强场发射D、热电子发射带电质点的消失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汤逊理论和巴申定律汤逊放电理论实验装置试验结果均匀电场中气体的伏安特性曲线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（）电子崩在电场作用下电子从阴极向阳极运动而形成的一群电子（）非自持放电去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止（）自持放电不需要外界游离因素存在,放电也能维持下去几个重要概念（）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:

、巴申定律表达式:

P:

气体压力S:

极间距离其曲线称为巴申曲线。

它表明：

如果改变极间距离d的同时也相应的改变气压p而是pd的乘积不变则极间距离不等的气隙的击穿电压却彼此相等。

击穿电压Ub具有极小值提高气压或降低气压到真空都能提高气隙的击穿电压流注理论（）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（）流注理论的要点:

流注理论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（）放电流程图:

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（）流注的特点a、流注发展的速度很快b、主放电通道为细长通道（）流注形成的条件流注形成的条件既是流注的自持放电条件=常数或αd=常数实验研究所得出的常数值为：

αd≈或≈不均匀电场中气隙的放电特性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,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电晕放电的危害降低电晕的方法：

从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。

极性效应（）正棒负板（）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。

（）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。

（）负棒正板（）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。

（）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冲击电压下气隙的击穿特性标准波形雷电冲击波的几个参数波头时间T：

T=（）μs波长时间T:

T=（）μs标准波形通常用符号表示放电时延（）间隙击穿要满足二个条件a一定的电压幅值b一定的电压作用时间c在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子（）统计时延ts通常把电压达间隙的静态击穿电压开始到间隙中出现第一个有效电子为止所需的时间（）放电形成时延tf从第一个有效电子到间隙完成击穿所需的时间（）放电时延tLtL=tstf气体间隙在冲击电压作用下击穿所需全部时间：

t=ttstf其中：

tstf就是放电时延tL冲击放电电压U放电概率为时的冲击放电电压冲击放电电压与静态放电压的比值称为绝缘的冲击系数β伏秒特性（）定义同一波形、不同幅值的冲击电压下间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线（）曲线求取方法（）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（）伏秒特性的应用如图所示：

S被保护设备的伏秒特性曲线S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影响气体放电电压的因素一、电场形式对放电电压的影响、均匀电场中的击穿电压在均匀电场中直流及其工频击穿电压及其％冲击击穿电压大致相同其分散性很小。

当scm时均匀电场中的电气强度约为kvcm、稍不均匀电场中的击穿电压在稍不均匀电场中的击穿电压与电场均匀程度关系极大。

没有能概况各种电场分布的试验数据具体间隙的击穿电压要通过试验才能确定。

但是有这样一个规律电场越均匀同样间隙的击穿电压就越高。

工程上常见的稍不均匀电场形式有球－球、球－板等、极不均匀电场下的击穿电压在极不均匀电场中放电分散性较大且极性效应显著。

间隙距离相同时电场越均匀气隙的击穿电压就越高。

、直流电压下的击穿击穿电压与间隙距离近似成正比其平均击穿场强：

正棒－负板约为kvcm负棒－正板约为kvcm棒棒电极约为kvcm、工频电压下的击穿电压除了起始部分外击穿电压与距离近似成正比帮板间隙约为kvcm比棒棒电极稍微低一些但是当距离大于m后这种关系将出现明显的饱和现象平均击穿场强明显降低棒板间隙尤其严重。

二、电压波形对击穿电压的影响、冲击电压下的击穿电压由于空间电荷的形成扩散和放电时延的统计性很大所以操作冲击击穿的分散性也很大且与距离存在明显的“饱和”现象。

三、气体的性质和状态对气体放电电压的影响标准大气条件大气压力P=kpa温度t=湿度f=gm相对密度的影响相对密度p=T当在到之间时,空气间隙的击穿电压U与成正比U=U湿度的影响（）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（）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=kaU四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改善电场分布的措施（）改变电极形状（）利用空间电荷对电场的畸变作用（）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时间隙的击穿电压提高得最多可达到无屏障时的倍削弱游离因素的措施（）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（）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（）采用高强度气体SF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倍故极适用于高压断路器中。

沿面放电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沿面放电的物理过程气体介质与固体介质的交界称为界面（）固体介质处于均匀电场中,且界面与电力线平行均匀电场中的沿面放电其放电特点:

（）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（）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极不均匀电场具有强法线分量时的沿面放电（套管型）（）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提高沿面闪络电压措施a减少套管的体积电容。

如增大固体介质厚度加大法兰处套管的外经b减少绝缘的表面电阻。

如在套管近法兰处涂半导体漆或半导体釉（）极不均匀电场具有强切线分量时的沿面放电（支柱绝缘子型）由于电极本身的形状和布置己使电场很不均匀故介质表面积聚电荷使电压重新分布不会显著降低沿面闪络电压为了提高沿面闪络电压一般从改进电极形状如采用屏蔽罩和均压环。

户外高压支持绝缘子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柱绝缘子（）绝缘子串的电压分布分析结果：

a绝缘子片数越多电压分布越不均匀b靠近导线端第一个绝缘子电压降最高易产生电晕放电。

在工作电压下不允许产生电晕故对kv及以上电压等级考虑使用均压环影响沿面放电电压的因素、固体介质材料其取决于材料的亲水性或憎水性、电场型式放电电压与电场型式有很大关系如在极不均匀电场中沿面闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压降低得较少因而采取措失提高沿面放电电压的可能幅度也不大。

、气体状态的影响气体压力和湿度对沿面放电电压有显著影响、介质表面情况的影响（）、干闪电压（）、湿闪电压（）、污闪绝缘子表面污秽时的沿面放电户外绝缘子会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污染在干燥时由于污秽尘埃电阻很大绝缘子表面泄漏电流很小对绝缘子安全运行无危险但下雨时绝缘子表面容易冲掉而大气湿度较高或在毛毛雨、雾等气候下污秽尘埃被润湿表面电导剧增使绝缘子的泄漏电流剧增降低闪络电压。

防止绝缘子的污闪应采取措施（）对污秽绝缘子定期或不定期进行清洗（）绝缘子表面涂一层憎水性防尘材料（）加强绝缘和采用防污绝缘子（）采用半导体釉绝缘子（）增加爬距提高沿面放电电压的措施屏障屏蔽表面处理应用半导体涂料阻抗调节