高電壓技術(shù)前言及第一章講稿

高電壓技術(shù)前言1.為什么巨大的電能需要通過高電壓輸送2.高電壓技術(shù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和要求高電壓技術(shù)作為工程技術(shù)中的一門學(xué)科是因?yàn)榇蠊β?、遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)展而產(chǎn)生的20世紀(jì)電力發(fā)展特點(diǎn):大機(jī)組大電網(wǎng)高電壓

美國(guó)中國(guó)俄國(guó)單機(jī)(千瓦)120萬(wàn)90萬(wàn)90萬(wàn)電壓(千伏)80050076521世紀(jì)電力發(fā)展特點(diǎn):更加可靠更加開放更加有效更加靈活設(shè)備可靠性隨電壓升高而下降設(shè)備的體積隨電壓升高而增大電壓設(shè)備可靠性體積燃料電池21世紀(jì)最有希望的能源60年代用于宇宙飛船,21世紀(jì)將用于商業(yè).工業(yè)其特點(diǎn):模塊式結(jié)構(gòu)無(wú)環(huán)境污染節(jié)省水電源可分散價(jià)格高1500美金/千瓦

液體和固體電介質(zhì)的絕緣特性

第一章一.電介質(zhì)的極化1.定義電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下沿電場(chǎng)方向作有限位移Qo=CoU2.相對(duì)介電系數(shù)εr表征電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的極化程度3.極化的基本形式：電子式極化、離子式極化、偶極子極化、夾層式極化、（空間電荷極化）。(1)電子式極化其特點(diǎn):a.極化所需時(shí)間極短b.極化時(shí)沒有能量損耗c.溫度對(duì)極化影響極小(2).離子式極化其特點(diǎn):a.極化過程極短b.極化過程無(wú)能量損耗c.溫度對(duì)極化有影響,極化隨溫度升高而增強(qiáng)(3).偶極子式極化其特點(diǎn)a.極化所需時(shí)間較長(zhǎng),因而與頻率有關(guān)b.極化過程有能量損耗c.溫度對(duì)極化影響很大,溫度很高和很低時(shí),極化均減弱(4).夾層式極化其特點(diǎn)在兩層電介質(zhì)的界面上發(fā)生電荷的移動(dòng)和積累,極化過程緩慢,并有損耗二.電介質(zhì)的電導(dǎo)1.定義介質(zhì)在電場(chǎng)作用下,使其內(nèi)部聯(lián)系較弱的帶電粒子作有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)形成電流,即泄漏電流.這種物理現(xiàn)象稱為電導(dǎo).表征電導(dǎo)過程強(qiáng)弱程度的物理量為電導(dǎo)率γ，或它的倒數(shù)電阻率ρo2.介質(zhì)中的電流(1).電容電流ic在加壓初瞬間介質(zhì)中的電子式極化和離子式極化過程所引起的電流,無(wú)損耗,存在時(shí)間極短(2)吸收電流ia有損極化所對(duì)應(yīng)的電流,即夾層極化和偶極子極化時(shí)的電流,它隨時(shí)間而衰減.(3)泄漏電流絕緣介質(zhì)中少量離子定向移動(dòng)所形成的電導(dǎo)電流,它不隨時(shí)間而變化.流過介質(zhì)的電流i由三個(gè)分量組成：3.吸收現(xiàn)象固體電介質(zhì)在直流電壓作用下,觀察到電路中的電流從大到小隨時(shí)間衰減,最終穩(wěn)定于某一數(shù)值,稱為“吸收現(xiàn)象”介質(zhì)干燥和嘲濕,吸收現(xiàn)象不一樣,據(jù)此可判斷絕緣性能的好壞.三.電介質(zhì)的損耗1.損耗的形式(1).電導(dǎo)損耗由泄漏電流引起的損耗.交直流下都存在.(2).極化損耗由偶極子與夾層極化引起,交流電壓下極明顯(3).游離損耗指氣體間隙的電暈放電以及液固體介質(zhì)內(nèi)部氣泡中局部放電所造成的損耗.2.用介質(zhì)損耗角的正切tgδ來(lái)表示介損的意義在交流電壓作用下,由于存在三種形式的損耗,需引入一個(gè)新的物理量來(lái)表征介損的特性.經(jīng)推導(dǎo),介質(zhì)損耗P為

經(jīng)推導(dǎo),介質(zhì)損耗P為由于:(1).P值與試驗(yàn)電壓U的高低等因素有關(guān);(2).tgδ是與電壓、頻率、絕緣尺寸無(wú)關(guān)的量，而僅取決于電介質(zhì)的損耗特性。(3)tgδ可以用高壓電橋等儀器直接測(cè)量.所以表征介損用介質(zhì)損失角的正切tgδ來(lái)表示,而不是用有功損耗P來(lái)表示.3.影響tgδ的因素（1）溫度的影響（2）頻率的影響（3）電壓的影響在電場(chǎng)強(qiáng)度不很高時(shí)，tgδ不變；在電場(chǎng)強(qiáng)度較高時(shí)，tgδ隨電場(chǎng)強(qiáng)度升高而迅速增大氣體的絕緣特性第二節(jié)1.空氣在強(qiáng)電場(chǎng)下放電特性一.氣體電介質(zhì)的放電特性氣體在正常狀態(tài)下是良好的絕緣體,在一個(gè)立方厘米體積內(nèi)僅含幾千個(gè)帶電粒子,但在高電壓下,氣體從少量電荷會(huì)突然產(chǎn)生大量的電荷,從而失去絕緣能力而發(fā)生放電現(xiàn)象.一旦電壓解除后,氣體電介質(zhì)能自動(dòng)恢復(fù)絕緣狀態(tài)輸電線路以氣體作為絕緣材料變壓器相間絕緣以氣體作為絕緣材料2.帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失(1)激發(fā)原子在外界因素作用下,其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)(2)游離原子在外界因素作用下,使其一個(gè)或幾個(gè)電子脫離原子核的束博而形成自由電子和正離子(3)游離的方式a.碰撞游離b.光游離c.熱游離d.金屬表面游離碰撞游離當(dāng)帶電質(zhì)點(diǎn)具有的動(dòng)能積累到一定數(shù)值后，在與氣體原子（或分子）發(fā)生碰撞時(shí)，可以使后者產(chǎn)生游離，這種由碰撞而引起的游離稱為碰撞游離引起碰撞游離的條件：：氣體原子（或分子）的游離能光游離由光輻射引起氣體原子（或分子）的游離稱為光游離產(chǎn)生光游離的條件：h:普朗克常數(shù)ν:光的頻率熱游離氣體在熱狀態(tài)下引起的游離過程稱為熱游離產(chǎn)生熱游離的條件：K:波茨曼常數(shù)T:絕對(duì)溫度金屬表面游離電子從金屬電極表面逸出來(lái)的過程稱為表面游離(4)去游離a.擴(kuò)散帶電質(zhì)點(diǎn)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng).b.復(fù)合正離子與負(fù)離子相遇而互相中和還原成中性原子c.附著效應(yīng)電子與原子碰撞時(shí),電子附著原子形成負(fù)離子二.氣體放電的兩個(gè)理論1.湯遜放電理論.適用條件:均勻電場(chǎng),低氣壓,短間隙實(shí)驗(yàn)裝置均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性分析：oa段:隨著電壓升高，到達(dá)陽(yáng)極的帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)量和速度也隨之增大ab段：電流不再隨電壓的增大而增大bc段：電流又再隨電壓的增大而增大c點(diǎn):電流急劇突增(1).電子崩在電場(chǎng)作用下電子從陰極向陽(yáng)極推進(jìn)而形成的一群電子(2).非自持放電去掉外界游離因素的作用后,放電隨即停止(3).自持放電不需要外界游離因素存在,放電也能維持下去(4).自持放電條件a.電子的空間碰撞系數(shù)α一個(gè)電子在電場(chǎng)作用下在單位行程里所發(fā)生的碰撞游離數(shù)

b.正離子的表面游離系數(shù)γ一個(gè)正離子到達(dá)陰極,撞擊陰極表面產(chǎn)生游離的電子數(shù)自持放電條件可表達(dá)為:綜上所述，將電子磞和陰極上的r過程作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。湯遜理論的實(shí)質(zhì)：電子碰撞電離是氣體放電的主要原因，二次電子來(lái)源于正離子撞擊陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。所逸出的電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。(5)巴申定律a.表達(dá)式:P:氣體壓力S:極間距離b.均勻電場(chǎng)中幾種氣體的擊穿電壓與ps的關(guān)系2.流注理論(1).在ps乘積較大時(shí),用湯遜理論無(wú)法解釋的幾種現(xiàn)象a.擊穿過程所需時(shí)間,實(shí)測(cè)值比理論值小10--100倍b.按湯遜理論,擊穿過程與陰極材料有關(guān),然而在大氣壓力下的空氣隙中擊穿電壓與陰極材料無(wú)關(guān).c.按湯遜理論,氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展,但在大氣中擊穿會(huì)出現(xiàn)有分枝的明亮細(xì)通道(2).理論要點(diǎn):認(rèn)為電子碰撞游離及空間光游離是維持自持放電的主要因素,流注形成便達(dá)到了自持放電條件,它強(qiáng)調(diào)了空間電符畸變電場(chǎng)的作用和熱游離的作用.(3)放電簡(jiǎn)單流程圖:有效電子(經(jīng)碰撞游離)-----電子崩(畸變電場(chǎng))-----發(fā)射光子(在強(qiáng)電場(chǎng)作用下)-----產(chǎn)生新的電子崩(二次崩)-----形成混質(zhì)通道(流注)-----由陽(yáng)極向陰極(陽(yáng)極流注)或由陰極向陽(yáng)極(陰極流注)擊穿.三.不均勻電場(chǎng)中氣隙的放電特性1.電暈放電一定電壓作用下,在曲率半徑小的電極附近發(fā)生局部游離,并發(fā)出大量光輻射,有些像日月的暈光,稱為電暈放電.電暈起始場(chǎng)強(qiáng)開始出現(xiàn)電暈時(shí)電極表面的場(chǎng)強(qiáng)電暈起始電壓開始出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓電暈放電是極不均勻電場(chǎng)所特有的一種自持放電形式2.極性效應(yīng)(1).正棒---負(fù)板分析：a.由于捧極附近積聚起正空間電荷，削弱了電離，使電暈放電難以形成，造成電暈起始電壓提高。b.由于捧極附近積聚起正空間電荷在間隙深處產(chǎn)生電場(chǎng)加強(qiáng)了朝向板極的電場(chǎng)，有利于流注發(fā)展，故降低了擊穿電壓。(2).負(fù)棒---正板分析：a.捧附近正空間電荷產(chǎn)生附加電場(chǎng)加強(qiáng)了朝向棒端的電場(chǎng)強(qiáng)度，容易形成自持放電，所以其電暈起始電壓較低。b.在間隙深處，正空間電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)與原電場(chǎng)方向相反，使放電的發(fā)展比較困難，因而擊穿電壓較高。結(jié)論：在相同間隙下正捧-----負(fù)板負(fù)捧-----正板電暈起始電壓間隙擊穿電壓高低低高第四節(jié)液體的絕緣性能四.液體電介質(zhì)的擊穿特性1.“小橋”理論(即:“氣泡”擊穿理論)變壓器油的擊穿主要原因,在于雜質(zhì)的影響,而雜質(zhì)是水分、受潮的纖維和被游離了的氣泡等構(gòu)成，它們?cè)陔妶?chǎng)的作用下，在電極間逐漸排列成為小橋，從而導(dǎo)致?lián)舸?.影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的因素（1）自身品質(zhì)因素：雜質(zhì)的多少（含水量、纖維量、氣量）通過標(biāo)準(zhǔn)油杯中變壓器油的工頻擊穿電壓來(lái)衡量油的品質(zhì)（2）溫度（3）電壓作用時(shí)間加壓后短至幾個(gè)微秒時(shí)，表現(xiàn)為電擊穿，擊穿電壓很高當(dāng)電壓作用時(shí)間大于毫秒級(jí)時(shí)，表現(xiàn)為熱擊穿，擊穿電壓隨作用時(shí)間增加而降低（4）電場(chǎng)均勻程度電場(chǎng)愈均勻，雜質(zhì)對(duì)擊穿電壓的影響愈大分散性也愈大，擊穿電壓也愈高5.提高液體電介質(zhì)擊穿電壓的措施（1）過濾（2）防潮（3）脫氣（4）覆蓋層（5）絕緣層（6）屏障第四節(jié)固體的絕緣性能1.擊穿形式(1).電擊穿(2).熱擊穿(3).電化學(xué)擊穿2.影響因素(1).電壓作用時(shí)間(2).電場(chǎng)均勻程度與介質(zhì)厚度(3).電壓種類(4).電壓作用的累積效應(yīng)(5).受潮3.提高擊穿電壓的措施(1).改進(jìn)制造工藝:盡可能清除介質(zhì)中的雜質(zhì),可以通過精選材料、改善工藝、真空干燥、加強(qiáng)浸漬等方法。(2).改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì):盡可能使電場(chǎng)均勻(3).改善運(yùn)行條件:注意防潮、塵污，加強(qiáng)散熱冷卻變壓器排風(fēng)散熱六.電介質(zhì)的老化老化的主要形式：電老化和熱老化絕緣材料的耐熱等級(jí)七.描寫電介質(zhì)電性能的四個(gè)物理量與對(duì)應(yīng)的四個(gè)物理現(xiàn)象1.電介質(zhì)的極化相對(duì)介電系數(shù)2.電介質(zhì)的電導(dǎo)電導(dǎo)率γ3.電介質(zhì)的損耗介質(zhì)損失角正切tgδ4.電介質(zhì)的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度E第五節(jié)復(fù)合絕緣體的特性有機(jī)復(fù)合絕緣跌落式熔斷器

一.大氣條件對(duì)氣體間隙擊穿電壓的影響1.標(biāo)準(zhǔn)大氣條件大氣壓力P0=101.3kpa溫度濕度f(wàn)0=11g/m32.相對(duì)密度的影響相對(duì)密度

p=0.289----

T當(dāng)

在0.95到1.05之間時(shí),空氣間隙的擊穿電壓U與

成正比U=U03.濕度的影響(1).均勻或稍不均勻電場(chǎng)濕度的增加而略有增加,但程度極微,可以不校正(2).極不均勻電場(chǎng)由于平均場(chǎng)強(qiáng)較低,濕度增加后,水分子易吸附電子而形成質(zhì)量較大的負(fù)離子,運(yùn)動(dòng)速度,減慢游離能力大大降低,使擊穿電壓增大.因此需要校正.4.高度的影響隨著高度增加,空氣逐漸稀薄,大氣壓力及空氣相對(duì)密度下降,間隙的擊穿電壓也隨之下降.U=ka

U0

六.

提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法有兩個(gè)途徑:一個(gè)是改善電場(chǎng)分布,使之盡量均勻;另一個(gè)是削弱氣體間隙中的游離因素.1.改善電場(chǎng)分布的措施(1).改變電極形狀(2).利用空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用(3).極不均勻電場(chǎng)中采用屏障當(dāng)屏障與棒極之間的距離約等于間隙的距離的15%-----20%時(shí)，間隙的擊穿電壓提高得最多，可達(dá)到無(wú)屏障時(shí)的2---3倍2.削弱游離因素的措施(1).采用高氣壓

氣體壓力提高后，氣體的密度加大，減少了電子的平均自由行程，從而削弱了碰撞游離的過程。如高壓空氣斷路器和高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器等10kv高壓標(biāo)準(zhǔn)介損器(2).采用高真空

氣體間隙中壓力很低時(shí)，電子的平均自由行程已增大到極間空間很難產(chǎn)生碰撞游離的程度。如真空電容器、真空斷路器等真空電容器真空斷路器(3).采用高強(qiáng)度氣體SF6氣體屬?gòu)?qiáng)電負(fù)性氣體,容易吸附電子成為負(fù)離子,從而削弱了游離過程.提高壓力后可相當(dāng)于一般液體或固體絕緣的絕緣強(qiáng)度.它是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭、無(wú)毒、不燃的不活潑氣體，化學(xué)性能非常穩(wěn)定，無(wú)腐蝕作用。它具有優(yōu)良的滅弧性能，其滅弧能力是空氣的100倍，故極適用于高壓斷路器中。七.氣體中的沿面放電1.什么叫沿面放電沿著固體介質(zhì)表面的氣體發(fā)生的放電沿面放電電壓通常比純空氣間隙的擊穿電壓要低2.界面電場(chǎng)分布的三種典型情況氣體介質(zhì)與固體介質(zhì)的交界稱為界面(1).固體介質(zhì)處于均勻電場(chǎng)中,且界面與電力線平行;(2).固體介質(zhì)處于極不均勻電場(chǎng)中,且電力線垂直于界面的分量比平行于界面的分量大得多;類似套管瓷套管變壓器用電容套管(3).固體介質(zhì)處于極不均勻電場(chǎng)中,且電力線平行于界面的分量以垂直于界面的分量大得多.類似支持絕緣子復(fù)合支持絕緣子戶外高壓支持絕緣子3.均勻電場(chǎng)中的沿面放電其放電特點(diǎn):(1).放電發(fā)生在沿著固體介質(zhì)表面,且放電電壓比純空氣間隙的放電電壓要低.其原因a.固體介質(zhì)與電極表面沒有完全密合而存在微小氣隙,或者介面有裂紋.b.介質(zhì)表面不可能絕對(duì)光滑,使表面電場(chǎng)不均勻.c.介質(zhì)表面電阻不均勻使電場(chǎng)分布不均勻d.介質(zhì)表面易吸收水分,形成一層很薄的膜,水膜中的離子在電場(chǎng)作用下向兩極移動(dòng),易在電極附近積聚電荷,使電場(chǎng)不均勻4.極不均勻電場(chǎng)具有強(qiáng)法線分量時(shí)的沿面放電(套管型)(1)放電發(fā)展特點(diǎn):a.電暈放電b.線狀火花放電c.滑閃放電d.閃絡(luò)放電等值電路圖(2)影響沿面放電因素分析等值電路圖a.固體介質(zhì)厚度越小，則體積電容越大，沿介質(zhì)表面電壓分布越不均勻，其沿面閃絡(luò)電壓越低；b.同理，固體介質(zhì)的體積電阻越小，沿面閃絡(luò)電壓越低c.固體介質(zhì)表面電阻減少，可降低沿面的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，從而提高沿面閃絡(luò)電壓(3).提高沿面閃絡(luò)電