高电压技术最全总结

第 1 章 气体的绝缘强度 1.1 气体放电的基本物理过程 1.1.1 气体中带电质点的产生和消失 气体电介质的放电特性 绝缘介质：气体、固体、液体及其复合介质 空气在强电场下放电特性： 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。气体由绝缘状态突变为良导电状态过程称为击穿。 放电形式： 辉光放电、火花放电、电弧放电 、电晕放电 产生带电质点途径：本身游离、金属表面游离 激励：当外界给予原子一定的能量使内层电子获得能量不能脱离原子核的束 缚，只能跃迁到标志着能量更高的、离原子核较远的轨道上去时，该原子就处 于激励状态，原子的位能也增加，这一过程叫激励。 激励能：原子激励所需能量等于较远轨道与正常轨道的能级之差 游离：电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程 游离能 ：若吸收的外界能量足够大，使得原子中一个或几个电子脱离原子核 的束缚而形成自由电子，中性原子失去电子成为正离子，该原子就被游离了。 这一过程称为原子的游离过程，所需能量称为游离能 。 电晕放电：在电场不均匀的情况下（导线或电极表面的）电场强度超过碰撞游 离阈值时发生的气体局部自持放电现象。因在黑暗中形同月晕而得名。 即局 部满足自持放电条件的现象。 气体电解质优点： 一旦电压解除后, 气体电介质能自动恢复绝缘状态，气体放电理论比液体 和固体的放电理论完整
图 1.9 标准雷电冲击电压全波及截波波形 T1 －波前时间；T2－半峰值时间； Tc－截波时间；Tj－截波视在持续时间 b. 操作冲击电压 长波头冲击波的波形： T1=250μs±20％， T2=2500μs±60％ 对于不同极性：+250/2500μs 或-250/2500μs 衰减振荡电压波 第一个半波的持续时间在 2000—3 000 之 间，反极性的第二半波的峰值约为第一个 半波峰值的 80％ 2. 放电时延 1)升压时间 t0 2)统计时延 ts 3)放电发展时 间 tf 3. 伏秒特性 放电时间的形成 工程上用气隙上出现的电压最大值与放电时间的关系来表征气隙在冲击电压 下的击穿特性，称为气隙的伏秒特性 伏秒特性的绘制 1,2-波尾击穿 3-波头击穿
间隙击穿电压 低 高 极不均匀电场的放电特点： 气隙较小时，间隙放电大致可分为电子崩、流注和主放电阶段。 长间隙的放电则可分为电子崩、流注、先导和主放电阶段。间隙越长，先导过 程就发展得越充分。 1.1.5 冲击电压下气体间隙的击穿特性 1.标准波形 a.雷电冲击电压 标准雷电波的波形： T1=1.2±30％μs， T2=50±20％μs
3
导线直径 (mm) －－
对于不同极性：+1.2/50μs 或-1.2/50μs 2.极性效应 原则：决定极性要看表面场强较强的那个电极 所具有的极性。 在两个电极 几何形状不同 的场合(如棒. 板间隙)，极性取决于大曲率 的 那个 电极 的 极 性，而在两个电极几 何形状相同的场合(如棒. 棒间隙)，则极性 取 决 于 不 接 地的那个电极的极性。 负极性棒－板间隙击穿电压比正极性棒－板电极高 ， 完成击穿时间比正极 性时间长。 A 正棒-负板 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。 B 负棒-正板 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 电晕起始电压 正捧-----负板 高 负捧 -----正板 低
1 2 mv = eEx ≥ Wi 2
条件：x ≥
Ui E
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，分裂成正离子和电子，这种由碰撞而引起的游 离称为碰撞游离 当原子或分子有可能在外界给予的能量小于电离能但大于激励能时发生的 激励称为分级电离 （2）光游离 由光辐射引起气体原子（或分子）的游离称为光游离 （3）热游离 因气体分子热运动状态引起的游离称为热游离。 其实质仍是碰撞游离和光游离，能量来源不同而已。 （4）表面游离 ——放在气体中的金属电极表面游离出自由电子的现象 逸出功：使电子从金属便面逸出所需要的功 金属表面游离的途径 （1）正离子撞击阴极 （2）光电子发射
4
用实验确定间隙伏－秒特性的方法： 对同一间隙，施加一系列标准波形的冲击 电压，使间隙击穿，用示波器记录击穿电压 U 与击穿时间 t。 l－0％伏秒特性； 2－100％伏秒特性； 3－50％伏秒特性； 4－50％冲击击穿电压； 5－0％冲击击穿电压 (即静态击穿电压)
续升高到 9～10 万伏时，沿玻璃板表面出现弧光放电。 1.3.1 沿面放电的物理过程 1）固体介质处于均匀电场 l－纯空气击穿；2－石蜡；3－陶瓷；4－与电极接触不紧 密的陶瓷 2）电场强度具有较弱的垂直于表面的分量 支柱绝缘子 3）电场强度具有较强的垂直于表面的分量 1 － 导杆 2 － 法兰
非自持放电：完全消除外界的电离能量时，放电电流随之消失。 自持放电：不管外界有没有电离能量，放电电流都持续的放电。 辉光放电的主要应用是利用其发光效应（如霓虹灯、日光灯）以及正常辉光放 电的稳压效应（如氖稳压管） 。 利用它的发光效应（如霓虹灯）和正常辉光放 电的稳压特性(如氖稳压管)。利用辉光放电的正柱区产生激光的特性，制做氦 氖激光器。 当高压电源的功率不太大时，高压电极间的气体在强电场的作用下被击 穿，产生明亮、曲折、狭窄且有分叉的电火花，并伴随爆裂声，这种形式的自 激导电叫火花放电。火花放电的击穿电压与气体的性质和压强、电极的形状和 大小以及电极间距离等因素有关。雷电就是一种强大的火花放电现象 1．气体中带电质点的产生 （1）碰撞游离
图 1.1 气体间隙放电实验原理图及其伏安特性 (a)实验原理图； (b)气隙中的伏安特性 外施电压小于 U0 时的放电是非自持放电。电压到达 U0 后，电流剧增， 间 隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。 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
电子碰撞电离系数 α：代表一个电子沿电力线方 向行经 1cm 时平均发生 的碰撞电离次数。 公式推导省去 U0：放电的起始电压（气隙转入良好的导电状态，即气体发生击穿）
(a) 原始电子崩； (b)发展中的流注 流注的形成条件就是流注理论的自持放电条件 放电过程 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. 1.1.4 不均匀电场中的放电过程 电场的不均匀系数：
2
非自持放电： 去掉外界游离因素的作用后，放电随即停止 外施电压<Uc 自持放电 不需要外界游离因素存在，只依靠电场就能维持下去的放电也叫火花放电 汤逊自持放电判据： 放电形式 辉光放电：放电路径分布在整个电极间的空间里 电弧放电：电极间导电性非常好的一种自持放电，是气体放电的最终阶段， 电 弧放电的特征是维持放电的电压低，而流过的电流比较大。 电晕放电：电场不均匀的情况下，间隙中只是一部分发生电离，这种局部满足 自持放电条件的放电现象称为电晕放电。 火花放电：火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内，只是沿着 狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。 均匀电场可发生 ：辉光放电 火花放电 电弧放电 不均匀电场可发生：电晕放电 巴申定律—自持放电的放电电压 1.1.3 流注理论 在 pd 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，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。 c.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 流注的形成条件 流注理论认为电子的碰撞 游离和空间光游离是形成 自持放电的主要因素，并 且强调了空间电荷畸变电 场的作用
(a)均匀电场；(b)有强垂直分量的极不均匀电场； (c)有弱垂直分量的极不均匀电场 在高压屏蔽笼内左上方空中悬挂着一块正方形的玻璃板， 在玻璃板的两侧有两 个圆形电极，一个电极接到高压上，另一个接地。当电极间的电压升到 2～3 万伏时，可以看到圆形电极附近出现蓝色光晕，称为电晕放电；电压继续升高 到 5～6 万伏，蓝光也随之增强，称为辉光放电；当电压升高到 7～8 万伏时， 在玻璃板表面上将会出现树枝状的放电现象， 这种放电称为滑闪放电；电压继
伏秒特性实际分散情况 2us 冲击击穿电压 50％击穿电压 1 影响沿面放电电压的因素 1. 电场分布情况和电压波形的影响 2. 介质材料的影响 3. 气体状态的影响 4. 电介质表面情况的影响 1)表面被雨淋湿的沿面放电 湿闪电压 760 + p 试验电压计算： s = U s0 1520 2)污秽的影响 污闪 1.3.3 影响绝缘子污闪的因素 1. 作用电压 2. 湿润程度 3.污秽程度 防污闪措施 1. 增加绝缘子片数或采用防污型绝缘子 2. 定期清扫或更换绝缘子
ke = E
max
Eav
Ke<2，稍不均匀电场（GIS） Ke>4，极不均匀电场 （输电线） 1. 电晕放电 电晕放电： 在电场极不均匀时，随间隙上所加电压的升高，在大曲率电极附 近很薄一层空气中将具备自持放电条件， 放电仅局限在大曲率电极周围很小范 围内，而整个间隙尚未击穿，这种放电称为电晕放电 。 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式 电晕起始电压 开始出现电晕时的电压 电晕起始场强 开始出现电晕时电极表面的场强 电晕放电的起晕场强（公式请自己填写） 三相对称时，起晕场强 电晕损耗功率计算 电晕放电的危害： 1, 能量损耗 2 高频电磁波 3 使空气发生化学反应 4 噪声污染 电晕放电的对策： 1, 改变电极形状，增加电极曲率半径 2 采用分裂导线（220kV 2 分裂或 不分裂，330kV 2 分裂，500kV 4 分裂，750kV 6 分裂） 表 1.3 不必校验电晕的导线最小直径 额定电压 (kV) 60 以下 110 9.6 154 13.7 220 21.3 330 2×21.3