高电压技术(电工学科)ppt课件.ppt

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1、高电压技术,学科地位 本课程性质、任务和要求 本课程内容 教材及主要参考书 课程导引,绪 论,一 学科地位,有一位知名教授把最高品质能量形态的电能有关知识和技术体系称为电气电子工程学，它可理解为图示的三柱组成的体系,对高电压与绝缘技术可这样理解：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。,高电压绝缘技术将抓住成为梦之能源的核聚变发电、超导应用、大陆间送电、直流系统、电能储藏、高性能蓄电池等大量课题进一步发展下去。,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。,

2、本课程是一门重要的专业技术基础课，主要内容包括：,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。,高压电气绝缘,高压电气试验,电力系统过电压及其保护,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,三 本课程内容,四 教材及主要参考书,包括课堂、习题、实验三大部分。,教材：张一尘，高电压技术，中国电力出版社，2005,动力系统、电力系统和电力网示意图如下图所示：,图0-1 动

3、力系统、电力系统和电力网示意图,高压输电的发展过程,1890 英国出现从Deptford到伦敦长达45km的 10kV输电线路,1891 德国出现从Lauffen到法兰克福长达170km 的15kV三相输电线路,电力工业作为能源工业的主力而受到极大重视，在发达家的能源消费比例中，电能占一多半。,采用750KV的国家有：美、苏、日、德、英、法、加、意八国AEP（美国电力公司）和ASEA（瑞典通用电力公司）联合对2000KV进行了实验，技术上没有问题，已经开始进行1500-2000KV线路和变电所初步设计,电力的大容量和远距离传输，促使电压等级的不断提高。100年来世界上的输电电压提高了100倍。

4、目前我国最高电压等级为750kV。,在高压输电行业中，习惯上称：,低 压 35kV以下,高 压 35kV-100kV,超高压 100kV-1000kV,特高压 1000kV以上,直流输电,20世纪50年代中期以来，随着各方面的技术的进步，直流输电的优越性逐步得到体现，许多国家又逐步开始发展直流输电。我国多条远距离的西电东送线路即为直流输电线路。,直流输电,直流电压因为不能利用变压器，所以交流输电最先得到迅速发展。,我国各大电网现有的变电及配电电压等级为：,交流：500kV，220kV，110kV，(66kV)35kV，10kV,直流：正负500kV 西北电网电压等级为750kV,330kV，2

5、20kV，100kV， 35kV，10kV 目前正在着手西北地区750kV输变电工程的设计、实 施,现代电力设备的可靠性很大程度上取决于绝缘的可靠性,一位电力部门的官员表示，圣诞节期间超负荷用电可能是变电站崩溃的一个主要原因。在圣诞节前，旧金山到处张灯结彩，很多家庭也点亮圣诞树庆祝节日。这是美国今年的第二次大规模停电，在8月份的美加大停电事件中，美国经济损失至少为100亿美元。,高电压、高场强下的特殊问题,绝缘问题,没有可靠的绝缘，高电压高场强甚至无法实现。在一定的电压形式下，必须选择合理的绝缘材料，设计合理的绝缘结构。,绝缘问题,高电压技术是一门工程性很强的学科，实验是必不可少的。,高电压实

6、验问题,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。,为了保护电力系统中的电力设备，必须研究：,各种过电压的特点及形成条件,各种保护装置及其保护特性,电压、绝缘、保护三者之间的绝缘配合,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。,高电压下特殊现象及其应用,高电压学科的特有现象可以举出很多，其中一些已得到应用，并有很好的发展

7、前景，已成为国内外广泛开展研究的方向。,静电技术及应用,利用静电技术人们制成静电除尘器，其除尘效率达99%以上。,液电效应及应用,液电效应是液体电介质在高电压、大电流放电时伴随产生的力、声、光、热等效应的总称。利用此原理可以制成碎石机、铸件清砂装置等，已得到广泛应用。,线爆技术及应用,强大的电流通过金属线时，会使金属线熔化、气化、爆炸，可以对难熔金属、难镀材料喷涂，也可用线爆来模拟高空核爆炸或地下核爆炸。,脉冲功率技术及应用,脉冲功率技术在许多高科技领域、尖端武器领域得到广泛应用，目前脉冲功率技术正向着高电压、大电流、窄脉冲、高重复率的方向发展。,小 结,高电压技术是一门重要的专业技术基础课；

8、 随着电力行业的发展，高压输电问题越来越得到人们 的重视；,高电压、高场强下存在着一些特殊的物理现象；,高电压试验在高电压工程中起着重要的作用。,第一章 气体的绝缘特性,电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为： 气体介质 液体介质 固体介质,在电气设备中:,外绝缘:,一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成,内绝缘:,一般由固体介质和液体介质联合构成,空气在强电场下放电特性,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,

9、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,1-1 气体介质中带电质点的产生与消失,研究在电场作用下，气体中带电粒子的形成与运动,名词解释,激发（激励）游离（电离）复合附着效应,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,h:普朗克常数,:光的频率,，只有各种短波长的高辐射线才能使气体产生游离。,附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。,负离

10、子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。,带电粒子的消失,带电粒子的消失可能有以下几种情况： 带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达 电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；,带电粒子因扩散而逸出气体放电空间；,带电粒子的复合。,1-2 均匀电场中气体间隙的放电特性,气体放电的主要形式 自持放电 非自持放电汤逊放电理论（Townsend）流注理论 汤逊放电理论适用条件:均匀电场,低气压,短间隙。,单位行程中的碰撞次数Z的倒数 即为该粒子的平均自由行程长度。,1-2 均匀电场中气体间隙的放电特性,流注理论,(1).在ps乘积较大时,用汤

11、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

12、(阴极流注)击穿.,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,一 电子崩的形成,外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。,第1-3节 不均匀电场中的放电过程,稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征,电晕放电,极不均匀电场的放电过程,一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征,均匀电场是一种少有的特例，在实际电力设施中常见的却是不均匀电场。,f4属不均匀电场。,由于电场强度沿气隙的分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较

13、小的电极附近空间的电场强度首先达到了起始场强E0，因而在这个局部区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电。,二、电晕放电,电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，流传最广的是皮克公式，电晕起始场强近似为：,在雨、雪、雾天气时，导线表面会出现许多水滴，它们在强电场和重力的作用下，将克服本身的表面张力而被拉成锥形，从而使导线表面的电场发生变化，结果在较低的电压和电场强度下就会出现电晕放电。,电晕放电的危害,电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，坏天气时电

14、晕损耗要比好天气时大得多。,电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。,电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。,在列举电晕放电所引起的危害之后，也应提到它有利的一面，例如：,2.在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度。,3.操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。,4.电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。,电晕放电的有利之处：,三、极不均匀电场的放电过程1、短气隙极不均匀电场的放电过程,在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与

15、该电极极性无关。但后来的发展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与该电极的极性有密切的关系。极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。,2、极性效应 决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电位符号：,在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如“棒-板”气隙。,在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的那个电极上的电位，如“棒-棒”气隙。,下面以电场极不均匀的“棒-板”气隙为例，从流注的概念出发，说明放电的：,发展过程,极性效应,（一）正极性,如图所示，棒极带正电位时，电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和 ，棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离

16、子。,这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢而暂留在棒极附近。,这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，而加强了正离子群外部空间的电场，因此当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区亦将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的。,（二）负极性,如图1-13（a）所示： 棒极负极性时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区后，虽不能再引起碰撞电离，但仍继续往板极运动。,在图1-13（b）中 ：留在棒极附近的也是大批正离子，这时它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间的电场，电场情况如图1-13（c）所示。,所以，当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整个气隙击穿将是

17、不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多，完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多。,输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电压的作用下，击穿发生在外加电压为正极性的那半周内。,在进行外绝缘的冲击电压实验时，也往往施加正极性冲击电压，因为此时电气强度较低。,在棒-板间隙，由于高压形成的电场导致开始时的流注通道发展到足够的长度后，将有更多电子沿通道流向电极，电子在运动过程中，由于碰撞引起气体温度升高。通道根部通过的电子最多，因此温度最高，当根部温度达到数千度时，气体产生热游离，于是从根部出发形成炙热的高游离火花通道先导通道，由于先导通道中有大量的导

18、电离子，改变了整个通道的电场环境，形成了流注通道（a)，温度的升高加剧了电子崩的过程，在流注通道头部形成新的电子崩(b)，当电子崩发展到一定程度，形成新的流注通道和先导通道(c)，新的流注通道头部再次产生新的电子崩(d)。,1-4 雷电冲击电压下气隙的击穿特性,1.标准波形 为检测设备绝缘耐受雷电冲击电压的能力，在实验室中可以利用信号发生器产生高压，以模拟雷电放电引起的过电压，我国规定的高电压波形如图所示：,2.放电时间衡量被测设备被电压击穿时的击穿特性。,(1).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,(2).统计时延t s,通常把电压达间隙的静态击穿电压U0开始

19、到间隙中出现第一个有效电子为止所需的时间,(3).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（电子崩、流注、主放电）,(4).放电时延tL,tL=ts+tf,3. 50%冲击放电电压U50% 当 较小时，设备中气体状态不变，说明没有被击穿，设备有一定的绝缘能力，如果逐渐提高电压，气体就有可能被击穿， U50%就是用来描述设备绝缘耐受冲击电压能力的参数。 由于设备中气体被击穿有一定的分散性，当电压达到一定数值后，气体出现击穿现象，但可能是有时出现，有时不出现，所以在工程上规定，当实验重复时，在该电压下有50%的可能被击穿，则该电压被称为此设备的U50%。,50%冲击放电电压与静态

20、放电压的比值称为绝缘的冲击系数,为工频击穿电压,4. 伏秒特性,(1) 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 目的是更好地描述间隙的击穿特性，确定保护方法，特性主要通过实验数据获得。方法是对间隙保持采用标准的冲击电压波形，逐渐升高电压幅值，得到间隙的放电电压幅值和放电时间的关系曲线，由于间隙放电时间具有分散性，因此，伏秒特性不是一根曲线，而是一个带状区域。,(2) 曲线求取方法,(3) 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,几种典型击穿电压均匀电场： 30KV/cm2. 正棒-负板： 4.5KV/cm3. 负棒-正板：

21、10KV/cm4. 棒-棒： 4.85.0KV/cm,1-5 操作冲击电压下气体的击穿特性,当电力系统在操作或发生事故时，因状态的突然变化而导致电路中电感、电容发生谐振引起的过电压现象称为操作过电压。 测试的标准波形与雷击波形相似：250/2500us。 主要对象：300KV以上的高压工频电网，特别是线与地之间。 数值：当S=120M范围时：最小击穿电压为： U=3.4/（1+8/S） MV,1-6 大气条件对气体间隙击穿电压的影响,前面介绍的不同气隙在各种电压下的击穿特性均对应于标准大气条件和正常海拔高度。,由于大气的压力、温度、湿度等条件都会影响空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着

22、过程，所以也必然会影响气隙的击穿电压。,海拔高度的影响亦与此类似，因为随着海拔高度的增加，空气的压力和密度均下降。,对空气密度的校正,对湿度的校正,对海拔的校正,正由于此，在不同大气条件和海拔高度下所得出的击穿电压实测数据都必须换算到某种标准条件下才能互相进行比较。,国标规定的大气条件：,压力：p0=101.3kPa(760mmHg)；,温度：t0=20摄氏度或T0=293K；,绝对湿度：hc=11g/m3。,相对密度,p=0.289- T,当在0.95到1.05之间时,实验数据表明空气间隙的击穿电压U与几乎成正比,U= U0,一、对空气密度的校正,气隙不很长(例如不超过1m)时：上式能足够准

23、确地适用于各种电场型式和各种电压类型下作近似的工程估算。,更长的空气间隙：击穿电压与大气条件变化的关系，并不是一种简单的线性关系，而是随电极形状、电压类型和气隙长度而变化的复杂关系。,除了在气隙长度不大、电场也比较均匀或长度虽大、但击穿电压仍随气隙长度呈线性增大(如雷电冲击电压)的情况下，上式仍可适用外，其他情况下的空气密度校正因数应按下式求取：,式中指数m，n与电极形状、气隙长度、电压类型及其极性有关，其值在0.41.0的范围内变化,具体取值国家标准中有规定。,二、对湿度的校正,大气中所含的水气分子能俘获自由电子而形成负离子，这对气体中的放电过程显然起着抑制作用，可见大气的湿度越大，气隙的击

24、穿电压也会增高。,在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场强度都较大，电子的运动速度较快，不易被水气分子所俘获，因而湿度的影响就不太明显，可以忽略不计。,在极不均匀电场中，湿度的影响就很明显了，这时可以用下面的湿度校正因数来加以修正：,式中的因数k与绝对湿度和电压类型有关，而指数之值则取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。,三、对海拔的校正,我国幅员辽阔，有不少电力设施(特别是输电线路)位于高海拔地区。随着海拔高度的增大，空气变得逐渐稀薄，大气压力和相对密度减小，因而空气的电气强度也将降低。,海拔高度对气隙的击穿电压和外绝缘的闪络电压的影响可利用一些经验公式求得。,我国国家标准

25、规定：对于安装在海拔高于1000m、但不超过4000m处的电力设施外绝缘，其试验电压U应为平原地区外绝缘的试验电压Up乘以海拔校正因数足Ka即：,1-7 提高气体间隙绝缘强度的方法,一、一个是改善电场分布,使之尽量均匀; 改进电极形状； 利用空间电荷畸变电场的作用。二、另一个是削弱气体间隙中的游离因素。,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,5、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,6、强电负性气体的应用,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。,