高电压技术1-6高丽.ppt
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1、North China Electric Power University,高电压技术,刘云鹏 高丽,华北电力大学 电气与电子工程学院 高压教研室 2012年2月,0 绪 论,0.1 内容与范畴,North China Electric Power University,高电压技术主要研究高电压(强电场)下的各种电气设备物理问题。它起源于20世纪初期,由于大功率、远距离输电而发展、形成的一门独立学科,属于现代物理学中电学的一个分支。,0.2 中国电力系统电压等级的划分与分类,高压(HV):1KV220KV, 包括:10KV,35KV,110KV,220KV 超高压(EHV):3301000KV
2、, 包括:330KV,500KV,750KV 特高压(UHV):1000KV及以上,交流系统,直流系统,超高压(EHV):500KV 特高压(UHV): 800KV,0.3 研究对象,1.电气设备的绝缘: 绝缘介质(固、液、气体)在电场作用下的电气物理性能和击穿的理论、规律。 高压试验判断、监视绝缘质量的主要试验方法与试验原理。 2.电力系统的过电压: 过电压及其防护过电压的成因与限制措施。,0.4 高电压技术在其它领域的应用,1医学上:利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症; 2农业:高压静电喷药,高电场诱发变异在育种上的应用; 3环保:高压脉冲放电处理污水,电除尘技术; 4军事上:大功率脉冲技术,
3、电磁干扰、电子对抗; 5其它工业:静电喷涂,高压设备制造等。,0.5 课程相关信息,参考书: 高电压绝缘技术,中国电力,严璋,朱德恒 电网过电压教程,中国电力,陈维贤 高电压试验技术,清华,张仁豫 高电压技术,中国电力,赵智大 High-Voltage Engineering,Pergamon Press, E. Kuffel (Canada), W.S. Zaengl, (Switzerland) 学习方法: 理论联系实际 考试: 20%(作业+实验)+80%(闭卷笔试) 答疑安排: 时间:周一上午10:00-12:00 地点:教三楼一楼105室,第一篇 高电压绝缘及实验,第一章 电介质的极
4、化、电导和损耗 第二章 气体放电的物理过程 第三章 气隙的电气强度 第四章 固体液体和组合绝缘的电气强度,第一章 电介质的极化、电导和损耗,电介质有气体、固体、液体三种形态,电介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的。一切电介质在电场的作用下都会出现极化、电导和损耗等电气物理现象。电介质的电气特性分别用以下几个参数来表示:即介电常数r,电导率(或其倒数电阻率),介质损耗角正切tg,击穿场强 E,它们分别反映了电介质的极化、电导、损耗、抗电性能。,绝缘的作用: 绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开,使其没有 电气的联系能保持不同的电位,又称为电介质。 分类: 气体绝缘材料:空气,SF6气体等 固体绝缘
5、材料:陶瓷,橡胶,玻璃,绝缘纸等 液体绝缘材料:变压器油 混合绝缘:电缆,变压器等设备,1.0 电力系统的绝缘材料,1.1 电介质的极化,定义:电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹 性位移和偶极子的转向位移现象,称为电 介质的极化。 效果:消弱外电场,使电介质的等值电容增大。 物理量:介电常数 类型:电子位移极化;离子位移极化; 转向极 化;空间电荷极化。,电子位移极化,一切电介质都是由分子组成,分子又是由原子组成,每个原子都是由带正电荷的原子核和围绕核带负电荷的电子云构成。 当不存在外电场时,电子云的中心与原子核重合,此时电矩为零当外加一电场,在电场力的作用下发生电子位移极化当外电场消失时,
6、原于核对电子云的引力又使二者重合,感应电矩也随之消失。 电场中的所有电介质内都存在电子位移极化。,图1-1 电子位移极化,离子位移极化,在由离子结合成的电介质内,外电场的作用除促使各个离子内部产生电子位移极化外还产生正、负离子相对位移而形成的极化,称为离子位移极化。图l-2表示氯化钠晶体的离子位移极化。,图l-2 氯化钠晶体的离子位移极化,转向极化,在极性电介质中,即使没有外加电场,由于分子中正、负电荷的作用中心不重合。就单个分子而言,就已具有偶极矩,称为固有偶极矩。但由于分子不规则的热运动,使各分子偶极矩方向的排列没有秩序,因此,从宏观而言,对外并不呈现电矩。 当有外电场时,由于电场力的作用
7、,每个分子的固有偶极矩就有转向与外电场平行的趋势,其排列呈现行一定的秩序。但是受分子热运动的干扰,这种转向有秩序的排列。,图l-3 偶极子的转向极化,空间电荷极化,上述的三种极化是带电质点的弹性位移或转向形成的,而空间电荷极化的机理则与上述三种完全不同,它是由带电质点(电子或正、负离子)的移动形成的。 最明显的空间电荷极化是夹层极化。在实际的电气设备中,有不少多层电介质的例子,如电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器的绕组绝缘等,都是由多层电介质组成的。,如图l-4所示,各层介质的电容分别为C1和C2;各层介质的电导分别为G1和G2;直流电源电压为U。 为了说明的简便,全部参数均只标数
8、值,略去单位。 设C1=1,C22,G1=2,G2=1, U3。,当U作用在AB两端极扳上时,其瞬时电容上的电荷和电位分布,如图1-5(a)所示整个介质的等值电容为 。 到达稳态时,电容上的电荷和电位分布如图l-5(b)所示。整个介质的等值电容为 。 分界面上堆积的电荷量为+4-1+3。,特 点,夹层的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值电容的增大这就是夹层极化效应。 夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的。高压绝缘介质的电导通常都是很小的,所以,这种极化过积将是很缓慢的。它的形成时间从几十分之一秒到几分钟甚至有长达几小时的。因此,这种性质的极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。
9、 该极化伴随着能量损耗。 大电容设备进行高压实验后应对设备绝缘进行较长时间放电。,电介质极化种类及比较,1.2 电介质的介电常数,三、液体介质的相对介电常数 1中性液体电介质 :石油、苯、四氯化碳、硅油等均为中性或弱极性液体介质其介电常数不大,其值在1.82.8范围内。,二、气体介质的相对介电常数 一切气体的相对介电常数 都接近于1。 任何气体的相对介电常数均随温度的升高而减小,随压力的增大而增大,但影响都很小。,2极性液体介质: (1)这类介质通常介电常数都较大。但这类介质的缺点是在交变电场中的介质损耗较大,在高压绝缘中很少应用。 (2)影响极性液体介质介电常数的主要因素: a. 介电常数与
10、温度的关系 b. 介电常数与电场频率 f 的关系,四、固体电介质的介电常数,1. 中性或弱极性固体电介质: 只具有电子式极化和离子式极化,其介电常数较小。 介电常数与温度之间的关系与介质密度与温度的关系很接近 2. 极性固体电介质: 介电常数都较大,一般为36,甚至更大。 这类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体的规律。,1.3 电介质的电导,电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。,一. 表征电介质导电性能的物理量电导率 (或:电阻率 ),二、影响介质电导的因素,(2)电场强度,(1)温度 式中 A、B常数; T绝对温度 ; 电导率。 温度升高时,液体介质的黏度降低,离子受电场力作用而移
11、动时所受的阻力减小,离子的迁移率增大,使电导增大;另一方面,温度升高时,液体介质分子热离解度增加,这也使电导增大。 所以在测量电介质的电导或绝缘电阻时,必须注意记录温度。,1.4 电介质中的能量损耗,一.电介质损耗的基本概念 在电场的作用下,电介质由于电导引起的损耗和有损极化(如偶极子极化、夹层极化等)引起的损耗,总称为电介质的损耗。,二. 等效电路与相量图,图中C1 代表介质的无损极化(电子式和离子式极化),C2 R2 代表各种有损极化,而R3则代表电导损耗。,介质损耗角 为功率因数角 的余角,其正切 tg 又可称为介质损耗因数,常用百分数(%)来表示。,三. 简化等效电路与损耗,P = U
12、 I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg 式中 电源角频率; 功率因数角; 介质损耗角。,第二章 气体放电的物理过程,第一节 气体中带电质点的产生和消失 第二节 气体放电机理 第三节 电晕放电 第四节 不均匀电场气隙的击穿 第五节 雷电放电 第六节 气隙的沿面放电,一.带电质点的产生,气体中带电质点的来源有二:一是气体分子本身发生电离(包括撞击电离,光电离、热电离等多种形式);另一是气体中的固体或液体金属发生表面电离。,1.激励在常态下,电子受外界因素影响由低能量级轨道上跃迁到高能量级轨道的现象称为激励。 原子能级 以电子伏为单位 1eV1V1. 610-19C1.6
13、10-19J 原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态,所需能量称为激励能We 激励状态恢复到正常状态时,辐射出相应能量的光子。,2.1 气体中带电质点的产生和消失,2.原子电离:电离是气体放电的首要前提。 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称为原子的电离。 电离过程所需要的能量称为电离能Wi(ev),也可用电离电位Ui(v) 几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位:,3.电离的几种形式 (1)光电离:光辐射引起的气体分子的电离过程。 自然界、人为照射、气体放电过程 频率为的光子能量为W=h 式中 h普郎克常数= 发生空间光电离的条件为
14、 或者 式中 光的波长,m; c光速 Wi 气体的电离能,eV。 对所有气体来说,在可见光(400750nm)的作用 下,一般是不能直接发生光电离的。,(2)撞击电离,主要是电子碰撞游离。原因:1.电子小,自由程长,可以加速到很大的速度。2.电子的质量小,可以加速到很大。,产生条件 :,碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关。 所以提高场强可以使碰撞电离加剧.,(3)热电离:因气体热状态引起的电离过程。 在常温下,气体分子发生热电离的概率极小。 在高温下,例如发生电弧放电时,气体温度可达数千度, 气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离。 所以
15、说热电离是气体在热状态下光电离和撞击电离的综合。,(4)表面电离(阴极) 电子从金属表面逸出需要一定的能量,称为逸出功。主要发生在阴极,原因:阳极自由电子不会向气体中释放。 主要有4种形式: 1. 正离子撞击阴极表面:通常正离子动能不大,可忽略,只有在它的势能等于或大于阴极材料逸出功两倍时,才能引起阴极表面电离,这个条件可满足。 2. 光电子发射: 高能辐射先照射阴极时,会引起光电子发射,其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。 3. 热电子发射: 金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出,称为热电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。 4. 强场发射(冷发射):当
16、阴极表面附近空间存在很强的电场时(106V/cm数量级),也能时阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响;在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用;真空中更起着决定性作用。,当电子与气体分子碰撞时,可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况,这种过程成为附着。易于产生负离子的气体称为电负性气体。 这个过程有时需要放出能量,有时需吸收能量。 负离子的形成不会改变带电质点的数量,但却使自由电子数减少,因此对气体放电的发展起抑制作用。(或有助于提高气体的耐电强度)。如SF6气体对电子有很强的亲和性,因此具有高电气强度。,(5)负离子的形成,二.带电质点在气体中的运动,1.自由行
17、程长度 当气体中存在电场时,其中的带电粒子将具有复杂的运动轨迹,它们一方面与中性的气体粒子(原子或分子)一样,进行着混乱热运动,另一方面又将沿着电场作定向漂移。 各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞。一个质点在每两次碰撞之间自由通过的距离叫自由行程长度。 实际的自由行程长度是随机量,并有很大的分散性。 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。,2.带电粒子的迁移率,带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞,但在电场力的驱动下,仍将沿着电场方向漂移,其速度u与场强E其比例系数k=u/E,称为迁移率,它表示该带电粒子单位场强(1V/m)下沿电场方向的漂移速度。 由于电子的平
18、均自由行程长度比离子大得多,而电子的质量比离子小得多。更易加速,所以电子的迁移率远大于离子。,1. 带电粒子在电场的驱动下作定向运动,在到达电极时,消失于电极上而形成外电路中的电流; 2.带电质点的扩散 气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关。 在热运动的过程中,粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域,从而使每种粒子的浓度分布均匀化,这种物理过程叫扩散。 气压越低或温度越高,则扩散进行的越快。 电子的热运动速度大、自由行程长度大,所以其扩散速度也要比离子快得多。,三.带电质点的消失,37,3.带电质点的复合 正离子和负离子或电子相遇,发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程 在
19、带电质点的复合过程中会发生光辐射,这种光辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素 正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要 一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其浓度,气体放电:气体中流通电流的各种形式。 击穿:当提高气体间隙上的外施电压而大搞一定数值后,电流突然剧增,从而气体失去绝缘性能,气体由绝缘突变为良导体。 沿面闪络:击穿过程发生在气体和液体或气体与固体的交界面上。,2.2 气体放电机理,根据气体压强、电源功率、电极形状等因素的不同,击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化,辉光放电 电弧放电 火花放电
20、 电晕放电 刷状放电,一、气体放电的主要形式,二. 自持放电、非自持放电,1. 非自持放电:外施电压小于U0时,间隙内虽有电流,但其数值甚小,通常远小于微安级,因此气体本身的绝缘性能尚未被破坏,即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电离因素来维持,如果取消外电离因素,那么电流也将消失。 2. 自持放电:当电压达到U0后,气体中发生了强烈的电离,电流剧增。同时气体中电离过程只靠电场的作用已可自行维持,而不再继续需要外电离因素了。,1) 在OA阶段:间隙中的电流随着电压的升高而逐渐增加。其原因在于电压上升,电场增加,带电质点的运动速度较快,复合的几率减小,故更多的带电质点落入到极板间,所以电流上升
21、。 2) AB阶段:电流基本保持不变。其原因在于,这是间隙中几乎所有的带电质点都落入到了极板中,而外界电离因素单位时间内产生的自由电子数是一定的,所以电流并不随电压的增加而增加。 3) BC阶段:电流随这电压的上升而上升。此时出现了新的电离因素,因为此时的电压已经较高,在高场强下产生了碰撞电离,产生了新的带电质点,所以电流增加。 4) C阶段以后:电流急剧增加,这时由于电场强度很高,间隙发生了击穿,放电达到了自持。,三.汤森德气体放电理论,适用条件 低气压、 短间隙的电场中,即,理论要点 电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离 是使带电质点激增,并导致击穿的主要因素。击穿电压大 体上是
22、 的函数.,(一)电 子 崩,外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子如果空间的电场强度足够大,该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离,产生出一个新电子,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,产生出更多的电子。依次类推,电子数将按几何级数不断增多,象雪崩似的发展,这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。,引用三个系数来定量的反映三种因素的作用,(1)系数 ,表示一个电子由阴极到阳极每1cm路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数(平均值)。 (2)系数 ,表示一个正离子由阳极到阴极每1cm路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数(平均值)。 (3)系数 ,表示一个正离子撞击到阴极表面
23、时使阴极逸出的自由电子数(平均值)。 系数 和 与气体的性质、密度及该处的电场强度等因素有关.,(二)电子碰撞电离系数,1. 过程引起的电流,将 的两边都乘以电子电荷及电极的面积,得到相应的电子电流增长的规律为: 式中, -外电离因素引起的起始光电流; 则外回路中的电流为: 对上式的分析: 在仅有 过程时,若 ,则 。也即去掉外电离因素,放电随即停止,该放电是非自持放电。 在不变的情况下(电极间的电场和气体的状态不变),则电极间的电流与极间距离为指数关系。,(三)过程,系数:一个正离子沿着电场方向行经1厘米长度,平均发生的碰撞电离次数。因而和电子相比,正离子在间隙中造成的空间电离过程( 过程)
24、不可能具有显著的作用。 正离子在间隙中造成的空间电离过程不可能具有显著的作用。 正离子向阴极移动,依靠它所具有的动能及位能,在撞击阴极时能引起表面电离,使阴极释放出自由电子来 。,系数:一个正离子撞击阴极表面产生的二次自由电子数量。 上述产生的二次电子同样可引起气体空间的电离。 过程:,影响系数的因素 和电极材料的逸出功有关,也即与电极材料及其表面的状态有关。 与E/P有关,因为离子和光子的动能决定于E/P,因而有: 但在工程实际中在击穿电压的计算中, 一般看作为常数,因为击穿电压对 的反映不灵敏。,(四)自持放电条件,在不均匀电场中,各点的电场强度E不同,所以各处的 值也不同,在这中条件下,
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