高電壓技術(shù)第一章1.空氣在強(qiáng)電場下放電特性：高電壓技術(shù)的基本任務(wù)一.氣體電介質(zhì)的放電特性宇宙射線與放射性物質(zhì)作用，氣體中約含1000對/cm3帶電粒子,電場作用形成電導(dǎo)電流特點：帶點質(zhì)子少，電導(dǎo)電流極小，絕緣良好氣體放電：在高電壓下(臨界值),氣體從少量電荷會突然產(chǎn)生大量的電荷,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)能自動恢復(fù)絕緣狀態(tài)氣體在正常狀態(tài)下是良好的絕緣體：架空輸電線、線路與鐵塔、變壓器引入引出線

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火花放電：大氣壓/更高氣壓之下電弧放電：電源功率大，內(nèi)阻小，大電流溫度高局部放電：極不均勻電場發(fā)生，電暈放電氣體不同放電形式2.帶電質(zhì)點的產(chǎn)生與消失(1)激發(fā)：不穩(wěn)定狀態(tài)，自恢復(fù)原子在外界因素作用下,其電子由近軌道躍遷到能量較高的遠(yuǎn)軌道的過程(2)游離(電離)：穩(wěn)定狀態(tài)，游離能大原子在外界因素作用下獲得足夠能量,使其一個或幾個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a.碰撞游離

當(dāng)帶電質(zhì)點具有的動能積累到一定數(shù)值后，在與氣體原子（或分子）發(fā)生碰撞時，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b.光游離

由光輻射引起氣體原子（或分子）的游離光能以不連續(xù)的光子形式發(fā)出產(chǎn)生光游離的條件：h:普朗克常數(shù)ν:光的頻率C：光速c.熱游離氣體在熱狀態(tài)下引起的游離過程稱為熱游離熱游離：碰撞游離+光游離產(chǎn)生熱游離的條件：K:波茨曼常數(shù)T:絕對溫度d.金屬表面游離電子從金屬電極表面逸出來的過程稱為表面游離原因：氣體放電存在電流循環(huán)，必然有陰極發(fā)射電子的過程。逸出功：電子從金屬電極表面逃離所需的能量，1~5eV。逸出功<游離能表面游離方法：金屬電極加熱、正離子碰撞、短波光照射電極、強(qiáng)電場作用相對性：游離與去游離同時發(fā)生，矛盾的對立面a.擴(kuò)散帶電質(zhì)點從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運動，濃度

趨于平均.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特點：異號帶點質(zhì)點濃度越大，復(fù)合越激烈

強(qiáng)烈的游離區(qū)=強(qiáng)烈的復(fù)合區(qū)復(fù)合過程光輻射光游離c.附著效應(yīng)電子與原子碰撞時,電子附著原子形成負(fù)離子特點：附著過程釋放能量，親合能電負(fù)性氣體：容易吸附電子形成負(fù)離子的氣體，O2，Cl2，F(xiàn)2，F(xiàn)6S作用：有助于提高氣體絕緣強(qiáng)度(4)去游離：帶點質(zhì)點從游離區(qū)削弱、消失的過程二.氣體放電的兩個理論1.湯遜（Townsend）放電理論.適用條件:均勻電場,低氣壓,短間隙實驗裝置意義：整個理論雖有較大局限性；但是對電子崩發(fā)展過程的分析奠定氣體放電研究基礎(chǔ)初始狀態(tài)：外界光源照射，自由帶點質(zhì)點達(dá)到一定密度。均勻電場中氣體的伏安特性伏安特性分析：oa段:隨著電壓升高，到達(dá)陽極的帶電質(zhì)點數(shù)量和速度也隨之增大ab段：帶點質(zhì)點全部參與導(dǎo)電，電流不再隨電壓的增大而增大bc段：出現(xiàn)電子游離碰撞，電流又再隨電壓的增大而增大Uo:臨界電壓，電流急劇突增，氣隙導(dǎo)電U>Ub電流劇增原因：外界游離因素陰極光電子發(fā)射自由電子碰撞游離帶電質(zhì)點指數(shù)增加電子崩(2).非自持放電：間隙未被擊穿U>Uo去掉外界游離因素的作用后,放電隨即停止(3).自持放電：U>Uo不需要外界游離因素存在,放電也能維持下去起始放電電壓：非自持放電轉(zhuǎn)為自持放電的電壓(1).電子崩在電場作用下電子從陰極向陽極推進(jìn)而形成的一群電子低氣壓、短氣隙氣體放電過程(4).自持放電條件a.電子的空間碰撞游離系數(shù)α

一個電子在電場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一個正離子到達(dá)陰極,撞擊陰極表面產(chǎn)生游離的電子數(shù)電子崩發(fā)展規(guī)律：自持放電條件可表達(dá)為:物理意義：(1-14)(5)巴申定律：遠(yuǎn)早于湯遜總結(jié)的氣體放電規(guī)律基于湯遜放電理論，推導(dǎo)均勻電場氣隙放電電壓的影響因素。a.表達(dá)式:P:氣體壓力S:極間距離巴申定律：氣體種類和材料一定時，擊穿電壓UF是壓力P和極間距離S乘積的函數(shù)b.均勻電場中幾種氣體的擊穿電壓與PS的關(guān)系在某一個PS值下，UF去最小值，最有利于游離。S一定，P增大，自由行程縮短，擊穿電壓升高；反之，自由行程增加，但碰撞次數(shù)減少，擊穿電壓仍然升高。P一定，S增大，同理分析。(1).在ps乘積較大時,用湯遜理論無法解釋的幾種現(xiàn)象a.擊穿過程所需時間,實測值比理論值小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關(guān).c.按湯遜理論,氣體放電應(yīng)在整個間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展,但在大氣中擊穿會出現(xiàn)有分枝的明亮細(xì)通道湯遜理論局限性：沒有考慮空間電荷對電場的畸變作用和光游離作用電子崩中空間電荷對均勻電場中造成的畸變電子崩頭部集中電子，離子原地挪移，濃度從尾部遞增；在電子崩前方和尾部的場強(qiáng)均增強(qiáng)，中間變小；有利于復(fù)合，強(qiáng)烈的復(fù)合輻射大量光子，誘發(fā)光電離；2.流注理論初崩頭部放出的光子在崩頭前方和崩尾后方引起空間光電離并誘發(fā)二次電子崩二次電子崩與初崩匯合形成等離子通道(流注)；流注出現(xiàn)的條件：初崩頭部空間電荷數(shù)量必須達(dá)到某一臨界值電極所加電壓恰好等于U0，初崩需跑完整個氣隙才能積攢足夠的電荷。引起流注的過程較慢。兩極所加電壓與流注產(chǎn)生快慢的關(guān)系(2).理論要點:

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)了空間電荷畸變電場的作用和熱游離的作用.(3)放電簡單流程圖:有效電子(經(jīng)碰撞游離)-----電子崩(畸變電場)-----發(fā)射光子(在強(qiáng)電場作用下)-----產(chǎn)生新的電子崩(二次崩)-----形成混合通道(流注)-----由陽極向陰極(陽極流注)或由陰極向陽極(陰極流注)擊穿.三.不均勻電場中氣隙的放電特性均勻電場：理想情況稍不均勻電場：一旦出現(xiàn)自持放電，整個氣隙立即擊穿極不均勻電場：放電特性極不一樣，曲率半徑小的電極

周圍場強(qiáng)先達(dá)到臨界值電場不均勻系數(shù)：三.不均勻電場中氣隙的放電特性不均勻電場：稍不均勻電場：全封閉組合電器（GIS）極不均勻電場：高壓輸電線之間空氣絕緣全封閉組合電器GIS1.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.特點：放電區(qū)域狹窄、間隙未擊穿電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自持放電形式實際絕緣結(jié)構(gòu)電場分布多樣性，以棒——棒、棒——板間隙電場作為典型研究放電特性分析電暈起始場強(qiáng)：開始出現(xiàn)電暈時電極表面的場強(qiáng)電暈起始電壓：開始出現(xiàn)電暈時的電壓經(jīng)驗公式：分裂導(dǎo)線表面場強(qiáng)與分裂距關(guān)系架空線電暈放電利與弊330kV~750kV：分裂數(shù)2~4>=1000kV：分裂數(shù)>=8弊：能量損耗；高頻電磁波干擾無線通信；臭氧和氧化氮，腐蝕線路利：削弱輸電線路雷電沖擊波；衰減操作過電壓、用于靜電噴涂、電除塵長時電壓作用下空氣間隙放電特性1.距離增加，間隙由稍不均勻電場轉(zhuǎn)變?yōu)闃O不均勻電場，在較低電壓出現(xiàn)電暈放電；2.電暈起始電壓取決于曲率半徑，間隙距離S對其影響較小3.S增大，平均擊穿場強(qiáng)下降4.擊穿電壓取決于間隙距離，與電極形狀關(guān)系不大。工程中根據(jù)棒——板或棒——棒間隙擊穿特性曲線選擇絕緣距離2.極性效應(yīng)：擊穿電壓與棒的極性有關(guān)(1).正棒---負(fù)板棒附近游離的電子首先形成電子崩，電子崩的電子迅速進(jìn)入棒極，剩下正離子緩慢向板極移動正空間電荷削弱棒極附近電場加強(qiáng)間隙深處電場共同點：間隙電場分布極不均勻曲率半徑小的棒極附近電場最強(qiáng)。分析：a.由于棒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.由于棒極附近積聚起正空間電荷在間隙深處產(chǎn)生電場加強(qiáng)了朝向板極的電場，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.棒附近正空間電荷產(chǎn)生附加電場加強(qiáng)了朝向棒端的電場強(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)生的附加電場與原電場方向相反，使放電的發(fā)展比較困難，因而擊穿電壓較高。結(jié)論：在相同間隙下正棒-----負(fù)板負(fù)棒-----正板電暈起始電壓間隙擊穿電壓

高低

低高四.雷電沖擊電壓下氣隙的擊穿特性1.標(biāo)準(zhǔn)波形：電力系統(tǒng)中大量實測得到的雷電過電壓波形制訂幾個參數(shù)波前時間T1：T1=(1.230%)μs半峰值時間T2:T2=(5020%)μs標(biāo)準(zhǔn)波形通常用符號

表示2.放電時延(1).間隙擊穿要滿足二個條件a.一定的電壓幅值b.一定的電壓作用時間(2).統(tǒng)計時延ts

通常把電壓到達(dá)間隙的靜態(tài)擊穿電壓Uo開始到間隙中出現(xiàn)第一個有效電子為止所需的時間(3).放電形成時延tf從第一個有效電子到間隙完成擊穿所需的時間(4).放電時延tLtL=ts+tf氣體間隙在沖擊電壓作用下?lián)舸┧枞繒r間：t=t1+ts+tf其中：ts+tf

就是放電時延tL；Ts與外加電壓、光照輻射強(qiáng)度有關(guān)，外加電壓升高，ts減小；光照輻射強(qiáng)度增加，ts減小；3.50%沖擊放電電壓U50%放電概率為50%時的沖擊放電電壓50%沖擊放電電壓與靜態(tài)放電壓的比值稱為絕緣的沖擊系數(shù)βpu擊u50%50%4.伏秒特性(1)定義同一波形、不同幅值的沖擊電壓下，間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時間的關(guān)系曲線工程上，用伏秒特性曲線表征沖擊電壓作用的擊穿特性為何需要考慮伏秒特性：雷電沖擊電壓時間短，作用時間以us計，放電時延不可忽略(2)曲線求取方法實驗方法求取曲線：保持沖擊電壓波形不變，逐漸升高沖擊電壓幅值，獲得U-t關(guān)系(3)電場均勻程度對曲線的影響

不均勻電場由于平均擊穿電場強(qiáng)度較低,而且流注總是從強(qiáng)場區(qū)向弱場區(qū)發(fā)展,放電速度受到電場分布的影響,所以放電時延長,分散性大,其伏秒特性曲線在放電時間還相當(dāng)大時,便隨時間之減小而明顯地上翹,曲線比較陡.

均勻或稍不均勻電場則相反,由于擊穿時平均場強(qiáng)較高,流注發(fā)展較快,放電時延較短,其伏秒特性曲線較平坦.(4)實際意義：考慮保護(hù)設(shè)備與被保護(hù)設(shè)備的絕緣配合S1被保護(hù)設(shè)備的伏秒特性曲線，S2保護(hù)設(shè)備的伏秒特性曲線由上面兩圖可知：同一過電壓作用下，保護(hù)設(shè)備先動作，限制過電壓幅值若S1與S2相交，短時放電情況保護(hù)設(shè)備后動作，被保護(hù)設(shè)備先擊穿，無法達(dá)到保護(hù)。為了使被保護(hù)設(shè)備得到可靠的保護(hù),被保護(hù)設(shè)備絕緣的伏秒特性曲線的下包線必須始終高于保護(hù)設(shè)備的伏秒特性曲線的上包線.五.大氣條件對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f0=11g/m3擊穿電壓影響因數(shù)：大氣壓力、溫度、濕度不同大氣條件下，擊穿電壓需要折算到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件2.相對密度的影響相對密度：試驗條件下的密度與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的密度之比當(dāng)=0.95~1.05之間時,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).極不均勻電場由于平均場強(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,運動速度減慢，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密度下降,間隙的擊穿電壓也隨之下降.海拔高度為1000m~4000m電氣設(shè)備絕緣擊穿電壓：U=ka

U0

六.提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法兩個途徑:改善電場分布,使之盡量均勻;削弱氣體間隙中的游離因素.1.改善電場分布的措施(1).改變電極形狀：增大電極曲率半徑電極表面及邊緣盡量光滑使用數(shù)值軟件計算最佳外形(2).利用空間電荷對電場的畸變作用僅在持續(xù)電壓作用下有效，在雷電沖擊電壓作用無效(3).極不均勻電場中采用屏障屏障通常置于正棒——負(fù)板之間，置于負(fù)棒——正板之間作用不大。屏障阻止正離子運動，削弱屏障左邊的電場，使屏障右邊電場變均勻。當(dāng)屏障與棒極之間的距離約等于間隙的距離的15%~20%時，間隙的擊穿電壓提高得最多，可達(dá)到無屏障時的2~3倍。2.削弱游離因素的措施：高氣壓、電負(fù)性氣體、高真空(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(2).采用高真空

氣體間隙中壓力很低時，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).采用高絕緣強(qiáng)度氣體：SF6，CCl2F2SF6氣體屬強(qiáng)電負(fù)性氣體,容易吸附電子成為負(fù)離子,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.無色、無味、無臭、無毒、不燃的不活潑氣體，化學(xué)性能非常穩(wěn)定，無腐蝕作用。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)生的放電沿面閃絡(luò)：沿面放電發(fā)展成貫穿性放電沿面閃絡(luò)電壓通常比純空氣間隙的擊穿電壓要低影響因素：絕緣子表面狀態(tài)、污染程度氣候條件2.界面電場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)處于均勻電場中,且界面與電力線平行;(2).固體介質(zhì)處于極不均勻電場中,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.均勻電場中的沿面放電其放電特點:(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.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，局部放電降低閃絡(luò)電壓.b.介質(zhì)表面不可能絕對光滑,使表面電場不均勻.c.介質(zhì)表面電阻不均勻使電場分布不均勻d.介質(zhì)表面易吸收水分,形成一層很薄的水膜,水膜中的離子在電場作用下向兩極移動,易在電極附近積聚電荷,電極附近場強(qiáng)增加，使電場不均勻水膜電阻較大，離子電荷積累需要一定時間，故水膜對沖擊電壓作用下的閃絡(luò)電壓影響不大4.極不均勻電場具有強(qiáng)法線分量時的沿面放電(套管型)(1)放電發(fā)展特點:電暈放電：套管法蘭盤附近電場很強(qiáng)，放電于此開始電壓逐漸升高達(dá)到一定值，法蘭盤邊緣的空氣首先發(fā)生游離，形成電暈放電。b.線狀火花放電：套管內(nèi)電壓繼續(xù)升高，放電火花向外延伸，放電區(qū)逐漸形成平行的細(xì)線狀火花隨外施電壓的提高而增加c.滑閃放電：介質(zhì)表面通道熱游離為特征具體過程：電壓升高，放電電流增大，火花通道某些地方溫度升高。電壓升高到一定值，溫度升高導(dǎo)致氣體熱游離，通道中帶點質(zhì)點急劇增加火花通道頭部電場增強(qiáng)，形成淺藍(lán)色、強(qiáng)光亮、有分叉的樹枝狀火花d.閃絡(luò)放電：電壓繼續(xù)升高，滑閃火花到達(dá)另一電極，形成沿面閃絡(luò)。(2)影響沿面放電因素分析等值電路圖由于R與C的存在，沿套管表面的電流不相等越近法蘭（B點），電流越大，單位距離的壓降也越大，電場也越強(qiáng)B處的電場最強(qiáng)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.電壓變化速度越快，頻率越高，分流作用就越大，沿面閃絡(luò)電壓越低若固體介質(zhì)表面電阻減少，則可降低沿面的最大電場強(qiáng)度，從而提高沿面閃絡(luò)電壓結(jié)論：(3).提高沿面