高电压技术(电工学科)

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。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。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，220kV，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；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：1.气体介质2.液体介质3.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,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ν: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1.气体放电的主要形式自持放电非自持放电2.汤逊放电理论（Townsend）3.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(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。为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数f，表示为：vEEfmaxEmax：最大电场强度vE:平均电场强度dUEvf2时为稍不均匀电场，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：)/)(3.01(30cmkVrmEc—空气相对密度；m—导线表面粗糙系数，光滑导线，绞线的9.0~8.0mr—导线半径（cm）1m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。1.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