1、高电压技术,李 化 ,第1篇 电介质的电气特性,1 气体电介质的绝缘特性,2,3,课程回顾,汤逊理论自持放电条件 适用范围 Pd27kPacm 空间碰撞电离/表面电离巴申定律 巴申曲线 碰撞次数与电离概率,3,放电外形汤逊理论解释：放电外形均匀，如辉光放电；pd大时的实际现象：外形不均匀，有细小分支； 放电时间：Tpd大T汤逊 击穿电压：与实测值有较大差异 阴极材料影响 汤逊理论解释：阴极材料对放电有影响(过程）；pd大时的实际现象：阴极材料对放电无影响，eg 雷电放电,4,课程回顾,流注理论-高气压长间隙,4,如果外施电压比击穿电压高，则电子崩不需要经过整个间隙，其头部电离程度足以形成流注负
2、流注，向阳极发展（发展速度）,特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场（使原来均匀的电场变成了不均匀电场）的作用 放电过程,5,课程回顾,5,流注形成的条件就是自持放电条件,初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值 既: ed常数 或d常数（ed为电子崩头部的电子数） 实验所得初崩头部的电子数要达到108时，放电才能转为自持。 当Pd（或d）小于临界值时，则无论E大或小，d均达不到发展流注需要的最小值，也就不可能发展流注。临界值约为27kPacm。,一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电； 如果电场均
3、匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。,流注形成的条件,1 气体电介质的绝缘特性,6,7, 均匀电场,放电达到自持，间隙立即被击穿，击穿前看不到放电迹象 平板电极, 稍不均匀电场,放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电便一定立即导致整个气隙击穿，击穿电压取决于极间距离。 测高电压的球隙, 极不均匀电场,特有的两大特征 电晕放电：极不均匀电场所特有的一种自持放电形式； 极性效应：放电过程与电极的极性有关； 典型的极不均电场 棒棒（针针）： 棒板（针板）：,1.3 不均匀电场中气体的击穿,1.3.1稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点,8,d2
4、D，电场较均匀，其放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电， 立即导致整个气隙击穿，击穿电压取决于极间距离。,d4D，电场分布极不均匀，电压增加到某一临界值，存在电晕放电。外 加电压进一步增大，表面电晕层扩大，并出现刷状的细火花，火花变长 ，最终导致气隙完全击穿。,2D4D，过渡区域，放电过程不稳定，放电电压分散性大。,电场的均匀程度可以根据是否产生稳定的电晕来划分。,1击穿电压； 2电晕起始电压； 3放电不稳定区,9,式中：Emax最大电场强度；Eav 平均电场强度；,电场不均匀系数 f,引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度,在稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿现象，此
5、时间隙中平均电场强度比均匀电场间隙的略小，因此在同样极间距离时稍不均匀场间隙的击穿电压较均匀场间隙的要低；在极不均匀场间隙中自持放电条件即是电晕起始条件，由发生电晕至击穿的过程还必须提高电压才能完成。,1.2 不均匀电场中气体的击穿,1.2.1稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点,10,Axial (left) and radial (right) views of discharge with rod electrode,紫外成像拍摄的电晕,11,电晕放电极不均匀电场所特有的一种自持放电现象；,电晕放电的概念,发生电晕放电现象的条件,电场极不均匀时，曲率大的电极附近很小范围内已达相当数值时，
6、间隙中大部分区域值都仍然很小，放电达到自持放电后，间隙没有击穿电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大 电晕放电由于局部强场区的放电过程造成。,1.2 不均匀电场中气体的击穿,1.3.2 极不均匀电场中的电晕放电现象,12,一、电晕放电的特点,电晕放电的表现：咝咝的声音、臭氧的气味、电极附近空间蓝色的晕光； 化学反应产生新物质，O3、NO、NO2； 回路电流明显增加(绝对值仍很小)，可以测量到能量损失； 产生高频脉冲电流。,电晕起始场强Ec开始出现电晕时电极表面的场强； 电晕起始电压Uc开始出现电晕时的电压；,1.3 不均匀电场中气体的击穿,1.3.2 极不均匀电场中的电晕放电现象,
7、电晕起始电压由于它的影响因素很多，通常利用实验的方法求取，然后推倒出相应计算电晕起始场强的经验公式。,13,电晕放电的两种形式,电子崩形式,流注形式,电极曲率大，电晕层薄，且比较均匀，放电电流比较稳定，自持放电采用汤逊放电形式，即出现电子崩式的电晕。随着电压升高，电晕层不断扩大个别电子崩形成流注，出现放电脉冲现象，开始转入流注形脉冲放电。电极曲率小，则电晕一开始就很强烈，一旦出现就采取流注形式。电压进一步升高，个别流注强烈发展，出现刷状放电，放电的脉冲现象更加强烈，最后贯穿间隙，导致间隙完全击穿。冲击电压下，电压上升快，来不及出现分散的大量电子崩，因此电晕一开 始也是流注形式,14,电晕放电的
8、脉冲现象,试验装置,（1）电压很低时，放电电流极小，电流波形不规则。（2）当电压升高到一定数值（与极性有关）后，突然出现比较显著的电流，电流具有规律性的重复脉冲波形。（3）电压继续升高，电流脉冲幅值不变，但频率增高，脉冲更形密集，甚至前后交叠，平均电流不断加大（极性不同时，脉冲波形有些不同，同一电压下的频率也不同）。（4） 电压继续升高到一定程度（与极性有关）后，高频脉冲突然消失，转入持续电晕阶段，但电流仍继续随电压增高而加大。（5） 电压再进一步增加，临近击穿时出现刷状放电，这时又出现不规则的强烈电流脉冲，这种现象在正极性下更为明显。（6） 最后发生击穿。,15,17,原因：空间电荷的影响,
9、工程问题：电晕的产生伴随着高频脉冲将产生电磁波并传播到空间。特别是工频电压下的电晕，由于每半周内都存在起始及熄灭阶段，总能辐射出大量电磁波。所以，交流输电线路发生电晕后，将造成电磁波干扰（无线电干扰）,18,19,二、输电线路的电晕放电,d,r,可以利用电晕放电的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高其击穿电压。,20,电晕起始场强的求取（皮克公式） 以输电线路为例式中 m导线表面粗糙系数，光滑导线的m1, 绞线的m 0.820.9，局部电晕0.72, 空气相对密度； r 导线半径，cm 。,注意：在雨、雪、雾等坏天气时，导线表面的水滴使导线表面电场发生变化，降低了电晕起始电压和起始场强。
10、,水滴电场作用变成锥形,21,能量损失：空间电荷运动构成电晕电流，空气间隙保持绝缘，虽然电晕电流不大，但比线路绝缘的泄露电流大得多。空间电荷的运动需要电源供给能量，这部分能量成为输电线路电晕损耗的主要部分，而使空气电离所消耗的能量较小。无线电干扰：脉冲现象产生高频电磁波，干扰通讯和测量，还可能产生超过环保标准的噪声。,电晕放电的不利影响,对于500750kV的超高压输电线路，在天气好时电晕损耗一般不超过几个W/km，而在坏天气时，可以达到100 W/km以上。 因此在设计超高压线路时，需要根据不同天气条件下电晕损耗的实测数据和线路参数，以及沿线路各种气象条件的出现概率等对线路的电晕损耗进行估算
11、。,1000kV 水平距离最边相导线20m、频率为0.5MHz的无线电干扰值,输电电压等级的提高，电晕问题也越来越突出,减小电晕的方法,导线表面场强将随着电压的升高而增大，在工作电压下，导线的工作场强就有可能超过电晕起始场强，引起电晕损耗和无线电干扰,增大线间距离d 或增大导线半径 r。 一般采取适当增大导线直径的办法 为节省导线材料，通常采用分裂导线的解决办法，即每相导线由2根或2根以上的导线组成。使得导线表面场强得以降低。,降低导线表面场强的方法：,24,不必验算电晕的导线直径最小值,据我国架空送电线路设计技术规程规定，在海拔不超过1000m的地区，如导线直径不小于表11所列的数值，一般不
12、必验算电晕。此时导线表面工作场强已低于电晕起始场强。通常导线在正常运行时的电场强度为电晕起始场强的80以上。,发光、发热，损失能量； 使空气发生化学反应，产生O3、NO、NO2等，引起腐蚀作用； 脉冲现象产生高频电磁波，干扰通讯和测量，还可能产生超过环保标准的噪声。,电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度；利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电压 材料表面处理、水处理、静电除尘、静电喷涂、臭氧发生器等,雷击线路,引起线路上发生电晕,电晕导致发光、发热,损失雷电冲击电压的能量,减小设备上的雷电过电压,有利于保护设备绝缘,26,材料表面处理,臭氧发生器,污水处理,极不均匀电场中的放电存在明显的
13、极性效应。, 短间隙极不均匀电场中的放电过程（棒板间隙）, 正极性（正棒负板）,非自持放电阶段 棒极附近强场区域内形成电子崩，电子崩头部的电子被棒极中和，在棒极附近空间留下许多正离子， 积聚起的正空间电荷，减少了紧贴棒极附近的电场，而略微加强了外部空间的电场，棒极附近难以造成流注，使得自持放电、即电晕放电难以形成,1.2 不均匀电场中气体的击穿,1.3.3 极不均匀电场中的放电过程,流注发展阶段 电子崩进入棒电极，正电荷留在棒尖加强了前方（板极方向）的电场； 电场的加强对形成流注发展有利。头部前方产生新电子崩，吸引入流注头部正电荷区内，加强并延长流注通道； 流注及其头部的正电荷使强电场区向前移
14、，促进流注通道进一步发展，逐渐向阴极推进，形成正流注, 正极性（正棒负板）,正空间电荷 （正极性）,削弱棒极附近电场,棒极附近难以形成流注，起始电晕电压高,加强了正空间电荷外部朝向板极的电场,有利于流注向间隙深处发展，故其击穿电压低,正空间电荷积聚，削弱了电离,积聚的正空间电荷在间隙深处加强电场, 正极性（正棒负板）, 负极性（负棒正板）,非自持放电阶段 电子崩中电子离开强电场区后，难以再引起电离，正离子逐渐向棒极运动，在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，使电场畸变 棒极附近的电场得到增强，因而自待放电条件就易于得到满足，易于转入流注而形成电晕放电,流注发展阶段 电子崩由强场区向弱场区发展，
15、对电子崩发展不利。棒极前的正电荷区消弱了前方（阳极方向）空间的电场，使流注发展不利 等离子体层前方电场足够强后，发展新电子崩，形成了大量二次电子崩，汇集起来后使得等离子体层向阳极推进，形成负流注, 负极性（负棒正板）,正空间电荷 （负极性）,加强棒极附近电场,棒极附近易于形成流注，起始电晕电压低,削弱了正空间电荷外部朝向板极的电场,不利于流注向间隙深处发展，放电发展困难，故其击穿电压高,正空间电荷积聚，加强了电离,积聚的正空间电荷在间隙深处减弱电场, 负极性（负棒正板）,结论,在相同气隙下,放电进一步发展,外电压较低时，流注通道深入间隙一段距离后，就停止不前了，形成电晕放电或刷状放电 外电压足
16、够高时，流注通道将一直达到另一电极，从而导致间隙完全击穿,间隙距离较长时，流注通道中的电子及流注的部分电子将沿流注通道流向棒极，与通道中原子和离子发生碰撞，使流注通道的温度升高。在流注根部温度升得最高。当流注发展到一定的长度后，其根部的温度将达到很高的温度，出现热游离，这个具有热游离过程的通道叫先导。 先导通道：热游离过程强烈，导电性好，轴向电场低，延伸了棒极，加强了流注前方电场，导致流注和先导不断向前延伸。 流注发展接近阴极：先导头部和阴极电场达到极大值，产生更强烈的游离，形成主放电通道。,2. 长间隙极不均匀电场中的放电过程-先导和主放电,36,37,38,流注根部温度升高,热电离过程,先
17、导 通道,电离加强，更为明亮,电导增大,轴向场强更低,发展速度更快,长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙？,先导头部达到板极。小间隙中的高场强引起强烈电离，带电粒子浓度高。 强电离区迅速向阳极传播主放电过程。 主放电通道贯穿电极间隙击穿。,特点：由于头部场强极大，所以主放电通道发展速度及电导都远大于先导通道。,长间隙放电：电晕放电、先导放电、主放电。,2. 长间隙极不均匀电场中的放电过程-主放电过程,40,主放电通道 主放电和先导通道的交界区 先导通道,41,负地闪发展过程,42,Development of a leader(1-10) and main discharge,43,雷击过程发
18、生于北京时间2011年7月31日18:57:23，雷电定位系统查询回击电流为-19.1kA，雷击点距离观测点583m。观测点为国网电科院楼顶，观测方向朝向华美达和东鑫大楼，迎面先导起始于东鑫楼顶。,1 气体电介质的绝缘特性,44,45,1.4 气体间隙的稳态击穿电压,气隙击穿的必备条件,足够大的电场强度或足够高的电压； 在气隙中存在有效电子； 有效电子引起电子崩并导致流注和主放电 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。 持续电压（直流、工频电压），电压的变化速度很小。相比之下放电发展所需时间可以忽略不计，当气体状态不变时，一定距离的间隙的击穿电压具有确定的数值。 非持续电压下（雷电、
19、操作冲击电压），因为电压波来去速度很快，放电发展速度就不能忽略不计了。间隙的击穿电压与作用电压的波形（即作用时间）有很大关系,46,1.4 气体间隙的稳态击穿电压,1.4.1 均匀电场中的击穿电压,在均匀电场中，从自持放电开始到间隙完全击穿的放电时延可以忽略不计，因此相同间隙的直流击穿电压与工频击穿电压（幅值）都相同，且击穿电压的分散性也较小。均匀电场中空气间隙的击穿电压经验公式为：,（kV）,图 稳态电压作用时空气间隙的击穿电压的峰值Ub与极间距离d的关系,均匀电场的击穿特点是击穿前无电晕，无极性效应，直流、交流、正负 冲击电压的击穿电压是相同的，均可用此经验公式计算。,Ub随着d的增大而显
20、著增加； Eb基本不变，但随着d过大，电场的均匀强度减弱，则Eb会稍稍下降。在d=110cm 的范围内，其击穿场强约30kV/cm 。,47,1.4 气体间隙的稳态击穿电压,1.4.2 稍不均匀电场中的击穿电压,稍不均匀场 类似 均匀场：各处场强大致相等 一旦出现自持放电，则间隙击穿: 不能形成稳定的电晕 间隙不会太大：放电时延较短 不同波形电压作用下的击穿电压接近，分散性不大 击穿电压取决于电场均匀程度 极性效应体现在不对称场中,48,1.4 气体间隙的稳态击穿电压,1.4.2 稍不均匀电场中的击穿电压,图 一球接地时，直径为D的球隙的 击穿电压Ub与间隙距离d的关系,当dD/4时，击穿特性
21、与均匀电场相似，无极性效应；dD/4时，电场不均匀度增大，大地对球隙中电场分布的影响加大，平均击穿场强减小，击穿电压的分散性增大。 极性效应：稍不均匀电场中，电晕起始电压就是其击穿电压，所以起晕电压较低的负极性下击穿电压略低于正极性下的数值。,1.4 气体间隙的稳态击穿电压,1.4.3 极不均匀电场中的击穿电压,影响击穿电压的主要因素是间隙距离 短气隙：流注理论；长气隙：先导放电 选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究 棒(尖)板：电场分布不对称 棒(尖)棒(尖)：电场分布对称 根据典型电极的击穿电压数据来估计绝缘距离 直流、工频及冲击击穿电压间的差别比较明显，分散性较大,1.4 气体间隙的
22、稳态击穿电压,1.4.3 极不均匀电场中的击穿电压,一、直流击穿电压,具有明显的极性效应 负极性的击穿电压正极性的击穿电压 棒棒电极间的击穿电压介于极性不同的棒板电极之间 极间距离不大时的击穿场强 正棒负板：7.5kV/cm 负棒正板：20kV/cm 极间距离很大时的击穿场强 正棒负板：4.5kV/cm 负棒正板：10kV/cm,51,1.4 气体间隙的稳态击穿电压,1.4.3 极不均匀电场中的击穿电压,负棒正板,正棒负板,“棒棒”间隙有正极性尖端，放电容易由此发展，所以其击穿电压应比“负棒正板”的低；另一方面，“棒棒”间隙有两个尖端，即有两个强电场区域，而同样间隙距离下强电场区域增多后，通常
23、其电场均匀程度会增加，因此“棒棒”间隙中的最大场强应比“棒板”间隙为低，从而击穿电压又应比“正棒负板”间隙高。“棒棒”：微弱极性效应，一极接地时，正极性平均击穿场强低于负极性,52,1.4 气体间隙的稳态击穿电压,1.4.3 极不均匀电场中的击穿电压,二、工频击穿电压,图 “棒棒”和“棒板”长间隙工频击穿电压Ub与距离d的关系,在棒-板间隙中，击穿总是在棒为正的半周期内，电压达到幅值附近时发生 工频击穿电压稍低于直流电压下的击穿电压（这是由于前半周期留下的空间电荷对棒极前方的电场有所加强的缘故） 棒-棒间隙的击穿电压棒-板间隙的要高一些（这是由于棒-棒的电场更均匀一些） 击穿电压具有“饱和现象”：距离加大，平均击穿场强明显降低，棒板间隙尤为严重,用不均匀系数描述电场的不均匀程度； 极不均匀场的特征：电晕放电和极性效应 极性效应：击穿电压（负尖-正板尖-尖正尖-负板） 长间隙放电的物理过程：电晕-流注-先导-主放电,53,1.4 气体间隙的稳态击穿电压,小结,
