1、第 1 页 共 10 页电气工程概论辅导资料十四主 题：第四章 高电压与绝缘技术学习时间：2012 年 12 月 31 日2013 年 1 月 6 日内 容：我们这周主要学习气体放电的基本理论，液体和固体介质的电气特性，过电压及绝缘配合。第四章 高电压与绝缘技术第一节 气体放电理论及应用1气体放电的主要形式（1）火花放电：常压附近的放电行为 （2）辉光放电：低气压下的放电行为（3）电晕放电：极不均匀电场下的放电行为 （4）电弧放电：强放电行为2强电场下气体中载流子输运行为（1）载流子的产生过程1)碰撞 电离气体中粒子的相互碰撞与四种碰撞效应激发电离复合附着2)光致 电离：光子的能量大于气体分子
2、电离能。3)热电 离：当气体分子的温度很高，原子或分子的热运动能量足够大，高速运动的原子或分子相互碰撞时，也可导致气体分子碰撞电离，称为热电离。 实际第 2 页 共 10 页上只有当温度在上万摄氏度以上才可能有显著的热电离发生，所以热电离是极高温度下的现象。4)电极表面 发射：在较高电场下电极表面将向气体中发射电子，根据电场大小的不同，又可分为热发射和 场致发射。（2）附着电子效应与附着系数自由电子的产生机理：碰撞电离、光致电离、 热电离以及电极表面发射等与其对立过程如复合和附着效应等是气体放电理论的基础，研究这些过程可以了解气体间隙中电流的激增过程以及与外施电压的关系，解释气体放电的各种现象
3、和探求控制放电电压的途径。3气体放电的基本理论(1）气体放 电的电子碰撞电离理论1)电子雪崩与电流倍增当电场足够强时，由于碰撞电离作用，气体中 电子数目将由一个增为两个，两个增为四个，从阴极出发 的一个电子，运 动单位距离后就增加为 2n 个电子。发生电子碰撞电离时，电子和正离子是成对产生的，但电子速度快，所以 电子位于接近正极的一面，称为崩头 ，而正离子速度慢，近似看成留在其 产生的位置上，称为崩尾。2)气体自持放电条件仅仅由于电子碰撞电离过程的作用不可能导致气体介质发生击穿(非自持放电放电) 实验发现 气隙不太宽时，放电与电极表面发射过程有关，即 过程与碰撞电离过程中的电子同时产生的正离子
4、在电场作用下向阴极移动，在到达阴极附近时，或者由于加强了阴极的 电场，或者由于正离子撞击阴极表面，使阴极 产生第 3 页 共 10 页电子发射。发射电子数与汤逊第三系数 及到达阴极的正离子数成正比。由于这种电极发射的 过程而从阴极 发射的电子称为二次 电子。二次电子自阴极出发继续进行碰撞电离作用，这样单位时间由阴极单位面积发射的电子 ne 就包括了初始电子及二次电子两部分。3)巴申定律均匀电场中气体放电电压与气隙压力及气隙宽度间的实验关系，即气隙放电电压 UB与气压 p 和气隙宽度 d 的乘积 pd 有关。由于碰撞电离理论能够较好地解释气体放电的实现规律,所以被公认为是适合于气体放电的基本理论
5、。第二节 液体和固体介质的电气特性1概述电介质的电气特性 要表现为在电场作用下的导电性能、介电性能和电气强度，它们 分别以四个主要参数，即电导率、介电常数、介质损耗角正切和击穿电场强度来表示。2液体和固体介质的极化、电导和损耗(1)电介质的极化： 电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。电介质极化的强弱可用介电常数的大小来表示，它与该电介质的极性强弱有关，还 受到温度、外加电场频率等因素的影响。最基本的极化形式有电子极化、原子极化和偶极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化等。1)电子极化在外电场的作用下，构成原子外围的电子云相对原子核发生位移形成
6、的极化第 4 页 共 10 页称为电子极化。2)原子极化在外电场作用下，构成分子的原子或离子发生相对移动形成的极化称为原子极化。3)偶极子 转向极化极性电介质的分子，在无外电场作用时，就有一定的偶极矩，但它在各个方向的机率是相等的，因此，就介质整体来看，偶极距等于零。极性电介质的 r 值与外施电场频率有较大的关系，频率太高时偶极子将来不及转动，因而其值变小温度对极性电介质的 r 值有很大的影响，温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极性减弱，所以通常极性气体介质均具有负的温度系数，但对 极性液体和固体介 质来说，关系比 较复杂，当温度很低时，由于分子间的联系紧密，例如液体介质
7、的粘度很大，偶极子 转动 比较困难，所以 r 也很小。4)夹层 极化由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从按介电常数分布开始逐渐过渡到按电导率分布，在电压重新分配的过程中， 夹层界面上积聚空 间电荷并使整个介质的等值电容增大。这种极化涉及电荷的移动和积累，所以必然伴随能量损耗，而且过程较慢，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟甚至几小时，所以 这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。(2)电介质的电导1）电介质电导的一般描述任何电介质内部总是或多或少地具有一些带电粒子载流子。在外电场的作用下某些束缚较弱的载流子会产生定向漂移而形成传导电流电导电流第
8、5 页 共 10 页和泄漏电流。表征电介质导电性能的主要物理量即为电导率 或其倒数电阻率 电介质的电导可分为离子电导和电子电导两种(载流子的性质)，前者以离子为载流子，而后者以自由电 子为载流子。正常情况下， 电介质的电导主要是离子电导，电 子电导通常非常微弱。离子电导又可分为本征 (固有)离子电导和杂质离子电导。2）绝缘电阻或绝缘电阻率的测量原理：在被测试品上施加直流电压，测量达到稳定电流时的电流值，根据欧姆定律可以得到绝缘电阻。影响绝缘组的因素：温度、湿度、测试时的直流电场甚至定义达到稳定电流的时间测试方法：参考 IEC 标准或我国的标准，直接法、比较法和充放电法。(3)电介质的损 耗1）
9、物理本质：由电导、有损极化引起的能量耗散，直流电场下，没有周期性的极化损耗，用体积电导率和表面电导率可以描述介质的损耗，而在交流电场下，介质中电流包含了有功和无功电流两种电流分量，介质损耗用于描述交流电场下介质中有功电流引起的能量耗散。2）气体、液体和固体介质的损耗气体介质损 耗：气体分子 间的距离很大，相互 间的作用力很弱，所以在极化过程中不会引起损耗。当气体中的电场强度达到放电起始强度时，气体中将发生局部放电，这时损耗将急剧增大，这种情况常 发生在固体或液体介质中含有气泡的场合。液体介质损 耗第 6 页 共 10 页中性和弱极性液体介质，如变压器油的极化损耗很小，其损耗主要由电导引起极性液
10、体介质，如蓖麻油和 氯化联苯等，除了 电导损 耗外， 还存在极化损耗介质损耗与温度的关系密切（以极性液体介质为例）。固体介质损 耗3.纯净液体介质的击穿理论：电子碰撞电离理论和气泡击穿理论电子碰撞电离理论：当外电场足够强时，在阴极产生的强场发射或因肖特基效应发射的电子将被电场加速而具有足够的动能，在碰撞液体分子时可引起电离使电子数倍增，形成电子崩。同时由碰撞产生的正离子将在阴极附近集结形成空间电荷层，增强阴极附近的 电场，使阴极 发射的电 子数增多，当外施 电压增大到一定程度时，电子崩电流会急剧增大，从而 导致液体介质的击穿。气泡击穿理论:在交流电压下，串联介质中电场强度的分布是与介 质的 r
11、 成反比的，由于气泡的 r 很小，近似 为 1，其电气强度又比液体介 质的低得多，所以气泡必然先发生电离，气泡 电离后温度上升，体 积 膨胀，密度减小，促使 电离进一步发展。电离产生的带电 离子撞击液体介质分子，使它又分解成气体， 导致气体通道扩大，如果许多电 离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。4.工程用液体介质的击穿过程及其特点工程液体介质的特点是含有杂质.在均匀电场中，当工频电压升高到某值时油中可能会出现一个火花放电，但旋即消失，即这个火花没有引起油间隙击穿，油又恢复其电气强度，电压 再增加油中又可能出现火花，但可能又旋即消失。 这样反复多次，最后才会发生 稳定的击
12、穿。工程用液体介质含有杂质，很容易沿电场方向极化定向，并排列成杂质小桥。第 7 页 共 10 页如果杂质小桥尚未接通电极，则杂质和油串联，由于纤维的相对介电常数大以及含水纤维电导大，使端部油中电场强度显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电离增强， 这样下去必然会出现气体小 桥引起的击穿。如果杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增大，发热会促使水分汽化，气泡扩大，发展下去必然会出现气体小桥 ，使油隙 发生击穿。5.固体介质的击穿：电击穿、热击穿和电化学击穿（1）电击穿指仅由电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。固体介质中存在少量处于导带能级的电子传导电子在强电场的
13、作用下加速，并与晶格结点上的原子、离子不断碰撞，当单位时间内传导电 子从电场获得的能量大于碰撞时失去的能量，则在电子的能量达到了能使晶格原子、离子发生电离的程度时，传导电子数量将迅速增多，引起电子崩，破坏了固体介质的晶格结构，使 电导增大而导致击穿。（2）热击穿当固体介质长期承受电压的作用时，因介质损耗而发热。一旦介质发热大于散热，介 质温度就会上升，导致介质分解、融化，进而发生热击穿。（3）电化学击穿固体介质在长期工作电场的作用下，由于介质内部发生局部放电等原因而导致介质绝缘性能劣化，电 气强度逐渐下降，最 终导 致介质的击穿。第三节 过电压及绝缘配合实际电力传输是一条分布参数的长线或与集中
14、元件的集中阻抗如接地电阻等相连接，不同波阻抗的连 接点称为节点，若有一行波来到节点时，将 发生能量第 8 页 共 10 页的重新分配过程，在节点上发生行波的折射和反射。由于电力系统内部电磁能量的累积与转换，极易产生电力系统内部过电压。1暂时过电压的产生及防护措施工频过电压在暂时过电压中的重要性：它是确定超高压远距离输变电设备绝缘水平的重要依据，其幅值 影响保护电器的工作条件和保护效果。它的持续时间影响设备绝缘及运行性能，并且长线中的操作过电压是在工频过电压的基础上振荡产生的。在超高压输电 系统中，工 频电压升高应 当受到相当的重视。产生原因：长线电容效应#不对称接地和突然甩负载。采取措施：传统
15、的方法是使用同步补偿机或并联电抗器，近年来的发展了静止无功补偿技术，各有优缺点。2电力系统绝缘配合基本概念根据电气设备所在系统中可能出现的各种电气应力（工频工作电压和各种可能的过电压），并考虑保护 装置的保护性能和绝缘的电气特性，适当选择设备的绝缘水平,使之在各种电气应力的作用下，绝缘故障率和事故损失均处于经济上和运行上都能接受的合理范围内。在考虑绝缘配合的经济指标时，主要考虑投资费用（特指绝缘投资和过电压防护措施的投资）、运行维护费用（指绝缘和过电压第 9 页 共 10 页防护装置的运行维护）和事故损失（特指绝缘故障引起的事故损失）等三个方面。本周要求掌握的内容如下：通过学习了解气体放电的基
16、本理论，液体和固体介质的电气特性，过电压及保护。习题（一）选择题1.下列选项属于暂时过电压的是（ ）。A断续电 弧接地 过电压B空载长线电容效应过电压C线性谐振过电压D参数 谐振 过电压答案：BCD2有关空载线路合闸过电压的降压措施正确的描述是（ ）。A装设 并联 合闸电阻B同电位合闸C利用避雷器保护D采用不重燃断路器答案：ABC（二）判断题1绝缘配合的核心问题是确定各种电气设备的绝缘水平。 (正确)2油隙的击穿电压会随着电压作用时间的增加而增加。 (正确)（三）简答题1简述气体放电的主要形式。答：（1）火花放电第 10 页 共 10 页（2）辉光放电（3）电晕放电（4）电弧放电2操作过电压类型。答：（1）切断空载线路过电压（2）空载线路合闸过电压（3）切除空载变压器过电压（4）断续电弧接地过电压
