1、高电压技术,High Voltage Technology,Teacher: 钟云,Cell Phone: 13617917378,office: 信工楼c206 Office hour:每周二上午9-12点,1,第1讲,一、绪论 二、气体放电理论（一）,2,1.电网发展历史 1875年，法国巴黎北火车站建成世界上第一座火力直流发电厂，标志着世界电力时代的到来。 1891年，在德国劳芬电厂安装了世界第一台三相交流发电机：它发出的三相交流电通过第一条13.8kV输电线将电力输送到远方用电地区，使电力既用于照明，又用于动力，从而开始了高压输电的时代。 1879年，中国上海公共租界点亮了第一盏电灯。
2、1882年，第一家电业公司上海电气公司成立（1台12kW直流) 。 100多年来，输电电压由最初的13.8kV逐步发展到20，35，66，110，134，220，330，345，400，500，735，750，765，1000kV。,一、高压输电的发展,3,2.中国电网发展历史中国，1949年前，电力工业发展缓慢，输电电压按具体工程决定，电压等级繁多： 1949年新中国成立后，按电网发展统一电压等级，逐渐形成经济合理的电压等级系列： 1989年建成500kV葛洲坝-上海高压直流输电线，实现了华中-华东两大区的直流联网。1984年，国家明确提出500kV以上的输电电压为1000kV特高压、330
3、kV以上的输电电压为750kV。1）2005年9月，中国在西北地区（青海官厅兰州东）建成了一条750kV输电线路，长度为140.7 km。输、变电设备，除GIS外，全部为国产。2）2010年1000kV晋东南南阳荆门输电线路工程,4,电网发展的历史表明 ：相邻两个电压等级的级差，在一倍以上是经济合理的。新的更高电压等级的出现时间一般为1520年。前苏联1150kV输电线路的运行表明：特高压输电技术和设备，经过20年的研究和开发，到20世纪80年代中期，已达到用于实际的特高压输电工程的要求。,5,高压 100kV 超高压 1001000kV 特高压 1000kV,6,3.特高压输电的优点,1）提
4、高输送容量 交流线路的自然功率是表征其送电能力的一项指标，其计算公式如下：一回1000kV特高压输电线路的自然功率接近500万千瓦，约为500kV输电线路的五倍左右。 800kV直流特高压输电能力可达到640万千瓦，是500kV高压直流的2.1倍，是620kV高压直流的1.7倍。,7,自然功率,自然功率就是输电线路受端每相接入一个波阻抗的负荷时线路输送的功率，它主要用来分析输电线路的输电能力、电压和无功调节等问题。当线路输送自然功率时，由于线路对地电容产生的无功与线路电抗消耗的无功相等，因此送端和受端的功率因数一致；当输送功率低于自然功率时，由于充电功率大于线路消耗无功，必然导致线路电压升高；
5、相反，当线路输送功率大于自然功率，由于无功不足，需要额外的无功补偿，在没有无功补偿的情况下，线路电压就会下降。所以，线路在输送自然功率的时候，经济性最好、最合理。,8,2）缩短电气距离，提高稳定极限交流线路的输送功率可按下式计算：1000千伏线路的电气距离相当于同长度500千伏线路的1/41/5。换句话说，在输送相同功率的情况下，1000kV特高压输电线路的最远送电距离约为500kV线路的4倍。 采用800kV直流输电技术使超远距离的送电成为可能，经济输电距离可以达到2500km及以上。,9,3）降低线路损耗输电线路损耗可按下式估算：可见，在导线总截面、输送容量均相同，即R、S值相等的情况下，
6、 1000kV交流线路的电阻损耗是500kV交流线路四分之一。 800kV直流线路的电阻损耗是500kV直流线路的39，是620kV直流线路的60。,10,4）减少工程投资 1000kV交流输电方案的单位输送容量综合造价约为500kV输电方案的四分之三。 800kV直流输电方案的单位输送容量综合造价也约为500kV直流输电方案的四分之三。,11,5）提高单位走廊输电能力，节省走廊面积 交流特高压：同塔双回和猫头塔单回线路的走廊宽度分别为75米和81米，单位走廊输送能力分别为13.3万千瓦/米和6.2万千瓦/米，约为同类型500kV线路的三倍。 直流特高压：800kV、640万千瓦直流输电方案的
7、线路走廊约76米，单位走廊宽度输送容量为8.4万千瓦/米，是500kV、300万千瓦方案的1.29倍，620kV、380万千瓦方案的1.37倍。,12,6）改善电网结构，降低短路电流通过特高压实现长距离送电，可以减少在负荷中心地区装设机组的需求，从而降低短路电流幅值。长距离输入1000万千瓦电力，相当于减少本地装机17台60万千瓦机组。每台60万千瓦机组对其附近区域500千伏系统的短路电流约增加1.8kA，如果这些机组均装设在负荷中心地区，对当地电网的短路电流水平有较大的影响。通过特高压电网，实现分层分区布局，可以优化包括超高压在内的系统结构，从根本上解决短路电流超标问题。,13,7）加强联网
8、能力 通过交流特高压同步联网，可以大幅度缩短电网间的电气距离，提高稳定水平，发挥大同步电网的各项综合效益。 通过直流特高压异步联网，满足长距离、大容量送电的要求，沿线不需要提供电源支撑。通过特高压联网，增强网络功率交换能力，可以在更大范围内优化能源资源配置方式。,14,4、高电压工程的主要研究的问题,电力工业与高电压技术密切相关,过电压与绝缘,15,1）绝缘问题,绝缘材料研究各种绝缘材料在高电压下的各种性能、现象以及相应的过程、理论 绝缘结构（电场结构）同一种材料在不同的绝缘结构下的外在表现 电压形式 同样的材料、结构，在不同电压下，绝缘性能不相同,16,2）试验问题,各种经济、灵活的高电压发
9、生装置 电气设备各种绝缘试验项目的设计 预防性试验在线监测、故障诊断状态维修 高电压的测量高强量、微弱量、快速量,17,3）过电压防护问题,外过电压 （雷电过电压） 内过电压老化、污秽（在运行电压及过电压下） 保护装置 分析各类过电压的特点及形成条件，研究各种保 护装置及其保护特性,工频过电压 谐振过电压 操作过电压,18,4）绝缘配合,中心问题：解决电力系统中过电压与绝缘这一对矛盾，将电力系统绝缘确定在既经济又可靠的水平,19,5）电磁环境问题,电磁兼容 更多的电子及微电子设备对强电系统进行保护和监控，其对暂态干扰具有明显的敏感性和脆弱性 强电系统电压高、容量大，对弱电系统产生更加强烈的电磁
10、干扰 开展关于如何限制弱电系统内的暂态干扰电压的试验及研究工作 生态效应,20,1 与应用物理的联系紧密 2 实验/经验性 3 理论探索性 4 瞬变性 5 与其他学科的交叉与渗透性,理工结合的学科内涵,21,高电压学科的特点,人类最先观察到的电现象是高电压现象 人类最初研制出来的电气装置是产生高电压的摩擦起电装置 人类最先应用电的实例是利用高压放电给人治病 电学的发展史：高电压低电压高电压 高电压技术实现远距离大功率输电的前提条件 建立现代大电力系统的前提条件 我国西电东送必须解决的关键技术问题 高海拔、沙尘暴、永冻土环境下的高压输电 开辟新领域的先锋,22,高电压学科的应用,第二张,23,5
11、、高电压技术面临的主要问题,提高设备可靠性的技术问题设备紧凑化高场强的技术问题 新型绝缘材料的开发大功率电力电子器件在高压中的应用架空线及变电所的电磁环境,24,第一篇电介质的电气强度,第一章气体放电的基本物理过程,25,26,主要内容,气体中带电粒子的产生和消失 气体放电的一般描述均匀电场中气体击穿的发展过程 不均匀电场中气体击穿的发展过程,概述,1 用于高压电气设备绝缘的介质,气体 如绝缘气体：空气 液体 如油，变压器等 固体 如绝缘子等,不存在老化问题； 击穿后具有完全的绝缘自恢复特性。,3 气体介质的两大优点,2 绝缘的击穿：,作用在绝缘材料上的电场强度超过某一临界值而使其失去绝缘性能
12、的现象。,28,在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程 空气介质中性分子（原子）能否变为带电粒子绝缘状态 导电状态,研究气体放电的主要目的： 1、了解气体在高电压（强电场）的作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程 2、掌握气体介质的电气强度及其提高的方法,29,粒子的平均自由行程,：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程长度 电子在其自由行程内从外电场获得动能 ，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关,第一节带电粒子的产生和消失,一、带电粒子在气体中的运动,30,气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分子发生碰撞时的行程 电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多 气
13、体分子密度越大，其中粒子的平均自由行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比 自由行程的分布： 具有统计性的规律。粒子的自由行程大于x的概率为,31,二、带电粒子的产生,气体分子的电离可由下列因素引起：（1）光电离（2）热电离（3）碰撞电离（4）电极表面的电离,32,光电离,光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离自然界、人为照射、气体放电过程 当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下，一般是不能直接发生光电离的,33,热电离,因气体热状态
14、引起的电离过程称为热电离 气体分子的平均动能和气体温度的关系为 在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 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,34,碰撞电离,气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起的 在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离me电子的质量；ve 电子的速度；Wi气体分子的电离能。 碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关,35,电极表面的电离,阴极发射电子的过程 逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态 金属表面电离有多种方式，
15、即可以有多种方法供给电子以逸出金属所需的能量（1）正离子撞击阴极正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出两个及以上电子时才能出现自由电子,36,（2）光电子发射 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功时，金属表面放射出电子（3）强场发射（冷发射）当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子（4）热电子发射当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属,三、负离子的形成,有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子 有些气体形成负离子时可释放出能
16、量。这类气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、SF6等） 负离子的形成起着阻碍放电的作用,38,（一）电场作用下气体中带电粒子的运动 （二）带电粒子的扩散（三）带电粒子的复合,四、气体中带电粒子的消失,39,电场作用下气体中带电粒子的运动,带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形成电流,40,带电粒子的扩散,带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的 气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱 电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩
17、散过程比离子的要强得多,41,带电粒子的复合,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 在带电粒子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 一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决定于其浓度,气体中带电粒子的产生与消失,电离,去电离过程,带电粒子的扩散 带电粒子的复合 定向运动形成电流,电离的方式,碰撞电离 光电离 热电离 表面电离,第二节 电子崩,汤逊放电理论（又名电子崩理论）.,适用条件:,实验装置：,均匀电场,低气压,短间隙,如右图所示,
18、均匀电场中气体的伏安特性,试验图形分析：,oa段:,随着电压升高，到达阳极的带电质点数量和速度也随之增大。,ab段：,电流不再随电压的增大而增大因为这时由外界电离因素在极间产生的带电离子已全部参加导电，所以电流趋于饱和。电流密度是极小的，一般只有10-19 A/cm2，间隙仍处于良好的绝缘状态。,首先，大气中少量的正负离子存在； 其次，在极间加上电压后，带电离子分别向两极移动，形成电流；,均匀电场中气体的伏安特性,试验图形分析：,bc段：,电流又再随电压的增大而增大，到达b点后，电流又重新随电压升高而增大。间隙中出现新的电离因素，这就是电子的碰撞电离。,c点:电流急剧突增,随着电压的升高，电流
19、越来越大。最后达到c点时，电流更急剧增加到必须依靠外电路的电阻来限制的地步。放电的这一阶段叫自持放电。电子雪崩。,均匀电场中气体的伏安特性,试验图形分析：,电子在电场作用下从阴极奔向阳极，并与中性分子碰撞产生电离，由此产生的新电子也加入其中，使电子的数目迅速增加，这种迅猛发展的碰撞电离过程被称为电子雪崩。,(1).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。,(2).非自持放电去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止。,(3).自持放电不需要外界游离因素存在,放电也能维持下去。,相关的概念,电子雪崩的示意图,电子崩的电荷分布,设单个电子在电场方向走过单位距离产生的碰撞电离数为 ，假
20、设由于外界的作用从阴极发出一个电子，经过距离x后电子数增加到n，再经过距离dx，增加的电子数为dn。,均匀电场、气压一定时 ( is constant),汤逊理论分析：,汤逊理论分析：,碰撞电离系数 ,汤逊理论分析：,它表示电子在电场作用下由阴极移动过程中在单位行程里所发生的碰撞游离系数,若要产生碰撞电离，则此能量至少应等于气体分子的电离能wi。,电子的平均自由行程为e，可以证明，自由行程等于和大于xi的概率为 ，这就是每次碰撞产生电离的概率。,汤逊理论分析：,电子在强场E作用下走过自由行程 xi 所积累的能量为,A is constant, p is 气压,/p 是E/p的函数,碰撞电离系数,汤逊理论分析：,1.E增大，急剧增大 2、P很大或很小， 都很小,55,
