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1、武汉理工高电压技术汇总武汉理工高电压技术汇总绪绪 论论n课程简介课程简介n本课程性质和任务本课程性质和任务n教学基本要求教学基本要求n课程内容课程内容 n重点和难点重点和难点 高电压技术是电工学科的一个重要分支，它涉及到数学、物理、化学、材料等基础学科，主要研究高电压（强电场）下的各种电气物理问题。20世纪60年代以来，高电压技术一直不断吸收其他学科尤其是新科技领域的成果，促进自身发展；也促进了电力传输、大功率脉冲技术、激光技术、核物理等科技领域的发展，显示出强大的活力。课程简介课程简介 高电压技术专业q研究高电压研究高电压/高电场下的现象与应用高电场下的现象与应用q高电压技术与电力系统有密切
2、关系高电压技术与电力系统有密切关系高电压的早期发展与电能的传输是密切相关的高电压的早期发展与电能的传输是密切相关的;目前高电压技术与现代电力系统的发展仍是息息相关的目前高电压技术与现代电力系统的发展仍是息息相关的.q高电压技术与若干非电力系统有密切关系高电压技术与若干非电力系统有密切关系高电压技术早已超出了电力和电工部门而在很多领域得到应用高电压技术早已超出了电力和电工部门而在很多领域得到应用:脉冲功率技术脉冲功率技术,静电技术静电技术,放电等离子体放电等离子体,液体中放电的应用等液体中放电的应用等.q包括三门专业课包括三门专业课:高电压绝缘高电压绝缘,高电压试验技术高电压试验技术,过电压及其
3、防过电压及其防护护 教学基本要求教学基本要求 本课程的教学环节包括课堂讲授，学生自学，实验，习题，答疑和考试。通过上述基本教学步骤，使学生获得各种电介质的绝缘特性和提高抗电强度方法的知识；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。课程内容课程内容第一篇第一篇 各类电介质在高电场下的特性各类电介质在高电场下的特性教学内容：气体放电的基本物理过程；气体介质的气强度；液体和固体介质的电气特性。第二篇第二篇 电气设备绝缘试验技术电气设备绝缘试验技术教学内容：电气设备绝缘预防性试验；
4、绝缘的高电压试验。第三篇第三篇 电力系统过电压与绝缘配合电力系统过电压与绝缘配合教学内容：输电线路和绕组中的波过程；雷电放电与防雷保护装置；电力系统的防雷保护；内部过电压；电力系统绝缘配合。重点和难点重点和难点课程的重点包括：课程的重点包括：汤逊理论和流注理论等气体放电的基本理论、电场汤逊理论和流注理论等气体放电的基本理论、电场 型式及其与击穿特性的关系、液体和固体电介质的绝缘特型式及其与击穿特性的关系、液体和固体电介质的绝缘特性；性；绝缘特性的测量方法、电气设备的高电压试验设备及原理；绝缘特性的测量方法、电气设备的高电压试验设备及原理；线路和绕组中的波过程、电力系统中的过电压及其防护、线路和
5、绕组中的波过程、电力系统中的过电压及其防护、绝缘配合。绝缘配合。课程的难点是：课程的难点是：汤逊、流注气体放电理论的理解；汤逊、流注气体放电理论的理解；电介质的极化、电导和损耗的物理概念及其工程概电介质的极化、电导和损耗的物理概念及其工程概念、介质损耗和局部放电试验的试验原理和试验方念、介质损耗和局部放电试验的试验原理和试验方法；法；线路和绕组中的波过程。线路和绕组中的波过程。刊名出版单位种类国家中国电机工程学报中国电机工程学会半月刊中国电力系统自动化国家电力公司电力自动化研究院半月刊中国电工电能新技术中国科学院电工研究所季刊中国电网技术中国电力科学研究院半月刊中国电工技术学报中国电工技术学会
6、双月刊中国高电压技术国家电力公司武汉高压研究所月刊中国电力自动化设备国家电力调度通信中心月刊中国电力系统及自动化学报天津大学双月刊中国变压器沈阳变压器研究所月刊中国大电机技术哈尔滨大电机研究所双月刊中国铁道学报中国铁道学会双月刊中国清华大学学报清华大学月刊中国西安交通大学学报西安交通大学月刊中国西南交通大学学报西南交通大学双月刊中国IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulationInstituteofElectricalandElectronicEngineers月刊美国IEEEElectricalinsulationmagazineIn
7、stituteofElectricalandElectronicEngineers月刊美国IEEETransactiononPowerDeliveryInstituteofElectricalandElectronicEngineers月刊美国IEEEPotentialsInstituteofElectricalandElectronicEngineers月刊美国IEEETransactiononPowerSystemInstituteofElectricalandElectronicEngineers月刊美国IEEETransactiononInstrumentationandMeasure
8、mentInstituteofElectricalandElectronicEngineers月刊美国IEEETransactiononSignalProcessingInstituteofElectricalandElectronicEngineers月刊美国IEEEPowerandEnergyMagazineInstituteofElectricalandElectronicEngineers月刊美国IEEConferencePublicationInstituteofElectricalEngineers月刊英国IEEProceedings,PartB:ElectricPowerAppl
9、icationsInstituteofElectricalEngineers月刊英国KIEEInternationalTransactionsonElectrophsicsandApplicationsKoreanInstituteofElectricalEngineers月刊韩国IEEEPowerEngineeringReviewInstituteofElectricalandElectronicsEngineers月刊美国IEEETransactionsonEnergyConversionIEEEPowerEngineeringSociety季刊美国IEEPowerEngineeringJ
10、ournalInstituteofElectricalEngineers双月刊英国TransactionsonElectricalandElectronicMaterialsKoreanInstituteofElectricalandElectronicMaterialEngineers双月刊韩国名称主办及协助单位时间中国高等学校电力系统及其自动化专业学术年会中国教育部一年一次全国工程电介质学术会议中国电工技术学会工程电介质专委会两年一次ConferenceonElectricalInsulationandDielectricPhenomena,CEIDPDielectricsandElect
11、ricalInsulationSociety,DEIS一年一次InternationalConferenceonDielectricLiquids,ICDLDielectricsandElectricalInsulationSociety,DEIS三年一次InternationalConferenceonSolidDielectrics,ICSDDielectricsandElectricalInsulationSociety,DEIS三年一次InternationalConferenceonPropertiesandApplicationsofDielectricMaterials,ICPA
12、DMDielectricsandElectricalInsulationSociety,DEIS三年一次InternationalSymposiumonElectricalInsulation,ISEIDielectricsandElectricalInsulationSociety,DEIS两年一次InternationalSymposiumonDischargesandElectricalInsulationinVacuum,ISDEIVDEIV;TavirdaE；DEIS两年一次InternationalSymposiumonElectricalInsulatingMaterials,I
13、SEIMIEE-Japan；DEIS一年一次InternationalSymposiumonHighVoltageEngineering,ISHCSEEngrg；NNSFC；Tsinghua；DEIS两年一次图图0-10-1实际输电线路图实际输电线路图动力系统、电力系统和电力网示意图 图图0-2 动力系统、电力系统和电力网示意图 电力工程的发展电力工程的发展电力工程是20世纪对人类影响最大的20项工程技术成果之一（美国工程院联合30多家美国职业工程协会的调查）。发展简史1875年法国巴黎建成世界上第一座火力发电厂；1879年中国上海公共租界点亮了第一盏灯；1882年在上海创办了中国第一家公用电
14、业公司 （上海电气公司）；1891年德国建设世界上第一台三相交流发电机 （13.8kV）1985年1150kV输电线，6年商业运行输电电压提高1倍，输送功率的能力提高几倍？电能从产生到销费的四个环节：发电、输电、配电、用电。电压等级的划分高压(HV):35220kV超高压(EHV):330kV及以上、1000kV以下特高压(UHV):1000kV及以上高压直流(HVDC):+/-600kV及以下特高压直流(UHVDC):+/-600kV以上我国高压电网:110及220kV，超高压电网:330,500,750kV，特高压电网：1000kV交流及+/-800kV直流一、电力系统的电压等级是如何划分
15、的、依据是什么？电晕电晕电能污染电能污染1kV0.4kV0.22kV36V高压低压普通高压1250kV超高压2501000kV特高压1000kV及以上电压等级划分的级差为23倍。电网的基本功能电能不能大规模储存，发电和用电实时保持供需平衡电网输电网配电网提高功率输送能力：1、提高电压等级；2、降低线路阻抗区域电网互联：电力资源优化配置，电力经济调度电网的发展历史欧美：欧美：1908年第一条110kV线路（美国）；1923年230kV（美国）；1952年世界第一条380kV超高压线路（瑞典）1954年345kV（美国）；1964年500kV（美国）；1965年世界第一条735kV线路（加拿大）1
16、969年765kV（美国）苏联：苏联：1952年330kV线路；1956年400kV1964年建成完善的500kV输电系统(源自400kV)1967年750kV；1985年1150kV；中国的输电线路早期输电线路的电压视具体工程决定，电压等级繁多、混乱。1908年22kV（石龙坝水电站昆明）；1921年33kV（石景山电厂北京城）；1933年44kV（抚顺电厂出线）；1934年66kV（延边老头沟）1935年154kV（抚顺电厂鞍钢）；1943年110kV（镜泊湖水电厂延边）；（续）新中国1949年统一电压等级1952年京津唐110kV输电网；1954年东北电网220kV骨干网架；1972年3
17、30kV刘天关线路(534km)，形成西北电网330kV骨干网架；1981年500kV姚孟武昌(595km)，83年葛洲坝武昌和葛洲坝双河两回500kV，形成华中500kV骨干网架；1989年+/-500kV葛洲坝-上海直流线路，实现华中华东大区间直流联网；90年后，220kV、500kV线路迅速铺开。目前世界上已基本形成两个主要的超高压特高压电压等级系列(交流)：330(345)750(765)1500kV5001000(1100)kV交流750kV系统：2005年9月26日，西北750kV青海官亭至甘肃兰州东输变电示范工程正式投入运行，线路全长141km。交流1000kV系统：陕北煤电基地
18、山西晋东南煤电基地南阳荆门武汉的单回1000kV交输变电示范工程在2009年建成。直流800kV系统：云南至广东800千伏直流输电工程，已于2009年6月实现单极投运、2010年6月双极投运。准备在全国规划建设7个特高压输变电示范工程，即3个1000kV交流特高压输变电工程，4个800kV直流工程。我国电力工业的发展我国电力工业的发展2004年，全国440GW2005年，突破500GW(人均340W)2010年，700GW2020年，预计1000GW每年新增装机50GW左右 二、为什么采用高电压？电力系统输送的电能P正比于电压的平方（U2），反比于系统阻抗Z，而系统阻抗Z正比于线路长度L，所以
19、P正比于U2，反比于L。所以采用高电压是大功率远距离输电的要求，要实现大功率远距离输电唯一可行的措施就是采用高电压。作为二次能源，输送电能要较输送一次能源经济、快捷、安全、方便、清洁。三、要采用高电压首先要解决的技术问题是什么？例：1、用青壳纸和电缆纸作绝缘的10.5kV、10MW的发电机，改用粉云母纸作绝缘，其他条件不变时，发电机容量就提高到12.5MW，可见绝缘限制了设备的容量。2、绝缘限制了设备的寿命；3、绝缘限制了电力系统的投资。1、因为绝缘限制了设备的温升、限制了温升也就限制了设备的容量、体积和重量；高电压下的绝缘问题。因为在电力系统三大技术材料（导电材料、导磁材料和绝缘材料）中绝缘
20、的影响力最大：四、如何解决绝缘问题？寻找和研制新型的绝缘材料，限制作用在绝缘上的过电压。例：由于瓷吹避雷器使作用在被保护设备上的残压降低，使原设计额定电压为400 kV的输变电系统生压为500 kV的系统。第一章第一章 气体的放电基本物理过程和电气强度气体的放电基本物理过程和电气强度一、补充的基本概念1、放电：在电场的作用下由于游离使流过电介质电流增大的现象。2、击穿：电介质在电场作用下丧失其绝缘性能，形成沟通两极的放电。3、击穿电压：使电介质失去其绝缘性能所需要的最低、临界、外加电压。4、击穿场强：使电介质失去其绝缘性能所需要的最低、临界、外加电场强度。5、绝缘强度：在均匀电场中、使电介质不
21、失去其绝缘性能所需要的最高、临界、外加电场强度。6、绝缘水平：电气设备出厂时保证承受的试验电压。第一节 汤逊理论和流注理论 一、气体间隙中带电粒子的产生（补充）中性质点中的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子的过程就是游离。要游离需要吸收能量，吸收的能量称为游离能。结论：气体间隙中带电粒子来源于气体分子本身的游离和金属表面游离。1、气体分子本身的游离3、金属表面游离：金属中的电子摆脱金属表面的位能势垒的束缚成为自由电子的过程。其条件是电子的能量不小于金属的逸出功。金属的逸出功要比气体的游离能低，所以金属表面游离是气体放电起始电子的主要来源：包括光电子发射、热电子发射、强电场发射和二次发射。日光灯中
22、起始带电粒子来源于热电子发射。一 非自持放电和自持放电气体放电通常分为：非自持放电 依靠外电离因素的作用 而维持的放电自持放电 只需要外加电压就能 维持的放电图1.1测定气体间隙的电压和电流图图1.2 气体放电的伏案特性气体放电的伏案特性2、ab段，单位时间内产生的带电粒子带电粒子投入运动，运动速度达到趋引速度，没有新的带电粒子来源。此时电流仅取决于外电离的因素，而与电压大小无关3bc段，产生碰撞游离，放电。4c点以后，气隙击穿，转入良好的自持放电状态。U0放电的起始电压1、0a段，UUa,起始带电粒子定向运动，随着外加电压的加大，带电粒子的运动速度越来越快，故电流在加大,此时气隙仍处在绝缘状
23、态.二、汤逊理论20世 纪 初，汤 逊 从 均 匀 电 场、低 气 压（低 于26.66kpacm）短间隙气隙的气体放电实验出发，总结出较系统的气体放电理论。汤逊理论的实质是电子崩理论。图图1.3 电子崩形成示意图电子崩形成示意图 电子崩的形成电子崩的形成 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。依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展。这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩电子崩。图1.3电子崩形成示意图为了定量分析气隙中气体放电过程，引
24、入三个系数：表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程 所完 成的碰撞电离次数平均值；：一个正离子沿着电场方向行径1cm长度，平 均发生 的碰撞电离次数；：表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴 极金属平均释放出的自由电子数。均匀电场中的电子崩的计算如图1-4为平板电极气隙，板内电场均匀，设外界电离因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数为n0 图1.4均匀电场中的电子数增长计算根据碰撞电离系数 的定义，可得：(1-1)得到：(1-2)对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相同 值不随电场强度的变化而变化，所以上式也可写成：(1-3)于是到达阳极的电子数为：(1-4)途中新增加的电子数或正离子数
25、应为:(1-5)将式(1-5)的等号两侧乘以电子的电荷即得到电流关系式：(1-6)式中：(1-7)式(1-6)表明：虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子(令I00),I即变为0。一个起始带电粒子从阴极到阳极的过程中由于碰撞游离产生的正离子撞击阴极板时如果能打拉出两个电子，一个与正离子复合掉了，另一个成为自由电子，它会产生新的电子崩，维持放电的发展，就发生了自持放电，因此自持放电的条件为：汤逊理论自持放电条件在不均匀场中，由于各点的电场强度E不一样，而各处的值也不一样，自持放电条件为：(1-9)(1-8)汤逊放电的实质是汤逊放电的实质是：电子
26、碰撞电离电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。自持放电前面的放电过程，可用下图概括前面的放电过程，可用下图概括图1.5低气压、短气隙放电过程 巴申定律 根据自持放电条件可以导出击穿电压的表达式为：(1-10)式中，A、B是两个与气体种类有关的常数，式(1-10)表明了击穿电压与气体状态等因素的关系。将(1-10)代入式（1-9），可得：（1-11）式中。U0为气温不变的条件下，均匀电场中气体的自持放电的起始电压，它等于气隙的击穿电压Ub。式（1-11）是从试验中总结
27、出来的称为巴申定律。它的内容是：当气体成分和电极材料一定时，气体间隙击穿电压（当气体成分和电极材料一定时，气体间隙击穿电压（Ub）是）是气压（气压（p）和极间距离）和极间距离(d)乘积的函数。乘积的函数。即改变极间距离d的同时，也相应改变气压p而使pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等。图1.6均匀场的巴申曲线巴申定律由图1.6可知：随pd的变化，击穿电压Ub有最小值。巴申曲线可用汤逊理论解释：形成自持放电需要达到一定的电离数d，而这由决定于碰撞次数于电离概率的乘积，若d固定，则当p增大时，碰撞次数将增加，而电离概率将减小。图1.6均匀场的巴申曲线因此，在某一个p下d有最大值，
28、从而Ub最小。同时，若p固定，则当d增大时，碰撞次数将增加，但由于EU/d减小，电离概率将减小，因此在某个d值下d有最大值，从而Ub最小。巴申曲线特性巴申曲线特性巴申定律更普遍的形式是以气体的密度（）代替压力，对空气可以表示为：（1-12）式中Ts、ps为标准大气压条件（ps101.3kPa，Ts293K）；T、p为实验时大气条件。流注理论汤逊理论适用于低气压、短间隙、均匀电场。间隙的划分：2cm以下的为短间隙、2100cm为一般间隙、100cm及以上的为长间隙。汤逊理论解释不了一般间隙、标准大气压下气隙的放电：1、按汤逊理论计算的击穿电压比实际值高；2、按汤逊理论计算的击穿所需时间比实际值长
29、；3、一般间隙的击穿电压与阴极材料无关；4、放电形状不同因为汤逊理论没有考虑空间电荷对电场的畸变和光游离对放电的影响，流注理论对标准大气压、一般间隙的气体放电现象进行了解释。以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的 过程和二次电子发射根本无关。因此，必须采用另外一种理论流注理论来解释。本节重点：流注的形成过程流注的条件气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下两方面：空间电荷对原有电场的影响空间光电离的作用流注的形成过程在外电离（如光源）作用下，在阴极附近产生起始电子。这些电子在电
30、场作用下，在向阳极运动的途中与中性原子发生碰撞电离，而形成初始电子崩图1.7（a）。当初崩发展到阳极时图示崩头中电子迅速跑到该极进行中和。图1.7流注的形成过程流注形成过程 暂留的正离子（在电子崩头部其密度最大）作为正空间电荷使原有的电场畸变，加强了的局部电场作用下，又形成新的电子崩叫二次崩（1.7（b），二次崩头部的电子跑向初崩的正空间电荷区域，与之汇合成为充满正负带电离子的混合通道。这个通道就称为流注。图1.7流注的形成过程流注的发展流注通道导电性能良好，其端部（流注的发展方向是从阳极到阴极，与初崩的方向相反）又有二次崩留下的正电荷，因此大大加强了流注发展方向的电场，促使更多的新电子崩相继
31、产生并与之汇合，从而使流注向前发展（图1.8（b）。到流注通道把两极接通时，就导致气隙完全被击穿（图1.8（c）。图1.8流注的发展流注形成的条件 流注理论认为：形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场（外施电压在气隙中产生的电场）明显畸变，大大加强电子崩崩头和崩尾处的电场。另一方面，电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在这部分强场区很容易成为引发新的空间光电离的辐射源，因此流注理论认为：二次电子的主要光源是空间的光电离。形成流注的条件 气隙中一旦出现了流注，放电过程可以由本身产生的空间光电离而自行维持，因此形成流注的条件即自持放电的条件，对
32、均匀场可写成：ed常数（1-13)或ed1，dln(1/)（1-14）一般认为当d20（或ed108）便可满足上述条件，使流注得以形成。流注理论与汤逊理论的区别与联系：相同点：都有电子崩的产生不同点：流注的形成过程中有二次崩的形成、二次电离在气体击穿过程中起了重要作用。流注理论可以解释汤逊理论无法解释的在高电压、长气隙情况下出现的放电现象。根据流注理论，二次崩的起始电子是由光电子形成的，而光子的速度远比电子的大，二次崩又是在加强了的电场中，所以流注发展更迅速，击穿时间比汤逊理论推算小得多。二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进也不可能均匀，而且具有分支，大气条件下气体放电的发展不是依靠正离
33、子使阴极表明电离形成的电子维持的，而是靠空间光电离产生的电子维持的，故阴极材料对气体击穿电压影响不大。均匀场中强负电性流注自持放电的条件 自持放电条件公式非电负性气体是适用的，但对于强电负性（绝缘性能好）气体，还应引入系数描述电子的附着过程，的定义与相似，即一个电子沿电场方向行径1cm时平均发生的电子附着次数。由此可知，在电负性气体中，有效碰撞电离系数：对于这种情况，汤逊理论自持放电条件（1-13）、（1-14）式中的不能简单的用-来代替。这是因为在电负性气体中，正离子数等于新增的电子数与负离子数之和。一般强电负性的工程应用属于流注放电的范畴。因此，均匀电场中电负性气体的流注自持放电条件为：(
34、-)d=K （1-16）式中，K为电子崩中电子的临界值取对数。（1-15）第二节第二节 不均匀电场中的不均匀电场中的放电过程放电过程第二节 不均电场中的放电过程一一 稍稍不不均均匀匀电电场场和和极极不不均均匀匀电电场场的的放放电特点电特点图1.10表示直径为D的球隙的放电电压与极间矩d的关系曲线。d2D，电场比较均匀，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。稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点当d4D后，电场强度沿气隙分布不均，因而当所加电压达到某一临界值时，在靠近二球极的表面出现蓝紫色的晕光，并发出“嗞嗞”，这种局部放电现象称为电
35、晕放电，开始出现电晕放电的电压称为电晕起始电压。当外加电压进一步增大时，电极表面电晕层亦随之扩大，并出现刷状的细火花，火花越来越长，最终导致气隙完全击穿。气隙距离在2D4D之间时，属于过渡区域，随电压升高会出现电晕，但不稳定，该球隙立刻就转为火花放电。由实验可知，随着电场不均匀程度增加，放电现象不相同，电场越是不均匀(两球距离越大，电场越不均匀）击穿电压和电晕起始电压之间的差别也越大。不均匀场的划分 用是否存在稳定的电晕放电来区分电场的不均匀度：如果电场的不均匀程度导致存在稳定电晕放电就称为极不均匀电场；虽然电场不均匀，但还不存在稳定的电晕放电，电晕一旦出现，气隙立刻被击穿，就称为不均匀电场。
36、要明确划分稍不均匀场和极不均匀常比较困难，通常用电场的不均匀系数来大致划分。不均匀系数f等于气隙中最大场强 E max与平均场强Eav的比值 式中，U为极间电压；d为极间距离。通常f4就明显地属于极不均匀电场。（1-17）（1-18）由上述可见，在稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿现象，此时气隙中平均电场强度比均匀电场气隙的要小，因此在同样极间距离时稍不均匀常气隙的击穿电压比均匀场气隙的要低，在极极不不均均匀匀场场气气隙隙中中自自持持放放电电条条件件即即是是电电晕晕起起始始条条件件，有发生电晕至击穿电压的过程还必须升高电压才能完成。二 极不均匀电场中的电晕放电现象 电晕放电电晕放电：由于
37、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电晕放电电晕放电电晕放电。它是极不均匀电场中特有的气体放电现象，是划分均匀（稍不均匀）电场和极不均匀电场的依据。电晕放电现象在雨、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。电晕具有的效应电晕具有的效应：声、光、热效应；消耗
38、能量；对无线电产生干扰；产生化学反应；产生“电风”。电电晕晕放放电电的的电电流流强强度度取取决决于于外外加加电电压压、电电极极形形状状、极极间间距距离离、气气体体性性质质和和密密度度等等。能够引起电晕的电压称为起起晕晕电电压压，起晕电压与电极的曲率半径有关，而与间隙距离关系不大，半径越小、起晕电压越低。电晕放电的危害n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。n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n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。n电晕放电还
39、会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。降低电晕的方法总原则：总原则：从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。n在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。n对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。电晕放电的有利之处：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：n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。n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。n在输电线上传播的雷电电压波因电
40、晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度。n操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制三 极不均匀电场中的放电过程极性效应 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 极性效应决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有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的电位符号：1)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。2)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。极性效应下
41、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：1发展过程2极性效应极性效应 正极性正极性 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。正极性正极性 空间正电荷阻止了棒极附近的流注形成，从而使电晕起始电压有所提高。极性效应 负极性（棒）负极性（棒）如图1-12（a）所示：棒极负极
42、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。图1-12（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。极性效应电场情况如图1-12（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。极性效应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
43、电压，因为此时电气强度较低。均匀电场的击穿场强为30kV/cm，极不均匀电场的平均击穿场强为5kV/cm。随着间隙距离的增大，击穿电压随着增大，但击穿场强是随着降低的，因为击穿电压的增加速度没有距离增加的速度快。试验数据试验数据 在极不均匀电场的情况下，不管棒-板间隙或是不同直径的球-板间隙，击穿电压和距离的关系曲线都比较接近。就是说，在极不均匀电场中，击穿电压主要决定于间隙距离，而与电极形状的关系不大。因此在工程实践中常用棒-板或棒-棒这两种类型间隙的击穿特性曲线作为选择绝缘距离的参考。试验数据在工频电压作用下，棒-板间隙的击穿总是发生在棒的极性为正、电压达幅值时，并且其击穿电压（幅值）和直
44、流电压下的正棒-负板的击穿电压相近。棒-棒间隙的平均击穿场强为3.8kV（有效值）/cm或5.36kV（幅值）/cm，棒-板间隙梢低一些，约为3.35kV（有效值）/cm或4.8kV（幅值）/cm。小小 结结用不均匀系数来描述电场的不均匀程度；电晕放电是发生在小曲率半径电极附近的放电；电场极不均匀的“棒-板”气隙，负极性击穿电压高于正极性击穿电压.第三节第三节 空气气隙在各种电压下空气气隙在各种电压下 的击穿特性的击穿特性第四节第四节 大气条件对气隙击穿特大气条件对气隙击穿特性的影响性的影响 第三节 空气间隙在各种电压下的击穿 特性 气隙的击穿特性与所加电压的类型有很大的关系，在电力系统中，引
45、起空气气隙击穿的作用电压波形及持续时间是多种多样的，通常可以归纳为：直流电压直流电压工频交流电压工频交流电压2 雷电冲击电压雷电冲击电压 1 稳态电压稳态电压3 操作冲击电压操作冲击电压以以上上任任何何一一种种电电压压下下气气隙隙的的击击穿穿特特性性还还取取决决于于电电极的形状，即电场形式。极的形状，即电场形式。一、空气间隙在稳态电压下的击穿 直流电压和工频交流电压统称为稳稳态态电电压压（这类电压随时间的变化率很小，在放电发展所需的时间范围内可以认为外施电压没什么变化）。在稳态电压下气隙的击穿强度还与电场的均匀度有很大关系，因此下面讨论电场均匀度不同的气隙在稳态电压下的击穿特性。1均匀电场气隙
46、的击穿 均匀电场就是电极间电力线互相平行的场，也就是电极尺寸比极间距离大得多的平行电极间的电场。由由于于均均匀匀电电场场中中电电极极布布置置是是对对称称的的，各各处处场场强强相相等等，因因此此不不存存在在极极性性效效应应，击击穿穿所所需需时时间间极极短短。实实验验表表明明均均匀匀场场气气隙隙在在直直流流、工工频频电电压压作作用下的击穿电压是相同的。用下的击穿电压是相同的。1均匀电场气隙的击穿图1.11给出了均匀电场中标准大气状态条件下（p0101.3kPa，T0293K，hc11g/m3)在稳态电压作用时空气间隙的击穿电压峰值Ub与极间距离的关系。均匀电场气隙的击穿在稳态电压作用时空气间隙的击
47、穿电压峰值在稳态电压作用时空气间隙的击穿电压峰值Ub与与极间距离的关系，可用下面的经验公式表示：极间距离的关系，可用下面的经验公式表示：式中，式中，d为极间距离，（为极间距离，（cm）；）；为为空气相空气相对对密度，密度，电压单电压单位位为为KV，空气的，空气的击击穿穿场场强强为为30Kv/cm2稍不均匀电场气隙的击穿（f2)若两球对称布置，其中任何一球都不接地，测量对地对称的直流电压时，无极性效应，但通常是一球接地适用，如图1.12所示，由于大地的影响，电场分布不对称，因而有极性效应。2稍不均匀电场气隙的击穿（f2)(1)球隙 图1.13表示一球接地时，直径为D的球隙的击穿电压Ub与气隙距离
48、d的关系。当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，因而平均击穿场强小，击穿电压的分散性增大。因此，为了保证测量精度，球隙测压器的工作范围应在dD/2。2稍不均匀电场气隙的击穿（f2)(2)同轴圆柱图1.14给出同轴圆柱电极的外筒内半径R为10cm，而改变内筒外半径r大小，其电晕起始电压Uc，击穿电压Ub随内筒外半径r的变化而变化的趋势。R=10cm当r/R0.1时，气隙已逐渐变为稍不均匀电场，这时有UbUc，击穿前不再有稳定的电晕放电，击穿电压的 极 大 值 出 现 在r/R0.33。同轴圆柱同轴圆柱同轴圆柱 击穿电压随r变化出现极大值可解释为：当r很大时虽然电场均匀度
49、接近1，但因气隙距离d（Rr）很小，所以Ub很低；若r过小，虽然此时d增大，但由于电场不均匀度增大，也会使Ub下降。3极不均匀电场中的击穿 在各种各样的极不均匀电场气隙中，“棒 棒”气隙具有完全的对称性，而“棒 板”气隙具有最大的不对称性。实测表明，其他类型的极不均匀电场气隙的击穿特性均处于这两种极端情况的击穿特性之间，因而对于实际工程中遇到的各种极不均匀电场气隙来说，均可按其电极的对称程度分别选用“棒一棒”或“棒 板”这两种典型气隙的击穿特性曲线来 估算其电气强度。图图1.15给出了“棒棒”和“棒板”气隙的直直直直流流流流击击击击穿穿穿穿电电电电压压压压与极间距离（0-10cm范围）的关系曲
50、线。可以看出：正极性“棒板”的击穿电压远低于负极性“棒板”的击穿电压，“棒棒”的击穿电压介于二者之间，这说明不对称的极不均匀电场在直流电压下的击穿电压具有明显的极性效应，而“棒棒”气隙的极性效应不明显。3极不均匀电场中的击穿极不均匀电场中的直流击穿图1.16表示“棒棒”和“棒板”长气隙的击穿特性曲线。此时，负极性下的平均击穿场强降至10kV/cm左右，而正极性下只有约4.5kvcm，比均匀场中的击穿场强(约30kV/cm)小得多，这些实验结果可用于估算超高压直流输电工程中对称布置和不对称布置所需的绝缘距离。图图1.16“棒棒”和“棒板”长气隙直流的击穿特性曲线极不均匀电场中的工频交流击穿 在工