编辑: qksr 2019-09-08
前言 设备在运行中可能承受的过电压电介质 本课程的主要内容本课程的主要任务 设备在运行中可能承受的过电压 雷电过电压 短时过电压 操作过电压 雷电过电压的产生 雷电过电压也称大气过电压,是由雷电直击电气设备或输电线路,雷电流流过设备或线路 引起的过电压,这个过电压称为直击雷过电压;

也可能雷落在输电线路附近,由于电磁场的突然变化,在设备或线路上产生的感应电压,这个过电压称为感应雷过电压.

雷电过电压的特点 作用时间短峰值高是电力系统特别是110kV及以下系统的最危险的过电压. 短时过电压 这是由单相接地、突然甩负荷及由谐振引起的电力系统内部过电压.其特点是过电压的数值一般不太高,由于110kV及以下的电力系统绝缘裕度高,一般不会造成电气设备的损坏,这种过电压却是过电压保护装置动作条件的重要依据,在系统设计时应对这种过电压加以限制. 操作过电压 由系统操作或故障引起的过渡性质的过电压.过电压时间短,衰减快,过电压辐值一般不超过电气设备额定电压的3.5倍.这种过电压一般不会对电气设备的绝缘造成危害,但对绝缘较弱的电气设备及直配电机的绝缘威胁较大,必须予以重视. 电介质

一、导体和绝缘体

二、电介质的概念

三、电介质的物质形态

四、电介质的电导 本课程的主要内容 高电压绝缘理论:研究如何利用电介质的电气性能为电力系统服务,预防事故的发生;

高电压试验技术:研究如何应用通过给设备绝缘施加较高电压的方法来检查设备是否有安全隐患的技术;

过电压及其防护技术:讨论电力系统过电压的产生,发展机理,及其如何限制其发展和限制其产生的措施. 本课程的主要任务 使学习者通过本课程的学习,基本掌握各种绝缘介质的基本特性,如何正确的利用它的基本方法;

基本掌握应用高电压试验技术对电气设备的绝缘进行预防性试验的基本方法;

能在通过工程设计,预防和保护电气设备免受过电压的危害.为从事有关方面的工作奠定必要的理论基础.

第一章 气体电介质的电气性能 2.1 气体中带电质点的产生和消失2.2 均匀电场小气隙的放电2.3 均匀电场大气隙的放电2.4 不均匀电场气隙的击穿2.5 冲击电压下空气的击穿特性2.6 提高气隙抗电强度的措施 2.7 沿面放电

第一节 气体中带电质点的产生与消失 一.带电质点的产生 碰撞游离 光游离 热游离表面游离 二. 带电质点的消失质点的扩散质点的复合

1 碰撞游离 运动的质点(可以是带电的,也可以是中性质点)撞击另一个质点,且使其分解成为 两个带电质点的现象称为碰撞游离.发生碰撞游离的条件:撞击质点的总能量(动能+位能)大于被撞击质点的游离能;

有一定的相互作用时间.特点:可以一次完成,也可以分级完成. 游离能:质点游离所需的最小能量称为游离能.激励:当撞击质点的能量小于被撞质点的游离能时,使电子跃迁到更高的能级的现象称为质点的激励.处于激励状态的质点易游离.反激励:处于激励状态的质点如果没有其它质点撞击时,恢复到原来的运行状态的现象称为质点的反激励.反激励将把激励时所吸收的能量以光的状态释放出来. 2. 光游离 短波射线的光子具有很大的能量,它以光的速度运动,当它射到中性介质的分子或原子上时,所产生的游离称为光游离.光子的能量:紫外线,X射线,是引起光游离的主要因素. 3. 热游离 在高温下,气体的质点热运动加剧,相互碰撞而产生的游离称为热游离.只有在5000~10000K的高温下才能产生热游离. 4.表面游离 金属表面的电子受外界能量的作用后逸出金属表面而成为自由电子的现象称为表面游离.表面游离的条件:外界能量大于金属的逸出功. 二.带电质点的消失 去游离:带电质点从游离区消失或游离的作用被削弱的现象称为带电去游离.带电质点的消失是由于游离作用小于去游离的作用. 带电质点的消失的形式:

1、带电质点的扩散:由于不同区域种的带电质点的浓度不同,电荷从浓度高的区域向浓度低的区域运动的现象称为带电质点的扩散.

2、电质点的复合:正离子与负离子相遇发生电荷的传递,而相互综合还原成中性质点的现象称为带电质点的复合.

第二节 均匀电场小气隙的放电 一.气隙放电的伏安特性曲线二.气隙击穿电压的理论计算三.巴申曲线 一.气隙放电的伏安特性曲线: 十九世纪九十年代,英国物理学家汤深德(Townsend)采用图1 的实验装置测出了气体小间隙的伏安特性曲线如图2所示. 汤深德放电理论 o~a段 外加电压上升,导致气隙的电场强度上升,在自由行程内,电子的加速度增加,使移动电子的速度加快,所以电流增大.a~b段 虽然外加电压上升,但由于电子在运动中与其它中性质点相碰撞,使电子损失能量,导致电子的移动速度趋于饱和,所以电流几乎不随电压的变化而变化.b~c段 带电质点在外界电场的作用下,获得很大的加速度,以致在与中性质点碰撞时,具有很高的速度,使电子的动能较大,可以使部分中性质点产生碰撞游离,使气隙中移动的带电质点增多,所以电流随外加电压的增高而急剧增大.C~ 外电场使移动的电荷(主要是指电子)具有很大的动能,是所撞击的中性质点产生剧烈的碰撞游离,气隙电荷急剧增多,导致其失去绝缘性能而击穿. 二.气隙击穿电压的理论计算 ――气体的相对密度;

电子所在点的气体的电场强度.S ――极板之间的距离(cm)汤申德第三游离系数A、B――均为与气体性质有关的常数,对空气:A=109.61/kPa,B=2738.40kV/kPa;

均匀电场小气隙击穿电压的计算公式为: 由此看出,气隙的击穿电压不仅与气隙的大小有关,还与气隙的中性质点的密度有关,且是二者乘积的函数,这个规律称为巴申定律.因为它的曲线与在此公式推导出(1890年)的前一年(1889年)由巴申通过实验得出,所以此规律被命名为巴申定律.同时气隙的击穿电压还与阴极材料有关. 三.巴申曲线 放电机理:气隙的击穿取决于从阴极出发的电子在向阳极移动过程中与中性质点的碰撞次数和使其游离的概率.假设δ保持不变,S很大时,则必须增大外施电压提高场强才能使电子获得足够的能量以产生碰撞游离.但是当S值很小时,则由于电子与中性质点碰撞次数的减少,反而使气隙移动的带电质点减少,所以必须升高外施电压才能保持气隙的击穿.所以,总有一个S对气隙中的带电质点的产生最有利,使击穿电压最低.同理,当S保持不变,气体分子相对密度δ增大时,电子的自由行程缩短了,相邻两次碰撞之间积聚到足够动能的概率减小了,故Ub必然升高,这就是谷点的右侧.反之,当δ减小到很小数值后,质点的碰撞次数减少了,所以为了保持一定数量的带电质点,必须升高外施电压,即Ub升高,这就是谷点的左侧.在这两者之间.总有一个δ值对造成碰撞游离最有利,此时Ub最小,这就是谷点.

第三节均匀电场大气隙的放电

一、汤申德理论的不足没有考虑到空间电荷对电场的畸变作用没有考虑到光子在放电过程中的作用

二、流注放电理论正流注负流注 空间电荷对电场的畸变作用: 正流注的形成 如果外施电压为气隙的最低击穿电压,当初崩发展到阳极时,正负电荷复合和反激励发出光子.由于受空间电荷的畸变作用,崩尾的电场较高,光子到达这里时,形成二次电子崩.二次电子崩头部的电子与初崩的正空间电荷汇合成为充满正负带电质点的混合通道.这个正电荷多于负电荷的混合通道称为流注通道,简称为流注. 由正极向负极发展,所以称为正流注. 负流注的形成 电压较低时,电子崩需经过整个间隙才形成流注,电压较高时,电子崩不需经过整个间隙,其头部电离程度已足以形成流注 .主电子崩头部的电离很强烈,光子射到主崩前方,在前方产生新的电子崩,主崩头部的电子和二次崩尾的正离子形成混合通道,形成向阳极推进的流注,称为负流注 间隙中的正、负流注可以同时向两极发展. 阳极 阴极

第四节 不均匀电场气隙的击穿 一.不均匀电场的模拟二.短间隙的击穿

三、棒板电极的极性效应

四、长间隙的击穿 一.不均匀电场的模拟 不均匀电场的分类 电极的不同导致电场的分布有所不同,但可以分为两类:对称电场和不对称电场两种.对称电场 棒――棒电极来模拟;

不对称电场 棒――板电极来模拟. 二.短间隙的击穿 棒为正极性时,电子崩是从场强低的区域向场强高的区域发展.此外,初崩的电子很快进入棒极,在棒极前方留下的正离子大大加强了气隙深处的电场,极易使气隙深处的电子产生二次电子崩而形成正流注.由于流注所产生的空间电荷总是加强前方的电场,所以它的发展是连续的,速度很快,与棒为负极性时相比,击穿同一间隙所需电压要低得多 . 当棒为负极性时,初崩直接由棒极向外发展.先经过强场区,后来的路程中场强愈来愈弱,这就使电子崩的发展比棒为正极性时不利得多.初崩留下的正空间电荷显然增强了负棒极附近的电场,却削弱了气隙深处的空间电场,使负流注的向前发展受到抑制.击穿同一间隙所需的电压要高得多.

三、棒板电极的极性效应 综上所述,对棒一板电极,在棒为不同极性时,由于空间电荷对气隙的电场影响不同,从而将导致其击穿电压和电晕起始电压不同,这种现象称为棒一板电极的极性效应.棒正板负时的击穿电压低于同间隙棒负板正时的击穿电压,而电晕起始电压则相反.

二、长间隙的击穿 实践表明,当气隙较大(约1m以上)时,存在某种新的,不同性质的被称为先导放电的放电过程.不同极性的先导放电过程有不同的特性.目前,对这些问题的研究还很不够,只是对这些事物的现象、参数、影响因素及变化规律等作了一些实测,而对这些放电过程的机理并没有完全研究清楚.

第五节 冲击电压下空气的击穿特性 冲击电压的标准波形 伏秒特性

一、冲击电压的标准波形 作用时间短暂的电压称为冲击电压,在冲击电压作用下空气间隙的击穿具有新的特性.雷电在电力系统中造成的过电压是一种冲击电压,这是电力系统发生事故的重要因素.为了模拟雷电压,各国规定了试验用雷电冲击电压的标准波形,分为全波和截波两种.

二、伏秒特性 在冲击电压作用下,间隙的击穿电压比静态击穿电压(直流或工频交流持续作用下的击穿电压)高.这是因为整个间隙击穿放电的发展过程........

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