高电压技术课程设计.docx
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高电压技术课程设计
高电压技术课程设计
题目:
高电压绝缘技术
指导老师:
目录
一、气体电介质的放电特性3
1.1.空气在强电场下放电特性3
1.2.带电质点的产生与消失3
二.气体放电的两个理论4
2.1.汤逊放电理论.4
2.2.流注理论5
三.不均匀电场中气隙的放电特性5
3.1.电晕放电5
3.2.极性效应5
四.雷电冲击电压下气隙的击穿特性6
4.1.标准波形6
4.2.放电时延6
4.3.放电电压7
4.4.伏秒特性7
五.大气条件对气体间隙击穿电压的影响7
5.1.大气条件的影响8
5.2.相对密度的影响8
5.3.湿度的影响8
5.4.高度的影响8
六.提高气体间隙绝缘强度的方法8
6.1.改善电场分布的措施8
6.2.削弱游离因素的措施8
七.气体中的沿面放电9
7.1.什么叫沿面放电9
7.2.界面电场分布的三种典型情况9
7.3.均匀电场中的沿面放电9
7.4.极不均匀电场具有强法线分量时的沿面放电9
7.5.极不均匀电场具有强切线分量时的沿面放电10
7.6.绝缘子串的电压分布析结果10
7.7.绝缘子表面污秽时的沿面放电10
7.8.防止绝缘子的污闪,应采取措施11
八.电介质的极化11
8.1.定义11
8.2.相对介电系数εr:
11
8.3.极化的基本形式11
九.电介质的电导12
9.1.定义12
9.2.介质中的电流12
9.3.吸收现象12
十.电介质的损耗13
10.1.损耗的形式13
10.2.用介质损耗角的正切tgδ来表示介损的意义13
10.3.影响tgδ的因素13
十一.液体电介质的击穿特性14
11.1.“小桥”理论(即:
“气泡”击穿理论)14
11.2.影响液体电介质击穿电压的因素14
十二.固体电介质的击穿14
12.1.击穿形式14
12.2.影响因素14
十三.电介质的老化14
十四.描写电介质电性能的四个物理量14
高压绝缘技术
一、气体电介质的放电特性
1.1.空气在强电场下放电特性
气体在正常状态下是良好的绝缘体,在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但在高电压下,气体从少量电符会突然产生大量的电符,从而失去绝缘能力而发生放电现象.一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
1.2.带电质点的产生与消失
(1)激发
原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态
(2)游离
原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子脱离原子核的束博而形成自由电子和正离子
(3)游离的方式a.碰撞游离b.光游离c.热游离d.金属表面游离
碰撞游离
当带电质点具有的动能积累到一定数值后,在与气体原子(或分子)发生碰撞时,可以使后者产生游离,这种由碰撞而引起的游离称为碰撞游离
引起碰撞游离的条件:
气体原子(或分子)的游离能
光游离
由光辐射引起气体原子(或分子)的游离
称为光游离
产生光游离的条件:
h:
普朗克常数
ν:
光的频率
热游离
气体在热状态下引起的游离过程称为热游离
产生热游离的条件:
K:
波茨曼常数
T:
绝对温度
金属表面游离
电子从金属电极表面逸出来的过程称为表面游离
(4)去游离
a.扩散带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动.
b.复合正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子
c.附着效应电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子
二.气体放电的两个理论
2.1.汤逊放电理论.
适用条件:
均匀电场,低气压,短间隙
(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
(4).自持放电条件
a.电子的空间碰撞系数α
一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰撞游离数
b.正离子的表面游离系数γ
一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的电子数
一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的电子数
自持放电条件可表达为:
(5)巴申定律
a.表达式:
P:
气体压力S:
极间距离
b.均匀电场中几种气体的击穿电压与ps的关系
2.2.流注理论
(1).在ps乘积较大时,用汤逊理论无法解释的几种现象
a.击穿过程所需时间,实测值比理论值小10--100倍
b.按汤逊理论,击穿过程与阴极材料有关,然而在大气压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关.
c.按汤逊理论,气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展,但在大气中击穿会出现有分枝的明亮细通道
(2).理论要点:
认为电子碰撞游离及空间光游离是维持自持放电的
主要因素,流注形成便达到了自持放电条件,它强调了
空间电符畸变电场的作用和热游离的作用.
(3)放电简单流程图:
有效电子(经碰撞游离)-----电子崩(畸变电场)-----发射光子(在强电场作用下)-----产生新的电子崩(二次崩)-----形成混质通道(流注)-----由阳极向阴极(阳极
注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿.
三.不均匀电场中气隙的放电特性
3.1.电晕放电
一定电压作用下,在曲率半径小的电极附近发生局部
游离,并发出大量光辐射,有些像日月的晕光,称为电晕
放电.
电晕起始场强开始出现电晕时电极表面的场强
电晕起始场强开始出现电晕时电极表面的场强
电晕起始场强开始出现电晕时电极表面的场强
3.2.极性效应
(1).正棒---负板
分析:
a.由于捧极附近积聚起正空间电荷,削弱了电离,使电晕放电难以形成,造成电晕起始电压提高。
b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电场加强了朝向板极的电场,有利于流注发展,故降低了击穿电压
(2).负棒---正板
分析:
a.捧附近正空间电荷产生附加电场加强了朝向棒端的电场强度,容易形成自持放电,所以其电晕起始电压较低。
b.在间隙深处,正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反,使放电的发展比较困难,因而击穿电压较高。
结论:
在相同间隙下
正捧-----负板负捧-----正板
电晕起始高低
间隙击穿压低高
四.雷电冲击电压下气隙的击穿特性
4.1.标准波形
几个参数
波头时间T1:
T1=(1.230%)μs
波长时间T2:
T2=(5020%)μs
标准波形符
4.2.放电时延
(1).间隙击穿要满足二个条件
a.一定的电压幅值
b.一定的电压作用时间
(2).统计时延ts
通常把电压达间隙的静态击穿电压开始到间隙中出现第一个有效电子为止所需的时间
(3).放电形成时延tf
从第一个有效电子到间隙完成击穿所需的时间
(4).放电时延tL
tL=ts+tf
气体间隙在冲击电压作用下击穿所需全部时间:
t=t1+ts+tf
其中:
ts+tf就是放电时延tL
4.3.放电电压
50%冲击放电电压U50%
放电概率为50%时的冲击放电电压
50%冲击放电电压与静态放电压的比值称为绝缘的冲击系数β
4.4.伏秒特性
(1)定义
同一波形、不同幅值的冲击电压下,间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线
(2)曲线求取方法
(3)电场均匀程度对曲线的影响
不均匀电场由于平均击穿电场强度较低,而且流注总是从强场区向弱场区发展,放电速度受到电场分布的影响,所以放电时延长,分散性大,其伏秒特性曲线在放电时间还相当大时,便随时间之减小而明显地上翘,曲线比较陡.均匀或稍不均匀电场则相反,由于击穿时平均场强较高,流注发展较快,放电时延较短,其伏秒特性曲线较平坦.
五.大气条件对气体间隙击穿电压的影响
5.1.大气条件的影响
大气条件大气压力P0=101.3kpa
温度
湿度f0=11g/m3
5.2.相对密度的影响
相对密度=0.289----
当在0.95到1.05之间时,空气间隙的击穿电压U与成正比U=U0
5.3.湿度的影响
(1).均匀或稍不均匀电场
湿度的增加而略有增加,但程度极微,可以不校正
(2).极不均匀电场
由于平均场强较低,湿度增加后,水分子易吸附电
子而形成质量较大的负离子,运动速度,减慢游离
能力大大降低,使击穿电压增大.因此需要校正.
5.4.高度的影响
随着高度增加,空气逐渐稀薄,大气压力及空气
相对密度下降,间隙的击穿电压也随之下降.
U=kaU0
六.提高气体间隙绝缘强度的方法
有两个途径:
一个是改善电场分布,使之尽量均匀;
另一个是削弱气体间隙中的游离因素
6.1.改善电场分布的措施
(1).改变电极形状
(2).利用空间电荷对电场的畸变作用
(3).极不均匀电场中采用屏障
当屏障与棒极之间的距离约等于间隙的距离的
15%-----20%时,间隙的击穿电压提高得最多,
可达到无屏障时的2---3倍
6.2.削弱游离因素的措施
(1).采用高气压
(2).采用高真空
(3).采用高强度气体
SF6气体属强电负性气体,容易吸附电子成为负离子,从而削弱了游离过程.提高压力后可
相当于一般液体或固体绝缘的绝缘强度.它是一种无色、无味、无臭、无毒、不燃的不活泼气体,化学性能非常稳定,无腐蚀作用。
它具有优良的灭弧性能,其灭弧能力是空气的100倍,故极适用于高压断路器中。
七.气体中的沿面放电
7.1.什么叫沿面放电
沿着固体介质表面的气体发生的放电
沿面放电电压通常比纯空气间隙的击穿电压要低
7.2.界面电场分布的三种典型情况
气体介质与固体介质的交界称为界面
(1).固体介质处于均匀电场中,且界面与电力线平行;
(2).固体介质处于极不均匀电场中,且电力线垂直于界面的分量比平行于界面的分量大得多;类似套管
(3).固体介质处于极不均匀电场中,且电力线平行于界面的分量以垂直于界面的分量大得多.类似支持绝缘子
7.3.均匀电场中的沿面放电
其放电特点:
(1).放电发生在沿着固体介质表面,且放电电压比纯空气间隙的放电电压要低.
其原因
a.固体介质与电极表面没有完全密合而存在微小气隙,或者介面有裂纹.
b.介质表面不可能绝对光滑,使表面电场不均匀.
c.介质表面电阻不均匀使电场分布不均匀
d.介质表面易吸收水分,形成一层很薄的膜,水膜中的离子在电场作用下向两极移动,易在电极附近积聚电荷,使电场不均匀
7.4.极不均匀电场具有强法线分量时的沿面放电
(套管型)
(1)放电发展特点
a电晕放电b.线状火花放电c.滑闪放电d.闪络放电
(2)影响沿面放电因素分析
等值电路图
a.固体介质厚度越小,则体积电容越大,沿介质表面电压分布越不均匀,其沿面闪络电压越低;
b.同理,固体介质的体积电阻越小,沿面闪络电压越低
c.固体介质表面电阻减少,可降低沿面的最大电场强度,从而提高沿面闪络电压
(3).提高沿面闪络电压措施
a.减少套管的体积电容。
如增大固体介质厚度,加大法兰处套管的外经
b.减少绝缘的表面电阻。
如在套管近法兰处涂半导体漆或半导体釉
7.5.极不均匀电场具有强切线分量时的沿面放电
(支柱绝缘子型)
由于电极本身的形状和布置己使电场很不均匀,故介质表面积聚电荷使电压重新分布不会显著降低沿面闪络电压,为了提高沿面闪络电压,一般从改进电极形状,如采用屏蔽罩和均压环
7.6.绝缘子串的电压分布析结果
分
a.绝缘子片数越多,电压分布越不均匀
b.靠近导线端第一个绝缘子电压降最高,易产生电晕放电。
在工作电压下不允许产生电晕,故对330kv及以上电压等级考虑使用均压环
7.7.绝缘子表面污秽时的沿面放电
户外绝缘子,会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污染,在干燥时,由于污秽尘埃电阻很大,绝缘子表面泄漏电流很小,对绝缘子安全运行无危险;但下雨时,绝缘子表面容易冲掉,而大气湿度较高,或在毛毛雨、雾等气候下,污秽尘埃被润湿,表面电导剧增,使绝缘子的泄漏电流剧增,降低闪络电压
7.8.防止绝缘子的污闪,应采取措施
(1).对污秽绝缘子定期或不定期进行清洗
(2).绝缘子表面涂一层憎水性防尘材料
(3).加强绝缘和采用防污绝缘子
(4).采用半导体釉绝缘子
八.电介质的极化
8.1.定义
电介质中的带电质点在电场作用下
沿电场方向作有限位移
8.2.相对介电系数εr:
表征电介质在电场作用下的极化程度
8.3.极化的基本形式
(1)电子式极化
其特点:
a.极化所需时间极短
b.极化时没有能量损耗
c.温度对极化影响极小
(2).离子式极化
其特点:
a.极化过程极短
b.极化过程无能量损耗
c.温度对极化有影响,极化随温度升高而增强
(3).偶极子式极化
其特点
a.极化所需时间较长,因而与频率有关
b.极化过程有能量损耗
c.温度对极化影响很大,温度很高和很低时,极化均减弱
(4).夹层式极化
其特点
在两层电介质的界面上发生电荷的移动和积累,极化过程缓慢,并有损耗
九.电介质的电导
9.1.定义
介质在电场作用下,使其内部联系较弱
的带电粒子作有规律的运动形成电流,
即泄漏电流.这种物理现象称为电导
表征电导过程强弱程度的物理量为电导率γ,或它的倒数电阻率ρo
9.2.介质中的电流
(1).电容电流ic
在加压初瞬间介质中的电子式极化和离子式极化过程所引起的电流,无损耗,存在时间极短
(2).吸收电流ia
有损极化所对应的电流,即夹层极化和偶极子极化时的电流,它随时间而衰减.
(3)泄漏电流
绝缘介质中少量离子定向移动所形成的电导电流,它不随时间而变化流过介质的电流i由三个分量组成。
9.3.吸收现象
固体电介质在直流电压作用下,观察到电路中的电流从大到小随时间衰减,最终稳定于某一数值,称为“吸收现象”介质干燥和嘲湿,吸收现象不一样,据此可判断绝缘性能的好坏
十.电介质的损耗
10.1.损耗的形式
(1).电导损耗
由泄漏电流引起的损耗.交直流下都存在
(2).极化损耗
由偶极子与夹层极化引起,交流电压下极明显
(3).游离损耗
指气体间隙的电晕放电以及液固体介质内部气泡中局部放电所造成的损耗.
10.2.用介质损耗角的正切tgδ来表示介损的意义
在交流电压作用下,由于存在三种形式的损耗,需引入一个新的物理量来表征介损的特性.经推导,介质损耗P为经推导,介质损耗P为
由于:
(1).P值与试验电压U的高低等因素有关;
(2).tgδ是与电压、频率、绝缘尺寸无关的量,而仅取决于电介质的损耗特性。
(3)tgδ可以用高压电桥等仪器直接测量.所以表征介损用介质损失角的正切tgδ
来表示,而不是用有功损耗P来表示.
10.3.影响tgδ的因素
(1)温度的影响
(2)频率的影响
(3)电压的影响
在电场强度不很高时,tgδ不变;
在电场强度较高时,tgδ随电场强度升高而迅速增大
十一.液体电介质的击穿特性
11.1.“小桥”理论(即:
“气泡”击穿理论)
变压器油的击穿主要原因,在于杂质的影响,而杂质是水分、受潮的纤维和被游离了的气泡等构成,它们在电场的作用下,在电极间逐渐排列成为小桥,从而导致击穿。
11.2.影响液体电介质击穿电压的因素
(1)自身品质因素:
杂质的多少(含水量、纤维量、气量)
通过标准油杯中变压器油的工频击穿电压来衡量油的品质
(2)温度
(3)电压作用时间
加压后短至几个微秒时,表现为电击穿,击穿电压很高当电压作用时间大于毫秒级时,表现为热击穿,击穿电压随作用时间增加而降低。
(4)电场均匀程度
电场愈均匀,杂质对击穿电压的影响愈大分散性也愈大,击穿电压也愈高.提高液体电介质击穿电压的措施1)过滤
(2)防潮(3)脱气(4)覆盖层(5)绝缘层(6)屏障
十二.固体电介质的击穿
12.1.击穿形式
(1).电击穿
(2).热击穿(3).电化学击穿
12.2.影响因素
(1).电压作用时间
(2).电场均匀程度与介质厚度
(3).电压种类
(4).电压作用的累积效应
(5).受潮
3.提高击穿电压的措施
(1).改进制造工艺:
尽可能清除介质中的杂质,
可以通过精选材料、改善工艺、真空干燥、
加强浸渍等方法。
(2).改进绝缘设计:
尽可能使电场均匀
(3).改善运行条件:
注意防潮、尘污,加强散热冷却
十三.电介质的老化
老化的主要形式:
电老化和热老化
十四.描写电介质电性能的四个物理量
1.电介质的极化相对介电系数
2.电介质的电导电导率γ
3.电介质的损耗介质损失角正切tgδ
4.电介质的击穿电场强度E
电气设备的绝缘试验
绝缘中的缺陷可分为两类:
一类是局部性或集中性的缺陷;另一类是整体性或分布性的缺陷:
整体绝缘老化、变质、受潮。
绝缘性能下降试验也可分成两大类:
一类是非破坏性试验;另一类是耐压试验。
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