高电压技术第二版吴广宁电子教案.docx

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高电压技术第二版吴广宁电子教案

周次：

时间：

课题：

气体放电的基本物理过程

（一）

课时：

2课时

教学目标：

1、了解带电质点的产生与消失

2、掌握电子崩的形成与汤逊理论

重点、难点：

电子崩的形成与汤逊理论

教具：

教材粉笔

￥

教学方法：

讲授法

时间分配：

回顾10分钟授课65分钟小结10分钟作业布置5分钟

教学过程：

气体放电的基本物理过程

高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其它复合介质。

由于气体绝缘介质不存在老化问题，击穿后自愈能力强，且其成本廉价，因此气体成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。

气体击穿过程的理论研究虽然还不完善，但是相对于其他几种绝缘材料来说最为完整。

因此，高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。

1.1.1带电质点的产生

气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。

}

由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量的带电质点

正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体；

在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能

1、气体中电子与正离子的产生

电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。

电离可一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式。

（1）热电离

常温下，气体分子发生热电离的概率极小。

气体中

发生电离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度。

（2）光电离当满足以下条件时，产生光电离。

—

（3）碰撞电离

高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时，如原子或分子获得的能量等于或大于其电离能，则会发生电离。

（4）分级电离

电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励，其所需能量称为激励能。

原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离。

2、电极表面的电子逸出

（1）正离子撞击阴极

！

（2）光电子发射

（3）强场发射

（4）热电子发射

3、气体中负离子的形成

电子亲合能：

使基态的气体原子获得一个电子形成负离子时所放出的能量，其值越大则越易形成负离子。

1.1.2带电质点的消失

1.带电质点受电场力的作用流入电极；

2.带电质点的扩散；

。

3.带电质点的复合。

1.1.3电子崩与汤逊理论

1、放电的电子崩阶段

（1）非自持放电和自持放电的不同特点

（2）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。

2、汤逊理论

前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放电的。

要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。

（1）γ过程与自持放电条件

%

由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电子。

此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起阴极表面电离，统称为γ过程。

（2）汤逊放电理论的适用范围

作业布置：

审批：

小结：

1、带电质点的产生与消失

2、电子崩的形成与汤逊理论

后记：

】

'

周次：

时间：

课题：

气体放电的基本物理过程

（二）

课时：

2课时

（

教学目标：

1、掌握巴申定律与适用范围

2、掌握气体放电的流注理论

3、掌握不均匀电场中的气体放电

重点、难点：

流注理论

教具：

教材粉笔

教学方法：

讲授法

时间分配：

回顾10分钟授课65分钟小结10分钟作业布置5分钟

教学过程：

气体放电的基本物理过程

；

1.1.4巴申定律与适用范围

1、巴申定律

早在汤逊理论出现之前，巴申（Paschen）就于1889年从大量的实验中总结出了击穿电压与的关系曲线，称为巴申定律，即

1.1.5气体放电的流注理论

1.空间电荷对原有电场的影响

电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变；

在电场很小的区域，电子和离子浓度最大，有利于完成复合；

强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离辐射源。

—

2.空间光电离的作用

这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注。

流注条件

流注的特点是电离强度很大和传播速度很快，出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见这时出现流注的条件也就是自持放电的条件。

1.1.6不均匀电场中的气体放电

电气设备中很少有均匀电场的情况。

但对不均匀电场还要区分两种不同的情况，即稍不均匀电场和极不均匀电场。

全封闭组合电器（GIS）的母线筒和高压实验室中测量电压用的球间隙是典型的稍不均匀电场；高压输电线之间的空气绝缘和实验室中高压发生器的输出端对墙的空气绝缘则属于极不均匀电场。

1.稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分

述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数f，表示为：

~

为了描f<2时为稍不均匀电场，f>4属不均匀电场。

2.极不均匀电场的电晕放电

（1）电晕放电

在极不均匀场中，当电压升高到一定程度后，在空气间隙完全击穿之前，大曲率电极（高场强电极）附近会有薄薄的发光层，这种放电现象称为电晕。

（2）电晕放电的起始场强

电晕放电的起始场强一般由实验总结出的经验公式来计算，电晕的产生主要取决于电极表面的场强，所以研究电晕起始场强和各种因素间的关系更直接。

（3）电晕放电的危害、对策及其利用

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。

（

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。

电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。

降低电晕的方法：

①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。

②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。

（4）极不均匀电场中放电的极性效应

在电晕放电时，空间电荷对放电的影响已得到关注。

由于高场强电极极性的不同，空间电荷的极性也不同，对放电发展的影响也就不同，这就造成了不同极性的高场强电极的电晕起始电压的不同，以及间隙击穿电压的不同，称为极性效应.

—

棒－板间隙这种典型的极不均匀场

（5）长间隙击穿过程

长间隙的放电大致可分为先导放电和主放电两个阶段，在先导放电阶段中包括电子崩和流注的形成及发展过程。

不太长间隙的放电没有先导放电阶段、只分为电子崩、流注和主放电阶段。

3.稍不均匀电场中的极性效应

稍不均匀电场意味着电场还比较均匀，高场强区电子电离系数@达足够数值时，间隙中很大一部分区域中的@也达到相当值，起始电子崩在强场区发展起来，经过一部分间隙距离后形成流注。

流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致完全击穿。

作业布置：

审批：

-

小结：

1、巴申定律与适用范围

2、气体放电的流注理论

3、不均匀电场中的气体放电

后记：

《

周次：

时间：

课题：

气体介质的电气强度

（一）

课时：

2课时

：

教学目标：

1、掌握持续作用电压下的击穿现象

2、掌握雷电冲击电压下的击穿现象

重点、难点：

击穿机理

教具：

教材粉笔

教学方法：

讲授法

时间分配：

回顾10分钟授课65分钟小结10分钟作业布置5分钟

教学过程：

气体介质的电气强度

1.2.1持续作用电压下的击穿

/

1、均匀电场中的击穿

实际中，大均匀电场间隙要求电极尺寸做得很大。

因此，对于均匀场间隙，通常只有间隙长度不大时的击穿数据，如图所示。

均匀电场的击穿特性：

电极布置对称，无击穿的极性效应；

间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短

直流击穿电压、工频击穿电压峰值以及50％冲击击穿电压相同；

击穿电压的分散性很小。

2、稍不均匀电场中的击穿

\

稍不均匀电场的击穿特点：

击穿前无电晕；

无明显的极性效应；

直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50％冲击击穿电压几乎一致。

3、极不均匀电场中的击穿

电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱；

极间距离对击穿电压的影响增大；

在直流电压中，直流击穿电压的极性效应非常明显；

"

工频电压下，击穿都发生在正半周峰值附近。

1.2.2雷电冲击电压下的击穿

大气中雷电产生的过电压对高压电气设备绝缘会产生重大威胁。

因此在电力系统中，一方面应采取措施限制大气过电压，另一方面应保证高压电气设备能耐受一定水平的雷电过电压。

1、雷电冲击电压的标准波形

雷电能对地面设备造成危害的主要是云地闪。

按雷电发展的方向可分为

下行雷在雷云中产生并向大地发展；

上行雷由接地物体顶部激发，并向雷云方向发展。

-

下行负极性雷通常可分为3个主要阶段：

先导过程主放电过程余光放电过程

先导过程：

延续约几毫秒，以远级发展、高电导、高温的、具有极高电位的先导通道将雷云到大地之间的气隙击穿。

沿先导通道分布着电荷，其数量达几库仑。

主放电过程：

当下行先导和大地短接时，发生先导通道放电的过渡过程。

在主放电过程中，通道产生突发的亮光，发出巨大的声响，沿着雷电通道流过幅值很大、延续时间为近百微秒的冲击电流。

余光放电：

主放电完成后，云中的剩余电荷沿着雷电通道继续流向大地，这时在展开照片上看到的是一片模糊发光的部分，相应的电流是逐渐衰减的，约为10000—10A，延续时间约为几毫秒。

2、放电延时

完成气隙击穿的三个必备条件：

最低静态击穿电压；在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子；需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。

3.50％击穿电压

在工程实际中广泛采用击穿百分比为50％时的电压（U50%）来表征气隙的冲击击穿特性。

实际中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可认为是50％冲击击穿电压。

4.伏-秒特性

冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压－时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性曲线，它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。

如图所示：

、

作业布置：

审批：

小结：

1、持续作用电压下的击穿现象

2、雷电冲击电压下的击穿现象

后记：

）

*

周次：

时间：

课题：

气体介质的电气强度

（二）

课时：

2课时

教学目标：

1、了解气体操作冲击电压下空气的绝缘特性

2、掌握大气条件对气体击穿的影响

3、掌握提高气体击穿电压的措施

重点、难点：

[

教具：

教材粉笔

教学方法：

讲授法

时间分配：

回顾10分钟授课65分钟小结10分钟作业布置5分钟

教学过程：

气体介质的电气强度

1.2.3操作冲击电压下空气的绝缘特性

电力系统在操作或发生事故时，因状态发生突然变化引起电感和电容回路的振荡产生过电压，称为操作过电压。

1、操作冲击电压波形

2.操作冲击放电电压的特点

&

U形曲线极性效应分散性大邻近效应

1.2.4大气条件对气体击穿的影响

由于大气的压力、温度、湿度等条件都会影响空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程，所以也必然会影响气隙的击穿电压。

海拔高度的影响亦与此类似，因为随着海拔高度的增加，空气的压力和密度均下降。

正如在“负离子的形成”一段中所介绍的那样，大气中所含的水气分子能俘获自由电子而形成负离子，这对气体中的放电过程显然起着抑制作用，可见大气的湿度越大，气隙的击穿电压也会增高。

1.2.5提高气体击穿电压的措施

1.为了缩小电力设施的尺寸，总希望将气隙长度或绝缘距离尽可能取得小一些，为此就应采取措施来提高气体介质的电气强度。

从实用角度出发，要提高气隙的击穿电压不外乎采用两条途径：

①改善气隙中的电场分布，使之均匀；

.

②设法削弱和抑制气体介质中的电离过程。

2.电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。

因此，可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的最大电场强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电压。

如：

①增大电极的曲率半径

②改善电极边缘

③使电极具有最佳外形

3.极不均匀电场气隙被击穿前先出现电晕放电。

在一定条件下，可以利用放电本身所产生的空间电荷来调整和改善空间的电场分布，以提高气隙的击穿电压。

4.极不均匀场中屏障的采用屏障的作用在于屏障表面上积聚的空间电荷，使屏障与板电极间形成较均匀的电场，从而使整个间隙的击穿电压提高。

5.提高气体压力的作用在常压下空气的电气强度比较低，约为30kV/cm。

即使采取上述各种措施来尽可能改善电场，其平均击穿场强也不可能超越这一极限。

》

6.高真空和高电气强度气体SF6的采用

采用高真空也可以减弱气隙中的碰撞电离过程，从而显著提高气隙的击穿电压。

有一些含卤族元素的强电负性气体电气强度特别高，因而可称之为高电气强度气体。

采用这些气体来替换空气，可以大大提高气隙的击穿电压，甚至在空气中混入一部分这样的气体也能显著提高其电气强度。

但仅仅满足高电气强度是不够的，还必须满足以下条件：

液化温度要低，这样才能同时采用高气压；

良好的化学稳定性，出现放电时不易分解、不燃烧或爆炸、不产生有毒物质；

生产不太困难，价格不过于昂贵。

作业布置：

.

审批：

小结：

1、气体操作冲击电压下空气的绝缘特性

2、大气条件对气体击穿的影响

3、提高气体击穿电压的措施

后记：

周次：

时间：

！

课题：

固体绝缘表面的气体沿面放电

课时：

2课时

教学目标：

1、了解固体绝缘表面的气体沿面放电现象

2、掌握绝缘子的污秽放电

3、掌握提高沿面放电电压的措施

重点、难点：

提高沿面放电电压的措施

教具：

教材粉笔

教学方法：

讲授法

】

时间分配：

回顾10分钟授课65分钟小结10分钟作业布置5分钟

教学过程：

固体绝缘表面的气体沿面放电

闪　络:

沿着整个固体绝缘表面发生的放电。

高压绝缘子的分类：

（１）绝缘子在机械上起固定，电气上起隔离作用的固体高压绝缘部件。

如悬式绝缘子、支柱绝缘子、横担绝缘子等。

（２）套筒用作电器内绝缘的容器，如互感器瓷套、避雷器瓷套及断路器瓷套等。

（３）套管用作导电体穿过接地隔板、电器外壳和墙壁的绝缘件，如穿越墙壁的穿墙套管、变压器、电容器的出线套管等。

按材料分

—

（1）电工陶瓷

（2）钢化玻璃

（3）硅橡胶、乙丙橡胶等有机材料

1.3.1界面电场的分布

界面电场的分布的三种典型情况：

]

1.3.2均匀电场中的沿面放电

沿面闪络电压的影响因素：

（1）固体绝缘材料特性

（2）介质表面的粗糙度

（3）固体介质与电极间的气隙大小

1.3.3极不均匀电场中的沿面放电

如图所示，以具有强垂直分量的套管为例，说明沿面放电的发展过程及其特有形式：

发展过程

外施电压升高电压超过某一值电压再升高一些

…

电晕放电辉光放电滑闪放电闪络

1.3.4绝缘子的污秽放电

污闪：

由于污秽导致产生的闪络，对电力系统造成的损失最大

污闪形成：

绝缘子常年处于户外，自然界灰尘和飘浮盐碱颗粒易附于其上，从而形成污层。

随着大气湿度的提高，污层将受潮变得湿润，导致电导剧增，绝缘子泄漏电流大大增加。

当绝缘子闪络电压降到一个很低的水平时，即使在工作电压下，绝缘子都可能发生污闪。

1.3.5提高沿面放电电压的措施

（1）屏障

（2）屏蔽

（3）提高表面憎水性

:

（4）消除绝缘体与电极接触面的缝隙

（5）改变绝缘体表面的电阻率

（6）强制固体介质表面的电位分布

（7）提高污闪电压

作业布置：

审批：

小结：

1、固体绝缘表面的气体沿面放电现象

2、绝缘子的污秽放电

$

3、提高沿面放电电压的措施

后记：

周次：

时间：

课题：

固体电介质的极化与损耗固体电介质的电导

（一）

课时：

2课时

教学目标：

1、掌握固体电介质的极化现象

2、掌握固体电介质的损耗

"

3、掌握固体电介质的电导

重点、难点：

极化现象

教具：

教材粉笔

教学方法：

讲授法

时间分配：

回顾10分钟授课65分钟小结10分钟作业布置5分钟

教学过程：

固体电介质的极化与损耗

2.1.1固体电介质的极化

电介质的介电常数也称为电容率，是描述电介质极化的宏观参数。

电介质极化的强弱可用介电常数的大小来表示，它与该介质分子的极性强弱有关，还受到温度、外加电场频率等因素的影响。

|

1.非极性固体电介质

这类介质在外电场作用下，按其物质结构只能发生电子位移极化。

2.极性固体电介质

极性固体电介质在外电场作用下，除了发生电子位移极化外，还有极性分子的转向极化。

由于转向极化的贡献，使介电常数明显地与温度有关。

2.1.2固体电介质的损耗

在电场作用下没有能量损耗的理想介质是不存在的，实际电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化引起的损耗，总称为介质损耗。

1.固体无机电介质

（1）无机晶体

》

普通的无机晶体介质，如氯化钠（NaCl）、石英和云母等，它们只有位移极化，其介质损耗主要来源于电导。

（2）无机玻璃

玻璃的介质损耗可以认为主要由三部分组成：

电导损耗、松弛损耗和结构损耗。

（3）陶瓷介质

陶瓷可以分为含有玻璃相和几乎不含玻璃相两类，第一类陶瓷是含有大量玻璃相和少量微晶的结构，其介质损耗主要由三部分组成：

2.固体有机电介质

非极性有机介质，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯和天然的石蜡、地蜡等

它们既没有弱联系离子，也不含极性基团，因此在外电场作用下只有电子位移极化，其介质损耗主要是由杂质电导引起的。

这类介质的电导率一般很小，所以相应的tanδ值也很小，被广泛用作工频和高频绝缘材料。

@

极性有机介质，如含有极性基的有机介质及天然纤维等，它们的分子量一般较大，分子间相互联系的阻碍作用较强，因此除非在高温之下，整个极性分子的转向难以建立，转向极化只可能由极性基团的定向所引起。

这类极性有机介质的损耗，主要决定于极性基的松弛损耗，因而在高频下的损耗也很大，不能作为高频介质应用。

2.2.1固体电介质的离子电导

固体电介质按其结构可分为晶体和非晶体两大类。

1.晶体无机电介质的离子电导

晶体介质的离子来源有两种：

本征离子电导弱束缚离子电导

2.非晶体无机电介质的离子电导

3.有机电介质中的离子电导

~

作业布置：

审批：

小结：

1、固体电介质的极化现象

2、固体电介质的损耗

3、固体电介质的电导

后记：

、

周次：

时间：

课题：

固体电介质的电导

（二）固体电介质的击穿

课时：

2课时

教学目标：

1、掌握固体电介质的电导

-

2、掌握固体电介质的击穿机理

重点、难点：

击穿机理

教具：

教材粉笔

教学方法：

讲授法

时间分配：

回顾10分钟授课65分钟小结10分钟作业布置5分钟

教学过程：

固体电介质的电导

2.2.2固体电介质的电子电导

电介质中导电电子的来源包括来自电极和介质体内的热电子发射，场致冷发射及碰撞电离，而其导电机制则有自由电子气模型、能带模型和电子跳跃模型等。

.

1.晶体电介质的电子电导

2.电介质中的电子跳跃电导

常用的绝缘高分子介质材料多由非晶体或非晶体与晶体相共存所构成。

3.热电子发射电流

金属中的电子能量大多处于费米能级以下，只有少部分电子由于热的作用具有较高的能量，当其能量超过时，才可能超过势垒脱离金属向介质或真空中发射，并引起发射电流。

显然，此发射电流与温度有关，它随着温度的升高而增加，故称为热电子发射电流。

4.场致发射电流

对于具有能量的微观粒子，粒子可以由区域I穿过势垒II到达区域III中，并且粒子穿过势垒后，能量并没有减少，仍然保持在区域I时的能量，这种现象通常形象化地称为隧道效应。

5.空间电荷限制电流

|

空间电荷所引起的电流包括漂移电流和扩散电流两部分。

2.2.3固体电介质的表面电导

通过固体介质的表面还有一种表面电导电流Is。

此电流与固体介质上所加电压U成正比。

1.电介质表面吸附的水膜对表面电导率的影响

2.电介质的分子结构对表面电导率的影响

3.电介质表面清洁度对表面电导率的影响

固体电介质的击穿

电介质在强电场下的电流密度按指数规律随电场强度增加而增加，当电场进一步增强到某个临界值时，电介质的电导突然剧增，电介质便由绝缘状态变为导电状态，这一跃变现象称为电介质的击穿。

、

与气体、液体介质相比，固体介质的击穿场强较高，但固体介质击穿后材料中留下有不能恢复的痕迹，如烧焦或熔化的通道、裂缝等，即使去掉外施电压，也不象气体、液体介质那样能自行恢复绝缘性能。

固体电介质的击穿中，常见的有热击穿、电击穿和不均匀介质局部放电引起击穿等形式。

1.热击穿

热击穿是由于电介质内部热不稳定过程所造成的。

当固体电介质加上电场时，电介质中发生的损耗将引起发热，使介质温度升高。

电压作用时间很短，散热来不及进行的情况，称这种情况下的击穿为脉冲热击穿;

电压长时间作用，介质内温度变化极慢的情况，称这种情况下的击穿为稳态热击穿。

2.电击穿

电击穿是在较低温度下，采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的条件下，进行击穿试验时所观察到的一种击穿现象。

电击穿的主要特征是：

击穿场强高；在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大，或变化不大。

<

①以碰撞电离开始作为击穿判据。

称这类理论为碰撞电离理论，或称本征电击穿理论。

②以碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以破坏电介质结构作为击穿判据。

称这类理论为雪崩击穿理论。

3.不均匀电介质的击穿

不均匀电介质击穿是指包括固体、液体或气体组合构成的绝缘结构中的一种击穿形式。

与单一均匀材料的击穿不同，击穿往往是从耐电强度低的气体开始，表现为局部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿。

（1）双层复合电介质的击穿

'

（2）边缘效应及其消除方法

方法之一就是将电极试样系统做成一定的尺寸和形状，一般采用把试样制作为凹面状

方法之二是选用适当的媒质，使在固体电介质击穿之前媒质中所分配到的电场度低于其击穿值

4.局部放电

…

在含有气体（如气隙或气泡）或液体（如油膜）的固体电介质中，当击穿强度较低的气体或液体中的局部电场强度达到其击穿场强时，这部分气体或液体开始放电，使电介质发生不贯穿电极的局部击穿，这就是局部放电现象。

作业布置：

审批：

小结：

1、固体电介质的电导

2、固体电介质的击穿机理

后记：

：

周次：

时间：

课题：

第三章液体的绝缘特性与介质的电气强度

课时：

2课时

教学目标：

1、掌握液体电解质的极化与损耗

2、掌握液体电解质的电导

》

3、掌握液体电解质的击穿

重点、难点：

极化与损耗

教具：

教材粉笔

教学方法：

讲授法

时间分配：

回顾