高电压技术前言及第一章讲稿.ppt

1、高电压技术高电压技术张一尘主编张一尘主编High Voltage Technology Teacher:钟云钟云Cell Phone:13617917378office:信工楼信工楼c206Office hour:每周四上午每周四上午9-12点点1前言前言 profileprofileQ1.Q1.为什么巨大的电能需要通过高电压输送为什么巨大的电能需要通过高电压输送?Q2.Q2.高电压技术学习内容和要求高电压技术学习内容和要求Question timeQuestion time2 高电压技术作为工程技术中的一门学科的原因：高电压技术作为工程技术中的一门学科的原因：前言前言 profileprof

2、ile是因为是因为大功率、远距离输电大功率、远距离输电的发展而产生的的发展而产生的32020世纪电力发展特点世纪电力发展特点:前言前言 profileprofile 美国美国 中国中国 俄国俄国单机单机(千瓦千瓦)120)120万万 9090万万 9090万万电压电压(千伏千伏)800 500 765)800 500 765数据统计：数据统计：大机组大机组 大电网大电网 高电压高电压42121世纪电力发展特点世纪电力发展特点:更加可靠更加可靠 更加开放更加开放 更加有效更加有效 更加灵活更加灵活52121世纪电力发展特点世纪电力发展特点:发展智能电网（发展智能电网（Smart GridSmar

3、t Grid）就是电网的智能化，它是建立在集成的、高速就是电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足满足2121世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发世纪用户

4、需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。运行。61.设备可靠性随电压升高而下降设备可靠性随电压升高而下降2.设备的体积随电压升高而增大设备的体积随电压升高而增大电气设备的一般特性电气设备的一般特性7电压设备可靠性体积电气设备的一般特性电气设备的一般特性8气体气体的绝缘特性的绝缘特性第一章第一章高电压技术高电压技术 张一尘张一尘 9概述概述1 1 用于高压电气设备绝缘的介质用于高压电气设备绝缘的介质气体气体 如绝缘气体：空气如绝缘气体：空气液体液体 如油，变压器等如油，变压器等固体固体 如绝缘子等如绝缘子等v不存

5、在老化问题；不存在老化问题；v击穿后具有完全的绝缘自恢复特击穿后具有完全的绝缘自恢复特性。性。3 3 气体介质的两大优点气体介质的两大优点2 2 绝缘的击穿：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的现象。而使其失去绝缘性能的现象。101.1.空气在强电场下放电特性空气在强电场下放电特性一一.气体电介质的放电特性气体电介质的放电特性 气体在正常状态下是良好的绝缘体，在一个立方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厘米体积内仅含几千个带电粒子,但在高电压下但在高电压下,气体从气体从少量电荷会突然

6、产生大量的电荷少量电荷会突然产生大量的电荷,从而失去绝缘能力而发从而失去绝缘能力而发生生放电现象放电现象.一旦电压解除后一旦电压解除后,气体电介质能气体电介质能自动恢复绝缘自动恢复绝缘状态状态11 输电线路以气体作为绝缘材料输电线路以气体作为绝缘材料架空输电线架空输电线相与相之间相与相之间线路与铁塔之间线路与铁塔之间12 变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料变压器引出变压器引出线之间线之间13 液体与固体绝缘材料中的气体液体与固体绝缘材料中的气体142.2.带电质点的产生带电质点的产生(1)(1)激发（激发（激励激励）一一.气体电介质的放电特性气体电介质的放电特性

7、原子在外界因素（电场、高温等）作用下原子在外界因素（电场、高温等）作用下,其电其电子跃迁到能量较高的状态，但这一过程只有子跃迁到能量较高的状态，但这一过程只有1010-8-8S S，非常短暂。后回到正常状态并发射光子。非常短暂。后回到正常状态并发射光子。正常正常原子原子电场电场高温等高温等激发激发原子原子正常正常原子原子光子光子+152.2.带电质点的产生带电质点的产生(2)(2)游离游离 一一.气体电介质的放电特性气体电介质的放电特性中性中性原子原子外界能量外界能量正离子正离子电子电子+原子在外界因素作用下原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子使其一个或几个电子脱离原子核的束博而形成自由电

8、子和正离子。脱离原子核的束博而形成自由电子和正离子。162.2.带电质点的产生带电质点的产生游离的方式游离的方式一一.气体电介质的放电特性气体电介质的放电特性a.a.碰撞游离碰撞游离（电子起主要作用）（电子起主要作用）b.b.光游离光游离c.c.热游离热游离d.d.金属表面游离金属表面游离17（a）碰撞游离碰撞游离 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：引起碰撞游

9、离的条件：气体原子（或分子）的游离能气体原子（或分子）的游离能2.2.带电质点的产生带电质点的产生一一.气体电介质的放电特性气体电介质的放电特性18（b）光游离光游离 由光辐射引起气体原子（或分子）的游离称为光由光辐射引起气体原子（或分子）的游离称为光游离游离产生光游离的条件：产生光游离的条件：h:h:普朗克常数普朗克常数:光的频率光的频率2.2.带电质点的产生带电质点的产生一一.气体电介质的放电特性气体电介质的放电特性从公式中可得出，：能量取决于光的波长从公式中可得出，：能量取决于光的波长19（c）热游离热游离气体在热状态下引起的游离过程称为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

10、游离的条件：产生热游离的条件：K:波茨曼常数波茨曼常数T:绝对温度绝对温度2.2.带电质点的产生带电质点的产生一一.气体电介质的放电特性气体电介质的放电特性20（d）金属表面游离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电子从金属电极表面逸出来的过程称为表面游离2.2.带电质点的产生带电质点的产生一一.气体电介质的放电特性气体电介质的放电特性21(1)去游离去游离a.a.扩散扩散 带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动.b.b.复合复合 正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子原子c.c.附着效应附着效应 电

11、子与原子碰撞时电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负电子附着原子形成负离子离子2.2.带电质点的消失带电质点的消失一一.气体电介质的放电特性气体电介质的放电特性22气体中带电粒子的产生与消失气体中带电粒子的产生与消失中性的气体中性的气体能量能量电离电离激发激发游离游离去去电离过程电离过程带电粒子的扩散带电粒子的扩散 带电粒子的复合带电粒子的复合 附着效应附着效应 电离的方式电离的方式碰撞电离碰撞电离光电离光电离热电离热电离表面电离表面电离23第二节第二节 均匀电场中气体间隙的放电特性均匀电场中气体间隙的放电特性电子崩与流注电子崩与流注1.1.汤逊放电理论（又名电子崩理论）汤逊放电理论（又名电子崩

12、理论）.适用条件适用条件:实验装置：实验装置：均匀电场均匀电场,低气压低气压,短间隙短间隙如右图所示如右图所示24均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性试验图形分析：试验图形分析：oa段:随着电压升高，到达阳极随着电压升高，到达阳极的带电质点数量和速度也随之的带电质点数量和速度也随之增大。增大。ab段：电流不再随电压的增大而电流不再随电压的增大而增大因为这时由外界电离因素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。参加导电，所以电流趋于饱和。电流密度是极小的，一般只有电流密度是极小的，一般只有10-19 A/cm2，间隙仍

13、处于良好，间隙仍处于良好的绝缘状态。的绝缘状态。首先，大气中少量的正负离子存在；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；分别向两极移动，形成电流；25均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性试验图形分析：试验图形分析：bc段：电流又再随电压的增大而增电流又再随电压的增大而增大，到达大，到达b b点后，电流又重新随电点后，电流又重新随电压升高而增大。间隙中出现新的压升高而增大。间隙中出现新的电离因素，这就是电子的电离因素，这就是电子的碰撞电碰撞电离离。c点:电流急剧突增随着电压的升高，电流越来随着电压的升高

14、，电流越来越大。最后达到越大。最后达到c c点时，电流更急点时，电流更急剧增加到必须依靠外电路的电阻剧增加到必须依靠外电路的电阻来限制的地步。放电的这一阶段来限制的地步。放电的这一阶段叫叫自持放电自持放电。电子雪崩。电子雪崩。26均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性试验图形分析：试验图形分析：电子在电场作用下从阴电子在电场作用下从阴极奔向阳极，并与中性分子极奔向阳极，并与中性分子碰撞产生电离，由此产生的碰撞产生电离，由此产生的新电子也加入其中，使电子新电子也加入其中，使电子的数目迅速增加，这种迅猛的数目迅速增加，这种迅猛发展的碰撞电离过程被称为发展的碰撞电离过程被称为电子雪崩电子雪

15、崩。27(1).(1).电子崩电子崩 在电场作用下电子从阴极向阳极推进而形成的一群电在电场作用下电子从阴极向阳极推进而形成的一群电子。子。(2).(2).非自持放电非自持放电 去掉外界游离因素的作用后去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止。放电随即停止。(3).(3).自持放电自持放电 不需要外界游离因素存在不需要外界游离因素存在,放电也能维持下去。放电也能维持下去。相关的概念相关的概念28-+d电子雪崩的示意图电子雪崩的示意图29电子崩的电荷分布电子崩的电荷分布+-+d-+30设设单单个个电电子子在在电电场场方方向向走走过过单单位位距距离离产产生生的的碰碰撞撞电电离离数数为为 ，假假设设由由

16、于于外外界界的的作作用用从从阴阴极极发发出出一一个个电电子子，经经过过距距离离x x后后电电子子数数增增加加到到n n，再经过距离再经过距离dxdx，增加的电子数为增加的电子数为dndn。均匀电场、气压一定时均匀电场、气压一定时(is constant)VA+dxdx 汤森理论分析：汤森理论分析：31 汤森理论分析：汤森理论分析：新产生的电子参加电离过程1If x=10Then ex=2.210432碰撞电离系数碰撞电离系数 取决于单位距离电子产生碰撞的次数每次碰撞产生电离的概率自由行程自由行程 ：单位距离电子产生碰撞的次数等于平均自由行程的倒数 （=距离/次数）。汤森理论分析：汤森理论分析：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所发生的碰撞游离系数33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w wi i。电子的平均自由行程为电子的平均自由行程为，可以证明，自由行程等于和大，可以证明，自由行程等于和大于于x xi i的概率为的概率为 ，这就是