2高压篇-第7章解析.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第7章 高电压绝缘与试验,7.1 气体放电的基本理论,7.2 电介质的击穿特性,7.3 电气设备的实验,7.1 气体放电的基本理论,气体中通过电流的各种形式统称为气体放电。,辉光放电,电晕放电,刷状放电,火花放电,电弧放电,7.1.1 带电粒子的产生与消失,7.1.1.1 带点质点的产生,（3）热电离,波尔茨曼常数1.3810,-23,J/K,热力学温度,（2）光电离,普朗克常数6.6310,-34,Js,（1）碰撞电离,（4）表面电离,一些金属的逸出功,金属,逸出功,铝,1.8,银,3.1,铜,3.9,铁,3.9,氧化铜,5.3,（a）正离子撞击阴极 （b）光电子发射,（c）强场发射 （d）热电子发射,7.1.1.2 带电质点的消失,（1）带电质点向点击移动并进入电极形成回路电流。,（2）带电质点的扩散,带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。,（3）带电质点的复合,带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。,(4)吸附效应,某些气体的中性分子或原子对电子具有较强的亲和力，当电子与其碰撞时，便被吸附其上变成负离子，同时放出能量，成为吸附效应。吸附效应能够有效地减少气体中的自由电子数目，从而对碰撞电离中最活跃的电子起到强烈的束缚作用，大大抑制电离因素的发展。,7.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论和巴申定律,电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小,电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）,电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的,电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）,外施电压小于,U,0,时的放电是,非自持放电,。电压到达,U,0,后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。,自持放电起始电压,7.1.1.2 电子崩,电子碰撞电离系数,：,代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。,7.1.2.3 自持放电条件,汤逊自持放电判据,即,7.1.2.4 巴申定律,气体密度对击穿的影响,7.1.3 流注放电理论,实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表明汤逊理论不适用于,pd,值较大的情况。,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使原电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾处的电场。,电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。二次电子的主要来源是空间的光电离。,（1）流注的形成条件,流注自持放电条件（即形成流注的条件）,汤逊放电理论与流注放电理论的比较,：,流注理论可以解释汤逊理论无法说明的,pd,值大时的放电现象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。,两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。,7.1.4不均匀电场气隙的击穿,7.1.4.1电场不均匀程度的划分,电场不均匀程度一般可用电厂不均匀系数,f,来描述：,f=1,时为均匀电场；,f4以上时属于极不均匀场,7.1.4.2 既不均匀场中的电晕放电,1.电晕放电现象,在极不均匀电场中，当电压高到一定程度后，在空气间隙完全击穿前，大曲率电极附近会有薄薄的发光层，这种现象成为电晕。,危害：,功率损耗、电磁干扰、噪声污染,对策：采用分裂导线,利用:,在某些情况下可以利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电压,。,2.电晕的起始电压与起始场强,开始爆发电晕似的电压称为电晕起始电压,U,c,，此时电极表面的场强称为电晕起始场强,E,c,。,对于同直径的两根平行圆导线,m,为表面粗糙系数，光滑导线,m=,1；不光滑导线全面发生电晕,m=,0.82，局部发生电晕,m,=0.72；,为空气相对密度，,=,pT,0,/,(p,0,T)；r,为导线半径。于是：,7.1.4.3不均匀电场中放电的极性效应,负极性棒板间隙的电晕起始电压比正极性棒板电极低,负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板电极高,7.2.1.1 稳态电压下的气隙击穿,1 均匀电场中的击穿特性,特点：,（1）均匀电场中电极布置对称，击穿无极性效应；,（2）均匀场间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短，其直流击穿电压、工频击穿电压峰值、50%冲击击穿电压相同；,（3）击穿电压的分散性很小。,7.2电介质的击穿特性,7.2.1气体电介质的击穿,2.极不均匀电场中的击穿,不对称布置的极不均匀场间隙的极性效应很明显，而且其击穿的极性效应与稍不均匀场间隙相反。,尖板和尖尖空气间隙的直流击穿电压,棒棒和棒板空气间隙的工频,击穿电压（有效值）,7.2.1.2 雷电冲击电压下的击穿,1.标准雷电冲击电压波形,标准雷电波,的波形：,T,1,=1.2s30，,T,2,=50s20,对于不同极性：+1.2/50s或-1.2/50s,波前时间,半峰值时间,2.雷电冲击电压下气隙的击穿特性,（1）放电时延,临界,击穿电压,统计时延：,从外施电压达,U,o,时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子所需时间,放电形成时延：,从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间,（2）50冲击击穿电压及冲击系数,50,击穿电压,多次施加电压时有半数会,导致击穿的电压值,U,b50,。,2,.冲击系数,同一间隙的50冲击击穿,电压与稳态击穿电压,U,ss,之比,。,（3）伏秒特性,伏秒特性：,在同一冲击电压波形下，击穿电压值与放电时延（或电压作用时间）有关的特性。,用实验确定间隙伏秒特性的方法：,保持冲击电压的波形不变，逐渐升高电压使间隙发生击穿，并根据示波图记录击穿电压U与击穿时间t。,击穿发生在波前或峰值，取此刻值,击穿发生在波尾，取峰值,未击穿,100%伏秒特性,0%伏秒特性,50%伏秒特性,50%冲击击穿电压,电气设备绝缘的伏秒特性和避雷器的伏秒特性,（a）正确配合 （b）不正确配合,绝缘的,伏秒特性,避雷器的,伏秒特性,（4）伏秒特性的应用,7.2.2 固体介质的击穿,固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高，其击穿的特点是击穿场强与电压作用的时间有很大的关系。,7.2.2.1 固体电介质的击穿机理,1.电击穿,固体介质的电击穿过程与气体相似，碰撞电离形成电子崩，当电子崩足够强时破坏介质晶格结构导致击穿,。,固体介质在冲击电压多次作用下，其击穿电压有可能低于单次冲击作用时的值。因为固体介质为非自恢复绝缘，如每次冲击电压下介质发生部分损伤，则多次作用下部分损伤会扩大而导致击穿。这种现象为,累积效应。,有累积效应,基本无累积效应,2.热击穿,概念：,绝缘介质在电场作用下，会因电导电流和介质极化引起介质损耗，使介质发热。介质电导率随温度的升高而急剧增大，因此介质的发热因温度的升高而增加。如果介质中产生的热量总是大于散热，则温度不断上升，造成材料的热破坏,而导致击穿。,特点：,（1）击穿所需时间较长，常常需要几个小时，即使在提高试验电压时也常需要好几分钟。,（2）在直流电压下，正常未受潮的绝缘很少发生热击穿,。,介质发热（曲线,1,，,2,，,3,）及散热（曲线,4,）与介质温度的关系,U,1,U,2,U,3,发热曲线3与散热曲线有两个交点，即,热平衡点,Ta和T,c,。Ta,稳定，,T,c,不稳定,曲线,2,与曲线,4,相切，只有一个热平衡点,Tb,，但不稳定。,U2,是临界热击穿电压，,T,c,则是热击穿的临界温度,根本不存在热平衡点，必然发生热击穿,3.电化学击穿,对绝缘施加电压几个月甚至几年后，击穿场强仍在下,降，这是由于介质长期加电压引起介质劣化。,绝缘劣化的,主要原因往往是介质内气隙的局部放电造成的。,介质中可长期存在局部放电而并不击穿。局部放电产,生的活性气体如O,3,，NO，NO,2,等对介质将产生氧化和腐,蚀作用，此外由于带电粒子对介质表面的撞击，也会使介,质受到机械的损伤和局部的过热，导致介质的劣化。,空气隙的电容,与气隙串联的介质电容,绝缘完好部分的电容,C,m,C,g,C,b,局部放电的等效电路,电极间加上瞬时值为,u,的交流电压时，,C,g,上的电压瞬时值,u,g,为:,气隙的,放电电压,气隙的放电熄灭电压,真实放电量,：,视在放电量,：,不可测量,真实放电量与视在放电量关系：,单次局部放电的能量,：,（,U,i,为气泡,放电时试品上的电压）,7.2.2.2影响固体电介质击穿电压的因素,电压的作用时间,电场均匀程度,温度,受潮,体积效应,累积效应,7.2.3液体电介质的击穿,7.2.3.1纯净液体电介质的击穿理论,1.电子碰撞电离理论,当外场足够强时，具有足够动能的电子碰撞液体分子可引起电离，形成电子崩。碰撞电离产生的正离子将在阴极附近集结形成空间电荷层，增强了阴极附近的电场，使阴极产生电子数增多；当外加电压增大到一定程度时，电子崩电流急剧增大，从而导致液体击穿。,纯净液体介质的电击穿理论与气体放电的汤逊理论中,，,的作用相似，但击穿场强要高得多。可达1MV/cm。,2.气泡击穿理论,在交流电压下，气泡中的电场强度与油中的电场强度按各自的介电常数成反比分布，从而在气泡上分配到较大的场强，所以气泡必先发生电离。气泡电离后温度上升，体积膨胀，密度减小，促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子撞击油分子，使之分解出气体，导致气体通道进一步扩大。如果许多电离的气泡在电场中排列成连通两电极的“小桥”，击穿就可能在此通道中发生。,工程用的液体介质：,击穿场强很少超过,300kV/cm,，一般,在,200kV/cm250kV/cm,的范围内（以上击穿场强值均指在,标准试油杯,中所得数据）,原因：,工程液体介质的击穿是由液体中的气泡或杂质等引,起的，即气泡或杂质在电场作用下在电极间排成“小桥”,，,引起击穿，即,“小桥理论”,。,7.2.3.2工程中变压器油的击穿过程及其特点,绝缘外壳,黄铜电极,标准试油杯（图中尺寸均为mm）,油间隙距离2.5mm,（1）杂质的影响,水分：,极微量的水分可溶于油中，对油的击穿强度没有多,大影响。影响油击穿的是呈悬浮状态的水分。,标准油杯中变压器油的工频击穿电压,U,b,和含水量,W,的关系,W为110,-4,时已使油的击穿强度降得很低。含水量再增大时，影响不大,7.2.3.2 影响液体介质击穿的因素,2.电场均匀度,对于纯净的有电场比较均匀可以大大提高工频和冲击击穿电压。对于有杂质的油，电场均匀程度对击穿电压影响相对较小。,3.油温,干燥的油,受潮的油,干燥油的击穿强度与温度没有多大关系,0,80,，,U,b,提高（水分溶解度增加）温度再升高，,U,b,下降（水分汽化）；低于,0,，,U,b,提高（水滴冻结成冰粒）,4.电压作用时间,油隙的击穿电压会随着电压作用时间的增加而下降。,5.油压的影响,工频击穿电压总是随着油压的增大而增大。但油压大小不影响脱气处理的油以及冲击击穿电压。,概念：在外加电场的作用下，固体介质中原来彼此中,和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现,了束缚电荷，即极板上电荷增多，因而使电容量增大。,分类：,电子式极化,离子式极化,偶极子极化,界面极化,无损极化,有损极化,7.3电气设备的试验,7.3.1电介质的极化,1.电子式极化,存在于一切物质中；极化所需的时间极短，约10,-,15s；具有弹性，没有损耗；温度对电子式极化影响不大。,2.离子式极化,弹性极化；极化过程所需的时间很短，约10,-13,s；温度对此极化存在一定影响，,r,一般具有正的温度系数。,3.偶极子极化,转向极化，非弹性；极化所需的时间较长，约10,-10,s10,-2,s；,r,在低温下先随温度的升高而增加，以后当热运动变得强烈时，,r,又随温度上升而减小。,4.夹层介质界面极化,这种极化涉及电荷的移动和积聚，所以必然伴随能量损耗，而且过渡较慢，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟甚至几小时，所以这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。,电介质电导主要是离子电导，表征电导的参数是电导,率,，在高电压工程中一般常用电阻率,来表征介质的,绝缘电阻。液体与固体电介质的电导率,与温度有下述关,系：,式中,A,常数，与介质性质有关；,T,热力学温度，单位为K；,电导活化能；,k,波尔兹曼常数。,7.3.1.2电介质的电导,5.1.3 电介质的能量损耗,电介质的能量损耗简称,介质损耗,，包括由电导引起的,损耗和由极化引起的损耗,。,介质损耗为：,P,值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于,互相比较，所以改用介质损失角的正切,tan,来判断介质的品质。,双层介质的吸收现象,双层介质的等值电路,7.3.2电气设备绝缘的特性试验,7.3.2.1绝缘电阻的测量,吸收曲线,阴影部分的面积为绝缘在充电过程中逐渐“吸收”的电荷。,这种逐渐“吸收”电荷的现象叫做“吸收现象”，对应的电流称为吸收电流。它是由于介质中偶极子逐渐转向，并沿电场方向排列而产生的。,当绝缘受潮或有缺陷时，电流的吸收现象不明显，总电流随时间下降较缓慢，而试品的绝缘电阻与电流成反比。因此，根据的变化，就可以初步判断绝缘的状况。,显然，对于不均匀试品的绝缘，如果绝缘状况良好，则吸收现象明显，值远大于1；如果绝缘严重受潮，由于,I,g大增，,I,a迅速衰减，,K,a值接近于1。,7.3.2.2介质损耗因数的测量,介质损失角正切,tg,：,交流电压作用下电介质中电流的有功分量和无功分量的比值，是一个无量纲的数，反映的是电介质内单位体积中能量损耗的大小。,（1）在一定的电压和频率下，介质损失角正切值（tg,）与绝缘介质的形状、大小无关，只与介质的固有特性有关。（2）测量,tg,可以有效的发现绝缘受潮、穿透性导电通道、绝缘内含气泡的游离、绝缘分层和脱壳以及绝缘有脏污或劣化等缺陷。,西林电桥的基本原理,7.3.3电气设备绝缘的高电压试验,7.3.3.1 工频耐压试验,工频交流耐压试验是校验电气设备绝缘强度的最有效和最直接的方法。它可用来确定电气设备绝缘耐受电压的水平，判断电气设备能否继续运行，是避免在其运行中发生绝缘事故的重要手段。工频耐压试验时，对电气设备绝缘施加比工作电压高得多的试验电压，这些试验电压反映了电气设备的绝缘水平。耐压试验能够有效地发现导致绝缘强度降低的各种缺陷，为避免试验时损坏设备，工频耐压试验必须在一系列非破坏性试验之后进行。只有经过非破坏性试验合格后，才允许进行工频耐压试验。,1.工频耐压试验接线,T.O.,Q,B,T,R,1,R,2,工频高压试验的一般线路图,调压器,试验变压器,保护电阻,（保护球隙）,保护电阻,（限流限压）,球间隙,被试品,2.串级试验变压器,2,U,2,U,2,T3,2,1,3,2,1,T2,3,2,1,T1,3,U,2,输出的额定电流：,I,2,（A）,每一级,变压器高压侧绕组的,额定电压,：,U,2,（kV）,装置,输出的,额定电压,：3,U,2,3.调压装置,（1）对调压装置的要求,a）输出电压质量好,要求调压器输出电压波形应尽量接近正弦波；输出电压下限最好为零。,b）调压特性好,要求调压器阻抗不宜过大；调压特性曲线平滑线性；调节方便、可靠。,（2）常用的调压装置,a）自耦式调压装置；b）移圈式调压器；c）感应调压器,4.工频高压的测量,(1)高压静电电压表,加电压于两个特制的电极板，由于两电极上分别充上异性电荷，电极就会受到静电力的作用。,电极间受到静电力,f,的大小和所加电压,u,的数值有固定关系，因而测量,f,的大小或由它引起的可动极板的位移或偏转就能确定所加电压,u,的大小，这样的表计称为静电电压表。,静电电压表可用来测量低电压，也可用来直接测量高电压。静电电压表测交流高压时，测得的是它的有效值。,静电电压表的内阻很高，因此在测量时几乎不会改变试品上的电压，这时它的突出优点。对于电压等级不太高的试验，使用它能很方便地在高压端直接测出电压。,(2)峰值电压表,1)利用整流电容电流来测量交流高压,当被测电压,u,随时间而变化时，流过电容,C,的电流,i,c,=,C,d,u,/d,t,。流过,C,的电流平均值为,I,av,与被测电压峰值,U,m,有,2)利用电容器充电电压来测量交流高压,被测交流电压经整流管,D,使电容充电至交流电压的幅值，电容电压由静电电压表或微安表串联电阻来测量。如果静电电压表或微安表串联电阻测得的电压为,U,d,，则电压峰值,式中,T,为交流电压的周期，单位为,s,；,C,为电容器的电容量；,R,为测量电阻值。当,RC,20,T,时，上式的误差,2.5%。,(3)球隙测量高压,球隙测压器是唯一能直接测量高达数兆伏的各类高电压峰值的测量装置。它由一对直径相同的金属球构成，测量误差约为23。工作原理是基于一定直径(D)的球隙在一定的极间距离(d)时的放电(击穿)电压为一定值。,(4)分压器,1)电阻分压器,它的高低压臂均为电阻，理想情况下的分压比为：,一般选择工作电流在0.22.0mA，实际常选1mA。,2)电容分压器,用于测量交流高电压和冲击高电压，这时,C,1,为高压臂，,C,2,为低压臂。在工频交流电压的作用下，流过两个电容的电流相等，则分压比,通常,C,1,C,2,，所以,u,2,u,1,，大部分电压降落在,C,1上，从而实现低压仪表测量高压的目的。电容分压器高压臂的电容量较小，但要耐受绝大部分作用电压，它是电容分压器的主要部件。,3)阻容分压器,按阻尼电阻的接法不同，发展出两种阻容分压器，即串联阻容分压器和并联阻容分压器。前者的测量回路与电容分压器相同，而后者的测量回路与电阻分压器的相同。,5.工频高压试验中注意的问题,(1)防止工频高压试验中出现过电压,(2)试验电压的波形畸变,(3)外施电压试验和感应高压试验,7.3.3.2 冲击电压试验,冲击电压：（,雷电冲击电压、操作冲击电压）,持续短、电压上升速度快，缓慢下降的暂态电压。由波头时间、波尾时间、峰值和极性来表示,。,1.冲击电压发生器的基本原理,原理：,（1）充电过程：,C,1向,C,2充电，建立电压，形成波头；,（2）放电过程：当,C,1、,C,2上的电压相等时，并联对Rt放电，形成波尾。,串联放电时的等效电路图,2.冲击电压发生器放电回路的近似计算,（1）波前时间的确定,（2）半峰值时间的确定,（3）冲击电压发生器的效率,1,、字体安装与设置,如果您对PPT模板中的字体风格不满意，可进行批量替换，一次性更改各页面字体。,在,“,开始”,选,项卡,中,，点击“,替,换”按,钮右,侧箭,头,，,选,择“,替,换,字,体,”。（如下,图）,在图“替换”下拉列表中选择要更改字体。（如下图）,在“替换为”下拉列表中选择替换字体。,点击“替换”按钮，完成。,68,2,、替换模板中的图片,模板中的图片展示页面，您可以根据需要替换这些图片，下面介绍两种替换方法。,方法一：更改图片,选中模版中的图,片,（,有些图片与其他,对象,进行了组合，,选,择,时,一定要选中图,片 本身，而不是组合）。,单击鼠标右键，选择“更改图片”，选择要替换的图片。（如下图）,注意：,为防止替换图片发生变形，请使用与原图长宽比例相同的图片。,68,赠送精美图标,