12高电压

作者:钱汇娱乐 发布时间:2020-11-08 13:05

  1.2高电压_理化生_高中教育_教育专区。第二节 不均匀电场中的放电过程 一、不均匀电场的放电特征 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

  第二节 不均匀电场中的放电过程 一、不均匀电场的放电特征 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。 测 量 电 压 用 的 球 间 隙 输电线路以气体作为绝缘材料 稍(极)不均匀电场的划分 图 球隙的放电特性与极间距离的关系 ? 1.d=2D,稍不均匀电场,与均匀场相似,一 旦出现自持放电,立即导致整个气隙击穿。 ? 2. 2Dd4D,过渡区域,随电压升高会出现 电晕,但不稳定,立即转为火花放电。 ? 3.d=4D,极不均匀电场,随着电压升高到某个临 界值,在靠近球的表面出现蓝紫色的晕光,并发出 “咝咝”的响声,这种局部放电现象称电晕放电, 开始出现电晕放电的电压称电晕起始电压。当外施 电压进一步增大时,电极表面电晕层也随之增大, 并出现刷状的细火花,火花越来越长,最后击穿。 稍(极)不均匀电场的划分 ? 均匀电场是一种少有的特例,在实际电力设 施中常见的却是不均匀电场。 ? 从电场均匀程度看,要明确划分稍不均匀场 和极不均匀场比较困难,为了描述各种结构 的电场不均匀程度,通常可引入一个电场不 均匀系数f,表示为: 二、极不均匀电场中电晕放电 ? 由于电场强度沿气隙的分布极不均匀,因而 当所加电压达到某一临界值时,曲率半径较 小的电极附近空间的电场强度首先达到了起 始场强E0,因而在这个局部区域出现碰撞电 离和电子崩,甚至出现流注,这种仅仅发生 在强场区(小曲率半径电极附近空间)的局 部放电称为电晕放电。 ? 曲率半径:曲率的倒数就是曲率半径。 ? 圆形越大,弯曲程度就越小,也就越近似一条直 线.所以说,圆越大曲率越小,曲率越小,曲率半 径也就越大 。 ? 就是把那一段曲线尽可能的微分,直到最后 近似一个圆弧,这个圆弧对应的半径即曲线 上这个点的曲率半径。 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放 电形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压U c 而此时电极表面的场强称为电晕起始场强 E c 。 ? 电晕放电的起始场强一般用经验公式来推算, 流传最广的是皮克公式,电晕起始场强近似 为: —空气相对密度; m—导线表面粗糙系数 ,光滑导线 r— 导线半径(cm) 根据电晕层放电的特点,可分为两种形式:电 子崩形式和流注形式。 当起晕电极的曲率很大时,电晕层很薄,且比较 均匀,放电电流比较稳定,自持放电采取汤逊放电 的形式,即出现电子崩式的电晕。随着电压升高, 电晕层不断扩大,个别电子崩形成流注,出现放电 的脉冲现象,开始转入流注形式的电晕放电。 若电极曲率半径加大,则电晕一开始就很强烈, 一出现就形成流注的形式。电压进一步升高,个别 流注快速发展,出现刷状放电,放电脉冲更强烈, 最后贯通间隙,导致间隙完全击穿。冲击电压下, 电压上升极快,因此电晕从一开始就具有流注的形 式。爆发电晕时能听到声,看到光,嗅到臭氧味, 并能测到电流。 ? 在雨、雪、雾天气时,导线表面会出现 许多水滴,它们在强电场和重力的作用 下,将克服本身的表面张力而被拉成锥 形,从而使导线表面的电场发生变化, 结果在较低的电压和电场强度下就会出 现电晕放电。 输电线上的电晕放电 电晕放电 电晕放电的危害 ? 1.电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化 学反应,造成臭氧及氧化氮等物质,引起腐蚀作用 ? 2.电路发生电晕会引起功率损耗。电晕损耗是超高 压输电线路设计时必须考虑的因素,坏天气时电晕 损耗要比好天气时大得多。 ? 3.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。 ? 4.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 电晕放电的应用 ? 1.电晕可削弱输电线上的雷电冲击和操作冲 击波的幅值和陡度。 ? 2.利用电晕原理制造臭氧发生器净化水、静 电除尘器净化工业废气、静电喷涂等。 ? 3.特殊情况下可利用电晕放电来改善电场分 布,提高击穿电压。 降低电晕的方法 ? 从根本上设法限制和降低导线的表面电场强 度。 ? 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。 ? 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。 三、极不均匀电场的放电过程 ? 在极不均匀电场中,放电一定从曲率半径较 小的那个电极表面开始,与该电极极性无关。 但后来的发展过程、气隙的电气强度、击穿 电压等都与该电极的极性有密切的关系。极 不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。 ? 极性效应: 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。 ? 决定极性要看表面电场较强的那个电极所具 有的电位符号: ? 在两个电极几何形状不同时,极性取决于曲 率半径较小的那个电极的电位符号,如“棒板”气隙。 ? 在两个电极几何形状相同时,极性取决于不 接地的那个电极上的电位,如“棒-棒”气隙。 ? 下面以电场极不均匀的“棒-板”气隙为 例,从流注的概念出发,说明放电的: ?发展过程 ?极性效应 (一)正极性 ? 如图所示:1.棒极带正电 位时,电子崩头部的电 子到达棒极后即将被中 和 ,正离子朝板极移动, 但速度很慢而暂留在棒 极附近。 ? 2.这些正空间电荷削弱 了棒极附近的电场强度, 而加强了正离子群与板 之间的电场,因此正离 子阻止了棒极附近的流 柱发生,放电难以自持, 从而使电晕起始电压升高。 ? 3.当电压进一步提高, 随着电晕放电区的扩展, 强场区亦将逐渐向板极 方向推进,因而放电的 发展是顺利的,直至气 隙被击穿。 (二)负极性 ? 1.棒极负极性时,电子 崩将由棒极表面出发向 外发展,崩头的电子在 离开强场(电晕)区后, 虽不能再引起碰撞电离, 但仍继续往板极运动。 留在棒极附近的也是大 批正离子。 2.正空间电荷加强棒极 表面附近的电场而削弱 外围空间的电场,因此 正空间电荷使棒极附近 容易形成流柱,因而电 晕起始电压比正极性时 低。 ? 3.当电压进一步提高时, 电晕区不易向外扩展, 整个气隙击穿将是不 顺利的,因而这时气 隙的击穿电压要比正 极性时高得多,完成 击穿过程 所需的时间也要比 正极性时长得多。 极不均匀电场:各种各样的极不均匀电场气隙中, “棒—棒”气隙具有完全的对称性,而“棒—板 ”气隙具有最大的不对称性。其他的极不均匀电 场气隙的击穿情况均处于这两种极端情况的击穿 特性之间。 不对称的极不均匀电场(例如“棒—板” 气隙 )在直流电压下的击穿具有明显的极性效应。 “棒—板” 气隙在负极性时的击穿电压大大高于正 极性时的击穿电压。 结论: 在相同间隙下 正棒-----负板 负棒-----正板 电晕起始电压 高 低 间隙击穿电压 低 高 ? 输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都 属于极不均匀电场的情况,所以在工频高电 压的作用下,击穿发生在外加电压为正极性 的那半周内。 ? 在进行外绝缘的冲击电压实验时,也往往施 加正极性冲击电压,因为此时电气强度较低。 第三节 空气间隙在各种电压下的特性 空气间隙放电电压的影响因素如下: ? 电场情况 ? 电压形式 ? 大气条件 稳态电压 直流 交流 电压 冲击电压 雷电冲击电压 操作冲击电压 一、空气间隙在稳态电压下的击穿 ? 1.均匀电场气隙的击穿 U b2.5 4 d 5 6 .66 d 击穿特点:击穿前无电晕、无极性效应,击穿 所需时间极短,直流、交流、正负 50%冲击电压的击穿电压是相同的 实例:高压静电电压表内电极布置 ? 2.稍不均匀场气隙的击穿 1)球隙: dD/4时:大地及周围的物体对电场的分布影 响很小,且电场相当均匀,击穿特性 与均匀场类似。 dD/4时:大地对球隙中电场分布的影响加大 因而平均击穿场强减小,击穿电压 的分散性大。 ? 2.稍不均匀场气隙的击穿 2)同轴圆柱 r/R0.1时:气隙属于不均匀场,击穿前出现电 晕,且电晕起始电压值很小,而且 Ub Uc r/R0.1时:气隙逐渐变为稍不均匀场,此时有 Uc≈Ub,击穿前不再有稳定的电晕 放电,击穿电压极大值出现在 r/R ≈0.33 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.极不均匀场的击穿 ?直流下: “棒-板”负极性击穿电压大大高于正极性 击穿电压,“棒-棒”击穿电压介于二者之 间。 ?交流下: “棒-棒”气隙的工频击穿电压要比“棒-板” 气隙高一些,因为相对而言,“棒-棒”气隙 的电场要比“棒-板”气隙稍为均匀一些 。 极不均匀场的击穿特性: ?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。 当间隙距离不大时,击穿电压基本上与间 隙距离呈线性上升的关系; 当间隙距离很大时,平均击穿场强明显降 低,即击穿电压不再随间隙距离的增大而线性 增加,呈现出饱和现象。 返回 二、雷电冲击电压下的击穿特性 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。 ? 雷电过电压是一种持续时间极短的脉冲电压, 在这种电压作用下绝缘的击穿具有与稳态电 压下击穿不同的特点 1、雷电冲击电压的标准波形 图3 标准雷电冲击电压波形 T 1 -波前时间 T 2 -半峰值时间 U max -冲击电压峰值 波长时间指冲击波衰减至半峰值的时间 目前国际上大多数国家对于标准雷电波的波形规定是: T 11.2s3% 0 T 250 s2% 0 ? 对于不同极性的标准雷电波形可表示为 + 1.2/50us 或 - 1.2/50us 2、放电时延 ? 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。 图4 冲击击穿所需时间的示意图 t 0 -气隙在持续电压下的击穿电压为U0 ,为所加电 压从0上升到U0 的时间; t s -从t0开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时 间称为统计时延; tf-出现有效电子后,引起碰撞电离,形成电子崩, 发展到流注和主放电,最后完成气隙的击穿。这个过 程需要的时间称为放电形成时延tf 。 ? 总放电时间 ? 放电时延 ? tb和tf都具有统计性 放电时间tb和tlag放电时延的长短都与所加电 压的幅值有关,总的趋势是电压越高,放电 过程发展的越快,tb和tlag越短。 3、50%击穿电压 ? U50%: ? 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 ? 定义:由于气隙的击穿存在时延现象,所以必须将 击穿电压值与放电时延联系起来确定气隙的击穿特 性,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。 ? 实际上,放电时间有分散性,即在每级电压下可测 得不同的放电时间,所以伏秒特性是以上下包络线 为界的带状区域。工程上通常用平均伏秒特性或 50%伏秒特性表征气隙的击穿电压特性。 伏秒特性的应用 三、操作冲击电压下击穿特性 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。 目前的试验标准规定,对额定电压在300kV 以上的高压电气设备要进行操作冲击电压试验。 这说明操作冲击电压下的击穿只对长间隙才有重 要意义。 1、操作冲击电压波形 操作过电压波形是随着电压等级、系统参数、 设备性能、操作性质、操作时机等因素而有很大变 化的。 IEC推荐了250/2500us 的操作冲击电压标准波 形,我国国家标准也采用了这个标准波形。 ? 我国采用如图所示的±250/2500us标准操作 冲击波形。 2. 操作冲击放电电压的特点 ?U形曲线 ?极性效应 ?饱和现象 ?分散性大 ?邻近效应 返回 ?随着输电电压的不断提高: 额定电压超过220kV的超高压输电系 统,应按操作过电压下的电气特性进 行绝缘设计 超高压电力设备也应采用操作冲击电 压来进行高压试验


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