高电压技术全册配套最完整精品课件1.ppt
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1、高电压技术全册配套最完整高电压技术全册配套最完整 精品课件精品课件1 高电压技术 讲授:马淋淋 3 教材及主要参考书 v高电压技术(第四版) 周泽存等编 v高电压技术(第二版) 张一尘主编 v高电压技术 赵玉林主编 4 绪论绪论 v高电压技术学科定义及特点 v电力系统与输电电压 v过电压及电介质 v本课程的性质、特点和任务 5 电气工程及自动化(一级学科) 高电压与绝缘技术(二级学科) 多高电压能称为高电压? 工程上规定:1000V以上视为高电压 高电压技术学科定义及特点: 很多绝缘介质在高电压作用下会呈现出不 同程度的导电特性 6 一 电力系统与输电电压 电力系统:由发电厂、输电线路、变 电
2、所、配电线路、用户等五部分组成的发 电、输电、变电、配电、用电的一个整体。 输电电压:输电线路上的电压又称为 电网的额定电压,是指在规划和设计的时 候,为了满足设备的额定电压所选的电压。 7 选择输电电压的依据: 待输送的容量和输送的距离 绝缘技术水平 高压设备制造能力 系统的经济性 系统的发展规模 8 国家推荐的电压等级: 交流输电各电压等级首次出现的时间 100年来,输电电压提高了100倍 为什么不断提高电压等级? 高压(kV) 超高压(kV) 特高压(kV) 10351102203305007501000 电压10501102202873805257351150 年份1890190719
3、12192619361952195919651985 9 提高输电电压的原因: 1.增加输送容量与距离 2.降低线路的造价 3.降低线损 4.节省线路走廊用地 10 线路走廊:导线边线向外侧水平延伸并垂直于地面所形成的两平行面内的区域。 110kV :5m 35110kV:10m 154330kV:15m 500kV:20m 11 目前世界上: v 交流输电:1200kV,超1000kM,输送功率超过5000MW v 直流输电:800kV,超1000kM,输送功率超过4000MW 输电电压与输送容量、输送距离的范围 12 v2009年1月16日,国内首条特高压示范工程 晋东南-南阳-荆门100
4、0千伏特高压交流输电示 范工程正式投运。 v2010年7月8日,向家坝-上海800千伏特高压 直流输电示范工程成功投入运行。这是目前规 划建设的世界上电压等级最高、输送距离最远、 容量最大的直流输电工程。 13 交流架空输电铁塔 14 同塔多回 15 特高压铁塔 16 直流输电铁塔和交流紧凑型输电铁塔 17 二 电力系统中的过电压 电气设备在运行中可能承受的过电压: v雷电过电压 v短时过电压 v操作过电压 18 1 雷电过电压 雷电过电压也称大气过电压。 v 直击雷过电压 v 感应雷过电压 雷电过电压的特点: 单极性 作用时间短 峰值高 是电力系统特别是110kV及以下系统的最危 险的过电压
5、。 19 2 短时过电压 v这是由单相接地、突然甩负荷及由谐振引起的电力 系统内部过电压。其特点是持续时间较长、过电压 的数值一般不太高,由于110kV及以下的电力系统 绝缘裕度高,一般不会造成电气设备的损坏,这种 过电压却是过电压保护装置动作条件的重要依据, 在系统设计时应对这种过电压加以限制。 v绝缘裕度:设计电力系统时须考虑的内部过电压的 水平。 110220kV:3倍最大工作电压 330500kV:22.5倍最大工作电压 特高压系统:从前景来看1.51.8倍最大工作电压 是可能的 20 3 操作过电压 v由系统操作或故障引起的过渡性质的过 电压。(如:空载线路合闸和分闸、切除 空载变压
6、器等)过电压时间短,衰减快, 过电压辐值一般不超过电气设备额定电压 的3.5倍。这种过电压一般不会对电气设 备的绝缘造成危害,但对绝缘较弱的电气 设备及直配电机的绝缘威胁较大,必须予 以重视。 21 4 系统过电压的组成关系 外部过电压(雷电过电压) 内部过电压 短时过电压 操作过电压 工频电压升高 谐振过电压 空载线路分闸过电压 空载线路合闸过电压 空载变压器分闸过电压 间歇电弧接地过电压 解列过电压 系统过电压 22 1.电介质(绝缘介质):常温常压下 不导电,在高压下(高场强下)因 带电粒子的运动可能变为良导体的 介质。(气、液、固) v架空线路的绝缘介质是大气;电缆 线路的绝缘层中含有
7、大量的绝缘介 质:绝缘纸、变压器油、氮气、聚 乙烯、交联聚乙烯等 三 电介质 23 四 绝缘、绝缘强度和绝缘击穿 电气设备的绝缘分为内绝缘和外绝缘。 绝缘间隙:充满绝缘介质(或真空)的两 个带电体 (或带电体与大地)之间的距离 称为绝缘间隙。 绝缘强度:指介质保持绝缘性能所能承受 的最高外施电场强度。 绝缘击穿:介质承受的场强超过其绝缘强 度时,介质将丧失绝缘性能,称为绝缘击 穿。 24 五、自恢复绝缘 当空气击穿或绝缘子表面闪络时,如果导致 击穿或者闪络的因素消失了,则空气的绝缘 强度会完全恢复,所以空气绝缘又称为自恢 复绝缘。 液体介质也属于自恢复绝缘但是性能稍差。 固体介质属于非自恢复绝
8、缘。 电气设备的损坏:绝缘强度无法恢复。 25 本课程的主要内容 高电压绝缘理论高电压绝缘理论:研究如何利用电介质的 电气性能为电力系统服务,预防事故的发 生; 高电压试验技术高电压试验技术:研究如何应用通过给设 备绝缘施加较高电压的方法来检查设备是 否有安全隐患的技术; 过电压及其防护技术过电压及其防护技术:讨论电力系统过电 压的产生,发展机理,及其如何限制其发 展和限制其产生的措施。 26 本课程要解决的问题 避雷线根数? 保护角? 导线与杆塔的 距离? 绝缘子型式? 片数? 是否采用分裂导线 ?分裂导线数? 导线与导线之间的 距离? 导线与大地之间的 距离? 杆塔型式?结 构?尺寸? 接
9、地设计?接 地电阻? 27 本课程的主要特点: 历史短,研究不充分,理论很不完整,工程 上高电压问题不能用理论来分析,所以只能 从试验入手。 研究起来很困难,其所研究的问题与其他学 科完全不同。其他学科研究的是电的导通, 而高压研究的是绝缘,它所研究的是空间的 问题,场的问题,所受的影响因素(温度、 湿度、气压、极距)很多。 研究手段难以具备,场地难以满足,问题的 重复性小,一次击穿后很难找到完全相同的 对象,是暂态问题。 第二章 29 v与空气相对比,液,固体电介质有如下特点: 1) 绝缘强度高。 液体:105v/cm数量级 固体:106 v/cm数量级 2) 自恢复性能:固体无,液体差。
10、3) 液,固体介质会老化。 4) 介电常数比空气大。 30 一.极化现象 a. 极板上施加直流电压有 b. 在极间距离及电极表面积不变情况下,当极间 由真空变为固体介质时极板上电荷增多。 第一节 电介质的极化 UCQ 00 31 二.物理现象的解释 v由于固体介质的引入,使极间固体介质在与两个 极板接触的界面上感应出与极板电荷极性相反的 束缚电荷,形成了一个与外施电场方向反方向的 内部电场,电介质有了明显的极性,即极化。 v极化的结果是使极间合成电场减弱,但由于外施 电压不变,所以极间电场不能变化,必须在极板 上增加电荷来抵消内电场的作用。 32 三、介电常数的概念 介电常数: v由于固体介质
11、的放入使极板上的电荷从Q0增大 为Q即:CUQQQ 0 00 0 0 1 )( Q Q UQ UQQ C C r 即放入固体介质后极板电容由C0增大到C。C与C0 的比值称为电介质的相对介电常数(无单位): 介电常数的大小反应了极化现象的强弱。 ,称为介质的介电常数 真空的介电常数 r0 12 0 F/m1086. 8 33 几种介质的相对介电常数 材料名称介电常数 气体介质空气1.00058 液体介质 弱极性变压器油2.2 极性蓖麻油4.5 固体介质 中性石蜡1.92.2 极性松香2.52.6 离子性云母57 34 1. 电子式极化 特点: 极化快,约为10-1410-15s 弹性极化,无能
12、耗。 受温度影响小。 四.极化的分类及特点 35 v固体无机化合物多属离子式结 构,如云母,陶瓷,玻璃等。 特点: 极化快,约为10-1310-12s。 弹性极化,几乎无能耗。 受温度影响小,随温度的上升 极化加强。 2. 离子式极化 _ + + + + _ _ _ E _ _ + + + _ _ + 36 v 有些介质如蓖麻油,氯化联 苯,橡胶,纤维素等,由偶 极子构成,称为极性分子。 特点: 极化时间长约为10-1010-2 s r与频率f有关。 有损极化 偶极子转向容易r, 但当很高时,热运动 干扰偶极子转向r U U 电极 电介质 E 3. 偶极子式极化 37 苏伏油的相对介电常数与频
13、率和温度的关系 38 v由几种介电常数不 同、电阻率也不同 的绝缘材料组成的 层式绝缘结构中, 加上电压后,各层 间电压将从起始时 按介质电容分布逐 渐过渡到稳态时按 介质电导分布,从 而使各层交界面上 出现电荷积聚,形 成所谓的夹层极化。 4.夹层极化 特点: 1)极化时间长,10-2s 几小时。 2)有能量损耗。 39 吸收现象 分界面无电荷积累 电压按电容反比分配 合闸瞬间(频率高),设 2 2 1 2 , 1, 2, 2, 1 20220 10110 20 10 1 2 20 10 2121 CC CC C C C C UCQ UCQ U U C C U U GGCC 3 4 1 2
14、1 t 222 111 2 1 1 2 2 1 分界面剩余电荷为 将按电导反比分配,电路达稳态后,电压当 CC CC C C C C UCQ UCQ U U G G U U 所以合闸之后两介质之间有一个电 压重新分配的过程:C1上的电荷要 通过G1和G2泄放掉一部分;而C2上 要通过G1和G2吸收一部分电荷 吸收电荷 40 电介质介电常数的意义 1.电容器的绝缘材料希望r越大越好,而 绝缘结构希望r越小越好。 2. 组合绝缘注意配合。 3. 介质损耗与极化类型有关。 4. 夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。 41 第二节 电介质的电导 一、导体电导与电介质电导的区别 1.导体属于电子性电导。具有
15、负温度系数。 2. 电介质属于离子性电导(正离子、负离子、 自由电子)。具有正温度系数。电介质中 离子的来源: (1)介质本身离解。(2)杂质离解 二、气体电介质的电导 由气体的伏安特性曲线得来 42 1.中性液体介质本身不容易离解,主要是杂 质离解出的离子构成电导,电导率较低。 2. 极性液体介质除杂质电导外,还有介质本 身离解出的离子电导,电导率高。 强极性液体介质如:水、酒精等。 3. 影响液体电介质电导的主要因素: 杂质浓度、温度、电场强度。 三、液体电介质的电导 43 温度: T B Ae 式中: A、B常数; T绝对温度 电导率 44 区域1:液体电介质 的电导在电场比较小的 情况
16、下,遵循欧姆定律 区域2:随着场强的 增大,有一平坦区域 区域3:场强继续增 大超过某一极限,引起 电流激增,最终击穿 电场强度 45 四、固体电介质的电导 1.中性分子的固体介质电导主要由杂质离 子引起,只有T较高时本身才发生离解。 2. 离子结构的固体介质,电导主要由离子 在热运动下脱离晶格移动造成的 3. 影响固体电介质电导的因素: 温度、杂质浓度、电场强度 46 第三节 电介质的损耗 一、电介质损耗的基本概念 1. 电导损耗(直流损耗) 2. 极化损耗(有损极化) 47 二. 等效电路与相量图 R3 C1 R2 C2 i=i1+i2+i3 i1 i2i3 u 图中C1 代表介质的 无损
17、极化(电子式 和离子式极化), C2 R2 代表各种有 损极化,而R3则代 表电导损耗。 介质损耗角为功率因数角 的余角,其正切值 tg 又可称为介 质损耗因数。 I C I2 R I2 3 I U 2 I 1 I 48 三. 简化等效电路与损耗 1. 并联等值电路并联等值电路 RCCU RU I I tg PPC R 1/ tgCU R U P P 2 2 49 2. 串联等值电路串联等值电路 rC CI rI U U tg S Sc r / 2 2 2 222 2 2 2 2 11 1 tg tgCU rC rCU r Cr U rIP S S S S 50 2 2 2 1 tg tgCU
18、 tgCU S P 2 1 tg C C S P 根据等效原理有:根据等效原理有: sp CC ,故通常1tg 因此:介质损耗功可以用统一的公式: 参数是衡量介质损耗的一个成正比,因此与 一定的前提下、成正比,而当、与 tgtgP CUCUP CtgUP 2 2 51 按平板电容器的均匀电场计算: 单位体积的损耗为 tan tan 2 22 2 VE S A SE CtgUP tan 2 E V P P 通常均采用介质损耗角正切tan作为综合反映电 介质损耗特性优劣的一个指标,反映的是介质总 体平均损耗,对局部小体积损耗反映不灵敏。测 量和监控各种电力设备绝缘的tan值已成为电力 系统中绝缘预
19、防性试验的最重要项目之一。 52 四 气体、液体和固体介质的损耗 1、气体介质损耗 当外加电场还不足以引起电离过程,气体中只 存在很小的电导损耗( tan10-8);但当气体 中的电场强度达到放电起始场强E0时,气体中 将发生局部放电,这时的损耗将急剧增大。 53 2、液体和固体电介质的损耗 中性液体和固体的极化主要是电子式和 离子式极化,极化损耗很小,其主要损 耗由电导引起,随温度场强的增加而增 加。 极性液、固体介质的损耗(电导损耗 极化损耗)与温度频率等因素有较复杂 的关系。 54 极性液体介质tan与温度的关系 tan t () t1 t2 0 1 55 v当电源频率f和r恒定时,ta
20、n与介质损耗的变 化率相同。但当f变化时还将引起r变化,所以 tan与f的关系很复杂。 0 0 tan tan 极性液体介质tan与电压频率f的关系 p 高电压技术 主讲:青岛理工大学自动化工程学院 马淋淋 57 第一章 58 绝大多数电气设备都在不同程度上以不同的形 式利用气体介质作为绝缘材料。架空输电线路各 相导线之间、导线与地线之间、导线与杆塔之间 的绝缘都利用了空气;高压电气设备的外绝缘也 利用着空气。在真空断路器中,压缩空气被用作 绝缘媒质和灭弧媒质。在某些类型的高压电缆 (充气电缆)和高压电容器中,特别是在现代的 气体绝缘组合电器(GIS)中,更采用压缩的高 电气强度气体(如SF6
21、)作为绝缘。 59 研究气体放电的主要目的: 1.了解气体在高电压(强电场)的作用下 逐渐由电介质演变成导体的物理过程; 2. 掌握气体介质的电气强度及提高方法。 60 第一章第一章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程 1.1 气体中带电质点的产生和消失 1.2 均匀电场小气隙的放电 1.3 均匀电场大气隙的放电 1.4 电晕放电 1.5 不均匀电场气隙的击穿 61 第一节 气体中带电质点的产生与消失 一带电质点的产生一带电质点的产生 v 碰撞游离 v 光游离 v 热游离 v 表面游离 (气体中的金属) 二二. . 带电质点的消失带电质点的消失 v 质点的扩散 v 质点的复合 (气体本身)
22、62 波尔量子理论波尔量子理论 v电子分布使原子的总能量趋 向最小。 v高能级低能级:发出单色 光。 v低能级高能级:需要外部 激励。 v激励状态不稳定 + 低能级 高能级 63 v游离(电离):电子获得足够的能量跳出最外层 轨道,成为自由电子。产生带电离子的过程称为 游离。这时原来中性的原子发生了电离,分解成 两种带电粒子电子和正离子。质点游离所需 的最小能量称为游离能。(1ev=1.60210-19J) v激励:当质点吸收的能量小于质点的游离能时, 不能发生电离,但可以使电子跃迁到较高的能级 的现象称为质点的激励。处于激励状态的质点易 游离。 v反激励:处于激励状态的质点,恢复到原来的中
23、性状态的现象称为质点的反激励。反激励将把激 励时所吸收的能量以光的状态释放出来。 64 表1-1 某些气体的激励能和游离能 引起游离所需的能量可通过不同的形式传递给气体分子,引起游离所需的能量可通过不同的形式传递给气体分子, 诸如:光能、热能、机械能(动)能,对应的游离过程称诸如:光能、热能、机械能(动)能,对应的游离过程称 为为光游离、热游离、碰撞游离光游离、热游离、碰撞游离等。等。 气体气体激励能激励能W We e (eV) (eV)游离能游离能W Wi i (eV) (eV)气体气体激励能激励能W We e (eV) (eV)游离能游离能W Wi i (eV) (eV) N2 O2 H2
24、 6.1 7.9 11.2 15.6 12.5 15.4 CO2 H2O SF6 10.0 7.6 6.8 13.7 12.8 15.6 65 1 1 碰撞游离碰撞游离 v一个运动的质点(可以是带电的,也可以是中性一个运动的质点(可以是带电的,也可以是中性 质点)撞击另一个中性质点,且使其分解成为两质点)撞击另一个中性质点,且使其分解成为两 个带电质点(正离子和自由电子)的现象称为碰个带电质点(正离子和自由电子)的现象称为碰 撞游离。撞游离。 v发生碰撞游离的条件:两个撞击质点的发生碰撞游离的条件:两个撞击质点的总能量总能量 (动能位能)(动能位能)大于被撞击质点的游离能;有一大于被撞击质点的
25、游离能;有一 定的相互作用时间。定的相互作用时间。 v特点:可以一次完成,也可以分级完成。特点:可以一次完成,也可以分级完成。 v自由行程自由行程:质点两次碰撞之间的距离。电子体积:质点两次碰撞之间的距离。电子体积 小,自由行程要比其它质点长。小,自由行程要比其它质点长。 66 动能动能 : mv22,m为 质点的质量, v为质点的速 度。 撞击质点的撞击质点的 总能量总能量 位能: 处在激励状态 下的质点具有 较高的位能。 撞击质点的能量 67 电子产生碰撞游离的过程 v碰撞游离是气体中产生带电粒子的最重要的方 式。应该强调的是,主要的碰撞电离均由电子 完成,离子和中性质点碰撞中性分子并使之
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