《高电压技术》曹政钦，石岩，魏钢主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《高电压技术》

【作　者】曹政钦，石岩，魏钢主编

【丛书名】高等学校电气工程及其自动化专业应用型本科系列规划教材

【页 数】 233

【出版社】 重庆：重庆大学出版社 , 2020.09

【ISBN号】978-7-5689-2436-8

【价 格】45.00

【参考文献】 曹政钦，石岩，魏钢主编. 高电压技术. 重庆：重庆大学出版社, 2020.09.

图书封面：

图书目录：

《高电压技术》内容提要：

本书分为3篇，包括气体、液体和固体介质的电气特性，绝缘的预防性实验，电气绝缘的高电压实验，电气绝缘在线检测，输电线路和绕组中的波过程，输电线路的防雷保护，变电站及电机防雷保护，电力系统过电压及防护，电力系统绝缘配合，工程实际案例共12章。在传统教材的基础上，本书在第12章增加了8个工程实际案例。本书可作为电气工程类专业学生学习高电压技术课程的教材，也可供电力部门有关人员参考。

《高电压技术》内容试读

1篇

第

高电压绝缘介质

电介质可分为气体电介质、液体电介质和固体电介质3大类。实际的绝缘结构常采用几种电介质的组合绝缘。电介质的电气强度是有限的，超过其极限电场强度均会被击穿。研究电介质的电气特性便于确定电力线路和设备的绝缘配置。

1

第】章

气体电介质的电气特性

1.1气体放电的基本物理过程

1.1.1气体中带电质点的产生和消失

气体是电力系统中使用最多的绝缘介质。气体电介质，特别是空气，是电力系统中主要的绝缘介质，输电线路和电气设备的外绝缘都是以空气为绝缘介质。研究气体电介质的电气特性具有重要的工程意义。

当气体间隙中的电场强度达到某一临界值后，气体间隙中电流剧增，气体介质会失去绝缘能力而被击穿，这种现象称为气体介质的击穿，也称为气体放电。气体被击穿后，具有不同的放电形式：在气压低、电源功率较小时，为充满间隙的辉光放电：在大气压下，表现为火花放电或电弧放电：在极不均匀的电场中，会在局部电场最强处产生电晕放电。在电场作用下，气体间隙中带电质点的产生与消失决定了气体中放电现象的强弱与发展。

气体中带电质点的产生有两个途径：一是气体本身发生游离：二是在气体中的金属电极发生表面游离。游离是指中性质点获得外界能量分解出带电质点的过程。

(1)气体中带电质点的产生

带电质点可由以下形式的游离形成：1)碰撞游离

电场中电子被加速获得动能。如果其动能大于气体质点的游离能，在和气体质点发生碰撞时，就可能使气体质点产生游离分裂成正离子和自由电子。这种游离称为碰撞游离。这是气体中带电质点数目增加的重要原因。2)光游离

电磁射线（光子）的能量不小于气体质点的游离能时所引起的游离过程称为光游离，光游离在气体放电中起着重要的作用。

光具有波动、粒子二重性，光子是携带能量的质点，光游离相当于光子与气体质点发生碰撞。如果光子能量足够大就可以使气体质点在碰撞时发生游离，产生正离子和自由电子，此时2

第1章气体电介质的电气特性

产生的电子称为光电子。

在各种气体和金属蒸气中，可见光的光子所携带的能量不足以使气体质点游离，可见光不可能发生光游离，但不排除分级游离而造成游离的可能性。导致气体光游离的光子可以是伦琴射线、γ射线等高能射线，也可以是气体中反激励过程或异号带电质点复合成中性质点过程中释放出的光子，这些光子也可引起光游离。

3)热游离

气体分子热运动状态引起的游离称为热游离。其实质是碰撞游离和光游离，只是直接的能量来源不同而已。

在常温下，气体质点热运动所具有的平均动能远低于气体的游离能，不足以引起碰撞游离，而在高温下，如电弧放电时，气体温度可达数千摄氏度，此时气体质点动能足以引起碰撞游离。此外，高温气体的热辐射也能导致气体质点产生光游离。

4)表面游离

放在气体中的金属电极表面游离出自由电子的现象称为表面游离。使金属释放出电子需要能量，以使电子克服金属表面的束缚作用，这个能量通常称为逸出功。各种金属的逸出功比气体的游离能小得多。金属表面游离所需能量可以从以下途径获得：

①正离子碰撞阴极。正离子在电场中向阴极运动，碰撞阴极时将其能量传递给电子而使金属表面逸出两个电子，其中，一个电子与正离子结合而合成中性质点，另一个电子成为自由电子。

②光电效应。金属表面受到光的照射，能产生表面游离。

③强场发射。在阴极附近加上很强的外电场，其电场强度将电子从阴极表面拉出来，称为强场发射或冷发射。

④热电子发射。将金属电极加热到很高的温度，可使其中的电子获得巨大能量，逸出金属。在电子、离子器件中常利用热电子发射作为电子来源，在强电领域，对某些电弧放电的过程有重要作用。

对于工程上常见的气体间隙的击穿来说，起主要作用的是正离子碰撞阴极的表面游离和光电效应。

需要说明的是：①不管什么形式的游离方式，要在气体中产生自由电子，都应使气体外层电子或金属表面电子获得足够的能量，以克服原子核的吸引力，且每次满足条件的碰撞不一定都能产生游离过程。②在气体质点相互碰撞中，还会产生带负电的负离子，这是由于自由电子和气体分子碰撞时，被气体分子吸附而形成负离子。负离子的形成虽然未减少带电质点的数目，但其游离能力比自由电子小得多。负离子的形成对气体放电的发展是不利的，但有助于气体抗电强度的提高。

(2)气体中带电质点的消失

气体中带电质点的消失主要有以下3种方式：

①带电质点在电场作用下做定向运动，流人电极，中和电荷。

②带电质点从高浓度区域向低浓度区域扩散。

③带电质点的复合。带正、负电荷的质点相遇，发生电荷的传递、中和而还原成中性质点的过程，称为复合。

气体中存在游离过程，也就存在复合过程。在电场作用下，气体间隙是发展成击穿还是保

3

高电压技术

持其绝缘能力，取决于气体中带电质点的产生与消失的趋势。如果带电质点的产生占主要地位，气体间隙中的带电质点数目就增加，放电就能发展下去成为击穿：如果带电质点的消失占主要地位，气隙中带电质点数目就减少，放电就会逐渐停止，气隙尚能起绝缘作用。

1.1.2汤逊理论和巴申定律

对均匀电场气隙的击穿，可用汤逊理论来描述，这是20世纪初英国物理学家汤逊(J.S.

Townsend)在大量实验的基础上总结出来的。

如图1.1(a)所示为一个低气压下电介质为空气的平板电极。紫外线光源通过石英窗口照射到阴极板上，使之发射出光电子，一定强度的光照射所产生的光电子是一个常数。当在极板间加上可变直流电压后，极板间空气间隙的伏安特性如图1.1(b)所示。在Oa段，电流随电压升高而增大，这是因为一定强度的光照射所产生的光电子是一个常数，随着电压升高，间隙中带电质点运动速度加大，单位时间内通过所观察面的电子数增多，电流随电压的增加呈线性关系。当电压升到一定值后，电流趋于饱和，这是因为光照射产生的光电子是一个常数的关系，电流仍取决于外界游离因素（紫外线光照射），而和电压无关，这时气隙仍能良好绝缘。当

电压继续升高到U时，电流随电压升高而迅速增大，这时气隙中必然出现了新的游离因素。

这个因素是电子在电场作用下，已积累起足以引起游离的能量，当它与气体分子碰撞时，产生游离，即电子碰撞游离。

自持放电区

非自持放电区

*U

队U

(a)

(b)

图1.1气体间隙放电实验原理图及其伏安特性(a)实验原理图：(b)气隙中的伏安特性

设在外部游离因素光照射下产生一个电子，在电场作用下，这个电子在向阳极做定向运动时不断引起碰撞游离，气体质点游离后新产生的电子和原有电子一起，又从电场获得能量继续沿电场方向运动，引起游离。这样下去，电子数就像雪崩似的增加，形成电子崩，如图1.2所示。电子崩的出现，使气隙中带电质点数大增，电流也大大增加。

为寻求电子崩的发展规律，以α表示电子的空间碰撞游离系数，它表示一个电子在电场作用下由阴极向阳极移动单位距离所发生的碰撞游离数。α的数值与气体的性质、气体的相对密度和电场强度有关。当温度一定时，根据实验和理论推导可知

a Ape-BP/E

(1.1)

式中：A,B为与气体性质有关的常数；P为大气压力：E为电场强度。

如图1.3所示，设一个电子沿电场方向行经1cm时与气体质点发生碰撞游离而产生出的平均电子数为。在外界游离因素光照射下，从阴极出发的个电子，在电场的作用下，获得

第1章气体电介质的电气特性

能量，引起碰撞游离。当到达距阴极x处的横截面上，单位时间内单位面积内有n个电子飞过。这n个电子行过dx之后，又会增加dn个电子，其数目为：dn=andx,移项得

图1.2电子崩形成

图1.3电子崩内电子数

dn=adx

(1.2)

两边同时积分

八dn=adx】

No n

当x=0时，n=N。,则

N.=N.exp adx

在均匀电场中，《是一个常数，则

当x=s时，到达阳极板的电子数为

N=Ne“

(1.3)

此式表明：①当一个电子从阴极出发，即N。=1行经整个间隙距离s后，产生碰撞游离，最终到达阳极的电子总数扣除它本身，新产生出的电子数为(e“-1)个，同时产生了一样多的正离子。由于电子的运动速度比正离子的运动速度快得多，因此当全部电子进入阳极后，在气隙中遗留下(e“-1)个正离子。这样可以解释在图1.1(b)中电压过U后随着电压的升高，电

流增加的原因。②当外界游离因素消失，N。=0时，N=0即只有碰撞游离因素（过程），不

能维持放电发展。这种需要依靠外界游离因素支持的放电称为非自持放电。

当电压继续升高到达U。后，电流急剧突增，气隙转入良好的导电状态，并伴随着有明显的

亮、声、热等现象，说明此时间隙的放电又有了新的特点。当间隙上所加电压增到U时，强烈

的游离将同时产生很多正离子。依上所述，一个电子行经s距离所产生的正离子数为(e“1)个，这些正离子到达阴极时，使阴极表面游离出新的电子。这些新电子将会在电场作用下向阳极运动，又产生电子崩，重复上面的过程。设一个正离子撞击阴极产生出的自由电子数为y,y称为正离子的表面游离系数，则(e-1)个正离子撞击阴极产生的电子数为y(e“-1)个。只要y(e“-1)≥1，即阴极表面至少逸出1个电子，则即使外界游离因素不复存在，气隙中游离过程也能继续下去。这种只依靠电场就能维持下去的放电称为自持放电。放电进入自持阶段，并最终导致击穿。由此，均匀电场中由非自持放电转为自持放电的条件为

y(em-1)≥1

(1.4)

因e“多1，故式(1.4)可简化为

ye"≥1

高电压技术

此式具有清楚的物理意义。由于偶然因素而产生的一个电子从阴极出发在间隙中引起强烈游离，若游离出的(e-1)个正离子经y过程在阴极表面上至少逸出1个电子，则放电转入自持放电。

由非自持放电转入自持放电的电压称为起始放电电压U。对均匀电场，气隙被击穿，此

后可形成辉光放电或火花放电或电弧放电，起始放电电压U。就是气隙的击穿电压U。对不

均匀电场，则在大曲率电极周围电场集中的区域发生电晕放电，而击穿电压U,比起始放电电

压U。可能高很多。

以上描述均匀电场气隙的击穿放电的理论称为汤逊理论。由式(1.4)可以推得自持放电时的放电电压

U,

Bps

(1.5)

「Aps

f(ps)

1+

In

即当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压是气压p与间隙距离s乘积的函数。这个关系在汤逊理论提出之前就被巴申(Paschen)从实验中总结出来，这个关系称为巴申定律。巴申定律为汤逊理论奠定了实验基础，而汤逊理论为巴申定律提供了理论依据。如图1.4所示为几种气体击穿电压与s的实验结果。

50

5

8

H2

0.5

0.11

0.1

0.51

510

50100500103

ps/cm-133 Pa

图1.4均匀电场中几种气体击穿电压U与s的关系

式(1.5)还可写成

U,=f(8·s)

(1.6)

式中：δ为气体相对密度，指气体密度与标准大气条件(P。=101.3kPa,T。=293K)下的密度之比。

这是巴申定律更普遍的形式。由此可知，气体的击穿电压除了与气体种类有关外，还与气体的状态有关。图1.4表明，随着s的变化，击穿电压将出现最小值。曲线中的最小击穿电压与式(1.5)中的最小值相对应。击穿电压U存在最小值是因为，当s一定时，改变气体气压

P,p增大，δ随之增大，电子在运动过程中易与气体分子相碰撞，两次碰撞之间走过的路径（自由行程)很小。虽然碰撞次数增多，但电子积累的能量不足以引起气体分子发生游离，击穿电压升高；反之，p减小，6随之减小，电子在运动中碰撞次数减少，击穿电压也升高。当p一定时，改变s也将改变击穿电压。增大s必然要升高电压才能维持足够的电场强度，使间隙击穿；反之，减小s而s太短时，则电子由阴极运动到阳极时碰撞次数太少，击穿电压也会升高。6

···试读结束···