高电压技术

实现。在一定的电压形式下，必须选合适的绝 缘材料，设计合理的绝缘结构。
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¾高电压试验问题 高电压工程是一门工程性很强的学科，实
验是必不可少的。 高电压试验面临诸如以下问题： ¾如何产生高压？ ¾如何对电气设备进行高压试验？ ¾如何测量高压？
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¾过电压保护问题
电力系统运行过程中，经常会导致比工作电 压高得多的电压产生，如：自然界的雷击、电力 系统本身操作导致的操作过电压等。
平均自由行程 λ ：粒子自由行程的平均值
实际粒子的自由行程长度等于或大于某一距离 x 的
概率为：
−x
P(x) = e λ
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电子的平均自由行程长度为：
λe
=
1
πr 2 N
∵
N= p kT
温温度度，，KK
∴
λe
=
kT
πr 2 p
气气压压，，PPaa
rr为为气气体体分分子子的的半半径径，， NN为为气气体体分分子子的的密密度度
1981年又建成了从河南平顶山—湖北武 汉的我国第一条全长595km的500kv 线路。
1985年全部采用国产设备的辽宁锦州到 辽阳的500kv输变电工程投产。
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高压电网建设
1989年，我国第一条±500千伏葛洲坝—上海高 压直流输电线路投运。
2005年，我国第一条长达141公里750千伏示范 输电线路(青海官亭—兰州东)投运。
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交流输电各电压等级首次出现的时间
电压等 10 50 110 220 287 380 525 735 1150 级/kV 首次出 1890 1907 1912 1926 1936 1952 1959 1965 1985 现年份
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高压电网等级
高压输电电压： 35、63 、 110、 220kV 超高压输电电压： 330、500、750kV 特高压输电电压： 交流1000kV,直流±800kV及以上
9应用规模灵活。
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电力工业作为能 源工业的主力而受到 极大重视，在发达国 家的能源消费比例 中，电能占一多半。
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动力系统、电力系统和电力网示意图如下图所示：
动力系统、电力系统和电力网示意图
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高压输电的发展过程 ¾1890 英国出现从Deptford到伦敦长达45km 的10kV输电线路 ¾1891 德国出现从Lauffen到法兰克福长达 170km的15kV三相输电线路
动动能能、、位位能能
条件：⑴ 撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能
⑵ 一定的相互作用的时间和条件 通过复杂的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换
主要的碰撞电离由电子完成
电子引起碰撞电离的条件：
qEx ≥Wi ⇒
x
≥
xi
=
Wi qE
即即电电子子为为了了造造成成碰碰撞撞电电离离 而而必必须须飞飞越越的的最最小小距距离离
华北电网的电压系列是500／220／110／35／10kV 东北电网的电压系列是500／220／63／10kV 西北电网的电压系列是750／330／110kV
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我国电网分布
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高压电网
12来自百度文库
高压电网建设
1972年我国第一条330KV超高压输变电 工程—刘家峡经天水到陕西关中全 长534km的线路投产。
输电最先得到迅速发展。 20世纪50年代中期以来，随着各方面的技
术的进步，直流输电的优越性逐步得到体现， 许多国家又逐步开始发展直流输电。我国多条 远距离的西电东送线路即为直流输电线路。
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技术评估：
由于直流输电可进行快速控制，因此能够完全 控制所传输的功率，具有增强与之相连的交流 系统稳定性的能力。此外，直流输电克服了交 流输电中如下一些问题：
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中国电机工程学报 电工技术学报 高电压技术 高压电器
IEEE Trans. on Power System IEEE Trans. on Power Delivery IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation
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小结
¾高电压技术是一门重要的专业基础课； ¾随着电力行业的发展，高压输电问题越来越得到 人们的重视； ¾高电压、高场强下存在着一些特殊的物理现象； ¾高电压试验在高电压工程中起着重要的作用。
●电离能 —电离过程所需要的能量称为电离 能 Wi (eV ) ，也可用电离电位 Ui (V ) 反映。
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施加能量W>Wi 自由电子 电离
施加能量
施加能量
激励
自由电子 分级电离
激励
施加能量
光子 6
●自由行程 —粒子在每两次碰撞之间自由地通过的
距离
是是一一个个随随机机量量，，具具有有很很 大大的的分分散散性性，，与与气气体体分分 子子的的半半径径和和密密度度有有关关
击穿(breakdown)：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙 丧失绝缘性能，形成导电通道 。
放电(discharge)：气体绝缘的击穿过程 闪络(flashover)：沿固体介质表面发展的气体放电（沿面放电） 电晕(corona discharge)：由于电场不均匀，在电极附近发生的局
部放电。
为了保护电力系统中的电力设备，必须研究： ¾ 各种过电压的特点及形成条件 ¾ 各种保护装置及其保护特性 ¾ 电压、绝缘、保护三者之间的绝缘配合
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¾电磁环境问题 电磁兼容：
高电压高场强下各种电磁干扰信号更强，电磁兼 容问题也更加突出。
生态效应： 研究强电场、强磁场下对生物生活环境的影响。
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高电压下特殊现象及其应用 高电压学科的特有现象可以举出很多，其中
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直流输电的应用
由于直流输电在成本和原理上的特点，大多数 实际工程属于下列四种类型之一： 1.地下或水下电缆（超过40~50km的等价距离 后，直流电缆具有显著优势） 2.长距离大功率输电； 3.交流系统的异步互联； 4.大型电力系统的稳定；
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对直流输电的评价
虽然技术上的进步和多端直流（MTDC）系统的 引入有望提供直流输电的应用范围，但未来不 可能出现直流电网替代交流电网的现象；
k为波尔茨曼常数，1.38╳10－23J/K
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§1.1 气体中带电粒子的产生与消失
一. 带电粒子的产生(电离过程） 根据引起电离所需的能量来源不同，对应如下几 种电离形式
●碰撞电离：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被 撞粒子能量，使其电离。
是是气气体体中中产产生生带带电电粒粒子子 的的最最重重要要的的形形式式 9
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●光电离：在光照射下，将光子能量传给粒子，游离 出自由电子。
一些已得到应用，并有很好的发展前景，已成为 国内外广泛开展研究的方向。 ¾静电技术及应用
利用静电技术人们制成静电除尘器，其除尘 效率达99%以上。
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¾液电效应及应用 液电效应是液体电介质在高电压、大电流放
电时伴随产生的力、声、光、热等效应的总称。 利用此原理可以制成碎石机、铸件清砂装置等， 已得到广泛应用。
介质损耗等 2. 在强电场下，主要有放电、闪络、
击穿等
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第一章 气体放电的基本物理过程
研究气体放电的目的： ●了解气体在高电压（强电场）的作用下逐步由电介质
演变成导体的过程 ●掌握气体介质的电气强度及其提高的方法
气体放电的基本理论：
●汤逊理论 ●流注理论
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基本概念回顾：
●电离 —原子在外界因素作用下，使其一个或几个 电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子 的过程。
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本课程主要内容包括：
¾高压电气绝缘 ¾高压电气试验 ¾电力系统过电压及其保护
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1. 提高绝缘能力 电介质理论研究—介质特性 放电过程研究—放电机理 高电压试验技术—高压产生、测量
2. 降低过电压 雷击或操作→暂态过程→产生高电压 →绝缘破坏→故障
研究过电压的形成及防止措施 过电压种类：大气过电压
接地阻抗：交流输电具有较高的接地阻抗。不允许稳 态时出现地（零序）电流。对直流电流，可忽略接地 阻抗，直流输电可以仅由一条输电线和大地构成回路 运行（单级运行）。而交流输电的单相运行（或任何 不对称运行）不能超过1s。
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直流输电的应用受到下列因素的限制：
1.换流设备的高成本 2.无法用变压器改变电压水平； 3.产生谐波； 4.换流站需要无功功率； 5.控制复杂；
原因：
首先，MTDC系统的控制和保护很复杂，直流网 络无法改变电压的性质，会引起经济上的不足。 其次，随着电力电子技术的进展，FACTS装置 （采用静止无功系统和静止移相器）的采用使 得交流输电系统的性能得到了明显的提高。
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高电压、高场强下的特殊问题
¾绝缘问题 没有可靠的绝缘，高电压高场强甚至无法
稳定极限：交流输电的输电能力与距离成反比，而直 流输电的输电能力与输电距离无关； 电压控制：由于线路充电和电压降落的原因，交流输 电的电压控制比较复杂，而直流输电线不需要任何无 功功率；
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线路补偿：为了克服长距离交流输电线路的充电和稳 定极限问题，需要进行线路补偿，直流输电无需这样 的补偿。
交流互联问题：两个电力系统通过交流联络线互联 时，协调控制很复杂，而且交流联络线的运行还可能 存在功率振荡、故障增加、扰动从一个系统传到另一 个系统等问题。直流输电中，对潮流的快速控制克服 了所有上述问题。可利用直流系统实现两个交流系统 的异步互联。
内部过电压
3. 绝缘配合 使作用电压的数值、保护电器的特性和绝缘的电气特性之间 相互协调以保证电气设备的可靠经济运行。 33
高压架空输电线路设计： 避雷线根数？
档中导地 线间距离？
绝缘子 型式？ 片数？
线间 距离？
空气 间距？ 塔型？
单导线？ 分裂导线？
档中最 小对地 高度？
接地装置设计？
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三 参考书目
赵智大，高电压技术，中国电力出版社 周泽存等，高电压技术，中国电力出版社 小崎正光，高电压与绝缘技术，科学出版社 朱德恒，严璋，高电压绝缘，清华大学出版社 姚宗干，黄镜明，高电压试验技术，水利电力出版社
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梁曦东等，高电压工程，清华大学出版社 文远芳，高电压技术，华中科技大学出版社 肖如泉，高电压试验工程，清华大学出版社 张纬钹，何金良等，过电压防护与绝缘配合 解广润，电力系统过电压，水利电力出版社
采用高电压技术将电能大容量、远距离、 低损耗地输送，提高电力系统运行的经济效 益，防止过电压，提高耐压水平，保持电网运 行的安全可靠性。
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电能与电力系统 电能是现代社会中最重要、最方便的能源。
电能具有许多优点，如： 9可以方便地转化为其他形式的能量。
如：机械能、热能、光能、化学能等； 9输送和分配易于实现；
2004年底国家电网公司启动特高压输电项目， 2006年8月晋东南到南阳到荆门645km交流特高
压试验示范工程奠基开工建设， 2009年1月6 日投入运行。2010年7月8日向家坝—上海 ±800千伏特高压直流示范工程全线投入运行。
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高压电网建设
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高压电网建设
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特高压电网建设
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¾直流输电 直流电压因为不能利用变压器，所以交流
击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的最低临界电压 击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：
发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。
Eb ＝Ｕb／Ｓ（Ｓ：极间距离） 2
▲一切电介质的电气强度都是有限的，超 过某种限度，电介质就会丧失其原有的 绝缘性能，甚至演变成导体。
在电场的作用下，电介质中出现的 电气现象： 1. 在弱电场下，主要有极化、电导、
高电压技术 High Voltage Technology
绪论
¾ 学科地位 ¾ 本课程性质和内容 ¾ 主要参考书
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一 学科地位
电能与人类的生存、发展有密切关系，而高 电压与绝缘技术是其中一个很重要的知识体 系，它是支撑电能应用的一根有力的支柱。
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二 本课程性质和内容
高电压技术主要研究高电压、强电场下各 种电气物理问题，是电工学科的一门重要的专 业基础课，是获得“高电压与绝缘技术”二级学 科基础知识的主要渠道。
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第一篇 电介质的电气强度
电介质(dielectric)：指通常条件下导电性能极差的物质，在电 力系统用作绝缘材料。 电介质中正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷极少， 因此导电性能差 。
电介质－从贮存电能的角度看 绝缘材料－从隔离电流角度看
气体电介质
电介质 液体电介质
固体电介质
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★常用高压工程术语
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¾线爆技术及应用 强大的电流通过金属线时，会使金属线熔
化、气化、爆炸，可以对难熔金属、难镀材料 喷涂，也可用线爆来模拟高空核爆炸或地下核 爆炸。
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¾脉冲功率技术及应用 脉冲功率技术在许多高科技领域、尖端武器
领域得到广泛应用，目前脉冲功率技术正向着高 电压、大电流、窄脉冲、高重复率的方向发展。