1、现代高电压技术现状与展望1 高电压技术发展现状高电压技术发展现状 当前国内外高电压和绝缘技术基础研究的现状和发展趋势以及主要的研究课题1.1 前言高电压是个相对的概念,是针对某种极端条件下的电磁现象而言,并不意味着在电压数值上具有某一确定的划分界限。它的存在完全依赖于电介质及其系统,因此高电压和绝缘是一个不可分割的整体。高电压和绝缘技术的基高电压和绝缘技术的基本任务是研究高电压的获得和高电压本任务是研究高电压的获得和高电压(电场电场)下电介质及其系统的行为和应用。下电介质及其系统的行为和应用。人类对高电压现象的关注已有悠久的历史,但作为一门独立的科学分支是本世纪初逐渐形成的。40年代年代以后以
2、后,由于电力系统输送容量的扩大由于电力系统输送容量的扩大,电压水平的增电压水平的增高以及原子物理、技术物理等学科的进步高以及原子物理、技术物理等学科的进步,高电压和高电压和绝缘技术加快了发展速度。绝缘技术加快了发展速度。60年代以来,受特高压、超高压输电和新兴科学技术发展的推动,进展更加迅速。到近代,已冲出了原有的传统范围,丰富了研究内容,生长出许多新的分支,扩大了应用领域,现已成为电工学科的一个重要组成部分。尽管如此,由于高电压现象物理本质的复杂性,至今许多理论尚不成熟。因此,在理论探讨方面,仍然是世人瞩目的课题。高电压技术的发展走过了从现象观测实验研究理论探讨的漫长道路,概括起来具有以下几
3、个主要特点:(1)实验性强。实验和分析表明,影响电介质在高电压下行为的因素甚多。因此,根据特定条件所得出的理论,通常具有较大的局限性。为了获得具有普遍意义的结果,需要从大量的实验结果中抽取出反映本质的因素。缺少这个由浅入深,由表及里的研究过程,基础理论的水平难以提高。从这个意义上说,实验的重要性在本学科的发展中是至关重要的。(2)理论性强。由于放电和击穿是发生在非限定空间的一种导电现象,其内在规律无法从“路”的观点来描述,只能从易受多种因素制约的“场”的理论出发,由于过程复杂,致使表征其内在规律的理论基础至今尚不成熟,而且带电粒子的行为与物质性质和状态关系密切,这就更增加了理论探讨的难度。所以
4、,长期以来理论研究一直沿着从宏观半微观微观的方向逐步深化。因此,不可避免地和电磁场理论、气体动力学、基础热力学、电介质物理、等离子体物理、电磁流体力学、统计物理等具有十分密切的联系。(3)交叉性强。在吸收其他新兴学科的最新成就促进自身不断发展的同时,高电压技术也在不断地向其他学科渗透并成为开拓新兴科学技术不可缺少的理论和技术基础,高功率脉冲技术的出现就是个突出的实例。高电压技术的研究范围(1)根据需要如何人为地获得预期的高电压。在电力系统中,几十万伏以上的高电压是电能大容量、远距离经济输送不可缺少的技术条件,而绝缘和按一定要求组成的绝缘系统(通常称为绝缘结构)是支撑高电压的基础,其可靠性在很大
5、程度上决定了整个电力系统的经济性。在新兴科学技术中,对高电压的具体要求更加苛刻。因此,它是高电压技术中的核心研究内容。高电压技术的研究范围(2)如何得知由于随机干扰因素(电磁能量转换,雷击等)引起的非正常过电压的特性和变化规律以便采取对策。通常,该值比正常值高几倍甚至更高,对运行中的电力设备构成致命的威胁,严重时可一导致放电或击穿,造成停电和设备损坏。从电力建设上看,提高输电电压,输变电设备绝缘部分占总造价的比重也相应提高,为了降低造价,需要将可能出现的过电压峰值,所采取的过电压限制措施的能力和绝缘所能承受的能力三者恰当地配合,为此必须依赖高电压和绝缘技术的基础知识。由此可见,高电压与绝缘技术
6、在电力工业和新兴科学技术中占有十分重要的地位。高电压技术的理论基础电介质的放电和击穿理论及其相关理论。电介质按其状态分为气、固、液三种。前两种在高电压绝缘技术中占绝大部分。不同状态的介质在高电压(电场)作用下具有不同的行为和表现。对于气态介质,由于气体放电通常是在非限定空间进行,强电场解除后,放电通道随即消失,基本不留痕迹,介电性质可迅速恢复;固体介质的击穿路径是随机的,事先无法预计,击穿后介质上留下永久性痕迹,介电性质不再恢复;液体介质的特性介于气体和固体之间,击穿之后通道路径是非永久性的,在一定限度内介电性质可以恢复但速度较气体介质为慢。高电压技术的理论基础气体放电的形式和特性除介质本身性
7、质外,还与外加电压的种类(交流、直流、冲击)和参数以及非限定空间的状态(包括电极状况)和环境条件(压力、温度、湿度、杂质)等有着十分密切的依赖关系。经过世人长期的探索,在阐明气体放电宏观特性和微观机理的关系方面主要提出了Townsend和Streamer两种近似理论。上世纪中叶以来,在推进和发展这两种放电理论的研究中遇到了较大的困难,至今进展甚微,仍然是今后高电压技术领域十分重要的前沿性基础课题。高电压和绝缘技术的基础和应用基础性研究内容(l)气体放电(含雷电)基本理论;(2)电晕(含局部)放电,(3)电弧(含真空)放电;(4)界面放电;(5)固体介质击穿理论;(6)冲击波的传播过程。1.2
8、国内外现状和发展趋势高压实验室气体介质：固体介质：高分子聚合物1.3 主要研究领域主要研究领域-气体放电气体放电(含雷电含雷电)基本理论基本理论气体放电(含雷电)基本理论 在上世纪初诞生Townsend气体放电理论之前就已经建立了帕刑定律(1889年),为Townsend理沦准备了实验依据。Townsend 理论仍具有明显的不足。时隔30年,在总结了Townsend理论的不足并经过大量的实验和雷电观测的基础上由H.Raether等人于40年代初首先提出一种近似理论streamer理论。两种理论描述的是同一物理现象,但是有不同的表达形式和适用范围,这说明或许能建立一种更完善的气体放电理论,它在某
9、种特定条件下,可简化为Townsend理论,而在另一种条件下,则可表现为Streamer理论。长期以来,对这一放电理论的研究虽然已积累了大量的数据,但在理论上进展甚微。今后仍为这一领域的前沿性课题。1.3 主要研究领域长间隙放电是高电压技术中一个重要方面,它的特点是在放电形成之前有一个先导过程,间隙愈长,主放电和先导发展得愈充分。理论上,凡通道特性对放电过程起主导作用的情况均属长间隙放电的范畴。研究长间隙放电一则能对长间隙下绝缘特性获得具有实用价值的结果,同时也可推进经典气体放电理论的发展和促进新理论的探索,其中表征先导放电发展过程的放电模型的研究是个非常重要的课题。自然界中的雷电是一种超长间
10、隙的放电现象,是长间隙放电的典型实例。雷电有数种,其中落地雷由于与人类的关系十分密切,一直是人们主要的研究对象。雷电研究是以实际观测和实验室模拟为手段,主要围绕着放电机理进行,包括放电形式、发展和传播过程的物理本质、放电通道的微观机理和表征放电宏观特性的各类参数等。气体放电气体放电(含雷电含雷电)基本理论研究内容基本理论研究内容1)经典气体放电理论的推进和新理论的探索。(2)长间隙放电的微观机理。具体包括:对地雷闪密度、雷电的极性分布、多重雷击特性及分布、雷电放电波头及波形、雷电流幅值、接地物体的影响、正负极性雷电放电的形式、先导和流注发展过程等。在实际观测和实验研究基础上建立起来的雷电放电理
11、论(先导放电、流注放电等),其基础是热动力学平衡原理。当前提出的各种放电模型,其主要区别仅在于是否和如何考虑局部的热动力学平衡过程。根据这种理论,可以求出先导放电膨胀过程、先导头部的电位以及特定间隙的平均击穿场强等。气体放电气体放电(含雷电含雷电)基本理论研究内容基本理论研究内容(3)大区域雷电防护新原理和新方法。(4)特种雷电(球雷,珠串雷等)的机理和形成过程。(5)放电基本过程和参数的研究,包括电离、电子附着、电荷转移、退附着、扩散、复合、碰撞截面和附着截面等。研究方法包括计算、模拟和实验。(6)放电特性及影响因素的研究,包括在不同的电场中不同的电压形式下的放电特性、电晕放电模型、电晕起始
12、特性、电晕放电的过渡特性以及电晕稳定效应等。影响因素主要是微粒(特别是导电微粒)和表面粗糙度、水分及杂质的影响等。气体放电气体放电(含雷电含雷电)基本理论研究内容基本理论研究内容(7)SF6及其混合介质放电分解产物的研究。不同的放电形式产生的分解状况不完全一样,分解后的产物不少是有毒的,不仅威胁到人身安全,还会影响到气体的绝缘和灭弧特性,也可能会影响设备中固体绝缘的绝缘特性和绝缘寿命。(8)强电负性混合介质的电负性随价电子结构的变化规律,多元粒子间相互作用,电荷转移以及多体碰撞等因素对有效电负性的影响。(9)强电负性混合介质的热力学输运性质对介电特性恢复速度的影响和介电特性与组分间的实际关系。
13、(10)选择混合介质的综合指标。1.3.2电晕(含局部)放电研究内容电晕放电模型电晕放电应用局部放电：位置、放电量、在线检测。1.3.3电弧(含真空)放电气体(高气压)电弧放电和真空(低气压)电弧放电气体电弧放电气体电弧放电自从19世纪初被发现以来,已经历了很长的历史。它是当气体放电电流达到相当程度时,出现的一种高电流密度、低阴极位降的放电形式,从学科角度看,它属于低温等离子体中热等离子体的范畴,其物理本质是等离子体物理和热物理的综合作用过程,而且在很多场合热物理过程起决定性作用。由于电弧现象的机理十分复杂,对它的研究涉及到电磁场理论、传热学、热力学、气体动力学、磁流体动力学、部分电离等离子体
14、物理学等学科。气体电弧的应用领域气体电弧的应用领域大致分为两类:一类是利用其热光效应在许多工业领域中作为高温热源、光源,所涉及到的内容有伏一安特性的稳定条件(动态特性)、电弧温度分布、弧柱尺寸与状态参数的关系,电一热和电一光转换效率、能量平衡和输运过程、运行寿命等,另一类是作为高压断路器中的“开断元件”,核心的研究内容是灭弧机理,特别是高压直流电弧的强迫熄弧更是一大难题。真空电弧真空电弧是1种低气压蒸气电弧。从广义上讲,虽属于电弧放电的范畴,但机理与气体电弧截然不同,其导电粒子是由电极蒸发出来的金属蒸气提供的。电弧的零区现象是交流开关电弧研究的核心。1.3.4界面放电界面放电机理十分复杂,因为
15、放电过程要受到至少两种介质的影响。在应用上最重要,研究得最多的是气体和固体两种介质的界面放电。放电过程中出现的基本现象包括:(1)初始电子的产生:场致发射、外部射线的照射、光电发射、局部放电等。(2)二次电子的产生:在气体中或固体介质的表面上,离子碰撞、电子碰撞、场致发射、光电发射和光电离等。(3)电荷的扩散:电子的扩散、离子的扩散。(4)不纯气作的产生:光子激发、碰撞激发、化学过程、局部放电、场致分解、光分解等。(5)电场修正;电极形状、介质常数、表面电荷、体电荷等。界面放电的主要模型有以下四种:(1)临界电场模型:这种理论的基点是界面放电表现出对表面上或其附近电场的扰动非常敏感。它假定沪注
16、过程独立地决定表面的放电电压。当由于微粒(或毛刺)使表面的电场增强到足以产生流注时,放电就会发生。(2)表面电荷积累模型:这种模型认为在外加电场的方向,固体介质的体导电率梯度将引起体电荷的积累并向表面移动,由此导致表面电荷的积累,使表面场强增加而发生放电。(3)电子扩散模型:这种模型考虑了固体介质表面上的电子扩散过程。认为在直流系统中存在着诸如电晕放电这样的恒定电子源。电子从其产生区向外扩散,使附近的介质表面的电子陷阱为电子所充满,导致电子产生区和附近陷阱区的电子密度的梯度下降。这样,电子产生区的电子密度会增加,电极之间的电子流随之增大。当电子流达到某一临界值时,就会发生放电。(4)放电传播模
17、型:这一模型考虑冲击电压作用下的界面放电(不均匀电场中),它描述了放电通道的最大长度(从针状电极端部向平板电极的辐射放电)、放电发展速度、起始放电电压以及放电发展所需的最小能量。根据这一模型,先导放电发展将继续到在先导通道中的电压降落使先导头部的电位下降到不足以提供进一步使通道的电离和气体的加热所需的能量时为止。先导发展的速度与气体的压力无关,但与先导头部的电位有关。当前的研究趋势,主要集中于以下几个方面:(1)绝缘子的固有特性(如表面结构、化学成分、电子陷阱密度、二次电子在电离中的产额等)对界面放电发展的影响。(2)导电微粒和电极表面粗糙度引起界面放电的机理。(3)由于局部放电或气体的分解而
18、产生的化学产物对介质本身和放电过程的影响。(4)在交流电压作用下的界面放电理论。(5)在污秽条件下的界面放电。(6)适用于均匀和非均匀场界面放电的通用理论。1.3.5固体介质击穿理论绝缘体的导电机理的研究：主要围绕着载流子的产生及其输运过程进行的。绝缘体的击穿：(1)短时间破坏。包括电子破坏过程(固有破坏、电子崩破坏、自由体积破坏、齐纳破坏),其特点是破坏时延小;热破坏过程(稳态热击穿和冲击热击穿过程),其特点是破坏时延大,电气机械破坏。(2)长时间破坏。包括放电劣化(局部放电劣化、电树枝劣化),水树枝劣化和电化学劣化。1.3.6冲击波的传播过程特高压下的波过程中的特殊问题：VFTO和电晕对波过程的影响限制过电压的方法和手段特殊应用
