教学课件：《高电压技术》1

1、高 电 压 技 术1、什么是高压？电压等级： 220v、3kv、6kv 10kv、35kv、66kv、110kv、220kv 330kv、500kv、750kv 1000kv 低压 高压 超高压 特高压 2、为什么要有高电压？ 长距离大容量输电的可行性； 经济性。3、电力设备特性有哪些？导电性；导磁性；绝缘能力。4、高电压系统基本要求？ 安全性（绝缘问题）； 可靠性（预防过电压）。5、课程内容：绝缘与试验过电压及保护操作过电压暂时过电压外部过电压（雷电）内部过电压气体、液体、固体绝缘性能介质试验及高压获得第1篇 高电压绝缘及试验第2篇 电力系统过电压及保护第1章 电介质的极化、电导和损耗第2章

2、 气体放电的物理过程第3章 气隙的电气强度第4章 固体、液体和组合绝缘的电气强度第5章 电气设备绝缘试验（一）第6章 电气设备绝缘试验（二）第7章 线路和绕组中的波过程第8章 雷电及防雷装置第9章 输电线路的防雷保护第10章 发电厂和变电所的防雷保护第11章 电力系统暂时过电压第12章 电力系统操作过电压6、课程特点： 介绍性（多叙述、少计算）； 节奏快； 实验危险性高。第1章 电介质的极化、电导和损耗1.1 电介质的极化1.2 电介质的介电常数1.3 电介质的电导1.4 电介质中的能量损耗1.1 电介质的极化电介质极化有四种基本类型电介质：在其中可建立稳定电场而几乎没有电流通过的物质。极化：

3、在外电场作用下，电介质内部产生宏观不为零的电偶极矩。电子位移极化；离子位移极化；转向极化；空间电荷极化。1、电子位移极化：电介质：一般由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕核的带负电电子构成。感应电矩：没有外电场时，电子云中心与原子核重合，感应电矩为零，对外不显现极性。 感应电矩消失：外电场消失后，原子核与电子云的引力又使二者重合，感应电矩也随之消失。电子位移极化：外加一个电场，原子核向外电场方向移动，而电子方向反方向移动，达到平衡后，感应力矩也稳定，这个过程叫电子位移极化。 E电子位移极化特点： 时间：完成时间极短，约为10-1410-15s； 能量损耗：电子位移极化不引起能

4、量损耗； 温度：电子位移极化与温度无关，温度的变化只是 通过介质密度才影响到电子位移极化率。 频率：电子位移极化基本与频率无关。2、离子位移极化：由离子结合成的介质内，外电场的作用除了促使内部产生电子位移极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。E离子位移极化特点： 时间：完成时间短,约为10-1210-13s ； 能量损耗：有极微量的能量损耗； 温度：随温度的升高而略有增大； 频率：极化与频率无关。温度离子位移极化离子间作用力3、转向极化：极性电介质：即使没有外加电场，由于分子中正负电荷的作用中心的不重合，就单个分子而言，就已具有偶极矩，称为固有偶极矩。由于分子的不规则

5、热运动，使各分子偶极矩排列无序，对外不呈现合成电矩。有外电场时，每个分子的固有偶极矩有转向电场方向的趋势，顺电场方向作定向排列，它在不同程度上达到平衡，对外呈现宏观电矩，这就是极性分子的转向极化。外电场愈强，转向定向愈充分，外电场消失，宏观的转向极化也随之消失。E转向极化特点： 时间：完成时间较长，约为10-610-2s ； 能量损耗：有很小的能量损耗； 与频率、温度相关。 4、空间电荷极化（非弹性，与前三种有所区别）： 大多数绝缘结构中，电介质往往是层式结构，电介质也可能存在某种晶格缺陷。在电场的作用下，带电质点在电介质中移动时，可能被晶格缺陷捕获，或在两层介质界面上堆积，造成电荷在介质空间

6、中新的分布，从而产生电矩，这种极化称为空间电荷极化。空间电荷极化特点： 时间：缓慢； 能量损耗：有。 以最简单的双层介质为例：设开关闭合初瞬间电导上电流为零，电压分布由电容值大小决定。为整个介电质的等值电容与 分界面上堆积电荷数为到达稳态时，电容上电流为零，电压分布由电导大小决定。为整个介电质的等值电容与 分界面上堆积电荷数为各种极化方式的比较极化种类产生场合产生原因所需时间能量损耗电子位移极化任何电介质束缚电子运行轨道偏移10-15 s无离子位移极化离子式结构电介质离子的相对偏移10-13 s几乎没有转向极化极性电介质固有偶极矩的定向排列s10-610-2 s小空间电荷极化多层介质的交界面自

7、由电荷在层间的堆积10-2 s数小时有1.2 电介质的介电常数介电常数：用来衡量绝缘体储存电能的能力，代表电介质的极化程度（对电荷束缚的能力）。介质中真空中电位移矢量场强矢量真空的介电常数相对介电常数1、气体电介质的相对介电常数：相对介电常数大小：由于气体物质分子间的距离相对较大，气体的极化率就很小，故一切气体的相对介电常数都接近于1。影响因素：温度：气体的相对介电常数随温度的升高而减小；压力：随压力的增大而增大。但以上的影响程度都很小。2、液体电介质的相对介电常数： 中性液体介质：代表介质：石油、苯、四氧化碳、硅油等。大小：不大，其值在1.82.8范围内。 极性液体介质：代表介质：蓖麻油、乙

8、醇、水等。大小：具有较大介电常数，高压绝缘一般不用。影响因素： 温度：温度分子间黏附力转向极化介电常数温度过高分子热运动极性分子定向排列转向极化介电常数 频率：频率较低时偶极分子来得及跟随电场交变转向介电常数较大，接近直流情况下的频率超过临界值偶极分子转向跟不上电场的变化介电常数开始减小介电常数最终接近于仅由电子位移极化引起的介电常数值3、固体电介质的相对介电常数： 中性液体介质：代表介质：石蜡、硫磺等。大小：只有电子式极化和离子式极化，介电常数较小。 极性液体介质：代表介质：树脂、纤维、橡胶、有机玻璃等。大小：相对介电常数都比较大，一般为36。4、电介质介电常数的应用：导线绝缘：采用介电常数

9、小的电介质；电容器：采用介电常数大的电介质。1.3 电介质的电导任何电介质都不是理想的绝缘体，它们总是少量的带电质点存在，在电场作用下，带电质点作有方向的运动构成电流。因而任何电介质都具有一定的电导，表征电导大小的物理量是电导率 （或电阻率 ）。电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。 金属电导是由金属中固有存在的自由电子造成的。 电介质的电导：带电质点在电场作用下移动造成的。由电离出来的自由电子、正离子和负离子在电场作用下移动而造成的。分子发生化学分解形成的带电质点沿电场方向移动而造成的。 分子发生热离解形成的带电质点沿电场方向移动而造成的。 气体：液

10、体：固体：1、气体电介质的电导： 电流密度区： 进一步增大时，离子移动接近于饱和，即电流密度趋于饱和，但其值仍然很微小。此区域电导也是很小的，称为饱和区。区：气体中即使没有电场也有一定离子浓度，存在电场时，离子加速，形成很小的电流密度，此时电导很小。因近似有，故称为线性区。区：气体发生撞击电离，使 迅速增大，电导迅速增大。当 时，气隙被击穿，故称为击穿区。2、液体电介质的电导： 中性液体介质： 中性液体介质本身分子的离解很微弱，电导主要由杂质和悬浮于液体介质中的荷电粒子引起，电导较小。 极性液体介质： 极性液体杂质的电导不仅由杂质引起，而且与本身分子的离解度有关。 强极性液体介质（如水、酒精等

11、），即使高度净化，电导率还是很大，以至于其不能看作电介质，而是离子式导电液。影响因素：温度：电导率与温度的关系：电场强度：温度液体介质黏度离子迁移率电导温度介质分子热离解度电导电流密度和电场强度的关系与气体介质类似，但饱和过程一般观察不到。3、固体电介质的电导： 中性固体介质： 电导主要由杂质引起，电导较小。 离子式结构的固体介质： 电导主要由离子在热运动影响下脱离晶格而移动产生的。影响因素： 温度：类似于液体电介质。 电场强度：类似于液体电介质。 杂质：杂质对电导率的影响很大。 固体介质除体积电导外，还存在表面电导。1.4 电介质中的能量损耗1、介质损耗的基本概念：介质损耗：在电场作用下，电

12、介质由于电导引起的损耗和有损极化损耗，总称为介质损耗。电介质的等效电路：电容支路：由真空和无损极化所引起的电流为纯容性；阻容支路：由有损极化所引起的电流分为有功和容性无功两部分。纯阻支路：由漏导引起的电流，为纯阻性的。计算用等值电路：单位体积介质的损耗功率电介质的损耗角介质损耗因数工程上常用 表征介质的品质2、介质损耗因数 的意义：若 过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿。用于冲击测量的连接电缆，要求 必须要小，否则会影响测量精度。用做绝缘材料的介质，希望 小。在其他场合，可利用 引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干。在绝缘试验中， 的测量是一项基本测试项目。3、气体介质的损耗： 当

13、场强小于气体分子电离所需要的值时，气体介质的电导很小，损耗也很小。 当场强足够大，气体介质将产生电离，介质损耗大增，且增长很快。4、液体和固体介质中的损耗： 中性介质中的极化主要时电子位移极化和离子位移极化，它们是无损的或几乎无损的。这类介质的损耗主要由漏导决定。 极性介质的损耗主要包括电导式损耗和电偶式损耗两部分。它与温度、频率等因素有复杂的关系。第2章 气体放电的物理过程2.1 气体中带电质点的产生和消失2.2 气体放电机理2.3 电晕放电2.4 不均匀电场气隙的击穿2.5 雷电放电2.6 气隙的沿面放电2.1 气体中带电质点的产生和消失1、气体中带电质点的产生： 纯净中性气体不导电，只有

14、气体中出现带电质点后才能导电，并在电场作用下发展成放电现象。 基本概念：玻尔理论：原子周围的电子按规律跃迁时，轨道越远，电子能量越大。激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，这个过程叫激励。激励能：激励所需能量叫激励能 ，其值等于两轨道能级之差。电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨道成为自由电子。原来的中性原子变成一个自由电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能 。反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色光（有能量的光子）的过程称为反激励。电离电位和激励电位：一般用电离电位 和激励电位 来表示电离能和激励能。 撞击电离：概念

15、：通过撞击，给予气体质点以足够的能量，使气体质点发生的电离。能量要求： 中性质点：第一电离能。 已被激励的质点：小于第一电离能。 负离子：大于第一电离能。撞击能量： 动能 势能中性质点为零；正离子为正；负离子为负。平均自由程：一个质点两次碰撞之间的平均距离。其与密度呈反比。撞击过程不是简单的机械过程： 速度动能 电离概率 速度撞击作用时间 电离概率不存在电场时，温度足够高，才能发生撞击电离。存在电场时，电子是撞击电离的主要因素。 光电离：概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生的电离。条件：光子能量不小于气体的电离能。光电子：由光电离产生的自由电子。光的来源： 气体本身的反激励或复合释

16、放出的光子。 紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光电离（先激励、再电离）的方式也可实现电离。 外界自然光（紫外射线、伦琴射线、 射线、宇宙射 线等高能射线） 热电离：概念：由气体的热状态造成的电离称为热电离。气体分子运动理论说明：气体的温度是其分子平均动能的度量。特点：热电离不是一种独立的电离形式，而是包含着撞击电离和光电离，只是其电离能量来源于气体分子本身的热能。电离机理： 温度分子平均动能 撞击电离 温度热辐射出的光子数量 光电离 表面电离：概念：由金属表面逸出电子的电离形式。逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。电离形式： 二次发射：用有足够能量的质点撞击金属表面。 光电子

17、发射：用短波光照射金属表面。 热电子发射：加热金属电极。 强场发射：在电极附近加强电场从电极拉出电子。 负离子：形成：电子与中性气体分子（原子）碰撞，不但没电离出新电子，电子反而被分子吸附形成了负离子。亲和能：一个中性分子（原子）与一个电子结合生成一价负离子所放出的能量。作用：由于离子的电离能力比电子小很多，所以负离子的形成，对气体放电的发展起阻抑作用。 带电质点的产生：电离形式：撞击电离、光电离、热电离、表面电离。带电质点产生形式：四种电离形式、负离子。2、气体中带电质点的消失： 气体中带电质点消失的方式有三种：中和、扩散、复合。 中和： 带电质点在电场力作用下，宏观上沿电场作定向运动。带电

18、质点受电场力作用而流入电极，中和电量。 由于电子质量和直径比离子小很多，加速情况和碰撞情况也大不相同，电子迁移率比离子大两个数量级。 扩散： 扩散指质点从浓度较大的区域扩散到浓度较小的区域，从而使带电质点在空间各处浓度趋于平均的过程。 扩散是由杂乱的热运动造成的，与电场力无关，电子扩散速度比离子快。 复合： 带有异号电荷质点相遇，还原为中性质点的过程称为复合。 复合时，电离吸收的能量以光子形式放出。复合由电场力作用，电子快，所以复合几率小，总是先变成负离子再复合。1、概述： 电子崩： 当外加电场强度足够大时，带电粒子两次碰撞间积聚的动能足够发生碰撞电离。电离出来的电子和离子在 场强作用下又加入

19、新的撞击电离，电离过程像雪崩一样增长起来，称为电子崩。2.2 气体放电机理 非自持放电： 当场强较小时，电子崩有赖于外界因素，外界因素消失，电子崩也消失。 自持放电： 当外加场强足够大时，电子崩不依赖外界因素，外界因素消失后，电子崩仍能够保持。 自持放电与非自持放电的区别在于外加电场强度的大小，二者场强的分界点称为临界场强 。相应的电压称为临界电压 。它称为自持放电的条件。 临界场强 ： 放电形式： 均匀电场： 不均匀电场：一处自持放电，整个气隙击穿。击穿电压等于临界电压。场强较小时，局部强场处产生电晕放电。提高场强气隙间隙小：产生火花击穿。气隙间隙大：产生刷形放电。继续提高场强，放电抵达对面

20、电极，产生电弧击穿。2、汤森德气体放电理论： 三个因素（系数）：系数 ：1 个自由电子在走到阳极的1cm路程中撞击电离产生的平均自由电子。系数 ：1 个正离子在走到阴极的1cm路程中撞击电离产生的平均自由电子。系数 ：1 个正离子撞击阴极表面，逸出的平均自由电子数。 该理论对均匀电场和气隙 （ 为气隙密度、 为极间距离）较小的情况比较适用。 三个过程：过程：过程：过程：路程上撞击电离出 个正离子。可以忽略不计。个正离子撞击阴极，电离出 个电子。自持放电的条件：电极距离 ，初始自由电子数 为1，位置为阴极附近。 帕邢曲线：气隙击穿电压与气隙密度极间距离的关系。 平均自由程 碰撞次数过大过小不变不

21、变 欲保证 E 的大小 碰撞次数过大过小 汤森德气体放电理论的不足：理论无法解释的试验现象：放电路径为曲折细通道，形式为间歇、分段发展的；击穿电压与阴极材料几乎无关；放电时间比理论计算时间短。原因：电子崩造成的大量空间电荷导致电场畸变；电离加剧导致光子数量剧增，空间光电离加剧； 过大，带电质点不易扩散，屏蔽限制了放电通道； 过大，射到阴极光子减少，削弱了 作用；汤氏理论的条件：均匀电场、 不大（ ）3、流注放电理论（较均匀电场）： 空间电荷浓度： 自由电子移动速度快，一起向阳极移动，浓度大； 正离子移动速度慢，缓慢向阴极移动，浓度小。 合成电场畸变： 崩头前面的电场则被强烈加强； 崩尾电场也被

22、加强了； 崩内正负空间电荷混杂处的电场被大大减弱。 流注的形成：电子崩头部接近阳极；崩头和崩尾处电场增强，激励和反激励放射出大量光子；崩中复合也放射出光子；一些光子射到崩尾，造成空间光电离，形成衍生（二次）电子崩；衍生电子崩头部移动速度快，与主崩汇合；新的衍生电子崩在崩尾出现，一个一个向阴极发展，形成正流注。 气隙的击穿：流注通道发展到阴极；该区域发生强烈电离，带电离子的碰撞和移动大大提升了通道的温度，导致热电离；整个流注通道转化为火花通道，气隙的击穿完成。 负流注的发展速度比正流注慢。 概念：由初崩辐射出的光子，在崩头、崩尾外围空间局部强场中衍生出二次电子崩并汇合到主崩通道中来，使主崩通道不

23、断高速向前、后延伸的过程称为流注。 均匀电场形成流注就能自持发展，直至击穿。 流注理论条件： 形成流注需要电子崩头处电荷达到一定数量，才能形成必要的局部强场和足够的光电离。一般认为当满足 时，可以应用流注机理来分析气隙的放电。2.3 电晕放电1、概述：电晕：在极不均匀的电场中，当外加电压及平均场强还较低时，电极曲率半径较小处，附近空间的局部场强已很大。在这局部强场处，产生强烈的电离，伴随着电离而存在复合和反激励，辐射出大量光子，使在黑暗中可以看到在该电极附近空间有蓝色的晕光，称为电晕。 电晕层：这个晕光层叫作电晕层或起晕层。外围区间：电晕层外，场强已较弱，不发生撞击电离。电晕产生条件：极间距离

24、对起晕电极表面最小曲率半径的比值大于一定值。电晕特性： 电晕放电是极不均匀电场中的一种自持放电形式； 电晕放电不能扩展很大，只能局限于电极附近； 电晕放电有明显的极性效应。电晕放电的形式：外压低：电晕放电弱，均匀稳定，电子崩性质放电。 外压高：电晕放电强，不均匀不稳定，为流注性质 的放电。2、电晕放电的物理过程和效应： 物理过程（尖板试验）： 负电晕（尖极为负极性）：区外速度减慢形成负离子电晕区场强减弱、电离停止负离子向外扩散电场重新加强、电离再次发生尖极强场电离正离子缓慢向尖极运动电子驱逐出电离区负电晕呈现有规律的重复脉冲。 正电晕（尖极为正极性）： 正离子移动速度慢脉冲不规律 电晕的效应：

25、有声、光、热等效应，表现为发出“咝咝”的声音，蓝色的晕光以及使周围气体温度升高等。产生人可听到的噪声，对人生理、心理产生影响。形成“电风”导致电力设备的振动和摆动。产生高频脉冲电流，对无线电干扰。产生能量损耗。产生某些化学反应，加速绝缘老化。2.4 不均匀电场气隙的击穿1、短间隙的击穿（火花击穿）：正流注，发展连续，需要的击穿电压小。棒极为正：棒极为负：负流注，阶段式发展，需要的击穿电压大。击穿：当整个间隙充满正负离子时，在电源电压的作用下，通道的温度和电导剧增，并完全失去绝缘性能，此时气隙击穿。2、长间隙的击穿（电弧击穿）： 先导过程： 长短间隙击穿的区别：长间隙：炽热的导电通道在放电过程中

26、建立，需要的平均场强小。短间隙：炽热的导电通道在放电过程后建立，需要的平均场强大。电子崩流注大密度电流热电离棒极强场炽热的等离子通道（先导通道）近似的棒极前伸 迎面先导：特点：负先导必有迎面先导；正先导对面有突出，才有迎面先导。原因：正先导更容易产生；负先导头部的场强更高。 主放电过程：先导头部接近对面电极时，发生剧烈电离；与下电极异号电荷流入下电极进行中和，与下电极同号电荷流入先导通道进行中和；此过程沿先导通道扩展至棒极，称为主放电过程。作用：将先导通道改造成高温、大电导、轴向场强小的等离子体火花通道，使气隙被电弧击穿而导通。3、长间隙的预放电（刷形放电）： 当气隙距离较长时，即使所加电压尚

27、不足以将整个气隙击穿，也会从曲率半径较小的电极出发，向气隙深处突发具有先导性质的火花放电。当电压进一步升高时，火花通道伸展得更长，光色变白，更明亮，并发出尖锐得爆破声，形成刷形放电。此类放电不能将整个气隙击穿，称为预放电。2.5 雷电放电1、概述： 形式： 雷云对大地；雷云内部；雷云对雷云。 极性： 过程： 破坏因素： 最大电流；电流增长最大陡度；余光电流热效应。 防护措施：90以上为负极性雷。先导放电、主放电、余光放电。避雷针。2、雷电的先导放电过程： 概念： 组成： 先导通道、先导头部、流注区。 特点： 先导通道高温高电导部分的直径为毫米级； 先导通道外围电离区（电离套）直径大； 一般有迎

28、面先导。高电导、高温、高电位的先导通道形成的过程。3、雷电的主放电过程： 概念： 雷电的主放电过程具有巨大的雷响、突发的明亮、大幅的冲击电流，起到了雷电的最大破坏作用。 过程： 剧烈电离； 剧烈中和； 主放电通道向上延伸； 径向放电：电晕套负电荷产生反向场强及反向电晕流注放电。4、雷电的余光放电： 主放电完成后，云中的剩余电荷沿原来的主放电通道继续流入大地，在照片上看到的是一片模糊发光的部分，成为余光放电。5、雷电的后续分量： 形成： 雷云与临近雷云间在放电后电位差急剧增大，二者间放电，并由原通道对地发展。 特点： 连续前进，幅值小、陡度大。2.6 气隙的沿面放电气隙沿面放电：沿气体与固体（或

29、液体）介质的分界面发展的放电现象。闪络：沿面放电发展到贯穿两极，使整个气隙沿面击穿的现象。第3章 气隙的电气强度3.1 气隙的击穿时间3.2 气隙的伏秒特性3.3 大气条件对气隙击穿电压的影响3.4 电场均匀程度对气隙击穿电压的影响3.6 提高气隙击穿电压的方法3.7 影响气隙沿面闪络电压的因素3.1 气隙的击穿时间静态击穿电压 ：长时间作用在气隙上能使气隙击穿的最低电压。击穿时间 ：从开始加压的瞬间起到气隙完全击穿为止的总的时间。放电时延 ：从 至完全击穿。统计时延 ：从 至形成第一个有效电子。升压时间 ：升压至静态击穿电压。击穿时间 ：升压至完全击穿。放电发展时间 ：形成第一个有效电子至完

30、全击穿。放电时延升压时间统计时延放电发展时间有效电子：该电子能发展一系列电离过程，最终导致气隙的击穿。产生的电子不一定都有效： 电子被俘获形成负离子，失去电离的活力； 扩散到主间隙外，不能参加电离过程； 由于其它原因，电离中途停止。 电极材料； 外施电压：电压越高，统计时延越小； 电场情况：局部电场越强，统计时延越小； 短波光照射。影响统计时延 的因素： 外施电压：电压越高，放电发展时间越小； 电场情况：电场越均匀，放电发展时间越小； 间隙长度：间隙距离越长，放电发展时间越大。影响放电发展时间 的因素：3.2 气隙的伏秒特性1、电压波形： 直流电压：由交流整流而来，有一定脉动。脉动幅值最大值最

31、小值脉动幅值纹波系数平均值波形参数： 工频交流电压： 近似为正弦波，正负两半波相同。峰值有效值幅值：波形参数：频率： 4565 Hz 范围内。视在半峰值时间视在波前时间 雷电冲击电压： 雷电冲击全波电压：峰值允差波形参数：雷电冲击截波电压：截断时间截断时刻电压电压过零系数截波峰值视在波前时间波形参数： 操作冲击电压：长波前、长波尾波前时间半峰值时间峰值允差波形参数：2、伏秒特性： 概念： 气隙的击穿电压要用电压峰值和延续时间二者共同表示，这就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性。 求取方法： U 低时，在波尾的击穿，得到点“1” ； U 升高，在波峰击穿，得到点“2” ； U 继续升高，尚未到达波

32、峰时击穿，得到点“3” 。 平均伏秒特性： 同一气隙在同一电压作用下，每次击穿的时间并不完全相同，具有分散性。所以一个气隙的伏秒特性，不是一条简单的曲线，而是一组曲线族。区域下包线的击穿概率为0，区域上包线的击穿概率为100。某些场合，用击穿概率为50的曲线来表示气隙的伏秒特性，称为平均伏秒特性。 伏秒特性的应用： 一个电压同时作用在两个并联气隙上。 若 全面位于 下，则 先被击穿，其电压被短接， 就不会被击穿。因此 可靠地保护了 。 若 与 有交叉，则 交叉以左， 先被击穿；交叉以右， 先被击穿。气隙间不能可靠保护。 工程常用术语50%击穿电压：指气隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值，反映

33、了该气隙地基本耐电强度。 冲击击穿电压：气隙击穿时，击穿前时间小于和大于 的概率各为50%的冲击电压。这也就是50%曲线与 时间标尺相交点的电压值。3.3 大气条件对气隙击穿电压的影响1、标准参考大气条件：温度： 压强： 湿度：2、影响因素：温度压强Ub湿度负离子Ub密度3.4 电场均匀程度对气隙击穿电压的影响1、均匀电场：典型结构：板板电极。特点： 气隙击穿电压与电压极性无关； 气隙击穿电压 = 起始放电电压。2、稍不均匀电场：典型结构： 球球、球板、圆柱板、两同轴圆筒、两平行圆柱、两垂直圆柱等。特点： 极性效应不明显； 击穿电压分散性不大； 击穿电压与电场均匀度有关：越均匀，Ub越大； 无

34、稳定的电晕放电。3、极不均匀电场：典型结构： 棒棒、尖尖、棒板、尖板等。特点： 有显著的极性效应； 击穿电压分散性大； 击穿电压与间隙距离有关； 外加电压低于击穿电压时局部有稳定的电晕放电。3.6 提高气隙击穿电压的方法1、提高气隙击穿电压的方法： 改善电场分布： 气隙电场分布越均匀，气隙击穿电压越高。故适当改进电极形状，增大电极曲率半径（屏蔽），改善电场分布，就能提高气隙的击穿电压和预放电电压。 采用高度真空： 高度真空，削弱气隙中的撞击电离过程，也能提高气隙的击穿电压。其理论至今仍不够清楚。 增高气压： 可以减小电子的平均自由程，阻碍撞击电离的发展，从而提高气隙的击穿电压。 采用高耐电强度

35、气体： 卤族元素气体（SF6 等）广泛应用于电力设备中。2、 SF6 气体的优点： 较高的耐电强度； 很强的灭弧性能； 无色、无味、无毒、非燃性的惰性化合物； 对金属和其他绝缘材料没有腐蚀作用； 中等压力下可以液化，容易储藏和运输。3.7 影响气隙沿面闪络电压的因素1、电场状况和电压波形的影响。2、气体条件的影响。3、介质表面状态的影响：表面粗糙度：常压下的一般气体中，表面粗糙度对闪络电压影响不大，但在高压的SF6中影响比较显著。雨水：雨水在介质表面形成连续的导电层，导致泄漏电流增大。污秽：在雾、毛毛雨、露、雪等天气条件下，污秽附着在介质表面，会使沿面闪络电压降低很多。第4章 固体、液体的电气

36、强度4.1 固体电介质击穿的机理4.2 影响固体电介质击穿电压的因素4.3 提高固体电介质击穿电压的方法4.4 固体电介质的老化4.5 液体电介质击穿的机理4.6 影响液体电介质击穿电压的因素4.7 提高液体电介质击穿电压的方法4.9 液体电介质的老化4.1 固体电介质击穿的机理1、电击穿： 由电场的作用使介质中的某些带电质点积累的数量和运动的速度达到一定程度，使介质失去了绝缘性能，形成导电通道。（类似于气体击穿）2、热击穿： 由电场作用下，介质内的损耗发出的热量多于散逸的热量，使介质温度不断上升，最终造成介质本身的破坏，形成导电通道。3、实验曲线：A区：击穿前时间仅为几微秒，时间短，只能发生

37、电击穿；B区：击穿电压几乎不变，与时间的积累无关，显然没有热的作用，也为电击穿；C区：随着击穿前时间的增长，击穿电压显著下降，说明热击穿在此区域发挥了作用。4.2 影响固体电介质击穿电压的因素1、电压作用时间的影响： 存在临界点，即热击穿和电击穿的分界点。2、电场均匀度和介质厚度的影响：不均匀电场：均匀电场电击穿：热击穿：与厚度无关。厚度击穿场强厚度击穿场强3、电压频率的影响：电击穿：Ub 与 f 无关。热击穿：4、温度的影响：也存在临界点。 时， 与 无关，属于电击穿性质。 时， 随 的升高迅速下降，属于热击穿性质。5、受潮度的影响： 对于某些具有吸水性的固体介质来说，含水量增大时，击穿电压

38、迅速下降。6、机械力的影响：均匀固体在弹性限度内：击穿电压与机械力无关。固体有孔隙：击穿电压固体有裂缝：机械力击穿电压7、多层性的影响：需要注意各层介质电特性的适当配合。8、累积效应的影响： 在不均匀电场中，固体介质在脉冲电压作用下，存在不完全击穿的现象。不完全击穿具有累积效应，即击穿电压随不完全击穿次数的增加而降低。机械力4.3 提高固体电介质击穿电压的方法1、改进绝缘设计： 改善电极形状及表面光洁度，使电场尽可能地均匀分布；改善电极与绝缘体的接触条件；采用合理的绝缘结构，使各部分耐电强度与承担的场强有合理的配合。2、改进制造工艺： 尽可能地清除介质中地杂质、气泡、水分等。3、改善运行条件：

39、 注意防潮、防止尘污和有害气体地侵蚀。4.4 固体电介质的老化老化：电气设备中的绝缘材料在运行过程中，由于受到各种因素的长期作用，会发生一系列不可逆的变化，从而导致其物理、化学、电和机械等性能的劣化。这种不可逆的变化称为老化。促进老化的因素：电老化；热老化；环境老化。1、环境老化： 也称大气老化，包括光氧老化（最主要）、臭氧老化、盐雾酸碱等污染性化学老化。缓解的主要方法是改善绝缘材料本身的性能，包括抗氧化剂和防护腊。2、固体介质的电老化： 固体介质在电场长时间作用下，会逐渐发生某些物理、化学变化，形成与介质本身不同的新物质，使介质的物理化学性能发生劣化，最终导致介质被击穿。此过程叫固体介质的电

40、老化。电离性老化：电导性老化：电解性老化：也称“电树枝”，指在交流电作用下，气隙（泡）的电离、电晕等现象。也称“水树枝”，指在交流电作用下，由于液体的导电物质引起的老化现象。直流电压长期作用下，即使 ，由于电化学过程也会导致的老化现象。3、固体介质的热老化： 特征： 变脆、龟裂，变软、发黏。 影响因素： 固体绝缘材料的运行温度、热作用时间。 耐热等级： 绝缘能够持续地在此温度下工作，尚能确保一定地工作寿命。级别YAEBFHC90105120130155180220 10（8、6）度规则： 工作温度提高10（8、6）度，绝缘寿命缩短一半。 重要性： 对正常的电气设备来说，严重的电老化是不允许存在

41、的，而环境老化通常是很缓慢的。因此，设备绝缘的寿命主要由热老化来决定。4.5 液体电介质击穿的机理液体电介质分类： 矿物油：变压器油、电容器油、电缆油和开关油等。 合成油：目前仅供浸渍电容器用。矿物油的击穿机理分为纯净油和工程用油两种。1、纯净油： 纯净油的击穿机理与气体介质类似。由于液体的密度远大于气体，平均自由程很小，故不易被击穿。 纯净油的击穿完全由电的作用造成，属于电击穿的性质。2、工程用油（“小桥”理论）：存在杂质：不纯、接触大气、固体脱落、液体老化。形成“小桥”：在电场作用下这些杂质被拉长，被定向，沿电场方向排列成杂质的“小桥”。形成气泡：如“小桥”贯穿两极，由于组成“小桥”的杂质

42、的电导较大，使泄露电流增大，发热增多，促使水分汽化，形成气泡。气泡中发生电离：气泡中的场强大，但其耐电强度小，故电离过程首先发生在气泡中。击穿：“小桥”中气泡的增多，将导致“小桥”通道被电离击穿。这种击穿属于热击穿性质。4.6 影响液体电介质击穿电压的因素1、电压作用时间： 油间隙的击穿电压与作用时间的关系与固体介质相类似。电压作用时间很短时，具有纯电击穿的性质；当作用时间较长时，则将发生热击穿过程。2、电场情况的影响：工频电压电场均匀：油的品质对 的影响大。电场不均匀：不易形成“小桥”，故油的品质对 的影响不大。冲击电压：不易形成“小桥”，油品质对 影响不大。3、液体介质本身品质的影响： 较

43、均匀电场，持续电压作用下，介质本身品质对击穿电压影响较大。通常采用标准试油器（电极：圆盘、圆球、球盘）来衡量油的品质。4、温度的影响： 温度对液体电介质击穿电压的影响十分复杂。5、压强的影响：工频电压：压强油中气体 击穿电压冲击电压：无影响。4.7 提高液体电介质击穿电压的方法1、提高并保持油的品质： 压力过滤法（滤纸）；真空喷雾法（挥发水）；吸附剂法。2、覆盖（薄）： 紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层，阻止“小桥”与电极接触。3、绝缘层（厚）： 像加厚了的覆盖，包在较小曲率半径的电极上，改变电场，防止发生电晕。4、极间障（屏障、隔板）： 放在电极间油隙中的固体绝缘板，机械阻隔杂质“小桥”成串。

44、4.9 液体电介质的老化1、变压器油的老化过程： 特征： 颜色逐渐深暗，从透明变为混浊。黏度增大，闪燃点增高，灰色和水分增多。酸价增加。绝缘性能变坏，表现在电阻率下降，介质损耗角增大，击穿电压降低。产生沉淀物。 变压器油老化的主要原因是油的氧化。2、影响变压器油老化的因素： 温度、光照、电场、触媒。3、延缓变压器油老化的方法： 油扩张器：加装油枕，减小油与空气的接触面。 隔离胶囊：油枕中加装空心薄膜胶囊，浮在油面上。 与强触媒物质隔离：铜线镀锡。 掺入抗氧化剂：提高油的安定性。4、变压器油的再生：酸碱白土法：酸生成酸渣，碱与酸中和，清水洗涤，白土吸附。氢化法：特殊触媒下，用氢使油中氧还原成水。

45、气体、液体、固体击穿电压的影响因素和提高方法气体影响因素电场均匀程度大气条件提高方法改善电场分布采用高度真空增高气压采用SF6气体液体影响因素电压作用时间电场情况液体品质温度压强提高方法绝缘层（厚）提高并保持油的品质覆盖（薄）极间障固体影响因素电压作用时间电场均匀度电压频率温度受潮度机械力多层性和累积效应提高方法改进绝缘设计改善运行条件改进制造工艺第5章 电气设备绝缘试验（一）5.1 测定绝缘电阻5.2 测定泄漏电流5.3 测定介质损耗因数5.4 局部放电的测试5.5 绝缘油中溶解气体的色谱分析1、电气设备绝缘试验的必要性：为保证电气设备乃至整个电力系统的安全可靠运行，必须恰当的选择各种电气设

46、备的绝缘。但由于种种原因，绝缘仍然是电力系统中的薄弱环节，绝缘故障通常是引发电力系统事故的首要原因。电介质理论仍远未完善，各种绝缘材料和绝缘结构的电气性能还不能仅依靠理论分析计算来解决问题，而必须同时借助于各种绝缘试验来检验和掌握绝缘的状态和性能，各种试验结果也往往成为绝缘设计的依据和基础。2、电气设备绝缘试验的种类：耐压试验（破坏性试验）：模仿设备绝缘在运行中可能受到的各种电压，对绝缘施加与之等价的或更为严峻的电压，从而考验绝缘耐受这类电压的能力。试验过程有可能给被试绝缘带来不可逆转的局部损伤或整体损坏。检查性试验（非破坏性试验）：测定绝缘某些方向的特性，并据此间接地判断绝缘的状况。电压低，

47、一般不会导致绝缘的击穿损坏。3、两类试验的关系：各种检查性试验的结果与电介质的击穿电压之间尚未找到确切的定量关系，不能据此直接得出设备的击穿电压，因而耐压试验仍然是决定性的不可替代的。耐压试验只能在绝缘缺陷较严重时以击穿的形式揭示出来，并不能揭示绝缘缺陷的性质。而检查性试验却能在一定程度上以非破坏的形式揭示绝缘缺陷的不同性质及其发展程度，使我们防患于未然。两类试验互为补充，而不能相互代替。4、试验的顺序： 先做检查性试验，再确定耐压试验的时间和条件。5.1 测定绝缘电阻绝缘电阻是反映绝缘性能的最基本的指标之一。1、测量工具：兆欧表（测量绝缘电阻的专用仪表） 。2、测量电源：直流电压（由兆欧表提

48、供）。3、兆欧表的电压： 100、250、500、1000、2500、5000V诸等级。电气设备的电压水平越高，要求兆欧表的电压等级越高。4、兆欧表的结构： 手摇式、晶体管式和数字式兆欧表。兆欧表屏蔽环5、试验接线：线路端子 ：接被试品的高压导线。屏蔽端子 ：接被试品的屏蔽环。接地端子 ：接被试品外壳或地。6、吸收比和极化指数： 如绝缘良好，则 和 会比较大，这样不仅最后的稳定值较高，而且稳定过程也会较长；如绝缘受潮，则不仅绝缘电阻的稳定值小，且稳定时间也很短。因此，一般用绝缘电阻随时间变化的关系来反映绝缘的状况。吸收比：时间为 60s 与 15s 时所测得的绝缘电阻之比。绝缘良好，则 ，C

49、一般 1.31.5。 对于大容量的设备，如发电机、变压器等其绝缘的极化和吸收过程很长，吸收比还不能充分反映吸收过程的整体。极化指数：绝缘在加压后10min和1min所测得的绝缘电阻之比。绝缘良好，则 ，C 一般 1.52.0。7、测绝缘电阻能有效地发现的缺陷： 总体绝缘质量欠佳； 绝缘受潮； 两极间有贯穿性的导电通道； 绝缘表面情况不良（比较有无屏蔽极的测量结果）。8、不能有效地发现的缺陷： 绝缘中的局部缺陷； 绝缘老化（老化后绝缘电阻仍很高）。9、测绝缘电阻时应注意事项：试验前应将被试品接地放电一定时间；高压测试连接线应尽量保持架空；对带有绕组的被试品，应先将被测绕组首尾短接，再接到 L 端

50、子；非被测绕组也应先首尾短接；测吸收比和极化指数时，应待电源电压达稳定后再接入被试品，并开始计时；测试结束时，应先断开 L 端子与被试品的连线，以防被试品对兆欧表反向放电，损坏仪表；绝缘电阻与温度有十分显著的关系，所以测量绝缘电阻时应准确记录当时绝缘的温度。5.2 测定泄漏电流 实际上也是测量绝缘电阻，但其有其自身优越性，是反映绝缘性能的基本指标之一。 1、测量工具：微安表。2、测量电源： 输出电压：较高直流电压，整流而来，可连续调节。 被试品被击穿时，电源有自我保护，不受损坏。 输出电流：常温下 ，运行温度下 。3、试验接线：微安表：当试品不接地时，测量仪表处较安全。调压器被测电介质交流电压

51、表试验变压器、 、 整流单元直流电压表当试品有接地点时，微安表处于高压侧，注意安全。4、微安表电路图：电感 ：突然短路时，放电管来不及动作时，限制微安表的冲击电流。电阻 ：与微安表串连、分压，使微安表满值时放电管能动作。放电管 ：过电流时，放电管放电，短路，从而保护微安表。滤波电容 ：降低微安表电流陡度，保证放电管动作。开关 ：一般情况下闭合，打开时微安表读数。5、特点：试验电压高，且可任意调节，能揭示兆欧表不能发现的某些绝缘缺陷。所加直流电压是逐渐升高的，在升压过程中，从所测电流、电压的关系线性度上，可分析绝缘情况。兆欧表刻度非线性度很强，难以精确读数；微安表的刻度基本上是线性的，能精确读数

52、。泄漏电流试验复杂，而兆欧表小巧轻便，使用方便。A区线性关系 绝缘良好B区非线性关系 绝缘有缺陷5.3 测定介质损耗因数 表征绝缘在交流电压作用下比损耗（介损角正切）大小的特征参数，它与绝缘体的形状和尺寸无关，是绝缘性能的基本指标之一。2、测量电源：交流高压。3、测量方法： 测量方法有电桥法、瓦特表法、不平衡电桥法等。其中电桥法准确度为最高，最通用的是西林电桥。1、介质损耗因数 ：4、测试电路：当电桥平衡时：若 单位为 ，则在数值上， 。展开使两边实、虚部分别相等。5、影响电桥准确度的因素：试验高压电源对桥体杂散电容的影响；外界高压电场干扰源通过杂散电容对电桥的影响；外界磁场在桥路中感应出干扰

53、电势的影响。外界电场干扰源6、试验能发现的绝缘缺陷： 受潮； 穿透性导电通道； 绝缘老化劣化，绕组上附积油泥； 绝缘内含气泡的电离、绝缘分层、脱壳； 绝缘油脏污、劣化。7、试验不能发现的绝缘缺陷： 非穿透性的局部损坏； 很小部分绝缘的老化劣化； 个别的绝缘弱点。 尽可能分部测试，因为 不易反映局部缺陷。8、试验时应注意的事项： 护环和屏蔽的布置方式对测量结果影响很大。 测量绕组时应注意，将每个绕组的首尾都短接。 测量电压，最好接近于被试品的正常工作电压。 温度会影响测量结果，通常以20时作为参考标准。5.4 局部放电的测试1、局部放电： 常用的固体绝缘物总会不同程度的包含一些分散性的异物，这些

54、异物的电导和介电常数不同于绝缘物，在外施电压作用下，这些异物附近将具有比周围更高的场强。当场强超过了该处物质的电离场强，该处物质就产生电离放电，称之为局部放电。2、意义： 局部放电的测试，能预防绝缘的情况，也是估计绝缘电老化速度的重要依据。3、衡量参数（视在电荷量）：电极板上的被中和电荷量 ， 称为视在电荷量，以pC计，作为局部放电的衡量参数。极板上电荷未来得及变化，因此电压减小一微量 。气泡放电，电容值增大。4、测试方法：脉冲电流法：局部放电时，将被试品两端的电压突变转化为检测回路中的脉冲电流的测量方法。 串联法：检测用阻抗信号放大器测试仪器（常用示波器）被检测设备此方法将被检测设备 与检测

55、用阻抗 串联。给局放脉冲提供通道低通滤波器阻断局放脉冲 并联法：此方法将测量阻抗 与耦合电容 串联后，并联到被测品 两端。并联法的优点： 允许被试品一端接地； 对 较大的被试品，避免较大的工频电流通过 ； 如果 被击穿，不会危及人身和测试系统。 平衡法： 串联法和并联法的抗干扰性能较差，可采用电桥平衡原理来检测。 与 的大小要相近，二者的 也比较接近，这样外部的干扰源在两个桥臂上产生的干扰可以相抵消。 要求 与 各方面很接近，并且 发生局部放电时 不会发生同样的放电，因此 较难找到。5.5 绝缘油中溶解气体的色谱分析 浸绝缘油的气体设备中，如果存在局部过热、局部放电或其它内部故障时，会产生较大

56、量的各种烃类气体和 、 、 等气体，称为故障特征气体。因此，分析油中溶解气体的成分、含量及其随时间而增长的规律，就可以鉴别故障的性质、程度及其发展情况。试验步骤：将油中溶解的气体脱出；送入气相色谱仪；对不同气体进行分离和定量。第6章 电气设备绝缘试验（二）6.1 工频高压试验6.2 直流高压试验6.3 冲击高压试验6.1 工频高压试验1、工频高压的获得： 工频高压试验变压器的结构： 单套管式：高压侧引出，低压侧接地； 双套管式：中点接地，两端分别引出； 绝缘筒式：与双套管式类似，适用于户内使用。 额定电压等级： 5、10、50、100、150、250、300、500、750 （kv） 超过75

57、0kv时，制造困难，常用几个变压器串联。工频高压试验变压器 工频高压试验变压器的特点：一般为单相，需要时将三个单相合接成三相变压器；额定电压安全裕度较小（不受大气过电压、操作过电压的影响），工作电压一般不允许超过额定值；通常为间歇工作方式，工作时间短，不用加强的冷却系统；一二次绕组电压变比高，绝缘间距大，漏抗大；要求较好的输出电压波形，故采用优质铁心，较低的磁通密度；要求变压器局部放电电压足够高（进行局放试验）。 串级试验变压器原理：设每台变压器： ， ， 。低压绕组电压： 串级试验变压器原理：高压绕组中点 P 接壳。高压绕组电压： 串级试验变压器原理：绕组的功率： 串级试验变压器原理：总设备

58、功率：总输出功率：装备功率利用率： 工频高压试验变压器的常用调压方式：自耦变压器：体积小、质量轻、短路阻抗小、功耗小、波形畸变少（单相功率 UJ，V2导通，电源与C1一起对负载供电 并同时对C2充电，因此UJ上升。t2t3：UB 90雷暴日40雷暴日0.2Rch+0.1h 一般5m Sd0.3Rch 一般3mL0=1.55H/m; h高处 L=1.55hH空气与土壤的平均击穿场强：E500kV/m和300kV/m2、设计步骤：根据避免反击的要求，决定避雷针的安装位置，这样就决定了避雷针和被保护设备的水平距离。根据已决定的水平距离和被保护设备的高度，计算避雷针的高度，验算保护范围，使设备处于保护

59、范围之内。3、避雷针（线）的安装细则：110kV及以上的变电所，可以将避雷针架设在配电装置的构架上（绝缘好，不易发生反击）。35kV及以下的变电所需要架设独立避雷针。变压器构架上不允许装设避雷针（绝缘弱，设备重要）。发电厂厂房一般不装设避雷针。110kV及以上的变电所，线路终端杆塔上的避雷线允许与变电所构架相连。35kV及以下的变电所不允许相连。10.2 变电所内阀型避雷器的保护作用 变电所内必须装设避雷器以限制雷电波入侵时的过电压。1、避雷器的安装原则：合理确定接线方式（优化设计） ；正确选择避雷器的形式、参数；经济性（节省设备）。2、避雷器的安装位置：避雷器一般安装在母线上，若一组避雷器不

60、能满足要求，则应考虑增设。在任何运行方式下，变电所的变压器和各设备距离避雷器的电气距离皆应小于最大允许电气距离 lm 。避雷器5kA下的残压雷电波的波速雷电波的陡度设备多次截波耐压值设备与避雷器间距离修正系数3、变电所的防雷性能通常用危险波曲线来说明。 有雷害区入侵波的幅值入侵波的陡度 无雷害区10.3 变电所的进线段保护1、进线段保护： 对35110kV无避雷线的线路，在靠近变电所的一段进线上必须架设避雷线，这段进线称为进线保护段，其长度一般取13km。对于全线有避雷线的线路，将变电所附近2km长的一段进线列为进线保护段。2、进线段保护的要求： 进线段的保护角为20左右，尽量减少绕击机会；