高电压技术

高电压技术 High Voltage Technology

• 第一篇 电介质的电气强度
  • 第一章 气体放电的基本物理过程
  • 第二章 气体介质的电气强度
  • 第三章 液体和固体介质的电气特性
• 第二篇 电气设备绝缘试验
  • 第四章 电气设备绝缘预防性试验
  • 第五章 绝缘的高电压试验
• 第三篇 电力系统过电压与绝缘配合
  • 第六章 输电线路和绕组中的波过程
  • 第七章 雷电放电及防雷保护装置
  • 第八章 电力系统防雷保护
  • 第九章 内部过电压

绪论

1. 电力系统的构成：由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统。
   
2. 电力系统的所有问题基本上都是围绕这个特点展开的。——稳定性问题
3. 电力设备的运行可靠性是保证电力系统安全运行的关键，现代电力设备的可靠性在很大程度上取决于其绝缘的可靠性。
4. 线路事故跳闸原因汇总：倒杆塔、雷击、覆冰、输电线路舞动、污闪
5. 电力变压器故障类型：热故障、电故障、机械故障、绝缘性能故障
6. 换流变压器是接在换流桥与交流系统之间的电力变压器。阀侧绕组是指整流变压器的副边绕组，需要同时承受交、直流电压
7. 研究高电压技术，目的是为了解决电力系统中过电压与绝缘这一对矛盾。
   
8. 输出电压分类：
   • 交流输出电压：高压、超高压和特高压
     • 高压（HV）：通常指 35～220kV电压
     • 超高压（EHV）：通常指330kV及以上、1000kV以下的电压。
     • 特高压（UHV）：1000kV交流及以上、
   • 直流输出电压：高压和特高压
     • 高压（HVDC）：±600kV及以下
     • 特高压（UHVDC）：±600kV以上
9. 特高压电网的优点：
   • 提高输送容量
   • 缩短电气距离，提高稳定极限
   • 降低线路损耗
   • 减少工程投资
   • 提高单位走廊输电能力，节省走廊面积
   • 改善电网结构，降低短路电流
   • 加强联网能力

第一篇 电介质的电气强度

关键点

知识点

1. 电介质（dielectric）在电气设备中作为绝缘材料使用
2. 电介质的分类
   1. 按物质形态分：气体、液体、固体，其中气体最常见。
      重要：气体介质同其它介质相比，具有在击穿后完全的绝缘自恢复特性，故应用十分广泛。
   2. 按在电气设备中所处位置分：
      外绝缘：一般由气体介质（空气）和固体介质（绝缘子）联合构成。
      内绝缘：一般由固体介质和液体介质联合构成
3. 高电压技术主要研究内容之一就是电介质在电场作用下出现的各种电气现象及其机理。
   弱电场：极化、电导、介质损耗等。
   强电场：电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强，如：放电、闪络、击穿等。
   • 击穿：在电场的作用下电介质由绝缘状态突变为良导电状态的过程。
   • 放电：特指气体绝缘的击穿过程。
   • 闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象。
4. 电气设备中常用的气体介质：空气、压缩的高电气强度气体（如SF6等）在纯净的、中性状态下是具有极佳的绝缘特性。或者说，若气体中不存在带电粒子，气体是不导电的。只有气体中出现了带电粒子（电子、正离子、负离子）后，才可能在电场作用下因气体压力、电源功率、电极形状等因素的影响发展成各种形式的气体放电现象。

一 带电粒子的产生、运动和消失

1. 带电粒子的产生：原子的激励和电离
   。气体中带电粒子的产生形式可以分为空间电离和表面电离。

2. 气体电离的四种形式：光电离、热电离、碰撞电离、电极表面的电离
   

   • 光子来源：外界高能辐射线；气体放电本身
   • 电离度：气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m
     
   • 碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式，主要是由电子完成。提高外加电压，将使碰撞电离的概率和强度增大。
     
   • 光电离、热电离和碰撞电离均为空间电离，而电极表面电离为表面电离，它们均有利于电离过程。

3. 带电粒子在气体中的运动

（1）自由行程长度——运动引起的碰撞

(2) 带电粒子的迁移率——沿电场方向漂移

结论：电子更易加速，电子的迁移率远大于离子。

(3) 扩散——与粒子浓度有关

结论：电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度比离子快得多。

4. 带电粒子的消失
   带电粒子的消失可能有以下几种情况：

• 带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达电极时，消- 失于电极上而形成外电路中的电流；

• 带电粒子因扩散而逸出气体放电空间；

• 带电粒子的复合。复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合。 电子复合、离子复合

• 附着形成负离子，负离子的形成抑制气体放电的发展

5. 总结

二 均匀电场气体击穿的发展过程

1. 实验：匀电场中气体的伏安特性
   

• 起始电压 U0
  • 由非自持放电转入自持放电的电压
  • 如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电，而起始电压U0也就是间隙的击穿电压Ub
  • 如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，在小曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多。

2. 汤逊气体放电理论
   1. 过程
      1. 电子崩的形成
         气体放电的现象与发展规律与气体种类、气压大小、气隙中的电场形式、电源容量等一系列因素有关。
         但是，无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。气体中存在一定浓度的带电粒子。
      2. 电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩
      3. 电子崩的发展过程也称为 过程
         电子碰撞电离系数 一个电子沿着电场方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数平均值。
      4. 电子崩电流按指数规律随极间距离 d 而增大。一旦除去外界电离因素，放电就会停止，进入非自持放电阶段
      5. 仅有α过程不能维持放电的自持。
      6. 不是每次碰撞都引起电离，只有电子累积的动能大于分子电离能时，才产生电离
      7. 在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。应用:真空开关（断路器、变压器/换流变变压器用的有载调压开关）、GIS
   2. 过程
      
      1. 空间电离转换为表面电离 (>ω･* )ﾉ
      2. 正离子表面电离系数 ：一个正离子在电场作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面电离的电子数
      3. 放电由非自持转入自持的条件：
   3. 自持放电
      1. 当电压达到临界电压 时，气体中发生了强烈的电离，电流剧增，其中的电离只靠电场的作用执行维持，不再需要外电离因素。
      2. 放电由非自持转为自持时的电场强度成为起始场强，对应的电压称为起始电压。均匀电场中即为气隙的击穿场强和击穿电压。
      3. 物理意义: 一个电子从阴极到阳极途中因碰撞电离形成电子崩, 其中, 正离子数目为 , 这些正离子在阴极上造成的二次自由电子数为 ，如果它等于 1 ， 就意味着这个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。这时对应的外加电压成为放电起始电压。

3. 小结

• 电子碰撞电离是气体电离的主要原因；
• 正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件。
• 阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据 。

三 击穿电压和巴申定律

• 巴申定律：描述了气体的击穿电压 与 的关系曲线

• 巴申定律的实际意义

从试验曲线上可以看出，存在一个最小值，总有一个气压对碰撞电离最有利，此时击穿电压最小；

• 气压很小时，气体稀薄，虽然电子自由行程大，可以得到足够的动能，但碰撞总数小，所以击穿电压升高；
• 气压很大时，电子自由行程变小，得到动能减小，所以击穿电压升高；
• 故当极间距离d不变时提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压，这一结论已被工程广泛使用（如：压缩空气开关、真空开关等）

四 气体放电的流注理论

问题的提出

在高气压（101.3kPa或更高）、长间隙（pd≥200mmHg·cm（26.66kPa·cm））的情形，汤逊理论将不再适用。

以自然界的雷电现象为例，雷电发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的 过程和二次电子发射根本无关。

流注理论以实验和电子的碰撞电离为基础，考虑了高电压、长间隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电过程的影响，主要有以下两方面：
（1）空间电荷对原有电场的影响；
（2）空间光电离的作用

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（1）空间电荷畸变了外电场：大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场

电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变；电场增强后，电离过程强烈，有利于发生分子和离子的激励，当它们回到正常状态时，发射出光子。

崩头内部正负电荷区域，电场削弱，电子和正离子浓度大，有利于完成复合。强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离辐射源。

（2）二次电子崩（光电离）

电子崩走完整个间隙后，大密度的头部正离子空间电荷加强了后部的电场，并向周围放射出大量光子；

光子引起空间光电离，其中，电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在受到畸变而加强的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩。

（3）正流注的形成
二次电子崩向主电子崩汇合，其头部的电子主电子崩头部（电场强度较小）的正电荷区，且大多数形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，即正流注。

流注通道导电性很好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此，流注头部前方出现了很强的电场。

流注：大量的正、负离子构成的等离子体。

（4）正流注向阴极推进
流注头部的电离放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，延长了流注通道。

流注不断向阴极推进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快。

流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压。

（5）负流注：等离子体（流注）从阴极发展起来，并向阳极发展

当外加电压比气隙的最低击穿电压高出许多时，间隙中的强电场足可以引起光电离，从而产生二次电子崩，形成流注。（半道起二次电子崩）

（6）流注的主要特征

流注的特点是电离强度很大，传播速度很快（超过初崩发展速度10倍以上）。

出现流注后放电便获得独立继续发展的能力，而不再依赖外界电离因子的作用可见出现流注的条件也就是自持放电条件。

流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界值。根据均匀电场的自持放电条件，经实验研究得出的数值为 或 。也就是说，初崩头部的电子数要达到 时，放电才能转为自持，出现流注。

(7)流注理论对pd很大时放电现象的解释

流注理论能够说明汤逊理论无法解释的一系列高气压、长气隙下出现的放电现象：

（I）放电时间:
二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播，所以流注发展非常快。

（II）放电外形:
二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可能均匀，而且具有分支。

（III）阴极材料:
大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。

小结

汤逊气体放点理论的基本观点：

电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。

流注理论的基本观点：

（1）以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程；

（2）放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达108以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注；

（3）流注一旦形成，放电转入自持。

• 汤逊气体放电理论适用于：均匀电场、低气压、短间隙（pd值较小）气体的击穿。

• 流注理论适用于：均匀电场、大气压、长间隙（pd值较大）气体的击穿。以 pd=26.66kPa·cm 或 200mmHg.cm 作为分界参考

• 注意：这两种理论各适用一定条件下的放电过程，不能用一种理论来代替另一种理论。

不均匀电场中的放电过程

汤逊放电理论(短间隙)和流注放电理论(长间隙)都只适用于均匀电场，而电力系统中大多数的带电设备都处在长间隙不均匀电场中。如变压器高压套管引出线对低压套管及壳、高压输电线对地等。

需要关注长间隙不均匀电场气体放电的物理过程及其发展。

一 稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征

• 放电特征
  （1）均匀电场与稍不均匀电场相似，放电达到自持，间隙即被击穿，即击穿电压就是其自持放电电压。
  （2）极不均匀电场：场强高的空间先发生电晕放电，自持放电电压为电晕起始电压。

二 极不均匀电场下的电晕放电

1. 电晕放电的一般描述

由于电场强度沿气隙的分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近空间的电场强度首先达到了起始场强E0，因而在这个局
部区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电。

（1）电晕放电是极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段。
（2）极不均匀电场的自持放电现象，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。
（3）外加电压增大，电晕区随之扩大，放电电流也增大（由微安级到毫安级）。但气隙总的来看，还保持绝缘状态。

2. 电晕起始电压和电晕起始场强的计算

由于影响因素多，常利用实验方法求取，再利用表面电场强度和所加电压的关系推导出计算电晕起始场强Ec的经验公式。

以输电线路导线为例：

在雨、雪、雾天气时，导线表面会出现许多水滴，它们在强电场和重力的作用下，将克服本身的表面张力而被拉成锥形，从而使导线表面的电场发生变化，结果在较低的电压和电场强度下就会出现电晕放电。

3. 电晕放电的利和弊

4. 防止和减轻电晕放电的方法

根本的途径是设法限制和降低导线的表面电场强度。
（1）可采用扩径导线和空心导线，更加合适的措施是采用分裂导线。
（2）分裂导线的电场强度与分导线的直径和分导线间的距离 d 有关。在某一最佳值d0 时最大电场强度会产生一极小值。

例题：为什么说电晕是一种局部放电现象？电晕会产生哪些效应？
电晕放电具有声、光、热等效应；形成所谓的电风，引起电极或导线的振动；产生的高频脉冲电流造成对无线电的干扰；促使有机绝缘老化等。

三 极不均匀电场下放电的极性效应

在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。但放电的发展过程、气隙的电气强度、放电电压等都与该电极的极性有密切的关系。极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。

决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电位符号：
（1）在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如“棒-板”气隙。
（2）在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的那个电极上的电位，如“棒-棒”气隙。

以典型的极不均匀电场–“棒-板”气隙（短间隙，间隙距离小于1米）为例，从流注的概念出发，说明放电的发展过程和极性效应。

• 棒为正极性

棒极为正极性时，不容易发生电晕放电，但是起晕后到完全击穿击穿电压低。

• 棒为负极性

棒极为负极性时，容易发生电晕放电，但起晕后，受空间电荷影响，使完全击穿击穿电压升高

• 极性效应结论

工程实际中，输电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生在正半波。

在进行外绝缘的冲击高压试验时往往加正极性冲击电压，因为这时电气强度较低。在工频高压作用下，击穿均发生在外加电压为正极性的那半周内。

例题：比较空气间隙下“棒-棒”电极、“正棒-负板电极”、“负棒-正板电极”、“板-板电极”的击穿电压大小。
（提示：结合电场的均匀程度、极性效应等综合考虑）

四 极不均匀电场下的长间隙放电

长间隙：>1m

流注往往不能一次贯穿整个气隙，而出现逐级推进的先导放电现象。

流注发展到足够长度后，会出现新的强电离过程，通道的电导大增，形成先导通道，引起新的流注，导致先导进一步伸展。

所加电压达到或超过该气隙的击穿电压时，先导贯通整个气隙，使气隙击穿。

热电离在先导放电和主放电阶段均有重要的作用。

五 放电类型

• 辉光放电
  辉光放电是低压气体中显示辉光的放电现象，靠正离子轰击阴极所产生的二次电子发射来维持。
  特征：低气压、高电压、低电流密度、电源功率小
  典型例子：霓虹灯、荧光灯

• 电弧放电
  电弧放电是伴有强烈的弧光并产生高温的一种气体放电现象。
  特性：阴极电位降低、电流密度大、电源功率大。一般来说，具有负的伏安特性。
  典型例子：弧光灯、电弧炉

• 电晕放电
  发生于极不均匀的电场中。如果电极表面附近的局部电场超过气体的电离场强，则电极附近的气体介质会被局部击穿而产生电晕放电现象。发生电晕时在电极周围可以看到光亮，并伴有咝咝声。

• 火花放电
  压力较高时（标准大气条件或更高气压时），气体放电成细通道形状。常伴有爆炸声并具有间歇性。电源功率小。典型例子是雷电放电。

放电时间和冲击电压下的气隙击穿

气体放电的发展过程比较复杂、影响因素很多，通常都采用实验的方法来进行求取

一 概述

• 电气强度通常以击穿场强或击穿电压来表示。
• 气隙的电气强度首先取决于电场形式。
• 与外加电压的形式也有很大的关系

在电力系统中，有可能引起空气间隙击穿的作用电压波形及持续时间是多种多样的，但可归纳为四种主要类型，即工频交流电压、直流电压、雷电过电压波和操作过电压波。其中前二者可统称为稳态电压，以区别于存在时间很短、变化很快的冲击电压。气隙在稳态电压作用下的击穿电压即为静态击穿电压。

• 完成气隙击穿的三个条件：
  （1）足够大的电场强度或足够高的电压；
  （2）在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子；
  （3）需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。\

• 完成击穿所需放电时间是很短的（微秒级）：
  （1）直流电压、工频交流等持续作用的电压，满足上述三个条件不成问题；
  （2）当所加电压变化速度很快、作用时间很短的冲击电压，因有效作用时间短，以微秒计，此时放电时间就变成一个重要因素。（为什么？）

二 放电时间

• 放电时间的组成

气隙施加电压，从零迅速上升至峰值U，然后保持不变：

• t1－气隙在持续电压下的击穿电压为Us，为所加电压从0上升到Us的时间；
• ts－从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时间称为统计时延ts；
• tf－出现有效电子后，引起碰撞电离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙的击穿。这个过程需要的时间称为放电形成时延tf。

总的放电时间：tb=t1+ts+tf，后面两个分量之和称为放电时延tlag=ts+tf

tb和tlag都具有统计性：放电时间tb和tlag放电时延的长短都与所加电压的幅值U有关，总的趋势是U越高，放电过程发展的越快，tb和tlag越短。
思考：Why？更高的电场强度意味着电子在电场中获得的能量更大，从而更容易发生电离，加速放电过程的发展；在高电场强度下，电子崩的发展更为迅速。更高的电压幅值 、更强的电场，这将加速电子崩的发展，缩短放电时间和放电时延

三 冲击电压波形的标准化

气隙在冲击电压下的冲击电压和放电时间均与冲击电压的波形有关，在求取气隙的冲击击穿特性时，必须将冲击电压的波形加以标准化，以便于各种实验结果具有可比性和实用价值——冲击电压发生器。

• 标准雷电冲击电压波：用于模拟电力系统中的雷电过电压波。

国际电工委员会IEC和国标的规定为：T1 ＝1.2μs± 30％（容许偏差） T2 ＝50μs ± 20％ 。一般写为1.2/50μs，有的国家为1.5/40 μs

• 标准雷电截波：用于模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后出现的截尾冲击波。——通过截波波形评估电力设备绝缘强度，检测绝缘缺陷，确保设备在极端电压下稳定运行，提升可靠性和安全性。

IEC和国标的规定为：T1 ＝1.2μs± 30％（容许偏差）T2 ＝25μs ± 20％ 。一般写为1.2/25μs

这种瞬时截断会导致设备内部产生比全波冲击更强的电应力，特别是在绝缘薄弱部位，可能引发局部电气故障。如变压器绕组和绝缘层在高电压冲击下可能产生局部放电或绝缘击穿、高压开关和断路器在切换操作时可 能面临雷击引发的高电压冲击等。

威胁变压器绕组匝间绝缘的主要因素是过电压陡度，绕组的匝间、层间与铁心之间的绝缘是纵绝缘，截波作用下绕组内的最大电位梯度将比全波作用时大，会在变压器绕组中产生很大的电位梯度，从而危及变压器绕组的纵绝缘，电力变压器不仅需要进行全波冲击耐压试验，还要通过截波耐压试验。

变压器的停、送电和雷电波使绕组绝缘因过电压而被击穿。

• 标准操作冲击电压波：用于模拟电力系统中的操作过电压波。

衰减震荡波的第一个半波的持续时间在2000μs ~3000μs，极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80%。

四 冲击电压下的气隙击穿

• 50％冲击击穿电压（ ）：在工程实际中广泛采用击穿百分比为50％时的电压（ U50% ）来表征气隙的冲击击穿特性。实际中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可认为是50％冲击击穿电压。（击穿的概率为50%）

电压不够高时，虽然多次重复施加冲击电压，该气隙均不会击穿——电压太低，气隙中电场太弱，根本不能引起电离过程；也可能电离过程虽已出现，但所需放电时间较长，超过了外加电压的有效作用时间，来不及完成击穿过程；
随着电压进一步提高，放电时延变小，可能有击穿现象，但由于放电时延和放电时间均具有统计分散性，故多次重复施加电压，有几次可能导致击穿，而有另外几次没有发生击穿。
继续提高电压峰值，可发生100%击穿。

• 冲击系数β ： 与静态击穿电压的比值
  （1）均匀和稍不均匀电场下，β≈1;
  （2）极不均匀电场中，β> 1，冲击击穿电压的分散性也较大，其标准偏差可取3％。

• 伏秒特性：冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压－时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性曲线，它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。

求取伏秒特性的方法：
（1）保持一定的波形，逐级升高电压；
（2）电压较低时，击穿发生在波尾，在击穿前的瞬间，电压虽已从峰值下降到一定数值，但该电压峰值仍然是气隙击穿过程中的主要因素。对应于“1”；
（3）同样可得点“2”和点“3”；
（4）将这些相应的点连成一条曲线，就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性曲线。

实际的伏秒特性曲线下图所示，是一个以上、下包线为界的带状区域。通常取50％伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿特性。（放电时间具有分散性）

随着时间的延伸，一切气隙的伏秒特性都趋于平坦，但特性曲线变平的时间却与气隙的电场形式有较大关系：
（1）均匀或稍不均匀电场的放电时延（间）短，因而其伏秒特性很快就变平了（例如1μs处）；
（2）极不均匀电场的放电时延（间）较长，因而其伏秒特性到达变平点的时间也就较长。

保护设备绝缘的伏秒特性曲线的上包线始终低于被保护设备的伏秒特性曲线的下包线。

保护设备设备绝缘的伏秒特性曲线应平坦一些，即采用电场比较均匀的绝缘结构。

思考题：从绝缘配合的要求分析并判断图示两个间隙伏秒特性曲线是否正确？

1. 绝缘配合要求：绝缘配合要求保护间隙能够在被保护间隙之前击穿，以限制被保护间隙上的过电压。这通常通过确保保护间隙的伏秒特性曲线在被保护间隙的伏秒特性曲线之下来实现。

2. 判断曲线是否正确：从绝缘配合的角度来看，图1-22中的配置是正确的，因为它确保了 S_2 在 S_1 之前击穿。图1-23中的配置在交点之前是正确的，但在交点之后可能存在问题，因为 S_1 的击穿电压高于 S_2，这可能导致 S_1 在 S_2 之前击穿，从而失去保护作用。当冲击电压峰值较低时，击穿前时间较长，则S2先被击穿，能保护S1不被击穿；当冲击电压等值较高时，击穿前时间很短，则S1先被击穿，而S2不会被击穿；当冲击电压峰值对应于交叉区域中时，可能是S1先被击穿，也可能是S2先被击穿。

综上所述，图1-22的配置是正确的，而图1-23的配置在交点之后可能需要进一步的分析和调整，以确保 S_1 得到有效的保护。

如果要求S2能可靠地保护S1，则S2的伏秒特性必须全面低于S1。

讨论题
1、冲击系数是（C）放电电压与静态放电电压之比，具体来说，是同一间隙的50%冲击击穿电压与稳态击穿电压之比。

2、气体介质在冲击电压作用下的击穿特点包括：

• 击穿电压不是一个确定的数值，而是一个概率值，通常取50%概率的数值。
• 击穿电压与试验电压极性和电极形状有关，冲击电压击穿可以发生在波前或波尾部分，视电压高低而定。
• 电压越高，击穿时延越短。击穿电压与时延的关系曲线常称伏秒特性，它对电力系统的绝缘配合有重要意义。

3、冲击电气强度通常用以下方式来表示：

• 50%冲击击穿电压：即采用击穿百分比为50%时的电压来表征气隙的冲击击穿特性。
• 伏秒特性：表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。

4、求取伏秒特性曲线的方法是：

• 在绝缘间隙上施加固定的标准雷电冲击电压波形(或标准操作冲击电压波形)，逐级升高电压。
• 当电压很低时，间隙不击穿；当施加的电压较低时，击穿发生在冲击波尾；当电压很高时，放电时间减至很小，击穿可发生在波前。
• 若每级电压下，只有一个放电时间，则可根据伏秒特性的定义绘得伏秒特性。实际上放电时间具有分散性，于是每级电压下，可得一系列放电时间，所以实际上伏秒特性是以上、下包络线为界的一个带状区域。

5、伏秒特性对于选择电气设备的保护设备具有以下实用意义：

• 伏秒特性可用作比较不同设备特别是避雷器与被保护电器绝缘的冲击击穿特性。
• 若某间隙的50%冲击击穿电压高于另一间隙的数值，并且该间隙的伏秒特性始终位于另一间隙之上，则在同一电压作用下，另一间隙将先于该间隙而击穿，从而起到保护作用。
• 在考虑不同间隙的绝缘强度配合时，为了更全面地反映间隙的冲击击穿特性，就必须采用间隙的伏秒特性之间的相互比较。

6、50%冲击击穿电压和50%伏秒特性中的“50%”所指的意义不同。50%冲击击穿电压是指在多次施加同一冲击电压时，间隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。而50%伏秒特性则是指在伏秒特性曲线的上下包络线间选择某一时间数值，使在每个电压下的多次击穿中放电时间小于该数值的恰占一半。

这两个术语之间的关系在于，它们都是用来表征绝缘间隙在冲击电压作用下的击穿特性，但应用的场合不同。50%冲击击穿电压是不考虑放电时延情况下表征间隙冲击击穿特性，而50%伏秒特性是考虑时延情况下的表征。伏秒特性曲线可以反映在不同放电时间下，气隙击穿电压的变化，而50%冲击击穿电压则是在特定放电时间下，击穿概率为50%的电压值。在工程应用中，这两个参数都非常重要，它们共同为绝缘配合和电气设备保护设备的选择提供了依据。

五 均匀电场气隙的击穿特性

六 不均匀电场气隙的击穿特性

不均匀电场的特征：各处场强相差很大，在所加电压尚小于整个气隙击穿电压时，已可能出现局部的持续放电。由于局部放电持续放电的存在，空间电荷的积累对击穿电压的影响很大，导致显著的极性效应。

在各种各样的极不均匀电场气隙中，“棒—棒”气隙具有完全的对称性，而棒—板”气隙具有最大的不对称性，其它的极不均匀电场气隙的击穿情况均处于这两种极端情况的击穿特性之间。

按电极的对称程度主要关注“棒—棒”气隙和“棒—板”气隙在直流电压、工频电压和冲击电压作用下的击穿特性。

（一）“棒—棒”气隙和“棒—板”气隙在直流电压作用下的击穿特性

（二）“棒—棒”气隙和“棒—板”气隙在交流电压作用下的击穿特性

在工频交流电压下测量气隙的击穿电压时，通常是将电压慢慢升高，直至发生击穿。升压的速率一般控制在每秒升高预期击穿电压值的3％左右。

“棒一板”气隙的击穿总是发生在棒极为正极性的那半周的峰值附近，可见其工频击穿电压的峰值一定与正极性直流击穿电压相近，甚至稍小。

解释：棒极附近空间电场会因上一半波电压所遗留下来的电荷而加强。

“棒—棒”气隙的工频击穿电压比“棒—板”气隙高一些——相对而已，前者的电场均匀程度高于后者。

（三）“棒—棒”气隙和“棒—板”气隙在雷电冲击电压作用下的击穿特性

（四）“棒—棒”气隙和“棒—板”气隙在操作冲击电压作用下的击穿特性

操作冲击电压的波形对气隙的电气强度有很大影响，气隙的50%操作冲击电压与波前时间的关系曲线呈“U”型。

问题：如何解释U型曲线？

初步解释：
（1）当波前时间从临界值逐渐减小时，放电时延相应减小，必然要求有更高的电压才能击穿，这就导致U形曲线左半支的上升趋势；
（2）当波前时间从临界值逐渐增大时，放电发展的时延已足够长，再增大放电时延，对放电的发展影响不大；
（3）起晕棒极附近电离出来的与起晕极同号的空间电荷却有时间被驱赶到离棒极较远的地方，使空间电荷不再集中在晕极近旁，这样，空间电荷在电极近区以外空间所造成的附加电场减弱了，不利于放电的进一步发展，必然要求有更高的电压才能击穿，导致U形曲线右半支的上升趋向。

六 大气条件对气隙击穿特性的影响及校正

对空气密度和湿度进行校正

七 提高气体介质电气强度的方法

（1）改进电极形状以改善电场分布

（2）利用空间电荷改善电场分布

（3）采用屏障

（4）采用高气压

（5）采用高真空

（6）采用高电气强度气体

七 六氟化硫和气体绝缘电气设备

绝缘子和沿面放电

2.1 绝缘子及其性能要求

电力系统外绝缘：高压电气设备外壳之外、所有暴露在大气中需要绝缘的部分都属于外绝缘。主要部分是户外绝缘，一般由空气间隙与各种绝缘子串构成。

一 绝缘子及其分类

绝缘子：用来支持带电导线或导体，对杆塔或支架（地电位）保持绝缘，保持导线或导体相互之间的适当距离。
分类：

• 绝缘子：用作导电体和接地体之间的绝缘和固定连接。
• 瓷套：用作电器内绝缘的容器，并使内绝缘免遭周围环境因素的影响。
• 套管：用作导电体穿过电器外壳、接地隔板或墙壁的绝缘部件。

对绝缘子的基本要求：
（1） 有足够的电绝缘强度
（2）能承受一定的机械负荷
（3）能经受不利的环境和大气作用

两个概念：

• 击穿：同一绝缘介质内部发生的贯穿性放电
• 闪络：沿着两种绝缘介质界面发生的自持放电

二 绝缘子的电气强度和机械强度

1. 绝缘子的电气性能

闪络电压：连通绝缘子两电极的沿绝缘体外部空气的放电电压，是绝缘子外部绝缘的一个重要性能。
（1）干闪络电压
（2）湿闪络电压
（3）污秽闪络电压

2. 绝缘子的机械强度
   拉伸负荷：如悬挂输电线的绝缘子受重力和导线拉力的作用。拉伸负荷以作用在绝缘子两端的拉伸力来表示。

弯曲负荷：如导线拉力、风力或短路电流电动力作用于支柱绝缘子，因它们的方向与支柱垂直而使支柱受到弯矩作用。弯曲负荷以作用在绝缘子顶部的垂直力（垂直于绝缘支柱）来表示。

扭转负荷：如隔离开关的支柱绝缘子常以转动方式来开闭触头，转动时绝缘支柱将承受扭转力矩。扭转负荷以作用在绝缘子顶部的扭矩来表示。

3. 绝缘子的热性能

运行中的绝缘子在长期工作电压和机械负荷作用下，会发生介质的老化现象，因此要求绝缘子应具有一定的抗老化性能。

2.2 气体中沿固体介质表面的放电

1. 一般概念

沿面放电：沿绝缘子和空气的分界面上发生的放电现象
闪络：沿面放电发展到贯穿性的空气击穿
注意：沿面放电也是一种气体放电现象，沿面闪络电压比气体或固体单独存在时的击穿电压都低。

沿面放电的影响因素
（1）固体绝缘材料特性：取决于材料的亲水性或憎水性
（2）介质表面的粗糙度；
（3）固体介质与电极间的气隙大小。

2.三种电场形式

沿面放电与固体介质表面的电场分布有很大的关系。

套管属于b，支柱绝缘子属于c

一 均匀电场中的沿面放电

放电发生在沿着固体介质表面，且放电电压比纯空气间隙的放电要低得多。

在平行平板电极间放一圆瓷柱，瓷柱虽未影响极板间电，但放电总是发生在磁柱表面，且闪络电压比纯空气的击穿电压低得多。

放电发生在沿着固体介质表面，且放电电压比纯空气间隙的放电要低得多。
原因：（1）固体介质表面不光滑→电场不均匀→ Eb ↓
（2）固体介质表面吸潮→水分中的离子向两极移动→电场畸变→Eb↓
（3）固体介质与电极接触存在小气隙→气隙先游离→局部放电→电场畸变→Eb↓

二 极不均匀电场具有强垂直分量的沿面放电

• 表面电阻：表面电阻又称表面比电阻。表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据。它代表每平方面积电介质表面对正方形的相对二边间表面泄漏电流所产生的电阻。单位是欧姆。
  表面电阻的大小除决定于电介质的结构和组成外，还与电压、温度、材料的表面状况、处理条件和环境湿度有关。

• 环境湿度对电介质表面电阻的影响极大。表面电阻愈大，绝缘性能愈好。

• 体积电阻：描述物质导电能力的参数，体积电阻越大，绝缘性能越好。

• 套管的分类

• 套管沿面放电的基本过程

（1）在不太高的电压下，法兰边缘出现微弱的发光圈（属电晕放电）。
（2）随电压升高电晕延伸，逐渐形成由火花细线组成的光带。细线的光虽比电晕亮，但仍较弱；放电通道中电流密度较小，压降较大，伏安特性具有上升特征。
（3）当电压超过某临界值后，放电性质发生变化，个别细线迅速增长，转变为树枝状、紫色、较明亮的火花。火花在法兰不同位置交替出现，一处出现后紧贴介质表面向前发展，随即很快消失，而后又在新的位置产生。这种放电称为滑闪放电。
（4）滑闪火花随外施电压增加迅速增长，因而电压只需增加不多，放电火花就延伸到另一电极，形成完全击穿（闪络）。（通道中电流密度较大，压降较小，伏安特性具有下降特征。）

• 滑闪放电的机理

（1）法兰B处沿介质表面的电流密度最大，该处介质表面的电位梯度也最大；
（2）当此处电位梯度达到使气体电离的数值时，有初始沿面放电；
（3）电压升高，放电进一步发展，在较强的电场垂直分量作用下，带电质点不断撞击介质表面，使局部温度升高。且电压的增加会使介质表面局部温度也就升得更高。
（4）一定电压下，当温度高达足以引起气体热电离时，通道中带电质点剧增、电阻剧降，通道头部场强也剧增，导致通道迅速增长，放电转入滑光放电阶段。所以，滑闪放电是以介质表面放电通道中发生热电离作为特征的。
（5）出现滑闪放电后，放电发展很快，会很快贯通两电极，完成闪络。

• 滑闪放电的起始电压

• 比表面电容：单位面积介质表面与另一电极间的电容值，单位 。

• 滑闪放电起始电压的影响因素
  （1）电压变化快， 大，起始电压低；
  （2）介质厚度d小，相对介电常数 大，
  即比电容 大，起始电压低；
  （3）介质表面电阻率 大，即表面电
  压分布不均匀，起始电压低。

• 提高沿面放电起始电压的方法
  （1）减小比电容；（2）采用介电常数小的介质；（3）减小表面电阻率。

三 极不均匀电场具有弱垂直分量的沿面放电

因电场已很不均匀，故介质表面积聚电荷使电压重新分布所造成的电场畸变不会显著降低沿面放电电压。
电场垂直分量小，沿表面不会有较大的电容电流流过，不会出现热电离现象，没有明显的滑闪现象。
垂直于放电发展方向的介质厚度对放电电压实际上没有影响。
为提高沿面放电电压，一般可从改进电极形状以改进电极附近的电场着手。

四 固体介质表面有水膜时的沿面放电

• 绝缘子表面在运行中会受到雨、露水、雾、雪和风等的侵袭和大气中污秽物的影响，结果是沿面放电电压显著降低。

• 湿闪电压：洁净的瓷面或玻璃表面被雨水淋湿时的沿面放电，相应的电压称为湿闪电压。

• 伞裙：避免整个绝缘子表面被雨水淋湿

• 绝缘子表面的水膜大都是不均匀和不连续的——有水膜覆盖的表面电导打，无水膜处的表面电导小，绝大部分外加电压将由干表面（BCA’）来承受。

• 下雨时的三种可能闪络途径：沿着湿表面AB和干表面BCA’发展；沿着湿表面AB和空气间隙BA’发展；沿着湿表面AB和水流BB’发展。

• 设计绝缘子时综合伞裙数、伞的倾角、伞裙直径、伞裙伸出长度与伞裙间气隙长度之比等考虑，合理选择。

2.3 线路绝缘子

• 输电线路固定导线用的绝缘部件，分为针式、悬式和绝缘子串三大类。

• 随着输电线路电压的升高，为提高绝缘子的闪络电压需要增加闪络距离，因而增加了绝缘子的高度。
• 35kV以上的高压线路都使用悬式绝缘子或2024/11/15。根据结构外形，分为盘形和棒形两种。

• 悬式绝缘子一个突出的优点是：当工作电压增高时，可将多个绝缘子用简单的机械连接组成绝缘子串，绝缘子串的机械强度仍与单个元件相同，而闪络电压则随绝缘子片数的增多而提高。

• 盘形悬式绝缘子串中，串接绝缘子的线路数目决定于线路所要求的绝缘水平。35kV:2-3片；110kV：7片；220kV：13-14片；330kV：19-22片。

• 问题：沿绝缘子串的电压分布不均匀。
  原因：
  （1）绝缘子的金属部分与接地铁塔有电容存在；
  （2）绝缘子的金属部分与带电导体间有电容存在；

• 主要结论：
  （1）绝缘子串的长度越长，片数越多，电压分布越不均匀；
  （2）绝缘子本身电容C大，则对地和对导线杂散电容的影响要小一些，绝缘子串的电压分布就比较均匀；
  （3）增大CL能在一定程度上补偿Ce的影响，使电压分布不均匀程度减小——采用均压环，还可以增大导线截面积和分裂导线，达到改善电压分布的目的。

2.4 污秽绝缘子的沿面放电

• 绝缘子是户外运行的最主要部件——湿闪、冰闪、雷闪（占外绝缘闪络次数的第1位）、操作闪络、污闪（危害最大）

• 绝缘事故原因：电压升高 or 绝缘下降——污闪属于哪种？
  普通盘形悬式绝缘子干闪电压：75kV；雨闪电压约：45kV； 潮湿脏污条件下的污闪电压可能不到10kV——范围大、波及面广

• 污闪的气象条件：毛毛雨、雾、露、霜、雪等——积污是污闪的根本原因

• 污闪电压：绝缘子表面有湿污层时的闪络电压（污层表面电阻率）。

• 污闪不再是单纯空气间隙的击穿，而是脏污表面气体电离和局部电弧发展、熄灭、重燃、再发展的过程。

• 具体过程为：

（1）污秽的沉积：来源？成分？污秽积累与自清洁并存

（2）污秽的受潮：受潮——导电水膜——有泄露电流沿绝缘子表面流过，但大雨起到清洗作业，不是最危险的条件。污闪最为危险的条件：天气很潮湿，污层逐渐吸湿受潮但又没有流失

• 污层被水分湿润后电导增大，泄露电流产生的焦耳热使得水分蒸发，污层变干。表面电阻大的地方干得快，形成“干燥”带，

（3）干燥带承受高压，产生辉光放电。辉光放电具有上升的伏安特性，火花区域仍承受一定的电压。

（4）线状放电火花跳动，热量使干燥带扩大，湿润区缩小；

（5）电流增大，引起热电离，形成局部电弧放电。

（6）电弧通道电阻远远低于原来干燥部分的表面电阻，使泄露电流增大，电弧烘干邻近区域，并迅速发展，电弧被伸长。

（7）电弧连通电极，形成闪络。

• 污闪过程四个阶段：积污->受潮 -> 干区形成 -> 局部电弧

• 绝缘子表面污秽度的评定：等值盐密法

等值附盐密度：绝缘子表面上沉积的污秽（刮下或刷下）中的酸、碱、盐等导电物质的含量与具有与此污秽相等电导率的盐量来等价表示。

等值的方法：把表面沉积的污秽刮下，溶于300ml蒸馏水，测出其在20℃水温时的电导率；然后在另一杯20℃、300ml的蒸馏水中加入NaCl，直到其电导率等于混合盐溶液的电导率时，所加入的NaCl毫克数，即为等值盐量，再除以绝缘子的表面积，即可得出“等值盐密” (mg/cm2)

优点：直观易懂，便于大范围测量。
缺点：只反映了污秽中的导电部分，不反映污秽成分，不反映非导电物的含量，不反映污秽在绝缘子上的分布。

• 防止绝缘子污闪的措施：

（1）调整爬距（增大泄露距离）
爬电比距λ：指外绝缘“相—地”之间的爬电距离(cm) 与系统最高工作（线）电压（kV,有效值）之比。一定要遵循规定的爬电比距来选择绝缘子串的总爬电距离和片数。
（2）定期或不定期的清扫
（3）涂料
（4）半导体釉绝缘子
（5）新型合成绝缘子

液体及固体介质的电气特性

概述

• 液体和固体介质广泛用于高压电气设备的内绝缘，电气强度高于空气，因此可缩小设备的结构尺寸。
• 应用最多的液体介质：变压器油、电容器油和电缆油（品质更高）。
• 固体绝缘：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃和硅橡胶等。
• 电介质的电气特性：在电场作用下的导电性能、介电性能和电气强度。
• 主要参数：电导率（绝缘电阻率）、介电常数、介质损耗角正切和击穿场强。
• 液体和固体介质异于空气的电气性能特点
  （1）绝缘的击穿意味着不可逆的破坏，属于非自回复绝缘。
  （2）在运行过程中会出现老化，改变其物理、化学性能及各种电气参数，从而影响绝缘的电气强度及寿命。

3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗

一、电介质的极化

1. 电介质在外电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。此时，电荷的偏移大都是在原子或分子的范围内作微观位移，并产生电矩（即偶极矩）。
2. 介电常数 、极性电介质、中性电介质
3. 与电介质分子的极性强弱有关、及温度、外加电场频率等。
4. 相对介电常数
5. 空气的 接近于1，液体和固体介质
   的 大多在2~6之间。
6. 电容器的绝缘材料从介电常数考虑如何选用？绝缘材料的介电常数决定了电容器的电容值。通过选择具有高介电常数的材料作为绝缘层，电容器可以实现更大的电容量。
7. 高压电气设备中大都是几种绝缘材料一起使用，需要注意各种材料的 配合（工频交流和冲击电压下，串联多层介质中的电场强度分布与各层介质的 成反比）

8. 介质极化的分类：电子式、离子式、偶极子、夹层和空间电荷极化

1. 电子式极化：电子在外电场作用下使电子轨道相对于原子核发生位移，产生感应电矩的过程。存在于一切介质中，时间短（其 值不受外电场频率的影响 ），弹性位移、无能量损耗、温度对其影响不大。
2. 离子式极化：由离子结合成的电介质内，外电场作用使正、负离子产生微小位移。时间短，弹性，无能量损耗，一般具有正的温度系数。
3. 偶极子极化：有些电介质分子很特别，具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，即为极性分子，对应的电介质为极性电介质（橡胶、纤维素等）。单个分子具备偶极矩，在外电场作用下在电场方向的取向概率增加，对外具有了电场方向的偶极矩。非弹性，极化过程有能量消耗，电场与温度影响大。
4. 夹层介质界面极化：多层电介质，合闸瞬间初始电压比不等于稳态电压比，各层电压从最初按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导分布，在这一过程中夹层界面上会积聚一些电荷，使整个介质的等值电容增大。\分界面上会聚集其一批多余的空间电荷，即为夹层极化所引起的吸收电荷。电荷积聚过程中形成的电流称为吸收电流（位移电流）。伴随有能量损耗，且过程较慢，这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。
5. 空间电荷极化：介质内的自由正、负离子在电场作用下移动，改变分布状况，在电极附近形成空间电荷。时间约为几秒钟到数十分钟，甚至数十余小时；属非弹性极化，有能量损耗；随温度的升高而下降，只有在直流和低频下发生。

二 电介质的电导

1. 任何电介质都不能是理想的绝缘体，有一些带电粒子（载流子）、可迁移的正、负离子以及电子、空穴和带电的分子团。
2. 在外电场作用下，某些联系比较弱的载流子会产生定向漂移而形成传导电流（电导电流或泄露电流）。——任何电介质在不同程度地具有一定的导电性，只不过其电导率很小而已。
3. 电导率/电阻率：表征电介质导电性能的主要物理量——极性电介质的电阻率要小得多。

4. 电介质的泄露电流和位移电流，注意二者区别。
   • 泄露电流：由介质中自由的或相互联系弱的带电质点在电场作用下运动造成的。介质电导主要由离子造成，电阻率在 ；金属电导主要由电子造成，电阻率在 。
   • 位移电流：介质极化造成的吸收电流。

5. 液体电介质的电导
   来源：
   （1）液体本身的分子和杂质的分子解离为离子，构成离子电导；
   （2）液体中的胶体质点吸附电荷后形成带电质点，构成电泳电导。
   （3）温度升高时，液体的粘度减小，液体电介质中的离子数增多，电导随温度上升而急剧增大。

6. 固体电介质的体积电导
   （1）来源：电极中逸出的电子（电子电导）；介质中产生的离子、传导电子、 空穴等（离子电导）
   （2）低电场电导区以离子电导为主； 高电场电导区以电子电导为主。

7. 固体电介质的表面电导
   （1）由附着于介质表面的水分和其它污物引起的，是介质本身的一种性能。
   （2）憎水性介质，表面电阻率很高；亲水性介质，表面电阻率较小，且与湿度关系较大。

注意：
虽然表面电导主要决定于外界的因素，但吸附水分是材料自身的一种能力，所以还是应该将表面电导看作是介质本身的一种性能。

不能用表面电阻来说明绝缘内部的问题。

三 电介质的能量损耗

1. 从电介质的极化和电导可以看出，介质在电压作用下有能量损耗。一种是由电导引起的损耗；另一种是由某种极化引起的损耗。
2. 介质损耗：电介质的能量损耗，可以用来判断绝缘材料的质量和状态。
3. 直流电压下，介质损耗仅由电导引起，用体积电导率和表面电导率两个物理量能表征介质在直流下的损耗特性。
4. 交流电压下，除电导损耗外，还有周期性极化引起的损耗，用介质损耗来描述。

问题：实测介质损耗时，所用外加电压为DC还是AC？答：交流电压

5. 介质的功率损耗
   

并联等效电路：损耗主要由电导引起。

——仅取决于材料损耗特性，是综合反映电介质损耗特性优劣的重要指标之一，已成为电力系统绝缘预防性试验的最重要项目之一。

6. 有损介质等效电路

R3：电介质的泄露电阻（电导损耗）
R2：极化过程中引起损耗的等效电阻
C1：由几何尺寸决定的电容与无损极化对应的电容之和
C2：有损极化对应的电容
i1：电容电流
i2：吸收电流
i3：传导电流
：功率因数角
：介质损耗角

• 电容电流：加压瞬间数值很大，但迅速衰减，是一个极短暂的充电电流；
• 吸收电流：随加压时间增长而逐渐减小，比充电电流的下降要慢得多，约经十分钟才衰减到零，具体时间取决于绝缘的种类、不均匀程度和结构；
• 传导电流：唯一长期存在的电流分量。
• 总电流：流过介质的总的无功电流+流过介质的总的有功电流，包络漏导损失和极化损失

7. 并联等值电路

• 功率损耗与介损成正比；
• 介损反映电介质本身的特性参数；
• 介损受外加电压的频率、大小及环境温度的影响而变化——区分受潮、局放等。

8. 串联等值电路

注意：
（1）介质损耗角正切
（2）因上述并联和串联等效电路不能反映物理过程，因此上述等值电路只有计算上的意义；
（3）如果损耗主要是由电导引起的，则常应用并联等值电路；如果损耗主要由介质极化及连接导线的电阻等引起，则常用串联等值电路。

9. 气体介质的损耗
   （1）当场强不足以产生碰撞电离时，气体中的损耗是由电导引起的，故损耗极小。

（2）当外施电压超过放电起始电压时，将发生局部放电，损耗急剧增加——发生在固体或液体介质中含有气泡的场合

10. 液体介质的损耗
    （1）中性或弱极性液体介质（如变压器油）的损耗主要起因于电导，所以损耗较小。
    （2）极性液体以及极性和中性液体的混合油都具有电导和极化两种损耗，介质损耗较大。（温度、电源角频率）

11. 固体介质的损耗：种类多，损耗情况复杂

12. 讨论 的意义
    （1）选择绝缘材料：介质损耗过大会引起绝缘介质严重发热，甚至导致热击穿；
    （2）预防性试验中判断绝缘状况：受潮或劣化，介质损耗将急剧上升；
    （3）利用材料本身的发热进行加热。

13. 电介质损耗正切的测量

3.2 液体介质的击穿

1. 液体电介质的击穿：耐电强度一般比气体高；绝缘；冷却、灭弧等作用
2. 矿物油、植物油、合成液体等
3. 矿物油应用最为广泛，如变压器油、电容器油、电缆油等。
4. 液体电介质的击穿原理研究远不及气体电介质击穿机理的研究，尚无一个较为完善的击穿理论。
   （1）纯净液体电介质：电击穿理论和气泡击穿理论
   （2）非纯净液体电介质：小桥击穿理论
5. 纯净液体电介质的电击穿理论：
   电离 -> 流注 -> 放电通道出现分支 -> 贯通间隙；类似长间隙气体放电过程。
6. 纯净液体电介质的气泡击穿理论：
   （1）外施电场较高时，液体介质内可能由若干原因产生气泡，而气泡的发展和气泡内的放电导致液体介质击穿。
   （2）气体的击穿场强比油低得多，所以气泡先开始电离，这又使气泡温度升高、体积膨胀，电离将进一步发展，而带电粒子又撞击油分子，使油又分解出气体，扩大气体通道。如果电离的气泡在电场中堆积成气体“小桥”，击穿就可能在此通道中发生。
7. 非纯净液体电介质的小桥击穿理论：
   （1）工程用液体电介质总或多或少含有一些杂质。
   （2）由于水和纤维的介电常数很大，很容易沿电场方向极化定向，排成杂质的“小桥”。它们在电极间形成电导较大的通道，引起泄漏电流增大，温度升高，促使水分汽化，气泡扩大，最后沿气泡击穿。
   （3）如果纤维尚未贯穿整个电极间隙，则由于纤维的介电常数大而使纤维端部油中场强显著增高，高场强下油电离分解出气体形成气泡；气泡电离并因发热而扩大，电离的气泡排成气体“小桥”。因此，工程用液体电介质最后是在气体通道中击穿的。

8. 变压器油击穿电压的影响因素及其提高方法
   （1）工业变压器油击穿特点：均匀电场中，工频电压升高到某值时油中可能出现一个火花放电，但旋即消失（没有引起油间隙击穿），油又恢复其电气强度；电压增加油中有可能再出现火花，再消失，重复多次，至稳定的击穿。
   （2）水分和其它杂质（悬浮水、纤维）：溶解和悬浮状态。
   水分：畸变油中的电场分布，并可能在电极间连成小桥。
   固体杂质：沿电场方向极化定向而排列成小桥。
   

（3）油温：比较复杂，油的品质、电场的均匀程度、电压类型等。
潮湿的油：水分从悬浮变成溶解，击穿电压上升；温度继续升高，水分汽化，击穿电压下降
干燥的油：油温升高，击穿电压略有下降
（4）电场均匀程度：工频电压下，与油的纯净程度有关，改善电场均匀度，提高击穿电压。冲击电压作用下，改善电场均匀度，可显著提高击穿电压，与油品几乎无关。

（5）电压作用时间：随电压作用时间的增加而下降。
电击穿、电击穿和热击穿。
（6）油压：击穿电压随油压的增加而增大。
（7）提高方法：减少杂质，提高油品，具体来说，过滤、防潮、祛气及油-屏障式绝缘设计等。

3.3 固体介质的击穿

• 固体电介质的击穿：
  （1）固体材料密度最大，耐电强度最高；击穿过程最为复杂，击穿后是唯一不可恢复的绝缘材料。
  空气——30kV/cm；液体——100kV/mm~200kV/cm；固体——十几至几百kV/cm。
  （2）击穿形式：电击穿、热击穿、长时间的电化学击穿——与电压的作用时间密切相关。
  （3）电击穿理论、热击穿理论和电化学击穿理论
  

1. 电击穿：
   （1）电击穿理论是建立在固体介质中发生碰撞电离的基础上的，它不包括由于介质劣化等其它原因引起的击穿。
   （2）固体介质中存在少量处于导带能量状态的电子（传导电子），它在电场加速下将与晶格结点上的原子碰撞，使晶格原子电离，产生电子崩。当电子崩发展到足够强时，引起固体介质击穿。
   （3）特点：电压作用时间短，击穿电压高，电介质温度不高；击穿场强与电场均匀程度密切相关，而与周围环境温度几乎无关。

2. 热击穿：
   （1）工频电压作用下的固体电介质常常是由于其内部的热不稳定性所造成的
   （2）当固体介质加上电场时，因介质损耗引起发热，使介质温度升高；而介质的温度具有负的温度系数（温度上升时电阻将变小），使电流进一步增大，损耗发热亦跟着增大。因此，如果同一时间内介质中发生的热量比发散的热量大时，介质温度将不断上升，进一步引起介质分解、炭化等，最终导致介质击穿。

3. 电化学击穿：
   （1）电化学击穿：固体电介质在长期工作电压的作用下，由于介质内部发生局部放电等原因，使绝缘劣化、电气强度逐步下降并引起击穿的现象。（电老化）
   （2）在临近最终击穿阶段，可能因劣化处温度过高而以热击穿形式完成，也可能因介质劣化后电气强度下降而以电击穿形式完成。
   （3）树枝化放电：有机绝缘材料，出现高场强区时，先出现局部的树枝状放电，并在有机固体介质上留下纤细的沟状放电通道的痕迹，即为树枝化放电劣化。

4、固体击穿电压的影响因素：
（1）电压作用时间：时间短时多为电击穿，然后才是热击穿起主要作用，但实际很难区分；
（2）电场均匀程度：介质厚度
（3）温度：电击穿下和温度几乎无关，但若某处温度过高，在工作电压下即有热击穿的危险。
（4）受潮：与材料性质有关，固体介质吸潮击穿电压急剧下降，要放置受潮。
（5）累积效应：局部损失从而致使击穿电压下降。

第二篇 电气设备绝缘试验

概述

• 电力系统的安全运行和供电可靠性要求；
• 电气设备的可靠性：绝缘（绝缘材料和绝缘结构）+电气强度，且在运行过程中保持良好状态；
• 电气设备绝缘仍然是电力系统中的薄弱环节，绝缘故障是引发电力系统事故的首要原因；
• 电介质理论仍远未完善，绝缘材料和绝缘结构的电气性能尚不能单单依靠理论上的分析计算来解决问题，必须借助于和依靠于各种绝缘试验。实际上，各种试验结果是绝缘设计的依据和基础。
• 绝缘试验分为非破坏性试验和破坏性试验，二者之间的关系？
• 非破坏性试验：检测绝缘除电气强度以外的其它电气性能，是在较低的电压下或用其它不损失绝缘的方法进行的，具有非破坏性的性质。
• 破坏性试验：检测绝缘的电气强度，如耐压试验和击穿试验，具有破坏性的特征，所加的试验电压很高，以考虑绝缘耐受各种过电压的能力，试验过程很有可能带来不可逆转的局部损伤或者整体损伤。

• 变压器相关试验：型式试验+出厂试验+现场试验+特殊试验

• 非破坏性试验和破坏性试验的关系
  （1）不存在固定的定量关系；
  （2）不能根据非破坏性试验所得数据去推断绝缘的耐压水平和或击穿电压，反之亦然；
  （3）两种试验都必不可少；
  （4）破坏性耐压试验放在非破坏性试验合同通过之后进行。

• 新设备投入运行前交接、安装和调试等环节；

• 运行中的各种电气设备的绝缘定期进行检查，及早发现绝缘缺陷，及时更换或修复，防患于未然；

• 绝缘预防性试验的目的：绝缘故障大都因内部存在缺陷而引起，缺陷哪里来？——设备制造过程中+运行过程中外界影响因素作用下

• 按存在的形态分类：

直流耐压试验和交流耐压试验属于破坏性绝缘试验的范畴。

4.1 绝缘的老化

• 绝缘的老化：电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系列物理变化（如固体介质软化或者溶解等形态变化）和化学变化（氧化、电解、电离等），致使其电气、机械及其它性能逐渐劣化（如电导和介损增大、变脆等）。
• 电气设备的使用寿命一般取决于其绝缘寿命，绝缘寿命与老化过程密切相关。
• 热老化：高温作用下，电介质在短时间内会发生明显的劣化；即使温度不太高，若作用时间很长，绝缘性能也会发生不可逆的变化。和温度正相关。
• 耐热性是绝缘性能的重要指标。8°C规则：A级的油纸绝缘，工作温度超过规定值（105°C） 8°C时，寿命约缩短一半，通常将这一关系成为热老化“8°C规则”。
• 固体介质和液体介质的老化
  固体介质受热后，内部的带电粒子热运力加剧，使介质中出现更多的载流子并且给载流子创造了更好的迁移条件，因而电导增大、极化损耗也增大，总的介质损耗急剧增加，从而使介质温度进一步升高，电导和损耗进一增大。如果散热务件不良，非但会加速热老
  化，还可能直接导致热击穿
  液体介质的热老化主要表现为油的氧化油温越高，氧化速度越快。对于变乐器油来说，大约每增高10℃，氧化速度增加一倍。油温高达115~120℃时，油开始热裂解，这一温度称为油的临界温度。此外，局部过热变压器油老化的主要原因则是油中会分解出多种能溶于油的微量气体。

4.1 绝缘的极化——电老化

• 电老化：指在外加高电压或强电场作用下发生的老化，其主要原因是介质中出现局部放电。具体原因：
  （1）放电产生的带电粒子不断撞击绝缘引起破坏；
  （2）放电能量中有一部分转为热能，而且热量不易散出，绝缘内部温度升高而引起热裂解，还可能因气隙体积膨胀而使材料开裂、分层；
  （3）局部放电区，粒子复合会产生高能辐射线，引起材料分解；
  （4）气隙中如含有氧和氮，放电可产生臭氧和硝酸，是强烈的氧化剂和腐蚀剂，使材料发生化学破坏。
• 固体材料局放耐受性能差别很多；绝缘油的电老化主要是因油温升高引起油的裂解和微量气体产生，还可能产生聚合蜡状物，附着固体表面加速固体介质热老化。
• 机械老化：机械应力/机械力的作用，加速绝缘老化等指在外加高电压或强电场作用下发生的老化，其主要原因是介质中出现局部放电。具体原因：
  固体材料：使固体介质内部产生裂缝或气隙而导致局部放电，如瓷绝缘子的老化等。

4.2 绝缘电阻、吸收比和泄露电流的测量

• 绝缘电阻是一切电介质和绝缘结构的绝缘状态最基本的综合性特征参数。
• 电气设备中大多采用组合绝缘和层式结构，在直流电压下有明显的吸收现象，使外电路中有一个随时间而衰减的吸收电流。
• 绝缘上施加一直流电压U时出现的电流i之比即绝缘电阻，但在吸收电流分量尚未衰减完毕时，呈现的电阻值是不断变化的。
• 绝缘电阻可以揭示绝缘整体受潮、局部严重受潮、均在贯穿性缺陷等，此时，对应的绝缘电阻值显著降低。
• 吸收比：电流衰减过程中两个瞬间测得两个电流值或两个相应的绝缘电阻值对应的比值。吸收比之值恒大于1，越大，表示吸收现象越显著，绝缘性能越好。
• 泄露电流：直流电压下测量绝缘的泄露电流与绝缘电阻测量在原理上是一致的，泄露电流的大小实际上就反映了绝缘电阻值。
• 自身特点：
  （1）加在试品上的直流电压要比兆欧表的工作电压高得多——更灵敏度发现某些缺陷，如瓷套开裂、变压器油劣化及内部受潮等
  （2）升压过程中监视泄露电流的增长动向，绝缘性能良好时，泄露电流保持稳定，且其值很小。

4.3 介质损耗角正切的测量

• 损耗角正切 可反映绝缘的整体性缺陷（如全面老化） 和小电容试品中的严重局部性缺陷，由其随电压而变化的曲线，可判断绝缘是否受潮、含有气泡及老化的程度。
• 不能灵敏反映大容量发电机、变压器和电缆绝缘中的局限性。

详见电介质的能量损耗

4.4 局部放电的测量

• 绝缘中的局部放电是引起电介质老化的重要原因之一；
• 正常运行电压下绝缘中出现局部放电现象时，即意味着绝缘内部存在局部性缺陷，这种过程必然在整个运行期间继续发展，达到一定程度后，就会导致绝缘的击穿和损坏。
• 局放检测很重要，测定电气设备在不同电压下的局部放电强度和发展趋势，就能判断绝缘内是否存在局部缺陷及介质老化的速度和当前的状态。
• 局放检测已成为确定产品质量和进行绝缘预防性试验的重要项目之一。
• 试验内容包括测量视在放电量、放电重复率、局部放电起始电压和熄灭电压，甚至大致确定放电的具体位置。

1. 局部放电基本概念

Cg——气泡的电容
Cb——与该气隙串联的那部分介质的电容
Ca——其余完好部分的介质电容
Z——对应于气隙放电脉冲频率的电源阻抗

Ca > Cb > Cg

• 视在电荷量：衡量局部放电强度的一个重要参数
  气隙放电引起的压降（Us-Ur）将按反比例分配在Ca和Cb上（从气隙两端看，Ca和Cb串联连接），故Ca上的电压变动为

气隙放电时，试品两端的电压会下降 ，相当于试品放掉电荷q

• 视在电荷量q是发生局部放电时试品电容 Ca 所放掉的电荷，也是电容Cb上的电荷增量（ ）；
• 阻抗Z的阻隔，上述过程中电源u几乎不起作用。
• 视在放电量与真实电荷量的关系：q比qr小得多，且存在比例关系
• q可相对反映qr的大小。
• 思考：交流电压与直流电压作用下局部放电是否相同？有何区别？
• 表征局部放电的三个参数：视在放电量、放电重复率和放电能量。
• 脉冲电流法的测量原理
  三种回路的基于目的都是使在一定电压作用下的被试品Cx中产生的局部放电电流脉冲流过检测阻抗Zm，然后把Zm上的电压或Zm及Zm’上的电压差加以放大后送到测量仪器P（示波器、峰值电压表、脉冲计数器等）上去，所测得的脉冲电压峰值与试品的视在放电量成正比，只要经过适当的校准，就能直接读出视在放电量q的值（pC），如果P为脉冲计数器，则测的是放电重复率。

第三篇：电力系统过电压与绝缘配合

输电线路和绕组中的波过程
（1） 波沿均匀无损单导线的传播：波阻抗与波速度
（2） 行波的折射和反射：接地、短路和阻抗匹配时的折反射系数、彼得逊法则及其应用、波通过串联电感和并联电容
（3） 行波的多次折反射：
（4） 波在有损耗线路上的传播。

概述

• 过电压（over-voltage）：超过正常运行电压可能引起绝缘损坏的电压升高。电网在正常运行时要承受正常运行电压和过电压的作用。

• 集中参数与分布参数
  （1）电力系统正常工作下，输电线路、母线、电缆以及变压器和电机等元件，其尺寸远小于50Hz交流电的波长，可以按集中参数元件处理。
  （2）输电线路很长？过电压速度变化很快，延续时间很短，等效频率很高，线路上各点的电压和电流都将是不同的，必须考虑时间和空间位置，即为分布参数

• 分布参数电路的应用范围：
  主要有两大类：长线路和高频电压（雷电冲击电压等）
• 波过程的定义：
  本课程中指电压波（或电流波）在输电线路、电缆、变压器、电机等电力设备上的传播过程
• 波过程的特点：
  电压、电流不但是时间t的函数，而且也是空间位置x的函数，要用分布参数电路来分析。
  

16.1 输电线路的波过程

第一节 单相均匀无损耗线路上的行波

• 实际输电线路都属于平行多导体系统。
• 每根导体有：R0、L0、C0、G0，导体间还有互感等

一 波传播的物理概念

二 波动方程

被称为前行波，被称为反行波。

三 波动方程解的物理意义—前行波和反行波

1. 波的运动特性

2. 波的能量特性
   

波过程：有两组电荷沿导线表面—地表面同步地以波速度分别向x正方向和x负方向运动，它们在空间建立了电磁场，造就了导线上的电压和电流。在此，导线—介质—地系统起到了引导电磁场的作用，因而这一过程被称为波过程。

3. 线路波阻抗与集中参数电阻的比较

   （1）当一条空载线路接到电源上去，由于不存在末端向首端传播的反行波，故方程只有“＋”解，即 ，因此从电源看来如同接了一个阻值为Z的电容器。电流通过电阻器，对应于电压降落和功率损耗；而电荷在无损的导线－地面流动时，伴随而生的 、 的传播对应着线路电磁能量存储正以速度向远方扩展，不存在任何的电压降落和功率损耗。

   （2）为了区别不同方向的流动波，波阻抗前应有正负号。负波并非就是朝x负方向传播的波，只有 的波才被认为是反行波。

   （3）线路与外界发生关系的只是端接处这一长度单元，中间部分只起“通道”的作用。

   （4）如果导线上既有前行波、又有反行波时，则导线上的总电压和总电流的比值不等于波阻抗，即

   （5）波阻抗的数值只与导线单位长度的电感和电容有关，与线路的长度无关。

第二节 波的折射和反射

一 折射系数与反射系数

当一个波（前行波）达到一个节点或界面时，部分波能量会继续向前传播（折射），而另一部分会反向传播（反射）。这些行为可以通过以下公式来描述：

• 反射系数 （Gamma）：
  
  其中 是波传来的介质的阻抗， 是新介质的阻抗。

• 透射系数 （Transmission coefficient）：
  

波的折射与反射的几种典型情况

1. 线路末端开路（ ）：

2. 线路末端接地短路（ ）：

3. 末端接有负载电阻（ ）：

4. 末端接有负载电阻 （ ）

例题：波过程

R = 0

二 计算节点电压的等值电路（彼德逊法则）

此方程说明在边界上，由入射波产生的总电压变化减去由入射波电流通过特性阻抗产生的电压降，等于反射波的电压幅度。这个关系帮助我们理解在不同介质交界处如何有部分波被反射回原介质，而另一部分则进入新的介质。

由上图可知：传有波的线路从外电路看来如同一集中参数的等效电源，其内阻抗为阻值等于Z1的纯电阻，内电势为两倍入射波电压 。这就是计算节点电压 的等值电路法，也称为彼德逊法则。

显然，把Z2用任意的两端口网络替代仍能维持上式成立。

若移去负荷 Z2 ，则 是A点在开路条件下的端电压
（ 投到开路点A发生电压全反射）；Z1是线路入射波为零时从A点看进去的阻抗。所以，把传有波的线路归化为等效电源的彼德逊法则和集中参数网络中应用的戴维南定理是一致的。

结论：

• 传有波的线路可以用等效的电压源与电阻串联的集中参数支路来答代，且其归化方法和戴维宁定理相吻的。
• 对于分布参数长线与集中参数混合组成的网络，同样引入了开路电势和入口阻抗的概念，可以方便地从更为普遍的意义上来处理计算。
• 此后，计算的问题就只是求解集中参数电路的问题了。

例题：15-7 15-9

三 由几条线路同时来波时的节点电压计算

破防了哥们 看不懂啊

电力系统过电压

4.2 内部过电压
（1） 过电压的定义和分类
（2） 工频电压升高
（3） 切断空载线路过电压：过电压的发展机理、影响因素
（4） 空载线圈合闸过电压：发展过程与影响因素

• 电力系统过电压的定义和分类
• 工频电压升高
• 谐振过电压
• 操作过电压
• 雷电放电和雷电过电压

概述

• 电力系统的运行可靠性，在很大程度上取决于电力设备的绝缘水平及其工作状况，合理确定电力设备的绝缘水平并采取有效的防护措施意义重大。
• 研究电力系统的绝缘承受的多类电压的波形、幅值和承受时间是基础工作。
• 电力系统过电压的定义
• 电力系统过电压的分类

一 电力系统过电压的定义

• 电力系统中的过电压是相对于系统最高运行电压 而言的。
• 系统的最高运行电压：系统中的额定电压乘一系数，
  220kV及以下系统：1.15
  330kV及以上系统：1.1
• 相对地过电压和相间过电压:
  在系统中某一部分出现的最高相对地电压峰值超过 或最高相间电压峰值超过 的任何波形电压为相对地或相间过电压。

二 电力系统过电压的分类

• 二 电力系统过电压的分类

• 根据作用于设备和线路上的过电压幅值、波形和持续时间分类

操作过电压持续时间一般在0.1s以内;暂时过电压的持续时间相对较长

三 工频电压升高

• 空载长线路的电容效应

• 不对称短路引起的工频电压升高

• 甩负荷引起的工频电压升高

• 工频电压升高引起的幅值不直接对正常绝缘的电气设备造成危害，但在确定绝缘配合时应给与重视：
  （1）工频过电压与操作过电压并存，且会抬高操作过电压暂态分量的振幅及振荡基轴；
  （2）工频电压升高时确定保护电气工作条件的依据；
  （3）工频电压升高持续时间长，对设备绝缘及其它性能影响大。

3.1 空载长线路的电容效应

1. 电容－电感效应（集中参数电路中的电容效应）

电感-电容效应是工频稳态过电压的主要机理

2. 均匀长线及其稳态解——需要考虑其分布参数特性

3. 空载长线的电容效应

4. 并联电抗器的降压作用（超高压并联电抗器）

3.2 不对称短路引起的工频电压升高

• 不对称短路是电力系统中最常见的故障形式，短路时的零序电流会使健全相出现工频电压升高。如当发生单相或两相对地短路时，健全相上的电压都会升高，其中单相接地引起的电压升高更大一些。

• 不对称短路往往起因于雷击，且以单相接地最为常见，且引起的健全相电压升高也最为严重。

• 此外，阀式避雷器的灭弧电压通常也就是根据单相接地时的工频电压升高来选定的，所以下面只讨论单相接地的情况。

• 单相接地时，故障点各相的电压、电流是不对称的，为了计算健全相上的电压升高，通常采用对称分量法和复合序网进行分析，不仅计算方便，且可计及长线的分布特性。

• 对称分量法和复合序网

  • 系统发生不对称接地之后，原三相网络的对称性遭到破坏。
  • 为在分析时恢复网络的对称性，先利用替代原理，把故障点对地的三相不对称阻抗用等效电势替代，再利用对称分量法将故障点对地的三相电势分解为三组对称的分量。这样原来的一个三相不对称网络可用三个对称的三相网络来替代。而后者的每一个都可以用称作序网络的单相电路进行分析。
  • 对于不同的故障点边界条件，可把序网络进行串、并联而得到相应的复合序网络。

• 普通阀型避雷器的一个重要参数是灭弧电压。灭弧电压是根据单相接地后健全相电压而定的，它的确定主要取决于电网接地方式。

• 阀型避雷器是用来保护发、变电设备的主要元件，由空气间隙和一个非线性电阻并联装在密封的瓷瓶中构成。

• 在有较高幅值的雷电波侵入被保护装置时，避雷器的间隙首先放电，限制了电气设备上的过电压幅值。

• 在泄放雷电流的过程中，由于碳化硅阀片的非线性电阻值大大减小，又使避雷器上的残压限制在设备绝缘水平下。雷电波过后，放电间隙恢复，碳化硅阀片的非线性电阻值又大大增加，自动地将工频电流切换，保护了电气设备。

• 在正常电压下，非线性电阻值很大，而过电压时，其阻值又很小，避雷器正是利用非线性电阻这一特性而防雷的。

• 在雷电波侵入时，由于电压很高（即发生过电压），间隙被击穿，而非线性电阻阻值很小，类似阀门开启，雷电流便迅速进入大地，从而防止雷电波的侵入。当过电压消失之后，非线性电阻阻值很大，类似于关闭的阀门，间隙又恢复为断路状态，使工频电流很难通过。

• 灭弧电压：在保证 切断工频续流的条件下，允许加在避雷器上的最高工频电压。

• 按电网中性点接地方式分析健全相电压升高的程度：

  • 对中性点不接地的电网，x0为线路对地容抗，其值很大，此时有 稍大于1，采用“110％避雷器”。
  • 对中性点经消弧线圈接地的35～60kV电网，理想情况为全补偿，脱谐度近似为零，采用“100％避雷器”。
  • 对中性点有效接地的110～220kV电网，接地系数控制在0.75以内，采用“80％避雷器”。

3.3 甩负荷引起的工频电压升高

甩负荷效应主要是从三方面导致工频电压升高：
（1）线路输送功率相当大的有功和感性无功时，电源电势高于母线电压；
（2）线末从带负荷变为末端开路，出现空载长线的电容效应；
（3）原动机的调速器和制动设备的惰性使发电机有短时间的转速增加，造成电势及其频率都有所上升，加剧工频电压升高。

四 谐振过电压

• 线性谐振过电压
  电感元件与系统中的电容元件所组成的串联谐振回路。
• 铁磁谐振过电压
  往往与铁芯电感的饱和相联系，此时电感值不再是常量。
• 参数谐振过电压
  系统中的某些元件的参数在外力作用下发生周期变化而诱发的。

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复习大纲

高电压技术

1、课程内容

2、第一篇 电介质的电气强度

2.1 气体放电的基本物理过程

（1） 气体放电理论

汤逊理论与流注理论、 两种理论的适用条件及异同点；自持放电与非自持放电；气体放电或击穿电压影响因素。

汤逊理论与流注理论

汤逊气体放点理论的基本观点：
电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。

流注理论的基本观点：
（1）以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程；
（2）放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注；
（3）流注一旦形成，放电转入自持。

两种理论的适用条件及异同点

• 汤逊理论适用于均匀电场、低气压、短间隙的条件。流注理论适用于均匀电场、高气压、长间隙的条件。
• 汤逊气体放电理论适用于：均匀电场、低气压、短间隙（pd值较小）气体的击穿。
• 流注理论适用于：均匀电场、大气压、长间隙（pd值较大）气体的击穿。以 pd=26.66kPa·cm 或 200mmHg·cm 作为分界参考
• 相同点：
  • 放电起始：两种理论都认为放电始于起始有效电子通过碰撞游离形成电子崩
  • 电子碰撞电离：两种理论都涉及到电子碰撞电离作为放电过程中的一个重要因素
• 放电外形：流注放电具有通道形式，而根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展
• 放电时间：根据流注理论，二次电子崩的起始电子由光电离形成，流注发展更迅速，击穿时间比由汤逊理论推算的小得多

自持放电与非自持放电

电子碰撞电离是气体电离的主要原因；

• 正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件。
• 阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据 。

初崩头部的电子数要达到 时，放电才能转为自持，出现流注
（1）均匀电场与稍不均匀电场相似，放电达到自持，间隙即被击穿，即击穿电压就是其自持放电电压。
（2）极不均匀电场：场强高的空间先发生电晕放电，自持放电电压为电晕起始电压

气体放电或击穿电压影响因素。

电场均匀程度、电压作用时间、气体压强、湿度
完成气隙击穿的三个条件：
（1）足够大的电场强度或足够高的电压；
（2）在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子；
（3）需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。

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（2） 不均匀电场中的放电过程：

电晕放电及其派生效应（ 电晕损耗、无线电干扰和可听噪声）； 极性效应及其基本结论， 如棒板气隙正极性与负极性下放电起始电压、气隙击穿电压的关系， 实际中的典型应用场景。

1. 电晕放电及其派生效应（ 电晕损耗、无线电干扰和可听噪声）
   由于电场强度沿气隙的分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近空间的电场强度首先达到了起始场强E0，因而在这个局
   部区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电。
   （1）电晕放电是极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段。
   （2）极不均匀电场的自持放电现象，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。
   （3）外加电压增大，电晕区随之扩大，放电电流也增大（由微安级到毫安级）。但气隙总的来看，还保持绝缘状态。

2. 极性效应及其基本结论-棒板气隙正极性与负极性下放电起始电压、气隙击穿电压的关系。实际中的典型应用场景。

棒极为正极性时，不容易发生电晕放电，但是起晕后到完全击穿击穿电压低。
棒极为负极性时，容易发生电晕放电，但起晕后，受空间电荷影响，使完全击穿击穿电压升高。

当间隙距离相同时（短间隙），电晕起始电压正极大于负极，击穿电压正极霄宇负极。

工程实际中，输电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生在正半波。

在进行外绝缘的冲击高压试验时往往加正极性冲击电压，因为这时电气强度较低。在工频高压作用下，击穿均发生在外加电压为正极性的那半周内。

（3） 放电时间和冲击电压下的气隙击穿：

放电时间的组成、冲击电压波形及其模拟工况、冲击电压下气隙击穿特性的表征方法（50%冲击击穿电压、伏秒特性）

放电时间的组成

气隙施加电压，从零迅速上升至峰值U，然后保持不变：

• t1－气隙在持续电压下的击穿电压为Us，为所加电压从0上升到Us的时间；
• ts－从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时间称为统计时延ts；
• tf－出现有效电子后，引起碰撞电离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙的击穿。这个过程需要的时间称为放电形成时延tf。

总的放电时间：tb=t1+ts+tf，后面两个分量之和称为放电时延tlag=ts+tf

tb和tlag都具有统计性：放电时间tb和tlag放电时延的长短都与所加电压的幅值U有关，总的趋势是U越高，放电过程发展的越快，tb和tlag越短。
思考：Why？更高的电场强度意味着电子在电场中获得的能量更大，从而更容易发生电离，加速放电过程的发展；在高电场强度下，电子崩的发展更为迅速。更高的电压幅值 、更强的电场，这将加速电子崩的发展，缩短放电时间和放电时延

冲击电压波形及其模拟工况

标准雷电冲击电压波：用于模拟电力系统中的雷电过电压波。

标准操作冲击电压波：用于模拟电力系统中的操作过电压波。

冲击电压下气隙击穿特性的表征方法（50%冲击击穿电压、伏秒特性）

50％冲击击穿电压 ：在工程实际中广泛采用击穿百分比为50％时的电压（ U50% ）来表征气隙的冲击击穿特性。击穿的概率为50% 。

伏秒特性：冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压－时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性曲线，它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。

如果要求S2能可靠地保护S1，则S2的伏秒特性必须全面低于S1。

（4） 沿面放电和污闪事故：

沿面放电的基本概念、滑闪的基本过程及应对措施、污闪的基本过程及应对措施。

沿面放电的基本概念

沿面放电：沿绝缘子和空气的分界面上发生的放电现象
闪络：沿面放电发展到贯穿性的空气击穿
注意：沿面放电也是一种气体放电现象，沿面闪络电压比气体或固体单独存在时的击穿电压都低。

沿面放电的影响因素
（1）固体绝缘材料特性：取决于材料的亲水性或憎水性
（2）介质表面的粗糙度；
（3）固体介质与电极间的气隙大小。

滑闪的基本过程及应对措施

• 滑闪放电的机理

（1）法兰B处沿介质表面的电流密度最大，该处介质表面的电位梯度也最大；
（2）当此处电位梯度达到使气体电离的数值时，有初始沿面放电；
（3）电压升高，放电进一步发展，在较强的电场垂直分量作用下，带电质点不断撞击介质表面，使局部温度升高。且电压的增加会使介质表面局部温度也就升得更高。
（4）一定电压下，当温度高达足以引起气体热电离时，通道中带电质点剧增、电阻剧降，通道头部场强也剧增，导致通道迅速增长，放电转入滑光放电阶段。所以，滑闪放电是以介质表面放电通道中发生热电离作为特征的。
（5）出现滑闪放电后，放电发展很快，会很快贯通两电极，完成闪络。

污闪的基本过程及应对措施。

污闪过程四个阶段：积污->受潮 -> 干区形成 -> 局部电弧

积污是污闪的根本原因

污闪电压：绝缘子表面有湿污层时的闪络电压（污层表面电阻率）。

污闪不再是单纯空气间隙的击穿，而是脏污表面气体电离和局部电弧发展、熄灭、重燃、再发展的过程。

具体过程为：

（1）污秽的沉积：来源？成分？污秽积累与自清洁并存

（2）污秽的受潮：受潮——导电水膜——有泄露电流沿绝缘子表面流过，但大雨起到清洗作业，不是最危险的条件。污闪最为危险的条件：天气很潮湿，污层逐渐吸湿受潮但又没有流失

污层被水分湿润后电导增大，泄露电流产生的焦耳热使得水分蒸发，污层变干。表面电阻大的地方干得快，形成“干燥”带，
（3）干燥带承受高压，产生辉光放电。辉光放电具有上升的伏安特性，火花区域仍承受一定的电压。

（4）线状放电火花跳动，热量使干燥带扩大，湿润区缩小；

（5）电流增大，引起热电离，形成局部电弧放电。 局部电弧

（6）电弧通道电阻远远低于原来干燥部分的表面电阻，使泄露电流增大，电弧烘干邻近区域，并迅速发展，电弧被伸长。

（7）电弧连通电极，形成闪络。 表面闪络

防止绝缘子污闪的措施：
（1）调整爬距（增大泄露距离） 爬电比距λ：指外绝缘“相—地”之间的爬电距离(cm) 与系统最高工作（线）电压（kV,有效值）之比。一定要遵循规定的爬电比距来选择绝缘子串的总爬电距离和片数。
（2）定期或不定期的清扫
（3）涂料
（4）半导体釉绝缘子
（5）新型合成绝缘子

2.2 气体介质的电气强度

（1） 极不均匀电场中的击穿特性：

直流、交流、雷电冲击电压和操作冲击电压

（一）“棒—棒”气隙和“棒—板”气隙在直流电压作用下的击穿特性

（二）“棒—棒”气隙和“棒—板”气隙在交流电压作用下的击穿特性
在工频交流电压下测量气隙的击穿电压时，通常是将电压慢慢升高，直至发生击穿。升压的速率一般控制在每秒升高预期击穿电压值的3％左右。

“棒一板”气隙的击穿总是发生在棒极为正极性的那半周的峰值附近，可见其工频击穿电压的峰值一定与正极性直流击穿电压相近，甚至稍小。

解释：棒极附近空间电场会因上一半波电压所遗留下来的电荷而加强。

“棒—棒”气隙的工频击穿电压比“棒—板”气隙高一些——相对而已，前者的电场均匀程度高于后者。

（三）“棒—棒”气隙和“棒—板”气隙在雷电冲击电压作用下的击穿特性

（四）“棒—棒”气隙和“棒—板”气隙在操作冲击电压作用下的击穿特性
操作冲击电压的波形对气隙的电气强度有很大影响，气隙的50%操作冲击电压与波前时间的关系曲线呈“U”型。

（2） 提高气体介质电气强度的方法：

共 6 种，以教材为准

（1）改进电极形状以改善电场分布
（2）利用空间电荷改善电场分布
（3）采用屏障
（4）采用高气压
（5）采用高真空
（6）采用高电气强度气体

（3） 六氟化硫和气体绝缘电气设备：

六氟化硫的绝缘性能、不均匀电场中六氟化硫的击穿特性及其影响因素

电气强度是空气的2.5-3倍，在均匀电场中高

灭弧能力是空气的100倍左右，对于超特高压开关至关重要

SF6高压断路器的气压在0.7MPa左右

影响因素：电极表面缺陷和导电微粒

（4） 常见的气体绝缘电气设备

2.3 液体和固体介质的电气特性

（1） 液体和固体介质的极化、电导和损耗：

如极化类型及其不同极化的主要特征、电导与损耗的基本概念等

极化：电介质在外电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。此时，电荷的偏移大都是在原子或分子的范围内作微观位移，并产生电矩（即偶极矩）

介质极化的分类：电子式、离子式、偶极子、夹层和空间电荷极化

1. 电子式极化：电子在外电场作用下使电子轨道相对于原子核发生位移，产生感应电矩的过程。存在于一切介质中，时间短（其 值不受外电场频率的影响 ），弹性位移、无能量损耗、温度对其影响不大。
2. 离子式极化：由离子结合成的电介质内，外电场作用使正、负离子产生微小位移。时间短，弹性，无能量损耗，一般具有正的温度系数。
3. 偶极子极化：有些电介质分子很特别，具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，即为极性分子，对应的电介质为极性电介质（橡胶、纤维素等）。单个分子具备偶极矩，在外电场作用下在电场方向的取向概率增加，对外具有了电场方向的偶极矩。非弹性，极化过程有能量消耗，电场与温度影响大。
4. 夹层介质界面极化：多层电介质，合闸瞬间初始电压比不等于稳态电压比，各层电压从最初按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导分布，在这一过程中夹层界面上会积聚一些电荷，使整个介质的等值电容增大。\分界面上会聚集其一批多余的空间电荷，即为夹层极化所引起的吸收电荷。电荷积聚过程中形成的电流称为吸收电流（位移电流）。伴随有能量损耗，且过程较慢，这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。
5. 空间电荷极化：介质内的自由正、负离子在电场作用下移动，改变分布状况，在电极附近形成空间电荷。时间约为几秒钟到数十分钟，甚至数十余小时；属非弹性极化，有能量损耗；随温度的升高而下降，只有在直流和低频下发生。

电导率/电阻率：表征电介质导电性能的主要物理量

从电介质的极化和电导可以看出，介质在电压作用下有能量损耗。一种是由电导引起的损耗；另一种是由某种极化引起的损耗。
介质损耗：电介质的能量损耗，可以用来判断绝缘材料的质量和状态。
直流电压下，介质损耗仅由电导引起，用体积电导率和表面电导率两个物理量能表征介质在直流下的损耗特性。
交流电压下，除电导损耗外，还有周期性极化引起的损耗，用介质损耗来描述。

介质的功率损耗

（2） 液体介质的击穿：

击穿理论（与气泡击穿理论）、变压器油击穿电压的影响因素及其提高方法：水分、油温、电场均匀度、电压作用时间、油压

电子碰撞电离理论与气泡击穿理论 P63

（3） 固体介质的击穿：

击穿理论（电击穿理论、热击穿理论和电化学击穿）、影响固体介质击穿电压的主要因素：电压作用时间、电场均匀程度、温度、受潮和累积效应

（4） 组合绝缘的电气强度：

组合绝缘各层电压的分配原则、 各层电场的计算如均匀电场双层介质电场强度的计算、 及气隙是否击穿的判断等

备注：习题的形式可参考电气工程基础（2） 习题集的 16-1 至 16-15

3、第二篇 电气设备绝缘试验

（1） 电气设备绝缘预防性试验与破坏性试验的基本定义及有哪些类型，如破坏性试验包括耐压试验和击穿试验；

绝缘试验分为非破坏性试验和破坏性试验，二者之间的关系？
非破坏性试验：检测绝缘除电气强度以外的其它电气性能，是在较低的电压下或用其它不损失绝缘的方法进行的，具有非破坏性的性质。
破坏性试验：检测绝缘的电气强度，如耐压试验和击穿试验，具有破坏性的特征，所加的试验电压很高，以考虑绝缘耐受各种过电压的能力，试验过程很有可能带来不可逆转的局部损伤或者整体损伤。

变压器相关试验：型式试验+出厂试验+现场试验+特殊试验

非破坏性试验和破坏性试验的关系
（1）不存在固定的定量关系；
（2）不能根据非破坏性试验所得数据去推断绝缘的耐压水平和或击穿电压，反之亦然；
（3）两种试验都必不可少；
（4）破坏性耐压试验放在非破坏性试验合同通过之后进行。

新设备投入运行前交接、安装和调试等环节；

运行中的各种电气设备的绝缘定期进行检查，及早发现绝缘缺陷，及时更换或修复，防患于未然；

绝缘预防性试验的目的：绝缘故障大都因内部存在缺陷而引起，缺陷哪里来？——设备制造过程中+运行过程中外界影响因素作用下

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（2） 绝缘电阻、吸收比、泄露电流、介质损耗角正切、局部放电的基本概念；

绝缘电阻是一切电介质和绝缘结构的绝缘状态最基本的综合性特征参数。

吸收比：电流衰减过程中两个瞬间测得两个电流值或两个相应的绝缘电阻值对应的比值。吸收比之值恒大于1，越大，表示吸收现象越显著，绝缘性能越好。

泄露电流：直流电压下测量绝缘的泄露电流与绝缘电阻测量在原理上是一致的，泄露电流的大小实际上就反映了绝缘电阻值。

损耗角正切 tgδ 可反映绝缘的整体性缺陷（如全面老化） 和小电容试品中的严重局部性缺陷，由其随电压而变化的曲线，可判断绝缘是否受潮、含有气泡及老化的程度。

局部放电：气隙放电时，试品两端的电压会下降 ，相当于试品放掉电荷q

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（3） 测量绝缘电阻、吸收比、泄露电流、介质损耗角正切值等分别反映哪些绝缘缺陷；

绝缘电阻-绝缘材料的整体电阻特性，低绝缘电阻可能表明绝缘材料受潮、老化、腐蚀或存在裂痕

吸收比-吸收比小于1.3可能表明绝缘材料受潮或存在缺陷。
吸收比的降低可能是由于绝缘材料中的极化效应，这在受潮或老化的绝缘中更为明显。

泄漏电流-泄露电流的增加可能表明绝缘材料存在缺陷，如裂纹、孔洞或老化。
泄露电流的异常可能与绝缘材料的局部放电、电化学腐蚀或内部导电路径有关。

介质损耗角正切-绝缘是否受潮、含有气泡及老化的程度。

受潮：绝缘材料吸收了水分，导致绝缘性能下降。
老化：绝缘材料因长时间使用而退化，失去原有的绝缘性能。
化学腐蚀：绝缘材料受到化学作用，导致绝缘性能降低。
机械损伤：绝缘材料受到物理损伤，如裂纹、划痕或孔洞。
局部放电：绝缘材料内部或表面存在局部放电现象，可能导致绝缘性能逐渐下降。
污染：绝缘材料表面或内部积累了灰尘、污垢或其他污染物，影响绝缘性能

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（4） 介质损耗角正切的测量方法；

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（5） 真实放电量、视在放电量、表征局部放电的参数、及局部放电的检测方法

视在电荷量q是发生局部放电时试品电容 Ca 所放掉的电荷，也是电容Cb上的电荷增量（ ）；

• 阻抗Z的阻隔，上述过程中电源u几乎不起作用。
• 视在放电量与真实电荷量的关系：q比qr小得多，且存在比例关系
• q可相对反映qr的大小。

及局部放电的检测方法：脉冲电流法

表征局部放电的三个参数：视在放电量、放电重复率和放电能量。

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（6） 绝缘的高电压试验/耐压试验：工频高压、操作过电压和雷电过电压； 耐压试验中电力设备击穿的影响因素有哪些？

4、第三篇：电力系统过电压与绝缘配合

4.1 输电线路和绕组中的波过程

（1） 波沿均匀无损单导线的传播：波阻抗与波速度
（2） 行波的折射和反射：接地、短路和阻抗匹配时的折反射系数、彼得逊法则及其应用、波通过串联电感和并联电容
（3） 行波的多次折反射：
（4） 波在有损耗线路上的传播。

备注： 习题的形式可参考课件、及电气工程基础（2）习题集的 15-1 至 15-11

4.2 内部过电压

（1） 过电压的定义和分类

过电压（over-voltage）：超过正常运行电压可能引起绝缘损坏的电压升高。电网在正常运行时要承受正常运行电压和过电压的作用。

分为雷电过电压和内部过电压

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（2） 工频电压升高

空载长线电容效应、不对称短路、甩负荷引起

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（3） 切断空载线路过电压：过电压的发展机理、影响因素 P212

发展过程放弃

影响因素：中性点接地方式、断路器性能、母线上的出线数、断路器外侧时候又电磁式电压互感器等设备

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（4） 空载线圈合闸过电压：发展过程与影响因素 P215

发展过程放弃

影响因素：合闸相位、线路损耗、线路残余电压的变化