《高电压技术》共分13章,主要介绍电介质极化、电导和损耗特性;气体放电机理、击穿特性及提高击穿电压的方法;固体、液体和组合绝缘的电气性能;电气设备绝缘特性试验原理及方法;电气设备绝缘耐压试验原理及方法;波过程的基本理论及其在过电压分析中的应用;防雷装置及输电线路、发电厂、变电站的防雷保护;电力系统内部过电压及其防护措施和电力系统绝缘配合的基本方法等。

第1章 电介质的极化、电导与损耗
电介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的,按其物质形态,可分为气体介质、液体介质和固体介质。在实际的电气设备中,绝缘材料往往是由多种不同的电介质组合而成,因而具有不同的电气特性。一般电气特性可以概括为极化特性、电导特性、损耗特性和击穿特性。表征这些电气特性的基本参数是相对介电常数ε、电导率σ、介质损耗因数tanδ和击穿电场强度Eb。本章主要介绍电介质的极化、电导与损耗特性。
1.1 电介质的极化
1.1.1 电介质物质结构的基本知识
物质的性质与其微观结构有直接的关系,为掌握电介质在电场中的现象和本质,必须了解其微观结构。电介质是指能在其中持久建立静电场的物质。
1. 形成分子和聚集态的各种键
分子由原子或离子组成;气体、液体和固体三种聚集态由原子、离子或分子组成。键代表质点间的结合方式,分子及三种聚集态的性质与键的形式密切相关。分子内相邻原子间的结合力称为化学键,化学键有离子键和共价键两大类。分子与分子间的结合力称为分子键。下面分别从电介质的角度讨论各类键的性质。
1)离子键
电负性相差很大的原子相遇,原子间发生电子转移,电负性小的原子失去电子而成为正离子;电负性大的原子获得电子而成为负离子。正、负离子由库仑力结合成分子,即正、负离子间形成离子键。离子键的键能很高,很多正、负离子借离子键结合起来,形成离子性固体,例如NaCl晶体。大多数无机介质都是靠离子键结合起来,如玻璃、云母等,其中排列不规则的称为无定形体;排列规则的称为微晶结构。
2)共价键
由电负性相同或相差不大的两个或几个原子通过共有电子对结合起来,达到稳定的电子层结构,称为共价键。共价键有非极性共价键和极性共价键。
非极性共价键的电子对称分布,分子正、负电荷**重合。非极性共价键构成非极性分子,如H2中H—H键、O2中O=O键等,极性共价键的电子分布不对称,分子的正、负电荷**不重合,如图1-1所示的H2O中的H—O键是极性键,且分子的正、负电荷**不重合,因此,水分子是极性分子;CH4虽然含有极性共价键,但由于分子结构对称,造成分子对外不显极性,因此CH4是非极性分子。有机电介质都是由共价键结合而成,某些无机晶体如金刚石也是由共价键结合而成。
图1-1 不同电介质的极性
3)分子键
分子以相互间的吸引力结合在一起,形成分子键。
2. 电介质的分类
一般无机材料以离子键结合;有机材料以分子键结合;分子内部以共价键结合。根据这些电荷在分子中的分布特性,可以把电介质分为三类:非极性电介质、极性电介质和离子性电介质。
1)非极性电介质
由非极性分子组成的电介质称为非极性电介质,如氮气、聚四氟乙烯等。有些电介质由于存在分子异构或支链,多少有些极性,称为弱极性电介质,如聚苯乙烯等。
2)极性电介质
极性电介质是由极性分子组成的电介质。如聚氯乙烯、有机玻璃、蓖麻油、胶木、纤维素等。
3)离子性电介质
离子性电介质只有固体形式,没有个别的分子。离子性电介质总体上分为晶体和无定形体两大类。晶体的排列规则,强度、硬度、熔点都较高;无定形体的排列不规则,弹性、塑性较好。例如:云母是晶体结构;石英是无定形体结构;电瓷的结构既有晶体,又有无定形体。
1.1.2 电介质的极化和相对介电常数
在外加电场作用下,电介质中的正、负电荷将沿着电场方向作有限的位移或者转向,形成电矩,这种现象称为电介质的极化。
如图1-2(a)所示的平行板电容器,当两极板之间为真空时,在极板间施加直流电压U,这时两极板上则分别充有正、负电荷,其电荷量为
图1-2 电介质的极化
(1-1)
式中:C0为真空电容器的电容量。
如果在此极板间填充其他电介质,如图1-2(b)所示,这时在外加的直流电场作用下,电介质中的正、负电荷将沿电场方向作有限的位移或转向,从而使电介质表面出现与极板电荷相反极性的束缚电荷,即电介质发生了极化。因为外施的直流电压U不变,所以为保持极板间的电场强度不变,这时必须再从电源吸取一部分电荷Q'到极板上,以抵消束缚电荷的作用。由此可见,由于极板间电介质的加入,极板上的电荷量从Q0增加到Q。
(1-2)
式中:C为加入电介质后两极板间的电容量。显然这时的电容量C比两极板间为真空时的电容量C0增大了。C与C0的比值称为该电介质的相对介电常数。
(1-3)
式中:ε为填充介质的介电常数,真空的介电常数 为8.86×10?14 F/cm。
工程上一般采用相对介电常数,电介质的相对介电常数εr越大,电介质的极化特性越强,由其构成的电容器的电容量也越大,所以εr是表示电介质极化强度的一个物理参数。
真空的相对介电常数εr = 1,各种气体电介质的εr都接近于1,常见气体的相对介电常数如表1-1所示,而液体、固体电介质的εr一般在2~10。
表1-1 某些气体的相对介电常数εr(20 ℃,101.33 kPa)
电介质的相对介电常数εr在工程上具有重要的使用意义,举例如下。
(1)在制造电容器时,应选择适当的电介质。为了使一定体积的电容器具有较大的电容量,应选择εr较大的电介质。
(2)在设计某些绝缘结构时,为了减小通过绝缘的电容电流及由极化引起的发热损耗,这时不宜选择εr太大的电介质。
(3)在交流及冲击电压作用下,由于多层串联电介质中的电场分布与成反比,所以可利用不同εr的电介质的组合来改善绝缘中的电场分布,使之尽可能趋于均匀,以充分利用电介质的绝缘强度,优化绝缘结构。例如,在电缆绝缘中,由于电场沿径向分布不均匀,靠近电缆芯线处的电场*强,远离芯线处的电场较弱,因此,可以利用不同介电常数的电介质作为电缆绝缘,可以使内层绝缘的εr大于外层绝缘的εr,这样就可以使电缆芯线周围绝缘中的电场分布趋于均匀。
1.1.3 极化的基本形式
电介质的物质结构不同,其极化形式也不同。电介质极化的基本形式有以下几种。
1. 电子式极化
组成一切电介质的基本质点是原子、分子和离子。原子是由带正电荷的原子核和围绕核旋转的电子形成的“电子云”构成。当不存在外加电场时,围绕原子核旋转的电子云的负电荷的作用**与原子核所带正电荷的作用**相重合,如图1-3(a)所示,由于其正、负电荷量相等,故此时电矩为零,对外不显示电极性。当外加一电场E,在电场力的作用下将使电子的轨道相对于原子核产生位移,从而使原子中正、负电荷的作用**不再重合,形成电矩,如图1-3(b)所示。这个过程主要是由电子在电场作用下的位移所造成,故称为电子式极化。
图1-3 电子式极化
电子式极化具有如下特点。
(1)一切物质都是由原子构成,因此,电子式极化存在于所有电介质中。
(2)由于电子异常轻小,电子式极化所需时间极短,约10?15 s,极化响应速度快,通常相当于紫外线的频率范围。它在各种频率的交变电场中均能发生,故εr不随频率而变化,同时温度对电子式极化的影响也极小。
(3)电子式极化具有弹性。在去掉外电场作用时,依靠正负电荷之间的吸引力,其作用**即可重合而恢复成中性。
(4)电子式极化消耗的能量可以忽略不计,称为“无损极化”。
2. 离子式极化
在离子式结构的电介质中,无外加电场作用时,正、负离子杂乱无章地排列,正负电荷的作用相互抵消,对外不呈现电极性,如图1-4(a)所示。当有外电场作用时,除了促使各个离子内部产生电子式极化之外,还将产生正、负离子的相对位移,使正、负离子按照电场的方向进行有序排列,形成极化,这种极化称为离子式极化,如图1-4(b)所示。
图1-4 离子式极化
形成离子式极化的时间也很短,约为10?13 s;其极化响应速度通常在红外线频率范围,也可在所有频率范围内发生;离子式极化也是弹性的,消耗的能量也可忽略不计。因此离子式极化也属于无损极化。
3. 偶极子式极化
在极性分子结构的电介质中,即使没有外加电场的作用,分子中正、负电荷的作用**已不重合,就其单个分子而言,已具有偶极矩,因此这种极性分子也叫偶极子。但由于分子不规则的热运动,使各极性分子偶极矩的排列没有秩序,从宏观而言,对外并不呈现电极性。当有外电场作用时,偶极子受到电场力的作用而转向电场的方向,因此,这种极化被称为偶极子式极化,或转向极化,如图1-5所示。
图1-5 偶极子式极化
偶极子式极化由于偶极子的结构尺寸远比电子或离子大,当转向时需要克服分子间的吸引力而消耗能量,因此属于有损极化,且极化时间较长,为10?6~10?2 s,通常认为其极化响应速度在微波以下。所以,在频率不高,甚至在工频交变电场中偶极子式极化的完成都有可能跟不上电场的变化,极性电介质的εr会随电源的频率而改变,频率增加,εr减小,如图1-6所示,其中εd为初始值, 为随f变化的数值。
温度(T)对极性电介质的εr也有很大影响,其关系较为复杂,如图1-7所示。当温度升高时,由于分子间的联系力削弱,使极化加强;但同时由于分子的热运动加剧,又不利于偶极子沿电场方向进行有序排列,从而使极化减弱。所以极性电介质的εr*初随温度的升高而增大,当温度的升高使分子的热运动比较强烈时,εr又随温度的升高而减小。
图1-6 频率对极性电介质的εr的影响图1-7 温度对极性电介质的εr的影响
4. 空间电荷极化
因为电介质中多少存在一些可迁徙的电子或离子,所以这些带电质点在电场作用下将发生移动,并聚积在电极附近的介质界面上,形成宏观的空间电荷,这种极化称为空间电荷极化。
空间电荷极化一般进行得比较缓慢,而且需要消耗能量,属于有损极化。在电场频率较低的交变电场中容易发生这种极化,而在高频电场中,由于带电质点来不及移动,这种极化难以发生。
在高电压工程中,许多设备的绝缘都是采用复合绝缘,如电缆、电容器、电机和变压器绕组等,在两层介质之间常夹有油层、胶层等形成夹层介质结构。对于不均匀的或含有杂质的介质,或者受潮的介质,事实上也可以等价为这种夹层介质来看待。
夹层介质在电场作用下,由于各层电介质的介电常数不同,其电导率也不同,当加上电压后各层间的电场分布将会出现从加压瞬时按介电常数呈反比分布,逐渐过渡到稳态时的按电导率呈反比分布,由此在各层电介质中出现了一个电压重新分配的过程,*终导致在各层介质的交界面上出现宏观上的空间电荷堆积,形成所谓的夹层极化。
夹层极化是多层电介质组成的复合绝缘中产生的一种特殊的空间电荷极化,其极化过程特别缓慢,所需时间由几秒到几十分钟,甚至更长,且极化过程伴随有较大的能量损耗,所以也属于有损极化。
以双层介质为例来说明夹层极化的形成过程。图1-8(a)为双层介质的示意图,图1-8(b)为双层介质的等值电路,C1、C2分别为介质I和II的电容,G1、G2分别为其电导。当突然加上直流电压U的初瞬(t→0时),电压由0很快上升到U,电导几乎相当于开路,这时两层介质上的电压按电容呈反比分布,即

目录 第1章 电介质的极化、电导与损耗 1 1.1 电介质的极化 1 1.1.1 电介质物质结构的基本知识 1 1.1.2 电介质的极化和相对介电常数 2 1.1.3 极化的基本形式 4 1.2 电介质的电导 7 1.2.1 电介质的吸收现象 7 1.2.2 电介质的电导 8 1.3 电介质的损耗 10 1.3.1 电介质损耗的基本概念 10 1.3.2 介质损耗因数 10 1.3.3 影响电介质损耗的因素 12 习题 13 第2章 气体放电理论 15 2.1 带电质点的产生和消失 15 2.1.1 带电质点的产生 15 2.1.2 气体中带电质点的消失 20 2.2 均匀电场下气体的放电机理 20 2.2.1 汤逊放电理论 21 2.2.2 流注放电理论 27 2.3 不均匀电场中的气体放电特性 30 2.3.1 电场不均匀程度的划分 30 2.3.2 电晕放电 30 2.3.3 极不均匀电场中气隙放电的极性效应 34 2.3.4 极不均匀电场长间隙的击穿过程 36 2.3.5 长气隙的预放电 36 2.4 雷电放电 37 2.4.1 概述 37 2.4.2 雷电的先导过程 38 2.4.3 雷电的主放电过程 39 2.4.4 雷电的后续分量 40 习题 41 第3章 气隙的电气强度 42 3.1 气隙的击穿时间 42 3.2 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布 43 3.2.1 电压波形 43 3.2.2 伏秒特性 46 3.2.3 气隙击穿电压的概率分布 49 3.3 大气条件和海拔对气隙击穿电压的影响 49 3.3.1 大气条件对放电电压的影响 49 3.3.2 海拔对放电电压的影响 52 3.4 电场均匀程度对气隙击穿电压的影响 52 3.4.1 均匀电场气隙的击穿特性 52 3.4.2 稍不均匀电场的击穿特性 53 3.5 极不均匀电场气隙的击穿电压 53 3.5.1 直流电压作用下 54 3.5.2 工频电压作用下 54 3.5.3 雷电冲击电压 55 3.5.4 操作冲击电压作用下 56 3.5.5 叠加性电压作用下 59 3.6 提高气隙击穿电压的方法 60 3.6.1 改善电场分布 60 3.6.2 采用高度真空 61 3.6.3 **气压 61 3.6.4 采用高耐电强度气体 61 3.7 SF6气体的特性 62 3.7.1 SF6气体的理化特性 62 3.7.2 SF6气体的绝缘特性 63 3.7.3 SF6气体与其他气体混合时的特性 63 3.7.4 气体绝缘全封闭组合电器 65 3.7.5 SF6气体的运行和维护 65 3.8 气隙的沿面放电 66 3.8.1 界面电场分布的典型情况 67 3.8.2 均匀电场中的沿面放电 67 3.8.3 极不均匀电场中的沿面放电 68 3.8.4 固体表面有水膜时的沿面放电 70 3.8.5 覆冰时的沿面放电 72 3.9 绝缘子表面污秽时的沿面放电 72 3.9.1 污闪的基本概念 72 3.9.2 污闪的基本过程 73 3.9.3 污秽程度的评价 74 3.9.4 **污闪的措施 75 3.10 提高气隙沿面闪络电压的方法 76 3.10.1 屏障 76 3.10.2 屏蔽 77 3.10.3 消除窄气隙 77 3.10.4 绝缘表面处理 77 3.10.5 附加金具 77 3.10.6 阻抗调节 78 习题 78 第4章 固体、液体和组合绝缘的电气强度 79 4.1 固体电介质的击穿特性 79 4.1.1 固体电介质击穿的机理 79 4.1.2 影响固体电介质击穿电压的因素 82 4.1.3 提高固体电介质击穿电压的方法 85 4.2 固体电介质的老化 85 4.2.1 固体介质的环境老化 85 4.2.2 固体介质的电老化 86 4.2.3 电老化对绝缘寿命的影响 88 4.2.4 固体介质的热老化 89 4.3 液体电介质的击穿 91 4.3.1 液体电介质的击穿机理 91 4.3.2 影响液体电介质击穿电压的因素 92 4.3.3 提高液体电介质击穿电压的方法 96 4.4 组合绝缘的电气强度 97 4.4.1 组合绝缘介质的配合特性 97 4.4.2 组合绝缘中的电场 99 习题 102 第5章 电气设备绝缘特性试验 103 5.1 绝缘电阻和吸收比的测量 103 5.1.1 兆欧表的工作原理 104 5.1.2 绝缘电阻的测试方法 105 5.1.3 吸收比的测量 105 5.1.4 影响因素 106 5.1.5 测量绝缘电阻时的注意事项 106 5.2 直流泄漏电流的测量 107 5.2.1 试验接线 107 5.2.2 直流电源的输出参数的要求 108 5.2.3 微安表的保护 109 5.2.4 测量时的注意事项 109 5.2.5 与绝缘电阻测量方法的比较 109 5.3 介质损耗角正切值的测量 110 5.3.1 QS1型电桥原理 110 5.3.2 接线方式 111 5.3.3 影响电桥准确度的因素 111 5.3.4 测试时应注意的事项 112 5.3.5 测量结果的分析判断 114 5.4 局部放电的测量 115 5.4.1 测量原理 115 5.4.2 测量回路 116 5.4.3 注意事项 118 5.5 绝缘油中溶解气体分析 118 5.5.1 特征气体的组分分析 119 5.5.2 特征气体的含量分析 119 5.5.3 特征气体含量随时间的增长率 120 习题 122 第6章 电气设备绝缘耐压试验 123 6.1 工频耐压试验 123 6.1.1 工频耐压试验接线 123 6.1.2 工频高压试验变压器 124 6.1.3 调压方式 126 6.1.4 串联谐振试验装置 128 6.1.5 工频高压的测量 129 6.1.6 试验分析及注意事项 133 6.2 直流耐压试验 134 6.2.1 直流耐压试验的特点 134 6.2.2 直流高压的产生 134 6.2.3 直流高压的测量 140 6.3 冲击耐压试验 141 6.3.1 冲击电压波形近似计算 142 6.3.2 雷击冲击电压的获得 144 6.3.3 冲击高电压的测量 145 习题 148 第7章 线路和绕组的波过程 149 7.1 无损耗单导线线路中的波过程 149 7.1.1 波过程的一些物理概念 149 7.1.2 波动方程 152 7.2 行波的折射和反射 154 7.2.1 折射波和反射波的计算 155 7.2.2 几种特殊条件下的折、反射波 156 7.2.3 计算折射波的等值电路(彼德森法) 157 7.3 行波通过串联电感和并联电容 159 7.3.1 无限长直角波通过串联电感 159 7.3.2 无限长直角波通过并联电容 161 7.4 行波的多次折、反射 164 7.4.1 用网格法计算波的多次折、反射 164 7.4.2 串联三导线典型参数配合时波过程的特点 165 7.5 行波在平行多导线系统中的传播 166 7.5.1 平行多导线系统中的传播方程 167 7.5.2 典型实例 168 7.6 冲击电晕对线路波过程的影响 171 7.6.1 冲击电晕的形成和特点 171 7.6.2 电晕对导线上波过程的影响 171 7.7 变压器绕组中的波过程 173 7.7.1 变压器绕组的简化等值电路 173 7.7.2 绕组中的初始电压分布 174 7.7.3 绕组中的稳态电压分布 176 7.7.4 绕组中的振荡过程 177 7.7.5 侵入波波形对振荡过程的影响 177 7.7.6 改善绕组中电压分布的方法 178 7.7.7 三相绕组中的波过程 180 7.7.8 冲击电压在绕组间的传递 181 7.8 旋转电机绕组中的波过程 182 习题 183 第8章 雷电及防雷装置 184 8.1 雷电参数 184 8.1.1 雷电放电的等值电路 184 8.1.2 雷电流波形和极性 186 8.1.3 雷暴日与雷暴小时 189 8.1.4 地面落雷密度和输电线路落雷次数 190 8.2 避雷针、避雷线的保护范围 190 8.2.1 避雷针的保护范围 191 8.2.2 避雷线(又称架空地线)的保护范围 193 8.2.3 电气几何模型法 195 8.3 避雷器 196 8.3.1 保护间隙 196 8.3.2 管型避雷器 197 8.3.3 阀型避雷器 198 8.3.4 金属氧化物避雷器 203 8.4 接地装置 206 8.4.1 接地装置和接地 206 8.4.2 输电线路杆塔接地 209 8.4.3 发电厂、变电站接地装置 211 8.4.4 降低接地电阻的措施 214 8.4.5 土壤电阻率的测量 215 8.4.6 接地电阻的测量 217 习题 219 第9章 输电线路的防雷保护 220 9.1 输电线路的感应雷过电压 220 9.1.1 雷击线路附近大地时,线路上的感应过电压 220 9.1.2 雷击线路杆塔时,导线上的感应过电压 222 9.2 输电线路的直击雷过电压和耐雷水平 223 9.2.1 雷击杆塔塔顶 223 9.2.2 雷击避雷线档距** 226 9.2.3 雷绕过避雷线击于导线或直接击于导线 227 9.3 输电线路的雷击跳闸率 228 9.3.1 建弧率 228 9.3.2 有避雷线线路雷击跳闸率的计算 229 9.4 输电线路的防雷措施 232 习题 234 第10章 发电厂和变电站的防雷保护 235 10.1 发电厂、变电站的直击雷保护 235 10.1.1 独立避雷针 235 10.1.2 构架避雷针 237 10.2 变电站的侵入波保护 237 10.2.1 阀式避雷器的保护作用分析 237 10.2.2 变压器承受雷电波能力 242 10.2.3 变电站中变压器距避雷器的**允许电气距离lm 243 10.3 变电站的进线段保护 245 10.3.1 变电站的进线段保护作用 245 10.3.2 雷电侵入波经进线段后的电流和陡度的计算 245 10.3.3 35kV及以上变电站的进线段保护 247 10.3.4 35kV小容量变电站的简化进线保护 248 10.4 变压器防雷保护的几个具体问题 248 10.4.1 三绕组变压器的防雷保护 248 10.4.2 自耦变压器的防雷保护 249 10.4.3 变压器中性点保护 250 10.5 旋转电