高电压技术(赵智大)1-2章总结讲诉

绪论
高电压技术是一门重要的专业技术基础课；
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；
高电压、高场强下存在着一些特殊的物理现象；
高电压试验在高电压工程中起着重要的作用。

气体的绝缘特性与介质的电气强度
研究气体放电的目的：
了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程
掌握气体介质的电气强度及其提高方法
高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其它复合介质。

气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。

由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量的带电质点。

正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体；
在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能。

自由行程长度
单位行程中的碰撞次数Z的倒数λ即为该粒子的平均自由行程长度。

()λ-
=x
e
x
P令x=λ，可见粒子实际自由行程长度大于或等于平均自由行程长度的概率是36.8%。

带电粒子的迁移率
k=v/E
它表示该带电粒子单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。

电子的质量比离子小得多，电子的平均自由行程长度比离子大得多
热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使分布均匀化，这种过程称为扩散。

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。

产生带电粒子的物理过程称为电离，是气体放电的首要前提。

光电离i W h ≥νc λν=
气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m 称为该气体的电离度。

碰撞电离
附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。

电子亲合能：使基态的气体原子获得一个电子形成负离子时所放出的能量，其值越大则越易形成负离子。

电负性：一个无量纲的数，其值越大表明原子在分子中吸引电子的能力越大
带电粒子的消失1到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流2带电粒子因扩散而逸出气体放电空间3带电粒子的复合
复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一个中性分子；
复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。

气体放电现象与规律因气体的种类、气压和间隙中电场的均匀度而异。

电子碰撞电离系数 α 表示一个电子沿电场方向运动1cm 的行程 所完成的碰撞电离次数平均值。

阳极的电子数应为：d a e n n α0=(1-7) 途中新增加的电子数或正离子数应为：)
1(00-=-=∆d a e n n n n α(1-8) d e I I α0=(1-10)E U e x e e i
e i e e λλλλα--==11
当气温不变时，式(1-14)即可改写为：
E Bp Ape -=α
电场强度E 增大时， α急剧增大;
P 很大或很小时， α都比较小。

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。

正离子的表面游离系数γ:一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的电子数
自持放电的条件(1-8) 1)1(=-d e αγ
自持放电是由初始电子崩中的正离子撞击阴极表面产生多余电子形成的
巴申曲线/八申定理：同温时均匀电场下气体起始放电电压是pd 乘积的函数；
提高气压或降低气压到高度真定，都能提高气隙的击穿电压。

流注理论考虑了以下因素
空间电荷对原有电场的影响
空间光电离的作用
流注理论适用于高气压、长气隙下的放电
v
E E f αmax =f<2时为稍不均匀电场, f>4属不均匀电场。

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 电晕放电的危害 1电晕损耗2产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰3电晕放电还会产生可闻噪声 降低电晕的方法：从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度
在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。

对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。

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。

但后来的发展过程、气隙的电气强度、击穿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。

输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电压的作用下，击穿发生在外加电压为正极性的那半周内。

在进行外绝缘的冲击电压实验时，也往往施加正极性冲击电压，因为此时电气强度较低。

电场极不均匀的“棒-板”气隙，负极性击穿电压高于正极性击穿电压。

气隙击穿的三个必备条件：
足够大的电场强度或足够高的电压；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；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）
冲击电压下气隙的击穿特性
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；
伏秒特性表征气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。

沿面放电：沿着固体介质表面发展的气体放电现象。

污闪：沿着污染表面发展的闪络。

减少绝缘子污闪的对策
1调整爬距（增大泄漏电流）
爬电比距指外绝缘的爬电距离与系统最高工作电压之比。

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
均匀电场
1消除电极边缘效应的平板电极 2板间距离d一般不大 3击穿特性符合巴申定律
稍不均匀电场：冲击系数接近1，冲击击穿电压与工频击穿电压及直流击穿电压相等
均匀电场只有一种，那就是消除了电极边缘效应的平板电极之间的电场。

球间隙（一般取d D/2范围内工作）
若球间距离d，球极直径为D
d<D/4时，与均匀电场相似 d>D/4时，不均匀度增大，大地影响加大
同轴圆筒细线效应
“棒－棒”气隙：完全对称性“棒－板”气隙：最大不对称性
直流电压下“棒－板”负极性击穿电压大大高于正极性击穿电压
工频交流电压下“棒-棒”气隙的击穿电压要比“棒-板”气隙高一些
雷电冲击电压下“棒－板”电极，棒极为正极性的击穿电压比负极性时数值低得多
第三节大气条件对气隙击穿特性的影响及校正
在不同大气条件和海拔高度下所得出的击穿电压实测数据都必须换算到某种标准条件下才能互相进行比较。

对空气密度、湿度和海拔，分别有不同的校正方法。

空气密度大湿度大空气击穿电压大
第四节提高气体介质电气强度的方法
一、改进电极形状以改善电场分布
增大电极的曲率半径（利用屏蔽来增大电极的曲率半径是一种常用的方法）消除电极表面的毛刺消除电极表面尖角
二、利用空间电荷改善电场分布
存在细线效应:线一板及线一线间隙
三、采用屏障
球形屏蔽极可以显著改善电场分布
四、采用高气压（提高气压可以大大减小电子的自由行程长度，从而削弱和抑制了电离过程）
五、采用高电气强度气体（SF6）
六、采用高真空
高真空气体主要用于配电网真空断路器中
采用高真空也可以减弱气隙中的碰撞电离过程而显著提高气隙的击穿电压。

第五节六氟化硫和气体绝缘电气设备
SF6具有较高的电气强度，主要是因为其具有很强的电负性，容易俘获自由电子而形成负离子(电子附着过程)，电子变成负离子后,其引起碰撞电离的能力就变得很弱
电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响远比对空气的大。

SF6 优异的绝缘性能只有在电场比较均匀的场合才能得到充分的发挥。

在均匀电场中SF6气体的击穿也遵循巴申定律。

公式略
在极不均匀电场中， SF6气体的击穿有异常现象
首先是工频击穿电压随气压的变化曲线存在“驼峰”；
其次是驼峰区段内的雷电冲击击穿电压明显低于静态击穿电压，其冲击系数可低至0．6左右
极不均匀电场中SF6气体击穿的异常现象与空间电荷的运动有关
影响击穿场强的其它因素：电极表面缺陷和导电微粒
所以电极表面积越大，SF6气体的击穿场强越低，这一现象被称为“面积效应”
使SF6气体分解的原因：电子碰撞、热和光辐射.
针对SF6气体毒性分解物通常采用吸附剂（吸附分解物和吸附水分）
SF6-N2混合气体，主要用作高寒地区断路器的绝缘媒质和灭弧材料，采用的混合比通常为50%：50%或60%：40%
封闭式气体绝缘组合电器（GIS）
（1）大大节省占地面积和空间体积：额定电压越高，节省得越多。

（2）运行安全可靠：GIS的金属外壳是接地的，即可防止运行人员触及带电导体，又可使设备运行不受污秽、雨雪、雾露等不利的环境条件的影响。

（3）有利于环境保护，使运行人员不受电场和磁场的影响。

（4）安装工作量小、检修周期长。

气体绝缘管道输电线（气体绝缘电缆/GIC）
(1)电容量小：GIC的电容量大约只有充油电缆的1/4 左右，因此其充电电流小、临界传输距离长。

(2)损耗小：常规充油电缆常因电介质损耗较大而难以用于特高压，而GIC的绝缘主要是气体介质，其介质损耗可忽略不计，已研制成特高压等级的产品。

(3)传输容量大：常规电缆由于制造工艺等方面的原因，其缆芯截面一般不超过2000mm2，而GIC则无此限制，所以GIC的传输容量要比充油电缆大，而且电压等级越高，这一优点越明显。

(4)能用于大落差场合。

气体绝缘变压器（GIT）
（1）GIT是防火防爆型变压器，特别适用于城市高层建筑的供电和用于地下矿井等有防火防爆要求的场合。

（2）气体传递振动的能力比液体小，所以GIT的噪声小于油浸变压器。

（3）气体介质不会老化，简化了维护工作
第三章液体和固体介质的电气特性
液体介质：变压器油、电容器油、电缆油
固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶
电介质的电气特性表现在电场作用下的：导电性能介电性能电气强度
第一节液体和固体介质的极化、电导和损耗
电介质的极化是电介质在电场作用下，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。

这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--称为偶极矩（电介质极化的强弱用介电常数ε的大小来表示）
用于电容器的绝缘材料，显然希望选用εr大的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。

其他电气设备中往往希望选用εr较小的电介质，这是因为较大的εr往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。

采用εr较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。

最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化等
离子式极化的特点：
1、离子相对位移有限，外电场消失后即恢复原状；
2、所需时间很短，其εr几乎与外电场频率无关
温度对离子式极化的影响：
1、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从而使极化程度增强；
2、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程度减弱。

通常前一种影响较大，故其一般具有正的温度系数。

极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，这种分子称为极性分子，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。

偶极子极化或转向极化：出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。

偶极子极化与温度t的关系
温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负的温度系数。

夹层极化由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。

在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整个介质的等值电容增大
这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来
电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。

按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电导（）和电子电导（一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿）两种
电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，他们吸附电荷后变成了带电粒子。

表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导，受外界因素的影响很大。

所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。

液体电解质的电导（离子+电泳）
第四章电气设备绝缘预防性试验
第一节绝缘的老化
绝缘试验分为非破坏性试验和破坏性试验两大类。

绝缘缺陷类型集中性缺陷：裂缝、局部破损、气泡等
分散性缺陷：内绝缘受潮、老化、变质等
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和化学变化，致使其电气、机械及其他性能逐渐劣化，这种现象统称为绝缘的老化。

（热、电、机械力、水分、氧化、各种射线、微生物等因素的作用）
温度越高，绝缘老化得越快，寿命越短（热老化8℃规则：对A级绝缘介质，如果它们的工作温度超过规定值8℃时，寿命约缩短一半。

）
电老化系指在外加高电压或强电场作用下的老化。

（介质中出现局部放电）
局部放电引起固体介质腐蚀、老化、损坏的原因有：
破坏高分子的结构，造成裂解；转化为热能，不易散出，引起热裂解，气隙膨胀；在局部放电区，产生高能辐射线，引起材料分解；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，能使材料发生化学破坏。

绝缘油的老化原因：油温升高而导致油的裂解，产生出一系列微量气体；油中的局部放电还可能产生聚合蜡状物，影响散热，加速固体介质的热老化。

绝缘老化的原因主要有热、电和机械力的作用，此外还有水分、氧化、各种射线、微生物等因素的作用。

第二节绝缘电阻、吸收比、泄漏电流的测量
绝缘电阻最基本的综合性特性参数。

组合绝缘和层式结构，在直流电压下均有明显得吸收现象，使外电路中有一个随时间而衰减的吸收电流。

吸收比检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺陷
泄漏电流所加直流电压高得多。

双层介质的吸收现象
绝缘电阻和吸收比的测量
吸收比是同一试品在两个不同时刻的绝缘电阻的比值，所以排除了绝缘结构和体积尺寸的影响。

一般以K1>=1.3作为设备绝缘状态良好的标准亦不尽合适，有些变压器的k1虽大于1.3，但R值却很低；有些k1<1.3，但R值却很高。

所以应将R值和K1值结合起来考虑，方能作出比较准确的判断。

泄漏电流反映绝缘电阻值
注意：测量泄漏电流用的微安表需用并联放电管V进行保护。

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特性参数。

电气设备中大多采用组合绝缘和层式结构，故在直流电压下均有明显的吸收现象，测量吸收比可检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺陷。

测量泄漏电流从原理上来说，与测量绝缘电阻是相似的，但它所加的直流电压要高得多，能发现用兆欧表所不能显示的某些缺陷，具有自己的某些特点。

第三节介质损耗角正切的测量
tanδ
δ
ω
δ
ϕtg
C
U
tg
UI
UI
UI
P
p
C
R
2
cos=
=
=
=
介质的功率损耗 P与介质损耗角正切tanδ成正比,所以后者是绝缘品质的重要指标，测量tanδ值是判断电气设备绝缘状态地一项灵敏有效的方法。

tanδ能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。

测量tanδ不能灵敏地反映大容量发电机、变压器和电力电缆绝缘中的局部性缺陷，应尽可能将这些设备分解成几个部分，然后分别测量它们的tanδ
被试品的等值电容和电阻分别为Cx和Rx;R3为可调的无感电阻；CN为高压标准电容器的电容；C4 为可调电容；R4为定值无感电阻；P为交流检流计。

tanδ测量的影响因素
外界电磁场的干扰影响（金属屏蔽网和屏蔽电缆）
温度的影响（tanδ随温度升高而升高）
试验电压的影响良好绝缘在额定电压下， tgδ值几乎不变（曲线1）；
若绝缘存在空隙或气泡时，当所加电压尚不足以使气泡电离时，其tgδ与良好绝缘时无差别，但若所加电压能引起气泡电离或发生局部放电时， tgδ随U的升高而迅速增大，电压回落时电离要比电压上升时更强一些，因而会出现闭环曲线
第四节局部放电的测量
局部放电：由于电气设备内部绝缘里面存在的弱点，在一定外施电压下发生的局部重复击穿和熄灭现象。

（是引起电介质老化的重要原因之一）
局部放电检测分：电气检测（脉冲电流法——测量视在放电量介质损耗法——林电桥）和非电检测（噪声检测法光检测法化学分析法）
光测法只能测试表面放电和电晕放电，在现场中光测法基本上没有直接应用。

局部放电的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、放电的具体部位。

表征局部放电的参数主要有：视在放电量、放电重复率、放电能量等。

伴随局部放电会出现多种现象：包括电、光、噪声、气压变化、化学变化等。

第五节电压分布的测量
为使绝缘子串上的电压分布均匀一些，可采用：在绝缘子串与导线连接处装设均压金具，它能增大 C2（线间）值，有利于补偿C1（对地）的影响，所以能有效地改善沿串电压分布。

若某一片绝缘子的实测电压低于标准值的一半时，可认定该片为劣化绝缘子。

（称为
低值或零值绝缘子）
本节以表面清洁的悬式绝缘子串为例，分析了其电压分布状况，分析了对地电容和杂散电容的影响。

测量线路绝缘子串电压分布或检出串中的零值绝缘子，可使用短路叉、可调火花间隙测杆、自爬式检零工具等。

第六节绝缘状态的综合判断
如果有个别试验项目不合格，达不到规程的要求，可以用“三比较”的方法处理
⑴与同类型设备比较，若试验结果差别悬殊在可能存在问题。

⑵在同一设备的三相试验结果之间进行比较，若有一相结果相差达50%以上时，该相可能存在问题。

⑶与该设备技术档案中的历年试验所得数据做比较，若性能指标有明显下降，则可能出现新缺陷。

第五章绝缘的高电压试验
绝缘的高电压试验：在高压试验室用工频交流高压、直流高压、雷电冲击高压、操作冲击高压等模拟电气设备的绝缘在运行中受到的工作电压，用以考验各种绝缘耐受这些高电压作用的能力（具有破坏性试验的性质）
第一节工频高电压试验
工频高电压的产生通常采用高压试验变压器或其串级装置来产生；对电缆、电容器等电容量较大的被试品，可采用串联谐振回路来获得试验用的工频高电压；工频高压装置是高压试验室中最基本的设备，也是产生其他类型高电压的设备基础部件。

试验变压器外观上的特点：油箱本体不大而其高压套管又长又大。

单套管式试验变压器：额定电压一般不超过 250～300kV
双套管式试验变压器：最高额定电压达750kV
试验变压器所输出的电压应尽可能是正、负半波对称的正弦波形，实际上很难作到，一般采取以下措施：
①采用优质铁心材料 ②采用较小的设计磁通密度③选用适宜的调压供电装置 ④在试验变压器的低压侧跨接若干滤波器。

试验变压器串级装置
变压器的体积和重量近似地与其额定电压的三次方成比例。

当所需的工频试验电压很高（例如超过750kV ）时，再采用单台试验变压器来产生在技术和经济上不合理。

U ≥kV 时，采用若干台试验变压器组成串级装 置来满足要求。

n 级串级装置的容量利用率12
+=n η
常用的调压供电装置有：①自耦变压器；②感应调压器；③移卷调压器；④电动-发电机组
球隙作用：防止因操作失误而出现过电压，放电电压设为(1.1~1.15)U 。

工频耐压试验的实施方法：
按规定的升压速度提升作用在被试品TO 上的电压，直到它等于所需的试验电压Ut 为止。

保持1分钟，没有发现绝缘击穿或局部损伤，可认为合格通过。

工频高压试验的基本接线图
第二节直流高电压试验
被试品的电容量很大的场合（例如长电缆段、电力电容器等），用工频给交流高电压进行绝缘试验时会出现很大的电容电流，要求试验装置具有很大的容量，很难做到。

这时用直流高电压试验来代替工频高电压试验
直流输电工程的增多促使直流高电压试验的广泛应用。

直流高电压的产生
将工频高电压经高压整流器而变换成直流高电压；利用倍压整流原理制成的直流高压串级装置（或称串级直流高压发生器)能产生出更高的直流试验电压。

高压整流器
额定整流电流通过整流器的正向电流在一个周期内的平均值
额定反峰电压当整流器阻断时，其两端容许出现的最高反向电压峰值。

整流回路的基本技术参数：
1.额定平均输出电压2m in
m ax U
U U
av +
≈
2.额定平均输出电流L av av
R U I =
最大反向电压m d U U 2= 电压脉动系数（纹波系数）：av U U
S δ= 2m in
m ax U U U -=δ
对半波整流回路 C f R U U L av
2=δ
直流高电压试验的特点和应用范围
特点：只有微安级泄漏电流，试验设备的容量较小。

试验时可同时测量泄漏电流，由所得得“电压－电 流”曲线能有效地显示绝缘内部的集中性缺陷或受潮。

用于旋转电机时，能使电机定子绕组的端部绝缘也受到较高电压的作用，发现端部绝缘中的缺陷。

非破坏性试验的性质。

直流电压下，绝缘内的电压分布由电导决定，因而与交流运行电压下的电压分布不同，所以交流电气设备的绝缘考验不如交流耐压试验那样接近实际
直流高电压在各领域获得越来越广泛的应用。

（直流耐压试验 各种输电设备的直流高压试验）
第三节 冲击高电压试验
研究电气设备在运行中遭受雷电过电压和操作过电压的作用时的绝缘性能 。