河南理工大学高电压技术重点

河南理工高电压技术
电介质：在电场中能产生极化的物质，指通常条件下导电性能极差、在电力系统用作绝缘的材料。

--极化是指物质中电荷分离形成偶极子的过程
第一章电介质的极化、电导和损耗
1 极化：在外加电场的作用下，电介质中的正、负电荷沿电场方向作有限位移或转向，形成偶极矩子
2. 电介质的极化种类
1）、电子位移极化.特点：存在于一切电介质，极化所需时间短，不随频率变化；极化具有弹性，不损耗能量。

2）、离子位移极化.特点：存在于离子结构电介质中，极化所需时间也很短；极化具有弹性，有极微量能量损耗；随温度升高而增大。

3）、转向极化（偶极子极化）
出现外电场后偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列，因而显出极性，这种极化称为偶极子极化或转向极化。

特点：存在于极性电介质中，极化所需时间较长, 与电源频率有很大关系；极化消耗能量, 温度过高或过低, 都会减小.
4）、空间电荷极化(夹层极化 Interface polarization)
特点：存在于复合介质、不均匀介质中；极化过程很缓慢，只在直流和低频交流下表现出来；极化伴随着能量损耗
2.电介质电导与金属电导的区别
带电质点：电介质中为 ionic conduction（固有及杂质离子）；金属中为electronic conduction
数量级：电介质的γ小，泄漏电流小；金属的电导电流很大
电导电流影响因素：电介质中由离子数目决定，对所含杂质、温度很敏感；金属
中主要由外加电压决定，杂质、温度不是主要因素
3电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正的温度系数。

4电介质的损耗(dielectric loss):任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损耗。

电介质的能量损耗简称介质损耗。

6在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：1在弱电场下，主要有极化、电导、介质损耗等2. 在强电场下，主要有放电、闪络、击穿等
第二章气体放电的物理过程
1.电离—原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程
2电离能—电离过程所需要的能量称为电离能，也可用电离电位反映。

3气体中带电粒子的产生与消失
带电粒子的产生(电离过程）
1.碰撞电离：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离
条件：⑴撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能
⑵一定的相互作用的时间和条件，通过复杂的电磁力的相互作用达到两
粒子间能量转换
2.光电离：在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子。

由光电离而产生的自由电子称为光电子必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能。

3.热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合
Ｔ↑→分子动能↑→碰撞电离
Ｔ↑→热辐射光子的能量、数量↑→光电离
温度超过10000K时（如电弧放电）热电离较强，
在温度达到20000K左右，几乎全部空气分子都已经处于热电离状态。

4.电极表面电离:
气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。

游离需要能量，称金属的逸出功，小于气体分子的电离能
表明金属表面电离比气体空间电离更易发生
随着外加能量形式的不同，阴极的表面电离可在下列情况下发生：
⑴正离子撞击阴极表面
⑵光电子发射：高能辐射线照射电极表面
⑶热电子发射：金属电极加热
⑷强场发射：电极表面附近存在强电场
5.负离子的形成:中性分子或原子与电子相结合，形成负离子（附着）
附着过程中放出能量（亲合能Ｅ）－电负性气体Ｅ大,易形成负离子－强电负性气体，如SF
6
负离子的形成使自由电子数减少，对气体放电的发展起抑制作用
带电粒子的消失（去电离、消电离）
1中和在电场作用下作定向运动，消失于电极而形成外电路中的电流 (迁移率)
2. 扩散－因扩散而逸出气体放电空间（热运动）
3. 复合－带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递、中和而还原为中性粒子的过程
（多为负离子与正离子复合，而碰撞电离多为电子碰撞粒子产生）
2.2 气体放电过程及电子崩的形成
1电子崩的形成：外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电
场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。

依此，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。

结论：由于碰撞电离引起电子崩过程，导致气隙中电子数迅速增加。

2 非自持放电：必须依靠外界电离因素的作用提供自由电子作为电子崩的初始电子，一旦外界电离因素停止发生作用，则放电中止
3 自持放电：撤除外界电离因素后，能仅由电场的作用而维持的放电
4均匀电场自持放电条件为：
5气体放电的流注理论
Pd>>26.66kPa·cm（200mmHg·cm）时，一些无法用汤逊理论解释的现象：
(1).放电外形：在大气压下放电不再是辉光放电，而是火花通道
(2). 放电时间：放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间
(3). 阴极材料的影响：阴极材料对放电电压影响不大
●流注的特点—电离强度很大传播速度很快导电性能良好
形成流注后，放电就可以由本身产生的空间光电离自行维持，即转为自持放电，形成流注的条件（即自持放电条件）
流注理论和汤逊理论比较：
1. 汤逊理论适用于低气压、短气隙的情况（pd<26.66kPa·cm）
2. 流注理论适用于高气压、长气隙的情况（pd>>26.66kPa·cm）
3.汤逊理论认为电子崩和阴极上的二次发射过程是气体自持放电的决定性因素；流注理论认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用。

●汤森德气体放电理论!!!!
§2.3 电晕放电和不均匀电场中气隙的击穿
1常见电场的结构：均匀场：板－板稍不均匀场：球－球同轴圆筒
极不均匀场：棒－棒对称场（棒－板不对称场）▼稍不均匀电场中气隙的放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，便会导致整个间隙的击穿，
▼极不均匀电场中，首先在强场区发生电晕放电，自持放电条件即是电晕起始条件，气隙击穿电压大于电晕起始电压。

2 电晕的形成：极不均匀电场中，在外加电压下，小曲率半径电极附近的电场强
，在此局部区域先出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，度首先达到起始场强E
这种仅仅发生在强场区的局部放电称为电晕放电，在外观上表现为环绕电极表面出现蓝紫色晕光。

3电晕的危害及作用：
（1）有光、声、热效应造成能量损耗；电晕损耗在超高压输电线路设计中必须考虑
（2）产生的高频脉冲电流含有许多高次谐波，造成无线电干扰；
（3）使空气局部游离，产生的臭氧和氧化氮等会腐蚀金属设备；
（4）产生可闻噪声；
绝对湿度absolute humidity（比湿度）单位体积湿空气中含有的水汽质量。

即水汽的密度。

相对湿度relative humidity 空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。

2.5 雷电放电
1 雷电的极性是按照从雷云流入大地的电荷极性决定的，90％左右是负极性雷。

下行的负极性雷通常可以分为三个主要阶段，即：先到放电、主放电、余光放电。

2.6沿面放电和高压绝缘子
沿面放电：沿着气体与固体(或液体)介质的分界面上发展的放电现象称为气隙的沿面放电。

沿面放电发展到跨接两级的贯穿性的空气击穿称为闪络。

第三章气隙的击穿特性
1：1）雷电实验全波形标准：1.2/50微秒 2）操作冲击电压标准波形：250/2500微秒
2.完成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
3伏秒特性：在电压波形一定的情况下，气隙击穿时的外加电压峰值与延续时间
的关系:U
b ＝ｆ(t
b
） {冲击电压下}
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
4在大气中，气隙的击穿电压与大气条件有关。

通常，气隙的击穿电压随着大气密度或大气中湿度的增加而升高。

原因，水蒸气是电负性气体，易俘获自由电子以形成负离子，使最活跃的电离因素-自由电子的数量减少，阻碍电离的发展5. 提高气隙击穿电压的方法：
(1).改善电场分布 (2)采用高度真空（3）增高气压 (3). 采用高耐电强度气体6.均匀电场中，每厘米耐电3万伏。

不均匀电场中，每厘米耐电5千伏。

第四章液体和固体介质的电气性能
§4.1 固体电介质的击穿
1.固体介质的电老化：固体介质在电厂的长时间作用下，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，是介质的物理、化学性能发生劣变，最终导致介质被击穿，这个过程称为电老化。

电老化3种类型：电离性老化、电导性老化、电解性老化。

6提高固体电介质击穿电压的措施：
1. 改进制造工艺：清除杂质、水分、气泡；使介质尽可能致密均匀
2. 改进绝缘设计：采用合理的绝缘结构；改进电极形状，使电场尽可能均匀；
改善电极与绝缘体的接触状态，消除接触处的气隙
3. 改善运行条件：注意防潮、防尘；加强散热
§4.2 液体电介质的击穿
1 目前常用的主要有变压器油、电容器油、电缆油等矿物油
2．106页杂质击穿：小桥击穿Cavity (bubble, impurity) breakdown：若杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致泄露电流增大，发热会促使
水分汽化，气泡扩大，发展下去也会出现气体小桥，使油隙发生击穿
的现象，就是小桥击穿.
3.影响液体电介质击穿电压的因素：液体介质本身品质的影响、电压作用时间
的影响、电厂情况的影响、温度的影响、压强的影响。

4提高液体介质击穿电压的方法
１）．提高并保持油的品质
2）覆盖：在金属电极上贴固体绝缘薄层，可阻断杂质小桥
油本身品质越差，电压作用时间越长，效果越好。

3）绝缘层：当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，成为绝缘层。

用在不均匀电场中，被覆在曲率半径较小的电极上。

4）极间障
放在电极间油间隙中的固体绝缘板
作用：ａ．割断杂质小桥的形成ｂ．使另一侧油隙的电场变均匀（不均匀场中）
在极不均匀场中效果明显。

面积应足够大
第五章电气设备绝缘试验
1电气设备绝缘试验可分为两大类：
（1）检查性试验与称为非破坏性试验（2）耐压试验也称为破坏性试验
第七章线路和绕组中的波阻抗
§7.1波沿均匀无损单导线的传播
1.波过程：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。

1207页公式（7-1-10）记住
2
比较波阻抗Z和R：
（1）二者量纲相同，并且都和电源频率或波形无关，可见波阻抗是阻性的；（2）波阻抗是一个比例常数，其数值只与导线单位长度的电感和电容有关，与线路长度无关；而线路的电阻与线路长度成正比；
（3）波阻抗是储能元件，它从电源吸收能量，以电磁波的形式沿导线向前传播，能量以电磁能的形式储存在导线周围的介质中；电阻是耗能元件，它从电源吸收的能量转换成热能而散失。

§7.2 行波的折射和反射
1 末端开路时，末端电压波发生正的全反射，电流波发生负的全反射，电压反射波所到之处，线路电压加倍；电流反射波所到之处，线路电流变零。

2末端接地时，末端电压波发生负的全反射，电流波发生正的全反射，电压反射波所到之处，线路电压变零；电流反射波所到之处，线路电流加倍。

3.线路末端接负载（）
线路末端既没有电压反射波，又没有电流反射波，线路上电压电流波形保持不变。

4建立集中参数等值电路（彼德逊法则）：
（1）入射波线路1用数值等于电压入射波两倍的等值电压源和数值等于线路波阻抗的电阻串联来等效；
（2）折射波线路2、3分别可以用数值等于该线路波阻抗路、的电阻来等效；
（3）R、L、C等其他集中参数组件均保持不变；
彼德逊法则使用条件：
（1）入射波必须是沿分布参数线路传来的；
（2）节点A后面的线路中没有反行波，或节点A后面的线路中反射波尚未到达节点A时；
§7.3 行波通过串联电感和并联电容
降低陡度对电力系统的防雷有重要意义：为了降低入侵波的陡度，可以采用串联电感或并联电容的措施。

L和C越大越好。

对于波阻抗很大的设备通常用并联电容的方法。

7.5 马克斯威尔方程
习题7-1 7-2 7-3
第八章雷电及防雷保护装置
§8.1 雷电过程与雷电参数
)：一年中发生雷电的天数(30-40)。

1雷暴日(T
d
)：一年中发生雷电的小时数(100)。

2雷暴小时(T
h
3地面落雷密度( ) :每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷击次数。

§8.2 防雷保护装置
1.避雷针的保护角是45度，避雷线的保护角是15-35度，一般取25度。

保护角是指避雷线和边相导线的连线与经过避雷线的的垂直线之间的夹角
§8.3. 避雷器四种：保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器、金属氧化物避雷器第九章输电线路的防雷保护
1输电线路的耐雷性能和所采用防雷措施效果在工程上用耐雷水平和雷击跳闸率来衡量
2耐雷水平是指雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值，单位为kA。

3雷击跳闸率是指折算为统一条件（规定每年40个雷电日和100km的线路长度下，因雷击而引起的线路跳闸的次数。

单位为“次/(100km·40雷暴
日)”
4．冲击闪络转为贡品电弧的概率称为建弧率。

5.281页计算题
6.输电线路防雷措施：1）、架设避雷线 2）、降低杆塔接地电阻 3）、架设耦合地线 4）、加强绝缘 5）装设线路用避雷器 6）、采用消弧线圈接地方式 7）、采用不平衡绝缘方式 8）、装设自动重合闸
7.雷击输电线路过电压分类：感应雷过电压和直击雷过电压
第十章发电厂和变电所的防雷保护
进线段的作用：限制流过避雷器的冲击电流幅值和限制入侵波的陡度
第十一章容升效应
第十二章空载变压器分闸过电压为什么会出现过电压。

变电站的进线保护、内部过电压、电晕放电、伏秒特性
￥简答题：汤逊放电理论和流注理论及其区别和适用范围【必考】。

大气条件对击穿的影响，简要分析。

提高气体击穿电压的方法。

固体介质放电理论。

￥完成气隙击穿的三个必备条件：需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿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
足够大的电场强度或足够高的电压
￥分析SIC和MON避雷设备的有点和区别。

计算题：第七章是绝对的重点. 还有避雷器的保护范围。