高电压技术复习总结

高电压技术

复习总结

祝同学们

考试顺利

成绩优异电晕电能污染1kV0.4kV0.22kV36V高压低压普通高压1~250kV超高压250~1000kV特高压1000kV及以上电压等级划分的级差为2~3倍。

《电力系统的电压等级是如何划分的?》依据是什么~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~电力系统输送的电能P正比于电压的平方（U2），反比于系统阻抗Z，而系统阻抗Z正比于线路长度l，所以P正比于U2，反比于

l。

所以，采用高电压是大功率远距离输电的要求，要实现大功率远距离输电唯一可行的措施就是采用高电压。作为二次能源，输送电能要较输送一次能源经济、快捷、安全、方便、清洁。

《为什么采用高电压？》~~~~~~~~~~~~~~~~~6倍多6倍在电气设备中作为绝缘材料使用的物质称电介质，按其物质形态，可分为：气体介质、液体介质、固体介质。在电气设备中: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。

《气体放电的基本物理过程

》一、气体间隙中带电粒子的产生中性质点中的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子的过程就是游离。要游离需要吸收能量，吸收的能量称为游离能。

气体间隙中带电粒子来源于气体分子本身的游离和金属表面游离。~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~1、气体分子本身的游离方式

按照质点获得能量的方式划分游离：1）碰撞游离：由于碰撞引起的游离。其条件是撞击质点的能量不小于被撞质点的游离能、并且有足够的作用时间。碰撞游离是气体放电中主要的带电粒子来源，电子是碰撞游离的主导因素。红球：气体分子小绿球：电子粉色球：正离子红球带绿球：负离子2）光游离：由于高能射线的作用产生的游离。其条件是光子的能量不小于游离能。光游离是起始带电粒子的主要来源。具有分级游离的特点。3）热游离：在高温（温度达103k数量级以上）作用下发生的游离。热游离不是一种单独的游离形式，是碰撞游离(分子热运动)和光游离(热辐射)的综合。2、负离子的形成能够俘获电子与之结合成一个呈现负电性的分子称为具有电负性。例如：水分子、SF6等。

具有电负性的分子俘获电子后，使碰撞游离的主导因素降低，所以对放电具有抑制作用。3、金属表面游离：

金属中的电子摆脱金属表面的位能势垒的束缚成为自由电子的过程。其条件是电子的能量不小于金属的逸出功。金属的逸出功要比气体的游离能低，所以金属表面游离是气体放电起始电子的主要来源：包括：光电子发射(光电效应)、热电子发射、强电场发射和二次发射

(正离子撞击阴极)。

日光灯中起始带电粒子就是来源于热电子发射。二、带电粒子的消失1、进入电极并中和电量：所有物质的电子都是相同的，但不同物质的正离子是不同的，所以，电子可以进入电极中和电量，而正离子是靠其能量打、拉出电子与之复合。2、复合：正负带电粒子碰到一起重新形成中性质点的过程。影响复合的主要因素是带电粒子之间的相对运动速度和浓度。带电粒子在固体表面相对运动速度较慢，容易复合，灭弧栅也利用了这一点。3、扩散：带电粒子从浓度高的区域向浓度低的区域运动。磁吹避雷器、空气断路器等都利用了这一点。《伏安特性曲线》电介质在电场作用下，流过电介质的电流与外加电压的关系曲线。伏安特性曲线：~~~~~~~~~~~放电管中形成一个低气压、短间隙、均匀电场外界游离因素代表气体分子1、试验RUVGBUUAAI0UBUCCO~A段：电流随着电压的升高而增大，但此时电流很小，饱和电流密度为10-19A/cm2的数量级。电阻率达1022Ω·m，空气处于良好的绝缘状态，流过间隙的电流为泄漏电流。B点以后：电流为微安级。C点以后：流过间隙的电流急剧加大，由于回路中串联了保护电阻，此时放电管两端的电压略有下降。2、伏安特性曲线RU外界游离因素代表电子代表气体分子G3、分析UI0AUA1、O～A段BUBB～C段：RU外界游离因素代表电子代表气体分子G+++代表正离子UUAAI0BUB放电与漏电的区别在于是否发生游离C点以后UCC《巴申特性曲线》

是关于气隙的击穿电压与气体压力及极间距离两者乘积的关系曲线。~~~~~~~~~~~~A点左侧：（1）p一定、s减小、外加电压一定，p一定、自由行程一定，s减小、电场强度加大，所以游离能加大，游离率提高；p一定、s减小，碰撞次数减少，其幅度比游离率增大的幅度大，所以总游离数降低，击穿电压提高。（2）s一定、p减小，同上。A点右侧：（1）p一定、s增大、外加电压一定，p一定、自由行程一定，s加大、电场强度减小，所以游离能减小，游离率降低；p一定、s增大，碰撞次数增多，其幅度没有游离率下降的幅度大，所以总游离数降低，击穿电压提高。（2）s一定、p增大，同上。

《极

性

效

应》

1、极性效应：不对称极不均匀电场中曲率半径小的电极所带电荷极性对击穿电压的影响。引出：同一个针对板的不对称极不均匀电场，极间距离为4cm，当针极为正时，击穿电压是35kV；当针极为负时，击穿电压是80kV；而针对针的对称极不均匀电场，极间距离是4cm时，击穿电压为45kV。为什么会有这么大的区别？2、分析：（针极为正、板极为负）针极附近产生的电晕，带电粒子定向运动，正离子向板极运动，由于速度慢，就在针极附近形成电荷积累区，使未游离区的电场强度增大，而导致击穿电压降低。~~~~~~~~~~~《冲击电压波形》我国国家标准规定的雷电冲击电压标准波形为T1=1.2us±30%，T2=50±20%us，通用符号为1.2us/50us，直击雷的雷电流波形为10/350us，感应雷和传导雷的雷电流波形为8/20us。。1、标准波形T1说明雷电流上升的陡度,反映电磁感应的强烈程度.就是说T1越小，di/dt就越大（kA/μs的值越大），那么瞬间雷电流就越大，它的电磁感应强。

T2说明雷电所含的电荷数量,反映雷电的能量。从T2时间画一条直线，波形曲线下的阴影的面积通过积分计算，就可算出电荷量和能量。T2时间越长，则阴影的面积越大，那么电荷量和能量就越大。

~~~~~~~~~~~~2、伏秒特性在同一波形、不同幅值的冲击电压作用下，间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线称为间隙的伏秒特性曲线。工程上常用它来表征间隙在冲击电压下的击穿特性。

1、曲线的作出2、伏秒特性曲线的配合：保护设备要保护被保护设备，其伏秒特性曲线必须完全位于被保护设备伏秒特性曲线的下面~~~~~~~~~3、50%冲击放电电压

与2us冲击放电电压U50%的含义是在该电压作用下，气隙击穿和不击穿的概率各为50%。

2μs冲击放电电压：气隙在该电压下击穿，击穿所需时间大于或小于2us的概率各为50%。间隙的伏秒特性形状与极间电场分布有关----

☆对于均匀或梢不均匀电场:

由于击穿时的平均场强较高，放电发展较快，放电时延短，所以间隙的伏秒特性曲线比较平坦，而且分散性也较小，仅在放电时间极短时，略显上翘。

也就是说，在均匀电场中靠提高电压来缩短击穿所需时间是很难的。

因为均匀电场的伏秒特性很平，其50%冲击击穿电压和静态击穿电压是相一致，所以在实践中常常利用电场比较均匀的球间隙作为测量静态电压和冲击电压的通用仪表。☆☆对于极不均匀电场中的间隙:

其平均击穿场强较低，放电形成时延tf受电压的影响大，较长且分散性也大，其伏秒特性曲线在放电时间还相当大时，便随时间t之减小而明显上翘，曲线比较陡。即使在电压作用时间较长（击穿发生在波尾）时，冲击击穿电压也高于静态击穿电压。

具有较陡伏秒特性曲线的保护设备不容易与具有平缓伏秒特性的被保护设备配合所以不能用保护间隙、管型避雷器来保护变压器《沿面放电》

电力系统中，电气设备的带电部分总要用固体绝缘材料来支撑或悬挂。绝大多数情况下，这些固体绝缘是处于空气中的。如输电线路的悬式绝缘子、隔离开关的支柱绝缘子等。当这些绝缘子的极间电压超过一定值时，常常在固体电介质和空气的交界面上出现放电现象，这种沿着固体电介质与气体交界面的发生的放电称为沿面放电。当沿面放电发展成贯通两极的放电时，称为闪络。一、问题提出~~~~~~~~~

在相同的放电距离下，沿面闪络电压比纯气隙的击穿电压低得多，可见一个绝缘装置的实际耐压能力是取决于它的沿面闪络电压的。因此，在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平时，其沿面闪络电压起着决定性作用。研究表明：二、均匀电场中的沿面放电

在交流或冲击电压的作用下，多层串联电介质中的电压分布与介质的介电常数成反比。1、解释方法一：不是理想的光滑。二、均匀电场中的沿面放电

在实际绝缘结构中常将电极与介质接触面仔细研磨，使两者紧密接触，以消除气隙，或在介质端面上喷涂金属，将气隙短路，使沿面闪络电压提高。二、均匀电场中的沿面放电2、解释方法二：固体介质与电极表面没有完全密合接触而存在微小气隙，或介质表面有裂纹。4、解释方法四：固体电介质表面有导电性粉尘。二、均匀电场中的沿面放电3、解释方法三：固体电介质表面吸收水分而形成水膜。《电介质的电导》

电导：任何电介质都有一定的导电性。一、试验电路金属电导是电子电导、电介质电导是离子电导。电介质的电导极小，其电阻率高达109—1022Ω·cm，而金属的电阻率仅为10-6—10-2Ω·cm~~~~~~~~~~~~二、等效电路2、由慢速有损极化形成的电流i2称为吸收电流。由于是由极化形成的，可以等值出电容C2，又有损耗，可以等值出电阻r2

。3、电介质中的起始带电粒子在电场的作用下定向运动形成电流i3，称为泄漏电流。因为是纯阻性的，可以等值出电阻r3

。1、由电源对电介质等效电容充电建立电场及快速无损极化形成的电流i1称为几何电容电流。由于其是纯容性的，所以可以用一个电容C1来等值。三、绝缘电阻与吸收现象

在电压作用下流过电介质的电流随加压时间的延长逐渐稳定在泄漏电流上，这种电流随时间逐渐衰减的现象称为吸收现象。与这个稳定电流相对应的电阻值称为设备的绝缘电阻。由于吸收现象的存在，在对电介质进行高压试验时，电介质表面会有吸收电荷存在，这些电荷在没有外因作用时需很长时间才能泄放掉，可能对人构成危险，所以高压试验结束时必须对试品进行放电。四、气体电介质的电导是由气体分子本身及气体中杂质离解出来的带电粒子形成的，其值很小。液体电介质的电导一种是由液体本身的分子和杂质的分子离解的带电粒子形成的离子电导，另一种是由液体中胶体质点吸附电荷后变成带电质点构成的电泳电导。固体电介质的电导分体积电导和表面电导两部分。前言

充当高压绝缘的液体介质主要有矿物油和合成油两大类，应用最广的是矿物油。矿物油是按照不同成分和经不同精制过程后分别适用于不同电气设备的绝缘油，分别称为变压器油、电容器油、电缆油和开关油。由于矿物油易老化、会燃烧、有爆炸危险等原因，所以国内外正致力于研究合成油，如有机硅油、十二烷基苯等。《液体介质的击穿机理》~~~~~~~~~~~~~~~~~

均匀电场中：液体（变压器油）的击穿电压为20—60kV，其击穿场强为80—240kV/cm。而空气的击穿场强为30kV/cm。所以，同样在均匀电场下，气体要比液体介质容易击穿得很多！一、液体分纯净液体和工业上应用的液体，纯净液体的放电理论是电击穿理论，工业上应用的液体的放电理论是“小桥理论”。二、“小桥理论”油中含有水分和纤维时，由于水和纤维的介电常数很大，尤其是纤维吸潮后，很容易沿电场方向极化定向排列，排列成杂质小桥，并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，促使油和水分汽化，气泡扩大，最后击穿。

标准试油杯为什么要作成均匀电场的？

均匀电场下，油的品质对对油隙击穿电压的影响非常明显：因为，

电场越均匀，水分等杂质对击穿电压的影响越大。油的品质越好，形成“小桥”越困难—无本之木，击穿电压就越高；杂质和水分等成分越多，形成“小桥”就越容易，致使击穿电压就越低。~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~由“小桥理论”可知，电场均匀程度对液体电介质击穿电压（耐电强度）的影响非常显著——

不均匀电场下，油的品质对对油隙击穿电压的影响很小：因为，在极不均匀电场下，电极附近的电场很强，造成强烈的电离，电场力对带电质点强烈的吸斥作用使该处的油受到剧烈扰动，以致杂质和水分等很难形成“小桥”的缘故。提高液体介质击穿电压的措施措施：1、提高液体品质：（1）过滤。在油中先加入白土、硅胶等吸附剂后用滤油机滤纸阻隔油中的纤维等固态杂物，吸收部分水分等液体杂质；（2）干燥。绝缘及夹件、绕组等浸油前必须烘干，必要时采用真空干燥法去除水分，在油箱呼吸器的空气入口处放干燥剂。（3）祛气。途径：提高液体的品质，限制小桥的形成。2、限制小桥的形成（1）覆盖。在电场中曲率半径小的电极上覆盖很薄的电缆纸（或黄蜡布或涂漆膜），组成油—纸绝缘组合。在均匀电场中覆盖能够使击穿电压提高70%—100%，在极不均匀电场中能够提高10%—15%，所以充油设备中很少采用裸导体的。（2）绝缘层（3）屏障

线路和绕组中的波过程~~~~~~~~关于波速

关于波阻抗通常单导线架空线路的波阻抗Z=500Ω左右，计及电晕的影响时，取400Ω左右。由于分裂导线和电缆的L0较小及C0较大，故分裂导线架空线路和电缆的波阻抗都较小，电缆的波阻抗约为十几欧到几十欧不等。~~~~~~~~~~

变压器绕组中波过程电力变压器经常会受到雷电或操作过电压的侵袭，这时在绕组内将出现极复杂的电磁振荡过程，即波过程，使绕组相间和绕组各点对地绝缘及绕组匝间绝缘上出现过电压。相与相间、相对地的绝缘是主绝缘匝与匝间的绝缘是纵绝缘~~~~~~~~~~~~~~~~一、单相变压器绕组的等值电路及其初始电压的分布1、等值电路：为了定性分析，将绕组作以下简化：假定沿绕组各点参数完全相同，略去绕组间的互感或损耗，及次级绕组的影响，等值电路如图所示。图中L0、C0、K0分别是沿绕组高度单位长度的电感，对地电容和纵向电容（匝间或线盘间电容）。分析：绕组中初始电位分布是按照指数规律衰减的。1）绕组末端接地时：2）绕组末端开路初始电位分布不均匀的原因是：对地电容的存在，对地电容越大，通过它流入大地的杂散电流越大，电位分布越不均匀。x=0时，u=U0;x=

l时u=0x=0时，u=U0;x=

l

时u→0变压器绕组中稳态电压的分布和振荡过程1、绕组末端接地2、绕组末端开路最大电位出现在绕组首端、最大电位梯度出现在绕组首端，首端的主绝缘、纵绝缘都需要加强。最大电位出现在绕组尾端、最大电位梯度出现在绕组首端，尾端的主绝缘、首端的纵绝缘需要加强。

雷电及防雷装置

雷电及其参数雷电放电的过程可以看成是一个具有一定内阻的电流源突然合闸到被击物上的过程。所以描述雷电放电的主要参数有：雷电流（幅值）、波阻抗、雷电流陡度、雷暴日（小时）、地面落雷密度、雷电的标准波形等。~~~~~~~~~~~~1、雷电流：指雷击低接地电阻被击物时流过被击物的电流。这里的低接地电阻是指30Ω以下的接地电阻。描述一个雷电的强弱用雷电流幅值来描述，我国一般雷电活动地区雷电流幅值概率分布按来分布，其中IL

是雷电流幅值，P是对应的雷电流幅值出现的概率，公式的含义是雷电流幅值超过88kA出现的概率是10%。在我国西北地区、内蒙古等地，雷电活动较弱，雷电流幅值较低，雷电流幅值概率分布按来分布。2、波阻抗：雷电通道的波阻抗通常取Z=300—400Ω。在我国DL/T620-1997中建议取300欧。3、雷电流陡度：实测表明，雷电流的波前时间在1-5微秒范围内，平均为2-2.5微秒。雷电流的陡度是指雷电流的波前随时间上升的速度，取值为雷电流幅值与雷电流冲击波波头时间的比值。取波头为2.6μs，则

一年中有雷电的日数称为雷暴日，一天只要听到一个雷声就作为一个雷暴日；一年中有雷电的小时数称雷暴小时，即在一个小时内只要听到雷声就算作雷暴小时。雷电活动的强弱因纬度和气象等条件的不同有较大的差异。在我国，以海南岛和雷州半岛雷电活动最为频繁，雷暴日为100-133，长江以南到北回归线的大部分地区为40-80，长江流域和华北某些地区为40，长江以北大部分地区为40-20，西北地区为20以下。全年平均雷暴日在40天的地区称为中等雷电活动地区，平均雷暴日少于15天的地区称为少雷区，全年平均雷暴日超过40天的地区称为多雷区。雷暴日（小时）是描述一个地区雷电活动强度的参数。4、雷暴日（小时）：每雷暴日、每平方公里的地面落雷的次数。地面落雷密度也是描述一个地区雷电活动强度的参数。5、地面落雷密度：6、输电线路落雷次数：每100km线路每年遭受雷击的次数。〔次／（100km·年）〕三、避雷针（线）保护范围的计算

保护范围计算的实质是：求不同高度上，被保护物距离避雷针的距离是否小于避雷针在这个高度上的保护半径。drh当hx>=h/2,rx=(h-hx)p；当hx<h/2,rx=(1.5h-2hx)ph—避雷针的高度；p—高度影响系数，

当h≤30m时，p=1;

当30<h≤120m时单支避雷针例题：某建筑物如图所示，在它侧面安装一支避雷针来保护它，求避雷针最低高度。

求解要点：1、为防止反击，避雷针距离被保护物空气中距离不小于5米，并据此确定避雷针的位置；2、通过求最高水平面上的保护半径，或最远点所在水平面上的保护半径来求避雷针的针高。RX5米5米2.5米

《避

雷

器》感应雷或入侵波作用在被保护设备上时，可能使设备的绝缘破坏，如何来保护设备免受危险电压的破坏呢？一、问题的提出~~~~~~~~避雷器的理论依据：

气体间隙的伏秒特性曲线低于电气设备的伏秒特性曲线所以说，避雷器是一种过电压限制器，它实质上是过电压能量的吸收器，它与被保护设备并联运行，当作用电压超过一定幅值以后避雷器总是先动作，泄放大量能量，限制过电压，保护设备。二、保护间隙1、辅助间隙的作用：避免主间隙被短接而造成工作母线接地短路。19世纪80年代末才出现了最原始的避雷器——保护间隙。2、缺点：1）伏秒特性陡，不能保护绕组设备；2）不具有灭弧能力；3）容易产生截波。续流：沿冲击放电回路流过的工频短路电流。三、管型避雷器1、辅助间隙的作用：隔离工作电压，避免产气管被流过的工频泄漏电流所烧坏。2、缺点：管型避雷器的实质还是一个具有一定灭弧能力的保护间隙，所以还有伏秒特性陡和容易产生截波的缺点。20世纪20年代末，研制了一种能自动熄弧的管型避雷器。四、普通阀型避雷器如何限制截波：冲击电流在电阻阀片上的压降称为残压。残压越低对被保护物越有利，所以希望串联的电阻要小一些。但串联的电阻越大，对灭弧越有利，所以从灭弧的角度来说串联的电阻要大一些。U>0普通阀型避雷器的工作原理在电力系统正常工作时，间隙将阀片电阻和工作母线隔离，以免在母线工作电压下阀片电阻中长时间流过电流而使阀片烧坏。当系统中出现过电压，且幅值超过间隙的放电电压时，火花间隙被击穿，冲击电流通过阀片流入大地，由于阀片是非线性电阻，在雷电流作用下，阀片呈低阻值，这时阀片上产生的残压将受到限制，若使残压低于被保护物的冲击耐压，则被保护设备得到保护。当过电压消失后，在工作电压作用下，间隙中仍有工频电弧电流流过，但工频续流受到阀片电阻的限制，若将工频电流限制在一定值以下，使间隙能在工频续流第一次过零时将电弧切断，间隙恢复绝缘，系统正常工作不受影响。间隙并联电阻由于间隙各电极对地、对高压端有寄生电容，故在多个串联间隙上电压分布是不均匀的，这样避雷器动作后，每个间隙上的恢复电压分布也不均匀，从而降低了避雷器的熄弧能力，工频放电电压也将下降。为改善间隙上的电压分布，在每个间隙上并联分路电阻。在工频电压作用下，因间隙容抗很大而分路电阻值很小，故间隙上电压分布将主要由分路电阻决定，因分路电阻值相等，使电压分布均匀，提高了工频放电电压，也使工频放电电压稳定。在冲击电压作用下，由于冲击电压的等值频率很高，间隙的容抗小于分路电阻，间隙上的电压分布由电容大小来决定，使电压分布很不均匀，上部间隙很快击穿，电压都加在下部间隙和阀片上，使间隙击穿，所以降低了冲击放电电压，也降低了冲击系数，并联电阻后，冲击系数一般为1左右。五、磁吹避雷器又称拉长电弧型间隙，间隙由一对角状电极组成，磁场是轴向的，工频续流被轴向磁场拉入灭弧栅，其电弧最终长度可达起始长度的数十倍。灭弧盒由陶瓷或云母玻璃制成，电弧在灭弧栅中受到强烈的去游离而熄灭。由于电弧形成后，很快被拉到远离击穿点位置，故间隙绝缘恢复很快。这种磁吹间隙熄弧能力很强，可切断450A左右的续流。此外、由于电弧被拉长，且处于去游离很强的灭弧栅中，所以电弧电阻很大，可以起到限制续流的作用，故称限流型间隙。1、限流型火花间隙磁场是由与间隙串联的磁吹线圈产生的：在过电压作用下，主间隙被击穿，放电电流通过磁吹线圈，在线圈上产生很大的压降，使辅助间隙击穿，放电电流经过辅助间隙、主间隙、阀片而流入大地；在工频续流通过时，电感线圈上的压降不足以维持辅助间隙中电弧的燃烧，工频续流很快转入磁吹线圈中，即工频续流是通过电感线圈、主间隙、电感线圈流入大地的，续流在电感线圈中产生磁吹。

2、磁吹避雷器是如何产生磁吹的？氧化锌避雷器70年代初期出现了金属氧化物避雷器，其阀片以氧化锌为主要材料，附以少量精选过的金属氧化物，经高温焙烧而成。氧化锌阀片具有很理想的非线性伏安特性。图中假定ZnO、SiC电阻阀片在10kA电流下的残压相同，但在额定电压（或灭弧电压）下ZnO曲线对应的电流一般在10-5A以下，可近似认为续流为零，而SiC曲线所对应的续流却是（100-400）A左右。1、伏安特性ZnO的伏安特性可分为小电流区、非饱和区和饱和区。在1mA以下的区域为小电流区，非线性系数α较高，为0.2左右；电流在1mA到3kA范围内，通常为非线性区，其α值在0.02~0.05左右；电流大于3kA，一般进入饱和区，这时电压增加，电流增长不