带电教材第2章.docx
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带电教材第2章
第二章带电作业基本知识
第一节带电作业中的高压电场
一、电场的基本概念
1．电场的性质
自然界存在着正、负两种性质的电荷。
电荷的周围存在着一种特殊形态的物质，人们称之为电场。
电荷在相互作用时有斥力或吸力，同性电荷互相排斥，异性电荷互相吸引。
一对同性电荷的电场与一对异性电荷的电场是截然不同的，它们的电场分布图形，如图2-1所示。
（a）（b）
图2－1一对电荷之间的电场分布图
（a）一对同性电荷的电场；（b）一对异性电荷的电场
相对于观察者为静止的、且其电量不随时间而变化的电场称为静电场，例如在直流电压下两电极之间的电场就是静电场。
在工频电压下，两电极下的电量将随时间变化，因而两极板之间的电场也随时间而变化。
但由于其变化的速度相对于电子运动速度而言是相当缓慢的，并且电极间的距离也远小于相应的电磁场波长，因此对于任何一个瞬间的工频电场可以近似地按静电场考虑。
将一个静止电荷引入到电场中，该电荷就会受到电场力的作用。
研究电场就是要确定电荷在电场中各点所受到电场作用力的大小与方向。
在较强的电场中，电荷所受到的作用力也较大。
电场的强弱常用电场强度（简称场强）来描述。
电场强度是电荷在电场中所受到的作用力与该电荷所具有的电量之比。
实际上，电场强度是一个矢量，具有方向性。
人眼不能直接观察到电场，下面用两个实验来证实电场的存在。
【实验1】用两根较长的平行导线，穿过一块绝缘板，两导线的首端加直流电压，末端开路，带电导线周围就形成一个静电场。
在水平放置的绝缘板上撒一层薄薄的云母粉，并轻轻地敲击绝缘板。
由于介质极化的缘故，云母粉在电场力的作用下沿着电力线顺序排列，形成如图2－2（a）照片所示的图形。
【实验2】同上布置，但导线的末端闭路，导线内流过电流，绝缘导线的周围产生一个磁场。
在绝缘板上撒一层薄薄的铁屑粉，并轻轻敲击绝缘板，由于被磁化的缘故，铁屑粉在磁场力的作用下沿着磁力线顺序排列，形成如图2－2（b）照片所示的图形。
图2－2电磁场力线的实验照片
（a）云母粉在电场中的排列图形；（b）铁屑份在磁场中的排列图形；
（c）图形（a）与（b）的合成图形；（d）经数学处理后人为的电场图形
由于电与磁之间有许多相似性，图2－2（b）的磁力线图形就相当于电场中的等位线图形，所以将图2－2（a）与图2－2（b）重叠就构成图2－2（c）的合成图形。
如果用数学的方法予以处理，就可以画出如图2－2（d）的电场图形。
图2－2（d）是一对异性电极构成的电场图，两电极之间的连线是电力线，围绕电极的许多偏心圆是等位线。
但是应该注意，电力线和等位线并不是电场中实际存在的线，而是人们为了便于直观和形象化地表达电场而人为地设置的假想线。
有了电场图，可以进一步对电力线与等位线的特性进行分析。
在任一电场中，电力线上任何一点，其切线的方向与该点电场强度方向是一致的，因此电力线从正电极出发，到负电极终止。
电力线垂直于电极的表面，任何两条电力线都不会相交。
在作电力线图时，使单位面积上的电力线与场强的大小成正比，电力线的疏密程度就表示了电场的强弱。
连接电场中电位相同的点就可作出等位线。
在绘制等位线时，如果取各相邻等位线之间的电位差都相等，等位线越密，电场就越强。
图2－3给出了几种典型电极的电场图形。
图2－3几种典型电极的电场图
（a）平行板电极；（b）［棒-板］电极的电场；（c）［棒-棒］电极的电场；
（d）［球-球］电极的电场；（e）孤立圆球的电场
2．静电场中的基本物理现象
（1）简述
在强电工程中应用的材料有绝缘体与导体两大类。
绝缘体通常又称为电介质或简称介质。
介质在静电场中，如果电场强度高到某一数值时就会发生局部放电、击穿或闪络等现象。
导体在静电场中，受到带电体的影响产生静电感应现象，并具有静电屏蔽效应。
（2）电介质的局部放电、击穿与闪络
当强电场仅局限于很小的区域内时，介质只可能在该区域内发生局部击穿，通常称为局部放电。
如果强电场存在于两电极之间的大部分区域并使介质全部丧失绝缘性能，则称之为介质击穿。
如果这种击穿发生在固体介质与气体（或液体）介质的交界面，就称为闪络。
（3）导体在电场中的静电感应
当导体接近一个带电体时，靠近带电体的一面会感应出与带电体极性相反的电荷，而背离的一面则感应出与带电体极性相同的电荷，这种现象称为静电感应。
在带电作业中，静电感应现象会对作业人员产生不利的影响，特别是在超高压带电作业中，将会危及作业人员的人身安全。
有关静电感应的进一步描述及人体防护，将在有关的章节中详细介绍。
（4）导体在电场中的屏蔽效应
首先看一个小实验；如图2-4所示。
图2-4静电屏蔽的实验
（a）验电器上没有金属屏蔽罩；（b）验电器上有金属屏蔽罩
图2-4（a）是验电器靠近带电体时，由于静电感应而使验电器中的金属小叶片张开。
图2－4（b）是当验电器被罩上金属罩后，验电器不再受到静电感应，金属小叶片不再张开。
此外，著名电学家法拉第早年曾做过一个试验。
他处于一个对地绝缘的金属网做成的笼子里，让人对金属笼子施加高电压如图2－5所示。
在高电压下，金属笼子在空气中对外产生强烈的局部放电，然而法拉第在金属笼子里安然无恙、这个金属笼子就是通常所称的“法拉第笼”。
图2－5法拉第笼试验
金属导体在电场中具有屏蔽效应是基于以下一个事实：
无论一个金属导体所处的外电场有多么强，导体内部的电场强度始终为零。
为了便于分析，以图2－6的平板电极为例，在平板电极的电场中放进一块方形金属导体，导体表面也与平板电极平行。
当平板电极施加电压后产生电场E，导体在电场中由于静电感应，在靠正极板一侧感应负电荷，靠负极板一侧感应正电荷。
因此，在导体内部由于感应电荷而产生内电场E′，其方向与外电场E的方向相反。
内电场强度随着导体两侧表面感应电荷的积聚不断增长，一直到与外电场强度相等为止。
因此，内外两个电场叠加的结果，使导体内的总电场趋近于零。
这就是金属导体的静电屏蔽原理。
图2－6平板电极中金属导体内的电场
（a）金属导体的内电场；（b）金属导体内的总电场
带电作业中，人在强电场中可以视为一个良导体，为了避免作业人员因静电感应现象而产生不适或麻电，需要采取穿屏蔽服的保护措施。
屏蔽服的原理就是利用导体的屏蔽效应。
实质上，屏蔽服就相当于一个具有人体外形的法拉第笼。
二、带电作业中的电场
1．研究的意义
带电作业是一项特殊的工程技术，它直接涉及人的生命安全。
由于带电作业的现场环境和带电设备布局的千变万化，带电作业的工具和作业方式多样性、人在作业过程中有较大的流动性等因素，使带电作业中的高压电场十分复杂且变化多端。
此外，带电作业中的各种间隙，在不同作用电压下的放电特性也各不相同。
因此，研究带电作业中的电场可掌握其电特性和间隙在各种电场形式下的放电规律，有利于确定带电作业安全间距和制订带电作业安全规程。
2．带电作业中的电场
带电作业中所遇到的电场几乎都是不对称分布的极不均匀电场。
作业人员在攀登杆塔或变电所构架，由地电位进入强电场的过程中，构成了各种各样的电场，其中主要的电极结构有：
［导线－人与构架］、［导线－人与横担］、［引线与人－构架］、［导线与人－横担］、［导线与人－导线］等。
图2－7是作业人员检测绝缘子时，沿耐张串进入电场时与沿绝缘硬梯进人直线串电场时的情况。
3．电场分布图形的求取
研究带电作业中的电场分布图形能帮助分析和改进作业方式，为保障作业人员的人身安全提供可靠依据，这在当前带电作业技术中是一个很有实用意义的新领域、本节中介绍适用于求取带电作业电场图形的方法、基本原理和测量实例。
（1）求取方法
求取一个电极系统的电场分布图形有计算、实测和模拟测量三种方法。
结构简单的电极系统，利用计算法或实测法可以很容易地求得（但实测法准确度很低）。
结构复杂且不规则的电极系统，计算法就难以应用。
由于带电作业电场的复杂性，可以用模拟测量法，在实验室中利用电解槽求得，此法简单易行，效果也较好。
（2）电解槽模拟测量法的基本原理与测量方法
电解槽模拟测量法是一项成熟的方法，完全能应用于带电作业领域，其基本原理是利用静电场与电流场之间的相似性，通过测取电流场来获得静电场图形。
图2－8是利用电解槽模拟测量电位分布的原理图。
图中的电极为一对平行的平板电极（当测量某一带电作业电场时，应将实际的电极结构形状与尺寸按同一比例缩小到某合适的程度作为测量电极）。
图2－7带电作业中的电场
（a）绝缘子检测；（b）沿耐张串进人电场；（c）沿水平绝缘硬梯进入直线串电场
图2－8电解槽模拟测量电位分布原理图
1－电极；2－探针；3－指零仪；4－电位计滑动触头；5－电源；
6－电解液；7－槽体；R－电位计；C1、C2－杂散电容
测量方法：
先将指零仪3跨接到电位计R的滑动触点4与探针2之间，再将电源与电位计R与测量电极1同时接通。
调节电位计的滑动触头到欲测量的某一电位值，然后移动探针在电解槽内的位置，找出使指零仪指针在零位时的各点，这些点的连线即为欲测电位的等位线。
不断改变电位计的滑动触头，使之具有不同的电位，用同样的方法测得电极之间各种电位下的等位线。
再根据电力线与等位线相互正交的原理画出电场的电力线，得到该电极系统的电场分布图。
（3）模拟测量法的设备与基本要求
1）电解槽本体
电解槽的槽体用绝缘材料制成，一般可选用有机玻璃或塑料。
槽体与电极模型的尺寸须满足两个条件：
①相体尺寸比电极模型尺寸大六倍以上；②电极模型的尺寸不宜过小，否则不易测量准确。
从实用出发，槽体的宽度和长度一般不超过1.5～2.0m，深度约为0.5m。
当电极模型尺寸因形状复杂而显得相对过小时，可来用局部模型的方法解决。
2）电解液
电解液应具有较低的电导率，以免因电流过大而使电解液局部发热，导致各点电阻率不同而畸变电场。
通常使用自来水即可满足要求，但在使用过程中，应保持自来水清洁，无沉淀异物，不变质。
3）探针
应选用不与电解液发生化学作用的材料制作的探针，以免因接触电阻增大而引起附加电压降。
一般采用不锈钢针或镀铜钢针，针头的直径可取0.1～0.35mm。
如果针头直径太大，会影响原电场的分布而降低测量准确度；如果针头直径太小，则探针的刚性不够，容易变形。
4）电极模型
选用制作电极模型材料的原则与探针相同，一般使用铜或黄铜。
为了满足边界条件的一致性，电极模型按实际所需测量的电极系统以一定的比例缩小，使电极模型的几何形状与实物保持一样。
5）电源
为了产生恒流场，本应使用直流电源，但在直流电压下电极附近会产生极化现象，使接触电阻增大而导致电场畸变，引起较大的测量误差。
因此，在实际测量中一般都采用交流电源。
使用交流电源应注意选择电压与频率两个参数。
通常，电压取20～30V。
如果电压太低，会影响测量时的灵敏度，电压太高又会使电解液发热。
电源频率可取500～2000HZ。
如果频率太低，会使极化效应增大，频率太高则会使探针与模型电极间的杂散电容影响增大。
6）指零仪
指零仪可用真空管毫伏表，也可用示波器或高灵敏度耳机。
7）屏蔽
为了减少空间外电场的干扰，所有与电极系统和测量系统连接的导线均应采用屏蔽线。
第二节过电压的基本知识
一、过电压的基本概念
电力系统由于外部（雷电）和内部（如故障跳闸或操作）的原因，会产生对系统绝缘有害而持续时间较短的电压升高，这种电压升高称为过电压。
过电压根据其产生的根源可分为大气过电压和内部过电压。
（一）大气过电压
大气过电压是雷电活动引起的，由于过电压来自系统外部，所以又叫做外部过电压。
雷电是怎样引起过电压的呢？
我们知道，打雷是空中的放电现象，其放电形式有两种，一种是发生在两块带异性电荷的雷云之间，另一种是发生在雷云与地面之间。
雷电的放电过程，也就是正负电荷间的中和过程。
前者对系统危害性较小，后者对系统的危害性较大，是系统大气过电压的主要根源。
大气过电压根据其雷击方式，又可分为直击雷过电压和感应雷过电压。
l．直击雷过电压
当雷电直接对输电线路或电气设备放电时，强大的雷电流将通过设备本身或设备的接地装置导入大地，从而产生破坏性很强的热效应和机械效应，这就是我们所说的直击雷过电压。
线路绝缘所能耐受特定波形的直击雷而不会发生闪络的最大雷电流幅值，称为该线路的耐雷水平。
显然，额定电压越高的线路，因为其绝缘水平比较高，所以其相应的耐雷水平也比较高。
例如；110kV线路采用7片X－4.5绝缘子时，其冲击绝缘水平为700kV，耐雷水平一般为40kA～75kA；220kV线路采用13片X－4.5绝缘子时，其冲击绝缘水平为1200kV，耐雷水平为80kA～120kA。
2．感应雷过电压
当雷云飘到架空线路上空时，就会在导线上感应出大量与雷云极性相反的感应电荷。
如果这时雷云对避雷线或线路附近的其他目标进行主放电，空中的电荷消失，使导线上的感应电荷失去了束缚，立即以光速向导线两侧传播、由于主放电的速度很高，故导线上电流也很大，由此形成过电压，这种感应雷引起的过电压称为感应雷过电压。
感应雷过电压幅值的大小与雷云对地放电时的雷电流幅值大小、导线对地平均高度及线路距雷击点的距离等因素有关，其最大值可按式（2－1）、（2－2）计算
当S＞50m时Ug≈25（2-1）
当S≤50m时Ug≈ahd≈（2-2）
式中:
Ug—感应过电压最大值，kV；
I—雷云对地放电电流最大值（kA），一般取I≤100kVA；
hd—导线对地平均高度，m；
S—雷击点与线路的水平距离，m；
A—雷电流陡度；
τt—雷电流波头长度，取2．6μs。
感应雷过电压幅值一般要比直击雷过电压幅值小得多，很少达到500kV～600kV，但这样的过电压幅值也足以使60～80cm的空气间隙击穿，使35kV及以下架空线路的绝缘发生闪络，对60kV线路绝缘也会造成威胁，但对110kV及以上线路的绝缘无大影响。
（二）内过电压
运行中的电力网络由于故障跳闸或操作等原因而引起的电压升高，由于这种过电压来自系统内部，所以称为内过电压，又称操作过电压。
内过电压是由于电流突变引起的，不论是开关切合，还是断线、短路，都会改变系统运行参数，使电感、电容发生变化，引起能量转化和传递的过渡过程。
内过电压就是在这个过渡过程中产生的。
内过电压的种类很多，按其产生的原因，可分为切合空载线路过电压、切合空载变压器过电压、电弧接地过电压以及谐振过电压等。
1．切合空载长线路等电容性负荷时的过电压
由于空载线路容抗比感抗大得多，故可认为空载线路为容性负荷，且线路越长，电容越大、在切合空载长线路或电容器组时，由于电容器反向充放电，使开关触头间发生电弧重燃。
这是因为电容电流在相位上超前电容电压90°，虽然在电流过零时熄灭，但这时正好是电压达到最大值的时候，如果开关触头间的绝缘还未能恢复正常，则将发生电弧重燃，并构成振荡，引起过电压。
从理论上讲，随着电弧重燃次数的增加，过电压幅值将成几倍的增长。
但实际上，由于各种原因，切断空载长线的过电压，在中性点不直接接地系统中，一般不超过最高运行相电压的3～4倍；在中性点直接接地系统中，一般不超过最高运行相电压的3倍。
2．切合空载变压器等电感性负荷时的过电压
变压器、消弧线圈等都属电感元件、在切断电感元件的电流时，线圈中的磁场能量将转变为电能。
如果附近没有足够的电容器来吸收这些能量，开关的强制熄弧将会引起系统的电压升高，产生过电压。
这种过电压与开关结构、回路参数、中性点接地方式、变压器接线类型等因素有关。
在中性点不直接接地或经消弧线圈接地的10kV～66kV系统中，过电压幅值一般不超过最高运行相电压的4倍；在中性点直接接地的110kV～500kV系统中，过电压幅值一般不超过最高运行相电压的3倍。
3．电弧接地过电压
单相电弧接地引起的过电压，只发生在中性点不直接接地系统中。
在这样的系统中，如果一相对地起弧，接地电流较大，电弧就不易熄灭，呈现熄弧和重燃的不稳定交替过程，引起其他两相对地电容的振荡，出现较高的过电压、根据实测数据，这种过电压幅值最大为最高运行相电压的3.2倍，绝大部分均小于3倍。
4．谐振过电压
当系统因开关操作或断线、电压互感器铁心饱和以及非全相拉合闸等原因，使系统的感抗和容抗相等，即ωL=1／ωC，也就是说，外加电源的频率（或者是它的各次谐波频率）与电路固有的自振频率相等，电路中就会出现电压谐振，从而产生过电压，这种过电压叫做谐振过电压。
5．工频电压升高
研究过电压问题还应考虑工频电压的升高。
系统在运行中突然甩负荷、空载长线路的电容效应或单相接地，都会引起工频电压升高。
这些动态电压的升高对系统绝缘不构成危险，但当工频电压升高与内部过电压同时出现时，内部过电压的绝对值等于升高后的工频电压值乘上内部过电压倍数，增加了内部过电压的绝对值、这种内部过电压的绝对值，对计算选择带电作业的安全距离是至关重要的。
（三）带电作业中的过电压水平
1．大气过电压水平
在带电作业地段有雷电活动时，不允许进行带电作业，这是在《安规》中所明确规定的。
因此，在考虑带电作业中的大气过电压水平时，主要考虑远方落雷时，雷电波沿线路导线传到作业地点对带电作业所造成的影响。
确定大气过电压的幅值，主要依据线路的绝缘水平，同时也要考虑雷电前行波到达作业地点时的衰减情况。
当线路落雷后，不管是直击雷还是感应雷，雷电波均以3×105km/s的速度向导线两侧传播，形成雷电前行波。
由于导线电阻、导线线间及对地电容、导线的集肤效应、空气中的介质极化、电晕等影响，雷电前行波在传播过程中要发生变化和衰减，其衰减值与起始雷电压幅值及传播的距离有关，可用浮士德－孟善提出的经验公式计算，该公式如下:
（2-3）
式中:
Us—大气过电压衰减值，kV；
U0—波的起始电压，kV；
x—落雷处距作业地点的距离，km；
K—衰减系数（测得值）。
K值的变化范围是由各种因素，如导线的排列方式和波的形状等所决定的。
一般说来，短波的值比长波的大些；波在单根导线上传播的值比在多根导线上传播要大些。
K值大约在（0.16～1.2×10－3之间，考虑最不利情况，一般取K=0.16×10－3
大气过电压的起始电压幅值U0，取决于线路的绝缘水平。
如果U0的幅值超过线路绝缘子串的雷电冲击闪络电压．那么在雷电前行波经过最近一串绝缘子时，该串绝缘子必然发生闪络，雷电压将消失。
只有当U0的幅值低于线路的绝缘水平，它才有可能沿导线向作业地点传播。
因此，U0的最大值就是绝缘子串的雷电冲击闪络电压值。
绝缘子串的雷电冲击闪络电压值可以从《电力设备过电压保护设计技术规程》等有关资料中查得。
现将有关内容列于表2－1中。
表2－1架空线路绝缘子回电冲击闪络电压值
额定电压（kV）
绝缘子片数
绝缘子型式
50％冲击放电电压（kV，正极性）
35
3
XP—4.5
350
66
4
XP—4.5
420
110
7
XP—4.5
700
220
13
XP—4.5
1200
330
19
XP—10
1645
500
28
XP－16
2366
2．内过电压水平
由于内部过电压的能源来源于系统本身，所以它的幅值与系统的工频电压密切相关。
因此，内部过电压幅值的大小，是以系统的最高运行相电压的倍数来表示的。
内部过电压的幅值可按公式（2－4）计算
（2－4）
式中：
U0—内部过电压幅值，kV；
UH—系统额定电压，kV；
k0—过电压倍数；
k1—电压升高系数。
内部过电压倍数k0值，根据《电力设备过电压保护设计技术规程》确定。
电压升高系数k1取允许电压变动的上偏差值。
k0、k1值见表2－2。
表2－2过电压倍数k0及电压升高系数k1
电压等级（kV）
k0
k1
35～66（非直接接地）
110～154（非直接接地）
110～220（直接接地）
330（直接接地）
500（直接接地）
4
3.5
3
2.75
2.5
1.15
1.15
1.15
l.10
1.10
二、空气绝缘水平
空气绝缘水平是确定带电作业安全距离的一个重要因素。
因此，我们必须了解和正确掌握空气的绝缘特性。
空气的绝缘水平，可用它产生放电时的击穿电场强度或放电电压来衡量。
那么气体是怎样发生放电的呢？
下面来了解气体的放电机理。
大气中存在着宇宙线、红外线等各种射线，空气中的气体分子在射线作用下游离为正离子和负离子，所以在常态的空气中都存在着离子、如果在一段空气间隙上施加一定的电压，空气中的正、负离子在电场力的作用下，相互运动而产生电流。
在一般情况下，这种电流是很小的，不会使空气丧失绝缘。
只有当间隙上施加的电压高到一定程度时，才能加速正负离子的游离碰撞运动，出现“电子崩”现象。
造成气隙的击穿。
此时；间隙内的平均电场强度称为气体的击穿电场强度；间隙上所施加的电压称为气体的放电电压或击穿电压。
（一）影响空气绝缘强度的因素
影响气体放电的因素很多。
相同长度空气间隙的击穿电压与间隙两侧的电极形状、电压波形以及气象条件（气温、湿度和气压）等因素有关。
1．电极形状对空气击穿电压的影响
由于电极形状的不同，电场分为均匀电场和不均匀电场。
在均匀电场中（如板－板间），放电是完全的，它的起始放电电压，即是间隙的击穿电压；在不均匀电场中（如棒－棒、棒－板间），放电则是从不完全放电开始，最后才发展为完全放电，它的起始放电电压即电晕电压，比击穿电压低。
实际上，在带电作业中我们所遇到的电场，大多是不均匀电场。
如架空线路的导线间；带电导线对杆塔、构架或横担间；作业人员对带电体以及等电位电工对接地体之间等，都属于不均匀电场。
在不均匀电场中，当电场强度不高时，气体游离的过程只限于在电场强度较高的电极周围，形成稳定的电晕或不稳定的火花，即不完全放电，但当电压继续升高，达到电极间的击穿电压时，不完全放电就发展为完全放电将电极间隙击穿。
2．电压波形对空气击穿电压的影响
目前，高电压工程中最常用的波形有三种，即工频正弦波、操作波和雷电波。
工频正弦波是长波头，波头时间为5000μs，放电电压偏低；雷电波为短波头，波头时间为1.5μs，放电电压较高；操作波波头介于两者之间。
对于一定波形的冲击电压来说，击穿电压的大小不仅取决于空气间隙的距离，也取决于波头时间。
有关院所在操作波电压下，对棒－板间隙击穿电压全波伏秒特性进行了试验，其结果见表2－3所示；并根据其试验数据，绘制出图2－9曲线，以供查用。
表2－3棒－板间隙放电电压全波伏秒特性
试验电压波头时间／试验电压波尾时间
（μs）
间隙距离S（m）
1.0
2.0
3.0
U50％（kV）*
1.5／40
120／6000
175／1000
225／2400
450／6000
775／6000
5000（工频）
510
380
390
420
430
440
450
1070*
660
660
680
740
780
882
1640
880
930
850
990
—
1250*
注:
1．放电电压已校正到标准状态；
2．工频放电电压为最大值；
*U50%—50％击穿电压，系指在该试验电压作用下，间隙被击穿的几率为50％。
全波伏秒特性呈U型，在U型曲线的最低点，放电电压最低，与其所对应的波头时间，称为“临界波头时间”。
它一般出现在100～250μs之间，与其所对应的放电电压称为“临界波头放电电压”。
该放电电压一般都低于工频放电电压。
因此，过去根据空气间隙的工频放电特性确定带电作业的安全距离，是很不安全的，应按操作被放电特性考虑，放电电压
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