高电压技术复习要点Word格式.docx
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由于碰撞电离和电子崩的结果，在它们到达x处时，电子数已增加为n，这n个电子在dx的距离中又会产生dn个新电子。
抵达阳极的电子数应为：
途中新增加的电子数或正离子数应为：
将式
的等号两侧乘以电子的电荷，即得电流关系式：
13.汤逊理论
前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放电的。
要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。
实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和气隙长度的乘积（
）有关。
值较小时自持放电的条件可用汤逊理论来说明；
值较大时则要用流注理论来解释。
（1）
过程与自持放电条件
由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电子。
此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起阴极表面电离，统称为
过程。
为引入系数。
设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于
过程，电子总数增至
个。
因在对
系数进行讨论时已假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（
－1）个正离子。
由系数的定义，此（
－1）个正离子在到达阴极表面时可撞出（
－1）个新电子，这些电子在电极空间的碰撞电离同样又能产生更多的正离子，如此循环下去。
自持放电条件为
：
一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数
电子碰撞电离系数
两极板距离
（2）汤逊放电理论的适用范围
汤逊理论是在低气压、较小的条件下在放电实验的基础上建立的。
因此，通常认为，＞0.26cm（pd＞200cm•mmHg）时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结果不再适用，但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有效的。
1.2气体介质的电气强度
1.空气间隙放电电压主要受到电场情况、电压形式以及大气条件的影响。
2.电场电压击穿物体：
均匀电场的击穿、稍不均匀电场的击穿、极不均匀场的击穿。
3.均匀电场的击穿特性：
电极布置对称，无击穿的极性效应；
间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短；
直流击穿电压、工频击穿电压峰值以及50％冲击击穿电压相同；
击穿电压的分散性很小。
4.稍不均匀电场的击穿特点：
击穿前无电晕；
无明显的极性效应；
直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50％冲击击穿电压几乎一致。
5.极不均匀场的击穿特性：
电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱；
极间距离对击穿电压的影响增大；
在直流电压中，直流击穿电压的极性效应非常明显；
工频电压下，击穿都发生在正半周峰值附近。
6.负极性雷的三个阶段：
先导过程、主放电过程、余光放电过程。
7.雷电过电压：
是一种持续时间极短的脉冲电压，在这种电压作用下绝缘的击穿具有与稳态电压下击穿不同的特点。
8.雷电能对地面设备造成危害的主要是云地闪。
9.按雷电发展的方向可分为：
下行雷在雷云中产生并向大地发展；
上行雷由接地物体顶部激发，并向雷云方向发展
10.下行负极性雷通常可分为3个主要阶段：
先导过程；
主放电过程；
余光放电过程。
11.气隙击穿三个特点：
最低静态击穿电压；
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。
12.操作过电压：
电力系统在操作或发生事故时，因状态发生突然变化引起电感和电容回路的振荡产生过电压，称为操作过电压。
13.操作冲击电压作用下的击穿特点：
U形曲线、极性效应、饱和现象、分散性大、邻近效应。
14.提高气体击穿电压的措施：
电极形状的改进（使空间场强分布均匀，从而提高气体击穿电压。
目的：
以改善电场分布，提高间隙的击穿电压。
）；
空间电荷对原电场的畸变作用；
极不均匀场中屏障的采用；
提高气体压力的作用；
高真空和高电压强度气体SF6的采用。
1.3固体绝缘表面的气体沿面放电
1.闪络：
沿整个固体绝缘表面发生的放电称为闪络。
在放电距离相同的，沿面闪络电压低于纯气隙的击穿电压。
2.高压绝缘子的分类：
1）按结构分绝缘子、套筒、套管。
2）按材料分电工陶瓷、钢化玻璃、硅橡胶、乙丙橡胶等有机材料。
3.界面：
气体介质与固体介质的交界面称为界面。
4.沿面闪络电压的影响因素:
（一）固体绝缘材料特性
（二）介质表面的粗糙度
（三）固体介质与电极间的气隙大小
图1-22均匀电场中不同介质的沿面闪络电压
（工频峰值）的比较
1-空气隙击穿2－石蜡3－瓷
4－与电板接触不紧密的瓷
5.滑闪放电是具有强垂直分量绝缘结构所特有的放电形式。
6.滑闪放电的条件：
电场必须有足够的垂直分量；
电场必须有足够的水平分量；
电压必须是交变的。
7.滑闪放电现象可用图所示的等效电路来解释：
图为套管绝缘子等效电路
C－表面电容R－体积电阻
r－表面电阻A－导杆B－法兰
8.污闪：
污秽层受潮变成了覆盖在绝缘子表面的导电层，最终引发局部电弧并发展成沿面闪络，这就是污闪。
9.污闪的次数在几种外绝缘闪络中不算多，但是它造成的损失却是最大的。
10.污闪的发展过程：
污秽层的形成、污秽层的受潮、干燥带形成与局部电弧产生、局部电弧发展成闪络。
11.污秽等级的划分及污秽度评定的方法：
目前在世界范围内应用的最广泛的方法是等值盐密法。
12.提高沿面放电电压的措施：
屏障、屏蔽、提高表面憎水性、消除绝缘体与电极接触面的缝隙、改变绝缘体表面的电阻率、强制固体介质表面的电位分布、提高污闪电压。
第二章液体的绝缘特性与介质的电气强度
1.液体电介质又称绝缘油，在常温下为液态，在电气设备中起绝缘、传热、浸渍及填充作用，主要用在变压器、油断路器、电容器和电缆等电气设备中。
在断路器和电容器中的绝缘油还分别有灭弧和储能作用。
2.液体电介质有矿物绝缘油、合成绝缘油和植物油三大类。
2.1液体电介质的极化与损耗
1.非极性液体和弱极性液体电介质极化中起主要作用的是电子位移极化，其极化率为αe。
2.极性液体介质包括中极性和强极性液体介质这类介质在电场作用下，除了电子位移极化外，还有偶极子极化，对于强极性液体介质，偶极子的转向极化往往起主要作用。
极性液体分子具有固有偶极矩。
3.非极性和弱极性液体介质的极化主要是电子位移极化。
介质损耗主要来源于电导。
4.极性液体介质的介质损耗与粘度有关。
极性分子在粘性媒质中作热运动，在交变电场作用下，电场力矩将使极性分子作趋向于外场方向的转动，在定向转动过程中，因摩擦发热（偶极子在转动过程中摩擦发热而引起的）而引起能量的损耗。
2.2液体电介质的电导
1.根据液体介质中离子来源的不同，离子电导可分本征离子电导和杂质离子电导两种。
2.华尔屯定律：
与温度无关。
2.3液体电介质的击穿
1.液体电介质的击穿条件：
碰撞电离和电子崩发展到一定大小。
2.气泡击穿理论的现象：
气泡在两极间形成连续的气桥。
过程：
气泡发生电离，产生高能电子，与液体分子发生碰撞，电离产生更多的气泡。
原因：
气泡为什么电离？
1）气体击穿场强比液体介质的击穿场强小。
2）气泡中场强比液体介质大。
结论：
由于气桥产生，形成导电通道，液体电介质击穿。
3.水桥击穿理论的现象：
椭圆水球在电极间形成连续的水桥。
水分子介电常数大，极化成椭球状，在电场作用下定向排列。
由于水桥形成，在比较低的电压发生击穿。
4.小桥击穿理论的现象：
杂质粒子在电极电场集中处聚集起来。
杂质粒子在液体杂质中处于悬浮状态，杂质粒子介电常数比液体介质的大，在电场力的作用下，发生定向排列。
杂质粒子存在，液体电介质击穿电压降低。
第三章固体的绝缘特性与介质的电气强度
1.电介质的电气特性，主要表现为它们在电场作用下的导电性能、介电性能和电气强度，它们分别以四个主要参数，即电导率（或绝缘电阻率）、介电常数、介质损耗角正切和击穿电场强度（简称击穿场强）来表示。
2.一切电介质在电场作用下都会出现极化、电导和损耗等电气物理现象。
3.1固体电解质的极化与损耗
1.电介质的介电常数也称为电容率，是描述电介质极化的宏观参数。
电介质极化的强弱可用介电常数的大小来表示，它与该介质分子的极性强弱有关，还受到温度、外加电场频率等因素的影响。
2.电介质的相对介电常数为：
式中，D、E——分别为电介质中电通量密度、宏观电场强度。
3.介质损耗：
在电场作用下没有能量损耗的理想介质是不存在的，实际电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化引起的损耗，总称为介质损耗。
4.绝缘材料的介质损耗角正切就是损耗角δ的正切值，可直接用tanδ表示。
绝缘材料的损耗角δ是在其上的外施电压与由此产生的电流之间的相位差的余角。
它是由介质电导以及介质极化的滞后效应所引起的。
如图所示：
5.固体无机电介质的介质损耗：
（1）无机晶体：
（2）无机玻璃：
玻璃的介质损耗可以认为主要由三部分组成：
电导损耗、松弛损耗和结构损耗。
（3）陶瓷可以分为含有玻璃相和几乎不含玻璃相两类，第一类陶瓷是含有大量玻璃相和少量微晶的结构，其介质损耗主要由三部分组成：
玻璃相中离子电导损耗、结构较松的多晶点阵结构引起的松弛损耗以及气隙中含水引起的界面附加损耗，tanδ相当大。
6.固体有机电介质的介质损耗：
（1）非极性有机介质：
介质损耗主要是由杂质电导引起的，
被广泛用作工频和高频绝缘材料。
（2）极性有机介质：
主要决定于极性基的松弛损耗，因而在高频下的损耗也很大，不能作为高频介质应用。
7.非极性固体电介质只能发生电子位移极化，而极性固体电介质不仅发生电子位移极化，还有极性分子的转向极化。
8.无机晶体介质损耗主要来源于电导，无机玻璃包括了热离子极化和松弛效应，陶瓷介质的tanδ相差很大；
9.非极性有机介质损耗由杂质电导引起，极性有机介质在不同状态下变化很大。
10.固体电介质的电导按导电载流子种类可分为离子电导和电子电导两种，前者以离子为载流子，而后者以自由电子为载流子。
在弱电场中，主要是离子电导。
11.晶体介质的离子来源有两种：
本征离子电导和弱束缚离子电导。
12.电介质中导电电子的来源包括来自电极和介质体内的热电子发射，场致冷发射及碰撞电离，而其导电机制则有自由电子气模型、能带模型和电子跳跃模型等。
13.隧道效应：
对于具有能量u﹤u0的微观粒子，粒子可以由区域I穿过势垒II到达区域III中，并且粒子穿过势垒后，能量并没有减少，仍然保持在区域I时的能量，这种现象通常形象化地称为隧道效应。
现象：
电子穿过势垒，电子从I区到达III区。
条件：
强电场，势垒高度不是很高、厚度很薄。
在强电场的作用下，势垒减少，势垒厚度X0减少。
结果：
能量保持不变（能量平均值）。
14.电介质按水在介质表面分布状态的不同，可分为:
亲水电介质和疏水电介质。
（1）亲水介质包括离子晶体、含碱金属的玻璃以及极性分子所构成的介质等，它们对水分子有强烈的吸引作用。
（2）
15.固体电介质的电导分为三类：
离子电导、电子电导和表面电导。
16.离子电导和电子电导是一种体积电流，而表面电导是一种面电流。
3.3固体电介质的击穿
1.电介质的击穿：
电介质在强电场下的电流密度按指数规律随电场强度增加而增加，当电场进一步增强到某个临界值时，电介质的电导突然剧增，电介质便由绝缘状态变为导电状态，这一跃变现象称为电介质的击穿。
2.发生击穿时的临界电压称为电介质的击穿电压，相应的电场强度称为电介质的击穿场强。
3.固体电介质的击穿中，常见的有热击穿、电击穿和不均匀介质局部放电引起击穿等形式。
4.瓦格纳热击穿理论：
研究电介质发热和散热的理论。
作用（结论）：
定义临界温度t和热击穿场强U。
5.电压作用时间很短，散热来不及进行的情况，称这种情况下的击穿为脉冲热击穿;
电压长时间作用，介质内温度变化极慢的情况，称这种情况下的击穿为稳态热击穿。
6.按击穿发生的判定条件的不同，电击穿理论可分为两大类：
以碰撞电离开始作为击穿判据。
称这类理论为碰撞电离理论，或称本征电击穿理论。
以碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以破坏电介质结构作为击穿判据。
称这类理论为雪崩击穿理论。
7.根据雪崩机理的不同，雪崩击穿分为：
场致发射击穿和碰撞电离雪崩击穿。
8.局部放电引起电介质劣化损伤的机理是多方面的，但主要有如下三个方面：
电的作用、热的作用、化学作用。
第七章输电线路和绕组中的波过程（主要参看PPT）
7.1均匀无损单导线上的波过程
1.波动方程及解
均匀无损单导线的单元等效电路
将以上频域形式解变换到时域形式：
2.波阻抗Z表示了线路中同方向传播的电流波与电压波的数值关系
3.根据习惯规定：
沿x正方向运动的正电荷相应的电流波为正方向。
4.分布参数线路的波阻抗与集中参数电路在物理意义上有本质的区别如下：
1）波阻抗表示向同一方向传播的电压波和电流波之间比值的大小；
电磁被通过波阻抗为Z的无损线路时，其能量以电磁能的形式储存于周围介质中，而不像通过电阻那样被消耗掉。
2）为了区别不同方向的行波，Z的前面应有正负号。
3）如果导线上有前行波，又有反行波，两波相遇时，总电压和总电流的比值不再等于波阻抗，即是：
4）波阻抗的数值Z只与导线单位长度的电感L0和电容C0有关，与线路长度无关。
7.2行波的折射和反射（参看PPT）
7.3波在多导线系统中的传播
7.4波在传播中的衰减与畸变
1.为什么在过电压作用下导线上出现电晕将是引起行波衰减和变形的主要因素，
答：
1）线路电阻和绝缘电导的影响2）冲击电晕的影响。
无变形条件：
2.电晕外观上是较为完整的光圈。
由于负极性电晕发展较弱，而雷电大部分是负极性的，所以在过电压计算中常以负极性电晕作为计算的依据。
7.5绕组中的波过程
在雷电或操作冲击电压作用下，变压器绕组的主绝缘和从绝缘上可能受到很高的过电压而损坏。
这种在冲击电压作用下产生的过电压，主要由绕组内部的电磁振荡过程和绕组之间的静电感应、电磁感应过程所引起。
这两个过程统称为变压器绕组的波过程。
第八章雷电过电压及其防护（全）
8.1雷电放电和雷电过电压
1.雷云：
能产生雷电的带电云层称为雷云。
雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。
2.雷电放电过程：
先导放电、主放电和余辉放电三个阶段。
3.主要的雷电参数有：
雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波阻抗、雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷电流陡度等。
4.雷电参数解释：
（1）雷暴日Td是指该地区平均一年内有雷电放电的平均天数，单位d/a。
（2）雷暴小时Th雷暴小时是指平均一年内的有雷电的小时数，单位h/a。
（3）Td<
15，少雷区；
>
40，多雷区；
90，强雷区。
（4）地面落雷密度是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷击的次数。
（5）当雷云电荷为负时，所发生的雷云放电为负极性放电，雷电流极性为负；
反之，雷电流极性为正。
（6）雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。
（7）雷电流的幅值随各国自然条件的不同而差别较大，而测得的雷电流波形却基本一致。
第一次负放电电流波形的波头较长，在峰值附近有明显的双峰；
随后放电电流波形的波头较短，没有双峰，电流陡度远大于第一次放电，而电流幅值约为第一次放电的一半。
雷电冲击试验和防雷设计中常用的雷电流等值波形有双指数波、斜角波和半余弦波。
5.雷电过电压是雷云放电引起的电力系统过电压，其可分为直击雷过电压和感应雷过电压。
6.雷电的成因源于大气的运动。
8.2防雷保护设备
1.目前人们主要是设法去躲避和限制雷电的破坏性，其基本措施就是加装避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。
2.避雷针的作用：
吸引雷电击于自身，并将雷电流迅速泄入大地，从而使被保护物体免遭直接雷击。
3.避雷针的保护范围：
指被保护物体在此空间范围内不致遭受直接雷击。
4.我国使用避雷针的保护范围的计算方法：
根据小电流雷电冲击模拟试验确定的。
5.避雷线的作用：
避雷线除了防止雷电直击导线外；
同时还有分流作用，以减少流经杆塔入地的雷电流从而降低塔顶电位，避雷线对导线的耦合作用还可以降低导线上的感应雷过电压。
6.保护角：
指避雷线和外侧导线的连线与避雷线的垂线之间的夹角。
保护角愈小，避雷线就愈可靠地保护导线免遭雷击。
一般取保护角。
220-330kV双避雷线线路，一般采用保护角20左右，500kV一般保护角不大于15，山区宜采用较小的保护角。
7.避雷器是专门用以限制线路传来的雷电过电压或操作过电压的一种防雷装置。
避雷器实质上是一种过电压限制器，与被保护的电气设备并联连接，当过电压出现并超过避雷器的放电电压时，避雷器先放电，从而限制了过电压的发展，使电气设备免遭过电压损坏。
8.阀式避雷器普通型又有FS和FZ两个系列，磁吹型有FCZ和FCD两个系列。
8.3电力系统防雷保护
1.衡量输电线路防雷性能的两个指标：
耐雷水平、雷击跳闸率。
（1）雷击线路不致引起绝缘闪络的最大雷电流幅值，称为线路的耐雷水平。
线路的耐雷水平愈高，线路绝缘发生闪络的机会就愈小。
（2）雷击跳闸率是指折算为统一的条件下，因雷击而引起的线路跳闸的次数。
此统一条件规定为每年40个雷电日和l00km的线路长度。
2.1）无避雷线时的感应雷过电压
雷击杆塔或线路附近避雷线：
α—感应过电压系数，kV/m，其值等于以kA/μs为单位的雷电流平均陡度值，即α=I/2.6；
hd—导线平均高度，m。
2）有避雷线时的感应雷过电压
Kc为避雷线与导线之间的耦合系数，其值只决定于导线间的相互位置与几何尺寸。
线间距离越近，则耦合系数Kc愈大，导线上感应过电压愈低。
3.中性点直接接地系统有避雷线的线路遭受直击雷一般有三种情况：
①雷击杆塔塔顶；
②雷击避雷线档距中央；
③雷电绕过避雷线击于导线。
4.建弧率：
绝缘子串和空气间隙在冲击闪络之后，转变为稳定的工频电弧的概率称为建弧率以
表示，
5.输电线路防雷保护的“四道防线”：
防止输电线路导线遭受直击雷；
防止输电线路受雷击后绝缘发生闪络；
防止雷击闪络后建立稳定的工频电弧；
防止工频电弧后引起中断电力供应。
6.输电线路防雷保护的主要措施：
？
7.输电线路防雷保护的具体措施：
（1）架设避雷线：
330kV及以上线路应全线架设双避雷线，220kV宜全线架设双避雷线，110kV线路一般全线架设避雷线。
避雷线对导线的保护角一般采用20-30°
，500kV保护角不大于15°
（2）降低杆塔接地电阻：
对于一般高度的杆塔，降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平、防止反击的有效措施。
工频接地电阻一般为10-30Ω
（3）架设耦合地线：
在某些雷击故障频繁的线路上，在导线下方架设一条耦合地线。
可起到分流、增加耦合的作用。
（4）采用不平衡绝缘方式：
在同塔双回线的情况下，采用不平衡绝缘，可避免双回线同时跳闸而完全停电。
（5）装设自动重合闸：
我国110kV以上线路自动重合闸成功率在75%-95％以上
（6）消弧线圈接地方式：
对接地电阻难以降低的地区，采用中性点经消弧线圈接地，可大大减小建弧率。
该措施主要用于35kV以下线路，可减低跳闸率1/3
（7）加强绝缘：
增加绝缘子片数、大爬距绝缘子等。
（8）安装线路避雷器：
用作线路上雷过电压特别大的或者绝缘弱点的保护。
8.变电所中出现的雷电过电压的两个来源：
雷直击于发电厂、变电所；
雷击输电线路后产生的雷电波沿导线侵入发电厂、变电所。
9.直击雷防护的措施主要是装设避雷线或避雷针。
10.侵入波过电压的防护：
变电所中限制雷电侵入波过电压的主要措施是装设避雷器。
如果三台避雷器分别直接连接在变压器的三个出线套管端部，只要避雷器的冲击放电电压和残压低于变压器的冲击绝缘水平，变压器就得到可靠的保护。
在实际中，变电所有许多电气设备需要防护，而电气设备总是分散布置在变电所内，常常要求尽可能减少避雷器的组数，又要保护全部电气设备的安全，加上布线上的原因，避雷器与电气设备之间总有一段长度不等的距离。
11.全封闭SF6气体绝缘变电所（GIS）的特点：
1）GIS绝缘的伏秒特性很平坦，其绝缘水平主要取决于雷电冲击水平。
采用氧化锌避雷器；
2）GIS结构紧凑，被保护设备与避雷器相距较近，比常规变电所有利；
3）GIS的同轴母线筒的波阻抗小，过电压幅值和陡度都显著变小，对变电所的进波防护有利；
4）GIS内绝缘电场结构不均匀，易击穿，要求防雷保护措施更加可靠、在绝缘配合中留有足够的裕度。
12.气体绝缘变电所的防雷保护:
壳内充以3～4个大气压的SF6气体作为相间及相对地的绝缘
13.对GIS常用的保护措施:
1）66kV及以上进线无电缆
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