高电压技术重要知识点.docx
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高电压技术重要知识点
高电压技术各章知识点
第一篇电介质的电气强度
第1章气体的绝缘特性与介质的电气强度
1、气体中带电质点产生的方式
热电离、光电离、碰撞电离、表面电离
2、气体中带电质点消失的方式
流入电极、逸出气体空间、复合
3、电子崩与汤逊理论
电子崩的形成、汤逊理论的基本过程及适用范围
4、巴申定律及其适用范围
击穿电压与气体相对密度和极间距离乘积之间的关系。
两者乘积大于0.26cm时,不再适用
5、流注理论
考虑了空间电荷对原有电场的影响和空间光电离的作用，适用两者乘积大于0.26cm时的情况
6、均匀电场与不均匀电场的划分
以最大场强与平均场强之比来划分。
7、极不均匀电场中的电晕放电
电晕放电的过程、起始场强、放电的极性效应
8、冲击电压作用下气隙的击穿特性
雷电和操作过电压波的波形
冲击电压作用下的放电延时与伏秒特性
50%击穿电压的概念
9、电场形式对放电电压的影响
均匀电场无极性效应、各类电压形式放电电压基本相同、分散性小
极不均匀电场中极间距离为主要影响因素、极性效应明显。
10、电压波形对放电电压的影响
电压波形对均匀和稍不均匀电场影响不大
对极不均匀电场影响相当大
完全对称的极不均匀场：
棒棒间隙
极大不对称的极不均匀场：
棒板间隙
11、气体的状态对放电电压的影响
湿度、密度、海拔高度的影响
12、气体的性质对放电电压的影响
在间隙中加入高电强度气体,可大大提高击穿电压，主要指一些含卤族元素的强电负性气体，如SF6
13、提高气体放电电压的措施
电极形状的改进
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
高电气强度气体SF6的采用
第2章液体和固体介质的绝缘的电气强度
1、电介质的极化
极化：
在电场的作用下，电荷质点会沿电场方向产生有限的位移现象，并产生电矩（偶极矩）。
介电常数：
电介质极化的强弱可用介电常数的大小来表示，与电介质分子的极性强弱有关。
极性电介质和非极性电介质：
具有极性分子的电介质称为极性电介质。
由中性分子构成的电介质。
极化的基本形式
电子式、离子式（不产生能量损失）
转向、夹层介质界面极化（有能量损失）
2、电介质的电导
泄漏电流和绝缘电阻
气体的电导:
主要来自于外界射线使分子发生电离和强电场作用下气体电子的碰撞电离
液体的电导:
离子电导和电泳电导
固体的电导：
离子电导和电子电导
3、电介质的损耗
介质损耗针对的是交流电压作用下介质的有功功率损耗
电介质的并联与串联等效回路
介质损耗一般用介损角的正切值来表示
气体、液体和固体电介质的损耗
液体电介质损耗和温度、频率之间的关系
4、液体电介质的击穿
纯净液体介质的电击穿理论
纯净液体介质的气泡击穿理论
工程用变压器油的击穿理论
5、影响液体电介质击穿的因素
油品质、温度、电压作用时间、电场均匀程度、压力
6、提高液体电介质击穿电压的措施
提高油品质，采用覆盖、绝缘层、极屏障等措施
7、固体电介质的击穿
电击穿、热击穿、电化学击穿的击穿机理及特点
8、影响固体电介质击穿电压的主要因素
电压作用时间温度电场均匀程度
受潮累积效应机械负荷
9、组合绝缘的电气强度
“油-屏障”式绝缘
油纸绝缘
第二篇电气设备绝缘试验
第3章绝缘的预防性试验
1、绝缘电阻与吸收比的测量
用兆欧表来测量电气设备的绝缘电阻
吸收比K定义为加压60s时的绝缘电阻与15s时的绝缘电阻比值。
K恒大于1，且越大表示绝缘性能越好。
大容量电气设备中，吸收现象延续很长时间，吸收比不能很好地反映绝缘的真实状态，可用极化指数再判断。
测量绝缘电阻能有效地发现总体绝缘质量欠佳；绝缘受潮；两极间有贯穿性的导电通道；绝缘表面情况不良。
2、泄漏电流的测量
测量泄漏电流从原理上来说，与测量绝缘电阻是相似的，能发现一些尚未完全贯通的集中性缺陷，原因在于:
在试品上的直流电压要比兆欧表的工作电压高得多，故能发现兆欧表所不能发现的某些缺陷
加在试品上的直流电压是逐渐增大的，可以在升压过程中监视泄漏电流的增长动向。
3、介质损耗角正切的测量
tanδ能反映绝缘的整体性缺陷（例如全面老化）和小电容试品中的严重局部性缺陷。
根据tanδ随电压而变化的曲线，可判断绝缘是否受潮、含有气泡及老化的程度。
西林电桥法测量的基本原理影响西林电桥测量的因素外界电磁场的干扰温度的影响试验电压的影响试品电容量的影响试品表面泄漏的影响
4、局部放电的测量
局部放电：
高压电气设备的绝缘内部总是存在一些缺陷,如气泡空隙、杂质等。
由于这些异物的电导和介电常数不同于绝缘物，故在外加电场作用下，这些异物附近将具有比周围更高的场强，有可能引起该处物质产生电离放电现象，称为局部放电。
局部放电的影响：
放电产生的带电粒子不断撞击绝缘，有可能破坏绝缘高分子的结构，造成裂解
放电能量产生的热能使绝缘内部温度升高而引起热裂解
在局部放电区，强烈的离子复合会产生高能辐射线，引起材料分解，例如使高分子材料的分子结构断裂
气隙中如含有氧和氮，放电可产生臭氧和硝酸等强烈的氧化剂和腐蚀剂，使纤维、树脂、浸渍剂等材料发生化学破坏
局部放电的测量方法
当电气设备内部绝缘发生局部放电时，将伴随着出现许多现象。
有些属于电的，例如电脉冲、介质损耗的增大和电磁波辐射，有些属于非电的，如光、热、噪音、气体压力的变化和化学变化。
这些现象都可以用来判断局部放电是否存在，因此检测的方法也可以分为电的和非电的两类。
目前得到广泛应用而且比较成功的方法是电的方法，即测量绝缘中的气隙发生放电时的电脉冲。
它不仅可以判断局部放电的有无，还可以判定放电的强弱。
表征局部放电的三个基本参数
视在放电量
q≈Ca△Ua
其中Ca为试品电容，△Ua为气隙放电时，试品两端的压降。
既是发生局部放电时试品Ca所放掉的电荷，也是电容Cb上的电荷增量。
放电重复率（N）
在选定的时间间隔内测得的每秒发生放电脉冲的平均次数
放电能量（W）
指一次局部放电所消耗的能量。
W=1/2*qUi
其中q为视在放电量，Ui为局部放电起始电压。
局部放电测量的脉冲电流法
三种回路的基本目的都是使在一定电压作用下的被试品中产生的局部放电电流脉冲流过检测阻抗，然后把检测阻抗上的电压或电压差（桥式）加以放大后送到检测仪器P（示波器、峰值电压表、脉冲计数器）中。
所测得的脉冲电压峰值与试品的视在放电量成正比，经过适当的校准，就能直接读出视在放电量（pC）。
局部放电测量的非电检测法
噪声检测法
光检测法
5电压分布的测量
在工作电压的作用下，沿着绝缘结构的表面会有一定的电压分布。
表面比较清洁时，其分布规律取决于绝缘结构本身的电容和杂散电容
表面染污受潮时，分布规律取决于表面电导。
通过测量绝缘表面上的电压分布亦能发现某些绝缘缺陷。
测量电压分布最适用于那些由一系列元件串联组成的绝缘结构。
（悬式绝缘子串，支柱绝缘子柱）
6绝缘状态的综合判断
绝缘预防性试验中的种种非破坏试验项目，对揭示绝缘中的缺陷和掌握绝缘性能的变化趋势，各具有一定的功能，也各有自己的局限性。
同一项目用于不同设备时的的效果也不尽相同。
不能孤立地根据某一项试验结果对绝缘状态下结论，必须将各项试验结果联系起来综合分析，并考虑被试品的特点和特殊要求，方能作出正确的判断
若某一试品的各项试验均顺利通过，一般可认为绝缘状态良好。
三比较方法
若个别试验项目不合格，达不到规程的要求，可使用三比较方法。
与同类型设备作比较
同类型设备在同样条件下所得的试验结果应该大致相同,若差别很大就可能存在问题
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,该相很可能存在缺陷
与该设备技术档案中的历年试验数据进行比较
若性能指标有明显下降情况,即可能出现新的缺陷
第4章电气绝缘高电压试验
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。
特点
具有破坏性试验的性质。
一般放在非破坏性试验项目合格通过之后进行，以避免或减少不必要的损失。
1工频高电压试验
工频高电压试验不仅仅为了检验绝缘在工频交流工作电压下的性能，也用来等效地检验绝缘对操作过电压和雷电过电压地耐受能力。
在试验中可能会导致绝缘内部的累积效应,在一定程度上损伤绝缘
试验电压数值的确定是关键,过高对设备绝缘造成损伤大,考核过于严格;过低不足以发现设备缺陷
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。
高压试验变压器的特点
试验变压器本身应有很好的绝缘，但绝缘裕度小，试验过程中要严格限制过电压。
试验变压器容量一般不大
外观上的特点：
油箱本体不大而其高压套管又长又大。
试验变压器与连续运行时间不长，发热较轻，因而不需要复杂的冷却系统。
漏抗大，短路电流较小，可降低机械强度方面的要求,节省制造费用。
输出电压波形很难做到是正负半波对称的正弦波形，需要采取措施加以修正。
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。
随着体积和重量的增加,试验变压器的绝缘难度和制造价格增加得更多。
电压超过1000kV时，需采用若干台试验变压器组成串级装置来满足要求。
绝缘的工频耐压试验
工频交流耐压试验是检验电气设备绝缘强度的最有效和最直接的方法。
工频耐压试验可用来确定电气设备绝缘耐受电压的水平，判断电气设备能否继续运行，是避免其在运行中发生绝缘事故的重要手段。
工频耐压试验时，对电气设备绝缘施加比工作电压高得多的试验电压，这些试验电压反映了电气设备的绝缘水平。
工频高压试验的基本接线图
以试验变压器或其串级装置作为主设备的工频高压试验（包括耐压试验）的基本接线如下图所示。
试验变压器的输出电压必须能在很大的范围内均匀地加以调节，所以它的低压绕组应由一调压器来供电。
工频高压试验的基木接线图
AV一调压器PV1一低压侧电压表T一工频高压装置
R1一变压器保护电阻TO一被测试品R2一测量球隙保护电阻
PV2一高压静电电压表F一测量球隙Lf一Cf一谐波滤波器
工频高压试验的实施方法
按规定的升压速度提升作用在被测试品TO上的电压，直到等于所需的试验电压U为止，这时开始计算时间。
为了让有缺陷的试品绝缘来得及发展局部放电或完全击穿，达到U后还要保持一段时间，一般取一分钟。
如果在此期间没有发现绝缘击穿或局部损伤（可通过声响、分解出气体、冒烟、电压表指针剧烈摆动、电流表指示急剧增大等异常现象作出判断）的情况，即可认为该试品的工频耐压试验合格通过。
2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。
直流高电压在其他科技领域也有厂泛的应用，其中包括静电喷漆、静电纺织、静电除尘、X射线发生器、等离子体加速以及原子核物理研究中都使用直流高压作为电源。
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
直流高压试验的基本接线
若高压静电电压表PV2量程不够,可改为球隙、高值电阻串接微安表或高阻值直接分压器来测量高压
直流高压试验的特点
最常见的直流高压试验为某些交流电气设备（油纸绝缘高压电缆、电力电容器、旋转电机等）的绝缘预防性试验。
和交流耐压试验相比主要有以下一些特点：
只有微安级泄漏电流，试验设备不需要供给试品的电容电流，试验设备的容量较小，可以做的很轻巧，便于现场试验。
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。
在直流高压下，局部放电较弱，不会加快有采购绝缘材料的分解或老化变质，一定程度具有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。
3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。
许多高压试验室中都装设了冲击电压发生器，用来产生试验用的雷电冲击电压波和操作冲击电压波。
高压电气设备在出厂试验、型式试验时或大修后都必须进行冲击高压试验。
冲击高电压的产生
——波尾时间常数
——波前时间常数
实际冲击电压发生器回路
R11为阻尼电阻
放电回路的利用系数
多级冲击电压发生器
单级冲击电压发生器能产生的最高电压一般不超过200～300kV。
因而采用多级叠加的方法来产生波形和幅值都能满足需要的冲击高电压波。
多级冲击电压发生器原理接线图
基本原理:
并联充电，串联放电
操作冲击试验电压的产生
额定电压大于220kV的超高压电气设备在出厂试验、型式试验中，不能象220kV及以下的高压电气设备那样以工频耐压试验来等效取代操作冲击耐压试验。
国家标准规定的标准波形为250/2500us。
应特别考虑以下两个问题：
为大大拉长波前，又使发生器的利用系数降低不是很多，需采用高效率回路。
需考虑充电电阻R对波形和发生器效率的影响
内绝缘冲击耐压试验
电气设备内绝缘的雷电冲击耐压试验采用三次冲击法，即对被试品施加三次正极性和三次负极性雷电冲击试验电压。
（1.2/50us全波）。
对变压器和电抗器类设备的内绝缘，还要进行雷电冲击截波（1.2/2～/2-5us）耐压试验,其对绕组绝缘（特别是纵绝缘）的考验往往更加严格。
内绝缘冲击全波耐压试验应在被试品上并联球隙，并将它的放电电压整定得比试验电压高15％～20％,防止试验过程中无意见出现的过高冲击电压而损坏产品。
外绝缘冲击耐压试验
可采用15次冲击法，即对被测试品施加正、负极性冲击全波试验电压各16次，相邻两次冲击的时间间隔应不小于1min。
在每组15次冲击的试验中，如果击穿或闪络的闪数不超过2次，即可认为该外绝缘试验合格。
内、外绝缘的操作冲击高压试验的方法与雷电冲击全波试验完全相同。
4高电压的测量技术
高电压试验除了要有产生各种试验电压的高压设备，还必须要有能测量这些高电压的仪器和设备。
电力系统中，广泛应用电压互感器配上低电压表来测量高电压；但此法在试验室中用得很少。
试验室条件下广泛应用高压静电电压表、峰值电压表、球隙测压器、高压分压器等仪器测量高电压。
国标规定，高电压的测量误差一般应控制在±3％以内。
高压静电电压表的工作原理
两个特制的电极间加上电压U，电极间就会受到静电力f的作用，而且f的大小与U的数值有固定关系，设法测量f的大小就确定所加电压U的大小。
利用这一原理制成的仪表即为静电电压表，它可以用来测量低电压，也可以在高压测量中得到应用。
静电电压表的典型特点
电场作用力与电压平方成正比，所以它的偏转方向与被测电压的极性无关。
静电电压表测交流时为其电压有效值,测带脉动的直流时近似为其平均值。
静电电压表不能用于测量冲击电压。
静电电压表的内阻很高，在测量时几乎不会改变被测试样上的电压
大气中工作的高压静电电压表量程上限在50-250kV;SF6气体中可达500-600kV。
更高的电压需配合分压器使用
峰值电压表
峰值电压表的制成原理通常有两种，一种是利用整流电容电流测量，另一种是利用整流充电电压测量。
峰值电压表可分为交流峰值电压表和冲击峰值电压表。
注意事项：
选用冲击峰值电压表时，要注意其响应时间是否合适于被测波形的要求，并应使其输入阻抗尽可能大。
利用峰值电压表，可直接读出冲击电压的峰值，与用球隙测压器测峰值相比，可大大简化测量过程。
被测电压波形必须是平滑上升的，否则就会产生误差。
指示仪表可以是指针式表计，也可以是具有存储功能的数字式电压表。
球隙测压器
测量球隙由一对相同直径的金属球构成，测量误差2%-3%,满足大多数工程测试的要求。
当球隙距离d与直径D之比不大时，球隙间的电场为稍不均匀电场，其击穿电压决定于球隙间的距离。
能直接测量高达数兆伏的各类高电压峰值。
球隙的优点
击穿时延小，放电电压分散性小，具有比较稳定的放电电压值和较高的测量精度
50%冲击放电电压与静态（交流或直流）放电电压的幅值几乎相等。
由于湿度对稍不均匀场的影响较小，可不必对湿度进行校正。
球隙测量的注意事项
用球隙测量冲击电压时，应通过调节极距来达到50％放电概率，此时被测电压即等于球隙在这一距离时的50％冲击放电电压。
确定50%的放电概率常用10次加压法，即对球隙加上10次同样的冲击电压，如有4～6次发生了放电，即可认为已达到50％放电概率。
高压分压器
被测电压很高时，采用高压分压器来分出一小部分电压，然后利用静电电压表、峰值电压表、高压示波器等来测量。
对分压器的技术要求
要求分压比具有一定的准确度和稳定性（幅值误差要小）;
每一个分压器均由高压臂和低压臂组成，在低压臂上得到的就是分给测量仪器的低电压，总电压与该低电压之比称为分压比K
分出的电压与被测高电压波形的相似性（波形畸变要小）;
实际的电容分压器
分布式电容分压器
高压臂由多个电容器元件串联组装而成，要求每个元件尽可能为纯电容，介质损耗和电感尽可能小
集中式电容分压器
高压臂仅使用一只气体绝缘高压标准电容器，气体介质常采用N,CO2,SF6及其混合气体，目前我国已能生产1200kV的高压标准电容器。
静电电压表可测交流和直流,但不能测冲击电压。
峰值电压表可用来测交流电压和冲击电压峰值。
球隙可用来测高达数兆伏的交流、冲击峰值和直流电压。
电压特别高时，需配合分压器使用。
直流高压测量只能使用电阻分压器。
交流和冲击高压可使用电阻、电容和阻容分压器。
第5章电气绝缘在线检测
离线检测的缺点
离线电气绝缘预防性试验和高电压试验具有如下缺点：
需要停电进行，而不少重要的电力设备不能轻易地停止运行；
检测间隔周期较长，不能及时发现绝缘故障；
停电后的设备状态与运行时的设备状态不相符，影响诊断的正确性。
在线检测的优点
在线检测是在电力设备运行的状态下连续或周期性检测绝缘的状况，可避免以上缺点；
建立电气绝缘在线检测系统也是实施电力设备状态维修和建设无人值守变电站的基础。
在线检测和状态维修带来的经济效益是十分显著的。
1变压器油中溶解气体的检测
绝缘故障与油中溶解气体
o过热故障
o放电故障
o绝缘受潮
油中溶解气体的在线监测
o脱气
o混合气体分离
o气体检测
油中气体分析与故障诊断
o特征气体法
o三比值法
2局部放电的在线监测系统
局部放电的在线检测分为电测法和非电测法两大类。
电测法中的脉冲电流法是离线条件下测量电气设备局部放电的基本方法，也是目前在局部放电在线检测的主要手段，其优点是灵敏度高。
电测法的缺点是由于现场存在着严重的电磁干扰，将大大降低检测灵敏度和信噪比。
变压器的局部放电情况
变压器绝缘体系中的放电类型很多，不同的放电类型对绝缘的破坏作用有很大差异，因此有必要对各种放电类型加以区分。
变压器绝缘结构中发生的局部放电类型主要有五种：
油中尖板放电、纸或纸板内部放电、油中气泡放电、纸或纸板沿面放电和悬浮放电。
模式识别结果的正确与否关键在于放电信号特征的提取。
3介质损耗角正切的检测
高压电桥法
o原理
o优点
o缺点
相位差法
o原理
o误差
全数字测量法
第三篇过电压防护与绝缘配合
第六章过电压的概念与分类
•过电压的概念：
指电力系统中出现的对绝缘有危险的电压升高和电位差升高。
•过电压的分类：
第6章输电线路和绕组中的波过程
1无损耗单导线上的波过程
波传播的物理概念：
电压波和电流波沿线路的传播过程实质上就是电磁波沿线路传播的过程。
波动方程解，波速和波阻抗计算
线路中传播的任意波形的电压和电流传播的前行波和反方向传播的反行波，满足算术叠加定理。
2行波的折射和反射
线路末端的折射、反射
o末端开路反射，在反射波所到之处电压提高1倍，而电流降为0。
o末端短路反射在反射波所到之处电流提高1倍，而电压降为0。
o末端接集中负载时的折反射当R和z1不相等时，来波将在集中负载上发生折反射。
集中参数等效电路（彼德逊法则）
波的多次折射、反射
3行波通过串联电感和并联电容
•电感使折射波波头陡度降低
–由于电感电流不能突变，因此当波作用在电感初瞬，电感相当于开路，它将波完全反射回去，此时折射波为0，此后折射波电压随折射波电流增加而增加
•电容使折射波波头陡度降低
–由于电容电压不能突变，波通过电容初瞬，电容相当于短路
•电压波穿过电感和旁过电容时折射波波头陡度都降低，但由它们各自产生的电压反射波却完全相反
•波穿过电感初瞬，在电感前发生电压正的全反射，使电感前电压提高1倍
•波旁过电容初瞬，则在电容前发生电压负的全反射，使电容前的电压下降为0
•由于反射波会使电感前电压提高，可能危及绝缘，所以常用并联电容降低波陡度
4波在多导线系统中的传播
自波阻抗、互波阻抗的概念
多导线中电压、电流之间的关系方程
耦合系数的重要概念
5波在传播中的衰减与畸变
线路电阻和绝缘电导的影响
冲击电晕的影响
线路参数满足下列条件时,波在线路中传播只有衰减，不会变形
原因在于:
波在传播过程中每单位长度线路上的磁能和电能之比，恰好等于电流波在导线电阻上的热损耗和电压波在线路电导上的热损耗之比，即
电阻R0和电导G0的存在不致引起波传播过程中电能与磁能的相互交换，电磁波只是逐渐衰减而不至于变形。
冲击电晕的影响
形成的电晕套使导线有效半径增大，对地电容增大，因此自波阻抗减小；
轴向导电性能较差，电流基本上在导体内流动，线路电感参数不变，互波阻抗不变
导线对地电容增大，电感不变，从而使波速减小
多导线间耦合系数增大
使行波衰减和变形
6绕组中的波过程
变压器在雷电冲击波作用瞬间，可等值为一个电容，称为入口电容
在末端接地的单相绕组中，最大电压将出现在绕组首端附近，其值可达1.4U0
在末端不接地的单相绕组中，最大电压将出现在中性点附近，其值可达1.9U0
通过在绕组首端部位加一些电容环和电容匝以及增大纵向电容可降低电位梯度
三相变压器多相进波
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