高电压技术.docx
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高电压技术
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绪论学科地位本课程性质、任务和要求本课程内容教材及主要参考书课程导引一学科地位日本小崎正光教授把最高品质能量形态的电能有关知识和技术体系称为电气－电子工程学，它可理解为图示的三柱组成的体系：
对高电压与绝缘技术可这样理解：
电能与人类的生存、发展有密切关系，而高电压与绝缘技术是其中一个很重要的知识体系，它是支撑电能应用的一根有力的支柱。
高电压绝缘技术将抓住成为梦之能源的核聚变发电、超导应用、大陆间送电、直流系统、电能储藏、高性能蓄电池等大量课题进一步发展下去。
二本课程性质、任务和要求高电压技术是电工学科的一个重要分支，它主要研究高电压、强电场下各种电气物理问题。
高电压技术本课程是一门重要的专业技术基础课专业技术基础课，主要内容包括：
专业技术基础课高压电气绝缘高压电气试验电力系统过电压及其保护在电气工程及自动化工程中具有较强的理论性实践性理论性、实践性理论性实践性的应用价值。
通过本课程的学习，学生应达到以下要求：
获得各种电介质的绝缘特性知识提高抗电强度的方法了解高电压试验设备原理、试验方法
掌握波过程的基本理论具有分析计算供电系统中大气过电压、操作过电压的能力学会限制各种过电压的措施理解供电系统中绝缘配合的原则三本课程内容包括课堂、习题、实验三大部分四教材及主要参考教材：
赵智大，高电压技术，中国电力出版社，1999参考书目小崎正光，高电压与绝缘技术，科学出版社，2001邱毓昌等，高电压工程，西安交大出版社，1995肖如泉，高电压试验工程，清华大学出版社，2001文远芳，高电压技术，华中科技大学出版社，2001张纬钹，何金良等，过电压防护与绝缘配合，2002五课程导引电能与电力系统电能是现代社会中最重要、最方便的能源。
电能具有许多优点，如：
可以方便地转化为其他形式的能量。
如：
机械能、热能、光能、化学能等；输送和分配易于实现；应用规模灵活。
动力系统、电力系统和电力网示意图如下图所示：
图0-1动力系统、电力系统和电力网示意图1890英国出现从Deptford到伦敦长达45km的10kV输电线路1891德国出现从Lauffen到法兰克福长达170km的15kV三相输电线路电力工业作为能源工业的主力而受到极大重视，在发达家的能源消费比例中，电能占一多半一多半。
一多半电力的大容量和远距离传输，促使电压等级的不断提高。
年来世界上的输电电压提高了100100倍。
目前我国最高电压等级为750kV。
在高压输电行业中，习惯上称：
低压35kV以下高压35kV-100kV超高压100kV-1000kV特高压1000kV以上直流输电直流电压因为不能利用变压器，所以交流输电最先得到迅速发展20世纪50年代中期以来，随着各方面的技术的进步，直流输电的优越性逐步得到体现，许多国家又逐步开始发展直流输电。
我国多条远距离的西电东送西电东送线路即为直流输电线路。
西电东送中国电力工业的现状与发展1980年以来我国发电量平均以9%的年增长率增长。
2002年我国年发电量已达16000亿千瓦时。
1996年底我国发电设备装机容量已达2.3亿kW，居世界第二位，2002年达3.53亿kW我国各大电网现有的变电及配电电压等级为交流：
500kV，220kV，110kV，（66kV）35kV，10kV直流：
正负500kV西北电网电压等级为330kV，220kV，100kV，35kV，10kV目前正在着手西北地区750kV输变电工程的设计、实施高电压、高场强下的特殊问题绝缘问题没有可靠的绝缘，高电压高场强甚至无法实现。
在一定的电压形式电压形式下，必须选择合理的绝缘电压形式绝缘材料，设计合理的绝缘结构材料绝缘结构高电压实验问题高电压技术是一门工程性很强的学科，实验是必不可少的高电压试验面临诸如以下问题：
如何产生高压？
如何对电气设备进行高压试验？
如何测量高压？
过电压保护问题电力系统运行过程中，经常会导致比工作电压高得多的电压产生，如：
自然界的雷击、电力系统本身操作导致的操作过电压等为了保护电力系统中的电力设备，必须研究：
各种过电压的特点及形成条件各种保护装置及其保护特性电压、绝缘、保护三者之间的绝缘配合电磁环境问题电磁兼容：
高电压高场强下各种电磁干扰信号更强，电磁兼容问题也更加突出。
电磁兼容生态效应：
研究强电场、强磁场下对生物生活环境生态效应高电压下特殊现象及其应用高电压学科的特有现象可以举出很多，其中一些已得到应用，并有很好的发展前景，已成为国内外广泛开展研究的方向静电技术及应用利用静电技术人们制成静电除尘器，其除尘效率达99%以上液电效应及应用液电效应是液体电介质在高电压、大电流放电时伴随产生的力、声、光、热等效应的总称。
液电效应利用此原理可以制成碎石机、铸件清砂装置等，已得到广泛应用
线爆技术及应用强大的电流通过金属线时，会使金属线熔化、气化、爆炸，可以对难熔金属、难镀材料喷涂，也可用线爆来模拟高空核爆炸或地下核爆炸脉冲功率技术及应用脉冲功率技术在许多高科技领域、尖端武器领域得到广泛应用，目前脉冲功率技术正向着高电压、大电流、窄脉冲、高重复率的方向发展。
小结高电压技术是一门重要的专业技术基础课；随着电力行业的发展，高压输电问题越来越得到人们的重视；高电压、高场强下存在着一些特殊的物理现象；高电压试验在高电压工程中起着重要的作用。
第一篇电介质的电气强度
电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，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在电气作用下，电介质中出现的电气现象可分为两大类弱电场—电场强度比击穿场强小得多极化、电导、介质损耗等强电场—电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强放电、闪络、击穿等
第一章气体放电的基本物理过程
研究气体放电的目的了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介掌握气体介质的电气强度及其提高方法电气设备中常用气体介质空气、压缩的高电气强度气体（如SF6）第一节带电粒子的产生和消失带电粒子在气体中的运动带电粒子的产生负离子的形成带电粒子的消失一、带电粒子在气体中的运动
（一）自由行程长度当气体中存在电场时，粒子进行热运动和沿电场定向运动（如图1-1所示质演变成导体的物理过程
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。
单位行程中的碰撞次数Z的倒数即为该粒子的平均自由行程长度。
粒子的自由行程等于或大于某一距离x的概率为粒子的自由行程等于或大于某一距离x的概率为
P（x）=e
λ
x
（1-1）
令x=λ，可见粒子实际自由行程长度大于或等于平均自由行程长度的概率是36.8%。
由气体动力学可知，电子平均自由行程长度
λ：
粒子平均自由行程
λe=
式中：
r：
气体分子半径N：
气体分子密度
1
πrN
2
（1-2）
由于
pN=kT
代入（1-2）得到下式：
kTλe=πr2p
式中：
p：
气压T：
气温k：
波尔兹曼常数
（1-3）
大气压和常温下平均自由行程长度数量级为10-5cm
（二）带电粒子的迁移率设
μ
E
：
带电粒子运动的速度：
电场强度
k=μ/E
k
比例系数
（1-4）
称为迁移率，它表示单位场强下（1V/m）带电粒子沿电场方向的漂移速度。
电子与离子的迁移率相比较：
电子的平均自由行程长度比离子大得多
而电子的质量比离子小得多因此电子更易加速，电子的迁移率远大于离子。
（三）扩散热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使分布均匀化，这种过程称为扩散。
气压越低温度越高扩散进行得越快电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度比离子快得多。
二、带电粒子的产生产生带电粒子的物理过程称为电离，是气体放电的首要前提。
激励当原子获得外部能量，一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去，该现象称为激励电离能使基态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需要的最小一）光电离当满足以下条件时，产生光电离
λ≤
式中：
。
hcWi
（1-5
：
光的波长；
λ
：
光速；：
气体的电离
光子来源外界高能辐射线气体放电本身i
（二）热电离常温下，气体分子发生热电离的概率极小气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度。
下图为空气的电离度m与温度T的关系：
c能
W
。
外界高能辐射线
由图所示：
当t>10000K时，才需考虑热电离；当t>20000K时，几乎全部的分子都处于热电离状态三）碰撞电离电子获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者引起碰撞电离。
电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
12W=mv=qeEx2
如果
式
大于或等于气体分子的电离能，该电子就有足够的能量完成碰撞电离。
由此可得碰撞电离时应满足以下条件
m
qe
：
电子的质量
：
电子的电荷量
qeEx≥Wi
式中：
qe：
电子的电荷量；电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离为：
E：
外电场强度；x：
电子移动的距离UWixi==iqeEE
U
的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使值减少。
可见提高外加电压将使碰撞电离的概式中为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的相等率和强度增大。
i（四）电极表面的电离当逸出功<<电离能时，阴极表面电离可在下列情况下发生：
Wi
正离子撞击阴极表面光电子发射热电子发射强场发射二、负离子的形成附着：
当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。
负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。
四、带电粒子的消失带电粒子的消失可能有以下几种情况：
带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；带电粒子因扩散而逸出气体放电空间；带电粒子的复合。
复合：
当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复复合合复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一个中性分子；复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子小结带电粒子在空气中运动的表征o自由行程长度o带电离子的迁移率o扩散带电粒子产生和消失的物理过程光电离o热电离o碰撞电离o电极表面的电离负离子的形成电子的附着形成负离子带电离子的消失
第二篇
电气设备绝缘试验必要性：
电气设备进行绝缘试验的必要性电气设备进行绝缘试验的必要性：
电力系统的规模、容量不断地扩大，停电造成的损失越来越严重。
我国电力短缺，这就需要提高发电设备可靠性，使其满负荷运转，增加发电量。
绝缘往往是电力系统中的薄弱环节，绝缘故障通常是引发电力系统事故的首要原因。
电介质理论仍远未完善，须借助于各种绝缘试验来检验和掌握绝缘的状态和性能本篇主要内容本篇主要阐述电气设备绝缘试验的试验设备、试验方法和测量技术。
绝缘试验分为非破坏性试验和破坏性试验两大类。
破坏性试验检验绝缘的电气强度，非破坏性试验检验其他电气性能。
第四章电气设备绝缘预防性试验绝缘预防性试验的目的是什么？
绝缘故障大多因内部存在缺陷而引起，我们通过测量电气特性的变化来发现隐藏着的缺陷。
绝缘缺陷类型集中性缺陷：
裂缝、局部破损、气泡等分散性缺陷：
内绝缘受潮、老化、变质等
常见试验项目：
测量绝缘电阻，吸收比，泄漏电流，介质损耗角正切，局部放电，电压分布等
▼
TE571（测量局部（放电）放电）
绝缘电阻测试仪
主要电气设备的绝缘预防性试验项目
序号电气设备
测量绝缘电阻测量绝缘电阻和吸收比测量泄漏电流直流耐压试验并测泄漏电流
试
测量介质损耗角正切
验
项
目
油的介质损耗角正切油中含水量分析油中溶解气体分析油的电气强度测量电压分布交流耐压试验
测量局部放电
1
同步发电机和调相机
V
V
V
V
V
234
交流电动机油浸变压器电磁式电压互感器
VVVV
VVVVVVVVVVVVV
VVV
567
电流互感器油断路器悬式和支柱式绝缘子
VVVV
VV
VV
VV
VV
VVV
VVV
8
电力电缆
V
V
V
V
第一节绝缘的老化什么叫绝缘的老化绝缘老化的原因有哪些电介质的热老化电介质的电老化其他影响因素什么叫绝缘的老化？
电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系列物理变化和化学变化，致使其电气、机械及其他性能逐渐劣化，这种现象统称为绝缘的老化。
老化的原因有哪些热、电、机械力、水分、氧化、各种射线、微生物等因素的作用一、电介质的热老化什么是电介质的热老化？
在高温的作用下，电介质在短时间内就会发生明显的劣化；即使温度不太高，但如作用时间很长，绝缘性能也会发生不可逆的劣化，这就是电介质的热老化。
温度越高，绝缘老化得越快，寿命越短。
绝缘材料的耐热等级划分
耐热等级OA
极限温度（℃）90105
绝缘材料
木材、纸；聚乙烯、聚氯乙稀；天然橡胶
油性树脂漆及其漆包线；矿物油
EBF
120130155
酚醛树脂塑料；胶纸板；聚酯薄膜聚酯漆；环氧树脂聚酯亚胺漆及其漆包线
HC
180>180
聚酰胺亚胺漆及其漆包线；硅橡胶聚酰亚胺漆及薄膜；云母；陶瓷；聚四氟乙烯
热老化规则：
热老化8℃规则：
对A级绝缘介质，如果它们的工作温度超过规定值8℃时，寿命约缩短一半。
相应的对B级绝缘和H级绝缘则分别适用10℃和12℃规则。
介质的老化过程?
固体介质的热老化过程受热→带电粒子热运动加剧→载流子增多→载流子迁移→电导和极化损耗增大→受热→带电粒子热运动加剧→载流子增多→载流子迁移→电导和极化损耗增大→介质损耗增大→介质温升→增大→介质温升→加速老化液体介质的热老化过程油温升高→氧化加速→油裂解→分解出多种能溶于油的微量气体→油温升高→氧化加速→油裂解→分解出多种能溶于油的微量气体→绝缘破坏三、电介质的电老化什么是电老化？
电老化系指在外加高电压或强电场作用下的老化。
介质电老化的主要原因是什么？
介质中出现局部放电。
局部放电引起固体介质腐蚀、老化、损坏的原因有：
破坏高分子的结构，造成裂解；转化为热能，不易散出，引起热裂解，气隙膨胀；
在局部放电区，产生高能辐射线，引起材料分解；气隙中如含有氧和氮，放电可产生臭氧和硝酸，是强烈的氧化剂和腐蚀剂，能使材料发生化学破坏。
各种绝缘材料耐局部放电的性能有很大差别：
云母、玻璃纤维等无机材料有很好的耐局部放电能力旋转电机采用云母、树脂作为绝缘材料有机高分子聚合物等绝缘材料的耐局部放电的性能比较差绝缘油的老化原因：
油温升高而导致油的裂解，产生出一系列微量气体；油中的局部放电还可能产生聚合蜡状物，影响散热，加速固体介质的热老化。
三、其他影响因素机械应力：
对绝缘老化的速度有很大的影响，产生裂缝，导致局部放电；机械应力：
对绝缘老化的速度有很大的影响，产生裂缝，导致局部放电；环境条件：
紫外线，日晒雨淋，湿热等也对绝缘的老化有明显的影响。
环境条件：
紫外线，日晒雨淋，湿热等也对绝缘的老化有明显的影响。
小
结
电气设备的使用寿命一般取决其绝缘的寿命，后者与老化过程密切相关。
通过绝缘试验判别其老化程度是十分重要的。
绝缘老化的原因主要有热、电和机械力的作用，此外还有水分、氧化、各种射线、微生物等因素的作用。
各种原因同时存在、彼此影响、相互加强，加速老化过程。
第二节绝缘电阻、吸收比、泄漏电流的测量绝缘电阻最基本的综合性特性参数。
组合绝缘和层式结构，在直流电压下均有明显得吸收现象，使外电路中有一个随时间而衰减的吸收电流。
吸收比检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺陷。
泄漏电流所加直流电压高得多
一、双层介质的吸收现象为了分析方便，改用电阻R1和R2代替上图中的电导G1和G2。
1＝1/G1,R2=1/G2）（R
讨论因吸收现象而出现的过渡过程开关S合闸作为时间的起点，在
t
2
的极短时间内，层间电压按下式分布
U
10
=U
C2C1+C
U
20
=U
C1C1+C
2
达到稳态时（t
），层间电压按电阻分配→∞
U
1∞
=U
R1R1+R2
U
2∞
R2=UR1+R2
稳态电流将为电导电流
I
g
=
R
1
U+R
2
由于存在吸收象，10≠U1∞U20≠U，在这个过程中的层间电压按下式变化，U2∞
?
?
?
τt?
R1C2R1u1=U?
+?
?
C+C?
R+R?
e?
?
R1+R2?
1212?
?
?
R2?
C1R2u2=U?
+?
?
?
?
R1+R2?
C1+C2R1+R2
流过双层介质的电流为
?
τt?
?
e?
?
?
?
i
i=iR1+iC1
上式中第一个分量为电导电流如选用第一个方程式，则
i=iR2+iC2
U（R2C2?
R1C1）Ui=+eτR1+R2（C1+C2）2（R1+R2）R1R22t
，第二个分量为吸收电流
。
τ=（C1+C2）
R1R2R1+R2
当绝缘严重受潮或出现导电性缺陷时，阻值R1、R2或两者之和显著减小，大大增加，而速衰减。
二、绝缘电阻和吸收比的测量绝缘电阻的表达式
迅
R（t）=
（C1+C2）2（R1+R2）R1R2（C1+C2）
2
R1R2+（R2C2?
R1C1）e
2
τt
测量绝缘电阻时其值是不断变化的；无穷时刻，等于两层介质绝缘电阻的串联值。
测量绝缘电阻时，其值是不断变化的；t无穷时刻，等于两层介质绝缘电阻的串联值。
通常所说的绝缘电阻均指吸收电流衰减完毕后的稳态电阻值。
通常所说的绝缘电阻均指吸收电流衰减完毕后的稳态电阻值。
受潮时，绝缘电阻显著降低，显著增大，迅速衰减。
因此，能揭示绝缘整体受潮、受潮时，绝缘电阻显著降低，显著增大，迅速衰减。
因此，能揭示绝缘整体受潮、局部严重受潮、存在贯穿性缺陷等情况。
但有局限性。
局部严重受潮、存在贯穿性缺陷等情况。
但有局限性。
对于某些大型被试品，用测吸收比吸收比”的方法来替代对于某些大型被试品，用测“吸收比的方法来替代原理：
令t=15s和t=60s瞬间的两个电流值的和I60比值。
K
1
=
R60R15
=
I15I60
K1
R60经接近于稳态绝缘电阻值R∞
大于1,越大表示吸收现
象越显著，绝缘性能越好
吸收比是同一试品在两个不同时刻的绝缘电阻的比值，所以排除了绝缘结构和体积尺寸的影响。
一般以K1≥1.3作为设备绝缘状态良好的标准亦不尽合适，有些变压器的但值却很低；有些1.3，但值却很高。
K<
1
K1
虽大于1.3，
R
所以应将K1值和R值结合起来考虑，方能作出比较准确的判断。
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，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，用极化指数再判断。
极化指数
K2=
R10minR1min
（4－13）13）
某些集中性缺陷已相当严重，以致在耐压试验时被击穿，但在此前测得的绝缘电阻、吸收比、某些集中性缺陷已相当严重，以致在耐压试验时被击穿，但在此前测得的绝缘电阻、吸收比、极化指数却并不低，因为缺陷未贯穿绝缘。
可见仅凭上述试验结果判断绝缘状态是不够的。
数却并不低，因为缺陷未贯穿绝缘。
可见仅凭上述试验结果判断绝缘状态是不够的。
测量绝缘电阻最常用的仪表为手摇式兆欧表
图4-1是利用手摇式兆欧表测量三芯电力电缆绝缘电阻的接线图，也表示了它的测量原理
兆欧表有三个接线端子：
线路端子（L）、接地端子（E）和保护（屏蔽）端子（G）。
被试绝缘接在端子L和E之间，而保护端子G的作用是使绝缘表面泄漏电流不要流过线圈LA测得的绝缘体积电阻不受绝缘表面状态的影响。
四、泄漏电流的测量反映绝缘电阻值，但有一些特点：
加在试品上的直流电压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缺陷。
施加在试品上的直流电压是逐渐增大的，这样就可以在升压过程中监视泄漏电流的增长动向。
在电压升到规定的试验电压值后，要保持1min再读出最后的泄漏电流值。
当绝缘良好时，泄漏电流应保持稳定，且其值很小
图4－2是发电机的几种不同的泄漏电流变化曲线。
泄漏电流试验接线图如图4-3所示。
其中V为高压整流元件，C为稳压电容，PV2为高压静电电压表，TO为被试品注意：
测量泄漏电流用的微安表需用并联放电管V进行保护。
小结绝缘电阻是一切电介质和绝缘结构的绝缘状态最基本的综合特性参数。
电气设备中大多采用组合绝缘和层式结构，故在直流电压下均有明显的吸收现象，测量吸收比可检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺陷。
测量泄漏电流从原理上来说，与测量绝缘电阻是相似的，但它所加的直流电压要高得多，能发现用兆欧表所不能显示的某些缺陷，具有自己的某些特点。
第三节介质损耗角正切的测量P介质的功率损耗与介质损耗角正切tgδ
成正比,所以后者是绝缘品质的重要指标，测量
值是判断
电气设备绝缘状态地一项灵敏有效的方法。
tgδ能反映绝缘的整体性缺陷（如全面老化）和小电容试品中的严重局部性缺陷。
tgδ测量能不能灵敏地反映大容量发电机、变压器和电力电缆绝缘中的局部性缺陷，应尽可能将这些
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