高電壓技術(shù)教案

《高電壓技術(shù)》（《HighVoltageTechnology》）課程編號200620總學(xué)時(shí)48總學(xué)分2.5先修課程《電路理論》、《電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)》適合專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化所屬院系部電力系所屬教研室高電壓與電磁兼容§第一講HYPERLINK緒論§第二講HYPERLINK電介質(zhì)理論（一）§第三講HYPERLINK電介質(zhì)理論（二）§第四講HYPERLINK氣體放電的物理過程（二）§第六講HYPERLINK氣體放電的物理過程（三）§第七講氣隙的擊穿特性（一）§第八講氣隙的擊穿特性（二）§第九講HYPERLINK固體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理和特性§第十講HYPERLINK液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理和特性§第十一講HYPERLINK電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)§第十二講HYPERLINK實(shí)驗(yàn)一：電氣設(shè)備絕緣電阻和泄漏電流測量§第十三講實(shí)驗(yàn)二：電氣設(shè)備絕緣介質(zhì)損耗測量§第十四講HYPERLINK實(shí)驗(yàn)三：沖擊高壓放電；實(shí)驗(yàn)四：液體電介質(zhì)擊穿實(shí)驗(yàn)§第十五講HYPERLINK線路中的波過程（1）§第十六講HYPERLINK線路中的波過程（2）§第十七講HYPERLINK雷電及防雷設(shè)備§第十八講HYPERLINK輸電線路的防雷保護(hù)§第十九講HYPERLINK發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)§第二十講HYPERLINK電力系統(tǒng)操作過電壓概述教案執(zhí)筆：李衛(wèi)國教案審核：制定日期：2005-9-§第一講緒論教學(xué)目標(biāo)了解高電壓輸電的發(fā)展概況；了解中國電力工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展；了解高電壓工程的主要問題；了解過電壓防護(hù)問題；了解電磁環(huán)境問題；了解高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域中應(yīng)用。教學(xué)重點(diǎn)前四個(gè)基本高壓問題和現(xiàn)狀。教學(xué)難點(diǎn)高電壓技術(shù)的整體把握和各種問題之間的聯(lián)系。教學(xué)內(nèi)容和要點(diǎn)高電壓技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)初期，至今已成為電工學(xué)科的一個(gè)重要分支，它主要研討高電壓(強(qiáng)電場)下的各種電氣物理問題。4.1高壓輸電的發(fā)展4.1.1高壓輸電的出現(xiàn)與電壓等級的提高高電壓技術(shù)的進(jìn)展始終與大功率遠(yuǎn)距離輸電的需求密切相關(guān)，自從1890年在英國南部出現(xiàn)從Deptford到London28英里的10kV輸電線路以來，100年來世界上的輸電電壓提高了約100倍。圖1為各電壓等級首次出現(xiàn)的時(shí)間曲線。圖1交流輸電各電壓等級首次出現(xiàn)的時(shí)間美國最早于1882年在珍珠街發(fā)電廠開始發(fā)電，僅用于照明從十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)五十年代，電壓直線上升從二十世紀(jì)六十年代后，電壓上升速度加劇采用750KV電壓等級的有美、蘇、日、德、英、法、加、意八個(gè)國家AEP（美國電力公司）和ASEA（瑞典通用電力公司）聯(lián)合對2000KV進(jìn)行了試驗(yàn)，技術(shù)上沒有問題，二十世紀(jì)七十年代就有1500~2000KV線路和變電所的初步設(shè)計(jì)。4.1.2高壓輸電的發(fā)展歷史第一階段:(1890～1930)1890年英國第一條10kV、28英里的高壓輸電線路1907年瑞典實(shí)現(xiàn)50kV的輸電1912年英國實(shí)現(xiàn)110kV的輸電1926年美國實(shí)現(xiàn)220kV等級的輸電第二階段：(1950～1965)年發(fā)展了330KV，500KV，750KV的超高壓1959年前蘇聯(lián)實(shí)現(xiàn)525kV輸電1965年加拿大完成735kV的輸電線路美蘇日德英法加意等八國均實(shí)現(xiàn)750kV輸電第三階段：（1970以后）1984年前蘇聯(lián)建成西伯利亞—烏拉爾1150KV線路1990年美國電力公司(AEP)建成了1500KV線路1993年日本建成新瀉—山梨1000KV線路美國及瑞典已經(jīng)對2000kV輸電電壓等級進(jìn)行了試驗(yàn)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的輸電電壓己由高壓（Hv）提高到超過220kv的超高壓（EHV），目前世界上最高的交、直流輸電電壓等級已分別達(dá)到1150kv和土600kv。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源的需求日益迫切，電力工業(yè)作為能源工業(yè)的主力受到極大的重視，在以往火力發(fā)電、水力發(fā)電的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了核能發(fā)電、太陽能發(fā)電、潮汐發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等多種新能源形式。不管哪種發(fā)電形式都離不開電力的傳輸，離不開高壓輸電。促使輸電電壓等級提高的直接動(dòng)力就是對電力需求的激增。因?yàn)榫€路的輸送容量P與交流輸送電壓U的平方成正比，即P=U2／Z，Z為線路波阻抗，對架空線Z=250，各電壓等級下的輸送容量見表l。表1各電壓等級下的輸送容量系統(tǒng)電壓U(kV)11022033050075010002000輸送容量P(MW)4819443610002250400016000除了大容量輸電需要高壓輸電以外，促使電壓等級提高的另一個(gè)因素是電力的遠(yuǎn)距離輸送，當(dāng)發(fā)電中心遠(yuǎn)離用電中心時(shí)，高壓輸電就不可避免了。巨型水電站、坑口電站往往都遠(yuǎn)離城市，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，如長江三峽、金沙江、雅魯藏布江的水電，內(nèi)蒙的火電等。核電也希望遠(yuǎn)離市中心，巨型空間太陽能地面接收站更是建在沙漠里才好。例如：輸送750萬千伏安容量的電力345KV電壓等級需：七條雙回線，走廊寬度為221.5m1200KV電壓等級需：僅用一條單回線，走廊寬度為91.5m，即：可提高單位走廊寬度輸送容量4.1.3特高壓輸電的出現(xiàn)與展望習(xí)慣上稱l00kV以下為高壓，100～l000kV為超高壓，l000kV及以上為特高壓，國際上60年代后期就開始了特高壓（百萬伏級）輸電的研究，前蘇聯(lián)于1985年率先建成了1236km長的交流1150kV特高壓線路，送負(fù)荷5700MW。日本也于九十年代初建成了第一條ll00kV特高壓線路。美、意、法等國，包括巴西等也早已開始了特高壓的研究。俄羅斯有可能在2020年左右建設(shè)1800～2000kY線路，送出西西伯利亞的巨大能源，以及用來與美國聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)東西半球調(diào)峰。各國發(fā)展特高壓輸電的原因不盡相同，俄羅斯是遠(yuǎn)距離大容量兩方面因素都有，日本、意大利發(fā)展特高壓，除大容量輸電外，很關(guān)鍵的一點(diǎn)是為了壓縮線路走廊，節(jié)省土地資源。中國一向號稱幅員遼闊，實(shí)際上很多地方也已出現(xiàn)走廊緊張的問題了。4.1.4直流輸電、緊湊型輸電及靈活輸電直流因?yàn)椴荒芾米儔浩?，所以最初交流輸電得到迅速發(fā)展，五十年代中期以來，隨著各方面技術(shù)的進(jìn)步，直流輸電的優(yōu)越性又得到重視。從輸電的角度說，直流沒有距離的限制，也可在水下、地下，因此遠(yuǎn)距離輸電上很有發(fā)展，但存在幾大難題：如換流站設(shè)備昂貴，尚未造出性能滿意的直流斷路器，直流絕緣子耐污性能差等。各直流電壓等級下的輸送容量見表2。表2各直流電壓等級下的輸送容量電壓U(kV)400500600700800雙極容量P(MW)5001001000250002500040004000600060009000電流(A)600125010002500210033002150430028005600高自然功率的緊湊型輸電是靠減小電感，增大電容來降低線路波阻抗，提高輸送容量。在同樣電壓等級下，占地少，自然功率高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可比常規(guī)線路優(yōu)越20—30％，甚至更高。在好幾個(gè)國家都有試驗(yàn)線路。我國第一條220kV緊湊型試驗(yàn)線路從北京安定到河北廊坊，長26公里，于1994年9月投入試運(yùn)行，現(xiàn)正在研究建設(shè)500kV緊湊型線路。·靈活輸電，或稱柔性輸電（FlexibleACTransmissionSystem）是利用新型電力電子器件改造現(xiàn)有超高壓交流輸電的操作、參數(shù)和特性，全面提高運(yùn)行性能。其它的輸電方式如超導(dǎo)輸電、低溫輸電、無線輸電、多相輸電等也在研究中。4.2中國電力工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展我國作為裝機(jī)容量和年發(fā)電量均居世界第二位的電力大國，也已建成相當(dāng)規(guī)模的500kv交流輸電系統(tǒng)，土500kv直流輸電線路也已投入運(yùn)行。由于國土遼闊、動(dòng)力資源與用電中心相距遙遠(yuǎn)，我國還是世界上少效幾個(gè)有可能要發(fā)展1000kV及以上特高壓（UHV）輸電技術(shù)的國家之一。4.2.1發(fā)電量表3列出了我國近幾年發(fā)電量的增長情況，平均年增長率約為9%，而1990～2000年世界發(fā)電量子均年增約為3.5％，2000～2020年年增約2.9％。表4列出了1991年世界發(fā)電量前幾位的其他國家的發(fā)電量，可見我國的年發(fā)電量已穩(wěn)居世界第四位（目前居第二位），而且增長迅速，到2020年我國發(fā)電量有可能接近48000億度。但我國2020年的人口將達(dá)16億左右，即人均電量也僅3000度左右，而1991年美國的人均電量已達(dá)12000度左右，俄羅斯達(dá)7000度左右，日本達(dá)6000—7000度左右，英國達(dá)5000度左右，可見2020年中國的人均電量依然很低。4.2.2裝機(jī)容量1993年我國發(fā)電量設(shè)備裝機(jī)容量已達(dá)1.82億千瓦，居世界第四位（目前居第二位），2000年將達(dá)3.3億千瓦左右，20XX年將達(dá)5.8～6.2億千瓦，2020年將達(dá)9～10億千瓦。表5列出了我國發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量占世界總裝機(jī)的比例。表3近幾年中國年發(fā)電量年份199019911992199319941995年增長率發(fā)電量(億度)60006700747082009200100009%表41991年各國發(fā)電量國家美國俄羅斯日本德國加拿大法國發(fā)電量(億度)270501436085704370431037504.2.3電壓等級我國目前已建成交流500kV、330kV、220kV、110kV、35kV及直流500kV電壓等級，西北正在建設(shè)750kV線路，正在著手研究交流10002000kV等級及直流600kV等級的輸電。4.2.4我國電網(wǎng)基本框架我國的發(fā)電一次能源主要分布西部地區(qū)，而電力消費(fèi)主要集中在中、東部和南部地區(qū)。西電東送、南北互供，發(fā)展全國聯(lián)網(wǎng)是解決我國能源分布與電力消費(fèi)矛盾的重要措施。并將形成北、中、南三個(gè)輸電通道。中國電力工業(yè)分為7個(gè)跨省(區(qū))電力集團(tuán):東北、華北、華東、華中、西北、南方和川渝，5個(gè)獨(dú)立省級電網(wǎng):山東、福建、新疆、海南、西藏(未包括臺灣和港澳地區(qū))。4.2.5展望從高壓輸電的角度看，中國電力工業(yè)、電力系統(tǒng)的發(fā)展有幾條基本國情是改變不了的，首先要大容量輸電，其次是遠(yuǎn)距離輸電，我國用電中心在東部，而一次能源中心在西部，我國水電總資源3.76億KW，目前開發(fā)了僅500萬KW，水電在西南，火電在內(nèi)蒙、山西，幾千公里的距離是必須跨越的。因此交直流特高壓輸電在中國是必然的，勢在必行的。1986年電力部組織了未來三十年我國特高壓輸電的預(yù)測，1994年6月電力部召開的電力科技會議上，更高一級輸電電壓的研究列為電力部主要抓的五大關(guān)鍵技術(shù)之一。按照世界電力系統(tǒng)電壓等級發(fā)展的規(guī)律，一個(gè)新電壓等級可以滿足二、三十年的需要，即國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展二、三十年后，對電力的需求增長4—5倍時(shí)，應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)新的一個(gè)電壓等級才能保證電力的合理輸送，新老電壓等級之比一般為1.7～3，大致上翻一番。新電壓等級選低了過不了多少年又要上新電壓等級，太浪費(fèi)，新電壓等級選高了實(shí)現(xiàn)起來難度太大，可靠性受到影響。對中國500kV主網(wǎng)來說，百萬伏級特高壓是比較合適的。當(dāng)前要緊的是抓緊開展前期研究，一個(gè)新電壓等級必須有二、三十年的前期研究才能最終實(shí)現(xiàn)。4.3高電壓工程的主要問題對于電力工程類專業(yè)的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)本課程的主要目的是學(xué)會正確處理電力系統(tǒng)中過電壓與絕緣這一對矛盾。電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行都要求工程技術(shù)人員在各種電介質(zhì)和絕緣結(jié)構(gòu)的電氣特性、電力系統(tǒng)中的過電壓及其防護(hù)措施、絕緣的高電壓試驗(yàn)等方面具有必要的知識，這些問題彼此密切相關(guān)，一起構(gòu)成了高電壓技術(shù)的主體內(nèi)容。為了說明電力工業(yè)與高電壓技術(shù)的密切關(guān)系，不妨以高壓架空輸電線路的設(shè)計(jì)為例，在圖1中列出種種與高電壓技術(shù)直接相關(guān)的工程問題4.3.1絕緣問題沒有可靠的絕緣，高電壓甚至無法出現(xiàn)。高電壓下絕緣問題之所以突出就是因?yàn)楦唠妷簩^緣的要求太高，以致于為絕緣所花的代價(jià)太高，而且可靠性還有問題。4.3.1.1絕緣材料首先要選擇性能優(yōu)良的絕緣材料，要研究各種絕緣材料在高電壓下的各種性能，各種現(xiàn)象以及相應(yīng)的過程、理論。尤其是絕緣擊穿破壞的過程及理論。在此基礎(chǔ)上也可以開發(fā)新材料，進(jìn)而大幅度提高性能。4.3.1.2絕緣結(jié)構(gòu)（電場結(jié)構(gòu)）材料的性能并不能代表結(jié)構(gòu)的性能，絕緣結(jié)構(gòu)的性能才是實(shí)際的使用性能，同一種材料在不同的絕緣結(jié)構(gòu)下其外在表現(xiàn)是不同的。對絕緣結(jié)構(gòu)的研究就是要更好的利用材料的性能4.3.1.3電壓形式研究絕緣問題是不能離開電壓形式的。如交流電壓、直流電壓、沖擊電壓等，同樣的材料、結(jié)構(gòu)，在不同電壓下，絕緣性能是不盡相同的。4.3.1.4試驗(yàn)問題對任何一門工程性很強(qiáng)的學(xué)科而言，實(shí)際的試驗(yàn)都是必不可少的。高電壓試驗(yàn)面臨的問題首先就是如何產(chǎn)生各種高電壓，而且所產(chǎn)生的高電壓應(yīng)該在波形、幅值都方便可調(diào)，這就需要研究各種經(jīng)濟(jì)、靈活的高電壓發(fā)生裝置。有了人為產(chǎn)生的高電壓，如何對電氣設(shè)備進(jìn)行高電壓試驗(yàn)也是很值得研究的。另外，還有如何測量高電壓的問題，在各學(xué)科的研究中，計(jì)量與測試都是研究的基礎(chǔ)，因此如何能測的準(zhǔn)確、方便、及時(shí)是基本要求。低電壓下各種電量的測量方法手段儀器很多，但高電壓下的測量就不那么方便了。高強(qiáng)量、微弱量、快速量都不好測，而高電壓試驗(yàn)中這三類信號都有，微弱量受到高電壓、大電流下的強(qiáng)電磁干擾也是普通干擾所不能比的。預(yù)防性試驗(yàn)，包括破壞性試驗(yàn)和非破壞性試驗(yàn)各類試驗(yàn)項(xiàng)目定期維修制的種種弊端1)維修周期頻繁設(shè)備發(fā)電機(jī)變壓器電力電纜GIS小修周期（年）1111大修周期（年）35~10552)預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目過多電力變壓器32項(xiàng)，發(fā)電機(jī)25項(xiàng)，互感器11項(xiàng)，GIS達(dá)20項(xiàng)3)經(jīng)濟(jì)性差大修一臺30萬kVA的發(fā)電機(jī)需要大約3個(gè)月的時(shí)間，耗費(fèi)資金近百萬元。大修一臺12萬kVA的變壓器需投入300多個(gè)工作人日，資金10萬元。大修一臺220kV開關(guān)需投入100多個(gè)工作人日，資金2萬元。長時(shí)間停電檢修，將造成大量的電量損失。300MW機(jī)組停運(yùn)一天，少發(fā)電720萬度，直接損失150萬元。4)增大不安全因素易發(fā)生人身和設(shè)備安全事故。發(fā)生在檢修、試驗(yàn)人員身上的傷亡事故占全部供電傷亡事故的77.8%。停送電過程易造成誤操作。5)過度維修對110臺高壓變壓器進(jìn)行的162臺次定期吊檢大修結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。共發(fā)現(xiàn)缺陷24項(xiàng)，其中一般性缺陷23項(xiàng)，危及安全運(yùn)行的僅1項(xiàng)。對110kV及以上油開關(guān)大修統(tǒng)計(jì)表明，95%以上未發(fā)現(xiàn)部件損壞。定期檢修雖有成效，但過于保守。實(shí)踐證明，頻繁檢修非但不能改善設(shè)備性能，反而常常會引入新的故障因素。6)維修不足由于采用周期性定期檢查，很難預(yù)防由于隨機(jī)因素引起的偶發(fā)事故。設(shè)備仍可能在試驗(yàn)間隔期間內(nèi)由于微小缺陷的持續(xù)發(fā)展導(dǎo)致發(fā)生故障。7)預(yù)防性試驗(yàn)條件與實(shí)際運(yùn)行工況不同預(yù)防性試驗(yàn)是在停電情況下，進(jìn)行的非破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓一般不超過10kV。而大部分變電設(shè)備工作電壓為110~500kV。很難正確反映高壓電氣設(shè)備在運(yùn)行中存在的缺陷。在線監(jiān)測(On-linemonitoring):在不影響設(shè)備運(yùn)行的條件下，對設(shè)備狀況連續(xù)或定時(shí)進(jìn)行的監(jiān)測，通常是自動(dòng)進(jìn)行的狀態(tài)維修：狀態(tài)維修即根據(jù)具體設(shè)備的實(shí)際情況來確定檢修周期和檢修內(nèi)容的維修體制。通過對設(shè)備運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，隨時(shí)查明設(shè)備可能“存在著什么樣的隱患，什么時(shí)候會發(fā)生故障”，預(yù)先得知將要發(fā)生事故的部位和時(shí)間，設(shè)備管理人員因此可以從容地安排停電計(jì)劃和組織維修人力，采購必須的備件，以便在短時(shí)間內(nèi)完成高質(zhì)量的維修工作。實(shí)現(xiàn)“無病不修、有病才修、修必修好”的目的。4.4過電壓防護(hù)問題高電壓設(shè)備上的工作電壓已經(jīng)很高了，設(shè)備造價(jià)也已很高了，如一臺500kV，360000kVA的電力變壓器1994年出廠價(jià)12001300萬元。但在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，還會有各種情況導(dǎo)致比工作電壓高得多的過電壓的產(chǎn)生，如自然界的雷擊，稱大氣過電壓或外過電壓，又如電力系統(tǒng)本身操作導(dǎo)致參數(shù)變化引起振蕩的過渡過程，稱操作過電壓或內(nèi)過電壓。這些過電壓如不加防護(hù)而完全用設(shè)備本身的絕緣去承受，將使設(shè)備的造價(jià)高到無法承受的地步。所以要研究各種過電壓的特點(diǎn)及形成條件，研究各種保護(hù)裝置及其保護(hù)特性。4.4.1絕緣配合中心問題：解決電力系統(tǒng)中過電壓與絕緣這一對矛盾，將電力系統(tǒng)絕緣確定在既經(jīng)濟(jì)又可靠的水平。所謂電氣設(shè)備的絕緣水平是用設(shè)備絕緣可以承受(不發(fā)生閃絡(luò)、放電或其他損壞)的試驗(yàn)電壓值表示。對應(yīng)于設(shè)備絕緣可能承受的各種作用電壓，在進(jìn)行絕緣試驗(yàn)時(shí)，有以下幾種試驗(yàn)類型：1)短時(shí)(一分鐘)工頻試驗(yàn)；2)長時(shí)間工頻試驗(yàn)；3)操作沖擊試驗(yàn)；4)雷電沖擊試驗(yàn)。其中短時(shí)工頻試驗(yàn)用來檢驗(yàn)設(shè)備在工頻運(yùn)行電壓和暫時(shí)過電壓下的絕緣性能，若內(nèi)絕緣的老化和外絕緣的污穢對工頻運(yùn)行電壓及過電壓下的性能有影響時(shí)，需作長時(shí)間工頻試驗(yàn)。至于其他兩種沖擊試驗(yàn)，顧名思義，分別檢驗(yàn)設(shè)備絕緣耐受沖擊過電壓的性能。研究電壓、絕緣、保護(hù)三者之間的絕緣配合問題。以上四個(gè)部分即構(gòu)成了本課程的主要內(nèi)容，事實(shí)上，在目前電力工程類專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中，《高電壓技術(shù)》是電壓和絕緣問題的一門課程，而且本課程的有些部分（例如電介質(zhì)的電氣特性、分布參數(shù)電路中的行波理論等）還具有專業(yè)基礎(chǔ)知識的性質(zhì)．是強(qiáng)電方面各個(gè)專業(yè)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)中不可或缺的組成部分。對高電壓下這些問題的研究與解決，也有助于低電壓下類似問題的解決，如電子設(shè)備抗干擾問題，電子線路過電壓防護(hù)問題等。4.5電磁環(huán)境問題高電壓下的電磁環(huán)境問題可分為電磁兼容與生態(tài)效應(yīng)兩個(gè)方面。4.5.1電磁兼容對于電子設(shè)備來說，過電壓一般稱為電磁干擾。發(fā)變電站環(huán)境具有各種電磁干擾源，如大型感性負(fù)荷操作、大故障電流、與發(fā)電機(jī)或傳輸電源水平有關(guān)的高能高頻暫態(tài)，通過各種耦合方式在弱電系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的干擾電壓。弱電系統(tǒng)中的設(shè)備，包括繼電保護(hù)、控制、信號、通訊、監(jiān)測等的儀器和儀表都屬于弱電設(shè)備，特別是電子和微電子裝置，其耐壓水平和抗干擾能力都比較弱，如不采取措施，可能會影響電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。發(fā)電站及超高壓和特高壓變電站在電力系統(tǒng)中處于相當(dāng)重要的地位，需要采用先進(jìn)的弱電設(shè)備對強(qiáng)電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)采用了更多的電子及微電子設(shè)備對強(qiáng)電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控。計(jì)算機(jī)、電子及微電子設(shè)備、半導(dǎo)體器件、超大規(guī)模集成電路等固體電路在弱電系統(tǒng)中廣泛采用，而這些固體電路的抗干擾能力比過去的電磁式設(shè)備的抗干擾能力明顯減弱，對暫態(tài)干擾更具有明顯的敏感性和脆弱性，暫態(tài)干擾問題顯得更為突出。與此同時(shí)，由于強(qiáng)電系統(tǒng)電壓高、容量大，反過來會對弱電系統(tǒng)產(chǎn)生更加強(qiáng)烈的電磁干擾。近年來，變電所中的電磁兼容問題得到了國內(nèi)外電力部門的普遍關(guān)注，不斷開展關(guān)于如何限制弱電系統(tǒng)內(nèi)的暫態(tài)干擾電壓的試驗(yàn)及研究工作，力求從變電站的布置、接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、弱電系統(tǒng)電纜的屏蔽、接地和走向等方面，將弱電系統(tǒng)的干擾電壓限制到控制和保護(hù)器件可以承受的電壓水平，從而進(jìn)一步提高變電站運(yùn)行的安全和可靠性。4.5.2生態(tài)效應(yīng)500kV輸電線正下方地面最大場強(qiáng)約100V／cm，但隨離開輸電線距離的增加。地面場強(qiáng)衰減很快，這種場強(qiáng)當(dāng)然是低壓線路所沒有的。特高壓下地面場強(qiáng)與此差不多，110kV、220kV下地面場強(qiáng)小一些。七十年代初蘇聯(lián)、西德、美國、法國、西班牙、加拿大、瑞典都對高壓線路、變電站的工作人員及居民在長期電場下的健康情況進(jìn)行了考察，以及病理學(xué)研究，至今未發(fā)現(xiàn)在200V／cm電場下有什么差異。美、日等國對動(dòng)物（白鼠、小型哺乳動(dòng)物、鳥類、蜜蜂）進(jìn)行的研究也未得出任何統(tǒng)計(jì)性的差異，但是鳥類往往回避在帶電的高壓線上棲息；對作物、林木的研究表明，即便在765kV線路下，7～8kV／m的場強(qiáng)不大可能影響作物生長。在樹頂20～25kV／m的場強(qiáng)下，樹枝端部有電暈燒傷，但這種燒傷對樹木生長并無影響。4.6高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域中應(yīng)用從20世紀(jì)60年代開始高電壓技術(shù)加強(qiáng)了與其他學(xué)科的相互滲透和聯(lián)系，在這個(gè)過程中，高電壓技術(shù)一方面不斷汲取其他科技領(lǐng)域的新成果，促近了自身的更新和發(fā)展，另一方面也使高電壓技術(shù)方面的新進(jìn)展、新方法更廣沒地應(yīng)用到諸如大功率脈沖技術(shù)、激光技術(shù)、核物理、生態(tài)與環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)、高壓靜電工業(yè)應(yīng)用等科技領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的活力。4.6.1電暈與靜電現(xiàn)象及其應(yīng)用靜電除塵器效率達(dá)99％以上，在國際上已得到廣泛應(yīng)用，在我國也成為大力發(fā)展的新型環(huán)保產(chǎn)品。靜電除塵器在大型發(fā)電廠已成為與汽輪機(jī)、鍋爐、發(fā)電機(jī)并稱的四大主要設(shè)備。另外，在污水處理、選礦，印刷、紡織、噴漆、噴霧、食品保鮮等方面，各種利用電暈與靜電現(xiàn)象制成的設(shè)備也得到了廣泛的應(yīng)用。4.6.2液電效應(yīng)及其應(yīng)用液電效應(yīng)即液體電介質(zhì)在高電壓、大電流放電時(shí)伴隨產(chǎn)生的力、聲、光、熱等效應(yīng)的總稱。利用液電效應(yīng)制成的腎結(jié)石體外碎石機(jī)、鑄件清砂裝置等已在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，在石油開采、水下大型橋樁的探傷等方面也已得到應(yīng)用。4.6.3強(qiáng)大的電流脈沖通過金屬線時(shí)，會使金屬線熔化、汽化、爆炸，產(chǎn)生很強(qiáng)的力學(xué)效應(yīng)及光、熱、電磁效應(yīng)，從而可以對難熔金屬、難鍍材料噴涂，也可以用線爆來模擬高空核爆炸或地下核爆炸。4.6.4許多高技術(shù)領(lǐng)域、尖端武器領(lǐng)域如可控?zé)岷司圩?、激光技術(shù)、電子及離子加速器、電磁軌道炮，包括美國的星球大戰(zhàn)計(jì)劃中的許多課題對脈沖功率的要求都越來越高，目前脈沖功率技術(shù)正向著電壓高、電流大、脈沖窄、重復(fù)率高的方向發(fā)展。采用的教學(xué)方法和手段教學(xué)方法：講述法教學(xué)手段：多媒體投影?！斓诙v電介質(zhì)理論（一）教學(xué)目標(biāo)了解電介質(zhì)介電常數(shù)的物理意義；掌握電介質(zhì)極化的基本形式和極化特性；掌握電介質(zhì)極化的等值電路；了解相對介電常數(shù)在工程應(yīng)用上的意義。教學(xué)重點(diǎn)四種基本極化形式，各自的特點(diǎn)和影響因素。教學(xué)難點(diǎn)溫度和頻率對偶極子極化的影響。教學(xué)內(nèi)容和要點(diǎn)1．電介質(zhì)極化的基本概念圖2.1極化現(xiàn)象（a）電極間無介質(zhì)（b）電極間有介質(zhì)實(shí)驗(yàn)如圖2.1所示。平行平扳電容器放在密閉容器內(nèi)，抽成真空，然后在極板上施加直流電壓U。這時(shí)極板上積聚有正、負(fù)電荷，其電荷量為Q0（圖2.1（a））然后把一塊固體介質(zhì)（厚度與極間距離相等）放在極板之間，施加同樣的電壓，就可發(fā)現(xiàn)極板上的電荷量增加到Q0+Q（圖2.1（b）)。這是由介質(zhì)極化現(xiàn)象造成的：即在外施電場作用下，此固體介質(zhì)中原來彼此中和的正、負(fù)電荷產(chǎn)生了位移，形成電矩，使介質(zhì)表面出現(xiàn)了束縛電荷，相應(yīng)地便在極板上另外吸住了一部分電荷Q圖2.1極化現(xiàn)象（a）電極間無介質(zhì)（b）電極間有介質(zhì)平行平板電容器在真空中的電容量為(2-1)式中A極板面積，cm2；d極板距離，cm；0真空的介電常數(shù)，8.8610-14F／極板間插入固體介質(zhì)后，電容量增為(2-2)式中介質(zhì)的介電常數(shù)顯然，C>C0。定義：(2-3)為相對介電常數(shù)。它是充滿介質(zhì)時(shí)的幾何電容和真空時(shí)的靜電電容的比值。各種氣體的r均接近于1，而常用的液、固體介質(zhì)的r則各不相同，多在26之間，且和溫度、電源頻的不同而各不相同，并和各種極化形式有關(guān)。2.極化的形式極化的類型很多，基本形式有以下四種：電子式位移極化任何介質(zhì)都是由原子組成，原子為帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的外層電子組成，其電荷量相等，且正負(fù)電荷作用中心重合，對外不顯電性。而在外電場作用下，原子外層電子軌軌道對于原子核產(chǎn)生位移，其正、負(fù)電荷作用中心不再重合，對外呈現(xiàn)出一個(gè)電偶極子的狀態(tài)，如圖1.2所示。這就是電子式位移極化。電子式位移極化存在于一切介質(zhì)中。它有以下特點(diǎn)：形成極化所需時(shí)間很短，約10-1410-15s，在各種頻率下都可能發(fā)生，故r與外加電源頻率無關(guān)；它具有彈性，當(dāng)外施電壓去掉后，正、負(fù)電荷的相互吸引力又可使極化原子恢復(fù)到原有狀態(tài)，因是彈性的，故無能量損耗；溫度對電子式極化的影響極小，r隨溫度上升略有降低，但工程上可忽略溫度的影響。離子式位移極化固體有機(jī)化合物多屬離子式結(jié)構(gòu)，如云母、陶瓷、玻璃等材料。在無外電場時(shí)，正、負(fù)離子對稱排列，各離子對的偶極矩互相抵消，故平均偶極矩為零。在外電場的作用下，正、負(fù)離子將發(fā)生相反方向的偏移，使平均偶極矩不再為零，而形成電矩，對外呈現(xiàn)出電性，如圖2.3所示。特點(diǎn)有：離子式極化與電子式極化一樣，也屬彈性極化，幾乎無損耗；極化過程的時(shí)間較電子式極化稍長，為10-l210-13s，因此，在一般使用的頻率范圍內(nèi)，r與頻率無關(guān)。溫度對離子式極化的影響，存在著相反的兩種因素：即離子的結(jié)合力隨溫升升高而降，使極化程度增強(qiáng)；但溫度升高，離子的密度減小，極化程度降低。其中以第一種因素影響較大，所以其r一般具有正的溫度系數(shù)。偶極子極化偶極子是正、負(fù)電荷作用中心不重合的分子，分子的一端呈正電荷，另一端呈負(fù)電荷，分子本身就是一個(gè)永久性的偶極矩。如圖2.4所示。由這種永久性的偶極子構(gòu)成的介質(zhì)叫極性介質(zhì)。例如蓖麻油、氯化聯(lián)苯、橡膠、膠木、纖維素等均是常用的極性絕緣材料。單個(gè)偶極子雖具有極性，但無電場時(shí)，整個(gè)介質(zhì)分子處于不停的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，宏觀上是正負(fù)電荷是平衡的，對外不顯電性。在外電場的作用下，原來混亂分布的極性分子沿電場方向作定向排列，因而呈現(xiàn)出極性。圖2.5氯化聯(lián)苯圖2.5氯化聯(lián)苯的r與溫度、頻率的關(guān)系f1<f2<f3圖2.4偶極子極化(a)無外電場時(shí)；(b)有外電場時(shí)偶極子極化的特點(diǎn)：偶極子極化是非彈性的，因?yàn)闃O化時(shí)極性分子旋轉(zhuǎn)時(shí)克服分子間的吸引力而消耗的電場能量在復(fù)原時(shí)不可能收回；極化所需時(shí)間較長，為10-1010-2s。因此，極性介質(zhì)的r與電源頻率有較大的關(guān)系，隨頻率的增高而上升，頻率很高時(shí)，偶極子來不及轉(zhuǎn)向，因而其r減小，如圖2.5所示，給出了極性液體氯化聯(lián)苯的相對介電常數(shù)r，與頻率的關(guān)系。圖中f1<f2<f3。溫度對極性介質(zhì)的r有很大影響。溫度升高時(shí)，分子間聯(lián)系減弱，轉(zhuǎn)向容易，極化加強(qiáng)；但分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，妨礙它們有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)，這又使極化減弱。所以極性電介質(zhì)的r最初隨溫度或高而增加，以后當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)變得較強(qiáng)烈時(shí)，r又隨溫度升高而減小。夾層極化以上是單一介質(zhì)的情況。在高壓設(shè)備中常應(yīng)用多種介質(zhì)絕緣，如電纜、電容器、電機(jī)和變壓器繞組等，兩層介質(zhì)中常夾有油層、膠層等，這時(shí)在介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生“夾層極化”現(xiàn)象。這種極化過程特別緩慢，且有能量損耗，屬有損極化。圖2.6夾層介質(zhì)界面極化現(xiàn)象以平板電極間的雙層介質(zhì)為例說明夾層極化，如圖2.6所示。在圖中，每層介質(zhì)的面積及厚度均相等，外電壓為直流電壓U0。在合閘瞬間，兩層之間的電壓U與各層的電容成反比（突然合閘的瞬間相當(dāng)于很高頻率的電壓），即(2-4)到達(dá)穩(wěn)定時(shí)，各層電壓與電阻成正比，即與電導(dǎo)成反比。(2-5)如介質(zhì)是單一均勻的，則r1=r2，C1=C2，G1=G2，則(2-6)即合閘后，兩層介質(zhì)之間不會產(chǎn)生電壓重新分配過程。如介質(zhì)不均勻，即r1r2，C1C2，G1(2-7)合閘后，兩層介質(zhì)之間有一個(gè)電壓重新分配的過程。也即C1、C2上電荷要重新分配。設(shè)C1>C2，G1<G2，則在t=0時(shí)，U1<U2；t，U1U2。即t=0以后，隨時(shí)間t的增大，U1逐漸增大而U2逐漸下降（因?yàn)閁1+U2=U是一個(gè)常數(shù)）。也即C2上一群分電荷要通過G2放掉，而C1要從電源再吸收一部分電荷，這一部分電荷稱為吸收電荷。由于夾層的存在，使得在介質(zhì)分界面上出現(xiàn)吸收電荷，整個(gè)介質(zhì)的等值電容增大，這一過程稱為吸收過程。吸收過程完畢，極化過程結(jié)束，因而該極化稱為夾層極化。吸收過程要經(jīng)過C1、C2和G1、G2進(jìn)行，其放電時(shí)間常數(shù)為=(C1+C2)／(G1+G2)。由于電導(dǎo)G的數(shù)值很小，因而時(shí)間常數(shù)很大，極化速度非常緩慢。當(dāng)介質(zhì)受潮，電導(dǎo)增大，將大大降低，極化速度加快。假如外加電壓頻率高，因電荷來不及動(dòng)作而無此極化。同樣道理，去掉外加電壓之后，介質(zhì)內(nèi)部電荷釋放也是十分緩慢的。因此，對使用過的大電容量設(shè)備，應(yīng)將兩極短接充分放電，以免過一定時(shí)間后吸收電荷陸續(xù)釋放出來，危及人身安全。夾層極化特點(diǎn)：夾層極化是是非彈性的，且有能量損耗的。計(jì)劃過程很緩慢，它的形成時(shí)間從幾十分之一秒到幾分鐘，甚至有長達(dá)幾小時(shí)。因此，這種性質(zhì)的極化只有在低頻時(shí)才有意義。3電介質(zhì)的介電常數(shù)氣體介質(zhì)的介電常數(shù)由于密度很小，也即單位體積內(nèi)所含分子的數(shù)目很少，所以不論是非極性氣體還是極性氣體，其r均很小，在工程上可近似地認(rèn)為其等r=1。液體介質(zhì)的介電常數(shù)可分為非極性、極性與強(qiáng)極性三種。非極性(或弱極性)液體的r在1.82.5，變壓器油等礦物油屬此類。極性液體的r，在26，如蓖麻油、氯化聯(lián)苯即屬此類。強(qiáng)極性液體的r很大（r>10），如酒精、水等，但這類液體介質(zhì)的電導(dǎo)也很大，所以不能用做絕緣材料。固體介質(zhì)的的介電常數(shù)非極性介質(zhì)：此類電介質(zhì)的種類很多，聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、石蠟、石棉、無機(jī)玻璃等。介電常數(shù)不大，通常在2.02.7范圍。極性介質(zhì)：用作高壓設(shè)備絕緣材料，如酚醛樹脂、纖維、橡膠、有機(jī)玻璃、聚氯乙烯等，這類電介質(zhì)的相對介電常數(shù)較大，一般為36，還可能更大。離子介質(zhì)：如云母、陶瓷等，其r約在58左右，還有一些r很大的固體介質(zhì)，如鈦酸鋇等，r>1000，不能用做絕緣材料。一些電介質(zhì)的相對介電常見表1.1。表2.1幾種電介質(zhì)的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率材料類別名稱相對介電常數(shù)er（工頻，20℃電導(dǎo)率（20℃，-2·cm-1氣體介質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)大氣條件）空氣1.00059液體介質(zhì)弱極性變壓器油硅有機(jī)油類2.22.810-15~10-1210-15~10-14極性蓖麻油氯化聯(lián)苯4.54.6~5.210-13~10-1210-12~10-10固體介質(zhì)中性石蠟聚苯乙烯聚四氟乙烯1.9~2.22.4~2.6210-1610-18~10-1710-18~10-17極性松香纖維素膠木聚氟乙烯瀝青2.5~2.66.54.53.32.6~2.710-16~10-1510-1410-14~10-1310-16~10-1510-16~10-15離子性云母電瓷5~76~710-16~10-1510-15~10-144討論介質(zhì)極化在工程實(shí)際中的意義選擇電容器中的絕緣材料時(shí)，在相同耐電強(qiáng)度的情況下，要選擇r大的材料，以使電容器單位容量的體積、重量減??；在其他絕緣結(jié)構(gòu)里，希望材料的r要小些，如電纜，以減少工作時(shí)的充電電流，如電機(jī)定子繞組出口槽和套管情況，以提高交流下沿面放電電壓。在使用組合絕緣時(shí)，要注意各種材料的r的適當(dāng)配合，否則會降低整體絕緣的絕緣能力。如圖2.7所示，設(shè)有厚度為d1、d2的兩種材料，其介電常數(shù)分別為1、2，電容量C1、C2。當(dāng)施加交流電壓U后，若略去材料的電導(dǎo)不計(jì)，則有：圖2.7雙層電介質(zhì)(2-8)(2-9)由此可得：(2-10)(2-11)而E1d1=E2d2=U所以(2-12)(2-13)則(2-14)由上式可知，雙層串聯(lián)介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電場強(qiáng)度是不相同的，與絕緣材料的介電常數(shù)成反比，即在介電常數(shù)小的材料中承受較大的電場強(qiáng)度。如果絕緣中存在氣泡，由于氣體的r是最小的，所以氣泡將承受較大的電場強(qiáng)度，首先在氣泡處發(fā)生游離，引起局部放電，使整體材料的絕緣能力降低。利用式所示特性，可以改善電纜中的電場分布。在電纜芯處使用r較大的材料，可減小電纜芯處場強(qiáng)，電纜中電場分布均勻一些，從而提高整體的耐電強(qiáng)度。材料的介質(zhì)損耗與極化形式有關(guān)，而介質(zhì)損耗是影響絕緣劣化和熱擊穿的一個(gè)重要因數(shù)。在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中，夾層極化現(xiàn)象可用來判斷絕緣受潮情況。在使用電容器等大電容量設(shè)備時(shí)，須特別注意吸收電荷對人身安全的威脅。采用的教學(xué)方法和手段教學(xué)方法：講述法教學(xué)手段：多媒體投影?！斓谌v電介質(zhì)理論（二）教學(xué)目標(biāo)了解電介質(zhì)產(chǎn)生電導(dǎo)的機(jī)理了解影響電介質(zhì)電導(dǎo)的因素；掌握介質(zhì)損耗的基本概念；了解損耗隨溫度、頻率變化規(guī)律教學(xué)重點(diǎn)產(chǎn)生電導(dǎo)的機(jī)理介質(zhì)損耗的概念教學(xué)難點(diǎn)介質(zhì)損耗隨溫度、頻率的變化規(guī)律教學(xué)內(nèi)容和要點(diǎn)1.電介質(zhì)的電導(dǎo)任何電介質(zhì)都不是理想的絕緣體，在它們內(nèi)部總有一些聯(lián)系較弱的帶電質(zhì)點(diǎn)存在。在外電場作用下，這些帶電質(zhì)點(diǎn)作定向運(yùn)動(dòng)，形成電流。因而任何電介質(zhì)都具有電導(dǎo)。1.1漏導(dǎo)電流和絕緣電阻在電介質(zhì)上加上直流電壓，初始瞬時(shí)由于各種極化的存在，流過電介質(zhì)的電流很大，之后隨時(shí)間而變化。經(jīng)過一定時(shí)間后，極化過程結(jié)束，流過介質(zhì)的電流趨于一定值I，這一穩(wěn)定電流稱為漏導(dǎo)電流，與之相應(yīng)的電阻稱為電介質(zhì)的絕緣電阻R。(2-15)這個(gè)電阻值包括了絕緣介質(zhì)的體積絕緣電阻和表面絕緣電阻(2-16)式中R1——體積絕緣電阻；R2——表面絕緣電阻。介質(zhì)的絕緣電阻或介質(zhì)電導(dǎo)決定了介質(zhì)中的泄漏電流。泄漏電流大，將引起介質(zhì)發(fā)熱，加快絕緣介質(zhì)的老化。因此，一般所指泄漏電流是流過介質(zhì)內(nèi)部的泄漏電流，相應(yīng)的絕緣電阻是體積絕緣電阻，以此來反映介質(zhì)內(nèi)部的情況，由于表面電阻受外界的影響很大，因此在工程上測量絕緣電阻時(shí)，應(yīng)在測量回路中加以輔助電極，使表面泄漏電流不通過測量表。以后如不加以特殊說明，絕緣電阻均指體積絕緣電阻。介質(zhì)電導(dǎo)是離子電導(dǎo)，比金屬電導(dǎo)小得多。這種電導(dǎo)一般包括兩個(gè)方面：一是介質(zhì)分子中的帶電質(zhì)點(diǎn)在熱運(yùn)動(dòng)和電場作用下離解成自由質(zhì)點(diǎn)，沿電場方向作定向運(yùn)動(dòng)而形成電導(dǎo)；二是介質(zhì)中的雜質(zhì)在電場作用下離解成沿電場方向運(yùn)動(dòng)而形成的電導(dǎo)。圖2.8圖2.8測量介質(zhì)中電流的電路圖電介質(zhì)的絕緣電阻隨溫度上升而增大，近似于指數(shù)關(guān)系：(2-17)式中R0——溫度為0℃Rit——溫度為t℃的絕緣電阻；——溫度系數(shù)，根據(jù)不同的設(shè)備、材料和結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)來確定。1.2電介質(zhì)的電導(dǎo)電流在圖2.9(a)所示電路中加上直流電壓，流過介質(zhì)的電流變化情況。如圖2.9(b)所示，它是由3部分組成：ig為純電容電流分量，由電極間幾何電容C0以及介質(zhì)中的無損極化決定，故又稱為幾何電流，其存在時(shí)間很短，很快衰減到零；ip由介質(zhì)的有損極化過程所決定，其存在時(shí)間較長，可達(dá)數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘，它與時(shí)間軸的所夾面積即為吸收電荷；ilk是漏導(dǎo)電流，又稱為泄漏電流，不隨時(shí)間而變，與絕緣電阻相對應(yīng)，服從歐姆定律。因此，流過介質(zhì)的總電流為：i=ig+ip+ilk，據(jù)此可畫出介質(zhì)等值電路如圖2.9(c)所示。圖2.9電介質(zhì)中的電流及其等效電路(a)在電荷介質(zhì)上施加直流電壓(b)流過電介質(zhì)中的電流(c)介質(zhì)等值電路其中C0為純電容支路，代表介質(zhì)的幾何電容及無損極化過程，流過的電流ig；Cp--Rp代表有損極化電流支路，流過電流ip；Rlk代表電導(dǎo)電流支路，流過的電流為ilk。1.3工程介質(zhì)電導(dǎo)的性質(zhì)1.3.1氣體介質(zhì)電導(dǎo)在工程中使用得最多的是空氣，其帶電質(zhì)點(diǎn)來源主要有兩方面：一是外界紫外線、宇宙射線等照射，產(chǎn)生游離,離子濃度約為5001000對/cm3；二是在強(qiáng)電場作用下，氣體中電子的碰撞游離?？諝庵须娏骱碗妷旱年P(guān)系如圖2.10所示。當(dāng)電場強(qiáng)度很?。‥E1），外電離因素產(chǎn)生的離子克服與氣體分子碰撞的阻力而移動(dòng)，遷移率接近常數(shù)，電流密度與電場強(qiáng)度成正比，如圖2.10(b)中?區(qū)所示。當(dāng)電場強(qiáng)度進(jìn)一步增大，外界因數(shù)所造成的離子接近全部趨向電極時(shí)，電流密度即趨于飽和，如圖2.10(b)3中??區(qū)所示。在該兩區(qū)內(nèi)氣體的電導(dǎo)是極微小的。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣說，E1510-3V/cm和E2104V/cm.。場強(qiáng)超過E2位時(shí)，氣體介質(zhì)中將發(fā)生撞擊游腐，從而使電流密度迅速增大，最后使氣隙擊穿，如圖2.10(b)中???區(qū)所示。圖2.10當(dāng)外加電壓小于擊穿場強(qiáng)時(shí)，空氣的電導(dǎo)率是很小的，為10-1510-16（-1·cm-1圖2.101.3.2液體介質(zhì)電導(dǎo)液體介質(zhì)中形成電導(dǎo)電流的帶電質(zhì)點(diǎn)主要有兩種：一是構(gòu)成液體的基本分子或雜質(zhì)離解而成帶電質(zhì)點(diǎn)，構(gòu)成離子電導(dǎo)。二是由于相當(dāng)大的帶有電荷的膠體質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成電泳電導(dǎo)。中性和弱極性液體，在純凈時(shí)，電導(dǎo)很小，而當(dāng)含有雜質(zhì)和水分時(shí)，其電導(dǎo)顯著增加，絕緣性能下降，其電導(dǎo)主要由雜質(zhì)離子構(gòu)成。極性和強(qiáng)極性液體介質(zhì)，其分解作用很強(qiáng)，離子數(shù)多，電導(dǎo)很大；一般情況下，不能作絕緣材料。液體的分子結(jié)構(gòu)、極性強(qiáng)弱，、純凈程度、介質(zhì)溫度等對電導(dǎo)影響很大，各種液體電介質(zhì)的電導(dǎo)可能相差懸殊，工程上常用的變壓器油、漆和樹脂等都屬于弱極性。表2.1中同時(shí)列出了常用的幾種介質(zhì)的電導(dǎo)率。1.3.3固體介質(zhì)電導(dǎo)固體介質(zhì)電導(dǎo)分為離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)兩部分。離子電導(dǎo)很大程度取決于介質(zhì)中所含雜質(zhì)，特別是對中性及弱極性介質(zhì)，雜質(zhì)離子起主要作用。當(dāng)電場很高時(shí)，由于碰撞游離和陰極電子發(fā)射，電子電導(dǎo)急增，預(yù)示絕緣接近擊穿。固體介質(zhì)的表面在干燥、清潔時(shí)，其電導(dǎo)很小，故其表面電導(dǎo)主要是由于附著于介質(zhì)表面吸附一些水分、塵?；?qū)щ娦缘幕瘜W(xué)沉淀物而引起的，其中水分起著特別重要的作用。與介質(zhì)本身性質(zhì)有關(guān)。對中性和弱極性介質(zhì)（如石蠟、聚苯乙烯、硅有機(jī)物等），水分子與固體介質(zhì)分子的附著力很小，水分不易在介質(zhì)表面形成連續(xù)水膜，而只能凝聚成小水滴，故表面電阻較高，電導(dǎo)較小，稱這類介質(zhì)為僧水性介質(zhì)。極性介質(zhì)（如云母、玻璃等）及離子性介質(zhì)，水分子與固體介質(zhì)分子的附著力很強(qiáng)，在介質(zhì)表面形成連續(xù)水膜，表面電導(dǎo)較大，且與濕度有關(guān)。稱這類介質(zhì)為親水性介質(zhì)。對多孔性介質(zhì)，其表面、體積電阻均小，如纖維材料就屬于這類。采取使介質(zhì)表面洗凈、光潔、烘干、或表面涂以石蠟、絕緣漆、有機(jī)硅等措施，可以降低介質(zhì)表面電導(dǎo)。1.3.4討論電介質(zhì)電導(dǎo)的意義在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中，以絕緣電阻值判斷絕緣是否受潮或有其他劣化現(xiàn)象。測量絕緣電阻，實(shí)際上就是測量介質(zhì)在直流電壓作用下的電流。圖2.11某變壓器的絕緣電阻與時(shí)間關(guān)系曲線1受潮時(shí)；2經(jīng)干燥后如前所述，一般電介質(zhì)都可以用圖2.9（C）所示的等效電路來代表。圖中，串聯(lián)支路Rp—Cp代表電介質(zhì)的吸收特性。如絕緣良好，則Rlk和Rp的值都比較大，這就不僅使穩(wěn)定的絕緣電阻值（就是R圖2.11某變壓器的絕緣電阻與時(shí)間關(guān)系曲線1受潮時(shí)；2經(jīng)干燥后(2-18)如良好、干燥的絕緣，吸收電流較大（較?。?，K值較大（應(yīng)大于某一定值）；受潮或有缺陷的絕緣，吸收比較小。多層介質(zhì)在直流電壓下，電壓分布與電導(dǎo)成反比，故設(shè)計(jì)用于直流的設(shè)備要注意所用介質(zhì)的電導(dǎo)，應(yīng)使材料使用合理。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮絕緣的使用環(huán)境，特別是濕度的影響。有時(shí)需要作表面防潮處理，如在膠布（或紙）筒外表面刷環(huán)氧漆，絕緣子表面涂硅有機(jī)物或地蠟等。不是所有的情況下均要求絕緣電阻值高，有些情況下要設(shè)法減小絕緣電阻值。如在高壓套管法蘭附近涂半導(dǎo)體釉，高壓電機(jī)定子繞組出槽口部分涂半導(dǎo)體釉等，都是為了改善電壓分布，消除電暈。2電介質(zhì)的損耗2.1電介質(zhì)損耗及介質(zhì)損失角正切介質(zhì)在電壓作用下有能量損耗。一種是電導(dǎo)引起的損耗；另一種是由有損極化引起的損耗。在直流電壓下，由于無周期性極化過程，因此，當(dāng)外施電壓低于發(fā)生局部放電電壓時(shí)，介質(zhì)中損耗仍由電導(dǎo)引起，此時(shí)用絕緣電阻這一物理量就足以表達(dá)，而在交流電壓下，除了電導(dǎo)損耗外，還由于存在周期性極化引起的能量損耗，因此，引入介質(zhì)損耗這一新的物理量來表示。定義為：在交流電壓下，介質(zhì)的有功功率損耗為介質(zhì)損耗。圖2.12介質(zhì)在交流電壓作用時(shí)的電流相量圖及功率三角形（a）接線圖；（b）相量圖；（c）功率三角形圖2.12所示電路中，在介質(zhì)兩端施加交流電壓，由于介質(zhì)中有損耗，電流不是純電容電流，可分為兩個(gè)分量：(2-19)式中有功電流分量；無功電流分量。電源提供的視在功率為：(2-20)由圖2.12（c）所示的功率三角形可見，介質(zhì)損耗為：(2-21)用介質(zhì)損耗P來表示介質(zhì)品質(zhì)好壞是不方便的，因?yàn)閺纳鲜街锌梢钥闯?，P值與試驗(yàn)電壓的平方和電源頻率成正比，與試品尺寸、放置位置有關(guān)，不同試品之間難以進(jìn)行比較。而當(dāng)外加電壓和頻率一定時(shí)，P與介質(zhì)的物理電容C成正比，對一定結(jié)構(gòu)的試品而言，電容C是定值，P與tg成正比，故對同類試品絕緣的優(yōu)劣，可直接用tg來代替P值，對絕緣進(jìn)行判斷。因此，定義為介質(zhì)損失角，它是功率因數(shù)角的余角。介質(zhì)損失角正切值tg，如同r一樣，仍取決于材料的特性，而與材料尺寸無關(guān)，可以方便地表示介質(zhì)的品質(zhì)。有損介質(zhì)可以用一個(gè)無損耗的理想電容和一個(gè)有效電阻并聯(lián)或串聯(lián)來表示，如圖2.13所示。（a）并聯(lián)等值電路（b）串聯(lián)等值電路圖2.13有損介質(zhì)的等值電路和相量圖從圖（a）中可得：(2-22)(2-23)從圖（b）中可得：(2-24)(2-25)但所述等值電路只有計(jì)算上的意義，不能確切地反映介質(zhì)的物理過程。如果損耗主要是由電導(dǎo)起的，常使用并聯(lián)等值電路，如果損耗主要是由介質(zhì)極化及連接導(dǎo)線引起的，則常應(yīng)用串聯(lián)等值電路。但要注意其中參數(shù)不同，由式(2.22)和式(2.24)可得：(2-26)因此，在測量tg時(shí)設(shè)備的電容量計(jì)算公式與采用哪一種等值電路有關(guān)。但由于絕緣的tg一般很小，1+tg21，故CpCS，此時(shí)，并、串聯(lián)等值電路的介質(zhì)損耗表達(dá)式可用同一公式表示：P=U2Ctg。實(shí)際上電導(dǎo)損耗和極化都是存在的，介質(zhì)的等值電路應(yīng)用圖2.8中所示，用三支路并聯(lián)等值電路來等值。2.2工程介質(zhì)介質(zhì)損耗的性質(zhì)2.2.1氣體電介質(zhì)中的損耗前已指出，氣體電介質(zhì)的極化率是極小的。當(dāng)電場強(qiáng)度小于使氣體分子游離所需的值時(shí)，氣體介質(zhì)的電導(dǎo)也是極小的。所以，此時(shí)氣體介質(zhì)中的損耗也將是極?。╰g<10-8)，工程中可以略去不計(jì)。所以常用氣體(如空氣，N2；C02，SF6等）作為標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì)。當(dāng)外施電壓U超過起始放電電壓U0時(shí)，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加，如圖2.14所示，這種現(xiàn)象在高壓輸電線上表現(xiàn)得極為突出，稱為電暈放電。圖2.14氣體中的tg與電壓的關(guān)系2.2.2圖2.14氣體中的tg與電壓的關(guān)系2.2.3液體電介質(zhì)中的損耗中性液體固體電介質(zhì)中的極化主要是電子位移極化和離子位移極化，它們是無損的或幾乎是無損的。于是，這類介質(zhì)中的損耗便主要漏導(dǎo)決定。介質(zhì)損耗與溫度、電場強(qiáng)度等因素的關(guān)系也就決定于電導(dǎo)與這些因素之間的關(guān)系，一般如圖2.15和圖2.l6所示。極性液體介質(zhì)中的損耗主要包括電導(dǎo)式損耗和電偶式損托兩部分，所以，它與溫度、頻率等因素有較復(fù)雜的關(guān)系。圖2.l7表示松香油的tg與溫度的關(guān)系。溫度較低時(shí)，松香油的粘度大，偶極子的轉(zhuǎn)向校難，tg故較??；溫度較高時(shí)，松香油的粘度減小，偶極子的轉(zhuǎn)向較易，故tg增大；溫度再高時(shí)，松香油的粘度更小，偶極子的轉(zhuǎn)向很易，但偶極子回轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦損耗卻減小很多，故tg反而減小了；溫度更高時(shí)，雖然由于粘度小，使偶極子回轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦損耗減小，但電導(dǎo)隨溫度的增加而迅速增加，使電導(dǎo)式損耗迅速增大，總的損耗及tg也都迅速增大。圖2.18表示極性液體介質(zhì)中的損耗與頻率的關(guān)系。頻率很低時(shí)，介質(zhì)中的損耗主要由電導(dǎo)造成的，偶極式損耗很少，故總的損耗功率小，但因頻率很低，電容電流很小，故tg卻比較大。電源頻率增高時(shí)，偶極子回轉(zhuǎn)煩率和偶極損耗功率也隨之增高；與此同時(shí)，隨著頻率的升高，偶極式極化不充分，使介電常數(shù)減小，電容電流不能與頻率成正比例增長。以上兩種因素的結(jié)合使得在某頻率范圍tg隨頻率而增長。當(dāng)頻率更高時(shí)，偶極子的回轉(zhuǎn)已完全跟不上電源頻率，損耗功率遂趨于恒定，介電常數(shù)也達(dá)到較低的穩(wěn)定值，電容電流則與頻率成正比例增加，tg近乎與頻率成反比地減小。圖2.15中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg圖2.16中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg與溫度的關(guān)系示意圖與電場的關(guān)系示意圖圖2.17松香油的tg與溫度的關(guān)系圖2.18極性電介質(zhì)中的損耗與頻率的關(guān)系2.2.4固體電介質(zhì)中的損耗固體介質(zhì)的情況比較復(fù)雜。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，可分為分子式結(jié)構(gòu)、離子式結(jié)構(gòu)、不均勻結(jié)構(gòu)和強(qiáng)極性介質(zhì)4類。強(qiáng)極性介質(zhì)在高壓設(shè)備中一般不采用。分子式結(jié)構(gòu)中有中性和極性兩種。中性介質(zhì)如石蠟、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氯乙烯等，其損耗主要由電導(dǎo)引起，通常很小，在高頻下也可使用。極性的纖維材料（紙、纖維板等）和含有極性基的有機(jī)材料（聚氯乙烯、有機(jī)玻璃、酚醛樹脂、硬橡膠等），此類介質(zhì)的tg與溫度、頻率的關(guān)系與極性液體相似，tg值較大，高頻下更為嚴(yán)重。離子式結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，其tg與結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。結(jié)構(gòu)緊密的不含雜質(zhì)的離子晶體，如云母，其tg主要是由電導(dǎo)引起，tg極小，且云母的電氣強(qiáng)度高，耐熱性能好，耐局部放電性能也好，故云母是優(yōu)良的絕緣材料，在高頻下也可使用。結(jié)構(gòu)不緊密的離子結(jié)構(gòu)中，有極化損耗，故介質(zhì)的tg較大，玻璃、陶瓷屬此類，但隨成分和結(jié)構(gòu)的不同，tg相差懸殊。圖2.19在不均勻結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，在工程上常常遇到，如電機(jī)絕緣中使用的云母制品和廣泛使用的油浸紙、膠紙絕緣等，其損耗取決于各成分的性能和數(shù)量間比例。不均勻介質(zhì)損耗是很復(fù)雜的，但它又具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。目前尚無完整的、系統(tǒng)的理論來說明各種復(fù)雜的物理過程。但夾層極化這類有損極化是產(chǎn)生損耗的重要原因。一般這種損耗較大，是占整體損耗的主要部分。圖2.192.3討論介質(zhì)損耗的意義設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意到絕緣材料的tg值。若tg過大會引起嚴(yán)重發(fā)熱，使材料劣化，甚至可能導(dǎo)致熱擊穿。用于沖擊測量的連接電纜，其tg必須要小，否則沖擊電壓波在其中傳播時(shí)將發(fā)生畸變，影響測量精度。在絕緣試驗(yàn)中，tg的測量是一項(xiàng)基本測試項(xiàng)目。當(dāng)絕緣受潮劣化或含有雜質(zhì)時(shí)，tg將顯著增加，絕緣內(nèi)部是否存在局部放電，可通過測tg—U的關(guān)系曲線加以判斷。用做絕緣材料的介質(zhì)，希望tg小。在其他場合，可利用tg引起的介質(zhì)發(fā)熱，如電瓷泥坯的陰干需較長時(shí)間，在泥坯上加適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?，則可利用介質(zhì)損耗發(fā)熱，加速干燥過程。采用的教學(xué)方法和手段教學(xué)方法：講述法教學(xué)手段：多媒體投影。§第四、五、六講氣體放電的物理過程教學(xué)目標(biāo)掌握氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生中四種電離（碰撞電離、光電離、熱電離和表面電離）型式的機(jī)理和帶電質(zhì)點(diǎn)消失的機(jī)理。掌握湯遜德理論的要點(diǎn)和適用范圍；掌握流注理論的要點(diǎn)和適用范圍；掌握不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng)原理；掌握長間隙擊穿過程中的先導(dǎo)放電機(jī)理；了解電暈放電機(jī)理；了解雷電放電機(jī)理。教學(xué)重點(diǎn)四種電離（碰撞電離、光電離、熱電離和表面電離）型式的機(jī)理；湯遜德理論和流注理論的要點(diǎn)和各自的適用范圍；不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng)原理教學(xué)難點(diǎn)電離和氣體放電機(jī)理全是微觀電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的現(xiàn)象，傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難表達(dá)清楚；不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng)主要是空間電荷畸變電場的作用，比較抽象，很難理解教學(xué)內(nèi)容和要點(diǎn)四種電離（碰撞電離、光電離、熱電離和表面電離）型式的機(jī)理；碰撞電離當(dāng)電子從電場獲得的動(dòng)能等于或大于氣體分子的電離能時(shí)，就有可能因碰撞而使氣體分子分裂為電子和正離子，即電子的能量滿足條件碰撞電離的形成與電場強(qiáng)度和平均自由行程的大小有關(guān)光電離光當(dāng)氣體分子受到光輻射作用時(shí)，如光子能量滿足下列條件即可產(chǎn)生光電離。導(dǎo)致氣體光電離的光子可以由自然界（如空中的紫外線、宇宙射線等）或人為照射（如紫外線、x射線等）提供，也可以由氣體放電過程本身產(chǎn)生。熱電離一切因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離，包括：隨著溫度升高氣體分子動(dòng)能增加引起的碰撞電離，高溫下高能熱輻射光子引起的光電離。表面電離陰極發(fā)射電子的過程，稱為表面電離。a、正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極時(shí)使電子逸出金屬（傳遞的能量要大于逸出功）。逸出的電子有一個(gè)和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子。b、光電效應(yīng)金屬表面受到光的照射，當(dāng)光子的能量大于選出功時(shí)，金屬表面放射出電子。c、強(qiáng)場放射（冷放射）當(dāng)陰極附近所加外電場足夠強(qiáng)時(shí)，使陰極放射出電子。d、熱電子放射當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時(shí)，其中的電子獲得巨大動(dòng)能，逸出金屬。帶電質(zhì)點(diǎn)的消失與形成帶電質(zhì)點(diǎn)的電離過程相反的過程稱為帶電質(zhì)點(diǎn)的消失過程。帶電質(zhì)點(diǎn)的消失主要有三種方式。一種方式是一部分帶電質(zhì)點(diǎn)在電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)，從而消失于電極（造成電流）。另外兩種方式就是帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和復(fù)合。湯遜德理論的要點(diǎn)和適用范圍電子崩的形成自持放電條件電子電離系數(shù)α：一個(gè)電子沿著電場方向行走單位長度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)（由電離產(chǎn)生的自由電子數(shù)）。表面電離系數(shù)γ：每個(gè)正離子碰幢陰極表面平均釋放出的自由電子數(shù)。設(shè)：一個(gè)電子從陰極行走x距離產(chǎn)生的自由電子數(shù)為n，n個(gè)電子前進(jìn)dx產(chǎn)生的新電子數(shù)為：或所以：一個(gè)電子從陰極到陽極產(chǎn)生的電子數(shù)為：一個(gè)電子從陰極到陽極產(chǎn)生的正離子數(shù)為：自持放電條件：氣隙的擊穿電壓與pd的函數(shù)關(guān)系——巴申定律圖均勻電場中幾種氣體擊穿電壓和pd的關(guān)系湯遜德理論的適用范圍湯遜德理論是在氣壓較低、pd值較小條件下進(jìn)行的放電實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來的，是一種輝光放電現(xiàn)象。pd過小或過大，湯遜德理論都不適用。流注理論的要點(diǎn)和適用范圍電子崩階段空間電荷畸變外電場圖平板電極間的電子崩空間電荷對外電場的畸變（a）電子崩示意圖（b）電子崩中空間電荷的濃度分布（c）空間電荷的電場（d）合成電場流注的形成主電子崩中釋放的光子引起二次電離,二次電子崩匯入主電子崩將形成流注。大量的正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的等離子體，即為流注。正流注：當(dāng)外施電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，電子崩走完整個(gè)間隙后，頭部空間電荷密度很大，大大加強(qiáng)了后部的電場，并向周圍放射出大量光子，這些光子引起了空間光電離，形成二次電子崩，二次電子崩匯入主電子崩形成正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的等離子體——流注，并由正電極向負(fù)電極發(fā)展。圖正流注的產(chǎn)生及發(fā)展1起始電子崩（主電子崩）；2二次電子崩；3流注負(fù)流注：當(dāng)外施電壓比擊穿電壓高，主電子崩不需經(jīng)過整個(gè)間隙，其頭部電離程度已足于形成流注。流注形成后向陽極發(fā)展。圖負(fù)流注的產(chǎn)生及發(fā)展1起始電子崩（主電子崩）；2二次電子崩；3流注流注理論的適用范圍流注理論可以解釋場遜理論不能說明的Pd很大時(shí)的放電現(xiàn)象。放電外形：Pd很大時(shí)，放電具有通道形式。放電時(shí)間：pd很大時(shí)，光子以光速傳播，流注發(fā)展速度極快，放電時(shí)間特別短。陰極材料的影響：Pd很大時(shí)，擊穿電壓和陰極材料基本無關(guān)，維持自持放電的是空間光電離，而不是陰極表面的電離過程。不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng)棒－板間隙在施加電壓時(shí)，由于空間電荷畸變了棒－板間隙中的電場，使得棒極為正時(shí)的電暈起始電壓高于棒極為負(fù)時(shí)的電暈起始電壓。棒極為正時(shí)的擊穿電壓值低于棒極為負(fù)時(shí)的擊穿電壓值。棒—板間隙中空間電荷對外電場的畸變作用Eex—外電場Esp—空間電荷的電場長間隙擊穿過程中的先導(dǎo)放電間隙距離較長時(shí)(如棒—板間隙還離大于1米時(shí))，在流注通道還不足于貫通整個(gè)間隙的電壓下，仍可能發(fā)展起擊穿過程。這時(shí)流注通道發(fā)展到足夠的長度后，將有較多的電子循通道流向電極，通過通道根部的電子最多，于是流注根部溫度升高，出現(xiàn)了熱電離過程。這個(gè)具有熱電離過程的通道稱為先導(dǎo)通道。間隙中如出現(xiàn)先導(dǎo)放電階段，則平均擊穿場強(qiáng)降低，因此長空氣間隙的平均擊穿場強(qiáng)遠(yuǎn)低于短間隙。正棒—負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展（ａ）先導(dǎo)和其頭部的流注ｋｍ；（ｂ）流注頭部電子崩的形成；（ｃ）ｋｍ由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注頭部電子崩的形成；電暈放電電暈放電現(xiàn)象是在極不均勻電場中，大曲率電極附近發(fā)生的空氣間隙局部電離放電的現(xiàn)象。在黑暗中可以看到該電極周圍有薄薄的發(fā)光層，有些象“月暈”，電暈電極周圍的電離層稱為電暈層，電暈層以外電場很弱，因而不發(fā)生電離過程的空間稱為外區(qū)。爆發(fā)電暈放電時(shí)，還可聽到咝咝的聲音，嗅到臭氧的氣味，回路中電流明顯增加(但絕對值仍很小)，可以測量到能量損失。電暈放電會帶來不利影響。氣體放電過程中的光、聲、熱等效應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)等都能引起能量損失。電暈放電過程中會出現(xiàn)放電的脈沖現(xiàn)象，形成高頻電磁波，引起干擾。電暈放電還能使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成臭氧從氧化氦等產(chǎn)物，引起腐蝕作用。電暈放電在某些特定情況下還有其有利的一面。例如電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅值及陡度；可以利用電暈放電改善電場分布，提高擊穿電壓以及利用電暈放電除塵等。雷電放電雷電放電由帶電荷的雷云引起的，包括放電發(fā)生在雷云之間的云層放電和放電發(fā)生在雷云和大地之間的對地放電。對地放電的雷電極性按照雷云流入大地的電荷極性決定，實(shí)測90％左右為負(fù)極性雷。雷電放電分為三個(gè)主要方面，即先導(dǎo)放電、主放電和余光放電。采用的教學(xué)方法和手段教學(xué)方法：講述法

教學(xué)手段：動(dòng)畫和掛圖投影《HYPERLINK返回》§第七、八講氣隙的擊穿特性教學(xué)目標(biāo)掌握氣隙放電電壓與放電時(shí)延的關(guān)系了解大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響掌握電場形式與典型電壓波形對擊穿電壓的影響掌握提高氣隙擊穿電壓的方法掌握沿面放電的機(jī)理、影響因素和提高閃絡(luò)電壓的方法教學(xué)重點(diǎn)各種氣隙放電電壓的特點(diǎn)和影響因素以及相互之間的關(guān)系。教學(xué)難點(diǎn)伏秒特性的概念及相關(guān)知識。教學(xué)內(nèi)容和要點(diǎn)影響空氣間隙放電電壓的因素主要有電場情況：均勻、稍不均勻、極不均勻電壓形式：直流電壓、交流電壓、雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓大氣條件：氣壓、溫度、濕度以電壓形式討論空氣間隙放電電壓的影響。第一節(jié)氣隙的擊穿時(shí)間每個(gè)氣隙都有它的最低靜態(tài)擊穿電壓，即長時(shí)間作用在間隙上能使間隙擊穿的最低電壓，所以，欲使間隙擊穿，外加電壓U必須不小于這靜態(tài)電壓擊穿電壓．但這僅是必要條件，而不是允分條件，欲使間隙擊穿，還必須使該電壓持續(xù)作用一定的時(shí)間。從開始加壓的瞬時(shí)起到氣隙完全擊穿為止總的時(shí)間稱為擊穿時(shí)間tb，它是由三部分組成，見圖4—1。(1)升壓時(shí)間t0—電壓從零升到靜態(tài)擊穿電壓U0所需的時(shí)間。(2)統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts—從電壓達(dá)到U0的瞬時(shí)起到氣隙中形成第一個(gè)有效電子為止的時(shí)間。(3)放電發(fā)展時(shí)間tf——從形成第一個(gè)有效電子的瞬時(shí)起到氣隙完全被擊穿為止的時(shí)間。這里說的第一個(gè)有效電子是指該電子能發(fā)展一系列的游離過程，最后導(dǎo)致間隙完全擊穿的那個(gè)電子。tl：放電時(shí)延短間隙(如1厘米以下)中，特別是電場比較均勻時(shí)，相比之下放電發(fā)展時(shí)間甚小，tf<<ts這時(shí)統(tǒng)計(jì)時(shí)延實(shí)際上就等于放電時(shí)延，可以直接用示波器測量。由于每次放電統(tǒng)計(jì)時(shí)延大小不一，故通常討論其平均值，稱為平均統(tǒng)計(jì)時(shí)延。較長的間隙中，放電時(shí)延主要決定于放電發(fā)展時(shí)間。在比較均勻的電場中，由于間隙中電場到處都很強(qiáng)，放電發(fā)展速度炔，所以放電發(fā)展時(shí)間較短。在極不均勻電場中則放電發(fā)展時(shí)間較長。顯然，間隙上外施電壓增加，放電發(fā)展時(shí)間也會減小。氣體間隙的擊穿電壓和電壓種類有關(guān)。直流電壓和工頻電壓統(tǒng)稱為持續(xù)作用電壓。這類電壓的變化速度很小．相比之下放電發(fā)展所需時(shí)間可以忽略不計(jì)。電力系統(tǒng)中的操作過電壓和大氣過電壓則持續(xù)時(shí)間極短、以微秒（10-6秒）計(jì)，所以實(shí)驗(yàn)室中也應(yīng)以持續(xù)時(shí)間接短的電壓來模擬這些過電壓，相應(yīng)地稱為操作沖擊電壓和雷電仲擊電壓。在沖擊電壓下，放電發(fā)展速度就不能忽略不計(jì)了，這時(shí)間隙的擊穿特性就具有新的特點(diǎn)了。所以，以下分別介紹不同種類電壓作用下的擊穿電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本節(jié)介紹持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓。不少情況下間隙的距離由持續(xù)作用電壓決定。持續(xù)電壓作用下，當(dāng)氣體狀態(tài)不變時(shí)，一定距離的間隙的擊穿電壓具有確定的數(shù)值，當(dāng)間隙上的電壓升高達(dá)到擊穿電壓時(shí)，則間隙擊穿，使電路短路。第二節(jié)持續(xù)作用電壓下空氣的擊穿電壓2.1、均勻電場中的擊穿電壓工程上極少遇到很大的均勻電場間隙。因?yàn)殚g隙距離很大時(shí)，要消除電極的邊緣效應(yīng)就得采用極大尺寸的電極。因此，在均勻電場中，通常只有間隙不太大時(shí)的擊穿電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)。均勻電場中直流及工頻擊穿電壓（峰值）以及50％沖擊擊穿電壓實(shí)際上都相同。擊穿電壓的分散性較小。均勻電場中空氣的擊穿電壓(峰值)，相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式為：式中d間隙距離，（cm）；空氣相對密度。當(dāng)d不過于小時(shí)（d>1cm），均勻電場中空氣的電氣強(qiáng)度（峰值）大致等于30kV/cm。2.2稍不均勻電場中的擊穿電壓2.2.1擊穿電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1．擊穿的一般規(guī)律工程上經(jīng)常遇到的是不均勻電場。如前所述根據(jù)放電現(xiàn)象的待點(diǎn)，不均勻電場可區(qū)分為稍不均勻電場和極不均勻電場。和均勻電場中相似：稍不均勻電場中直到擊穿為止不發(fā)生電暈；電場不對稱時(shí)，極性效應(yīng)不很明顯；直流下及工頻下的擊穿電壓(幅值)以及50％沖擊擊穿電壓實(shí)際上也都相同，擊穿電壓的分散性也不大。在稍不均勻電場中，擊穿電壓和電場均勻程度關(guān)系極大，所以沒有能概括各種電場分布的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體間隙的擊穿電壓需要通過實(shí)驗(yàn)才能準(zhǔn)確確定。但從實(shí)驗(yàn)中可得出這樣一個(gè)規(guī)律，即電場越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓就越高，其極限就是均勻電場中的擊穿電壓。典型的稍不均勻電場間隙：球—球間隙，球—板間隙，同軸圓柱間隙2．球—球間隙兩球直徑相同，一球接地時(shí)，球電極間擊穿電壓Ub和間隙距離d的關(guān)系見圖。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)間隙距離d小于球極直徑D的1／4時(shí)(d＜D/4)，電場相當(dāng)均勻，無論是直流電壓工頻電壓還是沖擊電壓作用下，其擊穿電壓都相同。然而當(dāng)d＞D／4后，電場不均勻程度增加，大地對電場的畸變作用也加強(qiáng)了，從而使不接地球處電場增強(qiáng)，間隙中電場分布變得不對稱了(圖2—44)。結(jié)果不論是直流電壓還是沖擊電壓，不接地球?yàn)檎龢O性時(shí)的擊穿電壓開始變得大于負(fù)極性下的數(shù)值。工頻電壓下由于擊穿發(fā)生在容易擊穿的半周，所以其擊穿電壓和負(fù)極性下的相同。也就是說，稍不均勻電場中也有極性效應(yīng)，而且和極不均勻電場中的極性效應(yīng)相反，電場最強(qiáng)的電極為負(fù)極性時(shí)的擊穿電壓反而略低于正極性時(shí)的數(shù)值。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生也是由于空間電荷的影響。如第五節(jié)所述，極不均勻電場棒—權(quán)間隙中，由于非自持放電形成的空間電荷的影響，負(fù)極性下電暈起始電壓比正極性下略低。在稍不均勻電場中，不能形成穩(wěn)定的電暈放電，電暈起始電壓就是其擊穿電壓，所以負(fù)極性下?lián)舸╇妷壕蛯⒙缘陀谡龢O性下的數(shù)值了。從圖中還可看到，同一間隙距離下，球電極直徑越大時(shí)，由于電場均勻程度增加，擊穿電壓也越高。2.2.2擊穿電壓的估算根據(jù)起始場強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)公式估算擊穿電壓如前所述，放電過程決定于大曲率電極表面的場強(qiáng)，即間隙中的最大場強(qiáng)Ｅmax，而外施電壓Ｕ和Ｅmxa間的關(guān)系可從第一章(1—15)式求得，式中d為極間距離，ｆ為不均勻系數(shù)。ｆ決定于電極布置，可以根據(jù)靜電場計(jì)算或電解槽等實(shí)驗(yàn)方法求得，從圖1—8也可查得一些電極結(jié)構(gòu)的ｆ。從均勻電場中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖2—42)可知，場強(qiáng)達(dá)到約30千伏(幅值)／厘米時(shí)，問隙將擊穿。因此可以認(rèn)為，稍不均勻電場中達(dá)到臨界值＝30干伏(幅值)／厘米，間隙也將擊穿，于是擊穿電壓可根據(jù)下式估算Ｅ0實(shí)際上和電極布置有關(guān)。2.3極不均勻電場中的擊穿電壓極不均勻電場中，影響擊穿電壓的主要因素是間隙距離。這是由于擊穿前發(fā)生了電暈，此后放電都是在電暈空間電荷已強(qiáng)烈畸變了外電場的情況下發(fā)展之故。這個(gè)事實(shí)有很大實(shí)際意義。因?yàn)楦鶕?jù)這個(gè)現(xiàn)象，就可以選擇電場極不均勻的極端情況：棒(尖)—板和棒(尖)—棒（尖)作為典型電極。它們的擊穿電壓具有代表性，工程上遇到很不均勻的電場時(shí)，就可根據(jù)這些典型電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)來估計(jì)絕緣距離了。如果電場分布不對稱可參照棒(尖)—板電極的數(shù)據(jù)；如果電場分布對稱，則參照棒（尖)—棒(尖)電極的數(shù)據(jù)。和均勻及稍不均勻電場中不同，極不均勻電場中直流、工頻及沖擊擊穿電壓間的差別比較明顯，分散性也較大，且極性效應(yīng)顯著。直流電壓下的擊穿電壓極性效應(yīng)：尖電極具有正極性時(shí)擊穿電壓比負(fù)極性時(shí)低得多。從圖還可知，尖—尖電極間的擊穿電壓介于極性不同的尖—板電極之間。解釋：一方面，尖—尖電極裝置中有正極性尖端，放電容易由此發(fā)展，所以其擊穿電壓應(yīng)比負(fù)尖—正極的低，但另一方面，尖—尖電極有兩個(gè)尖端，即有兩個(gè)強(qiáng)電場區(qū)域，而同樣間隙距離下強(qiáng)電場區(qū)域加多后，通常其電場均勻程度會增加，因此尖—尖電極間的最大場強(qiáng)應(yīng)比尖—板電極間的為低，從而其擊穿電壓應(yīng)比正尖—負(fù)板的為高了。棒—板間隙，棒具有正極性時(shí)，平均擊穿場強(qiáng)約為4.5千伏／厘米；負(fù)極性時(shí)約為l0千伏／厘米。棒—棒間隙的平均擊穿場強(qiáng)約為4.8~5.0千伏／厘米工頻電壓下的擊穿電壓棒—板電極間施加工頻電壓時(shí)，擊穿總是在棒的極性為正、電壓達(dá)到幅值時(shí)發(fā)生，并且其擊穿電壓(幅值)和直流電壓下正棒—負(fù)板的擊穿電壓相近。從圖中可知，除了起始部分外，擊穿電壓和距離近似成直線關(guān)系，棒—棒間隙的平均擊穿場強(qiáng)約為3.8千伏(有效值)／厘米或5.36千伏(幅值)／厘米，棒—板間隙的稍低一些，約為3.35千伏(有效值)／厘米或4.8干伏(幅值)／厘米。從圖可知，隨著距離加大，平均擊穿場強(qiáng)明顯降低，棒—板間隙尤為嚴(yán)重，即具有所謂“飽和現(xiàn)象”，例如當(dāng)d＝1米時(shí)，平均擊穿場強(qiáng)約為3.5千伏(有效值)／厘米或5千伏(幅值)／厘米而在d＝l０米時(shí)，就已降到約1.5千伏(有效值)／厘米或2千伏(幅值)／厘米了。因此在電氣設(shè)備中希望盡量采用具有“棒—棒”類型的電極結(jié)構(gòu)而避免“棒—板”類型。第三節(jié)雷電沖擊電壓下空氣的擊穿電壓及伏秒特性3.1雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形雷電流具有沖擊波形。實(shí)驗(yàn)室中模擬雷電流的標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流波形如圖所示。電流由零迅速上升到幅值(波頭)，然后較平緩地下降至零(波尾)。雷電流的參數(shù)(幅值、波頭長度、波長等)具有統(tǒng)計(jì)性。根據(jù)實(shí)測結(jié)果其波頭長度約0.5—10微秒，波長約為20一90微秒，電流幅值最大可達(dá)200千安以上，大多數(shù)低于100千安。雷電流是沖擊波形的，故由雷閃放電引起的高電壓也具有沖擊波形雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形：波頭采用等值的斜角波頭。國家標(biāo)準(zhǔn)GB3ll—64規(guī)定雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形的參數(shù)為Tl＝1.2s（30%），T2＝50s（20%），還應(yīng)指出其極性（不接地電極相對于地而言的極性）。標(biāo)準(zhǔn)波形通?？梢杂梅?.2／50s表示。3.2雷電沖擊50％擊穿電壓保持波形不變，逐漸升高電壓的幅值。當(dāng)電壓幅值很低時(shí)，每次施加電壓，間隙都不擊穿。隨著外施電壓增高，放電時(shí)延縮短，因此當(dāng)電壓幅值增高到某一定值時(shí)，由于放電時(shí)延有分散性，對于較短的放電時(shí)延，擊穿已有可能發(fā)生。也就是說，在多次施加電壓時(shí)，擊穿有時(shí)發(fā)生，有時(shí)不發(fā)生。隨著電壓（幅值）繼續(xù)升高，多次施加電壓時(shí)，間隙擊穿的百分比越來越增加。最后，當(dāng)電壓（幅值）超過某一位后，間隙在每次施加電壓時(shí)部將發(fā)生擊穿了。從說明間隙絕緣耐受沖擊電壓的絕緣能力來看，當(dāng)然希望求得剛好發(fā)生擊穿時(shí)的電壓。但這個(gè)電壓值在實(shí)驗(yàn)中很難準(zhǔn)確求得。所以工程上采用50％沖擊擊穿電壓，即在多次施加電壓時(shí)，其中半數(shù)導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷?，以此來反映間隙的耐受沖擊電壓的特性。在實(shí)驗(yàn)中決定50％沖擊擊穿電壓時(shí)，當(dāng)然施加電壓次數(shù)越多越準(zhǔn)確，有多級法、升降法等，詳見《高電壓試驗(yàn)技術(shù)》教程。最簡單的方法是：調(diào)整電壓至施加10次電壓中有4—6次擊穿，這個(gè)電壓值就可作為50％沖擊擊穿電壓。1．均勻電場和稍不均勻電場今的擊穿電壓在均勻電場和稍不均勻電場中，擊穿電壓分散性小，其雷電沖擊50％擊穿電壓和靜態(tài)擊穿電壓(即持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓)相差很小，所以就可應(yīng)用前述持續(xù)作用電壓下的數(shù)據(jù)(直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓幅值)。50％沖擊擊穿電壓和持續(xù)作用電壓下?lián)舸╇妷褐确Q為沖擊系數(shù)。均勻電場和稍不均勻電場中的沖擊系數(shù)等于1。由于放電時(shí)延短，50％擊穿電壓下，擊穿通常發(fā)生在波頭幅值附近。2．極不均勻電場中的擊穿電壓在極不均勾電場中，由于放電時(shí)延較長，通常沖擊系數(shù)大于l，擊穿電壓的分散性也大一些，其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取為3%。在50％擊穿電壓下，當(dāng)間隙較長時(shí)，擊穿通常發(fā)生在波尾。標(biāo)準(zhǔn)波形下，棒—棒及棒—板空氣間隙的雷電沖擊50％擊穿電壓和間隙距離的關(guān)系見圖，間隙距離更大時(shí)的數(shù)據(jù)見圖2—59。從團(tuán)中可知，棒—板間隙有明顯的極性效應(yīng)，棒—棒間隙也有不大的極性效應(yīng)。在圖所示范圍內(nèi)(間隙距離很小時(shí)除外)，擊穿電壓和間隙距離呈直線關(guān)系。3.3伏秒特性1．必要性：由于雷電沖擊電壓持續(xù)時(shí)間短，放電時(shí)延不能忽略不計(jì)，所以只是上述50％沖擊擊電壓不能完全說明間隙的沖擊擊穿特性。例如兩個(gè)間隙并聯(lián)，在不同幅值沖擊電壓的作用下，就不一定是50％沖擊擊穿電壓低的那個(gè)間隙擊穿了。現(xiàn)以斜角波電壓為例來說明考慮放電時(shí)延的必要性。什么情況下必須考慮到電壓作用時(shí)間，應(yīng)根據(jù)U和U0的相對比較來判斷。如圖，在間隙上緩慢地施加直流電壓，當(dāng)它達(dá)到靜態(tài)擊穿電壓U0后，間隙中就開始發(fā)展起擊穿過程。但擊穿需一定時(shí)間=tl，在此時(shí)間內(nèi)電壓還會繼續(xù)上升一定數(shù)值，于是擊穿完成時(shí)間隙上的電壓應(yīng)為U0+U。例如一個(gè)間隙的靜態(tài)擊穿電壓為50千伏，假如電壓上升的平均陡度為