高电压技术(本科教材)

前言 综合资源 **篇 高 电 压 绝 缘 及 试 验 第1章 电介质的极化、 电导和损耗…………………………………………………………… 1 §1-1 电介质的极化 ……………………………………………………………………… 1 §1-2 电介质的介电常数 ………………………………………………………………… 3 §1-3 电介质的电导 ……………………………………………………………………… 5 §1-4 电介质中的能量损耗 ……………………………………………………………… 8 习题 ………………………………………………………………………………………… 11 第2章 气体放电的物理过程 ………………………………………………………………… 12 §2-1 气体中带电质点的产生和消失 ………………………………………………… 12 2-1-1 气体中带电质点的产生 ………………………………………………………… 12 2-1-2 气体中带电质点的消失 ………………………………………………………… 16 §2-2 气体放电机理 …………………………………………………………………… 17 2-2-1 概述 …………………………………………………………………………… 17 2-2-2 汤森德气体放电理论 …………………………………………………………… 18 2-2-3 流注放电理论 ………………………………………………………………… 24 §2-3 电晕放电 ………………………………………………………………………… 27 2-3-1 概述 …………………………………………………………………………… 27 2-3-2 电晕放电的物理过程和效应 …………………………………………………… 27 2-3-3 直流输电线上的电晕 …………………………………………………………… 30 2-3-4 交流输电线上的电晕 …………………………………………………………… 31 §2-4 不均匀电场气隙的击穿 ………………………………………………………… 33 2-4-1 短气隙的击穿 ………………………………………………………………… 33 2-4-2 长气隙的击穿 ………………………………………………………………… 34 2-4-3 长气隙中的预放电……………………………………………………………… 38 §2-5 雷电放电 ………………………………………………………………………… 39 2-5-1 概述 …………………………………………………………………………… 39 2-5-2 雷电的先导过程 ……………………………………………………………… 40 2-5-3 雷电的主放电过程……………………………………………………………… 41 2-5-4 雷电的后续分量 ……………………………………………………………… 42 §2-6 气隙的沿面放电 ………………………………………………………………… 43 2-6-1 概述 …………………………………………………………………………… 43 2-6-2 分界面气隙场强中法线分量较弱的情况 ………………………………………… 43 2-6-3 分界面气隙场强中法线分量较强的情况 ………………………………………… 44 习题 ………………………………………………………………………………………… 47 第3章 气隙的电气强度 ……………………………………………………………………… 48 §3-1 气隙的击穿时间 ………………………………………………………………… 48 §3-2 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布 ……………………………………… 49 3-2-1 电压波形 ……………………………………………………………………… 49 3-2-2 伏秒特性 ……………………………………………………………………… 51 3-2-3 气隙击穿电压的概率分布 ……………………………………………………… 53 §3-3 大气条件对气隙击穿电压的影响 ……………………………………………… 53 §3-4 均匀电场和稍不均匀电场气隙的击穿电压 …………………………………… 56 §3-5 极不均匀电场气隙的击穿电压 ………………………………………………… 56 3-5-1 直流电压作用下 ……………………………………………………………… 57 3-5-2 工频电压作用下 ……………………………………………………………… 57 3-5-3 雷电冲击电压作用下 …………………………………………………………… 58 3-5-4 操作冲击电压作用下 …………………………………………………………… 58 3-5-5 叠加性电压作用下……………………………………………………………… 62 §3-6 提高气隙击穿电压的方法 ……………………………………………………… 63 3-6-1 改善电场分布 ………………………………………………………………… 63 3-6-2 采用高度真空 ………………………………………………………………… 66 3-6-3 增高气压 ……………………………………………………………………… 67 3-6-4 采用高耐电强度气体 …………………………………………………………… 69 3-6-5 SF6 气体的特性及其应用 ……………………………………………………… 70 §3-7 影响气隙沿面闪络电压的因素 ………………………………………………… 75 3-7-1 电场状况和电压波形的影响 …………………………………………………… 75 3-7-2 气体条件的影响 ……………………………………………………………… 76 3-7-3 介质表面状态的影响 …………………………………………………………… 77 §3-8 提高气隙沿面闪络电压的方法 ………………………………………………… 82 3-8-1 屏障 …………………………………………………………………………… 82 3-8-2 屏蔽 …………………………………………………………………………… 83 3-8-3 加电容极板 …………………………………………………………………… 83 3-8-4 消除窄气隙 …………………………………………………………………… 84 3-8-5 绝缘表面处理 ………………………………………………………………… 85 3-8-6 改变局部绝缘体的表面电阻率 ………………………………………………… 86 3-8-7 强制固定绝缘沿面各点的电位 ………………………………………………… 87 3-8-8 附加金具 ……………………………………………………………………… 87 3-8-9 阻抗调节 ……………………………………………………………………… 91习题 ………………………………………………………………………………………… 92 第4章 固体、 液体和组合绝缘的电气强度 ………………………………………………… 93 §4-1 固体电介质击穿的机理 ………………………………………………………… 93 §4-2 影响固体电介质击穿电压的因素 ……………………………………………… 94 §4-3 提高固体电介质击穿电压的方法 ……………………………………………… 96 §4-4 固体电介质的老化 ……………………………………………………………… 97 4-4-1 固体介质的环境老化 …………………………………………………………… 97 4-4-2 固体介质的电老化……………………………………………………………… 97 4-4-3 固体介质的热老化 …………………………………………………………… 101 §4-5 液体电介质击穿的机理 ………………………………………………………… 105 §4-6 影响液体电介质击穿电压的因素 ……………………………………………… 106 4-6-1 液体介质本身品质的影响 …………………………………………………… 106 4-6-2 电压作用时间的影响 ………………………………………………………… 109 4-6-3 电场情况的影响 ……………………………………………………………… 110 4-6-4 温度的影响 …………………………………………………………………… 110 4-6-5 压强的影响 …………………………………………………………………… 111 §4-7 提高液体电介质击穿电压的方法 ……………………………………………… 111 4-7-1 提高并保持油的品质 ………………………………………………………… 111 4-7-2 覆盖 ………………………………………………………………………… 112 4-7-3 绝缘层 ……………………………………………………………………… 112 4-7-4 极间障 ……………………………………………………………………… 113 §4-8 液体电介质中的沿面放电 ……………………………………………………… 114 §4-9 液体电介质的老化 ……………………………………………………………… 115 4-9-1 变压器油的老化过程 ………………………………………………………… 115 4-9-2 影响变压器油老化的因素 …………………………………………………… 116 4-9-3 延缓变压器油老化的方法 …………………………………………………… 117 4-9-4 变压器油的再生 ……………………………………………………………… 118 §4-10 组合绝缘 ……………………………………………………………………… 119 4-10-1 各组分间的相互渗透 ………………………………………………………… 119 4-10-2 高压电气设备绝缘应有的电气强度…………………………………………… 121 4-10-3 主体绝缘强度的配合 ………………………………………………………… 124 4-10-4 局部强场的处理……………………………………………………………… 125 §4-11 对电介质性能的全面要求 …………………………………………………… 128 4-11-1 电性能 ……………………………………………………………………… 128 4-11-2 热性能 ……………………………………………………………………… 129 4-11-3 机械性能 …………………………………………………………………… 129 4-11-4 物理、 化学性能……………………………………………………………… 130 习题………………………………………………………………………………………… 130第5章 电气设备绝缘试验 (一) …………………………………………………………… 131 §5-1 测定绝缘电阻 …………………………………………………………………… 131 §5-2 测定泄漏电流 …………………………………………………………………… 134 §5-3 测定介质损耗因数 (tanδ) …………………………………………………… 136 5-3-1 测试电路……………………………………………………………………… 136 5-3-2 测试功效……………………………………………………………………… 138 5-3-3 测试时应注意的事项 ………………………………………………………… 138 §5-4 局部放电的测试 ………………………………………………………………… 140 §5-5 绝缘油中溶解气体的色谱分析 ………………………………………………… 144 习题………………………………………………………………………………………… 147 第6章 电气设备绝缘试验 (二) …………………………………………………………… 148 §6-1 工频高压试验 …………………………………………………………………… 148 6-1-1 工频高压的获得 ……………………………………………………………… 148 6-1-2 工频高压试验中可能产生的过电压 …………………………………………… 150 6-1-3 工频高压的测量 ……………………………………………………………… 151 6-1-4 外施工频高压试验 …………………………………………………………… 155 6-1-5 倍频感应高压试验 …………………………………………………………… 155 §6-2 直流高压试验 …………………………………………………………………… 162 6-2-1 直流高压的获得 ……………………………………………………………… 162 6-2-2 直流高压的测量 ……………………………………………………………… 167 6-2-3 直流高压试验 ………………………………………………………………… 171 §6-3 冲击高压试验 …………………………………………………………………… 172 6-3-1 雷电冲击高压的获得 ………………………………………………………… 172 6-3-2 操作冲击高压的获得 ………………………………………………………… 177 6-3-3 冲击电压的测量 ……………………………………………………………… 179 6-3-4 雷电冲击电压试验 …………………………………………………………… 193 6-3-5 操作冲击电压试验 …………………………………………………………… 198 §6-4 联合电压和合成电压试验 ……………………………………………………… 200 6-4-1 联合电压试验 ………………………………………………………………… 200 6-4-2 合成电压试验 ………………………………………………………………… 201 习题………………………………………………………………………………………… 202 第二篇 电力系统过电压及绝缘配合 第7章 线路和绕组中的波过程……………………………………………………………… 204 §7-1 均匀无损导线中的波过程 ……………………………………………………… 204 7-1-1 波过程的物理概念 …………………………………………………………… 205 7-1-2 波动方程及其解 ……………………………………………………………… 207 §7-2 行波的折射与反射 ……………………………………………………………… 2097-2-1 行波的折、 反射规律 ………………………………………………………… 209 7-2-2 三种特殊端接的折、 反射……………………………………………………… 211 7-2-3 等值集中参数电路 (彼德逊法则) …………………………………………… 212 7-2-4 行波通过串联电感和并联电容 ………………………………………………… 213 §7-3 行波的多次折、 反射 …………………………………………………………… 216 §7-4 无损耗平行多导线系统中的波过程 …………………………………………… 218 §7-5 行波在有损导线上传播的衰减和变形 ………………………………………… 223 7-5-1 导线电阻和导线对地电导的影响 ……………………………………………… 223 7-5-2 大地电阻的影响 ……………………………………………………………… 224 7-5-3 冲击电晕的影响 ……………………………………………………………… 224 §7-6 单相变压器绕组中的波过程 …………………………………………………… 226 7-6-1 单相绕组波过程简化等值电路 ………………………………………………… 226 7-6-2 初始电位分布和入口电容 …………………………………………………… 227 7-6-3 稳态电位分布与振荡过程 …………………………………………………… 229 7-6-4 改善变压器绕组电位分布的内部措施 ………………………………………… 231 §7-7 三相变压器绕组中的波过程 …………………………………………………… 232 7-7-1 三相绕组星形接线、 中性点接地 (YN) ……………………………………… 233 7-7-2 三相绕组星形接线、 中性点不接地 (Y) ……………………………………… 233 7-7-3 三相绕组三角形接线 ………………………………………………………… 233 7-7-4 自耦变压器绕组 ……………………………………………………………… 234 §7-8 变压器绕组间的波过程 ………………………………………………………… 234 7-8-1 静电感应电压分量 (电容传递) ……………………………………………… 234 7-8-2 电磁感应电压分量 (电磁传递) ……………………………………………… 235 §7-9 旋转电动机绕组中的波过程 …………………………………………………… 237 7-9-1 电动机绕组的等值电路 ……………………………………………………… 237 7-9-2 电动机绕组的波阻、 波速……………………………………………………… 238 7-9-3 电动机绕组中行波的传播过程 ………………………………………………… 238 习题………………………………………………………………………………………… 239 第8章 雷电参数及防雷装置………………………………………………………………… 241 §8-1 雷电参数 ………………………………………………………………………… 241 8-1-1 雷云对地放电的等值电路 …………………………………………………… 241 8-1-2 常见雷电参数 ………………………………………………………………… 242 §8-2 避雷针和避雷线 ………………………………………………………………… 245 8-2-1 避雷针 (线) 的工作原理……………………………………………………… 246 8-2-2 避雷针的保护范围 …………………………………………………………… 246 8-2-3 避雷线的保护范围 …………………………………………………………… 249 §8-3 保护间隙和避雷器 ……………………………………………………………… 250 8-3-1 保护间隙……………………………………………………………………… 2518-3-2 管式避雷器 …………………………………………………………………… 251 8-3-3 碳化硅阀式避雷器 (普通阀式避雷器) ……………………………………… 252 8-3-4 磁吹阀式避雷器 ……………………………………………………………… 253 8-3-5 有间隙阀式避雷器的基本电气参数 …………………………………………… 254 §8-4 金属氧化物避雷器 ……………………………………………………………… 255 8-4-1 金属氧化物非线性电阻 MOR ………………………………………………… 256 8-4-2 金属氧化物避雷器的主要电气参数 …………………………………………… 258 8-4-3 金属氧化物避雷器 MOA的选择 ……………………………………………… 259 8-4-4 改善 MOA保护性能的措施 …………………………………………………… 261 8-4-5 有间隙金属氧化物避雷器GMOA …………………………………………… 263 §8-5 接地装置 ………………………………………………………………………… 264 8-5-1 接地和接地电阻 ……………………………………………………………… 264 8-5-2 工频接地电阻 (阻抗) ……………………………………………………… 265 8-5-3 冲击接地电阻 ………………………………………………………………… 268 8-5-4 降低接地电阻的措施 ………………………………………………………… 270 习题………………………………………………………………………………………… 272 第9章 输电线路的防雷保护………………………………………………………………… 274 §9-1 架空输电线路的感应雷过电压 ………………………………………………… 275 9-1-1 感应雷过电压的形成 ………………………………………………………… 275 9-1-2 架空输电线的感应雷过电压计算 ……………………………………………… 276 9-1-3 感应雷过电压的特性 ………………………………………………………… 279 §9-2 架空输电线路的直击雷过电压 ………………………………………………… 279 9-2-1 雷击线路杆塔 ………………………………………………………………… 280 9-2-2 雷击线路档距中央 …………………………………………………………… 282 9-2-3 雷绕击线路导线 ……………………………………………………………… 283 §9-3 架空输电线路的雷击跳闸率 …………………………………………………… 283 §9-4 雷击架空输电线路的电气几何模型 …………………………………………… 287 9-4-1 等击距电气几何模型 ………………………………………………………… 287 9-4-2 不等击距电气几何模型 ……………………………………………………… 289 §9-5 架空输电线路的防雷措施 ……………………………………………………… 290 §9-6 电缆线路的防雷措施 …………………………………………………………… 292 习题………………………………………………………………………………………… 294 第10章 发电厂、 变电站的防雷保护 ……………………………………………………… 295 §10-1 发电厂、 变电站的直击雷保护 ……………………………………………… 295 §10-2 变电站的侵入波保护 ………………………………………………………… 297 §10-3 变电站的进线段防雷保护 …………………………………………………… 300 10-3-1 进线段防雷保护的作用 ……………………………………………………… 301 10-3-2 变电站进线段防雷保护接线 ………………………………………………… 30210-3-3 变电站的近区雷击 …………………………………………………………… 303 10-3-4 变电站的耐雷指标 …………………………………………………………… 304 §10-4 变压器中性点防雷保护 ……………………………………………………… 305 §10-5 三绕组变压器、 自耦变压器的防雷保护 …………………………………… 306 10-5-1 三绕组变压器的防雷保护 …………………………………………………… 306 10-5-2 自耦变压器防雷保护 ………………………………………………………… 307 §10-6 配电变压器的防雷保护 ……………………………………………………… 308 §10-7 全封闭气体绝缘开关设备变电站的防雷保护 ……………………………… 309 §10-8 旋转电机的防雷保护 ………………………………………………………… 311 10-8-1 旋转电机防雷保护的特点 …………………………………………………… 311 10-8-2 直配发电机防雷……………………………………………………………… 311 10-8-3 非直配发电机的防雷 ………………………………………………………… 313 习题………………………………………………………………………………………… 314 第11章 电力系统暂时过电压 ……………………………………………………………… 315 §11-1 工频过电压 …………………………………………………………………… 315 11-1-1 架空长线路电容效应引起的工频过电压 ……………………………………… 315 11-1-2 不对称接地引起的工频过电压 ……………………………………………… 323 11-1-3 甩负荷引起的工频过电压 …………………………………………………… 325 §11-2 线性谐振过电压 ……………………………………………………………… 326 11-2-1 并联补偿线路不对称切合引起的工频谐振 …………………………………… 328 11-2-2 消弧线圈补偿网络的工频谐振 ……………………………………………… 331 §11-3 非线性谐振过电压 …………………………………………………………… 334 11-3-1 断线引起的谐振过电压 ……………………………………………………… 338 11-3-2 电磁式电压互感器铁芯饱和引起的过电压 …………………………………… 340 11-3-3 传递过电压 ………………………………………………………………… 344 §11-4 参数谐振过电压 ……………………………………………………………… 346 习题………………………………………………………………………………………… 348 第12章 电力系统操作过电压 ……………………………………………………………… 349 §12-1 间歇电弧接地过电压 ………………………………………………………… 349 §12-2 空载变压器分闸过电压 ……………………………………………………… 352 §12-3 空载线路分闸过电压 ………………………………………………………… 354 §12-4 空载线路合闸过电压 ………………………………………………………… 357 §12-5 解列过电压 …………………………………………………………………… 363 §12-6 接地故障及故障清除过电压 ………………………………………………… 363 §12-7 GIS中的快速暂态过电压 (VFTO) ……………………………………… 365 习题………………………………………………………………………………………… 369 第13章 电力系统绝缘配合 ………………………………………………………………… 371 §13-1 绝缘配合的概念和原则 ……………………………………………………… 371§13-2 绝缘配合的方法 ……………………………………………………………… 372 §13-3 线路和变电站架空导线绝缘水平的确定 …………………………………… 374 13-3-1 高压架空输电线路绝缘子串的选择…………………………………………… 374 13-3-2 特高压架空输电线路绝缘子串的选择 ………………………………………… 377 13-3-3 架空导线对杆塔 (构架) 的空气间隙选择 …………………………………… 378 13-3-4 特高压架空导线空气间隙的选择 …………………………………………… 379 §13-4 电气设备绝缘水平的确定 …………………………………………………… 381 习题………………………………………………………………………………………… 385 附录A 测量用球隙的击穿电压……………………………………………………………… 386 附录B 国产交流系统用无间隙金属氧化物避雷器电气参数 ……………………………… 391 参考文献………………………………………………………………………………………… 392