高电压技术
2018-11-21 21:43:00 14 举报仅支持查看
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高电压技术
高电压
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大纲/内容
电介质的电气强度
低压特性
相关概念
电介质
在电气设备中作为绝缘使用的材料
放电
在电场作用下由于电离使流过电介质电流增大的现象
击穿与闪络
纯气隙-击穿
沿面-闪络
击穿（闪络）电压
击穿（闪络）场强
使电介质失去其绝缘性能所需要的最低临界外加电压
使电介质失去其绝缘性能所需要的最低临界外加电场强度
绝缘强度
在均匀电场中，使电介质不失去其绝缘性能所需的最高临界外加电场强度
绝缘水平
电气设备出厂时保证承受的试验电压
极化
定义
束缚电荷、弹性位移、偶极子取向
εr=C/C0=ε/ε0
描述物理量
相对介电常数
分类
气体
一切气体的都接近于1
随温度↑而↓，压力↑而↑，但影响程度很小
中性液体介质
1.8~2.8之间
极性液体介质
2~6之间
随频率变大（先不变）后变小
随温度升高先升后降
强极性液体
>10 酒精、水
极性固体电介质
3~6甚至更大
与温度频率的关系类似极性液体
影响因素
与电介质分子的极性强弱有关
温度、外加电场
电介质受潮或受污后相对介电常数变大，绝缘性能下降
种类
电子式极化
产生场合
任何电介质
所需时间
10-14~10-15s
能量损耗
无
产生原因
束缚电子运行轨道偏移
极化弹性
弹性
离子式极化
产生场合
离子式电介质
所需时间
10-12~10-13s
能量损耗
无（几乎没有）
产生原因
离子的相对偏移
极化弹性
弹性
偶极子极化<br>(转向极化)
产生场合
极性电介质
所需时间
10-10~10-2s
能量损耗
有
产生原因
偶极子的定向排列
极化弹性
非弹性
夹层极化<br>（空间电荷极化）
产生场合
多层介质交界面
所需时间
10-1s~n小时
能量损耗
有
产生原因
自由电荷的移动
极化弹性
非弹性
刚加电场时，电场分布按照电容成反比分配<br><p><p><br></p></p>稳态后，电容充满，按电导反比分配
离子式极化受温度影响较大，随温度升高略有增大
夹层极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来
并联简化等值电路：电导损耗为主
串联简化等值电路：极化损耗为主
讨论极化的意义
电容绝缘材料希望εr大，其他绝缘材料εr小
交流及冲击电压下，串联介质中场强E的分布与εr成反比
介质损耗与极化类型有关
夹层极化在绝缘预防中可用来判断绝缘受潮情况
电导
定义
电介质的电流为传导电流（电导电流或泄露电流）
描述物理量
电阻率或电导率
特性
离子式电导
金属导体中为电子式电导
介质中为离子式电导
温度的影响
导体
温度↑ 电阻↑ 电导↓
介质
温度↑ 电阻↓ 电导↑
场强的影响
气体
场强大于起始场强后电流增加
液体
场强较小时无关，场强高于临界值时呈指数关系上升
固体
场强较小时无关，场强高于临界值时呈指数关系上升
杂质的影响
液体
中性液体介质
杂质影响大
极性液体介质
杂质影响的大小与本身的离解度有关
固体
影响大
吸潮后介质电导增大
表面电导
泄漏电流、绝缘电阻
三支路图
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性参数
通常指吸收电流衰减完毕后的稳态电阻
探讨介质电导的意义
绝缘预防实验一般要测绝缘电阻和泄露电流，以判断是否受潮和其他劣化
串联多层介质在直流电压下稳态分布和电导成反比<br> 在交流冲击电压下分布和εr成反比
设计绝缘结构时要考虑环境条件，吸潮后电导↑
并不是所有情况下都希望绝缘电阻高，有些情况设法减小绝缘电阻值（提高沿面闪络电压）
损耗
概念
电场作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化（漏导和极化共同导致）
基本形式
电导损耗
泄露电流引起，交直流都存在
极化损耗
偶极子极化和夹层极化引起，交流电压下明显
气体电离损耗
气体正常工作情况下损耗非常小，一般忽略，达到电离后不能忽略
描述物理量
介质损耗角正切tanδ
P=Qtanδ=U²wCtanδ
tanδ=P/Q
tanδ与电压、绝缘尺寸无关，仅取决于电介质的损耗特性
同一试品P与tanδ正比，tanδ可直接测量
分类
气体电介质的损耗
极化过程不会引起损耗
未电离时，气体中有可以忽略的电导损耗
电离后，损耗急剧增加
液体电介质的损耗
中性或弱性液体介质
主要因为电导，损耗较小
温度↑ tanδ↑
极性以及极性和中性液体的混合油
电导损耗（较大）
温度↑
tanδ 先↑ 再↓ 再↑
频率↑
tanδ 先↓ 再↑ 再↓
极化损耗
固体电介质的损耗
无机绝缘材料
云母
主要是电导损耗，tanδ小
玻璃、电工陶瓷
既有电导，又有极化损耗，tanδ大
有机绝缘材料
非极性
电导损耗，非常小
极性
显著极化损耗（也有电导损耗），tanδ较大
讨论介质损耗的意义
绝缘结构设计必须考虑材料的tanδ
冲击测量的连接电缆tanδ必须很小，否则波形畸变影响测量精度
绝缘预防实验中，测tanδ可判断受潮劣化以及局放
击穿特性
带电粒子的产生、运动、消失
原子
激励/激发
不产生带电离子
电离/游离
产生带电离子
是放电的首要前提
带电粒子的产生
空间电离<br>
气体
光电离
可见光都不能使气体发生电离
光波长越短，频率越高，能量越大
光电离还会造成碰撞电离
碰撞电离
分析气体放电发展过程时，通常只考虑电子碰撞电离
升温，提高场强均可促进电离
一定范围内，撞击的动能越大，电离概率越大
热电离
实质是由热状态产生的撞击电离和光电离的综合
表面电离<br>
气体中的固体或液体金属表面
正离子撞击阴极表面
光电子发射
用短光波照射阴极
热电子发射
加热阴极
强场发射
金属离子比气体电离更容易发生
负离子的产生
电子与气体分子碰撞后附着于分子形成负离子，阻碍放电作用
空间电离和表面电离使带电离子增多，促进放电
电负性气体
空气
SF6
带电粒子的运动
热运动+定向运动
不规则的折线
自由行程、迁移率、扩散
自由行程
增加自由行程可以增加碰撞电离发生的概率
迁移率
电子的迁移率远大于离子（两个数量级）
扩散
电子的扩散速度远大于离子
气压越低，温度越高，扩散越快
带电粒子的消失
漂移
带电质点受电场力的作用流入电极并中和电量
扩散
气压越小、温度越高，扩散越快
电子扩散比离子扩散快的多
复合
正负离子中和成中性原子，复合会产生辐射
正负离子复合概率比正离子和电子复合概率大得多
强烈的电离区也是强烈的复合区
附着效应
电子与原子碰撞形成负离子
气体放电
放电机理
巴申实验曲线
反映函数关系
当气体成分和电极材料一定时，气体间隙击穿电压Ub是<br>气体密度和极间距离乘积的函数
均匀电场中，只要极间距离和气体相对密度的乘积不变，击穿电压就不变
曲线样子
NIKE
汤逊理论<br>(碰撞+表面)
非自持放电、自持放电
非自持
去掉外界电离因素，放电停止
自持
仅由电场作用而维持的放电
起始放电电压
由非自持转为自持的电压
内容
α过程
电子碰撞电离过程（会形成电子崩）
电子碰撞电离系数α
公式
α表示一个电子由阴极到阳极每1cm路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数
场强E增大，α急剧增大<br>气压P很大或很小，α都比较小
P很大，自由行程短，撞击次数多，但有效性差<br>P很小，自由行程长，有效性高，但撞击次数少
β过程
正离子碰撞电离过程
β表示一个正离子由阳极到阴极每1cm路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数
γ过程
正离子撞击阴极表面的电离过程
γ表示一个正离子撞击阴极表面时使阴极逸出的自由电子数
适用范围
均匀场、低气压、短间隙
局限性：解释现象与实际不符<br> 没有考虑空间电荷，没有考虑光电离
流注理论<br>（碰撞+光）
内容
电子碰撞电离
形成电子崩
光电离形成流注
二次电子崩形成流注
击穿
形成流注必定击穿均匀电场
不均匀电场也能产生流注，但不一定击穿
流注通道形成的标志：发生热电离
适用范围
均匀场、高气压、长间隙
不均匀场
局限性：未考虑阴极表面游离
汤逊与流注比较
因素/理论 汤逊理论 流注理论<br> 碰撞电离 放电主要原因 放电主要原因<br> 光电离 未考虑 放电主要原因 <br> 空间电荷畸变电场 未考虑 考虑 <br> 阴极表面电离 放电的必要条件 未考虑 <br>
气息击穿
影响因素
电场形式
不均匀电场系数f
均匀电场f=1<br>（击穿电压最高）
击穿电压
放电达到自持，气隙即将被击穿，击穿前看不到放电现象
一处被击穿，整个间隙被击穿
不存在极性效应，击穿所需时间极短
直流及工频击穿电压（峰值）及U50%相同
且击穿分散性小
不均匀电场
稍不均匀电场1<f<2
击穿电压（放电与均匀电场类似）
击穿前不发生电晕
极性效应不明显
直流及工频击穿电压（峰值）及U50%近似相同
且击穿分散性小
极不均匀电场f>4<br>（击穿电压最低）
电晕放电
概念
极不均匀电场的自持放电
极不均匀电场气隙击穿的第一阶段
取决于电极外气体空间的电导<br>即取决于外施电压的大小，电极形状，极间距离，气体的性质和密度
起晕电压
曲率半径越小，曲率越大，电场越不均匀，起晕电压越低
好处
可以削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度
缺点
产生声光热效应、产生电磁干扰，促使绝缘老化，产生能量损耗，有明显的极性效应
防止措施
最根本是限制或降低导线表面的电场强度
改进电极形状
增大电极的曲率半径
将电极分裂为多个小电极（采用分裂导线，使等值曲率半径增大）
载流量不大时采用空心薄壳扩大尺寸的球面或旋转椭圆面电极
极性效应
概念
改变电极的正负，击穿电压发生明显改变
极性
极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应
两电极形状不同
极性取决于曲率半径小的
两电极形状相同
极性取决于不接地的
理论基础
流注理论，长间隙，先导放电
结论
负极性的击穿电压高，其他相反
击穿电压
直流、工频及冲击电压间的差别较明显
直流电压下
明显的极性效应
负棒正板>棒棒>正棒负板
工频电压下
棒板击穿发生在棒为正极的半周峰值
棒棒工频击穿电压>棒板
击穿分散性大
极性效应显著
电压类型
持续电压<br>（静态击穿电压）
直流电压
直流电压大多由交流整流而得，波形会有一定脉动
工频交流电压
冲击电压
冲击电压下的气体击穿
冲击电压
变化速度快，作用时间短
气隙击穿的必备条件
足够大的E或足够高的U
存在有效电子
需要一定的时间
放电时间（击穿时间）
击穿时间为从开始加压的瞬间到气隙完全击穿为止的总时间
升压时间<br> +
电压从0上升到静态击穿电压所需要的时间
静态击穿电压
长时间作用在气隙上能使气隙击穿的最低电压
气隙的击穿电压不同于（一般高于）静态击穿电压
气隙的击穿电压为短持续时间电压的击穿电压
放电时延
统计时延<br> +
从U0到出现第一个有效电子
通常取平均值，称为平均统计时延
影响因素
电极材料，逸出功
外施电压
U↑ t↓
短波长照射
加照射比不加照射 t↓
电场情况
电场越不均匀 t↓
放电形成时延
从出现第一个有效电子到完全击穿
影响因素
间隙长度
间隙↑ t↑
电场均匀度
电场越均匀 t↓
外施电压
U↑ t↓
P.S.
短间隙，均匀电场中，放电时延实际上等于统计时延
电场越均匀间隙越短，冲击击穿电压越等于静态击穿电压
长间隙，不均匀场中，放电形成时延占大部分
击穿时间与放电时延都具有统计性
雷电冲击电压
标准波形
标准雷电冲击电压波
非周期双指数衰减波
时间参数
波前时间
T1=1.2μs±30%
半峰值时间
T2=50μs±20%
标准雷电截波
时间参数
波前时间
T1=1.2μs±30%
截断时间
T2=2-5μs
v-t特性
定义
同一波形，不同幅值的冲击电压下，气隙电压最大值和击穿时间的关系曲线
完整描述冲击电压下的击穿
图像
vt特性具有分散性，实际图像为两条包络线为界的带状区域
作用
绝缘配合
保护设备的vt特性应在被保护的下方且没有交叉
雷电冲击电压U50%
定义
击穿百分比（概率）为50%的电压
为冲击电压下的击穿电压（冲击电压下既要考虑电压，又要考虑时间）
冲击系数β=U50%/Us
均匀电场、稍不均匀电场
β≈1
极不均匀电场
β＞1
放电时间
操作冲击电压
推荐波形
非周期双指数衰减波
时间参数
波前时间
Tp=250μs±20%
半峰值时间
T2=2500μs±60%
操作冲击电压U50%
均匀电场、稍不均匀电场
β≈1
与雷电冲击U50%，直流击穿及工频击穿电压（峰值）相同；分散性小
极不均匀电场
β＞1
极性效应、饱和现象、波形影响、分散性大
气隙的操作冲击电压<<雷电冲击击穿电压，在某些波前时间范围内<<工频击穿电压
气体状态
空气密度
自由行程变短，撞击次数增多，但有效撞击少
空气密度↑ 击穿电压↑
空气湿度
水蒸气电负性气体，阻碍电离
空气湿度↑ 击穿电压↑
海拔高度的影响
海拔高度增加，空气的电气强度降低，击穿电压下降
气体种类
空气
SF6
物理化学特性
无色无味
具有较高的介电强度（空气的3倍）
优良的灭弧性能（空气的100倍）
良好的冷却特性
不可燃
化学性能稳定
但是分解物有毒
绝缘特性
均匀和稍不均匀电场
击穿过程
α过程+电子附着过程η
击穿电压
Ub=88.5Pd+0.38(kV)
稍不均匀电场下，负极性的击穿电压反而比正极性的低10%
极不均匀电场
电场不均匀程度对击穿电压的影响>空气的影响
工频击穿电压“驼峰”区的雷电冲击电压低于静态击穿电压
SF6混合气体
SF6与其他气体（N2、CO2等）按照一定容积比混合，性能下降很小，但液化温度下降显著
气体绝缘电气设备
气隙长度
提高方法
改善电场分布
改善电极形状
增大曲率半径、减小曲率
利用空间电荷畸变电场
“细线效应”，雷电冲击电压下没有“细线效应”
利用屏障
均匀及稍不均匀电场
设置屏障不能提高击穿电压
极不均匀电场
在极不均匀电场空气隙中放入薄片固体绝缘材料
削弱气体电离过程
均匀气隙
高气压的采用
减小电子的平均自由行程
在高气压下，气隙的击穿电压与电极表面的光洁度的关系比常压下更显著
高真空的采用
削弱间隙中碰撞电离的过程
高强度的采用
高电气强度气体--SF6
SF6只适用于均匀和稍不均匀电场
对高电气强度气体的要求
液化温度要低
良好的化学稳定性
对环境无明显的负面影响（所以不采用氟利昂）
经济上合理
沿面放电
沿面滑闪
滑闪是绝缘表面气体热电离引起的，沿着绝缘表面的不稳定的树枝状放电，它并没有贯穿两极。
如果滑闪贯穿两极就称为闪络。
沿面闪络
定义、特点
介质表面发展的气体放电现象，沿面放电发展到贯穿两极即为闪络
沿面闪络电压比气体或固体单独存在时击穿电压都低
影响因素
电场形式
均匀电场
均匀电场加入固体介质后，沿面闪络电压比纯空气间隙的击穿电压降低很多<br>畸变了电场，使电场不均匀，尤其是表面电场
不均匀电场
强垂直分量（套管）
放电过程
加电压→电晕放电→细线状辉光放电→滑闪放电→闪络
滑闪放电
极不均匀电场且有强垂直分量特有的
滑闪放电属于先导放电
热电离导致滑闪放电
滑闪条件
交变电场、电场极不均匀、强垂直分量、热电离
弱垂直分量（支柱绝缘子）
不会出现热电离和滑闪放电
闪络场强
均匀电场>极不均匀电场弱垂直分量＞极不均匀电场强垂直分量
湿度大，闪络电压升高（前提是没产生水珠，有水珠的就容易湿闪或污闪）
固体介质表面状况
干净且干燥--干闪<br> ＞
干净但湿润--湿闪<br> ＞
污秽且湿润--污闪
发展过程
积污→受潮→干区形成→局部电弧的出现和发展→闪络
根本原因
积污
气象条件
工作电压条件下
毛毛雨、雾、露、霜、雪
暴雨不会造成污闪
污闪最不利条件毛毛雨
特点
次数没有雷击闪络次数多，但是后果非常严重
等值盐密
每平方厘米、等效NaCl、毫克数
对策
调整爬距（增大泄露距离）
爬电比距：绝缘的爬电距离与该绝缘最高工作电压的线电压(有效值)之比
定期或不定期清扫
RTV涂料（憎水性材料）
半导体釉绝缘子
新型合成绝缘子<br>（硫化硅橡胶）
优点
重量轻
抗弯、抗拉、耐冲击负荷、机械强度好
电气绝缘性好，特别是在严重污染和大气潮湿下
耐电弧性能好
缺点
耐老化能力差
风偏问题严重
提高方法（套管为例）
加大法兰处瓷套的外直径和壁厚，减小电容电流
在法兰处电场较强的瓷套外表面上涂半导体漆或半导体釉，减小电阻→减小此处电压→防止到达闪络电压
额定电压>35kV的高压套管，还必须电容式套管和绝缘性套管
液体击穿
击穿机理
纯净液体
电击穿
气泡击穿
纯净液体介质的击穿过程基本上与气体介质的击穿过程类似
工程液体
“小桥”理论
小桥理论是液体电介质的热击穿理论
影响因素
油品质
冲击电压下油品质无明显影响
气体、水分溶于介质，均匀电场下易形成小桥使击穿电压下降
温度
油温↑ 工频击穿电压↓
压强
工频击穿电压
压强↑ 工频击穿电压↑
脱气后，无影响
冲击电压
均不影响冲击击穿电压
电压作用时间
加电压时间↑ 击穿电压↓
电场均匀度
高品质油
改善电场均匀度能使工频或直流电压下的击穿电压明显提高
差品质油
均匀度不明显
提高方法
提高油品质
压力过滤法、真空喷雾法、吸附剂法
断“小桥”
覆盖
不改变电场分布，但使杂质小桥不与电极接触
绝缘层
均匀电场分布且使杂质小桥不与电极接触
极间障
均匀电场分布
固体击穿
击穿机理
电击穿
特点
作用时间短，击穿电压高，介质温度不高
击穿场强与电场均匀程度密切相关，与周围环境温度无关
热击穿
需要一定时间
电化学击穿
时间更长
固体介质在长期工作电压的作用下，绝缘劣化，电气强度下降引起击穿
影响因素
电压作用时间
短时间
电击穿
长时间
热击穿
电压作用时间越短，击穿电压越高
温度
电击穿
与温度无关
热击穿
击穿电压随温度升高（呈指数）下降
电场均匀程度和介质厚度
均匀电场
电击穿
击穿场强与厚度无关
热击穿
随厚度增加下降
不均匀电场
击穿场强随厚度增加下降
电压种类
冲击击穿电压>工频击穿电压
固体介质直流击穿电压>工频击穿电压
电压频率
热击穿
频率增加（总有功升高从而温度升高），击穿电压下降
击穿电压与频率的开根号成反比
累积效应
介质的击穿电压随承受过的不完全击穿次数的增加而降低
受潮
吸水性固体随含水量增加击穿电压迅速下降
机械负荷
提高方法
改进绝缘设计
合理的绝缘结构，使绝缘的耐电强度与场强有一定配合
改善电极形状及表面光洁度，尽可能使电场分布均匀
改善电极与绝缘体的接触状态，消除接触处气隙或使其不承受电压差
改进制造工艺
尽可能清楚固体电介质中的残留杂质，使固体介质尽可能均匀致密
改善运行条件
防潮防尘防有害气体，散热冷却
老化特性
定义
不可逆的物理、化学变化
从而导致电气机械性能劣化
电老化（主导地位）
电离式老化
电导性老化
电解性老化
热老化
十度规则
该类设备工作温度提高10℃（8℃、6℃），绝缘寿命缩短为原来的一半
工作电压是绝缘寿命的主要影响因素
环境老化
机械老化
绝缘预防性实验
绝缘缺陷分类
集中性缺陷（局部）
分布性缺陷（整体）
绝缘实验分类
特性实验（非破坏性实验）
特点
低压、间接判断、无破坏性、能全面检查绝缘的性质和程度
分类
绝缘电阻、吸收比
绝缘电阻定义
绝缘电阻是反应绝缘性能的最基本指标之一
通常用绝缘电阻表（兆欧表）测量
电介质在加压无穷长时间测得的电阻称为绝缘电阻
实际中用R60代替（加压60s）
吸收比
通常用吸收比K1来反映绝缘情况，K1=R60/R15
绝缘良好
K1≥1.3
试品受潮<br>（或有集中性导电通道）
K1＜1.3
K接近1时表示绝缘严重受潮
大型电机通常用极化指数P（K2）来反映，K2=R10min/R1min
绝缘良好
P≥1.5
试品受潮<br>（或有集中性导电通道）
P＜1.5
直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间变化的曲线，称为吸收曲线
测量方法
测量仪器
通常用绝缘电阻表（兆欧表）测量
利用流比计原理构成
突出特点为不受电压波动影响
输出电压为（脉动的）直流电压
低压设备（1000V以下）
500V
1000V
高压设备（1000V以上）
2500V
5000V
接线图
线路端子L
接被试品的高压侧导体
接地端子E
接被试品的外壳或地
屏蔽端子G
接被试品的屏蔽环或屏蔽电极
判别方法
同《实验规程》比较
横向比较（同其它设备和其他相比较）
纵向比较（同历史数据比较）
注意事项
测量时记录温度进行换算
实验前后对被试品充分放电
消除被试品表面泄露的影响
测量结束后，保持兆欧表电源电压，先断开L端子，再停止加电压
安装验收中，为了检查母线、引线或输电线路导线接头的质量，不应选用测量绝缘电阻的方法
功效与缺陷
有效性<br>（分布缺陷、完全贯穿）
总体绝缘欠佳
绝缘受潮
两极间有贯穿性的导电通道
绝缘表面情况不良
无效性
绝缘中的局部缺陷
绝缘老化
泄漏电流
特点
测量泄露电流本质上也是测量绝缘电阻
所加电压较高（10kV及以上），测量表用直流微安表
直流电源输出电压一般为负极性，脉动因数（纹波因数）不小于3%
实验中对被试品加压1min
所加直流电压较高，能揭示绝缘电阻表不能发现的某些绝缘缺陷
测量方法
表头接地
微安表接在被试品低压侧和大地之间
安全、精确
条件是被试品必须离开地面
常用在实验室、小容量试品
被试品接地
一般用在现场
注意事项
对直流电源的要求
输入电压较高能与被试品配合
供给1mA左右电流时要求电压稳定
在被试品击穿时要求电源能自我保护
tanδ
定义
tanδ与电压、绝缘尺寸无关，仅取决于电介质的损耗特性
绝缘性能的基本指标之一
测量方法
西林电桥（交流电桥）
通过调节可调无感电阻和可调电容，使任意被试品下平衡条件满足
平衡条件是检流计没有电流
tanδ=wC4R4=1/wCxRx
接线方式
正接线
被试品和标准无损电容在高压侧
被试品两端对地绝缘、操作安全、电气设备无需接地时使用
实验室、小容量试品
反接线
电桥本体在高压侧
被试品一端接地、操作危险、电气设备一端必须接地时使用
现场
测量影响因素
外界电磁场的干扰
温度的影响（温度↑ tanδ↑( ↓ ↑)）
试验电压的影响
试品良好时
tanδ与U无关
试品有损时
tanδ ↑
实验电容量的影响
试品电容量较大时，可以采用解体测量
试品表面泄露的影响
表面脏污受潮等效为并联在原回路的等值电阻与电容
试品电容越小影响越大
受潮后tanδ ↑
测量绕组时，必须将每个绕组（被测与不被测）首尾短接，防止测试电流流经绕组产生励磁功耗造成误差
消除干扰的方法
电桥本体用金属网屏蔽，引线用屏蔽电缆
尽量远离干扰源
采用移相电源
采用倒相法
测量功效
有效性<br>（分布性缺陷，包括老化）
受潮
穿透性绝缘通道
绝缘内含气泡的电离，绝缘分层、脱壳
绝缘油脏污、劣化
绝缘的整体性缺陷（全面老化），小容量试品中的严重局部缺陷
无效性
非穿透性的局部损坏（损坏程度尚不足以使测时造成击穿）
很小部分绝缘的老化劣化
个别的绝缘弱点
个别的绝缘弱点
局部放电
定义
固体液体介质中、杂质或毛刺引起电场的严重畸变，强场作用下<br>畸变部位场强超过电离场强，使得产生电离放电
局部放电是电介质老化的重要原因之一
参数
重要参数
视在放电量
放电重复率
放电能量
其他参数
平均放电电流、放电功率、局部放电起始电压和熄灭电压
测量方法
非电检测法（辅助测量，有效性低）
噪声
光
化学分析
电气检测法
介质损耗法
脉冲电流法
直接法
原理：将试品两端电压突变转化为检测回路的脉冲电流
并联法优点
允许被试品一端接地
对Cx（耦合电容）较大的试品可避免较大的工频电容电流流过Zm
被试品被击穿时不会危及人身和测试系统
平衡法
原理：测量电压差（PPT39）
要求：试品与耦合电容同一数量级且介损相近，抵消外部干扰信号
特点：抗干扰能力强，注意耦合电容发生局放
实用情况：满足要求且无局放的耦合电容很少，目前应用很少
功效
集中性缺陷
绝缘内部是否存在气泡、空隙、杂质
判断绝缘是否存在局部缺陷、介质老化速度及状态
绝缘油色谱分析
为局部放电的化学分析法
原理
电器中存在局部过热、局部放电或内部故障时，绝缘油或固体绝缘材料会发生裂解，<br>出现大量各类烃类气体和H2\CO\CO2等气体
不同绝缘物质，不同故障分解产生气体不同
故障特征气体
H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2（温度越高越容易产生炔）
CO和CO2（涉及固体绝缘）
步骤
看特征气体的组分和主次
看特征气体的含量
看特征气体的
绝对产气速率
总烃、乙炔、氢气、CO和CO2
相对产气速率
总烃或特征气体
诊断方法
特征气体法
方法
一般过热性故障
总烃较高，C2H5<5μL/L
严重过热性故障
总烃较高，C2H5>5μL/L但未构成主要成分，H2含量较高
局部放电
总烃不高，H2>100μL/L，CH4占主要成分
火花放电
总烃不高，C2H2>10μL/L，H2较高
电弧放电
总烃高，C2H2高并构成总烃的主要成分,H2含量高
优劣
有较强针对性，直观方便
没有量化
比值法
C2H2/C2H4 CH4/H2 C2H4/C2H6
电压分布测量
工作电压介质结构表面电压分布
表面清洁
分布取决于绝缘本身电容和散落电容
表面受染污受潮
分布取决于表面电导
解决电压分布不均匀的方法
在绝缘子串与导线连接处设均压金具
一般只对>220kV的超高压线路绝缘子加装
功效
绝缘电阻<br>（分布缺陷或贯穿性）
有效性
整体受潮、或有贯通性的受潮部分、或局部严重受潮
贯通性的集中缺陷
绝缘表面情况不良
无效性
局部缺陷（非贯穿性的）
绝缘老化
吸收比<br>（分布缺陷或贯穿性）
有效性
受潮、贯穿性的集中性缺陷
无效性
局部缺陷（非贯穿性）
绝缘老化
泄漏电流
有效性
同绝缘电阻，但更灵敏，能发现一些未贯通的集中性缺陷
无效性
同绝缘电阻
tanδ<br>（分布性缺陷包括老化）
有效性
整体受潮、老化
小容量试品的严重局部缺陷
绝缘内气泡的游离、绝缘分层、脱壳
无效性
大体积试品的集中性缺陷
局部放电<br>（集中性缺陷、老化）
有效性
绝缘内部是否存在气泡、空隙、杂质
绝缘是否存在局部缺陷、介质老化速度及状态
绝缘油色谱
有效性
液体绝缘的电气设备局部过热、局部放电
耐压实验（破坏性实验）
特点
高压、最有效、有破坏性、决定性和不可替代性
分类
交流耐压
工频耐压实验是鉴定电气设备绝缘强度最有效最直接的方法
高压获得
高压实验变的选择
U≤500-750kV
单台实验变
U≥1000kV
串级连接，最常用的串级连接方式为自耦式连接
大容量设备也可采用串联谐振回路
小变压等级的变压器做高电压等级实验时
试验变容量确定
S=wCU²
I=wCU
实验应避免过电压
稳态过电压
容升效应
容性负荷电流经变压器漏抗产生压升，<br>使变压器输出电压比按空载变比所预期值更高
暂态过电压
调压器非零合闸
电压非零分闸
被试品突然击穿
高压实验变串级
串级结构利用率η=2/n+1
级数越多利用率越低，我国最多允许串3台
高压实验变的特点
一般为单相
具有很好的绝缘，但绝缘裕度不需要太大
容量小体积小外观有特点
通常为间歇工作，所以不需要复杂的冷却系统
变比高，高压绕组电压高、需要较大的绝缘间距，故漏抗大→短路电流小
要求自身的局部放电电压足够高，减小局部放电实验的干扰
实验变输出波形尽可能是正负半波对称的正弦波形
试验变的绝缘
单套管实验变
主绝缘承受全部输出电压
双套管（半绝缘）实验变
主绝缘承受1/2输出电压
常用的调压装置
自耦调压器
普遍适用于实验变功率不大的场合（单相≤10kVA）
优点
体积小、质量轻、短路阻抗小、功耗小<br>漏抗小、波形畸变小
缺点
容量小（滑动触头容易发热）
感应调压器
原理
调整转子角位置，改变定子或转子的感应电动势
优点
短路阻抗小、波形畸变率小
移圈调压器
广泛应用波形要求不严格，额定电压≥1000kV的变压器
原理
根据电磁感应原理调整输出电压，没有滑动触头
优点
容量大
缺点
漏抗大、会变化、体积大<br>输出电压波形会畸变，常在移圈调压器的输出端加并联L-C滤波器来改善波形
电动发电机组
只适用对实验要求较高的大型制造厂和试验基地应用
原理
电动机带动发电机输出电压，调节发电机励磁电流调压
优点
不受电网电压波动的影响
实验放电时对电网冲击小
能得到很好的正弦波波形和均匀的电压调节
原动机采用直流电机时，还可以调节电压频率
缺点
投资大，运行维护复杂，
容性负荷较大时，发电机输出端加装并联补偿电抗器
接线
电源-调压器-实验变-限流电阻-试品
测量方法
工频高压的测量，不确定度控制在3%范围内
低压侧测量
高压侧测量
球隙
直接测量超高压的唯一方法、测量最大值
标准测量系统（间隙距离≤球隙半径）
测量球隙为典型的稍不均匀电场间隙
主要作为标准测量装置对其他测压系统的刻度因数进行校订标定
静电电压表
测量有效值
静电电压表指示的是电压的方均根值，通用表最高量程为200kV
刻度不均匀分辨率差，有风和明显游离作用情况下不可用
抗干扰能力好，适测电压频率范围广，吸收功率小，可直接测高压，实验不中断
电容分压器配用低压仪表
记录波形的唯一方法
多用电容型分压器
电阻分压器
阻容分压器
高压电容器配用整流装置
测峰值
整流后测量
电压互感器
实施方法
电压从零开始加，缓慢上升，合闸前调压器在零
慢加快回
电压到达额定值后要求持续一分钟
为了使试品可能存在的绝缘弱点暴露出来（如热击穿）
不致时间过长而引起不应有的绝缘损伤或击穿
累积效应
介质的击穿电压随承受过的不完全击穿次数的增加而降低
交流耐压试验会对某些设备绝缘形成破坏性的积累，但纯瓷的套管和绝缘子几乎没有积累效应
直流耐压
直流设备与试品电容较大的交流设备，用直流高压代替工频高压
高压获得
一般：实验变+整流装置<br>如需获取更高的电压，需采用串级直流高压装置
串级直流高压纹波系数随级数增加迅速增大压降迅速增大<br>
对于容性负荷（一般高压试验大多为容性负荷），<br>输出电压的最大允许峰值仅为整流元件额定电压的一半
假设交流电源峰值为Um，串级整流电路中且级数为n硅堆承受最大反峰电压为2nUm
电压脉动系数（波纹系数）
直流电压由交流整流获得，其波形必然有一定的脉动
直流试验电压的脉动是指相对于电压算术平均值的周期性波动
脉动幅值是最大值与最小值之差的一半
S=σU/Uav=（Umax-Umin）/（Umax+Umin）
根据IEC和国标要求，直流电压脉动系数不大于3%
直流高压特点
电流为微安级泄露电流，实验设备体积小，重量轻
实验同时可测量泄露电流
对绝缘损伤比交流弱
比交流耐压更能发现电机端部的绝缘缺陷
加压时间长，一般采用5-10分钟，有时15分钟（与交流耐压实验的根本不同）
对交流设备的绝缘考验不如交流耐压接近实际
试验后对试品和滤波电容需充分放电
接线
直流高压发生器输出的直流电压一般为负极性
测量方法
对于具有纹波的直流实验电压，一般要求测量其算术平均值。不确定度±3%
低压侧测量
高压侧测量
棒隙或球隙
标准测量装置--棒隙（测峰值）
测量结果准确度更高，分散性更小，测量装置结构更简单
静电电压表
测有效值
电压波纹系数不超过20%时，可用来测直流电压的算术平均值
刻度不均匀，分辨率差
电阻（阻容并联）分压器+低压仪表
磁电式仪表
电压平均值
静电式仪表
电压有效值
峰值式仪表
电压峰值
示波器
脉动分量的波形和幅值
高值电阻+直流微安表
实施方法
绝大多数组合绝缘，在直流电压下的电气强度远高于交流电压<br>所以交流电气设备的直流耐压实验必须提高试验电压，才能具有等效性
加压时间也要延长到10~15min
冲击耐压
冲击高电压实验用来检验高压电气设备在雷电过电压和操作过电压下的绝缘性能和保护性能
UN＞220kV的设备必须做冲击高电压实验<br>UN≤220kV的设备冲击高电压实验可用工频耐压代替
标准冲击波的获得
冲击电压发生器
条件<br>（为了形成快速上升的波前<br> 和缓慢下降的波尾）
波尾电阻Rt>>波前电阻Rf
主电容C0>>波前电容C1
被试品电压最大400kV
多级冲击发生器
原理
并联充电，串联 放电
高效率冲击电压发生器
优点
适当整定各间隙的击穿电压，电路工作可靠，效率高
缺点
同步性差
同样级数时，双边高效回路同步性能最差<br> 基本回路同步性能最好
级数越多所需电容器越多
测量方法
测量冲击全波峰值的总不确定度为±3%
测量冲击波形时间参数的总不确定度为±10%
常用测量系统
球隙
峰值
分压器配低压仪器
波形
电阻分压器 <br>电容分压器 + 示波器 <br>阻容串联分压器 采集系统 <br>阻容并联分压器
峰值
分压器 + 冲击峰值电压表
改变发生器参数还可以测量操作过电压
实施方法
内绝缘
三次冲击法
对被试品施加三次正极性和三次负极性雷电冲击实验电压
外绝缘
15次冲击法
对被试品施加正极性和负极性冲击全波实验电压各15次
相邻两次冲击时间不小于1min
击穿和闪络次数不超过2次，外绝缘试验合格
变压器油击穿试验时，第一次击穿要有足够的时间再进行下次试验<br>因为试验后变压器油中残生的残炭需要足够的自净时间
变压器冲击耐压实验一般用负极性波形
P.S.
两类实验均属于高电压绝缘实验
两类实验均不可少，各有特点，不能相互替代， 只能相互补充
先做非破坏性实验，再做破坏性实验
过电压与绝缘配合
分布参数的波过程
输电线路的波过程
波过程
分布参数电路的暂态过程中产生的电压电流波以及相应的电磁波的传播过程
输电线路上的波过程实质是能量沿着导线传播的过程，即在导线周围建立电场和磁场的过程
产生原因：分布电感和电容的存在，使得电压和电流不仅与时间有关，还与距离有关
均匀无损单导线
均匀无损耗等值电路
忽略线路的电阻和对地电导，只考虑线路的电感对地电容并假设线路参数为常数的电路
波速度
波速度仅由导线周围的介质决定，与导线几何尺寸无关
架空线路urεr=1，v=3×10⁸ m/s=300m/μs
电缆线路ur=1，εr=3~5，电缆中的波速通常取架空线路的1/2，v=150m/μs
波阻抗
波阻抗取决于单位长度线路的电感和对地电容，与线路长度无关
架空线一般300~500Ω
架空单导线500Ω（计及电晕时400Ω）
分裂导线300Ω
电缆线路30~80Ω
波阻抗为纯阻性<br>
波阻抗Z和电阻R的异同
同
Z和R都与电源频率和波形无关
感抗容抗与频率有关
对电源而言，波阻抗为Z的线路从电源吸收的功率与一阻值R=Z的电阻从电源吸收的功率相同
异
波阻抗没有长度概念，线路电阻和长度成正比
波阻抗吸收的功率和能量以电磁能储存在导线周围媒质<br>电阻从电源吸收的功率和能量转化为热能消耗
波阻抗不消耗能量<br>电阻消耗能量
电阻等于电压与电流之比，<br>波阻抗等于前行电压波与前行电流波之比，也等于反行电压波与反行电流波之比，但是不等于总电压与总电流之比
波的基本方程
方程
u=u'+u"，i=i'+i"
电压波的极性只取决于导线对地电容上电荷的极性，与电荷运动方向无关
i'=u'/Z，i"=-u"/Z
电流波的极性不但取决与电荷的极性还和电荷运动方向有关
波包含前行波和反行波
前行电压波和前行电流波是同极性的
反行电压波和反行电流波极性总是相反
Z和R的本质区别
波阻抗表示具有同一方向电压波和电流波大小的比值
导线既有前行波又有反行波时
均匀性被破坏
行波的单一折反射
行波的折射与反射
电压
电流
α=1+β
范围
Z2>Z1时
Z2<Z1时
特殊情况
线路末端开路
电流反射波所到之处，线路电流为0
<br>电压反射波所到之处，线路电压加倍
线路末端短路
电压反射波所到之处，线路电压为0
<br>电流反射波所到之处，线路电流加倍
线路末端接负载电阻R=Z1
线路末端既没有电压反射波也没有电流反射波
<br>线路上的电压电流波形保持不变
彼德逊法则
基本内容
电压源的电压取来波电压的2倍，电压源的阻抗 取入射线路的波阻抗
其他分布参数电路用大小等于其波阻抗的电阻表示
集中参数元件保持不变
使用条件
要求波沿分布参数的线路入射
只适用于和结点相连的线路为无穷长的情况<br>（线路2 上没有反行波或2中的反行波尚未到达节点A）
应用
无穷长直角波穿过电感和旁过电容
最大陡度发生在t=0时刻，二者都有削波作用，使入侵波波头变平缓
串联电感折射波的最大陡度取决于Z2,L,U1'<br>并联电容折射波的最大陡度取决于Z1,C,U1'
无限长直角波，串电感和并电容对电压最终稳态值无影响。
从折射波角度来看，两者作用相同，从反射波来看，两者作用相反
从过电压角度看，并联电容更有利（二者都能限制入侵波陡度，但增加电感会增大入射侧过电压）
行波的多次折反射
分析基本观点
单一折反射规律均适用
使用叠加原理
分析方法--网格图
结论
在无限长直角波作用下，经多次反射，最终到达稳态值和中间线路的存在与否无关。
反射次数n趋于无穷大后，中间线路Z0已不起作用，即Z0对Z2上前行波的最终幅值无影响
Z0的存在对UB的波形有影响<br>（取决于Z0与Z1、Z2的相对值）
当Z1>Z0、Z2>Z0<br>或Z1<Z0、Z2<Z0时
β1β2>0
波形呈阶梯状
当Z1>Z0>Z2<br>或Z1<Z0<Z2时
β1β2<0
波形呈震荡的锯齿状
波在多导线系统中的传播
思路
静电场的点电荷系统
分析方法
麦克斯韦尔方程
波在有损导线中的传播
引起能量损耗的因素
导线电阻
大地电阻
绝缘的泄漏电导与介质损耗（主导作用）
极高频或陡波下的辐射损耗
冲击电晕
影响（三小二大）
导线波阻抗减小
波速度减小
引起波的衰减与变形
使波（头）被拉长
耦合系数增大
损耗使行波发生变化
波幅降低
波前陡度减少
波长增大
波形变得较圆滑
电压波与电流波形不再相同
线路电阻和绝缘电导的影响
波沿架空线呈指数衰减规律
线路长度 ↑ 衰减 ↑
电阻值占总阻抗的比值 ↑ 衰减 ↑
波在沿架空线传播过程中发生衰减和变形的决定因素是电晕
电晕相当于增大导线半径，增大对地电容
不发生电晕时，波在沿架空线传播过程中发生衰减和变形的决定因素是线路电阻
超高压系统的电晕是有功损耗
绕组的波过程
波在绕组中的传递
单相绕组
初始电位分布
绕组合闸于直流电压的初瞬（t=0），绕组各点对地分布规律
t=0时，变压器绕组可等值于由对地电容和纵向电容组成的电容链
绕组初始电位因为对地电容所以分布很不均匀，不均匀程度和α有关
α越大，分布越不均匀
绕组首段的电位梯度最大
常用变压器α>5
过渡过程
由于L、C作用，过渡过程必将具有震荡性质
忽略损耗情况下：Umax=U∞+（U∞-U0）
震荡过程最大电位分布
中性点接地（末端接地）
靠近首端(1/3)处，Umax=1.4U0
中性点不接地（末端开路）
绕组末端(中性点)处，Umax=1.9U0（2U0）
实际由于绕组内部损耗，最大值低于上述值
最大电位梯度分布：不论绕组末端是接地或是开路，t=0时<br> 绕组纵向最大电位梯度将出现在绕组首段，其值为U0α
稳态电位分布
电压按绕组的电阻分布
绕组末端接地时
Ux|t→∞=U0(1-x/l)
绕组末端开路时
Ux|t→∞=U0
改善绕组电位分布的方法<br>（变压器对过电压的内部保护）
根本措施
减弱振荡，使初始电位分布和最终电位分布一致
使绕组的绝缘结构和过电压的分布状况相适应
常用方法
补偿对地电容电流（横向补偿）
在绕组首端装设电容环和电容匝
电容屏电容环电容匝都不闭合，防止短路电流
增大纵向电容（纵向补偿）
采用纠结式绕组αl=1.5左右
三相绕组
波过程分析原则
单相规律适用于三相
ZL<<ZT，认为波从变压器到线路，节点处认为短路
适用于叠加原理
不同接法的最大电位
Y0
无论几相进波，均与末端接地的单相绕组的波过程没有区别
Y
△
一相进波
视为末端接地的单相
两相或三相进波
最大值2U0
稳态值U0
波在绕组间的传递
静电感应（电容传递）
电磁感应（磁传递）
过电压
电力系统中出现的对绝缘有危险的<br>电压升高和电位差升高
雷电过电压（外部过电压）
雷电放电
雷电放电过程<br>（超长气隙不均匀电场气体放电）
先导放电
主放电
余光放电
自然界雷电放电主要是
下行
线状
负性雷
绝大多数、衰减慢、危害大
也有正极性雷
雷电参数
雷暴日Td、雷暴小时Th
一个雷暴日大致折合3个雷暴小时
少雷区Td≤15
多雷区Td＞40
强雷区Td＞90
标准雷暴日取40
地面落雷密度γ
每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷击次数
对Td=40地区γ=0.07
雷电通道波阻抗Z0
雷电通道相当于分布参数电路
规程建议取Z0=300Ω，相当于分裂导线
雷电极性
自然界绝大多数负极性
计算中一般按负极性考虑
雷电流
雷电流计算波形
双指数波
实际波形
斜角波
一般线路设计采用
半余弦波
大跨越、特殊高塔线路防雷设计采用
雷电流幅值
雷电流定义为雷击于接地阻抗为零的物体时流经接地体的电流（一般接地体的阻抗≤30Ω）
雷电通道电流为雷电流的1/2
雷电流波前时间、波长、陡度
波前时间T1=1-4μs，平均2.6μs
半峰值时间T2=20-100μs，平均40μs
陡度 α=2.6 kA/μs，实测最大极限可取50
雷电过电压
直击雷
雷击接地良好物体
i=Z0/(Z0+Ri)×2i0=1.905i0≈2i0
雷电通道电流为雷电流的1/2
工程定义雷电流与理论最大值差距可达10%
雷击导线或避雷线、杆塔
雷击点电压UA=120I
感应雷
雷击线路附近大地或杆塔塔顶，由于电磁感应引起的导线过电压
感应雷的极性与雷电流极性相反
感应雷过电压一般会使35kV及以下电压等级的线路闪络<br>对于110kV及以上的线路，由于绝缘水平较高一般不会引起闪络
感应雷过电压与悬挂高度hc成正比
感应雷过电压与雷电流幅值成正比
与雷击点距离成反比
防雷保护装置
绕击
雷电绕开避雷装置而击中被保护物体
山区绕击率为平原的3倍
避雷针、避雷线
作用
直击雷保护、防直击雷
结构
接闪器、引下线、接地体
保护范围
保护范围对应0.1%的绕击率
保护角
避雷线和边相导线的连线与经过避雷线的铅垂线之间的夹角
保护角越小，雷击概率越小
避雷器
作用
限制雷电侵入波过电压
要求
正常工作隔离导线与地之间（放电电压略高于系统最大工作电压）
动作时限制雷电侵入波（良好的伏秒特性）
动作后可靠地切断工频续流（良好的绝缘自恢复能力）
动作后不产生截波
类型
保护间隙
优点
结构简单、造价低
缺点
产生工频续流、动作后会产生截波
适用范围
不重要和单相接地不会导致严重后果的场合
管型避雷器
优点
一种具有较高熄弧能力的保护间隙
缺点
伏秒特性分散性大，不能与设备很好的配合、会产生截波、易炸管
适用范围
输电线路比较薄弱的地方和发电厂、变电所进线段
阀型避雷器
结构
短间隙串
非线性电阻（阀片）
材料为SiC
作用
间隙
隔离、限制雷电侵入波、在阀片配合作用下切断工频续流
阀片
提供残压，防止截波、限制工频续流，配合间隙灭弧
分类
普通型
磁吹型
FCD
电气参数
额定电压
指避雷器能在工频续流第一次过零值时可靠熄灭电弧的条件下<br>允许加在避雷器上的最大工频电压
额定电压不应低于避雷器安装点可能出现的最大暂时过电压
冲击放电电压
分为冲击放电电压和操作放电电压
因间隙放电的分散性，放电电压具有上下限值
对额定电压220kV及以下的避雷器，指的是在标准雷电冲击波下的放电电压（幅值）的上限
对330kV及以上超高压避雷器，除了雷电冲击放电电压外，还包括标准操作冲击波下放电电压（幅值）的上限
工频放电电压
是指在工频电压作用下避雷器发生放电的电压值
工频放电电压的下限值应高于避雷器安装点可能出现的内部过电压值
残压
指波形为8/20μs的一定幅值的冲击电流通过避雷器时在阀片电阻上产生的电压峰值
标准对通过避雷器冲击电流幅值规定为220kV及以下取5kA，330kV及以上取10、20kA
技术指标
保护水平
指避雷器上可能出现的最大冲击电压的峰值
规定以残压、标准雷电冲击放电电压、陡波放电电压除以1.15后所得电压值<br>三者最大值为保护水平
保护水平应低于绝缘水平且需要有一定安全裕度
冲击系数
指避雷器冲击放电电压与工频放电电压幅值之比，一般希望接近于1
切断比
指避雷器工频放电电压（下限）与额定电压之比
体现间隙熄弧能力的技术指标，越接近于1，说明熄弧能力越强
保护比
指避雷器残压与额定电压幅值之比
保护比越小，说明残压越低或灭弧能力越强，保护性能越好
金属氧化物避雷器（MOA）
结构
无间隙
优点
结构简化，体积小，造价低
保护性能优越
无续流（所以不用考虑切断），动作负载轻。能重复动作实施保护
通流容量大，能制成重载避雷器
无间隙所以耐污性能好
易作成直流系统避雷器（交流灭弧比直流容易）
为了避免ZnO避雷器老化，可采用串联或者并联间隙的方法
无间隙金属氧化物避雷器（WGMOA）
电气参数
额定电压
指在承受规定的雷电冲击或操作冲击后仍能耐受10s的最高工频电压的有效值
持续运行电压
允许持久的施加在WGMOA端子间的工频电压有效值
参考电压
工频参考电压
通过工频参考电流时，测得工频电压最大峰值除√2
直流(1mA)参考电压
通过直流参考电流(1~5mA)时，测得直流电压平均值
残压
通过规定波形及幅值的冲击电流时，在其两端间呈现的最大电压峰值
可分为雷电冲击残压、操作冲击残压、陡波冲击残压
技术指标
保护水平
压比
荷电率
额定能量
防雷接地
接地装置
电气设备导电部分和非导电部分与大地的人为连接
按照流散电流种类不同分为三种
直接接地装置
交流接地装置
冲击接地装置
接地分类
工作接地
电力系统正常运行需要设置的接地，如中性点接地。
接地电阻值0.5~10Ω
保护接地
为了人身安全将电气设备的金属外壳接地
接地电阻值1~10Ω
防雷接地
用来将雷电流顺利泄入地下以减小过电压
接地电阻值1~30Ω
接地电阻
接地处电压与电流的比值
分类
接地引线电阻
接地体本身电阻
接地体与土壤间的电阻
大地的溢流电阻（最大）
冲击系数αi
αi=Ri/Re
冲击接地电阻Ri：流过冲击大电流时呈现的电阻
稳态接地电阻Re：工频或直流下的接地电阻
冲击系数一般小于1，接地体很长时也可能大于1
对于长度不大的接地体，火花效应使Ri<Re，冲击系数αi<1
对于长度较大的接地体，电感效应使Ri>Re，冲击系数αi>1
附加
输电线路的杆塔
主要目的是引导雷电流入地流散，属于防雷接地<br>
经过居民区的线路也起保护接地作用，接地体距人行道3m以上
水平接地体工频接地电阻R与土壤电阻率成正比
降低杆塔接地电阻的措施
增加水平射线长度或者根数
引申接地（接低阻区域）
合理使用降阻剂或适量换土
连续延伸接地（相邻杆塔接地相连）
发电厂与变电所的接地网
接地网一般埋于地下0.6~0.8m
发电厂与变电所接地以安全接地为主，兼顾工作接地和防雷接地
一般都用钢材，特殊情况下采用铜材
降低接地网接地电阻的措施
增大接地网面积
引申接地
深埋接地
深井爆破接地
架空输电线路防雷
雷击线路有三种情况
雷击杆塔塔顶
雷击避雷线档距中央
从地线间击穿的角度来看，雷击避雷线<br>最严重情况为雷击档距中央
雷绕击导线
感应雷过电压一般会使35kV及以下电压等级的线路闪络<br>对于110kV及以上的线路，由于绝缘水平较高一般不会引起闪络
防雷指标
耐雷水平
雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值<br>或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅值
提高耐雷水平的主要措施
降低杆塔冲击接地电阻Ri
增大耦合系数
减小分流系数
加强线路绝缘
雷击跳闸率
Td=40情况下，100km线路每年因雷击而引起的跳闸次数
跳闸
雷击未必闪络，绝缘子闪络未必跳闸
只有雷电流超过线路耐雷水平且沿闪络通道的工频电流持续燃烧形成电弧
建弧率
冲击闪络转为稳定的工频电弧的概率，一般越小越好
中性点有效接地系统建弧率大于中性点非有效接地系统
雷害发展过程
雷电放电→雷电过电压→线路绝缘冲击闪络→工频电弧→断路器跳闸→供电中断
防雷措施
”四道防线“
防直击
装设避雷线
主要目的
防直击、分流、对导线有耦合作用
规定
330kV及以上，全线架设双避雷线
220kV，全线架设避雷线
110kV一般全线架设，但在少雷区可不全线
35kV及以下线路一般不装设避雷线
原因
没用：即使加避雷线也会闪络
没事：即使闪络，中性点不接地，断路器不跳闸<br>可带故障继续运行1-2小时
110kV保护角一般取20°-30°，220和330kV一般采用20°
采用双避雷线可减小保护角
防闪络
降低杆塔的冲击接地电阻
提高线路耐雷水平防雷反击的有效措施
架设避雷线
装设耦合地线
降低杆塔的冲击接地电阻有困难时，采用耦合地线
增加避雷线与导线间的耦合作用、增加对雷电流的分流
装设线路型避雷器
管型避雷器，限制过电压
加强绝缘
增加绝缘子片数
防建弧
加强绝缘
中性点加消弧线圈
用消弧线圈消除或抑制，提高耐雷水平
适用110kV及以下电压等级的电网，使跳闸率降低1/3
不是抑制闪络，是抑制跳闸
防停电
采用自动重合闸
雷击造成的闪络大多能在跳闸后自行恢复绝缘性能
110kV及以上高压线路重合率为75%-90%
35kV及以下约为50-80%
采用不平衡绝缘方式
使两回路绝缘子串片数有差异，雷击时，绝缘串片数少的回路先闪络
闪络后的导线相当于地线，增加了对另一回路导线的耦合作用
双回路或环网供电
变电所防雷
直击雷
避雷针(主要)、避雷线
应采取措施，防止避雷针（线）的反击事故
反击（逆闪络）
杆塔电位高于导线电位时绝缘子发生的闪络或击穿
避雷针的安装方式
独立避雷针
任何电压等级均可
一般情况下，空间距离Sk≥5m，地中距离Sd≥3m（防反击）
构架避雷针
避雷针直接安装在构架上，其接地与变电站地网相连
110kV及以上的配电装置
允许装配构架避雷针（ρ<1000Ω·m）
60kV的配电装置
ρ<500Ω·m的地区允许架设构架避雷针
ρ>500Ω·m的地区宜采用独立避雷针
35kV及一下的配电装置
不允许架设构架避雷针
变压器的门型构架上不允许装设避雷针
雷电侵入波
避雷器结合进线段
进线段保护
未沿全线架设避雷线的线路，在靠近变电所1~2km线路上安装避雷线
在有全线架设避雷线的线路，加强防雷措施<br>（将靠近变电所1~2km线路保护角减少，降低杆塔的接地电阻）
避雷器作用
限制雷电流幅值和入侵波陡度
减少绕击与反击
避雷器作用实现前提
伏秒特性与被保护绝缘良好配合
残压低于被保护绝缘冲击耐压
被保护绝缘处于避雷器保护范围之内
被保护绝缘与避雷器之间的最大容许距离
作用实现原理
雷电过电压因冲击电晕衰减和变形，降低陡度和幅值
利用进线段本身阻抗限制冲击电流幅值
进线段内，避雷线保护角不宜超过20°，最大不应超过30°
变压器保护
三绕组
低压绕组任一相绕组出线端加装一只避雷器
自耦
高压绕组、中压绕组加装避雷器
变比＜1.25时，串接绕组加装避雷器
中性点
110kV及以上中性点有效接地系统
中性点全绝缘<br>（全绝缘：中性点绝缘<br> 水平和绕组相同）
一般不需设专门保护
中性点分级绝缘
加避雷器或保护间隙
35kV及以下中性点非有效接地系统
中性点都采用全绝缘，不设保护
避雷器到变压器的最大允许距离随变压器多次截波耐压值与避雷器残压的差值增大而增大
变压器到避雷器的最大允许电气距离与侵入波陡度成反比
变电所雷害事故严重性高于输电线路。一般而言沿输电线路入侵波是变电所雷害的主要原因
发电厂与变电所的接地网
接地网一般埋于地下0.6~0.8m
发电厂与变电所接地以安全接地为主，兼顾工作接地和防雷接地
一般都用钢材，特殊情况下采用铜材
降低接地网接地电阻的措施
增大接地网面积
引申接地
深埋接地
深井爆破接地
旋转电机的保护
电机分类
直配电机
直接与架空线相连（包括经过电缆段、电抗器等元件）的电机
非直配电机
经过变压器再接到架空线上去的
防雷特点
同一电压等级的电气设备中，旋转电机的冲击电气强度最低(绝缘最弱)
电机绝缘的冲击耐压水平与保护避雷器保护水平差不多、裕度很小
必须严格限制进波陡度（5kV/μs以下）
防雷措施
母线装FCD型避雷器
母线装电容器（限制进波陡度和降低感应过电压）
中性点加避雷器
进线段保护
内部过电压
定义
由于断路器操作、故障或其他因素，使系统参数发生变化，引起电网内部电磁能量转化或传递引起电压升高
描述方法
能量源于电网本身，过电压幅值大小一般用工作电压的倍数来表示
操作过电压
因操作或故障引起的瞬间（以毫秒计）电压升高
电压等级在6~10kV起主导作用的操作过电压类型 电弧接地过电压
电压等级在35~60kV起主导作用的操作过电压类型 电弧接地过电压
电压等级在330~500kV起主导作用的操作过电压类型 合空载线路过电压
切空载长线
过电压产生根本原因
断路器触头间电弧重燃
影响因素
中性点接地方式
中性点非有效接地电网比有效接地电网切空线过电压高20%左右
断路器性能
母线上出线数
断路器灭弧能力越差，重燃几率越大，则过电压幅值越高
降压措施
采用不重燃断路器
加装并联分闸电阻R=1000~3000Ω
线路首末装设避雷器
合空载长线
发展过程
正常合闸情况，空载线路上没有残余电荷，初始电压为0
计划性合闸
Umax=2Uφ
自动重合闸
Umax=3Uφ
影响因素
合闸相位
线路损耗
线路残余电压的变化
限制措施
装设并联合闸电阻R=400~1000Ω
切：先切主触头，后切辅触头
合：先合辅触头，再合主触头
同电位合闸
利用避雷器保护
切空载变压器
产生原因
截流
流过电感的电流在到达零之前被断路器强行切断<br>从而迫使电感中的磁场能转化为电场能导致电压升高
影响因素
断路器性能
灭弧能力越强，过电压越严重
变压器特性
LT越大，CT越小，过电压越高
开头触头间电弧重燃
限制措施
断路器主触头并联高值电阻
减小变压器的特性阻抗，增大电容，减小电抗
变压器带有一段电缆，切变压器产生过电压减小<br>（加电缆相当于加电容）
利用避雷器（断路器的变压器侧）
断续电弧接地
产生原因
过电压出现在中性点不接地电网
中性点不接地系统且单相故障时，故障点电流较大，<br>接地电弧不能自熄，以间歇电弧形式存在，引起电压升高
影响因素
发弧部位的周围媒介和大气条件
发弧时故障相的电压电位
导线电容、线路损耗、线路电晕
防护措施
根本途径是消除间歇电弧
主要
中性点有效接地
中性点经消弧线圈接地
次要
分网运行
中性点经小电阻接地
解列过电压
产生原因
解列瞬间，解列点的电压由-Urm过渡到+Urm，振荡过程会产生接近3倍过电压
断路器QF触头的恢复电压接近运行电压的4倍
影响因素
首要因素是两端电动势功角差δ
线路长度解列后仍带线路的电源容量
解列点位置等
防护措施
采用金属氧化物避雷器MOA
暂时过电压
瞬间过程完毕后出现的稳态性质的工频电压升高或谐振现象
工频电压升高
特点
电压升高倍数不大，对系统绝缘不直接危害
多种操作过电压往往是在工频电压升高的基础上产生和发展的
是决定某些过电压保护装置工作条件的重要依据
是不衰减或弱衰减现象，持续时间很长，对设备绝缘及其运行条件有很大影响
工频过电压对系统正常绝缘的电气设备一般没有危险<br>但在超高压特高压远距离输电确定绝缘水平时，起重要作用
工频电压升高将直接影响操作过电压幅值
工频电压升高将影响保护电器的工作条件和效果
工频电压升高持续时间长，对设备绝缘及其性能有重大影响
我国特高压系统，要求线路侧工频过电压不大于最高运行电压的1.4倍，母线侧不大于1.3倍
常见类型
空载线路的电容效应
线路越长，线路末端的工频电压越高
线路长度为1500km时电压趋于无穷大
从线路末端开始，工频电压按余弦规律分布，线路末端电压最高
若电源漏抗增大，相当于空载长线增长，容升效应更显著
超高压电网中，常采用并联电抗器来限制电容效应引起的工频电压升高<br>并联电抗器可按需要，设置在线路末端、两端、中间
空载长线电容效应引起的谐振也属于线性谐振
不对称短路引起的工频电压升高
中性点不接地电网
单相接地时，健全相工频电压升高为线电压的1.1倍
中性点经消弧线圈接地
单相接地时，健全相工频电压升高为线电压
中性点有效接地
单相接地时，健全相工频电压升高不大于线电压的0.8倍(0.72)
发电机甩负荷引起的工频电压升高
谐振过电压<br>（稳态现象）
特点
持续时间长（远大于操作过电压）甚至可能稳定存在知道破坏谐振条件为止
正常运行时系统原件参数不会形成谐振
某些情况谐振发生一定条件后会自动消失
谐振过电压的危害既取决于幅值大小，也决定于时间长短
危害
会危及电气设备的绝缘，也可能因谐振持续过电流烧毁小容量的电感元件(电压互感器)
谐振过电压的持续性还会给选择过电压保护措施造成困难
分类
线性谐振过电压
并联补偿线路不对称切合引起的工频谐振
消弧线圈补偿网络的工频谐振
抑制措施
使回路脱离谐振状态或者增加回路消耗
参数谐振过电压
串联回路中含有周期性变化的电感，变化频率为电源频率偶数倍，配合相应电容，出现参数谐振
发电机带空载线路，线路容抗与发电机感抗配合得当，也可能引起
发电机在正式投入运行前，设计部门要进行自激的校验，避开谐振点
非线性（铁磁）谐振过电压
必要条件是感抗＞容抗 wL>1/wC
断线引起的谐振过电压（导线折断、熔断器熔断、断路器非全相动作、不同期合闸）
电磁式电压互感器铁心饱和引起的过电压
传递过电压
绝缘配合
定义
作用电压，保护特性，耐受特性的关系
本质
合理处置作用电压与绝缘强度的关系
中性点运行方式直接影响绝缘水平
中性点有效直接接地系统
操作过电压是在相电压基础上产生的
中性点非有效接地系统
操作过电压视在线电压基础上产生的
根本任务
正确处理过电压和绝缘的矛盾
核心问题
确定各种电气设备的绝缘水平，是绝缘设计的首要前提
绝缘水平
设备耐受实验电压值
220kV及以下系统，雷电过电压决定设备绝缘水平
330kV及以上超、特高压系统，操作过电压决定设备绝缘水平
污秽地区，外绝缘强度大大降低，污闪事故严重，系统最高运行电压决定外绝缘水平
绝缘区分
外绝缘
与大气直接接触的绝缘部件，属于自恢复绝缘
内绝缘
不与大气直接接触的绝缘部件，非自恢复绝缘
电力系统绝缘配合不考虑谐振过电压
绝缘配合方法
多级配合
两级配合（惯用法）
绝缘受到避雷器的保护，仅与避雷器进行绝缘配合
计算用雷电过电压以残压为基础
对地操作过电压
用统计操作过电压的倍数K0
66kV及以下 4.0<br>110、220kV 3.0<br>330kV 2.2<br>500kV 2.0<br>750kV 1.8<br>1000kV 1.6
相间操作过电压
35~220kV取对地操作过电压的1.3~1.4倍<br>330kV取对地操作过电压的1.4~1.45倍<br>500kV及以上取对地操作过电压的1.5倍<br>
适用范围
各电压等级非自恢复绝缘和降低绝缘的经济效益不显著的<br>220kV及以下自恢复绝缘及非自恢复绝缘
统计法
某些超高压线路，采用简化统计法
绝缘水平的确定
电气设备
3.5kV≤Um≤252kV
工频工作电压、暂时与操作过电压的性能
短时（1min）工频耐压实验
雷电过电压的性能
雷电冲击耐压实验
Um＞252kV
操作过电压性能
操作冲击耐压实验
雷电过电压性能
雷电冲击耐压实验
架空线路
线路绝缘子片数及线路导线对杆塔、架构的空气距离
绝缘子要求
工作电压不污闪
操作过电压不湿闪
满足防雷指标
耐雷水平
雷击跳闸率
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