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title: 《高电压技术》 笔记
date: '2025-11-19'
summary: 整理电介质、电气强度、放电与高电压试验等课程笔记。
lang: zh
category: Notes
legacy_url: https://dozybot001.github.io/2025/11/19/2025-11-19-high-voltage-engineering/
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### 前言

个人自制学习资料，无商业用途，参考书籍《高电压技术》（赵智大）。

### 绪论

1. 高电压技术发展始于 20 世纪初
2. 高电压技术研究高电压下的各种电气物理现象
3. 我国是世界上少数几个有必要发展 1000kV 以上特高压交流（UHVAC）、800kV 以上特高压直流（UHVDC）输电技术的国家

## 电介质的电气强度
1. 物质分类：物质分为导电性能良好的 “导体”，导电性能居中的 “半导体”，导电性能很弱的 “电介质”、“绝缘”
2. 电场作用下，电介质的电气现象
   1. 弱电场：极化、电导、介质损耗
   2. 强电场：放电、闪络、击穿
   3. 强弱依据介质的击穿场强或放电起始电压

### 带电粒子

1. 带电粒子：空气中带电粒子有电子和离子
2. 粒子平均自由程：粒子在 1cm 行程中碰撞次数的倒数（P4）标况下，电子在空气中的自由程数量级为-5 次方（cm）
3. 带电粒子迁移率：速度 v 与场强 E 之比，电子迁移率远大于离子
4. 扩散运动：粒子还存在与浓度有关的扩散运动，电子扩散速度远大于离子

### 电离

1. 电离：产生带电粒子的物理过程，电子吸收了足以跃迁到最外层轨道的能量，原子电离成一个电子和正离子，为气体放电的首要前提（分级电离：前有激励，未坠落时再电离，此时需要能量小于电离能）
2. 激励：电子吸收能量跃迁至高能级轨道，极短时间后掉落，释放光子
3. 电离分类：电离有光电离、热电离、碰撞电离、表面电离

   （按照电子来源不同，分为光游离、热游离、碰撞游离、表面游离电子）

   - 光电离：光子能量给电子，光子能量不小于电离能即可电离，一般需要高能辐射线（X 光）
   - 热电离：电弧放电时温度给予电子大量能量，一般 1wK 才考虑，2wK 空气全部热电离
   - 碰撞电离：高速电子撞击气体分子，引起后者电离，高速电子动能需不小于电离能（碰撞电离为气体产生带电粒子最主要方式，参考链式反应）

   （以下均属于表面游离）

   - 电极表面电离：正离子撞击：正离子能量不小于两倍逸出功（正离子和一电子复合了，需要打两个）
   - 光电效应：问爱因斯坦
   - 阴极射线：热电子发射，伦琴还借此发现了 X 射线
   - 强场发射：高场强硬拉出电子

4. 负离子：某些气体分子（SF6）亲和电子，吸附形成负离子，阻碍放电进行，称高电气强度气体
5. 带电粒子消失：到达正极、扩散逃逸、和正离子复合

### 汤逊理论

1. 电子崩：

   碰撞电离链式反应，有阈值电压 Ub，发生后可进行自持放电（P9）

   高气压和高真空都不易发生气体放电，电气强度高

   电子崩，电子往阳极跑，正离子往阴极跑，崩头电子，崩尾正离子（P10）

   正离子轰击阴极，打出来的电子形成规模不小于初崩的电子崩，达成自持放电，气隙击穿

2. 自持放电条件：

   
   $$\gamma\left. （e^{\alpha d} - 1 \right.） = 1\ $$
   

   （临界条件）

3. 上述自持放电理论——汤逊理论：

   初崩的正离子轰击阴极打出来的电子引起二次崩，不断循环直到击穿，该函数发散、收敛的

   临界条件为自持放电条件（适用于低气压，短间隙）

4. 巴申曲线：

   击穿场强 Ub 与 “电压和极间距乘积”$pd$的关系曲线，是个弯钩形，高气压和高真空都可以提高 Ub（T 不恒定时，$pd$变成$\delta \times d$，$\delta$是气体相对密度，与气压和温度的比正相关）

### 流注理论

1. 流注理论（适用于高气压，长间隙）：

   空间电荷电场畸变：电子在崩头，正离子在崩尾，正离子和电子电场使崩尾、崩头电场增强-促进碰撞电离，崩中电场减弱-促进复合，复合发射光子，促进光电离。光子引起光电离，光电离电子在崩头、尾的强场下，配合碰撞电离迅速发展成二次崩，崩尾发生的汇入崩头，崩头发生的继续向阳极前进，这个过程就叫 “流注”

2. 流柱速度：转入流注阶段后，放电以快于初崩 10 倍以上的速度进行

3. 击穿条件：流注中，汇入初崩的的电子和正离子构成等粒子通道，通道贯穿两极宣告击穿，并不是初崩到阳极就击穿，这要注意

4. 自持放电条件：流注出现，即初崩头部的空间电荷超过某一阈值。数见 P14。

5. 正、负流注的区分：

   - 正流注：初崩到阳极，再产生流注，等粒子通道从阳极生长到阴极
   - 负流注：初崩未到阳极，就产生流注，等粒子通道从阴极（或者中途）生长到阳极

6. 与汤逊理论的比较：

   流注理论用于解释高气压、长间隙不同于汤逊理论的实验现象，如果 pd 比较小，无法达到流注产生条件，还是得靠汤逊理论里的正离子轰击阴极（学界叫 $\gamma$ 过程）

以上是气体放电基本知识，可以看作均匀场的气体击穿理论，一旦自持放电就会击穿，下面是不均匀或稍不均匀电场中的放电，会出现有稳定的自持放电但没有击穿的现象

### 电晕放电

1. 电厂不均匀系数：f= 最大场强 / 平均场强，f=1 是均匀场，f<2 是稍不均匀场，f>4 是极不均匀场
2. 电晕放电：由于电场不均匀，曲率半径小的电极附近（强场强区域）先发生的局部放电，特征为蓝紫色光晕，产生臭氧，有电晕起始电压，电晕放电不是击穿。电晕放电可以长期存在，也可以是极不均匀场击穿的前兆，均匀场中不可能有稳定电晕放电，一旦有则迅速击穿
4. 起晕场强计算式：皮克公式（P155）
5. 电晕放电导致：电晕损耗（在雨雾天气大增），无线电干扰（超高压线路控制因素），可闻噪声（特高压线路控制因素）
6. 减少电晕措施：分裂导线，扩径导线等


### 极不均匀场的极性效应

1. 极不均匀电场的极性效应：（棒-板电场）
   1. 正极性：（正棒-负板）正棒起晕，电子崩发展，正离子加强崩尾电场（注意，崩头指向正棒），电子崩发展起点往板极移动，电晕发展，易于击穿
   2. 负极性：（负棒-正板）负棒起晕，电子崩发展，正离子减弱崩头电场（注意，崩头指向正板），电子崩向正板发展困难。（P19 图）
   3. 正极性极不均匀场易击穿，击穿电压低，负极性极不均匀场不易击穿，击穿电压高
2. 长间隙极不均匀场击穿过程：电晕放电-先导放电-主放电
   先导放电就是指出现 " 先导通道 " 的放电，先导通道以热游离电子的出现为标志，也就是说先导放电标志是出现热电离，先导放电更明亮，且会促进电离，先导通道不断延伸）

### 电压冲击

1. 气隙击穿条件
   1. 足够大的场强或电压
   2. 气隙中有足够引起电子崩、流注、主放电的有效电子
   3. 有一定时间
2. 静态击穿电压$U_{s}$：需要持续作用才能击穿的电压
3. $t_{1}$：电压上升到$U_{s}$需要的时间
4. 统计时延$t_{s}$：达到$U_{s}$后，到出现始祖电子（引起电子崩的第一个电子）之间间隔的时间
5. 放电形成时延$t_{f}$：出现始祖电子后，到最后完成击穿所需的时间
6. 放电时延：$t_{lag} = t_{s} + t_{f}$
7. 总放电时间：$t_{b} = t_{1} + t_{lag}$
（以上时间除了 t1 外，都具有统计性，因为 " 始祖电子 " 的出现具有随机性）
8. 冲击电压波形标准化：标准雷电冲击电压波、标准雷电截波、标准操作冲击电压波（P21-22，书上有图，了解一下就行了）
9. $x\%$冲击击穿电压$U_{x\%}$：对某一气隙来说有 x% 概率击穿的电压值，常用 50% 击穿电压表征气隙的冲击击穿特性，实际上还要考虑一定裕度，因为这是概率，裕度大小取决于击穿电压分散性大小，越不均匀，分散性越大
10. 冲击系数：$\beta = \frac{U_{50\%}}{U_{s}}$，均匀和稍不均匀的$\beta \approx 1$，极不均匀大于 1
11. 伏秒特性：先作电压-时间曲线，电压升峰过程击穿的取该电压值，电压降峰过程击穿的取峰值，这些电压值与时间再作出曲线平均伏秒特性曲线、50% 伏秒特性曲线，更简单方便（这俩不一样）

### 沿面放电

电力系统外绝缘为自恢复绝缘，内绝缘为非自恢复绝缘

固体介质的沿面闪络电压远低于本身击穿电压和纯气隙击穿电压

1. 闪络分类：
   1. 干闪：雷电冲击、操作冲击、运行电压
   2. 湿闪：操作冲击、运行电压
   3. 污闪：运行电压
2. 沿面放电场景：（干闪）均匀场，界面与电场线平行，此时类似均匀场：
   1. 沿面放电电压仍低于纯气隙，原因：
      1. 固体介质与电极的缝隙会放电，然后畸变电场-接触面喷导电粉末
      2. 大气水分在介质表面形成水膜，水膜中离子沿介质移动到电极，畸变电场-介质用憎水性材料（石蜡，硅橡胶）（粒子移动要时间，所以工频影响大，较纯气隙降低多，雷电冲击影响小）
      3. 介质表面粗糙不均匀，表面电阻分散性大-改良材料
3. 极不均匀场，界面的电场线有弱垂直分量：无热电离和滑闪放电，只有沿面闪络，平均击穿场强介于中间
4. 极不均匀场，界面的电场线有强垂直分量：
   1. 辉光放电-滑闪放电-沿面闪络辉光-滑闪：强垂直分量把电子压在介质表面上摩擦，产生大量热，热电离
   2. 滑闪-闪络：电子多，V-I 曲线呈下降趋势，少量电压升高即击穿（闪络）
5. 沿面放电电压影响因素：固体介质材料、电场型式
6. 湿闪：P27 了解即可
7. 污闪
    - 绝缘子上有污秽，在坏天气时受潮，电导大增，电流大增，焦耳热大增，烘干该区域，成为小片干区，周围还是湿区，电导大，干区承受高压，引起空气放电，从辉光放电或电晕放电，发展到电弧，周围湿区也变干，电压减小，电弧拉⻓，有可能熄灭，加之交流电特性，电弧呈现 " 熄灭，重燃 " 或 " 延展，收缩 " 交替变化。若电弧不断延伸发展，称爬电。电弧中心温度高，有热电离。
    - 污闪电压低于干闪、湿闪，后果严重
    - 污闪对策：调整爬距，定期清污，涂憎水材料，改良绝缘子材料
8. 等值盐密法：表征污秽度，每平方厘米积污的电导等效 NaCl 毫克数（溶于水测）

### 气体介质击穿特性
（P33-41，浏览一遍，有了解即可）
1. 饱和效应：击穿电压随极间距拉长，增长幅度放缓（饱和），越不均匀越显著（操作冲击下明显，雷电冲击没有饱和效应），先导放电影响
2. 提高气体介质电气强度的途径
   1. 改善电场分布，使之均匀
   2. 削弱或抑制气体介质中的电离过程
3. 具体方法
   1. 改进电极形状（球形屏蔽罩，均压环、扩径导线）
   2. 利用空间电荷改善电场（" 细线效应 "：导线直径足够小后，电晕放电在周围形成空间电荷层，使击穿电压升高）
   3. 屏障：挡住电子，使电场均匀化，正极性极不均匀场有良好效果，负极性极不均匀场效果很差，大多数位置有反作用（降低了击穿电压）
   4. 高气压、高真空：巴申曲线（高真空的 " 全电压效应 "：气隙拉⻓后，电子动能极大，轰击阳极产生正离子和光子，促进阴极发射电子，反复，导致阳极局部气化最终击穿）
   5. 高电气强度气体：一般为分子具有电负性的气体，如：SF6

### 非气体介质特性

1. 电介质极化：电场作用下，束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移和偶极子取向的现象，微观偏移，产生偶极矩;极化强度用介电常数表征
2. 极化类型
   1. 电子式极化：时间极短，弹性，温度升高，介质膨胀，epsilon 略减小
   2. 离子式极化：时间短（慢上一个 100 倍，也很快了），弹性，epsilon 一般有正温度系数
   3. 偶极子极化：时间长（就与电压频率有关了），非弹性，与温度关系复杂（P53）
   4. 夹层极化：时间极长，非弹性（P54 有归纳表）
3. 介质电导：离子电导、电子电导（液体中还有电泳电导，固体介质电导分表面电导、体积电导）;电导随温度指数上升
4. 介质损耗：来源为有损极化和电导，极化为主用串联等值电路，电导为主用并联等值电路。介质损耗角正切的测量时，采用移相法可以消除与试验电源同频率的干扰（P55-59 细看）

### 液体介质击穿

1. 纯净液体介质击穿（冲击击穿场强高于工频击穿，冲击难击穿，因为击穿过程需要一定时间）
   1. 电子碰撞电离理论：阴极强场发射得到始祖电子 ... 温度越低、密度越高-越难击穿
   2. 气泡击穿理论：液体中小气泡介电常数小先击穿，气泡温度升高，密度减小，促进电离，气泡中电子撞击液体分子，撞出气体，气泡扩大，最后贯通两极;增大液体静压力，可以增大击穿电压
2. 工程用变压器油击穿：（不纯净液体）由气泡击穿理论发展而来杂质击穿理论（杂质一般有水、纤维），杂质介电常数大，沿电场方向极化，排列成杂质小桥
   1. 杂质小桥未接电极：杂质端部电场强度骤增，油电离，分解产气，发展成气体小桥击穿
   2. 杂质小桥接通电极：泄漏电流增大，水汽化，产生气泡，发展成气体小桥击穿（油有灭弧作用，纤维会烧掉，水汽化消失，这些都使工程用变压器油有 " 自恢复现象 "，反复后才会稳定击穿）
3. 工程用变压器油击穿电压的影响因素
   1. 水分和其他杂质：少量就会使工频击穿电压大幅下降，冲击击穿电压影响较小，因为形成小桥要过程
   2. 油温：油温升高，击穿电压稍有下降（碰撞电离解释）（杂质不影响极不均匀场的工频击穿电压）
   3. 电场均匀度
   4. 电压作用时间：越长击穿电压越低，越长杂质的影响也越大
   5. 油压

### 固体介质击穿

1. 固体介质击穿为非自恢复性击穿，不可逆，击穿后会留下放电痕迹，可以分为电击穿、热击穿、电化学击穿
2. 电击穿：始祖电子来源于固体内少量传导电子，击穿场强为热击穿的 100 倍
   - 特征：与温度几乎无关，介质发热不显著，时间较短，与电场均匀程度强相关
3. 热击穿：始祖电子来源于固体内少量传导电子，由于介质损耗固体介质内部积热，导致介质分解，熔化、碳化从而丧失绝缘性能
    - 特征：热击穿电压随周围媒介温度上升而下降，击穿电压随介质散热水平上升而上升，发热水平上升而下降
4. 电化学击穿：内部缺陷引起的局部放电，⻓期作用，使得绝缘水平下降，主要原因有：
   1. 放电产生的活性气体，有氧化和腐蚀作用
   2. 放电产生的带电粒子撞击介质，产热，并且有可能破坏介质分子
   （电化学击穿与电压作用时间强相关）
   （绝缘缺陷按照存在形态可以分为集中性、分散性缺陷）
5. 树枝状放电：多见于有机绝缘材料击穿
6. 固体介质击穿的主要影响因素
   1. 电压作用时间：时间短-电击穿，时间长-热击穿
   2. 电场均匀程度：均匀场中击穿电压近似和厚度成正比
   3. 温度：低温-电击穿，高温-热击穿
   4. 受潮：受潮后电导率和介损角大增
   5. 累积效应：固体不能自恢复，即便未击穿，局放损伤也会累积

### 组合绝缘

1. 分配原则：使组合绝缘中各层绝缘所承受的电场强度和电气强度成正比
   1. 直流电压下，高场强处选电气强度高，电导率大的
   2. 交流电压下，高场强处选电气强度高，介电常数大的
2. " 油-屏障 " 式绝缘：覆盖、绝缘层（覆盖 plus）、屏障
3. 油纸绝缘：广泛用于电缆、电容等设备，绝缘强度高但易受污染
4. 组合绝缘中的电场：双层介质模型、分阶绝缘（P70、71 了解即可）

## 电气设备绝缘试验

分破坏性（检测耐压、绝缘）和非破坏性试验（绝缘以外电气性能）

### 高电压试验

1. 误差范围：国标高电压试验测量误差在 +-5% 以内
2. 吸收比：试品加压 60s 时的电阻值和 15s 时的电阻值之比 K;绝缘好，K 大（国标电机 K=1.3 表示绝缘好，可以不用干燥）;受潮了，绝缘不好，K 接近 1
3. 加压时间：工频耐压试验要求加压 60s

### 介质损耗角正切的测量、局部放电的测量（P81-87 细看）
1. 介损角测量结果的外界影响因素：外界电磁场、温度、试验电压、试品电容量、试品表面泄漏
2. 局部放电检测方法：
   1. 非电：噪声检测法、光检测法、化学检测法
   2. 电：脉冲电流法、介质损耗法

## 电力系统过电压与绝缘配合

### 电力系统过电压：
1. 内部过电压：
   1. 暂时过电压：工频电压升高、谐振过电压
   2. 操作过电压
2. 雷电过电压：
   1. 直接雷击过电压
   2. 感应雷击过电压

### 无损波过程
1. 波阻抗：表征线路上电、磁能关系的物理量，$Z = \sqrt{\frac{L_{o}}{C_{o}}}$，与线路长度无关，$L_{o}$是单位长度电感，$C_{o}$是单位长度电容，这俩都是非耗能参数，代表的是线路对磁能和电能的存储能力（P121 有计算式）
2. 波速：$v = \frac{1}{\sqrt{L_{o} \cdot C_{o}\ }}$，与周围媒介有关，真空下接近光速，需要注意的是波速指的是行波建立场状态的速度，不是行波速度
3. 导线电压和电流：都为前向行波和反向行波的叠加
    $ 电流前行波 = \frac{电压前行波}{Z}$
    $ 电流反行波 = \frac{电压反行波}{- Z}$
4. 过电压波在线路均匀性发生改变的点发生折、反射：
   1. 折射系数：$\frac{2Z_{2}}{Z_{1} + Z_{2}}$
   2. 反射系数：$\frac{Z_{2} - Z_{1}}{Z_{1} + Z_{2}}$
   3. 基本关系：$1 + 反射的 = 折射的 $（不要与弹性碰撞搞混）
5. 一些特殊情况：
   1. 开路：电流为 0，电压加倍
   2. 接地：电压为 0，电流加倍
   3. 接阻值为波阻抗的电阻再接地，可以无视该节点两个节点间行波多次折反射，可以无视该线路段（但波形有关，具体看 P134）
6. 彼得逊法则：
   1. 应用条件：波从一条分布参数线路传过来，并且节点后连的是集中参数等值电路，节点后的线路不考虑反行波
   2. 应用方法：线路用 Z 代替电阻，电压波幅值加倍（然后就是简单的电路原理了，后面的波穿过电感和旁过电容的等值电路也可以用彼得逊法则，不过是微分方程，计算在 P130、131）
7. 多导线系统：$ 电压 = 自波阻抗 * 自己电流 + 两两互波阻抗 * 另一条线的电流 $

### 有损波过程
1. 损耗因素：各种电阻、绝缘泄漏电导，介损、辐射、冲击电晕;
2. 电阻、电导影响：波衰减，波变形（不满足无畸变条件）
3. 冲击电晕影响：波阻抗、波速减小（Co 变大了），耦合系数增大（互波阻抗增大），衰减变形（后面变压器和电机的波过程了解即可）

### 内部过电压
1. 暂时过电压（时间长）
   1. 工频电压升高
      1. 原因：空载长线电容效应、不对称短路、甩负荷（btw：电源容量越小，空载长线电容效应越大）
      2. 措施：利用并联电抗器补偿空载线路的电容效应，静止补偿装置（SVC）限制，采用良导体地线降低输电线路的零序阻抗
   2. 谐振过电压
      1. 特征：某几个谐波电压或电流幅值急剧上升，且⻓时间稳定存在
      2. 措施：避免形成谐振回路，装设阻尼电阻或补偿装置
2. 操作过电压（时间短）（操作：电网参数突变，比如倒闸操作、设备故障）
   1. 切断空载线路过电压
      1. 因素：合闸相位、中性点接地方式、断路器性能、母线上出线数、断路器外侧设备;
      2. 措施：采用不重燃断路器、加装并联分闸电阻、利用避雷器保护
   2. 合闸空载线路过电压
      1. 因素：合闸相位、线路损耗、线路残余电压变化;
      2. 措施：装设并联合闸电阻、同电位合闸、利用避雷器保护
   3. 切断空载变压器过电压
      1. 因素：断路器性能、变压器特性;
      2. 措施：安装磁吹阀式或金属氧化物避雷器
   4. 断续电弧接地过电压
      1. 措施：中性点有效接地方式、中性点经消弧线圈接地

### 绝缘配合
1. 根本任务：正确处理过电压和绝缘这一对矛盾，以达到优质、安全、经济供电的目的（加长版：根据电气设备所在系统中可能出现的各种电气应力，并考虑保护装置的保护性能和绝缘的电气特性，适当选择设备的绝缘水平，使之在各种电气应力的作用下，绝缘故障率和事故损失均处于经济上和运行上都能够接受的合理范围）
2. 电气设备绝缘水平：能耐受不发生闪络、击穿或其他损坏的最高电压值
3. 绝缘配合原则：考虑，
   1. 电压等级：原则上受最大工作电压、雷电过电压及操作过电压三者中最严重的一种决定
   2. 系统结构：以中性点有效和非有效接地方式下，分析最大长期工作电压、雷电过电压和内部过电压三参数下的绝缘水平的要求。
4. 惯用法绝缘配合做法：按作用在绝缘上的最大过电压和最小绝缘强度的概念进行配合（最危险的过电压→裕度系数→绝缘应耐受的电压水平）

注：「绝缘配合」和「内部过电压」归纳参考本校课程组讲义

### 一些考过的名词解释：

1. 吸收比：电流衰减过程中的两个瞬间测得的两个电流值或两个相应的绝缘电阻值之比。（被试品加压 60 秒时的绝缘电阻与加压 15 秒时的绝缘电阻之比）用来表征绝缘状。
2. 伏秒特性：对某一冲击电压波形，间隙的击穿电压和击穿时间的关系
3. 气体击穿：气体由绝缘状态变成导电状态的现象
4. 自恢复绝缘：击穿后去掉外加电压，能够自动恢复绝缘性能的绝缘
5. 谐振过电压：当系统进行操作或发生故障时，某一回路自振频率与电源频率相等时，将发生谐振现象，导致系统中某些部分（或设备）上出现的过电压（类似机械共振）
6. 绝缘配合：绝缘配合就是综合考虑电气设备在系统中可能承受的各种作用电压，合理地确定设备必要的绝缘水平，达到在经济上和安全运行上总体效益最高的目的
7. 自持放电：不需要靠外界电力因素的作用，由放电过程本身就可以不断地供给引起后继电子崩的二次电子的放电现象