高电压技术是电气技术领域通用性较强的学科,是电气工程及其自动化专业必修的专业课。本书重点介绍高电压技术基本的概念、理论和方法,主要内容包括:电介质的电气强度、电气绝缘与高压试验、电力系统过电压与绝缘配合、电力设备的在线监测与故障诊断。
　　本书可以作为普通高等学校电气工程及其自动化专业和其他电类专业的教学用书,也可以作为职业技术学院电气类专业教材,还可供电力系统相关技术人员参考。

　　“高电压技术”是电工学科的一个重要分支,也是电气工程及其自动化专业重要的专业课。该课程是由过去高电压技术专业的三门必修课“高电压绝缘”“高电压试验技术”“电力系统过电压与绝缘配合”演变而来,其主要任务在于研究高电压、高场强下的各种电气物理问题。对于电气专业的学生来说,学习本课程的目的是学会正确认识和处理电力系统中绝缘与电压这一对矛盾。
　　在编写过程中,编者力求做到通俗易懂、精选够用、适当拓宽,编写时兼顾传统内容,将基本物理概念及物理过程解释清楚,并融进国内外新技术与发展,便于学生阅读和自学。为扩大适用面,按照教学总学时为40~50学时编写,编写时注重深入浅出,说理清楚。本书是编者多年教学经验的总结,精选内容,删繁就简,既加强基础教学,又使其具有广泛适用性,兼顾不同读者需求,满足作为教材及教学参考书两方面的要求,教师可按照不同教学学时选择教学内容。
　　全书围绕绝缘、试验、防护、监测等问题逐步展开阐述,分为4大部分共10章。其中,第1章至第3章介绍气体、液体、固体的放电过程、发展机理及绝缘特性,并分析影响这些特性的因素;第4章介绍交流、直流高电压和冲击高电压的产生方法、原理、基本装置以及测量手段和相关的绝缘试验技术;第5章至第9章介绍电磁暂态分析的理论基础、电力系统雷电过电压与内部过电压产生的物理过程及其防护措施,电力系统绝缘配合的基本概念和方法;第10章介绍电力设备在线监测与故障诊断技术的基本原理及其在电力设备(变压器、断路器、GIS等)中的具体应用,该技术是当前电力行业最具活力的技术领域之一,也是对传统的离线预防性试验的重大补充和拓展。
　　本教材由山东科技大学于永进、陈尔奎和山东大学赵彤编著,公茂法教授主审。参与本书编写工作的还有赵兴民、李清泉、冯知海、苗全堂等,本教材在编写过程中,得到了本单位领导和老师的大力支持,在此一并表示感谢!由于编者的水平有限,书中的疏漏或不当之处恳请广大读者批评指正。
　　编者
　　2015年12月

第1章 气体放电的基本物理过程…………………………………………………… 1
1.1 气体中带电质点的产生和消失…………………………………………… 1
1.1.1 气体中带电质点的产生…………………………………………… 1
1.1.2 负离子的形成……………………………………………………… 4
1.1.3 气体中带电质点的消失…………………………………………… 4
1.2 气体放电机理……………………………………………………………… 5
1.2.1 汤逊气体放电理论………………………………………………… 5
1.2.2 巴申定律…………………………………………………………… 9
1.2.3 汤逊放电理论的适用范围………………………………………… 11
1.2.4 气体放电的流注理论……………………………………………… 11
1.3 不均匀电场的放电过程…………………………………………………… 14
1.3.1 稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征……………………… 14
1.3.2 极不均匀电场中的电晕放电……………………………………… 14
1.3.3 极不均匀电场气隙的击穿和极性效应…………………………… 16
1.3.4 长气隙的击穿……………………………………………………… 17
第2章 气体介质的电气强度……………………………………………………… 18
2.1 气隙的击穿时间和伏秒特性……………………………………………… 18
2.1.1 气隙的击穿时间…………………………………………………… 18
2.1.2 气隙的伏秒特性…………………………………………………… 19
2.2 均匀和极不均匀电场气隙的击穿特性…………………………………… 24
2.2.1 均匀电场气隙的击穿特性………………………………………… 24
2.2.2 极不均匀电场气隙的击穿电压…………………………………… 25
2.3 大气条件对气隙击穿电压的影响………………………………………… 26
2.3.1 对空气密度的校正………………………………………………… 26
2.3.2 对空气湿度的校正………………………………………………… 27
2.3.3 对海拔高度的校正………………………………………………… 28
2.4 提高气隙击穿电压的方法………………………………………………… 28
2.4.1 改善电场分布……………………………………………………… 28
2.4.2 采用高度真空……………………………………………………… 30
2.4.3 增高气压…………………………………………………………… 31
2.4.4 采用高耐电强度气体……………………………………………… 31
2.5 气隙的沿面放电…………………………………………………………… 32
2.5.1 均匀和稍不均匀电场中的沿面放电……………………………… 32
2.5.2 极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电………………… 33
2.5.3 极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电…………………… 34
2.5.4 固体介质表面有水膜时的沿面放电……………………………… 34
2.5.5 绝缘子染污状态下的沿面放电…………………………………… 35
2.5.6 提高气隙沿面放电电压的方法…………………………………… 38
第3章 液体和固体介质的电气强度……………………………………………… 39
3.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗…………………………………… 39
3.1.1 相对介电常数……………………………………………………… 39
3.1.2 电介质的极化……………………………………………………… 40
3.1.3 电介质的电导……………………………………………………… 43
3.1.4 电介质的损耗……………………………………………………… 44
3.2 液体介质的击穿…………………………………………………………… 50
3.2.1 纯净液体介质的击穿理论………………………………………… 50
3.2.2 工程用液体介质的击穿…………………………………………… 51
3.2.3 影响液体介质击穿电压的因素及其提高方法…………………… 51
3.3 固体介质的击穿…………………………………………………………… 54
3.3.1 固体介质的击穿机理……………………………………………… 54
3.3.2 影响固体介质击穿电压的主要因素……………………………… 56
3.4 组合绝缘的电气强度……………………………………………………… 58
3.4.1 组合绝缘中的电场强度配合……………………………………… 58
3.4.2 “油屏障”式绝缘………………………………………………… 59
3.4.3 油纸绝缘…………………………………………………………… 60
第4章 电气设备绝缘试验………………………………………………………… 61
4.1 绝缘电阻及吸收比的测量………………………………………………… 61
4.2 泄漏电流的测量…………………………………………………………… 64
4.3 介质损失角正切的测量…………………………………………………… 66
4.3.1 测量电路…………………………………………………………… 67
4.3.2 测试功效…………………………………………………………… 69
4.3.3 测试时应注意的事项……………………………………………… 70
4.4 局部放电的测量…………………………………………………………… 71
4.4.1 局部放电基本概念………………………………………………… 71
4.4.2 局部放电检测方法综述…………………………………………… 74
4.4.3 脉冲电流法的测量原理…………………………………………… 75
4.5 工频交流耐压试验………………………………………………………… 76
4.5.1 工频高电压的产生………………………………………………… 76
4.5.2 绝缘的工频耐压试验……………………………………………… 79
4.6 直流耐压试验……………………………………………………………… 81
4.6.1 直流高电压的产生………………………………………………… 81
4.6.2 直流高压试验的特点和应用范围………………………………… 83
4.7 冲击高压试验……………………………………………………………… 85
4.7.1 冲击电压发生器的原理…………………………………………… 85
4.7.2 冲击高电压的测量………………………………………………… 91
4.7.3 绝缘的冲击耐压试验……………………………………………… 93
第5章 线路和绕组中的波过程…………………………………………………… 95
5.1 无损耗单导线中的波过程………………………………………………… 95
5.1.1 波传播的物理概念………………………………………………… 95
5.1.2 波动方程及其解…………………………………………………… 95
5.1.3 波速及波阻抗……………………………………………………… 97
5.2 行波的折射与反射………………………………………………………… 98
5.2.1 行波的折射、反射规律…………………………………………… 98
5.2.2 彼德逊法则……………………………………………………… 102
5.3 行波通过串联电感和并联电容………………………………………… 103
5.3.1 无限长直角波通过串联电感…………………………………… 103
5.3.2 无限长直角波通过并联电容…………………………………… 104
5.4 行波的多次折、反射……………………………………………………… 105
5.5 无损耗平行多导线中的波过程………………………………………… 107
5.6 冲击电晕对线路波过程的影响………………………………………… 111
5.6.1 对导线耦合系数的影响………………………………………… 111
5.6.2 对波阻抗和波速的影响………………………………………… 111
5.6.3 对波形的影响…………………………………………………… 112
5.7 变压器绕组中的波过程………………………………………………… 112
5.7.1 单相绕组中的波过程…………………………………………… 113
5.7.2 三相绕组中的波过程…………………………………………… 116
5.7.3 变压器绕组之间的波过程……………………………………… 118
第6章 雷电及防雷装置…………………………………………………………… 119
6.1 雷电放电和雷电过电压………………………………………………… 119
6.1.1 雷云的形成……………………………………………………… 119
6.1.2 雷电放电过程…………………………………………………… 120
6.1.3 雷电参数………………………………………………………… 121
6.1.4 雷电过电压的形成……………………………………………… 125
6.2 避雷针和避雷线的保护范围…………………………………………… 128
6.2.1 概 述…………………………………………………………… 128
6.2.2 避雷针…………………………………………………………… 129
6.2.3 避雷线…………………………………………………………… 132
6.3 避雷器…………………………………………………………………… 133
6.3.1 保护间隙………………………………………………………… 133
6.3.2 管式避雷器……………………………………………………… 134
6.3.3 普通阀式避雷器………………………………………………… 135
6.3.4 磁吹避雷器……………………………………………………… 138
6.3.5 金属氧化物避雷器(MOA)……………………………………… 140
6.4 防雷接地装置…………………………………………………………… 144
6.4.1 接地装置一般概念……………………………………………… 144
6.4.2 防雷接地及有关计算…………………………………………… 147
第7章 电力系统雷电过电压及其防护…………………………………………… 149
7.1 输电线路的感应雷过电压……………………………………………… 149
7.1.1 无避雷线时的感应过电压……………………………………… 149
7.1.2 有避雷线时的感应过电压……………………………………… 150
7.1.3 雷击线路杆塔时线路上的感应电压…………………………… 150
7.2 架空输电线路的直击雷过电压和耐雷水平…………………………… 151
7.2.1 雷击塔顶时的过电压和耐雷水平……………………………… 151
7.2.2 雷击避雷线档距中央时的过电压……………………………… 154
7.2.3 绕击时的过电压和耐雷水平…………………………………… 155
7.3 架空输电线路的雷击跳闸率及防雷措施……………………………… 156
7.3.1 建弧率…………………………………………………………… 156
7.3.2 有避雷线输电线路雷击跳闸率的计算………………………… 157
7.3.3 输电线路防雷的具体措施……………………………………… 157
7.4 发电厂和变电所的直击雷保护………………………………………… 159
7.4.1 发电厂和变电所装设避雷针的原则…………………………… 160
7.4.2 避雷针与电气设备之间防雷的最小距离的确定……………… 160
7.4.3 装设避雷针(线)的有关规定…………………………………… 161
7.5 变电所雷电侵入波过电压保护………………………………………… 162
7.6 变电所进线段保护……………………………………………………… 165
7.6.1 未沿全线架设避雷线的35kV 以上变电所的进线段保护…… 166
7.6.2 35kV 小容量变电所的进线段保护…………………………… 168
7.6.3 土壤高电阻率地区变电所的进线段保护……………………… 168
7.6.4 全线有避雷线的变电所的进线段保护接线…………………… 169
第8章 内部过电压………………………………………………………………… 170
8.1 工频过电压……………………………………………………………… 171
8.1.1 空载长线路的电容效应………………………………………… 171
8.1.2 不对称短路引起的工频电压升高……………………………… 173
8.1.3 甩负荷引起的工频电压升高…………………………………… 174
8.2 谐振过电压……………………………………………………………… 175
8.2.1 线性谐振过电压………………………………………………… 175
8.2.2 铁磁谐振过电压………………………………………………… 175
8.2.3 参数谐振过电压………………………………………………… 177
8.3 切除空载线路过电压…………………………………………………… 178
8.3.1 物理过程………………………………………………………… 178
8.3.2 影响因素和降压措施…………………………………………… 180
8.4 合空载线路过电压……………………………………………………… 181
8.4.1 发展过程………………………………………………………… 181
8.4.2 影响因素和限制措施…………………………………………… 184
8.5 切除空载变压器过电压………………………………………………… 185
8.5.1 发展过程………………………………………………………… 185
8.5.2 影响因素与限制措施…………………………………………… 187
8.6 断续电弧接地过电压…………………………………………………… 188
8.6.1 发展过程………………………………………………………… 188
8.6.2 防护措施………………………………………………………… 191
第9章 电力系统绝缘配合………………………………………………………… 194
9.1 绝缘配合的概念和原则………………………………………………… 194
9.1.1 绝缘配合的概念………………………………………………… 194
9.1.2 绝缘配合的原则………………………………………………… 194
9.2 中性点接地方式对绝缘水平的影响…………………………………… 196
9.3 绝缘配合惯用法………………………………………………………… 197
9.4 架空输电线路的绝缘配合……………………………………………… 201
9.4.1 绝缘子串的选择………………………………………………… 201
9.4.2 空气间距的选择………………………………………………… 204
第10章 电力设备的在线监测与故障诊断……………………………………… 207
10.1 概 述…………………………………………………………………… 207
10.1.1 电力设备的绝缘故障及其危害………………………………… 207
10.1.2 在线监测与状态维修的必要性及意义………………………… 208
10.1.3 在线监测技术的发展概况及基本技术要求…………………… 210
10.2 在线监测系统的组成和分类…………………………………………… 212
10.2.1 系统的组成……………………………………………………… 212
10.2.2 系统的分类……………………………………………………… 216
10.2.3 专家系统在故障诊断中的应用………………………………… 216
10.3 GIS和高压断路器的在线监测与故障诊断…………………………… 218
10.3.1 概 述…………………………………………………………… 218
10.3.2 高压断路器的监测内容………………………………………… 220
10.3.3 GIS绝缘故障的监测与诊断…………………………………… 222
10.3.4 SF6气体泄漏的检测…………………………………………… 223
10.4 变压器油中溶解气体的监测与诊断…………………………………… 223
10.4.1 油中气体的产生………………………………………………… 223
10.4.2 油中溶解气体的在线监测……………………………………… 225
10.4.3 油中气体分析与故障诊断……………………………………… 225
10.5 变压器局部放电的在线监测…………………………………………… 227
10.5.1 局部放电对绝缘劣化的影响…………………………………… 227
10.5.2 局部放电信号的监测…………………………………………… 228
10.5.3 局部放电在线监测系统………………………………………… 229
参考文献……………………………………………………………………………… 230