《高电压技术》总结
一、前言
在自学固液体电气击穿强度以及雷电和防雷措施两章之后，对整体的放电都有所思考，因此对两章知识作了如下总结。放电的本质从微观上说就是电子及带电离子在电场中运动，造成宏观的放电现象。因此对每种类型的放电现象都从电离说起，接着考虑在外部场强的作用下，带电粒子之后的运动。又因为影响带电粒子的的原因除了有电的作用还有发热的作用，因此又分两个方面考虑。在固体及液体的电气强度这章节中主要就以电击穿及热击穿为主讨论。因为放电有好处也有坏处，因此有必要讨论在自然环境中最多的放电现象——雷电。不做预防措施，雷电会对电气设备造成巨大的冲击。因此就有了雷电防护措施，如避雷线、避雷针、避雷器。学习这些知识让我对现实生活中的设备有了更深一次的理解。
二、固体、液体的电气强度
2.1固体电介质击穿的机理
固体介质的击穿存在两种不同机理：
（1）电击穿：固体电介质中发生碰撞电离，在电场作用下，介质内部少量的可移动的载流子剧烈运动，与晶格上的原子发生碰撞使之游离，介质中带电质点积累的数量和运动的速度达到一定的程度，产生电子崩，使介质失去了绝缘性能，形成导电通道从而击穿。
（2）热击穿：在电场作用下，由于介质损耗产生能量，介质中的电势能转换为热量，当外加电压足够高时，介质可能从散热与发热的平衡状态转入不平衡状态，若发出的热量多于散逸的热量，介质的温度将不断上升，最终造成介质本身的破坏，形成导电通道从而击穿。
（3）电化学击穿：电气设备在运行很长时间之后，运行中绝缘受到电、热、化学、机械力作用，绝缘性能逐渐劣化，这种现象称为老化。由于绝缘老化而最终引起的电击穿或热击穿称为电化学击穿。
2.1.1电击穿的特点
1、击穿电压高、击穿时间短：在较大范围内击穿电压与击穿前时间无关。只有当击穿时间为微秒级以下，击穿电压随着击穿前时间的缩短而提高，与气体放电的伏秒特性类似
2、击穿前介质发热不显著：由于电击穿击穿时间短，其他任何过程来不及发展，在电压很高的情况下就已经形成电击穿。
3、击穿电压与电场的均匀程度有关，与环境温度无关：在均匀场中，在极短时间的脉冲电压作用下，固体的击穿电压与电介质厚度成正比；在长时间电压作用下，击穿电压呈现饱和特性，不再和介质厚度呈线性关系。在不均场中，厚度越大，电场越不均匀，击穿电压不再直线上升，当厚度增加到散热困难时将出现热击穿，讨论就没意义了。
2.1.2热击穿的特点
1、击穿电压相对较低，击穿时间相对较长
2、击穿前电介质发热显著，温度较高
3、击穿电压与电介质温度有较大关系，即与电压作用时间、周围环境温度、散热条件等关系密切。
2.2影响固体电介质击穿电压的因素
2.2.1电压作用时间的影响
简单来说，电击穿与热击穿有明显的分界点。在分界点之前为电击穿，在时间为微秒级以下时，击穿电压随着时间缩短而增加，随着时间增大，电击穿电压几乎不变；时间到达分界点之后，为热击穿，随着作用时间的增加，击穿电压逐渐减小，发生热击穿。
2.2.2温度的影响
温度同样存在临界点，也是电击穿与热击穿的分界点，临界点温度称为Object:word/embeddings/oleObject1.bin。当温度小于Object:word/embeddings/oleObject2.bin时，固体的击穿场强很高，但与温度无关，是电击穿的性质；当温度大于Object:word/embeddings/oleObject3.bin时，环境温度越高，散热条件越差，热击穿电压越低。不同材料的临界温度不同，及时同一介质，当厚度越大时，散热越困难，临界温度越低。
2.2.3电场均匀度和介质厚度的影响
均匀场中：不论所加电压性质和作用时间的长短，在电击穿范围内，击穿场强与介质厚度无关；在热击穿范围内，击穿厚度越大，击穿场强越低。
不均匀场中：不论电击穿或者热击穿，随着介质厚度的增大，平均击穿场强仍将减小。
2.2.4电压频率及种类的影响
在电击穿领域内，若频率的改变不影响电场的均匀程度，则击穿电压与电压频率无关。
在热击穿领域内，击穿电压与Object:word/embeddings/oleObject4.bin呈反比。
由于冲击电压作用时间短，冲击击穿电压工频击穿电压；直流作用下固体介质作用损耗小，直流击穿电压工频击穿电压。
2.2.5受潮度的影响
固体电介质受潮后，其电导率与介质损耗迅速增大，易造成热击穿，击穿电压幅值降低。
2.2.6机械力的影响
当机械力作用于原本有孔隙的介质中，使孔隙缩小，从而提高介质的击穿电压；当机械力作用于原本密集地介质中，使介质产生小裂缝，若放在空气中，则畸变了电场，使击穿电压降低。
2.2.7多层性的影响
注意多层介质的配合。因为当某层介质中的场强超过了该层介质的耐受场强，则该层介质便会击穿，电场畸变易造成其他介质紧接着被击穿。
2.2.8累积效应的影响
固体介质在幅值不高，长期作用的内部过电压或者幅值很高，作用时间很短的雷电过电压作用下，有时虽未形成完全贯穿的击穿通道，但已在电介质中形成局部放电或者不完全击穿。由于大多数固体介质绝缘的损伤是不能恢复的，在多次冲击或者工频电压的作用下，一系列的不完全电压得以发展，从而导致击电压下降的现象，成为“累积效应”。
2.3提高固体电介质击穿电压的方法
2.3.1改进绝缘设计
1、采用合理的绝缘结构，使各部分的电气强度与其所承担的场强有适当的配合；
2、改善电极形状及表面光洁程度，尽可能使电场分布均匀，把边缘效应减小到最小；
3、改善电极与家电介质的接触状态，消除接触处的气隙或使接触处的气隙不承受电位差；
4、改进密封条件，确保可靠性密封。
2.3.2改进制造工艺
尽可能清除固体介质中残留的杂志、气泡、水分等，使固体介质尽可能分布均匀。
2.3.2改善运行条件
1、防止潮气的侵入；
2、防止尘污和各种有害物体的侵蚀；
3、加强散热冷却；
4、防止臭氧机有害物体与绝缘材料的接触等。
2.4液体电介质击穿的机理
充作高压绝缘用的液体介质主要是矿物油和合成油两类。一般常用的为矿物油，按不同成分和不同精制过程后分别适用于不同电气设备的绝缘油，分被称为变压器油、电容器油、电缆油和开关油等。这里主要以变压器油为研究对象，简称为“油”。液体介质的密度比气体介质大，电子的自由行程短，不易积累到足够的动能来产生碰击电离，因此纯净液体介质的耐受强度总比常态下气体介质的耐受强度高很多，前者可达1MV/cm的数量级，而气体介质仅有V/cm的数量级。液体电介质的击穿分为纯净液体介质中的电击穿理论和纯净液体介质的气泡击穿理论来讨论。
（1）纯净液体介质的电击穿原理：可以用电子碰撞理论解释。纯净的液体介质中总是因为液体分子电离，或者由于液体中的微量杂志受电场作用电离出最初的自由电子，这些电子在场强的作用下，与液体分子产生碰撞产生新的电子，电子数倍增，形成电子崩。并且由于正离子在阴极附近加强了阴极附近的场强，是阴极电子数增多，导致液体介质击穿。
（2）纯净液体介质的气泡击穿理论：液体中杂志的介电常数和电导率与纯净液体本身的相应参数不等同，必然造成在杂志附近形成局部场强。在电场力的作用下，杂质逐渐沿电力线排列刑场“小桥”。由于杂质的电导较大，是泄漏电流增大，发热增多，是水分气化形成气泡。由于旗袍的介电常数与电导率比液体介质小很多，根据电场强度与介电常数成反比，在气泡中的场强要比周围液体的场强高很多。然而气泡的耐受强度比液体介质小很多，所以气泡先发生电离，电离过程从气泡开始发展。“小桥”中气泡的增多，将导致“小桥”通道被电离击穿。这一过程属于热击穿领域。
2.5影响液体电介质击穿电压的因素
2.5.1杂志（悬浮水、、纤维）的影响
杂志存在会大大降低液体的击穿电压。电场越均匀，电压作用时间越短，杂质的影响越大。
2.5.2温度的影响
在液体电介质中主要考虑水分的影响，而水分的在液体中的存在受温度的影响，随着温度的升高，水分逐渐从冰转变为悬浮状态的水滴、溶解状态的水和水蒸气。当水处于溶解状态时，对液体的影响最小。
2.5.3电压作用时间的影响
电压作用时间越短、液体的击穿电压越高，因为形成杂志“小桥”需要时间。
2.5.4电场均匀程度的影响
当油的纯净程度较高时，改善电场均匀程度能使工频或直流电压下的击穿电压明显提高。
液体电介质击穿电压的分散性与电场均匀程度有关。工频击穿电压在均匀场中的分散性远大于在不均匀场中的分散性。
在极不均匀场中尖端放电，扰动了间断附近的场强，使杂质小桥难以形成，从而受杂质的影响减小。
2.5.5压力的影响
液体压力越大，分子密度越大，气泡分子的自由行程减小，越难积累足够的动能撞击液体分子发生电离，使得气泡小桥难以形成，使得击穿电压增大。
2.6提高液体电介质击穿电压的方法
2.6.1提高并保持油的品质
减少油中的杂质，提高油的品质可以大大增加油的击穿电压。采用的方法有压力过滤法、真空喷雾法、吸附剂法。目的是采取过滤等手段消除液体中的杂质，并且防止液体与空气接触从空气中吸收水分。该方法能够避免形成“杂志小桥”，从而提高击穿电压。
2.6.2覆盖层
覆盖是紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层，使得“小桥”不能直接接触电极，从而在很大程度上减小了泄漏电流，阻碍了“小桥”热击穿的发展。适用于有本身品质较差、电场较均匀、电压作用时间较长的情况，且能使击穿电压的分散性大大减小。
注：在冲击电压作用下，覆盖基本不起作用。
2.6.3绝缘层
在金属电极表面紧贴较厚的固体绝缘层。该固体绝缘层的介电常数大于液体介质，从而减小了电极附近的电场强度，防止电极附近局部放电的发生。该法适用于不均匀电场，包裹在曲率半径较小的电击上。在变压器中常在高压引线和屏蔽环包裹较厚的绝缘层。
2.6.4屏蔽
屏蔽室放置在电极间隙中的固体绝缘板。它能机械地阻隔杂志“小桥”成串，而且能够在不均匀场中起到聚集空间电荷、改善电场分布的作用。适用于均匀场和不均匀场中电压作用时间较长的情况。对于作用时间很短的冲击电压，则通过阻挡光子的传播阻碍流注的发展，提高冲击击穿电压。
三、雷电及防雷装置
3.1避雷针、避雷线的保护范围
Object:word/embeddings/oleObject5.bin
式中：Object:word/embeddings/oleObject6.bin为避雷针高度；Object:word/embeddings/oleObject7.bin为被保护体的高度；Object:word/embeddings/oleObject8.bin为高度影响系数；Object:word/embeddings/oleObject9.bin为保护半径。
Object:word/embeddings/oleObject10.bin
式中：D为两针尖的距离；Object:word/embeddings/oleObject11.bin、Object:word/embeddings/oleObject12.bin、Object:word/embeddings/oleObject13.bin、Object:word/embeddings/oleObject14.bin同前
注：一般两针距离与针高之比D/h一般不宜大于5。
避雷线一般用于输电线路的直击雷保护。Object:word/embeddings/oleObject15.bin为避雷线保护角，表征对导线的保护程度。雷电避开避雷线击于导线成为绕击，保护角越小，避雷线对导线的屏蔽效果越好，发生绕击的概率越小。
3.2避雷器
保护原理：当雷电入侵波或操作波超过某一电压值后，避雷器将优先于与其并联的被保护电力设备放电，从而限制了过电压，使与其并联的电力设备得到保护。
技术要求：
（1）过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，当然这要由两者的全伏秒特性的配合来保证；
（2）避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在第一次过零时的工频续流。
种类：保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和金属氧化物避雷器。
3.2.1保护间隙
保护间隙常用双羊角状间隙，取其有电弧上吹特性，我国常用于3-10kV电网中。保护间隙有一定的限制过电压效果，但不能避免供电中断。
优点：结构简单、价廉。
缺点：保护效果差，与被保护设备的伏秒特性不易配合；动作后产生的截波，对变压器匝间绝缘有很大的威胁。因此它往往与其它防护措施配合使用。
3.2.2管型避雷器
管式避雷器不但有一个切断电流的下限，而且还有一个切断电流的上限。其安装点最大与最小短路电流要分别小于和大于管式避雷器的上、下限。
管式避雷器伏秒特性陡，放电分散性大，动作产生截波，放电特性受大气条件影响，故它主要用作保护线路弱绝缘，以及电站的进线保护段。
3.2.3阀型避雷器
当过电压达到间隙动作电压，间隙动作，冲击电流经阀片流入大地；之后，阀片仅受到工频电压作用，由于非线性关系，阀片电阻值增高，使流过的工频续流受到限制，并在第一次过零瞬间，由间隙将此续流切断。
注意：避雷器从间隙击穿到工频续流被切断不超过半个周波，因此电网在整个过程均保持正常供电。
阀型避雷器分为普通阀型避雷器和磁吹阀型避雷器。
3.2.4金属氧化物避雷器避雷器（MOA）
金属氧化物主要成份是氧化锌，有时也称为氧化锌避雷器。金属氧化物避雷器有一系列优点：
①非线性系数α值很小。在额定电压作用下，通过的电流极小，因此可以做成无间隙避雷器。
②保护性能好。它不需间隙动作，电压一旦升高，即可迅速吸收过电压能量，抑制过电压的发展；有良好的陡度响应特性；性能稳定。
③金属氧化物避雷器基本无续流，动作负载轻，耐重复动作能力强。
④通流容量大。避雷器容易吸收能量，没有串联间隙的制约，仅与阀片本身的强度有关。同碳化硅（SiC）阀片比较，氧化物阀片单位面积的通流能力大4~4.5倍。
⑤结构简单，尺寸小，易于大批量生产，造价低。
⑥适用于多种特殊需要。
3.3接地装置
接地：就是把设备与电位参照点的地球作电气上的连接，使其对地保持一个低的电位差。
办法：在大地表面土层中埋设金属电极，这种埋入地中并直接与大地接触的金属导体，叫做接地体，有时也称为接地装置。
电力系统的接地按其作用分为工作接地、保护接地和防雷接地三种
①工作接地：为了运行的需要，将电网某一点接地，其目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。
②保护接地：为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘劣化，外壳可能带电而危及工作人员安全。
③防雷接地：导泄雷电流，消除过电压对设备的危害。
④静电接地：在可燃物场所的金属物体接地。
接地装置若按流散电流种类不同，可分为直流接地装置、交流接地装置及冲击接地装置。直流接地装置长期经过较大的工作电流，发热、腐蚀、干扰等问题很突出，与交流与冲击接地装置相比有额外的要求，我们不考虑直流接地问题。
