高电压技术 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子版 mobi 在线

本书介绍了各种电介质的放电过程、发展机理与绝缘特性； 交、直流高电压以及冲击高电压的产生原理、基本装置及其测量方法，相关绝缘的试验技术； 电力系统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。本书内容是经过精选的，既突出基本概念，适当反映高电压技术的新成就，又兼顾不同水平读者的需求，易于阅读，具有实用性。

本书既可以作为普通高等院校电气类专业课教材，也可以作为大专、成人教育和电力部门职工培训教学用书，还可以作为从事电力系统设计、安装、调试及运行的工程技术人员的参考用书。

第1章气体放电的基本物理过程

1.1带电质点的产生与消失

1.1.1带电质点的产生

1.1.2带电质点的消失

1.2均匀电场小气隙的放电过程

1.2.1汤逊理论

1.2.2巴申定律

1.3均匀电场大气隙的放电过程

1.3.1空间电荷对气隙电场的畸变

1.3.2流注的形成

1.4不均匀电场的放电过程

1.4.1稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分

1.4.2极不均匀电场的电晕放电

1.4.3极不均匀电场的放电过程

1.5放电时间和冲击电压下的气隙击穿

1.5.1放电时间

1.5.2冲击电压波形的标准化

1.5.3冲击电压下气隙的击穿特性

1.6沿面放电与污秽放电

1.6.1沿面放电的一般过程

1.6.2绝缘子的干闪与湿闪

1.6.3绝缘子的污闪

习题

第2章气体介质的电气强度

2.1不同电压形式下气隙的击穿电压

2.1.1均匀电场气隙的击穿电压

2.1.2稍不均匀电场气隙的击穿电压

2.1.3极不均匀电场气隙的击穿电压

2.2大气条件对空气间隙击穿电压的影响

2.2.1气压、温度对击穿电压的影响

2.2.2湿度对击穿电压的影响

2.2.3海拔高度对击穿电压的影响

2.3提高气隙击穿电压的措施

2.3.1改善电场分布使之尽量均匀

2.3.2削弱气体的游离过程

2.4六氟化硫(SF6)气体的理化特性和绝缘特性

2.4.1SF6气体的理化特性

2.4.2SF6气体的绝缘特性

习题

第3章液体、固体电介质的电气性能

3.1电介质的极化、电导和损耗

3.1.1电介质的极化

3.1.2电介质的电导

3.1.3电介质的损耗

3.2液体电介质的击穿

3.2.1液体电介质的击穿机理

3.2.2影响液体电介质击穿电压的因素

3.2.3提高液体电介质击穿电压的方法

3.3固体电介质的击穿

3.3.1固体电介质的击穿理论

3.3.2影响固体电介质的击穿电压的因素

3.3.3提高固体电介质的击穿电压的措施

3.4电介质的老化

3.4.1电老化

3.4.2热老化

3.4.3受潮老化

3.5组合绝缘的介电常数、介质损耗和击穿特性

3.5.1组合绝缘的介电常数与介质损耗

3.5.2组合绝缘的击穿特性

习题

第4章绝缘的预防性试验

4.1绝缘电阻和吸收比的测量

4.1.1兆欧表的工作原理

4.1.2绝缘电阻和吸收比的测量

4.1.3测量时的注意事项

4.2直流泄漏电流的测量

4.2.1直流高电压的产生

4.2.2试验接线

4.2.3微安表的保护

4.2.4影响测量结果的主要因素

4.3介质损失角正切值的测量

4.3.1西林电桥的基本原理

4.3.2影响测量结果的主要因素

4.4局部放电的测量

4.4.1测量的基本原理

4.4.2局部放电的检测方法

4.4.3测量时的注意事项

习题

第5章高压试验设备及高电压的测量

5.1工频高压试验设备及其测量

5.1.1交流高压试验设备

5.1.2工频高电压的测量

5.2直流高压试验设备及其测量

5.2.1直流高压试验设备

5.2.2直流高压的测量

5.3冲击高压试验设备及其测量

5.3.1雷电冲击电压的产生

5.3.2操作冲击电压的产生

5.3.3冲击高电压的测量

习题

第6章线路和绕组中的波过程

6.1均匀无损单导线线路中的波过程

6.1.1波过程的基本概念

6.1.2波过程的基本规律

6.2波的折射与反射

6.2.1行波的折射与反射

6.2.2彼德逊法则

6.3波的多次折射与反射

6.4无损平行多导线系统中的波过程

6.5波的衰减与畸变

6.5.1导线电阻和泄漏电导的影响

6.5.2冲击电晕的影响

6.6绕组中的波过程

6.6.1变压器绕组中的波过程

6.6.2旋转电机绕组中的波过程

习题

第7章雷电及防雷保护装置

7.1雷电放电

7.1.1先导放电阶段

7.1.2主放电阶段

7.1.3余辉放电阶段

7.2雷电参数及计算模型

7.2.1雷电参数

7.2.2雷电放电的计算模型

7.2.3感应雷击过电压

7.3避雷针和避雷线的保护范围

7.3.1避雷针的保护范围

7.3.2避雷线的保护范围

7.4避雷器

7.4.1保护间隙和排气式避雷器

7.4.2阀式避雷器

7.4.3金属氧化物避雷器

7.5接地装置

7.5.1接地和接地电阻的基本概念

7.5.2工作接地、保护接地与防雷接地

7.5.3工程实用的接地装置

7.5.4降低接地电阻的措施

7.5.5土壤电阻率测试

7.5.6接地电阻的测量

习题

第8章电力系统的防雷保护

8.1输电线路的防雷保护

8.1.1输电线路的耐雷性能指标

8.1.2输电线路耐雷性能的分析

8.1.3输电线路的雷击跳闸率

8.1.4输电线路的防雷保护措施

8.2发电厂、变电站的防雷保护概述

8.2.1直击雷过电压的防护

8.2.2侵入波过电压的防护

8.2.3变电站的进线段保护

8.3发电厂、变电站主要设备防雷保护

8.3.1变压器的防雷保护

8.3.2气体绝缘变电站（GIS）的过电压保护

8.3.3旋转电机的防雷保护

习题

第9章电力系统内部过电压

9.1切除空载线路过电压

9.1.1发展过程

9.1.2影响因素和限制措施

9.2空载线路合闸过电压

9.2.1发展过程

9.2.2影响因素和限制措施

9.3切除空载变压器过电压

9.3.1发展过程

9.3.2影响因素和限制措施

9.4间歇电弧接地过电压

9.4.1发展过程

9.4.2影响因素和限制措施

9.5工频电压升高引起过电压

9.5.1空载长线路电容效应引起的工频过电压

9.5.2不对称接地引起的工频过电压

9.5.3甩负荷引起的工频过电压

9.6电力系统中的谐振过电压

9.6.1谐振过电压的种类

9.6.2非线性（铁磁）谐振的特点

习题

第10章电力系统绝缘配合

10.1绝缘配合的基本概念

10.2绝缘配合的基本方法

10.2.1多级配合

10.2.2两级配合（惯用法）

10.2.3统计法

10.2.4简化统计法

10.3电气设备绝缘水平的确定

10.4架空输电线路绝缘水平的确定

10.4.1绝缘子片数的确定

10.4.2空气间隙的确定

习题

参考文献

附录

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第1章气体放电的基本物理过程

电气设备通常由导体和绝缘体共同组成，设备的导电回路由各种金属材料构成，而设备不同电位的导电体之间及与大地可靠地隔离则由各种绝缘材料来实现。事实表明，绝缘体是各类电气设备中的关键部分，也是比较薄弱的部分，其性能的优劣直接决定着设备及系统能否安全可靠地运行。大多数电力系统故障都是由于绝缘遭到破坏而引起的，因此研究各类电介质在高电压作用下的电气特性具有重大的现实意义。电介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的，就其形态而言可分为气体电介质、液体电介质和固体电介质。在实际的电气设备绝缘结构中采用的通常是由多种电介质构成的组合绝缘。比如电气设备的外绝缘通常由气体介质和固体介质共同构成，内绝缘往往由固体介质和液体介质共同组成。所有电介质的电气强度都是有一定限度的，超过这个限度，电介质就会逐渐失去其原有的绝缘性能，甚至会成为导体。在电场的作用下，电介质中出现的电气现象主要有以下两类。（1） 弱电场下（当电场强度比击穿场强小得多时），主要是极化、电导、介质损耗等。（2） 强电场下（当电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强时），主要是放电、闪络、击穿等。气体放电理论也是液体介质、固体介质放电理论的基础。所以，本书首先介绍气体电介质的放电理论。1.1带电质点的产生与消失1.1.1带电质点的产生

纯净的、中性状态的气体是不导电的，只有气体中出现带电质点（电子、负离子或者正离子）以后才有可能导电，并在电场力作用下发展成各种形式的气体放电现象。带电质点的来源主要有两个： 一是气体中性质点（原子）本身发生游离； 二是位于气体中的金属表面发生游离。气体质点的游离所需要的能量称为游离能，随着气体种类的不同，游离能一般为10～15eV（1eV=16021892×10-19J）。金属表面游离所需要的能量称为逸出功，因金属不同，游离能一般为1～5eV。按照外界能量来源的不同，通常把游离分为以下几种形式。1. 碰撞游离

带电质点在电场力的作用下沿电场方向不断加速并积累动能，当动能积累到一定数值后，该带电质点与气体中的原子或分子发生碰撞并将自己的动能传递给后者使其产生游离，这种由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。在气体放电过程中，碰撞游离主要由自由电子与气体原子或分子碰撞而引起(离子体积和质量较大，在碰撞前难以积累起足够的能量，产生碰撞游离的可能性很小)，电子在碰撞游离中起主导作用。电子在电场力作用下加速所获得的动能与电子电荷量、电场强度以及碰撞前的行程有关，即： 

12mv2=eEx(11)

式中： m为电子的质量； v为电子的运动速度； e为电子电荷量； E为电场强度； x为碰撞前电子的自由行程。高速运动的质点与中性原子或分子碰撞时，若原子或分子获得的能量大于或等于其游离能，则会发生游离。因此产生碰撞游离的条件如下： 

eEx≥Wi或x≥UiE(12)

式中： Wi为气体分子或原子的游离能。质点两次碰撞之间的距离称为自由行程，每两次碰撞间的自由行程长度不同，具有统计性，我们将单位行程中碰撞次数的倒数称为该质点的平均自由行程长度。显然，质点的平均自由行程长度与气压成反比，与温度成正比。一般情况下，平均自由行程长度越长，则越容易发生碰撞游离。2. 光游离由光辐射引起的气体原子或分子的游离过程称为光游离。短波射线的光子具有很大的能量，与电子碰撞一样，如果光子的能量大于或等于原子或分子的游离能，碰撞后则会产生光游离。光子在碰撞后把能量传给原子或分子，而其自身不再存在。产生光游离的条件如下： 

hf≥Wi或λ≤hcWi(13)

式中： h为普朗克常数(h=6.63×10-34J·s)； f为光的频率； λ为光的波长； c为光速(c=3×108m/s)。由式(13)可知，光的波长越短，光子的能量越大，游离能力就越强。因此，通常情况下可见光是不能直接产生光游离的，只有各种短波长的高能辐射线(例如γ射线、X射线以及短波长的紫外线等)才能使气体产生光游离。在气体放电过程中，异号带电质点复合时会以光子的形式放出多余的能量，这甚至会使气体间隙中电离区以外的空间发生光游离，促使电离区进一步拓展。因此光游离是气体放电过程中一种重要的游离方式。3. 热游离常温下气体原子或分子的热运动所具有的平均动能远低于其游离能，不具备产生热游离的条件。当温度升高时，气体质点的热运动也会有所增强。在高温下(例如发生电弧放电时，弧柱的温度高达数千摄氏度以上)，质点热运动时相互碰撞而产生的游离称为热游离。热游离往往并不是一种独立的游离形式，通常是在热状态下所发生的碰撞游离和光游离的综合。产生热游离的条件如下:

32KT≥Wi(14)

式中： K为玻尔兹曼常数； T为热力学温度。热游离有以下三种形式。(1) 高温时，高速运动的气体分子相互碰撞而产生的游离。(2) 气体分子因碰撞失去动能而释放出光子，温度升高导致光子的频率及能量增加，因而在高温时光子与气体分子相遇而产生游离。(3) 上述两种游离产生的电子与中性质点碰撞而产生的游离。4. 电极表面游离以上讨论的是气体在气隙空间里带电质点的产生过程，实际上，在气体放电中还存在着金属电极阴极表面发射电子的过程，称为金属电极表面游离。使阴极表面发射电子所需要的能，称为逸出功，逸出功与电极的微观结构及其表面状态有关，而与金属的温度基本无关。一般电极表面发射电子要比在空间使气体分子游离容易得多。电极表面游离有以下四种形式。(1) 光电子发射： 用短波长的光照射金属电极阴极表面，当光子能量大于逸出功时，阴极表面将释放出电子。(2) 热电子发射： 金属电极表面受热，电子热运动速度增大，其能量超过逸出功，电子逸出电极表面。(3) 强电场发射： 当电极附近的电场特别强时，金属表面的电子被强行拉出。这种发射所需外电场极高(一般在106V/cm数量级)。通常情况下气隙的击穿场强远低于此值，一般气隙的击穿过程中不会出现强电场发射。强场发射只在某些高压强或高真空下气隙的击穿时才有重要意义。(4) 二次发射： 具有足够能量的质点(例如正离子)撞击金属电极阴极表面，使其释放出电子。5. 负离子的形成电子与气体原子或分子碰撞时，不但有可能发生碰撞电离产生正离子和电子，也有可能发生电子附着过程而形成负离子。某些气体分子对电子具有亲和性，当它们与电子结合成负离子时会释放出能量(电子亲和能)，也有一些气体分子在与电子结合成负离子时却要吸收能量。前者的亲和能为正值，这些容易产生负离子的气体称为电负性气体。容易吸附电子形成负离子的电负性气体如氧、氛、氟、水蒸气和六氟化硫气体等。

负离子的形成并没有使气体中的带点粒子数量发生变化，然而却能使自由电子的数量减少，对气体放电的发展有一定抑制作用，因此也将其看作是一种去游离的因素。1.1.2带电质点的消失当气体中发生放电时，除了有不断产生带电质点的游离过程外，还存在一个相反的过程，即带电质点的消失过程，它将使带电质点从游离区消失。气体中的放电是不断发展以致击穿，还是气体尚能保持其电气强度而起绝缘作用，主要就取决于上述两种过程的发展情况。气体中带电质点的消失有如下几种基本形式。1. 带电质点的漂移带电质点在与气体原子或分子碰撞后会发生散射，但是从宏观角度看是向电极方向作定向运动的。带电质点在外电场驱动下作定向运动，终消失于电极面形成回路电流，从而气体中的带电质点的数量有所减少，这种现象称为带电质点的漂移。电子的漂移速度远远大于离子，因此放电电流主要由电子的漂移运动产生。2. 带电质点的扩散带电质点的扩散是指带电质点从浓度较大的区域移动到浓度较小的区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。带电质点的扩散同气体分子的扩散一样，都是由热运动造成的，故它与气体的状态有关，气体的压力越高或温度越低，扩散过程也就越弱。电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此电子的扩散过程比离子要强得多。3. 带电质点的复合带异号电荷的质点相遇时，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程称为带电质点的复合。复合的速度与异号电荷浓度、相对速度等因素有关。异号电荷的浓度越大，复合过程也越快、越强烈，因此，强烈的游离区同时也是强烈的复合区。异号电荷之间的相对速度越小，相互作用的时间就越长，复合的可能性也越大。电子的运动速度比离子要大得多，所以正、负离子之间的复合远比正离子、电子之间的复合容易得多。需要注意的是，带电粒子的复合并不一定意味着游离减弱。因为某些情况下，在带电质点的复合过程中因发光而引起的光电离会促进放电在整个间隙的发展。1.2均匀电场小气隙的放电过程1.2.1汤逊理论

20世纪初，英国物理学家汤逊根据大量的实验提出了气体放电的理论，阐述了放电过程，并在一系列假设的前提下，提出了放电电流和击穿电压的计算公式，计算公式在一定范围内与实验吻合较好。尽管汤逊理论有很多不足，并且适用范围也有很大的局限性，但它所描述的放电过程是很基本的，具有普遍意义。1. 气隙的伏安特性曲线采用如图11所示的平行板电极装置，对均匀电场空间气隙的伏安特性进行测试。在外界光源(天然辐射或人工紫外线)的照射下，对极间介质为空气的两平行平板电极施加电压，当电压从零逐渐升高时，得到气隙间电流与所加电压之间的变化关系如图12所示，即气隙放电的伏安特性曲线。由图12可以看出，当电压很低时也有电流流过气隙，即气隙中有电荷的定向移动。那么这些移动的电荷是如何产生的呢？汤逊理论认为，空气中由于宇宙射线和地球放射性物质射线的作用，总是存在中性质点光游离和带电质点复合的过程。同时，阴极受电极表面游离的作用，也要向气隙发射电子。因此通常情况下空气中总是存在少量带电质点，这些带电质点在外电场作用下作定向移动形成了电流。具体过程如下。

图11实验原理

图12气隙伏安特性曲线

(1) 线性段： 初始时，随着外加电压的升高，越来越多的带电质点参与了定向移动，并且运动速度也逐渐加大，这导致了间隙中的电流也随之近似成比例增大，如图中的Oa段所示。(2) 饱和段： 到达a点后，电流几乎不再随电压的增大而增大，因为这时在单位时间内所有由外界游离因素产生的有限带电质点已经全部参与了导电，故电流趋于饱和，如图中ab段所示。饱和段ab的电流密度很小(一般只有10-19A/cm2的数量级)，因此气隙的绝缘状态仍然良好。(3) 碰撞游离段： 当到达b点以后，间隙中的电流又继续随外加电压的升高而增大。因为此时电子在足够强的电场作用下积累起足以引起碰撞游离的动能，使间隙中带电质点的数量骤增，如图中bc段所示。

(4) 自持放电段： 当电压继续升高至某临界值U0以后，电流急剧突增，同时伴随着产生明显的外部特征，如发光、发声等现象，此时气体间隙突然变为良好的导电状态，即气体发生了击穿。

实验表明，当外加电压小于U0时，气体间隙中电流极小，气体本身的绝缘性能尚未被破坏。此时若去掉外界游离因素，电流也将消失，我们把这类放电称为非自持放电。当外加电压达到U0以后，即使去掉外界游离因素，气体中的游离过程仅仅依靠外电场的作用也可以自行维持，我们把这类放电称为自持放电。气隙伏安特性曲线上的c点就是非自持放电和自持放电的临界点，由非自持放电转变为自持放电的临界电压U0被称为起始放电电压，其对应的电场强度为起始放电场强。在均匀电场中，由于各处的场强相等，只要任意一处开始出现自持放电，就意味着整个间隙将被完全击穿，故均匀电场中的起始放电电压就等于间隙的击穿电压。在标准大气条件下，均匀电场中空气间隙的击穿场强(也称为气体的电气强度)约为30kV/cm(峰值)。2. 电子崩与汤逊游离系数α如图13所示，假设由于外电离因素的作用，在阴极附近出现一个初始电子，这一电子在向阳极运动时，如果电场强度足够大，则会发生碰撞游离，产生一个新电子。新电子与初始电子在向阳极的行进过程中还会发生碰撞游离，产生两个新电子，电子总数增加到4个。第3次碰撞游离后电子数将增加至8个，即按几何级数不断增加。由于电子数如雪崩式地增长，所以将这一剧增的电子流称作电子崩。图13所示为电子崩发展的示意图，但此时的放电仍属非自持放电。为了分析电子碰撞电离产生的电流，引入电子碰撞电离系数α，它表示一个电子沿着电场方向行进的过程中，在1cm的距离内平均发生的碰撞游离次数，也称为汤逊游离系数。电子崩的发展过程也称为α过程，α值与气体的种类、气体的相对密度和电场强度有关。实验和理论分析可得其关系为

α=Aδe-BδE(15)

式中： A、B均为与气体性质有关的常数，对于空气，A=109.61kV/kPa，B=2738.4kV/kPa； δ为气体的相对密度； E为电子所在点的气体的电场强度。假设在外界游离因素的作用下，阴极表面释放出n0个电子，如图14所示。在外电场作用下，这n0个电子向阳极运动，并不断产生碰撞游离，行经距离x时电子数量增加到n个。这n个电子再行经距离dx，电子的增量为dn，则:

dn=nαdx(16)

图13电子崩发展的示意图

图14均匀电场中电子崩电子数的计算

对上式两端进行积分有： 

∫nn0dnn=∫x0αdx(17)

因此可得： 

n=n0e∫x0αdx(18)

对于均匀电场，α不随x变化，所以可以写出： 

n=n0eαx(19)

n0个电子在电场作用下不断产生碰撞游离，发展电子崩，经距离d后的所产生的电子数为

nd=n0eαd(110)

式(110)反映的是气隙中电子数量的变化规律。3. 汤逊第二游离系数β一个正离子沿电场方向行进的过程中，在单位距离内平均发生碰撞游离的次数称为正离子碰撞游离系数，记为β，也称为汤逊第二游离系数。由于正离子质量大，在外电场作用下不易加速，并且体积大，平均自由行程短，所以在运动中不易积累起引起碰撞游离的能量，所以β值极小，在分析时可不予考虑。4. 汤逊第三游离系数γ与自持放电的条件除了上述讨论的两电极间气隙中的碰撞游离之外，正离子在外电场作用下向阴极移动，当与阴极表面撞击时，如果能量大于阴极材料的逸出功，则可使阴极表面游离而发射电子。一个正离子在电场作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面游离的电子数被称为汤逊第三游离系数，记为γ。γ的大小与阴极材料和气体种类有关，在空气中，γ铜=0025，γ铝=0.035。假设初始时外界光电离因素在阴极表面产生了n0个自由电子，由上述分析可知，此n0个电子到达阳极表面时由于发生α过程，电子总数增长至n0eαd个。因在对α过程进行讨论时已假设每次碰撞电离撞出一个正离子，故电极空间中共有n0(eαd-1)个正离子。按照系数γ的定义，此n0(eαd-1)个正离子在到达阴极表面时可以撞出γn0(eαd-1)个新电子，如果这γn0(eαd-1)个新电子与初始时外界光电离因素在阴极表面产生的n0个自由电子个数相等，那么即使去掉外界的光电离因素放电也能维持下去。由此可见自持放电的条件为

γ(eαd-1)=1(111)

上述过程可用图15加以概括，当自持放电条件得到满足时，就会形成图中闭环部分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去，而不再依赖外界电离因素的作用。

图15低气压、短气隙情况下的气体放电过程

5. 击穿电压Ub的计算根据自持放电条件，即式(111)可以推导出自持放电时的放电电压。对于均匀电场，自持放电电压就是气隙的击穿电压，即： 

Ub=Ebd(112)

式中： Eb为空气的击穿场强，Eb=30kV/cm； d为极板之间的距离，cm。

由自持放电条件可得： 

αd=ln1 1γ

因为α=Aδe-BδEb=Aδe-BδdUb，所以可得

Aδde-BδdUb=ln1 1γ

经整理可得气隙击穿电压为

Ub=BδdlnAδdln1 1γ(113)

由式(113)可以得出以下两个结论。(1) 气隙击穿电压与阴极材料和气体性质有关。(2) 均匀电场气隙的击穿电压不仅与气隙宽度有关，还与气体分子相对密度有关，是二者乘积的函数，只要二者乘积不变，Ub也不变。1.2.2巴申定律其实早在汤逊理论出现之前，科学家巴申就于19世纪末对气体放电进行了大量的实验研究，并对均匀电场中的气体放电做出了放电电压与气压p

和放电距离d的乘积的关系曲线，即Ub=f(pd)，如图16所示。从图中可以看出，曲线呈U形，分为左右两半支，并在某pd值时曲线有极小值。

图16均匀电场中空气击穿电压Ub与pd关系曲线

根据汤逊理论，也可得出上述的函数关系Ub=f(δd)。因此，巴申定律可从理论上由汤逊理论得到佐证，同时也给汤逊理论以实验结果的支持。以上分析是在假定气体温度不变的情况下做出的。为了考虑温度变化的影响，巴申定律更普遍的形式是以气体的密度代替压力。对空气而言，可用Ub=f(δd)表示，其中δ为空气的相对密度，即实际的空气密度与标准大气条件下的密度之比。1.3均匀电场大气隙的放电过程汤逊放电理论可较好地解释低气压、短间隙、均匀电场中的放电现象，δd过大或过小时，放电机理将出现变化，汤逊理论就不适用了。通常认为δd>0.26cm(pd>200mmHg·cm)时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结果不再适用。于是在汤逊理论的基础上，由洛伊布(Leob)和米克(Meek)等通过大量的实验研究及对雷电的观测，提出了流注放电理论。流注理论认为电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，并且考虑了空间电荷畸变电场的作用。但流注理论还很粗糙，目前只能做定性描述。1.3.1空间电荷对气隙电场的畸变当外电场足够强时，一个由外界游离因素产生的初始电子，在从阴极向阳极运动的过程中产生碰撞游离而发展成为电子崩，这种电子崩称为初始电子崩，简称为初崩或主崩。由于电子的质量小，因此在外电场的作用下很容易获得加速，以很高的速度移动在电子崩的头部。而正离子质量大，体积也比电子大得多，所以缓慢地移动在电子崩的后部(向阴极移动)。由于电子的扩散作用，电子崩在发展过程中半径逐渐增大，其外形如一个头部为球形的圆锥体，如图17(a)所示。

图17电子崩中空间电荷对均匀

电场的畸变

当电子崩发展到一定程度后，电子崩形成的空间电荷的电场将大为增强，使总的合成电场明显发生畸变。其结果是增强了崩头及崩尾的电场，而削弱了电子崩内正负电荷区域之间的电场，如图17(b)所示。崩头前面电场被加强得，有利于初崩向前发展或产生新电子崩。崩内正负空间电荷混杂处的电场被大大减弱，这有利于电荷的复合和强烈的反激励(由激励状态恢复到正常状态的过程称为反激励)。复合与反激励会以光能的形式释放出游离与激励时质点所吸收的能量。当光子能量大于中性质点的游离能时，可能形成光游离。初崩尾部电场的加强有利于光游离出的光电子(由光子撞击中性质点而产生的自由电子称作光电子)形成新的电子崩，这个由初崩中释放出的光电子形成的电子崩称为二次电子崩。1.3.2流注的形成

图18正流注的产生及发展

如果外施电压等于气隙的击穿电压，当初崩发展到阳极时，如图18(a)所示，初崩过程中所产生的电子消失于阳极中，并向周围放射出大量的光子，留下来的大量正离子(在初崩头部密度)使尾部的电场大大增强。这些光子在附近的气体中引起了光游离，于是在空间产生光电子，如图18(b)所示。新形成的光电子被主崩头部的正空间电荷吸引，在受到畸变而加强了的电场中，又激烈地造成了新的电子崩(二次电子崩)，如图18(c)所示。二次崩头部的电子被主崩头部的正空间电荷吸引进入主崩头部区域，由于这里电场强度很小，所以电子大多形成负离子。大量的正负离子汇合后形成的混合通道，称为流注。如图18(d)、(e)所示。流注通道导电性良好，其头部聚集着大量的由二次崩所形成的正电荷，这使流注头部前方出现更强的电场。同时，由于很多二次崩汇集的结果，流注头部游离过程继续发展，向周围发射出大量光子，继续引起空间光游离。于是在流注前方出现了新的二次崩，它们被吸引到流注头部，从而延长了流注通道。如图18(d)所示。这样，流注不断向阴极推进，且随着流注向阴极的接近，其头部电场越来越强，因而其发展速度越来越快。当流注发展到阴极后，整个间隙被导电性能良好的等离子通道所贯通，导致整个间隙的击穿，如图18(e)所示。以上介绍的是电压较低，电子崩经过整个间隙才能形成流注的情况，由于这种流注由阳极向阴极发展，故称为正流注。若外加电压比气隙的击穿电压高得多时，则初崩不需走完整个间隙，其头部已积累到足够多的空间电荷，发的光足以使主崩前方以及尾部的部分中性质点光游离而产生光电子。崩头前方的光电子在畸变后的电场作用下，向阳极高速移动，形成二次电子崩。初崩头部负电荷与二次电子崩尾部正电荷汇合形成由阴极向阳极发展的流注，称为负流注。同时初崩尾部的光电子形成的二次电子崩崩头与初崩正电荷区汇合成向阴极发展的正流注，当正、负流注贯通两极时，气隙击穿，负流注的发展过程如图19所示。需要注意的是，在负流注的发展过程中，电子的运动受到了电子崩留下的正电荷的吸引，故其发展速度要小于正流注。

图19负流注的产生及发展

1.4不均匀电场的放电过程1.4.1稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分

在电力工程的大多数实际绝缘结构中，电场都是不均匀的。所谓不均匀电场，就是电场内各处的电场强度不相等。按照电场的不均匀程度，又可以分为稍不均匀电场和极不均匀电场。稍不均匀电场的放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，将会立即导致整个气隙的击穿(球隙和全封闭组合电器中的分相母线筒都是典型的稍不均匀电场实例)。极不均匀电场的放电特性则与此大不相同，由于电场强度沿着气隙的分布极不均匀，因此当所加电压达到某个临界值时，小曲率半径电极附近的空间电场强度首先达到了放电起始场强，因而在这个局部空间内率先出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区的局部放电称为电晕放电，发生电晕时气隙总的来说仍保持着绝缘状态，还没有被击穿(如棒棒间隙、棒板间隙等都是典型的极不均匀电场实例)。

为了表示各种结构的电场的不均匀程度，引入电场不均匀系数f，它等于电场强度

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书摘插图

前言

高电压技术是电气技术领域通用性较强的学科，主要研究在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象，高电压设备的绝缘结构设计，高电压试验和测量的设备及方法，电力系统的过电压、高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压、大电流的应用等。展望高电压技术的发展，它和其他学科之间的相互融合、相互渗透将会使其自身发展的同时不断吸收其他学科的新成果、新技术。另外，高电压技术将会在材料、环保、新能源、电力工程等诸多领域发挥重要的作用。

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编者2018年3月