高電壓工程

《高電壓工程》(第1版)教材出版使用至今已經超過10年，這10年正是我國電力工業發展最快的階段，裝機容量、發電量躍居世界首位，發電量、用電量等指標的增長率甚至可以用空前絕後來形容。十年來我國的電壓等級連續邁上新台階，交流1000 kV和直流±800 kV特高壓分別成為世界上目前投入商業運行的最高交、直流電壓等級。電力工業的大發展，有力地支撐了國民經濟的快速前行。

我國的電力工業正在快速走向世界前列，必然要求高校的人才培養能夠適應這一變化；在超高壓、特高壓輸變電工程中大量採用的新技術、新標準也應該及時在教學中有所體現。在大學的教學中，學科與行業的結合是各國面臨的共同課題。近年來，每次國際大電網委員會(CIGRE)都安排有電氣工程教育(electrical power engineering education,EPEE)的專題會議。在2012年8月CIGRE的EPEE專題會議上，筆者以清華大學電機系電氣工程教育的課程體系為例，交流了我們的探索和體會； 2014年8月CIGRE EPEE的主題更加明確表述為“How to Bridge the Gap Between Industry and Universities”。

這一問題可以從不同的角度進行思考、在不同的課程中進行嘗試，需要在教學過程中結合不同的內容進行探索。大學的課程可劃分為公共基礎課、技術基礎課、專業基礎課和專業課四個層次，大體上對應著大學一年級到四年級的主要學習特點，反映著學生接受高等教育、掌握專業知識的層層遞進的過程。“高電壓工程”是本科生“電氣工程及其自動化”大專業的主要專業基礎課之一，我們對該課程的要求可以歸納為打下基礎、掌握特點和了解行業三個方面。希望學生通過本課程的學習，能夠對高電壓與絕緣技術二級學科有全面的認識，大體掌握其學科基礎、學科特點與主要內容，並對相關行業的技術發展、技術政策和技術標準有所認識、有所了解。

這10年來，融入行業前沿的高電壓工程專業基礎課課程改革先後獲得清華大學和北京市教學成果一等獎，“高電壓工程”課程先後榮獲清華大學、北京市和國家精品課稱號，教學效果連續多年受到同學們的廣泛好評，這一點可以說是同學們對我們在教學上進行持續探索所給予的最大的鼓勵。

本次修訂，將原先高電壓產生與測量的4章進行了適當的精簡，修改、合併為第6章和第7章，將一部分更詳細的內容留待後續課程講解；根據電力系統日益增多的新需求，以及多年來我們在教學中感到需要增強的內容，加強了電場分佈與調控、電介質材料、直流高電壓、SF6絕緣、接地、絕緣配合，改寫了污穢絕緣放電、電介質的性能，新增了空間電荷、電場測量、色譜分析、斷路器的開斷與關合、特快速瞬態過電壓等相關內容；為便於讀者了解各國高電壓實驗室的基本情況，重寫了附錄B；為便於讀者複習和整理，本次修訂大大增加了習題，並在每章開頭梳理了核心概念。由於十年來相關的國家標準、行業標準都經歷了較大幅度的修訂，本教材按照最新的標準對相關內容進行了必要的修改，電路圖和符號也採用了最新國家標準的表述方式。

本教材有幸承蒙談克雄教授和陳昌漁教授進行了認真的審閱。兩位老教授不僅提出了很多寶貴的、有建設性的修改意見，並且提供了許多有價值的參考資料。博士后王家福、助理研究員庄池傑，以及研究生閻志鵬、仵超、高岩峰、黃建文、黃猛進行了大量的數據、圖片、曲線的查證、編輯、校對工作，在此一併致以衷心的感謝。

本次改版，梁曦東負責修訂了第0~3章、附錄，編寫了10.1節；周遠翔負責修訂了第4~7章；曾嶸負責修訂了第8~10章，並與周遠翔共同編寫了7.12節。限於編者的水平，書中難免仍有不當之處，敬請廣大讀者批評指正。

梁曦東

2014年12月於清華園

第0章緒論

0.1高壓輸電的發展

0.1.1高壓輸電的出現與電壓等級的提高

0.1.2交流特高壓輸電

0.1.3遠距離大容量直流輸電

0.1.4節約輸電走廊與環境友好的輸電方式

0.1.5基於大容量電力電子技術的交直流輸電

0.2中國電力工業的現狀與展望

0.2.1發電量與裝機容量

0.2.2電壓等級、電網結構與輸電線路

0.2.3電源結構與可再生能源發電

0.2.4輸變電裝備

0.2.5電網建設與長期缺電

0.2.6中國電力工業的展望

0.3高電壓、高場強下的特殊問題

0.4高電壓下的特殊現象及其應用

第1章氣體放電過程的分析

1.1帶電質點與氣體放電

1.1.1氣體放電的主要形式

1.1.2帶電質點的產生

1.1.3帶電質點的消失

1.2低氣壓下均勻電場自持放電的湯遜理論和巴申定律

1.2.1湯遜理論

1.2.2巴申定律與均勻電場擊穿電壓

1.2.3湯遜放電理論的適用範圍

1.3高氣壓下均勻電場自持放電的流注理論

1.3.1空間電荷對電場的畸變

1.3.2流注的形成

1.3.3均勻電場中的自持放電條件

1.3.4流注理論對放電現象的解釋

1.4高氣壓下不均勻電場氣體擊穿的發展過程

1.4.1電場不均勻程度的劃分

1.4.2極不均勻電場氣體的電暈放電

1.4.3極不均勻電場的極性效應

1.4.4長間隙擊穿過程

1.4.5稍不均勻電場的自持放電條件與極性效應

練習題

第2章不同電壓形式下空氣的絕緣特性

2.1電場分佈的分析與電場調整

2.1.1電場的分佈與典型電極結構

2.1.2電場分佈的數值計算

2.1.3電極表面局部電場的調整

2.2持續作用電壓下空氣的絕緣特性

2.2.1均勻電場中空氣間隙的絕緣特性

2.2.2稍不均勻電場中空氣間隙的絕緣特性

2.2.3極不均勻電場中空氣間隙的絕緣特性

2.3雷電衝擊電壓下空氣的絕緣特性

2.3.1雷電衝擊電壓的形成與標準波形

2.3.2放電時延

2.3.350%放電電壓

2.3.4衝擊係數與伏秒特性

2.4操作衝擊電壓下空氣的絕緣特性

2.4.1操作衝擊電壓的形成與波形

2.4.2操作衝擊放電電壓的特點

2.5提高氣體間隙擊穿電壓的措施

2.5.1改進電極形狀

2.5.2利用空間電荷

2.5.3極不均勻場中屏障的採用

2.5.4固體絕緣覆蓋層

2.5.5高氣壓的採用

2.5.6高真空的採用

2.5.7高電氣強度氣體SF6的採用

練習題

第3章高壓外絕緣及沿面放電

3.1大氣條件對空氣間隙放電的影響

3.1.1大氣狀態對放電電壓的影響

3.1.2海拔高度對放電電壓的影響

3.2高壓外絕緣及高壓絕緣子

3.2.1外絕緣及其工作條件

3.2.2絕緣子的分類及基本要求

3.3絕緣子的沿面放電

3.3.1均勻電場中氣體沿固體電介質表面的放電

3.3.2極不均勻電場具有弱垂直分量時的沿面放電

3.3.3極不均勻電場具有強垂直分量時的沿面放電

3.3.4沿面閃絡電壓的影響因素與提高措施

3.4絕緣子的雨中放電

3.4.1絕緣子的淋雨閃絡

3.4.2絕緣子的人工淋雨試驗方法

3.4.3提高絕緣子濕閃電壓的措施

3.5絕緣子的污穢放電

3.5.1絕緣子污穢閃絡的特點

3.5.2從積污到污閃

3.5.3絕緣子的污穢試驗與污閃特性

3.5.4污穢地區絕緣子的配置

3.5.5絕緣子的覆冰閃絡

3.5.6提高瓷和玻璃絕緣子污閃電壓的方法

3.5.7硅橡膠複合絕緣子及有機外絕緣

練習題

第4章液體、固體電介質的電氣性能

4.1電介質電氣性能的基本概念

4.1.1電介質物質結構基本知識

4.1.2電介質電氣性能的劃分

4.1.3常見液體和固體電介質的電氣性能參數

4.2液體、固體電介質的極化、電導與損耗

4.2.1電介質的極化及相對介電常數

4.2.2電介質的電導、電阻及電導率、電阻率

4.2.3電介質中的能量損耗及電介質損耗角正切

4.3液體電介質的擊穿

4.3.1液體電介質的擊穿理論

4.3.2影響液體電介質擊穿電壓的因素

4.3.3提高液體電介質擊穿電壓的方法

4.4固體電介質的擊穿

4.4.1固體電介質的擊穿過程

4.4.2影響固體電介質擊穿電壓的主要因素

4.5電介質中的空間電荷

4.6組合絕緣

4.6.1組合絕緣中的電場分佈與調整

4.6.2組合絕緣的電氣性能

4.7電介質的其他性能

練習題

第5章絕緣檢測和診斷

5.1基本概念

5.2絕緣電阻與泄漏電流的測量

5.2.1工作原理

5.2.2測量絕緣電阻與吸收比的方法

5.2.3泄漏電流的測量

5.3電介質損耗角正切的測量

5.3.1西林電橋基本原理

5.3.2反接法的西林電橋

5.3.3存在外界電磁場干擾時的測量

5.4局部放電的測量

5.4.1測量局部放電的幾種方法

5.4.2測量局部放電的脈衝電流法

5.4.3脈衝電流法的基本迴路和檢測阻抗

5.4.4脈衝電流法的測量儀器及其校訂

5.4.5實施PD測量的其他技術問題

5.5絕緣油中溶解氣體的色譜分析

5.6耐壓試驗

5.6.1交流耐壓試驗

5.6.2直流耐壓試驗

5.6.3雷電衝擊耐壓試驗

5.6.4操作衝擊耐壓試驗

5.7各種預防性試驗方法的特點總結

5.8絕緣的在線監測

5.8.1tanδ的在線監測

5.8.2局部放電的在線監測

練習題

第6章高電壓和衝擊大電流的產生

6.1交流高電壓的產生

6.1.1概述

6.1.2試驗變壓器的電壓與容量

6.1.3串級高壓試驗變壓器

6.1.4試驗變壓器容性試品上的電壓升高

6.1.5高壓串聯諧振試驗設備

6.2直流高電壓的產生

6.2.1半波整流直流裝置

6.2.2直流輸出電壓和紋波因數

6.2.3限流電阻與硅堆選擇

6.2.4倍壓直流與串級直流裝置

6.3衝擊高電壓的產生

6.3.1衝擊電壓發生器基本原理

6.3.2放電迴路的近似計算

6.3.3考慮迴路電感的近似計算

6.3.4衝擊電壓發生器放電迴路計算舉例

6.3.5用高壓變壓器產生操作衝擊電壓

6.4衝擊大電流的產生

6.4.1衝擊電流發生器的功用與電流波形的規定

6.4.2衝擊電流發生器的基本原理

6.4.3衝擊電流發生器的結構

練習題

第7章高電壓的測量

7.1高電壓測量基本概念

7.1.1概論

7.1.2高電壓測量系統

7.1.3交直流高電壓的測量

7.1.4衝擊高電壓的測量

7.2球隙放電法測量高電壓

7.2.1測量球隙

7.2.2球隙法測量交直流高電壓

7.2.3球隙法測量衝擊高電壓

7.2.4球隙法測量高電壓的優缺點

7.3高壓靜電電壓表

7.4分壓器

7.4.1分壓器的作用和要求

7.4.2分壓器原理與分類

7.5電阻分壓器

7.5.1高壓直流電阻分壓器

7.5.2高壓交流電阻分壓器

7.5.3測量衝擊電壓的電阻分壓器

7.6高壓電容分壓器

7.6.1電容分壓器的構成

7.6.2高壓交流電容分壓器

7.6.3測量衝擊電壓的電容分壓器

7.7阻尼式電容分壓器

7.8微分積分測量系統

7.9對衝擊電壓測量系統響應特性的要求

7.10測量衝擊高電壓的示波器

7.11利用光電技術測量高電壓

7.12高電壓電場測量

7.13高電壓測量系統中弱電儀器的抗干擾措施

7.13.1電磁干擾來源

7.13.2干擾抑制措施

練習題

第8章傳輸線的波過程

8.1波阻抗

8.2波的折射、反射與衰減、變形

8.2.1末端開路時的折反射

8.2.2末端短路時的折反射

8.2.3末端接集中負載時的折反射

8.2.4波的衰減與變形

8.3通過並聯電容與串聯電感的波過程

8.3.1彼德遜法則

8.3.2通過並聯電容的波過程

8.3.3通過串聯電感的波過程

練習題

第9章雷電過電壓及其防護

9.1雷電參數

9.1.1雷電流的波形和極性

9.1.2雷電流的幅值、陡度、波前、波長

9.1.3雷暴日、雷電小時及落雷密度

9.1.4雷電定位系統對雷電的測量

9.2防雷保護的基本措施

9.2.1避雷針

9.2.2避雷線

9.2.3避雷器

9.2.4接地裝置

9.3架空輸電線路的雷電過電壓

9.3.1概述

9.3.2感應過電壓

9.3.3雷擊導線過電壓

9.3.4雷擊塔頂過電壓

9.3.5雷擊跳閘率

9.4發電廠、變電站的雷電過電壓及其防護

9.4.1直擊雷過電壓防護

9.4.2侵入波過電壓防護

9.4.3氣體絕緣變電站的過電壓防護

練習題

第10章操作過電壓與絕緣配合

10.1高壓斷路器的分合閘

10.1.1高壓開關的功能與分類

10.1.2斷路器的開斷與熄滅電弧

10.1.3斷路器的關合與預擊穿

10.1.4高壓斷路器的重合閘

10.2空載線路合閘過電壓

10.2.1正常空載線路合閘過電壓

10.2.2重合閘過電壓

10.2.3空載線路合閘過電壓的影響因素及限制措施

10.3切除空載線路過電壓

10.4特快速瞬態過電壓

10.5操作過電壓的限制措施

10.5.1利用斷路器並聯電阻限制分合閘過電壓

10.5.2利用避雷器限制操作過電壓

10.6絕緣配合的基本概念與基本方法

10.6.1工頻過電壓對絕緣配合的影響

10.6.2絕緣配合的原則

10.6.3絕緣配合的基本方法

10.6.4架空輸電線路絕緣水平的確定

10.6.5直流系統的絕緣配合

練習題

附錄A電力設備的耐受電壓值

附錄B國內外部分高電壓實驗室參數表

主要參考文獻