本书介绍了高电压与绝缘技术领域的气体、固体及液体电介质的放电过程、绝缘特性,以及影响放电的多种因素;高电压、高场强下的绝缘特点,电气设备内绝缘与外绝缘的基本特性;多种高电压的产生方法、产生装置、测量方法和抗干扰措施;雷电与操作冲击过电压发生的原理、特点、防护措施,以及绝缘配合。
前言(第2版)
《高电压工程》(第1版)教材出版使用至今已经超过10年,这10年正是我国电力工业发展最快的阶段,装机容量、发电量跃居世界首位,发电量、用电量等指标的增长率甚至可以用空前绝后来形容。十年来我国的电压等级连续迈上新台阶,交流1000 kV和直流±800 kV特高压分别成为世界上目前投入商业运行的最高交、直流电压等级。电力工业的大发展,有力地支撑了国民经济的快速前行。
我国的电力工业正在快速走向世界前列,必然要求高校的人才培养能够适应这一变化; 在超高压、特高压输变电工程中大量采用的新技术、新标准也应该及时在教学中有所体现。在大学的教学中,学科与行业的结合是各国面临的共同课题。近年来,每次国际大电网委员会(CIGRE)都安排有电气工程教育(electrical power engineering education,EPEE)的专题会议。在2012年8月CIGRE的EPEE专题会议上,笔者以清华大学电机系电气工程教育的课程体系为例,交流了我们的探索和体会; 2014年8月CIGRE EPEE的主题更加明确表述为“How to Bridge the Gap Between Industry and Universities”。
这一问题可以从不同的角度进行思考、在不同的课程中进行尝试,需要在教学过程中结合不同的内容进行探索。大学的课程可划分为公共基础课、技术基础课、专业基础课和专业课四个层次,大体上对应着大学一年级到四年级的主要学习特点,反映着学生接受高等教育、掌握专业知识的层层递进的过程。“高电压工程”是本科生“电气工程及其自动化”大专业的主要专业基础课之一,我们对该课程的要求可以归纳为打下基础、掌握特点和了解行业三个方面。希望学生通过本课程的学习,能够对高电压与绝缘技术二级学科有全面的认识,大体掌握其学科基础、学科特点与主要内容,并对相关行业的技术发展、技术政策和技术标准有所认识、有所了解。
这10年来,融入行业前沿的高电压工程专业基础课课程改革先后获得清华大学和北京市教学成果一等奖,“高电压工程”课程先后荣获清华大学、北京市和国家精品课称号,教学效果连续多年受到同学们的广泛好评,这一点可以说是同学们对我们在教学上进行持续探索所给予的最大的鼓励。
本次修订,将原先高电压产生与测量的4章进行了适当的精简,修改、合并为第6章和第7章,将一部分更详细的内容留待后续课程讲解; 根据电力系统日益增多的新需求,以及多年来我们在教学中感到需要增强的内容,加强了电场分布与调控、电介质材料、直流高电压、SF6绝缘、接地、绝缘配合,改写了污秽绝缘放电、电介质的性能,新增了空间电荷、电场测量、色谱分析、断路器的开断与关合、特快速瞬态过电压等相关内容; 为便于读者了解各国高电压实验室的基本情况,重写了附录B; 为便于读者复习和整理,本次修订大大增加了习题,并在每章开头梳理了核心概念。由于十年来相关的国家标准、行业标准都经历了较大幅度的修订,本教材按照最新的标准对相关内容进行了必要的修改,电路图和符号也采用了最新国家标准的表述方式。
本教材有幸承蒙谈克雄教授和陈昌渔教授进行了认真的审阅。两位老教授不仅提出了很多宝贵的、有建设性的修改意见,并且提供了许多有价值的参考资料。博士后王家福、助理研究员庄池杰,以及研究生阎志鹏、仵超、高岩峰、黄建文、黄猛进行了大量的数据、图片、曲线的查证、编辑、校对工作,在此一并致以衷心的感谢。
本次改版,梁曦东负责修订了第0~3章、附录,编写了10.1节; 周远翔负责修订了第4~7章; 曾嵘负责修订了第8~10章,并与周远翔共同编写了7.12节。限于编者的水平,书中难免仍有不当之处,敬请广大读者批评指正。
梁曦东
2014年12月于清华园
第0章绪论
0.1高压输电的发展
0.1.1高压输电的出现与电压等级的提高
0.1.2交流特高压输电
0.1.3远距离大容量直流输电
0.1.4节约输电走廊与环境友好的输电方式
0.1.5基于大容量电力电子技术的交直流输电
0.2中国电力工业的现状与展望
0.2.1发电量与装机容量
0.2.2电压等级、电网结构与输电线路
0.2.3电源结构与可再生能源发电
0.2.4输变电装备
0.2.5电网建设与长期缺电
0.2.6中国电力工业的展望
0.3高电压、高场强下的特殊问题
0.4高电压下的特殊现象及其应用
第1章气体放电过程的分析
1.1带电质点与气体放电
1.1.1气体放电的主要形式
1.1.2带电质点的产生
1.1.3带电质点的消失
1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论和巴申定律
1.2.1汤逊理论
1.2.2巴申定律与均匀电场击穿电压
1.2.3汤逊放电理论的适用范围
1.3高气压下均匀电场自持放电的流注理论
1.3.1空间电荷对电场的畸变
1.3.2流注的形成
1.3.3均匀电场中的自持放电条件
1.3.4流注理论对放电现象的解释
1.4高气压下不均匀电场气体击穿的发展过程
1.4.1电场不均匀程度的划分
1.4.2极不均匀电场气体的电晕放电
1.4.3极不均匀电场的极性效应
1.4.4长间隙击穿过程
1.4.5稍不均匀电场的自持放电条件与极性效应
练习题
第2章不同电压形式下空气的绝缘特性
2.1电场分布的分析与电场调整
2.1.1电场的分布与典型电极结构
2.1.2电场分布的数值计算
2.1.3电极表面局部电场的调整
2.2持续作用电压下空气的绝缘特性
2.2.1均匀电场中空气间隙的绝缘特性
2.2.2稍不均匀电场中空气间隙的绝缘特性
2.2.3极不均匀电场中空气间隙的绝缘特性
2.3雷电冲击电压下空气的绝缘特性
2.3.1雷电冲击电压的形成与标准波形
2.3.2放电时延
2.3.350%放电电压
2.3.4冲击系数与伏秒特性
2.4操作冲击电压下空气的绝缘特性
2.4.1操作冲击电压的形成与波形
2.4.2操作冲击放电电压的特点
2.5提高气体间隙击穿电压的措施
2.5.1改进电极形状
2.5.2利用空间电荷
2.5.3极不均匀场中屏障的采用
2.5.4固体绝缘覆盖层
2.5.5高气压的采用
2.5.6高真空的采用
2.5.7高电气强度气体SF6的采用
练习题
第3章高压外绝缘及沿面放电
3.1大气条件对空气间隙放电的影响
3.1.1大气状态对放电电压的影响
3.1.2海拔高度对放电电压的影响
3.2高压外绝缘及高压绝缘子
3.2.1外绝缘及其工作条件
3.2.2绝缘子的分类及基本要求
3.3绝缘子的沿面放电
3.3.1均匀电场中气体沿固体电介质表面的放电
3.3.2极不均匀电场具有弱垂直分量时的沿面放电
3.3.3极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电
3.3.4沿面闪络电压的影响因素与提高措施
3.4绝缘子的雨中放电
3.4.1绝缘子的淋雨闪络
3.4.2绝缘子的人工淋雨试验方法
3.4.3提高绝缘子湿闪电压的措施
3.5绝缘子的污秽放电
3.5.1绝缘子污秽闪络的特点
3.5.2从积污到污闪
3.5.3绝缘子的污秽试验与污闪特性
3.5.4污秽地区绝缘子的配置
3.5.5绝缘子的覆冰闪络
3.5.6提高瓷和玻璃绝缘子污闪电压的方法
3.5.7硅橡胶复合绝缘子及有机外绝缘
练习题
第4章液体、固体电介质的电气性能
4.1电介质电气性能的基本概念
4.1.1电介质物质结构基本知识
4.1.2电介质电气性能的划分
4.1.3常见液体和固体电介质的电气性能参数
4.2液体、固体电介质的极化、电导与损耗
4.2.1电介质的极化及相对介电常数
4.2.2电介质的电导、电阻及电导率、电阻率
4.2.3电介质中的能量损耗及电介质损耗角正切
4.3液体电介质的击穿
4.3.1液体电介质的击穿理论
4.3.2影响液体电介质击穿电压的因素
4.3.3提高液体电介质击穿电压的方法
4.4固体电介质的击穿
4.4.1固体电介质的击穿过程
4.4.2影响固体电介质击穿电压的主要因素
4.5电介质中的空间电荷
4.6组合绝缘
4.6.1组合绝缘中的电场分布与调整
4.6.2组合绝缘的电气性能
4.7电介质的其他性能
练习题
第5章绝缘检测和诊断
5.1基本概念
5.2绝缘电阻与泄漏电流的测量
5.2.1工作原理
5.2.2测量绝缘电阻与吸收比的方法
5.2.3泄漏电流的测量
5.3电介质损耗角正切的测量
5.3.1西林电桥基本原理
5.3.2反接法的西林电桥
5.3.3存在外界电磁场干扰时的测量
5.4局部放电的测量
5.4.1测量局部放电的几种方法
5.4.2测量局部放电的脉冲电流法
5.4.3脉冲电流法的基本回路和检测阻抗
5.4.4脉冲电流法的测量仪器及其校订
5.4.5实施PD测量的其他技术问题
5.5绝缘油中溶解气体的色谱分析
5.6耐压试验
5.6.1交流耐压试验
5.6.2直流耐压试验
5.6.3雷电冲击耐压试验
5.6.4操作冲击耐压试验
5.7各种预防性试验方法的特点总结
5.8绝缘的在线监测
5.8.1tanδ的在线监测
5.8.2局部放电的在线监测
练习题
第6章高电压和冲击大电流的产生
6.1交流高电压的产生
6.1.1概述
6.1.2试验变压器的电压与容量
6.1.3串级高压试验变压器
6.1.4试验变压器容性试品上的电压升高
6.1.5高压串联谐振试验设备
6.2直流高电压的产生
6.2.1半波整流直流装置
6.2.2直流输出电压和纹波因数
6.2.3限流电阻与硅堆选择
6.2.4倍压直流与串级直流装置
6.3冲击高电压的产生
6.3.1冲击电压发生器基本原理
6.3.2放电回路的近似计算
6.3.3考虑回路电感的近似计算
6.3.4冲击电压发生器放电回路计算举例
6.3.5用高压变压器产生操作冲击电压
6.4冲击大电流的产生
6.4.1冲击电流发生器的功用与电流波形的规定
6.4.2冲击电流发生器的基本原理
6.4.3冲击电流发生器的结构
练习题
第7章高电压的测量
7.1高电压测量基本概念
7.1.1概论
7.1.2高电压测量系统
7.1.3交直流高电压的测量
7.1.4冲击高电压的测量
7.2球隙放电法测量高电压
7.2.1测量球隙
7.2.2球隙法测量交直流高电压
7.2.3球隙法测量冲击高电压
7.2.4球隙法测量高电压的优缺点
7.3高压静电电压表
7.4分压器
7.4.1分压器的作用和要求
7.4.2分压器原理与分类
7.5电阻分压器
7.5.1高压直流电阻分压器
7.5.2高压交流电阻分压器
7.5.3测量冲击电压的电阻分压器
7.6高压电容分压器
7.6.1电容分压器的构成
7.6.2高压交流电容分压器
7.6.3测量冲击电压的电容分压器
7.7阻尼式电容分压器
7.8微分积分测量系统
7.9对冲击电压测量系统响应特性的要求
7.10测量冲击高电压的示波器
7.11利用光电技术测量高电压
7.12高电压电场测量
7.13高电压测量系统中弱电仪器的抗干扰措施
7.13.1电磁干扰来源
7.13.2干扰抑制措施
练习题
第8章传输线的波过程
8.1波阻抗
8.2波的折射、反射与衰减、变形
8.2.1末端开路时的折反射
8.2.2末端短路时的折反射
8.2.3末端接集中负载时的折反射
8.2.4波的衰减与变形
8.3通过并联电容与串联电感的波过程
8.3.1彼德逊法则
8.3.2通过并联电容的波过程
8.3.3通过串联电感的波过程
练习题
第9章雷电过电压及其防护
9.1雷电参数
9.1.1雷电流的波形和极性
9.1.2雷电流的幅值、陡度、波前、波长
9.1.3雷暴日、雷电小时及落雷密度
9.1.4雷电定位系统对雷电的测量
9.2防雷保护的基本措施
9.2.1避雷针
9.2.2避雷线
9.2.3避雷器
9.2.4接地装置
9.3架空输电线路的雷电过电压
9.3.1概述
9.3.2感应过电压
9.3.3雷击导线过电压
9.3.4雷击塔顶过电压
9.3.5雷击跳闸率
9.4发电厂、变电站的雷电过电压及其防护
9.4.1直击雷过电压防护
9.4.2侵入波过电压防护
9.4.3气体绝缘变电站的过电压防护
练习题
第10章操作过电压与绝缘配合
10.1高压断路器的分合闸
10.1.1高压开关的功能与分类
10.1.2断路器的开断与熄灭电弧
10.1.3断路器的关合与预击穿
10.1.4高压断路器的重合闸
10.2空载线路合闸过电压
10.2.1正常空载线路合闸过电压
10.2.2重合闸过电压
10.2.3空载线路合闸过电压的影响因素及限制措施
10.3切除空载线路过电压
10.4特快速瞬态过电压
10.5操作过电压的限制措施
10.5.1利用断路器并联电阻限制分合闸过电压
10.5.2利用避雷器限制操作过电压
10.6绝缘配合的基本概念与基本方法
10.6.1工频过电压对绝缘配合的影响
10.6.2绝缘配合的原则
10.6.3绝缘配合的基本方法
10.6.4架空输电线路绝缘水平的确定
10.6.5直流系统的绝缘配合
练习题
附录A电力设备的耐受电压值
附录B国内外部分高电压实验室参数表
主要参考文献