导图社区 高电压
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高电压
工科 电气工程及其自动化课程之高电压笔记，主要包括过电压、电气设备绝缘试验、电介质绝缘特性三部分内容。
编辑于2021-09-06 19:48:07- 电气工程及其自动化
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高压
电介质绝缘特性
弱电场
极化
基本概念
形式
电子式
存在于一切电介质
时间短
与温度无关
与频率无关
无能量损耗（弹性）
离子式
存在于离子电介质
时间较短
随温度升高极化程度增大
与频率几乎无关
几乎无能量损耗（弹性）
偶极子式
偶极子：大小相同极性相反具有一定距离
存在于极性电介质
时间较长
温度升高，极化程度先增大后降低（极性液固体） 温度升高，极化减弱（气体）
随频率升高而降低
有能量损耗（非弹性）
夹层式 （空间电荷极化）
存在于多层介质的交界面（至少两种）
时间长
随温度升高极化程度增大
在低频和直流时有意义
有能量损耗（非弹性）
结果：整个电介质等值电容增大
相对介电常数
气体
接近于1
液体
中性 弱极性较小，1.8-2.8（变压器油2.2），具有不大的负温度系数
极性的较大，6-81，酒精33，水81。用作绝缘介质的3-6
固体
中性弱极性，较小，2-7（石蜡2.0-2.5)，随温度升高略减小
极性 较大 3-6
离子性具有正的温度系数，其值为 5-8
相对介电常数与电压成反比，与电容成正比
研究意义
电容器选材 选介电常数大的
组合绝缘介质选介电常数小的
介质损耗与极化形式有关
夹层极化现象判断绝缘受潮情况
靠近电缆芯选介电常数大的，远离选小的
电导
电介质电导和金属性电导区别
带电质点不同 前者是离子 后者是电子
数量级不同 前者电导率小泄露电流小 后者反之
前者具有正的温度系数，后者负（指数规律）
前者受离子数目决定，后者受外加电压决定
气体
外加电压小于击穿场强，空气导电率很小，良好绝缘体
液体
离子电导，电泳电导
中性，弱极性电导小。极性强极性电导大
影响因素：分子结构，极性强弱，纯净程度，介质温度
固体
表面电导
憎水性
中性弱极性介质 表面电导小 石蜡，硅橡胶
亲水性
极性介质 表面电导大 云母，玻璃
体积电导
离子电导
取决于杂质
电子电导
电场作用
研究意义
电压与电导成反比，合理使用材料
绝缘预防性试验 劣化现象的判断
湿度影响电介质受潮后电导增大，介电常数增大
改善电压分布消除电晕
介质损耗 介质的有功功率损耗
介质损失角取决于材料特性，与尺寸无关 判断绝缘优劣（公式记忆）
气体
电场强度小于气体分子游离所需值，电导极小
外施电压超过起始放电电压，局部放电损耗剧增
液体
中性或弱极性的液体介质损耗由电导引起，损耗小
超临界值后随温度升高而损耗指数增大 超临界值后随电场增大而损耗指数增大
极性的损耗包括电导损耗和极化损耗，介质损耗角正切大
低温时，介质损耗角较小 随温度升高，电导损耗增大 当温度超过某值，随温度升高极化损耗减小 温度再升高，总损耗再增大
频率在一定范围内，随频率增加，损耗增加 频率超过一定范围，随频率增加，损耗减少 工频下频率变化小，无影响（纸，聚氯乙烯，玻璃，陶瓷）
固体
分子式结构 离子式结构 不均匀结构 强极性介质（高压设备中不采用此）
与温度，频率，外施电压的关系与液体的类似
研究意义
电气设备外绝缘材料要求损耗小
冲击测量的连接电缆要求损耗小
绝缘试验测劣化或局部放电
利用介质发热加速干燥过程
导致损耗的因素
绝缘电阻 极化损耗
强电场
放电 击穿 闪络
气体
原子激励和电离
激励：获得能量，低能级向高能级跃迁
电离：被束电子变成自由电子，产生带电质点
碰撞电离
自由行程：任一带电质点相邻两次碰撞自由走过的距离
平均自由行程与气体密度成反比
电子的平均自由行程比离子的大得多
强场作用下，电子被加速获得动能，与中性气体分子发生碰撞，可能使其他质点产生游离
平均自由行程与气体密度成反比 电子的平均自由行程比离子的大得多
迁移率k=v/E 电子比正离子的大
光电离
波长短的易发生光电离
热电离
光电离和碰撞电离在高温作用下的综合
金属表面电离
正离子撞击阴极表面
光电子发射
热电子发射
强场发射（冷发射）
放电形式
辉光放电
火花放电
电弧放电
电晕放电
刷状放电
带电质点产生和消失
带电质点产生
碰撞游离
气体放电就是气体分子电离产生带电质点，在电场作用下定向移动的结果
阴极表面电子溢出
气体中负离子形成
电子与气体分子或原子碰撞，可能发生电子附着过程而形成负离子
自由电子数减少，阻碍放电
电负性气体易于产生负离子，俘获电子能力强 氧 氯 水蒸气 SF6
带电质点消失
中和电量于电极（定向运动）
扩散
电子扩散比离子扩散快
复合
带电质点复合时以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来
电场划分
电场不均匀系数
f=Emax/Eav
f=1均匀电场
f<2稍不均匀电场
f>4极不均匀电场
对称结构 棒棒
不对称结构 棒板
能否维持电晕放电
能：极不均匀电场
不能：一旦放电达到自持，整个间隙立即击穿 均匀电场 电晕起始电压就是间隙击穿电场
均匀电场中气体击穿过程
气体间隙中电流与外施电压的关系
第一阶段：电流随电压提高而增大 因为带电质点向电极运动速度加快复合率减小
第二阶段：电流饱和（良好的绝缘状态） 带电质点全进入电极，电离仅取决于外电离因素的强弱
第三阶段：电流开始增大 电子碰撞电离引起电子崩
第四阶段：电流急剧上升放电进入新的阶段 （击穿）
自持 非自持放电
非自持放电
外施电压小于U0时去掉外界游离因素后放电随即停止
自持放电
电压达到U0后不需外界游离因素，放电自行维持
条件：必须在气隙内初始电子崩消失之前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子
均匀场强的击穿电压实际上等于自持放电临界电压 放电达到自持，间隙立即击穿
汤逊理论
电子崩的形成
电场作用下，电子由阴极向阳极推进形成一群电子，将因碰撞电离使自由电子按几何级数增多，类似雪崩发展急剧增大的空间电子流被称为电子崩
三个系数
α一个电子由阴极向阳极每1cm路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数（平均值）
β一个正离子由阳极向阴极每1cm路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数（平均值）
γ表示一个正离子撞击到阴极表面时使阴极逸出的自由电子数（平均值）
与阴极逸出功有关，因而与阴极材料和表面状态有关
实质
电子碰撞电离是气体放电的主要原因
二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子
维持气体放电必要条件是逸出电子
适用于
低气压 短间隙 均匀电压（辉光放电现象）
巴申定律 Ub=f（pd）
反映均匀电场间隙电压耐受强度与气体压力和间隙之间的关系定律
Ub具有极小值 提高气压或降低气压至真空都能提高气隙的击穿电压
流注理论
认为电子碰撞电离和空间光电离是维持自持放电的主要因素，同时考虑了空间电荷对电场的畸变作用
对放电现象的解释
放电时间 二次崩的起始电子是光子形成的，以光速传播，所以流注发展非常快
放电外形 二次崩发展具有不同方位，流注推进不均匀，有分支
阴极材料 与阴极材料无关，靠空间光电离产生电子维持放电
流注的分类
正流注
产生条件：外加电压=击穿电压
流注发展由正极到负极，与电子崩方向相反
负流注
产生条件：外加电压>击穿电压
流注发展由负极到正极，与电子崩方向相同
负流注时间隙中的正负流注可以同时向两极发展
流注理论汤逊理论比较
汤逊pd值小 ，流注pd值大26.66KPa*cm
汤逊理论自持放电由阴极表面电离过程维持 流注理论自持放电依赖于空间光电离
不均匀电场中气体击穿过程
电晕放电
局限在大曲率电极周围很小范围内，整个气隙尚未击穿
极不均匀电场特有的自持放电形式
起始电压低于间隙击穿电压，电场越不均匀其值越大
效应
声光热
电风
与空气发生化学反应（氮氧化物）
高频脉冲电流 无线电干扰
可闻噪声
有利
衰减雷电过电压幅值 降低陡度
改善电场分布
除尘器 静电喷涂装置 臭氧发生器
防止电晕
根本途径是限制和降低导线表面电场强度
改进电极形状 增大曲率半径
扩径导线 空心导线 分裂导线
极性效应
概念
电极形状不对称的极不均匀电场间隙，间隙起晕电压Uc和击穿电压Ub不同
比较
负棒正板间隙比正棒负板间隙更易产生电晕 起始电压更低Uc（+）>Uc（-）
正棒负板间隙比负棒正板间隙更易被击穿 击穿电压更低 Ub（+）<Ub（-）
间隙击穿过程
短间隙（<1m）电子崩，流注，主放电
长间隙（>1m）电子崩，流注，先导（以热电离为特征的放电过程），主放电
长间隙的平均击穿场强远低于短间隙
沿面放电
基本概念
沿着固体（或液体）介质的表面上发展的气体放电现象
沿面放电发展贯穿到两极，使整个气隙沿面击穿 沿面闪络
沿固体表面闪络电压比固体本身击穿电压低得多 也比极间距离相同的气隙击穿电压低
越易吸湿的固体，闪络电压越低
工频和直流下沿面闪络电压低于冲击电压
三种情况
固体介质处于均匀电场，界面与电力线平行
放电比纯空气放电电压低
极不均匀电场强垂直分量（套管）
特点
电晕放电
线状火花放电
滑闪放电（加交流电压下出现）
闪络放电
影响因素
厚度越小，闪络电压越低
电阻越小，闪络电压越低
电阻减小，可降低沿面最大场强，提高闪络电压
提高闪络电压措施
减小套管的体积电容 增大固体介质厚度，加大法兰处套管外径
减小绝缘的表面电阻 套管近法兰处涂半导体漆或半导体釉
增大沿面放电距离（直流下）
提高套管起始放电电压
减小比电容C0
减小表面电阻率
滑闪放电
概念
强垂直分量绝缘结构特有的放电形式 具有先导放电的全部特征
短间隙击穿过程 电子崩 流注 主放电
长间隙击穿过程 电子崩 流注 先导 主放电
间隙中出现先导放电，平均击穿场强降低 因此长间隙平均击穿场强低
先导 以热电离为特征
条件
电场具有足够的垂直分量
电场具有足够的水平分量
电场极不均匀，电压交变
特征
以介质表面通道中发生热电离为特征
极不均匀电场具有弱垂直分量（支柱绝缘子型）
改进电极形状 采用屏蔽罩和均压环 （使电场均匀）
绝缘子
高压绝缘子
其作用
绝缘
机械支撑
分类
按用途和结构分
线路
支柱
瓷套
互感器 避雷器的瓷套
套管
穿过导体 出线套管，穿墙套管
按材料分
瓷
玻璃自爆
复合绝缘子
性能要求
电气性能。承受闪络电压击穿电压
机械性能。拉伸负荷 弯曲负荷 扭转负荷
环境。冷热 抗老化
线路绝缘子
要求
工作电压不发生污闪
操作过电压下不发生湿闪
足够的雷电冲击绝缘水平
绝缘子片数
电压 （kV）35 66 110 220 330 500
绝缘子片数 3 5 7 13 19 28
绝缘子串电压分布
分析结果
绝缘子片数越多，电压分布越不均匀
靠近导线第一个绝缘子电压最高，易产生电晕放电。 工作电压不允许电晕放电，故330kV及以上用均压环（线路侧加装）
绝缘老化
分类
热老化
电老化
机械老化
环境老化
因素
物理
化学
生物
污闪
阶段
积污
潮湿
干燥
局部电弧发展
闪络
气象条件
雾，露，毛毛雨，熔雪 （大雨不易发生污闪）
污秽物
性质
可溶性盐类或酸碱的积尘使闪络电压降低
污秽度
与积污量和污秽的化学成分有关
等值盐密法 表征绝缘子表面的污秽度 指每平方厘米表面积沉积的等效氯化钠mg
防污闪措施
调整爬距（增大泄漏距离）
定期或不定期清扫
涂料（憎水性，有机硅油，地蜡）
采用半导体釉绝缘子
减小绝缘子直径（减小表面电阻）
新合成绝缘子（环氧树脂，玻璃纤维，硅橡胶）
闪络电压 干 湿 污（从大到小）
沿面闪络电压影响因素
介质材料亲，憎水
电场形式同样表面闪络距离均匀电场闪络电压最高
大气条件气压增大，闪络电压增加不多 湿度小于40%时无影响 大于40%时由水分在介质表面的凝结状况决定
固体介质表面状况淋雨，污秽，覆水等
提高沿面闪络电压的方法
屏障的应用 在固体介质表面沿电场方向设置突出的屏障（绝缘子的伞棱）
屏蔽的应用 改善电极形状，使电极附近电场分布均匀 （导线侧装设屏蔽环，超高压线路分裂导线）
强制固定绝缘子表面的电位 绝缘内部加电容极板或绝缘表面加中间电极使电位分布均匀
半导体涂料 电位梯度较大的部位涂，降低表面压降，避免电晕，改善沿面电位分布
用复合绝缘子 硅橡胶复合绝缘子耐老化，憎水，防污
加强绝缘 增加绝缘子片数 增加大爬距绝缘子
气隙击穿特性
气隙电压与作用电压种类关系
持续作用电压 直流电压 工频电压 变化速度小 放电发展所需时间忽略，击穿电压确定数值
非持续作用电压 操作冲击电压雷电冲击电压 速度不能忽略 击穿电压与作用电压波形（作用时间）有很大关系
较均匀电场气隙的击穿电压
均匀电场
击穿电压与电压极性无关
直流 工频击穿电压（峰值）以及50%冲击击穿电压都相同，分散性很小
稍不均匀电场
球球间隙 球板间隙 圆柱板间隙 同轴圆柱间隙
不能形成稳定的电晕放电
电场不对称时有极性效应，不明显
直流 工频击穿电压（峰值）以及50%冲击击穿电压都相同，分散性不大
击穿电压和电场均匀程度关系很大 电场越均匀，同样间隙下击穿电压越高
不均匀电场气隙的击穿特征
总特点
击穿电压有明显极性效应
击穿前有稳定电晕，起始放电电压小于间隙击穿电压
间隙距离长，放电发展需时长 外加电压波形对击穿电压影响大，击穿电压分散性大
直流电压下气隙击穿电压特点
平均击穿场强
正棒负板4.5KV/cm
负棒正板10KV/cm
棒棒4.8-5.0KV/cm
工频电压下气隙击穿电压的特点
击穿在棒极性为正，电压达到幅值时发生
间隙距离小于2.5cm，击穿电压和距离近似直线关系
平均击穿场强
棒板4.8KV/cm
棒棒5.36KV/cm
饱和现象 距离加大，平均击穿场强明显降低，板棒尤为严重 d=1m,5kV/cm d=10m,2kV/cm
大气条件对气体击穿电压的影响
大气条件影响绝缘子外绝缘（自恢复性） 气隙击穿和沿面闪络是外绝缘丧失绝缘性能的表现形式，一般来说击穿或闪络发生后，空气绝缘性能可自动恢复 绝缘子的内绝缘为非自恢复性绝缘
大气条件
气压P0=101.3kPa 温度 t0=20 湿度h0=11g/m（3）
大气密度
放电电压随密度增大而增大 电子自由行程缩短，电离过程减弱
大气湿度
水分子易吸附电子形成负离子，电离过程减弱
均匀电场，放电电压随湿度增大而微弱加大
极不均匀电场，放电电压随湿度增大明显加大
空气湿度增加，击穿电压升高，沿面闪络电压降低
海拔高度
海拔增加，空气压力和密度下降，击穿电压下降 海拔高于1000m，每升高100m，绝缘降低1%
提高气隙击穿电压的方法
屏蔽（用扩径导线，绝缘子串安装均压环）
改善电场分布（增大电极曲率半径）
高度真空 绝缘灭弧
增高气压
高耐电强度气体（SF6，氟利昂）
雷电冲击电压下的气隙击穿特性
标准波形 T1=1.2us+-0.3 T2=50us+-0.2
标准雷电冲击电压波1.2/50us
标准操作冲击电压波250/2500us
标准雷电截波冲击电压波1.2/2 ～ 5us
击穿时间tb
从开始加压的瞬时到气隙完全击穿的时间 tb=t0+ts+tf
升压时间t0电压从0升到静态击穿电压U0 U上升
统计时延ts从电压U0到气隙中出现第一个有效电子 U缓慢上升
放电发展时间tf第一个有效电子到气隙完全被击穿 Um不变
放电时延tl=ts+tf
伏秒特性
概述
同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，气隙上出现的电压最大值与放电时间的关系，称为该气隙的伏秒特性
50%击穿电压（U50%）指某气隙被击穿的概率为50%的冲击电压
冲击系数B U50%与静态击穿电压U0的比
与绝缘配合的应用
变压器的伏秒特性曲线S1（极不均匀电场间隙）
避雷器的伏秒特性曲线S2（均匀及稍不均匀电场间隙）
S1始终高于S2且不允许出现交叉
液体
击穿机理
纯净液体电介质击穿机理
电击穿理论
气泡击穿理论
介质击穿场强按固体液体气体顺次降低
工程用液体电介质击穿机理
小桥理论
影响Ub因素
液体本身介质品质杂质使Ub下降
电压作用的时间时间越长Ub越小
电场情况均匀时Ub高
温度随温度升高，Ub降升降
压强Ub随压力增大而增大，均匀电场更明显
提高Ub方法
提高并保持油品质
覆盖层
阻止杂质小桥中热击穿的发展
油品质越差，电场越均匀，作用时间越长，覆盖层效果越好
绝缘层
覆盖在曲率半径小的电极上，降低空间场强
屏障（极间障或隔板）
阻止杂质小桥的形成 改善电场分布
固体
击穿理论
电击穿理论
电场均匀程度对击穿电压有显著影响
热击穿理论
温度升高，Ub下降 厚度增大，Ub下降 f增大，Ub下降 与电压作用时间，介质本身耐热能力，介质尺寸有关
电化学击穿理论
绝缘内部局部放电导致绝缘劣化 与加压时间和介质种类有关
影响Ub的因素
电压作用时间 温度 电场均匀程度和介质厚度 电压频率 潮度 电压种类 机械力 多层性 累积效应 电压频率（Ub方与f成反比）
U冲 U直 U工交 U高交 依次减小
提高Ub的方法
改进绝缘设计 改进制造工艺 改善运行条件
耐热等级
O A E B F H C 90 105 120 130 155 180 >180（温度）
组合绝缘介质
组合原则
各层介质场强与耐电强度成正比，使组合耐受电压最高
直流电压下，各层绝缘分担电压与绝缘电阻成正比 应把电气强度高 电导率大的放在电场最强处
工频交流或冲击电压下，分担电压与电容成反比 应把电气强度高 介电常数大的放在电场最强处
油 屏障绝缘
油为主要绝缘介质 很好的冷却作用
屏障：改善电场分布，阻止杂质小桥形成
固体介质厚度增大使油中电场强度增大
油纸绝缘
交流下，场强分配与介电常数成反比 油介电常数小，但击穿场强低，不合理
直流下，场强与电阻率成正比 油电阻率小，场强低，合理
利用组合绝缘调整电场的方法
分阶绝缘
靠近强场区的地方采用介电常数较大的绝缘材料以降低场强 使电场均匀
电气设备绝缘试验
绝缘特性试验 检查性试验 非破坏性试验
绝缘电阻与吸收比
绝缘电阻
测定
兆欧表
额定电压1kV及以下用500，1000V兆欧表
额定电压1kV以上用2500，5000V兆欧表
用兆欧表摇测电气设备绝缘时，如果摇表转速比要求转速低的过多时，其测量结果与实际值相比较偏高
加直流电压60s
发现缺陷
总体绝缘质量欠佳
绝缘受潮
两极间有贯穿性的导电通道
绝缘表面情况不良
不能发现缺陷
绝缘中的局部缺陷
绝缘老化
吸收比
绝缘体在加压60s与15s测的绝缘电阻比值k
绝缘良好，吸收过程慢，稳态电阻高
一般情况k不小于1.3 绝缘良好k远大于1 严重受潮k接近于1
极化指数
加压后10min和1min分别测的绝缘电阻值之比
反映大中型电气设备的绝缘状况 绝缘良好则比值不小于某一定值，一般是1.5-2
比较方法
与同类设备比
同一设备三相结果比（50%）
与历年数据比
泄漏电流的测量
目的 测量兆欧表测绝缘电阻不能发现的缺陷 如尚未贯通两电极的集中性缺陷
加在试品上的直流高压比兆欧表的工作电压高，可以发现兆欧表不能发现的缺陷
直流高压逐渐增大，过程中可以监视漏电流增长动向，指示绝缘状况
电压升到试验值后保持1min再读数 绝缘良好时泄漏电流稳定，不超100
兆欧表非线性刻度，高量程段刻度密 微安表刻度线性，精确读取
直流的漏电流和耐压试验用一台直流高压发生装置同时进行，对设备要求严格
微安表接法
表位于高压侧 被试绝缘一极接地 需将表及其道被试端的高压引线屏蔽起来
表位于低压侧 绝缘两极都不接地 适用于接地端可以与地分开的电气设备
介质损耗角正切
介质损耗因数表征在交变电压作用下比损耗大小的特征参数 与绝缘体形状和尺寸无关 绝缘性能的基本指标之一
常用仪表
高压交流平衡电桥西林电桥
影响其准确度的因素
外界磁场
温度
试验电压
电气设备容量
设备表面泄漏
接线方法
正接线：被试品两端对地绝缘 一般在实验室中进行，测量精度高
反接线：被试品一端固定接地 现场试验采用 为保证安全使用绝缘杆操作
不平衡电桥介质试验器
低功率因数瓦特表
能发现缺陷
受潮
穿透性导电通道
电容量较小的试品中局部集中性缺陷和整体分布性缺陷 绝缘内含气泡的电离，绝缘分层，脱壳
绝缘老化劣化，绕组附积油泥
绝缘油脏污劣化
不能发现的缺陷
集中性的非贯穿性的绝缘缺陷 或缺陷部分在整个绝缘中占很小体积
大容量发电机变压器和电力电缆的局部缺陷 对运行中的电机电缆设备进行预防性试验时不做损耗试验
干扰
磁场干扰
远离干扰源
电场干扰
移相，倒相（与电源电压频率相同）加屏蔽
电压分布的测量
局部放电的测量
方法
电检测
介质损耗
脉冲电流（最有效）
并联测试
串联测试
桥式测试
非电检测
声检测法
光检测法
化学分析法
造成
绝缘局部区域内的绝缘放电 不会使绝缘立即击穿，可导致长期耐电强度降低
回路中阻塞阻抗Z和耦合电容Cx在所加试验电压下都不能出现局部放电
绝缘油的气象色谱分析法
局部放电故障乙炔和氢气
常温固体绝缘热分解CO CO2
变压器内部金属部分局部过热 总含烃量高 CH4 C2H4
不能发现突发性故障
击穿试验 耐压试验 破坏性试验
工频高压试验
试验时间
1min
试验变压器
特点
绝缘裕度小，变比大，体积小，漏抗大，容量小
工作在电容性负荷下
工作时间短，温度低，无散热要求
结构分类
金属壳
单套管
外壳绝缘按全电压考虑 适用于200～300kV及以下
双套管
外壳绝缘按全电压的一半考虑 适用于500kV及以上
绝缘壳（绝缘套筒式）
全电压的一半 绝缘筒作电容和外绝缘 环氧浇注 全绝缘处理多用于室内
串级结构
500kV以上
自耦式连接，即高一级变压器的激励电流由前一级变压器高压绕组的一部分（累接绕组）来供给
变压器T1 T2 T3串级连接，T3容量为W，T2容量2W，T1容量3W 3:2:1 容量利用率为2/（n+1）
台数不超3台
倍频感应高压
考验主绝缘和纵绝缘
加压为额定电压的2倍以上，提高外施电源频率（防止铁芯磁密增加，铁芯饱和） 一般采用100～250HZ，不高于400HZ
测量方式
静电电压表（有效值） 交流峰值电压表（峰值） 球隙测压器（峰值） 分压器
直流高压试验
5～10min
产生
工频高压经高压整流器变换成直流高压，利用倍压整流原理制成的直流高压装置产生更高的直流试验电压
场合
电容量很大 长电缆段，油纸绝缘高压电缆，电力电容器，旋转电机） 各种输电设备
与交流对比
直流耐压时局部放电弱
直流电压下电气强度高于交流 故直流试验需提高试验电压
稳态高压的测量
结果要求
交流电压峰值或有效值误差正负3%内
直流电压
电压算数平均值 3%
纹波幅值10%
脉动系数测量3%
常用方法
测量球隙
利用气体放电测交流高压 高达数兆伏的交流，冲击幅值和直流电压
静电电压表
静电力测量高电压 测直流交流，不能测冲击电压
峰值电压表
利用整流电容电流或充电电压来测高电压 测交流和冲击电压幅值，不能测直流电压
电阻分压器 电容分压器 阻容分压器
直流高压测量只能用电阻分压器 交流和冲击可以用 电阻电容阻容 交流高压测量常用电容分压器
测量方式
静电电压表（平均值） 电阻分压器配合低压仪表 高压电阻与微安表串联 球间隙或棒间隙测量
冲击高压试验
多级冲击电压发生器
多级电容器并联充电，球隙串联放电
测量方式
球隙 分压器配示波器 峰值电压表 数字记录仪
为了获得很快由零上升到峰值然后较慢下降的冲击电压应使C₁＞＞C₂，R₁＜＜R₂
过电压
波过程
波速
公式
有关因素
导线周围媒质的性质
无关因素
导线半径 对地高度 铅包半径 线路长度
波在纸绝缘电缆中传播速度几乎只有架空线路上波速的一半
波阻抗
公式
有关因素
与导线周围媒质性质有关
与导线半径反向变化 与对地高度正向变化
取决于单位长度线路电感和对地电容
无关因素
线路长度
一般架空线Z≈300-500Ω 其中单导线架空线Z＝500Ω，考虑电晕取400 分裂导线和电缆L0小，C0大 分裂导线波阻抗约300 电缆线路Z≈30-80
波阻抗与电阻
相同
和电源频率或波形无关，可见波阻抗是阻性的
从功率观点看，波阻抗与一数值相等的集中参数电阻相当
不同
波阻抗是比例常数，与线路长度无关 电阻与线路长度成正比
波阻抗是储能元件 电阻是耗能元件
特点
表示同一方向电压波与电流波大小的比值，储能元件
区分不同方向的行波，Z前面有正负号
Z数值与线路长度无关
导线上既有前行波又有反行波时，Z≠U/I
行波折反射
系数
电流系数
α'＝2Z₁/(Z₁+Z₂)
β'＝（Z₁-Z₂）/（Z₂+Z₁）
电压系数
α＝2Z₂/(Z₁+Z₂)
β＝（Z₂-Z₁）/（Z₂+Z₁）
概要
β反射系数
-1≤β≤1
α折射系数
0≤α≤2，1+β＝α
特殊情况
线路末端开路
Z₂＝∞，α＝2，β＝1
正的全反射，线路末端电压上升到入射波的2倍
α'＝0，β'＝-1
负的全反射，随电流反射波的逆向传播，所到之处电流下降为0
线路末端短路
Z₂＝0，α＝0，β＝-1
负的全反射，线路末端电压下降为0
α'＝2，β'＝1
末端开路电流增大为入射波的2倍，逐步向线路始端推移
线路末端对地跨接阻值R＝Z₁的电阻
Z₂＝Z₁，α＝1，β＝0，α'＝1，β'＝0
无反射，与A后面接一条波阻抗Z₁＝Z₂的无限长导线情况相同
彼得逊法则（集中参数等值电路）
内容
入射波线路用数值等于电压入射波两倍的等值电源和数值等于线路波阻抗的电阻串联等效（戴维南定理）
使用条件
入射波沿分布参数电路传来 波波不能从电阻传过来
节点A后线路无反行波或反射波未达到A
求解一次折射波，不能用来计算反射波
行波通过串联电感和并联电容
串联电感
t＝0时，电感相当于开路 t＝∞时，电感作用消失 电压变化：指数变化，时间常数T＝L/（z₁+z₂）
直角波通过电感后变为指数波，降低行波陡度 最大陡度在t＝0时 L：降低来波上升速率仅与z₂和L有关 L越大陡度降低越多
并联电容
t ＝0 时，电容相当于短路 t ＝∞ 时，电容作用消失 电压变化：指数变化，时间常数T ＝c（z₁z₂）/（z₁+z₂ ）
直角波通过电容后变为指数波，降低行波陡度 C:降低来波上升速率仅与z₁ 和L 有关 越大陡度降低越多
结论
串感并容降低来波陡度
串感最大陡度取决于z₂和L
并容最大陡度取决于z₁和C
只增加C或L就可限制入侵波陡度
但是从反射角度看 串感出现电压全反射，电压提高一倍 并容出现负的全反射，电压下降
C和L对最终稳态值无影响
波在有损导线上的传播
引起损耗的因素
导线电阻（集肤效应 邻近效应）
大地电阻（波形对地中电流分布的影响）
极高频或陡度下的损耗
冲击电晕
冲击电晕对波过程影响
导线耦合系数增大 增大导线半径，增大耦合系数
耦合系数
1.同时推进，同生同灭 2.极性相同 3.波形相同，u₂＜u₁
平行多导线耦合系数k
关闭直流源E后，导线1出现前行波U₁＝E 对地绝缘的导线2无电流，但产生电压波
U₁-U₂＝（1-k）E＜E 12之间电位差小于E
导线越近耦合系数越大 耦合系数越大电位差越小，利于防雷
导线波阻抗和波速减小 对地电容增大，波阻抗和波速减小。波阻抗降低20%-30
波在传播过程中幅值衰减波形畸变
绝缘的泄露电导与介质损耗（后者只存在于电缆线路中）
行波发生的变化
波幅降低 波的衰减
波前陡度减小
波长增大
波形凹凸不平处变得圆滑
电压波与电流波形不再相同
单相变压器绕组波过程
简化等值电路
合闸瞬间相当于开路，C电路
简化等值L-C电路
主纵绝缘（内绝缘）
沿线路入侵的过电压波在绕组的主纵绝缘上产生过电压
主绝缘由绕组中各点最大对地电位决定
绕组相间或绕组对地的绝缘
纵绝缘由绕组中各点最大电位梯度决定 绕组首段纵绝缘应重点加强
同一绕组中不同匝间层间的绝缘
绕组中稳态电压分布和振荡过程
末端接地单相绕组 最大电压出现在首端附近1/3处 1.2-1.4Uₒ 1.4U。
末端不接地单相绕组，最大电压出现在绕组末端（中性点附近） 1.8-2.0U。 1.9U。
波前陡度小，振荡缓和。波前陡度大，振荡激烈 减小入侵冲击电压波的幅值和陡度对保护绕组主纵绝缘有很重要的意义
相同电压幅值下，截波作用时绕组内最大电位梯度比全波作用时还大，所以进行截波冲击试验
影响因素
绕组接法
中性点接地方式
进波情况
改善绕组中电位分布的办法
途径
改变初始电位分布，使之接近稳态电位分布
主要方法
补偿对地电容的影响静电屏，静电环，静电匝
增大纵向电容采用纠结式绕组
三相变压器绕组波过程
最大电位
中性点接地的星形绕组
看成三个独立单项绕组
中性点不接地的星形绕组
单相进波，中性点最大对地电位不超过2U。/3
两相进波，中性点最大对地电位不超过4U。/3
三相进波，中性点最大对地电位不超过2U。
三角形接法绕组
单项进波，与末端接地单相绕组相同
两三相进波，叠加法
三相进波，绕组中部对地最大电为可接近2U。
稳态电位
星形中性点不接地
单相进波，中性点稳态电压U。/3
两相进波，中性点稳态电压2U。/3
三相进波，中性点稳态电压U。
波在变压器绕组间的传递
冲击波侵入变压器高压绕组时，在低压绕组感应过电压
静电感应分量
电容耦合传递，与变比无关 只有低压绕组空载开路时感应过电压才较高
电磁感应分量
磁感应，与变压器变比，绕组接法及进波相数有关 往往成为配电变压器在低压侧遭雷击时发生高压绕组绝缘击穿的事故原因
雷电过电压
雷电及防雷装置
雷电放电过程
超长气隙极不均匀电场的火花放电 具有多次重复雷击等现象和特点
先导放电→主放电→余光放电
余光放电流过幅值较小但延续时间较长的电流，是造成雷电热效应重要因素之一
第一次冲击放电电流量最大，以后电流较小 自上而下连续发展的箭状先导
自然界中雷电放电
下行
线状
负极性雷
雷电计算模型和雷电参数
计算模型
雷击小接地阻抗物体（＜30Ω）时，流过该物体的电流为雷电流 i ᶻ ＝iz 。/ （z 。+z ）
220kv及以下系统，雷电流取5kA 超高压系统，雷电流取10kA
雷电参数
极性和波形
极性
负极性雷平均占75-90%，对设备危害较大
负极性雷击电流有单极性的脉冲波形
波形
波头范围1μs-5μs 采用2.6μs
波长时间20-100μs 平均40μs
标准波形2.6/40μs 波前平均陡度α＝I/2.6（KA/μs）
波形参数有三个 幅值，波前时间，半峰值时间 决定性：波头，幅值
雷电流幅值出现的概率
lg P＝-I/88，lg P＝-I/44。 等于大于对于幅值的雷电流出现的概率
等值波形
双指数波 与实际雷电流波形最接近
斜角波 一般线路防雷设计中采用
半余弦波 大跨越 特殊高塔线路防雷设计时采用
雷电活动参数
雷电活动频度
雷暴日Td
一年中发生雷电的天数 （一天中只要听到雷声就算）
强雷区 Td＞40
多雷区40＜Td≤90
中雷区15≤Td≤40 标准地区
少雷区 Td＜15
雷暴小时Th
一年中发生雷电放电的小时数（一个小时内只要有一次雷声就算） 1Td＝3Th
地面落雷密度
每一雷暴日，每平方千米地面遭受雷击的次数 Td＝48的地区，地面落雷密度＝0.07
输电线路落雷次数
每100km输电线路每年遭受雷击的次数
基本防雷保护装置
分类
避雷器
过电压限制器，与被保护设备并联运行 作用电压超过一定幅值后避雷器先动作，泄放能量限制过电压保护设备
分类
保护间隙
工作原理
雷电波入侵时，间隙先击穿，工作母线接地，避免保护设备上电压升高，从而保护设备。过电压消失后，间隙中仍有由工作电压产生的工频电弧电流称为工频续流。此电流是间隙安装处的短路电流，因间隙灭弧能力差，将引起断路器跳闸。
缺点
限制了过电压保护了设备，但将造成线路跳闸事故，与自动重合闸配合
适用范围
不重要和单相接地不会导致严重后果的场合 （低压配电网和中性点非有效接地电网）
管型避雷器
实质
有较高熄弧能力的保护间隙
特点
短路时工频电流电弧的高温会使管内产气材料分解大量气体，管内压力升高，气体在高压下由环形电极的开口孔喷出，形成强烈的纵吹，从而使工频续流在第一次过零时被切断
缺点
伏秒特性较陡且放电分散性较大
动作后工作母线直接接地形成截波，对绝缘不利
运行维护麻烦
用于个别地段的保护：变电站的进线段，大跨距和交叉档距中
阀式避雷器
结构
火花间隙
冲击放电电压残压被保护设备的耐压值
电阻阀片
阀片的电阻值与就过的电流成非线性的反的关系
冲击电流阶段电阻值小残压低 工频续流阶段电阻值大，熄弧迅速
由SiC加结合剂（水玻璃等）在300-500℃烧结而成。一支避雷器采用多个阀片串联
工作原理
正常工作时，将电阻阀片与工作母线隔离，以免母线的工作电压在电阻阀片中产生的电流时阀片烧坏
出现过电压且幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，冲击电流流过阀片和接地装置流入大地。在阀片上的压降称为残压，其值应低于线路的冲击耐压值
电气参数
残压
放电电流流过避雷器时端子间出现的电压峰值 （雷电流通过避雷器电阻阀片时产生的压降）
额定电压
正常工作时加在避雷器上的工频工作电压（线）
灭弧电压
确保避雷器在工频续流第一次过零是灭弧所允许施加的最低工频电压 应大于避雷线母校上可能出现的最大工频电压
冲击放电电压
冲击电压作用下避雷器的放电电压幅值，给上限值
工频放电电压
避雷器发生放电的工频电压值，衡量避雷器火花间隙绝缘强度的指标，避雷器工频放电电压的上限
评价指标
保护水平
可能出现的最大冲击电压峰值
冲击系数
冲击放电电压比工频放电电压幅值，接近于1好
切断比
工频放电电压下限比灭弧电压，接近于1越好
保护比
残压比灭弧电压，越小越好
金属氧化物（ZnO）
原理
正常时阀片相当于绝缘体
电压超过一定值时，阀片导通，冲击电流通过阀片流入大地，残压不超过被保护设备耐压值，达到过电压保护的目的
过电压消失后，阀片自动终止导通状态，恢复绝缘 （不存在电弧的燃烧与熄灭问题）
优点
无间隙，工作电压下ZnO相当于绝缘体，不需串间隙隔离工作电压
无续流 ，可用于直流系统
保护性能优越，伏秒特性平坦，陡波相应能力大大改善，非线性伏安特性可进一步降低残压
通流容量大，比SiC大4-5倍，限制操作过电压
性能稳定，抗老化能力强，寿命长
适应多种特殊需要，大批量生产造价低
参数
额定电压
允许施加最大工频电压有效值，即耐受短时工频过电压，对应SiC的灭弧电压
最大持续运行电压
允许长期连续施加的最大工频电压有效值，决定避雷器长期工作的老化性能
直流参考电流，1-5mA（1mA ）
起始动作电压（参考电压）
直流，1mA时的直流电压平均值，拐点电压
通过MOA工频电流阻性分量的峰值时，MOA上测得的有效值
工频参考电压≥避雷器额定电压的峰值
残压
陡波1/5μs
雷电冲击波8/20μs
操作冲击波30/60μs
通流容量
短持续时间（4/10μs）大电流（10-65kA）作用两次
长持续时间（0.5-3.1ms）方波电流（150-1500A）多次
评价指标
保护水平
雷电冲击残压和陡坡冲击残压除以1.15中的较大值。越低越好
压比
标称放电电流下残压与参考电压峰值之比 越小越好 1.6-1.8
荷电率
持续运行电压幅值与直流参考电压之比 越高越好，太高会老化 50-90%
保护比
压比与荷电率之比 越小越好 1.4-1.55
标称电流确定残压
3-220kV，5kA
330kV以上，10kA
500kV系统只有一组用20kA 两组以上每组选10kA
性能改进
目前110kV及以下大部分采用无间隙 对于超高压或需大幅降低压比时， 并联或串联间隙来降低残压和压比
试验项目
绝缘电阻
直流1mA电压和0.75的直流1mA电压下的漏电流 U1mA实测与出厂初始值变化小于5%
运行电压下的交流电流泄漏，可反应MOA的严重受潮
工频参考电流下的工频参考电压，可判断老化劣化 正常运行时流过MOA电流只有几十微安
底座绝缘电阻
检查放电计数器动作情况
避雷线
单根保护范围
hₓ≥h/2 rₓ＝0.47（h-hₓ）P
hₓ≤h/2 rₓ＝（h-1.53hₓ）P
保护角
概念
避雷线和边相导线的连线与经过避雷器的垂直线之间的夹角 15-30°
范围
越小，屏蔽效果越好
110kv以上全装设避雷线，35kv及以下一般不装
110-220kv，20-30°
220-330kv，20°
500-750kv，≯15°甚至负值，沿全线设双避雷线
避雷针
结构
接闪器，引下线，接地体
单根保护范围
以其本体为轴线的曲线圆锥体
hₓ≥h/2 rₓ＝（h-hₓ）P
hₓ≤h/2 rₓ＝（1.5h-2hₓ）P
h避雷线的高度 P高度修正系数
h≤30m，P＝1
30m＜h≤120m，P＝√（30/h）＝5.5/√h
防雷接地装置
定义
接地
将地面上的金属固体或电气回路的某一节点通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地经常保持等电位
接地装置
包括引线在内的埋设在地中的一个或一组金属体或由金属导体组成的金属网
接地电阻
接地点的电位U与通过接入地中电流I的比值
分类
工频接地电阻
冲击接地电阻
冲击系数
冲击接地电阻与工频接地电阻的比值
集中接地体 ＜1 接地时间较长可能＞1
一般土壤，集中接地体冲击接地电阻2-6Ω
包括
接地体本身电阻，接地体与大地之间的接触电阻，大地的溢流电阻
接地分类
工作接地0.5-10Ω
保护接地1-10Ω
防雷接地1-30Ω
火花效应
土壤局部放电导电性增大，相当于增大接地极的尺寸，使接地电阻小于工频电流下的数值，冲击接地电阻变小
电感效应
接地体延长的比较长时会发生电感效应，冲击接地电阻变大
工程实用接地装置
接地体主要由扁钢圆钢角钢或钢管组成，埋于地下0.5-1m处
输电线路防雷接地
高压输电线每一杆塔下一般都设有接地体，并通过引线与避雷线相连，目的是使击中避雷线的雷电流通过较低的接地电阻进入大地
杆塔接地体距离人行道必须3m以上
降低接地电阻方法
增加水平射线长度或根数
引申接地
合理利用降阻剂或适量换土
连续延伸接地
发电厂和变电所的防雷接地
敷设统一的接地网，由扁钢水平相连，埋入地下0.6-0.8m，面积大体与发电厂和变电站面积相同
降低接地电阻的方法
增大接地网面积，降阻效果不理想
引伸接地：可远至1000m以内，一般是小型接地体，适合采用降阻剂
深埋接地
深井爆破接地
电抗线圈
电容器组
消弧线圈
自动重合闸
绕击率
雷电绕过避雷装置而击中被保护物体的概率
规定保护范围对应与0.1%的绕击率
反击
避雷针避雷线除对直击雷屏蔽外还要防反击
强大的雷电流通过避雷针入地时，在避雷针或接电装置上产生过电压，可能引起避雷线与被保护物体之间间隙击穿
避雷针适用于变电所发电厂（集中）
避雷线适用于架空线路（伸展很广）
防雷保护
输电线路防雷保护
耐雷性能指标
耐雷水平
雷击线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值或能引起闪络的最小电流值 （kA）
雷击跳闸率
雷暴日Td＝40时，每100km线路每年因雷击而引起的跳闸次数 次/（100km·40雷暴日）
雷击架空输电线路的可能
雷击线路附近地面
雷击塔顶及附近避雷线
雷击档距中央避雷线
雷击导线
输电线路雷电过电压分类
感应雷过电压
概念
雷云放电过程中，放点通道周围空间电磁场急剧变化，在附近输电线路上感应过电压 静电分量起主要作用
极性
与雷电流极性相反
分类
雷击线路附近大地时线路上的感应雷过电压 S≥65m
Ui＝25Ihc/s Ui-导线上感应雷过电压最大值，kV I-雷电流幅值，kA hc-导线的平均对地高度，m s-雷击点与线路的距离，m
感应雷过电压与雷击电流幅值成正比 与导线平均高度成反比 与雷击点到线路的距离成反比
对110kV及以上线路危害不大，足以破坏35kV及以下线路
导线上方挂有避雷线，由于屏蔽效应，感应电荷减少，导线上感应过电压降低
雷击杆塔或线路附近的避雷线上的感应雷过电压 S≤65m
U＝ahc（kV） a-感应过电压系数 a＝I/26 （无避雷线）
U＝ahc（1-k） k为耦合系数 （有避雷线）
直击雷过电压
雷击杆塔塔顶
击杆率
雷击杆塔次数与雷击线路次数比值
山区击杆率＞平原
反击
线路绝缘子上的电压幅值大于绝缘子串冲击闪络电压，绝缘子串发生闪络，杆塔电位高于导线电位。（逆闪络）
距离避雷线最远，耦合系数最小，易反击
耐雷水平
因素
分流系数，杆塔等值电感，杆塔冲击接地电阻，导线与地线的耦合系数，绝缘子串的50%冲击闪络电压
提高措施
降低杆塔接地电阻（主要措施）
增大耦合系数（主要措施）
提高线路绝缘
降低杆塔分流系数
雷击避雷线档距中央
概率10%，引起感应过电压最大
耐雷水平
I₂＝U50%/100
有关因素
雷击点电压与波前陡度成正比
与波速成反比
与档距长度成正比
绕击
有关因素
避雷线的保护角
杆塔高度
线路经过地区的地形地质条件
山区绕击率约为平原的3倍，相当于保护角增大8°
绕击线路耐雷水平
比雷击杆塔耐雷水平低得多
35kV→3.5kA
110kV→7kA
220kV→12kA
330kV→16kA
500kV→27.4kA
输电线路雷击跳闸率
有关因素
与建弧率成正比
建弧率
冲击闪络转为工频电弧的概率
与每100km线路每年遭受雷击次数成正比
与击杆率，绕击率，雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平的概率有关
跳闸条件
发生冲击闪络
冲击闪络电弧转化成稳定的公平电弧
输电线路防雷保护措施
架设避雷线 目前110kV及以上线路最有效最重要的防雷措施
降低杆塔接地电阻（10-30Ω） 提高耐雷水平，减少反击率
加强线路绝缘 高杆塔增加绝缘子片数。超过40m，每增高10m增一片绝缘子
架设耦合地线 降低雷击跳闸率
采用消弧线圈接地方式 35kV及以下电网中性点非有效接地系统雷击跳闸率可降低1/3
装设线路用避雷器 金属氧化物避雷器降低雷击跳闸率
不平衡绝缘方式 同塔双回线路，两回线路绝缘子片数有差异，降低雷击同时跳闸率
装设自动重合闸 减少线路雷击停电事故
发电厂 变电所的防雷保护
直击雷保护
装设避雷针避雷线（防止被反击）
独立避雷针与配电构架空中距离≥5m
避雷针接地装置与被保护设备接地装置距离≥3m
距离人行道≥3m，否则采取均压措施，或铺设50-80mm沥青加碎石层
避雷针与主接地电网的地下连接点到变压器接地线到主接地网地下连接点，沿接地体的距离≥15m
变压器门型构架不装避雷针
35kV及以上配电装置将避针装在构架上 35kV以下采用独立避雷针
土壤电阻率＞1000地区，架构上不装避雷针
照明灯塔作为避雷针支架时，其电源线必须用铅皮电缆或将电源线穿入铁管埋入地中
入侵波保护
避雷器
作用
限制过电压波的幅值
前提
避雷器伏秒特性与被保护绝缘伏秒特性有良好配合 前者处于后者之下
伏安特性保证残压低于被保护设备的冲击电器强度
被保护绝缘处于该避雷器保护范围内
允许电气距离
Lm＝v（Uj-Uᴿ⁵）/2α Uj：设备多次截波耐压值（kV） Ur5：避雷器标称放电电流5kA下的残压（kV） α：雷电波速（kV/μs） v：波速（m/s）
最大允许距离与变压器多次截波耐压值和避雷器残压的差值成正比 与侵入波陡度成反比 尽可能把避雷器装的离主变近一点
最大电气距离 lmax＝（Uwi-Uis）/2a' Uwi：绝缘的雷电冲击耐压值 Uis：残压 a'：进波陡度（空间陡度）
大气过电压作用在中性点直接接地的变压器绕组上时，绕组上电压分布衰减指数分布
雷电过电压入侵变电站时，变压器电压波形具有衰减振荡性质，振荡轴为避雷器残压
任何运行情况下，变电所均应受到避雷器的保护，每段母线都应装设避雷器
变电所进线段保护
进线段作用
进入变电所过电压将来自进线段以外的线路，他们在流过进线段时因冲击电晕发生衰减和变形，降低波前陡度和幅值
限制入侵波陡度目的：限制由变压器与避雷器之间距离而引起的电压差，保护匝间绝缘和中性点绝缘
进线段要求
长度1-2m。 接地电阻＜10Ω，以减少反击率。 保护角不超20°，最大不超30°，以减少绕击率。
雷击进线段以外的导线，因为导线波阻抗和避雷器串联，有限流作用，使流过变电所避雷器雷电流幅值不超5kA
220kV及以下→5kA以下的残压为基准 330kV及以上→10kA以下的残压为基准
作用：线路防雷，减少变电站入侵雷波事故
35kV及以上电缆进线段保护 用三芯电缆，末端金属外皮直接接地
其他
变压器
三绕组变压器
低压绕组三相出线上装阀型避雷器，高中压不装
自耦变压器
高低压侧及中压与断路器之间装避雷器 高压进波时，QF1内侧装一组避雷器，低压侧进波时，QF2内侧装一组避雷器，在高低压侧之间再跨接一组避雷器
中性点保护
110kV及以上中性点有效接地
中性点全绝缘不需要采用专门保护
中性点分级绝缘，若为安装保护间隙，则必须采用与中性点绝缘等级相当的避雷器加以保护（金属氧化物避雷器）
中性点直接接地系统中，变压器中性点装设避雷器作用是限制中性点过电压幅值，保护中性点绝缘
35kV及以下中性点非有效接地系统
全绝缘，一般不装保护装置
变压器绝缘承受截波的能力来说明变压器承受雷电波的能力
旋转电机
旋转电机特点
电机冲击绝缘水平很低 冲击系数接近于1
电机绝缘配合裕度小 并联电容器组，串联电抗器来提高可靠性
要求严格限制进波陡度 保护匝间绝缘，侵入波陡度限制5kV/μs以下 保护中性点绝缘，侵入波陡度限制2kV/μs以下
直配机防雷保护
装设
每台发电机出线母线处装设一组MOA或FCD型避雷器，以限制入侵波幅值
发电机母线上装电容器，限制入侵波陡度和降低感应过电压
直接与架空线相连（包括经过电缆，电抗器等与架空线相连）
非直配机防雷保护
经过变压器再连接到架空线上
进线段保护
电缆与管型避雷器联合作用
埋在土壤中，增加外皮的分流作用
气体绝缘变电站（GIS）的防雷保护
伏秒特性平坦，绝缘水平取决于雷电冲击水平，采用ZnO避雷器，冲击系数接近于1
结构紧凑，被保护设备与避雷器相距较近，比常规变电所有利
同轴母线筒的波阻抗比架空线路小，60-100Ω，过电压幅值和陡度显著变小，对变电所的进行波防护有利
完全不允许产生电晕，否则绝缘会立即击穿，绝缘没有自恢复能力
全封闭结构，绝缘强度不受周围环境影响
无电缆进线的gis变电站，架空线路用进线段保护，长度不应小于2km
内部过电压
概念
过电压能量来源于系统本身，其幅值与系统标称电压成正比
Kn＝内部过电压幅值/系统最高运行相电压幅值
内部过电压倍数工频过电压基准值
最高运行的相电压有效值
内部过电压倍数操作过电压基准值
最高运行的相电压峰值
绝缘水平
220kV及以下：由大气过电压决定 大气过电压也叫外部过电压，雷电过电压
330kV及以上：操作过电压
110kV及以上：系统最大电压决定
分类
暂时过电压 稳态性质，持续时间较长
工频电压升高
空载长线路的电容效应
容性效应：集总参数LC串联电路，容抗大于感抗则电路中流过容性电流，电容电压高于电源电势
均匀无损空载线路沿线电压分布是余弦规律，各段导线电容电流值不同，沿线电压升高不均匀，线路末端电压最高
长度越长末端电压升越高，受线路电阻和电晕损耗限制，不超2.9
电源容量越小工频电压升高越严重
Xs＞0，加则电容效应，Xs增加，过电压增大，等效线路延长
不对称短路引起的工频电压升高
单相接地短路最常见
中性点不接地系统：避雷器的灭弧电压按110%Un选
中性点经消弧线圈接地：100%Un
中性点有效接地：80%Un
甩负荷引起的工频电压升高
主要原因
发电机电动势不能突变
调速器和制动装置的惰性
空载线路的电容效应
工频电压
定义
正常过故障时出现幅值超过最大工作相电压，频率为工频或接近工频的电压升高。
研究意义
多种操作过电压往往在工频电压升高的基础上产生和发展
是决定某些电压保护装置工作条件的重要依据
不衰减或弱衰减现象，持续时间长，对设备绝缘及运行条有很大影响
工频电压升高限制措施
规定，330kV，500kV，750kV系统母线上暂态工频过电压升高不超过最高工作相电压的1.3倍，线路不超1.4倍
220kV及以下电网不需采取措施
330500kV：并联电抗器或静止补偿装置（在线路末端，将工频电压升高到1.3-1.4倍相电压以下
采用良导体地线降低输电线路的零序阻抗电源容量愈发，良导体地线降低工频电压愈明显
谐振过电压
线性谐振
由不带铁芯的电感元件输电线路的电感 变压器的漏感）或励磁特性近似直线的电感元件（消弧线圈，其铁芯中有缝隙）和系统中的电容元件组成
正弦电源作用下，系统自振频率与电源频率相等或接近时，可能产生线性谐振
条件
感抗＝容抗，无需外界激发
限制方法
使回路脱离谐振状态
增加回路的损耗
并联补偿电路不对称切合引起的线性谐振过电压
超特高压线路接有并联电抗器，操作线路出现不对称切合时，合闸相对开断相的相间电容与开断相的对地电抗组成谐振回路
消弧线圈补偿电网引起的线性谐振过电压
发生不对称接地故障时，消弧线圈与导线对地电容串联谐振
铁磁谐振（非线性谐振）
特点
相位反倾现象
回路电流由电感突变成电容性
外激发现象
需要经过渡过程建立起谐振，维持很长时不会衰减，例如系统的突然合闸，发生故障以及故障的消除等，这些可造成铁芯电感两端的短时电压升高，大电流的振荡过程或电感中的涌流现象
自激现象
没有外界的冲击扰动，工作在谐振状态
基波的条件
感抗＞容抗
外界条件激发
整体的性质
回路电流呈容性，感抗＜容抗，发生谐振时回路无固定的自振，可发生基波与各种频率谐波的自振
铁磁元件的非线性是产生铁磁谐振的根本原因，但其饱和特性本身又限制了过电压的幅值，一般不大于电源电压的3倍
断线引起的铁磁谐振过电压
单电源供电时发生
不能用避雷器限制非线性谐振
断线
导线因故障折断，断路器非全相操作，熔断器的一相或两相熔断，断线后非全相运行，组成多种串联谐振回路
电感
电网中空载或轻载运行的负载变压器的激磁电感及消弧线圈的电感
电容
导线对地和相间的部分电容，电感线圈对地杂散电容
电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压
电压互感器三相电感饱和且饱和程度不同，三相对地阻抗明显不同，此时与设备电容或对地电容构成谐振回路可能激发各种非线性谐振现象
限制措施
改善电磁式电压互感器的励磁特性，或该用电容式电压互感器
在电压互感器开口三角绕组中接入阻尼电阻，或在电压互感器一次绕组的中性点对地
有些情况下，10kV及以下母线装设一组三相对地电容器，或用电缆代替架空线段，以增大对地电容，但从参数搭配上应避免谐振
传递过电压引起的铁磁谐振过电压
系统中发生不对称接地故障或断路器不同期（非全相操作）时，可能出现明显的零序工频电压，通过静电和电磁耦合在相邻输电线路之间或变压器之间产生工频传递现象形成传递过电压
若传递回路中有铁芯电感元件，如轻载空载变压器，消弧线圈或电压互感器等铁磁元件，则有可能产生非线性谐振过电压
传递措施：避免产生零序电压
参数谐振
串联回路中含有周期性变化的电感，其变化频为电源频率的偶数倍（2倍时谐振最容易发生），并有相应的电容配合，回路电阻又不大时，有可能出现参数谐振而引起的过电压，参数谐振的频率就是电源的频率
同步谐振
异步谐振
谐振
周期性或准周期性的运行状态，知道破坏谐振条件出现
谐振过电压严重性取决于它的幅值，持续时间
操作过电压 暂态过程 0.1s
中性点不接地系统电弧接地引起的过电压 6-10kV 35-60kV
形成原理
中性点不接地系统发生单相接地时，经过故障点流过电容电流，可能出现电弧时燃时灭的不稳定状态，引起电网运行的瞬时变化，导致电磁能量的强烈振荡，并在健全相和故障相上遍及全系统产生过电压
间歇性电弧接地时，非故障相最大过电压为3.5倍，故障最大过电压为2倍
消除过电压措施根本途径是间歇性熄弧 人为增大相间电容是抑制间歇性电弧接地的有效措施
系统中装设三角形接线用于改善功率因数的电容器组，一举两得
影响因素
熄弧与重燃的相位
系统相关参数
如相间电容，绝缘子泄漏电流及网络损耗电阻
中性点接地方式
消弧措施
将中性点直接接地或经小阻抗接地
中性点经消弧线圈接地
线路过长条件许可，分网运行，减小接地电流，有利于接地电弧的自熄
消弧线圈基本作用
补偿流过故障点的短路电流，使电弧自行熄灭，系统自行恢复到正常工作状态
降低故障相上恢复电压上升速度，减小电弧重燃可能性 不能认为消弧线圈能消除间歇性电弧接地过电压
消弧线圈补偿方式
过补偿
范围5%-10%，当消弧线圈容量不足时，允许在一定期限内以欠补偿方式运行，单脱谐度不宜大于10%
欠补偿
全补偿
合闸空载线路引起的过电压 330-500kV
概念
最大电压可达3倍电压幅值
正常合闸，线路上无残余电荷，初始电压0，Umax＝2Ua
单相自动重合闸同上
三相自动重合闸 Umax＝3Ua
影响因素
合闸相位（接近幅值时发生，过电压高）
残余电荷
断路器合闸不同期
回路损耗
电容效应
解决措施
装设并联合闸电阻（400-1000Ω的低值电阻）
同相位合闸
利用避雷器保护
利用单相自动重合闸，避免线路残压的影响
隔离装设并联电抗器
超特高压绝缘水平的决定性因素
切除空载线路引起的过电压 220kV及以下
电弧重燃是产生这种过电压的根本原因
影响因素
断路器性能
中性点接地方式
三相断路器分闸不同期构成瞬间的不对称三相短路，中性点位移，相间耦合，过电压增高
损耗
线路侧装设电磁式电压互感器
母线出线数
出线数增加，过电压降低
限制措施
采用不重燃断路器
断路器装设分闸电阻
线路上装设泄流设备
装设避雷器（金属氧化物）
切除空载变压器引起的过电压 110-220kV
空载变压器正常运行表现为一激磁电感。切除空载变压器就是开断一个小容量电感负荷，会在变压器和断路器上出现很高的过电压
产生原因
流过电感的电流在达到自然零值之前能被断路器强行切断截流现象，从而迫使储存在电感中的磁场能量转化为电场能量而导致电压升高
影响因素
断路器性能
变压器参数
L越大，C越小，过电压越高 变压器两侧有较长连接线，或电缆，会使过电压明显降低
变压器相数，绕组连接方式，铁芯结构，中性点接地方式，断路器端口电容等
限制措施
变压器任一侧装上金属氧化物避雷器，接在断路器的变压器侧，保证断路器开断后，避雷器仍留在变压器连线上，就可以有效限制这这种过电压。若高低压侧中性点接地方式相同，可在低压侧装避雷器
断路器触头间电弧重燃将使电感中储能越来越小，从而使过电压幅值
变压器绕组该用纠结式绕法以及增加静电屏蔽措施，使过电压有所降低
优质导磁材料
断路器装设并联电阻
操作过电压
因操作或故障引起的瞬间电压升高，暂态过程
标称电压越高，操作电压越高
幅值和持续时间与电网结构参数，断路器性能，系统接线，操作类型等因素有关 具有统计性
330kV及以上：操作过电压决定绝缘水平 220kV及以下：雷电过电压决定绝缘水平
相对地绝缘
35-60kV（非直接接地）过电压倍数4.0
110-220kV，3.0
330kV，2.75
500kV，2.0或2.2
相间绝缘
35-220kV相间操作过电压可取相对地的1.3-1.4倍
330kV，1.4-1.45倍
500kV，1.5倍
SF6
SF6
物化性质
毒性
纯净SF6气体无毒，温度不高时化性稳定
电弧的高温及水分作用下产生化学反应（有毒及有腐蚀性化合物）
水
高温下反应产生有毒气体
低温下使SF6气体绝缘设备固体介质表面凝露，使闪络电压急剧降低
液化问题
0.1MPa下液化温度—63度。 压力增大，液化温度升高
高寒地区 加热或用SF6-N2混合气体降低液化温度
与空气比
密度是空气的5倍
灭弧能力是空气的100倍
绝缘特性
均匀及稍不均匀电场
均匀电场 击穿电压是空气的2.5-3倍 与电极表面粗糙度，电极表面积等有关
稍不均匀电场 曲率较大的电极为负极性时击穿电压小 绝缘水平由负极性电压决定
极不均匀电场
击穿电压和空气的相近
异常现象
击穿电压不总是随气压增大而增大
一定气压范围内，雷电冲击电压低于静态击穿电压
影响击穿场强因素
电极表面粗糙程度，面积，导电微粒
混合气体
SF6-N2 是N2 （0.5)与CO2（0.5)混合或者N2(0.6) 与空气（0.4)混合 电气强度降的不多
绝缘设备
全封闭气体绝缘组合电器GIS
伏秒特性平坦，要采用保护性能优异的氧化锌避雷器
结构紧凑，电气距离缩减
同轴母线波阻抗约为架空线的1/5 入侵过电压波幅值陡度变小
一旦出现电晕 立即击穿
气体绝缘电缆GIC
气体绝缘变压器GIT