高电压技术

high voltage technique

简介

研究有关高电压的理论、实验、应用的电工技术。它研究在高电压作用下电介质的放电和绝缘性能，高电压、大电流的产生及测试方法，过电压的产生机理和防护措施，高压静电场的计算和实测，强电磁环境及其保护，高电压的应用等。高电压技术所涉及的范围主要是在几十千伏至几兆伏电压下的一些技术问题。

发展简史 高电压技术最初是随着物理研究和输电工程的出现而发展起来的。德国物理学家W.K.伦琴(W.K.Rontgen)于1895～1896年发现X射线并用于人手骨骼的摄像时，已经应用了高电压技术。英国物理学家E.卢瑟福(E.Rutherford)于1911年根据α粒子轰击金箔引起散射而提出原子模型时，也应用了高电压技术。不少高电压技术理论是以物理学家命名的，如巴申定律、汤森放电理论等。一些高电压试验设备也是以物理工作者命名的，如考克饶夫倍压装置、范德格拉夫静电发生器等。高电压技术不仅在历史上与物理研究有渊深关系，还在目前的高能物理、热核聚变和激光器等的研究工作中起到了重要的作用。然而，高电压技术作为一门与国民经济密切相关的技术科学，是随着输电技术的发展而蓬勃发展起来的。当1891年从德国劳芬(Lauffen)到法兰克福建造了长度为170km的15kV三相输电线时起，就开始了高电压技术在输电工程中的实际应用。为了增大输电容量和距离以及减少输电损耗，电力网有不断提高工作电压的趋势。当输电线路电压超过35kV时，由于针式绝缘子的造价与电压成立方关系，此时就出现了盘形悬式绝缘子链。当线路电压上升到110～120kV时，电晕(见电晕放电)现象严重，于是在1910～1912年间美国J.皮克(J.Peek)等人研究了电晕损耗问题，并采用了直径较大的钢芯铝绞线以代替铜线。当电压上升到200～220kV时，由于绝缘子链上电压分布不均匀，需要采用均压环以改善绝缘子链的电压分布。到20世纪中叶之后，交流输电线路的额定电压达到了超高电压(330～750kV)的水平，80年代达到了特高压(≥1000kV)的水平。与此同时，高压直流输电技术也得到了快速发展。图1示出了前苏联历年输电电压的上升概况，由此可以看出这一时期工业先进国家的电力发展水平。中国自1949年以来，电力工业迅猛发展，输电电压上升的概况见图2。随着输电电压的提高，高电压技术获得不断发展并逐步形成学科并扩大了学科领域。

图1 前苏联输电电压上升概况

(1150kV试运行后又降压为500kV运行)AC—交流;DC—直流

图2 中国输电电压上升概况

AC—交流;DC—直流

学科领域 主要包括：①电介质击穿理论;②高电压绝缘;③电力系统过电压及其限制措施;④高电压试验技术;⑤高电压静电场的研究;⑥强电磁环境及其防护的研究。

电介质击穿理论主要研究各种放电现象，分析在气体、液体、固体电介质中和介质界面间的放电发展过程和击穿机理，研究绝缘材料的各种特性以及这些特性在一定环境条件下随时间的演变过程及老化机理。由于这方面的知识涉及物质的微观结构，故称为高电压技术的物理基础。到20世纪90年代为止，除了气体击穿理论比较系统外，固体电介质击穿的理论尤其是液体电介质击穿的理论，还不十分完整。总的说来，电介质击穿理论离定量分析还有相当距离。

高电压绝缘 研究电力设备如变压器、电机、电容器、高压断路器、电缆、绝缘子的绝缘结构和试验。绝缘结构包括材料选用、结构设计和工艺过程三部分。材料选用需要材料科学和电介质击穿理论的知识。结构设计需要计算、分析或测量复杂结构中电场及电位分布的知识。绝缘材料在制备工艺过程中要除潮、除气、除杂质，尤其要去除金属杂质，常用的手段是真空浸渍。对电力设备绝缘的试验，很重要的是在高电压下的试验。高电压试验可以分为两类：耐压试验和非破坏性试验。耐压试验是对设备施加较高的电压，直接检验绝缘承受电压的能力。由于所加电压较高，对于在击穿后无自恢复绝缘性能的电力设备，这是一种破坏性试验。非破坏性试验主要是指所加电压较低，通过测量绝缘电阻、电容比值、介质损耗角正切值、局部放电量等参数，间接判断绝缘状态的一种试验，又称预防性检查或绝缘诊断。正在发展的在线监测，即在设备不停电的情况下，经由各类传感器进行监测，并通过微机计算、分析、储存和报告绝缘状态，出现异常时则发出警报。(见绝缘诊断技术)

电力系统过电压及其限制措施 由于外部或内部的原因，有时电力系统的电压可瞬间或短时超过正常运行的最高电压，这种状态称为电力系统过电压。过电压会给电力设备的绝缘造成无可挽回的损坏，必须采取措施，防止它的产生或限制它的峰值。由过电压产生的机理，可分为外部产生的过电压和内部产生的过电压两个方面：①外部产生的过电压，也叫大气过电压。它由直接雷击或因雷击线路附近所产生的感应电压所造成。这种过电压持续的时间(单次)一般为微秒级，称作雷电冲击。为了防止它的破坏作用，采取了输电线上装设架空地线、降低杆塔的接地电阻、在变电所内装设避雷针和避雷器等措施。②内部产生的过电压，称作内过电压，其中包括操作过电压，操作过电压是由正常操作、故障或清除故障时系统过渡过程所造成的电压。这种过电压持续时间通常为毫秒级，它的峰值与运行电压相关，常以运行电压的若干倍来表示。它的波形与电力系统状态有关，而且多种多样。为了防止它的破坏作用，常用的限制其峰值的措施有：调整线路参数，装设并联电抗器，在操作断路器触头上装设并联电阻，装限压器等。

高电压试验技术包括高电压和大电流测试技术两个方面。

为了检验电力设备绝缘在运行中的可靠性，需研制能产生各种类型电压的试验电源，如交流试验变压器或串联谐振装置、直流高电压发生器、冲击电压发生器等。还要研制测量这些电压的装置，如各种高压电压表、各种高压分压器、高压示波器及高压技术中的数字测量系统和光电测量系统等。汇集各种高压测试设备的高电压试验室的规模、参数和设备内容，可以反映一个国家或一个单位的高电压技术水平。

对于电力系统中的断路器、避雷器等高压电器而言，除了耐压或放电试验之外，还需进行有关遮断电弧能力方面的试验。为此要研究电弧的特性和迅速熄弧的措施，还需要有大容量的交流电流试验设备，如冲击发电机、振荡回路、合成试验回路等。对于避雷器，还要研究雷电流通过时的许多特性，因此还需要具有能产生大冲击电流的冲击电流发生器和方波电流发生器等;相应地还需研制能测量冲击大电流的诸多仪器设备如分流器、罗戈夫斯基线圈等。此外，脉冲功率技术适应了技术物理、高能物理和新型加工的需要，对有关冲击电流的发生及测试装置，提出了更高的要求。对于工频大电流设备的研制和试验，也可划归电器学的技术领域。

高电压静电场的研究 主要研究高压设备或输电线绝缘中的静电场分布，研究求解静电场的各类计算和实验方法，以便最终实现对电场强度的控制，避免放电现象的产生，使绝缘能充分发挥作用，达到减小电气设备的尺寸和重量的目的。

强电磁环境及其防护的研究 主要研究强电磁场对人体健康的影响，对通信和电子设备及计算机等弱电装置的干扰，以及相应的防护措施。研究的课题有：电磁场的生理效应，高压设备及输电线所产生的无线电干扰、电视干扰、可听噪声、静电感应等等。

应用与发展方向高电压技术主要应用于电力系统和电工制造部门，实质是解决电力设备的绝缘问题。此外，它还在多个技术领域中得到了广泛的应用。它和下列技术或应用密切相关：①静电技术的应用;②放电效应的应用;③高功率脉冲技术;④电磁兼容等。

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