高电压工程实验报告

沿面放电实验

（一） 实验目的：

1．了解沿面放电的基本概念。

2．研究介质沿面放电的基本现象及影响沿面放电的一些因素。

（二） 实验内容：

固体介质处于不均匀电场中，且介质界面电场具有强垂直分量。当所加电压还不高时，电极附近首先出现电晕放电，然后随着所加电压的不断升高，放电区域逐渐变成由许多平行的火花细线组成的光带，即出现辉光放电。火花细线的长度随着电压的升高而增大，当电压超过某一临界值后，放电性质发生变化，出现滑闪放电。当电压再升高一些，放电火花就将到达另一电极，发生沿面闪络。 仔细观察沿面放电的整个过程，了解各个阶段沿面放电现象的特点，并阐明发生沿面放电现象的原理。

（三） 实验用仪器设备：

1．800kV无局放工频试验变压器 2．JJFB－1交流峰值电压表

3．平板式电极（小圆柱和平板为电极）

（四） 实验用详细线路图或其它示意图：

图1 沿面放电试验线路图

图2 平板式电极（小圆柱和平板为电极）

（五） 实验有关原理及原始计算数据，所应用的公式：

实验的有关原理请参考文献[4]和上述（四）中部分实验的原理图。

（六） 实验数据记录：

表1空气间隙放电实验记录表的参考式样

（七） 实验结果的计算及曲线：

本次实验沿面放电分为三个阶段：电晕放电、辉光放电和滑闪放电。

图3 电晕放电阶段图4辉光放电阶段图5滑闪放电阶段

（八） 对实验结果、实验中某些现象的分析讨论：

思考并完成下述问题：

1．进行高电压试验时为什么要特别注意安全？应采取那些安全措施？ （1）因为在高电压下工作，由于疏忽，人体与带高电压设备部分的距离小于安全距离时极可能发生人身伤亡事故；因错接试验电路或错加更高的试验电压很可能使试验设备或被试设备发生损坏。

（2）为了保证实验安全的进行，可采取以下安全措施：

1充分做好实验前的准备工作，拟定好实验方案，严格按照相关规程和实○

验老师的的指导进行实验； 2多人协同工作，明确分工，同时相互提醒，也可专设一人负责安全监察； ○

3实验中，全体人员必须思想集中，全神贯注，不能闲聊、随意走动，更○

不可随意触碰；

4时刻注意与带电高压设备保持安全距离；等。 ○

2．沿面放电共有哪几种类型？各种沿面放电类型有什么特点？

沿面放电根据固气交界面上的电场分布情况可以分为以下三种类型： （1）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电。固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行。这种情况在工程上较少遇到，但实际结构中常会遇到介质处于稍不均匀电场中的情况，此时的放电现象与上述均匀电场中的而又很多相似之处。在两平板电极间放入一固体介质，界面与电力线平行，沿面闪络电压要比纯空气间隙的击穿电压降低很多，原先的均匀电场发生了畸变。 （2）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电。会随着电压的逐渐增加，依次出现电晕放电、辉光放电、滑闪放电、闪络的现象。

（3）极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电。平均闪络场强比均匀时低得多；由于界面上的电场垂直分量很弱，因而不会出现热电离和滑闪放电；平均闪络场强大于前一种有滑闪放电时的情况。 3．本次实验的沿面放电属于哪一种放电类型？

本次实验属于极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电。玻璃处于极不均匀电场中，且界面电场的垂直分量比平行于表面的切线分量要大得多。 4．本次实验的沿面放电过程中经历了哪几个阶段？各阶段有什么放电特点？ 本次实验的沿面放电过程经历了四个阶段：a、当所加电压还不高时，圆柱形电极附近首先出现淡蓝色的光环，即出现电晕放电；b、随着所加电压的不断升高，放电区域逐渐变成由许多平行的火花细线组成的光带，即出现辉光放电；c、火花细线的长度随着电压的升高而增大，当电压超过某一临界值后，放电性质发生变化，出现滑闪放电；d、当电压再升高一些，放电火花就将到达另一电极，发生沿面闪络。

5．提高沿面放电电压的措施有哪些？

（1）采用屏蔽或屏障，使沿固体介质表面的电位分布均匀化； （2）减小比表面电容，减小固体表面电阻率； （3）消除绝缘体与电极接触面处的缝隙；

（4）改善高压电极形状，使其曲率半径增大。等等 具体而言，以实心瓷套管为例： （1）在瓷套的内壁上喷铝，消除气隙两侧的电位差，防止气隙中出现放电现象； （2）加大法兰处瓷套的外直径和壁厚，防止过早地出现滑闪放电；

（2）在法兰处电场较强的瓷套外表面上涂半导体漆或半导体釉，使此处压降逐渐减小，从而防止滑闪放电过早的出现，提高沿面闪络电压；

（4）采用能调节径向和轴向电场分布的电容式套管和绝缘性能更好的充油式套管。等等。

空气间隙放电实验

（一） 实验目的：

1．通过试验，掌握直流高电压的测量方法。

2．研究在极不对称电场下，间隙距离和极性条件对不同间隙击穿电压的影响。

（二） 实验内容：

1．测量在的直流高电压作用下，棒――板间隙的击穿电压和间隙距离的关系。 A：棒为正极性时，极间距离为2、3、4 cm。 B：棒为负极性时，极间距离为2、3、4 cm。 2．测量在直流高电压作用下，棒――棒间隙的击穿电压和间隙距离的关系。 棒――棒时，极间距离为2、3、4 cm。

（三） 实验用仪器设备：

1．间隙放电本体及控制台 2．50kV试验变压器 3．100kV静电电压表 4．1000pF电容器

（四） 实验用详细线路图或其它示意图：

图1 直流高电压原理图

图2 各种电极间的空气间隙

图3 棒――板气隙中的电场畸变

（五） 实验有关原理及原始计算数据，所应用的公式：

实验的有关原理请参阅参考文献[2]、[4]和上述（四）中部分实验的原理图。 实验的原始数据：

击穿电压值从静电电压表上直接读取。

（六） 实验数据记录：

（七） 实验结果的计算及曲线：

在同一坐标轴下画出正棒――板、负棒――板、棒――棒三种空气间隙的击

（八） 对实验结果、实验中某些现象的分析讨论：

思考并完成下述问题：

1．进行高电压试验时为什么要特别注意安全？应采取那些安全措施？ （1）因为在高电压下工作，由于疏忽，人体与带高电压设备部分的距离小于安全距离时极可能发生人身伤亡事故；因错接试验电路或错加更高的试验电压很可能使试验设备或被试设备发生损坏。

（2）为了保证实验安全的进行，可采取以下安全措施：

1充分做好实验前的准备工作，拟定好实验方案，严格按照相关规程和实验○

老师的的指导进行实验；

2多人协同工作，明确分工，同时相互提醒，也可专设一人负责安全监察； ○

3实验中，全体人员必须思想集中，全神贯注，不能闲聊、随意走动，更不○

可随意触碰；

4时刻注意与带电高压设备保持安全距离；等。 ○

2．分析上述关系曲线，并详细解释产生这种结果的基本原理。 （1）同一电极情况，不同间隙距离。

从上述各关系曲线可以看出，随着间隙距离的增大，击穿电压增大。因为，同等电压下，电场强度与间隙距离负相关，间隙距离越大，电场强度越小，亦即需要加更大的电压才能达到击穿要求。 （2）同为“棒-板”电极，棒的极性不同。

从上述关系曲线可以看出，棒极带正电位时，击穿电压要比带负电时低很多。 因为棒极带正电时，棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子。这些正离子虽然朝板极移动，但速度很慢而暂留在棒极附近。这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，而加强了正离子群外部空间的电场。因此，当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区亦将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的，直至气隙被击穿。

而棒极带负电时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头的电子在离开强场区后，虽不能再引起新的碰撞电离，但仍将继续往板极运动，而留在棒极附近的也是大批正离子。这是他们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间的电场。所以，当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整个气隙的击穿将是不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多，完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多。 （3）“棒-棒”和“棒-板”。 从上述关系曲线来看，“棒-棒”气隙的击穿电压介于前述两种“棒-板”气隙的击穿特性之间。因为，“棒-棒”气隙的极性效应不明显，可以忽略不计，没有明显的增强或削弱击穿特性的效应，其击穿电压介于两种“棒-板”气隙之间。

电缆波过程实验

（一） 实验目的：

1．加深对分布参数电路理论的理解，对电缆波过程实验结果与彼得森法则计算结果进行比较学会彼得森法则的实际应用。 2．学习测量波过程、波速度和衰减系数的方法。

3．研究行波在电缆节点上的折、反射及多次反射的运动规律。

（二） 实验内容：

1．通过实验装置，不断调节两个可变电阻，观察和测量电缆两端的电压波形。通过比较电压波形可以测量电缆的波阻抗，即比较R1＝Z，R2＝Z时的电压波形和R1＝Z，R2≠Z的电压波形。 2．观察和测量行波在电缆中传播的速度。当R1＝Z，R2≠Z(可取R2＝∞)时，通过测量进入波的前沿和反射波前沿的时间差，即可计算得到被测电缆的波速度。 3．观察和测量行波在电缆中传播的衰减。通过测量R1＝Z，R2＝Z时电缆首末端电压波形的幅值，比较这两个幅值的差值即可计算得到被测电缆的衰减系数。 4．测量电缆进波处的电压波形；可变电阻参数为：R1＝R2＝1/9Z；R1＝R2＝9Z；R1＝1/9Z，R2＝9Z；R1＝9Z，R2＝1/9Z。并与计算值比较。 5．R1＝R2＝Z，在电缆中点并一个电容器，测量电缆进波处和终点处的电压波形。 6．R1＝R2＝Z，在电缆中点串一个电感器，测量电缆进波处和终点处的电压波形。

（三） 实验用仪器设备：

1．20MHz～100MHz 示波器 2．方波发生器 3．电缆波过程

（四） 实验用详细线路图或其它示意图：

图1 实验电缆箱原理图

图2 电缆中点并一个电容器

图3 电缆中点串一个电感器

（五） 实验有关原理及原始计算数据，所应用的公式：

实验的有关原理请参考文献[2]、[4]和上述（四）中部分实验的原理图。 实验原始数据：波形的参数从示波器上读得。

（六） 实验数据记录：

1、电缆长度：L1、L2两段电缆各150m。

2、进入波的前沿和反射波前沿之间的时间差：2.000μs

3、R1＝Z，R2＝Z电缆首末端电压波形的幅值：首端：8.4V，末端：6.4V。 4、不同R1、R2时的电缆进波处电压波形：

（1）R1＝R2＝1/9Z；

（2）R1＝R2＝9Z；

（3）R1＝1/9Z，R2＝9Z；

（4）R1＝9Z，R2＝1/9Z；

5、R1＝R2＝Z，在电缆中点并一个电容器，

（1）进波处的电压波形

（2）终点处的电压波形

6、R1＝R2＝Z，在电缆中点串一个电感器，

（1）进波处的电压波形

（2）终点处的电压波形

（七） 实验结果的计算及曲线：

1、波速度：υ=2L1/△t = 150m/μs

2、电缆的衰减系数：η＝（U首-U末）/U首= 23.81%

3、接入电感和电容后的行波波形示例如下：

图4 行波穿过电感时的折、反射

图5 行波旁过电容时的折、反射

（八） 对实验结果、实验中某些现象的分析讨论：

思考并完成下述问题：

1．若被测量电缆的外皮不接地，对电缆波过程实验有什么影响？如何解释？ 如果外皮不接地，则电容C0电感L0数值会出现偏差（变低），架空线路波速计算公式v=1 00

而已，由此可以看出，测量得到的波速度将会偏大。

2．当波发生器内阻不为零，对电缆波过程实验有什么影响？

波发生器内阻不为零，相当于R1偏大，这样会使入口处的折反射偏离预设（折射、反射系数都偏小），影响实验效果。

3．行波一般在电缆中的传播速度为什么比在架空导线的传播速度慢？ 波速：v=1=1 =1×1 rr 00 00

其中，1为架空线路中的波速，与光速相等。 00

架空线路中，由于是空气，所以μr=1；εr=1。但电缆中，μr>1；εr>1，所以传播速度比架空线路中慢，一般约为半光速，即150m/μs。

4．在电缆中点并联电容器或串联电感器对电压波形有什么影响？这种改变有什么实际应用？

波经过串联电感器或者并联电容器后陡度均有下降，这是由于电感器两端的电流不能突变，电容器两端的电压不能突变。但对阶跃波而言，电感器或电容器并不会对波的最终稳态值发生影响。在防雷保护中常用这种效应来削减雷电流动波的陡度。

5．如实验中两电缆的波阻抗不相等，则实验5和实验6的电压波形会有什么变化？

假设Z11，β>0。而原来α=1，β=0。

电感： 可见，U2(0)不变，U2(∞)增大，即出口处电压初值不变，稳态值变大；

U-1(0)不变，U-1(∞)变小，即进口处电压初值不变，稳态值变小。

电容：

可见，U2(0)不变，U2(∞)增大，即出口处电压初值不变，稳态值变大；

U-1(0)不变，U-1(∞)变小，即进口处电压初值不变，稳态值变小。

6．分析折射系数和反射系数的变化范围以及它们的关系。

2Z2Z2−Z1α=∈ 0,2 β=∈ −1,1 1212

由以上两式可得：α=β+1

7．在什么条件下长导线可用集中参数元件代替？

行波沿分布参数的线路射入，且无需研究该长导线上行波的情况下在两者时间常数相等时可以等效代替。

8．架空线路的波阻抗大约为多少？线高，线径和分裂数三个因素，哪一个对波阻抗Z的影响较大？

一般架空线路的波阻抗大约为500Ω，分裂导线的波阻抗约为300Ω。 Z=60ln2ℎrh为线高，r为线径，现实情况中，成倍的改变线高和线径

很难做到，但是采用分裂导线的方法相当于增大线径，而且可以成倍的增大，因此认为分裂数对波阻抗的影响较大。

（九） 实验方法指示及注意事项：

1．实验开始前，请同学们预习电缆波过程的原理，掌握波速度的测量原理及方法。

2．实验时，仔细观察并记录在不同条件下波形的变化。

（十） 对同学的要求：

1．实验前，同学们应预习本次实验的内容，了解掌握实验接线及实验方法。

2．实验时，要求同学特别注意安全，同组同学之间要注意配合，设定、核查、操作、监督的分工要明确。

3．实验后，应认真完成实验报告。