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1 绪论 1

1.1 电荷的产生与消失 1

1.2 电场与磁场 2

1.3 电介质与电气绝缘 3

1.4 绝缘击穿 3

1.4.1 全局击穿 4

1.4.2 局部击穿 4

1.5 电晕、流注和极光 4

1.6 电容与电容器 5

1.6.1 杂散电容 5

参考文献 6

2 电场及其控制与估算 7

2.1 电场强度E 7

2.2 电介质的击穿场强Eb 9

2.2.1 电介质的局部击穿 9

2.3 电场的分类 10

2.3.1 电场的均匀度 11

2.3.1.1 接地对于电场分布的影响 13

2.4 电场的控制 15

2.5 电场的估算 18

2.5.1 静电势与静电场的基本方程 18

2.5.2 单一介质中各向同性的均匀电场估算方法 21

2.5.2.1 拉普拉斯方程的直接解法 21

2.5.2.2 静电场中的高斯定律 25

2.5.3 多介质中各向同性电场的估算方法 29

2.5.3.1 介质交界面平行于电场方向 32

2.5.3.2 介质交界面垂直于电场方向 33

2.5.3.3 介质交界面与电场方向相交 36

2.5.4 估算电场强度的数值方法 37

2.5.4.1 有限元法（FEM） 38

2.5.4.2 模拟电荷法（CSM） 43

2.5.5 电场数值优化 49

2.5.5.1 轮廓点的替代优化 51

2.5.5.2 通过改变优化电荷和轮廓点的位置进行优化 51

2.5.5.3 通过修改轮廓元素进行优化 52

2.6 结论 54

参考文献 54

3 空气和其他气体介质的绝缘特性 58

3.1 电场中电荷的产生机理 60

3.1.1 碰撞电离 62

3.1.2 热电离 63

3.1.3 光电离以及亚稳态粒子与分子之间的相互作用 63

3.2 均匀和稍不均匀场中的空气击穿 64

3.2.1 均匀电场中的空间电荷 65

3.2.2 电子崩的形成与发展 67

3.2.3 流注放电的发展 71

3.2.4 击穿机理 73

3.2.4.1 汤逊放电机理 73

3.2.4.2 流注放电机理 78

3.2.5 均匀电场的击穿电压特性（巴申定律） 81

3.2.6 稍不均匀场中的击穿电压特性 90

3.3 极不均匀电场的击穿特性 91

3.3.1 放电电子崩的发展 91

3.3.1.1 正极性针-板电极结构（正极性或阳极电晕） 91

3.3.1.2 负极性针-板电极结构（负极性或阴极电晕） 93

3.3.2 流注放电发展 95

3.3.2.1 正极性棒-板电极（正极性流注电晕） 95

3.3.2.2 负极性棒-板电极（负极性流注电晕） 98

3.3.2.3 极不均匀电场中对称正负电极间的放电 99

3.3.3 先导放电发展 100

3.3.3.1 正极性先导电晕的发展和扩散 102

3.3.3.2 负极性先导电晕的发展和空间先导现象 104

3.3.3.3 电晕产生的电磁干扰 107

3.3.4 空气在极不均匀电场中击穿机理的研究综述 107

3.3.5 极不均匀电场下的空气击穿 109

3.3.5.1 伴有稳定起晕的击穿 110

3.3.5.2 伴有稳定流注起晕的击穿 113

3.3.5.3 伴有稳定流注和先导电晕的击穿（长间隙） 118

3.3.5.4 冲击电压下火花击穿形成所需的时间 121

3.3.5.5 冲击电压波形对击穿的影响 123

3.3.5.6 空气在极不均匀电场中击穿特性的总结 126

3.3.5.7 长间隙下极不均匀电场中击穿电压的预测 127

3.3.6 局部击穿或电晕对大气的影响 128

3.3.6.1 空气中电晕作用下的化学分解 129

3.3.6.2 架空线中电晕导致的能量损失 130

3.3.6.3 电磁干扰（EMI）与可闻噪声（AN） 132

3.3.6.4 电晕对环境的其他影响 133

3.4 电弧以及其他特点 135

3.4.1 空气中电弧的静态伏安（U-I）特性 136

3.4.2 电弧的动态U-I特性 137

3.4.3 灭弧 139

3.5 SF6气体的性质以及其在电气设备中的应用 140

3.5.1 六氟化硫气体的性质 143

3.5.1.1 物理特性 143

3.5.1.2 电负性特性 145

3.5.2 SF6气体在均匀和稍不均匀场中的击穿 145

3.5.3 影响SF6气体击穿特性的外部因素 152

3.5.3.1 电极材料和表面粗糙度对击穿特性的影响 153

3.5.3.2 GIS中微粒污染物对击穿特性的影响 154

3.5.3.3 对GIS中微粒污染物导致局部击穿或击穿的测量 160

3.5.3.4 控制微粒污染作用的措施 161

3.5.4 SF6气体在极不均匀电场中的击穿 162

3.5.5 SF6混合气体的绝缘强度 165

3.5.6 SF6及其混合气体的分解 166

3.5.7 SF6气体对环境的影响 170

参考文献 171

4 雷电和球形闪电的发展机理、危害和保护 179

4.1 地球是一个电容器 180

4.1.1 地球的大气和云 181

4.1.1.1 对流层 181

4.1.1.2 平流层 182

4.1.1.3 电离层 182

4.1.2 云及其重要作用 182

4.1.2.1 云的分类 182

4.1.3 大气中的静电荷 184

4.1.3.1 电荷的外部来源 184

4.1.3.2 空气电离产生的电荷 185

4.1.3.3 雷暴和起电机制 186

4.2 雷击的产生机理 187

4.2.1 长空气间隙的放电机理 188

4.2.2 雷电对地冲击的机制 189

4.2.3 雷击位置偏好 190

4.3 雷电的危害 192

4.3.1 雷电对生命的影响 192

4.3.2 雷电产生的火灾隐患 192

4.3.3 雷电引起的爆炸 193

4.3.4 雷电暂态过电压在电力系统网络中的发展过程及其保护措施 194

4.4 雷电的防护 196

4.4.1 生命的防护 196

4.4.2 建筑物的保护 197

4.4.2.1 接闪器 198

4.4.2.2 引下线 198

4.4.2.3 接地装置 198

4.4.3 保护范围 199

4.4.3.1 折线法 199

4.4.3.2 滚球法 199

4.5 球形闪电 200

4.5.1 球形闪电现象 200

4.5.2 球形闪电的破坏力 201

4.5.3 球形闪电的模型和物理特性 201

4.5.4 无雷击的球形闪电 203

4.5.4.1 天气和气候条件 203

4.5.4.2 电荷或电流的人为来源 203

参考文献 204

5 真空的绝缘特性 207

5.1 真空中预击穿电子发射 208

5.1.1 金属表面的电子发射机理 208

5.1.2 非金属电子发射机理 210

5.2 真空中的预击穿传导与火花放电 213

5.2.1 真空断路器中的绝缘击穿 218

5.2.1.1 大电流作用下的真空灭弧 219

5.2.1.2 电弧的延迟重燃 219

5.2.1.3 绝缘子表面状态对真空绝缘的影响 220

5.2.2 电极老练对真空击穿电压的影响 220

5.2.3 电极表面积对真空击穿电压的影响 221

5.3 真空绝缘在航空航天领域的应用 222

5.3.1 真空绝缘的供电系统 222

5.3.2 真空在近地等离子体环境中存在的问题 223

5.4 结论 223

参考文献 224

6 液体电介质的分类、性能及绝缘强度 226

6.1 液体电介质的分类 226

6.1.1 矿物绝缘油 227

6.1.1.1 变压器中使用的矿物绝缘油 228

6.1.2 植物油 229

6.1.3 氯代联苯 229

6.1.3.1 无卤素的人工合成油 230

6.1.4 无机绝缘液体 230

6.1.5 极化和非极化电介质 231

6.2 绝缘材料的介电性能 231

6.2.1 电介质的绝缘电阻 231

6.2.2 绝缘材料的介电常数 232

6.2.3 绝缘材料中的极化现象 233

6.2.3.1 时间对极化的影响 234

6.2.4 绝缘材料的介质功率损耗 240

6.3 液体电介质的击穿 243

6.3.1 绝缘液体的电导 243

6.3.1.1 液体介质的电动力学特性 244

6.3.2 本征击穿场强 247

6.3.3 准均匀场中实测的击穿场强 248

6.3.3.1 温度和含水量对击穿强度的影响 249

6.3.4 不均匀电场下的击穿和流注的发展 253

6.4 矿物油的老化 256

参考文献 258

7 固体电介质的分类、性能以及在电场中的绝缘特性 261

7.1 固体绝缘材料的分类 261

7.1.1 无机绝缘材料 262

7.1.1.1 陶瓷绝缘材料 262

7.1.1.2 玻璃 264

7.1.2 有机高分子材料 264

7.1.2.1 热塑性聚合物 265

7.1.2.2 热固性聚合物 265

7.1.2.3 高分子化合物 265

7.1.2.4 聚氯乙烯（PVC） 266

7.1.2.5 聚乙烯 266

7.1.2.6 环氧树脂 270

7.1.2.7 天然和合成橡胶 271

7.1.3 复合绝缘系统 271

7.1.3.1 油纸复合绝缘系统 271

7.1.3.2 绝缘板 273

7.1.3.3 纤维强化塑料 274

7.2 固体材料的局部击穿 274

7.2.1 固体材料内部的局部击穿 275

7.2.2 沿面放电 279

7.2.3 局部击穿引起的固体电介质的分解 281

7.2.3.1 固体电介质内部局部击穿和电树枝的抑制 282

7.2.4 局部击穿的检测与测量 283

7.2.4.1 检测局部击穿的间接方法 283

7.2.4.2 检测和测量局部击穿的直接方法 284

7.3 固体电介质中的击穿和预击穿现象 286

7.3.1 固体电介质的本征击穿强度 286

7.3.2 热击穿 288

7.3.3 极不均匀场中的击穿机理 291

7.3.4 聚合电介质中的预击穿现象：树枝状放电 292

7.3.4.1 树枝状放电的形式 292

7.3.4.2 树枝状放电的分类 293

7.3.5 击穿所需时间 294

7.3.6 固体电介质预期寿命的估计 297

7.3.7 固体电介质的实际击穿强度和运行中的电应力 299

参考文献 300

索引 303