帶电教材第2章.docVIP

第二章 带电作业基本知识 第一节 带电作业中的高压电场 一、电场的基本概念 1．电场的性质 自然界存在着正、负两种性质的电荷。电荷的周围存在着一种特殊形态的物质，人们称之为电场。电荷在相互作用时有斥力或吸力，同性电荷互相排斥，异性电荷互相吸引。一对同性电荷的电场与一对异性电荷的电场是截然不同的，它们的电场分布图形，如图2-1所示。 （a） （b） 图2－1 一对电荷之间的电场分布图 （a）一对同性电荷的电场；（b）一对异性电荷的电场 相对于观察者为静止的、且其电量不随时间而变化的电场称为静电场，例如在直流电压下两电极之间的电场就是静电场。在工频电压下，两电极下的电量将随时间变化，因而两极板之间的电场也随时间而变化。但由于其变化的速度相对于电子运动速度而言是相当缓慢的，并且电极间的距离也远小于相应的电磁场波长，因此对于任何一个瞬间的工频电场可以近似地按静电场考虑。 将一个静止电荷引入到电场中，该电荷就会受到电场力的作用。研究电场就是要确定电荷在电场中各点所受到电场作用力的大小与方向。在较强的电场中，电荷所受到的作用力也较大。电场的强弱常用电场强度（简称场强）来描述。电场强度是电荷在电场中所受到的作用力与该电荷所具有的电量之比。实际上，电场强度是一个矢量，具有方向性。 人眼不能直接观察到电场，下面用两个实验来证实电场的存在。 【实验1】 用两根较长的平行导线，穿过一块绝缘板，两导线的首端加直流电压，末端开路，带电导线周围就形成一个静电场。在水平放置的绝缘板上撒一层薄薄的云母粉，并轻轻地敲击绝缘板。由于介质极化的缘故，云母粉在电场力的作用下沿着电力线顺序排列，形成如图2－2（a）照片所示的图形。 【实验2】 同上布置，但导线的末端闭路，导线内流过电流，绝缘导线的周围产生一个磁场。在绝缘板上撒一层薄薄的铁屑粉，并轻轻敲击绝缘板，由于被磁化的缘故，铁屑粉在磁场力的作用下沿着磁力线顺序排列，形成如图2－2（b）照片所示的图形。 图2－2 电磁场力线的实验照片 （a）云母粉在电场中的排列图形；（b）铁屑份在磁场中的排列图形； （c）图形（a）与（b）的合成图形；（d）经数学处理后人为的电场图形 由于电与磁之间有许多相似性，图2－2（b）的磁力线图形就相当于电场中的等位线图形，所以将图2－2（a）与图2－2（b）重叠就构成图2－2（c）的合成图形。如果用数学的方法予以处理，就可以画出如图2－2（d）的电场图形。图2－2（d）是一对异性电极构成的电场图，两电极之间的连线是电力线，围绕电极的许多偏心圆是等位线。 但是应该注意，电力线和等位线并不是电场中实际存在的线，而是人们为了便于直观和形象化地表达电场而人为地设置的假想线。 有了电场图，可以进一步对电力线与等位线的特性进行分析。在任一电场中，电力线上任何一点，其切线的方向与该点电场强度方向是一致的，因此电力线从正电极出发，到负电极终止。电力线垂直于电极的表面，任何两条电力线都不会相交。在作电力线图时，使单位面积上的电力线与场强的大小成正比，电力线的疏密程度就表示了电场的强弱。连接电场中电位相同的点就可作出等位线。在绘制等位线时，如果取各相邻等位线之间的电位差都相等，等位线越密，电场就越强。图2－3给出了几种典型电极的电场图形。 图2－3 几种典型电极的电场图 （a）平行板电极；（b）［棒-板］电极的电场；（c）［棒-棒］电极的电场； （d）［球-球］电极的电场；（e） 孤立圆球的电场 2．静电场中的基本物理现象 （1）简述 在强电工程中应用的材料有绝缘体与导体两大类。绝缘体通常又称为电介质或简称介质。 介质在静电场中，如果电场强度高到某一数值时就会发生局部放电、击穿或闪络等现象。导体在静电场中，受到带电体的影响产生静电感应现象，并具有静电屏蔽效应。 （2）电介质的局部放电、击穿与闪络 当强电场仅局限于很小的区域内时，介质只可能在该区域内发生局部击穿，通常称为局部放电。如果强电场存在于两电极之间的大部分区域并使介质全部丧失绝缘性能，则称之为介质击穿。如果这种击穿发生在固体介质与气体（或液体）介质的交界面，就称为闪络。 （3）导体在电场中的静电感应 当导体接近一个带电体时，靠近带电体的一面会感应出与带电体极性相反的电荷，而背离的一面则感应出与带电体极性相同的电荷，这种现象称为静电感应。 在带电作业中，静电感应现象会对作业人员产生不利的影响，特别是在超高压带电作业中，将会危及作业人员的人身安全。有关静电感应的进一步描述及人体防护，将在有关的章节中详细介绍。 （4）导体在电场中的屏蔽效应 首先看一个小实验；如图2-4所示。