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出版者:

作者:Stone, Greg C./ Boulter, Edward A./ Culbert, Ian/ Dhirani, Hussein

出品人:

页数:392

译者:

出版时间:2004-1

价格:1181.00 元

装帧:

isbn号码:9780471445067

丛书系列:

图书标签:

• 电气绝缘
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• 旋转机械
• 绝缘材料
• 绝缘设计
• 电力系统
• 电气工程
• 高电压
• 可靠性
• 故障诊断
• 绝缘试验

现代电力系统中的电介质材料与应用 书籍简介 本书深入探讨了现代电力系统中至关重要的一个领域：电介质材料及其在各种电气设备中的应用。本书的重点在于理解电介质材料的基本物理特性、其在极端工作条件下的行为表现，以及如何利用这些特性来设计和优化高可靠性、长寿命的电气设备。本书旨在为电气工程师、材料科学家以及从事电力系统研发和维护的专业人员提供一本全面且实用的参考指南。 --- 第一部分：电介质材料的基础物理与特性 第一章：电介质的微观结构与宏观响应 本章从原子和分子层面剖析了电介质材料的本质。我们将详细考察电介质的极化机制，包括电子极化、离子极化、空间电荷极化和偶极子极化。深入分析这些机制如何随温度和频率的变化而演变，并引入了介电常数和介电损耗角正切（$ an delta$）等关键参数的定义与测量方法。特别关注了非晶态固体和高分子材料中存在的结构无序性对电学性能的影响。 第二章：电介质的击穿现象与可靠性评估 电介质的最大挑战在于其绝缘极限——击穿强度。本章系统阐述了电介质击穿的理论模型，包括电子碰撞电离理论、热击穿理论和电树/电痕形成机制。我们详细分析了影响击穿强度的环境因素，如温度、湿度、电场分布不均匀性以及长期电应力（Aging）的影响。此外，内容涵盖了介电寿命预测模型，如逆向功率定律（Inverse Power Law）在评估长期可靠性中的应用。 第三章：高压下的电荷输运与空间电荷积累 在直流和高压交流（HVAC/HVDC）应用中，空间电荷的积累是导致绝缘退化和早期故障的关键因素。本章聚焦于电介质中的电荷注入、漂移和陷阱机制。我们探讨了不同的电荷陷阱模型（如有限容量陷阱模型），以及如何利用热激活延迟荧光（Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF）或光电注入技术来探测和量化内部空间电荷分布。这对于优化交直流混合电网中绝缘的设计至关重要。 --- 第二部分：先进电介质材料的制备与表征 第四章：高性能聚合物绝缘体系 聚合物材料因其优异的机械性能、轻质化和易加工性，已成为现代电气设备的主流绝缘材料。本章重点研究了交联聚乙烯（XLPE）、聚丙烯（PP）以及用于高压套管和开关柜的环氧树脂系统。内容包括如何通过添加无机纳米填料（如 $ ext{Al}_2 ext{O}_3$, $ ext{SiO}_2$）来制备纳米复合电介质，以提高其介电强度和抗树枝放电能力。深入讨论了界面极化和电荷陷阱在纳米复合材料中的作用。 第五章：天然与合成液体绝缘介质 变压器和高压断路器传统上依赖于液体绝缘。本章全面考察了矿物油、合成酯类油（如环氧酯）以及新型环保型液体绝缘体。重点分析了液体绝缘的击穿强度、油中溶解气体分析（DGA）技术在早期故障诊断中的应用。对于新型环保介质，探讨了其生物降解性、闪点和长期热稳定性。 第六章：陶瓷与复合绝缘材料的界面控制 在要求极高耐热性和机械强度的场合，陶瓷基材料和多层复合结构是首选。本章探讨了氧化铝、氧化镁等无机陶瓷的烧结过程及其对晶界电学特性的影响。在复合绝缘方面，详细介绍了层状结构中的应力控制技术，如何通过精确控制不同材料间的介电常数匹配来平滑电场分布，从而提高整体绝缘的击穿阈值。 --- 第三部分：电介质在关键电力设备中的应用 第七章：高压变压器中的绝缘系统设计 变压器是电力系统的核心，其绝缘寿命直接决定了电网的可靠性。本章专注于变压器内部的固-液（纸-油）复合绝缘系统。详细分析了瞬态过电压（如雷击和操作过电压）对绕组绝缘的影响，以及如何利用电磁场仿真软件（如有限元法 FEM）来优化绝缘距离和屏蔽结构。讨论了在冷却速率变化对固体绝缘材料热应力影响下的寿命评估方法。 第八章：电缆与套管的绝缘优化 电力传输电缆和穿墙套管是电网中承受最高电应力的元件之一。本章详细介绍了挤压交联聚乙烯（CV/TR-XLPE）电缆的制造工艺，特别是如何控制绝缘层内的微观空隙和杂质以防止局部放电的发生。针对高压直流（HVDC）电缆，深入探讨了如何利用半导电层来有效管理空间电荷，以及极性效应（Polarity Effect）对绝缘材料选择的影响。 第九章：先进开关设备中的介质选择 现代高压断路器正从SF6（六氟化硫）气体向真空和混合介质方向发展。本章比较了真空绝缘、SF6气体和新型环保气体（如混合气体或洁净空气）的绝缘性能、灭弧能力和环境兼容性。详细阐述了在真空灭弧过程中，电极材料的选择对电弧重燃电压和金属蒸汽屏蔽层形成的影响。 --- 第四部分：监测、诊断与寿命预测 第十章：在线介电监测技术（On-line Diagnosis） 可靠的维护依赖于准确的实时监测。本章介绍了一系列先进的在线监测技术，用于评估绝缘状态，而无需停机。重点讲解了： 1. 局部放电（PD）检测： 包括超高频（UHF）法、声学发射法和脉冲电流法的原理与实际应用。 2. 介电响应分析（DRA）： 涵盖了极化电流分析（IPD）、介电谱分析（Broadband Dielectric Spectroscopy, BDS），用于识别绝缘中水分迁移和氧化降解的特征频率信号。 第十一章：热老化与环境因素的耦合模型 电介质的寿命是一个多因素耦合的复杂过程。本章构建了电、热、湿应力共同作用下的寿命预测框架。引入了基于Arrhenius方程的热加速寿命试验（HALT）方法，并结合电场增强效应，推导出适用于不同工作场景（如连续高负载和间歇性过载）的综合退化模型。 第十二章：新兴电介质在电力电子中的应用 随着可再生能源和电动汽车的发展，宽禁带半导体（如 $ ext{SiC}$ 和 $ ext{GaN}$）功率器件的应用激增，对配套电介质提出了新的要求。本章探讨了用于封装、散热和高频滤波应用的新型陶瓷、薄膜电介质材料，以及它们在高温、高频工作环境下如何保持优异的绝缘性能和热稳定性。 --- 本书内容详实，图表丰富，数据来源于前沿研究与工业实践，是理解和掌握现代电力系统绝缘技术不可或缺的专业文献。

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这本书的排版和插图质量令人称道，但最让我感到震撼的是其对**“可靠性工程”在绝缘设计中的核心地位**的强调。作者不是孤立地讨论材料的介电强度，而是将其置于整个**电机生命周期成本（LCC）**的框架下进行评估。我特别关注了其中关于**“设计裕度”的量化方法**那一章，书中引入了**蒙特卡洛模拟**来评估不同设计参数变化对系统平均无故障时间（MTBF）的影响，这使得“经验设计”真正走向了“数据驱动设计”。对于那些负责大型、关键性发电机组的设计师来说，这种严谨的数学模型和概率分析是至关重要的工具。而且，这本书非常负责任地讨论了**标准与实际工况的偏差**问题，指出了某些国际标准在面对新型电磁负载和工作环境时的局限性，并提出了改进建议。读完之后，我立刻回去重新审阅了我们公司过去几年中几台提前退役的电机故障报告，发现很多问题都能从这本书提供的分析框架中找到更深层次的解释。这是一本真正能够提升专业思维层次的专业著作。

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这本书的阅读过程，对我来说更像是一次重塑世界观的旅程。我原本以为绝缘设计就是选择最好的材料，然后堆砌起来。但这本书彻底颠覆了我的认知，它强调的是**“系统级的绝缘协同”**。作者花费了大量篇幅去论述，在高速电机和变频驱动系统中，**dV/dt 变化率**对绕组端部的绝缘施加了多大的额外压力，以及如何通过**优化匝间绝缘结构**来有效抑制这些高频应力。特别是关于**特殊冷却介质（如真空或特定油类）与绝缘材料的相容性问题**，书中提供了详细的测试数据和失效案例分析，这些案例的细节程度，让人不禁感叹作者在工业界实践的深度。例如，他对**轴承电流对电机绝缘的间接破坏机制**的阐述，从电化学腐蚀的角度进行了剖析，这在我接触过的同类书籍中是前所未有的视角。这本书的价值在于，它不是在教你如何做合格的工程师，而是引导你思考如何做出**突破性的、具有长期可靠性的系统级设计**。

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这本书的叙事风格，用我不太专业的词汇来形容，就是“行云流水，但骨子里全是硬核”。我原以为涉及“旋转电机”这样庞大且复杂的系统，内容会显得支离破碎，但作者的组织结构非常巧妙。他从最基础的**电磁场理论在绝缘设计中的应用**开始讲起，然后逐步深入到**槽绝缘、端部绝缘以及绝缘协调**这三大核心部分。尤其令我印象深刻的是关于**浸渍清漆在电机定子线包中的渗透均匀性**的讨论。书中不仅分析了真空度对渗透效果的影响，还引用了**超声波检测技术**来评估浸渍质量，这在很多传统教材中是缺失的细节。我记得我以前读过的几本相关书籍，大多只是笼统地提及“提高浸渍度”，但这本书给出了量化的指标和具体的工艺控制点。对于一个正在负责电机大修和改造项目的工程师来说，这些关于**高温高湿环境下绝缘材料的长期可靠性建模**的章节，简直是如获至宝，它帮助我重新审视了我们现有的维护策略，从被动的“坏了修”转变为主动的“预测性维护”。语言上，虽然专业术语不少，但作者总能在关键时刻用非常形象的比喻来解释复杂的物理现象，阅读体验远超预期。

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老实说，我对这本书的期望值并不高，毕竟市面上关于电机和绝缘的著作汗牛充栋，大多只是在重复已有的知识点。然而，这本书的独特之处在于它对**“老化加速试验”的科学性**进行了深刻的反思与批判。作者并没有盲目推崇传统的阿伦尼乌斯（Arrhenius）模型，而是提出了一套结合**环境复合应力（Thermal-Electrical-Mechanical Stress）**的修正模型，这在当前电力设备高负荷运行的背景下，显得尤为重要。我特别欣赏他对**脉冲电压作用下气隙的绝缘特性**的探讨，结合了**高精度示波器采集到的暂态响应波形**，详细分析了不同脉冲形状（如前沿时间、尾波时间）对局部放电起始电压的影响。这种对细节的执着，体现了作者深厚的科研功底。更令人赞叹的是，书中关于**无损检测技术（NDT）在电机在线监测中的最新进展**，比如**热成像结合红外热电效应**的综合应用，提供了极具前瞻性的视角。它不仅仅是记录理论，更像是在引领我们思考未来十年电机绝缘检测的方向。

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这本书的封面设计着实抓人眼球，那种深邃的蓝色调，配上烫金的字体，立刻就给人一种专业、权威的感觉。我翻开目录，第一眼就被“高压电缆的绝缘失效分析”这一章吸引了。作者对不同类型的电缆，从 XLPE 到 EPR 都有非常深入的探讨，尤其是他用**显微镜下的绝缘材料形貌分析**来佐证理论的观点，这种结合实验观察与理论推导的方式，实在让人眼前一亮。我之前总觉得理论和实际应用之间隔着一层纱，但这本书里对电缆在长期运行中经历的**热老化、电树枝的形成机制**阐述得极其透彻，甚至提到了如何通过**局部放电（PD）信号的频谱分析**来预判绝缘的剩余寿命。对于我们现场进行定期检测的人员来说，这简直就是一本实战手册，不再是枯燥的参数罗列，而是真正教你如何“听懂”绝缘材料的“低语”。特别是关于**交联聚乙烯（XLPE）的交联度对介电常数的影响**那部分，数据详实，图表制作精良，连我这种有点理论基础的人，读完都感觉对“击穿”有了更深层次的理解，不再是简单的电压过高，而是复杂的物理和化学过程的叠加。这本书的深度和广度，绝对是行业内的标杆之作。

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老板的老朋友的书，实习做相关的东西，所以看了看。经验的东西太多，我最缺乏的就是经验。不过以后应该也不在这个方向工作了吧

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