特种作业电工2(第二章-电气绝缘基础知识)5.31改.doc

P52 第二章 电气绝缘基础知识电气设备的绝缘性能与所使用的绝缘介质性能密切相关。为了正确判断电气设备的绝缘状况，在对电气设备进行绝缘试验时，针对不同的绝缘介质所采用的试验手段也有不同的考虑。因此，电气试验人员必须了解有关电气绝缘的基础知识。本章介绍不同电气介质的绝缘性能及影响介质击穿的有关因素。第一节 气体介质的绝缘特性电力系统架空电力线路和电气设备的外绝缘通常采用空气间隙作为绝缘隔离。本节重点介绍空气间隙的击穿机理和影响空气间隙击穿电压的各种因素。除了空气间隙绝缘之外，还有一些特殊气体，例如SF6（六氟化硫）气体。它们作为电气绝缘介质在开关设备中得到广泛使用，因此，对这一类气体的绝缘性能也作相应介绍。一、空气间隙的击穿机理1. 电离如果没有外界影响，在通常情况下，气体是不导电的良好绝缘体。但是，由于受各种因素的影响，气体原子可能会出现电离（也称游离），形成自由电子和正离子，从而在空气中产生少量带电粒子。根据引起电离因素不同，有不同的电离形式。通常分为1碰撞电离、2光电离、3热电离和4表面电离。碰撞电离带电质点在强电场作用下高速运动，撞击中性气体分子引起的电离。光电离光辐射引起的气体原子的电离称为。表面电离（或表面发射）在外界因素作用下，电子可能从电极表面逸出。引起表面发射电子的因素有多种，例如在强电场作用下，可使阴极表面释放出电子；正离子快速运动碰撞阴极表面，也可能使阴极释放出电子；金属表面受到光照射也会放射电子。热电离是指气体热状态下引起的电离过程。例如，在高温下，气体质点高速运动，互相碰撞产生碰撞电离。此外，高温气体的热辐射也能引起光电离。2. 空气间隙的击穿过程由于受各种电离因素的影响，空气间隙中会产生少量带电粒子。在电场作用下，这些带电质点沿电场方向运动。如果空气间隙上施加的电压足够高，电场强度足够大，带电粒子的运动速度加快，出现强烈的碰撞电离，形成电子崩。由许多电子崩产生大量正负带电质点形成的游离通道称为“流注”。当流注发展到把空气间隙两极接通时，整个间隙随之击穿。少量带电粒子在电场作用下快速移动大量正负带电质点碰撞电离电子崩流注（1）碰撞电离。空气间隙中，处于电场中的带电质点，除了经常作不规则的热运动外，还受极间电压电场力的作用，沿电场方向运动，并不断加速积累动能。当所积累的动能达到足够数值，与其他中性气体分子（或原子）发生碰撞时，会使后者失去电子，形成新的自由电子和正离子，这种现象称为“碰撞电离”。碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的极重要来源。由于正、负离子的质量比电子大得多，受电场作用时，电子的运动速度比正、负离子大得多，因此，在气体放电过程中，碰撞电离主要是由自由电子与气体分子（或原子）相撞而引起的。（2）电子崩。气体间隙中自由电子在电场力作用下从阴极流向阳极过程中与其他中性分子发生碰撞电离，产生出新的电子。新生电子与原来的初始电子一起向阳极快速运动，也参与碰撞电离。这样，就出现了一个迅猛发展的碰撞电离，如同冰山上的雪崩一样，间隙中的带电质点数目急剧增加，形成所谓“电子崩”。电子崩的形成及电荷分布如图21所示。从图21（a）可见，气体中的电子数目由1变为2，又由2变为4，成几何级数急剧增加。从图21（b）可见，电子崩中的电荷分布以正离子为主。由于电子的质量轻，运动速度快，绝大多数都集中在电子崩的头部。而正离子由于运动速度比自由电子慢得多，滞留在产生时的位置上，缓慢地向阴极移动。气体间隙中出现电子崩时，通过间隙的电流随之增加，但此时的放电仍属于非自持放电，间隙尚未击穿。流过间隙的电流虽然有增加，但仍然很小，远小于微安级。（3）非自持放电和自持放电。气体间隙放电可分为非自持放电和自持放电。必须依靠外界电离因素才能维持的放电称为非自持放电。不需要外界其他电离因素，而仅依靠电场本身的作用就能维持的放电，称为自持放电。发生自持放电时，气体间隙是否击穿与电场是否均匀有关。在均匀电场中，气体间隙一旦出现自持放电，同时即被击穿。在极不均匀电场中，气体间隙局部达到自持放电时，会出现电晕放电，但间隙并不击穿。必须进一步增高电压，才能使间隙击穿。（4）流注。所谓“流注”，是指空气间隙中往两极发展的充满正、负带电质点的混合等离子通道。1） 二次电子崩。流注的形成与二次电子崩有关。如图22（a）所示，当空气间隙极间电场足够强时，一个由外界游离因素作用产生的初始电子快速从阴极奔向阳极，途中不断产生碰撞电离，发展成电子崩（初始电子崩）。在图22中，初始电子崩的头部靠近正极的地方有几个向外的箭头，这是表示由电子崩头部的大量正离子形成的空间电荷，使附近电场大大增强并严重畸变，电子和正离子强烈复合，并向周围发射大量光子，使附近气体中出现光电离而产生新的电子，称为二次电子。由于受到大量空间正电荷强电场力的吸引，这些由光电离产生的二次电子快速向正电荷区域运动，途中发生碰撞电离，形成新的电子崩，称为二次电子崩。2）流注的形成。从图22（b）、（c）可见，在二次电子崩的头部有大量电子进入初始电子崩的正空间电荷区内，与之混合成为充满正、负带电质点的混合等离子通道，即形成流注。形成流注的过程是：初始电子崩形成正空间电荷，使原电场加强并发生畸变，正负电荷急剧复合时向周围发射光子，引起光电离，产生二次电子，形成二次电子崩，许多二次电子崩与初始电子崩汇合成流注。3）阳极流注和阴极流注。如图22所示，流注从空气间隙的阳极向阴极发展，称为阳极流注，也称为正流注，它与初始电子崩的发展方向相反。当流注通道把两极接通时，空气间隙中充满了正、负带电质点，整个间隙完全击穿。如果作用在空气间隙上的电压特别高，则在初始电子崩从阴极向阳极发展的途中，即已出现二次电子崩，形成流注。当初始电子崩到达阳极时，流注随即贯通整个间隙，这种流注其发展方向与初始电子崩相同，从阴极向阳极发展称为阴极流注，也称为负流注。放电流程图：有效电子(经碰撞游离)-电子崩(畸变电场)-发射光子(在强电场作用下)-产生新的电子崩(二次崩)-形成混质通道(流注)-由阳极向阴极(阳极流注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿。从上面介绍可知，空气间隙的击穿与二次电子崩形成流注有关。二次电子崩可以从四周不同方位向流注头部会合见图22（C），故流注头部的推进可能有曲折和分支。当由于某一偶然因素使流注按某一方向发展较快时，它将抑制其他方向流注的形成和发展。因此气体间隙的放电通道一般都很狭窄，当间隙击穿时，会出现很细很亮的放电通道。二、均匀电场中气体间隙击穿电压与气体密度的关系1. 气体间隙击穿电压与气体密度的关系在均匀电场中，气体间隙的击穿电压与气体密度有关，因而与压力有关。当温度不变而压力变化时，气体的密度发生变化。压力升高，密度增大。电子在从阴极向阳极的运动过程中，极容易与气体分子发生碰撞，平均每两次碰撞之间的自由行程缩短。如果自由行程太短，则发生碰撞时电子积聚的动能不足，因而不能使气体分子电离，气体间隙不容易击穿，因此击穿电压会升高；反之，当气体压力减小时，密度减小，电子在向阳极运动过程中不容易与气体分子发生碰撞。虽然碰撞次数减少，但自由行程大大增加，动能积聚增多，容易使气体分子电离，击穿电压降低。但如果气体过于稀薄，也就是说密度太小，碰撞次数太少，气体间隙的击穿电压同样升高。（汽车、保龄球）2. 巴申定律在均匀电场中，气体间隙的距离一定时，间隙的击穿电压与气体压力产有关。当压力在某一特定数值时，间隙的击穿电压达到最低。这时如果增大或减小压力，间隙的击穿电压都会增高。物理学家巴申总结出下列定律：当气体种类和电极材料一定时，均匀电场中气隙的放电电压UF是气体压力p和间隙极间距离S乘积的函数，即UF f（pS） （21）均匀电场中几种气体间隙的击穿电压UF与pS乘积的关系曲线如图23的曲线所示。有些开关设备的工作原理就是利用了气体间隙的击穿电压与气体密度的这一关系。例如真空断路器就是利用高真空来提高断路器断口的击穿电压；而压缩空气断路器则是利用足够高的气压来提高断口的击穿电压。采用压缩空气时，在高气压下如果出现放电，空气中的氧容易引起绝缘物燃烧，因此常用氢、氮、二氧化碳代替空气。p58 三、电场是否均匀对空气间隙击穿电压的影响气体间隙的击穿电压与电场是否均匀有关。在标准大气压下，温度为20时，均匀电场中空气间隙的击穿场强大约为30kVcm（峰值）。直流击穿电压和工频交流击穿电压的幅值接近相等。与均匀电场相比，不均匀电场中空气间隙的击穿电压大大下降，具体数据还与电极形状、间隙距离长短、作用电压种类（直流、交流或冲击电压）有关。如果是直流和冲击电压，还要考虑极性效应的影响。例如极不均匀电场的间隙距离大于50m时，负极性的直流击穿电压（负极施压，正极接地）平均击穿场强约为10kVcm，而正极性的直流击穿场强平均约为4.5kVcm，与均匀电场的击穿场强30kVcm相比，下降很多。下面对均匀电场、稍不均匀电场和极不均匀电场空气间隙在稳态电压作用下的击穿特性作一比较。所谓“稳态电压”，也称作“持续作用电压”，指的是工频交流电压和直流电压，以区别于存在时间极短、变化速率很大的雷电冲击电压和操作冲击电压。1. 均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性均匀电场中电极布置对称，因此不存在极性效应。均匀电场气隙中各处电场强度相等。一旦气隙中某处放电，整个气隙立即击穿，击穿电压与电压作用时间基本无关。直流击穿电压与工频击穿电压的峰值实际上相同。均匀电场气隙中一旦出现自持放电，间隙即被击穿，形成电弧放电或火花放电。因此，在均匀电场气隙中不会出现电晕放电现象。2. 稍不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性在电力工程的大多数绝缘结构中，电场都是不均匀的。根据电场不均匀程度，不均匀电场又可分为稍不均匀电场和极不均匀电场。电场不均匀程度可以根据是否能维持稳定的电晕放电来区分：能维持稳定电晕放电的不均匀电场，一般可称为极不均匀电场。虽然电场不均匀，但还不能维持稳定的电晕放电，一旦放电达到自持，必然会导致整个间隙立即击穿，称为稍不均匀电场。对于稍不均匀电场，和均匀电场一样，击穿电压等于其自持放电电压。但是，稍不均匀电场中，空气间隙的平均击穿场强要比均匀电场时低。高压实验室中测量电压用的1球间隙和2全封闭组合电器（GIS）的母线圆筒都是典型的稍不均匀电场。对于球间隙，只有当金属球的直径D比球间隙距离S大得多时，才属于稍不均匀电场。如果S比D大得多，则属于极不均匀电场。因此在高压试验中采用的球间隙一般应保证S0.5D。3. 极不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性1棒棒间隙和2棒板间隙构成的电极间隙是典型的极不均匀电场。尤其是棒板间隙，由于两电极不对称，其不均匀程度更为严重。现在以棒板间隙为例，说明极不均匀电场的击穿特性。当作用在间隙上的电压足够高时，在棒形电极附近很小范围内电子碰撞电离已达到相当程度时，间隙中大部分区域内电离程度仍然极小，实际上可以忽略不计。这时，初始电子崩只在电极附近很小的范围内发展起来，即使出现自持放电，如果极间电压尚不足以击穿整个间隙，电离只局限于棒形电极附近的很小范围内，在此区域开始出现薄薄的紫色莹光层。这时电流虽较前增加，但仍然极小，间隙没有击穿。这种放电现象就是电晕放电。随着电压增加，电晕层扩大，电晕电流增大。当电压增加到足够高时，在间隙中突然出现贯通两电极的放电通道，出现击穿。由此可见，在极不均匀电场中，间隙击穿电压远高于自持放电电压，这时的自持放电电压只是开始发生电晕的电压，称为电晕起始电压。电场越不均匀，击穿电压与开始发生电晕的电晕起始电压间差别也越大。由上述分析可见，从放电的观点来看，如果电场虽然不均匀，但却不能维持稳定的电晕放电，一旦出现自持放电，立即导致整个间隙击穿，这种电场只能算作稍不均匀电场，不能算作极不均匀电场。反之，如果是极不均匀电场，则应能维持稳定的电晕放电。电晕放电会造成许多不利影响。气体放电过程中的光、声、热的效应以及化学反应等都要引起能量损耗；同时，放电的脉冲现象会产生高频电磁波，对无线电通信造成干扰；电晕放电还使空气发生化学反应，生成臭氧、氮氧化物等产物。臭氧、氮氧化物等产物是强氧化剂和腐蚀剂，会对气体中的固体介质及金属电极造成损伤或腐蚀。所以，在高压输电线路上应力求避免或限制电晕，特别是在超高压系统中，限制电晕引起的能量损耗和电磁波对无线电的干扰已成为必须加以解决的重要问题。限制电晕最有效的方法是改进电极的形状，增大电极的曲率半径，例如采用扩径导线；在某些载流量不大的场合，可采用空心薄壳的、扩大尺寸的球面或旋转椭圆面等形式的电极。对于输电线路，通常采用分裂导线法来防止电晕的产生，就是将每相输电导线分裂为由几根导线组成，但总的截面积不变。分裂组合后的导线，相当于增大了输电导线的半径，这样可以使导线表面的电场强度减小，从而限制电晕的形成，如图212所示。 图212线路中的防旱措施（a）220kV管形母线；（b）500kV线路的四分裂导线4. 均匀电场和不均匀电场工频击穿电压比较（1）均匀电场的击穿电压。如前所述，均匀电场空气间隙击穿场强约为30kVcm（峰值）。图24是在均匀电场中空气间隙的击穿电压UF、击穿场强EF和电极间距离SF的关系。图24中间隙距离S最大只有10cm，这是因为由于存在电极边缘效应，要制作长间隙均匀电场很是困难，因此只有间隙距离不太大的击穿电压实验数据。空气间隙击穿电压数值还与空气的密度有关；如果列举的击穿电压数据不加特别说明，是指在标准大气压下的数据。（2）稍不均匀电场工频击穿电压。图2-4是不同直径D的球隙工频击穿电压峰值UF与球隙距离S的关系曲线。球隙电场的均匀程度和球间隙距离S与球直径D之比（SD）有关。当SD12时，球隙形成的电场可视为稍不均匀电场。如果球隙距离S很大，而球的直径又很小，则接近棒棒间隙，变成极不均匀电场。由图25可见，在同样球隙距离S时，球的直径D愈小，电场愈不均匀，间隙的击穿电压也愈低。 （3）极不均匀电场工频击穿电压。图26是极不均匀电场的工频击穿电压与极间距离的关系曲线，在极间距离相同时，棒板间隙的击穿电压要低于棒棒间隙的击穿电压。这是因为棒棒间隙是对称电极，而捧板间隙是不对称电极，形成的电场更不均匀，击穿电压更低。p62 四、气体间隙的直流击穿电压和极性效应在均匀电场中，直流击穿电压和工频击穿电压的幅值接近相等。但在不均匀电场中，这个关系就不一定成立。对于电极形状不对称的棒板间隙，直流击穿电压还与棒的极性有很大关系。当棒为正极时，间隙的直流击穿电压要远低于棒为负极时的直流击穿电压。这就是直流击穿电压的极性效应。如图2-7所示，当棒为负极时棒板间隙的击穿电压要比棒为正极时的击穿电压高出一倍多。这是由于棒板间隙两个电极不对称，棒电极的曲率半径小，电场极不均匀，棒端电场强度大，首先引起碰撞电离和电子崩，在棒电极附近聚积正空间电荷引起极性效应所致。下面来解释棒板间隙在直流电压作用下出现极性效应的原因。由于棒的曲率半径小，电场极不均匀。无论棒为正极或者棒为负极，棒极附近的电场强度都是最大，碰撞电离最为剧烈，电子崩在棒极附近首先出现。如图28（a）所示，棒为正极，板为负极，棒极附近出现电子崩时产生的电子迅速进入棒极，留下来的正离子缓慢地向板极移动，于是在棒极附近积聚起正空间电荷。正空间电荷产生的附加电场E2与棒板两极之间的主电场E1同方向，加速了流注从棒极向板极发展，从而降低了间隙的直流击穿电压。再看图2-8（b），如果棒为负极，板为正极，同样由于棒的曲率半径小，电场极不均匀，棒极附近电场强度大，在其附近首先出现电子崩。由电子崩产生的电子迅速奔向板极，在棒极附近的正离子由于移动速度慢，形成正空间电荷。这时正空间电荷产生的附加电场E2与棒板两极之间的主电场E1的方向相反，削弱了主电场的电场强度，使间隙间放电发展比较困难，因而击穿电压就较高。同向加强 反向削弱 在图27中，棒棒间隙的直流击穿电压（图中虚线）介于极性不同的棒板间隙直流击穿电压之间，这是因为棒棒间隙有两个尖端，具有两个强电场区域，这样反而比只具有一个尖端的棒板间隙电场来得均匀，其击穿电压比正棒负板间隙略高，但比负棒正板间隙的击穿电压要低很多。负棒正板间隙击穿电压U1棒棒间隙击穿电压U2正棒负板间隙击穿电压U3（直流击穿电压的极性效应）P63 五、冲击电压作用下空气间隙的击穿电压1. 雷电冲击电压和操作冲击电压电力系统中运行中的电气设备，除了受到工频电压和谐振过电压作用外，还会受到运行中异常状态和操作时引起的操作冲击波过电压和雷电时引起的雷电冲击波过电压的作用。这几种电压的波形都不一样。工频电压和谐振过电压的波形是周期性的，持续时间较长（以s计），因此称为持续作用电压或暂时作用电压，其波形为正弦波，频率为工频或工频的倍数。雷电冲击电压和操作冲击电压的波形持续时间很短，以s（微秒）或ms（毫秒）计，属于瞬态作用的电压，也称为冲击电压。其中雷电冲击电压持续时间最短，属于非周期性的单次脉冲性质，持续时间只有几微秒到几十微秒。操作冲击电压持续时间比雷电冲击电压长，达到几百微秒或几千微秒。操作冲击电压一般也是单次脉冲波形，属于非周期性的，但有时也可能出现周期性衰减的振荡波，但其持续时间仍较短。雷电冲击电压和操作冲击电压虽然持续时间较短，属于脉冲性质，但由于其幅值很高，对电气设备绝缘造成很大威胁。为了防止由于这两种冲击过电压的作用而发生电气设备击穿短路，除了要采取相应的保护措施外，对电气设备的绝缘要求具有一定的耐受冲击过电压的能力，并通过电气试验加以考核。2. 冲击电压典型波形（1）雷电冲击电压典型波形。在大自然中雷电冲击电压的波形各异，但为了便于对电气设备统一试验，统一评价，根据统计规律制订了供电气试验用的雷电冲击电压典型波形。图29所示为国际电工委员会（IEC）和我国国家标准规定的雷电冲击电压典型波形。图中T1称为波前时间，T2则是半峰值时间，雷电冲击电压波形就是由这两个时间确定的。由于雷电冲击电压波形的原点附近数值微小，模糊不清，而波峰附近波形又较平坦，不易确定原点及峰值的确切位置，因此规定由0.3Urn和0.9Um（Um为冲击电压的峰值）两点连一直线与波峰的水平线以及横坐标的交点在横轴上的投影长度T作为波前时间（也称为视在波前时间）。同样，由于雷电冲击电压的波尾衰减平缓，与横坐标的交点不易确定，因此规定从雷电冲击电压波形的视在原点O，至雷电冲击电压由峰值衰减到0.5Um时所需的时间T2为半峰值时间。IEC和我国国家标准规定：T11.2s，容许偏差30；T250s，容许偏差20；T1波头时间、T2波长时间，统称为波形参数。雷电冲击电压典型波形的参数如用符号表示写作1.250s。这里的“”表示冲击电压不接地极的极性可以是正极或负极。图210是雷电冲击电压截波波形。雷电冲击电压作用于电力线路或电气设备上，在某一时间有可能发生击穿或闪络，也可能因避雷器放电而使波形被截断，形成截波波形。截波由于电压突然锐减，在流经电气设备的绕组时会感应产生很高的匝间电压，对绕组绝缘构成威胁。因此有关规程规定变压器类设备在新产品做型式试验时要进行雷电冲击截波耐受电压试验。（2）操作冲击电压典型波形。为了等效模拟电力系统中操作过电压时的冲击电压波形，IEC和我国国家标准推荐采用图211所示的操作冲击电压典型波形，并规定波前时间T1250s20，半峰值时间T22500s60，如考虑极性，则记作2502500s。在各类电气设备产品的型式试验或其他电气试验中如果需要进行冲击试验，究竟采用什么波形参数，根据具体需要在相应的技术标准或行业规程中都有明确规定。3. 冲击电压作用下空气间隙的击穿电压（1）雷电冲击击穿电压。雷电冲击电压作用下空气间隙的击穿特性如图212、图213所示。其中图212是短间隙雷电冲击击穿特性，图2-13是长间隙雷电冲击击穿特性。（2）操作冲击击穿电压。1）击穿电压与波前时间的关系。空气间隙的操作冲击击穿电压数值大小不仅与间隙距离、电极形状、电极极性有关，而且与操作冲击电压波的波前时间T1的长短有关。研究表明，长空气间隙的操作冲击击穿通常发生在波前部分。当波前时间较短时，说明电压上升较快。由于间隙击穿需要经历碰撞电离、自持放电和产生流注等过程，如果波前时间T1太短，在棒电极附近要形成足够的空间电荷就比较困难，间隙击穿需要较高的击穿电压。因此T1时间愈短，击穿电压愈高。反之，如果波前时间较长，说明电压上升较慢，在棒电极端部容易形成稳定的电晕，这相当于增大了棒电极端部的半径，形成一个类似球状电极，这样使电场的不均匀程度减弱，同样也使击穿电压增高。T1时间愈长，击穿电压也愈高。这就说明操作冲击波的波前时间T1存在某一中间值，这时的冲击击穿电压最低。亦即操作冲击击穿电压随波前时间T1的变化是U形曲线，两边高中间低，如图214所示。可见，在某一最不利的波前时间，U50具有最小值，这时的空气间隙击穿电压最低。这个波前时间称为临界波前时间，用T0表示。2）临界波前时间。由上分析可见，操作冲击击穿电压随波前时间T1的变化呈U形曲线，当波前时间T1等于临界波前时间T0时，击穿电压最低。波前时间T1无论大于或小于临界波前时间T0，空气间隙的击穿电压都提高。而且临界波前时间T0也不是固定值，而是随空气间隙距离的长度S的不同而变化，S愈长T0也愈长。考虑到工程实际中，在遇到较多的间隙长度S的范围内，对应的临界波前时间T0一般均在100500s之间，因此，在选择操作冲击波典型波形参数时，取波前时间T1250s。对于50Hz的工频交流电，其正半波的等值波前时间T1为0.0240.005（s），即5000s，它比T0大得多，因此空气间隙在间隙距离S的某些长度范围内，工频击穿电压甚至比2502500s的操作冲击击穿电压还要高。图215所示为“棒板”间隙工频击穿特性与正极性雷电冲击、操作冲击击穿特性的比较。图中虚线4是在不同间隙距离S时所对应的各个临界波前时间T0时的空气间隙操作冲击击穿电压，亦即是操作冲击击穿电压最小值的连线，因此要低于曲线3波形为2502500s时的操作冲击击穿电压。4. 50冲击击穿电压在图212和图213中，纵坐标用符号U50表示。U50称为50击穿放电电压。所谓50击穿放电电压，是指在该冲击电压作用下，放电的概率为50。在稳态电压作用下，当气体状态不变时，一定距离的间隙，其击穿电压具有确定的数值，当施加在间隙上的电压达到其击穿电压时，间隙即被击穿。但对于冲击电压，由于作用时间很短，其击穿电压数值具有分散性。例如，对于某一空气间隙，施加某一数值的冲击电压，有时候间隙能击穿，但也有时候不能击穿。如果将电压升高，这时击穿的次数增加，但仍存在不能击穿的情况。电压升得愈高，击穿的概率也愈高。为了统一起见，在工程上常以击穿概率为50的冲击电压作为该间隙的冲击电压击穿值，取名为50冲击放电电压，用符号U50表示。P69 六、影响气体间隙击穿电压的各种因素1. 气体状态对击穿电压的影响前已介绍了气体间隙击穿电压与气体密度的关系。而气体密度则与气压和温度有关。因此，气压和温度对气体间隙的击穿电压有重要影响。湿度对气体间隙的击穿电压也有影响。湿度增大，气体间隙的击穿电压增高。这是因为随着湿度增大，空气中的水分子增加，电子与水分子发生碰撞的机会增多，水分子捕获自由电子形成负离子增多。由于负离子的活动能力较差，使空气中的电离减弱，因而对气体中的放电过程起到抑制作用，击穿电压增高。2.电压作用时间（电压波形）对击穿电压的影响电压作用时间与电压的波形有关。工频电压、冲击电压和直流电压其波形都不相同。冲击电压中的雷电冲击和操作冲击其波前时间T1和半峰值时间T2也都不同。在均匀电场中，空气间隙的直流击穿电压、工频击穿电压（幅值）、50冲击击穿电压都相同。亦即均匀电场空气间隙的击穿电压与电压波形、电压作用时间无关。气体间隙内的流注一旦形成，放电达到自持，间隙即被击穿。在极不均匀电场中，空气间隙的雷电冲击击穿电压比工频击穿电压高得多。但是对于操作冲击电压，如果其波前时间又与对应的空气间隙距离S相比较，正好处于临界波前时间瓦的数值附近，则操作冲击击穿电压可能低于工频击穿电压的幅值（见图215）。在极不均匀电场中，空气间隙的直流击穿电压与极性有很大关系。当棒为正极时，直流击穿电压与工频击穿电压（幅值）接近相等。而当棒为负极时，直流击穿电压远高于工频击穿电压（幅值）。对于极不均匀电场，空气间隙的工频击穿一般发生在棒极电压处于正半彼时。3. 电压的极性对击穿电压的影响均匀电场的空气间隙，其击穿电压与电压极性无关。稍不均匀电场或极不均匀电场中的棒棒间隙，由于电极对称，因此击穿电压也与电压极性无关。对于极不均匀电场中的棒板间隙，空气间隙的直流或冲击击穿电压与棒极的极性有关，一般是负极性放电电压高。4. 电场的均匀程度对击穿电压的影响电场的均匀程度对空气间隙的击穿特性有很大影响。电场越均匀，击穿电压越高。电场是否均匀还可以根据间隙击穿前电极附近是否存在稳定的电晕放电来区分：在均匀电场中，电极附近不会存在稳定的电晕放电。如果升高电压，电极附近首先出现稳定的电晕放电，在继续升高电压后，间隙才被击穿，则称为极不均匀电场。如果电场虽然不均匀，但还不存在稳定的电晕放电，电晕一旦出现，间隙立刻击穿，则称为稍不均匀电场。5. 电极材料和光洁度对击穿电压的影响气体间隙的击穿电压还与电极材料的种类和电极的光洁度有关。例如不锈钢电极和铝制电极在其他条件都相同时，间隙的击穿电压也不一样。铝电极表面容易发射电子，因此击穿电压较低，而不锈钢电极的空气间隙击穿电压略高。新电极表面会存在小毛制，因此常需进行老炼处理。通过对电极加压进行老炼处理，除去电极表面的小毛刺后，不仅提高间隙的击穿电压，而且击穿电压的分散性减小。6. 不同气体种类对击穿电压的影响气体的种类不同，气体间隙的击穿电压也不同。特别是某些含卤族元素的气体，例如六氟化硫、二氯二氟二碳（弗雷翁）和四氯化碳等，在一切条件都相同的情况下，其击穿电压要比空气高几倍，故称为高强度气体。这些气体具有高绝缘强度的原因，是因为它们的分子尺寸大，而且具有很强的负电性。由于分子尺寸大，电子在这些气体中运动时容易碰撞，自由行程很短，运动的电子不易聚集足够的动能去进行碰撞游离，因此气体间隙不容易击穿放电。由于具有很强的负电性，中性分子很容易吸附电子而成为负离子，使产生碰撞游离的电子数且减少，也使气体击穿电压提高。稳态电压（波形是周期性的，持续时间较长）工频交流均匀电场中电极布置对称，因此不存在极性效应。气隙中一旦出现自持放电，间隙即被击穿，形成电弧放电或火花放电。因此，在均匀电场气隙中不会出现电晕放电现象。击穿电压等于其自持放电电压 P58稍不均匀电场不能维持稳定的电晕放电，一旦放电达到自持，必然会导致整个间隙立即击穿，击穿电压等于其自持放电电压。但是，空气间隙的平均击穿场强要比均匀电场时低。典型：球间隙和全封闭组合电器（GIS）的母线圆筒。P58极不均匀电场能维持稳定电晕放电的不均匀电场。典型：棒棒间隙和棒板间隙。当作用在间隙上的电压足够高时，在棒形电极附近初始电子崩只在很小的范围内发展起来，即使出现自持放电，电离只局限于棒形电极附近的很小范围内，开始出现薄薄的紫色莹光层，间隙没有击穿。这种放电现象就是电晕放电。随着电压增加，电晕层扩大，电晕电流增大。当电压增加到足够高时，在间隙中突然出现贯通两电极的放电通道，出现击穿。由此可见，在极不均匀电场中，间隙击穿电压远高于自持放电电压，这时的自持放电电压只是开始发生电晕的电压，称为电晕起始电压。电场越不均匀，击穿电压与电晕起始电压间差别也越大。P59直流均匀电场中，直流击穿电压和工频击穿电压的幅值接近相等 P62极不均匀电场 棒板间隙，直流击穿电压还与棒的极性有很大关系。负棒正板间隙击穿电压U1棒棒间隙击穿电压U2正棒负板间隙击穿电压U3（直流击穿电压的极性效应）冲击电压雷电冲击击穿电压 雷电冲击电压持续时间最短，属于非周期性的单次脉冲性质，持续时间只有几微秒到几十微秒 P64操作冲击击穿电压 持续时间达到几百微秒或几千微秒。一般也是单次脉冲波形，属于非周期性的，但有时也可能出现周期性衰减的振荡波，但其持续时间仍较短。 P66击穿电压数值大小不仅与间隙距离、电极形状、电极极性有关，而且与操作冲击电压波的波前时间T1的长短有关。操作冲击击穿电压随波前时间T1的变化呈U形曲线，T1时间愈短，击穿电压愈高；U50具有最小值，这时的空气间隙击穿电压最低，这个波前时间称为临界波前时间，用T0表示。T1时间愈长，击穿电压也愈高。临界波前时间T0不是固定值，而是随空气间隙距离的长度S的不同而变化，S愈长T0也愈长。50击穿放电电压，是指在该冲击电压作用下，放电的概率为50。P71 七、六氟化硫（SF6）气体的绝缘特性目前，六氟化硫（SF6）气体在66kV及以上电压等级的开关设备中应用十分普遍，几乎已替代了矿物油。在1035kV的中压设备中也日益推广使用。1. SF6气体的电气绝缘强度与气体压力和棒极极性的关系SF6气体在普通状态下是不燃、无唤、无毒、无色的惰性气体。正常情况下相对密度约为空气的5倍。在均匀电场中，同为一个大气压力时，电气绝缘强度约为空气的2.33倍。SF6充气设备一般用在适当的充气压力下，这样可以获得所需要的电气绝缘强度。例如，当压力为0.3MPa时绝缘强度与变压器油相当（气体绝缘强度液体绝缘强度固体绝缘强度。但是必须注意，只有在均匀电场中提高气压才能显著提高气隙的击穿电压。如果电场不均匀，则影响这一效果。电场愈不均匀，提高气压对提高气隙击穿电压的作用愈小。因此，SF6电气设备在其结构设计时要特别注意尽可能避免出现极不均匀电场情况。另外，需要注意SF6气隙的极性效应和空气间隙不同。在极不均匀电场中，曲率半径小的电极（棒极）为负极时其电晕起始电压要比棒极为正极时来得低，其击穿电压也是负极低于正极。因此，SF6气体绝缘结构的绝缘水平由是负极性电压决定的。空气负棒-正板击穿电压U3棒-棒击穿电压U2正棒-负板击穿电压U1SF6负棒-正板击穿电压U3棒-棒击穿电压U2正棒-负板击穿电压U12. SF6气体的液化特性20时表压为0.1MPa的SF6气体，-63时液化。如果20时表压为0.45MPa，则对应的液化温度为-40。亦即压力愈高，液化温度也愈高。电气设备使用SF6时要防止出现液化，因此要根据当地气象条件可能出现的最低温度选择合适的充气压力。在我国北方地区户外使用的SF6充气设备其压力明显低于户内设备，因为冬季户内有采暖设备。如果用在户外，使用压力又较高，则必须采取加热措施。3. SF6气体的灭弧性能SF6气体的另一特性是具有优良的灭弧性能，故非常适用于高压断路器中。当断路器触头间出现电弧时，由于弧柱边界区的导热率高，使电弧变得纤细，极容易熄灭，使断路器触头避免被电弧灼伤。SF6的灭弧性能比空气强100倍。4. SF6气体分解物的毒性纯净的SF6气体是无毒的，但是在水分和电弧作用下，会产生水解，形成有毒或有腐蚀性的物质。因此，必须采用适当的吸附剂来消除水分和有害杂质，并做好电气设备的密封处理，加强漏气检查和气体含水量监测。SF6气体中混有水分，造成的危害有两个方面：（1）水分引起化学腐蚀，干燥的SF6气体是非常稳定的，在温度低于500时一般不会自行分解，但是在水分较多时，200以上就可能产生水解：2SF66H2O2SO212HFO2，生成物中的HF具有很强的腐蚀性，且是对生物肌体有强烈腐蚀的剧毒物，SO2遇水生成硫酸，也有腐蚀性。水分的危险，更重要的是在电弧作用下，SF6分解过程中的反应。在反应中的最后生成物中有SOF2、SO2F4、SOF4、SF4和HF，都是有毒气体。（2）水分对绝缘的危害。水分的凝结对沿面绝缘也是有害的、通常气体中混杂的水分是以水蒸气形式存在，在温度降低时可能凝结成露水附着在零件表面，在绝缘件表面可能产生沿面放电（闪络）而引起事故。P72 八、气体放电的不同形式根据气体的压力、电极形状和电场强度的不同，气体放电可以具有多种不同形式。1. 辉光放电辉光放电的特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据放电管电极间的整个空间。霓虹管中的放电就是辉光放电。在一密闭的放电管中，对其抽真空，以降低气体压力。然后在放电管的电极间施加某一可调电压，并在回路中串入较大电阻，以控制电源功率。当外施电压升高到某一数值时，回路中电流突然明显增加（mA级），管内出现发光现象。这就是辉光放电。管中所充气体不同，发光颜色也不同。2. 电弧放电电弧放电的特点是电流密度极大，温度极高，具有耀眼而细长的放电弧道，弧道电阻很小，具有短路的性质。在上面所说的辉光放电例子中，如果逐渐取消抽真空，并逐渐取消回路中所串联的电阻，则放电管中的放电通道逐渐收细，越来越亮，电流急剧增大，放电不再占满整个空间。这时回路的电阻很小，电流很大，形成电弧放电。实际上，在普通大气压下，气体击穿后总是形成收细的发光放电通道，即形成电弧放电，而不是辉光放电。3. 火花放电如果放电回路的阻抗很大，限制了放电电流，则电极间空气间隙的放电时断时续，出现断续的明亮火花，称为火花放电。出现这种情况是因为间隙击穿后电流突增，这就使外电路阻抗上的电压降也突增，从而使放电间隙上的电压突降，火花不能维持而熄灭。火花熄灭后，电流突降，外电路阻抗上的压降也突降，使放电间隙上的端电压又突增，间隙再次击穿，形成断续的火花放电。4. 电晕放电如果空气间隙的两个电极间距离较远，其中至少有一个电极的曲率半径又很小，当受电压作用时整个间隙电场极不均匀，在电极附近的电场强度最强。这时随着电压的升高，紧靠电极的电场最强处会出现空气游离，产生发光层，有微小电流。电压升高，发光层也随之扩大，这种放电现象称为电晕放电。电晕放电的特点是空气间隙电场极不均匀，在电极附近强电场处出现的局部空气游离发光现象，电流很小，整个空气间隙并未击穿，仍能耐受住电压的作用。5. 刷状放电当空气间隙发生电晕放电时，如果电压继续升高到一定程度时，会从电晕电极伸展出许多较明亮的细小放电通道，这种现象称为刷状放电。这时如果再继续升高电压，则整个间隙会出现击穿放电，形成电弧放电或火花放电，具体形成哪种放电，要由回路阻抗和电源容量决定。电力系统的架空线路和电气设备的外绝缘一般采用大气作为绝缘间隙，并不处于真空状态，因此不会出现辉光放电，只可能发生电晕放电、刷状放电、火花放电和电弧放电。P74 九、气体中固体介质的沿面放电电气设备暴露在空气中的导电部分总是要用固体绝缘材料来支撑或悬挂，如架空线路的绝缘子或变电所母排的支持绝缘子、变压器的引出线套管等。当导体上的电压超过一定数值时，在这些绝缘子表面可能会出现电晕放电、刷状放电，滑闪放电或沿面闪络。这种沿固体介质表面发生的气体放电现象称为沿面放电。沿面放电发展成贯穿性短路时称为沿面闪络。通常，在相同电极间隙距离下，沿面闪络电压要比同样长度的纯空气间隙击穿电压低。沿面放电受绝缘物表面状况、污染程度、电场分布等多种因素的影响。1. 影响空气中固体介质沿面放电电压的各种因素（1）固体绝缘表面光洁度的影响。绝缘子或套管等如表面有损伤或毛刺会引起沿面电阻分布不均匀，使电场强度分布不均匀，电场强的地方首先放电，从而使整个绝缘表面的沿面放电电压降低。（2）大气湿度和固体绝缘表面吸潮的影响。如果周围空气潮湿，固体绝缘物表面吸收潮气形成水膜，水中含有离子，在电场中沿绝缘物表面运动，逐渐积聚在电极附近，使两极附近的电场加强并首先放电，引起沿面闪络电压降低。（3）导体与固体绝缘结合状况的影响。例如导体与绝缘瓷件的接触处如不够紧密，必然形成气隙。由于气隙的电导比瓷件表面小，电场分布较强，因此气缝中的气体首先发生电晕放电，使整个绝缘物的沿面放电电压降低。（4）电场分布的影响。上面介绍的影响沿面放电电压的各种因素，实际上都与电场分布不均匀有关。亦即电场分布是否均匀对固体绝缘的沿面放电有重要影响。由于受导体形状的影响，电场分布难以做到绝对均匀，在电场分布最强的地方，空气首先发生游离，产生电晕，使沿面放电电压降低。固体介质与气体介质交界面的电场分布一般有图216所示的三种情况。1）固体介质处于均匀电场中，电力线与固体介质表面平行，如图2-16（a）所示。固体介质的存在虽然并不引起电场分布的改变，但是沿面闪络电压还是比单纯空气间隙的放电电压要低。这是由于固体介质表面可能存在脏污，特别是由于表面吸潮而会形成水膜，水具有离子电导，离子受电场作用沿固体表面运动，使固体介质表面的沿面闪络电压降低。吸潮越严重，沿面闪络电压降低越多。2）弱垂直分量的不均匀电场。当固体介质处于不均匀电场中时，电力线和固体介质表面斜交，电场强度可以分解为与固体介质表面平行的切线分量和垂直的法线分量。根据与固体介质表面垂直的法线分量的强弱，可以将固体介质表面的电场分布区分为弱垂直分量的不均匀电场图216（b）和强垂直分量的不均匀电场图216（c）。支柱绝缘子表面的电场分布属于弱垂直分量的不均匀电场。与支柱绝缘子轴线平行，沿固体介质表面的电场强度切向分量要比垂直分量大很多。而且由于间隙本身电场分布已很不均匀，因此固体介质的存在并不引起电场分布发生重大改变。沿面闪络电压与同样距离极不均匀电场纯空气间隙的击穿电压相比只略有减小。3）强垂直分量的不均匀电场。图216（c）所示属于强垂直分量不均匀电场，常见的高压套管电场分布就属于这一种情况。绝缘套管附近的电场极不均匀，尤其是接地的法兰附近电力线最为密集。电力线垂直于绝缘套管的分量要比切向分量大得多，因此称为强垂直分量的不均匀电场。图217所示为高压套管强垂直分量不均匀电场引起沿面放电的情况。当导电杆1对法兰2之间的电压足够高时，由于法兰盘附近的局部电场很强，其边缘处的空气首先发生游离，出现电晕见图2-17（a）。当电压继续升高时，会产生带有辉光的细线状火花，形成刷状放电见图2-17（b）。当进一步升高电压，线状火花放电迅速向前发展，形成光亮较强，并很不稳定，产生此起彼伏的树技状火花放电。这种树技状火花放电，并不固定在一个位置上，而是在不同位置交替出现，称为滑闪放电见图217（c）。如果继续升高电压，滑闪放电伸长到另一电极时，放电火花贯通两极，形成短路，称为沿面闪络。通常，沿面闪络电压比起始滑闪电压高得不多。这种情况下的沿面闪络电压与同样距离极不均匀电场纯空气间隙的击穿电压相比要低得多。2. 提高空气中固体绝缘沿面放电电压的措施针对上面介绍的影响空气中固体绝缘沿面放电的各种因素，可以采取以下措施提高沿面放电电压。（1）户外安装的电气设备绝缘子设置裙边。工作在户外的绝缘于或套管遇到下雨时被淋湿，雨水在瓷件表面形成一层导电性水膜，使沿面放电电压大大下降。为了防止这种情况，户外式绝缘子总是具有较大的裙边，在淋雨时只润湿绝缘子裙边的上表面，伞状下沿的内侧不易淋透，使水膜不能贯通，从而提高绝缘子的沿面闪络电压。不仅如此，户外式绝缘子帮边的下沿内侧一般做成凹入形状，使电位梯度的分布不容易形成沿面放电。（2）在容易出现潮湿污秽的地区绝缘子表面涂憎水性涂料。绝缘子表面涂憎水性涂料，如采用RTV或PRTV等硅橡胶长效涂料涂在绝缘子表面，可防止水膜连成一片，大大减小了绝缘表面泄漏电流的数值，使由于脏污和潮湿引起污闪的起始电压显著提高。RTV长效涂料的有效期为8年，PRTV更长，可达20年。有效期满后可以复涂。（3）配电装置各导电部位应力求做到电场均匀，以增强其耐电强度。为了使固体绝缘沿面电场分布均匀还可采取以下措施。1）减小电极附近单位面积的体积电容，避免电极边缘电场过分集中。图2-18是套管的沿面放电示意图。对于套管等设备，影响绝缘表面沿面放电电压的因素，除了受湿度等因素影响外，还与绝缘表面对穿过套管中心的导体之间的体积电容C0有关。从图218可见，套管表面的沿面电流分布情况与套管的体积电导和体积电容大小有关。体积电容愈大，表面分布电流愈不均匀。在法兰处的电流密度愈大，该处的电场强度也愈强。因此，套管的绝缘层厚度愈小、绝缘介质的相对介电系数r愈大，即单位面积的体积电容C0愈大，沿面放电电压也就愈低。为了提高沿面放电电压，就得设法减小单位面积的体积电容，例如将套管法兰附近的直径加大。又如电缆终端盒在铅皮割开处增缠绝缘，便直径加大以减小体积电容C0。另外，增加应力矩层和屏蔽环，以免铅皮边缘电场过分集中，这些都属于同一类型的措施，目的是使电场分布趋于均匀，提高沿面放电电压。2）减小电极附近固体绝缘表面电阻系数s，使沿面电压分布均匀，防止出现电晕，从而提高放电电压。从图218（b）可知，如果减小套管法兰附近固体绝缘表面的电阻系数s，则可以降低该处的绝缘筒表面电位梯度，防止在该处出现电场畸变，从而提高沿面放电电压。实际上在变电所运行中有时会发现套管法兰边缘出现电晕或局部放电，其原因并不是由于套管绝缘简存在缺陷，而是因为该处局部场强大，由电场发生畸变所致。因而改善该处的电场分布，就能消除法兰根部的电晕放电现象。为此可以在套管紧靠法兰处局部涂刷半导体釉或银粉等半导体漆，从而减小该处的表面电阻系数人，达到减小电位梯度，防止发生电晕放电。3）使电力线只经固体介质内部，而不经空气间隙，从而防止出现滑闪放电，提高固体绝缘沿面放电电压。例如，对套管型结构，可把可能会形成滑闪的一个电极深埋在介质内部，或使它紧靠裙边（户外）或凸起的棱边（户内），使电力线只经介质而不经空气，从而防止出现沿面滑闪放电。P79 第二节 液体介质的绝缘特性液体绝缘介质具有优良的绝缘性能，并能保护固体绝缘材料免受潮气和空气的有害影响。同时，液体介质具有良好的冷却作用和灭弧功能。因此，液体介质在电力变压器、高压电容器中得到广泛使用，在高压互感器、高压断路器和高压电力电缆中也常有应用。一、液体绝缘介质的种类