特种作业电工2(第二章-电气绝缘基础知识)5.31改参考资料

1、螁P52第二章电气绝缘基础知识罿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。膅第一节气体介质的绝缘特性肄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

2、类气体的绝缘性能也作相应介绍。袀一、空气间隙的击穿机理袇如果没有外界影响，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1碰撞电离、2撞击中性气体据引起电离因素不同，有不同的电离形式。通常分为 光电离、3热电离和4表面电离。袃碰撞电离 带电质点在 强电场作用下高速运动, 分子引起的电离。羀光电离一一光辐射引起的气体原子的电离称为。电子可能从电薇表面电离（或表面发射）一一在外界因素作用下， 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

3、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。芅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。薂2.空气间隙的击穿过程量带羀由于受各种电离因素的影响，空气间隙中会产牛少量带电粒子。 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。与其形成蒆(1)碰撞电离。空气间隙

4、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， 他中性气体分子(或原子)发生碰撞时，会使后者失去电子， 新的自由电子和正离子，这种现象称为“碰撞电离”。由于膆碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的极重要来源。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。膂(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

5、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”。芀电子崩的形成及电荷分布如图 2- 1所示。从图2- 1 (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2- 1 (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。祎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

6、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。f 41+）J 冷 d ；二；fa)一 k h中十二+匸丹寻图2-1电子崩及其电荷分布示意图蚄（韵电了-崩的形成i （b）电于崩中的电荷分布羁（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。莀发生自持放电时，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。必须讲一步

7、增高电压，才能使间隙击穿。芇（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)2)莆二次电子崩。流注的形成与二次电子崩有关。图2-2流注的形成及发展羄 抑始电-制 (b)二次电子樹;流注的发展*1+711I-兰卜(d)I +1I七I完全击穿蒀如图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2 2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

8、烈复合，并向周围发射大量光子，使附近气体 中出现光电离而产牛新的电子，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 朋。蚈2)流注的形成。从图2 2 (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。袄形成流注的过程是：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。螃3）阳极

9、流注和阴极流注。如图2-2所示，流注从空气间隙的卩L 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。蕿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。聿放电流程图:薆有效电子（经碰撞游离）-电子崩（畸变电场）-蒂发射光子（在强电场作用下）-产生新的电子崩（二次崩）蕿-形成混质通道（流注）-由阳极向阴极（阳极

10、流注）或由芆阴极向阳极(阴极流注)击穿。袄 Uf = f ( pS)(2 1)衿从上面介绍可知，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2-2 (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。袅二、均匀电场中气体间隙击穿电压与气体密度的关系袁1.气体间隙击穿电压与气体密度的关系罿在均匀电场中，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

11、 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）衿2.巴申定律莃在均匀电场中，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

12、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，即聿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2- 3的曲线所示。n图2-3均匀电场中几种气怵的击穿电压 5与声的关系I空弋；2氮气3氮丸肅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

13、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。蚃p58三、电场是否均匀对空气间隙击穿电压的影响腿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20r时，均匀电场中空气间隙的击穿场强大约为 30kV/cm （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1

14、0kV/cm，而正极性的直流 击穿场强平均约为 4.5kV / cm，与均匀电场的击穿场强 30kV / cm 相比，下降很多。莇下面对均匀电场、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。螇1.均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性蒂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。膈

15、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。螈2.稍不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性芅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。賺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

16、隙的平均击穿场强要比均匀电场时低。芈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丕均匀、电场。.腿对于球间隙，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 SS羇鲜均T芄3.极不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性莈1棒一棒间隙和2棒一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。莆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

17、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。莅随着电压增加，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

18、发生电晕的电晕起始电压间差别也 越大。羃由上述分析可见，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。蒈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

19、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。螇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2- 12所示。腿二r - _ .T 一一 V 二二i 亠；毒1螂图2- 12线路中的防旱措施袂

20、（a） 220kV管形母线；（b） 500kV线路的四分裂导线膈4.均匀电场和不均匀电场工频击穿电压比较薄（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30kV/cm（峰值）。图2-4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2-4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。/U7从/J/ *r1 ir2 1Mi奁却朝也图2-4均匀电场中空住间隙的

21、击穿电压Uf反击穿场强Ef和螅电极间瞪离5的关系t电压为蜂值袂（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（S/ D）有关。当S/ D 150200 ；sn勺 cm闍仝6律 扳、榻一棒囘隙的工频击穿电压 有效(ep和电扯问距需的关系曲线 薃 l-K-ffi (按地、；Z-#- 棟+ 羂螄p62四、气体间隙的直流击穿电压和极性效应莂在均匀电场中，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

22、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。肂如图2-7所示，当棒为负极时棒一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。这是由于棒一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。-|.X-I11/W二/1严7/0宀二一誉戦扫定疋74图卜7棒=板、棒=揉间醴的点詭击穿电压f虚线为棒一捧何隙)ta短阎瞄t fb粒间隙S械间距离蒆下面来解释棒一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

23、。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2-8 (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与棒一板两极之间的主电场 Ei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

24、间电荷。这时正空间电荷产生的附加电场 E2与棒一板两极之 间的主电场Ei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。Ac4圈2弋 榕一扳间蹴正空间电荷引起機性效应樟正槌+板b）捧负fe.板正般肁巧一樺一板两披之问的主曲如El正空荷严生的附规电场反向削弱賺同向加强袄在图2-7中，棒一棒间隙的直流击穿电压（图中虚线）介于极 性不同的棒一板间隙直流击穿电压之间，这是因为棒一棒间隙有两 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，其击穿电压比正棒一负板间隙略高，但比负 棒一正板间隙的击穿电压要低很多。膄负棒一正板间隙击穿电压U

25、i棒一棒间隙击穿电压 U2正棒一负板间隙击穿电压U3芁（直流击穿电压的 极性效应）袈P63五、冲击电压作用下空气间隙的击穿电压蚆1.雷电冲击电压和操作冲击电压袃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。莁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。艿雷电冲击电压和操作冲击电压的波形持续时间很短，以 血（微秒）或 ms （毫秒）计，属于瞬态作用的电压，也称

26、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。肄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。蚂2.冲击电压典型波形莁（1）雷电冲击电压典型波

27、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27雄型雷电冲击电压波形 丁】一祀建波前时冋：叫-视在半峰值时间； 莆Um 需电冲缶电压峰帕C现在愎点螆图2 9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,Tz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

28、平线以及横坐标的交 点在横轴上的投影长度 T作为彼前时间（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0，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：T1 = 1.26容许偏差 30%; T2= 50 6容许偏差 20%;Ti-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 1.2/50uS。这里的“”表示冲 击电压不接地极的极性可以是正极或负极。图雷电冲击电斥截波Ti-a前时间；I；截断时间;Um雷电冲击也压截波峰值蒁图2-

29、10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。螇（2）操作冲击电压典型波形。蒄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 2- 11所示的操作冲击电压典型波形， 并规定波前时间250血 20%，半峰值时间T2 = 2500宙60%, 如考虑极性，则记作 250/2500So薁在各

30、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。腿3.冲击电压作用下空气间隙的击穿电压羅（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2- 12、图2- 13所示。其中图2- 12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。（2-12柏榻间SG5电冲击5。兀击穿电压.吋機问距离的義1 一 闿一&” 正K性；$ 亠悔*” iEfeltti节 3 権 幡，afttb 4 -桦 梅”2J500f丿么yF/ArJy2* $乂少/30W2500StX)0230001500

31、456棒一板”和亠棒一棒”甚间隙的雷电冲击击穿特性I-特f梅”，正槻性* 2-样一捧”直极性宅蚁:寸“樺樺”.负援性：4 “捧 板叭负极注薈（2）操作冲击击穿电压。与操作蒃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 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Ti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 Ti时间愈短，击 穿电压愈

32、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。Ti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Ti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。间隙的击穿电压都提高。 随空气间隙距离的长度肁2)临界波前时间。由上分析可见，操作冲击击穿电压

33、随波前时 间TL的变化呈U形曲线，当波前时间Ti等于临界波前时间T0时, 击穿电压最低。波前时间Ti无论大于或小于临界波前时间 T0,空气 而且临界波前时间T0也不是固定值，而是 S的不同而变化，S愈长T0也愈长。在遇到较多的间隙长度S的范围内，对应的螁考虑到工程实际中，临界波前时间To 般均在100500 e之间，因此，在选择操作冲击 波典型波形参数时，取波前时间250 uS。对于50Hz的工频交流电，其正半波的等值波前时间 Ti为0.02/4= 0.005 (S)，即5000 s， 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+ 250/2500 e的操

34、作冲击击穿电压还要高。图2-14“棒一板”间隙正极性50%操作冲击击穿电压与漩前时间门的关系 一液前时间；To临界波前i空气例隙距离30000/7A/fff2000lOOO图2-15 “棒一板”阖隙工频击穿 特性与正扱性雷电冲击、操作 冲击*穿特性的比较1工频放电电压（幅值）；2雷电沖击 放电电压（L2/50isb 3操作冲击放电 电任（+250/2500声）；4在不同T1 值 5=临界i：前时间 To）时操作 冲击最小击穿电压的连线05 JC 152025Sim)膅图2- 15所示为“棒一板”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

35、的各个临界波前时间To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+ 250/ 2500 4时的操作冲击击穿电压。肄4. 50 %冲击击穿电压袀在图2- 12和图2- 13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，

36、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。膆P69六、影响气体间隙击穿电压的各种因素袇1.气体状态对击穿电压的影响袃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。羀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

37、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。薇2.电压作用时间（电压波形）对击穿电压的影响芅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。薂在均匀电场中，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。羀在极不均匀电场中，空气间隙的雷电冲击击穿电

38、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。羈3.电压的极性对击穿电压的影响肇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一棒间隙，由于电极对称，因此击穿电压 也与电压

39、极性 无关。对于极不均匀电场中的棒一板间隙，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 咼。莁4.电场的均匀程度对击穿电压的影响肀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。荿5.电极材料和光洁度对击穿电压的影响蒅气体间隙的

40、击穿电压还与电极材料的种类和电极的光洁度有关。莄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。膀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。蒆6.不同气体种类对击穿电压的影响膆气体的种类不同，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

41、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。芀工频交流袆均匀电场中电极布置对称，因此不存在极性效应。气隙中一旦岀 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岀现电晕放电现象。击穿电压等于其自持放电电压 P58莀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

42、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袂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 间隙和棒一板间隙。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，即使岀现自持放电， 电离只局限于棒形电极附近的很小范围内，开始岀现薄薄的紫色莹 光层，间隙没有击穿。这种放电现象就是电晕放电。芇随着电压增加，电晕层扩大，电晕电流增大。当电压增加到足 够高时，在间隙中突然岀现贯通两电极的放电通道，岀现击穿。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

43、放电电压只是开始发生电晕的电压，称为电晕起始电压。薆电场越不均匀，击穿电压与电晕起始电压间差别也越大。莇均匀电场中，直流击穿电压和工频击穿电压的幅值接近相等荿极不均匀电场J 棒-板间隙，直流击穿电压还与棒的极性有很大 关系。P59P62蒇负棒一正板间隙击穿电压Ui棒一棒间隙击穿电压U2正棒一负板间隙击穿电 压U3 （直流击穿电压的极性效应）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袁雷电冲击击穿电压薇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，但有时也可能岀现周期性衰减的振荡波, 但其持续时间仍较短。P

44、66蒄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。薃操作冲击击穿电压随波前时间 击穿电压愈高； U50 %具有最小值, 波前时间称为临界波前时间F 高。T1的变化呈U形曲线，Ti时间愈短, 这时的空气间隙击穿电压最低，这个T0表示。Ti时间愈长，击穿电压也愈賺临界波前时间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 Td 也愈长。50%。袅50 %击穿放电电压，是指在该冲击电压作用下，放电的概率为肁P71七、六氟化硫（SF6）气体的绝缘特性羀目前，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

45、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。螆1. SF6气体的电气绝缘强度与气体压力和棒极极性的关系芆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。螃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V液体绝缘强度V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

46、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。蝿空气负棒-正板击穿电压 U3棒-棒击穿电压 U2正棒-负板击穿电压 Ui祎SF6负棒-正板击穿电压 U3V棒-棒击穿电压 U2V正棒-负板击穿电压 Ui蚇2. SF6气体的液化特性賺20C时表压为0.1MPa的SF6气体，-63C时液化。如果 20C时 表压

47、为0.45MPa,则对应的液化温度为-40C。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 户内有米暖设备。如果用在户外，使用压力又较高，则必须米取加 热措施。螂3. SF6气体的灭弧性能祎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。袄4. SF6气体分解物的毒性羃

48、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。羆S民气体中混有水分，造成的危害有两个方面:芅（1）水分引起化学腐蚀，干燥的SF.气体是非常稳定的，在温度低于500C时一般不会自行分解，但是在水分较多时，200 C以上就可能产生水解：2SF6+ 6耳32SQ + 12HF+ 02,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， SQ遇水生成硫酸，也有腐蚀性。蚅水分的危险，更重要的是在电弧作用下，SR分解过程中的反应。在反应

49、中的最后生成物中有 SQF、SQF4、SQF、SF4和HE都是有毒气体。芀（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。肆P72八、气体放电的不同形式蚆根据气体的压力、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。肂1.辉光放电肇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。膆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

50、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。肆2.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。肁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。芆实际上，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。膃3.火花放电节如果放电回

51、路的阻抗很大，限制了放电电流，贝皿极间空气间 隙的放电时断时续，出现 断续的明亮火花，称为火花放电。袀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。莆4.电晕放电薄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

52、大，这种放电现象称为电晕放电。羄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。虿5.刷状放电虿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。羅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。蒂P7

53、4九、气体中固体介质的沿面放电蚂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。蝿1.影响空气中固体介质沿面放电电压的各种因素莆（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