第一章电介质在强电场下的特性

1、第一章 电介质在强电场下的特性绪论一、绝缘受到各类电压1、工频电压3220KV等级 最高工作电压等级=1.15 X额定电压330500KV等级 最高工作电压等级=1.1 X额定电压2、暂时过电压（内部过电压） 工频电压升高，谐振过电压3、操作过电压（内部过电压）4、雷电过电压二、外绝缘： 利用空间作为介质的部分（1） 母线间，母线与杆塔间的空气间隙（ 2） 套管及支柱绝缘子表面（ 3） 隔离开关触点间 内绝缘：处在变压器或电器外壳内部或电缆外皮内部的绝缘，一般为组合绝缘。三、绝缘的击穿： 高幅值过电压作用下，绝缘可能丧失其介质性能，对内外绝缘 后果不一样。 空气绝缘为自然恢复绝缘， 会使供电短

2、时中断， 但一般不会使绝缘 损坏；内绝缘的电气强度的破坏常常不可逆，导致贵重设备的损坏。第一部分 高电压绝缘及其试验第一章 电介质在强电场下的特性概述1、气体：气体的场强超过某一临界值时，失去绝缘性能，出现导电或放电现象。 （1）均匀电场中，出现放电常导致间隙的短路并使间隙两端电压下降称破 坏性放电（绝缘的击穿）a. 在大气或更高的气压下表现为火花的形式，称火花放电b. 电源功率大，内阻小，出现电流大、温度高的电弧放电 上述放电均限制在带状狭窄通道中（2）极不均匀电场中，只有部分间隙场强达到临界值局部放电2、液体和固体破坏性放电、击穿 闪络：破坏性放电沿固体介质表面应用实例： 在绝缘子的结构设

3、计中， 总要使其闪络电压低于固体介质的击穿电压 以免在出现过电压时绝缘子破坏。气体中带电质点的产生和消失电离能：气体的电离所需的能量，随气体种类而不同（1015eV） 一、高压过程1 、碰撞电离2、光电离：光辐射的能量以不连续的光子的形式发出，光子的能量与光的波长有关，波长越短，能量越大。例宇宙线，丫线，x线，短波长紫外线具有较强的电离能量。3、热电离：高温，例电弧4、表面电离：（表面发射）逸出功：电极发射电子所需的能量，与电极材料及表面状态有关。15eV（1eV=1.602X 10-19 c v=1.602X10-19 J ）逸出功小于气体电离能，说明阴极发射电子比在空间使气体分子电离容易。

4、方式：加热电极，正离子对阴极的碰撞，短波光照射，场强作用。 二、去电离过程带电粒子的扩散（高浓度区到低浓度区） 、复合（正离子与负离子、正离子 与电子、伴随光辐射（强烈的电离区通常也是强烈的负荷区， 这个区的光亮度也 就较高），电子的附着作用 （电子形成负离子， 放出能量； 电负性气体（氧、氯、 氟、水蒸气和 SF6）气体的放电现象和电子崩的形成1、自持放电：图 1-2 中， C 点以后，不需外界电离因素，放电还能够持续 下去。2、非自持放电：图1-2中，C点以前，需外界电离因素，放电还能够持续 下去。3、电子崩：图1-2中，b点以后设电子在电场方向走过单位距离时所产生的碰撞离子数 、；dx

5、（电子的碰撞粒 子系数），假设由于外界射线的作用，从阴极发出电子，经过距离 x后增加到n, 在经过距离dx，增加的电子数为dn .dn = n : dxdn ,二：dxnx积分后，n 二ei ：dx（式 1-1）若均匀电场，为常数，n二ex（式1-2）若计及新产生的电子也参加电离过程，则电子数增加到e例：若：x=10，则 ex= = 2.2 104:的性质：取决于两因数的乘积11）电子在单位距离内产生的碰撞次数=丄（为平行自由行程）A2）每次碰撞产生电离的概率电子与气体分子碰撞时产生电离的工作条件是：电子的动能至少应等于气体分子的电离能。1.4汤森的自持放电条件在均匀电场中，自持放电的开始，即

6、间隙的击穿。汤森认为，电子崩的正离子，在返回阴极时，在阴极上产生的两次电离过程， 是取得二次电子而使放电转为自持的关键。起始电子碰撞电离电子数增为 ed d为相间距离新产生的电子数或正离子数为e d -1一个正离子返回阴极时，由于其具有的位能（电离能）及动能，从阴极上释放出九个二次电子（入1）。（）个正离子，所释放的电子数&（ d -1）个。若（e： d-1 ） 1,原来的初始电子就可以得到接替，使后继电子崩不需 依靠外界因素的作用就得到发展。二自持放电条件& （ d -1 ） 1（1-8）而 d1上式可写成 （ e 一 d -1 ） =，e d 1（1-9）决定电极材料及其表面状况，以及气体

7、种类。汤森用电子的碰撞电离和正离子在阴极上释放二次电子来说明自持放电形 成的理论。适用：均匀电场，低气压小间隙1、稍不均匀电场，任何一处自持放电的条件，就是整个间隙击穿的条件。2、极不均匀电场，气隙某处发生局部自持放电，有可能被稳定地局限于该 处附近的局部空间，而不会导致整个间隙的击穿。1.5均匀电场中间隙的击穿电压、自持放电条件：，ed 1:d =ln 1一个电子经过极间距离所产生的碰撞电离数必须达到一定数值，In 才会开始自持放电。二、决定条件：1、Uo二f（pd）（式1-11 ）间隙的击穿电压。U。是气压，p与级间距离d乘积的函数。见图1-42、 考虑温度变化的影响。以气体的密度代替压力

8、Uo = fCd）（式1-12） :为 空气的相对密度。空气间隙的U。最小值约为327V,相应的:d值为0.75 1。 em-大气压力或更高气压下间隙的d值要远大于上述值，击穿在巴申曲线的右半部，即U 0随d的增大而升高。1.6流注放电理论一、汤森不能解释1、从加上电压到放电形成所需要的空间，至少应等于正离子走过极间距离的时间，但实测的放电时间小得多。2、气体放电应在整个间隙中均匀连续的发展。低气压下气体放电区域确实占据了整个电极空间，例放电管的辉光放电。大气压力下气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细通道。二、流注理论：电子的碰撞电离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，并强 调空间电荷畸变电

9、场的作用。适应范围：均匀电场长间隙，不均匀电场。过程：初始电子（由外界游离因素由阴极释放） 碰撞游离初始电子崩 正离子（崩头密度最大）作为正空间电荷，使后面的电场受到畸变和加强放出 光子光游离二次电子二次崩流注（充满正负带电离子的混合通道，发展 方向与出崩相反）大大加强了前方的电场流注向前推进击穿。形成流注的条件：出崩头部的电荷达到一定的数量，使电场得到足够的畸变 和加强并造成足够的空间光电离。一般认为 :d =20（或 ed T0） 。一旦形成流 注，放电就可以转入自持，在均匀电场中即导致间隙的击穿， 在一定间隙距离下（球一球或球一板）击穿电压比较稳定。1.7不均匀电场中气隙的放电特性最大场

10、强E max出现在曲率半径小的电极表面附近。极不均匀电场的特性：能够出现稳定电晕，从而电晕起始电压低于击穿电压。 稍不均匀电场：不能出现稳定电晕的电场。过程：电晕（电压低时均匀的电子崩式，电压高时不均匀的流注式） 短间隙一一流注贯通间隙一一击穿长间隙d 1m,增大了流注与对面电极间的电容，导致流注根部电流增长，使其 温度升高到足以出现热电离的程度（具有热电离过程的通道称为先导通道）先导通道中带电粒子的浓度一一流注通道一电导大，压降小。先导通道发展到接近对面电极时，-E ，引起强烈的电离，这一强烈电离区以极高的速度向相反方向传播 （主放电）一主放电在板间形成高电导通 道，相当于间隙短路。长时电压

11、（工频为直流）作用下气隙的放电特性1、当间隙距离增加到一定数值时，间隙中将由稍不均匀电场转变为极不均匀电场，这时将会在较低的电压下首先出现电晕，当电压进一步升高时发生击穿。2、 间隙的电晕起始电压，主要取决于电极的表面形状（即曲率半径），而与 间隙距离关系不大，球径越小，电晕起始电压就越低。3、随着间隙距离的增加，电厂不均匀程度逐渐增大，间隙的平均击穿场强 也逐步由均匀电场中的 30KV （峰值）/cm。4、在极不均匀电场中，击穿电压主要决定于间隙距离，而与电极形状关系 不大。棒极为负的击穿电压 棒极为正的击穿电压 解释：1、棒极为负正空间电荷 削弱朝向极板方向的电场 放电发展困难 击穿电压高

12、。2、棒极为正棒极附近形成电子崩 电子迅速进入电极 留下来的正空间电荷 加强了朝 阴极方向的电场 有利于流注向间隙深处发展工频电压下不同的击穿电压特性棒一板 导线一杆塔 棒一棒 导线一导线1.8雷电冲击电压下气隙的击穿特性标准雷电 波前时间T1 =1.2-0.36US1.2/50 波长 T2=50-10us放电时间 f1 （电压电容升到静态击穿电压 U。）+放电时延（式1-16）放电时延=ts （统计时延 有效电子出现所需时间）+tf （放电形成时延 从有效电子出现到间隙击穿完成）。ts和tf随间隙外施电压增高而减少 伏秒特性：冲击放电电压与放电时间的关系曲线均匀电场平坦，不均匀电场陡伏秒特性

13、曲线作用：绝缘配合关系U50%击穿电压冲击系数=比%冲击击穿电压静态电压均匀稍不均匀：击穿电压分散性小，冲击系数 =1，击穿在波前峰值附近。 极不均匀电场：击穿电压分散性大，冲击系数 1,击穿常在波尾。2us冲击击穿电压 均匀稍不均匀：其值=u50% 极不均匀电场：其值u50%棒一板间隙有明显的极性效应，棒一棒间隙也有不大的极性效应。幕大地的 影响，使不接地的棒极附近电场增强。1.9操作冲击电压下长空气间隙的击穿特性新特点：波形对击穿电压有很大的影响；在一定的波形下，操作冲击击穿电 压 工频击穿电压标准波形：250/2500US其他波形：100/2500us500/2500us衰减振荡电压特点

14、：1、操作冲击电压的波前时间对间隙的 U50有很大影响。见图1-16 “ U型曲线, 在某一波前时间（称为临界波前时间）下U50有极小值，其值可能比间隙的工频击穿电压还低，在正极性下更加明显。间隙距离T-临界波前时间T原因：试验证明：流注区的平均梯度。Es=5kV/cm.而先导通道的平均梯度则小的多先导长度占间隙距离的百分比愈大，击穿电压就愈低。操作冲击：电压波波前 临界波前时，先导发展的时间短一最后跳跃阶段先导的长度短- 一定导致击穿据需较高的电压峰值。电压波波前 临界波前，电压升高陡度降低一空间电荷使电场受到削弱一电导的发展具有间歇性击穿电压略有提高且分数性增大雷电冲击打作用时间短，在最后

15、跳跃阶段的开始时，先导通道来不及显著发展 二间隙的击穿场强约等于流注区的场强 5kV/cm3、操作冲击电压下间隙击穿电压的特点二：分散性大 极不均匀电场50灿穿电压：操作下偏差（48） %工频及雷电冲击3% d=10cm间隙操作电压平均击穿场 2kVd=20cm1.25kV平均击穿场强随间隙距离T而T即击穿电压岁距离加大而出现“饱和”的现象 击穿前先导阶段能有较充分的时间发展。工频电压下棒一板长间隙的击穿电压也有类似“饱和”现象（图 1-10） 雷电冲击电压下无“饱和”现象在最后的跳跃阶段的开始时先导通道来不及显著发展。1.10大气条件对空气间隙击穿电压的影响我国规定的标准大气条件：气压：po

16、 =101.3kPa（=1013mbar=760mmHg） 温度：t0=20C湿度：h=11g/m3U=KdU0 （式 1-20）KhU0Kd空气密度校正系数，Kh湿度校正系数一、对空气密度的校正空气的相对密度：=2.89p（KPa）（式1-21 ）273+t0.95 1.05 Kd=若不考虑湿度 则U U（1mm下间隙） 上式适用条件：间隙距离不大，电场比较均匀的球一球间隙。间隙距离虽大，间 隙击穿电压随距离线性大。（如雷电条件下273 +上普通的公式：（卫）m （!） n（式1-22）P。273和0.4m、n1.0 , m n值与电极形状，间隙距离以及电压形式和极性有关。空间 隙的击穿电压

17、（包括沿面闪络）随着空气密度的增大而升高。二、对湿度的校正 实验结果：1、在均匀或稍不均匀电场中空气间隙的击穿电压随空气中湿度T而略有增加， 可忽略。2、在极不均匀电场中，湿度T电子附着在水分子上形成负离子的比例增加 削弱电离过程击穿电压T均匀电场击穿场强较高，电子速度大，湿度影响较小；极不均匀电场平均击 穿场强较低，放电形式时延较长，.湿度影响较大。极不均匀电场，湿度校正系数：WKn =（K）（式 1-13）K绝对湿度及电压形成的函数W与电极形状、距离、电压形式、极性有关三、海拔高度的影响 高度T-密度击穿电压J1Ka 二/（式 1-24）1.1-H 101.11提高气体间隙抗电强度的方法一

18、、改善电场分布左间隙中与电场力线垂直的方向插入用薄片固体介质做成的“屏障”，在棒板间隙中，电晕产生的与棒极同步的空间电荷f被屏蔽所阻遏而积聚其上f由 于相互间的排斥力均匀分布在屏障上空间电荷削弱了棒极与屏障间的电场f抗电强度T空间电荷加强屏障与极板间的电场f电场均匀带有屏障的间隙的击穿电压与屏障的位置有关（图1-17）:屏障与棒极距离约等于间隙距离的1/51/6时击穿电压提高的最多。棒极为正：击穿电压可达无屏蔽时的 23倍 棒极为负：击穿电压可达无屏蔽时的 1.3倍1、工频电压下，击穿发生在棒极为正的半周内，设屏障后击穿电压的提高同直 流下正棒极时一样。2、雷电下，屏障效果较弱来不及积聚起显著

19、的空间电荷）二、高气压及高抗电强度气体的采用1、某些电气设备（例高压标准电容器等）采用压缩空气作为内绝缘可减小尺寸2、 高抗电强度气体 SF 6CCI2F2常压下，它的介质强度=2.5空气的介质强度 气压T,它的介质强度一般的液体或固体绝缘的介质强度随气压的增加，气体的击穿电压会出现不遵循巴申定律所估计的低三、高真空的采用：真空间隙的击穿电压*间隙距离的平方根 试验证明：放电时真空中仍有一定的粒子流存在。1、强电场下由阴极发射的电子自由飞过间隙，积累起足够的能量撞击阳极，使 阳极物质粒子受热蒸发或之间引起正离子发射。2、正离子运动到阴极，阴极产生二次电子，如此循环，放电便得到维持。3、电极或器

20、壁吸附的气体在高真空时释放出来，也会造成微弱的空间电离1.12输电线上的电晕放电可利用：电晕削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值和陡度，也可使操作过电压衰减。一、电晕的效应1、 蓝色的晕光丝丝的电晕噪声热2、化学反应 0 3NSHNO S02 HSQ对金属腐蚀3、耗能 对500750kV,好天气时n个kW/km 雨雷天时100kW/km4、通讯干扰;特别是工频下的电晕，不断发射电磁波，最严重的无线电干扰源来 自正半周时的流注放电特别是表面粗糙或有水滴附着。5、在尖端或电极的突出外形成电风。6噪声。二、电晕等效起始场强Ec与空气相对及导线半径有关，当导线表面粗糙时，UcJ- EcJ电晕起始电压Uc

21、= ECrlnDkV（峰值）（式1-27）rP为导线的几何均距D = 0!2 023 013在交流输电线的情况下，空间电荷的运动造成的电晕电流绝缘的泄露电流空间电荷的运动需能量，这构成了输电线路电晕损耗的主要部分。三、其放电电流由一系列短促的陡脉冲组成1、与电离的间歇性质有关电离后产生的与导线同步的空间电荷削弱了它们与导线间电场电离止 电荷向外扩散电场T电离再次爆发。2、电压较高时流注的不断形成，熄灭，重新爆发。四、导线表面场强E* （式1-28）降低的方法；1、增大线间距离D。将导致杆塔造价T线路电抗T2、增大导线半径r，为经济分裂相导线。1.13沿绝缘子表面的气体放电（沿面放电）闪络一一放电发展到使整个极间发生沿面击穿时沿面闪络电压 纯空气间隙的击穿电压绝缘子在设计制造时要求使其固体介质的击穿电压大于沿面闪络电压约50%一、不同绝缘子结构的沿面放电特性1、固体介质在均匀电场 它的表面/电力线沿面闪络电压 纯空气间隙的击穿电压介质表面吸附的水分以及存在的微气隙等使电场分布发生改变。2、 极不均匀电场介质表面电场Et （切线）En （法线）例支柱绝缘子电晕QNQ对介质作用 对聚合物绝缘危险（特别是电晕是流注形成的），聚 合物分解并产生导电的碳化痕迹，导