高压设备绝缘综述-介质绝缘特性

绝缘强度提高措施

目录绝缘类型绝缘强度的认知绝缘强度提高措施01绝缘类型（一）内绝缘

设备绝缘中与空气不接触的部分包括固体介质、液体介质、气体介质绝缘以及由不同介质构成的组合绝缘。如右图上面变压器的内绝缘是指油箱内不同电子部件之间的绝缘，包括油箱、铁芯、金属夹件等。（二）外绝缘设备绝缘中与空气接触的部分包括空气间隙和电力设备固体绝缘外露表面，外绝缘放电停止后，其绝缘强度能够迅速地完全恢复并与重复放电次数无关。如变压器的外绝缘是油箱外部的绝缘套管和空气绝缘。绝缘类型图1变压器图2变压器外绝缘中的高压绝缘套管（其中A、B、C分别表示A号高压套管、B号高压套管、C号高压套管）绝缘类型A2CB图3变压器内绝缘中的油箱绝缘类型图4变压器内绝缘中的铁芯绝缘类型02绝缘强度的认知绝缘强度的认知什么是绝缘强度？绝缘强度的认知

通常，电力设备的绝缘强度用击穿电压表示；而绝缘材料的绝缘强度则用平均击穿电场强度，简称击穿场强来表示。击穿场强是指在规定的试验条件下，发生击穿的电压除以施加电压的两电极之间的距离。绝缘强度通常以试验来确定。绝缘强度随绝缘的种类不同而有本质上的差别。绝缘强度分为：绝缘强度的认知电力设备绝缘强度绝缘材料绝缘强度绝缘强度的认知电气设备绝缘强度

主要靠绝缘电阻表征。绝缘电阻:绝缘物在规定条件下的直流电阻。

绝缘电阻是电气设备和电气线路最基本的绝缘指标。电气设备和电气线路绝缘电阻电动机、配电设备和配电线路≥0.5MΩ运行中设备台线路≥1000Ω低压电器及其连接电缆和二次回路≥1MΩ（常温）；≥0.5MΩ（潮湿）二次回路小母线≥10MΩI类手持电动工具≥2MΩ表格1电气设备绝缘电阻值绝缘材料绝缘强度

绝缘材料在电场作用下，由于极化、电流及高电场区局部放电所产生的热量的作用，当电场强度超过某数值时，就会在绝缘材料中形成导电通道使绝缘破坏，这种现象称为绝缘击穿。绝缘被击穿瞬间所施加的最高电压，称为绝缘材料的击穿电压。绝缘材料抵抗电击穿的能力称为击穿强度或绝缘强度。绝缘强度的认知03绝缘强度提高措施绝缘强度提高措施提高电气设备绝缘强度保证安装质量，提高安装质量。加强监测和试验，定期监测设备。做好维护保养工作改变环境条件坚持绝缘分析严格执行制度图5电缆的中间接头绝缘强度提高措施保证保证安全质量绝缘强度提高措施图6携带式仪表图7固定式仪表加强监测绝缘强度提高措施图8维护保养绝缘子维护保养工作绝缘强度提高措施高分子防潮封堵剂针对各类箱柜电气设备柜保护的一种材料，利用高分子防潮封堵剂的耐高温、防渗透、防阻燃等特性来保护箱柜电气设备，避免受到外界环境的干扰及破坏。改善环境条件图9高分子防潮剂改善环境条件绝缘强度提高措施提高绝缘材料绝缘强度绝缘电阻和电阻率相对介质常数和介质损耗角正切击穿电压和介质损耗角正切拉伸强度耐燃烧性耐电弧密封度绝缘强度提高措施电阻的电导的倒数，电阻率是单位体积内的电阻。材料导电越小，其电阻率越大，两者呈倒数关系，对绝缘材料来说，总是希望电阻率尽可能高。可以用吸收比来衡量。绝缘电阻和电阻率表格2某变压器绝缘电阻与时间关系曲线图绝缘强度提高措施绝缘材料用途有二：电网络各部件相互绝缘和电容器的介质，前者要求相对介电常数小，后者要求相对介电常数大，而两者要求介质损耗角正切小，尤其是在高频与高压下应用的绝缘材料，为使介质损耗小，都要求采用介质损耗角正切小的绝缘材料。相对介电常数是物质集中静电通量线的程度的衡量；是设计电容器必需的基本信息。一个溶剂的相对电容率是对于其极性的一个相对性度量。不同材料不同温度下的相对介电常数不同，利用这一特性可以制成不同性能规格的电容器或有关元件。介质损耗角正切：表示为获得给定的储存电荷要消耗的能量大小相对介电常数和介质损耗角正切绝缘强度提高措施在某一个强电场下绝缘材料发生破坏，失去绝缘性能变为导电状态，称为击穿。击穿时的电压为击穿电压。电气强度是在规定条件下发生击穿时电压与承受外施电压的两电极距离之商，也就是单位厚度所承受的击穿电压。对于绝缘材料而言，一般其击穿电压、电气强度的值越高越好提高击穿电压和电气强度绝缘强度提高措施拉伸强度，在拉伸实验中，试品承受的最大拉伸应力即为拉伸强度。它是绝缘材料力学性能试验应用最广、最有代表性的试验。随着绝缘材料应用日益增大，对其耐燃性要求显更显重要，耐燃性越高，其安全性越好。所以提高耐燃性。耐电弧是指在规定条件下，绝缘材料耐受沿其表面的电弧作用能力，绝缘材料表面形成导电层所需时间来判断绝缘材料的耐电弧性，时间越长越好。提高密封度，对油质和水质要密封隔离。提高液体电介质击穿电压的方法提高以及保持油的品质覆盖层绝缘层屏障沿面放电时改善电场分布提高电介质击穿电压的方法改进制造工艺改进绝缘设计改善运行条件流注理论

01流注理论简介

流注理论起源流注理论（streamtheory）是关于气体电击穿机理的一种理论。在汤逊理论的基础上，为解释例如放电发展的速度比碰撞电离快、放电通道是不均匀的而呈折线形状等现象而形成。20世纪60年代后期，纳米照相技术发展，使对放电通道的研究有了更深入的发展。发现电子崩进行到一定距离之后，放电通道分别向阳极和阴极发展，其速度比电子崩更快。流注理论发展流注气体放电理论高电压技术往往面对的是高电压长气隙、不均匀电场等情况，此时汤逊理论并不适用。而流注理论认为：电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用。02流注理论内容

流注理论的两个阶段电子崩阶段空间电荷畸变外电场流注阶段光电离形成二次电子崩，等离子体气体击穿的流注理论理论要点：电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用。放电过程：电子崩、流注、击穿电子崩阶段电子崩

电子崩形成以后畸变电场，大大加强崩头和崩尾的电场，而在两个强场区之间出现一个电场强度很小的区域。图1电子崩产生的畸变电场二次电子崩

光子使附近的气体因光而产生二次电子，其中光电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引。它们在由正空间电荷所引起的畸变而加强了的局部电场作用下，又形成新的电子崩，即二次电子崩。图2二次电子崩产生过程条件：外加电压=击穿电压二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区，大多形成负离子。大量正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注。正流注的形成1-主电子崩2-二次电子崩3-流注图3正流注的形成

流注头部的电离放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引相流注头部，延长了流注通道。

流注不断向阴极推进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快。

流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压。正流注向阴极推进——击穿图4正流注向阴极推进条件：外加电压>击穿电压电压较低时，电子崩需经过整个间隙才能积聚到足够的电子数形成流。注：电压较高时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注。主电子崩头部的电离很强烈,光子射到主崩前方,在前方产生新的电子崩,主崩头部的电子和二次崩尾的正离子形成混合通道,形成向阳极推进的流注,称为负流注。间隙中的正、负流注可以同时向两极发展。负流注的形成流注的形成与发展图5流注的形成和发展电子图流注的形成与发展图6流注的形成及发展过程图03流注理论对放电现象的解释

流注理论对δd很大时放电现象的解释放电外形δd很大时，放电具有通道形式流注出现后，对周围空间的电场有屏蔽作用，并且这一作用伴随着流注的发展变得更为强大。因此，电子崩形成流注后，当某个流注因为偶然原因发展更快时，将抑制其他流注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈。电子崩由于其中电荷密度较小，故电子崩中电场强度还很大，不致影响到邻近空间内的电场，因此不会影响其他电子崩的发展。这就可以说明，汤逊放电呈弥散的一片，而δd很大时放电具有细通道的形式。由于二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝。δd很大时，放电具有通道形式图7树枝状放电与放电发展的抑制流注理论对δd很大时放电现象的解释放电时间二次电子崩由光电离形成，光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明δd很大时放电时间特别短的现象。阴极材料的影响

根据流注理论，维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这就可以说明为何很大δd下击穿电压和阴极材料基本无关了。总结与思考流注理论可以解释汤逊理论无法说明的δd值较大时的放电现象。汤逊放电理论与流注放电理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。汤逊放电理论01非自持放电与自持放电（汤逊放电理论背景）

自十九世纪中期，对低气压气体放电管中阴极射线的研究最终导致了电子的发现，并叩开了微观世界的大门1858年，德国普吕克发现阴极射线1878年，英国克鲁克斯发现阴极射线是粒子1897年，英国汤姆逊测定电子荷质比而发现电子非自持放电与自持放电宇宙中的许多射线和放射性物质的射线会使气体发生微弱的电离而产生少量带电质点另一方面带负电的质点又在不断复合，使气体空间的带电质点达到一定浓度同样这些射线照射到气隙的阴极表面也会产生微弱的电离（发生光电效应），从而发射电子因此，在气隙的电极间施加电压时，可检测到微小的电流非自持放电与自持放电原理非自持放电与自持放电这时采用紫外线对阴极进行照射，根据之前原理所知，阴极会产生光电效应，发射电子，现在便可以在回路中测到一个恒定的电流I。任意改变电压U的值，而测出相对应电流I的值，由此可得其伏安特性曲线。物理学家们为了继续探究放电特性，将低气压气体放电管抽至接近真空，在阳极和阴极之间施加一个恒定的电压U，发现在外电路上测不到任何的电流信号。探究非自持放电与自持放电非自持放电：如果取消外电离因素，气体的放电过程就会停止，电流也将消失，该类依靠外电离因素和外电场因素共同作用而维持的放电称非自持放电。自持放电：外电离因素不存在，间隙中放电依靠电场作用继续进行下去。因此放电形式称自持放电。自持放电：电晕放电自持放电：辉光放电定义I-U曲线的OA段物理学家们经过大量的试验和计算，对I-U曲线做出如下总结：这阶段，电流值取决于外电离因素的强弱而与电压无关。饱和电流值极微小，只有pA~nA量级，因此气隙仍处于良好的绝缘状态。在外电离因素的照射下，气隙内维持着一定的电子浓度，外界施加电压，则会产生电流，增加外施电压，电子向电极运动的速度加快导致复合率减小，因此气隙电流会随外施电压的提高而增大。当电压接近U1时，电流趋于饱和，是因为外电离因素产生的电子全部进入电极。气体间隙中电流与外施电压的关系I-U曲线的AB段非自持放电与自持放电非自持放电与自持放电I-U曲线的C及C后段虽然电流增长很快，但电流值仍然很小，且此时气隙中的电流仍要靠外电离因素来维持。当外施电压小于U3时的放电是非自持放电。电压达到U3后，电流剧增，且此时气隙中的电离过程只靠外施电压便能维持，不再需要外电离因素。外施电压达到U3后的放电称为自持放电，U3称为自持放电的起始电压。在均匀电场中，自持放电的起始电压等于间隙击穿电压。气体间隙中电流与外施电压的关系I-U曲线的BC段思考在外施电压U2后，电流呈指数上升直至击穿的原因是什么呢？02汤逊放电理论汤逊放电理论电子崩的形成外电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间场强足够大，初始电子能在电场E中获得足够的动能，与气体放电管中的中性分子碰撞（气体放电管只是接近真空，其还存在少量氮气、氧气分子，并非绝对真空），引起碰撞电离。一次碰撞电离，会产生一个新电子，一个正离子，加上原有的初始电子，共两个电子。产生的电子在电场中进一步加速，形成新一轮碰撞电离，从而形成连锁反应。电子的数目将按照：1、2、4...2的n次方的指数规律增长。按照电荷守恒：正离子数=电子总数-初始电子数为了解决刚刚的问题，汤逊提出了电子崩理论。电子崩理论汤逊放电理论电子崩理论1.电子迁移率比离子高3.电子崩崩头逐渐增大2.正离子延伸至崩尾1.电子集中在崩头2.粒子的扩散运动迁移率：是指单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速度。它的单位是cm²/V·s载流子：在物理学中，载流子是指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。汤逊放电理论击穿原理——α过程及γ过程α系数：碰撞电离系数，它表示一个电子沿电场线方向行径1cm时平均发生的碰撞电离次数，也称汤逊第一电离系数具α过程：电子崩发生的过程具P：气体压强Wi：电离能E：电场强度A：系数e：自然常数α=ApeB=AUi为了分析电子碰撞电离产生的电流，汤逊分别提出了α系数，β系数，γ系数。汤逊放电理论由于碰撞电离和电子崩的影响，n0个初始电子经过x的距离后会增加为n个电子，这n个电子经过dx的距离后会增加为dn个电子。具dn=nαdx根据碰撞电离系数α，可得：均匀电场，电子的指数倍增规律击穿原理——α过程及γ过程汤逊放电理论击穿原理——α过程及γ过程由理论可知：阴极受到外电离因素产生n0个初始电子，经过间隙后，形成n0eαd个电子到达阳极，遵循电荷守恒定律，而产生的n0eαd-n0个正离子回到阴极，从而形成I0eαd的指数倍电流。对均匀电场来说，α值不随x而变化，其式可写成：n=n0eαd虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大，但放电仍不是自持的，因为一旦去掉外电离因素，α过程停止，电流I也就为零了。汤逊放电理论击穿原理——α过程及γ过程平均自由行程：λ各种粒子在气体中运动时都会不断地互相碰撞，任何一个粒子在1CM的行程中的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。平均碰撞次数：1/λ影响α的因素：电场增强时，α急剧增大气压很大或很小时，α都比较小β过程：正离子碰撞电离过程具β系数：它表示一个正离子沿电场线方向行径1cm时平均发生的碰撞电离次数，也称汤逊第二电离系数。具β过程在气体电离过程中起的作用很小，造成碰撞电离的主要因素是电子（离子平均自由行程远远小于电子）因此在定量计算过程中可以忽略β过程的作用。汤逊放电理论击穿原理——α过程及γ过程阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能小很多，因此正离子碰撞阴极较易使阴极释放电子。γ过程：正离子碰撞阴极表面引起二次电子发射。此外，正离子复合以及分子由激励态跃迁会正常态产生的光子都可引起阴极表面电离，统称为γ过程。γ系数：表面电离系数，每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面发射的自由电子数(γ<1)，也称汤逊第二电离系数。前述所知，只有电子崩过程是不会发生自持放电的，要达到自持放电的条件，必须在初始电子崩消失前，产生二次电子来取代外电离因素产生的初始电子。具(γ过程)汤逊放电理论击穿原理——α过程及γ过程引入γ过程后，其放电影响如下所示：阴极(-)阳极(+)外电离因素→n0个电子→I0正离子：n0(eαd-1)二次电子：n0γ(eαd-1)电子崩：n=n0eαd电子崩：n=n0eαdγ(eαd-1)正离子：n0γ(eαd-1)2二次电子：n0γ2(eαd-1)2电子崩：n=n0eαdγ2(eαd-1)2γ过程继续进行...第一次第一次第二次第一次第二次第二次第三次收集电荷总数为等比数列---+++汤逊放电理论自持放电条件由此得出，回路稳态电流：等比数列求和公式：通过之前对γ过程的探究，由上述公式可得：因为：γ<1，m>1所以：当m→∞时，则γm(eαd-1)m→0所以：当1-γ(eαd-1)=0时，则I→∞得出：自持放电条件:γ(eαd-1)=1物理意义：首次电子崩产生