《高电压技术与工程》课件 第0-3章 绪论引言、固体液体的绝缘特性 -电气设备绝缘预防性实验

高电压技术

绪论电网发展历史

输电电压一般分高压、超高压和特高压。高压（HV）：35〜220kV；超高压（EHV）：330〜750kV；特高压（UHV）：1000kV及以上。高压直流（HVDC）：±600kV及以下；特高压直流（UHVDC）：±600kV以上，包括±750kV和±800kV。

1908年，美国建成了世界第一条110kV输电线路；经过15年，于1923年，第一条230kV线路投入运行；1954年建成第一条345kV线路。从230kV电压等级到345kV电压等级经历了31年。在345kV投运15年后，1969年建成了765kV线路。

1952年，瑞典建成世界上第一条380kV超高压线路。

1965年，加拿大建成世界第一条735kV超高压线路。一、高压输电的发展一、高压输电的发展电网发展历史

1952年，前苏联建成第一条330kV线路；1956年建成400kV线路；1967年建成750kV线路。从330kV电压等级发展到750kV电压等级用了15年时间。欧洲和美国，在超高压输电方面，主要发展345kV、380kV和750kV电压级，500kV线路发展比较慢。1964年，美国建成第一条500kV线路，从230kV到500kV输电，时间间隔达36年。前苏联的500kV电压等级是在400kV基础上升级发展起来的，1964年，建成完善的500kV输电系统。

1985年，前苏联建成世界上第一条1150kV特高压输电线路。从500kV电压等级到1150kV电压等级用了20年时间。一、高压输电的发展电网发展历史中国，1949年新中国成立后，按电网发展统一电压等级，逐渐形成经济合理的电压等级系列：

1952年，用自主技术建设了110kV输电线路，逐渐形成京津唐110kV输电网。

1954年，建成丰满至李石寨220kV输电线路，随后继续建设辽宁电厂至李石寨，阜新电厂至青堆子等220kV线路，迅速形成东北电网220kV骨干网架。

1972年建成330kV刘家峡—关中输电线路，全长534km，随后逐渐形成西北电网330kV骨干网架。

1981年建成500kV姚孟—武昌输电线路，全长595km。一、高压输电的发展电网发展历史水电厂送出工程的需要，1983年又建成葛洲坝-武昌和葛洲坝-双河两回500kV线路，开始形成华中电网500kV骨干网架。

1989年建成±500kV葛洲坝-上海高压直流输电线，实现了华中-华东两大区的直流联网。中国，在逐渐形成330kV和500kV区域输电骨干网架的同时，于20世纪80年代初开始了330kV和500kV以上更高电压等级的论证。1984年，国家明确提出500kV以上的输电电压为1000kV特高压、330kV以上的输电电压为750kV。

2005年9月，中国在西北地区（青海官厅—兰州东）建成了一条750kV输电线路，长度为140.7km。输、变电设备，除GIS外，全部为国产。一、高压输电的发展电网发展的历史表明：相邻两个电压等级的级差，在一倍以上是经济合理的。新的更高电压等级的出现时间一般为15—20年。前苏联1150kV输电线路的运行表明：特高压输电技术和设备，经过20年的研究和开发，到20世纪80年代中期，已达到用于实际的特高压输电工程的要求。提高电压等级的主要原因（2）电力的远距离输送（1）对电力需求的激增不同的输电电压等级组成的输电网有不同的输电能力。在规划未来的电网电压等级时，通常用自然功率来粗略地比较其的输电能力。自然功率--在输电线路末端接上相当于的波阻抗负荷时，线路所输送的功率。其中L0是输电线路的单位长度的串联电感，C0是线路单位长度的电容。自然功率P0≈U2/ZC。提高电压的效益降低线路损耗节省线路走廊降低线路造价长距离输电可联接地域网，有利于电力调度降低工作电流和系统短路电流，利于系统运行和降低设备造价例：输送750万千伏安容量的电力345kV电压等级，需要七条双回线，走廊宽度为221.5m1200kV电压等级，仅需一条单回线，走廊宽度为91.5m世界各国在选择345kV和500kV以上的更高电压等级时，都经过了广泛的调查和分析比较，并进行了大量的计算得出结论：对于330kV（345kV）电网，选用750kV（765kV），平均输电距离300km及以上；对于500kV电网，选用1000kV（1100kV），平均输送距离500km及以上。目前，已经形成两个超高压-特高压电网电压等级系列：330（345）kV--750kV；500kV–1000（1100）kV。新发展特高压输电各国发展特高压输电的原因不尽相同

俄罗斯有可能在2020年左右建设1800～2000kV线路

直流输电、紧凑型输电及灵活输电直流输电的优越性值得重视我国第一条220kV紧凑型试验线路从北京安定到河北廊坊，长26公里，于1994年9月投入试运行

其它的输电方式如超导输电、低温输电、无线输电、多相输电等也在研究中向家坝-上海特高压直流示范工程奉贤站首台换流变压器（2009年）二、中国电力工业的现状与发展电压等级

已建成交流500kV、330kV、220kV、110kV、35kV及直流

500kV电压等级，西北正在建设750kV线路，规划建设百万伏级交流和±750千伏级直流系统组成的输电网络我国电网基本框架发展全国联网是解决我国能源分布与电力消费矛盾的重要措施

建立特高压为骨架，新能源为特色的新型国家能源安全网高压实验室三、高电压工程的主要问题19电力工业与高电压技术的密切关系

绝缘问题绝缘材料研究各种绝缘材料在高电压下的各种性能、现象以及相应的过程、理论

绝缘结构（电场结构）同一种材料在不同的绝缘结构下的外在表现

电压形式同样的材料、结构，在不同电压下，绝缘性能不相同试验问题各种经济、灵活的高电压发生装置电气设备各种绝缘试验项目的设计预防性试验在线监测、故障诊断状态维修高电压的测量高强量、微弱量、快速量过电压防护问题外过电压（雷电过电压）内过电压老化、污秽（在运行电压及过电压下）保护装置分析各类过电压的特点及形成条件，研究各种保护装置及其保护特性

工频过电压谐振过电压操作过电压绝缘配合中心问题：解决电力系统中过电压与绝缘这一对矛盾，将电力系统绝缘确定在既经济又可靠的水平电磁环境问题电磁兼容更多的电子及微电子设备对强电系统进行保护和监控，其对暂态干扰具有明显的敏感性和脆弱性

强电系统电压高、容量大，对弱电系统产生更加强烈的电磁干扰开展关于如何限制弱电系统内的暂态干扰电压的试验及研究工作

生态效应四、高电压学科的特点1与应用物理的联系紧密2实验/经验性3理论探索性4瞬变性（Compatibility）5与其他学科的交叉与渗透性理工结合的学科内涵四、高电压学科的特点五、高电压技术在其它领域中的应用27高压静电除尘已有十分广泛成熟的应用。基于静电吸引的作用收集灰尘

电火花加工利用火花放电时的放电能量处理加工材料五、高电压技术在其它领域中的应用体外碎石技术肾结石、胆结石的体外粉碎是利用高压脉冲产生一定向冲击波，经聚焦后作用于患处将结石击碎(上海交大率先开发成功，由此成果当事人成为中国工程院院士)除菌及清鲜空气利用空气中电晕放电，控制产生一定浓度臭氧(强氧化剂)，达到杀菌及清洁空气的作用(目前空调中所谓的等离子体空气清新技术)污水处理利用高频脉冲高压产生高浓度臭氧，与污水作用能够分解污水中的有机物，去除臭气，实现污水的处理烟气处理利用高功率脉冲形成高能活性离子，可以实现工厂烟气的脱硫脱硝，净化排污（国家863项目）五、高电压技术在其它领域中的应用五、高电压技术在其它领域中的应用等离子体隐身利用等离子体与电磁波的作用机制(能够有效吸收大量的电磁波),产生覆盖飞行器的等离子体层，能有效吸收雷达信号，达到隐身的目的国家自然科学基金重大研究项目五、高电压技术在其它领域中的应用等离子体表面处理高压放电产生活性粒子作用于织物等，增强材料表面活性，不但易于染色和进行表面涂覆等，且处理过程对环境不会有污染。是当前印染行业十分看好的织物处理技术三次采油技术将高功率脉冲电源引至油井下进行瞬间放电，产生很强的冲击波，此冲击波将地下岩层震裂，使得原有的缝隙增大(解堵作用)，原油渗出更容易，能提高油井的产量等离子体推进利用高压放电产生等离子体，通过等离子体间的电磁相互作用(排斥力)推进舰艇，具有无声的优点，可有效避免被敌人的声纳探测五、高电压技术在其它领域中的应用六、高电压技术面临的主要问题提高设备可靠性的技术问题设备紧凑化高场强的技术问题新型绝缘材料的开发大功率电力电子器件在高压中的应用架空线及变电所的电磁环境七、研究机构与学术刊物大学、企业、科研、刊物、会议等美国电力公司（AEP）、邦德维尔（BPA）电力局、通用电力公司和美国电力研究院（EPRI），俄罗斯电气研究院、列宁格勒直流研究院、全苏线路设计院；中央电力研究所（CRIEPI）、东京电力公司（TEPCO）和NGK绝缘子公司，意大利电力公司，加拿大魁北克水电局高压试验室；中国电力科学研究院、武汉高压研究所，电力建设研究所 美—MIT、OhioStateUniversity等 英—OxfordUniversity、UMIST、SouthamptonUniv.等 德—MunchenTech.Univ.、Tech.Univ.ofDresden等 加—Univ.ofBritishColumbia等 日：名古屋大学等刊物： 美国IEEE系列期刊：Trans.onPlasmaScience,onPWRD,onEMC,onEI等 英国IEE系列期刊：Proc.IEE等 日本电气学会论文志：Trans.IEEJapan

会议：

InternationalSymposiumonHighVoltageEngineeringInternationalConferenceonGasDischargesandTheirApplicationsInternationalConferenceonPlasmaScienceInternationalConferenceonPulsePowerInternationalConferenceonPropertiesandApplicationsofDielectricMaterials高电压技术与工程

第一章

气体电介质的绝缘特性重要知识点清单本章知识要点气体电介质绝缘什么是电介质带电粒子的产生和消失最简单的情形：均匀电场中的气体击穿平行板电极实验放电电流与电压的关系汤逊理论电子崩的形成？α、β和γ过程自持条件？本章知识要点什么是电介质？气体中如何产生带电粒子？原子的激励（对应）分子的电离几种电离方式碰撞电离、光电离、热电离、表面电离注意表面电离有多种方式！存在带电粒子的气体为什么呈现绝缘状态？几种带电粒子的去电离过程定向运动、扩散、复合、附着附着效应与气体分子电负性的关系！本章知识要点均匀电场中气体击穿放电的过程平行板电极实验：低气压、均匀场（平行板电极）、短间隙下气体间隙如何实现自持放电？通过U-I曲线解释从非自持放电到自持放电的发展过程注意电流饱和现象，何时转入自持放电？汤逊放电电子崩的发展原因两个概念：起始电子，碰撞电离过程（系数）β过程（系数）：为何β过程可以忽略？γ过程（系数）形成自持放电的临界条件：本章知识要点巴申定律和汤逊理论互为印证巴申曲线为何有最小值？可用物理原理解释可用数学方法推知巴申定律的隐含意义真空和高气压都可以实现良好绝缘汤逊理论的核心观点碰撞电离－》与过程相关γ过程对自持放电不可或缺本章知识要点流注理论请从和汤逊理论的比较进行理解强调电子与正离子迁移速度不均衡导致的空间电场畸变碰撞电离和光电离并重电子崩－>流注的临界条件：电子崩头部足够“强”注意：正流注和负流注产生的条件？外施高过电压时－>负流注负流注运动速度快流注理论和汤逊理论的互补关系？如何解释放电外形、时间、材料对放电特性的影响本章知识要点不均匀电场中气体击穿放电的过程稍不均匀场和极不均匀场的判定从间隙尺寸来判断从放电现象来判断电晕放电极不均匀场的特殊性极性效应电晕放电电晕放电：一种特殊的自持放电起因：不均匀场中处于相对强电场区电极表面的电离电晕放电与细线效应电晕放电的后果：电晕损耗、电晕干扰计算电晕起始电压的基本表达式本章知识要点极不均匀场中的流注过程典型实例：“棒－板”间隙初始电子－》电子崩－》流注－》热电离，先导－》贯穿性通道－》间隙击穿极不均匀场中发生电晕和流注的区别外施电压的高低决定了是发生电晕还是流注U<Ub，电晕U>Ub，流注本章知识要点极性效应不均匀场中才存在明显的极性效应根本原因：电子崩－流注发展过程中空间电荷分布不均匀造成的电场畸变“正棒－负板”、“负棒－正板”复习时可以根据电力线分布来分析说明请注意极性效应与后续其他知识点的联系对稳态击穿电压的影响等等本章知识要点击穿电压：评价电介质绝缘性能的量化判据对于需要利用绝缘性能的场合：越高越好对于需要利用放电特性的场合：越低越好正确理解“提高”或“降低”击穿电压的意思均匀电场中的击穿电压不会发生电晕放电稍不均匀场中的击穿电压与均匀场类似不对称电场中有极性效应本章知识要点极不均匀场中的击穿电压与起晕电压是两个概念，注意区分通常指依据电子崩－流注发展进程的自持放电过程极性效应：以“棒－板”“棒－棒”排序工频下：总是发生在。。。。直流下：原因工频下存在击穿电压－间隙距离的“饱和”趋势，所以。。。。本章知识要点标准雷电波定义冲击电压下放电时延的定义什么是统计时延、形成时延减小统计时延的方法——理解定义后可推知减小形成时延的方法——理解定义后可推知50%雷电击穿电压极性效应：本章知识要点伏秒特性和放电时延有密切联系伏秒特性曲线的画法如何判断哪种伏秒特性配合正确操作冲击标准波形250us/2500us50%操作冲击击穿电压总之，不同场下的不同击穿特性：理解并熟悉四种电压和三种电场的组合击穿特性直流、交流工频、雷电、操作冲击均匀场、稍不均匀场、极不均匀场本章知识要点大气条件对间隙击穿的影响几个公式的简单计算提高气体击穿电压的措施列举几种措施与“概念”和“理论”部分结合来解释原因沿面放电表面电场出现畸变的原因滑闪放电出现在哪种沿面中？改善沿面放电特性的方法列举课程内容1.1气体中带电粒子的产生和消失在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程气隙中带电粒子是如何形成的？气隙中的导电通道是如何形成的？气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？原子激励和电离

原子能级以电子伏（eV）为单位

1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J原子激励

原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，所需能量称为激励能We激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子（光辐射）的频率

原子电离——

原子在外界因素作用下，获得能量，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程电离过程所需要的能量——电离能Wi（10-15eV），也可用电离电位Ui（V）

1.1.1气体中带电粒子的产生（一）气体分子的电离可由下列因素引起：

（1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离

（2）各种光辐射（光电离）

（3）高温下气体中的热能（热电离）（二）金属（阴极）的表面电离（一）碰撞电离自由行程：粒子在两次碰撞之间的行程电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多气体分子密度越大，其中粒子的平均自由行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比自由行程的分布：具有统计性的规律。粒子的自由行程大于x的概率为如果起始有n0个粒子（或一个粒子的相继n0次碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的粒子数（或次数）n(x)应为粒子的平均自由行程

：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程电子在其自由行程内从外电场获得动能，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关（一）碰撞电离气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分子碰撞而引起的在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离

碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关（二）光电离光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离自然界、人为照射、气体放电过程当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为对所有气体来说，在可见光（400

750nm）的作用下，一般是不能直接发生光电离的

(三）热电离因气体热状态引起的电离过程——热电离（碰撞电离与光电离的综合）气体分子的平均动能和气体温度的关系为

在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离（四）金属（阴极）的表面电离阴极发射电子的过程逸出功（1－5eV）

：与金属的微观结构、金属表面状态有关金属表面电离的多种方式（1）正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子表面电离的形式（2）光电效应金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时，金属表面放射出电子（3）强场放射（冷放射）当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子（4）热电子放射当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属1.1.2气体中带电粒子的运动与消失（一）电场作用下气体中带电粒子的运动（定向运动，消失）（二）带电粒子的扩散（三）带电粒子的复合（中和，空间或器壁）（四）附着效应（一）

电场作用下气体中带电粒子的运动带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形成电流

在气体放电空间，带电粒子在一定的电场强度下运动达到某种稳定状态，保持平均速度，即上述的带电粒子的驱引速度

b—迁移率

电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中，电子迁移率也随场强而变（二）带电粒子的扩散带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多（三）带电粒子的复合

正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程在带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素

正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大得多。通常放电过程中电子先形成负离子再与正离子复合一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决定于其浓度有些气体分子具有较大的电子亲和力电子和这些中性气体分子碰撞非但不会电离出新电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯，SF6等）负离子质量大、速度小——阻碍放电，绝缘强度较高（四）附着效应——负离子的形成自持放电需要外部电离因素维持一旦撤除外部电离因素，恢复绝缘非自持放电无需外部电离因素维持撤除外部电离因素，仍可导电1.2均匀电场中气体的击穿平行板电极实验

外施电压0~Ua时，电流近似线性上升，间隙中的带电粒子参与导电：电压上升、速度加快、电流增大平行板电极实验

外施电压Ua~Ub时，电流近似饱和，间隙中的带电粒子全部参与导电非自持放电外施电压小于Ub时，间隙内虽有电流，但其数值甚小，通常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚未被破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电离因素来维持。如果取消外电离因素，那么电流也将消失（b后出现碰撞电离）自持放电当电压达到Uc后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增。同时气体中电离过程只靠电场的作用已可自行维持，而不再继续需要外电离因素了。因此Uc以后的放电形式也称为自持放电由非自持放电转入自持放电的电压称为自持放电起始电压如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电，而起始电压Uc也就是间隙的击穿电压UB如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多

1.2.2汤逊放电理论汤逊放电理论流注放电理论这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象汤逊理论认为，当均匀电场、低气压、短间隙（pd较小）条件下，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起这主要作用，气隙的击穿电压大体上是pd的函数（1）电子崩的形成（

过程）

U>Ub后，一个起始电子自电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子；这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自由电子；这样一代一代不断增加的过程——形成电子崩

系数——一个电子沿着电场方向行经单位长度后，平均发生的碰撞电离次数（形成电子崩）如设每次碰撞电离只产生一个电子和一个正离子，

即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数β系数——一个正离子沿着电场方向行经单位长度后平均发生的碰撞电离次数（离子崩）——可以忽略γ系数——碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属表面平均释放出的自由电子数（阴极发射电子）77

系数设：从阴极发出一个电子，经多次碰撞电离，在经过距离阴极x后，产生n个电子这n个电子行过dx之后，又会产生dn个新的电子

对于均匀电场，

不随空间位置而变新产生的电子数和正离子数为

（2）系数到达阴极的正离子数从阴极电离出的电子数（3）自持放电条件放电由非自持转入自持的条件为

物理意义引起碰撞电离的必要条件只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分子发生碰撞电离若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为在单位长度内，一个电子的平均碰撞次数为1／

其中是电离碰撞次数，气体温度不变时，1／

＝Ap代入自持放电的临界条件及得影响击穿电压的因素均匀电场中气体的自持放电的起始电压，等于气隙的击穿电压U0。 U0＝f(Pd)

1.2.3巴申（Paschen）定律巴申曲线P0＝101.3（kPa)δ—空气的相对密度1.2.4汤逊放电理论的适用范围适用于低气压、短间隙（Pd比较小）电力工程上经常接触到的是气压较高的情况（从一个大气压到数十个大气压），间隙距离通常也很大两者间的主要差异可概述如下（1）放电外形均匀连续，如辉光放电分枝的明细通道

辉光放电9091（2）放电时间电子崩的形成需要时间，火花放电时间的计算值比大气压下放电的实测值要大得多（3）击穿电压Pd较大时，计算值与实验值有很大出入

（4）

阴极材料的影响实测得到的大气压下的击穿电压和阴极材料无关

当Pd>26.66kPacm时，汤逊理论不再适用1.2.5流注理论在高气压长间隙条件下的气体放电理论特点：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通过大量的实验研究（主要在电离室中进行的）说明放电发展的机理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

（1）电子崩阶段（a）初始电子崩阳极侧电子崩数目多正空间电荷加强了原电场，同时向周围放射出大量光子（一）流注理论（b）二次电子崩

光子使附近的气体因光电离而产生二次电子它们在由正空间电荷所引起的畸变和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（2）流注的形成和发展二次电子崩中的电子＋初始电子崩的正空间电荷——混合通道（流注）。流注通道＋二次崩留下的正电荷，大大加强了流注发展方向的电场，产生新电子崩，从而使流注向前发展97（3）间隙的击穿流注不断向阴极推进，头部电场越来越强，因而其发展也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——间隙击穿电离室电离室结构示意图

1－照射火花间隙；2－石英窗；3－电极4－玻璃壁；5－橡皮膜；6－绝缘柱研究放电时的电路图N－电离室；S－火花间隙；L'、L''、K－短路回路在电离室中得到的初始电子崩照片图a和图b的时间间隔为1

10-7秒p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/厘米初始电子崩转变为流注瞬间照片p＝273毫米汞柱E=12千伏/厘米电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片正流注的发展速度约为11082108cm/s自持放电条件形成流注——空间光电离维持放电（自持放电）如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。流注形成的条件：足够的空间光游离——较多的初始电子崩（电子崩积累到一定的数量）（二）流注理论对高气压、长间隙（pd很大）放电现象的解释1．放电外形具有通道形式流注前方随着其向前发展而更为增强多流注之间互相抑制发展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。电子崩则不然，由于其中电荷密度较小，故电场强度还很大，因而不致影响到邻近空间内的电场，所以不会影响其它电子崩的发展2．放电时间二次电子崩由光电离形成，所以流注发展速度极快——放电时间特别短3．阴极材料的影响维持放电靠光电离，而不是阴极表面的电离过程，与材料无关在Pd值较小时，起始电子不可能在穿越极间距离后完成足够多的碰撞电离次数，因而难以聚积到足够的电子数，这样就不可能出现流注，放电的自持只能依靠阴极上的γ过程。1.3不均匀电场中气体的击穿不均匀电场比均匀电场更接近自然实际不均匀电场分为两种稍不均匀场极不均匀场高压和特高压线路和设备中应尽量避免出现“极不均匀场”1

击穿电压2

电晕起始电压3

放电不稳定区d≤2D，电场还比较均匀，其放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，立即导致整个气隙击穿1.3.1稍不均匀场和极不均匀场的放电特点1.3不均匀电场中气体的击穿d≥4D，电场分布极不均匀，存在电晕放电。外加电压进一步增大，表面电晕层扩大，并出现刷状的细火花，火花变长，最终导致气隙完全击穿。电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大！d＝2D~4D，属于过渡区域，不稳定电晕，可能转为火花放电，转化分散性大。理论上，以电场中最大场强是否超过电晕起始场强为区分均匀场和不均匀场的标准！——（静电场计算法）工程上，定义电场不均匀系数ff<2时，稍不均匀电场f>4时，极不均匀电场总结稍不均匀电场达到自持放电条件即发生击穿，击穿电压只比均匀电场略低；极不均匀场击穿电压明显低于均匀电场极不均匀电场存在电晕放电现象，起晕电压低于击穿电压电晕放电也是自持放电，所以极不均匀电场自持放电电压不等于击穿电压极不均匀场还有极性效应！1.3.2电晕放电现象电晕放电现象——电离区的放电过程造成。强电场——电子崩——复合——光辐射 咝咝的声音，臭氧的气味，微弱的晕光，回路电流明显增加(绝对值仍很小)，可以测量到能量损失电晕的特点典型电晕一般在“针－针”、“针－板”、“线－板”等极不均匀电场结构中出现电晕是一种爆发脉冲式的放电，电晕电流呈现脉冲形式输电线路属于一种“线－板”结构电极系统，存在电晕损耗；相互作用：电晕受电场不均匀程度变化影响，同时自己也会改变电场不均匀程度电晕起始电压和电晕起始场强既然是一种自持放电形式，起始电压在原理上可由自持放电条件求得

E0的经验公式m－导线表面的粗糙系数。光滑导线m=1,一般导线m=0.82~0.9,对绞线局部电晕m=0.72电晕电流与能量(a)时间刻度T=125

s(b)0.7

A电晕电流平均值(c)2

A电晕电流平均值电晕电流比较小，但比泄漏电流要大得多。空间电荷的运动需要电源供给能量,——输电线路电晕损耗的主要部分，而使空气电离所消耗的能量则比较小。电晕的起始阶段——一系列短促的陡脉冲组成。电离产生的与导线同号的电荷,导致电离停止。脉冲电流将产生电磁波传播到空间——造成无线电干扰，输电线路的电晕还与导线的表面状况及天气状况有关。导线表面曲率大小影响。雨、雪、霜等坏天气时，电晕损耗急剧增加。水滴——电场作用——变成锥形电晕损耗对于500－750kV的超高压输电线路，在天气好时电晕损耗一般不超过几个W/km，而在坏天气时，可以达到100W/km以上。因此在设计超高压线路时，需要根据不同天气条件下电晕损耗的实测数据和线路参数，以及沿线路各种气象条件的出现概率等对线路的电晕损耗进行估算。随着输电电压的提高，电晕问题也越来越突出。在保持同样电流密度的条件下，导线截面积导体表面电场输电线的电晕等效变换导线表面场强将随着电压的升高而增大降低导线表面场强的方法：增大线间距离D或增大导线半径r。一般采取适当增大导线直径的办法为节省导线材料，通常采用分裂导线的解决办法，即每相导线由2根或2根以上的导线组成。使得导线表面场强得以降低。电晕影响的两面性不利影响：能量损失；放电脉冲引起的高频电磁波干扰；化学反应引起的腐蚀作用等

有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度；利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电压；利用电晕放电除尘与臭氧发生器等1.3.3极不均匀场中的放电过程一、非自持放电阶段电子崩产生阳极积聚正电荷阳极附近电场被削弱随着电压升高，形成流注，爆发电晕二、流注发展阶段头部电场增强——新电子崩——流注前移三、先导放电阶段通道根部的电子最多——流注根部温度升高——出现热电离——先导通道（具有热电离过程的通道）。新的电离过程使电离加强，电导增大，从而加大了其头部前沿区域中的场强，引起新的流注，导致先导通道不断伸长。流注根部温度升高热电离过程先导通道电离加强，更为明亮电导增大轴向场强更低发展速度更快长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙四、主放电过程先导头部达到板极。小间隙中的高场强引起强烈电离，带电粒子高。强电离区迅速向阳极传播——主放电过程。主放电通道贯穿电极间隙——击穿。特点：由于其头部场强极大，所以主放电通道发展速度及电导都远大于先导通道。１——主放电通道２——主放电和先导通道的交界区３——先导通道先导的发展正棒—负板间隙中先导通道的发展（ａ）先导和其头部的流注ｋｍ；（ｂ）流注头部电子崩的形成；（ｃ）ｋｍ由流注转变为先导和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注头部电子崩的形成；（ｅ）沿着先导和空气间隙电场强度的分布1.3.4极不均匀场中的极性效应正棒－负板电子运动速度快，迅速进入棒极；棒极附近积聚起正空间电荷，削弱了棒极附近的电场强度而加强了正离子群外部空间的电场结果：（1）使电晕起始电压提高。（2）外部空间电场加强，有利于流注的发展，因此击穿电压较低。负棒—正板电子崩中的电子离开强电场区后，不再能引起电离，向阳极运动的速度也越来越慢。电子崩中的正离子加强了棒极附近的场强，使棒极附近容易形成流注。结论：（1）电晕起始电压比正极性时要低。（2）正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，削弱了外部空间的电场，阻碍了流注的发展，因此击穿电压较高。1.4气体间隙的稳态击穿电压波形持续作用的稳态电压——直流工频冲击电压（瞬态）——雷电冲击

操作冲击电场形式均匀场稍不均匀场极不均匀场1.4.1均匀电场分散性小直流击穿电压＝工频击穿电压均匀电场中空气的击穿电压经验公式d-间隙距离(cm)-空气相对密度

均匀电场，标准大气状态条件，稳态电压作用时，

空气间隙的击穿电压峰值Ub与极间距离的关系

1.4.2稍不均匀电场分散性小直流击穿电压、工频击穿电压基本相等击穿电压与电场的均匀度相关。越均匀，击穿电压越高极性效应，在不对称场中1.4.2稍不均匀电场极性效应：（球－球间隙）不接地时，无极性效应，但通常会接地，此时有极性效应假设球直径D

当d＜D/4，电场相当均匀

，直流电压、工频电压及

冲击电压作用下，击穿电

压都相同

当d＞D/4，大地对电场的

畸变作用使间隙电场分布

不对称，Ub有极性效应

负极性时的击穿电压略低

于正极性时的数值

同一间隙距离下，球电极直径越大，由于电场均匀程度增加，击穿电压也越高

1.4.3极不均匀电场电压性质影响大，分散性大，极性效应明显极性效应：最高：负棒正板，平均击穿场强约为10kV/cm次高：棒棒，平均击穿场强约为4.8~5.0kV/cm最低：正棒负板，平均击穿场强约为4.5kV/cm（一）直流击穿电压“棒－棒”和“棒－板”空气气隙的直流击穿特性“棒－棒”和“棒－板”长间隙的直流击穿特性（二）工频击穿电压在棒-板间隙中，击穿总是在棒为正的半周期内，电压达到幅值附近时发生工频击穿电压稍低于直流电压下的击穿电压（这是由于前半周期留下的空间电荷对棒极前方的电场有所加强的缘故）棒-棒间隙的击穿电压比棒-板间隙的要高一些（这是由于棒-棒的电场更均匀一些）击穿电压具有“饱和现象”。“棒－棒”和“棒－板”长气隙的工频击穿特性

1——棒－棒2——棒－板

在d<1m内，“棒－棒”和“棒－板”气隙的工频击穿电压几乎相等，当d>2m，击穿电压与气隙距离的关系出现“饱和”趋势1.5雷电冲击电压作用下气体的击穿雷电冲击电压波形的特点雷电流是冲击波形的，故由雷闪放电引起的高电压也具有冲击波形，是一种非周期性指数衰减波一、雷电冲击电压标准波形T1＝1.2

s（

30%）

T2＝50

s（

20%）二、放电时延击穿条件：足够幅值的电压，一定时间的作用观测到的击穿电压值，往往大于直流或工频的静态击穿电压Us：静态击穿电压（近似等于直流或工频击穿电压）t1：达到静态击穿电压的时间统计时延ts——有效电子（能引起电离过程并最终导致击穿的电子）产生。不均匀电场内，ts小。放电形成时延tf——出现电子崩、形成流注、主放电、间隙击穿。均匀电场内，tf小。放电时延tlag＝ts＋

tf影响tlag的因素：dU/dt增大，tlag减小U增大，tlag减小外界电离因素（紫外照射、激光触发）冲击放电所需的全部时间

三、雷电50%冲击击穿电压（U50%）原因——放电时延的分散性电压升高到一定程度，100％击穿U50%——在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，工程上以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性试验方法：多级法（每级加压6次，曲线），升降法（10次中4－6次击穿）三雷电冲击50%击穿电压高于稳态击穿电压（直流击穿电压或工频击穿电压幅值）。

分散性较大。其标准偏差可取3%。间隙较长时，击穿通常发生在波尾。和间隙距离大致呈线性关系，即无饱和趋势。

（因为作用时间短，间隙距离加大后，需要提高先导发展速度才能完成放电，因此击穿电压提高）

极不均匀场中的极性效应四.伏秒特性以斜角波电压为例来说明考虑放电时延的必要性在间隙上缓慢地施加直流电压，达到静态击穿电压U0后，间隙中开始发展起击穿过程。但击穿需一定时间

=tl，在此时间内电压上升击穿完成时间隙上的电压应为U0+

U

伏秒特性的绘制——实验方法保持间隙距离不变、保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，读取击穿电压值U与击穿时间t击穿电压值视击穿时刻不同取不同的值：波前？，波尾？连接这些坐标点。伏秒特性曲线的形状与电场分布有关在均匀电场和稍不均匀电场中，击穿时平均场强较高，放电发展较快，放电时延较短，伏秒特性曲线平坦。在极不均匀电场中，平均击穿场强较低，放电时延较长，放电分散性大，伏秒特性曲线较为陡峭。伏秒特性的分散性放电时间具有分散性，每级电压下放电时间不同，实际上伏秒特性是以上、下包络线为界的一个带状区域伏秒特性的用途156Ｓ２对Ｓ1起保护作用在高幅值冲击电压作用下，Ｓ２不起保护作用1.6操作冲击电压作用下气体的击穿一、操作冲击电压标准波形非周期性指数衰减波推荐操作冲击电压的标准波形为250／2500s

衰减振荡电压第一个半波的持续时间在2000一3000s之间，反极性的第二个半波的幅值达到第一个半波幅值80％二、操作冲击50%击穿电压均匀电场和稍不均匀电场中间隙的操作冲击50%击穿电压、雷电冲击50%击穿电压和工频击穿电压（峰值）几乎相同，击穿几乎发生在峰值，击穿电压的分散性也较小。极不均匀电场中操作冲击电压下的击穿通常发生在波头部分，击穿电压与波头时间有关而与波尾时间无关。158（1）极性效应极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下50％击穿电压比负极性下低，所以也更危险（2）电场分布的影响“邻近效应”：接地物体靠近放电间隙会显著降低其正极性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压电极形状对间隙的击穿电压也有很大影响超高压输变电设备中，空气间隙结构不同，操作冲击击穿电压差别很大（3）波形的影响对应于极小值的波前时间随着间隙距离加大而增加，对7m以下的间隙，大致在50

200

s之间放电时延和空间电荷(形成及迁移)这两类不同因素的影响所造成的放电时延的作用空间电荷对电场的影响50％击穿电压极小值的经验公式式中d—间隙距离，m上式对于１

20m的长间隙和试验结果很好地符合

（4）分散性大

由于空间电荷的形成、扩散和放电时延具有很大的统计性，所以操作冲击电压下间隙的击穿电压和放电时间的分散性比雷电冲击电压下大得多对于波前时间在数十到数百μs的操作冲击电压，极不均匀电场间隙50％击穿电压的标准偏差

约为5％；波前时间超过1000

s以后，可达8％左右（工频及雷电冲击电压下均约为3％）在一定的波前时间范围内，U50甚至会比工频击穿电压低——U形曲线

（5）“饱和”现象极不均匀电场中操作冲击50％击穿电压和间隙距离的关系具有明显的“饱和”特征（雷电冲击50％击穿电压和距离大致呈线性关系）注意：冲击放电击穿和脉冲放电雷电、操作冲击放电是具有标准波形规定的特殊脉冲放电；标准波形参数：幅值、上升时间（波前时间）、下降时间（波尾时间）、脉宽或半脉宽等放电时延、伏秒特性、50%击穿电压等指标同样适应于一般脉冲放电的表述研究脉冲放电击穿，必需给出波形特征参数、间隙特征参数！1.7大气条件对气隙击穿特性的影响标准大气条件：

气压P0=101.3kPa，温度t0=20℃绝对湿度f0=11g/m3。非标准大气条件要换算到标准大气条件反映空气密度一、空气相对密度的影响气压P增大时，带电粒子的平均自由行程减小，因此在运动中积累的动能就小；击穿电压升高温度T增大时，空气相对密度减小，平均自由行程增大，击穿电压降低。P：气压，kPa；t：温度，度一、空气相对密度的影响δ＝0.95~1.05范围内变动时，间隙的击穿电压与相对密度成正比，实际试验或运行条件下当δ与1相差较大时，须用空气密度校正系数Kd对击穿电压U进行校正

在大气条件下，空气间隙的击穿电压随

的增大而升高二、湿度的影响湿度增加，电离能力下降，对放电过程起到抑制作用——湿度越大，间隙的击穿电压也会越高（不均匀电场中更明显）。

湿度矫正系数：综合气压、温度、湿度的影响三、对海拔高度的校正随着海拔增高，空气密度减小，λ增大，电离能力增大，间隙的击穿电压降低。我国的国家标准规定：1000m<H<4000m地区的出厂测试U（或称设计耐压水平）与平原地区外绝缘的Up的关系为1.8 提高气体间隙击穿电压的措施两条基本途径：一、改善电场分布二、削弱气体中的电离过程(一）改进电极形状增大电极曲率半径改善电极边缘一、改善电场分布(一）改进电极形状使电极具有最佳外形175（二）利用空间电荷畸变电场细线效应（工频下）

D增大后，局部毛刺点的强烈电离，产生刷状放电细线效应只对稳态电压有作用，对雷电波没有作用（三）极不均匀电场中采用屏障－DC棒电极为正极性时正离子聚集在屏障上，并沿表面均匀分布，削弱了正棒头部的强电场屏障与负板之间形成均匀电场（三）极不均匀电场中采用屏障棒电极为负极性时

当屏蔽层离开电极一定距离后，吸附的负离子将加强板前电场，使击穿电压低于无屏蔽的情况。屏蔽层靠近负棒，强电场作用下电子速度大，可以穿透屏蔽层，正离子集聚在屏蔽层，屏蔽层总体上带正电荷，削弱屏蔽层前方电场，击穿电压略有提高。

（三）极不均匀电场中采用屏障直流电压作用下尖－板的击穿电压和屏障的关系（三）极不均匀电场中采用屏障-DC:总结棒电极为正极性时正离子聚集在屏障上，并沿表面均匀分布，削弱了正棒头部的强电场在x/d=0.2时击穿电压的提高最显著，约为2－3倍。棒电极为负极性时总趋势同于正棒下的屏蔽效应。

当屏蔽层离开电极一定距离后，吸附的负离子将加强板前电场，使击穿电压低于无屏蔽的情况。

最高提高0.2倍在中间一段范围内，带屏蔽的击穿电压（不论极性）与均匀电场下的击穿电压接近（三）极不均匀电场中采用屏障－工频工频作用下尖－板的击穿电压与屏蔽层位置的关系工频下，击穿在正半波发生，因此，屏蔽层也可显著提高击穿电压（三）极不均匀电场中采用屏障屏蔽层插入电晕电极侧，可提高击穿电压。屏蔽层仅对持续作用电压（DC，工频）有效而对雷电波作用很小。二、削弱或抑制电离过程采用高气压采用强电负性气体采用高真空（一）采用高气压基本原理：气压提高减小动能减小U提高1－2.8MPa5－0.1MPa当气压在10个大气压下时，击穿电压随气压增大线性增加。再提高P，会饱和压缩空气可用于内绝缘，如断路器、高压标准电容等。（二）采用强电负性气体卤化物气体电气强度高（二）采用强电负性气体卤化物气体电气强度高的原因：1） 具有很强的电负性，负离子即削弱电离，又加强复合；2） 分子量大，分子直径大，电子的减小。3） 电离过程伴随离解过程，需要更多能量。

（二）采用强电负性气体选用卤化物的原则：1液化温度要低，2应具有良好的化学稳定性，3经济上应当合理，价格便宜，能大量供应目前得到工程广泛应用的是SF6及SF6混合气体（三）采用高真空气隙击穿电压与真空压力的关系

接近真空阶段：碰撞电离的几率太小，Ub提高高真空阶段：小距离时：强场发射、金属气化大距离时：全电压效应真空中的Ub与电极材料、表面光洁度、清洁度有关1.9沿面放电含义：沿空气与固体介质表面发生的气体放电现象称为沿面放电。击穿后俗称闪络。研究意义：一个绝缘装置的实际耐压水平由沿面放电电压决定。研究范围：表面干燥、清洁时的沿面放电电压表面潮湿、污秽时的沿面放电电压1.9沿面放电沿面放电的几种典型电场分布形式

均匀电场强垂直分量弱垂直分量1.9沿面放电1.9.1均匀电场中的沿面放电在平行平板中放置瓷柱，虽然瓷柱不影响电场分布，但放电总发生在瓷柱表面，且击穿电压比纯空气的低很多。1.9.1均匀电场中的沿面放电机理分析：1）固体介质与电极接触不良，空气间隙发生局放，形成的带电粒子沿介质表面移动。

在连接处涂导电粉末或者导电胶2）潮气形成水膜，其中的离子在电场下运动，造成沿面电压分布不均，畸变电场。

憎水性材料3）在瓷柱表面的凸凹处，发生电场畸变，产生空气间隙击穿。带电粒子分布在固体表面，畸变原有电场，降低了闪络电压。4）固体表面电阻不均，造成泄漏电流的压降分布不均，使电场畸变，降低沿面闪络电压。1.9.1均匀电场中的沿面放电1.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电沿套管表面的放电电晕放电细丝状的辉光放电滑闪放电第一阶段：由于接地法兰附近电力线密集，首先出现电晕。1.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电沿套管表面的放电电晕放电细丝状的辉光放电滑闪放电第二阶段：随着电压升高，出现平行的许多火花细线，具有辉光放电的特征。1.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电沿套管表面的放电电晕放电细丝状的辉光放电滑闪放电第三阶段：电压继续升高，带电粒子的运动造成介质表面局部发热，引起气体热电离，出现树枝状火花，位置不固定，称为滑闪放电。1.9.2极不均匀场具有强垂直分量的沿面放电最后，第四阶段，电压再升高，滑闪贯通两级，形成沿面闪络。1.9.2极不均匀场具有强垂直分量的沿面放电滑闪放电在交流和冲击下表现明显。随电压增加，滑闪长度增长变快，因此单靠加长距离提高闪络电压效果不明显。玻璃管壁变薄，滑闪电压降低。1.9.3极不均匀场具有弱垂直分量的沿面放电没有热电离和明显的滑闪放电；介质表面电荷聚集对电场畸变影响不大；沿面闪络电压与空气击穿电压差别不大。实验表明：这种绝缘子的干式闪络电压基本上随极间距离的增加而增加。三种情况比较：均匀场中的沿面闪络电压最高，有垂直分量的沿面放电电压低得多；具有强垂直分量的沿面放电电压很低，因为出现了热电离和滑闪放电。1.9.4绝缘子污染状态下的沿面放电污闪电压发展过程：积污受潮电导增加，电流增大烘干，形成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度，自动延伸，贯穿两极防止污闪：1改善环境，减小污染的可能性2改进绝缘子结构设计，降低污秽积累的可能1.9.5固体介质表面有水膜时的

沿面放电湿闪电压增大爬电距离改进绝缘子结构204提高沿面放电电压的方法棱缘屏障（伞裙）屏蔽电极改善电场分布提高表面憎水性避免绝缘体与电极间缝隙改善局部区域电阻率强制表面电位分布206改变局部电阻率的方法分析以套管型结构为例，也即强垂直分量下的沿面放电链形等值回路为:略去了介质的体积电阻提高沿面放电电压的方法分析链性等值回路的方程：边界条件：提高沿面放电电压的方法定性来看，电压分布的不均匀性在于靠近法兰处的Rs流过的电流大于远离法兰处的Rs中流过的电流。措施：1减小比电容C0可加大瓷套外径、壁厚，或减小介电常数2减小电场较强处的表面电阻。可涂半导体釉、半导体漆等，采用电容式套管、充油式套管高电压技术与工程

第二章

液体固体电介质的绝缘特性重要知识点清单液体、固体电介质的绝缘与气体相比有其相似性电子崩理论在液体固体击穿过程中的解释与气体相比有其独特性极化、电导、损耗气体的上述三个特性都可以忽略不计极化、电导、损耗是导致液体、固体绝缘特性差异的主要原因而极化、电导又是导致损耗的原因本章知识要点本章知识要点列举：几种极化的类型及其特点哪些极化需要消耗能量？－》损耗相对介电常数——有何用处？制作电容器制作交流电缆问：极化和电介质的绝缘性能之间有何关联？本章知识要点电导理解：吸收现象形成电介质中电导的原因通过电介质的电流是如何随时间变化的？电导大小的物理量——电导率，单位？液体的U-I曲线：饱和现象固体的电导：U-I曲线无饱和表面电导：污秽、潮湿损耗损耗的成因直流下：电导——发热交流下：电导＋极化电介质可等效为：容阻电路注意和吸收现象中电介质等值电路的区别通过电介质等效电路形成——tg

的概念阻容并联：阻容串联：本章知识要点本章知识要点两种液体电介质击穿过程纯净：电击穿工程：气泡击穿三种固体的击穿过程电击穿热击穿电老化三种击穿方式的击穿电压与持续作用时间的关系影响固体液体电介质强度的因素（提高强度方法）本章知识要点组合绝缘组合介电常数和介质损耗的推导由推导式理解组合绝缘的性能评估方法注意交流、直流应用：电缆分阶绝缘217本章知识要点电介质老化电老化：局放老化热老化：温升老化－》损耗导致环境老化上述老化重点围绕课本小标题学习老化机理和影响因素即可课程内容液体、固体电介质的绝缘特性特点电气强度高液体兼做灭弧；固体兼做支撑电气强度不受外界影响不可自恢复会逐渐老化2.1电介质的极化、电导与损耗极化的概念固体介质表面出现束缚电荷相对介电常数反映极化、储能特性极化的基本形式电子式极化离子式极化偶极子极化夹层（界面）极化空间电荷极化极化机理：电子偏离轨道介质类型：所有介质建立极化时间：极短，10-14

10-15s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（无关）极化弹性：弹性消耗能量：无 1.电子式极化极化机理：正负离子位移介质类型：离子性介质建立极化时间：极短，10-12~10-13s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加，离子结合力）极化弹性：弹性消耗能量：无2.离子式极化极化机理：偶极子定向排列介质类型：具有永久性偶极子的极性介质建立极化时间：需时较长，10-10

10-2s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（有关，频率升高，极化减弱）温度（低温段增加，高温段降低（热运动））极化弹性：非弹性消耗能量：有3.偶极子极化2264.夹层式（界面）极化当t=0:

当t=∞:

一般情况下：电荷从t=0到t=∞时会重新分配，在介质的交界面处积累电荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化。极化的时间常数：

高压绝缘介质的电导G通常都很小，因此夹层极化只有在低频时才有意义。同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。注意安全。4.夹层式（界面）极化极化机理：带电质点移动介质类型：不均匀夹层介质中建立极化时间：很长，从数s到数h极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关）极化弹性：非弹性消耗能量：有 4.夹层式（界面）极化极化机理：正负自由离子移动到电极附近，形成空间电荷介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：很长极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关）极化弹性：非弹性消耗能量：有 5.空间电荷极化常用电介质的介电常数讨论极化的意义：选择电容器的介质时，希望大；选择其他绝缘结构的材料，希望小。组合绝缘的配合。如油纸绝缘、气泡局放。极化形式关系到介损，即材料的发热、劣化。在绝缘预防性实验中，夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。2.1.2电介质的电导来源：电介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。它们在电场下的定向移动，形成电流（泄漏电流）。电子电导电介质的电导离子电导（主要）与导体的电导相比，电介质电导的特点：1）主要载流子是离子2）电导率随温度升高而指数上升。电介质的吸收现象电介质中的电流与时间的关系i=ic+ia+igic:电容电流ia：吸收电流，由各种

极化过程在交变电场中产生ig：电导电流，或泄漏电流电介质的绝缘电阻定义：电介质中的绝缘电阻一般为M

特点：1）负温度系数2）随外施电压上升而下降。3）随加压时间延长而增大。液体中极化发展快，吸收电流衰减快电导构成：离子电导、电泳电导

非极性电介质的电阻率1018Ω•cm

弱极性电介质的电阻率1015Ω•cm

极性电介质的电阻率1010Ω•cm~1012Ω•cm，由于损耗太大，实际上不使用

强极性如水、乙醇等实际上已是离子性导电液，不能用作绝缘材料离子性电导随温度的升高而增加液体电介质的电导分成三个区域区域1：液体电介质的电导在电场比较小的情况下，遵循欧姆定律区域2：随着场强的增大，与气体相似，有一平坦区域（饱和）

区域3：场强继续增大超过某一极限——解离、逸出、碰撞电离，最终击穿液体电介质中电压－电流特性经常使用电阻率，即电导的倒数描述固体电介质特性结构紧密，洁净的离子性电介质，电阻率为1017Ω•cm~1019Ω•cm

结构不紧密且含单价小离子的离子性电介质的电阻率仅达1013Ω•cm~1014Ω•cm

非极性或弱极性介质主要由杂质离子造成电导。纯净介质的电阻率可达1017Ω•cm~1019Ω•cm

偶极性电介质，因本身能解离，此外还有杂质离子共同决定电导，故电阻率较小，较佳者可达1015Ω•cm~1016Ω•cm固体电介质的电导分三个区域

区域1：符合欧姆定律，也称低场强领域区域2：电流随场强非线性增加区域3：出现破坏先导电流区域2、3也称高场强领域。和液体、气体不同，固体中的电压－电流特性没有饱和状态 固体电介质的电压－电流特性带电粒子产生：晶格缺陷，解离，泊尔－弗仑开尔效应固体介质的表面电导固体介质除了体积电阻外，还存在表面电导。干燥清洁的固体介质的表面电导很小，表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起。介质吸附水分的能力与自身结构有关，所以介质表面电导也是介质本身固有的性质液体和固体电介质的电导（总结）中性、纯净液体的电导由杂质决定酸碱性液体的电导与离子电导有关液体导电存在饱和区，固体无明显饱和区固体电导很大程度上取决于表面电导，因此要考虑湿度的影响讨论电导的意义：1）在绝缘预防性实验中，由绝缘电阻或者泄漏电流判断绝缘是否受潮或者劣化。2）高压直流设备中有多层介质时（如直流电缆），其电压分布与电导成反比，设计时需考虑。3）设计绝缘结构时，要考虑到环境对电导的影响。4）对于某些能量较小的电源，如静电发生器，要减小表面的泄漏电流以保证得到高电压。5）有些情况下要设法减小绝缘电阻值。如高压套管附近涂上半导体釉等。2.1.3电介质的损耗损耗极化损耗（DC下无）电导损耗（DC、AC都有）一、介质损耗角正切（tg)：泄漏电流，由电导引起：吸收电流，也叫极化电流，由极化引起：电容电流介质损耗正切角（tg

）－并联等值电路介损：损耗功率：定义

为介质损失角，是功率因数角

的余角介质损失角正切值tg

，如同

r

一样，取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质246串联等值电路

气体介质的损耗气体介质极化率小，损耗极小（tg

<10-8。所以常用气体（如空气，N2；CO2，SF6等）作为标准电容器的介质当外施电压U超过起始放电电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加二、不同介质的损耗中性液体、固体电介质中的损耗主要由漏导决定（极化为无损的）介质损耗与温度、电场强度等因素的关系决定于电导与这些因素之间的关系液体和固体电介质中的损耗中性液体或中性固体电介质的tg

与温度的关系中性液体或中性固体电介质的tg

与电场的关系

极性液体介质中的损耗主要包括电导式损耗和电偶式损耗两部分损耗与温度、频率等因素有较复杂的关系中性固体介质如石蜡、聚苯乙烯等，其损耗主要由电导引起，通常很小，在高频下也可使用极性的纤维材料（纸、纤维板等）和含有极性基的有机材料（聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等），tg

值较大，高频下更为严重。与温度、频率的关系与极性液体相似

介质损耗正切角（tg)三、影响tg

的主要因素之一：温度tg

和温度的关系t<t1:极化损耗、电导损耗都上升t1<t<t2:极化减弱，电导上升，极化占主导t>t2:极化减弱，电导上升，电导占主导当f增加时，极化程度降低，因此需要提高温度（减小粘度）才能达到最大值。不均匀结构的电介质

如：电机绝缘中用的云母制品（是云母和纸或布以及环氧树酯所组合的复合介质）和油浸纸、胶纸绝缘等。不均匀结构的电介质的tg

取决于其中各成分的性能和数量