2.1气体介质的绝缘特性.ppt

1、2.1 气体电介质的绝缘特性,2.1.1 空气间隙的击穿机理,带电质点：,正离子、负离子、电子,一、带电质点的产生,原因：各种游离（电离）,作用：促进放电发展,气体原子的 激发和游离,带电粒子的运动,当气体中存在电场时，粒子同时进行热运动和沿电场定向运动。,游离（电离）：外界以某种方式给处于某一能级轨道上的电子施加一定的能量，该电子就可能摆脱原子核的束缚成为自由电子。,激发：电子向高一能级轨道的跃迁。,游离能 ：产生游离需要的能量。,自由行程：一个质点在每两次碰 撞间自由地通过的距离。,平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。,1、碰撞游离,电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体分子 引

2、起游离的过程。,碰撞游离条件：当电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的游离能时，就可能使气体分子分裂为电子或正离子,碰撞游离主要由电子和气体分子碰撞所引起。,气体中，电子和离子的自由行程是它们和气体分子发生碰 撞的行程。由于电子尺寸和质量比分子小得多，不易发生 碰撞，故电子的平均自由行程比离子的大得多，在电场作 用下加速运动易积聚足够的动能。,Wi为气体分子的游离能,2、光游离,由光辐射引起气体分子游离的过程,光游离产生的电子称为光电子,来源：,x射线、射线、宇宙射线、紫外线等,异号带电质点复合成中性质点释放出光子,条件：,激励态分子回复到正常态释放出光子,3、热游离,本质：气体分子热状态引

3、起的碰撞游离和光游离的综合。,常温下，气体分子发生热游离概率极小。,当t10000K时，才需考虑热游离； 当t20000K时，几乎全部的分子都处于热游离状态,以上三种游离发生在气体空间中，故也称为空间游离,4、气体中金属表面游离,含义：,形式：,金属阴极表面发射电子的过程。,气体中的主要游离形式为碰撞游离,正离子碰撞阴极表面； 短光波照射； 强场发射； 热电子发射；,二、带电质点的消失,作用：既促进又阻碍放电的进行,都以光子的形式放出多余的能量。一定条件下会导致其他气体分子产生光游离，使气体放电阶跃式发展。,电子复合和离子复合：,作用：阻碍放电发生,1、复合,2、扩散,正离子和负离子或电子相遇

4、时，发生电荷的传递而相互中和还原为分子的过程。,3、进入电极,作用：阻碍放电发展,带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域的性质,在外电场作用下，气隙中的正、负电荷分别向两电极定向 移动的现象,三、空气间隙的击穿过程,由于受各种电离因素的影响，空气间会产生少量带电粒子。在电场的作用下，这些带电质点沿电场方向运动。在一定条件下会形成电子崩和流注。 1.碰撞游离 空气间隙中，处于电场中的带电质点，在电场力的作用下，在电场中运动。与中性质点发生碰撞产生新的自由电子和正离子，这种现象称为碰撞游离。 碰撞游离是气体放电过程中产生带电质点的重要来源。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

5、原子）相碰撞而引起的。,2.电子崩（汤逊理论）,(a) 电子崩的形成 (b) 带电离子在电子 崩中的分布,外界游离因子在阴极附近产生一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞游离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞游离，产生更多电子。依此电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。,3.非自持放电和自持放电,电子崩发展到阳极，其崩头的电子进入阳极中和，崩体内 的正离子在电场作用下向阴极运动。若气隙上的电压较低， 场强较小，则正离子撞击阴极板时从阴极逸出的电子将全 部和正离子复合，阴极表面游离不出

6、自由电子。此时若取 消外界游离因素，气隙中将没有产生新电子崩的电子，放 电会停止。,此即是非自持放电。,若气隙上的电压达到其临界击穿电压，则由于正离子的动能大，撞击阴极表面时就能使其逸出自由电子，此时即使取消外界游离因素，阴极表面游离出的电子可弥补原来发展电子崩的那个电子，产生新的电子崩，使放电继续进行下去。,此即是自持放电。,自持放电条件：,物理意义：,一个从阴极出发的起始电子发展电子崩到阳极 后，崩中的 个正离子向阴极碰撞时 ，只要至少能从阴极撞击出一个自由电子来， 放电就可转入自持。,如自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分：,1. 将电子崩和阴极上的过程作为气体自持放电的决定因素是汤

7、逊理论的基础。 2. 汤逊理论的实质是：电子碰撞游离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。 3. 阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。,总结：,汤逊理论的适用范围,汤逊理论是在低气压d 较小条件下建立起来的，pd 过大，汤逊理论就不再适用； pd过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释： 放电时间：很短 放电外形：具有分支的细通道 击穿电压：与理论计算不一致 阴极材料：无关 汤逊理论适用于d0.26cm,4.高气压下均匀场自持放电的流注理论,以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在

8、金属阴极，因而与阴极上的过程和二次电子发射根本无关。 气体放电流注理论以实验为基础，考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下方面： 空间电荷对原有电场的影响 空间光游离的作用,（1）空间电荷对原有电场的影响,电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变； 崩头前方和后方处电场增强，崩头内部正、负电荷交界处出现一弱电场区，此处电子和离子浓度最大，有利于完成复合； 强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光游离辐射源。 电场加强区域（崩头前方附近）利于分子的激发，易放出光子。,（2）空间光游离的作用,考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射光子而

9、引起光游离。,如图所示：如果这时产生的光子位于崩头前方和崩尾附近的强场强区，则造成的二次电子崩将以更大的游离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中。 这些游离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注。,流注形成过程示意图,（3）流注的形成和发展示意图,a、起始电子发生碰撞游离形成初始电子崩； b、初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，放射出大量光子； c、光游离产生二次电子，在加强的局部电场作用下形成二次崩；,d、二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部又有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使其发展； e、流注头部游离

10、迅速发展，放射出大量光子，引起空间光游离，流注前方出现新的二次崩，延长流注通道； f、流注通道贯通，气隙击穿。,流注发展过程概述,4、形成流注的条件,电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，大大加强电子崩崩头和崩尾处的电场； 电子崩中电荷密度很大，所以复合频繁，放射出的光子在这部分很强电场区很容易成为引发新的空间光游离的辐射源，二次电子主要来源于空间光游离； 气隙中一旦形成流注，放电就可由空间光游离自行维持。,形成流注的必要条件是：,初始电子崩（电子崩头部电子数达到一定数量）电场畸变 和加强电子崩头部正负空间电荷复合放射大量光子光 游离崩头处二次电子（光电子）（向正空

11、间电荷区运动 ）碰撞游离二次电子崩（二次电子崩电子跑到初崩正空 间电荷区域）流注,流注自持放电条件：,初崩头部电子数要达到108时，放电才能转为自持，出现流注。,2.1.2 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。当温度不变压力变化时，气体密度发生变化，压力升高密度增大，电子向阳极运动的过程中，容易与分子发生碰撞，每两次碰撞的自由行程缩短。行程短，动能不足，不容易游离。击穿电压会升高；反之，气体密度小，虽然碰撞次数减少，但行程大大增加。容易游离，击穿电压降低。但如果气体过于稀薄，即真空状态

12、。碰撞次数大大减少。击穿电压也会升高。,2.巴申定律,当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压(Ub)是气压(p) (或气密 ）和气隙距离(d)乘积的函数，即Ub= f (d)。,1、巴申曲线,巴申曲线表明，改变极间距离d的同时，也相应改变密度而使d的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等。,2、定性分析,(1) d一定时：,a、较小时：碰撞次数进一步有效碰撞次数 Ub,由此分析可知：当极间距离d不变时提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压。这一概念具有十分重要的实用意义。,工程应用：压缩空气开关、真空开关等,(2) 一定时,a、d较小时：进一步d（与,差不多）碰撞次数少,

13、无足够的碰撞次数Ub,b、d较大时：dE不易游离Ub,意义：减小或增大d，都能使击穿电压提高。,平均自由行程,碰撞次数，不,易积累足够游离能(只碰撞不游离)有效碰撞次数Ub,b、较大时：,2.1.3 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30kV/cm（峰值）。直流击穿电压和工频击穿电压幅值接近相等。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、间隙长短、作用电压种类（直流、交流、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。如不均匀电场的间隙大于50cm时，负

14、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10kV/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，小的多。,持续电压作用下的空气击穿,一、均匀电场中的击穿电压特点 1、电场对称，击穿电压无极性效应。 2、各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电 电压等于击穿电压。 3、击穿所需时间短，击穿电压（峰值）基本相同， 分散性小。 二、稍不均匀电场的击穿电压特点 1、击穿电压有极性效应，但不明显。 2、击穿前有电晕发生，不稳定，一出现电晕，立即 导致整个间隙击穿。 3、放电发展所需时间短，分散性不大。 三、极不均匀电场的击穿电压特点 1、存

15、在局部电场区，击穿前有稳定的电晕，间隙的起始 放电电压小于击穿电压。 2、有明显的极性效应。 3、放电发展所需时间长，击穿电压分散性很大。,2.1.4极不均匀场中气体的击穿过程,放电特点：,1、电晕放电,2、极性效应,一、电晕放电,1、定义：电场极不均匀时，在大曲率电极附近空间局部场强首先达到引起强烈游离的数值，使其附近很薄一层空气中形成自持放电，产生薄薄的淡紫色发光层。该放电仅局限在大曲率电极周围很小范围内，而整个气隙尚未击穿，这种现象即为电晕放电。,刚开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压或起晕电压,电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，流传最广的是皮克公式，电晕起始场强近似为：,2、特点

16、：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。,危害： 电晕放电引起光、声、热等效应使空气发生化学反应，不但消耗能量，还产生臭氧和氧化氮等有害气体，腐蚀金具和有机绝缘物。坏天气要比好天气时的电晕损耗大得多。 电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失、出现造成的放电脉冲会产生高频电磁波，对无线电和广播产生干扰。 电晕放电还会产生可闻噪声。,有利方面： 降低输电线上的雷电或操作冲击波的幅值和波前陡度。 电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。 某些场合可改善电场分布。,消除方法：改进电极形状，减小电极曲率；如电极采用 大尺寸

17、球面， 超高压线路采用扩径导线等。,二、极性效应,1、定义：电极形状不对称的极不均匀场中，大曲率电极极性不同时，间隙的击穿电压和起晕电压各不相同。 即：Ub(-|+)Ub(+|-),2、分析： 下面以电场极不均匀的“棒板”气隙为 例，从流注的概念出发，说明放电的发 展过程和极性效应。,(a) 正尖负板,电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和，留在棒极附近的为正空间电荷。这些正离子向阴极移动速度很慢而暂留在棒极附近。它们削弱了棒极附近的电场，棒极附近难以形成流注，自持放电难以实现，故起晕电压较高。而它们同时加强了朝向极板的电场，促进放电向前发展，故放电电压较低。,(b) 负尖正板,电子崩将由棒极表

18、面出发向极板发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区后，不再引起碰撞游离，但仍继续往板极运动，并大多形成负离子，负空间电荷浓度小，对电场影响不大。留在棒极附近是大批正离子，它们将加强棒极表面附近的电场，容易形成自持放电，所以其起晕电压较低。间隙深处的电场被消弱，使流注不易向前发展，间隙的击穿电压要比正极性时高得多。,工程实际中，输电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生在正半波； 因此考核绝缘冲击特性时应施加正极性的冲击电压。,三、极不均匀场放电特点,无论尖极极性如何，放电总是从尖极开始 尖极附近总是留下空间电荷 存在极性效应：Ub-|+Ub+|-,2.1.5

19、 雷电冲击电压下气体的击穿,一、冲击波形及特点,冲击波： 雷电冲击 操作冲击,标准雷电波：,IEC和国标规定： T1=1.2s30 T2=50s20% 一般写为1.20/50,特点：,高幅值、高陡度、短时间,标准雷电冲击电压波,T1视在波前时间 T2视在半峰值时间,二、冲击放电特点,足够大的电场强度或足够高的电压。 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子。 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。,1、完成气隙击穿的三个必备条件：,总放电时间 tb=t0tstf,2、放电时间的组成：,t1tstf 称为放电时延,t0气隙在持续电压下的击穿电压为U0，为所加电压从0上升到U

20、0的时间；,完成击穿所需放电时间很短（微秒级）：,直流电压、工频交流等持续作用的电压，满足上述三个条件不成问题； 当所加电压为变化速度很快、作用时间很短的冲击电压时，因有效作用时间短，放电时间就变成一个重要因素。,ts从电压达到U0瞬时起到气隙中出现第一个有效电子为止的时间称为统计时延。,tf出现有效电子后，引起碰撞游离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙击穿需要的时间，称为放电形成时延。,短气隙中（1cm以下），特别是电场均匀时，tfts，放电时延主要取决于ts。为减小ts： 可提高外施电场使气隙中出现有效电子的概率增加 可采用人工光源照射，使阴极释放出更多的电子 较长气隙时，放电

21、时延主要决定于tf，且电场越不均匀，tf越大。,冲击放电特点：,具有放电时延；UbU0,三、伏秒特性,对雷电冲击电压来说，电压变化速度极快，在电压达到静态击穿电压后的放电时延内，电压变化较大，击穿电压高于静态击穿电压；且击穿电压随时间而变。,当击穿过程中加在间隙上的电压随时间变化时，击穿电压指间隙上的最高电压。,对持续电压来说，电压变化比放电发展的速度慢得多，电压达到静态击穿电压后，可认为电压基本不变，所以击穿电压 就等于静态击穿电压。,冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性曲线，它表示对某一冲击电压波形，该气隙的冲击击穿电压与击穿

22、时间的关系。,1、伏秒特性及伏秒特性曲线,它可全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性。,2、伏秒特性曲线的测定,保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，记录击穿电压波形，读取击穿电压值U与击穿时间t。 当电压不很高时击穿一般发生在波尾；当电压较高时，击穿百分比将达100，放电时延大大缩短，击穿一般发生在波前。 当击穿发生在波前时，U与t均取击穿时的值；当击穿发生在波尾时，U取波峰值，t取击穿时间值。,实际的伏秒特性曲线如下图所示，是以上、下包络线为界 的带状区域。,3、伏秒特性与电场的关系,随着时间的延伸，一切气隙的伏秒特性都趋于平坦，但特性曲线变平的时间却与气隙的电场形式有较大关系：,

23、极不均匀电场：平均击穿场 强低，放电时延长，曲线上翘；,均匀、稍不均匀电场：无弱场强区，平均击穿场强高，放电时延短， 曲线平坦。,电场越均匀，“V-S”越平。,4、伏秒特性的应用,电气设备的绝缘配合,要求 曲线尽量相似 力求平坦,因此在避雷器等保护装置中，保护间隙采用均匀电场， 确保在各种电压下保护装置伏秒特性低于被保护设备。,四、50冲击击穿电压,伏秒特性虽能全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性， 但求取繁琐。,在工程实际中常采用50冲击击穿电压（U50%）来表征气隙的基本冲击击穿特性。,定义：,在多次施加某一波形和峰值一定的冲击电压时， 间隙被击穿概率为50时的击穿电压。,实际中，施加10次

24、电压中有4-6次击穿了，这一电压即可 认为是50冲击击穿电压。,特点：,与电场均匀度有关,(2)在极不均匀电场中，由于放电时延较长，其冲击系数,(1)在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散 性小。冲击系数,，击穿电压分散性也较大。,2.1.6 影响气体间隙击穿电压的因素,1、气体状态对击穿电压的影响 气压和温度（影响密度）对击穿电压有重要的影响。 湿度对气体间隙的击穿电压也有一定的影响。湿度增大，气体间隙的击穿电压增高。因为随着湿度的增大，空气中的水分增加，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。加强复合的作用，因而对气体中的放电过程起到抑制的作用，击穿电压增高。,2、电

25、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的波形都不同。冲击电压的雷电冲击和操作冲击其波前时间和半峰值时间也都不同。 在均匀电场中，空气间隙的雷电冲击击穿电压比工频击穿电压高的多。但是对于操作冲击电压，如果其波前时间与对应的空气间隙距离相比较，正好处于临界波前时间的数值附近，则操作冲击电压可能低于工频击穿电压的幅值。在极不均匀场中，棒为正极时，直流击穿电压等于工频击穿电压。棒为负极时，直流击穿电压高于工频击穿电压，工频击穿一般发生在棒极电压处于正半波时。,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

26、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：在均匀中，电极附近不会存在稳定的电晕放电。如果电压升高，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。如果电场不均匀，但还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

27、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种类和电极的光洁度有关。 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，击穿电压较低，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刺，因此需进行老练处理，通过对电极加压老练处理，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，如六氟化硫、二氯二氟二碳和四氟化碳等，在一切条件都相同的条件下，其击穿电压比空气高几倍，称为高强度气体。因为它们

28、的分子尺寸大，而且具有很强的负电性。由于分子尺寸大，电子在运动时自由行程短，运动的电子不易发生碰撞游离，由于有很强的负电性，中性分子容量吸附电子变为负离子，对复合有利，也使气体击穿电压提高。,提高气体击穿电压的措施,1、改善气隙中的电场分布，使其尽可能均匀,1）改进电极形状；,2）利用空间电荷畸变电场；,2、设法削弱和抑制气体介质中的游离过程,为缩小电力设施的尺寸，希望将气隙长度或绝缘距离尽可能取小一些，为此就应采取措施提高气体介质的电气强度。从实用角度出发，要提高气隙的Ub不外乎采用两条途径：,幻灯片 22,幻灯片 23,1）高气压的采用；,2）高真空的采用；,3）高电气强度气体（SF6）的

29、采用,幻灯片 24,幻灯片 25,幻灯片 26,增大电极曲率半径；消除电极表面毛刺 ；消除电极表面尖角,电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。因此， 可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的最大电场 强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电压。如：,极不均匀电场中间隙被击穿前先发生电晕现象，所以在一定条件下，可以利用放电产生的空间电荷来改善电场分布，提高击穿电压。,在极不均匀电场中，放入薄片固体绝缘材料，在一定条件 下可以显著提高间隙的击穿电压。,屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同号的空间电 荷，这样就能使电晕电极与屏障之间的空间电场强度减小，从而使整个气隙的电场分布均匀化。,例：导线

30、与平板间隙中，导线直径很小时，导线周围容易 形成比较均匀的电晕层，由于电晕层比较均匀，电场分布 改善，提高了击穿电压。,例：正尖负板电场中设置屏障后，正 离子将在屏障上集聚，由于同号排斥作 用，正离子沿屏障表面均匀分布，从而 在屏障前方形成较均匀的电场，改善了 电场分布，提高了击穿电压。 屏障离棒极越近，比较均匀电场占整个间 隙的比例越大，棒极与屏障间电场越小， 击穿电压越高，当过分靠近棒极屏障上电 荷分布很不均匀，屏障前方又将出现极不 均匀电场，击穿电压又会降低。,但当棒为负极性时，即使屏障放在 最有利的位置，也只能略微提高气 隙的击穿电压(例如20)，而在大 多数位置上，反而使击穿电压有不

31、 同程度的降低。,采用高气压可以减少电子的平均自由行程，削弱游离过程，提高击穿电压。 均匀电场中，当气体的压力在1MP 以下，击穿电压随气压的增大线性 增大，气压更高时，击穿电压增大 速度变缓。 不均匀电场中增高气压也可以提高 击穿电压，但效果不如均匀电场显著。 高气压下应尽可能改进电极形状， 改善电场分布，电极应仔细加工光洁， 气体要过滤（滤去尘埃和水份）处理。,在高真空中，电子的平均自由行程远大于极间距离，使碰撞游离几乎不可能实现，从而显著提高间隙击穿电压。 在电气设备中气、液、固等几种绝缘材料往往并存，而固体、液体等绝缘材料在高真空下会逐渐释放出气体，因此电气设备中实际使用高真空的还很少

32、。 只有在真空断路器等特殊场合下才采用高真空作为绝缘材料。,高电气强度（强电负性）气体，其电子附着效应大大减弱碰撞游离过程； 分子量、直径大，自由行程小； 碰撞引起分子极化反应，能量损失。 SF6具有较高的耐电强度和很强的灭弧性能（为空气的100倍）而被广泛应用于大容量高压断路器、高压充气电缆、高压电容器、高压充气套管、以及全封闭组合电器中。 SF6电气设备尺寸大大缩小，且不受气候影响，但造价高，而且它是对臭氧层有破坏作用的温室气体。,2.1.7 SF6气体的特性,目前，六氟化硫气体在66kV及以上电压等级的开关设备中应用十分普遍，几乎替代了矿物油。在1035kV的中压设备中也日益推广使用。

33、1.SF6气体的电气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无色、无味、无毒、不燃、不助燃的惰性气体。密度为空气的5倍。在均匀电场中，同为一个大气压时，电气强度为空气2.33倍。 SF6充气设备一般在适当的充气压力下，这样可以获得需要的电气强度。如压力在0.3MPa时绝缘强度与变压器油相当。如果电场不均匀则影响这一效果。因此，SF6电气设备在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，SF6气体棒极为负时，起晕电压低，击穿电压也低，故其绝缘水平按负极性电压决定。,2.SF6气体的液化特性 20时表压为0.1MPa时的SF6气体，-63时液化。如果压力为0.45MP

34、a，则对应的液化稳定为-40.压力愈高，液化温度愈高。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压力。在我国北方户外使用的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。如果在户外，使用压力又较高，则需采取加热措施。 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，容易熄灭，SF6的灭弧性能是同等条件下的空气的100倍。,4.SF6气体分解物的毒性 纯净的SF6气体是无毒的，但是在水分和电弧的作用下，会产生水解，形成有毒或有

35、腐蚀性的物质。因此，必须采取适当的吸附剂消除水分和有害杂质，并做好电气设备的密封处理，加强漏气检查的气体含水量监测。 2.1.8 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电极的整个空间。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。当外施电压升高某一数值时，回路中电流突然明显着增加（mA级），管内出现发光现象。这就是辉光放电。管中充气体不同。发光颜色也不同。 2.

36、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然增大，这就使外电路阻抗上的电压降也突增，从而

37、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，形成续断的火花放电。,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，仅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，发光层扩大，这种现象称为电晕。 电晕放电特点是电场极不均匀，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

38、定程度时，会从电晕电极伸展出许多明亮的细小放电通道，这种现象称为刷状放电，如升高电压，则整个间隙会出现击穿放电，形成电弧或火花放电，具体形成哪种放电，由电源容量和回路阻抗决定。 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。,2.8 沿面放电,常发生在高压外绝缘及高压绝缘子表面,定义：,沿着固体介质表面所进行的气体放电。,放电发展到另外一极 称为闪络。,界面电场分布可分为3种典型情况,一、均匀和稍不均匀电场中的沿面放电,由于电场畸变使沿面闪络电压 比空气间隙击穿电压低得多。,因此，均匀电场

39、中闪络电压 与固体介质吸附水分的能力有关； 与固体介质与电极结合的紧密程度有关； 与固体介质表面电阻和表面光滑状况有关； 与气体的状态（压力、干燥）有关； 与电压的种类有关；,UsUb,原因在于： 介质与电极间存在气隙局放电荷畸变电场Us； 介质表面吸潮形成水膜畸变电场Us； 介质表面电阻以及粗糙电场分布不均匀Us。,二、极不均匀场中具有强垂直分量时的沿面放电,电场特点：电力线与固体 介质表面几乎垂直。,放电特点：出现滑闪放电,法兰附近沿介质表面电流密度最大，电位梯度也最大，因此最先出现初始的沿面放电； 在电场强垂直分量的作用下，带电质点撞击介质表面，引起局部温升，导致热游离，从而带电质点剧增

40、，电阻剧降，通道迅速增长； 热游离是滑闪放电的重要特征和条件。,滑闪放电的解释,放电过程,（法兰边缘）电晕放电（放电伸展）刷状放电（放电继续发展）滑闪放电 滑闪放电是强垂直分量场特定的放电形式,影响因素：,表面电容C0对Us的影响,C0越大Us分布越不均匀Us,r表越大Us分布越不均匀Us,提高Us的措施：,1、C0：,增大绝缘厚度，采用小介电常数介质,2、r表：,靠近法兰处漆半导体釉,2、介质材料吸湿性,吸湿性大r表分布不均匀Us,大气相对湿度70% 湿度Us,电场垂直分量小沿面电容电流小无热电离和滑闪沿面放电电压降低不多 提高放电电压的途径主要是用均压屏蔽环等改变电极形状，缓和局部高强场，

41、均匀电场分布,三、极不均匀场中具有弱垂直分量时 的沿面放电,四、干闪、雨闪,1、干闪定义,2、湿闪定义,绝缘子表面在干燥、洁净状态下的闪络,表面洁净的绝缘子在淋雨时的闪络,3、湿闪过程（以垂直悬挂的盘形绝缘子为例）：,表面淋雨，形成水膜铁帽、铁脚间表面电阻下降，泄漏电流增 大，电流大处发热多、干燥快形成高阻烘干带分担电压高， 产生火花放电，电流都经过放电通道流过一方面导致通道前方 湿表面处电流增大，促使烘干带扩大，另一方面使通道两侧烘干 带流过的泄漏电流降低，烘干作用减弱，表面重新形成水膜 电导增大反过来对放电通道产生分流，可能使放电熄灭再次 循环此过程。,在绝缘子两侧达到临界闪络电压时，局部

42、电弧通道将不断向前发展，最后贯穿两极，形成沿面闪络。 绝缘子在淋雨下的闪络与表面形成的导电水膜及表面局部烘干的现象有关。表面泄漏电流大小对闪络电压有直接的影响，故雨的特性、绝缘子的形状都是影响湿闪电压的重要因素。 雷电冲击电压下，电压作用时间短，烘干过程来不及进行，故雷电冲击电压作用下，湿闪电压比干闪电压降低相对较小。,五、污闪,1、定义：,重污染地区：化工厂、水泥厂、冶炼厂等高盐密区,恶劣大气条件：雾、露、雷、毛毛雨,表面脏污的绝缘子在受潮情况下的闪络,2、污闪过程：,绝缘子在污秽受潮时，闪络过程与淋雨时类似。不同的是污秽受潮表面烘干部分重新湿润的速度较慢，放电两次时间间隔长，而淋雨时重燃的

43、时间间隔很短，甚至是连续的。,4、影响因素：,表面泄漏电流的大小（主导因素）,3、污闪条件：,（1）产生局部电弧,（2）污闪电流能维持局部电弧燃烧,（1）污秽电导：与污秽物种类及程度有关，化工、水泥污秽含有大量可溶性盐类和酸碱类物质，可溶于水，电导增大，闪络电压降低。污秽电导一般随污秽程度增大而增大，故闪络电压也如此。 （2）大气湿度：水分对污秽的溶解能力，干燥污秽即使含有大量电解质，污秽层电导很小，闪络电压不会降低，故湿度较小时，湿度对闪络电压影响小。湿度超过50%70%时，闪络电压才随湿度增加而迅速降低。在毛毛雨时电解质可以充分溶解，但大雨时污秽可能被水冲掉。故大雨时闪络电压相对较高。 （

44、3）绝缘子形状：绝缘子两极最短距离即爬电距离也是影响闪络电压的重要因素。爬电距离增大时，局部电弧必须发展得更长，要求有较高的电压。 （4）绝缘子直径：在同样受潮、污染和爬电距离下，直径大的表面电阻小，因而污闪电压低。,六、提高沿面闪络电压的措施,两个方面：,一是改善绝缘表面电位分布；,二是改进绝缘子的形状、材料，减小表面泄漏距离。,干闪和湿闪通常在过电压情况下发生，而污闪在工作电压下就有可能发生，所以近年来由于污闪引起的事故较多。合理确定绝缘子的爬距，并采取一定的措施如定期清扫、采用合成绝缘子或耐污绝缘子等，可以防止污闪事故发生。,具体措施：,1、屏障的应用：,2、屏蔽的应用：,改善电极形状，

45、使固体 介质表面电位分布均匀化,固介表面设置突出伞裙，可使绝缘子在雨天时保持一部分干燥表面，并可增大两极间沿固体表面的泄漏距离。,绝缘子串电压分布电容大小和绝缘子数目有关。 绝缘子本身电容越大，其他电容影响小，分布越均匀； 绝缘子片数越多，绝缘子串的电压分布也就越不均匀。,在导线侧加装屏蔽环，相当于增大了CL。补偿CE分流作用，通常CE分流作用强，才造成导线附件绝缘子承担电压高，如果CL增大，则补偿作用增强，使电压不均匀程度降低。在导线侧加屏蔽环更主要的目的是消除电晕。,3、强制固定绝缘表面电位； 绝缘筒上围以若干环形电极，分别接在分压器上或电源的某些抽头，强制均匀电位。,4、应用半导体涂料；

46、 在类似套管的绝缘结构中，靠近法兰介质表面 电位梯度大，容易产生电晕并发展成沿面放电。 若涂半导体漆可以降低该处表面压降，改善沿面 电压分布。,5、应用合成绝缘子；,硅橡胶特点：,憎水性强，表面电流泄漏小，湿闪、 干闪电压高； 耐气候变化、耐臭氧、紫外线、电弧； 重量轻、机械强度高、不破碎、安装方便； 价贵，寿命短，5-15年寿命。,6、加强绝缘。 增加绝缘子片数和伞数。,2.9大气条件对Ub的影响,由于大气的压力、温度、湿度等条件都会影响空气的密度、电子自由行程长度、碰撞游离及附着过程，所以也必然会影响气隙的击穿电压。,海拔高度的影响亦与此类似，因为随着海拔高度的增加，空气的压力和密度均下降

47、。,不同大气条件下测得的击穿电压须换算到统一参考条件下才能进行比较；,我国规定的标准大气条件为：,实际试验条件下的击穿电压和标准大气条件下的击穿电压可通过相应的校正系数换算：,K1：空气密度校正系数 K2：湿度校正系数,对空气密度的校正,U=KtU0K1K2U0,相对密度的确定,m的确定：m与g有关,对湿度的校正,对海拔高度的校正,w的确定：w与g有关,对于海拔在10004000m的外绝缘，在海拔高度在1000m以下地区试验时，试验电压应按规定的标准大气条件下的试验电压乘以海拔校正系数。,3.2 液体介质的击穿,一、液体介质的击穿机理,主要包括天然矿物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。 工程中使

48、用的油含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质， 它们对液体介质的击穿有很大的影响。 1、矿物绝缘油 （1）矿物油的炼制。矿物油是由石油炼制而成。炼制时，先 将原油经过预处理，进行脱水、脱盐。然后通过常压分馏、减压分馏，按不同的沸点范围截取不同馏分。再经过精制，除去其中的有害成分，例如树脂、沥青、氮化物和硫化物。通过精制后，不仅提高油品的纯度，而且提高了油品的氧化安定性和电气性能。最后，为了制成适用于电气设备的绝缘油，还必须将精制所得各种品牌的基础油按不同比例进行调合，并根据要求加入抗氧化剂等添加剂，经充分混合，检验合格后可以得到变压器油、电容器油、电缆油等不同用途的绝缘油。,（2）变压器油的牌号

49、。根据变压器油低温凝固点的不同，分为10、25和45三个牌号。分别适用于我国不同的气候地带。DB-10号变压器油的凝点不高于-10，闪点不低于140，适用于气温不低于-10的地区作为变压器用油，或者气温不低于-5的地区作为户外断路器、油浸电容式套管和互感器用油。DB-25号变压器油的凝点不高于-25，闪点不低于140，适用于气温低于-10的地区作为变压器用油，或者气温不低于-20的地区作为户外断路器、油浸电容式套管和互感器用油。DB-45号变压器油的凝点不高于-45，闪点不低于135，适用于气温低于-10的地区作为变压器用油，或者气温低于-20的地区作为户外断路器、油浸电容式套管和互感器用油。

50、,闪点： 将试油在规定的条件下加热，直到蒸汽与空气的混合气体接触火焰发生闪火时的最低温度，即为该油的闪点。变压器油的闪点是采用闭口杯法测定的。测定变压器油的闪点是有实际意义的，对于新充入设备及检修处理后的油，测定闪点可以防止或发现是否混入轻质油品。闪点对油运行监督也是不可缺少的项目， 闪点低表示油中的挥发性可燃物产生，这些低分子碳氢化合物往往是由于电器设备局部故障造成过热，使绝缘油高温分解产生的。因此，可通过测定闪点及时发现电器设备严重过热故障，防止由于油品闪点降低，导致设备发生火灾或爆炸事故。 近年来由于对运行设备中的油定期进行气相色谱分析，因此，可不再做闪点测定。但对新油、没有气相色谱分析

51、资料的设备或不了解底细的油罐运输的油，还必需进行油的闪点测定。,（2）植物油 有些纯净的植物油具有良好的电气绝缘性能。例如蓖麻油由于其绝缘性能好，介电常数较高，因此也可以用作电力电容器的浸渍剂，此外，如广泛使用的绝缘漆，也是由植物液体加工而成，在变压器等电气设备中普遍使用。 （3）人工合成绝缘油 人工合成绝缘油多用于高压电容器作为浸渍剂，例如苄基甲苯、二芳基乙烷、十二烷基苯、异丙基联苯和本甲基硅油等，种类很多，过去还曾打量使用过一种称为三氯化联苯的电容器油，后来发现有严重致命毒性，因此早就禁止生产使用。,1、纯净液体介质的击穿理论,（1）电子碰撞游离理论（电击穿理论）,在外电场足够强时，电子在

52、碰撞液体分子时可引起游离，使电子数倍增，形成电子崩。同时正离子在阴极附近形成空间电荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，导致液体介质击穿。,（2）气泡击穿理论（小桥理论）,液体中出现气泡，在交流电压下，串联介质中场强分布与介质r成反比。气泡的r小，其电气强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生游离。气泡游离后温度上升、体积膨胀、密度减小，促使游离进一步发展。游离产生的带电粒子撞击油分子，使它分解出气体，导致气体通道扩大。许多游离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。,2、工程用变压器油的击穿过程及其特点,可用气泡击穿理论解释其过程，依赖于气泡的形成、发热膨 胀、气

53、泡通道扩大并形成小桥，有热过程，属于热击穿范畴。,由于水和纤维的r很大，易沿电场方向极化定向，并排列成杂质小桥。,如果杂质小桥接通电 极，因小桥的电导大而导 致泄漏电流增大，发热会 促使汽化，气泡扩大，发 展下去会出现气体小桥， 使油隙发生击穿。,(2) 杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质与油串联，由于纤维的r大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强度显著增高并引起游离，于是油分解出气体，气泡扩大，游离增强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。,有两种情况：,油中受潮水分(r=81) 纸布脱落纤维(r=6-7),沿电场极化定向排列,杂质 小桥,二、影响液体介质击穿电压因素,1、 水分

54、和其他杂质,杂质含量越多、电场越均匀、外加 电压时间越长，杂质影响越大。,（1）水分以三种状态存在于油中：,溶解态、悬浮态和沉渣态,溶解态和沉渣态的水对工频 击穿电压无影响；,悬浮态的水易在电场下形成 “小桥”，对击穿电压影响很大；,变压器油中含水量超过溶解度 50ppm时，含水量Ub迅速,2、油温,0-60度： 温度水珠溶解度Ub,80度以上： 温度汽化Ub,-5度-0度：冰水、全部悬浮，Ub最低,-5度以下：粘度小桥不易形成Ub,（2）纤维越多，杂质小桥越易形 成，击穿电压越低,（3）气体含量超过油中溶解度时， 将以自由态出现Ub迅速,有纤维存在时，水分影响特别明显,3、电场均匀度,电场较

55、均匀时，电场越均匀杂质小桥越易形成，油的品质对工频Ub影响越大； 电场极不均匀时，电极附件电场很强，造成强烈电离，电场力对带电质点的强烈作用使该处的油剧烈扰动，杂质和水分很难形成“小桥”。,冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是 能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油品质好坏几乎无关,4、电压作用时间,对工程油，其击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，因杂质聚集、排列需一定的时间； 加电压时间还会影响油的击穿性质。,5、油压,不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总 是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的游离电压增 高和气体在油中的溶解度增大的缘故。,油中含气体时：压力

56、Ub油(气体在油中溶解量) 油经脱气处理：压力对Ub油影响较小,三、提高液体击穿电压的措施,电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能显示出来，仍为电击穿，击穿电压很高。这时影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度； 电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。,当覆盖的厚度增大到能分担一定的电压，即成为绝缘层，一般为数毫米到数十毫米，它能降低最大电场强度，提高油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。,（2）绝缘层,2、采用固体介质降低杂质的影响,机理：阻止杂质小桥的形成和发展,（1）覆盖,紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层。能显著提高 油

57、隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚度一般只有 零点几毫米。,1、减少液体中的杂质,过滤、祛气、防潮,放置层压纸板或压布板做屏障。在极不均匀电场中采用屏障可使油隙的工频击穿电压提高到无屏障时的2倍或更高,（3）屏障,3.3 固体介质的击穿,在电气设备中常常用到固体绝缘材料，如电瓷、环氧树脂、橡胶、塑料、云母等。固体电介质的击穿电压比气体、液体电介质高。固体电介质的击穿有电击穿、热击穿、电化学击穿等形式。固体电介质一旦击穿，构成永久性破坏，绝缘性能不可能恢复。 固体电介质的种类 固体电介质可以分为天然材料和人造材料、有机物和无机物等。 根据固体电介质的物质结构，按其在电场作用下的极化形式又可分

58、为非极性或弱极性介质、极性介质和离子性介质。 木材、云母、石棉和橡胶等属于天然材料。电瓷、玻璃、电木、各类塑料等属于人造材料。其中木材，橡胶等属于有机物；电瓷、玻璃等属于无机物,电介质的极化,偶极子：由大小相等、符号相反、相距为d的正、负所组成的系统。 偶极距：用偶极子极性的大小和方向表示。大小为正或负电荷的电量q与其距离d 的乘积，方向由负电荷指向正电荷。 分子键：电介质内分子之间的结合力。 化学键：分子内相邻原子的结合力，又分为离子键和共价键。 离子键：原子间电负性相差很大，电负性大的原子（非金属元素）得到电子，电 负性小的原子（金属元素）失去电子，正、负离子通过静电引力结合成分子，这 种

59、化学键称为离子键。 共价键：电负性相差不大，两个或多个原子相互作用，原子间通过共用电子对结 合成分子，这种化学键称为共价键。离子键是一种强极性键。共价键中，电负性 相同的原子组成非极性共价键，构成的分子为非极性分子，电负性不同组成极性 共价键，如由一个极性共价键构成的分子为极性分子。如由多个极性共价键组成 结构对称的为非极性分子，结构不对称的为极性分子。,一、电介质的极性及分类,分子由离子键构成的电介质为离子结构的电介质。分子由共价键构成，且分子为非极性分子的电介质为非极性电介质，分子为极性分子的电介质为极性电介质。,二、电介质极化的概念和种类,（二）极化种类：（1）电子式极化 （2）离子式极化 （3）偶极子极化 （4）空间电荷极化,（一）极化定义：电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。,特点： （1）极化过程时间很短，约10-1410-15s 即使外加电场的频率很高，电子式极化也 来的及完成。即与频率无关。 （2）电场中所有的电介质都存在电子式 极化。他是弹性的，去掉电场后，由于引 力正、负电荷自动回到原来状态，没有能 量损耗。 （3）温度对极化过程影响很小。,1.电子式极化,2.离子式极化,特点： （1）极化过程时间很短，约10-1210-13s 在一般使用