長沙理工大學(xué)《高電壓技術(shù)》講稿

高電壓技術(shù)講稿長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院

教師:第一章氣體電介質(zhì)的絕緣特性(4學(xué)時)1氣體中帶電粒子的產(chǎn)生和消失氣體電介質(zhì)中帶電粒子的產(chǎn)生氣體中的原子通常處于正常狀態(tài),原子在外界因素(強(qiáng)電場,高溫等)的作用下,吸收外界能量使其內(nèi)部能量增加,其電子可由低能級躍遷到能級較高的軌道運(yùn)行,這個過程稱為原子激勵。此時原子的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。此時的電子還未擺脫原子核的束縛。激勵過程所需能量稱為激勵能。氣體原子的電離可由下列因素引起:①電子或正離子與氣體分子的碰撞;②各種光輻射;③高溫下氣體中的熱能。強(qiáng)電場根據(jù)不同的電離因素，電離有以下幾種形式:碰撞電離當(dāng)具有足夠能量的帶電粒子與中性氣體分子碰撞時,就可能使氣體分子產(chǎn)生電離。這種由碰撞而引起的電離稱為碰撞電離。電子從電場中獲得的能量為:W=~mv2=EqA (1—1)式中:m 電子的質(zhì)量;p 電子的速度;E 電場強(qiáng)度;Q 電子的電量;2——電子的平均自由行程。當(dāng)電子的動能大于或等于氣體分子的電離能時，就有可能因碰撞引起電離，因此產(chǎn)生電離的條件為;Eqえン% (1—2)式中;W,ーー氣體分子的電離能。(1)光電離由光輻射引起的氣體原子的電離稱為光電離。光輻射的能量與波長有關(guān)，波長越短能量越大。光輻射的能量為:W=hv (1-3)式中:h--普朗克常數(shù)，77=6.62X10"爾格?秒。v—光子頻率。當(dāng)氣體分子受到光輻射作用時，如果光的能量大于氣體原子的電離能，就有可能引起光電離。因此產(chǎn)生光電離的條件為;hv>Wf (1—4)由光電離產(chǎn)生的自由電子稱為光電子。光電離在氣體中起著很重要的作用。對所有氣體,在可見光作用下，一般不能直接發(fā)生光電離。(2)熱電離因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程，稱為熱電離。在常溫下，氣體質(zhì)點的熱運(yùn)動所具有的平均動能遠(yuǎn)低于氣體的電離能，因此不產(chǎn)生熱電離。但是在高溫下氣體質(zhì)點具有的動能足以導(dǎo)致氣體原子的碰撞,產(chǎn)生碰撞電離。此外高溫氣體的熱輻射也能導(dǎo)致光電離,因此熱電離是碰撞電離的與光電離的綜合。氣體分子的平均動能和氣體溫度有如下關(guān)系:W=-KT (1-5)2式中:K--波爾茨曼常數(shù)，4=1.38X10’〇爾格/。/T-ー絕對溫度，‘ん隨著溫度升高,氣體分子動能增加，當(dāng)氣體分子的動能大于氣體分子電離能時，就可能引起熱電離。因此產(chǎn)生熱電離的條件為：-KT>Wi (1-6)(3)表面電離在外界電離因素的作用下，電子可能從電極的表面釋放，稱為表面電離或表面發(fā)射。電極發(fā)射電子所需要的能量叫逸出功。逸出功的大小與電極的材料和氣體表面的狀態(tài)有關(guān),一般在l、5e，之間，它小于氣體在空間的電離能。這說明從陰極發(fā)射電子比在空間使氣體分子電離更容易。表面電離與其它電離形式的區(qū)別在于，發(fā)生其它形式的電離時，電子和正離子同時出現(xiàn),而表面電離只產(chǎn)生電子，沒有正離子出現(xiàn)。表面電離有多種方式,即用各種不同的方式供給電子能量使其逸出金屬。表面電離的主要形式有：①正離子碰撞陰極：正離子在電場中向陰極運(yùn)動,碰撞陰極時將動能傳遞給電子使其逸出金屬;②光電效應(yīng)：金屬表面受到光的照射時,放射出電子;③強(qiáng)場發(fā)射:在陰極附近加以很強(qiáng)的外電場使陰極放射出電子，由于強(qiáng)場發(fā)射所需外電場極強(qiáng)，在10な勿wZ數(shù)量級，所以在一般氣體間隙的擊穿過程中不會發(fā)生:④熱電子放射:將陰極加熱到很高溫度,使其中的電子獲得巨大動能,逸出金屬。2均勻電場中氣體的擊穿20世紀(jì)初，湯遜(Townsend)在均勻電場、低氣壓、短間隙的條件下進(jìn)行了放電實驗,提出了比較系統(tǒng)的理論和計算公式，解釋了整個間隙的放電過程和擊穿條件。1非自持放電和自持放電氣體放電可分為非自持放電和自持放電兩種。必須借助外加電離因素才能維持的放電則稱之為非自持放電。不需其它任何外加電離因素而僅由電場的作用就能維持的放電稱為自持放電。圖1-1所示的是湯遜的實驗裝置。在空氣中放置兩塊平行板電極,用外部光源對陰極極板進(jìn)行照射，并在兩極間加上直流電壓,則在兩極之間形成均勻電場。當(dāng)極間電壓從零起逐漸升高時,得到電流和電壓的關(guān)系如圖1-2所示。光照射圖1一1圖1一1平行板電極試驗裝置圖1-2放電電流和電壓的關(guān)系1.2.2湯遜放電理論在外界電離因素的作用下,陰極產(chǎn)生光電子發(fā)射,使間隙中產(chǎn)生自由電子,這些電子就是放電的起始電子。這些起始電子在電場的作用下，由陰極奔向陽極，在這個過程中，電子不斷被加速,動能不斷積累,同時與中性粒子發(fā)生碰撞,當(dāng)のル后，電場很強(qiáng)，電子的動能達(dá)到足夠大,有可能產(chǎn)生碰撞電離。間隙中的電子數(shù)目由1變?yōu)?,2變?yōu)?,……,電子的數(shù)目迅速增加。這種電子數(shù)目迅速增加的過程,猶如高山的雪崩過程,因此被形象的稱為電子崩,見圖1一3。電子崩過程的出現(xiàn)使間隙中的電流急劇增大。圖1—2中6點后電流隨電壓迅速增長就是電子碰撞電離引起電子崩的緣故。電子崩中因碰撞電離產(chǎn)生電子的同時，也產(chǎn)生正離子。電子向陽極運(yùn)動，正離子向陰極運(yùn)動。正離子向陰極運(yùn)動的過程中，一方面可能與中性粒子發(fā)生碰撞產(chǎn)生碰撞電離，另一方面正離子可能撞擊陰極表面使其產(chǎn)生表面電離,逸出電子。從陰極表面逸出的電子作為新的起始電子又重復(fù)上述的電子崩過程。這樣一直發(fā)展下去，使間隙中維持放電狀態(tài)。圖1-3圖1-3電子崩的電荷分布示意圖圖1一4氣體間隙的為了定量分析氣隙中氣體放電過程，引入三個系數(shù):。系數(shù):它代表ー個電子沿著電場方向行經(jīng)長度后平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。設(shè)每次碰撞電離產(chǎn)生一個電子和一個正離子,所以。也就是一個電子在單位長度行程內(nèi)新電

離出的電子數(shù)和正離子數(shù)。P系數(shù):ー個正離子沿著電場方向行經(jīng)le0長度后平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù);Y系數(shù):表示折合到每個碰撞陰極表面的正離子,使陰極金屬表面平均釋放出的自由電子數(shù)。如圖1—4所示,假設(shè)氣體間隙的距離為d,由于某種外界電離因素,從陰極發(fā)出ー個電子。這個電子在向陽極運(yùn)動過程中不斷引起碰撞電離,電子數(shù)目越來越多,經(jīng)過距離ス后數(shù)目達(dá)到"，再經(jīng)過距離ハ，增加的電子數(shù)目為而，則有drFnadx或TOC\o"1-5"\h\zdn, ，ハ—=cxdx (1—7)從。到d積分得到達(dá)到陽極時的電子數(shù)為fadxn=eJa (1-8)若。為ー常數(shù)，則有n=e°d (1—9)這就是電子崩的發(fā)展規(guī)律。如果ax=10,則アe"-2.2X10',遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。所以,自持放電的條件為:y(e1'"-1)或獨(dú)㈤21 (1-10)設(shè)電子在均勻電場E中前進(jìn)距離x后，與中性粒子發(fā)生碰撞,產(chǎn)生碰撞電離，若忽略其初始動能,則須滿足Eqx^Wt或Ex>Ui (1-11)其中g(shù)為電子所帶電荷，肌、〃分別為氣體分子的電離能和電離電位。式(1-11)的物理意義是，使電子在與氣體分子碰撞時產(chǎn)生電離的必要條件為電子在運(yùn)動中所積聚的動能至少應(yīng)等于氣體分子的電離能。電子在場強(qiáng)為E的電場中運(yùn)動時只有那些自由行程超過X,=卷距離的電子,才能與分子發(fā)生碰撞電離。如果電子在與氣體分子發(fā)生兩次碰撞之間的平均自由行程為人,則由氣體運(yùn)動理論可知，相鄰兩次碰撞之間電子運(yùn)動距離大于あ的概率為ノス，電子沿電場方向運(yùn)動1cm距離與氣體分子發(fā)生碰撞的平均次數(shù)1 1-A為ー,其中只有一eス次是電子的自由行程超過M的碰撞。根據(jù)電離系數(shù)a的定義有如下A 2關(guān)系式:wt wt (1—12)其中スー常數(shù),產(chǎn)ー氣壓,ス是電子的平均自由行程。wi WAP由(1—10)式,有ad=ln(l+—) (1—14)r另外,E=%a根據(jù)上面公式,可以得到自持放電條件下空氣間隙擊穿電壓ル的表達(dá)式為一BPd ,ヽ"。丁M (1-15)Inrln(l+-)Y式中，ィ、と是兩個與氣體種類有關(guān)的常數(shù)。式(1-15)表明了擊穿電壓與氣體狀態(tài)等因素的關(guān)系。式中,る為在氣溫不變的條件下，均勻電場中氣體的自持放電的起始電壓，它等于氣隙的擊穿電壓る。從式中可以看出,ル取決于尸與d的乘積。1.2.3巴申(Paschen)定律式(1—15)表明的規(guī)律在湯遜(Townsend)之前(1889年)已由巴申(Paschen)從實驗中總結(jié)出來了,稱為巴申定律。其內(nèi)容是:當(dāng)氣體成分和電極材料一定時,氣體間隙擊穿電壓(Uo)是氣壓(0和間隙距離(の乘積的函數(shù):U<pf(pd) (1-16)巴申定律給湯遜理論以實驗支持,而湯遜理論給巴申定律以理論上的解釋,兩者相互映證。巴申曲線如圖1-5。

圖1一6為幾種氣體的擊穿電壓る與陽值關(guān)系的實驗曲線。由曲線可見,隨陽的變化,擊穿電壓僅有最小值。這ー現(xiàn)象可用湯遜理論加以解釋:因為形成自持放電需要達(dá)到一定的電離數(shù)ad,而這又決定于碰撞次數(shù)與電離概率的乘積,如果"固定,則當(dāng)戶增大時，氣體相對密度增大，電子很容易與氣體的粒子相碰撞，碰撞次數(shù)增加，電子的平均自由行程縮短，不易積累動能，引起電離的可能性減小，擊穿電壓升高;當(dāng)戶減小時，氣體相對密度減小,雖然電子的平均自由行程增大,電子在兩次碰撞間可積累很大的動能，但碰撞的幾率減小，引起電離的次數(shù)減少，擊穿電壓升高。因此，在某個フ值下ad有最大值，從而ル最小。另ー方面，如果。固定,則當(dāng)d增大時,碰撞次數(shù)將增加,但由于E^U/d,電場強(qiáng)度降低,電子的動能減小,擊穿電壓升高;當(dāng)d減小時，電子從陰極到陽極的運(yùn)動距離縮短，發(fā)生碰撞的次數(shù)減少，電離概率減小，擊穿電壓升高。因此在某個イ0.102 051235 10203050100 300 10000.102 051235 10203050100 300 1000pt｛ハ333R?cm圖1一6幾種氣體的擊穿電壓ル與陽值關(guān)系的試驗曲線值下ad有最大值,從而“最小。以上分析是在假定氣體溫度不變的情況下得到的。為了考慮溫度變化的影響，巴申定律更普遍的形式是以氣體的密度(6)代替壓カ,對空氣來說可表示為:gf(P6) (1-17)其中6為空氣的相對密度。(1-18)§_PT0P273+%__2.89尸

6r穌273+7-273+7(1-18)的101.3Kル,か20りP(guān)-氣壓(kPa),t-溫度(V)巴申曲線右半部分所示ル(與瓦)與6d的關(guān)系，可用下面的經(jīng)驗公式表示Uo=24.58+6.4丿㈤

Eo=24.5あ+6.4(1-19)擊穿電壓ん的單位為〃/(峰值),極間距離d的單位為cm。(1-19)1.2.4湯遜放電理論的適用范圍湯遜理論的核心是:(1)電離的主要因素是電子的空間碰撞電離和正離子碰撞陰極產(chǎn)生表面電離;(2)自持放電是氣體間隙擊穿的必要條件。湯遜理論是在低氣壓、Pd值較小的條件下進(jìn)行的放電實驗的基礎(chǔ)上建立起來的,這ー放電理論能較好地解釋低氣壓短間隙中的放電現(xiàn)象。因此，湯遜理論的適用范圍是低氣壓短間隙(Pd<26.66kPa?cm)。在高氣壓、長氣隙中的放電現(xiàn)象無法用湯遜理論加以解釋，兩者間的主要差異表現(xiàn)在以下幾方面:(1)放電外形根據(jù)湯遜理論，氣體放電應(yīng)在整個間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展。低氣壓下氣體放電發(fā)光區(qū)確實占據(jù)了整個間隙空間，如輝光放電。但在大氣壓下氣體擊穿時出現(xiàn)的卻是帶有分支的明亮細(xì)通道。(2)放電時間根據(jù)湯遜理論，間隙完成擊穿，需要好幾次循環(huán):形成電子崩，正離子到達(dá)陰極產(chǎn)生二次電子，又形成更多的電子崩。完成擊穿需要一定的時間。但實測到的在大氣壓下氣體的放電時間要短得多。(3)擊穿電壓當(dāng)R/值較小時，根據(jù)湯遜自持放電條件計算的擊穿電壓與實測值比較一致;但當(dāng)用值很大時，擊穿電壓計算值與實測值有很大出入。(4)陰極材料的影響根據(jù)湯遜理論,陰極材料的性質(zhì)在擊穿過程中應(yīng)起一定作用。實驗表明，低氣壓下陰極材料對擊穿電壓有一定影響，但大氣壓下空氣中實測到的擊穿電壓卻與陰極材料無關(guān)。由此可見湯遜理論只適用于一定的由范圍，當(dāng)g26.66ん%?働后,擊穿過程發(fā)生改變,不能用湯遜理論來解釋。1.2.5流注理論在湯遜以后，由洛依布(Loeb)和米克(Meek)等在實驗的基礎(chǔ)上建立了一種新理論ー一流注理論(streamertheory),彌補(bǔ)了湯遜理論的不足,較好地解釋了高氣壓長間隙的氣體放電現(xiàn)象。圖1-7流注的形成和發(fā)展流注理論認(rèn)為，在外電離因素(如光源)的作用下,在陰極附近產(chǎn)生起始有效電子。當(dāng)

外加電場足夠強(qiáng)時,這些有效電子在電場作用下,在向陽極運(yùn)動的途中不斷與中性原子發(fā)生碰撞電離,而形成初始電子崩。由于電子的運(yùn)動速度遠(yuǎn)大于正離子的速度，因此電子集中在朝著陽極的崩頭部,當(dāng)初始電子崩發(fā)展到陽極時,崩頭中電子迅速跑到陽極進(jìn)行中和，暫留的正離子（在電子崩頭部其密度最大）作為正空間電荷與陰極間形成的電場與原有電場方向一致，加強(qiáng)了原電場,同時向周圍放射出大量光子（如圖1-7（a））。這些光子使附近的氣體因光電離而產(chǎn)生二次電子,它們在由正空間電荷所引起的畸變和加強(qiáng)了的局部電場作用下，又形成新的電子崩,即二次電子崩（如圖1—7（b））。二次電子崩頭部的電子跑向初始電子崩的正空間電荷區(qū)域，與之匯合成為充滿正負(fù)帶電粒子的混合通道，這個電離通道稱為流注。流注通道導(dǎo)電性能良好,其端部（這里流注的發(fā)展方向是從陽極到陰極,與初崩的方向相反）又有二次崩留下的正電荷,因此大大加強(qiáng)了流注發(fā)展方向的電場，促使更多的新電子崩相繼產(chǎn)生并與之匯合，從而使流注向前發(fā)展（如圖1-7（c））。到流注通道把兩極接通時（如圖1—7（d）），就將導(dǎo)致氣隙完全被擊穿。綜上所述，流注理論認(rèn)為:形成流注的必要條件是電子崩發(fā)展到足夠的程度后,電子崩中的空間電荷足以使原電場（外施電壓在氣隙中產(chǎn)生的電場）明顯畸變,大大加強(qiáng)了電子崩崩頭和崩尾處的電場。另ー方面,電子崩中電荷密度很大,復(fù)合過程頻繁，放射出的光子在這部分強(qiáng)電場區(qū)很容易成為引發(fā)新的空間光電離的輻射源。因此,流注理論認(rèn)為:二次電子的主要來源是空間的光電離。氣隙中一旦出現(xiàn)流注，放電就可以由放電本身所產(chǎn)生的空間光電離而自行維持,因此自持放電條件就是流注形成的條件。而形成流注的條件是需要初始電子崩頭部的電荷達(dá)到ー定的數(shù)量，使電場得到足夠的畸變和加強(qiáng)，造成足夠的空間光電離,轉(zhuǎn)入流注。所以流注形成的條件為:ふ常數(shù) （1-20）一般認(rèn)為當(dāng)。g20（或/'^108）便可滿足上述條件,使流注得以形成。利用流注理論可以很好地解釋髙氣壓、長間隙情況下出現(xiàn)的一系列放電現(xiàn)象。（1）放電外形流注通道電流密度很大，電導(dǎo)很大,故其中電場強(qiáng)度很小。因此流注出現(xiàn)后，將減弱其周圍空間內(nèi)的電場，加強(qiáng)了流注前方的電場,并且這ー作用伴隨著其向前發(fā)展而更為增強(qiáng)。因而電子崩形成流注后，當(dāng)某個流注由于偶然原因發(fā)展更快時,它就將抑制其它流注的形成和發(fā)展，這種作用隨著流注向前推進(jìn)將越來越強(qiáng),開始時流注很短可能有三個，隨后減為兩個，最后只剩下ー個流注貫通整個間隙了，所以放電是具有通道形式的。（2）放電時間根據(jù)流注理論,二次電子崩的起始電子由光電離形成，而光子的速度遠(yuǎn)比電子的大，二次電子崩又是在加強(qiáng)了的電場中，所以流注發(fā)展更迅速，擊穿時間比由湯遜理論推算的小得多。（3）陰極材料的影響根據(jù)流注理論,大氣條件下氣體放電的發(fā)展不是依靠正離子使陰極表面電離形成的二次電子維持的,而是靠空間光電離產(chǎn)生電子維持的，故陰極材料對氣體擊穿電壓沒有影響。在陽值較小的情況下,起始電子不可能在穿越極間距離后完成足夠多的碰撞電離次數(shù)，因而難以聚積到210口所要求的電子數(shù)，這樣就不可能出現(xiàn)流注，放電的自持只能依靠陰極上的ド過程。因此湯遜理論和流注理論適用于一定條件下的放電過程，不能用一種理論來取代另ー種理論，它們互相補(bǔ)充,可以說明廣闊的田范圍內(nèi)的放電現(xiàn)象。a=a-r)必須指出，上述自持放電條件公式適用于非電負(fù)性氣體。而對強(qiáng)電負(fù)性氣體,還應(yīng)引入n系數(shù)描述電子的附著效應(yīng)n過程。n的定義與。相似，即a=a-r)(1-21)對于這種情況,湯遜理論自持條件式(1-10)中的a不能簡單地用aーク來代替。這是因為在電負(fù)性氣體中,正離子數(shù)等于新增的電子數(shù)與負(fù)離子數(shù)之和。一般強(qiáng)電負(fù)性氣體的工程應(yīng)用屬于流注放電的范疇，因此這里直接探討其流注自持放電條件。參照式(1-20),均勻電場中電負(fù)性氣體的流注自持放電條件有類似的表達(dá)式(a-rj)d=K (1-22)式中，人為電子崩中電子的臨界值取對數(shù)。實驗研究表明,對于防(六氟化硫)強(qiáng)電負(fù)性氣體,於10.5。由于強(qiáng)電負(fù)性氣體的附著效應(yīng)，使得a<a,從而導(dǎo)致自持放電場強(qiáng)遠(yuǎn)比非電負(fù)性氣體高得多。以跖氣體為例，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,均勻電場中擊穿場強(qiáng)(89な勿c加約為同樣狀態(tài)的空氣間隙擊穿場強(qiáng)(30kv/cm｝的3倍。1.3不均勻電場中氣體的擊穿在均勻電場中，氣體間隙內(nèi)的流注一旦形成，放電達(dá)到自持的程度,氣隙就被擊穿。而在不均勻電場中,情況就更復(fù)雜。電氣設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)中的電場大多是不均勻的。根據(jù)其放電特點，不均勻電場可分為稍不均勻電場和極不均勻電場。1.3.!稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特點電場不均勻系數(shù)y"等于氣隙中最大場強(qiáng)シ與平均場強(qiáng)及”的比值。F=瓦ノ瓦, (1-23)Ea,=U/d (1-24)式中,〃為極間電壓;d為極間距離通常タ2時為稍不均勻電場，/>4明顯的屬于極不均勻電場。由上述可見，在稍不均勻電場中放電達(dá)到自持條件時發(fā)生擊穿現(xiàn)象，此時氣隙中平均電場強(qiáng)度比均勻電場氣隙的要小，因此在同樣極間距離時稍不均勻場氣隙的擊穿電壓比均勻氣隙的要低,在極不均勻場氣隙中自持放電條件即是電暈起始條件,由發(fā)生電暈至擊穿的過程還必須增高電壓才能完成。極不均勻電場有如下特征:(1)極不均勻電場的擊穿電壓比均勻電場低;(2)極不均勻電場如果是不對稱電極,則放電有極性效應(yīng):(3)極不均勻電場具有特殊的放電形式ーー電暈放電。1.3.3極不均勻電場中的放電過程“棒一板”間隙是典型的極不均勻電場,以下以正棒負(fù)板的“棒一板”間隙為例，討論極不均勻電場中的放電過程?！亲猿址烹婋A段當(dāng)棒具有正極性時,間隙中出現(xiàn)的電子向棒運(yùn)動，進(jìn)入強(qiáng)電場區(qū),開始引起電離現(xiàn)象而形成電子崩。隨著電壓逐漸上升,到放電達(dá)到自持、爆發(fā)電暈之前,這種電子崩在間隙中已形成相當(dāng)多了。當(dāng)電子崩達(dá)到棒極后,其中的電子就進(jìn)入棒極，而正離子仍留在空間，相對緩慢地向板極移動。于是在棒極附近,積聚起正空間電荷,從而減少了緊貼棒極附近的電場,而加強(qiáng)了外部空間的電場。

圖1-11正棒ー負(fù)板間隙中非自持放電階段二流注發(fā)展階段棒極附近形成流注,由于外電場的特點,流注等離子體頭部具有正電荷,頭部的正電荷減少了等離子體中的電場，而加強(qiáng)了其頭部電場。流注頭部前方電場得到加強(qiáng),使得此處易于產(chǎn)生新的電子崩。新電子崩的電子被吸引進(jìn)入流注頭部的正電荷區(qū)內(nèi)，加強(qiáng)并延長了流注通道，其尾部的正離子則構(gòu)成了流注頭部的正電荷,流注及其頭部的正電荷使強(qiáng)電場區(qū)更向前移,好像將棒極向前延伸了似的（當(dāng)然應(yīng)考慮到通道中的壓降）,于是促進(jìn)了流注通道進(jìn)ー步發(fā)展，逐漸向陰極推進(jìn)。三先導(dǎo)放電階段圖1一12正棒ー負(fù)板間隙中流注的形成和發(fā)展間隙距離較長時，在流注通道還不足以貫通整個間隙的電壓下，仍可能發(fā)展起擊穿過程。這時流注通道發(fā)展到足夠的長度后，將有較多的電子沿通道流向電極,通過通道根部的電子最多，于是流注根部溫度升高,出現(xiàn)了熱電離過程。這個具有熱電離過程的通道稱為先導(dǎo)通道。先導(dǎo)中由于出現(xiàn)了新的電離過程,電離加強(qiáng),更為明亮,電導(dǎo)增大,軸向場

強(qiáng)比流注通道中的場強(qiáng)低得多,從而加大了其頭部前沿區(qū)域中的場強(qiáng),引起新的流注,導(dǎo)致先導(dǎo)通道不斷伸長。圖1-13正棒ー負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展四主放電階段先導(dǎo)通道頭部的流注放電區(qū)達(dá)到板極（短間隙時為流注通道達(dá)到極板）。先導(dǎo)通道導(dǎo)電性很好,場強(qiáng)較小，因而好像將棒極延長了似的,通道頭部的電位接近棒極的電位（當(dāng)然還應(yīng)減去通道中的壓降）。因此，當(dāng)先導(dǎo)通道頭部極為接近極板時,這ー很小間隙中的場強(qiáng)可達(dá)極大數(shù)值,以致引起強(qiáng)烈的電離,使這ー間隙中出現(xiàn)了帶電粒子濃度遠(yuǎn)大于先導(dǎo)通道的等離子體。新出現(xiàn)的通道大致具有極板電位,因此在它和先導(dǎo)通道交界處總保持著極髙的電場強(qiáng)度,繼續(xù)引起強(qiáng)烈的電離。于是髙場強(qiáng)區(qū),也即強(qiáng)電離區(qū)迅速向陽極傳播,強(qiáng)電離通道也迅速向前推進(jìn)，這就是主放電過程。由于其頭部場強(qiáng)極大,所以主放電通道發(fā)展速度及電導(dǎo)都遠(yuǎn)大于先導(dǎo)通道。主放電通道貫穿電極間隙后，間隙就失去絕緣性能,擊穿過程完成。圖1-14正棒ー負(fù)極板間隙中的主放電過程負(fù)極性‘‘棒ー板"間隙（圖1—16）中,棒極附近形成電子崩,由于棒極為負(fù)極性，所以電子崩中的電子迅速擴(kuò)散并向板極運(yùn)動,離開強(qiáng)電場區(qū)后,不再能引起電離,向陽極運(yùn)動的速度也越來越慢,一部分消失于陽極,另一部分為氧原子所吸附而形成為負(fù)離子。電子崩中的正離子逐漸向棒極運(yùn)動,但其運(yùn)動速度較慢，所以在棒極附近總是存在著正空間電荷。這些正空間電荷加強(qiáng)了棒極附近的場強(qiáng),使棒極附近容易形成流注，因而電暈起始電壓比正極性時要低。正空間電荷產(chǎn)生的附加電場與原電場方向相反,削弱了外部空間的電場，阻礙了流注的發(fā)展,因此擊穿電壓較高。

1.4雷電沖擊電壓作用下氣體的擊穿沖擊電壓分為雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓,前者是由雷電造成的幅值高、陡度大、作圖1-16負(fù)極性‘’棒ー板”間隙中自持放電前空間電荷對原電場的畸變

Eo一原電場,Eq一空間電荷的電場,Ec?,一合成電場用時間極短的沖擊電壓;后者是由電カ系統(tǒng)在操作或發(fā)生事故時,因系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生突然變化引起的持續(xù)時間較長、幅值高于系統(tǒng)相電壓幾倍的沖擊電壓。不同于穩(wěn)態(tài)電壓,在沖擊電壓作用下空氣間隙的擊穿特性有著許多新的特點,并且雷電沖擊電壓與操作沖擊電壓下的特性也有很大不同。本節(jié)討論在雷電沖擊電壓下空氣間隙的擊穿特性。

ー、雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形二、放電時延圖1一17標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形雷電沖擊電壓是變化速度很快、作用時間很短的波,其有效作用時間是以微秒計的。實驗表明:對空氣間隙施加沖擊電壓,要使間隙擊穿不僅需要足夠幅值的電壓,有引起電子崩并導(dǎo)致流注和主放電的有效電子,而且需要電壓作用一定的時間讓放電得以發(fā)展以至擊穿。設(shè)對間隙施加沖擊電壓,當(dāng)經(jīng)過時間カ后,電壓升高到持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓ム（稱為靜態(tài)擊穿電圖1一17標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形(1-30)式中,ts+シ稱為放電時延，記為ナ國，它是統(tǒng)計時延和放電形成時延的總和。?J研究表明:短間隙（幾厘米內(nèi)）中,特別是電場較均勻時,間隙中的電場到處都很強(qiáng),放電發(fā)展速度快,放電形成時延短,此時t?t"這種情況下な?主要決定于な。為了減小な,一方面可提高外施電壓使氣隙中出現(xiàn)有效電子的概率增加,另ー方面可采用人工光源照

射,使陰極釋放出更多電子。如用較小的球隙測沖擊電壓通常采取照射措施就是一例。在較長間隙中,電場不均勻,局部場強(qiáng)高,出現(xiàn)有效電子的概率增加,統(tǒng)計時延短,放電時延往往主要決定于tf,且電場越不均勻を越長。三、雷電50%沖擊擊穿電壓（時）在持續(xù)電壓作用下，當(dāng)氣體狀態(tài)不變時,間隙距離一定,擊穿電壓就具有確定的數(shù)值,當(dāng)間隙上所加電壓達(dá)到擊穿電壓時，間隙就被擊穿。由于沖擊電壓作用下放電有分散性，所以很難準(zhǔn)確得到ー個使間隙擊穿的最低電壓值,因此工程上采用50%沖擊擊穿電壓（時）來描述間隙的沖擊擊穿特性,即在多次施加同一電壓時，用間隙擊穿概率為50%的電壓值來反映間隙的耐受沖擊電壓的特性。XDム%（"201?0XDム%（"201?005〇I2 3 4 5 6""り圖1-19“棒ー棒”和“棒ー板”長空氣間隙的雷電50%沖擊擊穿電壓和極間距離的關(guān)系1一正極性“棒ー板”；2一正極性“棒ー棒”；3ー負(fù)極性“棒ー棒”；4ー負(fù)極性“棒一板”；四、伏秒特性由于雷電沖擊電壓持續(xù)時間短,間隙的擊穿存在放電時延現(xiàn)象,所以僅靠ムg沖擊擊穿電壓來表征間隙擊穿特性是不夠的，還必須將擊穿電壓值與放電時間聯(lián)系起來確定間隙的擊穿特性,也就是伏秒特性,它是表征氣隙擊穿特性的另ー種方法。圖1一20表示通過實驗繪制氣隙伏秒特性的方法，其步驟是保持間隙距離不變、保持沖擊電壓波形不變,逐級升高電壓使氣隙發(fā)生擊穿，記錄擊穿電壓波形,讀取擊穿電壓值U與擊穿時間fo注意到當(dāng)電壓不很高時擊穿一般在波尾時間發(fā)生，當(dāng)電壓很高時，擊穿百分比將達(dá)100%,放電時間大大縮短,擊穿可能在波頭時間發(fā)生。以圖1一21三個坐標(biāo)點為例說明繪制方法:擊穿發(fā)生在波前時，〃與t均取擊穿時的值（圖中2、3坐標(biāo)點）;擊穿發(fā)生在波尾時,〃取波峰值,t取擊穿時對應(yīng)值（圖中1坐標(biāo)點）；將1、2、3各點連接起來,即可得到伏秒特性曲線。圖1一20氣隙伏秒特性曲線的繪制方法(虛線表示原始沖擊電壓波形)"イ120 t圖1一21伏秒特性帶與50%伏秒特性1ー上包線,2—50%伏秒特性,3一下包線,4一1U間隙的伏秒特性曲線的形狀與間隙中的電場分布有關(guān)。在均勻電場和稍不均勻電場中,擊穿時平均場強(qiáng)較高,放電發(fā)展較快,放電時延較短,伏秒特性曲線平坦;在極不均勻電場中,平均擊穿場強(qiáng)較低,放電時延較長,放電分散性大，伏秒特性曲線較為陡峭。5操作沖擊電壓作用下氣體的擊穿由于電カ系統(tǒng)中存在電感和電容,在系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時會引起振蕩過程,產(chǎn)生很高的沖擊電壓，稱為操作沖擊電壓。為保證高壓電氣設(shè)備安全運(yùn)行,需要考核其操作沖擊電壓的耐受能力。ー、操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形操作沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形與雷電沖擊電壓類似,也是非周期性指數(shù)衰減波,如圖1-23(a)所示。IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為,波頭時間7>250〃s,容許偏差±20%;波尾時間Zi=2500ns,容許偏差±60%。表示為±250/2500小波，土符號的意思與雷電沖擊電壓波相同。由于原點和峰值點的位置較清晰,所以波頭、波尾都為自然波頭、自然波尾。此外，還建議采用ー種衰減振蕩波(如圖l—23(b)所示),其第一個半波的持續(xù)時間為2000~3000〃s；第二個半波為反極性，它的峰值約占第一個半波峰值的4/5。

匸=100075叱匸=100075叱（め （A）圖1-23操作沖擊實驗電壓波形

（a）非周期雙指數(shù)沖擊波（b）衰減震蕩波二、操作沖擊50%擊穿電壓操作沖擊電壓下氣體絕緣的擊穿電壓也具有分散性,亦可采用50%沖擊擊穿電壓來反映間隙的絕緣強(qiáng)度。研究表明:在均勻電場和稍不均勻電場中,操作沖擊電壓的作用時間介于エ頻電壓和雷電沖擊電壓的作用時間之間，間隙的操作沖擊50%擊穿電壓、雷電沖擊50%擊穿電壓和エ頻擊穿電壓（峰值）幾乎相同，擊穿幾乎發(fā)生在峰值，擊穿電壓的分散性也較小。而在極不均勻電場中，操作沖擊電壓下的擊穿通常發(fā)生在波頭部分，擊穿電壓與波頭時間有關(guān)而與波尾時間無關(guān)。圖1一24“棒ー板”氣隙正極性50%操作沖擊擊穿電壓與波前時間的關(guān)1.6電場形式、電壓波形與擊穿電壓的關(guān)系

.1均勻電場在均勻電場中,直流擊穿電壓,エ頻擊穿電壓(幅值)，50%沖擊擊穿電壓都相同,擊穿電壓的分散性也較小。均勻電場中空氣的擊穿電壓經(jīng)驗公式為:リ。=24.22田+6.08病kV (1-31)式中,d間隙距離,單位為cm；5ーー空氣相對密度。均勻電場中空氣的電氣強(qiáng)度大致等于304摩M。1.6.2稍不均勻電場大氣條件對氣隙擊穿特性的影響ー、空氣相對密度的影響氣壓和溫度的變化都可以反映為空氣相對密度的變化,因此氣壓和溫度的影響就可歸結(jié)為空氣相對密度的影響。氣壓P增大時,空氣相對密度け增大，帶電粒子在氣體中運(yùn)動的平均自由行程え減小,運(yùn)動中所積累的動能為え就較小，電離能力就較小,因此間隙的擊穿電壓就高;反之則有相反的結(jié)果。溫度T升高,空氣相對密度ズ減小，帶電粒子在氣體中運(yùn)動的平均自由行程え增大,運(yùn)動中所積累的動能ル“え就增大，電離能力也就較大，因此間隙的擊穿電壓就較低;反之則相反?？諝庀鄬γ芏扰c氣壓成正比、與溫度成反比:c2.892 ハい8= (1-32)273+f式中，尸為氣壓,単位為kPa；t為溫度,單位為。C。在大氣條件下,空氣間隙的擊穿電壓隨お的增大而升髙。實驗表明,當(dāng)空氣相對密度6在0.95?1.05范圍內(nèi)變動時，間隙的擊穿電壓與相對密度成正比,則試驗或運(yùn)行條件下的擊穿電壓U和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓〃的關(guān)系為;U~8U° (1—33)當(dāng)占與1相差較大時,必須使用空氣密度校正系數(shù)ん對擊穿電壓進(jìn)行校正,空氣密度校正系數(shù)可按下求取り爵),(1-34)り爵),(1-34)式中，"、”與電極形狀、間隙距離、電壓種類及極性有關(guān),其值在0.4?1.0的范圍內(nèi)。此時,試驗或運(yùn)行條件下的擊穿電壓U和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓“的關(guān)系為;(1-35)二、濕度的影響濕度增加,空氣中所含的水分子增加,水分子能捕獲自由電子而形成負(fù)離子,使電離能カ下降，對氣體中的放電過程起到抑制作用，因此空氣的濕度越大,間隙的擊穿電壓也會越高。所以濕度對極不均勻電場的放電過程有顯著影響,需要進(jìn)行濕度校正,濕度校正系數(shù)為:Kh=kM (1-36)式中，ん是絕對濕度和電壓種類的函數(shù):指數(shù)3的值取決于電極形狀、間隙距離、電壓種類及其極性。因此,試驗或運(yùn)行條件下的擊穿電壓U和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓"的關(guān)系為:U=— (1-37)Kh綜合氣壓、溫度、濕度的影響,在試驗或運(yùn)行條件下的間隙擊穿電壓〃和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓“可以進(jìn)行如下?lián)Q算:U=」U0 (1-38)局。式(1-35)既適用于空氣間隙的擊穿電壓，也適用于外絕緣的沿面閃絡(luò)電壓。當(dāng)實際試驗條件不同于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件時,應(yīng)將試驗標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的試驗電壓值換算得出實際的試驗電壓值。三、對海拔髙度的校正隨著海拔高度的增加,空氣逐漸稀薄,大氣壓カ下降,空氣密度減小,帶電粒子在氣體中運(yùn)動的平均自由行程え增大，運(yùn)動中所積累的動能ゆえ就增大,電離能力增大，因此間隙的擊穿電壓降低。為此,引入海拔校正系數(shù)K/式中,H為電カ設(shè)備安裝地點的海拔高度(機(jī))，1000WHW4000。我國的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:凡安裝在海拔高度超過1000〃，而又低于4000w地區(qū)的電カ設(shè)施其外絕緣試驗電壓U與平原地區(qū)外絕緣的試驗電壓”的關(guān)系為U=KaUp (1-40)提高氣體間隙擊穿電壓的措施影響氣體間隙擊穿電壓的主要因素有:氣體間隙中的電場分布、所加電壓的波形、氣體的狀態(tài)、氣體的種類等。為了提高氣體間隙的擊穿電壓,一般有兩種途徑:一是改善間隙中的電場分布,使之盡量均勻;二是削弱或抑制氣體中的電離過程。具體如下：ー、改善電場分布二、削弱或抑制電離過程削弱或抑制電離過程,有這樣幾個方面：提高氣壓可以減小電子的平均自由行程，從而削弱和抑制電離過程:采用強(qiáng)電負(fù)性氣體，利用其對電子的強(qiáng)附著效應(yīng)減弱碰撞電離過程:采用高真空使電子的平均自由行程遠(yuǎn)大于極間距離，從而使碰撞電離幾乎成為不可能。(1)采用高氣壓提高氣壓可提高間隙的擊穿電壓。因為氣壓增高，使氣體密度增大，因而電子的平均自由行程え減小,電子在運(yùn)動中積累的動能藥え也就減小,碰撞電離的能力下降。（2）采用強(qiáng)電負(fù)性氣體六氟化硫（防）、氟里昂（CCkFハ等ー些含鹵族元素氣體屬于強(qiáng)電負(fù)性氣體,它們的電氣強(qiáng)度比空氣髙得多，因此采用這些氣體代替空氣可大大提髙間隙的擊穿電壓。這些氣體具有髙電氣強(qiáng)度的主要原因是:①這些氣體具有很強(qiáng)的電負(fù)性,容易吸附電子成為負(fù)離子,削弱了電離過程，同時加強(qiáng)了復(fù)合過程;②這些氣體分子量大，分子直徑大，使電子在其中間的平均自由行程縮短，電子運(yùn)動積累足夠的動能較困難,碰撞電離能力減小。另外，欲使這些氣體分子發(fā)生電離,必須供給比電離能更多的能量，這也是這些氣體具有高電氣強(qiáng)度的原因。以防為例:沒有觀察到SF;離子,觀察到的主要是SF;離子，這意味著每個電離都伴隨著離解，沒有不離解的電離。碰撞電離如此,其它如光電離、熱電離也是如此。這就是說，欲使反分子電離，不僅要供給電離能，還必須要供給離解能。強(qiáng)電負(fù)性氣體要在工程中獲得實際應(yīng)用，除電氣強(qiáng)度要高外,還必須具備液化溫度不高、化學(xué)性能穩(wěn)定、在該氣體中發(fā)生放電時不易分解、不燃燒、不產(chǎn)生有毒物質(zhì)、并且生產(chǎn)不太困難、價格不能過高等特點。目前得到工程應(yīng)用的強(qiáng)電負(fù)性氣體有防及其混合氣體。防的電氣強(qiáng)度約為空氣的2.5倍，而其滅弧能力則為空氣的100倍以上，它作為絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)是除空氣外應(yīng)用得最廣泛的氣體介質(zhì)。A.防的絕緣性能5え是一種強(qiáng)電負(fù)性氣體,它容易俘獲自由電子而形成負(fù)離子（電子附著過程）,電子變成負(fù)離子后，它引起碰撞電離的能力就變得很弱，從而削弱了放電發(fā)展過程。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，切,優(yōu)異的絕緣性能只有在電場比較均勻的場合下才能得到充分的發(fā)揮。因此在設(shè)計以的氣體作為絕緣的各種電氣設(shè)備時，應(yīng)盡可能使氣隙中的電場均勻化。因為電場的不均勻程度對防,電氣強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)比空氣的要大,所以與均勻電場中的擊穿電壓相比，昭在極不均勻電場中擊穿電壓下降的程度比空氣要大得多。防氣體擊穿電壓為Uh=88.5/?￠/+0.38（AT） （1-41）在極不均勻電場中，的氣體的擊穿有異常現(xiàn)象。其原因,一是其擊穿電壓隨氣壓的變化曲線存在“駝峰”:二是駝峰區(qū)段內(nèi)的雷電沖擊擊穿電壓明顯低于靜態(tài)擊穿電壓，沖擊系數(shù)￡=0.6左右（見圖1—34）。由于駝峰常出現(xiàn)在0.1?0.2朗為（工作氣壓以下）的氣壓下，因此,在進(jìn)行絕緣設(shè)計時應(yīng)盡可能設(shè)法避免極不均勻電場的情況。除電場均勻程度外，電極表面缺陷和導(dǎo)電微粒的存在也將對Sん氣體的絕緣性能產(chǎn)生不利影響。B,駆的液化特性這里討論防實際應(yīng)用中與液化特性相關(guān)的主要問題。5え高壓斷路器的氣壓約為0.IMPa,而GIS（GasInsulatedSwitchgear｝全封閉氣體絕緣組合電器中除斷路器外其余部分的氣壓均不大于0.45,物％。如果20°C時的充氣壓カ為0.75朗看,則對應(yīng)的液化溫度在一25セ左右。如20セ充氣壓カ為0.45,れ，則對應(yīng)的液化溫度為ー40°C,可見一般不存在液化問題。純凈的防氣體是無毒的，它在溫度低于180セ時與電氣設(shè)備中材料的相容性與氮?dú)庀嗨啤５档米⒁獾氖欠ǖ姆纸馕锸怯卸镜?對材料是有腐蝕作用的。由于電子碰撞、熱以及光輻射會導(dǎo)致防氣體分解。在電氣設(shè)備中主要是前兩種原因使其分解,如斷路器觸頭間的電弧或G/S內(nèi)部故障電弧的高溫會使防氣體迅速分解，局部放電、電暈放電或火花放電也會使其分解。通常采用吸附劑吸附分解物和吸收水分。在％氣體內(nèi)所含的各種雜質(zhì)或雜質(zhì)組合中,水分是最有害的成分。因為水的存在會影響氣體分解物,且會形成氫氟酸,引起材料腐蝕,導(dǎo)致機(jī)械故障,還會在低溫引起固體介質(zhì)表面凝露，使閃絡(luò)電壓急劇降低。因此,在設(shè)備安裝、運(yùn)行時要檢測和控制含水量是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)。為使防混合氣體有廣闊的應(yīng)用前景，還必須進(jìn)ー步降低其液化溫度和電氣強(qiáng)度對電場的敏感度,使價格降低。研究表明:用廉價氣體如反、cユ或空氣與防氣體組成混合氣體時,能使這些常見氣體的電氣強(qiáng)度有很大提高。圖1—35給出了防一例氣體在颶與ル兩種氣體成分不同的體積比時有效電離系數(shù)隨電場強(qiáng)度的變化曲線，可以看出:在同一分0值下，Z/p值隨防含量減小而增大，而々/p=ハE/p)曲線的斜率也在減小，這表明混合氣體的電氣強(qiáng)度對電場的敏感度減低了?；旌蠚怏w的絕緣性能和滅弧能力均略低于純防氣體,因而充混合氣體的設(shè)備的工作氣壓常需要再提高0.1MPa。由于此時防混合氣體的氣壓仍比用純色氣體時的工作氣壓低得多，所以不會岀現(xiàn)液化問題。統(tǒng)計表明：如用防一M混合氣體代替的氣體，可取得很大經(jīng)濟(jì)效益。3)采用高真空當(dāng)間隙中接近真空時，整個間隙中氣體分子的數(shù)量非常少，雖然電子的平均自由行程很大,但產(chǎn)生碰撞電離的幾率很低。因此擊穿電壓可以迅速提高。沿面放電在電カ系統(tǒng)中，電氣設(shè)備的帶電部分需用固體絕緣材料支撐或懸掛，這些固體絕緣處于空氣中，當(dāng)加在這些固體絕緣極間的電壓超過一定值時，沿空氣與固體介質(zhì)交界面上就可能出現(xiàn)放電現(xiàn)象,這種沿固體介質(zhì)表面發(fā)生的氣體放電稱為沿面放電。沿面放電發(fā)展成為貫穿性放電時稱為沿面閃絡(luò)。研究表明:在相同的放電距離條件下，沿面閃絡(luò)電壓比純空氣間隙的擊穿電壓低得多?？梢姪`個絕緣裝置的實際耐壓能力是取決于它的沿面閃絡(luò)電壓的。因此,在確定輸電線路和變電所外絕緣的絕緣水平時，其沿面閃絡(luò)電壓值起著決定性作用。應(yīng)該注意的是，不僅要研究表面干燥、清潔時的沿面放電，而且要研究表面潮濕、污染時的沿面放電。因為它們的放電機(jī)理有很大的不同，并且后一種情況下的沿面閃絡(luò)電壓很低,甚至可能在工作電壓下發(fā)生沿面閃絡(luò),電カ系統(tǒng)的安全運(yùn)行會受到威脅、,因而日益受到重視。氣體介質(zhì)與固體介質(zhì)交界面(簡稱界面)上的電場分布情況對沿面放電的特性有很大的影響。界面電場分布可分為三種典型情況，如圖1—37所示：(1)固體介質(zhì)處于均勻電場中，電カ線與界面平行，如圖1—37(a)所示。(2)固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，且電カ線垂直于界面的分量れ比平行于界面的分量區(qū)要大得多,如圖37(c)所示的套管。(3)固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，大部分界面上的電場強(qiáng)度平行分量反大于垂直分量，,如圖1—37(b)所示的支柱絕緣子。電極圖1一37沿面放電的幾種典型電場分布形式(a)均勻電場;(b)弱垂直分量的不均勻電場;(c)強(qiáng)垂直分量的

不均勻電場I均勻電場中的沿面放電在圖1—37(a)所示的均勻電場中插入固體介質(zhì)后仍能保持界面與電カ線平行,看起來固體介質(zhì)的存在并未影響原來的電場分布,因此極間擊穿電壓應(yīng)保持不變,電極間任何地方的氣體都有擊穿的可能性。實際并非如此，當(dāng)兩電極間的電壓逐漸升高時，放電總是發(fā)生在沿固體介質(zhì)的表面上,此時的沿面閃絡(luò)電壓已比純空氣間隙的擊穿電壓低很多,這說明原先的均勻電場發(fā)生了畸變。產(chǎn)生這種情況的原因有:(1)固體介質(zhì)表面不是絕對光滑，存在一定的粗糙程度，這使得表面電場分布發(fā)生畸變,

如圖1-38所示，將某一局部放大,可見表面有凸凹不平處，凸凹處就可看成空氣介質(zhì)與固體介質(zhì)的串聯(lián)。ユ、Ei、ち分別表示空氣的電位移、電場強(qiáng)度、介電常數(shù):あ、反、ら分別表示固體介質(zhì)的電位移、電場強(qiáng)度、介電常數(shù)。在這個微小的界面處，電位移保持連續(xù),即Di=Dz,所以ら片=らら，整理得昌=纟當(dāng)，由于固體介質(zhì)的ら大于空氣的ら,所以與&〉后2?？諝獠糠值碾姎鈴?qiáng)度低,但所承受的電場強(qiáng)度高,因此空氣部分將首先發(fā)生放電。如果各個空氣部分的放電連接起來,就形成了沿面放電。因此,由于電場畸變的作用，使沿面閃絡(luò)電壓降低。

(2)同體介質(zhì)表面電阻不可能完全均勻,各處表面圖1一圖1一38固體介質(zhì)表面的粗糙狀況的放大(3)固體介質(zhì)與空氣接觸的情況由于潮氣吸附到固體介質(zhì)的表面而形成薄水膜，其中的離子受電場的驅(qū)動而沿著界面移動,電極附近的表面上積聚的電荷較多，使沿面電壓分布變得不均勻，從而降低了閃絡(luò)電壓。這種影響取決于空氣的潮濕程度;但更取決于固體絕緣材料吸附水分的性能。石蠟、硅橡膠等為憎水性材料,影響較小;瓷和玻璃等為親水性材料，影響較大。離子的移動和電荷的積聚是需要時間完成的，所以在エ頻電壓下其閃絡(luò)電壓降低較多，而在雷電沖擊電壓下降低很少。(4)固體介質(zhì)與電極接觸的狀況當(dāng)它們接觸不良、存在小氣隙時，由于空氣的介電常數(shù)比固體介質(zhì)低，間隙中的場強(qiáng)比平均場強(qiáng)大得多，小氣隙內(nèi)將首先發(fā)生放電,所產(chǎn)生的帶電粒子沿著固體介質(zhì)的表面移動，原有電場發(fā)生畸變,使沿面閃絡(luò)電壓有所降低?？梢圆捎迷谂c電極接觸的固體介質(zhì)表面上噴涂導(dǎo)電粉末的辦法消除小氣隙中的放電。極不均勻電場具有強(qiáng)垂直分量時的沿面放電如圖1—37(c)所示,套管中的固體介質(zhì)(瓷套)處于極不均勻電場中,而且電場強(qiáng)度垂直于界面的分量要比切向分量大得多?？梢钥闯觯拥氐姆ㄌm附近的電カ線密集，電場最強(qiáng)，可將其分解為弱切向分量仇和強(qiáng)垂直分量(區(qū))。當(dāng)施加電壓不太高時,法蘭附近首先出現(xiàn)電暈放電，如圖1—39(a)所示,隨著所施電壓的升髙,放電區(qū)逐漸形成由許多平行的火花細(xì)線組成的光帶，即細(xì)線狀輝光放電,如圖l-39(b)所示。火花細(xì)線的長度隨電壓的長高而增大，但此時放電通道中的電流密度較小,壓降較大，伏安特性仍具有上升的特征，因此仍屬于輝光放電的范疇。當(dāng)外施電壓超過某ー臨界值后，線狀火花中的帶電粒子受電場法線分量的作用被緊壓在介質(zhì)表面上，同時在切線分量的作用下向另ー電極方向運(yùn)動，使介質(zhì)表面局部發(fā)熱。當(dāng)外加電壓超過某ー臨界值時，溫度可高到足以引起氣體得熱電離，使通道中得帶電粒子數(shù)量急劇增加，介質(zhì)電導(dǎo)增大，使火花通道頭部電場增強(qiáng)，火花通道迅速向前發(fā)展,形成樹狀火花。個別細(xì)線突然迅速伸長,轉(zhuǎn)變?yōu)榉植娴臉渲蠲髁恋幕鸹ㄍǖ?如圖1—39(c)所示,這種樹枝狀放電并不固定在ー個位置上,而是在不同的位置交替出現(xiàn)，因而稱為滑閃放電?；W放電通道中的電流密度已較大，壓降較小,其伏安特性具有下降的特征。此后,電壓的微小升高就會導(dǎo)致火花的急劇延伸,這時電壓再升高，放電火花就將發(fā)展到另ー電極,產(chǎn)生沿面閃絡(luò)或簡稱“閃絡(luò)”。通常，沿面閃絡(luò)電壓比滑閃放電電壓高得不多。

圖1-39沿套管表面的放電極圖1-39沿套管表面的放電如圖1一37(b)所示,支柱絕緣子沿界面的電場強(qiáng)度切向分量笈要比垂直分量與大的多,由于れ很弱,因而放電過程中沒有熱電離和明顯的滑閃放電。此時由于電極形狀和布置使已電場很不均勻,而固體介質(zhì)表面積聚電荷所造成的電場畸變的影響不明顯,所以沿面閃絡(luò)電壓與空氣擊穿電壓差別不大。試驗表明:這種絕緣子的干閃絡(luò)電壓(表面干燥、清潔時)基本上隨極間距離的增大而提高。三種典型界面電場分布對沿面放電特性通過分析(分別對應(yīng)圖1-37(a)、(b)三種典型界面電場分布對沿面放電特性圖1—40套管沿面放電的等值電路的影響,可以得圖1—40套管沿面放電的等值電路圖1—41為按圖1—40所示等值電路計算的沿介質(zhì)表面的電壓分布,這種電壓不均勻分布是由于靠近法蘭處的兄中流過的電流大于遠(yuǎn)離法蘭處的反中電流造成的。在法蘭附近，電場強(qiáng)度大,其垂直分量也大，因而此處容易發(fā)生滑閃放電。要提高套管的電暈起始電壓和滑閃電放電壓,可從兩方面入手:減小比電容G,可采用加大法蘭處套管的外徑和壁厚,也可采用介電常數(shù)較小的介質(zhì)，如用瓷一油組合絕緣代替純介質(zhì)等辦法達(dá)到。減小絕緣表面電阻,要通過減小介質(zhì)表面電阻率實現(xiàn),如在套管靠近接地法蘭處涂半導(dǎo)體釉、在電機(jī)絕緣的出槽口處涂半導(dǎo)體漆等。這些措施可使此處壓降逐漸減小,也能防止滑閃放電過早出現(xiàn)。對于35%，(額定電壓)以上的高壓套管，還必須采用能調(diào)節(jié)徑向、軸向電場分布的電容式套管和絕緣性能更好的充油式套管才能符合技術(shù)要求。

圖1—41介質(zhì)表面的電壓分布

虛線為Or*0時的電壓分布1.9.4固體介質(zhì)表面有水膜時的沿面放電圖1―42淋雨時絕緣子的閃絡(luò)路徑分、合理的考慮。圖1―42淋雨時絕緣子的閃絡(luò)路徑分、合理的考慮。圖1-42給出了運(yùn)行中的棒型支柱絕緣子被雨淋的可能閃絡(luò)途徑。由于雨淋時絕緣子表面上的水膜大都是不均勻和不連續(xù)的,因而造成有水膜覆蓋的表面電導(dǎo)大，無水膜處的表面電導(dǎo)小，絕大部分外加電壓由干表面來承受。絕緣子在雨中有三種可能的閃絡(luò)途徑:沿著表面スと和干表面6?！l(fā)展:在這種情況下，被工業(yè)區(qū)的雨水（電導(dǎo)率約為0.015Z加淋濕的絕緣子的閃絡(luò)電壓（稱濕閃電壓）只有干閃電壓的4〇%?50%,如果雨水電導(dǎo)率更大,濕閃電壓還會降的更低。沿著濕表面Z18和空氣間隙力’發(fā)展:在這種情況下，空氣間隙的’中只有分散的雨滴,氣隙的擊穿電壓降低不多，雨水電導(dǎo)率大小的影響不大,絕緣子的濕閃電壓不會降低太多。沿著濕表面ス6和水流如'發(fā)展:在這種情況下，傘裙間氣隙被連續(xù)的水流所短接,濕閃電壓將降到很低的數(shù)值，這些在傾盆大雨時オ會發(fā)生。為了保證絕緣子有較髙的濕閃電壓，必須在絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計中予以充9.5絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電以上討論了潔凈的絕緣子瓷面被雨水淋濕的沿面放電，下面介紹絕緣子表面有濕污層時的沿面放電。絕緣子表面被污染的過程一般是漸進(jìn)的,但有時也可能是急速的?，F(xiàn)以懸式絕緣子為例說明污穢放電的形成和發(fā)展過程。懸式絕緣子鐵腳和鐵帽附近表面上的污層在干燥狀態(tài)下一般不導(dǎo)電，但在毛毛雨霧、露等不利天氣時,污層將被水分所濕潤,電導(dǎo)大增，在工作電壓下污層中電流密度較大，污層烘干較快，先出現(xiàn)干區(qū)。干區(qū)的電阻比其余濕層的電阻大很多（有時大幾個數(shù)量級）,此時整個絕緣子上的電壓幾乎都集成在干區(qū)上,通常干區(qū)的寬度不大,因而其電場強(qiáng)度很大。如果電場強(qiáng)度已足以引起表面空氣碰撞電離,于是在鐵腳和鐵帽周圍將開始電暈放電或輝光放電。由于此時泄漏電流較大，電暈或輝光放電很易直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀?這種電弧存在于絕緣子的局部表面(稱之為局部電弧)。隨后局部電弧根部附近的濕污層被很快烘干，即干區(qū)擴(kuò)大，電弧伸長,若此時電壓尚不足以維持電弧的燃燒，電弧即熄滅。再加上交流電流有過零時刻，更促使電板呈現(xiàn)“熄滅一重燃”或“延伸一收縮”的交替變化。在污層濕潤度不斷增大的情況下,泄漏電流也隨之逐漸變大,且可在一定電壓下維持，使局部電弧長度不斷增加，絕緣子表面上這種不斷延伸發(fā)展的局部電弧現(xiàn)象俗稱爬電。一旦爬電至某ー臨界長度時，弧道的進(jìn)ー步伸長就不再需要更髙的電壓,能自動延伸完成沿面閃絡(luò)，相應(yīng)的電壓稱為污閃電壓。由以上分析可見，絕緣的污閃是ー個復(fù)雜的過程，大體可分為積污、受潮、干區(qū)形成、局部電弧的出現(xiàn)和發(fā)展等階段，采取措施抑制或阻止各階段的形成和轉(zhuǎn)化，即可有效防止污閃事故。積污是發(fā)生污閃的溫床,治理環(huán)境可防止積污;污層受潮或濕潤是污閃的催化劑;干區(qū)出現(xiàn)的部位和局部電弧發(fā)展、延伸的難易均與絕緣子的結(jié)構(gòu)形狀有密切關(guān)系。這是絕緣子設(shè)計所要解決的ー個重要問題。事故統(tǒng)計表明:發(fā)生污閃事故往往是大面積范圍的，因為ー個區(qū)域內(nèi)的絕緣子積污、受潮狀況是差不多的。所以容易發(fā)生大面積多點污閃事故。污閃時自動重合閘成功率遠(yuǎn)低于雷擊閃絡(luò)時的情況，因而往往導(dǎo)致事故的擴(kuò)大和長時間停電。就經(jīng)濟(jì)損失而言,污閃在各類事故中居首位。第二章液體、固體電介質(zhì)的絕緣性能(4學(xué)時)由液體和固體電介質(zhì)構(gòu)成的內(nèi)絕緣的電氣性能具有如下特點:(1)電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度一般不受外界大氣條件變化的影響:(2)固體電介質(zhì)構(gòu)成的絕緣屬非自恢復(fù)性絕緣，一旦發(fā)生擊穿就造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞;(3)液體和固體電介質(zhì)在運(yùn)行中會逐漸老化，各種參數(shù)會發(fā)生變化，使絕緣強(qiáng)度下降、壽命縮短。因此，要研究它們在強(qiáng)電場中的擊穿特性，還要更加關(guān)注它們在弱電場中發(fā)生的極化、電導(dǎo)、損耗等物理過程。電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗1.1電介質(zhì)的極化ー極化的概念

(2-1)平行平板電容器在真空中的電容量為:(2-1)Co=77=~T式中A 極板面積,厘米2：d——極間距離,厘米;￡0ーー真空的介電常數(shù),8.86x10X法/厘米極板間插入固體電介質(zhì)后,電容量增為(2-2)。〇+?！瓻A

C= =—(2-2)Ud式中￡ 介質(zhì)的介電常數(shù)。固體電介質(zhì)電容器的電容量與真空時的電容量之比為:(2-3)C￡(2-3)Q￡。rの稱為電介質(zhì)的相對介電常數(shù)，它是表示電介質(zhì)在電場作用下極化程度的物理量。其物理意義表示極板間放入電介質(zhì)后電容量(或電荷量)比極板間為真空時增大的倍數(shù)。各種氣體的，“均接近于1,而常用的液體、固體介質(zhì)的の則各不相同，大多數(shù)在2~6之間，而且各種介質(zhì)的。與溫度、電源頻率的關(guān)系也并不一致。相對介電常數(shù)的特性為:(1)相對介電常數(shù)可以描述電介質(zhì)的極化特性;(2)相對介電常數(shù)可以描述電介質(zhì)的儲能性質(zhì);(3)對于電氣設(shè)備的絕緣,一般不希望相對介電常數(shù)過大。二極化的基本形式根據(jù)電介質(zhì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu),極化的基本形式有電子式極化、離子式極化、偶極子式極化、夾層式極化、空間電荷極化等。(1)電子式極化如圖2—2所示，在外電場的作用下，物質(zhì)原子中電子的運(yùn)動軌道相對于原子核產(chǎn)生了位移,使原子中正、負(fù)電荷的作用中心不再重合，這種由電子位移所形成的極化叫做電子式

極化。極化強(qiáng)度與正、負(fù)電荷作用中心的距離d成正比,且隨外電場的增強(qiáng)而增大。電子式極化存在于一切氣體、液體和固體介質(zhì)中。電子式極化的特點:①因電子質(zhì)量極小,所以極化形成所需的時間極短,約為10'X。極化在各種頻率的外電場作用下均能產(chǎn)生，へ不隨外加電壓頻率的變化而變化。②極化具有彈性，當(dāng)外電場去掉后，由于正、負(fù)電荷的相互吸引力,作用中心立即重合使整個介質(zhì)呈現(xiàn)非極性，所以極化過程沒有能量損耗。③溫度對極化影響不大，溫度升高時介質(zhì)略有膨脹,單位體積內(nèi)的分子數(shù)減少，引起g，略為下降。所以?具有不大的負(fù)溫度系數(shù)。〇00CX)〇00CX)〇〇〇00〇〇〇〇〇00〇3)圖2—3離子式極化如圖2—3所示，在離子式結(jié)構(gòu)的介質(zhì)中,無外電場作用時,正、負(fù)離子的作用中心是重合的,不呈現(xiàn)極性。在外電場作用下,正、負(fù)離子發(fā)生偏移,兩者作用中心不再重合，整個分子呈現(xiàn)極性。這種由正、負(fù)離子相對位移所形成的極化叫做離子式極化。離子式極化主要產(chǎn)生在離子式結(jié)構(gòu)的介質(zhì)中，如云母、陶瓷材料等。離子式極化的特點:①極化過程所需時間也很短，約為IO」、,所以つ也不隨外加電壓頻率的變化而變化。②極化也屬彈性極化,所以極化過程幾乎沒有能量損耗。③溫度對極化有影響，溫度升高時離子間結(jié)合力減弱，使極化程度增強(qiáng)，但同時離子的密度減小,使極化程度降低。通常前者影響較大，所以卻一般具有正溫度系數(shù)。(3)偶極子式極化(a)圖2—4偶極子式極化偶極子式極化的特點:①極化過程所需時間較長,約為10‘°?10%,極化與頻率有關(guān),シ隨外加電壓頻率的增加而減小,因為頻率很高時偶極子轉(zhuǎn)向跟不上電場方向的改變,因而極化減弱。②極化是非彈性極化,極化過程有能量損耗。因為偶極子在轉(zhuǎn)向時要克服分子間的吸引力和摩擦カ,消耗能量。③溫度對極化有很大影響。。先隨溫度升高而增大，當(dāng)溫度達(dá)到一定值后，吟又隨溫度升高而減小。溫度較低時，分子間聯(lián)系緊密，偶極子轉(zhuǎn)向困難,極化很弱:溫度升高，使極化增強(qiáng);溫度再升高時，分子熱運(yùn)動加劇，妨礙偶極子沿電場方向取向，又使極化減弱。(4)夾層式極化電氣設(shè)備的絕緣常采用幾種不同電介質(zhì)組成復(fù)合絕緣，即便是單ー電介質(zhì)，由于介質(zhì)不均勻，也可看成由不同介質(zhì)組成。對于復(fù)合介質(zhì)，外加電場時，各電介質(zhì)在電場作用下都要發(fā)生極化,由于各電介質(zhì)介電常數(shù)不同，極化程度也不同，故介質(zhì)交界面積聚的異號電荷不相等,界面處呈現(xiàn)出極性。這種使夾層電介質(zhì)分界面上出現(xiàn)電荷積聚的過程叫做夾層式極化。如圖2—5所示。++++

夾層式極化的特點:圖2—5夾層式圖2—5夾層式極化到數(shù)十分鐘甚至數(shù)小時。③在夾層界面上產(chǎn)生電荷堆積,使等值電容增大。③在夾層界面上產(chǎn)生電荷堆積,使等值電容增大。（5）空間電荷極化電介質(zhì)中的正、負(fù)自由離子在電場作用下移動,積聚在電極附近的介質(zhì)界面上,形成空間電荷,這個過程叫做空間電荷極化?？臻g電荷極化的特點:①極化進(jìn)行得很緩慢。②極化過程需要消耗能量。③極化在頻率較低的電場中存在，高頻下空間電荷來不及移動,因而沒有這種極化現(xiàn)象。三各種電介質(zhì)的介電常數(shù)的特性表2—1 常用電介質(zhì)的介電常數(shù)材料類別名稱相對介電常數(shù)「（エ頻，20℃）氣體介質(zhì)）標(biāo)準(zhǔn)大氣空氣1.00058條件）液體弱極性變壓器油2.2?2.5介質(zhì)硅有機(jī)液體2.2?2.8極性藤麻油4.5氯化聯(lián)苯4.6?5.2強(qiáng)極性丙酮22酒精33水81固體中性或石蠟2.〇?2.5介質(zhì)弱極性聚苯乙烯2.5~2.6聚四氟乙烯2.〇?2.2松香2.5?2.6瀝青2.6?2.7極性纖維素6.5膠木4.5聚氯乙烯3.〇?3.5瀝青2.6?2.7離子性云母5?7電瓷5.5?6.5氣體介質(zhì)由于其密度很小,單位體積內(nèi)所含分子的數(shù)量很少，所以對于氣體無論它屬非極性介質(zhì)還是極性介質(zhì)，介電常數(shù)都很小，在工程應(yīng)用中可取￡,二1。液體介質(zhì)有非極性、極性和強(qiáng)極性之分,非極性液體介質(zhì)的叫在1.8?2.5之間,例如變壓器油等:極性液體介質(zhì)的の在3?6之間，例如庫麻油、氯化聯(lián)苯等:強(qiáng)極性液體介質(zhì)的￡）10,例如酒精、水等,它們的電導(dǎo)很大，不能用作絕緣材料。固體介質(zhì)分為非極性或弱極性介質(zhì)、極性介質(zhì)和離子性介質(zhì)，其へ在2?10之間。非極性或弱極性介質(zhì)如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等;極性介質(zhì)如酚醛樹脂、聚氯乙稀等;離子性介質(zhì)如云母、陶瓷等。常用電介質(zhì)的相對介電常數(shù)見表2—1。四研究電介質(zhì)極化特性的意義(1)在制作電容器時,對于其中的絕緣材料,在保證一定絕緣強(qiáng)度的情況下,選取へ大的材料作為電容器的介質(zhì)，這樣可使電容器單位電容量的體積和重量減小。(2)對于其它電氣設(shè)備,應(yīng)選擇の小的材料作為絕緣介質(zhì),例如選用へ小的材料作為交流電カ電纜的絕緣可減小電纜工作時的充電電流以及極化引起的發(fā)熱損耗。(3)多種電介質(zhì)組成復(fù)合絕緣時，各個電介質(zhì)承受的電場強(qiáng)度與它們的の成反比，這種情況下要注意各絕緣介質(zhì)の值的配合，使電場強(qiáng)度盡量均勻分布。2.1.2電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的基本功能是絕緣，將不同電位的導(dǎo)體隔開。理想的絕緣是不導(dǎo)電的，但這種‘‘不導(dǎo)電”并非絕對不導(dǎo)電，而只是導(dǎo)電性很差。在電介質(zhì)內(nèi)部或多或少存在帶電粒子，它們在電場作用下會不同程度地作定向移動而形成電流,這就是電介質(zhì)的電導(dǎo)。電介質(zhì)的電導(dǎo)可分為離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)。正、負(fù)離子沿電場方向移動,形成電導(dǎo)電流,這就是離子電導(dǎo)。自由電子在電場作用下移動形成電導(dǎo)電流,這就是電子電導(dǎo)。一般電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是離子電導(dǎo)。與導(dǎo)體的電導(dǎo)過程相比，電介質(zhì)的電導(dǎo)過程中所流過的電導(dǎo)電流非常小。表征電導(dǎo)大小的物理量是電導(dǎo)率ド,它是電阻率0的倒數(shù)。電介質(zhì)電導(dǎo)的特性如下:(1)電介質(zhì)導(dǎo)電的本質(zhì)與導(dǎo)體截然不同，導(dǎo)體導(dǎo)電依靠自由電子，而電介質(zhì)導(dǎo)電的載流子主要是離子。(2)電介質(zhì)電導(dǎo)受溫度的影響與導(dǎo)體完全相反,溫度升髙，電介質(zhì)中的離子熱運(yùn)動劇烈，在電場作用下作定向運(yùn)動的離子數(shù)量和速度增加,電導(dǎo)增大,所以電介質(zhì)的電導(dǎo)率隨溫度上升而增大，且按指數(shù)規(guī)律增大。而導(dǎo)體的情況則相反。一吸收現(xiàn)象先看ー個實驗現(xiàn)象。如圖2—6所示，在ー個固體電介質(zhì)上加直流電壓〃觀察流過電介質(zhì)電流的變化。當(dāng)開關(guān)K合上后，可以觀察到回路中流過一個微小的電流ズ,它隨時間逐漸衰減，最后達(dá)到某個穩(wěn)定值，這個現(xiàn)象稱為吸收現(xiàn)象。流過電介質(zhì)的電流ズ由三個分量組成，如圖2—7所示:圖2—7電介質(zhì)中的電流和時間的關(guān)系i=ic+ia+ig (2-4)其中,ス為電容電流,它存在的時間極短,很快衰減到零;，是由夾層極化、偶極子極化等極化過程產(chǎn)生的電流，稱為吸收電流,它隨時間衰減較緩慢;ル是由電介質(zhì)中的離子在電場作用下定向移動所形成的電流,稱為電導(dǎo)電流或泄漏電流，它是ー個恒定分量，不隨時間變化,數(shù)值非常小，為微安級。二絕緣電阻電介質(zhì)中流過的泄漏電流所對應(yīng)的電阻稱為介質(zhì)的絕緣電阻。r"し三討論電介質(zhì)電導(dǎo)的意義(1)在絕緣預(yù)防性試驗中，要通過測量絕緣電阻和泄漏電流來判斷絕緣是否受潮或存在其它劣化現(xiàn)象。(2)串聯(lián)的多層介質(zhì)在直流電壓下的穩(wěn)態(tài)電壓分布與各層介質(zhì)的電導(dǎo)成反比，所以在設(shè)計直流設(shè)備時,要注意介質(zhì)之間的配合，使絕緣材料得到合理充分的使用。(3)設(shè)計絕緣結(jié)構(gòu)時要考慮環(huán)境條件的影響，特別是濕度的影響，有些設(shè)備在潮濕天氣時由于受潮引起表面電導(dǎo)增大而無法升到額定電壓使用。(4)對于某些能量較小的髙壓電源，要注意減小絕緣材料的表面泄漏電流。(5)有些情況下希望減小絕緣電阻，例如在髙壓套管法蘭盤附近涂半導(dǎo)體釉,是為了減小此處的絕緣電阻,以改善套管的電壓分布。2.1.3電介質(zhì)的損耗從電介質(zhì)的極化和電導(dǎo)的基本知識可以得出，任何電介質(zhì)在電壓作用下都有能量損耗。電介質(zhì)在電場作用下會發(fā)生極化過程和電導(dǎo)過程,因此電介質(zhì)的能量損耗包括兩種,一種是由極化過程引起的損耗;另ー種是由電導(dǎo)引起的損耗。電介質(zhì)的能量損耗簡稱介質(zhì)損耗。極化損耗主要是指由極性介質(zhì)中的偶極子極化和復(fù)合介質(zhì)中的夾層式極化引起的損耗。在直流電壓下,由于極化過程僅在電壓施加后初始的很短時間內(nèi)存在，而沒有周期性的極化過程，因此在直流電壓下可以認(rèn)為不存在極化損耗；在交流電壓下,由于電介質(zhì)隨交流電壓極性的周期性改變而作周期性的正向極化和反向極化，極化過程始終存在于整個加壓過程中,因此就要引起能量損耗。極化損耗僅在交流電壓下存在。電導(dǎo)損耗是指在電場作用下由泄漏電流引起的能量損耗，由于泄漏電流與電壓的頻率無關(guān)，因此電導(dǎo)損耗在直流電壓和交流電壓下都存在。歸納起來，直流電壓僅存在電導(dǎo)損耗而無極化損耗。這時用電導(dǎo)率或電阻率已能表征介質(zhì)的損耗特性。所以直流電壓下不需要再引入介質(zhì)損耗的概念。而在交流電壓下，既有極化損耗又有電導(dǎo)損耗，就需要引入介質(zhì)損耗這一概念及相關(guān)的物理量來描述電介質(zhì)的損耗特性。-介質(zhì)損耗角正切tgS在交流電壓在下電介質(zhì)的等值電路如圖2—9所示。電介質(zhì)兩端施加交流電壓〃時，由于介質(zhì)中有極化損耗和電導(dǎo)損耗，所以電流，不是純粹的電容電流而是由三個分量組成:

(2—6)/=—(2—6)其中:ムー電容電流,/“一極化電流,ん一泄漏電流。流過電介質(zhì)的電流可進(jìn)ー步簡化成包含有功和無功兩個分量iR和ic即:(2-7)向量圖如圖2-11所示。ハム+ム(2-7)向量圖如圖2-11所示。等值電路也可進(jìn)ー步簡化成如圖2—10所示的形式。從向量圖看,電流與電壓的夾角〇是功率因數(shù)角，令功率因數(shù)角的余角為ざ,顯然“是ノ中的有功分量，其越大，說明介質(zhì)損耗越大，因此占角的大小可以反映介質(zhì)損耗的大小。于是把ズ角定義為介質(zhì)損耗角。由向量圖很容易看出：4圖2-11向量圖圖2-104圖2-11向量圖(2-8)介質(zhì)損耗功率為：P=UIcos(/)=UIctgb=U2a)Ctgb(2-9)可見介質(zhì)損耗功率戶與外加電壓〃的平方成正比,與電源頻率。成正比,與電容C成正比，與介質(zhì)損耗角的正切tgS成正比。用介質(zhì)損耗功率尸表示電介質(zhì)品質(zhì)優(yōu)劣很不方便,因為ア值與試驗電壓、試品尺寸等因數(shù)有關(guān)，不同試品間難以比較，而介質(zhì)損耗角正切是僅取決于材料的特性、與材料尺寸無關(guān)的物理量。所以用它來描述介質(zhì)的損耗特性非常方便,于是就定義介質(zhì)損耗角正切作為表征電介質(zhì)損耗程度的物理量。測量各種電氣設(shè)備絕緣的暗6值已成為絕緣預(yù)防性試驗的最重要項目之一。在表2-2中列出ー些常用絕緣材料的tgS值。表2-2常用絕緣材料的fg6值電介質(zhì)tgS/%電介質(zhì)tgS/%變壓器油0.05?0.5聚乙烯0.01-0.02蓮麻油1?3交聯(lián)聚乙烯0.02-0.05電瓷2?5聚苯乙烯0.01-0.03油浸電纜紙0.5-8聚四氣乙烯<0.02瀝青云母帶0.27聚氯乙烯5-10影響暗6的主要因素有:(1)溫度中性介質(zhì)和弱極性介質(zhì)的損耗主要由電導(dǎo)引起，所以溫度對暗ナ的影響與溫度對電導(dǎo)的影響相似,即隨溫度的升髙按指數(shù)規(guī)律增大。從圖2-12中還可以看出，當(dāng)頻率增高時階ざ的最大值出現(xiàn)在較高的溫度情況下，這是因為頻率高時偶極子來不及轉(zhuǎn)向，要使極化程度增大,就必須使分子間聯(lián)系的緊密程度降

低,因而要提高溫度,所以使整個曲線右移。(2)頻率當(dāng)頻率不太高時，隨頻率升高，偶極子轉(zhuǎn)向加快,極化程度增強(qiáng)，介質(zhì)損耗增大，所以情6隨頻率升高而增大;當(dāng)頻率超過某ー值。.，由于偶極子質(zhì)量的慣性及相互間的摩擦作用,使其來不及隨電壓極性的改變而轉(zhuǎn)向，因而極化程度減弱，極化損耗減小，所以tgS隨頻率升高而減小。如圖2—13所示。圖2—12圖2—12tgア和溫度的關(guān)系(3)外加電壓當(dāng)外加電壓不太高時，介質(zhì)中的損耗僅為極化損耗和電導(dǎo)損耗，損耗程度穩(wěn)定,暗6變化不大;當(dāng)外加電壓超過某ー值U?,介質(zhì)內(nèi)部存在的絕緣弱點或氣泡將發(fā)生局部放電,放電時產(chǎn)生帶電粒子需要電離能，放電時出現(xiàn)的光、聲、熱化學(xué)效應(yīng)等也要消耗能量，這種由局部放電造成的損耗稱為電離損耗，由于電離損耗的加入,整個介質(zhì)的損耗程度加大,迅速增大，如圖2—14所示。圖2—14tgざ圖2—14tgざ和電壓的關(guān)系在進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計時,必須注意絕緣材料的tg6值，如果過大而引起嚴(yán)重發(fā)熱,將使材料容易劣化，甚至可能導(dǎo)致熱不平衡發(fā)生熱擊穿，因此要盡可能選擇な6較小的材料。在絕緣預(yù)防性試驗中，階6值是ー個基本的測試項目，當(dāng)絕緣受潮或惡化時,暗ア會急劇增大，因此經(jīng)常監(jiān)測口ズ值并進(jìn)行對比,可判斷絕緣的狀況,及時發(fā)現(xiàn)問題。通過測量槍6ー〃的關(guān)系曲線,可判斷絕緣內(nèi)部是否發(fā)生了局部放電。用于沖擊測量的連接電纜，其絕緣的暗6必須很小，否則沖擊波在電纜中傳播時波形將發(fā)生嚴(yán)重畸變，影響測量精確度。作為絕緣材料，一般希望其喈6值小，但介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)發(fā)熱有時也可以利用，例如電瓷泥坯的陰干需要較長的時間，如果在泥坯兩端加上適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?則利用介質(zhì)損耗發(fā)熱來加速干燥過程。2.2液體電介質(zhì)的擊穿液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理主要可用電擊穿理論和氣泡擊穿理論加以解釋。電擊穿理論認(rèn)為液體分子由電子碰撞而產(chǎn)生電離，發(fā)生電子崩、導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿;而氣泡擊穿理論則認(rèn)為液體分子由電子碰撞而產(chǎn)生氣泡,或在電場作用下因其他原因產(chǎn)生氣泡,由氣泡內(nèi)的氣體放電而引起液體電介質(zhì)擊穿。(1)電擊穿理論對于純凈的液體電介質(zhì),在電場作用下，陰極上由于強(qiáng)電場發(fā)射或熱發(fā)射出來的電子

被加速,碰撞液體分子,使液體分子產(chǎn)生碰撞電離,形成電子崩。電流急劇增大而導(dǎo)致液體擊穿。(2)(小橋理論)工程實際中使用的液體電介質(zhì)不氣泡擊穿理可能是純凈的,不可避免地混入氣體(即氣泡)、水分、纖維等雜質(zhì),這些雜質(zhì)極易在電極間構(gòu)成放電通道，導(dǎo)致介質(zhì)擊穿。如果液體中含有氣泡,氣體的介電常數(shù)小于液體的 バへ＞ -—-ブ介電常數(shù)，在交流電場作用下，氣泡中的場強(qiáng)與液 (戸 ( )體介質(zhì)中的場強(qiáng)按各自的介電常數(shù)成反比分配，氣 ゝ7ーノ泡中場強(qiáng)較高，且氣泡的擊穿場強(qiáng)低，因此氣體中 圖2—15雜質(zhì)形成的“小橋”首先發(fā)生放電,放電產(chǎn)生的帶電粒子撞擊液體分子，使液體介質(zhì)分解，又產(chǎn)生氣體，使氣泡數(shù)量增多，逐漸形成易發(fā)生放電的氣泡通道，并逐步貫穿兩極,形成“小橋”，最后導(dǎo)致?lián)舸┰诖送ǖ乐邪l(fā)生。影響液體電介質(zhì)擊穿電壓的主要因素有:(1)液體電介質(zhì)的自身品質(zhì)液體電介質(zhì)的品質(zhì)取決于所含雜質(zhì)的多少，含雜質(zhì)越多，品質(zhì)越差，擊穿電壓越低。(2)溫度圖2—17 擊穿電壓與溫度的關(guān)系擊穿電壓與溫度的關(guān)系較復(fù)雜,隨液體介質(zhì)的品質(zhì)、電場的均勻程度、電壓形式的不同而不同。以變壓器油為例,干燥的變壓器油，擊穿電壓隨溫度升高而降低;對于受潮的變壓器油，當(dāng)溫度在ー5ビ以下時，由于溫度很低,油很稠,小橋排列困難，因此溫度越低,擊穿電壓越高;在0?60℃范圍內(nèi)，由于油中的懸浮狀態(tài)的水分隨溫度升高轉(zhuǎn)變?yōu)槿诮鉅顟B(tài)，擊穿電壓隨溫度升高而升高，并在溫度較高時擊穿電壓出現(xiàn)最大值，溫度更高時,油中所含水分開始?xì)饣?，圖2—17 擊穿電壓與溫度的關(guān)系(3)電壓作用時間由于加上電壓后，液體介質(zhì)中的雜質(zhì)聚集到電極間或介質(zhì)發(fā)熱等需要一定的時間,所以擊穿電壓隨加壓時間的增加而下降。(4)電場均勻程度液體介質(zhì)的純凈度較高時,改善電場的均勻程度能使工頻或直流電壓下的擊穿電壓明顯提高。對于品質(zhì)較差的液體介質(zhì),因雜質(zhì)的聚集和排列已使電場畸變，因而改善電場分布提高擊穿電壓的作用并不明顯。(5)壓カ無論電場均勻與否,工程上用的變壓器油在工頻電壓作用下,擊穿電壓隨壓力的增大而升高。因為壓カ增大時，氣體在油中的溶解度增大,氣泡數(shù)量減少，并且氣泡的局部放電起始電壓也提高。但是油經(jīng)過脫氣之后，壓カ對擊穿電壓的影響減少。提高擊穿電壓的途徑(1)清除雜質(zhì)(2)采用油和固體電介質(zhì)組合絕緣層;在曲率半徑小的電極上包纏較厚的固體絕緣層，它不但可以減小油中的雜質(zhì)的影響，而且本身還可以承受一定電壓，可降低電極附近的最大電場強(qiáng)度,大大提高整個間隙的擊穿電壓。屏障:在油間隙中放置尺寸較大的層壓紙或?qū)訅翰及迤琳?它既能阻止雜質(zhì)“小橋”的形成,又能改善電場分布,所以極不均勻電場中屏障的效果最顯著。2.3固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿電壓比氣體、液體電介質(zhì)高。固體電介質(zhì)一旦發(fā)生擊穿后，絕緣性能不可能恢復(fù),構(gòu)成永久性的破壞。因此固體絕緣屬非自恢復(fù)性絕緣。固體電介質(zhì)的擊穿有電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿等形式。2.3固體電介質(zhì)的擊穿固體電介質(zhì)的擊穿電壓比氣體、液體電介質(zhì)高。固體電介質(zhì)一旦發(fā)生擊穿后,絕緣性能不可能恢復(fù),構(gòu)成永久性的破壞。因此固體絕緣屬非自恢復(fù)性絕緣。固體電介質(zhì)的擊穿有電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿等形式。(1)電擊穿理論固體電介質(zhì)的電擊穿過程與氣體放電中的湯遜理論及液體的電擊穿理論相似,是以考慮在固體電介質(zhì)中發(fā)生碰撞電離為基礎(chǔ)的,不考慮由邊緣效應(yīng)、介質(zhì)劣化等原因引起的擊穿。在強(qiáng)電場作用下，固體電介質(zhì)內(nèi)部的帶電粒子劇烈運(yùn)動，吸收能量，撞擊固體分子，發(fā)生碰撞電離,形成電子崩。當(dāng)電子崩發(fā)展到足夠強(qiáng)時,破壞了固體電介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu),使電導(dǎo)增大而導(dǎo)致介質(zhì)擊穿。電擊穿的特點是:電壓作用時間短，擊穿電壓高，擊穿電壓與環(huán)境溫度無關(guān)，與電場均勻程度有密切關(guān)系，與電壓作用時間關(guān)系