氣體介質(zhì)的絕緣特性

氣體介質(zhì)的絕緣特性第1頁/共143頁帶電粒子的運動當氣體中存在電場時，粒子同時進行熱運動和沿電場定向運動。游離（電離）：外界以某種方式給處于某一能級軌道上的電子施加一定的能量，該電子就可能擺脫原子核的束縛成為自由電子。激發(fā)：電子向高一能級軌道的躍遷。游離能：產(chǎn)生游離需要的能量。自由行程：一個質(zhì)點在每兩次碰撞間自由地通過的距離。平均自由行程：眾多質(zhì)點自由行程的平均值。第2頁/共143頁1、碰撞游離電子或離子與氣體分子碰撞，將電場能傳遞給氣體分子引起游離的過程。碰撞游離條件：當電子從電場獲得的動能大于或等于氣體分子的游離能時，就可能使氣體分子分裂為電子或正離子

碰撞游離主要由電子和氣體分子碰撞所引起。氣體中，電子和離子的自由行程是它們和氣體分子發(fā)生碰撞的行程。由于電子尺寸和質(zhì)量比分子小得多，不易發(fā)生碰撞，故電子的平均自由行程比離子的大得多，在電場作用下加速運動易積聚足夠的動能。Wi為氣體分子的游離能第3頁/共143頁2、光游離由光輻射引起氣體分子游離的過程光游離產(chǎn)生的電子稱為光電子來源：x射線、γ射線、宇宙射線、紫外線等異號帶電質(zhì)點復合成中性質(zhì)點釋放出光子條件：激勵態(tài)分子回復到正常態(tài)釋放出光子3、熱游離本質(zhì)：氣體分子熱狀態(tài)引起的碰撞游離和光游離的綜合。

常溫下，氣體分子發(fā)生熱游離概率極小。當t>10000K時，才需考慮熱游離；當t>20000K時，幾乎全部的分子都處于熱游離狀態(tài)第4頁/共143頁

以上三種游離發(fā)生在氣體空間中，故也稱為空間游離4、氣體中金屬表面游離含義：形式：金屬陰極表面發(fā)射電子的過程。

氣體中的主要游離形式為碰撞游離正離子碰撞陰極表面；短光波照射；強場發(fā)射；熱電子發(fā)射；第5頁/共143頁二、帶電質(zhì)點的消失作用：既促進又阻礙放電的進行

都以光子的形式放出多余的能量。一定條件下會導致其他氣體分子產(chǎn)生光游離，使氣體放電階躍式發(fā)展。電子復合和離子復合：作用：阻礙放電發(fā)生1、復合2、擴散正離子和負離子或電子相遇時，發(fā)生電荷的傳遞而相互中和還原為分子的過程。3、進入電極作用：阻礙放電發(fā)展帶電質(zhì)點從濃度較大區(qū)域轉(zhuǎn)移到濃度較小區(qū)域的性質(zhì)在外電場作用下，氣隙中的正、負電荷分別向兩電極定向移動的現(xiàn)象第6頁/共143頁三、空氣間隙的擊穿過程由于受各種電離因素的影響，空氣間會產(chǎn)生少量帶電粒子。在電場的作用下，這些帶電質(zhì)點沿電場方向運動。在一定條件下會形成電子崩和流注。1.碰撞游離空氣間隙中，處于電場中的帶電質(zhì)點，在電場力的作用下，在電場中運動。與中性質(zhì)點發(fā)生碰撞產(chǎn)生新的自由電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為碰撞游離。碰撞游離是氣體放電過程中產(chǎn)生帶電質(zhì)點的重要來源。在氣體放電過程中，碰撞電離主要是由自由電子與氣體分子（或原子）相碰撞而引起的。第7頁/共143頁2.電子崩（湯遜理論）(a)

電子崩的形成(b)

帶電離子在電子崩中的分布外界游離因子在陰極附近產(chǎn)生一個初始電子，如果空間電場強度足夠大，該電子在向陽極運動時就會引起碰撞游離，產(chǎn)生一個新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運動，又會引起新的碰撞游離，產(chǎn)生更多電子。依此電子將按照幾何級數(shù)不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為電子崩。第8頁/共143頁3.非自持放電和自持放電電子崩發(fā)展到陽極，其崩頭的電子進入陽極中和，崩體內(nèi)的正離子在電場作用下向陰極運動。若氣隙上的電壓較低，場強較小，則正離子撞擊陰極板時從陰極逸出的電子將全部和正離子復合，陰極表面游離不出自由電子。此時若取消外界游離因素，氣隙中將沒有產(chǎn)生新電子崩的電子，放電會停止。此即是非自持放電。若氣隙上的電壓達到其臨界擊穿電壓，則由于正離子的動能大，撞擊陰極表面時就能使其逸出自由電子，此時即使取消外界游離因素，陰極表面游離出的電子可彌補原來發(fā)展電子崩的那個電子，產(chǎn)生新的電子崩，使放電繼續(xù)進行下去。此即是自持放電。第9頁/共143頁自持放電條件：物理意義：一個從陰極出發(fā)的起始電子發(fā)展電子崩到陽極后，崩中的個正離子向陰極碰撞時，只要至少能從陰極撞擊出一個自由電子來，放電就可轉(zhuǎn)入自持。如自持放電條件滿足時，會形成下圖的閉環(huán)部分：第10頁/共143頁1.將電子崩和陰極上的γ過程作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎。2.湯遜理論的實質(zhì)是：電子碰撞游離是氣體放電的主要原因，二次電子來源于正離子撞擊陰極表面使陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。3.陰極逸出電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)?？偨Y(jié)：第11頁/共143頁

湯遜理論的適用范圍湯遜理論是在低氣壓δd較小條件下建立起來的，pd過大，湯遜理論就不再適用；pd過大時（氣壓高、距離大）湯遜理論無法解釋：放電時間：很短放電外形：具有分支的細通道擊穿電壓：與理論計算不一致陰極材料：無關(guān)湯遜理論適用于δd<0.26cm第12頁/共143頁4.高氣壓下均勻場自持放電的流注理論以自然界的雷電為例，它發(fā)生在兩塊雷云之間或雷云與大地之間，這時不存在金屬陰極，因而與陰極上的γ過程和二次電子發(fā)射根本無關(guān)。氣體放電流注理論以實驗為基礎，考慮了高氣壓、長氣隙情況下不容忽視的若干因素對氣體放電的影響，主要有以下方面：

空間電荷對原有電場的影響

空間光游離的作用第13頁/共143頁（1）空間電荷對原有電場的影響電子崩頭部聚集大部分正離子和全部電子，產(chǎn)生了電場畸變；崩頭前方和后方處電場增強，崩頭內(nèi)部正、負電荷交界處出現(xiàn)一弱電場區(qū)，此處電子和離子濃度最大，有利于完成復合；強烈的復合輻射出許多光子，成為引發(fā)新的空間光游離輻射源。電場加強區(qū)域（崩頭前方附近）利于分子的激發(fā)，易放出光子。第14頁/共143頁（2）空間光游離的作用考慮初始電子崩頭部成為輻射源，會向氣隙空間各處發(fā)射光子而引起光游離。如圖所示：如果這時產(chǎn)生的光子位于崩頭前方和崩尾附近的強場強區(qū)，則造成的二次電子崩將以更大的游離強度向陽極發(fā)展或匯入崩尾的正離子群中。這些游離強度和發(fā)展速度遠大于初始電子崩的二次電子崩不斷匯入初崩通道的過程稱為流注。

流注形成過程示意圖第15頁/共143頁（3）流注的形成和發(fā)展示意圖a、起始電子發(fā)生碰撞游離形成初始電子崩；b、初崩發(fā)展到陽極，正離子作為空間電荷畸變原電場，加強正離子與陰極間電場，放射出大量光子；c、光游離產(chǎn)生二次電子，在加強的局部電場作用下形成二次崩；第16頁/共143頁d、二次崩電子與正空間電荷匯合成流注通道，其端部又有二次崩留下的正電荷，加強局部電場產(chǎn)生新電子崩使其發(fā)展；e、流注頭部游離迅速發(fā)展，放射出大量光子，引起空間光游離，流注前方出現(xiàn)新的二次崩，延長流注通道；f、流注通道貫通，氣隙擊穿。第17頁/共143頁流注發(fā)展過程概述4、形成流注的條件電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷足以使原電場明顯畸變，大大加強電子崩崩頭和崩尾處的電場；電子崩中電荷密度很大，所以復合頻繁，放射出的光子在這部分很強電場區(qū)很容易成為引發(fā)新的空間光游離的輻射源，二次電子主要來源于空間光游離；氣隙中一旦形成流注，放電就可由空間光游離自行維持。形成流注的必要條件是：初始電子崩（電子崩頭部電子數(shù)達到一定數(shù)量）→電場畸變和加強→電子崩頭部正負空間電荷復合→放射大量光子→光游離→崩頭處二次電子（光電子）→（向正空間電荷區(qū)運動）碰撞游離→二次電子崩→（二次電子崩電子跑到初崩正空間電荷區(qū)域）流注第18頁/共143頁流注自持放電條件：初崩頭部電子數(shù)要達到108時，放電才能轉(zhuǎn)為自持，出現(xiàn)流注。第19頁/共143頁2.1.2均勻電場中氣體間隙擊穿電壓與氣體密度的關(guān)系1.氣體間隙擊穿電壓與氣體密度的關(guān)系在均勻電場中，氣體間隙的擊穿電壓與氣體密度有關(guān)，因而與壓力有關(guān)。當溫度不變壓力變化時，氣體密度發(fā)生變化，壓力升高密度增大，電子向陽極運動的過程中，容易與分子發(fā)生碰撞，每兩次碰撞的自由行程縮短。行程短，動能不足，不容易游離。擊穿電壓會升高；反之，氣體密度小，雖然碰撞次數(shù)減少，但行程大大增加。容易游離，擊穿電壓降低。但如果氣體過于稀薄，即真空狀態(tài)。碰撞次數(shù)大大減少。擊穿電壓也會升高。2.巴申定律當氣體和電極材料一定時，氣隙的擊穿電壓(Ub)是氣壓(p)(或氣密）和氣隙距離(d)乘積的函數(shù)，即Ub=f(δd)。第20頁/共143頁1、巴申曲線巴申曲線表明，改變極間距離d的同時，也相應改變密度δ而使δd的乘積不變，則極間距離不等的氣隙擊穿電壓卻彼此相等。2、定性分析(1)d一定時：a、δ較小時：↓δ→碰撞次數(shù)進一步↓→有效碰撞次數(shù)↓→Ub↑第21頁/共143頁

由此分析可知：當極間距離d不變時提高氣壓或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓。這一概念具有十分重要的實用意義。工程應用：壓縮空氣開關(guān)、真空開關(guān)等(2)δ一定時a、d較小時：進一步↓d（與差不多）→碰撞次數(shù)少→無足夠的碰撞次數(shù)→Ub↑b、d較大時：↑d→E↓→不易游離→Ub↑意義：減小或增大d，都能使擊穿電壓提高。

↑δ→平均自由行程↓→碰撞次數(shù)↑，不易積累足夠游離能(只碰撞不游離)→有效碰撞次數(shù)↓→Ub↑b、δ較大時：第22頁/共143頁2.1.3電場是否均勻?qū)諝忾g隙擊穿電壓的影響

氣體間隙的擊穿電壓與電場是否均勻有關(guān)。在標準大氣壓下，溫度為20℃時，均勻電場中空氣間隙的擊穿場強大約為30kV/cm（峰值）。直流擊穿電壓和工頻擊穿電壓幅值接近相等。不均勻電場中空氣間隙的擊穿電壓大大下降，具體數(shù)據(jù)還與電極形狀、間隙長短、作用電壓種類（直流、交流、沖擊電壓）有關(guān)。如果是直流和沖擊電壓，還要考慮極性效應的影響。如不均勻電場的間隙大于50cm時，負極性的直流擊穿電壓（負極施壓，正極接地）平均擊穿場強約為10kV/cm，而正極性的直流擊穿場強平均約為4.5kV/cm，與均勻電場的擊穿場強30kV/cm相比，小的多。第23頁/共143頁持續(xù)電壓作用下的空氣擊穿一、均勻電場中的擊穿電壓特點1、電場對稱，擊穿電壓無極性效應。2、各處場強相等，擊穿前無電暈發(fā)生，起始放電電壓等于擊穿電壓。3、擊穿所需時間短，擊穿電壓（峰值）基本相同，分散性小。二、稍不均勻電場的擊穿電壓特點1、擊穿電壓有極性效應，但不明顯。2、擊穿前有電暈發(fā)生，不穩(wěn)定，一出現(xiàn)電暈，立即導致整個間隙擊穿。3、放電發(fā)展所需時間短，分散性不大。三、極不均勻電場的擊穿電壓特點1、存在局部電場區(qū)，擊穿前有穩(wěn)定的電暈，間隙的起始放電電壓小于擊穿電壓。2、有明顯的極性效應。3、放電發(fā)展所需時間長，擊穿電壓分散性很大。第24頁/共143頁2.1.4極不均勻場中氣體的擊穿過程放電特點：1、電暈放電2、極性效應一、電暈放電1、定義：電場極不均勻時，在大曲率電極附近空間局部場強首先達到引起強烈游離的數(shù)值，使其附近很薄一層空氣中形成自持放電，產(chǎn)生薄薄的淡紫色發(fā)光層。該放電僅局限在大曲率電極周圍很小范圍內(nèi)，而整個氣隙尚未擊穿，這種現(xiàn)象即為電暈放電。

剛開始出現(xiàn)電暈時的電壓稱為電暈起始電壓或起暈電壓第25頁/共143頁電暈放電的起始電壓一般用經(jīng)驗公式來推算，流傳最廣的是皮克公式，電暈起始場強近似為：

2、特點：電暈放電是極不均勻電場特有的自持放電形式，電暈起始電壓低于擊穿電壓，電場越不均勻其差值越大。危害：電暈放電引起光、聲、熱等效應使空氣發(fā)生化學反應，不但消耗能量，還產(chǎn)生臭氧和氧化氮等有害氣體，腐蝕金具和有機絕緣物。壞天氣要比好天氣時的電暈損耗大得多。電暈放電中，由于電子崩和流注不斷消失、出現(xiàn)造成的放電脈沖會產(chǎn)生高頻電磁波，對無線電和廣播產(chǎn)生干擾。電暈放電還會產(chǎn)生可聞噪聲。第26頁/共143頁有利方面：降低輸電線上的雷電或操作沖擊波的幅值和波前陡度。電暈放電還在除塵器、靜電噴涂裝置、臭氧發(fā)生器等工業(yè)設施中得到廣泛應用。某些場合可改善電場分布。消除方法：改進電極形狀，減小電極曲率；如電極采用大尺寸球面，超高壓線路采用擴徑導線等。二、極性效應1、定義：電極形狀不對稱的極不均勻場中，大曲率電極極性不同時，間隙的擊穿電壓和起暈電壓各不相同。即：Ub(-→|+)>Ub(+→|-)第27頁/共143頁2、分析：下面以電場極不均勻的“棒－板”氣隙為例，從流注的概念出發(fā)，說明放電的發(fā)展過程和極性效應。(a)正尖——負板電子崩頭部的電子到達棒極后即將被中和，留在棒極附近的為正空間電荷。這些正離子向陰極移動速度很慢而暫留在棒極附近。它們削弱了棒極附近的電場，棒極附近難以形成流注，自持放電難以實現(xiàn)，故起暈電壓較高。而它們同時加強了朝向極板的電場，促進放電向前發(fā)展，故放電電壓較低。第28頁/共143頁(b)負尖——正板電子崩將由棒極表面出發(fā)向極板發(fā)展，崩頭的電子在離開強場（電暈）區(qū)后，不再引起碰撞游離，但仍繼續(xù)往板極運動，并大多形成負離子，負空間電荷濃度小，對電場影響不大。留在棒極附近是大批正離子，它們將加強棒極表面附近的電場，容易形成自持放電，所以其起暈電壓較低。間隙深處的電場被消弱，使流注不易向前發(fā)展，間隙的擊穿電壓要比正極性時高得多。

第29頁/共143頁工程實際中，輸電線路外絕緣和高壓電器的外絕緣都屬于極不均勻電場分布，在交流電壓下的擊穿都發(fā)生在正半波；因此考核絕緣沖擊特性時應施加正極性的沖擊電壓。三、極不均勻場放電特點

無論尖極極性如何，放電總是從尖極開始尖極附近總是留下空間電荷存在極性效應：Ub-→|+>Ub+→|-

第30頁/共143頁2.1.5雷電沖擊電壓下氣體的擊穿

一、沖擊波形及特點沖擊波：①雷電沖擊②操作沖擊標準雷電波：IEC和國標規(guī)定：T1=1.2μs±30％T2=50μs±20%一般寫為±1.20/50特點：高幅值、高陡度、短時間標準雷電沖擊電壓波T1——視在波前時間T2——視在半峰值時間第31頁/共143頁二、沖擊放電特點

足夠大的電場強度或足夠高的電壓。在氣隙中存在能引起電子崩并導致流注和主放電的有效電子。需要有一定的時間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿。1、完成氣隙擊穿的三個必備條件：第32頁/共143頁總放電時間tb=t0＋ts＋tf2、放電時間的組成：t1＝ts＋tf稱為放電時延t0－氣隙在持續(xù)電壓下的擊穿電壓為U0，為所加電壓從0上升到U0的時間；完成擊穿所需放電時間很短（微秒級）：直流電壓、工頻交流等持續(xù)作用的電壓，滿足上述三個條件不成問題；當所加電壓為變化速度很快、作用時間很短的沖擊電壓時，因有效作用時間短，放電時間就變成一個重要因素。第33頁/共143頁ts－從電壓達到U0瞬時起到氣隙中出現(xiàn)第一個有效電子為止的時間稱為統(tǒng)計時延。tf－出現(xiàn)有效電子后，引起碰撞游離，形成電子崩，發(fā)展到流注和主放電，最后完成氣隙擊穿需要的時間，稱為放電形成時延。短氣隙中（1cm以下），特別是電場均勻時，tf<<ts，放電時延主要取決于ts。為減小ts：可提高外施電場使氣隙中出現(xiàn)有效電子的概率增加可采用人工光源照射，使陰極釋放出更多的電子較長氣隙時，放電時延主要決定于tf，且電場越不均勻，tf越大。沖擊放電特點：

具有放電時延；Ub>U0

第34頁/共143頁三、伏秒特性對雷電沖擊電壓來說，電壓變化速度極快，在電壓達到靜態(tài)擊穿電壓后的放電時延內(nèi)，電壓變化較大，擊穿電壓高于靜態(tài)擊穿電壓；且擊穿電壓隨時間而變。當擊穿過程中加在間隙上的電壓隨時間變化時，擊穿電壓指間隙上的最高電壓。對持續(xù)電壓來說，電壓變化比放電發(fā)展的速度慢得多，電壓達到靜態(tài)擊穿電壓后，可認為電壓基本不變，所以擊穿電壓就等于靜態(tài)擊穿電壓。第35頁/共143頁沖擊擊穿特性最好用電壓和時間兩個參量來表示，這種在“電壓－時間”坐標平面上形成的曲線，通常稱為伏秒特性曲線，它表示對某一沖擊電壓波形，該氣隙的沖擊擊穿電壓與擊穿時間的關(guān)系。1、伏秒特性及伏秒特性曲線它可全面反映間隙在沖擊電壓下的擊穿特性。2、伏秒特性曲線的測定第36頁/共143頁

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t。當電壓不很高時擊穿一般發(fā)生在波尾；當電壓較高時，擊穿百分比將達100％，放電時延大大縮短，擊穿一般發(fā)生在波前。當擊穿發(fā)生在波前時，U與t均取擊穿時的值；當擊穿發(fā)生在波尾時，U取波峰值，t取擊穿時間值。第37頁/共143頁實際的伏秒特性曲線如下圖所示，是以上、下包絡線為界的帶狀區(qū)域。3、伏秒特性與電場的關(guān)系隨著時間的延伸，一切氣隙的伏秒特性都趨于平坦，但特性曲線變平的時間卻與氣隙的電場形式有較大關(guān)系：

極不均勻電場：平均擊穿場強低，放電時延長，曲線上翹；

均勻、稍不均勻電場：無弱場強區(qū)，平均擊穿場強高，放電時延短，曲線平坦。電場越均勻，“V-S”越平。

第38頁/共143頁4、伏秒特性的應用

電氣設備的絕緣配合要求①曲線盡量相似②力求平坦

因此在避雷器等保護裝置中，保護間隙采用均勻電場，確保在各種電壓下保護裝置伏秒特性低于被保護設備。第39頁/共143頁四、50％沖擊擊穿電壓伏秒特性雖能全面反映間隙在沖擊電壓下的擊穿特性，但求取繁瑣。在工程實際中常采用50％沖擊擊穿電壓（U50%）來表征氣隙的基本沖擊擊穿特性。定義：在多次施加某一波形和峰值一定的沖擊電壓時，間隙被擊穿概率為50％時的擊穿電壓。實際中，施加10次電壓中有4-6次擊穿了，這一電壓即可認為是50％沖擊擊穿電壓。特點：與電場均勻度有關(guān)第40頁/共143頁(2)在極不均勻電場中，由于放電時延較長，其沖擊系數(shù)

(1)在均勻和稍不均勻場中，擊穿電壓分散性小。沖擊系數(shù)，擊穿電壓分散性也較大。第41頁/共143頁2.1.6影響氣體間隙擊穿電壓的因素1、氣體狀態(tài)對擊穿電壓的影響氣壓和溫度（影響密度）對擊穿電壓有重要的影響。濕度對氣體間隙的擊穿電壓也有一定的影響。濕度增大，氣體間隙的擊穿電壓增高。因為隨著濕度的增大，空氣中的水分增加，電子與水分子發(fā)生碰撞的機會增多，水分子捕獲自由電子形成負離子增多。加強復合的作用，因而對氣體中的放電過程起到抑制的作用，擊穿電壓增高。第42頁/共143頁2、電壓作用時間（電壓波形）對擊穿電壓的影響電壓作用時間與電壓的波形有關(guān)。工頻電壓、沖擊電壓和直流電壓的波形都不同。沖擊電壓的雷電沖擊和操作沖擊其波前時間和半峰值時間也都不同。在均勻電場中，空氣間隙的雷電沖擊擊穿電壓比工頻擊穿電壓高的多。但是對于操作沖擊電壓，如果其波前時間與對應的空氣間隙距離相比較，正好處于臨界波前時間的數(shù)值附近，則操作沖擊電壓可能低于工頻擊穿電壓的幅值。在極不均勻場中，棒為正極時，直流擊穿電壓等于工頻擊穿電壓。棒為負極時，直流擊穿電壓高于工頻擊穿電壓，工頻擊穿一般發(fā)生在棒極電壓處于正半波時。第43頁/共143頁3、電壓的極性對擊穿電壓的影響均勻電場的空氣間隙，其擊穿電壓與電壓極性無關(guān)。稍不均勻電場或極不均勻電場中的棒—棒間隙，由于電極對稱，因此擊穿電壓也與電壓極性無關(guān)。對于極不均勻電場中的棒—板間隙，空氣間隙的直流或沖擊擊穿電壓與棒極的極性有關(guān)，一般是負極性放電電壓高。第44頁/共143頁4、電場的均勻程度對擊穿電壓的影響電場的均勻程度對空氣間隙的擊穿特性有很大影響。電場越均勻，擊穿電壓越高。電場是否均勻還可以根據(jù)間隙擊穿前電極附近是否存在穩(wěn)定的電暈放電來區(qū)分：在均勻中，電極附近不會存在穩(wěn)定的電暈放電。如果電壓升高，電極附近首先出現(xiàn)穩(wěn)定的電暈放電，在繼續(xù)升高電壓后，間隙才被擊穿，則稱為極不均勻電場。如果電場不均勻，但還還不存在穩(wěn)定的電暈放電，電暈一旦出現(xiàn)，間隙立刻擊穿，則稱為稍不均勻電場。

第45頁/共143頁5、電極材料和光潔度對擊穿電壓的影響氣體間隙的擊穿電壓還與電極材料的種類和電極的種類和電極的光潔度有關(guān)。如不銹鋼電極和鋁制電極在其他條件都相同時，間隙的擊穿電壓也不一樣。鋁電極表面容易發(fā)射電子，擊穿電壓較低，不銹鋼電極的空氣間隙擊穿電壓略高。新電極表面會存在小毛刺，因此需進行老練處理，通過對電極加壓老練處理，除去電極表面的小毛刺后，不僅提高間隙的擊穿電壓，而且擊穿電壓的分散性減小。

第46頁/共143頁6、不同氣體種類對擊穿電壓的影響氣體的種類不同，氣體間隙的擊穿電壓也不同。特別是某些含鹵族元素的氣體，如六氟化硫、二氯二氟二碳和四氟化碳等，在一切條件都相同的條件下，其擊穿電壓比空氣高幾倍，稱為高強度氣體。因為它們的分子尺寸大，而且具有很強的負電性。由于分子尺寸大，電子在運動時自由行程短，運動的電子不易發(fā)生碰撞游離，由于有很強的負電性，中性分子容量吸附電子變?yōu)樨撾x子，對復合有利，也使氣體擊穿電壓提高。

第47頁/共143頁提高氣體擊穿電壓的措施1、改善氣隙中的電場分布，使其盡可能均勻1）改進電極形狀；2）利用空間電荷畸變電場；2、設法削弱和抑制氣體介質(zhì)中的游離過程為縮小電力設施的尺寸，希望將氣隙長度或絕緣距離盡可能取小一些，為此就應采取措施提高氣體介質(zhì)的電氣強度。從實用角度出發(fā)，要提高氣隙的Ub不外乎采用兩條途徑：幻燈片22幻燈片231）高氣壓的采用；2）高真空的采用；3）高電氣強度氣體（SF6）的采用幻燈片24幻燈片25幻燈片26第48頁/共143頁增大電極曲率半徑；消除電極表面毛刺；消除電極表面尖角電場分布越均勻，氣隙的平均擊穿場強也就越大。因此，可以通過改進電極形狀的方法來減小氣隙中的最大電場強度，以改善電場分布，提高氣隙的擊穿電壓。如：第49頁/共143頁極不均勻電場中間隙被擊穿前先發(fā)生電暈現(xiàn)象，所以在一定條件下，可以利用放電產(chǎn)生的空間電荷來改善電場分布，提高擊穿電壓。

在極不均勻電場中，放入薄片固體絕緣材料，在一定條件下可以顯著提高間隙的擊穿電壓。

屏障的作用取決于它所攔住的與電暈電極同號的空間電荷，這樣就能使電暈電極與屏障之間的空間電場強度減小，從而使整個氣隙的電場分布均勻化。例：導線與平板間隙中，導線直徑很小時，導線周圍容易形成比較均勻的電暈層，由于電暈層比較均勻，電場分布改善，提高了擊穿電壓。第50頁/共143頁例：正尖—負板電場中設置屏障后，正離子將在屏障上集聚，由于同號排斥作用，正離子沿屏障表面均勻分布，從而在屏障前方形成較均勻的電場，改善了電場分布，提高了擊穿電壓。屏障離棒極越近，比較均勻電場占整個間隙的比例越大，棒極與屏障間電場越小，擊穿電壓越高，當過分靠近棒極屏障上電荷分布很不均勻，屏障前方又將出現(xiàn)極不均勻電場，擊穿電壓又會降低。第51頁/共143頁但當棒為負極性時，即使屏障放在最有利的位置，也只能略微提高氣隙的擊穿電壓(例如20％)，而在大多數(shù)位置上，反而使擊穿電壓有不同程度的降低。第52頁/共143頁采用高氣壓可以減少電子的平均自由行程，削弱游離過程，提高擊穿電壓。均勻電場中，當氣體的壓力在1MP以下，擊穿電壓隨氣壓的增大線性增大，氣壓更高時，擊穿電壓增大速度變緩。不均勻電場中增高氣壓也可以提高擊穿電壓，但效果不如均勻電場顯著。高氣壓下應盡可能改進電極形狀，改善電場分布，電極應仔細加工光潔，氣體要過濾（濾去塵埃和水份）處理。第53頁/共143頁在高真空中，電子的平均自由行程遠大于極間距離，使碰撞游離幾乎不可能實現(xiàn)，從而顯著提高間隙擊穿電壓。在電氣設備中氣、液、固等幾種絕緣材料往往并存，而固體、液體等絕緣材料在高真空下會逐漸釋放出氣體，因此電氣設備中實際使用高真空的還很少。只有在真空斷路器等特殊場合下才采用高真空作為絕緣材料。第54頁/共143頁高電氣強度（強電負性）氣體，①其電子附著效應大大減弱碰撞游離過程；②分子量、直徑大，自由行程?。虎叟鲎惨鸱肿訕O化反應，能量損失。SF6具有較高的耐電強度和很強的滅弧性能（為空氣的100倍）而被廣泛應用于大容量高壓斷路器、高壓充氣電纜、高壓電容器、高壓充氣套管、以及全封閉組合電器中。SF6電氣設備尺寸大大縮小，且不受氣候影響，但造價高，而且它是對臭氧層有破壞作用的溫室氣體。第55頁/共143頁2.1.7SF6氣體的特性目前，六氟化硫氣體在66kV及以上電壓等級的開關(guān)設備中應用十分普遍，幾乎替代了礦物油。在10—35kV的中壓設備中也日益推廣使用。1.SF6氣體的電氣強度與氣體壓力和棒極極性的關(guān)系SF6氣體在普通狀態(tài)下是無色、無味、無毒、不燃、不助燃的惰性氣體。密度為空氣的5倍。在均勻電場中，同為一個大氣壓時，電氣強度為空氣2.3—3倍。SF6充氣設備一般在適當?shù)某錃鈮毫ο拢@樣可以獲得需要的電氣強度。如壓力在0.3MPa時絕緣強度與變壓器油相當。如果電場不均勻則影響這一效果。因此，SF6電氣設備在結(jié)構(gòu)設計時要特別注意盡可能避免出現(xiàn)極不均勻電場情況。另外，SF6氣體棒極為負時，起暈電壓低，擊穿電壓也低，故其絕緣水平按負極性電壓決定。第56頁/共143頁2.SF6氣體的液化特性20℃時表壓為0.1MPa時的SF6氣體，-63℃時液化。如果壓力為0.45MPa，則對應的液化穩(wěn)定為-40℃.壓力愈高，液化溫度愈高。電氣設備使用SF6時要防止出現(xiàn)液化。因此要根據(jù)當?shù)貧庀髼l件可能出現(xiàn)的最低溫度選擇合適的壓力。在我國北方戶外使用的SF6充氣設備其壓力明顯低于戶內(nèi)設備。因為冬季戶內(nèi)有采暖設備。如果在戶外，使用壓力又較高，則需采取加熱措施。3.SF6氣體的滅弧性能SF6氣體的另一特性是具有優(yōu)良的滅弧性能，故非常適用于高壓斷路器中。當斷路器觸頭間出現(xiàn)電弧時，由于弧柱邊界區(qū)的導熱率高，使電弧變得纖細，容易熄滅，SF6的滅弧性能是同等條件下的空氣的100倍。第57頁/共143頁4.SF6氣體分解物的毒性純凈的SF6氣體是無毒的，但是在水分和電弧的作用下，會產(chǎn)生水解，形成有毒或有腐蝕性的物質(zhì)。因此，必須采取適當?shù)奈絼┫趾陀泻﹄s質(zhì)，并做好電氣設備的密封處理，加強漏氣檢查的氣體含水量監(jiān)測。2.1.8氣體放電的不同形式根據(jù)氣體的壓力，電極形狀和電場強度的不同，氣體放電可以具有多種不同形式。1.輝光放電輝光放電的特點是放電電流密度較小，放電區(qū)域通常占據(jù)放電電極的整個空間。霓虹管中的放電就是輝光放電。在一密閉的放電管中，對其抽真空，以降低氣體壓力。然第58頁/共143頁后在放電管的電極間施加某一可調(diào)電壓，并在回路中串入較大電阻，以控制電源功率。當外施電壓升高某一數(shù)值時，回路中電流突然明顯著增加（mA級），管內(nèi)出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象。這就是輝光放電。管中充氣體不同。發(fā)光顏色也不同。2.電弧放電電弧放電的特點是電流密度極大，溫度極高，具有耀眼而細長的放電弧道電阻很小，具有短路的性質(zhì)。在上面所說的輝光放電例子中，如果逐漸取消抽真空，并逐漸取消回路中所串聯(lián)的電阻，則放電管中的放電通道逐漸收細，越來越亮，電流急劇增大，放電不再占滿整個空間。這時回路的電阻很小，電流很大，形成電弧放電。第59頁/共143頁

實際上，在普通大氣壓下，氣體擊穿后總是形成收細的發(fā)光放電通道，即形成電弧放電。而不是輝光放電。3.火花放電如果放電回路的阻抗很大，限制了放電電流，則電極間空氣間隙的放電時斷時續(xù)，出現(xiàn)斷續(xù)的明亮火花，稱為火花放電。出現(xiàn)這種情況是因為間隙擊穿后電流突然增大，這就使外電路阻抗上的電壓降也突增，從而使放電間隙上的電壓突降，火花不能維持而熄滅?；鸹ㄏ绾?，電流突降，外電路阻抗上的壓降也突降，使放電間隙上的端電壓又突增，間隙再次擊穿，形成續(xù)斷的火花放電。第60頁/共143頁4.電暈放電如果空氣間隙的兩個電極間距離較遠，其中至少有一個電極的曲率半徑又很小，當受電壓作用電場極不均勻，在電極附近的電場強度最強。這時隨著電壓的升高，僅靠電極的電場最強處會出現(xiàn)空氣游離，產(chǎn)生發(fā)光層，有微小電流，電壓升高，發(fā)光層擴大，這種現(xiàn)象稱為電暈。電暈放電特點是電場極不均勻，在電極附近強電場處出現(xiàn)的局部空氣游離發(fā)光現(xiàn)象，電流很小，整個空氣間隙并未擊穿，仍能受住電壓的作用第61頁/共143頁5.刷狀放電當空氣間隙發(fā)生電暈放電時，如果電壓繼續(xù)升高到一定程度時，會從電暈電極伸展出許多明亮的細小放電通道，這種現(xiàn)象稱為刷狀放電，如升高電壓，則整個間隙會出現(xiàn)擊穿放電，形成電弧或火花放電，具體形成哪種放電，由電源容量和回路阻抗決定。電力系統(tǒng)的架空線路和電氣設備的外絕緣一般采用大氣作為絕緣間隙，并不處于真空狀態(tài)，因此不會出現(xiàn)輝光放電，只可能發(fā)生電暈放電、刷狀放電、火花放電和電弧放電。第62頁/共143頁2.8沿面放電常發(fā)生在高壓外絕緣及高壓絕緣子表面定義：沿著固體介質(zhì)表面所進行的氣體放電。放電發(fā)展到另外一極稱為閃絡。第63頁/共143頁界面電場分布可分為3種典型情況第64頁/共143頁一、均勻和稍不均勻電場中的沿面放電由于電場畸變使沿面閃絡電壓比空氣間隙擊穿電壓低得多。

因此，均勻電場中閃絡電壓與固體介質(zhì)吸附水分的能力有關(guān)；與固體介質(zhì)與電極結(jié)合的緊密程度有關(guān)；與固體介質(zhì)表面電阻和表面光滑狀況有關(guān)；與氣體的狀態(tài)（壓力、干燥）有關(guān)；與電壓的種類有關(guān)；Us＜Ub

原因在于：①介質(zhì)與電極間存在氣隙→局放→電荷畸變電場→Us↓；②介質(zhì)表面吸潮形成水膜→畸變電場→Us↓；③介質(zhì)表面電阻以及粗糙→電場分布不均勻→Us↓。第65頁/共143頁二、極不均勻場中具有強垂直分量時的沿面放電電場特點：電力線與固體介質(zhì)表面幾乎垂直。放電特點：出現(xiàn)滑閃放電第66頁/共143頁

法蘭附近沿介質(zhì)表面電流密度最大，電位梯度也最大，因此最先出現(xiàn)初始的沿面放電；在電場強垂直分量的作用下，帶電質(zhì)點撞擊介質(zhì)表面，引起局部溫升，導致熱游離，從而帶電質(zhì)點劇增，電阻劇降，通道迅速增長；熱游離是滑閃放電的重要特征和條件。

滑閃放電的解釋放電過程（法蘭邊緣）電暈放電→（放電伸展）刷狀放電→（放電繼續(xù)發(fā)展）滑閃放電滑閃放電是強垂直分量場特定的放電形式第67頁/共143頁影響因素：表面電容C0對Us的影響C0越大→Us分布越不均勻→Us↓r表越大→Us分布越不均勻→Us↓提高Us的措施：1、↓C0：增大絕緣厚度，采用小介電常數(shù)介質(zhì)2、↓r表：靠近法蘭處漆半導體釉2、介質(zhì)材料吸濕性吸濕性大→r表分布不均勻→Us↓

大氣相對濕度<70%濕度影響很小大氣相對濕度>70%濕度↑→Us↓第68頁/共143頁電場垂直分量小→沿面電容電流小→無熱電離和滑閃→沿面放電電壓降低不多提高放電電壓的途徑主要是用均壓屏蔽環(huán)等改變電極形狀，緩和局部高強場，均勻電場分布三、極不均勻場中具有弱垂直分量時的沿面放電四、干閃、雨閃1、干閃定義2、濕閃定義絕緣子表面在干燥、潔凈狀態(tài)下的閃絡表面潔凈的絕緣子在淋雨時的閃絡第69頁/共143頁3、濕閃過程（以垂直懸掛的盤形絕緣子為例）：表面淋雨，形成水膜→鐵帽、鐵腳間表面電阻下降，泄漏電流增大，電流大處發(fā)熱多、干燥快→形成高阻烘干帶→分擔電壓高，產(chǎn)生火花放電，電流都經(jīng)過放電通道流過→一方面導致通道前方濕表面處電流增大，促使烘干帶擴大，另一方面使通道兩側(cè)烘干帶流過的泄漏電流降低，烘干作用減弱，表面重新形成水膜→電導增大→反過來對放電通道產(chǎn)生分流，可能使放電熄滅→再次循環(huán)此過程。

在絕緣子兩側(cè)達到臨界閃絡電壓時，局部電弧通道將不斷向前發(fā)展，最后貫穿兩極，形成沿面閃絡。絕緣子在淋雨下的閃絡與表面形成的導電水膜及表面局部烘干的現(xiàn)象有關(guān)。表面泄漏電流大小對閃絡電壓有直接的影響，故雨的特性、絕緣子的形狀都是影響濕閃電壓的重要因素。雷電沖擊電壓下，電壓作用時間短，烘干過程來不及進行，故雷電沖擊電壓作用下，濕閃電壓比干閃電壓降低相對較小。第70頁/共143頁五、污閃1、定義：重污染地區(qū)：化工廠、水泥廠、冶煉廠等高鹽密區(qū)惡劣大氣條件：霧、露、雷、毛毛雨表面臟污的絕緣子在受潮情況下的閃絡2、污閃過程：絕緣子在污穢受潮時，閃絡過程與淋雨時類似。不同的是污穢受潮表面烘干部分重新濕潤的速度較慢，放電兩次時間間隔長，而淋雨時重燃的時間間隔很短，甚至是連續(xù)的。第71頁/共143頁4、影響因素：表面泄漏電流的大?。ㄖ鲗б蛩兀?、污閃條件：（1）產(chǎn)生局部電?。?）污閃電流能維持局部電弧燃燒（1）污穢電導：與污穢物種類及程度有關(guān)，化工、水泥污穢含有大量可溶性鹽類和酸堿類物質(zhì)，可溶于水，電導增大，閃絡電壓降低。污穢電導一般隨污穢程度增大而增大，故閃絡電壓也如此。（2）大氣濕度：水分對污穢的溶解能力，干燥污穢即使含有大量電解質(zhì)，污穢層電導很小，閃絡電壓不會降低，故濕度較小時，濕度對閃絡電壓影響小。濕度超過50%—70%時，閃絡電壓才隨濕度增加而迅速降低。在毛毛雨時電解質(zhì)可以充分溶解，但大雨時污穢可能被水沖掉。故大雨時閃絡電壓相對較高。（3）絕緣子形狀：絕緣子兩極最短距離即爬電距離也是影響閃絡電壓的重要因素。爬電距離增大時，局部電弧必須發(fā)展得更長，要求有較高的電壓。（4）絕緣子直徑：在同樣受潮、污染和爬電距離下，直徑大的表面電阻小，因而污閃電壓低。第72頁/共143頁六、提高沿面閃絡電壓的措施兩個方面：一是改善絕緣表面電位分布；二是改進絕緣子的形狀、材料，減小表面泄漏距離。

干閃和濕閃通常在過電壓情況下發(fā)生，而污閃在工作電壓下就有可能發(fā)生，所以近年來由于污閃引起的事故較多。合理確定絕緣子的爬距，并采取一定的措施如定期清掃、采用合成絕緣子或耐污絕緣子等，可以防止污閃事故發(fā)生。第73頁/共143頁具體措施：1、屏障的應用：2、屏蔽的應用：改善電極形狀，使固體介質(zhì)表面電位分布均勻化

固介表面設置突出傘裙，可使絕緣子在雨天時保持一部分干燥表面，并可增大兩極間沿固體表面的泄漏距離。第74頁/共143頁絕緣子串電壓分布電容大小和絕緣子數(shù)目有關(guān)。絕緣子本身電容越大，其他電容影響小，分布越均勻；絕緣子片數(shù)越多，絕緣子串的電壓分布也就越不均勻。在導線側(cè)加裝屏蔽環(huán)，相當于增大了CL。補償CE分流作用，通常CE分流作用強，才造成導線附件絕緣子承擔電壓高，如果CL增大，則補償作用增強，使電壓不均勻程度降低。在導線側(cè)加屏蔽環(huán)更主要的目的是消除電暈。第75頁/共143頁3、強制固定絕緣表面電位；絕緣筒上圍以若干環(huán)形電極，分別接在分壓器上或電源的某些抽頭，強制均勻電位。4、應用半導體涂料；在類似套管的絕緣結(jié)構(gòu)中，靠近法蘭介質(zhì)表面電位梯度大，容易產(chǎn)生電暈并發(fā)展成沿面放電。若涂半導體漆可以降低該處表面壓降，改善沿面電壓分布。第76頁/共143頁5、應用合成絕緣子；硅橡膠特點：

憎水性強，表面電流泄漏小，濕閃、干閃電壓高；耐氣候變化、耐臭氧、紫外線、電弧；重量輕、機械強度高、不破碎、安裝方便；價貴，壽命短，5-15年壽命。6、加強絕緣。增加絕緣子片數(shù)和傘數(shù)。第77頁/共143頁2.9大氣條件對Ub的影響由于大氣的壓力、溫度、濕度等條件都會影響空氣的密度、電子自由行程長度、碰撞游離及附著過程，所以也必然會影響氣隙的擊穿電壓。海拔高度的影響亦與此類似，因為隨著海拔高度的增加，空氣的壓力和密度均下降。不同大氣條件下測得的擊穿電壓須換算到統(tǒng)一參考條件下才能進行比較；我國規(guī)定的標準大氣條件為：第78頁/共143頁實際試驗條件下的擊穿電壓和標準大氣條件下的擊穿電壓可通過相應的校正系數(shù)換算：

K1：空氣密度校正系數(shù)

K2：濕度校正系數(shù)對空氣密度的校正U=KtU0＝K1K2U0

相對密度的確定m的確定：m與g有關(guān)第79頁/共143頁第80頁/共143頁

對濕度的校正

對海拔高度的校正w的確定：w與g有關(guān)對于海拔在1000—4000m的外絕緣，在海拔高度在1000m以下地區(qū)試驗時，試驗電壓應按規(guī)定的標準大氣條件下的試驗電壓乘以海拔校正系數(shù)。第81頁/共143頁3.2

液體介質(zhì)的擊穿一、液體介質(zhì)的擊穿機理主要包括天然礦物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、氣體、固體微粒和纖維等雜質(zhì)，它們對液體介質(zhì)的擊穿有很大的影響。1、礦物絕緣油（1）礦物油的煉制。礦物油是由石油煉制而成。煉制時，先將原油經(jīng)過預處理，進行脫水、脫鹽。然后通過常壓分餾、減壓分餾，按不同的沸點范圍截取不同餾分。再經(jīng)過精制，除去其中的有害成分，例如樹脂、瀝青、氮化物和硫化物。通過精制后，不僅提高油品的純度，而且提高了油品的氧化安定性和電氣性能。最后，為了制成適用于電氣設備的絕緣油，還必須將精制所得各種品牌的基礎油按不同比例進行調(diào)合，并根據(jù)要求加入抗氧化劑等添加劑，經(jīng)充分混合，檢驗合格后可以得到變壓器油、電容器油、電纜油等不同用途的絕緣油。第82頁/共143頁（2）變壓器油的牌號。根據(jù)變壓器油低溫凝固點的不同，分為10、25和45三個牌號。分別適用于我國不同的氣候地帶。DB-10號變壓器油的凝點不高于-10℃，閃點不低于140℃，適用于氣溫不低于-10℃的地區(qū)作為變壓器用油，或者氣溫不低于-5℃的地區(qū)作為戶外斷路器、油浸電容式套管和互感器用油。DB-25號變壓器油的凝點不高于-25℃，閃點不低于140℃，適用于氣溫低于-10℃的地區(qū)作為變壓器用油，或者氣溫不低于-20℃的地區(qū)作為戶外斷路器、油浸電容式套管和互感器用油。DB-45號變壓器油的凝點不高于-45℃，閃點不低于135℃，適用于氣溫低于-10℃的地區(qū)作為變壓器用油，或者氣溫低于-20℃的地區(qū)作為戶外斷路器、油浸電容式套管和互感器用油。第83頁/共143頁閃點：將試油在規(guī)定的條件下加熱，直到蒸汽與空氣的混合氣體接觸火焰發(fā)生閃火時的最低溫度，即為該油的閃點。

變壓器油的閃點是采用閉口杯法測定的。

測定變壓器油的閃點是有實際意義的，對于新充入設備及檢修處理后的油，測定閃點可以防止或發(fā)現(xiàn)是否混入輕質(zhì)油品。閃點對油運行監(jiān)督也是不可缺少的項目，閃點低表示油中的揮發(fā)性可燃物產(chǎn)生，這些低分子碳氫化合物往往是由于電器設備局部故障造成過熱，使絕緣油高溫分解產(chǎn)生的。因此，可通過測定閃點及時發(fā)現(xiàn)電器設備嚴重過熱故障，防止由于油品閃點降低，導致設備發(fā)生火災或爆炸事故。

近年來由于對運行設備中的油定期進行氣相色譜分析，因此，可不再做閃點測定。但對新油、沒有氣相色譜分析資料的設備或不了解底細的油罐運輸?shù)挠?，還必需進行油的閃點測定。第84頁/共143頁（2）植物油有些純凈的植物油具有良好的電氣絕緣性能。例如蓖麻油由于其絕緣性能好，介電常數(shù)較高，因此也可以用作電力電容器的浸漬劑，此外，如廣泛使用的絕緣漆，也是由植物液體加工而成，在變壓器等電氣設備中普遍使用。（3）人工合成絕緣油人工合成絕緣油多用于高壓電容器作為浸漬劑，例如芐基甲苯、二芳基乙烷、十二烷基苯、異丙基聯(lián)苯和本甲基硅油等，種類很多，過去還曾打量使用過一種稱為三氯化聯(lián)苯的電容器油，后來發(fā)現(xiàn)有嚴重致命毒性，因此早就禁止生產(chǎn)使用。第85頁/共143頁1、純凈液體介質(zhì)的擊穿理論（1）電子碰撞游離理論（電擊穿理論）在外電場足夠強時，電子在碰撞液體分子時可引起游離，使電子數(shù)倍增，形成電子崩。同時正離子在陰極附近形成空間電荷層增強了陰極附近的電場，使陰極發(fā)射的電子數(shù)增多，導致液體介質(zhì)擊穿。第86頁/共143頁（2）氣泡擊穿理論（小橋理論）液體中出現(xiàn)氣泡，在交流電壓下，串聯(lián)介質(zhì)中場強分布與介質(zhì)εr成反比。氣泡的εr小，其電氣強度又比液體介質(zhì)低很多，所以氣泡必先發(fā)生游離。氣泡游離后溫度上升、體積膨脹、密度減小，促使游離進一步發(fā)展。游離產(chǎn)生的帶電粒子撞擊油分子，使它分解出氣體，導致氣體通道擴大。許多游離的氣泡在電場中排列成氣體小橋，擊穿就可能在此通道中發(fā)生。2、工程用變壓器油的擊穿過程及其特點可用氣泡擊穿理論解釋其過程，依賴于氣泡的形成、發(fā)熱膨脹、氣泡通道擴大并形成小橋，有熱過程，屬于熱擊穿范疇。由于水和纖維的εr很大，易沿電場方向極化定向，并排列成雜質(zhì)小橋。第87頁/共143頁如果雜質(zhì)小橋接通電極，因小橋的電導大而導致泄漏電流增大，發(fā)熱會促使汽化，氣泡擴大，發(fā)展下去會出現(xiàn)氣體小橋，使油隙發(fā)生擊穿。(2)雜質(zhì)小橋尚未接通電極時，則纖維等雜質(zhì)與油串聯(lián)，由于纖維的εr大以及含水分纖維的電導大，使其端部油中電場強度顯著增高并引起游離，于是油分解出氣體，氣泡擴大，游離增強，這樣下去必然會出現(xiàn)由氣體小橋引起的擊穿。

有兩種情況：油中受潮→水分(εr=81)紙布脫落→纖維(εr=6-7)沿電場極化定向排列雜質(zhì)小橋第88頁/共143頁二、影響液體介質(zhì)擊穿電壓因素1、水分和其他雜質(zhì)雜質(zhì)含量越多、電場越均勻、外加電壓時間越長，雜質(zhì)影響越大。（1）水分以三種狀態(tài)存在于油中：

溶解態(tài)、懸浮態(tài)和沉渣態(tài)溶解態(tài)和沉渣態(tài)的水對工頻擊穿電壓無影響；懸浮態(tài)的水易在電場下形成“小橋”，對擊穿電壓影響很大；

變壓器油中含水量超過溶解度50ppm時，含水量↑→Ub迅速↓第89頁/共143頁2、油溫①0-60度：溫度↑→水珠溶解度↑→Ub↑②80度以上：溫度↑→汽化↑→Ub↓③-5度-0度：冰水、全部懸浮，Ub最低④-5度以下：粘度↑→小橋不易形成→Ub↑（2）纖維越多，雜質(zhì)小橋越易形成，擊穿電壓越低（3）氣體含量超過油中溶解度時，將以自由態(tài)出現(xiàn)→Ub迅速↓有纖維存在時，水分影響特別明顯第90頁/共143頁3、電場均勻度

電場較均勻時，電場越均勻雜質(zhì)小橋越易形成，油的品質(zhì)對工頻Ub影響越大；電場極不均勻時，電極附件電場很強，造成強烈電離，電場力對帶電質(zhì)點的強烈作用使該處的油劇烈擾動，雜質(zhì)和水分很難形成“小橋”。

沖擊電壓下，由于雜質(zhì)來不及形成小橋，故改善電場總是能顯著提高油隙的沖擊擊穿電壓，而與油品質(zhì)好壞幾乎無關(guān)4、電壓作用時間對工程油，其擊穿電壓會隨電壓作用時間的增加而下降，因雜質(zhì)聚集、排列需一定的時間；加電壓時間還會影響油的擊穿性質(zhì)。第91頁/共143頁5、油壓不論電場均勻度如何，工業(yè)純變壓器油的工頻擊穿電壓總是隨油壓的增加而增加，這是因為油中氣泡的游離電壓增高和氣體在油中的溶解度增大的緣故。油中含氣體時：壓力↑→Ub油↑(氣體在油中溶解量↑)油經(jīng)脫氣處理：壓力對Ub油影響較小三、提高液體擊穿電壓的措施電壓作用時間為數(shù)十到數(shù)百微秒時，雜質(zhì)的影響還不能顯示出來，仍為電擊穿，擊穿電壓很高。這時影響油隙擊穿電壓的主要因素是電場的均勻程度；電壓作用時間更長時，雜質(zhì)開始聚集，油隙的擊穿開始出現(xiàn)熱過程，于是擊穿電壓再度下降，為熱擊穿。第92頁/共143頁當覆蓋的厚度增大到能分擔一定的電壓，即成為絕緣層，一般為數(shù)毫米到數(shù)十毫米，它能降低最大電場強度，提高油隙的工頻擊穿電壓和沖擊擊穿電壓。（2）絕緣層2、采用固體介質(zhì)降低雜質(zhì)的影響機理：阻止雜質(zhì)小橋的形成和發(fā)展（1）覆蓋緊緊包在小曲率半徑電極上的薄固體絕緣層。能顯著提高油隙的工頻擊穿電壓，并減小其分散性，其厚度一般只有零點幾毫米。1、減少液體中的雜質(zhì)過濾、祛氣、防潮第93頁/共143頁放置層壓紙板或壓布板做屏障。在極不均勻電場中采用屏障可使油隙的工頻擊穿電壓提高到無屏障時的2倍或更高（3）屏障

第94頁/共143頁3.3

固體介質(zhì)的擊穿在電氣設備中常常用到固體絕緣材料，如電瓷、環(huán)氧樹脂、橡膠、塑料、云母等。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)的擊穿有電擊穿、熱擊穿、電化學擊穿等形式。固體電介質(zhì)一旦擊穿，構(gòu)成永久性破壞，絕緣性能不可能恢復。固體電介質(zhì)的種類固體電介質(zhì)可以分為天然材料和人造材料、有機物和無機物等。根據(jù)固體電介質(zhì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，按其在電場作用下的極化形式又可分為非極性或弱極性介質(zhì)、極性介質(zhì)和離子性介質(zhì)。木材、云母、石棉和橡膠等屬于天然材料。電瓷、玻璃、電木、各類塑料等屬于人造材料。其中木材，橡膠等屬于有機物；電瓷、玻璃等屬于無機物第95頁/共143頁電介質(zhì)的極化偶極子：由大小相等、符號相反、相距為d的正、負所組成的系統(tǒng)。偶極距：用偶極子極性的大小和方向表示。大小為正或負電荷的電量q與其距離d的乘積，方向由負電荷指向正電荷。分子鍵：電介質(zhì)內(nèi)分子之間的結(jié)合力。化學鍵：分子內(nèi)相鄰原子的結(jié)合力，又分為離子鍵和共價鍵。離子鍵：原子間電負性相差很大，電負性大的原子（非金屬元素）得到電子，電負性小的原子（金屬元素）失去電子，正、負離子通過靜電引力結(jié)合成分子，這種化學鍵稱為離子鍵。共價鍵：電負性相差不大，兩個或多個原子相互作用，原子間通過共用電子對結(jié)合成分子，這種化學鍵稱為共價鍵。離子鍵是一種強極性鍵。共價鍵中，電負性相同的原子組成非極性共價鍵，構(gòu)成的分子為非極性分子，電負性不同組成極性共價鍵，如由一個極性共價鍵構(gòu)成的分子為極性分子。如由多個極性共價鍵組成結(jié)構(gòu)對稱的為非極性分子，結(jié)構(gòu)不對稱的為極性分子。一、電介質(zhì)的極性及分類第96頁/共143頁

分子由離子鍵構(gòu)成的電介質(zhì)為離子結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)。分子由共價鍵構(gòu)成，且分子為非極性分子的電介質(zhì)為非極性電介質(zhì)，分子為極性分子的電介質(zhì)為極性電介質(zhì)。二、電介質(zhì)極化的概念和種類（二）極化種類：（1）電子式極化（2）離子式極化（3）偶極子極化（4）空間電荷極化（一）極化定義：電介質(zhì)在電場作用下，其束縛電荷相應于電場方向產(chǎn)生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。第97頁/共143頁特點：（1）極化過程時間很短，約10-14—10-15s即使外加電場的頻率很高，電子式極化也來的及完成。即與頻率無關(guān)。（2）電場中所有的電介質(zhì)都存在電子式極化。他是彈性的，去掉電場后，由于引力正、負電荷自動回到原來狀態(tài)，沒有能量損耗。（3）溫度對極化過程影響很小。1.電子式極化第98頁/共143頁2.離子式極化特點：（1）極化過程時間很短，約10-12—10-13s在一般使用的頻率范圍內(nèi)，離子式極化也來的及完成。即也與頻率無關(guān)。（2）極化過程沒有能量損耗。（3）電介質(zhì)的離子式極化程度隨溫度的升高略有增大。由于溫度升高，電介質(zhì)體積膨脹，離子間的距離增大，離子間相互作用力減弱的結(jié)果。第99頁/共143頁3.偶極子極化特點：（1）極化過程時間很短，約10-10—10-2s甚至更長，故極化程度與外加電壓的頻率有關(guān)。頻率很高時，由于偶極子的轉(zhuǎn)向跟不上電場方向的變化，極化減弱。（2）極化過程有能量損耗。因偶極子轉(zhuǎn)向時要克服分子間的吸引力而消耗能量，消耗掉的能量在偶極子復原時不可收回。（3）溫度對極化過程影響很大。溫度升高時，一方面電介質(zhì)分子間的結(jié)合力減弱，使極化程度增大；另一方面分子熱運動加劇，妨礙偶極子沿電場方向轉(zhuǎn)向，使極化程度減小?？傮w極化程度取決于這兩個方面相對強弱。第100頁/共143頁4.空間電荷極化一般介質(zhì)不均勻，于是要有一電壓重新分配過程，亦即C1、C2上電荷重新分配，在此過程中，分界面上將集聚起多余的電荷，從而顯出極性來。極化結(jié)果：等值電容增大；夾層界面堆積電荷產(chǎn)生極性極化特點：

與分子結(jié)構(gòu)無關(guān)；極化時間長（R很大）；有能耗。第101頁/共143頁三、電介質(zhì)的相對介電常數(shù)表示極化強弱的一個物理量。以真空平板電容器為例分析：極化前：極化后：第102頁/共143頁

是反映電介質(zhì)極化特性的一個物理量。與溫度有關(guān)

氣體接近于1，因密度小、極化率低；液體和固體多在2～6之間。用于電容器的絕緣材料，希望選用大的介質(zhì)，可使單位電容的體積和重量減小。其他電氣設備中總是選較小的介質(zhì)，因介質(zhì)損耗較小。采用較小絕緣材料可減小電纜的充電電流、提高套管的沿面放電電壓等。采用組合絕緣時應注意各種材料值之間的配合，在交流電壓下，串聯(lián)多層介質(zhì)的場強分布與介質(zhì)的成反比。為保持場強不變，極板上電荷必然會增加，以抵消極化電荷產(chǎn)生的反電場.第103頁/共143頁四、電介質(zhì)極化在工程上的意義1、組合絕緣要注意各種材料值的配合。在交流及沖擊電壓下，各層電壓分布與其成反比，選擇使各層介質(zhì)電場分布較均勻。

2、選擇設備絕緣材料時，要根據(jù)不同目的選擇不同的。3、在絕緣預防性試驗中，夾層極化現(xiàn)象可用來判斷絕緣受潮的情況。電介質(zhì)的相對介電常數(shù)氣體：一切氣體的都接近1；液體：非極性和弱極性電介質(zhì)1.8～2.8

強極性電介質(zhì)3～6固體：非極性和弱極性電介質(zhì)2～2.7

強極性電介質(zhì)3～6

離子性電介質(zhì)5～8第104頁/共143頁電介質(zhì)電導分為離子電導、電子電導，主要表現(xiàn)為前者。2、離子電導：一、電導的基本概念和分類1、電子電導：一般很微弱，因為介質(zhì)中自由電子數(shù)極少；如果電子電流較大，則介質(zhì)已被擊穿。本征離子電導：極性電介質(zhì)本身離解呈現(xiàn)的電導；雜質(zhì)離子電導：在中性和弱極性電介質(zhì)中，主要是雜質(zhì)離解呈現(xiàn)的電導。電泳電導：載流子為帶電的分子團，通常是乳化態(tài)的膠體粒子（如絕緣油中懸浮膠?；蚣毿∷椋┪诫姾勺兂闪藥щ娏Ｗ?。電介質(zhì)的電導第105頁/共143頁3、表面電導：對固體介質(zhì)，由于表面吸附水分和污穢存在表面電導，受外界因素的影響很大。所以，在測量體積電阻率時，應盡量排除表面電導的影響，清除表面污穢、烘干水分、在測量電極上采取一定的措施。電導率表征電介質(zhì)導電性能的主要物理量，其倒數(shù)為電阻率。二、氣體電介質(zhì)的電導無電壓作用下，由于外界因素（宇宙射線、紫外線等）使氣隙中含有大約500-1000對/cm3離子，電壓從零增大，帶電質(zhì)點運動速度加快，電流增大。電壓增大到UA后，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的帶電質(zhì)點已全部落入電極，所以電壓升高，電流基本不變。電壓超過UB后，產(chǎn)生了新的游離過程，產(chǎn)生更多帶電質(zhì)點，因而氣體就變成了良導體。第106頁/共143頁三、液體電介質(zhì)的電導與氣體類似，該關(guān)系曲線也可分為a、b、c三個區(qū)域。其中，a、b為低電場區(qū)、c為高電場區(qū)。區(qū)域a中，符合歐姆定律，區(qū)域b，電流的飽和趨勢不太明顯，因為液體密度大，正、負離子相遇的機會多，復合概率大，不可能所有的離子都運動到電極，而電壓增高時復合的概率減少，電流有所增大。區(qū)域c中，液體分子發(fā)生游離，電導迅速增大。中性液體介質(zhì)本身的離解是極微弱的，其電導主要是由離解性的雜質(zhì)和懸浮于液體介質(zhì)中的荷電粒子引起的。所以其電導對雜質(zhì)非常敏感。極性液體介質(zhì)的介電常數(shù)愈大，其電導也愈大。強極性液體介質(zhì)（水、酒精等），即使高度凈化，電導率還很大，以至于不能看成電介質(zhì)，故不能作為電氣設備的絕緣材料。第107頁/共143頁影響液體電介質(zhì)電導的因素

除電場強度外，影響液體電介質(zhì)電導的因素還有溫度和雜質(zhì)。1.溫度的影響：（1）溫度升高時液體介質(zhì)本身的分子和所含的雜質(zhì)的分子的離解度增大，從而使液體中自由離子的數(shù)量增加；（2）溫度升高時，液體的粘度（分子間的結(jié)合力）減小，離子在電場作用下移動的阻力減小，從而使離子運動的速度加快。2.雜質(zhì)的影響：雜質(zhì)是液體電介質(zhì)中帶電質(zhì)點的重要來源，液體中雜質(zhì)含量增大時，使液體電介質(zhì)的電導明顯增大。第108頁/共143頁四、固體電介質(zhì)的電導固體電介質(zhì)的電導分為體積電導和表面電導。分別表示電介質(zhì)內(nèi)部和表面在電場中傳導電流的能力。中性或弱極性固體介質(zhì)的體積電導主要由雜質(zhì)離解引起；其本身分子不容易發(fā)生離解。極性固體介質(zhì)除雜質(zhì)離解外本身分子離解為自由離子也是形成體積電導的主要因素。影響因素：電場強度、溫度、雜質(zhì)。

電場強度影響與液體介質(zhì)類似。電場強度影響中，沒有飽和區(qū)，因為固體發(fā)生碰撞游離的場強高，發(fā)生游離前陰極就能發(fā)射電子，形成電子電導。溫度和雜質(zhì)的影響與液體也相似。表面電導主要是附著于介質(zhì)表面的水分和其他污物引起的。表面形成水膜能造成明顯的電導。除水分外如還有塵埃等污穢，則污穢中所含的鹽類電解質(zhì)溶于水后形成大量自由離子，使電導顯著增大。親水性物質(zhì)：能在表面形成水膜，如玻璃、陶瓷等憎水性物質(zhì)：不易吸收水分，只能在其表面形成不連續(xù)的水珠。如石蠟、硅等。顯然憎水性物質(zhì)表面電導相對要小。第109頁/共143頁五、電介質(zhì)的泄漏電流和絕緣電阻i=i1+i2+igi1－充電電流：無損極化對應的純電容電流，又稱快極化電流；ig－泄漏電流：介質(zhì)中少量離子或電子移動形成的電流，即電導電流。i2－吸收電流：為有損極化對應的電流(主要為夾層極化)，又稱慢極化電流；第110頁/共143頁六、絕緣電阻的特點(1)

測量介質(zhì)或設備的

時應加壓1或10分鐘；(2)具有負的溫度系數(shù)，而金屬電阻具有正的溫度系數(shù)；(4)對于固體電介質(zhì)，還必須注意區(qū)分體積電阻RV和表面電阻RS，由于受外界影響(如受潮、脹污等)很大，不能用RS來說明絕緣內(nèi)部問題。(3)由于與外加電壓有關(guān)，在臨近擊穿時有顯著的迅速增加自由電子的導電現(xiàn)象，造成劇烈下降；第111頁/共143頁七、電介質(zhì)電導的工程意義1、電導是絕緣預防性試驗的依據(jù)；2、直流電壓作用下分層絕緣時，各層電壓分布與電阻成正比，選擇合適的電阻率可實現(xiàn)各層間合理分壓；3、注意環(huán)境、濕度對固體介質(zhì)表面電阻的影響；4、工程上有時要設法減小絕緣電阻以改善電壓分布。第112頁/共143頁1.3電介質(zhì)的損耗一、基本概念在電場作用下電介質(zhì)中總有一定的能量損耗，包括由電導損耗和有損極化（偶極子、夾層極化）損耗，總稱介質(zhì)損耗。直流下：電介質(zhì)中沒有周期性的極化過程，只要外加電壓還沒有達到引起局部放電的數(shù)值，介質(zhì)中的損耗將僅由電導組成，所以可用體積電導率和表面電導率說明問題，不必再引入介質(zhì)損耗這個概念。交變電場：電介質(zhì)能量損耗包括電導損耗（通過電介質(zhì)的貫穿性泄漏電流所引起）和極化損耗（交流電壓下由周期性極化所引起）。第113頁/共143頁二、介質(zhì)損耗分析交流時流過電介質(zhì)的電流：介質(zhì)損耗(有功損耗)：由上式可見，介質(zhì)功率損耗P與試驗電壓、被試品尺寸等因素有關(guān)，不同試品間難以互相比較；而對于結(jié)構(gòu)一定的被試品，在外施電壓一定時，介質(zhì)損耗只取決于tanδ。

tanδ被稱為介質(zhì)損耗角正切，它只與介質(zhì)本身特性有關(guān)，與材料尺寸無關(guān)，因而不同試品的tanδ可相互比較。對同類試品絕緣的優(yōu)劣可用tanδ來代替P對絕緣進行判斷。第114頁/共143頁實際上，電導損耗和極化損耗都同時存在。介質(zhì)等值電路可用三個并聯(lián)支路表示：C0：反映電子式和離子式極化；Ca、ra：反映吸收電流，表示有損極化；Rg：反映電導損耗，該支路流過的電流為泄漏電流。第115頁/共143頁有損介質(zhì)的等值電路分析可用并聯(lián)等效電路或串聯(lián)等效電路tanδ的物理含義：表征單位體積均勻介質(zhì)內(nèi)能量損失的大小

第116頁/共143頁三、影響介質(zhì)損耗的因素溫度、頻率、電壓1、氣體的介質(zhì)損耗

U＜U0時僅有很小的電導損耗，且與U無關(guān)；U＞U0，有游離、局放、電暈損耗等，U↑→tanδ↑↑第117頁/共143頁2、液體的介質(zhì)損耗

與電壓的關(guān)系：U＜U0時，僅有很小的電導損耗；U＞U0后，液體分子發(fā)生游離，電導迅速增大；（1）中性或弱極性液體介質(zhì)與溫度的關(guān)系：隨溫度上升按指數(shù)規(guī)律增大。損耗主要由電導引起第118頁/共143頁（2）極性液體介質(zhì)電導和極化損耗隨電壓變化的關(guān)系與中性或弱極性相同;與溫度的關(guān)系：ToC＜T1oC：電導和極化損耗較小，↑ToC→電導損耗↑&

粘度下降極化↑→極化損耗↑→tanδ↑

T1oC＜ToC＜T2oC：分子熱運動加快妨礙偶極子轉(zhuǎn)向→極化損耗↓↓&電導損耗↑→tanδ↓

ToC＞T2oC：電導損耗↑↑&極化損耗↓→tanδ↑

第119頁/共143頁與頻率的關(guān)系：較低f：↑f→極化↑→tanδ↑

較高f：↑f→偶極子轉(zhuǎn)向困難→tanδ↓3、固體的介質(zhì)損耗

(1)無機絕緣材料：云母、陶瓷、玻璃云母：由電導引起損耗，介質(zhì)損耗小，耐高溫性能好，是理想的電機絕緣材料，但機械性能差；電工陶瓷：既有電導損耗，又有極化損耗；20oC和50Hz時＝2％～5％；玻璃：電導損耗＋極化損耗，損耗與玻璃成分有關(guān)。(2)有機絕緣材料：分為非極性和極性非極性有機電介質(zhì)：只有電子式極化，損耗取決于電導；極性有機電介質(zhì)：極化損耗使總損耗較大。第120頁/共143頁固體介質(zhì)的物理化學性能各種固體絕緣材料的性能差別很大，絕緣強度、體積電導率、相對介電常數(shù)、介質(zhì)損失等都不同。除了這些電氣性能外，其他物理和化學性能也很重要。例如電纜絕緣用得較多的普通聚氯乙烯（PVC）其允許最高工作溫度為70℃.考慮到電纜芯線處導體的溫度比電纜外皮的溫度高出10—15℃。電纜外皮的溫度必須限制到不超過60℃。為了適應高溫環(huán)境，就不能使用普通聚氯乙烯絕緣電力電纜，而應選用耐熱聚氯乙烯絕緣（最高工作溫度90℃）或交聯(lián)聚乙烯（簡稱XLPE）絕緣（最高工作溫度90—105℃）電力電纜，或者選用乙丙橡膠（EPR）絕緣（最高工作溫度90℃）電力電纜。普通聚氯乙烯的耐寒性較差，在低溫-20℃以下就不宜使用。另外，普通聚氯乙烯在火災事故時會逸出大量氯化氫等有毒煙氣，妨礙消防工作、加劇火勢蔓延，而且煙氣的沉淀物有導電和腐蝕性，對電氣裝置還產(chǎn)生“二次危害”。因此而應選用交聯(lián)聚乙烯、聚乙烯或乙丙橡膠等絕緣不含鹵元素的電纜。第121頁/共143頁交聯(lián)聚乙烯絕緣既能使用在60℃以上的高溫環(huán)境，也能使用在-20℃以下的較低溫度環(huán)境，因此交聯(lián)聚乙烯電力電纜日益得到廣泛采用，但是普通交聯(lián)聚乙烯電力電纜的耐水性較差，在強電場的作用下，交聯(lián)聚乙烯絕緣可能會出現(xiàn)水樹現(xiàn)象（由水分在絕緣結(jié)構(gòu)中形成彎曲的樹枝狀放電），使絕緣擊穿損壞，影響安全運行。為了防止交聯(lián)聚乙烯電纜因水樹現(xiàn)象而出現(xiàn)事故，應盡量消除絕緣材料中的水分、雜質(zhì)，并防止水分滲入絕緣和導體的夾層中。因此提倡采用干式交聯(lián)制造工藝和內(nèi)、外半導體與絕緣層三層共擠的制造工藝制造交聯(lián)聚乙烯電力電纜，從而防止聚乙烯絕緣接觸水分引起水樹現(xiàn)象。可見固體絕緣材料和物理化學性能對電氣設備的安全運行有十分重要的意義，而新材料新工藝的不斷革新推廣對提高電氣設備的安全運行起到重要作用。第122頁/共143頁二、固體介質(zhì)的擊穿機理固體介質(zhì)的特點：非自恢復絕緣體在電場作用下，固體介質(zhì)可能因以下過程而被擊穿：電過程（電擊穿）熱過程（熱擊穿）電化學過程（電化學擊穿）1、電擊穿理論強電場作用下的碰撞游離導致的擊穿。在介質(zhì)電導很小、散熱良好以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局放情況下，固介