高压教材第一篇课件定稿

1、赵智大主编赵智大主编 高电压技术（第三版）高电压技术（第三版） 配套多媒体课件配套多媒体课件普普 通通 高高 等等 教教 育育 “十十 二二 五五” 国国 家家 规规 划划 教教 材材电电 气气 工工 程程 及及 其其 自自 动动 化化 专专 业业 系系 列列 教教 材材 课件制作课件制作 福州大学福州大学 兰兰 生生 浙江大学浙江大学 陶雪梅陶雪梅 赵智大赵智大 中国电力出版社 2014绪绪 论论 高电压技术主要研讨高电压(强电场)下的各种电气物理问题。 高电压技术的发展始终与大功率远距离输电的需求密切相关。 对于电力类专业的学生来说，学习本课程的主要目的是学会正确处理电力系统中过电压与绝缘

2、这一对矛盾。 为了说明电力系统与高电压技术的密切关系，以高压架空输电线路的设计为例，在图 0-1中列出了种种与高电压技术直接相关的工程问题。 除了电力工业、电工制造业外，高电压技术 目前还广泛应用于大功率脉冲技术、激光 技术、核物理、等离子体物理、生态与环 境保护、生物学、医学、高压静电工业应 用等领域。第第 一一 篇篇 电介质的电气强度电介质的电气强度高电压技术（第三版）高电压技术（第三版） 课件之一课件之一课件制作者课件制作者 福州大学福州大学 兰兰 生生第一节 带电粒子的产生和消失第二节电子崩第三节 自持放电条件第四节 起始电压与气压的关系第五节 气体放电的流注理论第六节 不均匀电场中的

3、放电过程第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿第八节 沿面放电和污闪事故 第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程 带电粒子的运动带电粒子的运动当气体中存在电场时，带电粒当气体中存在电场时，带电粒 子将同时进行子将同时进行混乱热运动混乱热运动和和沿沿 电场的定向漂移电场的定向漂移。自由行程长度：一个粒子在每自由行程长度：一个粒子在每 两次碰撞间自由地通过的距离两次碰撞间自由地通过的距离 （随机量）。（随机量）。prkTe2 平均自由行程长度：该粒子自由行程长度的平均值。平均自由行程长度：该粒子自由行程长度的平均值。 电子的平均自由行程长度为电子的平均自由行程长度为p：气压气压

4、k：波尔兹曼常数波尔兹曼常数T：气温气温r：气体分子半径气体分子半径 在大气压和常温下在大气压和常温下, ,电子在空气中的平均自由行程长度的电子在空气中的平均自由行程长度的数量级为数量级为1010-5-5cm cm 。第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失 带电粒子的迁移率：该粒子在单位场强（带电粒子的迁移率：该粒子在单位场强（1V/m) 下沿电场方向的漂移速度。下沿电场方向的漂移速度。Evk 电子的迁移率远大于离子的迁移率电子的迁移率远大于离子的迁移率 扩散：在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的扩散：在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域向浓度较小的区域运动，从而使其浓度分

5、布均区域向浓度较小的区域运动，从而使其浓度分布均匀化的物理过程。匀化的物理过程。 带电粒子的运动带电粒子的运动气体原子的激励和电离气体原子的激励和电离带电粒子的产生带电粒子的产生 气体原子的激励和电离气体原子的激励和电离电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而成一定的能量，该电子就可能摆脱原子核的束缚而成为自由电子。原来中性的原子变成带负电的自由电为自由电子。原来中性的原子变成带负电的自由电子和带正电的正离子的物理过程。子和带正电的正离子的物理过程。电离能电离能产生电离所需要的最小能量。产生电离所

6、需要的最小能量。激励激励一个或若干个电子向较高能级轨道的跃迁。一个或若干个电子向较高能级轨道的跃迁。分级电离分级电离先经过激励再接着产生电离的过程。先经过激励再接着产生电离的过程。 带电粒子的产生带电粒子的产生 热电离热电离32WkT波尔茨曼常数1.3810-23J/K 绝对温度，K 光电离光电离Wh普朗克常数6.6310-34Js 碰撞电离碰撞电离ihcW条 件 ：212imveExWiUxE条 件 ：WWi(电离能)波尔茨曼常数1.3810-23J/K 带电粒子的产生带电粒子的产生 按照所加能量的形式不同，电离可分为：一些金属的逸出功金属逸出功（eV）铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜

7、5.3铯0.7（1）正离子撞击阴极表面 （2）光电子发射（3）热电子发射 （4）强场发射 （冷发射）电极表面的电极表面的电离电离负离子的形成负离子的形成 当电子与气体分子碰撞时，不但可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程称为附着。 某些气体分子对电子有亲合性，因而在它们与电子结合成负离子时会放出能量（电子亲合能），而另一些气体分子要与电子结成负离子时却必须吸收能量。前者的亲合能为正值，这些易于产生负离子的气体称为电负性气体。亲合性愈强的气体分子愈易俘获电子而变成负离子。 负离子的形成使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作

8、用。空气中的氧气和水汽分子对电子都有一定的亲合性，但还不是太强；而后面将要介绍的某些特殊的电负性气体（例如SF6）对电子具有很强的亲合性，其电气强度远大于一般气体，因而被称为高电气强度气体。 带电粒子的消失带电粒子的消失 气体中带电粒子的消失可能有下述几种情况： 1. 带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极 上而形成外电路中的电流。 2. 带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间； 3. 带电粒子的复合 当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递和中和，这种现象称为复合。复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生了一个中性分子；复合也可能发生在正离子和

9、负离子之间，称为离子复合，其结果是产生了两个中性分子。上述两种复合都会以光子的形式放出能量，这种光辐射在一定条件下能导致其他气体分子的电离。带电粒子的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。 每立方厘米的常态空气中经常存在着5001000对正、负带电粒子，它们是外界电离因子（高能辐射线）使空气分子发生电离和产生出来的正、负带电粒子又不断地复合所达到的一种动态平衡。第二节第二节 电子崩电子崩非自持放电和自持放电的不同特点非自持放电和自持放电的不同特点 电流随外施电压的提高而增大，因为带电粒子向电极运动的速度加快复合率减小 电流饱和，带电粒子全部进入电极，电流仅取决于外界电离因子的强弱

10、（良好的绝缘状态） 由于电子碰撞电离引起的电流增大电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿） 外施电压小于U0时的放电是非自持放电非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已就能维持，不再需要外界电离因子。 自持放电自持放电起始电压起始电压图1-3 气体放电的伏安特性曲线电子崩的形成（电子崩的形成（BCBC段电流剧增原因）段电流剧增原因） ddnnx0d0exxnnddnxn0ednn00(e1)dnnnn 电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数：代表一个电子沿电场方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数平均值。 0exnn图1-5 均匀电场中的电子崩计算影响碰撞电离的因

11、素影响碰撞电离的因素i1eUE1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为1/ （：电子平均自由行程）碰撞引起电离的概率碰撞电离的条件i/xUETpBp EApe正离子消失在阴极表面，由正离子消失在阴极表面，由过程在阴极上释放出来的过程在阴极上释放出来的 二次电子数为二次电子数为) 1(de1) 1(de表示由表示由过程在阴极上重新产生出来一个或更多电子，此过程在阴极上重新产生出来一个或更多电子，此时即使没有外界电离因子也能使电离过程继续维持发展，即时即使没有外界电离因子也能使电离过程继续维持发展，即转入转入自持放电。自持放电。 过程过程若若第三节第三节 自持放电条件自持放电条件 自持放电条件1ln1

12、) 1(ded如自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分循环不息的状态。如自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分循环不息的状态。自持放电条件自持放电条件第四节第四节 起始电压与气压的关系起始电压与气压的关系 汤逊自持放电判据汤逊自持放电判据(e1) 1d 气体击穿的巴申定律气体击穿的巴申定律 0()()ln1ln(1)B pdUA pdb()Uf pd 当气温当气温T非恒定时非恒定时 b()UFdss2.9T ppp TT 巴申定律巴申定律 汤逊理论适用于低气压、短间隙的情况，流注理论适用于高气压、长气隙的情况，即pd 值较大时的场合。 ( (一）空间电荷对原有电场的影响一）空间电荷对原有电

13、场的影响 电子崩头部集中大量正离子和全部电子，这些的空间电荷使原电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾处的电场。电子崩中间区域所产生的复合过程不断辐射出光子，引起光电离。 （二）空间光电离的作用（二）空间光电离的作用 电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离而形成二次电子崩，二次电子崩的来源是空间电荷引起的电场畸变和光电离。 这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流注。 流注的形成流注的形成第五节第五节 气体放电的流注理论气体放电的流注理论流注自持放电条件（即形成流流注自持放电条件（即形成流

14、 注的条件）注的条件） d 20 ed 108 流注理论能很好解释 pd 值较大时的气体放电现象：例如放电并不充满整个电极空间，而是呈现细窄的放电通道；有时放电通道呈曲折和分支状；放电时间远小于正离子穿越极间气隙所需的时间，气隙的击穿电压值与阴极的材料无关；等等。 图l-9表示初崩头部放出的光子在崩头前方和崩尾后方引起空间光电离并形成二次崩以及它们和初崩汇合的流注过程。一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征maxav124EfEfff电场的划分：电场不均匀系数：为均匀电场；为稍不均匀电场；为极不均匀电场a vUEd第六节第六节 不均匀电场中的放电过程不

15、均匀电场中的放电过程二、电晕放电二、电晕放电 在220kV以上的超高压输电线路上，特别是在坏天气条件下，其导线表面会呈现一种淡紫色的辉光，并伴有咝咝作响的噪声和臭氧的气味。这种现象就是电晕放电或简称电晕。 电晕是局部放电的一种，其特点在于它一定触及一个电极或两个电极，而一般所称的局部放电可以发生在电极表面，也可以存在于两极之间的某一空间而不触及任一电极。 电晕放电可以是极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段，也可以是长期存在的稳定放电形式。存在稳定电晕放电是极不均匀电场中气体放电的一大特点，因为在均匀或稍不均匀电场中，一旦某处出现电晕，它将迅速导致整个气隙的击穿，而不可能长期稳定地存在电晕放电现象

16、。 开始出现电晕放电时的电晕起始电压Uc虽然也可从理论上求得，但由于它的影响因素很多，这种推算相当繁复和不精确。 正由于此，电晕起始电压Uc通常均利用实验的方法来求取，然后根据电极表面电场强度E与所加电压U的关系，推导出相应的计算电晕起始场强Ec的经验公式。2ln0.330(1)(/)cEUUEhrrmkV cmrmr导线表面电场强度 与对地电压 的关系为：计算电晕起始场强，可用皮克公式：E式中 导线表面粗糙系数空气相对密度导线半径，cm电晕放电会产生多种效应：电晕放电会产生多种效应： 电晕损耗 谐波电流和非正弦电压 无线电干扰 可闻噪声 空气的有机合成等 超/特高压输电线路的电晕放电引起的电

17、能损耗、环境影响比较严重。对于线路的设计和环境评估，影响最大的是：电晕损耗、无线电干扰和可闻噪声三项。 （1 1）电晕损耗）电晕损耗 (Corona Loss，CL) 电晕放电所引起的光、声、热等效应而消耗能量，这种电晕损耗会对线路的输电效率产生一定的影响。 电晕损耗受到大气条件和线路结构参数的影响。 在雨、雪、雾等坏天气时，电晕起始电压UC降低，电晕损耗大增。 近似计算交流输电线路，每相导线电晕损耗功率的皮克经验公式为： 式中： f 电源频率，Hz； 空气的相对密度； r 起晕导线的半径，cm； D 线间距离，cm； U 导线上所加相电压，kV； UO与电晕起始电压UC 相近的一个计算用临界

18、电 压，kV。 皮克为获取这一经验公式而进行实验时所用的导线半径、输电电压等都没有达到现代超高压输电线路的参数范围，所以这一公式对于现代超高压、大直径导线的情况不甚适用。 现代超高压输电线路一般采用试验线路所得到的实测数据，整理成一系列曲线图表，以方便电晕损耗的计算。(2) (2) 无线电干扰无线电干扰（Radio Interference RI） 输电线路产生的电晕放电出现的放电脉冲，形成高频电磁波，在无线电频率的宽广频段范围内造成干扰，包括无线电干扰（RI）和电视干扰（TVI）。还有可能对频率范围为30500 kHz的载波通信和信号传输也产生干扰。 无线电干扰电平会随天气的变化而有很大的差

19、异。RI还与线路结构参数有关，包括导线的分裂数、子导线半径、相间距离、导线对地高度等等。 关于输电线路的RI限值，至今仍未制定出统一的国际标准。我国国家标准GB15707-1995规定的RI限值以0.5MHz为参考频率，距边相导线在地上垂直投影外侧20m为参考距离，具体取值如下表。 表表1- 4 1- 4 我国的无线电干扰限值（我国的无线电干扰限值（0.5MHz, 20m0.5MHz, 20m）线路电压等级（kV）110220330500RI限值（dB）465355（3）可闻噪声（）可闻噪声（Audible Noise AN）：）： 当导线上出现电晕时，超高压线路就会产 生可闻噪声。坏天气时的

20、可闻噪声会增强。 噪声产生：电晕放电所产生的正、负离子被周期性变化的交变电场所吸引或排斥，它们的运动使声压波的频率和幅值等于工频电压波的2倍。此外，可闻噪声相当宽的频谱是由于离子随机运动的结果，如图1- 11所示。 线路所产生的可闻噪声主要由下列因素决定： 1）导线表面电场强度； 2）导线分裂数； 3）子导线的半径； 4）大气条件； 5）从导线到测量点之间的横向距离。 可闻噪声将成为选择特高压交、直流输电线路导线和确定线路走廊宽度时的决定性因素。对于超高压线路来说，起决定作用的往往是“无线电干扰”。 要防止或减轻电晕放电的危害，最根本的途径显然是设法限制和降低导线的表面电场强度。应用得最广泛的

21、是采用分裂导线。 电晕放电也有可利用的一面：静电除尘、静电喷涂和臭氧发生器等。三、极不均匀电场中的放电过程三、极不均匀电场中的放电过程极性效应极性效应三、极不均匀电场中的放电过程三、极不均匀电场中的放电过程极性效应极性效应 负极性负极性“棒板棒板”气隙的击穿电压比正极性气隙的击穿电压比正极性“棒板棒板”气隙高。气隙高。 一、放电时间一、放电时间 完成气隙击穿的三个必备条件必备条件： 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。第七节第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿放电时间和冲击电压下的气隙击穿

22、统计时延：统计时延：从外施电压达Us时起，到出现第一个有效电子所需时间放电形成时延：放电形成时延：从出现第一个有效电子时起，到击穿过程最后完成所需的时间静态静态击穿电压击穿电压 放电时间放电时间图图1- 15 1- 15 放电时间的组成放电时间的组成t1升压时间，电压从0升到静态击穿电压U0 所需时间；ts 统计时延，指从 t1到气隙中出现第一个有 效电子的时间；tf 放电形成时延，从出现第一个有效电子到 最终完成击穿的时间。 总的放电时间 tb 由三部分组成，即 tb = tl + ts + tf放电时延 tlag = ts + tf放电时间放电时间二、冲击电压波形的标准化二、冲击电压波形的

23、标准化标准雷电冲击电压波的波形标准雷电冲击电压波的波形： T1=1.2s30， T2=50s20 对于不同极性可写成： +1.2/50s 或-1.2/50s标准雷电截波的波形标准雷电截波的波形 用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后出现的截尾冲击波（如图1-17）。IEC标准和我国国家标准规定为：波前时间T1=1.2s30% ；截断时间Tc=25s；可写成：1.2/ 25s高电压技术标准操作冲击电压波的波形标准操作冲击电压波的波形： T1=250s20， T2=2500s60 对于不同极性可写成： +250/2500s或 250/2500s 三、冲击电压下的气隙击穿特性三、冲击电压下的气

24、隙击穿特性 在持续作用电压下，每一气隙的击穿电压均为一确定的数值，因而通常都以这一击穿电压值来表征该气隙的击穿特性或电气强度。与此不同，气隙在冲击电压作用下的击穿就要复杂得多了，这时的击穿特性通常采用下面两种表征方法，它们分别应用于不同的场合： （一）（一）5050冲击击穿电压及冲击系数冲击击穿电压及冲击系数 50冲击击穿电压（ U 50%） 多次施加该电压时，有半数左右会导致击穿的电 压值 。 冲击系数（ ） 该气隙的50冲击击穿电压U 50%与静态击穿电压 Us 之比 。 = U 50% / Us（二）（二）伏秒特性伏秒特性伏秒特性：伏秒特性：在特定冲击电压波形下，表示气隙冲击击穿 电压与

25、放电时间关系的特性曲线。 用实验确定气隙用实验确定气隙 伏秒特性的方法：伏秒特性的方法： 保持冲击电压的波形不变，逐渐升高冲击电压的峰值，使气隙发生击穿，并用示波图录下击穿电压U与击穿时间t。 若击穿发生在波前或峰值，取即时值若击穿发生在波尾，取峰值未击穿图图1-19 1-19 伏秒特性曲线伏秒特性曲线 由于放电时间具有分散性，伏秒特性实际上是一个以上、下包线为界的带状区域，称为伏秒特性带，如图1-20所示。但实用上都选用其平均伏秒特性或50伏秒特性来代表该绝缘的伏秒特性。 图1-21将均匀电场和不均匀电场气隙的伏秒特性放在一起作比较。 沿面放电：沿面放电：沿着固体介质表面发展的气体放电现象。

26、一、沿面放电的一般概念一、沿面放电的一般概念1.1.固体绝缘装置处于气体介质的包围之中，它所具备的绝固体绝缘装置处于气体介质的包围之中，它所具备的绝缘功能有两种丧失的可能：其一是固体介质本身被击穿了，缘功能有两种丧失的可能：其一是固体介质本身被击穿了，另一是沿着固体介质表面发生气体的击穿（闪络）。另一是沿着固体介质表面发生气体的击穿（闪络）。2.2.沿固体介质表面的闪络电压不但要比固体介质本身的击沿固体介质表面的闪络电压不但要比固体介质本身的击 穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿 电压低不少。可见，一个绝缘装置的实际耐压能力取决电压

27、低不少。可见，一个绝缘装置的实际耐压能力取决 于它的于它的沿面闪络电压。沿面闪络电压。 3.3.沿面闪络电压沿面闪络电压容易受固体绝缘的材料、表面状态、染污容易受固体绝缘的材料、表面状态、染污程度、气候条件等因素的影响。程度、气候条件等因素的影响。第八节第八节 沿面放电和污闪事故沿面放电和污闪事故二、沿面放电的类型与特点二、沿面放电的类型与特点 固体介质与气体介质分界面上的电场分布状况对沿面放电有很大的影响。固体介质与气体介质分界面上的电场分布状况对沿面放电有很大的影响。 不同的界面电场分布状况下的沿面放电不同的界面电场分布状况下的沿面放电 均匀和稍不均匀电场的沿面放电 极不均匀电场且具有强垂

28、直分量时的沿面放电 极不均匀电场且具有弱垂直分量时的沿面放电（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电 在均匀电场中，如果放入的固体介质的界面与在均匀电场中，如果放入的固体介质的界面与电力线平行，插入这块固体介质后，沿面闪络电压电力线平行，插入这块固体介质后，沿面闪络电压仍然要比纯空气间隙的击穿电压降低很多，这表明仍然要比纯空气间隙的击穿电压降低很多，这表明原先的均匀电场还是发生了畸变，其主要原因如下：原先的均匀电场还是发生了畸变，其主要原因如下： 固体介质与电极接触不良固体介质与电极接触不良 固体介质表面形成水膜固体介质表面形成水膜 沿面电场的畸变沿面电场的畸变

29、（二）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电（二）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电图1-23 沿套管表面放电的示意图 1导杆；2法兰（a）电晕放电（b）细线状辉光放电（c）滑闪放电 如图1 23 (a)所示，当所加电压还不高时，法兰附近即首先出现电晕放电；电晕放电； 如图1 23 (b)所示，随着外加电压的升高，放电区逐渐变成由许多平行的火花细线组成的光带，火花细线的长度随电压的升高而增大，但此时放电通道中的电流密度还不大、压降较大，伏安特性仍具有上升的特征，所以仍属于辉光放电辉光放电的范畴。 如图1 23 (c)所示，当电压超过某一临界值后，放电性质发生变化，个别细线突然迅速伸长，

30、转变为分支的树枝状明亮火花通道，这种树枝状火花并不固定在一个位置上，而是在不同位置上交替出现，所以称为滑闪放电滑闪放电。 达到滑闪放电这个阶段后，电压的微小升高就会导致火花的急剧伸长，所以电压再升高一些，放电火花就将到达另一电极，完成表面气体的完全击穿，称为沿面闪络沿面闪络或简称“闪络闪络”。通常沿面闪络电压比滑闪放电电压高得不多。 （三）极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电（三）极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电 以图1-22（c)中的支柱绝缘子为例，这时沿瓷面的电场切线分量较强，而垂直分量很弱。这种绝缘子的两个电极之间的距离较长，其间的固体介质（电瓷）本身是根本不可能被击穿的，可能出

31、现的只有沿面闪络。 此时固体介质处于极不均匀电场中，因而其平均闪络场强显然要比均匀电场低得多；但另一方面，由于界面上的电场垂直分量很弱，因而不会出现热电离和滑闪放电。这种绝缘子的干闪络电压基本上随极间距离的增大而提高，其平均闪络场强大于前一种有滑闪放电时的情况。三、沿面放电电压的影响因素和提高方法三、沿面放电电压的影响因素和提高方法 沿面放电电压受下列因素的影响： （一）固体介质材料 各种不同材料表面的工频闪络电压与极间距离的关系曲线见图1- 24，可见工频闪络电压的高低主要取决于该固体材料的亲水性或憎水性。 （二）电场型式 在同样的表面闪络距离下，均匀与稍不均匀电场中的沿面放电电压是最高的。

32、在界面电场主要为切线分量的极不均匀电场中，沿面闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压降低得较少。 具有强垂直分量的绝缘子（例如 套管）的主要问题是会出现滑闪放电，这使得它的闪络电压比距离相同的纯空气间隙的击穿电压低得多，而且单靠增大极间距离的办法，不能有效地提高其闪络电压，只有采取防止或推迟出现滑闪放电的措施才能收到效果。四、固体介质表面有水膜时的沿面放电四、固体介质表面有水膜时的沿面放电 绝缘子表面上的水膜是不均匀和不连续的。有水膜覆盖的表面电导大，无水膜处的表面电导小，绝大部分外加电压将由干表面（例如图1- 26中的BCA段）来承受。当电压升高时，或者空气间隙BA先击穿，或者干表面BCA

33、，先闪络，但结果都是形成ABA电弧放电通道，出现一连串的ABA通道就造成整个绝缘子的完全闪络。 如果雨量特别大，伞上的积水像瀑布似的往下流，伞缘间亦有可能被雨水所短接而构成电弧通道，绝缘子也将发生完全的闪络。 可见绝缘子在雨下有三种可能的闪络途径： 沿着湿表面AB和干表面BCA发展； 沿着湿表面AB和空气间隙BA发展； 沿着湿表面AB和水流BB发展。 在设计绝缘子时，为了保证它们有较高的湿闪电压，对各级电压的绝缘子应有的伞裙数、伞的倾角、伞裙直径、伞裙伸出长度与伞裙间气隙长度之比均应仔细考虑、合理选择。 五、绝缘子染污状态下的沿面放电五、绝缘子染污状态下的沿面放电 污闪的形成过程：污闪的形成过

34、程： 染污绝缘子表面上的污层在干燥状态下一般不导电，在出现急风骤雨时将被冲刷净，但在遇到毛毛雨、雾、露等不利天气时，污层将被水分所湿润，电导大增，在工作电压下的泄漏电流大增,在一定电压下能维持的局部电弧长度亦不断增加，绝缘子表面上这种不断延伸发展的局部电弧现象俗称爬电。一旦局部电弧达到某一临界长度时，弧道温度已很高，弧道的进一步伸长就不再需要更高的电压，而是自动延伸直至贯通两极，完成沿面闪络。 绝缘子的污闪是一个受到电、热、化学、气候等多方面因素影响的复杂过程，通常可分为：积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展等四个阶段，采取措施抑制或阻止其中任一阶段的发展和完成，就能防止污闪事故的发生。

35、 统计表明：污闪的次数虽然不像雷击闪络那样多，但它造成的后果却要严重得多。 雷击闪络仅发生在一点，外绝缘闪络引起跳闸后，其绝缘性能迅速自恢复，因而自动重合闸往往能取得成功，不会造成长时间的停电； 在发生污闪时，由于同一个区域内的绝缘子积污、受潮状况是差不多的，所以容易发生大面积多点污闪事故，自动重闸成功率远低于雷击闪络时的情况，因而往往导致事故的扩大和长时间停电。就经济损失而言，污闪在各类事故中居首位，所以目前普遍认为，污闪是电力系统安全运行的大敌，在电力系统外绝缘水平的选择中所起作用越来越重要。 影响污闪电压的因素影响污闪电压的因素（1）污秽的性质和污染程度）污秽的性质和污染程度 污秽的导电

36、率越高和介质表面沉积的污秽量越多，则闪络电压越低。这实际上说明表面泄漏电流越大，闪络电压越低。所以在工程中常将污层表面电导率作为监测绝缘子脏污严重程度的一个特征参数。（2）湿润的方式）湿润的方式 最容易发生污闪的气象条件是雾、露、融雪和毛毛雨等，这些条件下污层易达到饱和湿润的状态,但不被冲洗掉。（3）泄漏距离）泄漏距离 在污层表面电导率一定时，泄漏距离越长，表面电阻的阻值越大，绝缘子的泄漏距离是影响污闪电压的重要因素。 （4）外施电压的种类）外施电压的种类 由于污闪是局部电弧不断拉长的过程，因此电压作用时间越短就越不容易导致闪络。污秽污秽等级等级污污 湿湿 特特 征征 盐密盐密(mg/cm2)

37、线路线路发电厂发电厂变电所变电所0大气清洁地区及离海岸盐场50km以上无明显污染地区0.03大气轻度污染地区，工业区和人口低密集区，离海岸盐场10km50km地区，在污闪季节中干燥少雾（含毛毛雨）或雨量较多时0.030.060.06大气中等污染地区，轻盐碱和炉烟污秽地区，离海岸盐场3km10km地区，在污闪季节中潮湿多雾（含毛毛雨）但雨量较少时0.060.100.060.10大气污染较严重地区，重雾和重盐碱地区，近海岸盐场13km地区，工业与人口密度较大地区，离化学污源和炉烟污秽300m1500m的较严重污秽地区0.100.250.100.25大气特别严重污染地区，离海岸盐场1km以内，离化学

38、污源和炉烟污秽300m以内的地区0.250.350.250.35表表1-51-5 线路和发电厂、变电所污秽等级线路和发电厂、变电所污秽等级 污秽等级的划分污秽等级的划分 污秽等值附盐密度污秽等值附盐密度（简称（简称“等值盐密等值盐密”, mg/cm2） ： 与绝缘子表面单位面积上污秽物导电性相当的等值盐（NaCl)量。用 一个参数同时表征污秽量及污秽性质，以简化对污秽严重程度的描述。污秽等级爬电比距（cm/kV）线 路发电厂、变电所220kV及以下330kV及以上220kV及以下330kV及以上01.39（1.60）1.45（1.60）1.391.74（1.602.00）1.451.82（1.

39、602.00）1.60（1.84）1.60（1.76）1.742.17（2.002.50）1.822.27（2.002.50）2.00（2.30）2.00（2.20）2.172.78（2.503.20）2.272.91（2.503.20）2.50（2.88）2.50（2.75）2.783.30（3.203.80）2.913.45(3.203.80)3.10（3.57）3.10（3.41） 表表1-6 1-6 各污秽等级所要求的爬电比距值各污秽等级所要求的爬电比距值 注：注： 括号内的数据为以系统额定电压为基准的爬电比距值。调整爬距（增大泄漏距离）调整爬距（增大泄漏距离）定期或不定期的清扫定期或

40、不定期的清扫 使用涂料使用涂料采用半导体釉绝缘子采用半导体釉绝缘子 使用新型合成绝缘子使用新型合成绝缘子六、污闪事故的对策六、污闪事故的对策 随着环境污染的加重、电力系统规模的不断扩大以及对供电可靠性的要求越来越高，防止电力系统中发生污闪事故已成为十分重要的课题。在现代电力系统中实际采用的防污闪措施主要有以下几项： 图图 变电设备外绝缘的喷水清污变电设备外绝缘的喷水清污第二章第二章 气体介质的电气强度气体介质的电气强度 在工程实践中，常常会遇到必须对气体介质（主要是空气和SF6气体）的电气强度（通常以击穿场强或击穿电压来表示）作出定量估计的情况。 气体放电的发展过程比较复杂、影响因素很多，要用

41、理论计算的方法求取气隙的击穿电压是相当困难和不可靠的。通常都采用实验的方法来确定典型电极（例如“棒-板”、“棒-棒”、“球-球”、同轴圓筒等）所构成的气隙的击穿特性。 均匀电场气隙的击穿均匀电场气隙的击穿特性特性特点：特点： （1）均匀电场的两个电极形状完全相同且对称分布，因而不存在极性效应； （2）均匀电场中各处的电场强度均相等，击穿所需时间极短，因而它在直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压相同； （3）击穿电压的分散性很小，伏秒特性很快就变平，冲击系数为1。 第一节第一节 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性（1）球间隙球间隙（例如：高电压试验中用来测量高电压幅

42、值的球隙测压器）（1）dD/4时，电场不均匀度增大，大地对球隙中电场分布的影响加大，因而平均击穿场强变小，击穿电压的分散性增大。 为了保证测量精度，球隙测压器一般应在 d D/2的范围内工作。 稍不均匀电场气隙的击穿稍不均匀电场气隙的击穿特性特性（2 2）同轴圆柱电极）同轴圆柱电极 （例如：高压标准电容器、GIS分相母线）（1）r/R0.1时时，属稍不均匀电场，击穿前不再有稳定的电晕放电，且由图可见，当r/R 0.33时击穿电压出现极大值（上述电气设备在绝缘设计时通常将r/R之比选取在0.25 0.4的范围内）。 稍不均匀电场气隙的击穿稍不均匀电场气隙的击穿特性特性 直流电压直流电压 不对称的

43、极不均匀电场（例如 “棒-板”气隙）在直流电压下的击穿具有明显的的极性效应，其正极性击穿电压显著低于负极性击穿电压。而对称的极不均匀电场（例如 “棒-棒”气隙）的电气强度介于二者之间。 图2-4“棒板”和“棒棒”空气间隙的 直流击穿电压 第二节第二节 极不均匀电场气隙的的击穿特性极不均匀电场气隙的的击穿特性 无论“棒-棒”或“棒-板”电极，击穿都发生在电压的正半周峰值附近，分散性也不大； 当间隙距离不太大时，击穿电压与间隙距离呈线性关系；当间隙距离很大时，平均击穿场强明显降低，即出现“饱和”现象，如图2-7。 工频交流电压工频交流电压 1. 雷电冲击击穿电压与距离成正 比，无饱和； 2. 冲击

44、系数通常均显著大于1, 冲击 击穿电压的分散性也较大。 3. “棒-板”气隙的冲击击穿电压具有 明显的极性效应。雷电冲击电压雷电冲击电压 操作冲击电压操作冲击电压 极不均匀电场长气隙在操作冲击电压下的击穿具有下列特点： (1) 操作冲击电压的波形对气隙的电气强度有很大的影响，图2 -10中的实验结果表明，气隙的50%操作冲击击穿电压U50%(s)与波前时间Tcr 的关系曲线呈“U”形，在某一最不利的波前时间Tc（可称之为临界波前时间）下，U50%(s) 出现极小值U50%(min)。 图中一条虚线曲线表示不同长度气隙的 U50%(min)与Tc 的关系。 (2) 虽然操作冲击电压的变化速度和作

45、用时间均介于工频交流电压和雷电冲击电压之间，但气隙的操作冲击击穿电压远低于雷电冲击击穿电压，在某些波前时间范围内，甚至比工频击穿电压还要低。 必须注意：在各种类型的作用电压中，以操作冲击电压下的电气强度为最小。在确定电力设施的空气间距时，必须考虑这一重要情况。 (3) 极不均匀电场长气隙的操作冲击击穿特性具有显著的“饱和”特征，如图2 12所示。除了负极性“棒-棒”气隙外，其他棒间隙的操作冲击击穿特性的“饱和”特征都十分明显，而电气强度最差的正极性“棒-板”气隙的“饱和”现象也最为严重，尤其是在气隙长度大于56m以后。这对发展特高压输电技术来说，是一个极其不利的制约因素。 第三节第三节 大气条

46、件对气隙击穿特性的影响及其校正大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正大气校正因数大气校正因数1mK00273273tppt2WKK2. 湿度校正因数湿度校正因数1. 空气密度校正因数空气密度校正因数 U = K1 K2 U0 在不同大气条件和海拔高度下所得出的击穿电压实测数据都必须换算到标准大气条件下才能互相进行比较。 我国的国家标准规定的标准大气条件为： 压力p0101.3kPa（760mmHg）； 温度t020或T0=293K； 绝对湿度h011g/m3。 在实际试验条件下的气隙击穿电压U与标准大气条件下的击穿电压U0之间可通过相应的校正因数进行如下换算： 对海拔高度的校正对海拔高度的校正

47、对于安装在海拔高于l000m、但不超过4000m处的电力设施外绝缘，如在平原地区进行耐压试验，其试验电压U应为平原地区外绝缘的试验电压Up乘以海拔校正因数Ka , 即： U = Ka Up为安装点的海拔高度HHKa;101 .114, m第四节第四节 提高气体介质电气强度的方法提高气体介质电气强度的方法 一、改进电极形状以一、改进电极形状以改善电场分布改善电场分布 例如采用屏蔽罩、扩径导线等增大电极曲率半径,或改善电极边缘形状以消除边缘效应。 以电气强度最差的“棒-板”气隙为例，如果在棒极的端部加装一只直径适当的金属球，就能有效地提高气隙的击穿电压。图2 13表明采用不同直径屏蔽球时的效果，例

48、如在极间距离为l00cm时，采用一直径为75cm的球形屏蔽极就可使气隙的击穿电压约提高一倍。二、利用空间电荷改善电场分布二、利用空间电荷改善电场分布 例如利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀电场气隙中的电场分布，从而提高气隙的击穿电压。 此种提高击穿电压的方法仅在电压持续作用下才有效，在雷电冲击电压下并不适用。 三、采用屏障三、采用屏障 气隙中的电场分布和气体放电的发展过程都与带电粒子在气隙空间的产生、运动和分布密切有关，在气隙中放置形状和位置合适、能阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障，是提高气体介质电气强度的一种有效方法。 有屏障气隙的击穿电压与该屏障的安装位置有很大的关系。四、采

49、用高气压四、采用高气压 在常压下空气的电气强度最大值约为30kV/cm。 常压下空气的电气强度要比一般固体和液体介质的电气强度低得多。 把空气气压提高，它的电气强度也得到显著的提高。主要是因为提高气压可以大大减小电子的自由行程长度，从而削弱和抑制了电离过程。五、采用高电气强度气体五、采用高电气强度气体 在众多的气体中，有一些含卤族元素的强电负性气体例如六氟化硫(SF6)、氟里昂CC12F2)等的电气强度特别高（比空气高得多），因而可称之为高电气强度气体。 这类气体还必须满足其他方面的要求：液化温度要低（这样才能同时采用高气压）; 良好的化学稳定性，该气体在出现放电时不易分解、不燃烧或爆炸、不产

50、生有毒物质；生产不太困难，价格不过于昂贵。 在工程上获得广泛应用的高电气强度气体为：SF6及其混合气体。 六、采用高真空六、采用高真空 采用高度真空也可以减弱气隙中的碰撞电离过程而显著提高气隙的击穿电压。 真空击穿研究表明：在极间距离较小时，高真空的击穿与阴极表面的强场发射有关，它所引起的电流会导致电极局部发热而释放出金属气体，使真空度下降而引起击穿； 目前高真空仅在真空断路器中得到买际应用，真空不但绝缘性能较好，而且还具有很强的灭弧能力，所以用于配电网真空断路器中还是很合适的。 第五节第五节 六氟化硫和气体绝缘电气设备六氟化硫和气体绝缘电气设备 SF6气体已成为除空气外使用得最多的气体介质，

51、GIS在电力系统中的应用也日益广泛。 一、六氟化硫的绝缘性能一、六氟化硫的绝缘性能 （一）均匀和稍不均匀电场中（一）均匀和稍不均匀电场中SFSF6 6的击穿的击穿 对强电负性气体，除考虑和过程外，还应考虑过程（电子附着过程）。的定义与相似，即一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的电子附着次数。可见在电负性气体中有效的碰撞电离系数为 均匀电场中的电子崩增长规律为()0ednn()dK 对于均匀场： ()dxK 对于非均匀场： 电负性气体的流注自持放电条件为:电负性气体的情况电负性气体的情况 由于强电负性气体的 ，所以其自持放电场强比非电负性气体高得多。以SF6气体为例，在101.3kPa，2

52、0的条件下，均匀电场中击穿场强为Eb88.5kV/cm，约为同样条件的空气间隙的击穿场强的3倍。 （二）（二） 极不均匀电场中极不均匀电场中SFSF6 6的击穿的击穿 在极不均匀电场中，SF6气体的击穿有异常表现：工频击穿电压随气压的变化曲线存在“驼峰”；驼峰区段内的雷电冲击击穿电压明显低于静态击穿电压，其冲击系数可低至0.6左右，如图2 18所示。 在进行绝缘设计时应尽可能设法避免极不均匀电场的情况。 （三）影响击穿场强的其他因素（三）影响击穿场强的其他因素 气体绝缘电气设备的设计场强值远低于理论击穿场强，这是因为有许多影响因素会使它的击穿场强下降。两种主要的影响因素： 电极表面缺陷电极表面

53、缺陷 导电微粒导电微粒二、六氟化硫理化特性方面的若干问题二、六氟化硫理化特性方面的若干问题 气体要作为绝缘媒质应用于工程实际，不但应具有高电气强度，而且还要具备良好的理化特性。SF6气体之所以能成为唯一获得广泛应用的强电负性气体的原因即在于此。 SF6气体在实际应用中遇到的理化特性方面的几个主要问题是： （一）液化问题 （二）毒性分解物 （三）含水量三、三、SFSF6 6混合气体混合气体 虽然SF6气体有良好的电气特性和化学稳定性，但其价格较高、液化温度还不够低、且对电场不均匀度太敏感，所以目前国内外都在研究SF6混合气体，以期在某些场合用SF6混合气体来代替纯SF6气体。 目前已获工业应用的

54、是SF6 N2混合气体，主要用作高寒地区断路器的绝缘媒质和灭弧媒质，采用的混合比通常为50% ：50% 或60% ：40%。所谓混合比是指两种气体成分的体积比，也就是两种气体分压之比。采用混合气体可使液化温度明显降低。 四、气体绝缘电气设备四、气体绝缘电气设备 （一）封闭式气体绝缘组合电器 (GIS) （二）气体绝缘管道输电线 （三）气体绝缘变压器 除了以上所介绍的气体绝缘电气设备外，SF6气体还日益广泛地应用到一些其他电气设备中，诸如：气体绝缘开关柜、环网供电单元、中性点接地电阻器、中性点接地电抗器、移相电容器、标准电容器等。第三章第三章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性 液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。应用得最多的液体介质是变压器油，电容器油和电缆油也分别用于电力电容器和电力电缆中。用作内绝缘的固体介质最常见的有绝缘纸、纸板、云母、塑料等，用于制造绝缘子的固体介质有电瓷、玻璃和硅橡胶等。 电介质的电气特性，主要表现为它们在电场作用下的导电性能、介电性能和电气强度； 它们分别以四个主要参数，即电导率（或绝缘电阻率）、介电常数、介质损耗角正切 tan和击穿电场强度（以下简称击穿场强）Eb来表示。 第一节第一节 电介质的极化、电导与损耗电介质的极化、电导与损耗一、电介质的极化一、电介质的极化介电常数、相对介