气体介质的绝缘特性

1、会计学1气体介质的绝缘特性气体介质的绝缘特性l 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

2、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。ieeWVm221Wi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：iWhv 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

3、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

4、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

5、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

6、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。)1(de1ln1) 1(ded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

7、起始电子的作用是自持放电的判据。总结：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： v放电时间：很短 v放电外形：具有分支的细通道 v击穿电压：与理论计算不一致 v阴极材料：无关 汤逊理论适用于dUb(+|-)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

8、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，

9、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 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=1.2s30T2=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=t0tstf2、放电时间的组成：t1tstf 称为放电时

10、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U0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，tfU0三、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

11、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

12、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： 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

13、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：1(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。1050UU提高气体击穿

14、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 231）高气压的采用；2）高真空的采用；3）高电气强度气体（SF6）的采用幻灯片 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

15、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

16、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

17、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。 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

18、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。2.8 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

19、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 v 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； v 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，电阻剧降，通道迅速增长； v 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

20、电容C0对Us的影响C0越大Us分布越不均匀Usr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，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、

21、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

22、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

23、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。（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

24、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，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

25、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； 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；

26、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。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 mK1相对密度的确定ttPP27327300m的确定

27、：m与g有关KLUgB500 对湿度的校正 对海拔高度的校正4101 . 11HKa)40001000(mHmwKK2w的确定：w与g有关KLUgB500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

28、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。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

29、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。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

30、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

31、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，电子在碰撞液体分子时可引起游离，使电子数倍增，形成。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 成反

32、比。气泡的 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、发热、气泡并形成小桥，有热过程，属于范畴。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。 (1)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，

33、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、 水分和其他杂质（1）水分以三种状态存在于油中： 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； 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

34、（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 3、电场均匀度 电场较均匀时，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”。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

35、力 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，提高油隙的和。（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。能显著提高油隙的工频击穿电压，并减小其分散性，其厚

36、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为非极性或弱极性介质、极性介质和离子性介质。 木材、云

37、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、玻璃等属于无机物一、电介质的极性及分类二、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10-1010-2s甚至更长，故极化程度与外加电压的频率有关。频率很高时，由于偶极子的转向跟不上电场方向的变化，极化减弱。（2）极化过程有能量损耗。因偶极子转向时要克服分子间的吸引力而消耗能量，消耗掉的能量在偶极子

38、复原时不可收回。（3）温度对极化过程影响很大。温度升高时，一方面电介质分子间的结合力减弱，使极化程度增大；另一方面分子热运动加剧，妨碍偶极子沿电场方向转向，使极化程度减小。总体极化程度取决于这两个方面相对强弱。12210CCUUt1221GGUUt一般介质不均匀，于是要有一电压重新分配过程，亦即C1、C2上电荷重新分配，在此过程中，分界面上将集聚起多余的电荷，从而显出极性来。：等值电容增大；夹层界面堆积电荷产生极性极化特点： 与分子结构无关；极化时间长（R很大）；有能耗。三、电介质的相对介电常数表示极化强弱的一个物理量。以真空平板电容器为例分析：极化前： dAUQC000极化后： dAUQQU

39、QC000000/dAdAQQQCCr 是反映电介质极化特性的一个物理量。 r气体 接近于1，因密度小、极化率低；液体和固体多在26之间。 用于电容器的绝缘材料，希望选用 大的介质，可使单位电容的体积和重量减小。 其他电气设备中总是选 较小的介质，因介质损耗较小。 采用 较小绝缘材料可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。采用组合绝缘时应注意各种材料 值之间的配合，在交流电压下，串联多层介质的场强分布与介质的 成反比。rrrrrr四、电介质极化在工程上的意义1、组合绝缘要注意各种材料 值的配合。在交流及冲击电压下，各层电压分布与其 成反比，选择 使各层介质电场分布较均匀。 2、选择设备

40、绝缘材料时，要根据不同目的选择不同的 。3、在绝缘预防性试验中，夹层极化现象可用来判断绝缘受潮的情况。rr电介质的相对介电常数气体：一切气体的都接近1； 液体：非极性和弱极性电介质 1.82.8 强极性电介质 36 固体：非极性和弱极性电介质 22.7 强极性电介质 36 离子性电介质 58rrr电介质电导分为离子电导、电子电导，主要表现为前者。2、离子电导：一、电导的基本概念和分类1、电子电导：一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿。本征离子电导：极性电介质本身离解呈现的电导；杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离解呈现的电导。电泳电导：载流子为带

41、电的分子团，通常是乳化态的胶体粒子（如绝缘油中悬浮胶粒或细小水珠）吸附电荷变成了带电粒子。电介质的电导3、表面电导：对固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导，受外界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，清除表面污秽、烘干水分、在测量电极上采取一定的措施。电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。二、气体电介质的电导无电压作用下，由于外界因素（宇宙射线、紫外线等）使气隙中含有大约500-1000对/cm3离子，电压从零增大，带电质点运动速度加快，电流增大。电压增大到UA后，单位时间内产生的带电质点已全部落入电极，所以电压升高，电流基本不变。电压超过

42、UB后，产生了新的游离过程，产生更多带电质点，因而气体就变成了良导体。三、液体电介质的电导与气体类似，该关系曲线也可分为a、b、c三个区域。其中，a、b为低电场区、c为高电场区。区域a中，符合欧姆定律，区域b，电流的饱和趋势不太明显，因为液体密度大，正、负离子相遇的机会多，复合概率大，不可能所有的离子都运动到电极，而电压增高时复合的概率减少，电流有所增大。区域c中，液体分子发生游离，电导迅速增大。 中性液体介质本身的离解是极微弱的，其电导主要是由离解性的杂质和悬浮于液体介质中的荷电粒子引起的。所以其电导对杂质非常敏感。 极性液体介质的介电常数愈大，其电导也愈大。强极性液体介质（水、酒精等），即

43、使高度净化，电导率还很大，以至于不能看成电介质，故不能作为电气设备的绝缘材料。影响液体电介质电导的因素 除电场强度外，影响液体电介质电导的因素还有温度和杂质。1.温度的影响：（1）温度升高时液体介质本身的分子和所含的杂质的分子的离解度增大，从而使液体中自由离子的数量增加；（2）温度升高时，液体的粘度（分子间的结合力）减小，离子在电场作用下移动的阻力减小，从而使离子运动的速度加快。2.杂质的影响：杂质是液体电介质中带电质点的重要来源，液体中杂质含量增大时，使液体电介质的电导明显增大。四、固体电介质的电导固体电介质的电导分为体积电导和表面电导。分别表示电介质内部和表面在电场中传导电流的能力。中性或

44、弱极性固体介质的体积电导主要由杂质离解引起；其本身分子不容易发生离解。极性固体介质除杂质离解外本身分子离解为自由离子也是形成体积电导的主要因素。 影响因素：电场强度、温度、杂质。 电场强度影响与液体介质类似。电场强度影响中，没有饱和区，因为固体发生碰撞游离的场强高，发生游离前阴极就能发射电子，形成电子电导。温度和杂质的影响与液体也相似。 表面电导主要是附着于介质表面的水分和其他污物引起的。表面形成水膜能造成明显的电导。除水分外如还有尘埃等污秽，则污秽中所含的盐类电解质溶于水后形成大量自由离子，使电导显著增大。 亲水性物质：能在表面形成水膜，如玻璃、陶瓷等 憎水性物质：不易吸收水分，只能在其表面

45、形成不连续的水珠。如石蜡、硅等。显然憎水性物质表面电导相对要小。五、电介质的泄漏电流和绝缘电阻i=i1+i2+igi1充电电流：无损极化对应的纯电容电流，又称快极化电流；ig：介质中少量离子或电子移动形成的电流，即电导电流。i2：为有损极化对应的电流(主要为夹层极化)，又称慢极化电流；六、绝缘电阻的特点(1) 测量介质或设备的 时应加压1或10分钟；R(2) 具有，而； R(4)对于固体电介质，还必须注意区分体积电阻RV和表面电阻RS，由于受外界影响(如受潮、胀污等)很大，不能用RS来说明绝缘内部问题。(3) 由于 与外加电压有关，在临近击穿时有显著的迅速增加自由电子的导电现象， 造成 剧烈下

46、降；RR七、电介质电导的工程意义1、电导是绝缘预防性试验的依据； 2、直流电压作用下分层绝缘时，各层电压分布与电阻成正比，选择合适的电阻率可实现各层间合理分压； 3、注意环境、湿度对固体介质表面电阻的影响； 4、工程上有时要设法减小绝缘电阻以改善电压分布。1.3 电介质的损耗一、基本概念在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导损耗和有损极化（偶极子、夹层极化）损耗，总称介质损耗。 直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念。交变电场：电介质能量损耗包括电

47、导损耗（通过电介质的贯穿性泄漏电流所引起）和极化损耗（交流电压下由周期性极化所引起）。二、介质损耗分析CRIII交流时流过电介质的电流：tantancos2CUUIUIUIPCR由上式可见，介质功率损耗P与试验电压、被试品尺寸等因素有关，不同试品间难以互相比较；而对于结构一定的被试品，在外施电压一定时，介质损耗只取决于tan 。 tan 被称为介质损耗角正切，它只与介质本身特性有关，与材料尺寸无关，因而不同试品的tan 可相互比较。 对同类试品绝缘的优劣可用tan 来代替P对绝缘进行判断。实际上，电导损耗和极化损耗都同时存在。介质等值电路可用三个并联支路表示： C0：反映电子式和离子式极化；C

48、a、ra：反映吸收电流，表示有损极化；Rg：反映电导损耗，该支路流过的电流为泄漏电流。有损介质的等值电路分析可用并联等效电路或串联等效电路RCCURUIItgppcrp1/tgCURUPpp22rCCIIUUtgssrcrs/2221tgtgCUrIPss21tgCCPPspsp：表征单位体积均匀介质内能量损失的大小 三、影响介质损耗的因素1、气体的介质损耗 UU0时仅有很小的电导损耗，且与U无关；UU0，有游离、局放、电晕损耗等，U tan 2、液体的介质损耗 与的关系： UU0时，仅有很小的电导损耗；U U0后，液体分子发生游离，电导迅速增大；（1） 中性或弱极性液体介质与的关系：随温度上

49、升按指数规律增大。损耗主要由电导引起（2） 极性液体介质电导和极化损耗随变化的关系与中性或弱极性相同;与的关系：TCT1C：电导和极化损耗较小，TC电导损耗& 粘度下降极化极化损耗 tan T1C TCT2C： 分子热运动加快妨碍偶极子转向极化损耗&电导损耗 tan TCT2C：电导损耗& 极化损耗 tan 与的关系：较低f：f极化tan 较高f：f偶极子转向困难tan3、固体的介质损耗 (1) 无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃 由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，是理想的电机绝缘材料，但机械性能差； 既有电导损耗，又有极化损耗；20C和50Hz时25； 电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分有

50、关。 (2) 有机绝缘材料：分为和非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导； 极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。 固体介质的物理化学性能各种固体绝缘材料的性能差别很大，绝缘强度、体积电导率、相对介电常数、介质损失等都不同。除了这些电气性能外，其他物理和化学性能也很重要。例如电缆绝缘用得较多的普通聚氯乙烯（PVC）其允许最高工作温度为70.考虑到电缆芯线处导体的温度比电缆外皮的温度高出1015 。电缆外皮的温度必须限制到不超过60。为了适应高温环境，就不能使用普通聚氯乙烯绝缘电力电缆，而应选用耐热聚氯乙烯绝缘（最高工作温度90）或交联聚乙烯（简称XLPE）绝缘（最高工作温度90105

51、）电力电缆，或者选用乙丙橡胶（EPR）绝缘（最高工作温度90）电力电缆。 普通聚氯乙烯的耐寒性较差，在低温-20以下就不宜使用。另外，普通聚氯乙烯在火灾事故时会逸出大量氯化氢等有毒烟气，妨碍消防工作、加剧火势蔓延，而且烟气的沉淀物有导电和腐蚀性，对电气装置还产生“二次危害”。因此而应选用交联聚乙烯、聚乙烯或乙丙橡胶等绝缘不含卤元素的电缆。二、固体介质的击穿机理固体介质的特点：非自恢复绝缘体在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿： 电过程（电击穿） 热过程（热击穿） 电化学过程（电化学击穿） 1、电击穿理论强电场作用下的碰撞游离导致的击穿。在介质电导很小、散热良好以及介质内部不存在局放情况

52、下，固介的击穿通常为电击穿，击穿场强可达105-106kV /m 与周围环境温度有关； 介质发热不显著； 除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大； 电场均匀程度对击穿有显著影响。电击穿的主要特点：2、热击穿理论由于电导存在损耗发热TRI损耗发热(Q发Q散)T介质分解、劣化击穿热击穿的主要特点：击穿与环境、电压作用时间、电源频率及介质本身有关。3、电化学击穿固体介质在电、热、化学和机械力长期作用下，会逐渐发生某些物理化学过程，使其绝缘性能逐渐劣化，这种现象称为绝缘的老化。由于绝缘的老化而最终导致的击穿称为电化学击穿。 最终可能是电击穿也可能是热击穿。 电化学击穿特点：长时间；击穿电压低（工作电

53、压下即可能发生）二、影响固体介质击穿的因素电压作用时间、 E均匀程度、温度、受潮、累积效应等 不过二者有时很难分清，例如工频1min耐压试验中试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。2、电场均匀程度 处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随介质厚度的增加近似地成线性增大； 在不均匀电场中，介质厚度增加使电场更不均匀，击穿电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚度增加使散热困难到可能引起热击穿时，增加厚度的意义就更小了。如果电压作用时间很短(例如0.1s以下)，固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压当然较高。 随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果加压数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿

54、往往起主要作用。电压作用时间长达数十小时甚至几年才发生击穿时，大多属于电化学击穿的范畴。3、温度 固体介质在低于某个温度下其击穿性质属于电击穿，这时的击穿场强很高，且与温度几乎无关。 超过这个温度后将发生热击穿，温度越高热击穿电压越低；如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿电压更低。 4、受潮受潮对固体介质Ub的影响与材料的性质有关。常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀的，最大电场强度集中在气隙处，使击穿电压下降。不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此由电击穿转为热击穿的临界温度t0一般也不同。所以高压绝缘结构在制造时要注

55、意除去水分，在运行中要注意防潮，并定期检查受潮情况。5、累积效应固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很高的过电压、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损伤会逐步发展，称为累积效应。 对聚乙烯、聚四氟乙烯等不易吸潮的中性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右； 容易吸潮的极性介质如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压仅为干燥时的百分之几或更低，因为电导率和介质损耗大大增加的缘故。显然，它会导致固体介质击穿电压下降。3.4 组合绝缘的击穿特性 对固体介质绝缘材料的电气设备进行耐压试验时应注意：加电压的次数和试验电压值应考虑这种累积效应。一、介质的组合原则在电气设备的绝缘结构中，为了获得所需要的绝缘性能，一般不大可能只使用一种绝缘材料，而是由两种或两种以上的绝缘介质组合在一起，