气体的绝缘强度解析课件

1、第一篇高 电 压 绝 缘 与 试 验第一章 气体的绝缘强度什么是绝缘 绝缘是电气设备结构中的重要组成部分，其作用是把电位不等的导体分开，使其保持各自的电位，没有电气连接。 什么是电介质？ 将具有绝缘作用的材料称为绝缘材料，即电介质。 电介质在电场的作用下，有极化，电导、损耗和击穿等现象。1.1 气体放电的基本物理过程1.1.1气体中带电质点的产生和消失 气体是电力系统和电气设备中常见的绝缘介质，工程上使用得最多的是空气和六氟化硫气体。 空气是最廉价、应用最广、自动恢复绝缘的气体，因此我们主要研究空气的放电。 以空气为作为绝缘介质，如：架空线路中相与相之间、相与地之间、变压器外绝缘等。 以六氟化

2、硫气体作为绝缘介质，如六氟化硫断路器、六氟化硫全封闭组合电器。福建水口电站的550KV HGIS运行在巴基斯坦的252KV GIS 气体不是理想的绝缘体: 正常情况下，气体是绝缘体，但其中仍有少量的带电质点，这是在空中高能射线（如紫外线、宇宙射线及地球内部辐射）作用下产生的。 在电场作用下，这些带电质点作定向运动而形成电导电流。因为，气体不是理想的绝缘体，不过，当电场较弱时，带电质点数极少，电流极小，气体仍是良好的绝缘体。什么是气体击穿 当气体中的电场强度达到一定数值后，气体中电流剧增，在气体间隙中形成一条导电性能高的通道，气体失去绝缘能力，气体这种由绝缘状态突变为良导电状态的过程，称为击穿。

3、什么是气体放电 气体中流过电流的各种形式，统称为气体放电。气体放电的形式：在气压低、电源功率较小时，为充满间隙的辉光放电；在大气压下，表现为火花放电或电弧放电；在极不均匀电场中，会在局部电场最强处产生电晕放电。气体原子的激发和电离: 任何电介质都是由原子组成的，原子则由一带正电的原子核和围绕着原子核旋转的外层电子组成。由于原子所带正、负电荷相等，故正常情况呈中性。 电子的能量不同，其所处的轨道也不同。通常电子能量越小，其轨道半径越小，离原子核越近。稳定的原子的外层电子都在各自的能级轨道上运转，此时原子的位能最小。当外界给予原子一定的能量使内层电子获得能量不能脱离原子核的束缚，只能跃迁到标志着能

4、量更高的、离原子核较远的轨道上去时，该原子就处于激励状态，原子的位能也增加，这一过程叫激励。 激发：电子向高一能级轨道的跃迁。电离：如果气体原子从外部获得足够大的能量，使外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。失去电子的原子就成带正电的离子，称为正离子。此过程就称为电离。（1）气体中带电质点的产生 带电质点可由以下形式的游离形成： 1）碰撞游离 2）光游离 3）热游离 4）表面游离1）碰撞游离 这是气体中带电质点数目增加的重要原因。 在电场作用下，电子被加速获得动能。若其动能大于气体质点的游离能，在和气体质点发生碰撞时，就可能使气体质点产生游离分裂成正离子和电子。这种游离称为碰撞游离。2）光游离

5、 电磁射线（光子）的能量等于或大于气体质点的游离能时所引起的游离过程叫光游离。 3）热游离 因气体分子热运动状态引起的游离称为热游离。其实质仍是碰撞游离和光游离，只是直接的能量来源不同而已。4）表面游离 放在气体中的金属电极表面游离出自由电子的现象称为表面游离。金属表面游离所需能量可以从下述途径获得：正离子碰撞阴极：正离子在电场中向阴极运动，碰撞阴极时将其能量传递给电子而使金属表面逸出两个电子，其中一个与正离子结合而合成中性质点，另一个才可能成为自由电子。光电效应：金属表面受到光的照射，也能产生表面游离。强场发射：在阴极附近加上很强的外电场，将电子从阴极表面拉出来，称为强场发射或冷发射。热电子

6、发射：将金属电极加热到很高的温度，可使其中电子获得巨大能量，逸出金属。在电子、离子器件中常利用热电子发射作为电子来源，在强电领域，对某些电弧放电的过程有重要作用。(2) 气体中带电质点的消失（三种方式）1）气体中带电质点在电场力作用下流入电极带电质点一旦产生，在外电场作用下作定向运动，流入电极形成电导电流。2）带电质点的扩散带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。扩散的原因：带电质点的热运动电子比离子的扩散速度高3个数量级含义：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。对放电的影响：复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条

7、件下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展。 放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之间的复合，参加复合的电子绝大多数是先形成负离子再与正离子复合。3）带电质点的复合1.1.2 汤逊理论和巴申定律 非自持放电：如果取消外电离因素，气体的放电过程就会停止，那么电流也将消失。这类依靠外电离因素和外电场因素共同作用而维持的放电。 自持放电：气隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。 汤逊理论：描述均匀电场气隙的击穿放电的理论一、气体放电实验及伏安特性曲线气体中电流和电压的关系伏安特性曲线测定气体中电流的回路示意图适用条件：均匀电场、低气压、短间隙气体放电伏安特性 汤逊理论试验分析 当U26.

8、66kPa cm，汤逊理论将不适用。 气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下两方面 空间电荷对原有电场的影响 空间光电离的作用(一)空间电荷的形成和它对电场的畸变图1.5 平板电极间电子崩空间电荷对外电场的畸变作用电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变； 在电场很小的区域，电子和离子浓度最大，有利于完成复合； 强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离辐射源。流注的形成与发展 图1.6 正流注发展机理 (a)原始电子崩；(b)发展中的流注起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩；初始崩中正负离子间电场大大削弱，复合

9、剧烈进行，同时放射出大量光子；光电离产生二次电子，在加强的局部电场作用下形成二次崩；d) 二次崩中的电子受初崩中正离子的吸引作用，就注入到初崩中，形成了正、负离子的混合质通道。 此时，离子浓度更高，复合更激烈进行，又不断向崩尾辐射出光电子，形成新的光游离，不断有光电子和二次崩产生。二次崩电子又不断渗入到初崩中来，使正、负离子的混合质通道不断伸长（称为流注） 。e) 流注通道贯通，气隙击穿流注条件形成流注的必要条件是：电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，大大加强电子崩崩头和崩尾处的电场；电子崩头部附近电荷密度很大，复合频繁，释放出引发新的空间光电离的辐射源，二次电子

10、崩主要来源于空间光电离；气隙中一旦形成流注，放电就可由空间光电离自行维持。流注自持放电条件：或初崩头部电子数要达到108时，出现流注，放电才能转为自持。1.1.4 不均匀电场中的放电过程 实际工程中较少存在均匀形式电场而多为稍不均匀甚至极不均匀电场均匀电场：两个电极的面积远远大于两电极间的距离，这两个电极间的电场称为均匀电场。如平板电极；不均匀电场：两电极的曲率半径小于两电极间的距离时，两电极间的电场就是不均匀电场。如棒-棒、棒-板； 当棒电极的曲率半径远大于棒-板电极间的距离时，其间电场就是极不均匀电场。在极不均匀电场间隙击穿前会出现稳定的电晕放电，且放电过程中具有显著的极性效应。Emax

11、: 最大电场强度; Eav :平均电场强度Ke4，极不均匀电场 两个特点：击穿前出现稳定的电晕放电；有显著的极性效应为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数Ke，表示为：一.电晕放电条件：极不均匀电场中电极曲率半径小电极间距离大特点：间隙局部击穿，大部分尚未丧失绝缘性能，间隙仍能耐受电压作用，放电电流小，紫色晕光，吱吱放电声. 电晕起始电压U0间隙击穿电压Ub导线表面起晕场强三相对称时，导线的起晕场强电晕损耗功率计算电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，应用最广的是皮克公式，电晕起始场强近似为：电晕放电的危害：能量损耗高频电磁波使空气发生化学反应噪声污染电晕放电的对策：改变

12、电极形状，增加电极曲率半径采用分裂导线 在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。但放电的发展过程、气隙的电气强度、放电电压等都与该电极的极性有密切的关系。极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。 2 极性效应决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电位符号： 在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如“棒-板”气隙。 在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的那个电极上的电位，如“棒-棒”气隙。 下面以典型的极不均匀电场-“棒-板”气隙为例，从流注理论的观点出发，说明放电的： 发展过程极性效应 （一）正极性如图所示棒极带

13、正电位时，电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和，棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子。 这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢而暂留在棒极附近。 这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，而加强了正离子群外部空间的电场，因此当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区亦将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的。（二）负极性 如图所示： 棒极负极性时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区后，虽不能再引起碰撞电离，但仍继续往板极运动。 留在棒极附近的也是大批正离子，这时它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间的电场，电场情况如图（c）所示。所以，当电

14、压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整个气隙击穿将是不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多，完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多。标准雷电冲击电压波：雷电冲击电压波形的标准化1.1.5 冲击电压下气体间隙的击穿特性 雷电冲击电压标准波形标准雷电截波：用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后所出现的截尾冲击波，如图所示。 b.操作冲击电压Tcr波前时间（波头时间）=25020%s T2半峰值时间（波长时间）=250020%s 可表示为250/2500s衰减振荡电压波 第一个半波的持续时间在20003 000s之间，反极性的第二半波的峰值约为第一个半波峰值的80 衰减振荡操作

15、冲击波 2.放电时延：对气隙加上冲击电压，电压随着时间的增长迅速由零上升到峰值后，又缓慢衰减 放电时间的形成 1)升压时间t0：电压从零上升到持续电压作用下的击穿电压U0（称为静态击穿电压）所需的时间。 2)统计时延ts ：通常把电压达间隙的静态击穿电压开始到间隙中出现第一个有效电子为止所需的时间3)放电发展时间 tf：从第一个有效电子到间隙完成击穿所需的时间 4）放电时延tL： tL= ts + tf5）气体间隙在冲击电压作用下击穿所需全部时间：td=t0+ ts + tf气隙的击穿需要一定的时间 3.伏秒特性 定义：同一波形、不同幅值的冲击电压下，间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线

16、.绘制方法：保持一定的波形而逐渐升高电压，以示波图来求取，电压较低时，击穿发生在波尾;电压较高时，击穿发生在波头制作伏秒特性曲线很费事，工程上常常采用：“50击穿电压” “U2s”2s冲击击穿电压来表示气隙的耐电性能“50击穿电压”：指在该冲击电压作用下气隙被击穿的概率为一半“U2s”： 指在该冲击电压作用下发生击穿td大于或小于2s的概率各为一半实验表明，在冲击电压作用下，由于放电时间具有分散性，所以在每级电压下可以得到一系列的放电时间。伏秒特性实际上是一个以上、下包线为界的带状区域。0%伏秒特性：每级电压下，放电时间小于下包线横坐标所示数值的概率为0%100%伏秒特性：每级电压下，放电时间

17、小于上包线横坐标所示数值的概率为100%50%伏秒特性：每级电压下，放电时间小于该包线横坐标所示数值的概率为50%通常取50伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿特性。极不均匀场间隙(s1)和均匀及稍不均匀场间隙(s2)的伏秒特性 同一电压下， S2都将先于S1击穿，S2就能可靠的保护S1两个间隙伏秒特性交叉的情况 在冲击电压峰值较低时，s2先于s1击穿，能对s1起保护作用；但在高峰值冲击电压作用下，s1先于s2击穿，s2不起保护作用。 电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀 电压形式：直流、交流、雷电冲击 、操作冲击 大气条件：气压、温度、湿度1.2 影响气体放电电压的因素1.2.1

18、 电场形式对放电电压的影响均匀电场： 两个电极形状完全相同且对称布置，因而不存在极性效应。 均匀电场中各处的电场强度均相等，击穿所需的时间极短 在直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压实际上都相同，与作用电压形式无关 击穿电压的分散性很小，伏秒特性很快就变平，冲击系数1 一、均匀电场和稍均匀电场中的击穿电压击穿电压的经验公式可表示为：上式完全符合巴申定律，因为它也可改写成：与均匀电场相似，冲击系数接近1，冲击击穿电压与工频击穿电压及直流击穿电压几乎相等。稍均匀电场:工程上常见电场大多数是极不均匀电场工程上遇到极不均匀电场时，可由典型电极的击穿电压来修正绝缘距离，对称电场参照“棒棒”电极数据；不对

19、称电场可参照“棒板”电极数据放电分散性较大，且极性效应显著。间隙距离相同时，电场越均匀，气隙的击穿电压就越高。 极不均匀电场中的击穿电压:1.2.2 电压波形对击穿电压的影响气隙上作用电压的种类（波形）： 直流电压 工频电压 雷电冲击电压 操作冲击电压棒-板间隙存在极性效应棒-棒电极击穿电压介于不同极性棒-板之间直流电压下的击穿特性 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，呈现出饱和现象,平均击穿场强明显降低，棒-板间隙尤为严重。所以，在电气设备中希望尽量采用“棒-棒”类型的电极结构而避免“棒-板”类型。工频电压下的击穿特性 雷电冲击击穿电压与距离呈正比，无饱和；冲

20、击工频电压下的击穿特性操作冲击电压有明显的极性效应和饱和现象大气条件对放电电压的影响 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、碰撞电离及附着过程，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。击穿电压是指在一定大气参数下的击穿电压不同大气条件下测得的击穿电压必须换算到统一的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： Kd：空气密度校正系数 Kh：湿度校正系数对空气密度的校正对湿度的校正 在极不均匀场中对海拔高度的校正1.

21、3 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。 沿面放电也称为沿面闪络，是一种气体放电现象，指在固体介质和空气的交界面上出现的沿固体绝缘表面的气体放电。闪络：沿面放电发展到贯穿性的空气击穿称为闪络；电力系统不少绝缘事故均是沿面闪络造出的.所以研究它的放电机理和规律对电气设备的设计和安全运行都有重大的现实意义。沿面放电的实验现象： 沿固体介质表面的闪络电压比纯空气间隙或纯固体介质的击穿电压低得多。按照固体介质在电极间的位置，形成三种电场结构：均匀电场具有弱垂直分量的极不均匀电场(如支柱绝缘子)具有强垂直分量的极不均匀电场(如套管）1.3.1 沿面放电的物理过程1）固体介质处于均匀电场 l纯空气击穿；2石蜡；3陶瓷；4与电极接触不紧密的 陶瓷均匀场中不同介质沿面工频闪络电压沿面闪络时的临界电压称闪络电压2)、