《高电压技术》（第二版）全套教学课件

1、绪论课程地位：电气工程专业平台课之一课程学时安排：讲课32学时，实验8学时成绩评定：考试80(实验作业)20 绪论教材：高电压技术（第二版）周泽存主编参考书： 高电压绝缘技术，中国电力，严璋，朱德恒电网过电压教程，中国电力，陈维贤高电压试验技术，清华，张仁豫高电压技术，中国电力，赵智大一输电电压等级的划分：高压（HV）： 10220KV超高压（EHV）：330750KV特高压（UHV）：1000KV及以上 二高电压技术的研究对象：高电压绝缘与试验： 1.绝缘材料的电气物理性能和击穿的理论、规律（实践到理论）。 2.高压试验：判断、监视绝缘质量的主要试验方法。电力系统的过电压： 3.过电压的成因

2、与限制措施。 第一篇：高电压绝缘及试验第一章 电介质的极化、电导和损耗第二章 气体放电的物理过程第三章 气隙的电气强度第四章 固体液体和组合绝缘的电气强度电介质极化基本类型电介质的极化有四种基本形式：电子位移极化离子位移极化转向极化空间电荷极化 1.电子位移极化极化机理：电子偏离轨道介质类型：所有介质建立极化时间：极短，10-1410-15s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（无关）温度（无关）极化弹性：弹性消耗能量：无 qRRi-qOOE2.离子位移极化2.离子位移极化极化机理：正负离子位移介质类型：离子性介质建立极化时间：极短，10-1210-13 s极化程度影响因素：电场强度（有

3、关）电源频率（无关）温度（随温度升高而增加）极化弹性：弹性消耗能量：极微 3.转向极化UU电极电介质E3.转向极化极化机理：极性分子转向介质类型：偶极性及有离子弛豫性极化的离子性介质建立极化时间：需时较长，10-610-2 s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（有关）温度（温度较高时降低，低温段随温度增加）极化弹性：非弹性消耗能量：有4.空间电荷极化极化机理：正负离子移动介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：很长极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在）温度（有关）极化弹性：非弹性消耗能量：有当t=0: 当t=: 一般有 电荷重新分配，在两层介质的交界面处有积累电

4、荷，称为夹层极化。 夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的，高压绝缘介质的电导通常都很小，这种性质的极化只有在低频时才有意义 为便于比较，将上述各种极化列为下表极化种类产生场合所需时间能量损耗产生原因电子式极化任何电介质10-15 s无束缚电子运行轨道偏移离子式极化离子式结构电介质10-13 s几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质10-1010-2 s有偶极子的定向排列夹层极化多层介质的交界面10-1 s数小时有自由电荷的移动1-2 电介质的介电常数相对介电常数及其物理意义相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量气体电介质的介电常数气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一

5、切气体的相对介电常数都接近1气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小部分气体的相对介电常数（环境条件 20, 1 atm） 气体种类相对介电常数氦1.000072氢1.000027氧1.00055氮1.00060甲烷1.00095二氧化碳1.00096乙烯1.00138空气1.00059液体电介质的介电常数非极性和弱极性电介质：如石油、苯、四氯化碳、硅油等 r数值不大，在1.82.5范围内。介电常数和温度的关系和单位体积中的分子数与温度的关系相似极性电介质：如蓖麻油、氯化联苯等 r数值在26范围内。还能用作绝缘介质强极性电介质：如酒精、水等 r10，此类液体电介质用

6、作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）转向极化对介电常数随温度及频变化的关系： （1）T不变 f增大，r 减小 （2）f不变 T升高，r先增（分子间黏附力 ）后减（热运动 ）频率 f1f2f3固体电介质的介电常数非极性和弱极性固体电介质： 聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等都属此类 电介质只有电子式极化和离子式极化， r不大，通常在2.02.7范围 介电常数与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近极性固体电介质： 树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等 r 较大，一般为36，还可能更大。 r

7、和T及f的关系和极性液体的相似离子性电介质： 如陶瓷，云母等，相对介电常数r 一般在58左右讨论极化的意义选择绝缘 在实际选择绝缘时，除了考虑电气强度外，还应考虑介电常数r 对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择r 较大的介质 对于电缆，为减小电容电流，要选择r 较小的介质讨论极化的意义多层介质的合理配合 对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与其r 成反比，要注意选择r ，使各层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用研究介质损耗的理论依据 极化形成和介质损失有关，要掌握不同极化类型对介质损失的影响电气预防性试验：项目的理论根据研发新型材料1.3 电介质的电导电介质的电

8、导与金属的电导有本质上的区别。一. 表征电介质导电性能的物理量电导率 （或：电阻率 ） 电导形式电导率金属导体（自由电子）电子电导 很大 气体 液体 固体自由电子、正离子、负离子杂质电导、自身离解 离子杂质、离子 电导 很小 很大 二、影响液体介质电导的因素(1)温度 式中 A、B常数； T绝对温度 ； 电导率。 温度升高时，液体介质的黏度降低，离子受电场力作用而移动时所受的阻力减小，离子的迁移率增大，使电导增大；另一方面，温度升高时，液体介质分子热离解度增加，这也使电导增大。 所以在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须注意记录温度。(2)电场强度分成三个区域 区域1：液体电介质的电导在电场比较

9、小的情况下，遵循欧姆定律 区域2：随着场强的增大，有一平坦区域 区域3：场强继续增大超过某一极限，引起电流激增，最终击穿液体电介质中电压电流特性1.4 电介质中的能量损耗一.电介质损耗的基本概念 在电场的作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化（如偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，总称为电介质的损耗。二. 等效电路与相量图R3C1R2C2 i=i1+i2+i3i1i2i3uU图中C1 代表介质的无损极化（电子式和离子式极化），C2 R2 代表各种有损极化，而R3则代表电导损耗。 介质损耗角 为功率因数角 的余角，其正切 tg 又可称为介质损耗因数，常用百分数（%）来表示。三. 简化等效电路

10、与损耗UUIRCPUI P = U I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg 式中 电源角频率； 功率因数角； 介质损耗角。定义 为介质损失角，是功率因数角 的余角介质损失角正切值tg ，如同r 一样，取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质 电介质的并联与串联等值电路并联等值电路串联等值电路 4.讨论介质损耗的意义 设计绝缘结构时，应注意到绝缘材料的tg 值。若tg 过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿用于冲击测量的连接电缆，其tg 必须要小，否则冲击电压波在其中传播时将发生畸变，影响测量精度在绝缘试验中，tg 的测量是一项基本测试项

11、目。当绝缘受潮劣化或含有杂质时，tg 将显著增加，绝缘内部是否存在局部放电，可通过测tg U的关系曲线加以判断用做绝缘材料的介质，希望tg 小。在其他场合，可利用tg 引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干需较长时间，在泥坯上加适当的交流电压，则可利用介质损耗发热，加速干燥过程34气体放电理论（一）主要内容气体中带电质点的产生和消失气体放电的一般描述 均匀电场中气体击穿的发展过程 不均匀电场中气体击穿的发展过程35气体放电在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程36气隙中带电粒子是如何形成的？气隙中的导电通道是如何形成的？气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？ 名词解释电子平均自由行程 激励

12、电离复合37原子激励和电离 原子能级 以电子伏为单位 1eV1V1. 610-19C1.610-19J原子激励 原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，所需能量称为激励能We 激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子（光辐射）的频率 38 原子电离： 原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离 电离过程所需要的能量称为电离能Wi（ev），也可用电离电位Ui（v） 几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位 气体激励能We (eV)电离能Wi (eV)气体激励能We (eV)电离能Wi (eV)N2O2H26.17.911

13、.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.63940质点的平均自由行程 ：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程电子在其自由行程内从外电场获得动能 ，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关 41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时的行程电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比自由行程的分布： 具有统计性的规律。质点的自由行程大于x的概率为 如果起始有n0个质点（或一个质点的相继n0次碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞

14、的质点数（或次数）n(x)应为 42一、气体中带电质点的产生和消失 气体中带电质点的产生 （一）气体分子的电离可由下列因素引起： （1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （2）各种光辐射（光电离） （3）高温下气体中的热能（热电离） （4）负离子的形成 （二） 金属（阴极）的表面电离43碰撞电离 气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起的 在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离 me电子的质量； ve 电子的速度； Wi气体分子的电离能。碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关44光电离 光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离 自然界

15、、人为照射、气体放电过程当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下，一般是不能直接发生光电离的 45热电离 因气体热状态引起的电离过程称为热电离 气体分子的平均动能和气体温度的关系为 在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离 46负离子的形成 有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子 有些

16、气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、SF6等）负离子的形成起着阻碍放电的作用 47金属（阴极）的表面电离 阴极发射电子的过程 逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态 金属表面电离有多种方式，即可以有多种方法供给电子以逸出金属所需的能量 （1）正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出两个及以上电子时才能出现自由电子48 （2）光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功时，金属表面放射出电子 （3）强场发射（冷发射） 当阴极附近所

17、加外电场足够强时，使阴极发射出电子 （4）热电子发射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属49一、气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的消失 （一）电场作用下气体中带电质点的运动 （二）带电质点的扩散 （三）带电质点的复合 50电场作用下气体中带电质点的运动带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形成电流 在气体放电空间 ，带电质点在一定的电场强度下运动达到某种稳定状态 ，保持平均速度，即上述的带电质点的驱引速度 b 迁移率 电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中，电子迁移率也随场强而变 51带电质点的扩散 带电质点的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于

18、热运动造成，带电质点的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的 气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多 52带电质点的复合 正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素 正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要 一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其浓度 53二、气体放电的一般描述 （一

19、）气体放电的主要形式 根据气体压强、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化 54辉光放电电弧放电火花放电电晕放电刷状放电辉光放电 当气体压强不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象 特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子。管中所充气体不同，发光颜色也不同 55电弧放电 减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越

20、大电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征 56火花放电在较高气压（例如大气压强）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花 火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定 57电晕放电 电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧贴电极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用 58刷

21、状放电 电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状放电 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转入击穿 59（二）非自持放电和自持放电 60非自持放电外施电压小于U0时，间隙内虽有电流，但其数值甚小，通常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚未被破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，那么电流也将消失。 61自持放电当电压达到U0后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增。同时气体中电离过程只靠电场的作用已可自行维持，而不再继续需要外电

22、离因素了。因此U0以后的放电形式也称为自持放电 62由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电，而起始电压U0也就是间隙的击穿电压Ub如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多63 三、均匀电场中气体击穿的发展过程 汤逊放电理论流注放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压强和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象 64（一）汤逊气体放电理论汤逊理论认为，当pd较小时，电子的碰撞电离和正

23、离子撞击阴极造成的表面电离起着主要作用，气隙的击穿电压大体上是pd的函数651、电子崩的形成 （ 过程 ）66 一个起始电子自电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子；这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自由电子；这样一代一代不断增加的过程，会使电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样 电离系数 一个电子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生的碰撞电离次数 如设每次碰撞电离只产生一个电子和一个正离子， 即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数 6768设：在外电离因素光辐射的作用下，单位时间内阴极单位面积产生n0 个电子 在距离阴极为x的

24、横截面上，单位时间内单位面积有n个电子飞过 这n个电子行过dx之后，又会产生dn个新的电子 将此式积分，可得电子的增长规律为 对于均匀电场， 不随空间位置而变 相应的电子电流增长规律为 令xd，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流 692、过程 电离系数 正离子在间隙中造成的空间电离过程不可能具有显著的作用 正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能，在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自由电子来 表示折算到每个碰撞阴极表面的正离子，阴极金属平均释放出的自由电子数7071从阴极飞出n0个电子，到达阳极后，电子数将增加为 正离子数正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数3、自持放电条件 设

25、n01 放电有非自持转入自持的条件为 在均匀电场中，这也就是间隙击穿的条件，上式具有清楚的物理意义 7273 当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去 4、击穿电压、巴申定律 根据自持放电条件推导击穿电压 ，先推导 的计算式设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离，必须满足条件 只有那些自由行程超过xiUiE的电子，才能与分子发生碰撞电离 若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为 74在lcm长度内，一个电子的平均碰撞次数为l 其中是电子自由行程超过xi 而发生的碰撞 ，即电

26、离碰撞次数 气体温度不变时，1 Ap，并令AUiB，可得 75将 的计算式代入自持放电条件 击穿电压Ub 温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压强和电极间距离的乘积pd的函数 76巴申（Paschen）定律 击穿电压与pd的规律在碰撞电离学说提出之前，就已从实验中总结出来了（U形，应用） 77实际上的系数A及B和温度有关。系数A和绝对温度成反比 比值pT和气体密度成正比 式中p以兆帕计，T以绝对温度表示巴申定律更普遍的形式78物理解释：假设d保持不变，当P增大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之间，电子积聚到足够动能的几率减小了。反之；当P减小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的

27、几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小 ，Ub所也会增大。同样，可假设P保持不变。 d值增大时，欲得一定的场强，电压必须增大。当d值减到过小时，场强虽大增，但电于在走完全程中所遇到的撞击次数己减到很小故要求外加电压增大，才能击穿。U形曲线795、汤逊放电理论的适用范围电力工程上经常接触到的是气压较高的情况（从一个大气压到数十个大气压），间隙距离通常也很大 两者间的主要差异可概述如下 1. 放电外形 均匀连续，如辉光放电 分枝的明细通道 2. 放电时间 火花放电时间的计算值比实测值要大得多 3. 击穿电压 汤逊自持放电条件求得的击穿电压和实验值有很大出入

28、4. 阴极材料的影响 实测得到的击穿电压和阴极材料无关 805、汤逊放电理论的适用范围汤森德放电机理的不足(1)只是在一定的范围内有效(2)不均匀的电场中，该理论不适用.81原因： 忽略了带电质点改变电场分布及光电离828384气体放电理论（二）主要内容气体中带电质点的产生和消失气体放电的一般描述 均匀电场中气体击穿的发展过程 不均匀电场中气体击穿的发展过程85三、均匀电场中气体击穿的发展过程（二）流注气体放电理论工程上感兴趣的是压强较高气体的击穿，如大气压强下空气的击穿 特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用 通过大量的实验研究（主要在电离

29、室中进行的）说明放电发展的机理 86电子崩阶段 空间电荷畸变外电场 流注阶段 光电离形成二次电子崩，等离子体 871. 电子崩阶段电子崩外形： 电子崩中的电子数： nex例如，正常大气条件下，若E30kVcm，则 11cm-1，计算得到随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数88空间电荷畸变外电场 大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场 89电子崩头部：电场明显增强，有利于发生激励或电离现象，当它们回复到正常状态时，放射出光子崩头内部正、负电荷区域：电场大大削弱，有助于发生复合过程，发射出光子2. 流注阶段当电子崩走完整个间隙后，大密度的头部空间电荷大大加强了外部的电场，

30、并向周围放射出大量光子光子引起空间光电离，其中的光电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在受到畸变而加强了的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩 90光电离、二次崩1主电子崩 2二次电子崩3流注正流注的形成二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注 流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场 911主电子崩2二次电子崩3流注正流注向阴极推进流注头部的电离放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，延长了流注通道流注不断

31、向阴极推进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压 92在电离室中得到的初始电子崩照片图a和图b的时间间隔为110-7秒 p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/厘米 93初始电子崩转变为流注瞬间照片p273毫米汞柱E=12千伏/厘米电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片正流注的发展速度约为11082108cm/s94自持放电条件一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电了。如果电场均匀，间

32、隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件953.流注理论对pd很大时放电现象的解释 1放电外形 Pd很大时，放电具有通道形式 流注出现后，对周围空间内的电场有屏蔽作用当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝电子崩不致影响到邻近空间内的电场，不会影响其它电子崩的发展，因此汤逊放电呈连续一片-辉光放电962放电时间 光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象。3阴极材料的影响 根据流注理论，维

33、持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材料基本无关了。97四、不均匀电场中气体击穿的发展过程球间隙的工频放电电压的变动情况： 981 击穿电压2 电晕起始电压3 刷状放电电压4 过渡区域d0 2D；d0 4D当dd0时；电场已不均匀，当电场还明显低于击穿电压时，出现电晕 放电、刷状放电 ；d0和d0 之间；过渡区域，放电过程不很稳定，击穿电压分散性很大 当dd0 时；电晕起始电压己开始变得低于击穿电压了 根据电场均匀程度和气体状态，可出现不同情况电场比较均匀的情况 放电达到自持时，在整个间隙中部巳达到相当数值。这时和均匀电场中情况类似 电场不均

34、匀程度增加但仍比较均匀的情况 当大曲率电极附近达到足够数值时，间隙中很大一部分区域也都已达相当数值，流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿 电场极不均匀的情况 当大曲率电极附近很小范围内已达相当数值时，间隙中大部分区域值都仍然很小，放电达到自持放电后，间隙没有击穿。电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大 99引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度 f4后，极不均匀电场100特殊放电现象电晕放电电晕放电现象 电离区的放电过程造成。咝咝的声音，臭氧的气味，回路电流明显增加(绝对值仍很小)，可以测量到能量损失脉冲现象 101(a) 时间刻度T=125s(b)

35、 0.7A电晕电流平均值(c) 2A电晕电流平均值电晕起始电压和电晕起始场强 是不均匀电场特有的自持放电形式，起始电压在原理上可由自持放电条件求得 对工程实践有重要意义 不利影响 ：能量损失；放电脉冲引起的高频电磁波干 扰；噪声；生化学反应引起的腐蚀作用等 有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅 值及陡度；利用电晕放电改善电场分布， 提高击穿电压 ；利用电晕放电除尘等 102极不均匀电场中的放电过程（短间隙）以棒板间隙为例1. 非自持放电阶段当棒具有正极性时 在棒极附近，积聚起正空间电荷，减少了紧贴棒极附近的电场，而略微加强了外部空间的电场，棒极附近难以造成流注，使得自持放电、即电晕放

36、电难以形成 103Eex外电场 Esp空间电荷的电场当棒具有负极性时 电子崩中电子离开强电场区后，不再引起电离，正离子逐渐向棒极运动，在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，使电场畸变 棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件就易于得到满足、易于转入流注而形成电晕放电 104Eex外电场 Esp空间电荷的电场极性效应 实验表明： 1 棒板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高 U+（电晕） U-（电晕）2 工频电压U升高电晕现象？1052. 流注发展阶段当棒具有正极性时流注等离子体头部的正电荷减弱等离子体中的电场，而加强其头部电场（曲线2）电场加强的流注头部前方产生新电子崩，其电子吸引入流

37、注头部正电荷区内，加强并延长流注通道，其尾部的正离子构成流注头部的正电荷 流注及其头部的正电荷使强电场区更向前移（曲线3），促进流注通道进一步发展，逐渐向阴极推进106当棒具有负极性时棒极的强电场区产生大量的电子崩，汇入围绕棒极的正空间电荷，等离子体层呈扩散状分布，削弱前方电场（曲线2）在相当一段电压升高的范围内，电离只在棒极和等离子体层外沿之间的空间内发展等离子体层前方电场足够强后，发展新电子崩，其正电荷加强等离子体层前沿的电场，形成了大量二次电子崩，汇集起来后使得等离子体层向阳极推进107极性效应 实验表明： 1 棒板间隙中棒为负极性时击穿电压比正极性时高 U+（击穿）U （气） U （沿

38、面）在表面潮湿污染的情况下，沿面闪落电压会更低。114 二、沿面放电的类型与特点（1）平行： 固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，此时的沿面放电特性与均匀电场的情况有些相似。E 固体介质与气体介质交界面上的电场分布状况对沿面放电特性有很大影响。界面电场分布可分为典型二种情况。115（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电 下面就三种情况分别介绍放电特性。 情况一中，虽界面与电力线平行，但沿面闪落电压仍要比空气间隙的击穿电压低很多。说明电场发生了畸变，主要原因如下： （2）强法线：固体介质处于极不均匀电场中，且界面电场的垂直分量 En 比平行于表面的切线分量 Et 大得多。如右上图EtEnE

39、（3）弱法线：固体介质处于极不均匀电场中，但大部分分界面上的电场切线分量 Et 大于垂直分量 En 。右下图。EtEnE116 （1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。小气隙中的电场强度很大，首先发生放电，所产生的带电粒子沿固体介质表面移动，畸变了原有电场。 （2）大气的湿度影响。大气中的潮气吸附在固体介质表面形成水膜，其中的离子受电场的驱动而沿着介质表面移动，降低了闪落电压。与固体介质吸附水分的性能也有关。 （3）固体介质表面电阻的不均匀和表面的粗糙不平也会造成沿面电场畸变。117 当U升高的过程中：1 法兰处电晕放电，如右 a 图2 平行的火花细线组成的光带，如b 图 3 细线突然迅

40、速增长，转为分叉的树枝状明亮火花通道（滑闪放电），如 c 图4 完成表面气体的完全击穿，称为沿面闪络或简称 “闪络” 导杆法兰（二）极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电。118（三）极不均匀电场垂直分量很弱时的沿面放电 支柱绝缘子的两个电极之间的距离较长，其间固体介质本身不可能被击穿，只可能出现沿面闪落。干闪落电压随极间距离的增大而提高，平均闪落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 影响因素： （一）固体介质材料主要取决于该材料的亲水性或憎水性。 （二）电场形式 同样的表面闪落距离下均匀与稍不均匀电场闪落电压最高弱垂直分量极不均匀电场则低（距离，绝缘子）界

41、面电场主要为强垂直分量的极不均匀电场中，闪落电压更低（电场最强处厚度，套管）119 提高方法（强垂直分量的极不均匀电场）： 主要是增大极间距离（横向），防止或推迟滑闪放电。 以瓷套管为例，加大法兰处瓷套的外直径和壁厚或涂半导体漆或半导体釉，防止滑闪放电过早出现。四、固体表面有水膜时的沿面放电 此处讨论的是洁净的瓷表面被雨水淋湿时的沿面放电，相应的电压称为湿闪电压。绝缘子表面有湿污层时的闪落电压称为污闪电压，将在后面再作专门探讨。120部分淋湿，绝缘子表面的水膜是不连续的（AB湿 BCA干）有水膜覆盖的表面电导大，无水膜处的表面电导小大多数外加电压将由干表面（图中的BCA）段来承受。或者空气间隙

42、BA先击穿或者干表面BCA先闪落，但结果都是形成ABA电弧放电通道闪络如雨量特别大时，伞间（BB）被雨水短接构成电弧通道闪络ABCAB沿湿表面AB和干表面BCA发展沿湿表面AB和空气间隙BA发展沿湿表面AB和水流BB发展121 五、绝缘子污染状态下的沿面放电湿闪只有干闪电压的40%50%，还受雨水电导率的影响。绝缘子的湿闪电压不会降低太多。湿闪电压将降低到很低的数值。 在设计时对各级电压的绝缘子应有的伞裙数、伞的倾角、伞裙直径应仔细考虑、合理选择。 绝缘子污染通常可分为积污、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何一个阶段的完成就能防止污闪事故的发生。122

43、积污：气候条件：包括雨、露、霜、雪、风等环境作用：和工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘、鸟粪等污秽外绝缘被污染的过程一般是渐进的。染污绝缘子表面上的污层在干燥状态下一般不导电。污层湿润： 遇到雨、雾、露等不利天气时，污层被湿润，电导增大，在工作电压下的泄漏电流大增。干区形成：电流所产生的焦耳热，既可能使污层电导增大，又可能使水分蒸发、污层变干而减小其电导。电场畸变：干区的电阻比其余湿区的电阻大的多。整个绝缘子上的电压都集中到干区上，一般干区宽度不大，所以电场强度很大。123局部电弧：如果电场强度已足已引起表面空气的电离，开始出现电晕放电或辉光放电，由于此时泄漏电流较大，电晕或辉光放电很容易转为绝缘

44、子局部表面的有明亮通道的电弧击穿：随着干区的扩大，电弧被拉长。在雾、露天，污层湿润度不断增大，泄漏电流也随之增大，在一定电压下能维持的局部电弧长度也不断增大。自动延伸直至贯穿两极完成沿面闪落 污闪后果严重：由于一个区域内绝缘子积污受潮情况差不多，所以容易发生大面积污闪事故。自动重合闸成功率远低于雷击闪落时，造成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。124 六、污闪事故的对策 污秽度除了与积污量有关还与污秽的化学成分有关。通常采用“等值附盐密度”（简称“等值盐密”）来表征绝缘子表面的污秽度，它指的是每平方厘米表面所沉积的等效氯化钠（NaCl）毫克数。 等值的方法：把表面

45、沉积的污秽刮下，溶于300ml蒸馏水，测出其在20水温时的电导率；然后在另一杯20 、300ml的蒸馏水中加入NaCl，直到其电导率等于混合盐溶液的电导率时，所加入的NaCl毫克数，即为等值盐量，再除以绝缘子的表面积，即可得出“等值盐密” ( mg/cm2 ) （一）调整爬距（增大泄露距离） 爬电比距 指外绝缘“相地”之间的爬电距离(cm) 与系统最高工作（线）电压（kv,有效值）之比。一定要遵循规定的爬电比距来选择绝缘子串的总爬电距离和片数。125各污秽等级所要求的爬电比距值 下表为各污秽等级所要求的爬电比距值 3.10(3.41)3.10(3.57)2.91 3.45(3.20 3.80)

46、2.78 3.30(3.20 3.80)2.50(2.75)2.50(2.88)2.27 2.91(2.50 3.20)2.17 2.78(2.50 3.20)2.00(2.20)2.00(2.30)1.82 2.27(2.00 2.50)1.74 2.17(2.00 2.50)1.60(1.76)1.60(1.84)1.45 1.82(1.60 2.00)1.39 1.74(1.60 2.00)_1.45(1.60)1.39(1.60)0330kv及以下220kv及以下330kv及以下220kv及以下 发电厂、变电所 线 路爬 电 比 距 (cm/kv)污秽等级 注 括号内的数据为以系统额定

47、电压为基准的爬电比距值。 126新型合成绝缘子的优点： （二）定期或不定期的清扫。 （三）涂料 （四）半导体釉绝缘子 （五）新型合成绝缘子 1、重量轻（仅相当于瓷绝缘子的1/10左右）； 2、抗弯、抗拉、耐冲击附和等机械性能都很好； 3、电气绝缘性能好，特别是在严重污染和大气潮湿的情况下性能十分优异； 4、耐电弧性能也很好。高电压技术课堂作业第一章 P12页，1-1，1-4，1-6补充：1、画出电介质的等效电路（非简化的）及其向量图，说明电路中各元件的含义，指出介质损失角第二章 P49页，2-2补充：1、说明巴申定律的实验曲线的物理意义是什么？2、电晕产生的物理机理是什么？它有哪些有害影响？试

48、列举工程上各种防晕措施的实例。3、极性效应的概念是什么？试以棒板间隙为例说明产生机理。127128谢谢!第三章 气隙的电气强度第一节 气隙的击穿时间第二节 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布第三节 大气条件对气隙击穿电压的影响第四节 较均匀/不均匀电场气隙的击穿电压第五节 提高气隙击穿电压的方法3.1 气隙的击穿时间 最低静态击穿电压U0 击穿时间tb 升压时间t0 、统计时延ts 、放电发展时间tf 、放电时延 tl 短间隙(1厘米以下) tftb 时：情况类似曲线1，最终发生热击穿t=tb 时：发热等于散热，但因扰动使t大于tb，则介质温度上升，回不到tb，直至热击穿。称tb为不稳定热平衡

49、点 tat180根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经济性设计4.5 液体电介质击穿的机理 液体电介质 ：纯净的液体电介质 工程用液体电介质（水分+杂质） 击穿机理不同：电击穿理论、气泡击穿理论 小桥击穿理论1. 纯净液体电介质的电击穿理论液体中因强场发射等原因产生的电子，在电场中被加速，与液体分子发生碰撞电离在极不均匀电场中变压器油的击穿过程，先在尖电极附近开始电离，电离开始阶段以后是流注发展阶段，流注分级地向另一电极发展，放电通道出现分枝，最后流注通道贯通整个间隙与长空气间隙的放电过程很相似 /222. 纯净液体电介质的气泡击穿理论当外加电场较高时，液体介质内由于各种原因产生气泡

50、 1）电子电流加热液体，分解出气体；2）电子碰撞液体分子，使之解离产出气体；3）静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大；4）电极凸起处的电晕引起液体气化。串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比-局放-热-体积膨胀-气体小桥/22 (a) 形成“小桥” (b) 未形成“小桥”受潮纤维在电极间定向示意图 /223. 非纯净液体电介质的小桥击穿理论液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成杂质的“小桥水分及纤维等的电导大，引起泄漏电流增大、发热增多，促使水分汽化、气泡扩大液体电介质最后在气体通道中发生击穿 /224.6

51、影响液体电介质击穿电压的因素 用标准油杯来检查油的质量平板电极间电场均匀，油中稍有含水、含杂，含气等击穿电压就明显下降规程规定用来灌注高压电力变压器等的变压器油，在此油杯中的工频击穿电压要求在2540kV以上(与设备的额定电压有关)；灌注高压电缆和电容器的用油，在油杯中的击穿电压常要求在50或 60kV以上 1. 杂质（悬浮水、纤维）变压器油的工频击穿电压和含水量的关系 /222. 电压作用时间稍不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线/22极不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线/221分钟（60S）击穿电压近似等于持久击穿电压3. 电场情况油的纯净程度较高时，改善电场的均匀程度能使工频或直流电压下的

52、击穿电压明显提高液体电介质不同油质击穿电压的分散性和电场的均匀程度有关 工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不超过5（电极处电场力作用杂质不易形成小桥），而在均匀电场中可达3040 /224. 温度标准油杯中变压器油工频击穿电压与温度的关系1-干燥的油； 2-受潮的油/22水当T增加时：固液汽5.压强变压器油（工程电介质）工频击穿电压与压强的关系 /22油中含有气体4.7 提高液体电介质击穿电压的方法1 提高并保持油的品质2 绝缘覆盖层： 小于1毫米阻止小桥直接接通电极电流小3 绝缘层： 几十毫米曲率大的电极阻止强场区产生不电晕4 屏障： 阻止小桥连通 阻挡电极电离的电子均匀电场/22谢谢!第

53、五章电气设备绝缘试验（一）绝缘监测和诊断的基本概念绝缘电阻和泄漏电流的测量介质损耗角正切的测量绝缘的监测和诊断技术分类：1. 按照对设备造成的影响程度分类非破坏性试验，即检查性试验：在较低电压下或用其它不会损伤绝缘的方法测量绝缘的各种情况，判断绝缘内部的缺陷包含的种类：绝缘电阻试验、介质损耗角正切试验、局部放电试验、绝缘油的气相色谱分析等 破坏性试验，即耐压试验：以等价或高于设备的正常运行电压来考核设备的电压耐受能力和绝缘水平。耐压试验对绝缘的考验严格，能保证绝缘具有一定的绝缘水平或裕度；缺点是可能在试验时给绝缘造成一定的损伤 包含的种类：交流耐压试验、直流耐压试验、雷电冲击耐压试验及操作冲击

54、耐压试验 2. 按照设备是否带电的方式分类（两类）离线：要求被试设备退出运行状态，通常是周期性间断地施行特点：可采用破坏性试验和非破坏性试验两种方式。耐压试验往往是在非破坏性试验之后才进行。缺点是对绝缘耐压水平的判断比较间接，尤其周期性的离线试验更不易判断准确 在线：在被试设备处于带电运行的条件下，对设备的绝缘状况进行连续或定时的监测特点：只能采用非破坏性试验方式。除测定绝缘特性的数值外，还可分析特性随时间的变化趋势，显著提高了其判断的准确性 5-1 测定绝缘电阻双层介质模型的电流时间特性双层介质等值电路图 吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线在工程应用上，把介质处在吸收过程时的U/i也称为绝缘

55、电阻R 吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线定义吸收比K： 加压60秒时的绝缘电阻与15秒时绝缘绝缘电阻之比值 定义极化指数P： 为加压10分钟时的绝缘电阻与1分钟时电阻之比值 绝缘状态的判定若绝缘内部有集中性导电通道，或绝缘严重受潮，则电阻R1 、R2会显著降低，泄漏电流大大增加，时间常数大为减小，吸收电流迅速衰减。即使绝缘部分受潮，只要R1与R2中的一个数值降低，值也会大为减小，吸收电流仍会迅速衰减，仍可造成吸收比K（及极化指数P，下同）的下降。当K1或接近于1，则设备基本丧失绝缘能力。不同绝缘状态下的绝缘电阻的变化曲线 测量绝缘电阻与吸收比的方法测量仪表：兆欧表摇表：带有手摇直流发电机的兆

56、欧表，俗称摇表晶体管兆欧表：采用电池供电，晶体管振荡器产生交变电压，经变压器升压及倍压整流后输出直流电压兆欧表的电压：500、1000、2500、5000V等兆欧表选择：根据设备电压等级的不同，选用不同电压的兆欧表。例：额定电压1kV及以下者使用1000V兆欧表；1kV以上者使用2500V兆欧表 兆欧表的原理结构图 例：用兆欧表测量套管绝缘电阻测量绝缘电阻能发现的缺陷总体绝缘质量欠佳绝缘受潮两极间有贯穿性的导电通道绝缘表面情况不良测量绝缘电阻不能发现的缺陷绝缘中的局部缺陷绝缘的老化测量绝缘电阻注意事项试验前后将试品接地放电高压测试连线架空测吸收比和极化指数时，应待电源电压稳定后再接入试品防止试

57、品向兆欧表反向放电绕组的影响绝缘电阻与温度的关系5-2 测定泄漏电流测量电力变压器主绝缘泄漏电流的接线T1调压器； T2高压试验变压器； D高压硅堆 R保护电阻； C滤波电容； T被试变压器 直流电源的要求输出电压（幅值、脉动系数小于3%）输出电流 （1mA 以下，电压不减低）电源保护（保护电阻，放电管、并联电容、旁路开关）注意事项与测绝缘电阻相同电压保持时间1分钟（待电容电流和吸收电流充分衰减），泄漏电流稳定试验特点所加直流电压较高，可以发现一些兆欧表不能发现的缺陷直流电压逐渐升高，可观察电流与电压关系的线性度线性刻度，能精确读取5-3 介质损耗角正切的测量 西林电桥的基本原理存在外界电磁场

58、干扰时的测量测试功效注意事项1.西林电桥的基本原理西林电桥：高压臂：代表试品的Z1；无损耗的标准电容CN，它以阻抗Z2作为代表。低压臂：处在桥箱体内的可调无感电阻R3，以Z3来代表；无感电阻R4和可调电容C4的并联，以Z4来代表 保护：放电管P电桥平衡：检流计G检零屏蔽：消除杂散电容的影响电桥的平衡条件： Z1/Z3 = Z2/Z4并联等值回路 tg= 1/ Rx Cx =R4 C4 Cx = R4CN/R3 (1+tg2) 串联等值回路 tg= Rx Cx =R4 C4 Cx = CNR4/R3 Cx：因为tg2 极小，故两种等值电路的Cx近似相等西林电桥的基本回路 接线方式屏蔽：杂散电容：

59、高压引线与低压臂之间有电场的影响，可看作其间有杂散电容Cs。由于低压臂的电位很低，Cx和C0的电容量很小，如C0一般只有50100pF，杂散电容Cs的引入，会产生测量误差。若附近另有高压源，其间的杂散电容Cs1会引入干扰电流iS，也会造成测量误差 需要屏蔽，消除杂散电容的影响西林电桥的基本回路 2.存在外界电磁场干扰时的测量现场试品：难以实现屏蔽，干扰较严重两次测量法：第一次测得tg1和Cx，然后倒换试验变压器原边电源线的两头(试验电压U的相位转180)，测得第二次的数值tg2和Cx，可用下式计算得准确的tg和Cx值：磁场干扰时介损的测量检流计正反接抗磁场干扰的原理：设无磁干扰时，两个测量臂的

60、数值分别为R3和C4；设存在磁干扰时，两个测量臂的数值分别为(R3+R3)和(C4+C4)；把检流计和电桥两臂相接的两端倒换一下，两个测量臂的数值将分别为 (R3R3)和(C4 C4) 当检流计正接时测得：当检流计反接时测得：因无磁场干扰时：故可得：测试功效有效受潮穿透性导电通道气泡电离、绝缘分层、脱壳绝缘老化劣化绝缘油脏污、劣化无效局部损坏小部分绝缘的老化劣化个别绝缘弱点注意事项分部测试-部分缺陷与温度的关系-指数规律与试验电压的关系-绝缘好：基本不变护环-表面泄露和屏蔽-干扰电场源测试绕组时tg -首尾短接第六章电气设备绝缘试验（二）工频高压试验直流高压试验雷电冲击高压试验操作冲击高压试验