电介质的击穿特性

1、电介质的击穿特性第一页，共84页。第二章 电介质的击穿特性当绝缘间隙的电压过高时，电介质会由绝缘状态转变为良导体，这种状态称为电介质的击穿。击穿电压：间隙击穿时的最低临界电压。击穿场强：间隙击穿电压与间隙距离之比。第二页，共84页。(1)空气在强电场下放电特性一、气体放电 气体在正常状态下是良好的绝缘体,在一个立方米体积内仅含几千个带电粒子,但在高电压下,气体从少量电荷会突然产生大量的电荷,从而失去绝缘能力而发生放电现象.一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态第一节 气体放电的基本概念 第三页，共84页。 输电线路以气体作为绝缘材料第四页，共84页。 变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料第五

2、页，共84页。第一节 气体放电的基本概念 (2)气体放电的形式：气体中流通电流的各种形式。辉光放电：充溢电极空间，电流密度小1-5mA/cm2, 正伏安特性，绝缘状态；电晕放电：高场强附近出现发光薄层， 通道仍是绝缘状态；火花放电：贯通两极细亮断续放电通道，间歇击穿；电弧放电：持续贯通两极细亮放电通道，完全击穿； 第六页，共84页。二、气体带电质点的产生：1、气体分子本身的游离游离：在电场的作用下中性质点中电子摆脱原子核的束缚成为自由电子的过程。游离形式：碰撞游离、光游离、热游离2、金属表面游离：金属中的电子摆脱金属表面的位能势垒的束缚成为自由电子的过程。第七页，共84页。（3）热游离波尔茨曼

3、常数1.3810-23J/K 热力学温度 （2）光游离普朗克常数6.6310-34Js （1）碰撞游离第八页，共84页。(4)金属表面游离:电极表面的电子逸出功一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3第九页，共84页。三、气体中带电粒子的消失：去游离（1）扩散：带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动.（2）复合：正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子第十页，共84页。(3)附着效应:气体中负离子的形成 电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负

4、离子。 元素电子亲合能（eV）F3.45Cl3.61Br3.36I3.06负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。 第十一页，共84页。游离过程吸收能量，产生电子等带电质点，促进放电过程发展，电气强度降低，不利于绝缘；复合过程释放能量，使带电质点减少消失，阻碍 放电过程的发展，有利于保持绝缘强度。两种过程在气体放电过程中同时存在，条件不同，强弱程度不同。游离主要发生在强电场、高能量区；复合主要发生在低电场、低能量区。(4)游离与复合作用的关系第十二页，共84页。第二节 均匀电场中的气体放电一、汤生

5、理论（ps较小） 1903年英国物理学家（J.S.Townseen）提出气体放电理论，尽管适用范围有限，但对放电机理的阐述具有普遍意义，至今仍是放电物理的基础理论。 第十三页，共84页。1 汤逊放电理论适用条件: 均匀电场,低气压,短间隙实验装置第十四页，共84页。2 均匀电场中气体的伏安特性oa段:随着电压升高，到达阳极的带电质点数量和速度也随之增大ab段：电流不再随电压的增大而增大，良好绝缘状态，电流很小。bc段：电流又再随电压的增大而增大c点:电流急剧突增第十五页，共84页。(1).电子崩 在电场作用下电子从阴极向阳极推进而形成的一群电子(2).非自持放电 去掉外界游离因素的作用后,放电

6、随即停止(3).自持放电 不需要外界游离因素存在,放电也能维持下去3 几个概念第十六页，共84页。 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，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小 电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外游离因素的强弱（良好的绝缘状态） 电流开始增大，由于电子碰撞游离引起的 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Ub时的放电是非自持放电。电压到达Ub后，电流剧增，间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。 自持放电起始电压第十七页，共84页。 电子崩的形成（bc段电流剧增原因） 电子碰撞电离系数：代表一个电子沿电

7、力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。 第十八页，共84页。过程与自持放电条件一个电子从阴极到阳极因电子崩形成正离子数为 eas-1，正离子撞击阴极形成二次自由电子数为(eas-1) ，若它等于1，意味着阴极产生原电子的一个后继电子替身，使放电得以自持。第十九页，共84页。二、巴申定律(帕邢定律）a.表达式:b.均匀电场中几种气体的击穿电压与s的关系C、应用：空气断路器和真空断路器就是利用此规律来提高击穿电压和降低体积与尺寸的。第二十页，共84页。汤逊自持放电理论第二十一页，共84页。 汤逊放电理论的适用范围研究表明：汤逊理论能解释低气压、S较小时的放电现象；当S过小或过大时，放电机理变

8、化，不适用。S过大时，汤逊理论无法解释许多实验现象。(为气体的相对密度)放电外形：出现放电分支细通道，非充满放电空间。放电时间：低气压下汤逊理论的计算值与实验符合，高气压下计算值远大于实测值。击穿电压： S大时，计算值与实验值差别大。阴极材料的影响：汤逊放电及击穿电压与阴极材料有关，而高气压下间隙击穿电压基本与电极材料无关第二十二页，共84页。三、流注理论（ S较大）（1939年，雷泽（H.Reather）提出） 考虑了空间电荷对原有电场的影响和空间光电离的作用，适用两者乘积大于0.26cm时的情况。同时该理论注意到空间电荷对电场畸变的作用。 维持条件：电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电

9、的主要因素。第二十三页，共84页。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。二次电子的主要来源是空间的光电离。 (1)流注的形成条件第二十四页，共84页。(2)流注理论简单流程图:有效电子(经碰撞游离)-电子崩(畸变电场)-发射光子(在强电场作用下)-产生新的电子崩(二次崩)-形成混质通道(流注)-由阳极向阴极(阳极流注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿.第二十五页，共84页。(3)流注放电理论要点在高气压下（ S大），当外施电压等于击穿

10、电压时，光电离强烈，电子崩（汤逊放电）转入流注放电。流注理论认为：电子崩发展到足够的程度后，其空间电荷足以使原电场严重畸变，大大加强崩头和崩尾电场，引发强场光子发射。另外，电子崩中电荷密度非常大，弱场区复合过程频繁，放射出的光子重新引起光电离。流注理论强调：不均匀的空间电荷分布对电场畸变的作用；空间碰撞电离和光电离是形成自持放电的主要原因。适用范围：高气压、均匀、不均匀电场中的放电过程。还较为粗糙，存在假说成分。第二十六页，共84页。四、持续性电压作用下均匀电场气体间隙的击穿电压 均匀电场气体间隙的击穿场强： 30kV/cm均匀电场空气间隙的击穿电压 经验公式：第二十七页，共84页。第三节 不

11、均匀电场中气体的击穿过程一、极不均匀电场中气体间隙的放电特性1 、电晕放电： 极不均匀电场中特有的气体放电现象。不均匀电场中，气隙上电压升高至某一临界值时，在曲率半径较小的尖电极附近空间，局部场强将首先达到引起强烈游离的数值，在这局部区域内形成自持放电。2、极性效应： 对于电极形状不对称的不均匀电场气隙，如棒-板间隙，棒电极的极性不同时，间隙的起晕电压和击穿电压的大小也不同。这种击穿现象称为极性效应。第二十八页，共84页。1 、极不均匀电场中的电晕放电（1）电晕放电的起始场强是气体相对密度；m1表面粗糙度系数，理想光滑导线取1，绞线0.80.9；好天气时m2=1，坏天气时m2可按0.8估算。

12、第二十九页，共84页。（2）电晕放电的危害与对策危害：功率损耗、电磁干扰、噪声污染 、腐蚀和氧化作用对策：（限制导线的表面场强 ） 采用分裂导线。 对330kV及以上的线路应采用分裂导线，例如330，500和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。 （3）利用电晕放电第三十页，共84页。2、极性效应： 对于电极形状不对称的不均匀电场气隙，如棒-板间隙，棒电极的极性不同时，间隙的起晕电压和击穿电压的大小也不同。这种击穿现象称为极性效应。 原因：棒电极的极性不同时，间隙中的空间电荷对外电场的畸变作用不同。棒电极为正时：起晕电压高，击穿电压较低。棒电极为负时：起晕电压低，击穿电压较高。

13、第三十一页，共84页。 2 不均匀电场中放电的极性效应第三十二页，共84页。 2 不均匀电场中放电的极性效应负极性棒板间隙的电晕起始电压比正极性棒板电极低负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板电极高 第三十三页，共84页。二、长间隙（1m）极不均匀电场气体间隙的击穿过程先导通道：从流注通道根部出发形成的一段炽热的高游离火花通道，这种具有热游离过程的通道称为先导通道。第三十四页，共84页。 三、极不均匀电场中的击穿 不对称布置的极不均匀场间隙的极性效应很明显，而且其击穿的极性效应与稍不均匀场间隙相反。 尖板和尖尖空气间隙的直流击穿电压 棒棒和棒板空气间隙的工频击穿电压（有效值） 第三十五页，共84页

14、。第四节、雷电冲击电压下气体间隙的击穿特性 为了检验绝缘耐受雷电冲击电压的能力，在实验室中可以利用冲击电压发生器产生冲击高压，以模拟雷电放电引起的过电压。规定：标准雷电冲击波形：1.2us/50us。（波前时间1.2us，半峰值时间50us）第三十六页，共84页。 一、冲击电压的标准波形标准雷电波的波形： T1=1.2s30， T2=50s20对于不同极性：+1.2/50s或-1.2/50s操作冲击波的波形： T1=250s20， T2=2500s60对于不同极性：+250/2500s或-250/2500s 波前时间 半峰值时间 第三十七页，共84页。 二、放电时延临界击穿电压 统计时延：从外

15、施电压达Uo时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子所需时间放电形成时延：从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间第三十八页，共84页。三、50击穿电压及冲击系数50击穿电压多次施加电压时有半数会导致击穿的电压值Ub50 。2. 冲击系数 同一间隙的50冲击击穿电压与工频击穿电压U之比 。第三十九页，共84页。四、 伏秒特性伏秒特性：在同一冲击电压波形下，击穿电压值与放电时间的关系。 用实验确定间隙伏秒特性的方法：保持冲击电压的波形不变，逐渐升高电压使间隙发生击穿，并根据示波图记录击穿电压U与击穿时间t。 击穿发生在波前或峰

16、值，取此刻值击穿发生在波尾，取峰值未击穿100%伏秒特性0%伏秒特性50%伏秒特性50%冲击击穿电压第四十页，共84页。电气设备绝缘的伏秒特性和避雷器的伏秒特性（a）正确配合 （b）不正确配合绝缘的伏秒特性避雷器的伏秒特性第四十一页，共84页。第五节 操作冲击电压下气体间隙的击穿特性一、 操作冲击电压的推荐波形 T1/T2=250(20) / 2500(60) s 第四十二页，共84页。 二、操作冲击电压下击穿的U形曲线（1）长空气间隙的操作冲击击穿通常发生在波前部分，因而其击穿电压仅与波前时间有关。（2）当波前时间tf为100300s时，击穿电压出现极小值。出现极小值的波前时间随间隙距离的增

17、加而增大。击穿电压随波前时间的减小而增大是放电时延在起作用，与雷电冲击电压相似电压作用时间增加后空间电荷迁移范围扩大，改善了间隙中电场分布，击穿电压提高工频击穿电压第四十三页，共84页。三、长空气间隙在操作冲击电压下的击穿强度特点：（1）长间隙的雷电冲击击穿电压远比操作冲击击穿电压要高；（2）间隙长度超过5m时呈现饱和趋势。雷电冲击操作冲击第四十四页，共84页。一、 标准大气条件大气压力 P0=101.3kpa(760mmHg柱）温度 湿度 f0=11g/m3第六节 大气条件对空气间隙击穿电压的影响GB/T 16927.1-1997高电压试验技术 第一部分：一般试验要求第四十五页，共84页。二

18、、 相对密度的影响相对密度 p=2.89- T当在0.95到1.05之间时，空气间隙的击穿电压U与成正比U= U0校正系数0.700.750.800.850.900.951.001.051.101.15K0.720.770.810.860.910.951.001.051.091.13第四十六页，共84页。三、 湿度的影响(1). 均匀或稍不均匀电场湿度的增加而略有增加,但程度极微,可以不校正(2). 极不均匀电场由于平均场强较低,湿度增加后,水分子易吸附电子而形成质量较大的负离子，运动速度，减慢游离能力大大降低；使击穿电压增大.因此需要校正。第四十七页，共84页。四、 海拔（高度）的影响随着海

19、拔（高度）增加，空气逐渐稀薄，大气压力及空气相对密度下降,间隙的击穿电压也随之下降。U=ka U0 第四十八页，共84页。结论：温度升高、气隙的击穿电压下降；湿度升高、气隙的击穿电压升高；海拔高度升高、气隙的击穿电压降低；气压升高、气隙的击穿电压升高。第六节 大气条件对空气间隙击穿电压的影响第四十九页，共84页。（1）SF6和一些氟里昂气体属于强电负性气体，其绝缘强度比空气高得多，因此用于电气设备时其气压不必太高，使设备的制造和运行得以简化。（2）灭弧能力强。（是空气的100倍。原因：在电弧高温下发生分解需要大量能量，因而对电弧弧道产生强烈的冷却作用；其本身及其分解气体均具有高绝缘强度也有助于

20、电弧的熄灭。第七节 SF6气体的击穿特性一、 SF6气体的特性 第五十页，共84页。（3）无毒但会使人窒息。（其分子量为146，是空气的5倍以上，会积聚在地面附近）（4）混合气体的应用。（和氮气混合使用，不会产生分离分层作用，即使氮气的含量达到80%，混合气体的耐电强度是纯氮气和空气的2倍以上。而且，混合气体中氮气的含量越高，混合气体的液化温度越低， 更适用于高寒地区。)第七节 SF6气体的击穿特性一、 SF6气体的特性 第五十一页，共84页。二、SF6气体在极不均匀电场中的击穿特性 驼峰现象。冲击系数可能小于1三、SF6气体在稍不均匀电场中的击穿特性四、 SF6气体绝缘GIS中的快速暂态过电

21、压（VFTO）五、 SF6的运行与维护（防止和清除污染，保持气体的纯度；防止液化） 第七节 SF6气体的击穿特性第五十二页，共84页。第八节 提高气体间隙电气强度的方法一、改善电场分布1、改进电极形状，增大电极曲率半径2、极不均匀电场中采用屏障改善电场分布二、削弱游离过程1、采用高气压气体2、采用强电负性气体（高电气强度）3、高真空的采用第五十三页，共84页。一、改善电场分布的措施（1）改变电极形状 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。长空气间隙的交流击穿电压棒板棒棒导线杆塔支柱导线导线第八节 提高气体间隙电气强度的方法第五十四页，共84页。（2）利用

22、空间电荷对原电场的畸变作用 例如利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场间隙中电场分布，从而提高间隙的击穿电压。 但应该指出，上述细线效应只存在于一定的间隙距离范围之内，间隙距离超过一定值，细线也将产生刷状放电，从而破坏比较均匀的电晕层，使击穿电压与尖板或尖尖间隙的相近了。另外，此种提高击穿电压的方法仅在持续作用电压下才有效，在雷电冲击电压下并不适用。 第八节 提高气体间隙电气强度的方法第五十五页，共84页。（3）极不均匀电场中屏障的使用 正尖板间隙中屏障的作用屏障靠近尖电极或板电极时，屏障效应消失，正、负极性下出现很大差别。 直流电压下尖板空气间隙的击穿电压和屏障位置的关系 屏障应靠近尖电

23、极，使比较均匀的电场区扩大。但离尖电极过近时，屏障上空间电荷的分布将变得不均匀而使屏障效应减弱，因此屏障有一最佳位置。 第八节 提高气体间隙电气强度的方法第五十六页，共84页。（1） 高气压的采用均匀电场中几种绝缘介质的击穿电压与距离的关系12.8MPa的空气 20.7MPa的SF6 3高真空4变压器油 50.1MPa的SF6 6大气二、削弱游离过程的措施第八节 提高气体间隙电气强度的方法第五十七页，共84页。SF6和一些氟里昂气体属于强电负性气体，其绝缘强度比空气高得多，因此用于电气设备时其气压不必太高，使设备的制造和运行得以简化。氟里昂12（CCI2F2）的绝缘强度与SF6相近，其液化温度

24、也可满足户内设备的条件，但为保护大气中的臭氧层，国际上早已将氟里昂12列入第一批需限制和禁用的氟里昂。（2） 强电负性气体的应用第八节 提高气体间隙电气强度的方法第五十八页，共84页。SF6的价格较高，用于断路器时（气压在0.7MPa左右）液化温度不能满足高寒地区要求，在工程应用中有时采用SF6混合气体。已得到应用的混合气体是SF6-N2混合气体，通常其混合比在50%50%左右，其液化温度能满足高寒地区要求，绝缘强度约为纯SF6的85左右。SF6气体温室效应相当于CO2的23900倍，且SF6气体不会自然分解，在大气中寿命长达3200年。因此目前的技术发展趋势是在SF6用气量大的气体绝缘管道输

25、电线中改用SF6含量较小的N2-SF6混合气体（SF6的含量为20时，混合气体的绝缘强度为纯SF6的75左右）。 第八节 提高气体间隙电气强度的方法第五十九页，共84页。（3）高真空的采用击穿电压击穿场强间隙距离对击穿的影响：规律：击穿场强随间距的增加而降低。原因：随着间隙距离及击穿电压的增大，电子从阴极到阳极经过了巨大的电位差，积聚了很大的动能。高能电子轰击阳极时能使阳极释放出正离子及辐射出光子。正离子及光子到达阴极后又将加强阴极的表面电离。在此反复过程中产生越来越大的电子流，使电极局部气化，导致击穿。击穿机理：强场发射造成很大的电流密度，导致电极局部过热并释放出气体，发生金属气化，破坏了真

26、空，故引起击穿。第八节 提高气体间隙电气强度的方法第六十页，共84页。在完全相同的实验条件下，击穿电压随电极材料熔点的提高而增大，因为强场发射电流达到临界电流密度，致使金属微细突起物迅速熔化成金属蒸气导致击穿。稍不均匀电场中高真空的直流击穿电压与电极材料的关系锌铝铜钢第八节 提高气体间隙电气强度的方法第六十一页，共84页。电极材料与电极温度对高真空交流击穿电压的影响对电极采取冷却措施具有与提高电极材料熔点相同的效果，也可使击穿电压提高。铜电极T293K铜电极T80K钢电极T293K第八节 提高气体间隙电气强度的方法第六十二页，共84页。第九节 气体中沿固体绝缘表面的放电（沿面放电）沿面放电：沿

27、着固体电介质表面的气体发生的放电现象。闪络：当沿面放电发展成贯通两极的放电时，称为闪络。 沿面闪络电压比固体或者气体介质单独存在时的击穿电压都低，可见一个绝缘装置的实际耐压能力是取决于它的沿面闪络电压的。它与设备表面的干燥、潮湿、清洁、污染有较大关系。第六十三页，共84页。一、 交界面电场分布的三种典型情况气体介质与固体介质的交界称为界面(1). 固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行。第六十四页，共84页。(2). 固体介质处于极不均匀电场中，且电力线垂直于界面的分量比平行于界面的分量大得多。类似套管瓷套管第六十五页，共84页。变压器用电容套管第六十六页，共84页。(3). 固体介质处于

28、极不均匀电场中,且电力线平行于界面的分量以垂直于界面的分量大得多.类似支持绝缘子第六十七页，共84页。复合支持绝缘子第六十八页，共84页。户外高压支持绝缘子第六十九页，共84页。二、 均匀电场中的沿面放电其放电特点：放电发生在沿着固体介质表面,且放电电压比纯空气间隙的放电电压要低.原因：（1）固体介质与电极表面没有完全密合而存在微小气隙,或者介面有裂纹。（2）介质表面不可能绝对光滑,使表面电场不均匀.（3）介质表面电阻不均匀使电场分布不均匀。（4）介质表面易吸收水分,形成一层很薄的膜，水膜中的离子在电场作用下向两极移动,易在电极附近积聚电荷,使电场不均匀。第七十页，共84页。1. 极不均匀电场

29、具有强法线分量时的沿面放电(套管型)(1) 放电发展特点:a. 电晕放电三、 极不均匀电场中的沿面放电 b. 线状火花放电c. 滑闪放电d. 闪络放电第七十一页，共84页。(2) 影响沿面放电因素分析等值电路图a.固体介质厚度越小，则体积电容越大，沿介质表面电压分布越不均匀，其沿面闪络电压越低；b.同理，固体介质的体积电阻越小，沿面闪络电压越低c.固体介质表面电阻减少，可降低沿面的最大电场强度，从而提高沿面闪络电压第七十二页，共84页。(3).提高沿面闪络电压措施a.减少套管的体积电容。如增大固体介质厚度，加大法兰处套管的外经b.减少绝缘的表面电阻。如在套管近法兰处涂半导体漆或半导体釉第七十三页，共84页。2. 极不均匀电场具有强切线分量时的沿面放电(支柱绝缘子型) 由于电极本身的形状和布置己使电场很不均匀，故介质表面积聚电荷使电压