第5讲气体电介质的绝缘特性

回顾极不均匀场中的放电过程稳态电压下的气体击穿瞬态电压下的气体击穿重点：极性效应1当前1页，总共59页。问题1.流注理论未考虑()的现象。A.碰撞游离B.表面游离C.光游离D.电荷畸变电场2.先导通道的形成是以()的出现为特征。A.碰撞游离B.表现游离C.热游离D.光游离试对以下极间距离相同的几种气体间隙的直流击穿电压进行排序：a、正极性棒-板b、负极性棒-板c、板-板d、棒-棒2当前2页，总共59页。本次课程大气条件对气隙击穿的影响相关简单计算提高气体间隙击穿电压的措施物理原理屏障效应沿面放电液体、固体的绝缘3当前3页，总共59页。1.7大气条件对气隙击穿特性的影响标准大气条件：

气压P0=101.3kPa，温度t0=20℃绝对湿度f0=11g/m3。非标准大气条件要换算到标准大气条件反映空气密度4当前4页，总共59页。一、空气相对密度的影响气压P增大时，带电粒子的平均自由行程减小，因此在运动中积累的动能就小；击穿电压升高温度T增大时，空气相对密度减小，平均自由行程增大，击穿电压降低。P：气压，kPa；t：温度，度5当前5页，总共59页。一、空气相对密度的影响δ＝0.95~1.05范围内变动时，间隙的击穿电压与相对密度成正比，实际试验或运行条件下当δ与1相差较大时，须用空气密度校正系数Kd对击穿电压U进行校正 在大气条件下，空气间隙的击穿电压随的增大而升高6当前6页，总共59页。二、湿度的影响湿度增加，电离能力下降，对放电过程起到抑制作用——湿度越大，间隙的击穿电压也会越高（不均匀电场中更明显）。

湿度矫正系数：7当前7页，总共59页。综合气压、温度、湿度的影响使用时务必注意教材P27～28的参数取值条件8当前8页，总共59页。三、对海拔高度的校正随着海拔增高，空气密度减小，λ增大，电离能力增大，间隙的击穿电压降低。我国的国家标准规定：1000m<H<4000m地区的出厂测试U（或称设计耐压水平）与平原地区外绝缘的Up的关系为9当前9页，总共59页。1.8 提高气体间隙击穿电压的措施两条途径：一、改善电场分布二、削弱气体中的电离过程

10当前10页，总共59页。(一）改进电极形状增大电极曲率半径改善电极边缘一、改善电场分布11当前11页，总共59页。(一）改进电极形状使电极具有最佳外形12当前12页，总共59页。（二）利用空间电荷畸变电场细线效应（工频下）

D增大后，局部毛刺点的强烈电离，产生刷状放电细线效应只对稳态电压有作用，对雷电波没有作用13当前13页，总共59页。回顾：

极不均匀场中的极性效应正棒－负板（三）极不均匀电场中采用屏障14当前14页，总共59页。负棒—正板15当前15页，总共59页。（三）极不均匀电场中采用屏障－DC棒电极为正极性时正离子聚集在屏障上，并沿表面均匀分布，削弱了正棒头部的强电场屏障与负板之间形成均匀电场16当前16页，总共59页。（三）极不均匀电场中采用屏障直流电压作用下尖－板的击穿电压和屏障的关系棒电极为正极性时在x/d=0.2时击穿电压的提高最显著，约为2－3倍。17当前17页，总共59页。（三）极不均匀电场中采用屏障棒电极为负极性时

当屏蔽层离开电极一定距离后，吸附的负离子将加强板前电场，使击穿电压低于无屏蔽的情况。屏蔽层靠近负棒，强电场作用下电子速度大，可以穿透屏蔽层，正离子集聚在屏蔽层，屏蔽层总体上带正电荷，削弱屏蔽层前方电场，击穿电压略有提高。

18当前18页，总共59页。（三）极不均匀电场中采用屏障-DC:总结棒电极为正极性时正离子聚集在屏障上，并沿表面均匀分布，削弱了正棒头部的强电场在x/d=0.2时击穿电压的提高最显著，约为2－3倍。棒电极为负极性时

总趋势同与正棒下的屏蔽效应。

当屏蔽层离开电极一定距离后，吸附的负离子将加强板前电场，使击穿电压低于无屏蔽的情况。

最高提高0.2倍在中间一段范围内，带屏蔽的击穿电压（不论极性）与均匀电场下的击穿电压接近19当前19页，总共59页。（三）极不均匀电场中采用屏障－工频工频作用下尖－板的击穿电压与屏蔽层位置的关系工频下，击穿在正半波发生，因此，屏蔽层也可显著提高击穿电压20当前20页，总共59页。（三）极不均匀电场中采用屏障屏蔽层插入电晕电极侧，可提高击穿电压。屏蔽层仅对持续作用电压（DC，工频）有效而对雷电波作用很小。21当前21页，总共59页。二、削弱或抑制电离过程采用高气压采用强电负性气体采用高真空22当前22页，总共59页。（一）采用高气压基本原理：气压提高减小动能减小U提高1－2.8MPa5－0.1MPa当气压在10个大气压下时，击穿电压随气压增大线性增加。再提高P，会饱和压缩空气可用于内绝缘，如断路器、高压标准电容等。23当前23页，总共59页。（二）采用强电负性气体卤化物气体电气强度高24当前24页，总共59页。（二）采用强电负性气体卤化物气体电气强度高的原因：1） 具有很强的电负性，负离子即削弱电离，又加强复合；2） 分子量大，分子直径大，电子的减小。3） 电离过程伴随离解过程，需要更多能量。

25当前25页，总共59页。（二）采用强电负性气体选用卤化物的原则：1液化温度要低，2应具有良好的化学稳定性，3经济上应当合理，价格便宜，能大量供应

目前得到工程广泛应用的是SF6及SF6混合气体26当前26页，总共59页。（三）采用高真空气隙击穿电压与真空压力的关系

接近真空阶段：碰撞电离的几率太小，Ub提高高真空阶段：小距离时：强场发射、金属气化大距离时：全电压效应真空中的Ub与电极材料、表面光洁度、清洁度有关27当前27页，总共59页。1.9沿面放电含义：沿空气与固体介质表面发生的气体放电现象称为沿面放电。击穿后俗称闪络。研究意义：一个绝缘装置的实际耐压水平由沿面放电电压决定。研究范围：表面干燥、清洁时的沿面放电电压表面潮湿、污秽时的沿面放电电压28当前28页，总共59页。1.9沿面放电沿面放电的几种典型电场分布形式

均匀电场强垂直分量弱垂直分量29当前29页，总共59页。1.9沿面放电30当前30页，总共59页。1.9.1均匀电场中的沿面放电在平行平板中放置瓷柱，虽然瓷柱不影响电场分布，但放电总发生在瓷柱表面，且击穿电压比纯空气的低很多。31当前31页，总共59页。1.9.1均匀电场中的沿面放电机理分析：1）固体介质与电极接触不良，空气间隙发生局放，形成的带电粒子沿介质表面移动。

在连接处涂导电粉末或者导电胶2）潮气形成水膜，其中的离子在电场下运动，造成沿面电压分布不均，畸变电场。

憎水性材料3）在瓷柱表面的凸凹处，发生电场畸变，产生空气间隙击穿。带电粒子分布在固体表面，畸变原有电场，降低了闪络电压。4）固体表面电阻不均，造成泄漏电流的压降分布不均，使电场畸变，降低沿面闪络电压。32当前32页，总共59页。1.9.1均匀电场中的沿面放电33当前33页，总共59页。1.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电沿套管表面的放电电晕放电细丝状的辉光放电滑闪放电第一阶段：由于接地法兰附近电力线密集，首先出现电晕。34当前34页，总共59页。1.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电沿套管表面的放电电晕放电细丝状的辉光放电滑闪放电第二阶段：随着电压升高，出现平行的许多火花细线，具有辉光放电的特征。35当前35页，总共59页。1.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电沿套管表面的放电电晕放电细丝状的辉光放电滑闪放电第三阶段：电压继续升高，带电粒子的运动造成介质表面局部发热，引起气体热电离，出现树枝状火花，位置不固定，称为滑闪放电。36当前36页，总共59页。1.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电最后，第四阶段，电压再升高，滑闪贯通两级，形成沿面闪络。37当前37页，总共59页。1.9.2极不均匀场具有强垂直分量

的沿面放电滑闪放电在交流和冲击下表现明显。随电压增加，滑闪长度增长变快，因此单靠加长距离提高闪络电压效果不明显。玻璃管壁变薄，滑闪电压降低。38当前38页，总共59页。1.9.3极不均匀场具有弱垂直分量

的沿面放电没有热电离和明显的滑闪放电；介质表面电荷聚集对电场畸变影响不大；沿面闪络电压与空气击穿电压差别不大。实验表明：这种绝缘子的干式闪络电压基本上随极间距离的增加而增加。39当前39页，总共59页。三种情况比较：均匀场中的沿面闪络电压最高，有垂直分量的沿面放电电压低得多；具有强垂直分量的沿面放电电压很低，因为出现了热电离和滑闪放电。40当前40页，总共59页。1.9.4绝缘子污染状态下的沿面放电污闪电压发展过程：积污受潮电导增加，电流增大烘干，形成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度，自动延伸，贯穿两极防止污闪：1改善环境，减小污染的可能性2改进绝缘子结构设计，降低污秽积累的可能41当前41页，总共59页。1.9.5固体介质表面有水膜时的

沿面放电湿闪电压闪络途径：1AB－BCA’：闪络电压下降到40%-50%2AB－BA’：下降不多3AB－水流：湿闪电压降到很低值。42当前42页，总共59页。提高沿面放电电压的方法棱缘屏障（伞裙）屏蔽电极改善电场分布提高表面憎水性避免绝缘体与电极间缝隙改善局部区域电阻率强制表面电位分布43当前43页，总共59页。提高沿面放电电压的方法以套管型结构为例，也即强垂直分量下的沿面放电链形等值回路为:略去了介质的体积电阻44当前44页，总共59页。提高沿面放电电压的方法链性等值回路的方程：边界条件：45当前45页，总共59页。提高沿面放电电压的方法定性来看，电压分布的不均匀性在于靠近法兰处的Rs流过的电流大于远离法兰处的Rs中流过的电流。措施：1减小比电容C0可加大瓷套外径、壁厚，或减小介电常数2减小电场较强处的表面电阻。可涂半导体釉、半导体漆等，采用电容式套管、充油式套管46当前46页，总共59页。液体、固体电介质的

绝缘特性特点电气强度高液体兼做灭弧；固体兼做支撑电气强度不受外界影响不可自恢复会逐渐老化47当前47页，总共59页。2.1电介质的极化、电导与损耗极化的概念固体介质表面出现束缚电荷相对介电常数反映极化、储能特性48当前48页，总共59页。极化的基本形式电子式极化离子式极化偶极子极化夹层（界面）极化空间电荷极化49当前49页，总共59页。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 1.电子式极化50当前50页，总共59页。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，10-12~10-13s极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加，离子结合力）极化弹性：弹性消耗能量：无2.离子式极化51当前51页，总共59页。极化机理：偶极子定向排列介质类型：具有永久性偶极子的极性介质建立极化时间：需时较长，10-1010-2s极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（有关，频率升高，极化减弱）温度（低温段增加，高温段降低（热运动））极化弹性：非弹性消耗能量：有3.偶极子极化52当前52页，总共59页。4.夹层式（界面）极化当t=0:

当t=∞:53当前53页，总共59页。

一般情况下：电荷从t=0到t=∞时会重新分配，在介质的交界面处积累电荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化。极化的时间常数：

高压绝缘介质的电导G通常都很小，因此夹层极化只有在低频时才有意义。同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。注意安全。4.夹层式（界面）极化54当前54