高电压技术课件

高電壓技術

動力系統、電力系統和電力網示意圖電力系統的結構輸電+配電發電+輸電+變電+配電+用電各部分的功能和結構各有特點，但又不絕對按照承擔的功能劃分，而不是電壓等級劃分有關數字2010年末，全國總裝機容量達到了9.5億千瓦居於世界上第二，僅次於美國美國的裝機容量大約是11億千瓦2010年全國發電量為41,413億千瓦時。坐2望1十一五期間的裝機容量超過了前55年裝機容量總和新建5億千瓦，淘汰落後機組0.7億千瓦，新增4.3億千瓦

一年新增發電能力=2個英國的總和能源消耗中電能的比例：電網規模超過美國，居世界第一位

未來智能電網帶來的新機遇我國在能源和電力消耗上需解決的問題單位GDP能耗是世界平均水準的2.2倍供電可靠性較低……氣候與環境問題電力行業結構國內主要電網結構高壓輸電電壓等級的發展中國的電壓等級交流電壓等級（kV）：常規：1000-500-220-110-35-10-6-0.4，西北地區：750-330-110-…….東北地區：……-66-……部分城市大負荷區域：……-20-……直流（kV）：±800，±600，±500，±100，交流電壓等級的劃分特高壓：1000KV及以上超高壓：330～750KV高壓：35～220KV中壓：6~20kV低壓：0.4kV電網規模發展趨勢電力系統的規模日益增大跨區域聯合電力系統正在形成三華電網將使電網規模達到一個新高度將覆蓋19個省市(含4個直轄市)，控制全國70%的經濟規模和裝機容量近75%的電力用戶和近2/3人口2020年裝機規模將達10億千瓦左右，相當於目前美國全國裝機水準大電網帶來的問題不安全03年美加大停電，紐約、芝加哥、多倫多等大城市，5000萬人受影響08年冰災投資浪費巨大，經濟上不可行

特高壓超過鐵路單位運力投資的10倍遠輸煤、近輸電

交流特高壓輸電線路走廊占地面積為鐵路輸煤的30倍,選線越來越難

強化已高度集中的電網壟斷體制

提高電壓的效益提高輸送功率提高輸送距離降低線路損耗降低工作電流節省線路走廊降低線路造價長距離輸電可聯接地域網，有利於電力調度例：輸送750萬千伏安容量的電力345kV電壓等級，需要七條雙回線，走廊寬度為221.5m1200kV電壓等級，僅需一條單回線，走廊寬度為91.5m高電壓技術的學科地位

電氣工程專業平臺課之一專業基礎課之一日本小崎正光教授：電能有關的知識和技術體系稱為電氣－電子工程學高電壓工程的主要問題（1）電力工業與高電壓技術的密切關係

高電壓工程的主要問題（2）——絕緣問題絕緣材料研究各種絕緣材料在高電壓下的各種性能、現象以及相應的過程、理論

絕緣結構（電場結構）同一種材料在不同的絕緣結構下的外在表現

電壓形式

同樣的材料、結構，在不同電壓下，絕緣性能不相同高電壓工程的主要問題（3）——試驗問題各種經濟、靈活的高電壓發生裝置

電氣設備各種絕緣試驗專案的設計

預防性試驗線上監測、故障診斷狀態維修高電壓的測量高強量、微弱量、快速量

高電壓工程的主要問題（4）—過電壓防護問題外過電壓（雷電過電壓）內過電壓老化、污穢（在運行電壓及過電壓下）保護裝置

分析各類過電壓的特點及形成條件研究各種保護裝置及其保護特性工頻過電壓諧振過電壓操作過電壓高電壓工程的主要問題（5）—絕緣配合中心問題：解決電力系統中過電壓與絕緣這一對矛盾，將電力系統絕緣確定在既經濟又可靠的水準原則方法

高電壓工程的主要問題（6）—電磁環境問題電磁相容眾多的電子及微電子設備對暫態干擾具有明顯的敏感性和脆弱性

強電系統電壓高、容量大，對弱電系統產生更加強烈的電磁干擾開展關於如何限制弱電系統內的暫態干擾電壓的試驗及研究工作

生態效應

高電壓技術在其他領域中的應用（1）高壓靜電除塵基於靜電吸引的作用收集灰塵

已有十分廣泛成熟的應用。電火花加工利用火花放電時的放電能量處理加工材料體外碎石技術

腎結石、膽結石的體外粉碎是利用高壓脈衝產生一定向衝擊波，經聚焦後作用於患處將結石擊碎上海交大率先開發成功，成果人成為中國工程院院士除菌及清鮮空氣利用空氣中電暈放電，控制產生一定濃度臭氧(強氧化劑)，達到殺菌及清潔空氣的作用目前空調中所謂的等離子體空氣清新技術高電壓技術在其他領域中的應用（2）污水處理利用高頻脈衝高壓產生高濃度臭氧，與污水作用能夠分解污水中的有機物，去除臭氣煙氣處理利用高功率脈衝形成高能活性離子，可以實現工廠煙氣的脫硫脫硝，淨化排汙國家863專案等離子體隱身利用等離子體與電磁波的作用機制(能夠有效吸收大量的電磁波),產生覆蓋飛行器的等離子體層，能有效吸收雷達信號，達到隱身的目的國家自然科學基金重大研究專案高電壓技術在其他領域中的應用（3）等離子體表面處理高壓放電產生活性粒子作用於織物等，增強材料表面活性，不但易於染色和進行表面塗覆等，且處理過程對環境不會有污染。是當前印染行業十分看好的織物處理技術三次採油技術將高功率脈衝電源引至油井下進行瞬間放電，產生很強的衝擊波，此衝擊波將地下岩層震裂，使得原有的縫隙增大(解堵作用)，原油滲出更容易，能提高油井的產量高電壓技術在其他領域中的應用（4）新概念武器國防科工委重大研究專案電磁炮利用高壓脈衝電源瞬間擊穿產生高功率脈衝（強電流）強電流產生強磁場通過電磁力的作用將炮彈發出微波彈高壓快速脈衝重複放電產生強電磁波，對敵方電子設備進行干擾，能量足夠時可導致設備失效等離子體推進利用高壓放電產生等離子體，通過等離子體間的電磁相互作用(排斥力)推進艦艇具有無聲的優點，可有效避免被敵人的聲納探測主要內容1、各類電解質在高電場下的特性氣體的放電基本物理過程和電氣強度液體、固體介質的電氣特性2、電氣設備絕緣試驗技術電氣設備絕緣預防性試驗絕緣的高電壓試驗電氣設備絕緣線上檢測與診斷3.電力系統過電壓與絕緣配合線路和繞組中的波過程雷電及防雷保護裝置電力系統防雷保護電力系統內部過電壓電力系統絕緣配合高電壓技術的特點高電壓技術的特點理論性強實踐性強跨學科多非線性明顯電力工程中唯一一門研究電力系統過電壓和絕緣的課程本課程學習目的重點掌握電力系統產生過電壓的機理和過電壓保護的基本方法培養分析和解決電力系統中絕緣與作用電壓矛盾的能力。為今後從事有關高電壓與絕緣方面的工作打下基礎。

預備知識、參考書1、預備知識：電路知識電力系統分析知識物理2、參考書

《高電壓技術》，周澤存，中國電力出版社，2004年《電力系統過電壓》，解廣潤，水利電力出版社，1985；

《高電壓技術》，胡國根，重慶大學出版社，1996；《電力系統運行及過電壓保護》，河南省電力工業局，中國電力出版社，1995。

學習進度與建議理論學習與實際分析相結合理解絕緣機理與過電壓的相互關係注意培養自己的分析問題的能力。

第一章

气体的放电基本物理过程

和电气强度

主要內容第一節湯遜理論和流注理論第二節不均勻電場中的放電過程第三節空氣氣隙在各種電壓下的擊穿特性第五節提高氣體介質電氣強度的方法第六節沿面放電及防汙對策

1.1湯遜理論和流注理論

主要內容 非自持放電和自持放電 湯遜理論 巴申定律 流注理論 強電負性氣體自持放電的條件氣體的絕緣與導電純淨的、中性狀態的氣體是不導電的氣體中出現了帶電質點（電子、正離子、負離子）後才可能導電，並在電場作用下發展成各種形式的氣體放電現象帶電粒子的產生激勵:當原子獲得外部能量，一個或若干個電子有可能轉移到離核較遠的軌道上去，稱為原子處於激勵態當原子從激勵態恢復到正常狀態時，其將釋放出相應能量的光子電離：外因下，原子產生自由電子和帶（正）電粒子光電離：可見光不能使氣體直接電離，X射線、γ射線可以光源可以是外部的，也可以是內部自產生的金屬表面電離更容易瞭解：光電效應，光的波粒二象性熱電離：常溫下，氣體熱電離的概率很小。空氣>1萬度後可考慮空氣>2萬度時，幾乎全部的分子都處於熱電離狀態碰撞電離氣體中主要碰撞電離均由電子產生，正離子很少，為什麼？陰極表面，正離子撞擊可產生電離電極表面的電離正離子撞擊陰極表面光電子發射熱電子發射強場發射由於逸出功<<電離能，陰極表面電離更容易帶電粒子在氣體中的運動帶電粒子：電子、正粒子、負粒子各種粒子在氣體中運動時不斷地互相碰撞粒子在單位行程中所遭遇的碰撞次數與氣體分子的半徑和密度有關帶電粒子自由行程：帶電粒子與氣體分子相鄰兩次碰撞之間的自由行程。帶電粒子的平均自由行程：兩次碰撞之間的平均行程隨即量，有很大的分散性電子體積小，自由行程長度遠大於分子和帶電粒子氣體密度越大，平均自由行程越小大氣壓、常溫下，電子在空氣中的平均自由行程為10-5cm數量級遷移率：粒子移動速度與電場之比電子遷移率高，為什麼？擴散：熱運動中，粒子從濃度較大的區域運動到濃度較小的區域，從而使分佈均勻化電子運動速度大、自由行程長度大，擴散速度比離子快得多負離子的形成附著：電子與氣體分子碰撞時，相結合而形成負離子電子與氣體分子碰撞的兩個結果：引起碰撞電離，發生附著負離子的形成並未使氣體中帶電粒子的數目改變，但卻能使自由電子數減少，因而對氣體放電的發展起抑制作用。為什麼？電負性氣體：容易發生附著產生負離子的氣體。帶電粒子消失複合：當氣體中帶異號電荷的粒子相遇時，有可能發生電荷的傳遞與中和電子和正離子複合，稱為電子複合，產生一個中性分子正離子和負離子複合，稱為離子複合，產生兩個中性分子帶電粒子消失的幾種情況在電場驅動下定向運動到電極，消失於電極而形成外電路中的電流帶電粒子因擴散而逸出氣體放電空間帶電粒子的複合非自持放電和自持放電（1）圖1-1其他放電的試驗電路不外加電源時：光電離和複合同時存在，並處於平衡狀態。存在一定帶電質點，但無電流外加電源後，帶電粒子定向運動，電路中產生電流。其過程如下：oa-階段：電流隨電壓增加。電子移動速度加快，複合概率降低ab-階段：電流不隨電壓變化。外界因素產生的電離固定。絕緣仍良好bc-階段：電流隨電壓增加。（碰撞電離↑）→帶電離子↑cs-階段：電流急劇增加。氣體間隙擊穿，伴隨發聲、發光，導電良好非自持放電和自持放電（2）非自持放電：依靠外電離因素作用才能維持的放電當U<U0時氣隙內雖然有電流，但很小。<<uA電流需要外電離因素（如光源照射）才能維持取消外電離因素，電流將消失自持放電：放電過程不需要外電離因素，電流可以自維持U>U0，電流劇增氣隙中電流過程仍然需要外施電壓氣體放電的起始電壓：放電由非自持轉為自持的起始電壓圖中的U0均勻電場中，起始電壓等於擊穿電壓不均勻電場中擊穿電壓大於起始電壓。電場越不均勻，電壓差越大

湯遜理論（1）電子崩外界因素，如光照，使陰極表面電離，產生一個電子電子在電場作用下向陽極運動當兩極間電壓（電場）足夠強時，電子動能足夠大，就發生碰撞電離新電子和原有電子繼續向陽極運動，繼續發生碰撞電離，產生更多的電子應注意：不是每次碰撞都會電離電子數將按照1,2,4,8,16……，幾何級數規律增長，類似雪崩。這種急劇增大的空間電流稱為電子崩

劇增的電子流稱為電子崩劇增的離子流稱為離子崩湯遜理論（2）離子崩：正離子在向陰極運動中，也會發生碰撞電離，產生新的電子。與電子崩類似離子崩的條件？電子奔向陽極，正離子奔向陰極電子速度遠大於正離子正離子到達陰極附近時，將使雪崩現象加劇加強了陰極場強，陰極產生場強發射正離子撞擊陰極表面，發生電離新電子參與氣體碰撞可能使放電得以自持劇增的電子流稱為電子崩劇增的離子流稱為離子崩為了定量分析氣隙中氣體放電過程，引入三個係數：α—電子沿電場方向行徑1cm平均發生的碰撞電離次數對應起始電子形成的電子崩過程，稱為α過程β—正離子沿電場方向行徑1cm平均發生的碰撞電離次數β係數對應於離子崩過程，稱為β過程γ—折合到每個到達陰極表面的正離子，使陰極金屬平均釋放出的自由電子數正離子使陰極發射新的電子的機理：強場發射（正離子加強陰極附近場強）、碰撞發射、熱發射離子崩達到陰極後引起陰極發射二次電子的過程，γ過程湯遜理論（3）湯遜理論（4）設x處有n個電子，再經歷dx距離新增的電子為dn，則有：解微分方程得到：含義：從n0個電子處（任何位置）前行x距離後的電子數注意：實際過程是離散的，公式只在統計意義上起作用。統計：大量電子、多次實驗湯遜理論（5）設陰極發射一個起始電子，則有

α過程電子崩的電子（含起始電子）到陽極到達陰極表面的正離子數，也是α過程產生的正離子數。注：課本(P3)β過程中產生的離子崩中的正離子數講法不准確γ過程又在陰極上釋放出二次電子數自持放電的條件：，臨界條件二次電子數大於等於起始電子數，則不需外部因素，實現自持放電課堂提問：忽略了哪個過程？

不均勻電場中，自持放電的條件：

湯遜理論（6）外界電離因素陰極表面電離氣體空間電離氣體中的自由電子在電場中加速碰撞電離電子崩（α）過程正離子陰極表面二次發射(γ過程）湯遜理論（7）湯遜理論的基礎：將電子崩（α過程）和陰極的γ過程作為氣體放電自持的決定因素問題：為什麼沒有β過程？湯遜理論的實質：氣體放電的主要原因：存在電子碰撞電離。維持氣體放電的必要條件：二次電子來源於正離子撞擊陰極，使陰極表面逸出電子。判據：陰極逸出電子可以替代起始點的作用湯遜理論的適用範圍：解釋低氣壓短氣隙中的放電現象pd<26.66kPa·cm標準氣壓下，d=0.26cm放電特徵：輝光放電：整個氣隙均勻放電

巴申定律（1）自持放電起始電壓U0的計算α係數的運算式：其中：A，B與氣體有關常數；p氣壓；E場強推導過程參見文獻12，朱德桓，高電壓絕緣，清華大學出版社1992代入再有：巴申定律（2）考慮溫度變化，以氣體相對密度δ代替壓力p：對於空氣有：Ts=293k,ps=101.3kPa為標準大氣壓條件T,p為實驗時大氣條件均勻電場中氣體的U0等於氣隙的擊穿電壓Ub，不均勻電場中不等課本中P4提到氣隙擊穿電壓為Ub，與圖1-2中的含義不同

巴申定律：當氣體成分和電極材料一定時，氣隙間隙擊穿電壓Ub是氣壓ｐ（或者氣體密度δ）與極間距離ｄ乘積的函數。在湯遜之前已經由實驗總結出巴申定律（3）巴申曲線：對應的曲線，即擊穿電壓與pd的關係隨pd變化，擊穿電壓有極小值可用湯遜理論進行解釋自持放電需要的電離數，取決於碰撞次數和電離概率的乘積d固定，p/δ增大。碰撞次數增加，但電子自由行程降低，電離概率將減少。綜合來看將出現極大值，對應Ub極小p/δ固定，d增大。碰撞次數增加。但電場強度減少，電子獲得能量減少，電離概率也將減少。實用意義：當極間距離d不變時提高氣壓或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓流注理論（1）工程上更關注的是高氣壓、長氣隙的放電，如雷電對於高氣壓、長氣隙的放電，湯遜理論存在矛盾：擊穿時間：理論計算時間遠大於實測時間，相差10-100倍陰極材料影響：按湯遜理論有關，實測無關放電形式：不是充滿整個間隙的輝光放電，而是帶分支的明亮細通道產生矛盾的原因沒有考慮空間電荷的存在對電場的影響——使電場畸變沒有考慮離子複合、以及光游離的作用流注理論（2）流注的形成：

電子崩按指數發展到一定程度產生的電子和正離子數目將非常龐大60%電子是最後一mm產生的正常大氣條件下，若E＝30kV／cm，崩頭中的電子數流注理論（3）流注的形成（續）：

正離子呈錐形分佈，大部分位於崩頭尾部而幾乎全部自由電子均位於崩頭頭部原有均勻場強發生畸變電子崩的前方和尾部場強增強兩個強場區中間（崩頭內部）電場強度較小，但電子和正離子濃度最大流注理論（4）流注的形成（續）：崩頭內部發生強烈的複合，發出大量光子。成為新的光電離輻射源崩頭內部大量帶電粒子。電場小，粒子定向移動慢。有利於複合光子引起光電離，在強電場作用下發生更激烈的電子崩（二次電子崩）二次崩受電場吸引向一次崩頭髮展，匯合成充滿正負帶電粒子的混合通道，稱為流注。這是一個正回饋過程。流注的導電性能良好，在後續二次崩的作用下，向陰極發展（與初崩方向相反）。直到流注通道把兩極接通，氣隙被完全擊穿。流注理論（5）在電離室中得到的初始電子崩照片圖a和圖b的時間間隔為1

10-7秒p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/釐米初始電子崩轉變為流注瞬間照片p＝273毫米汞柱E=12千伏/釐米電子崩在空氣中的發展速度約為1.25107cm/s流注理論（6）在電離室中得到的陽極流注發展過段的照片正流注的發展速度約為11082108cm/s流注的速度>>電子蹦的速度流注理論（7）流注：正負離子的混合質通道流注理論內容：在初始階段，氣體放電以碰撞電離和電子崩的形式出現當電子崩發展到一定程度後，初始電子崩的頭部積聚到足夠數量的空間電荷，使局部電場大大增強帶電粒子複合放出光子，引起新的強烈電離和二次電子崩。進而引發氣隙擊穿。流注理論核心：二次電子的來源是空間光電離。對比。湯遜理論認為：二次電子來源於正離子撞擊陰極使其逸出電子流注理論的自持放電的條件：即出現流注的條件對於均勻場，有或（實驗得出）一般認為或，流注得以形成如果電極間所加電壓正好等於自持放電起始電壓U0，那就意味著初崩要跑完整個氣隙，頭部才能積聚到足夠的電子數而引起流柱。電壓超過自持放電電壓U0，流柱將提前出現流注理論（8）流注的特點電離強度大傳播和擊穿速度快（初崩10倍以上）場強得到增強光子速度比電子大流注的推進不均勻，具有分支。光子傳播具有隨機性陰極材料對氣體擊穿電壓影響不大。二次電子的來源不同pd較小時，起始電子在穿越極間距離時不可能聚集到足夠多的電子流注理論和湯遜理論各適用一定條件，不能互相替代湯遜理論適用低氣壓、短距離流注理論適用高氣壓、長距離二者均針對非電負性氣體。Pd<26.66kPa·cmPd>>26.66kPa·cm陰極（負）流注的發展過程當U外施＝Ubmin時，初崩發展到接近陽極時開始光游離，流注從陽極（正極）產生向陰極發展稱為正流注陰極流注（負流注）：當U外施>Ub由於E很強，初崩不需經過整個間隙其頭部已聚集到足夠的空間電荷來產生流注了則流注由陰極產生向陽極發展負流注發展速度較正流注小陰極流注在發展過程中電子的運動受到電子崩留下的正電荷的牽制一般為0.7－0.8×108cm/s(比正流注慢）同樣：流注貫串整個間隙時，間隙就擊穿了強電負性氣體自持放電的條件（1）電負性氣體：捕捉自由電子形成負離子並阻止放電的氣體。如強電負性氣體SF6電子的附著效應電子附著係數，一個電子沿電場方向行徑1cm時平均發生的電子附著次數。對應過程為過程。定義和含義與類似。在電負性氣體中，有效碰撞電離係數為：湯遜理論中，不能直接用有效碰撞電離係數代替碰撞電離係數因為正離子數和自由電子數不等。工程中也較少應用。強電負性氣體自持放電的條件（2）一般強電負性氣體的工程應用屬於流注放電範疇均勻電場中，按流注理論，電負性氣體的自持放電條件：由於附著效應，使，導致自持放電場強遠大於非電負性氣體。對於SF6強電負性氣體，K=10.5。標準狀態、均勻電場中，SF6擊穿場強（89kV/cm）約為空氣（30kV/cm）的3倍。思考題：在流注理論中，強電負性氣體流注出現的臨界電子數為，遠遠小於非電負性氣體的108個，為什麼？

2.2不均勻電場中的放電過程主要內容 稍不均勻電場的放電特點 極不均勻電場中的電暈放電現象

極不均勻電場中的放電過程均勻電場與不均勻電場均勻電場中，流注一旦形成，放電達到自持程度，氣隙就會擊穿。自持放電電壓=擊穿電壓不均勻電場中，情況會複雜的多。均勻電場只是理想狀態，實際電氣設備絕緣結構的電場大多是不均勻的。均勻電場下的放電特性是研究不均勻電場特性的基礎常見的不均勻電場類型：球-球，球-板，棒-棒，棒-板，同軸圓柱，導線-板，導線-導線不均勻電場的分類不均勻電場的分類：稍不均勻電場、極不均勻電場，二者之間存在過渡區域。一般只研究稍不均勻電場和極不均勻電場不均勻電場的劃分：明確劃分比較困難，通常用電場不均勻係數來大致劃分。電場不均勻係數f：等於氣隙中最大場強Emax與平均場強Eav的比值：其中：U為極間電壓，d為極間距離通常：f<2為稍不均勻電場，f>4為極不均勻電場，2<

f<4為過渡區域劃分標準的不同。周澤存二版書P22：f<2為稍不均勻電場，f>2為極不均勻電場。對於不同類型不均勻電場，其具體標準可查閱有關資料稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特點1以球-球不均勻電場為例d<=2D時，電場較均勻。放電特性與均勻電場相似，一旦出現自持放電，氣隙隨即被擊穿d>=4D時，電場分佈極不均勻。極間電壓達到某一臨界值時，球極出現藍紫色的暈光，伴隨“噝噝”聲稱這種局部放電為電暈放電，稱臨界電壓為電暈起始電壓。電暈是放電的一種。外加電壓增大，電極表面電暈層隨之擴大，出現刷狀細火花，最終擊穿2D<d<4D時，過渡區域。隨電壓升高會出現電暈，但不穩定，球隙立刻轉為火花放電極不均勻電場中，電暈起始電壓<擊穿電壓。電場越不均勻，二者的差別也越大稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特點2從放電的觀點看，可根據是否存在穩定電暈放電來區分電場的不均勻程度存在穩定的電暈放電（如球-球模型中d>=4D），為極不均勻電場。不存在穩定的電暈放電（如球-球模型中d<2D），為稍不均勻電場。思考題：相同極間距離時，稍不均勻場氣隙的擊穿電壓小於or大於均勻場氣隙極不均勻電場中，氣隙自持放電條件既是電暈起始條件，由電暈到擊穿必須升高電壓才能完成。極不均勻電場中的電暈放電現象（1）極不均勻電場中的電暈放電現象（2）極不均勻電場中的電暈放電現象（3）電暈的產生過程：在極不均勻電場中，電極附近存在一個電離區。電離區的分子，在外電離因素和電場作用下，產生激發、電離，形成電子崩。同時伴隨激發和電離的逆過程——複合。複合過程中，產生光輻射，形成暗藍色的暈光，即電暈。電暈放電的電流強度。含義：正負電極間的離子移動，但未形成導電通道，絕緣未擊穿分為：放電電流的暫態電流和平均電流取決於外加電壓、電極形狀、極間距離、氣體性質和密度等。電暈放電的起始電壓理論上可根據自持放電條件求取，但計算繁雜且不精確通常是根據經驗公式確定極不均勻電場中的電暈放電現象（4）以導線-板氣隙為例。不同直徑D導線工頻擊穿電壓與極間距離d的關係。觀察圖1-8，得到：擊穿電壓排序（由高到低）：均勻場>D最小>較小>較大>最大>尖-板D在釐米級時，擊穿電壓大於棒（尖）-板氣隙，二者相近。D為0.5mm時，擊穿電壓略小於均勻場，二者接近。發現什麼問題？極不均勻電場中的電暈放電現象（5）電暈起始電壓、擊穿電壓，以及二者與電場不均勻程度的變化關係電暈起始電壓：電場越不均勻，越低擊穿電壓：電場越不均勻，越低電場越不均勻，電暈起始電壓與擊穿電壓的差越大矛盾：D越小，電場越不均勻，應該越接近尖-板，實際卻遠離尖-板而接近均勻場？D較大時，局部毛刺（類似於尖）先出現刷狀放電，與尖-板接近D較小時，電暈放電形成的均勻電暈層，改善了電場分佈，提高擊穿電壓重要結論：某些情況下，可利用電暈放電的空間電荷來改善極不均勻電場的分佈，以提高擊穿電壓。同等情況下，擊穿電壓與電場均勻度的關係：均勻場最高，不均勻度越強擊穿電壓越小在雨、雪、霧天氣時，在較低的電壓和電場強度下就會出現電暈放電導線表面的水滴在強電場和重力的作用下，將克服本身的表面張力而被拉成錐形，從而使導線表面的電場發生變化極不均勻電場中的電暈放電現象（6）電暈放電的弊端：功率損耗。聲光電熱和化學反應對無線電干擾。高頻電流和電磁脈衝。雜訊。可能超出環境保護標準。腐蝕作用。電暈化學反應產生的臭氧等會腐蝕金屬，使有機絕緣材料老化。電暈放電的作用：提高擊穿電壓：改善電場分佈增強限制過電壓能力：利用衝擊電暈來降低衝擊電壓幅值及陡度，靜電除塵：淨化工業廢氣靜電噴塗：利用高壓靜電電場使帶負電的塗料微粒沿著電場相反的方向定向運動，並將塗料微粒吸附在工件表面淨化水：臭氧發生器防止電暈的方法：分裂導線。實質：增加導線半徑，減小不均勻程度。分裂導線的另一個作用：克服集膚效應，提高輸電能力。在高壓特別是超高壓、特高壓中要嚴加限制電暈。我國設計要求：220kV及以下輸電線路要求在惡劣天氣下也無可見電暈,500kV輸電線路要求在好天氣下夜間無可見電暈極不均勻電場中的放電過程（1）以棒-板電極為例電離總是從“棒”開始的。且與電壓極性無關。電極曲率小，不均勻程度高，電場最強。本質上，是從場強最大電極處開始。電離後的放電發展過程、氣隙電氣強度、擊穿電壓等與電極極性相關結論：不均勻電場的放電有明顯的極性效應。模型極性的確定：取決於曲率半徑小的電極極性相同幾何形狀時取決於不接地電極的極性極不均勻電場中的放電過程（2）自持放電前的階段。也就是電暈放電階段。以最不均勻電場的棒-板電極為例對於正棒-負板的情況。即正極性棒極附近有充分的電子崩。崩頭電子迅速進入棒極。正離子反方向運動，速度很慢，暫留棒極附近。正離子削弱了棒極附近場強，而加強了群外（與板極間）空間電場。即對不均勻電場起到了平均的作用，使其向稍不均勻電場發展。正離子阻止了棒極附近流注的形成，使電暈起始電壓提高極不均勻電場中的放電過程（3）自持放電前的階段。也就是電暈放電階段。對於負棒-正板的情況。即負極性。電子崩中的電子快速向板極運動正離子暫留棒極附近空間電荷的作用與正極性相反。加強了棒極附近場強，而削弱了外部空間電場。加強了電場的不均勻程度，向更不均勻方向發展。棒極附近容易形成流注，電暈起始電壓降低。注意：隨電子快速移動，場強的變化特點。極不均勻電場中的放電過程（4）自持放電後的階段。也就是擊穿放電階段。對於正棒-負板的情況。外部場強得到增強。當極間電壓提高時，電暈放電區容易向外擴展，強場區逐漸向極板方向推進。放電發展順利，直至氣隙被擊穿極不均勻電場中的放電過程（5）自持放電後的階段。也就是擊穿放電階段。對於負棒-正板的情況。與正棒-負板情況相反。外部場強得到削弱。當極間電壓提高時，電暈放電區不易向外擴展，放電發展不順利，擊穿電壓比正極性時高的多，所需時間也長的多。極不均勻電場中的放電過程（6）注意：電暈起始電壓和擊穿電壓在不同極性下的不同變化。結論：對於極不均勻場氣隙，擊穿電壓的極性效應與電暈起始放電的極性效應相反。利用電暈改變電場分佈、提高擊穿電壓的原理推論：實際的電力元件多屬於極不均勻場氣隙，擊穿都發生在交流電壓的正半周。絕緣試驗時應施加正極性衝擊電壓。瞭解概念：對於長氣隙（大於1m）放電，如雷擊。主要由電暈放電-先導放電-主放電幾個階段組成。對比：短氣隙放電，由電暈放電-主放電組成。區別主要在於通道溫度高，產生了熱游離。1.3空氣間隙在各種電壓下的擊穿特性一、作用電壓類型二、空氣間隙在穩態電壓下的擊穿三、空氣間隙在衝擊電壓下的擊穿主要內容作用電壓類型氣隙的擊穿特性與所加電壓的類型有很大關系。分類標準：電壓波形、持續時間直流電壓穩態電壓工頻交流電壓衝擊電壓雷電衝擊電壓操作衝擊電壓除電壓形式外，氣隙的擊穿還取決於電極的形狀本質上是取決於電場形式

對於氣隙擊穿無區別對於氣隙擊穿有區別空氣間隙在穩態電壓下的擊穿氣隙擊穿的時間：一般以uS計對於氣隙擊穿而言：直流電壓和工頻電壓無區別穩態電壓下氣隙的擊穿與電場均勻度有很大關系：均勻電場氣隙稍不均勻電場氣隙極不均勻電場氣隙空氣在穩態均勻電場下的擊穿均勻電場中：電極佈置是對稱的，不存在極性效應，擊穿所需時間極短標準大氣狀態下，擊穿電壓峰值Ub與極間距離d的關係：為空氣相對密度。d在1-10cm內，空氣的擊穿場強約為30kV/cm問題：擊穿場強E隨d的變化趨勢是什麼？為什麼？注意適用範圍標準大氣狀態：

1個標準大氣壓:P=101.3kPa常溫：T=293Kor20C絕對濕度：hc=11g/m3空氣在穩態稍不均勻電場下的擊穿（1）標準氣隙有：球隙（測量高壓幅值的球隙測壓器）同軸圓柱（高壓電容器、單芯電纜）以球隙為例。任何一球都不接地，電場對稱，無極性效應。一球接地時，有極性效應。大地影響電場分佈，不對稱。增加了接地球的等效曲率，不接地球先放電球直徑D、擊穿電壓Ub與氣隙距離d的關係d<D/4時，電場較均勻，擊穿特性與均勻場相似。穩態和衝擊擊穿電壓大致相同，分散性小d>D/4時，電場不均勻度增加，平均擊穿場強減小，分散性增大。課外思考問題：為何負極性擊穿電壓小於正極性？（與理論分析相反）空氣在穩態稍不均勻電場下的擊穿（2）以同軸圓柱為例外筒內徑固定，改變內筒外半徑r電暈起始電壓Uc呈倒U型r/R<0.1時，為極不均勻電場，擊穿前有穩定電暈。Uc很小，且Uc<<Ub電暈出現在何處？外筒or內筒？r/R>0.1時，為稍不均勻電場。不再有穩定電暈放電。擊穿電壓極大值出現在r/R0.33時。r增大時，電場均勻度接近於1，所需場強提高。但氣隙距離減小。所需Ub也下降r減小時，氣隙距離增大，平均場強下降。但電場不均勻度增加，所需場強也下降。綜合考慮所需Ub也下降。絕緣設計通常取：r/R=（0.25,~0.4）空氣在穩態極不均勻電場下的擊穿（1）以棒-棒、棒-板為例棒-棒：可模擬導線對導線，完全對稱棒-板：可模擬導線對大地，最大的不對稱性注意：棒-棒與導線-導線，棒-板與導線-板模型的差異，如何理解可以模擬？其他類型不均勻電場氣隙擊穿特性介於這兩種之間。實際工程中遇到的各種極不均勻電場氣隙來說，均可按其電極的對稱程度分別選用“棒-棒”或“棒-板”兩種典型氣隙空氣在穩態極不均勻電場下的擊穿（2）負極性棒板棒棒正極性棒板空氣在穩態極不均勻電場下的擊穿（3）空氣在穩態極不均勻電場下的擊穿（4）擊穿電壓從高到低依次為：負極性棒-板>棒-棒>正極性棒-板。說明：不對稱的極不均勻電場擊穿有極性效應，對稱的極不均勻電場擊穿無極性效應注意：擊穿電壓與擊穿場強分別隨氣隙長度變化的變化特點工頻作用下，棒-板在棒極正極性半周峰值附近率先擊穿，擊穿電壓峰值與直流擊穿電壓相近。棒-棒擊穿電壓則要高。根據圖1-17氣隙距離<1m，棒-棒和棒-板擊穿電壓差距不大。氣隙距離>2m，擊穿電壓呈現飽和趨勢。特別是棒-板氣隙，飽和趨勢更明顯。說明擊穿場強對距離增加顯著下降再增大氣隙長度，對於提高工頻擊穿電壓作用不明顯。問題：能設計出3000kV的輸電線路嗎？結論：電極對稱程度、極間距離均影響氣隙的擊穿特性空氣在雷電衝擊電壓下的擊穿（1）衝擊電壓：作用時間極為短暫的電壓，一般指雷電衝擊電壓和操作衝擊電壓。雷電衝擊電壓：雷電產生的幅值高、陡度大、作用時間極短的衝擊電壓直擊雷，感應雷雷電衝擊電壓的標準波形視在波前時間：T1=1.2uS±30%視在半峰時間，或者波長時間：T2=50uS±20%P為波形峰值，允許偏差±30%通常表示為：±1.2/50uS波±表示波的極性空氣在雷電衝擊電壓下的擊穿（2）放電時間成為一個重要因素衝擊電壓持續（作用）時間與氣隙擊穿時間接近，不容忽略衝擊電壓氣隙擊穿的條件：電壓幅值有效電子：能引起電子崩並最終導致擊穿的電子電壓作用一定時間：衝擊放電所需的時間：升壓時間t1，電壓升高到靜態擊穿電壓。擊穿尚未開始。統計時延ts，從t1開始到氣隙中出現第一個有效電子所需的時間。具有隨機性和統計性放電的形成時延tf，從有效電子出現到產生電子崩、形成流注、發展到主放電，以至氣隙擊穿所需時間。也具有統計性衝擊放電總時間：tb=t1+ts+tf。放電時延：tlag=ts+tf。短氣隙內（cm級），特別是電場較均勻時，ts>>tf為減小ts，可增加有效電子出現概率，如提高電壓、採用光源照射較長氣隙中，放電時延主要取決於tf，電場越不規則，tf越長增加電壓空氣在雷電衝擊電壓下的擊穿（3）雷電50%衝擊擊穿電壓：U50%。隨電壓提高，氣隙擊穿比例逐步升高，從0~100%。相同電壓多次作用，計算其擊穿與否及比例電壓從低到高：不擊穿，有時擊穿（比例逐步提高），全部擊穿課堂提問：為什麼出現擊穿比例？比例為什麼隨電壓提高？理論上的擊穿電壓為剛好能引發一次擊穿的電壓，從實用角度也最有意義。但要通過試驗準確獲得這一電壓很難。工程上採用50%衝擊擊穿電壓來描述氣隙的衝擊擊穿電壓根據擊穿電壓的分散性，留有一定裕度。均勻或稍不均勻電場，擊穿電壓分散較小，U50%約等於靜態擊穿電壓Us。衝擊係數（U50%與Us之比）接近於1極不均勻電場，擊穿電壓分散性大，U50%>靜態擊穿電壓Us。衝擊係數大於1工程上表徵氣隙擊穿特性的一種方法空氣在雷電衝擊電壓下的擊穿（4）伏秒特性的繪製方法。步驟：保持衝擊電壓波形不變，逐級升高電壓使氣隙擊穿，記錄擊穿電壓波形，讀取擊穿電壓值U與擊穿時間t。電壓不很高時，擊穿一般發生在波長時間。電壓很高時，擊穿可能在波前時間波前擊穿時，U與t均取擊穿時刻的值波長擊穿時，U取波峰值，t取擊穿時刻值伏秒特性。即將擊穿電壓值和放電時延聯繫起來確定氣隙的擊穿特性。表徵氣隙擊穿特性的另一種方法可用於絕緣配合空氣在雷電衝擊電壓下的擊穿（5）由於放電時間有分散性，伏秒特性應是以上下包絡線為界的帶狀區域。為方便，工程上常採用平均伏秒特性或50%伏秒特性曲線伏秒特性在絕緣配合中具有重要作用。保護間隙的伏秒特性曲線應位於被保護元件伏秒特性曲線的下方。

空氣在操作衝擊電壓下的擊穿（1）操作衝擊電壓：由電力系統操作或事故，因系統狀態突然變化引起的持續時間長、幅值高於系統相電壓幾倍的衝擊電壓持續時間長：是和雷電衝擊電壓相比。暫態過電壓長氣隙中，不能用工頻試驗代替操作過電壓耐受試驗，前者偏寬鬆操作衝擊標準波形。與雷電標準波類似。記為±

250/2500uS。波前時間250uS±20%，半峰時間2500uS±60%。無“視在”衰減振盪波。首半波2000~3000uS，次半波反極性，為首峰的4/5。空氣在操作衝擊電壓下的擊穿（2）結論1：均勻電場和稍不均勻電場中，雷電和操作50%衝擊擊穿電壓與工頻擊穿電壓基本相同。擊穿幾乎發生在峰值。結論2：對於極不均勻電場、長氣隙即操作衝擊擊穿電壓隨波前時間變化有極小值，呈U型具有飽和特性。即隨氣隙距離的增加，擊穿電壓提高不明顯。氣隙的操作衝擊擊穿電壓不僅遠低於雷電衝擊電壓，有些波前時間內，甚至低於工頻擊穿電壓。結論3：擊穿電壓幅值和放電時間的分散性比雷電衝擊電壓下大的多。因此：不僅衝擊電壓擊穿特性與穩態不同，雷電衝擊電壓與操作衝擊電壓也不同1.4大氣條件

對氣隙擊穿特性的影響大氣條件對氣隙擊穿特性的影響因素影響因素包括：壓力、溫度、濕度、海拔影響氣隙放電環境，如空氣密度、電子自由行程、碰撞電離概率、附著過程等。有的因素相互關聯。獨立因素可歸納為：密度、濕度不同大氣條件下的擊穿電壓和統一參考大氣條件的擊穿電壓必須能夠相互換算。比較和標注時：將不同大氣條件換算到參考大氣條件應用時：將參考大氣條件換算到具體的大氣環境主要內容： 對空氣密度校正

對濕度的校正

對海拔高度的校正對擊穿電壓的補償（1）對空氣密度的校正空氣相對密度：當δ=0.95—1.05時適用：極間距離不大於1m的各種電場和各種電壓波形。其他情況：U≈m，n：0.4~1.0-空氣密度校正係數，-濕度校正係數-標準大氣壓下擊穿電壓對擊穿電壓的補償（2）對濕度的校正水汽分子為電負性氣體，可以抑制放電過程。濕度越大，擊穿電壓也越高對均勻和稍不均勻電場，濕度影響可忽略。電子運動速度較快，不易被捕獲對極不均勻電場的影響顯著：k與絕對濕度和電壓種類有關；w—取決於電極形狀、極間距、電壓種類及其極性。問題：濕度增加時，Kh如何變化？對海拔高度的校正海拔高度增加，大氣壓力即密度均減小，擊穿電壓也隨之降低。海拔高於1000m而又低於4000m，補償方法：如何理解公式？

U-高海拔地區試驗電壓Up-平原地區絕緣試驗電壓Ka-海拔校正係數H-為海拔高度1.5提高氣體介質電氣強度的方法目的和措施研究氣隙放電的目的：提高氣體介質的電氣強度影響氣體介質電氣強度的因素氣隙長度電場均勻度氣體特性（電負性）氣體參數（氣壓、溫度、濕度、海拔）工程上，為了縮小絕緣尺寸，常用措施有：改善氣隙中的電場分佈，使之均勻化。理論基礎：電場分佈越均勻，氣隙的平均擊穿場強越高。方法：改進電極形狀、利用空間電荷改善電場分佈、採用屏障削弱或抑制氣體介質中的電離過程。方法：採用高氣壓、採用強電負性氣體、採用高真空增大電極曲率半徑，如採用遮罩罩。改善電極絕緣形狀，消除邊緣效應。消除電極表面毛刺和尖角。其他：保護金具（絕緣子串上的保護金具）等。改善電場分佈-改進電極形狀（1）改善電場分佈-改進電極形狀（2）瑞典380kV變壓器出線套管上的籠型遮罩前蘇聯750kV隔離開關上的籠型遮罩改善電場分佈-改進電極形狀（3）1200kV直流高壓發生器上的環型遮罩1000kV標準電容器高壓端雙環型遮罩電極系統改善電場分佈-利用空間電荷極不均勻電場中，氣隙擊穿前先發生電暈放電，放電自身產生的空間電荷可改善電場分佈。如：線上-板、線-線結構中採用細線，導線周圍可形成均勻電暈層，可改善電場分佈，提高擊穿電壓。有一定限制範圍（細線是相對氣隙距離而言），消耗能量

注意：改進電極形狀是增大尺寸，而利用空間電荷是要縮小尺寸。改善電場分佈-採用屏障（1）在極不均勻電場中，採用薄片固體絕緣材料插入電暈間隙適當位置材料：紙和紙板擋住與電暈電極同號的空間電荷使電暈電極與屏障間場強減弱使屏障與另一極板間場強增大使電場均勻化

改善電場分佈-採用屏障（2）直流電壓下，棒-板空氣間隙擊穿電壓和屏障位置關係屏障位置不同，擊穿電壓變化很大棒極極性不同，屏障的影響也不同屏障靠近板極，負極性擊穿電壓下降最佳位置：x/d=0.2處。正極性提高2-3倍，負極性提高0.2倍。對於交流工頻電壓，作用仍明顯。棒-棒氣隙，兩極均需設置屏障原因：電暈從兩個棒極發生球-球氣隙如何？其中一極接地？屏障對提高穩態擊穿電壓作用明顯，對暫態（衝擊）電壓不明顯時間短，電荷移動本身不明顯削弱或抑制電離過程-採用高氣壓機理：減小電子平均自由行程，削弱和抑制電離過程。應用：壓縮空氣斷路器、電容器等。對電氣設備外殼密封性能要求很高。高氣壓下，電場均勻度的影響更明顯。應採取措施均勻電場。高氣壓下，電極表面粗糙度的影響也更明顯。電極應仔細加工，保持光潔。氣體要過濾水分和塵埃等。削弱或抑制電離過程-採用強電負性氣體機理：吸附自由電子，降低電離概率如SF6，氟利昂等鹵族元素優點：電氣強度大於空氣，氣壓不必太高，簡化設備製造要求：液化溫度不高；SF6:0.75MPa時液化溫度為-20度，高寒地區戶外限用化學性能穩定，放電不易分解、不燃燒、不產生有毒位置；生產不困難，價格不過高。SF6，除空氣外應用最廣泛。電氣強度是空氣的2.5倍，滅弧能力則為空氣的100倍以上。0.7Mpa的SF6擊穿電壓=2.8MPa空氣電場不均勻度對SF6的影響比對空氣的大SF6混合氣體。廉價氣體，如N2，CO2或空氣與SF6混合。相比於廉價氣體自身電氣強度，電氣強度有很大提高。但仍低於純SF6電氣強度對電場敏感度減小。液化溫度降低。價格降低削弱或抑制電離過程-採用高真空機理：提高電子平均自由行程，減少碰撞次數。據巴申理論，電氣強度可以做到無限大。但實際上做不到極間距離較小時，擊穿電壓很高。大於常壓、高氣壓氣體。擊穿機理：真空擊穿理論：與陰極表面的強場發射有關。陰極強場發射電流過大，引發陰極過熱、釋放金屬氣體破壞真空度，引起擊穿。極間距離較大時，擊穿電壓提高較緩，低於高氣壓。擊穿機理：全電壓效應：電子從陰極到陽極，積累了很高的動能——>轟擊陽極，釋放正離子和光子——>正離子和光子到達陰極表面，加強陰極電離——>不斷重複，電子流越來越大，電極氣化，氣隙擊穿。全電壓效應，引起擊穿電壓隨極間距離增大而降低。應用。在真空斷路器中得到應用：絕緣性能好，滅弧能力強其他電氣設備中很少應用：真空無法長久保持。削弱或抑制電離過程-措施對比幾種措施的性能對比：曲線1和7，曲線2和6，說明高氣壓能提高電氣強度曲線1和2，曲線6和7，說明強電負性氣體電氣強度高曲線3說明，短氣隙真空效果最好，長氣隙效果提升不明顯措施1（高氣壓）和措施2（強電負性氣體）同時使用，那就能獲得更好的效果如：採用高氣壓的同時，再採用SF6氣體來代替空氣1.6沿面放電及防汙對策主要內容沿面放電 固體介質表面有水膜時的沿面放電 絕緣子污染狀態下的沿面放電沿面放電相同放電距離下，沿面閃絡電壓比純氣隙的擊穿電壓低得多。在絕緣裝置的耐壓能力中具有決定性作用。是木桶中最短的板。沿面放電的適用環境：表面乾燥、清潔；表面潮濕、污染後者沿面閃絡電壓遠低，機理不同沿面放電：沿氣體介質和固體介質的交界面上發展的氣體放電現象。一種特殊的氣體放電。特點：電子、離子運動方向不僅取決於電場方向，也取決於固體形狀。應用：如絕緣子、絕緣支撐、絕緣套管。沿面滑閃。尚未發生擊穿的放電形式。沿面閃絡：沿面擊穿放電。擊穿的概念。沿面滑閃和沿面閃絡的本質區別。介面電場的分佈類型介面的電場分佈嚴重影響沿面放電特性。介面電場分佈可分為三種典型情況。固體介質處於均勻電場中，且介面與電力線平行。實用中更多的是固體介質處於稍不均勻電場固體介質處於極不均勻電場中，且電力線的垂直於介面的法向分量大於平行介面的切向分量。固體介質處於極不均勻電場中，且電力線垂直於介面的法向分量小於平行介面的切向分量。均勻和稍不均勻電場中的沿面放電插入固體介質後且保持介面與電力線平行，看似沒有影響，事實上沿面閃絡電壓將遠低於純間隙擊穿電壓原來的均勻電場發生了畸變。因素如下：固體介質與氣體接觸的狀況。電場畸變機制：潮氣吸附到固體表面形成薄水膜——>其中離子受電場驅動而移動——>電極附近聚集大量電荷——>電場畸變。既取決於空氣的潮濕程度，更取決於固體材料的吸附水分的性能。策略：多採用憎水性材料，如石蠟、矽橡膠。少用親水材料：瓷、玻璃固體介質與電極接觸的狀況。電場畸變機理：接觸不良，存在小氣隙——>小氣隙首先放電——>電電粒子沿固體表面移動——>電場畸變策略：在與電極接觸的固體表面噴塗導電粉末。固體介質表面電阻、表面光滑程度。引起電場畸變極不均勻電場且具有強垂直分量的沿面放電放電過程：在垂直電場作用下，電子、正離子與固體表面有強烈的摩擦。引起熱游離和滑閃放電電壓不太高時，法蘭附近首先出現電暈放電電壓提高，火花放電許多平行的火花細線組成的光帶隨電壓升高，火花細線長度增加電壓超越某一臨界值後，放電性質變化，個別細線突然伸長，轉為明亮的火花通道。其位置不固定，交替出現，稱為滑閃。電壓再升高，火花急劇延伸、溝通另一極，氣體擊穿，稱為閃絡。極不均勻電場且具有弱垂直分量的沿面放電絕緣子極間距離較長，固體介質不可能被擊穿，只可能發生沿面閃絡。垂直分量很弱，基本沒有熱電離和滑閃放電。電子與固體表面沒有強烈的摩擦幹閃絡電壓（表面乾燥、清潔）基本隨極間距離增大而提高

三種放電對比閃絡場強（擊穿電壓）從大到小：均勻場>極不均勻場、弱垂直分量>極不均勻場、強垂直分量極不均勻電場中，弱垂直分量的沿面閃絡電壓略小於同距離氣隙，強垂直分量遠小於同距離氣隙。

提高沿面放電電壓的方法將套管型沿面放電問題轉換為鏈形等值電路，根據該等值電路計算沿介質表面的電壓分佈電壓（電場）分佈不均勻，靠近法蘭處場強高，易電暈和滑閃措施1：減小分佈電容，如加大法蘭套管的外徑和壁厚，採用介電常數小的介質措施2：減小絕緣表面電阻，塗半導體釉、半導體漆等固體介質表面有水膜時的沿面放電潔淨的瓷表面被雨水淋濕時的沿面放電水膜特徵：不均勻、不連續。外加電壓分佈特徵：有水膜處電導大、無水膜處小，外加電壓基本由幹表面承受絕緣子在雨中的閃絡的三個途徑沿濕表面AB和幹表面BCA’發展。濕閃電壓取決於雨水導電率。如對於工業區的雨水，濕閃電壓約為幹閃電壓的40%~50%沿濕表面AB和空氣間隙BA’發展空氣中雨滴不連續，氣隙擊穿電壓降低不大濕閃電壓降低不大，雨水導電率影響不大沿濕表面AB和水流BB’發展。氣隙被連續的水流短接，濕閃電壓降到很低在絕緣子的結構設計中，應予以充分考慮三種閃絡途徑的擊穿電壓，從大到小為：濕表面+空氣間隙>濕表面+幹表面>濕表面+水流絕緣子污染狀態下的沿面放電（1）汙閃過程：積汙、受潮、形成幹區、出現局部電弧、電弧發展直至沿面閃絡積汙：一般是漸進式，且在乾燥狀態下一般不導電。受潮：在毛毛雨、霧、露天氣下，汙層濕潤，開始導電形成幹區：電流密度大增大，汙層被烘乾，出現幹區出現局部電弧：幹區電阻遠遠大於濕區，電壓幾乎集中在幹區，對應的電場強度大，引起碰撞電離，出現電暈或輝光放電。由於洩漏電流大，極易轉為電弧。由於電弧存在於絕緣子的局部表面，稱為局部電弧外加電壓分佈的變化，出現電弧之前集中於幹區，之後集中於濕區電弧的發展：出現電弧之後，外加電壓集中於濕區，電流增大，幹區擴大，電弧伸長；根據電壓的大小，加之電壓過零影響，電弧出現“熄滅-重燃”“延伸-收縮”的交替變化。絕緣子表面這種不斷延伸發展的局部放電稱為：爬電絕緣子污染狀態下的沿面放電（2）沿面閃絡：隨汙層濕潤度不斷增加，爬電超越某一臨界長度時，弧道即可自動延伸，形成沿面閃絡。汙閃電壓：注意：汙閃過程中外加電壓的分佈、絕緣電阻和電流的變化過程外加電壓的分佈：整個汙層——>幹區——>濕區絕緣電阻：整個汙層電阻——>幹區電阻——>濕區電阻形成汙閃的因素：積汙是溫床。措施：治理環境，清汙。汙層受潮或濕潤時催化劑。電力部門不可控。絕緣子的結構形狀：幹區出現的部位、電弧的發展。電力部門可控的。汙閃事故的特點：大面積範圍，自動重合閘成功率遠低於雷擊閃絡，造成經濟損失最大污穢等級的劃分污穢度：用“等值鹽密”來表徵，即每平方釐米表面上沉積的等效氯化鈉毫克數。劃分因素：汙源、氣象條件、等值鹽密劃分目的：決定戶外絕緣應有的水準，清掃週期劃分等級：0~IV級。0級為清潔區，IV為特別嚴重區防止汙閃的措施增大爬電比距（洩漏比距）。爬電比距：外絕緣“相—地”之間的爬電距離與系統最高工作電壓之比。對耐張絕緣子串，可增加串中片數對懸垂串，如增加片數有困難，可換用每片爬距更大的絕緣子，或用V型串用複合材料製成的環狀薄片，嵌入絕緣子鐵帽下方。既增加爬電距離，有改善電場分佈清掃表面積汙。定期清掃、不定期、即時清掃（風鈴串）一般帶電用水沖洗，不能因水沖洗引發閃絡用防汙閃材料處理表面。憎水材料採用半導體釉和矽橡膠的絕緣子。半導體釉表面有洩漏電流，溫度比環境溫度高，汙層不易吸潮。但易被腐蝕和老化矽橡膠：複合結構，較為理想新型合成絕緣子：防汙好、重量輕、體積小、抗拉、抗彎、強度高、製造工藝簡單主要內容第一節電介質的極化、電導和損耗介電常數、電導率、介質損耗角正切、擊穿場強第二節液體介質的擊穿

液體介質擊穿的概念影響液體介質擊穿電壓的因素減少雜質影響的辦法第三節固體介質的擊穿

固體介質的電擊穿理論固體介質的熱擊穿理論固體介質的電化學擊穿理論第四節組合絕緣的電氣強度介質的組合原則組合絕緣中電場絕緣的老化2.1電介質的極化、電導和損耗關於介質極化、電導、損耗電場強度遠小於擊穿場強時，各類介質均有極化、電導和損耗現象。氣體介質很微弱，可忽略。可只考慮液體和固體。電介質極化的概念和分類電介質極化的概念：在電場力作用下，介質原子正負電荷中心沿電場方向產生有限位移的現象。電介質極化的分類：電子式極化離子式極化偶極子式極化夾層介質介面極化空間電荷極化電子式極化原子由帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子雲組成不存在外電場時，電子雲的中心與原子核重合，感應電矩為零電子式位移極化的過程外加電場時，電場力將使原子核向電場方向位移，電子雲向電場反方向位移當電場力與原子核對電子雲的引力平衡時，達到穩定外電場消失時，恢復正常所有電介質內均存在電子位移極化電子式極化是彈性的，不損耗能量完成時間極短，10-14~10-15S，和可見光週期接近離子式極化針對由離子組成的介質。沒有外電場時，各正負離子對構成的偶極矩彼此抵消，合成電矩為零外電場的作用首先促使離子內部產生電子位移極化離子式極化過程外電場作用下，正離子朝電場方向位移、負離子反向位移電場力和離子引力平衡時穩定形成一定的合成電矩有極微量的能量損耗完成時間短，10-12~10-13S，和紅外光週期接近極化率隨溫度升高而增加升溫後，離子間距增大，作用力減弱偶極子式極化針對於極性電介質沒有外加電場時，分子中的正、負電荷中心也不重合對於單個分子而言，具有偶極矩大量分子不規則熱運動，宏觀上不呈現合成電矩偶極子式極化過程外電場作用下，每個分子的固有偶極矩就轉向電場方向，順電場方向作定向排列，呈現宏觀電矩。受分子熱運動的干擾，定向排列只能達到某種程度定向排列的程度，隨場強和溫度變化。外電場越強，定向排列越充分，極化越強。外電場消失，分子熱運動使排列重回無序狀態完成時間較長，10-6~10-2S。頻率提高時，轉向跟不上電場變化，極化率減小有能量損耗空間電荷極化電子式、離子式、偶極子式極化的機理：都是由帶電質點的彈性位移或轉向形成空間電荷極化的機理：由帶電質點（電子或正負離子）的位移形成的。空間電荷極化的過程：多數絕緣結構中，電介質往往呈層式結構電場作用下，帶電質點位移時，可能被晶格缺陷捕獲，或在兩層介質介面上堆積形成電荷在介質空間的新分佈，從而產生電矩。夾層介質介面極化一種典型的空間電荷極化電荷在夾層介面上的堆積和等值電容增大電荷的堆積是通過介質電導完成的完成時間很長，幾十秒~幾分鐘。只有在低頻下才有意義有能量損耗介電常數（1）真空中的介電常數E為場強向量，V/mD為電位移向量，即電通量密度向量，C/m2介質中的介電常數：極化電矩產生的反向場強，減弱了合成場強E。若要保持合成場強E不變，則D值要增加到原來的倍為相對介電常數：特性：與溫度、電源頻率有關，具體關係取決於極化形式介電常數（2）UUεr的物理意義：電極間加入電介質後，電極化引起的電容量比真空時的電容量加大的倍數。可用來表徵介質極化的強弱。綜合反映電介質極性特性的一個物理量極化類型產生場合極化時間/S極化原因能耗介電常數和頻率關係介電常數和溫度關係電子式任何電介質10-15束縛電荷的位移無無不大離子式離子式結構電介質10-13離子的相對偏移幾乎無無有正溫度係數偶極子式極性電介質10-10~10-2偶極子的定向排列有有倒U型很大氣體：負溫度係數液體固體：倒U型夾層介質介面多層介質交界面10-1~數小時自由電荷的移動有有頻率高時，無極化空間電荷電極附近各種極化類型的比較常用介質的介電常數溫度變化對εr的影響，主要是通過介質體積變化體現的εr和頻率無關的相對性：電源週期>>極化時間多層介質動態電位分佈：先按介電常數分佈，再過渡到按電導分佈因此，必須說明εr對應的極化條件：電源頻率、溫度常用電介質的介電常數值，見P39表2-2環境條件：20oC，工頻電壓氣體εr很小，接近於1液體和固體介質的εr大多在2~6之間介電常數在工程上的意義幾種絕緣材料組合使用時，應注意配合，使電場分佈較為合理對於直流或低頻交流電壓，最初的電場強度分佈與介電常數成反比應注意：電場分佈還與電導有關有些絕緣結構設計中希望小如電纜，可減小分佈電容電流有些絕緣結構設計中希望大如電容器，可減小體積和重量

預防性實驗中，利用材料的極化性質有助於判斷電氣設備的絕緣狀態。電介質的電導電介質電導的分類：離子電導和電子電導離子電導：電介質在電場或外界因素影響下（紫外線輻射）本身產生電離，正負離子沿電場方向移動，形成電導電流——即離子電導。電子電導：在高電場作用下，離子與電介質分子碰撞電離激發出來自由電子，電子在電場作用下移動形成電子電導電流——即電子電導。當電子電導電流出現時→電介質已被擊穿。原因？電介質的電導一般指離子電導。液體介質的電導（1）按電離程度，可分為中性、弱極性、強極性。中性和弱極性介質，分子電離度小，電導率小工程上常用的有：變壓器油、漆、樹脂等純淨狀況下，電導率很小工程用液體中難免有雜質，則電導率增加。強極性介質，則分子電離度大，電導率大水、醇類（乙醇）等，一般不能用作絕緣材料常用液體介質的電導率液體介質的電導（2）液體介質電導率與溫度T的關係為：A為與介質有關的常數；為導電率的活性化能量對礦物油、矽油等φ≈0.41eVK為玻爾茲曼常數溫度越高，電導率越大推論：測量電介質電導或絕緣電阻時，必須記錄環境溫度，以便分析、比較

固體介質的電導固體電導率與溫度的關係和液體相同固體電導電流密度J與電場強度E的關係圖中I，II區為離子電導區。I區中成線性，II區中成指數關係很大程度上取決於介質中所含雜質離子對中性和弱極性介質，雜質離子起主要作用III區為電子電導，J-E指數關係：IIIIIIEJ機理：E更高，碰撞電離、陰極發射產生大量自由電子固體介質的表面電導：取決於表面吸附電雜質（水、污染物等）的能力和分佈狀態對應概念：體積電導有時，表面電導遠大於體積電導：表面的雜質膜電導很大推論：測量洩漏電流和絕緣電阻時，須排除表面電導影響介質電導在工程上的意義多層介質中，需注意其絕緣配合，使電場分佈合理電壓的穩態分佈與電導成反比暫態過程與介電常數有關對於能量小的電源，要減少表面電導（表面洩漏）保證高電壓，如靜電發生器有些情況下需要增大電導，改善電場、消除電暈如高壓套管法蘭附近塗半導體釉，預防性試驗中，測試介質的絕緣電阻（電導）、洩漏電流，以判斷絕緣是否受潮或劣化

電介質的損耗電介質的損耗包括：電導損耗、極化損耗。電導損耗：直流電壓、交流電壓均存在極化損耗：由有損極化引起，如極性介質中週期性的偶極子極化、夾層極化僅交流電壓存在。施加直流電壓：僅有電導損耗可用體積電導率和表面電導率描述施加交流電壓：電導損耗和極化損耗同時存在。電介質損耗的測量測量電路和交流電流的相量圖介質損耗公式：介質損耗P不適合作為評價介質品質好壞的標準。P和電壓U、頻率，以及試品電容量（除試品品質，還取決於結構）有關而介質損耗角的正切，適合僅取決於材料的損耗特性，與電壓U、頻率，以及試品電容量等外因無關介質損耗的等值電路（1）三個並聯支路等值電路C1代表無損極化C2-R2代表有損極化R3代表電導損耗適用三個因素均有作用，或損耗主要由電導引起的場合交流電壓時電壓和電流相量如圖施介質損耗的等值電路（2）三個並聯支路等值電路（續）加直流電壓時，C1中的電容電流迅速衰減為0；C2-R2中的吸收電流衰減較慢；R3中的傳導電流恒流。

介質損耗的串聯支路等值電路適用於損耗主要由極化和連接導線引起的場合氣體介質的損耗電場較小、未發生碰撞電離時，僅存在很小的電導損耗常用氣體作為標準電容器的介質空氣，N2，CO2，SF6等電場超過放電起始電場後，發生局部放電，損耗急劇增加一般發生在固體、液體介質中有氣泡的場合固體、液體介電常數大於氣體，氣體電場高導致局部放電電暈放電位於棒極附近，氣泡局放可能遠離電極E0OE液體介質的損耗中性、弱極性液體介質：主要是電導損耗損耗較小損耗和溫度關係和電導相似損耗和頻率無關強極性液體介質：電導損耗+極化損耗損耗較大和溫度、電源頻率關係複雜（非線性、非單調）電導損耗隨溫度升高而增加極化損耗隨溫度升高先增加再減小固體介質的損耗（1）固體介質的分類：有機絕緣材料（極性、非極性）、無機絕緣材料極性有機固體介質：tgδ與溫度、頻率的關係和極性液體介質相似。如：聚氯乙烯、纖維素等，從0.1%~1.0%或更大非極性有機固體介質：損耗主要為電導損耗。如聚乙烯（0.01%~0.02%）、聚苯乙烯無極性雜質時，極化只有電子式，無損耗tgδ與溫度關係由電導決定，和頻率無關無機絕緣材料：雲母、陶瓷、玻璃，均為離子式結構雲母不含雜質時，沒有明顯極化過程，主要為電導損耗，在高溫下也很低電工陶瓷：電導損耗+極化損耗，常溫下電導率很小玻璃：電導損耗+極化損耗，tgδ和成分有關

固體介質的損耗（2）常用液體和固體電介質的值2.2液體介質的擊穿礦物絕緣油-最常用的液體介質最常用的液體介質：礦物絕緣油作用：變壓器油礦物絕緣油電纜油電容器油

冷卻媒質（變壓器中）絕緣媒質+滅弧（油斷路器中）貯能（電容器中）液體介質擊穿的概念(1)液體擊穿的因素：外部因素：電壓類型、持續時間、幅值，電極形狀、材料、表面特性內部因素：油中的水、氣、其他雜質的含量油的擊穿，實質上是雜質的擊穿。缺乏統一的擊穿機理。可按某因素占主導或誘導地位進行分類分析被掩蓋的氣體放電液體分子間存在“空穴”油中易揮發的成分（自身蒸氣）+溶於油中外來氣體+碰撞分解物空穴（氣穴）油分解和碰撞電離→離子濃度上升→離子電導電流上升→發熱→形成氣泡氣泡電場強度大→氣泡電離→電導率↑→電場分佈畸變→氣泡電子崩→崩頭場強大→電、熱作用下使油隙擊穿本質：油中氣泡誘發，液體自身很難直接電離擊穿液體介質擊穿的概念(2)纖維橋接擊穿絕緣液體事先經過過濾、乾燥和脫氣處理運行中，設備分離出固體雜質