電氣絕緣基礎(chǔ)知識

1、第二章第二章 電氣絕緣基礎(chǔ)知識電氣絕緣基礎(chǔ)知識電工進(jìn)網(wǎng)作業(yè)許可考試電工進(jìn)網(wǎng)作業(yè)許可考試2內(nèi)容提要內(nèi)容提要34六氟化硫（ SF6 ）氣體的絕緣特性5大綱要求大綱要求n1. 1.掌握掌握氣體介質(zhì)的擊穿機(jī)理氣體介質(zhì)的擊穿機(jī)理; ;n2. 2.熟悉熟悉影響氣體介質(zhì)擊穿的主要因素影響氣體介質(zhì)擊穿的主要因素; ;n3. 3.了解了解氣體放電的不同形式氣體放電的不同形式n4. 4.掌握掌握氣體中固體介質(zhì)的沿面放電氣體中固體介質(zhì)的沿面放電6n本節(jié)重點(diǎn)介紹： 空氣間隙的擊穿機(jī)理和影響空氣擊穿電壓的各種因素。7n研究在電場作用下，氣體間隙中帶電離子的形成和運(yùn)動(dòng)過程n氣體間隙中帶電離子是如何形成的；n氣體間隙中帶電

2、通道是如何形成的；n帶電通道形成后，又是如何維持持續(xù)放電的8一一n1、電離（游離）n定義：電子脫離原子核的束縛使原子成為自由電子和正離子的過程。n電離的形式：碰撞電離、光電離、熱電離、表面電離等。n氣體分子本身的電離和氣體中的固體和液體金屬的表面電離9n為什么絕緣體不導(dǎo)電，為什么絕緣體不導(dǎo)電，而導(dǎo)體能夠?qū)щ姸鴮?dǎo)體能夠?qū)щ姡肯人伎枷人伎迹?0n絕緣體內(nèi)部：絕緣體內(nèi)部： 原子核周圍的電子被原子核牢牢束縛，稱原子核周圍的電子被原子核牢牢束縛，稱為為束縛電子束縛電子； n導(dǎo)體內(nèi)部：導(dǎo)體內(nèi)部： 存在大量脫離原子核束縛的電子存在大量脫離原子核束縛的電子, ,稱為稱為自由自由電子電子。為什么絕緣體不導(dǎo)電，而

3、導(dǎo)體能夠?qū)щ姙槭裁唇^緣體不導(dǎo)電，而導(dǎo)體能夠?qū)щ姡?1n 空氣是空氣是絕緣體絕緣體，那么觸頭之間的空氣為什么，那么觸頭之間的空氣為什么會(huì)產(chǎn)生電弧，從而形成了一個(gè)會(huì)產(chǎn)生電弧，從而形成了一個(gè)導(dǎo)電導(dǎo)電的通道呢？的通道呢？思考思考：12空氣為什么會(huì)產(chǎn)生電弧空氣為什么會(huì)產(chǎn)生電弧？ 這是由于這是由于,此時(shí)的此時(shí)的空氣中空氣中出現(xiàn)了大量的自由電子，我出現(xiàn)了大量的自由電子，我們稱空氣們稱空氣被游離被游離了，游離狀了，游離狀態(tài)下的空氣和導(dǎo)體一樣具有態(tài)下的空氣和導(dǎo)體一樣具有導(dǎo)電性導(dǎo)電性能。能。游離游離中性質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為帶電質(zhì)點(diǎn)中性質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為帶電質(zhì)點(diǎn) （自由電子和（自由電子和 正離子）正離子） 。13n 在切斷電路時(shí)，空

4、氣（或其他絕緣介質(zhì)在切斷電路時(shí)，空氣（或其他絕緣介質(zhì)）是如何由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)（即游）是如何由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)（即游離狀態(tài)）的呢？離狀態(tài)）的呢？思考思考：電弧電流14 強(qiáng)電場發(fā)射強(qiáng)電場發(fā)射（在觸頭間最初產(chǎn)生自由電（在觸頭間最初產(chǎn)生自由電子的原因之一）子的原因之一） 在開關(guān)觸頭剛剛分離的瞬間，當(dāng)電場強(qiáng)在開關(guān)觸頭剛剛分離的瞬間，當(dāng)電場強(qiáng)度度E E（E=U/sE=U/s）超過）超過3 310106 6伏伏/ /米以上米以上 金屬觸頭陰極表面的電子被電場力拉出，金屬觸頭陰極表面的電子被電場力拉出，稱為強(qiáng)電場發(fā)射。稱為強(qiáng)電場發(fā)射。游離過程主要有以下四種形式：15 熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射（在觸頭

5、間產(chǎn)生自由電子的（在觸頭間產(chǎn)生自由電子的原因之二）原因之二） 觸頭即將分開的瞬間，觸頭即將分開的瞬間，觸頭之間的壓力以及接觸面觸頭之間的壓力以及接觸面積減小，接觸電阻（積減小，接觸電阻（c c）增大，電流（）增大，電流（I I）通過此接觸）通過此接觸電阻，使得電能損耗（電阻，使得電能損耗（I I2 2R Rc c）增大。）增大。 在觸頭表面出現(xiàn)熾熱點(diǎn)，溫度極高，在觸頭表面出現(xiàn)熾熱點(diǎn)，溫度極高，使得自由電子使得自由電子能量增加，運(yùn)動(dòng)加劇，能量增加，運(yùn)動(dòng)加劇，陰極表面就會(huì)有電子跑出，形成陰極表面就會(huì)有電子跑出，形成熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射。16碰撞游離碰撞游離（形成電弧的原因）（形成電弧的原因） 具

6、有很高的速度和巨大的動(dòng)能的具有很高的速度和巨大的動(dòng)能的電子電子，不斷地，不斷地與與空空氣（或其他絕緣介質(zhì)）的氣（或其他絕緣介質(zhì)）的原子或分子發(fā)生碰撞原子或分子發(fā)生碰撞，使原，使原子核周圍的束縛電子釋放出來，形成子核周圍的束縛電子釋放出來，形成自由電子和正離自由電子和正離子子稱為稱為碰撞游離碰撞游離。 17n 自由電子在強(qiáng)電場的作用下，加速向陽自由電子在強(qiáng)電場的作用下，加速向陽極運(yùn)動(dòng)，這些具有很高的速度和巨大的動(dòng)能極運(yùn)動(dòng)，這些具有很高的速度和巨大的動(dòng)能的電子，不斷地與空氣（或其他絕緣介質(zhì)）的電子，不斷地與空氣（或其他絕緣介質(zhì)）的原子或分子發(fā)生碰撞，使原子核周圍的束的原子或分子發(fā)生碰撞，使原子核周

7、圍的束縛電子釋放出來，形成自由電子和正離子，縛電子釋放出來，形成自由電子和正離子，這種現(xiàn)象就稱為碰撞游離。這種現(xiàn)象就稱為碰撞游離。思考：思考：什么叫碰撞游離？什么叫碰撞游離？18 碰撞游離連續(xù)進(jìn)行碰撞游離連續(xù)進(jìn)行就可能導(dǎo)致觸頭間就可能導(dǎo)致觸頭間充滿了帶電質(zhì)點(diǎn)即大量的電子和正、負(fù)離充滿了帶電質(zhì)點(diǎn)即大量的電子和正、負(fù)離子，具有很強(qiáng)的電導(dǎo)性。子，具有很強(qiáng)的電導(dǎo)性。 此時(shí)在外加電壓作用下，觸頭間介質(zhì)此時(shí)在外加電壓作用下，觸頭間介質(zhì)就會(huì)被擊穿而就會(huì)被擊穿而形成導(dǎo)電的電弧通道形成導(dǎo)電的電弧通道。19碰撞游離過程示意圖碰撞游離過程示意圖自由電子向陽極加速運(yùn)動(dòng)陰極陽極碰撞出新的自由電子20電弧的形成電弧的形成

8、熱游離（維持電弧燃燒的原因） 空氣（或其他絕緣介質(zhì)）分子在電弧極高溫度下產(chǎn)生迅速的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，具有很大的動(dòng)能，相互碰撞,游離出自由電子和正離子稱為熱游離。 電弧的溫度極高，如前所述，可達(dá)到幾千甚至上萬攝氏度，空氣（或其他絕緣介質(zhì)）分子在此高溫作用下，產(chǎn)生迅速的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，具有很大的動(dòng)能，相互碰撞,游離出自由電子和正離子，形成熱游離，增加了開關(guān)電器熄滅電弧的難度。 21n2、空氣間隙的擊穿過程（1）碰撞電離（2）電子崩（3）非自持放電和自持放電（4）流注n 帶點(diǎn)粒子在足夠大的電場作用下，高速運(yùn)動(dòng)并不斷加速，出現(xiàn)強(qiáng)烈的碰撞電離，形成電子崩，由許多電子崩產(chǎn)生大量正負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)混合的離子通道即流注，當(dāng)流

9、注把空氣間隙的兩極接通時(shí)，整個(gè)間隙隨之擊穿。22n整個(gè)過程：n碰撞電離 電子崩（非自持放電） 二次電子崩 流注 間隙被擊穿在均勻電場中發(fā)生自持放電，間隙即被擊穿；在極不均勻電場中發(fā)生自持放電，會(huì)發(fā)生電暈放電，但間隙并不被擊穿，必須增高電壓，才可以擊穿間隙。23n重點(diǎn)概念：n碰撞電離、電子崩、二次電子崩、流注、自持放電、非自持放電、陽極流注、陰極流注24n1、氣體間隙擊穿電壓與氣體密度的關(guān)系在溫度不變的條件下： 壓力越大，密度越大，電子的自由行程短，間隙不容易被擊穿，擊穿電壓升高； 反之，擊穿電壓減小。 但，氣體過于稀薄，碰撞次數(shù)太小，導(dǎo)致?lián)舸╇妷荷摺?5n2、巴申定律nUF=f（pS）n在均

10、勻電場中，氣體的間隙距離一定，間隙的擊穿電壓與氣體的壓力有關(guān)26n在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為20n均勻電場空氣間隙的擊穿場強(qiáng)大約為：30kV/cmn不均勻電場空氣間隙的擊穿場強(qiáng)大大下降: 空間間隙距離大于50cm負(fù)極性的直流平均擊穿場強(qiáng): 10kV/cm;正極性的直流平均擊穿場強(qiáng): 4.5kV/cm;27n穩(wěn)態(tài)電壓：持續(xù)作用電壓，指的是工頻交流和直流電壓1、均勻電場在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿特性1）沒有極性效應(yīng)；2）與電壓作用時(shí)間無關(guān)；3）不會(huì)出現(xiàn)電暈放電2、不均勻電場在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿特性 稍不均勻電場：不能維持穩(wěn)定的電暈放電； 與均勻電場一樣擊穿電壓=自持放電電壓實(shí)例：D/S2的球間隙、GIS的母線

11、極不均勻電場：能維持穩(wěn)定的電暈放電； 擊穿電壓 (遠(yuǎn)大于)自持放電電壓實(shí)例： D/S 棒-棒 正棒-負(fù)板31n4.沖擊電壓作用下的擊穿電壓n雷電和操作沖擊電壓,持續(xù)時(shí)間很短（us或ms），屬于瞬態(tài)作用電壓，但其幅值很大，對電氣設(shè)備的絕緣危害大。n（1）雷電沖擊電壓：1.2/50 us（含義）n（2）操作沖擊電壓：250/2500 us （含義）32n操作沖擊擊穿電壓與間隙距離、電極形狀、電極極性、波前時(shí)間都有關(guān) 波前時(shí)間T1越短，擊穿電壓越高； 反之，波前時(shí)間T1越長，擊穿電壓也越高； 一定有一個(gè)時(shí)間，擊穿電壓最小。這個(gè)時(shí)間就稱之為臨界波前時(shí)間T0 。33n50%沖擊擊穿電壓n工程上常以擊穿概

12、率為50%的沖擊電壓作為該間隙的沖擊電壓擊穿值，用符號U 50% 表示。34n1.氣體狀態(tài)對擊穿電壓的影響n2.電壓作用時(shí)間(電壓波形)的影響1）均勻電場，空氣間隙的擊穿電壓與電壓波形、電壓作用時(shí)間無關(guān)；2）極不均勻電場，雷電擊穿電壓遠(yuǎn)大于工頻擊穿電壓n3.電壓極性的影響n4.電場均勻程度的影響n5.電極材料和光潔度的影響n6.不同氣體種類的影響35 五、五、 SFSF6 6氣體的絕緣特性氣體的絕緣特性 （1） SF6 6氣體是一種無色、無臭、無毒和不可燃的惰性氣體，化學(xué)性能穩(wěn)定，具有優(yōu)良的滅弧和絕緣性能。 （2）SF6 6氣體的液化特性；液化溫度隨壓力變化，壓力越高，液化溫度越低；反之亦然。

13、36 SFSF6 6氣體的介電特性氣體的介電特性 （3） SF6 6 氣體的滅弧性能特別強(qiáng)的原因主要是： 在高溫時(shí)分解出的硫、氟原子和正負(fù)離子，與其他滅弧介質(zhì)相比，在分解時(shí)吸收的能量多，對弧柱的冷卻作用強(qiáng)，弧柱溫度較低。因此，SF6氣體中電弧電壓較低，燃弧時(shí)的電弧能量小，對滅弧有利。 氣體分子的負(fù)電性強(qiáng)。所謂負(fù)電性所謂負(fù)電性，是指SF6 6氣體吸附自由電子形成負(fù)離子的特性。SF6 6氣體負(fù)電性強(qiáng)，加強(qiáng)了去游離，降低導(dǎo)電率。在電弧電流過零后，弧柱溫度將急劇下降，分解物急速復(fù)合。因此，SF6 6氣體弧隙的絕緣性能恢復(fù)速度很高，能耐受很高恢復(fù)電壓，電弧在電流過零后難重燃。 37n （4） SF6 6

14、 氣體分解物的毒性 SF6 6 氣體在水分和電弧的作用下會(huì)產(chǎn)生有毒或有腐蝕性的物質(zhì)。 因此，必須做好電氣設(shè)備的密封處理，加強(qiáng)漏氣和含水量檢測。38 在SF6 6斷路器中，在水分參與下將產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕性的分解產(chǎn)物HF。這種物質(zhì)對絕緣材料、金屬材料、玻璃、電瓷等含硅材料有很強(qiáng)的腐蝕性。因此，必須嚴(yán)格控制SF6 6氣體中的水分。39n（1）輝光放電（低氣壓下）特點(diǎn)：放電電流密度較小，放電區(qū)域通常占據(jù)放電電極間的整個(gè)空間。（霓虹管中的放電）n（2）電弧放電（常壓或高壓下）特點(diǎn)：放電電流密度極大，耀眼而細(xì)長的放電通道，溫度極高，具有短路的性質(zhì)。n（3）火花放電（常壓或高壓下）特點(diǎn)：外電路的阻抗很大，限制了放

15、電電流，出現(xiàn)貫穿兩極的斷續(xù)的明亮細(xì)火花。40n（4）電暈放電特點(diǎn)：空氣間隙極不均勻，在電極電場最強(qiáng)處出現(xiàn)發(fā)光層，放電電流小，氣體間隙大部分尚未喪失絕緣性能，間隙仍能耐受電壓作用。n（5）刷狀放電特點(diǎn)：電場極不均勻的情況下發(fā)生電暈放電，如果電壓繼續(xù)升高到一定程度時(shí)，從電暈電極伸展出許多較明亮的細(xì)小放電通道。41n1、沿面放電n定義：沿固體介質(zhì)表面發(fā)生的氣體放電現(xiàn)象稱之為沿面放電。n沿面放電發(fā)展成貫穿性短路（類似于擊穿）時(shí)稱之為沿面閃絡(luò)。n電暈放電 刷狀放電 滑閃放電 沿面放電 間隙被擊穿42n2、影響空氣中固體介質(zhì)沿面放電電壓的各種因素（1）固體絕緣表面的光潔度（2）大氣濕度和固體絕緣表面吸潮（

16、3）導(dǎo)體與固體絕緣結(jié)合狀況（4）電場分布的均勻程度 1）均勻電場中，沿面閃絡(luò)電壓純空氣間隙放電電壓 2）弱垂直分量的不均勻電場 沿面閃絡(luò)電壓同樣間隙距離，極不均勻電場純空氣間隙放電電壓433）強(qiáng)垂直分量的不均勻電場 沿面閃絡(luò)電壓工頻和直工頻和直流流 電壓作用下油間隙的擊穿電壓電壓作用下油間隙的擊穿電壓提高電場的均勻度可以顯著提高沖擊擊穿電壓提高電場的均勻度可以顯著提高沖擊擊穿電壓6 6、油間隙寬度的影響、油間隙寬度的影響寬度增加，擊穿電壓下降寬度增加，擊穿電壓下降50因素511、固體電介質(zhì)的種類非極性或弱極性、極性介質(zhì)和離子性介質(zhì)2、電介質(zhì)的極化和相對介電系數(shù) 極化：電介質(zhì)中的正、負(fù)電荷沿著電

17、場方向作有限的位移或轉(zhuǎn)向，形成偶極矩 。電子式極化 、離子式極化、偶極子極化、空間電荷極化、夾層極化52n相對介電系數(shù)越大，則電介質(zhì)的電容量C越大1、電擊穿 ：發(fā)展速度快，與環(huán)境溫度無關(guān)2、熱擊穿：環(huán)境溫度越高，作用時(shí)間越長，擊穿電壓越低。3、電化學(xué)擊穿53因素1、溫度對擊穿電壓的影響2、電壓作用時(shí)間對擊穿電壓的影響3、電場均勻程度對擊穿電壓的影響4、潮濕對擊穿電壓的影響5、電壓種類對擊穿電壓的影響6、機(jī)械負(fù)荷對擊穿電壓的影響7、固體介質(zhì)的局部放電和累積效應(yīng)545556n5、介電系數(shù)5758（1）一層介質(zhì)的電阻向另一層介質(zhì)的電容充電，在兩層介質(zhì)交界面上積累有過剩的自由電荷，稱為吸收電荷。（2）

18、充電過程伴隨著能量損失（3）均勻介質(zhì)不存在吸收現(xiàn)象（4）吸收現(xiàn)象是可逆的59復(fù)習(xí)題：復(fù)習(xí)題： 1、氣體介質(zhì)的電離形式有（ ）幾種。A 碰撞電離 B 光電離 C 熱電離 D金屬電離 2、下列說法正確的是（ ）A 碰撞電離主要是由自由電子與正電荷相撞引起的；B 電子崩中的電荷分布以正離子為主；C 均勻電場中，流注出現(xiàn)后，空氣間隙即被擊穿；D 正流注的發(fā)展方向與初始電子崩的方向相同。2、均勻電場中，氣體間隙的擊穿電壓與氣體密度的關(guān)系是（）A 密度越大，擊穿電壓越高；B 密度越小，擊穿電壓越高；C 氣體種類和電極材料一定時(shí)，放電電壓是氣體密度與間隙距離的乘積的函數(shù)；D 都不對3、均勻電場的放電電壓與電

19、壓作用時(shí)間有關(guān)，持續(xù)電壓越長，放電電壓越小。（）4、極不均勻電場的電暈起始放電電壓就是自持放電電壓。（ ）60n下列說法正確的是：下列說法正確的是：A A 均勻電場空氣間隙的擊穿電壓與間隙距離、電壓波形及電壓作用時(shí)間均勻電場空氣間隙的擊穿電壓與間隙距離、電壓波形及電壓作用時(shí)間無關(guān)；無關(guān)；B B 均勻電場空氣間隙的擊穿電壓與電壓的極性無關(guān)；均勻電場空氣間隙的擊穿電壓與電壓的極性無關(guān)；C C 在直流電壓作用下，棒在直流電壓作用下，棒- -棒間隙的電場分布更均勻，它的擊穿電壓大于棒間隙的電場分布更均勻，它的擊穿電壓大于棒棒- -板間隙的擊穿電壓；板間隙的擊穿電壓；D D 空氣的濕度越大，空氣中的水分

20、子越多，空氣越容易被擊穿?？諝獾臐穸仍酱螅諝庵械乃肿釉蕉?，空氣越容易被擊穿。U U50%50%表示擊穿概率是表示擊穿概率是50%50%的擊穿電壓值。（的擊穿電壓值。（ ） 電場越均勻，擊穿電壓越高。（電場越均勻，擊穿電壓越高。（ ）負(fù)極性接線的棒負(fù)極性接線的棒- -板間隙，正空間電荷形成的附加電場與棒板間隙，正空間電荷形成的附加電場與棒- -板之間的主板之間的主電場方向相同，所以負(fù)極性接線的擊穿電壓高。電場方向相同，所以負(fù)極性接線的擊穿電壓高。 （ ） SF6SF6氣體壓力越高，其液化溫度越高。（）氣體壓力越高，其液化溫度越高。（） 在常壓下，輝光放電的放電電流密度很小，不同的氣體，發(fā)光顏色不同在常壓下，輝光放電的放電電流密度很小，不同的氣體，發(fā)光顏色不同。只有在極不均勻電場中才會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的電暈放電。只有在極不均勻電場中才會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的電暈放電。同樣間隙距離時(shí)，氣體中固體介質(zhì)的沿面閃絡(luò)電壓要大于純空氣的擊穿同樣間隙距離時(shí)，氣體中固體介質(zhì)的沿面閃絡(luò)電壓要大于純空氣的擊穿電壓電壓。（）61n7、( )是固體介質(zhì)在電場作用下，由于介質(zhì)損耗使絕緣內(nèi)部發(fā)熱，如發(fā)熱量大于散熱量，溫度持續(xù)上升，最后由于溫度過高而使絕緣損壞擊穿。n A電擊穿 B熱擊穿 C電化學(xué)擊穿nn8、 SF6氣體施加的壓力愈高，其液化的溫度（ ）。n A愈