第一章電介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)下的特性

1、第一章 電介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)下的特性緒論一、絕緣受到各類電壓1、工頻電壓3220KV等級(jí) 最高工作電壓等級(jí)=1.15 X額定電壓330500KV等級(jí) 最高工作電壓等級(jí)=1.1 X額定電壓2、暫時(shí)過電壓（內(nèi)部過電壓） 工頻電壓升高，諧振過電壓3、操作過電壓（內(nèi)部過電壓）4、雷電過電壓二、外絕緣： 利用空間作為介質(zhì)的部分（1） 母線間，母線與桿塔間的空氣間隙（ 2） 套管及支柱絕緣子表面（ 3） 隔離開關(guān)觸點(diǎn)間 內(nèi)絕緣：處在變壓器或電器外殼內(nèi)部或電纜外皮內(nèi)部的絕緣，一般為組合絕緣。三、絕緣的擊穿： 高幅值過電壓作用下，絕緣可能喪失其介質(zhì)性能，對(duì)內(nèi)外絕緣 后果不一樣。 空氣絕緣為自然恢復(fù)絕緣， 會(huì)使供電短

2、時(shí)中斷， 但一般不會(huì)使絕緣 損壞；內(nèi)絕緣的電氣強(qiáng)度的破壞常常不可逆，導(dǎo)致貴重設(shè)備的損壞。第一部分 高電壓絕緣及其試驗(yàn)第一章 電介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)下的特性概述1、氣體：氣體的場(chǎng)強(qiáng)超過某一臨界值時(shí)，失去絕緣性能，出現(xiàn)導(dǎo)電或放電現(xiàn)象。 （1）均勻電場(chǎng)中，出現(xiàn)放電常導(dǎo)致間隙的短路并使間隙兩端電壓下降稱破 壞性放電（絕緣的擊穿）a. 在大氣或更高的氣壓下表現(xiàn)為火花的形式，稱火花放電b. 電源功率大，內(nèi)阻小，出現(xiàn)電流大、溫度高的電弧放電 上述放電均限制在帶狀狹窄通道中（2）極不均勻電場(chǎng)中，只有部分間隙場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到臨界值局部放電2、液體和固體破壞性放電、擊穿 閃絡(luò)：破壞性放電沿固體介質(zhì)表面應(yīng)用實(shí)例： 在絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)

3、計(jì)中， 總要使其閃絡(luò)電壓低于固體介質(zhì)的擊穿電壓 以免在出現(xiàn)過電壓時(shí)絕緣子破壞。氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失電離能：氣體的電離所需的能量，隨氣體種類而不同（1015eV） 一、高壓過程1 、碰撞電離2、光電離：光輻射的能量以不連續(xù)的光子的形式發(fā)出，光子的能量與光的波長有關(guān)，波長越短，能量越大。例宇宙線，丫線，x線，短波長紫外線具有較強(qiáng)的電離能量。3、熱電離：高溫，例電弧4、表面電離：（表面發(fā)射）逸出功：電極發(fā)射電子所需的能量，與電極材料及表面狀態(tài)有關(guān)。15eV（1eV=1.602X 10-19 c v=1.602X10-19 J ）逸出功小于氣體電離能，說明陰極發(fā)射電子比在空間使氣體分子電離容易。

4、方式：加熱電極，正離子對(duì)陰極的碰撞，短波光照射，場(chǎng)強(qiáng)作用。 二、去電離過程帶電粒子的擴(kuò)散（高濃度區(qū)到低濃度區(qū)） 、復(fù)合（正離子與負(fù)離子、正離子 與電子、伴隨光輻射（強(qiáng)烈的電離區(qū)通常也是強(qiáng)烈的負(fù)荷區(qū)， 這個(gè)區(qū)的光亮度也 就較高），電子的附著作用 （電子形成負(fù)離子， 放出能量； 電負(fù)性氣體（氧、氯、 氟、水蒸氣和 SF6）氣體的放電現(xiàn)象和電子崩的形成1、自持放電：圖 1-2 中， C 點(diǎn)以后，不需外界電離因素，放電還能夠持續(xù) 下去。2、非自持放電：圖1-2中，C點(diǎn)以前，需外界電離因素，放電還能夠持續(xù) 下去。3、電子崩：圖1-2中，b點(diǎn)以后設(shè)電子在電場(chǎng)方向走過單位距離時(shí)所產(chǎn)生的碰撞離子數(shù) 、；dx

5、（電子的碰撞粒 子系數(shù)），假設(shè)由于外界射線的作用，從陰極發(fā)出電子，經(jīng)過距離 x后增加到n, 在經(jīng)過距離dx，增加的電子數(shù)為dn .dn = n : dxdn ,二：dxnx積分后，n 二ei ：dx（式 1-1）若均勻電場(chǎng)，為常數(shù)，n二ex（式1-2）若計(jì)及新產(chǎn)生的電子也參加電離過程，則電子數(shù)增加到e例：若：x=10，則 ex= = 2.2 104:的性質(zhì)：取決于兩因數(shù)的乘積11）電子在單位距離內(nèi)產(chǎn)生的碰撞次數(shù)=丄（為平行自由行程）A2）每次碰撞產(chǎn)生電離的概率電子與氣體分子碰撞時(shí)產(chǎn)生電離的工作條件是：電子的動(dòng)能至少應(yīng)等于氣體分子的電離能。1.4湯森的自持放電條件在均勻電場(chǎng)中，自持放電的開始，即

6、間隙的擊穿。湯森認(rèn)為，電子崩的正離子，在返回陰極時(shí)，在陰極上產(chǎn)生的兩次電離過程， 是取得二次電子而使放電轉(zhuǎn)為自持的關(guān)鍵。起始電子碰撞電離電子數(shù)增為 ed d為相間距離新產(chǎn)生的電子數(shù)或正離子數(shù)為e d -1一個(gè)正離子返回陰極時(shí)，由于其具有的位能（電離能）及動(dòng)能，從陰極上釋放出九個(gè)二次電子（入1）。（）個(gè)正離子，所釋放的電子數(shù)&（ d -1）個(gè)。若（e： d-1 ） 1,原來的初始電子就可以得到接替，使后繼電子崩不需 依靠外界因素的作用就得到發(fā)展。二自持放電條件& （ d -1 ） 1（1-8）而 d1上式可寫成 （ e 一 d -1 ） =，e d 1（1-9）決定電極材料及其表面狀況，以及氣體

7、種類。湯森用電子的碰撞電離和正離子在陰極上釋放二次電子來說明自持放電形 成的理論。適用：均勻電場(chǎng)，低氣壓小間隙1、稍不均勻電場(chǎng)，任何一處自持放電的條件，就是整個(gè)間隙擊穿的條件。2、極不均勻電場(chǎng)，氣隙某處發(fā)生局部自持放電，有可能被穩(wěn)定地局限于該 處附近的局部空間，而不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)間隙的擊穿。1.5均勻電場(chǎng)中間隙的擊穿電壓、自持放電條件：，ed 1:d =ln 1一個(gè)電子經(jīng)過極間距離所產(chǎn)生的碰撞電離數(shù)必須達(dá)到一定數(shù)值，In 才會(huì)開始自持放電。二、決定條件：1、Uo二f（pd）（式1-11 ）間隙的擊穿電壓。U。是氣壓，p與級(jí)間距離d乘積的函數(shù)。見圖1-42、 考慮溫度變化的影響。以氣體的密度代替壓力

8、Uo = fCd）（式1-12） :為 空氣的相對(duì)密度?？諝忾g隙的U。最小值約為327V,相應(yīng)的:d值為0.75 1。 em-大氣壓力或更高氣壓下間隙的d值要遠(yuǎn)大于上述值，擊穿在巴申曲線的右半部，即U 0隨d的增大而升高。1.6流注放電理論一、湯森不能解釋1、從加上電壓到放電形成所需要的空間，至少應(yīng)等于正離子走過極間距離的時(shí)間，但實(shí)測(cè)的放電時(shí)間小得多。2、氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙中均勻連續(xù)的發(fā)展。低氣壓下氣體放電區(qū)域確實(shí)占據(jù)了整個(gè)電極空間，例放電管的輝光放電。大氣壓力下氣體擊穿時(shí)出現(xiàn)的卻是帶有分支的明亮細(xì)通道。二、流注理論：電子的碰撞電離和空間光游離是形成自持放電的主要因素，并強(qiáng) 調(diào)空間電荷畸變電

9、場(chǎng)的作用。適應(yīng)范圍：均勻電場(chǎng)長間隙，不均勻電場(chǎng)。過程：初始電子（由外界游離因素由陰極釋放） 碰撞游離初始電子崩 正離子（崩頭密度最大）作為正空間電荷，使后面的電場(chǎng)受到畸變和加強(qiáng)放出 光子光游離二次電子二次崩流注（充滿正負(fù)帶電離子的混合通道，發(fā)展 方向與出崩相反）大大加強(qiáng)了前方的電場(chǎng)流注向前推進(jìn)擊穿。形成流注的條件：出崩頭部的電荷達(dá)到一定的數(shù)量，使電場(chǎng)得到足夠的畸變 和加強(qiáng)并造成足夠的空間光電離。一般認(rèn)為 :d =20（或 ed T0） 。一旦形成流 注，放電就可以轉(zhuǎn)入自持，在均勻電場(chǎng)中即導(dǎo)致間隙的擊穿， 在一定間隙距離下（球一球或球一板）擊穿電壓比較穩(wěn)定。1.7不均勻電場(chǎng)中氣隙的放電特性最大場(chǎng)

10、強(qiáng)E max出現(xiàn)在曲率半徑小的電極表面附近。極不均勻電場(chǎng)的特性：能夠出現(xiàn)穩(wěn)定電暈，從而電暈起始電壓低于擊穿電壓。 稍不均勻電場(chǎng)：不能出現(xiàn)穩(wěn)定電暈的電場(chǎng)。過程：電暈（電壓低時(shí)均勻的電子崩式，電壓高時(shí)不均勻的流注式） 短間隙一一流注貫通間隙一一擊穿長間隙d 1m,增大了流注與對(duì)面電極間的電容，導(dǎo)致流注根部電流增長，使其 溫度升高到足以出現(xiàn)熱電離的程度（具有熱電離過程的通道稱為先導(dǎo)通道）先導(dǎo)通道中帶電粒子的濃度一一流注通道一電導(dǎo)大，壓降小。先導(dǎo)通道發(fā)展到接近對(duì)面電極時(shí)，-E ，引起強(qiáng)烈的電離，這一強(qiáng)烈電離區(qū)以極高的速度向相反方向傳播 （主放電）一主放電在板間形成高電導(dǎo)通 道，相當(dāng)于間隙短路。長時(shí)電壓

11、（工頻為直流）作用下氣隙的放電特性1、當(dāng)間隙距離增加到一定數(shù)值時(shí)，間隙中將由稍不均勻電場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)闃O不均勻電場(chǎng)，這時(shí)將會(huì)在較低的電壓下首先出現(xiàn)電暈，當(dāng)電壓進(jìn)一步升高時(shí)發(fā)生擊穿。2、 間隙的電暈起始電壓，主要取決于電極的表面形狀（即曲率半徑），而與 間隙距離關(guān)系不大，球徑越小，電暈起始電壓就越低。3、隨著間隙距離的增加，電廠不均勻程度逐漸增大，間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng) 也逐步由均勻電場(chǎng)中的 30KV （峰值）/cm。4、在極不均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓主要決定于間隙距離，而與電極形狀關(guān)系 不大。棒極為負(fù)的擊穿電壓 棒極為正的擊穿電壓 解釋：1、棒極為負(fù)正空間電荷 削弱朝向極板方向的電場(chǎng) 放電發(fā)展困難 擊穿電壓高

12、。2、棒極為正棒極附近形成電子崩 電子迅速進(jìn)入電極 留下來的正空間電荷 加強(qiáng)了朝 陰極方向的電場(chǎng) 有利于流注向間隙深處發(fā)展工頻電壓下不同的擊穿電壓特性棒一板 導(dǎo)線一桿塔 棒一棒 導(dǎo)線一導(dǎo)線1.8雷電沖擊電壓下氣隙的擊穿特性標(biāo)準(zhǔn)雷電 波前時(shí)間T1 =1.2-0.36US1.2/50 波長 T2=50-10us放電時(shí)間 f1 （電壓電容升到靜態(tài)擊穿電壓 U。）+放電時(shí)延（式1-16）放電時(shí)延=ts （統(tǒng)計(jì)時(shí)延 有效電子出現(xiàn)所需時(shí)間）+tf （放電形成時(shí)延 從有效電子出現(xiàn)到間隙擊穿完成）。ts和tf隨間隙外施電壓增高而減少 伏秒特性：沖擊放電電壓與放電時(shí)間的關(guān)系曲線均勻電場(chǎng)平坦，不均勻電場(chǎng)陡伏秒特性

13、曲線作用：絕緣配合關(guān)系U50%擊穿電壓沖擊系數(shù)=比%沖擊擊穿電壓靜態(tài)電壓均勻稍不均勻：擊穿電壓分散性小，沖擊系數(shù) =1，擊穿在波前峰值附近。 極不均勻電場(chǎng)：擊穿電壓分散性大，沖擊系數(shù) 1,擊穿常在波尾。2us沖擊擊穿電壓 均勻稍不均勻：其值=u50% 極不均勻電場(chǎng)：其值u50%棒一板間隙有明顯的極性效應(yīng)，棒一棒間隙也有不大的極性效應(yīng)。幕大地的 影響，使不接地的棒極附近電場(chǎng)增強(qiáng)。1.9操作沖擊電壓下長空氣間隙的擊穿特性新特點(diǎn)：波形對(duì)擊穿電壓有很大的影響；在一定的波形下，操作沖擊擊穿電 壓 工頻擊穿電壓標(biāo)準(zhǔn)波形：250/2500US其他波形：100/2500us500/2500us衰減振蕩電壓特點(diǎn)

14、：1、操作沖擊電壓的波前時(shí)間對(duì)間隙的 U50有很大影響。見圖1-16 “ U型曲線, 在某一波前時(shí)間（稱為臨界波前時(shí)間）下U50有極小值，其值可能比間隙的工頻擊穿電壓還低，在正極性下更加明顯。間隙距離T-臨界波前時(shí)間T原因：試驗(yàn)證明：流注區(qū)的平均梯度。Es=5kV/cm.而先導(dǎo)通道的平均梯度則小的多先導(dǎo)長度占間隙距離的百分比愈大，擊穿電壓就愈低。操作沖擊：電壓波波前 臨界波前時(shí)，先導(dǎo)發(fā)展的時(shí)間短一最后跳躍階段先導(dǎo)的長度短- 一定導(dǎo)致?lián)舸?jù)需較高的電壓峰值。電壓波波前 臨界波前，電壓升高陡度降低一空間電荷使電場(chǎng)受到削弱一電導(dǎo)的發(fā)展具有間歇性擊穿電壓略有提高且分?jǐn)?shù)性增大雷電沖擊打作用時(shí)間短，在最后

15、跳躍階段的開始時(shí)，先導(dǎo)通道來不及顯著發(fā)展 二間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)約等于流注區(qū)的場(chǎng)強(qiáng) 5kV/cm3、操作沖擊電壓下間隙擊穿電壓的特點(diǎn)二：分散性大 極不均勻電場(chǎng)50燦穿電壓：操作下偏差（48） %工頻及雷電沖擊3% d=10cm間隙操作電壓平均擊穿場(chǎng) 2kVd=20cm1.25kV平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨間隙距離T而T即擊穿電壓歲距離加大而出現(xiàn)“飽和”的現(xiàn)象 擊穿前先導(dǎo)階段能有較充分的時(shí)間發(fā)展。工頻電壓下棒一板長間隙的擊穿電壓也有類似“飽和”現(xiàn)象（圖 1-10） 雷電沖擊電壓下無“飽和”現(xiàn)象在最后的跳躍階段的開始時(shí)先導(dǎo)通道來不及顯著發(fā)展。1.10大氣條件對(duì)空氣間隙擊穿電壓的影響我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件：氣壓：po

16、 =101.3kPa（=1013mbar=760mmHg） 溫度：t0=20C濕度：h=11g/m3U=KdU0 （式 1-20）KhU0Kd空氣密度校正系數(shù)，Kh濕度校正系數(shù)一、對(duì)空氣密度的校正空氣的相對(duì)密度：=2.89p（KPa）（式1-21 ）273+t0.95 1.05 Kd=若不考慮濕度 則U U（1mm下間隙） 上式適用條件：間隙距離不大，電場(chǎng)比較均勻的球一球間隙。間隙距離雖大，間 隙擊穿電壓隨距離線性大。（如雷電條件下273 +上普通的公式：（衛(wèi)）m （!） n（式1-22）P。273和0.4m、n1.0 , m n值與電極形狀，間隙距離以及電壓形式和極性有關(guān)?？臻g 隙的擊穿電壓

17、（包括沿面閃絡(luò)）隨著空氣密度的增大而升高。二、對(duì)濕度的校正 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1、在均勻或稍不均勻電場(chǎng)中空氣間隙的擊穿電壓隨空氣中濕度T而略有增加， 可忽略。2、在極不均勻電場(chǎng)中，濕度T電子附著在水分子上形成負(fù)離子的比例增加 削弱電離過程擊穿電壓T均勻電場(chǎng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)較高，電子速度大，濕度影響較小；極不均勻電場(chǎng)平均擊 穿場(chǎng)強(qiáng)較低，放電形式時(shí)延較長，.濕度影響較大。極不均勻電場(chǎng)，濕度校正系數(shù)：WKn =（K）（式 1-13）K絕對(duì)濕度及電壓形成的函數(shù)W與電極形狀、距離、電壓形式、極性有關(guān)三、海拔高度的影響 高度T-密度擊穿電壓J1Ka 二/（式 1-24）1.1-H 101.11提高氣體間隙抗電強(qiáng)度的方法一

18、、改善電場(chǎng)分布左間隙中與電場(chǎng)力線垂直的方向插入用薄片固體介質(zhì)做成的“屏障”，在棒板間隙中，電暈產(chǎn)生的與棒極同步的空間電荷f被屏蔽所阻遏而積聚其上f由 于相互間的排斥力均勻分布在屏障上空間電荷削弱了棒極與屏障間的電場(chǎng)f抗電強(qiáng)度T空間電荷加強(qiáng)屏障與極板間的電場(chǎng)f電場(chǎng)均勻帶有屏障的間隙的擊穿電壓與屏障的位置有關(guān)（圖1-17）:屏障與棒極距離約等于間隙距離的1/51/6時(shí)擊穿電壓提高的最多。棒極為正：擊穿電壓可達(dá)無屏蔽時(shí)的 23倍 棒極為負(fù)：擊穿電壓可達(dá)無屏蔽時(shí)的 1.3倍1、工頻電壓下，擊穿發(fā)生在棒極為正的半周內(nèi)，設(shè)屏障后擊穿電壓的提高同直 流下正棒極時(shí)一樣。2、雷電下，屏障效果較弱來不及積聚起顯著

19、的空間電荷）二、高氣壓及高抗電強(qiáng)度氣體的采用1、某些電氣設(shè)備（例高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器等）采用壓縮空氣作為內(nèi)絕緣可減小尺寸2、 高抗電強(qiáng)度氣體 SF 6CCI2F2常壓下，它的介質(zhì)強(qiáng)度=2.5空氣的介質(zhì)強(qiáng)度 氣壓T,它的介質(zhì)強(qiáng)度一般的液體或固體絕緣的介質(zhì)強(qiáng)度隨氣壓的增加，氣體的擊穿電壓會(huì)出現(xiàn)不遵循巴申定律所估計(jì)的低三、高真空的采用：真空間隙的擊穿電壓*間隙距離的平方根 試驗(yàn)證明：放電時(shí)真空中仍有一定的粒子流存在。1、強(qiáng)電場(chǎng)下由陰極發(fā)射的電子自由飛過間隙，積累起足夠的能量撞擊陽極，使 陽極物質(zhì)粒子受熱蒸發(fā)或之間引起正離子發(fā)射。2、正離子運(yùn)動(dòng)到陰極，陰極產(chǎn)生二次電子，如此循環(huán)，放電便得到維持。3、電極或器

20、壁吸附的氣體在高真空時(shí)釋放出來，也會(huì)造成微弱的空間電離1.12輸電線上的電暈放電可利用：電暈削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅值和陡度，也可使操作過電壓衰減。一、電暈的效應(yīng)1、 藍(lán)色的暈光絲絲的電暈噪聲熱2、化學(xué)反應(yīng) 0 3NSHNO S02 HSQ對(duì)金屬腐蝕3、耗能 對(duì)500750kV,好天氣時(shí)n個(gè)kW/km 雨雷天時(shí)100kW/km4、通訊干擾;特別是工頻下的電暈，不斷發(fā)射電磁波，最嚴(yán)重的無線電干擾源來 自正半周時(shí)的流注放電特別是表面粗糙或有水滴附著。5、在尖端或電極的突出外形成電風(fēng)。6噪聲。二、電暈等效起始場(chǎng)強(qiáng)Ec與空氣相對(duì)及導(dǎo)線半徑有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)線表面粗糙時(shí)，UcJ- EcJ電暈起始電壓Uc

21、= ECrlnDkV（峰值）（式1-27）rP為導(dǎo)線的幾何均距D = 0!2 023 013在交流輸電線的情況下，空間電荷的運(yùn)動(dòng)造成的電暈電流絕緣的泄露電流空間電荷的運(yùn)動(dòng)需能量，這構(gòu)成了輸電線路電暈損耗的主要部分。三、其放電電流由一系列短促的陡脈沖組成1、與電離的間歇性質(zhì)有關(guān)電離后產(chǎn)生的與導(dǎo)線同步的空間電荷削弱了它們與導(dǎo)線間電場(chǎng)電離止 電荷向外擴(kuò)散電場(chǎng)T電離再次爆發(fā)。2、電壓較高時(shí)流注的不斷形成，熄滅，重新爆發(fā)。四、導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)E* （式1-28）降低的方法；1、增大線間距離D。將導(dǎo)致桿塔造價(jià)T線路電抗T2、增大導(dǎo)線半徑r，為經(jīng)濟(jì)分裂相導(dǎo)線。1.13沿絕緣子表面的氣體放電（沿面放電）閃絡(luò)一一放電發(fā)展到使整個(gè)極間發(fā)生沿面擊穿時(shí)沿面閃絡(luò)電壓 純空氣間隙的擊穿電壓絕緣子在設(shè)計(jì)制造時(shí)要求使其固體介質(zhì)的擊穿電壓大于沿面閃絡(luò)電壓約50%一、不同絕緣子結(jié)構(gòu)的沿面放電特性1、固體介質(zhì)在均勻電場(chǎng) 它的表面/電力線沿面閃絡(luò)電壓 純空氣間隙的擊穿電壓介質(zhì)表面吸附的水分以及存在的微氣隙等使電場(chǎng)分布發(fā)生改變。2、 極不均勻電場(chǎng)介質(zhì)表面電場(chǎng)Et （切線）En （法線）例支柱絕緣子電暈QNQ對(duì)介質(zhì)作用 對(duì)聚合物絕緣危險(xiǎn)（特別是電暈是流注形成的），聚 合物分解并產(chǎn)生導(dǎo)電的碳化痕跡，導(dǎo)