電介質在強電場下的特性

1、第一章 電介質在強電場下的特性緒論一、 絕緣受到各類電壓1、工頻電壓3220KV等級 最高工作電壓等級=1.15 X額定電壓330500KV等級 最高工作電壓等級=1.1 X額定電壓2、暫時過電壓（內部過電壓）工頻電壓升高，諧振過電壓3、操作過電壓（內部過電壓）4、雷電過電壓二、外絕緣：利用空間作為介質的部分（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）隔離開關觸點間 內絕緣：處在變壓器或電器外殼內部或電纜外皮內部的絕緣， 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 介質性能，對內外絕緣后果不一樣。空氣絕緣為自然恢復絕緣，會使 供電短時中斷， 但

2、一般不會使絕緣損壞； 內絕緣的電氣強度的破壞常 常不可逆，導致貴重設備的損壞。第一部分 高電壓絕緣及其試驗第一章 電介質在強電場下的特性1.1 概述1、氣體：氣體的場強超過某一臨界值時，失去絕緣性能，出現(xiàn)導電 或放電現(xiàn)象。（1）均勻電場中，出現(xiàn)放電常導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）極不均勻電場中，只有部分間隙場強達到臨界值局部放電2、液體和固體破壞性放電、擊穿閃絡：破壞性放電沿固體介質表面應用實例： 在絕緣子的結構設計中

3、， 總要使其閃絡電壓低于固體介質 的擊穿電壓以免在出現(xiàn)過電壓時絕緣子破壞。1.2 氣體中帶電質點的產生和消失電離能：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，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。A QA Q15eV （1eV=1.602X 10- cv=1.602X10 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

4、電離容易。方式：加熱電極，正離子對陰極的碰撞，短波光照射，場強作用。二、去電離過程帶電粒子的擴散（高濃度區(qū)到低濃度區(qū)）、復合（正離子與負離 子、正離子與電子、伴隨光輻射（強烈的電離區(qū)通常也是強烈的負荷 區(qū)，這個區(qū)的光亮度也就較高），電子的附著作用（電子形成負離子, 放出能量；電負性氣體（氧、氯、氟、水蒸氣和 SF6）1.3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點以后設電子在電場方向走過單位距離時所產生的碰撞離子數:dx （電 子

5、的碰撞粒子系數），假設由于外界射線的作用，從陰極發(fā)出電子,經過距離x后增加到n ,在經過距離dx，增加的電子數為dn.dn = n:dxdn,=dxn積分后，n = e : dx%（式 1-1）若均勻電場，：為常數，n e x（式 1-2）若計及新產生的電子也參加電離過程，則電子數增加到e X例：若：x = 10，則 e x= = 2.2 104:的性質：取決于兩因數的乘積1）電子在單位距離內產生的碰撞次數 二1（，為平行自由行程） 2）每次碰撞產生電離的概率電子與氣體分子碰撞時產生電離的工作條件是：電子的動能至少應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中，自持放電的開始，即

6、間隙的擊穿。湯森認為，電子崩的正離子，在返回陰極時，在陰極上產生的兩 次電離過程，是取得二次電子而使放電轉為自持的關鍵。起始電子碰撞電離電子數增為 e ： d d為相間距離新產生的電子數或正離子數為e：d-1一個正離子返回陰極時，由于其具有的位能（電離能）及動能, 從陰極上釋放出入個二次電子（人 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。.自持放電條件 （e ： d-1 ） 1（1-8 ）而 ed1上式可寫成 （ ed-1 ）二飛 1（ 1-9 ）決定電極材料及其表面狀況，以及氣體種類。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

7、理論。適用：均勻電場，低氣壓小間隙1、稍不均勻電場，任何一處自持放電的條件，就是整個間隙 擊穿的條件。2、極不均勻電場，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，而不會導致整個間隙的擊 穿。1.5均勻電場中間隙的擊穿電壓、自持放電條件:1 :d =ln一個電子經過極間距離所產生的碰撞電離數d必須達到一定數值，In 1才會開始自持放電。、決定條件:1、U（Pd）（式1-11 ）間隙的擊穿電壓。U。是氣壓，P與級間距離d乘積的函數。見圖1-42、 考慮溫度變化的影響。以氣體的密度代替壓力U廠f（d）（式1-12） 為空氣的相對密度。空氣間隙的U。最小值約為327V,相應的

8、:d值為0.75 10em-大氣壓力或更高氣壓下間隙的d值要遠大于上述值，擊穿在巴申曲線的右半部，即U。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，至少應等于正離子走過 極間距離的時間，但實測的放電時間小得多。2、氣體放電應在整個間隙中均勻連續(xù)的發(fā)展。低氣壓下氣體放電區(qū)域確實占據了整個電極空間，例放電管的輝光放電。大氣壓力下氣體擊穿時出現(xiàn)的卻是帶有分支的明亮細通道。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，并強調空間電荷畸變電場的作用。適應范圍：均勻電場長間隙，不均勻電場。過程：初始電子（由外界游離因素由陰極釋放）碰撞游離初

9、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 受到畸變和加強T放出光子T光游離T二次電子T二次崩T流注 （充 滿正負帶電離子的混合通道，發(fā)展方向與出崩相反）T大大加強了前 方的電場T流注向前推進T擊穿。形成流注的條件：出崩頭部的電荷達到一定的數量， 使電場得到 足夠的畸變和加強并造成足夠的空間光電離。一般認為=20（或e 10）。一旦形成流注，放電就可以轉入自持，在均勻電場中即導致間隙的擊穿，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不均勻電場中氣隙的放電特性最大場強max出現(xiàn)在曲率半徑小的電極表面附近。極不均勻電場的特性：能夠出現(xiàn)穩(wěn)定電暈，從而電暈起始電壓低

10、 于擊穿電壓。稍不均勻電場：不能出現(xiàn)穩(wěn)定電暈的電場。過程：電暈（電壓低時均勻的電子崩式，電壓高時不均勻的流注式）短間隙一一流注貫通間隙一一擊穿長間隙d 1m,增大了流注與對面電極間的電容，導致流注根部電流 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 道稱為先導通道）先導通道中帶電粒子的濃度一一流注通道-電導大，壓降小。先導通道發(fā)展到接近對面電極時，d - E ,引起強烈的電離，這一強烈電離區(qū)以極高的速度向相反方向傳播 （主放電）一主放電在 板間形成高電導通道，相當于間隙短路。長時電壓（工頻為直流）作用下氣隙的放電特性1、當間隙距離增加到一定數值時，間隙中將由稍不均勻電場轉

11、變?yōu)闃O不均勻電場， 這時將會在較低的電壓下首先出現(xiàn)電暈， 當電壓 進一步升高時發(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，間隙的平均擊穿場強也逐步由均勻電場中的 30KV（峰值）/cm。4、在極不均勻電場中，擊穿電壓主要決定于間隙距離，而與電 極形狀關系不大。棒極為負的擊穿電壓 棒極為正的擊穿電壓解釋： 1、棒極為負正空間電荷 削弱朝向極板方向的電場 放電發(fā)展困難 擊穿電2、棒極為正棒極附近形成電子崩 電子迅速進入電極 留下來的正空間電 荷 加強了朝陰極方向的電場

12、 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板導線桿塔 棒棒導線導線1.8雷電沖擊電壓下氣隙的擊穿特性標準雷電 波前時間.2-0.36US1.2/50 波長 T2=50_10us放電時間t二右（電壓電容升到靜態(tài)擊穿電壓 U。）+放電時延（式1-16） 放電時延二卜（統(tǒng)計時延有效電子出現(xiàn)所需時間）+tf （放電形成時 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間的關系曲線均勻電場平坦，不均勻電場陡伏秒特性曲線作用：絕緣配合關系U50%擊穿電壓沖擊系數=U50%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=

13、1,擊穿在波前峰值附 近。極不均勻電場：擊穿電壓分散性大，沖擊系數 1,擊穿常在波尾。2Us沖擊擊穿電壓均勻稍不均勻：其值=屮0%極不均勻電場：其值U50%棒一板間隙有明顯的極性效應，棒一棒間隙也有不大的極性效 應。；大地的影響，使不接地的棒極附近電場增強1.9操作沖擊電壓下長空氣間隙的擊穿特性新特點：波形對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 工頻擊穿電壓標準波形：250/2500us其他波形：100/2500us500/2500us衰減振蕩電壓特點：1、操作沖擊電壓的波前時間對間隙的 U50有很大影響。見圖1-16 “U 型曲線，在某一波前時間（稱為臨界波前時間）下 U

14、50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fl臨界波前時間f原因：試驗證明：流注區(qū)的平均梯度。Es=5kV/cm.而先導通道的平均梯度則小的多-先導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，先導發(fā)展的時間短-最后跳躍階段先導的長度短-一定導致?lián)舸栎^高的電壓峰值。電壓波波前 臨界波前，電壓升高陡度降低-空間電荷使電場受到削弱電導的發(fā)展具有間歇性擊穿電壓略有提高且分數性增大雷電沖擊；作用時間短，在最后跳躍階段的開始時，先導通道來不及顯著發(fā)展間隙的擊穿場強約等于流注區(qū)的場強 5kV/cm3、操作沖擊電壓下間隙擊穿電壓的特點二

15、：分散性大極不均勻電場50%&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 2kVd=20cm1.25kV平均擊穿場強隨間隙距離f而f即擊穿電壓歲距離加大而出現(xiàn)“飽和”的現(xiàn)象擊穿前先導階段能有較充分的時間發(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先導通道來不及顯著發(fā)展。1.10大氣條件對空氣間隙擊穿電壓的影響 我國規(guī)定的標準大氣條件：氣壓：po =101.3kPa（=1013mbar=760mmHg）溫度：t=20C濕度：h0=11g/m3U=KdU0 （式 1-20）Kh

16、U0Kd空氣密度校正系數，Kh濕度校正系數對空氣密度的校正空氣的相對密度=2-89p（KPa）（式1-21 ） 273+t0.95 1.05 Kd二：若不考慮濕度 則UUo（1mmT間隙）上式適用條件：間隙距離不大，電場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）普通的公式：（上）m （273 to） n（式1-22）Po2730.4m、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。空間隙的擊穿電壓（包括沿面閃絡）隨著空氣密度的增大而升二、對濕度的校正 實驗結果：1、在均勻或稍不均勻電場中空氣間隙的擊穿電壓隨空氣中濕度f而 略有增加，可忽

17、略。2、在極不均勻電場中，濕度f-電子附著在水分子上形成負離子的 比例增加削弱電離過程擊穿電壓fT均勻電場擊穿場強較高，電子速度大，二濕度影響較小；極不均勻 電場平均擊穿場強較低，放電形式時延較長，.濕度影響較大。 極不均勻電場，濕度校正系數：W心=（K）（式 1-13）K絕對濕度及電壓形成的函數W與電極形狀、距離、電壓形式、極性有關三、海拔高度的影響高度f-密度擊穿電壓JKa1/1.1-H 10（式 1-24）1.11提高氣體間隙抗電強度的方法一、改善電場分布左間隙中與電場力線垂直的方向插入用薄片固體介質做成的“屏障”在棒一板間隙中，電暈產生的與棒極同步的空間電荷被屏蔽 所阻遏而積聚其上由于

18、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抗電強度f空間電荷加強屏障與極板間的電場電場均勻帶有屏障的間隙的擊穿電壓與屏障的位置有關（圖1-17）:屏障與棒極距離約等于間隙距離的1/51/6時擊穿電壓提高的最多。棒極為正：擊穿電壓可達無屏蔽時的23倍棒極為負：擊穿電壓可達無屏蔽時的1.3倍1、工頻電壓下，擊穿發(fā)生在棒極為正的半周內，設屏障后擊穿電壓 的提高同直流下正棒極時一樣。2、 雷電下，屏障效果較弱來不及積聚起顯著的空間電荷）、高氣壓及高抗電強度氣體的采用1、某些電氣設備（例高壓標準電容器等）采用壓縮空氣作為內絕緣 可減小尺寸2、高抗電強度氣體 SF 6CCl2F2常壓下

19、，它的介質強度 =2.5 空氣的介質強度 氣壓f,它的介質強度一般的液體或固體絕緣的介質強度 隨氣壓的增加，氣體的擊穿電壓會出現(xiàn)不遵循巴申定律所估計的低 三、高真空的采用：真空間隙的擊穿電壓X間隙距離的平方根 試驗證明：放電時真空中仍有一定的粒子流存在。1 、強電場下由陰極發(fā)射的電子自由飛過間隙,積累起足夠的能量撞 擊陽極,使陽極物質粒子受熱蒸發(fā)或之間引起正離子發(fā)射。2、正離子運動到陰極,陰極產生二次電子,如此循環(huán),放電便得到 維持。3、電極或器壁吸附的氣體在高真空時釋放出來,也會造成微弱的空 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

20、電壓衰減。一、電暈的效應1、藍色的暈光絲絲的電暈噪聲 熱2、化學反應 0 3NOHNO S02 HSO對金屬腐蝕3、耗能 對500750kV,好天氣時n個kW/km 雨雷天時100kW/km4、通訊干擾;特別是工頻下的電暈，不斷發(fā)射電磁波，最嚴重的無線 電干擾源來自正半周時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。6、噪聲。二、電暈等效起始場強Ec與空氣相對及導線半徑有關，當導線表面粗糙時，UcJt EcJ電暈起始電壓Uc二EcrlnDkV（峰值）（式1-27 ）rP為導線的幾何均距 D = 012 d23D13在交流輸電線的情況下，空間電荷的運動造成的電暈電流絕

21、緣的泄露電流空間電荷的運動需能量，這構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、與電離的間歇性質有關電離后產生的與導線同步的空間電荷削弱了它們與導線間電場t電離止t電荷向外擴散t電場電離再次爆發(fā)。2、電壓較高時流注的不斷形成，熄滅，重新爆發(fā)。四、導線表面場強Ex、., n（式1-28）降低的方法；1、 增大線間距離B將導致桿塔造價fT線路電抗f2、增大導線半徑r，為經濟t分裂相導線。1.13 沿絕緣子表面的氣體放電（沿面放電）閃絡放電發(fā)展到使整個極間發(fā)生沿面擊穿時 沿面閃絡電壓 純空氣間隙的擊穿電壓 絕緣子在設計制造時要求使其固體介質的擊穿電壓大于沿面閃絡電 壓約 50%一、 不同絕緣子結構的沿面放電特性1、 固體介質在均勻電場 它的表面 / 電力線 沿面閃絡電壓 En （法線） 例支柱 絕緣子t電暈t ONO對介質作用對聚合物絕緣危險（特別是電暈是流注形 成的），聚合物分解并產生導電的碳化痕跡，導致絕緣閃絡并使其永 遠喪失絕緣能力。方法：屏障電極，內屏蔽3、極不均勻電場 EtEn流注通道緊貼在固體