第5講氣體電介質的絕緣特性

回顧極不均勻場中的放電過程穩(wěn)態(tài)電壓下的氣體擊穿瞬態(tài)電壓下的氣體擊穿重點：極性效應1當前1頁，總共59頁。問題1.流注理論未考慮()的現(xiàn)象。A.碰撞游離B.表面游離C.光游離D.電荷畸變電場2.先導通道的形成是以()的出現(xiàn)為特征。A.碰撞游離B.表現(xiàn)游離C.熱游離D.光游離試對以下極間距離相同的幾種氣體間隙的直流擊穿電壓進行排序：a、正極性棒-板b、負極性棒-板c、板-板d、棒-棒2當前2頁，總共59頁。本次課程大氣條件對氣隙擊穿的影響相關簡單計算提高氣體間隙擊穿電壓的措施物理原理屏障效應沿面放電液體、固體的絕緣3當前3頁，總共59頁。1.7大氣條件對氣隙擊穿特性的影響標準大氣條件：

氣壓P0=101.3kPa，溫度t0=20℃絕對濕度f0=11g/m3。非標準大氣條件要換算到標準大氣條件反映空氣密度4當前4頁，總共59頁。一、空氣相對密度的影響氣壓P增大時，帶電粒子的平均自由行程減小，因此在運動中積累的動能就??；擊穿電壓升高溫度T增大時，空氣相對密度減小，平均自由行程增大，擊穿電壓降低。P：氣壓，kPa；t：溫度，度5當前5頁，總共59頁。一、空氣相對密度的影響δ＝0.95~1.05范圍內變動時，間隙的擊穿電壓與相對密度成正比，實際試驗或運行條件下當δ與1相差較大時，須用空氣密度校正系數(shù)Kd對擊穿電壓U進行校正 在大氣條件下，空氣間隙的擊穿電壓隨的增大而升高6當前6頁，總共59頁。二、濕度的影響濕度增加，電離能力下降，對放電過程起到抑制作用——濕度越大，間隙的擊穿電壓也會越高（不均勻電場中更明顯）。

濕度矯正系數(shù)：7當前7頁，總共59頁。綜合氣壓、溫度、濕度的影響使用時務必注意教材P27～28的參數(shù)取值條件8當前8頁，總共59頁。三、對海拔高度的校正隨著海拔增高，空氣密度減小，λ增大，電離能力增大，間隙的擊穿電壓降低。我國的國家標準規(guī)定：1000m<H<4000m地區(qū)的出廠測試U（或稱設計耐壓水平）與平原地區(qū)外絕緣的Up的關系為9當前9頁，總共59頁。1.8 提高氣體間隙擊穿電壓的措施兩條途徑：一、改善電場分布二、削弱氣體中的電離過程

10當前10頁，總共59頁。(一）改進電極形狀增大電極曲率半徑改善電極邊緣一、改善電場分布11當前11頁，總共59頁。(一）改進電極形狀使電極具有最佳外形12當前12頁，總共59頁。（二）利用空間電荷畸變電場細線效應（工頻下）

D增大后，局部毛刺點的強烈電離，產生刷狀放電細線效應只對穩(wěn)態(tài)電壓有作用，對雷電波沒有作用13當前13頁，總共59頁?；仡櫍?/p>

極不均勻場中的極性效應正棒－負板（三）極不均勻電場中采用屏障14當前14頁，總共59頁。負棒—正板15當前15頁，總共59頁。（三）極不均勻電場中采用屏障－DC棒電極為正極性時正離子聚集在屏障上，并沿表面均勻分布，削弱了正棒頭部的強電場屏障與負板之間形成均勻電場16當前16頁，總共59頁。（三）極不均勻電場中采用屏障直流電壓作用下尖－板的擊穿電壓和屏障的關系棒電極為正極性時在x/d=0.2時擊穿電壓的提高最顯著，約為2－3倍。17當前17頁，總共59頁。（三）極不均勻電場中采用屏障棒電極為負極性時

當屏蔽層離開電極一定距離后，吸附的負離子將加強板前電場，使擊穿電壓低于無屏蔽的情況。屏蔽層靠近負棒，強電場作用下電子速度大，可以穿透屏蔽層，正離子集聚在屏蔽層，屏蔽層總體上帶正電荷，削弱屏蔽層前方電場，擊穿電壓略有提高。

18當前18頁，總共59頁。（三）極不均勻電場中采用屏障-DC:總結棒電極為正極性時正離子聚集在屏障上，并沿表面均勻分布，削弱了正棒頭部的強電場在x/d=0.2時擊穿電壓的提高最顯著，約為2－3倍。棒電極為負極性時

總趨勢同與正棒下的屏蔽效應。

當屏蔽層離開電極一定距離后，吸附的負離子將加強板前電場，使擊穿電壓低于無屏蔽的情況。

最高提高0.2倍在中間一段范圍內，帶屏蔽的擊穿電壓（不論極性）與均勻電場下的擊穿電壓接近19當前19頁，總共59頁。（三）極不均勻電場中采用屏障－工頻工頻作用下尖－板的擊穿電壓與屏蔽層位置的關系工頻下，擊穿在正半波發(fā)生，因此，屏蔽層也可顯著提高擊穿電壓20當前20頁，總共59頁。（三）極不均勻電場中采用屏障屏蔽層插入電暈電極側，可提高擊穿電壓。屏蔽層僅對持續(xù)作用電壓（DC，工頻）有效而對雷電波作用很小。21當前21頁，總共59頁。二、削弱或抑制電離過程采用高氣壓采用強電負性氣體采用高真空22當前22頁，總共59頁。（一）采用高氣壓基本原理：氣壓提高減小動能減小U提高1－2.8MPa5－0.1MPa當氣壓在10個大氣壓下時，擊穿電壓隨氣壓增大線性增加。再提高P，會飽和壓縮空氣可用于內絕緣，如斷路器、高壓標準電容等。23當前23頁，總共59頁。（二）采用強電負性氣體鹵化物氣體電氣強度高24當前24頁，總共59頁。（二）采用強電負性氣體鹵化物氣體電氣強度高的原因：1） 具有很強的電負性，負離子即削弱電離，又加強復合；2） 分子量大，分子直徑大，電子的減小。3） 電離過程伴隨離解過程，需要更多能量。

25當前25頁，總共59頁。（二）采用強電負性氣體選用鹵化物的原則：1液化溫度要低，2應具有良好的化學穩(wěn)定性，3經濟上應當合理，價格便宜，能大量供應

目前得到工程廣泛應用的是SF6及SF6混合氣體26當前26頁，總共59頁。（三）采用高真空氣隙擊穿電壓與真空壓力的關系

接近真空階段：碰撞電離的幾率太小，Ub提高高真空階段：小距離時：強場發(fā)射、金屬氣化大距離時：全電壓效應真空中的Ub與電極材料、表面光潔度、清潔度有關27當前27頁，總共59頁。1.9沿面放電含義：沿空氣與固體介質表面發(fā)生的氣體放電現(xiàn)象稱為沿面放電。擊穿后俗稱閃絡。研究意義：一個絕緣裝置的實際耐壓水平由沿面放電電壓決定。研究范圍：表面干燥、清潔時的沿面放電電壓表面潮濕、污穢時的沿面放電電壓28當前28頁，總共59頁。1.9沿面放電沿面放電的幾種典型電場分布形式

均勻電場強垂直分量弱垂直分量29當前29頁，總共59頁。1.9沿面放電30當前30頁，總共59頁。1.9.1均勻電場中的沿面放電在平行平板中放置瓷柱，雖然瓷柱不影響電場分布，但放電總發(fā)生在瓷柱表面，且擊穿電壓比純空氣的低很多。31當前31頁，總共59頁。1.9.1均勻電場中的沿面放電機理分析：1）固體介質與電極接觸不良，空氣間隙發(fā)生局放，形成的帶電粒子沿介質表面移動。

在連接處涂導電粉末或者導電膠2）潮氣形成水膜，其中的離子在電場下運動，造成沿面電壓分布不均，畸變電場。

憎水性材料3）在瓷柱表面的凸凹處，發(fā)生電場畸變，產生空氣間隙擊穿。帶電粒子分布在固體表面，畸變原有電場，降低了閃絡電壓。4）固體表面電阻不均，造成泄漏電流的壓降分布不均，使電場畸變，降低沿面閃絡電壓。32當前32頁，總共59頁。1.9.1均勻電場中的沿面放電33當前33頁，總共59頁。1.9.2極不均勻場具有強垂直分量

的沿面放電沿套管表面的放電電暈放電細絲狀的輝光放電滑閃放電第一階段：由于接地法蘭附近電力線密集，首先出現(xiàn)電暈。34當前34頁，總共59頁。1.9.2極不均勻場具有強垂直分量

的沿面放電沿套管表面的放電電暈放電細絲狀的輝光放電滑閃放電第二階段：隨著電壓升高，出現(xiàn)平行的許多火花細線，具有輝光放電的特征。35當前35頁，總共59頁。1.9.2極不均勻場具有強垂直分量

的沿面放電沿套管表面的放電電暈放電細絲狀的輝光放電滑閃放電第三階段：電壓繼續(xù)升高，帶電粒子的運動造成介質表面局部發(fā)熱，引起氣體熱電離，出現(xiàn)樹枝狀火花，位置不固定，稱為滑閃放電。36當前36頁，總共59頁。1.9.2極不均勻場具有強垂直分量

的沿面放電最后，第四階段，電壓再升高，滑閃貫通兩級，形成沿面閃絡。37當前37頁，總共59頁。1.9.2極不均勻場具有強垂直分量

的沿面放電滑閃放電在交流和沖擊下表現(xiàn)明顯。隨電壓增加，滑閃長度增長變快，因此單靠加長距離提高閃絡電壓效果不明顯。玻璃管壁變薄，滑閃電壓降低。38當前38頁，總共59頁。1.9.3極不均勻場具有弱垂直分量

的沿面放電沒有熱電離和明顯的滑閃放電；介質表面電荷聚集對電場畸變影響不大；沿面閃絡電壓與空氣擊穿電壓差別不大。實驗表明：這種絕緣子的干式閃絡電壓基本上隨極間距離的增加而增加。39當前39頁，總共59頁。三種情況比較：均勻場中的沿面閃絡電壓最高，有垂直分量的沿面放電電壓低得多；具有強垂直分量的沿面放電電壓很低，因為出現(xiàn)了熱電離和滑閃放電。40當前40頁，總共59頁。1.9.4絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電污閃電壓發(fā)展過程：積污受潮電導增加，電流增大烘干，形成干區(qū)干區(qū)電阻大，壓降大，電場強，開始放電輝光（電暈）轉為電弧局部電弧烘干周圍，干區(qū)擴大，電弧伸長爬電到一定程度，自動延伸，貫穿兩極防止污閃：1改善環(huán)境，減小污染的可能性2改進絕緣子結構設計，降低污穢積累的可能41當前41頁，總共59頁。1.9.5固體介質表面有水膜時的

沿面放電濕閃電壓閃絡途徑：1AB－BCA’：閃絡電壓下降到40%-50%2AB－BA’：下降不多3AB－水流：濕閃電壓降到很低值。42當前42頁，總共59頁。提高沿面放電電壓的方法棱緣屏障（傘裙）屏蔽電極改善電場分布提高表面憎水性避免絕緣體與電極間縫隙改善局部區(qū)域電阻率強制表面電位分布43當前43頁，總共59頁。提高沿面放電電壓的方法以套管型結構為例，也即強垂直分量下的沿面放電鏈形等值回路為:略去了介質的體積電阻44當前44頁，總共59頁。提高沿面放電電壓的方法鏈性等值回路的方程：邊界條件：45當前45頁，總共59頁。提高沿面放電電壓的方法定性來看，電壓分布的不均勻性在于靠近法蘭處的Rs流過的電流大于遠離法蘭處的Rs中流過的電流。措施：1減小比電容C0可加大瓷套外徑、壁厚，或減小介電常數(shù)2減小電場較強處的表面電阻?？赏堪雽w釉、半導體漆等，采用電容式套管、充油式套管46當前46頁，總共59頁。液體、固體電介質的

絕緣特性特點電氣強度高液體兼做滅??；固體兼做支撐電氣強度不受外界影響不可自恢復會逐漸老化47當前47頁，總共59頁。2.1電介質的極化、電導與損耗極化的概念固體介質表面出現(xiàn)束縛電荷相對介電常數(shù)反映極化、儲能特性48當前48頁，總共59頁。極化的基本形式電子式極化離子式極化偶極子極化夾層（界面）極化空間電荷極化49當前49頁，總共59頁。極化機理：電子偏離軌道介質類型：所有介質建立極化時間：極短，10-1410-15s極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（無關） 溫度（無關）極化彈性：彈性消耗能量：無 1.電子式極化50當前50頁，總共59頁。極化機理：正負離子位移介質類型：離子性介質建立極化時間：極短，10-12~10-13s極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（無關） 溫度（隨溫度升高而增加，離子結合力）極化彈性：彈性消耗能量：無2.離子式極化51當前51頁，總共59頁。極化機理：偶極子定向排列介質類型：具有永久性偶極子的極性介質建立極化時間：需時較長，10-1010-2s極化程度影響因素：電場強度（有關）電源頻率（有關，頻率升高，極化減弱）溫度（低溫段增加，高溫段降低（熱運動））極化彈性：非彈性消耗能量：有3.偶極子極化52當前52頁，總共59頁。4.夾層式（界面）極化當t=0:

當t=∞:53當前53頁，總共59頁。

一般情況下：電荷從t=0到t=∞時會重新分配，在介質的交界面處積累電荷。這些電荷形成的極化形式稱夾層式（界面）極化。極化的時間常數(shù)：

高壓絕緣介質的電導G通常都很小，因此夾層極化只有在低頻時才有意義。同樣，去掉外加電壓后，釋放極化電荷的時間也很長。注意安全。4.夾層式（界面）極化54當前54