《高電壓技術》課件-第一章 各類材料的絕緣性能

1.1復合絕緣體的絕緣性能1.1復合絕緣體的絕緣性能【學習任務】1.了解雙層介質的電場分布；2.熟悉復合絕緣結構的局部放電形態(tài)；3.重點學習不同絕緣結構的沿面放電特性及絕緣子表面污染時的沿面放電特性。CompanyLogo1.1復合絕緣體的絕緣性能（1）復合絕緣體的概念實用的絕緣結構使用一種絕緣的情況很少，多把不同絕緣組合起來構成復合絕緣結構。復合絕緣常見的形式是由多種介質構成的層疊絕緣。有機復合絕緣跌落式熔斷器

“油－屏障”式絕緣油浸電力變壓器主絕緣采用的是“油-屏障”式絕緣結構，在這種組合絕緣中以變壓器油作為主要的電介質，在油隙中放置若干個屏障可使油隙的工頻擊穿電壓提高到無屏障時的2倍或更高。（2）典型的復合絕緣體1.1復合絕緣體的絕緣性能油紙絕緣電氣設備中使用的絕緣紙(包括紙板)纖維間含有大量的空隙，因而干紙的電氣強度是不高的，用絕緣油浸漬后，整體絕緣性能可大大提高。油紙絕緣則是以固體介質為主體的組合絕緣，液體介質只是用作充填空隙的浸漬劑。這種組合絕緣的擊穿場強很高，但散熱條件較差。1.1復合絕緣體的絕緣性能（2）典型的復合絕緣體當施加沖擊電壓時，場強與各層介電常數(shù)成反比。一、雙層介質的電場分布1.1復合絕緣體的絕緣性能當施加沖擊電壓時，擊穿的容易程度按氣體、液體、固體排序。雙層絕緣的基礎結構若緩慢施加直流電壓時，場強與各層的電導率成反比。電導率隨物質和其條件的不同變化很大，氣體、液體、固體哪個容易擊穿和當時環(huán)境狀況有關。施加交流電壓時，多和施加沖擊電壓的情況相當。一、雙層介質的電場分布1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo（1）局部放電的概念在含有氣體（如氣隙或氣泡）或液體（如油膜）的固體電介質中，當擊穿強度較低的氣體或液體中的局部電場強度達到其擊穿場強時，這部分氣體或液體開始放電，使電介質發(fā)生不貫穿電極的局部擊穿——局部放電。這種放電雖然不立即形成貫穿性通道，但長期的局部放電，使電介質（特別是有機電介質）的劣化損傷逐步擴大，導致整個電介質擊穿。二、局部放電1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo二、局部放電1.1復合絕緣體的絕緣性能（2）局部放電的類型沿面放電氣隙放電氣泡放電CompanyLogo二、局部放電1.1復合絕緣體的絕緣性能局部放電等值電路氣隙ΙⅡZ~ΙⅡCg為氣泡的電容Cb為與氣泡串聯(lián)的絕緣體的電容Ca為與它們并聯(lián)的絕緣體的電容CompanyLogo當隨U增加達到氣隙放電電壓Ug時，氣隙發(fā)生放電，放電后Cg上的電壓急劇下降，同時Cb通過氣隙被充電。二、局部放電1.1復合絕緣體的絕緣性能當氣隙上電壓降至剩余電壓Ur時，放電熄滅。CompanyLogo當電壓再繼續(xù)上升時，放電依次重復發(fā)生。當外施電壓U經(jīng)峰值后下降，分配在Cg上的電壓也相應降低。二、局部放電1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo當U降至一定值時，它將低于Cb在Cg放電時已充上的電壓，則Cb向Cg反充電，在Cg上的電壓達到﹣Ug時發(fā)生反向放電，放電后Cg上的電壓下降至﹣Ur時放電熄滅。隨著外施電壓繼續(xù)下降到反方向上升，放電則不斷發(fā)生。二、局部放電1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo二、局部放電1.1復合絕緣體的絕緣性能（3）局部放電的等值電路氣泡放電結論

固體內部局部放電次數(shù)多的時間段不是在外加電壓瞬時值最大時，而是電壓瞬時率最大的時間段。CompanyLogo三、沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能

電力系統(tǒng)中，電氣設備的帶電部分要使用固體絕緣材料來支撐或懸掛，這些固體絕緣大多處于空氣之中。1.沿面放電的概念三、沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能1.沿面放電的概念沿面放電——當絕緣子極間電壓超過一定值時，常常在固體介質和空氣的交界面上出現(xiàn)放電現(xiàn)象，這種沿著固體介質表面的氣體發(fā)生的放電現(xiàn)象稱為沿面放電。沿面閃絡——當沿面放電發(fā)展成為貫穿性放電時，就稱為沿面閃絡，簡稱閃絡。固體沿面閃絡電壓比純空氣氣隙擊穿電壓要低，而且受絕緣表面狀態(tài)、污染程度、氣候條件等因素影響很大。三、沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能1.沿面放電的概念電力系統(tǒng)中的絕緣事故，如輸電線路遭受雷擊時絕緣子的閃絡、污穢工業(yè)區(qū)的線路或變電所在雨霧天時絕緣子閃絡引起跳閘等，都是沿面放電造成的。所以研究它的放電機理和規(guī)律對電氣設備的設計和安全運行都有重大的現(xiàn)實意義。CompanyLogo絕緣子，它是用來支持導線的絕緣體。絕緣子可以保證導線和橫擔、桿塔有足夠的絕緣。它在運行中應能承受導線垂直方向的荷重和水平方向的拉力。因此，絕緣子既要有良好的電氣性能，又要有足夠的機械強度。三、沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能絕緣子按結構可分為：支柱絕緣子、懸式絕緣子、套管絕緣子等。三、沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能支柱絕緣子懸式絕緣子套管絕緣子的電氣性故障有閃絡和擊穿兩種。閃絡發(fā)生在絕緣子表面，可見到燒傷痕跡，通常并不失掉絕緣性能。擊穿發(fā)生在絕緣子的內部，通過鐵帽與鐵腳間瓷體放電，外表可能不見痕跡，但已失去絕緣性能，也可能因產生電弧使絕緣子完全破壞。三、沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo2.界面電場分布的三種典型情況氣體介質與固體介質的交界——界面。三、沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能(1)均勻電場：固體介質處于均勻電場中，且界面與電力線平行。1——電極；2——固體介質；3——電力線

三、沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能(2)強垂直分量的極不均勻電場固體介質處于極不均勻電場中，且電力線垂直于界面的分量比平行于界面的分量大得多，類似套管。1——電極；2——固體介質；3——電力線

(2)強垂直分量的極不均勻電場1.1復合絕緣體的絕緣性能瓷套管變壓器用電容套管三、沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能(3)弱垂直分量的極不均勻電場固體介質處于極不均勻電場中，且電力線平行于界面的分量比垂直于界面的分量大得多，類似支持絕緣子。1——電極；2——固體介質；3——電力線

(3)弱垂直分量的極不均勻電場1.1復合絕緣體的絕緣性能復合支持絕緣子戶外高壓支持絕緣子3.均勻電場中的沿面放電其放電特點：放電發(fā)生在沿著固體介質表面，且放電電壓比純空氣間隙的放電電壓要低。均勻電場發(fā)生畸變，導致?lián)舸╇妷合陆?。三、沿面放?.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo造成電場發(fā)生畸變的原因：a.固體介質與電極表面沒有完全密合而存在微小氣隙，或者介面有裂紋，畸變原有電場。b.介質表面不可能絕對光滑，使表面電場不均勻。c.介質表面電阻不均勻使電場分布不均勻。d.介質表面易吸收水分,形成一層很薄的膜，水膜中的離子在電場作用下向兩極移動，易在電極附近積聚電荷，使電場不均勻。3.均勻電場中的沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能4.極不均勻電場具有強垂直分量時的沿面放電(套管型)(1)放電發(fā)展特點

沿面放電過程包括：電暈放電、細線火花放電、滑閃放電和沿面閃絡擊穿四個階段。三、沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能4.極不均勻電場具有強垂直分量時的沿面放電(套管型)(1)放電發(fā)展特點

電暈放電套管法蘭附近電場強，放電首先從此處開始。隨著加在套管上的電壓逐漸升高并達到一定值，法蘭邊緣處的空氣首先發(fā)生游離，出現(xiàn)電暈放電。三、沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能(1)放電發(fā)展特點

b.細線狀輝光放電隨著電壓繼續(xù)升高，電暈放電火花向外延伸，形成許多平行的細線狀火花。細線狀火花的長度隨外加電壓的增加成比例地伸長。4.極不均勻電場具有強垂直分量時的沿面放電(套管型)1.1復合絕緣體的絕緣性能c.滑閃放電電壓增加放電電流加大時，使火花通道頭部電場增強，導致火花通道迅速向前發(fā)展，形成淺藍色的、光亮較強的樹枝狀火花。這種樹枝狀火花不固定在一個位置上，而是不斷地改變放電的路徑，并有輕微的爆裂聲——滑閃放電。(1)放電發(fā)展特點

1.1復合絕緣體的絕緣性能(1)放電發(fā)展特點

d.閃絡放電當電壓升高到滑閃放電的樹枝狀火花到達另一電極時，就產生沿面閃絡擊穿。4.極不均勻電場具有強垂直分量時的沿面放電(套管型)1.1復合絕緣體的絕緣性能(2)影響沿面放電因素分析a.固體介質的介電系數(shù)越大,厚度越小，則電容越大，沿介質表面電壓分布越不均勻，其沿面閃絡電壓越低。b.同理，固體介質的體積電阻越小，沿面閃絡電壓越低。c.固體介質表面電阻減少，可降低沿面的最大電場強度，從而提高沿面閃絡電壓。4.極不均勻電場具有垂直分量時的沿面放電(套管型)1.1復合絕緣體的絕緣性能(3)提高沿面閃絡電壓措施a.減少套管的表面電容。如增大固體介質厚度，加大法蘭處套管的外徑。b.減少絕緣的表面電阻。如在套管表面法蘭處涂半導體漆或半導體釉(電瓷表面施半導體釉后可使表面電阻率降低，可以改善電壓分布；提高電暈電壓，防止無線電干擾以及延長絕緣子的清掃周期等)。4.極不均勻電場具有垂直分量時的沿面放電(套管型)1.1復合絕緣體的絕緣性能由于電極本身的形狀和布置已使電場很不均勻，故介質表面積聚電荷使電壓重新分布不會顯著降低沿面閃絡電壓。因電場垂直分量較小，沿介質表面也不會有較大的電容電流流過，則放電過程中不會出現(xiàn)熱游離和滑閃放電現(xiàn)象。5.極不均勻電場具有強切線分量時的沿面放電(支柱絕緣子型)1.1復合絕緣體的絕緣性能為了提高沿面閃絡電壓，一般從改進電極形狀和改善電極附近的電場著手。5.極不均勻電場具有強切線分量時的沿面放電(支柱絕緣子型)1.1復合絕緣體的絕緣性能增高支柱絕緣子，加大絕緣子裝設均壓環(huán)CompanyLogo絕緣子串的機械強度仍與單個絕緣子相同，其沿面閃絡電壓則隨絕緣子片數(shù)的增多而提高。6.懸式絕緣子串的電壓分布及閃絡特性1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogoa.只考慮對地電容C為絕緣子本身的電容CE為絕緣子金屬部分的對地電容CL為絕緣子金屬部分對導線電容當CE兩端有電位差時，必然有一部分電流經(jīng)CE流入接地鐵塔，流過CE的電流都是由絕緣子串分流出去的，由于各個CE分流的電流將使靠近導線的絕緣子流過的電流最多，從而電壓降也最大。1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo由于各個CL分流電流，將使靠近鐵塔的絕緣子流過的電流最大，從而電壓降也最大。1.1復合絕緣體的絕緣性能b.只考慮對導線電容C為絕緣子本身的電容CL為絕緣子金屬部分對導線電容CompanyLogoC為絕緣子本身的電容CE為絕緣子金屬部分的對地電容CL為絕緣子金屬部分對導線電容由于CE＞CL，即CE的影響比CL大，所以絕緣子串中，靠近導線端的絕緣子電壓降最大。當靠近鐵塔橫擔時，CL作用顯著，電壓降又有些升高。1.1復合絕緣體的絕緣性能c.同時考慮對地和對導線a.絕緣子片數(shù)越多，電壓分布越不均勻。絕緣子本身的電容C越大，絕緣子串的電壓分布也就比較均勻；增大CL，能在一定程度上補償CE的影響，使電壓分布的不均勻程度減小。b.靠近導線端第一個絕緣子電壓降最高，易產生電暈放電。在工作電壓下不允許產生電暈，故對330kV及以上電壓等級考慮使用均壓環(huán)。分析結果：1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo濕閃：表面潔凈的絕緣子在淋雨時的閃絡。干閃：表面干燥、潔凈的絕緣子發(fā)生的閃絡。污閃：表面臟污的絕緣子在受潮情況下的閃絡。絕緣子的三種閃絡方式1.1復合絕緣體的絕緣性能干閃和濕閃在過電壓條件下才能發(fā)生，而污閃一般在工作電壓下就能發(fā)生，常造成長時間、大面積的停電，要待不利的氣象條件消失后才能供電，因此污閃事故對電力系統(tǒng)造成的危害特別大。CompanyLogo絕緣子在長期運行中，大氣中的塵埃微粒沉積到其表面形成污穢層。在干燥氣候時，污穢層電阻很大，絕緣性能不會降低，但在霧、露、小雨、雪等氣象條件下，污穢層中的電解質濕潤后，使表面電導率增加，絕緣性能下降，而其中的灰分等保持水分，促進污穢層進一步受潮，從而溶解更多的電解質，造成絕緣子濕潤表面的閃絡放電——污閃。7.絕緣子表面污穢時的沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能案例11998-2002的5年，珠海地區(qū)110-220kV線路共運行38.286百公里·年，在此期間共發(fā)生污閃跳閘9次，污閃跳閘率為0.24次/百公里·年，遠遠大于規(guī)模推薦值的0.1次/百公里·年。線路污閃事故1.1復合絕緣體的絕緣性能案例22002年2月22日凌晨，沈陽地區(qū)電網(wǎng)因濃霧發(fā)生大面積嚴重污閃，污閃造成220kV供電系統(tǒng)崩潰，66kV及以下供電系統(tǒng)隨之崩潰和嚴重波動，直到午時1點供電才趨于平穩(wěn)，此次污閃造成了化工廠全長供電、供水、供汽中斷，常壓、催化裂解、氣體分餾、尿素脫臘產品精制等生產裝置停車。特別是催化裝置的主風機、汽壓機等重要設備突然停機，一旦操作不慎極易引發(fā)爆燃爆炸事故。線路污閃事故1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo案例32012年3月17日，哈爾濱市發(fā)生66kV送電線路污閃事故，由于自動裝置不配合，大電網(wǎng)的集中管理不協(xié)調，造成2個電廠、33條送電線路、45個變電所、121條配電線路停電。哈爾濱市的用電幾乎全停的大面積停電事故。線路污閃事故1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo哈爾濱電業(yè)局未按環(huán)境條件變化及時進行預防絕緣子污閃的工作，以致哈爾濱熱電廠的7條送電線路在很短的時間，相繼發(fā)生污閃故障，是這次大面積停電事故發(fā)生的直接原因。由于哈市電網(wǎng)已發(fā)展成為大電網(wǎng)，但是沒有按大電網(wǎng)的特點和相應措施來集中管理，自動裝置不配合，在很短的時間與東北主網(wǎng)解列，地區(qū)內2個廠、45個所、38條送電線路、121條配電線路全停，是事故擴大的主要原因。這次大面積停電事故暴露出運行單位對線路污閃問題重視不夠，特別是對污源掌握不準，防污工作未能搶前抓早地進行。線路污閃事故1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo絕緣子污閃放電的顯著特點是閃絡電壓低，可能低到10kV及以下。標準絕緣子在干燥清潔狀態(tài)下每片的閃絡電壓平均為75kV，在潮濕狀態(tài)下也有45kV。污穢絕緣子的沿面放電過程與清潔表面完全不同，不再是一種單純的空氣間隙的擊穿現(xiàn)象，而是一種與電、熱、化學因素有關的污穢表面氣體電離、表面層發(fā)熱和烘干，以及局部電弧發(fā)生、發(fā)展的熱動力平衡過程。7.絕緣子表面污穢時的沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo宏觀上可將污閃放電過程分為四個階段：絕緣子表面的積污、污穢層的濕潤、形成干帶、局部放電的產生和發(fā)展并導致沿面閃絡。因此污閃的三要素：絕緣子表面積污、污穢層濕潤和電壓作用。7.絕緣子表面污穢時的沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo污穢受潮——

泄露電流增大——

形成干區(qū)——

電弧出現(xiàn)——

干區(qū)擴大——

電弧貫穿兩極。7.絕緣子表面污穢時的沿面放電1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo(1)對污穢絕緣子定期或不定期進行清洗。8.防止絕緣子的污閃，應采取措施1.1復合絕緣體的絕緣性能(2)絕緣子表面涂一層憎水性防塵材料。8.防止絕緣子的污閃，應采取措施1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo(3)增加爬電距離爬電距離是指沿面最短距離，可直接加大沿面最短距離，抑制電流，提高閃絡電壓。因此對懸式絕緣子串，常用增加片數(shù)或采用大爬電距離的絕緣子。8.防止絕緣子的污閃，應采取措施1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo(4)采用半導體釉絕緣子。(5)采用合成釉絕緣子。8.防止絕緣子的污閃，應采取措施1.1復合絕緣體的絕緣性能CompanyLogo1.1復合絕緣體的絕緣性能答：當絕緣子極間電壓超過一定值時，常常在固體介質和空氣的交界面上出現(xiàn)放電現(xiàn)象，這種沿著固體介質表面的氣體發(fā)生的放電現(xiàn)象稱為沿面放電。當沿面放電發(fā)展成為貫穿性放電時，就稱為沿面閃絡，簡稱閃絡。思考題（1）什么是沿面放電和沿面閃絡？CompanyLogo1.1復合絕緣體的絕緣性能思考題（2）為了防止絕緣子的污閃，可以采取哪些措施？答：1)對污穢絕緣子定期或不定期進行清洗；2)絕緣子表面涂一層憎水性防塵材料；3)增加爬電距離；4)采用半導體釉絕緣子。5)采用合成釉絕緣子。CompanyLogo1.1復合絕緣體的絕緣性能本節(jié)小結1.雙層介質的電場分布加沖擊電壓:擊穿容易程度,氣體＞液體＞固體;緩慢施加直流電壓:氣體、液體、固體哪個容易擊穿和當時環(huán)境狀況有關;加交流電壓:多和施加沖擊電壓的情況相當。2.局部放電固體內部局部放電次數(shù)多的時間段不是在外加電壓瞬時值最大時，而是電壓瞬時率最大的時間段。CompanyLogo1.1復合絕緣體的絕緣性能本節(jié)小結3.沿面放電（1）不同絕緣結構的沿面放電特性均勻電場中的沿面放電：放電原因為小氣隙和薄水膜；極不均勻電場具有強垂直分量時的沿面放電（套管）：沿面放電過程包括電暈放電、細線火花放電、滑閃放電和沿面閃絡擊穿四個階段；極不均勻電場具有強切線分量時的沿面放電（支柱絕緣子）：因電場垂直分量較小，放電過程中不會出現(xiàn)熱游離和滑閃放電現(xiàn)象。CompanyLogo1.1復合絕緣體的絕緣性能本節(jié)小結3.沿面放電（2）懸式絕緣子串的電壓分布及閃絡特性絕緣子片數(shù)越多，電壓分布越不均勻?？拷鼘Ь€端第一個絕緣子電壓降最高，易產生電暈放電。（3）絕緣子表面污染時的沿面放電污閃的放電過程包括絕緣子表面的積污、污穢層的濕潤、形成干帶、局部放電的產生和發(fā)展并導致沿面閃絡四個宏觀階段。1.2氣體的絕緣性能1.2氣體的絕緣性能【學習任務】1.了解湯遜理論、巴森定律、流注理論的理論要點，理解湯遜理論與流注理論的異同點。（解釋放電現(xiàn)象）2.了解極不均勻電場中電暈放電的幾種效應。CompanyLogo氣體絕緣材料是用以隔絕不同電位導電體的氣體。其特點：具有高的電離場強和擊穿場強，擊穿后能迅速恢復絕緣性能，化學穩(wěn)定性好，不燃、不爆、不老化，無腐蝕性，不易為放電所分解，并且導熱性、流動性均好。1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo氣體特別是空氣是電力系統(tǒng)中最常見的應用最廣泛的絕緣材料。例如，交、直流輸電線路的架空導線間、架空導線對地間均由空氣絕緣。1.2氣體的絕緣性能由于氣體的介電系數(shù)穩(wěn)定，其介質損耗極小，所以高壓標準電容器均采用氣體介質，早期采用高氣壓的氮或二氧化碳，目前已為六氟化硫

(SF6)氣體取代。在高壓斷路器中SF6兼作滅弧和絕緣，性能優(yōu)良，已逐步取代少油斷路器和壓縮空氣斷路器。1.2氣體的絕緣性能六氟化硫斷路器CompanyLogo一、湯遜放電理論1.2氣體的絕緣性能20世紀除英國物理學家湯遜在均勻電場、低氣壓、短間隙的條件下進行了放電試驗，根據(jù)試驗結果提出了解釋氣體放電的理論，稱為湯遜理論。CompanyLogo實驗電路：一、湯遜放電理論1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo分析：oA段：電流隨電壓升高而升高。AB段：電流趨向于飽和值，所以電流值與所加電壓無關。BC段：由于氣隙中出現(xiàn)碰撞電離和電子崩。電壓升高碰撞電離增強但仍靠外電離維持(非自持)C點后：只靠外加電壓就能維持(自持)一、湯遜放電理論1.2氣體的絕緣性能均勻電場中氣體的伏安特性碰撞游離處于電場中的帶電質點，受電場力的作用，沿電場方向不斷得到加速并積累動能。當具有的動能積累到一定數(shù)值后，在其與氣體原子（或分子）發(fā)生碰撞時，可以使后者發(fā)生游離。由碰撞而引起的游離稱為碰撞游離。一、湯遜放電理論1.2氣體的絕緣性能電子崩外界電離因子在陰極附近產生了一個初始電子，如果空間電場強度足夠大，該電子在向陽極運動時就會引起碰撞電離，產生一個新的電子。初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運動，又會引起新的碰撞電離，產生更多電子。依此，電子將按照幾何級數(shù)不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流——電子崩。一、湯遜放電理論1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo非自持放電去掉外界游離因素的作用后，放電隨即停止。自持放電不需要外界游離因素存在，放電也能維持下去。一、湯遜放電理論1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo一、湯遜放電理論1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo湯遜理論的實質：將電子崩和陰極上的γ過程作為氣體自持放電的決定因素——湯遜理論的基礎。電子碰撞電離是氣體放電的主要原因。二次電子來源于正離子撞擊陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。所逸出的電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。一、湯遜放電理論1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo湯遜理論是在低氣壓pd較小條件下建立起來的，當pd過大時（氣壓高、距離大）湯遜理論無法解釋。一、湯遜放電理論1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo表征均勻電場氣體間隙的擊穿電壓與間隙距離和氣壓之間關系的定律。該定律說明：在均勻電場下，氣體間隙擊穿電壓(ub)是氣壓(p)和極間距離(d)乘積的函數(shù)。二、巴森定律1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo二、巴森定律1.2氣體的絕緣性能均勻電場中幾種氣體擊穿電壓Ub與pd的關系極值CompanyLogo二、巴森定律1.2氣體的絕緣性能高氣壓、高真空都可以提高擊穿電壓，工程上已得到廣泛應用（如：壓縮空氣開關、真空開關等）d一定時：p↓→氣體密度↓→碰撞次數(shù)↓→Ub↑p一定時：d↓→電子雪崩不能充分發(fā)展→Ub↑d一定時：p↑→電子碰撞的平均距離↓→電子碰撞電離所需能量↑→Ub↑p一定時：d↑→碰撞次數(shù)↑→電場強度E↓→Ub↑巴森定律解釋左半支U=f(pd)右半支CompanyLogo三、流注理論1.2氣體的絕緣性能

高電壓技術面對的往往是高氣壓、長間隙、不均勻的情況。湯遜理論并不適用，比如雷電放電并不存在金屬電極，因而陰極上的γ過程和二次電子發(fā)射根本無關。高壓放電——閃電的現(xiàn)實模擬CompanyLogo1.在pd乘積較大時，用湯遜理論無法解釋的幾種現(xiàn)象：擊穿放電時間

擊穿過程所需時間，湯遜理論計算值比實測放電時間小10-100倍。與陰極材料無關

按湯遜理論，擊穿過程與陰極材料有關，然而在大氣壓力下的空氣中，間隙擊穿電壓與陰極材料無關。放電過程有分支明亮細通道

按湯遜理論，氣體放電應在整個間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展，但在大氣中擊穿時，會出現(xiàn)有分支的明亮細通道。三、流注理論1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo三、流注理論1.2氣體的絕緣性能1939年，Leob（勒布）和Meek（米克）等在霧室里對放電過程中帶電粒子的運動軌跡拍照進行研究，在實驗基礎上于1940年發(fā)表了流注理論，它能較好的解釋這種高氣壓長氣隙中的氣體放電現(xiàn)象。建立的基礎：在電子崩理論基礎上經(jīng)過大量實驗，為補充和發(fā)展電子崩理論而提出的。流注理論與湯遜理論的不同之處：1）空間電荷對原有電場的影響；2）空間光電離的作用。起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩。初崩發(fā)展到陽極，正離子作為空間電荷畸變原電場，加強正離子與陰極間電場，放射出大量光子。光電離產生二次電子，在加強的局部電場下形成二次崩1.2氣體的絕緣性能二次崩電子與正空間電荷匯合成流注通道，其端部有二次崩留下的正電荷，加強局部電場產生新電子雪崩使其發(fā)展。流注頭部電離迅速發(fā)展，放射出大量光子，引起空間光電離，流注前方出現(xiàn)新的二次電子雪崩，延長流注通道。流注通道貫通，氣隙擊穿。1.2氣體的絕緣性能3.流注條件（必要條件）電子雪崩發(fā)展到足夠的程度，電子雪崩中的空間電荷足以使原電場明顯畸變，加強電子雪崩頭部和崩尾處的電場。電子雪崩中電荷密度很大，所以復合頻繁，放射出的光子在這部分很強，電場區(qū)很容易成為引發(fā)新的空間光電離的輻射源，二次電子主要來源于空間光電離；氣隙中一旦形成流注，放電就可由空間光電離自行維持。三、流注理論1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo1.2氣體的絕緣性能思考題（1）流注理論與湯遜理論的區(qū)別在哪里？他們各自適應的范圍如何？答：1）空間電荷對原有電場的影響；2）空間光電離的作用。湯遜理論主要解釋低氣壓、短間隙的氣體放電，流注理論解釋高氣壓、長間隙的氣體放電。CompanyLogo在電力工程的大多數(shù)實際絕緣結構中，電場都是不均勻的。考慮到實際絕緣結構中電場分布形式的多樣性，常用棒—棒（或針—針）和棒—板（或針—板）間隙的電場作為典型的不均勻電場來研究。工程上遇到不均勻電場時，可根據(jù)這兩種電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)來估算絕緣距離。四、局部放電1.2氣體的絕緣性能四、局部放電1.2氣體的絕緣性能定義：由于電場強度沿氣隙的分布極不均勻，因而當所加電壓達到某一臨界值時，曲率半徑較小的電極附近空間的電場強度首先達到了起始場強E，在這個局部區(qū)域出現(xiàn)碰撞電離和電子崩，甚至出現(xiàn)流注，這種僅僅發(fā)生在強場區(qū)（小曲率半徑電極附近空間）的局部放電——電暈放電。電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自持放電形式。開始發(fā)生電暈時的電壓稱為電暈起始電壓，而電極表面的電場強度稱為電暈起始電場強度。1.電暈放電CompanyLogo1.電暈放電四、局部放電1.2氣體的絕緣性能電暈放電的不利影響產生能量損耗工程上經(jīng)常遇到極不均勻電場。架空輸電線路就是一個例子，雨雪等惡劣天氣時，在高壓輸電線路附近可聽到電暈的咝咝聲，夜晚開可以看到導線周圍有紫色暈光。氣體放電過程中的光、聲、熱的效應以及化學反應等都要引起能量損耗。CompanyLogo1.電暈放電四、局部放電1.2氣體的絕緣性能電暈放電的不利影響產生高頻電磁波，干擾通信產生臭氧、氮氧化物，有腐蝕作用臭氧（O3）硝酸腐蝕的示例1.電暈放電四、局部放電1.2氣體的絕緣性能限制電暈的方法改進電極形狀，增大曲率半徑變電站或開關站220kV及以上電壓等級的母線通常采用管型母線，使母線周圍電場分布均勻，提高起暈電壓，限制電暈。1.電暈放電1.2氣體的絕緣性能限制電暈的方法對輸電線路采用分裂導線與單根導線相比，分裂導線附近的電磁場分布發(fā)生了變化，每相電荷在該相的各根分導線上，這樣就等效于加大了該相導線的半徑，減小導線表面電荷密度，因而降低導線表面電場強度，從而抑制電暈放電。2.極不均勻電場的放電過程以棒—板為例，在棒與板之間的長間隙施加正沖擊電壓，在棒電極頭部電場高的地方發(fā)生多個局部流注放電，這些流注匯集起來成為導電性較高的高密度等離子體狀態(tài)——先導。先導到達對面平板電極時，把兩電極跨接起來。電源供給很大能量，先導轉為主放電，即絕緣擊穿。四、局部放電1.2氣體的絕緣性能3.極性效應在極不均勻電場中，放電一定從曲率半徑較小的那個電極表面開始，與該電極極性無關。但后來的發(fā)展過程、氣隙的電氣強度、擊穿電壓等都與該電極的極性有密切的關系。極不均勻電場中的放電存在著明顯的極性效應。四、局部放電1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo3.極性效應極性決定于表面電場較強的電極所具有的電位符號：在兩個電極幾何形狀不同時，極性取決于曲率半徑較小的那個電極的電位符號，如“棒-板”氣隙。在兩個電極幾何形狀相同時，極性取決于不接地的那個電極上的電位，如“棒-棒”氣隙。四、局部放電1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo正極性(1)自持放電前階段正空間電荷削弱棒極附近場強，阻止棒極附近流注形成，使電暈起始電壓提高。(2)自持放電階段空間電荷加強放電區(qū)外部空間的電場，因此當電壓進一步提高時，強場區(qū)將逐漸向極板推進至擊穿。1.2氣體的絕緣性能正棒-負板間隙1.2氣體的絕緣性能負極性(1)自持放電前階段正空間電荷加強棒極附近場強，促進棒極附近流注形成，使電暈起始電壓降低。(2)自持放電階段正空間電荷削弱外部電場，當電壓進一步提高時，電暈區(qū)不易向外擴展，氣隙擊穿將不順利，因此負極性擊穿電壓比正極性高很多，完成擊穿所需時間也長得多。負棒-正板間隙3.極性效應四、局部放電1.2氣體的絕緣性能起暈電壓擊穿電壓負棒-正板間隙＜正棒-負板間隙負棒-正板間隙＞正棒-負板間隙四、局部放電1.2氣體的絕緣性能思考題（1）什么是電暈放電？電暈會有哪些不利的影響？答：在極不均勻電場中，間隙擊穿前在強場區(qū)（小曲率半徑電極附近空間）的局部放電稱為電暈放電。不利影響：a）產生能量損耗；b）產生高頻電磁波，干擾通信；c）產生臭氧、氮氧化物，有腐蝕作用。四、局部放電1.2氣體的絕緣性能思考題（2）什么是極性效應?比較棒—板氣隙極性不同時電暈起始電壓和擊穿電壓的高低？答：在極不均勻電場中，間隙的起暈電壓和擊穿電壓等都與該電極的極性有密切的關系。正極性棒-板間隙電暈起始電壓比負極性的略高；負極性棒-板間隙的擊穿電壓比正極性的高得多。CompanyLogo湯遜理論只適用于pd值較小的范圍，流注理論只適用于pd值較大的范圍，二者過渡值為pd=26.66kPa·cm。1.湯遜理論的基本觀點電子碰撞電離是氣體放電時電流倍增的主要過程，而陰極表面的電子發(fā)射是維持放電的必要條件。小結1.2氣體的絕緣性能CompanyLogo2.流注理論的基本觀點以湯遜理論的碰撞電離為基礎，強調空間電荷對電場的畸變作用，著重于用氣體空間光電離來解釋氣體放電通道的發(fā)展過程。放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過程，當初始電子崩中離子數(shù)達108以上時，引起空間光電離質變，電子崩匯合成流注。流注一旦形成，放電轉入自持。小結1.2氣體的絕緣性能3.巴森定律在均勻電場中，氣體的擊穿電壓Ub是氣壓p和間隙距離d乘積的函數(shù)。4.電暈放電電暈放電是極不均勻電場中特有的放電現(xiàn)象。在空間電荷的作用下，棒-板電極會出現(xiàn)極性效應：負棒-正板間隙比正棒-負板間隙更容易產生電暈；正棒-負板間隙比負棒-正板間隙更容易被擊穿。小結1.2氣體的絕緣性能1.3液體的絕緣性能CompanyLogo1.3液體的絕緣性能【學習任務】1.了解液體電介質的擊穿機理。2.理解影響液體電介質擊穿電壓的因素。3.掌握提高液體電介質擊穿電壓的方法。CompanyLogo液體絕緣材料：又稱絕緣油，在常溫下為液體，在電氣設備中起絕緣、傳熱、浸漬及填充作用，主要用在變壓器、斷路器、電容器和電纜等油浸式的電氣設備中。1.3液體的絕緣性能CompanyLogo液體絕緣材料的特點在斷路器和電容器中的絕緣油還分別有滅弧和儲能的作用；液體電介質有流動性，與固體電介質一道使用時，可以填充固體介質的空隙，從而大大提高了絕緣的局部放電起始電壓和絕緣的電氣強度；液體電介質與氣體電介質一樣，擊穿后有自愈性，但電氣強度比氣體的高，用液體電介質代替氣體電介質制造的高壓電氣設備體積小，節(jié)省材料。1.3液體的絕緣性能注意：液體電介質大多可燃，易氧化變質，產生水分、氣體、酸、油泥等，導致電氣性能變壞。CompanyLogo液體絕緣材料的分類（1）礦物油絕緣用礦物油是由石油精制而成的液體絕緣材料，其主要成分是烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴，具有很好的化學穩(wěn)定性和電氣穩(wěn)定性。1.3液體的絕緣性能目前使用最廣泛的是礦物油，而礦物油又以變壓器油的用量最多。CompanyLogo液體絕緣材料的分類（2）合成油合成油是人工合成的液體絕緣材料。它克服了礦物油中難以除凈降低絕緣性能的組分、易燃燒、耐熱性低、介電常數(shù)不高等缺點，開發(fā)了性能優(yōu)良的合成絕緣油。1.3液體的絕緣性能液體絕緣材料的分類（3）植物油天然植物油的主要成分是甘油三脂肪酸酯。植物油來源于天然的油料作物經(jīng)壓榨、精煉和改性等工藝獲得，具有良好的電氣性能，幾乎可以完全生物降解，閃點高于300℃。同時，植物油的工頻擊穿電壓值明顯比其他絕緣油高，對水分有較強的吸收能力，有利于延緩絕緣紙老化速度。1.3液體的絕緣性能CompanyLogo1.3液體的絕緣性能純凈液體的電氣強度很高，其擊穿機理主要是以下兩種：電擊穿氣泡擊穿CompanyLogo在電場作用下，陰極上由于強電場發(fā)射或熱電子發(fā)射出來的電子產生碰撞電離形成電子崩，最后導致液體擊穿。由電擊穿理論知：純凈液體的密度增加時，擊穿場強會增大；溫度升高時液體膨脹，擊穿場強會下降；由于電子崩的產生和空間電荷層的形成需要一定時間，當電壓作用時間很短時，擊穿場強將提高，因此液體介質的沖擊擊穿場強高于工頻擊穿場強。

一、電擊穿1.3液體的絕緣性能CompanyLogo液體分子由電子碰撞而產生氣泡，或在電場作用下因其它原因產生氣泡，由氣泡內的氣體放電而引起液體擊穿。二、氣泡擊穿1.3液體的絕緣性能CompanyLogo液體中氣泡產生的原因：陰極的強場發(fā)射或熱發(fā)射的電子電流加熱液體介質，分解出氣體。由電場加速的電子碰撞液體分子，使液體分子解離產生氣體。電極表面吸附的氣泡脫離出來電極上尖的或不規(guī)則的凸起物上的電暈放電引起液體氣化。二、氣泡擊穿1.3液體的絕緣性能氣泡擊穿過程液體電介質中出現(xiàn)氣泡以后，在足夠強的電場作用下，首先氣泡內的氣體電離，氣泡溫度升高、體積膨脹，電離進一步發(fā)展。帶電離子又不斷撞擊液體分子，使液體分解出氣體，擴大了氣體通道。電離的氣泡或在電極間形成連續(xù)小橋，或畸變了液體電介質中的電場分布，導致液體電介質擊穿。二、氣泡擊穿1.3液體的絕緣性能工程用變壓器油是有雜質的，這些雜質的介電常數(shù)和電導率均與變壓器油不同，從而會畸變油中電場，影響油的擊穿。用“小橋”理論來解釋。三、懸浮粒子產生的擊穿1.3液體的絕緣性能三、懸浮粒子產生的擊穿1.3液體的絕緣性能當液體介質中有懸浮固體雜質微粒時，也會使液體介質擊穿場強降低。一般固體懸浮粒子的介電常數(shù)比液體大，在電場力的作用下，這些粒子在電極表面幾種處逐漸聚集起來，在電極間形成小橋，擊穿電壓下降。雜質小橋擊穿模型“小橋”理論：CompanyLogo1.水分和其他雜質懸浮狀水滴在油中是十分有害的，當含水量為萬分之幾時，它對擊穿電壓就有明顯的影響。當油中有其他雜質時，擊穿電壓的下降程度隨雜質的種類和數(shù)量而異。

四、影響液體電介質擊穿電壓的因素1.3液體的絕緣性能CompanyLogo2.溫度溫度對液體電介質擊穿電壓的影響隨介質的品質、電場的均勻程度以及電壓種類的不同而異。3.壓力不論電場均勻與否，工程上用的變壓器油在工頻電壓作用下，其擊穿電壓隨壓力增加而增大。

四、影響液體電介質擊穿電壓的因素1.3液體的絕緣性能CompanyLogo4.電壓作用時間油隙的擊穿電壓會隨著電壓作用時間的增加而下降，外加電壓時間還會影響油的擊穿性質。電壓作用時間為數(shù)百微秒前，雜質的影響沒有顯示出來，為電擊穿。時間更長，雜質開始聚集，油隙的擊穿開始出現(xiàn)熱過程，為熱擊穿。四、影響液體電介質擊穿電壓的因素1.3液體的絕緣性能5.電場均勻程度電場愈均勻，水分等雜質對擊穿電壓的影響愈大，擊穿電壓的分散性也愈大。當絕緣油的純度較高時，改善電場的均勻程度使工頻或直流電壓下的擊穿電壓明顯提高。品質較差的絕緣油，雜質的聚集和排列使電場畸變，改善電場以提高擊穿電壓的作用不明顯。四、影響液體電介質擊穿電壓的因素1.3液體的絕緣性能1.提高以及保持油的品質過濾：用濾紙吸附變壓器油中的纖維，有機酸等雜質。防潮：充油的電氣設備在制造、檢修及運行過程中必須注意防止水分侵入。脫氣：先將油加熱，在真空下利用水的沸點低，實現(xiàn)油和水的自然分離（脫水）。

五、提高液體電介質擊穿電壓的措施1.3液體的絕緣性能2.采用固體電介質降低雜質的影響在絕緣結構上采用覆蓋層、絕緣層和屏障，降低雜質的影響。

五、提高液體電介質擊穿電壓的措施1.3液體的絕緣性能2.采用固體電介質降低雜質的影響覆蓋層：在曲率半徑小的電極上覆蓋薄（＜1mm）的電纜紙、黃蠟布、涂漆膜。絕緣層：在不均勻電場中曲率半徑較小的電極上包裹較厚的（幾mm）的電纜紙等固體絕緣層。屏障：在油中采用厚度2-7mm的紙、膠紙、膠布等壓板或圓筒、圓管。五、提高液體電介質擊穿電壓的措施1.3液體的絕緣性能1.3液體的絕緣性能思考題（1）影響液體介質擊穿電壓的主要因素有哪些？答：1）水分或其他雜質；2）溫度；3）壓力；4）電壓作用時間；5）電場均勻程度。1.3液體的絕緣性能思考題（2）提高液體電介質擊穿電壓的措施？答：1）采用過濾、防潮和脫氣等方式，提高以及保持油的品質；2）在絕緣結構上采用覆蓋層、絕緣層和屏障等固體電介質，降低雜質的影響。1.4固體的絕緣性能用作內絕緣的固體介質常見的有絕緣紙、紙板、云母、塑料等,以及用于制造絕緣子的電瓷、玻璃和硅橡膠等。1.4固體的絕緣性能【學習任務】1.了解固體電介質的擊穿機理。2.了解影響固體電介質擊穿電壓的因素，能正確運用提高固體電介質擊穿電壓的方法。固體絕緣材料：用以隔絕不同電位導電體的固體。一般還要求固體絕緣材料兼具支撐作用。與氣體絕緣材料、液體絕緣材料相比，固體絕緣材料由于密度較高，因而擊穿強度也高得多?？諝饨^緣材料的耐電強度一般在3kV/mm-4kV/mm左右；液體絕緣材料的耐電強度在10kV/mm-20kV/mm；固體絕緣材料的耐電強度在十幾至幾百kV/mm。1.4固體的絕緣性能固體介質擊穿的特點：擊穿場強一般比氣體和液體電介質高得多，可以減少絕緣厚度。擊穿場強與電壓作用時間有很大的關系。絕緣是非自恢復的，一旦發(fā)生擊穿，其絕緣性能不能再自行恢復。1.4固體的絕緣性能1.4固體的絕緣性能固體絕緣材料的分類（1）陶瓷瓷是以粘土、長石等主要原料經(jīng)高溫燒制而成具有堅硬結構的無機材料。作為絕緣材料有著悠久的歷史，對電力工業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻。在當今電力系統(tǒng)中，陶瓷絕緣材料仍然是輸變電設施的主要絕緣材料。與其它絕緣材料相比，陶瓷材料不僅價格低廉、機械強度高、變形小，而且還具有優(yōu)異的耐冷、耐熱和耐腐蝕性，因而應用廣泛。支柱絕緣子懸式絕緣子1.4固體的絕緣性能固體絕緣材料的分類（2）玻璃與瓷絕緣子相比，鋼化玻璃絕緣子強度是瓷質絕緣子的2倍左右，耐電擊穿性能是瓷質絕緣子的3-4倍。此外，鋼化玻璃絕緣子的耐振動、耐疲勞、耐電弧燒傷和耐冷熱沖擊性能也都優(yōu)于瓷質絕緣子。玻璃絕緣子1.4固體的絕緣性能固體絕緣材料的分類（3）云母云母是鉀、鋁、鎂、鐵、鋰等金屬的鋁硅酸鹽的總稱，它具有很高的電絕緣強度、耐電暈、耐熱以及良好的力學性能，被廣泛用作電子、電力工業(yè)上的絕緣材料。例如，一片厚度為0.025mm的云母片，其電擊穿強度達4kV；它的抗電暈和電火花的能力，高于所有的有機絕緣材料；在500℃以下的溫度范圍內，它能長期保持透明狀態(tài)，沒有彈性損失和碳化現(xiàn)象。云母礦石1.4固體的絕緣性能固體絕緣材料的分類（4）合成樹脂合成樹脂是人工合成的一類高分子聚合物，為粘稠液體加熱可軟化的固體，受熱時通常由熔融或軟化的溫度范圍，在外力作用下，可呈塑性流動狀態(tài)，某些性質與天然樹脂相似。合成樹脂最重要的應用是制造塑料。合成樹脂還是制造合成纖維、涂料、膠粘劑、絕緣材料等基礎原料。交聯(lián)聚乙烯環(huán)氧樹脂干式變壓器膠木（酚醛）固體絕緣的擊穿1.4固體的絕緣性能固體電介質擊穿后，出現(xiàn)燒焦或熔化的通道、裂縫等，即使去掉外施電壓，也不像氣體、液體電介質那樣能自動恢復絕緣性能。電擊穿——在強電場下電介質內部電子劇烈