介質(zhì)絕緣特性與電氣強度課件

1、介質(zhì)的絕緣特性與電氣強度（1）氣體放電的基本物理過程（2）氣體介質(zhì)的電氣強度（3）靜電感應(yīng)現(xiàn)象（4）等效電容的應(yīng)用（5）固體介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿（6）液體介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿（7）關(guān)于絕緣材料的電容電流（8）絕緣介質(zhì)的介電損耗（9）電力系統(tǒng)過電壓氣體介質(zhì)是電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備中常用的絕緣介質(zhì)。如：空氣、SF6氣體等。當(dāng)電場強度達(dá)到一定數(shù)值后，氣體會失去絕緣能力，從而造成事故。（1）氣體放電的基本物理過程處于正常狀態(tài)的氣體是一種絕緣介質(zhì)，但是氣體通常并不是理想的絕緣介質(zhì)，因為氣體中總是存在少量帶電質(zhì)點。帶電質(zhì)點的產(chǎn)生

在電場作用下氣體間隙中能發(fā)生放電現(xiàn)象，說明其中存在大量帶電質(zhì)點。帶電質(zhì)點產(chǎn)生的兩種形式：氣體分子的電離金屬的表面電離

碰撞電離：在電場作用下，電子被加速而獲得動能，當(dāng)電子從電場獲得的動能等于或大于氣體分子的電離能時，就有可能因碰撞而使氣體分子發(fā)生電離，分裂為電子和正離子。光電離：光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光電離。熱電離：由分子熱運動引起的氣體分子的電離。氣體分子的電離：碰撞電離；光電離；熱電離金屬表面電離：電子從金屬表面逸出稱為表面電離。

金屬表面電離的主要形式：正離子碰撞陰極；光電效應(yīng)；場致發(fā)射；熱電子放射（一）正離子碰撞陰極正離子在電場中加速碰撞陰極表面，陰極釋放出2個以上電子，一個和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子。（二）光電效應(yīng)光電效應(yīng)：金屬表面受到光的照射放射出電子，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。（三）場致發(fā)射在陰極附近加以很強的外電場使陰極放射出電子，稱為場致發(fā)射或冷發(fā)射。由于場致發(fā)射所需外電場極強，在107V/cm數(shù)量級，所以在一般氣體間隙的擊穿過程中不會發(fā)生場致發(fā)射。（四）熱電子放射陰極達(dá)到很高溫度時，電子可獲得巨大動能而逸出金屬表面，稱為熱電子放射。

負(fù)離子的形成：電子和氣體分子碰撞非但沒有電離出新電子，反而是碰撞電子附著于分子，形成了負(fù)離子。能夠在電子碰撞過程中形成負(fù)離子氣體，稱為電負(fù)性氣體。已發(fā)現(xiàn)的負(fù)離子有：

負(fù)離子的形成起著阻礙放電的作用負(fù)離子的形成帶電質(zhì)點的消失三種方式：1、帶電質(zhì)點在電場作用下作定向運動，從而消失于電極（形成電流）；2、帶電質(zhì)點的擴散帶電質(zhì)點從濃度高的地方向濃度低的地方移動，趨向是使帶電質(zhì)點的濃度變得均勻。3、帶電質(zhì)點的復(fù)合正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和，并還原為原子或分子的過程稱為復(fù)合。氣體放電：氣體中存在電流的各種形式統(tǒng)稱為氣體放電處于正常狀態(tài)的氣體是一種絕緣介質(zhì)，但是氣體通常并不是理想的絕緣介質(zhì)，因為氣體中總是存在少量帶電質(zhì)點。由于氣體中帶電質(zhì)點極少，所以氣體仍為優(yōu)良的絕緣體氣體放電基本概念氣體擊穿：當(dāng)氣體間隙上外施電壓達(dá)一定數(shù)值，電流突然劇增，氣體失去絕緣性能。氣體由絕緣狀態(tài)突變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的過程稱為擊穿。

沿面閃絡(luò)：當(dāng)擊穿過程發(fā)生在氣體與液體或氣體與固體的交界面上時，稱為沿面閃絡(luò)擊穿電壓：引起氣體間隙擊穿的電壓稱為擊穿電壓。臨界擊穿場強：引起氣體發(fā)生擊穿的電場強度稱為臨界擊穿場強。1、輝光放電2、電弧放電3、火花放電4、電暈放電氣體放電的4種基本形式

低氣壓、電源功率小，管內(nèi)陰極和陽極間整個空間出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象，這種放電形式稱為輝光放電。

輝光放電的特點：電流密度較小，放電區(qū)域通常占據(jù)整個空間；管端電壓較高，不具有短路的特性。1、輝光放電

外回路阻抗小，電源功率大，放電通道細(xì)、且明亮，管端電壓接近于零，這時的放電形式稱為電弧放電。

電弧放電的特點：電流密度很大，管端電壓很低，具有短路的特性。2、電弧放電

在電極附近電場最強處出現(xiàn)發(fā)光層，隨著電壓升高發(fā)光層逐漸擴大，放電電流也逐漸增大。這種放電稱為電暈放電。4、電暈放電

發(fā)生電暈放電時，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小，間隙仍能耐受電壓的作用。隨著電壓升高，最終間隙將被擊穿。隨后的發(fā)展，根據(jù)電源功率的大小而轉(zhuǎn)為電弧放電或火花放電。3、火花放電電弧放電與火花放電的關(guān)系：（1）當(dāng)外回路中阻抗很大，電源功率不足：火花放電（2）當(dāng)外回路阻抗很小、電源功率足夠大：電弧放電氣體放電的基本物理過程氣體放電試驗電路氣體放電過發(fā)展過程

電壓小于U0：電流數(shù)值很小，通常遠(yuǎn)小于微安級，氣體絕緣性能未被破壞，間隙未被擊穿。

電壓大于U0：電流數(shù)值很大（放電形式與外界條件相關(guān)），U0稱為放電起始電壓。巴申定律（巴申曲線）（2）氣體介質(zhì)的電氣強度根據(jù)不同的電極結(jié)構(gòu)，電場性質(zhì)可以分為：均勻電場、稍不均勻電場、極不均勻電場電場不均勻系數(shù)：為了比較各種結(jié)構(gòu)的電場的不均勻程度，引入電場不均勻系數(shù)f，它是最大場強Emax和平均場強Eav的比值。氣體擊穿的極性效應(yīng)f<2，稍不均勻電場f>4，極不均勻電場f=1，均勻電場極不均勻電場下的極性效應(yīng)

（1）尖一板電極：

尖為正極性時擊穿電壓低尖為負(fù)極性時擊穿電壓高。

（2）尖-尖電極：沒有極性效應(yīng)，擊穿電壓介乎極性不同的尖一板電極之間。工頻電壓下的擊穿電壓（1）棒-板電極：擊穿總是在棒的極性為正、電壓達(dá)到峰值時發(fā)生。（2）棒-棒電極：沒有極性效應(yīng)。（3）棒-棒電極結(jié)構(gòu)擊穿電壓略高于棒-板電極。電極表面的電場強度與其表面電荷密度成正比。在電極尖端或邊緣的曲率半徑小，表面電荷密度大，電力線密集，電場強度高，容易發(fā)生局部放電。這種現(xiàn)象稱為尖端效應(yīng)或邊緣效應(yīng)。尖端效應(yīng)或邊緣效應(yīng)是極不均勻電場的重要標(biāo)志。工程上常需改善電極形狀，避免電極表面曲率過大或出現(xiàn)尖銳邊緣。尖端效應(yīng)或邊緣效應(yīng)

一、改進(jìn)電極形狀以改善電場分布（1）增大電極曲率半徑；（2）改善電極邊緣（毛刺、棱角）；（3）使電極具有最佳外形（對稱電場棒-棒類型）。

二、利用空間電荷畸變電場的作用

極不均勻電場中擊穿前先發(fā)生電暈放電，所以在一定條件下，可以利用放電自身產(chǎn)生的空間電荷來改善電場分布，提高擊穿電壓。

細(xì)線效應(yīng)提高氣體間隙擊穿電壓的措施

三、高氣壓的采用

四、高介電強度氣體的采用

五、高真空的采用極不均勻電場中屏障的作用

在電場極不均勻的空氣間隙中，放入薄片固體絕緣材料（例如紙或紙板），在一定條件下，可以顯著提高間隙的擊穿電壓。 屏障一般采用很薄的固體絕緣材料，其本身的擊穿電壓很低，所以屏障效應(yīng)不是由于屏障分擔(dān)電壓的作用而造成的。（一）直流電壓下屏障的作用 1、尖電極為正極性 2、尖電極為負(fù)極性

總體情況與尖電極為正極性相同

負(fù)極性與正極性的差異：（1）不利于負(fù)離子的擴散；（2）屏蔽靠近尖電極情況與正極性有所不同。直流電壓下尖一板空氣間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系（3）靜電感應(yīng)現(xiàn)象

電容分壓

導(dǎo)體受鄰近帶電體的影響，在其表面不同部位出現(xiàn)正負(fù)電荷的現(xiàn)象稱為靜電感應(yīng)。（4）等效電容的應(yīng)用1、晶格缺陷絕緣介質(zhì)內(nèi)部離子產(chǎn)生的原因離子電流：晶格結(jié)點上的離子在電場作用下，與晶格缺陷相鄰位置上的離子落入晶格缺陷，晶格缺陷順序地在晶格中移動，形成離子電流。

2、解離（1）介質(zhì)自身熱解離成為離子；（2）電子的碰撞電離。（5）固體介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿固體絕緣介質(zhì)的表面電導(dǎo)表面電導(dǎo)產(chǎn)生的原因：附著于介質(zhì)表面的水分和其他污物。根據(jù)絕緣介質(zhì)對水分子的吸附性：憎水性、親水性憎水性絕緣介質(zhì)：絕緣介質(zhì)分子和水分子的附著力小于水分子的內(nèi)聚力，因此水分子只能在它們表面形成不連續(xù)的水珠。親水性絕緣介質(zhì)：絕緣介質(zhì)分子和水分子的附著力大于水分子的內(nèi)聚力，水分子容易附著于介質(zhì)表面。如電瓷、玻璃、多孔性介質(zhì)（纖維材料）。液體絕緣介質(zhì)中的電導(dǎo)1、離子電導(dǎo)：液體本身的分子和雜質(zhì)的分子解離為離子，構(gòu)成離子電導(dǎo)；2、電泳電導(dǎo)：液體中的膠體質(zhì)點（如變壓器油中懸浮的小水滴）吸附電荷后，形成帶電質(zhì)點，構(gòu)成電泳電導(dǎo)。注意大型電力變壓器中的油流帶電現(xiàn)象（6）液體介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿（7）關(guān)于絕緣材料的電容電流電介質(zhì)的極化絕緣材料的分子結(jié)構(gòu)極性分子和非極性分子

極性絕緣介質(zhì)：環(huán)氧樹脂、蓖麻油非極性絕緣介質(zhì)：SF6、聚四氟乙烯、氮氣等H2O...OHH+SF6++++++++++++++++++++電介質(zhì)的極化E外+++++++++++++++++++++++++++++++Q0U+++++自由電荷極化電荷+++++關(guān)于電介質(zhì)極化產(chǎn)生的電容效應(yīng)Q’+電介質(zhì)的極化種類

（1）、電子位移極化 （2）、離子位移極化 （3）、偶極子轉(zhuǎn)向極化 （4）、熱離子極化

（5）、夾層介質(zhì)界面極化

（6）、空間電荷極化

關(guān)于夾層介質(zhì)界面極化絕緣介質(zhì)由不同成分組成（或介質(zhì)不均勻），在這種情況下會產(chǎn)生“夾層介質(zhì)界面極化”的現(xiàn)象。這種極化的過程特別緩慢，而且伴隨有能量損耗。關(guān)于空間電荷極化絕緣介質(zhì)內(nèi)的正、負(fù)自由離子在電場作用下改變分布狀況，在電極附近形成空間電荷，稱為空間電荷極化?？臻g電荷極化和夾層界面極化現(xiàn)象一樣都是緩慢進(jìn)行的，所以在低頻下存在這種極化現(xiàn)象，而在高頻時因離子來不及移動，因此在高頻電場作用下不存在這種極化現(xiàn)象。1、介質(zhì)損耗的本質(zhì)？2、介質(zhì)損耗在交流、直流電壓下的區(qū)別？3、介質(zhì)損耗的表示方法？4、為什么要關(guān)注絕緣損耗？介質(zhì)損耗：介質(zhì)損耗由IR

產(chǎn)生，夾角大時，

IR就越大，故稱為介質(zhì)損耗角，其正切值為：（8）絕緣介質(zhì)的介電損耗關(guān)于極化損耗優(yōu)點：靈敏度高，容易發(fā)現(xiàn)絕緣整體受潮、劣化、變質(zhì)，及小體積設(shè)備的局部缺陷。缺點：tan不能發(fā)現(xiàn)大體積設(shè)備的局部缺陷。規(guī)程中對電機、電纜等電氣設(shè)備，因為缺陷的集中性及體積較大，通常不做此項試驗；而對套管、電力變壓器、互感器、電容器等則做此項試驗。關(guān)于

tan測量潮氣擴散對絕緣性能的影響

電容式套管：出廠tan試驗合格，現(xiàn)場交接試驗tan超標(biāo)。1、絕緣介質(zhì)tg過大，會引起嚴(yán)重發(fā)熱，材料容易劣化，甚至可能導(dǎo)致熱擊穿。2、在絕緣預(yù)防性試驗中，tg是一基本測試項目，當(dāng)絕緣受潮或劣化時，tg急劇上升。測量介質(zhì)損耗的意義兩種類型過電壓： 1、雷電過電壓：直擊雷過電壓、感應(yīng)雷過電壓2、內(nèi)部過電壓：操作過電壓、暫時過電壓過電壓是電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的超過工作電壓、可能危害絕緣的異常電壓，屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動現(xiàn)象，是由于電力系統(tǒng)中電路狀態(tài)和電磁狀態(tài)的突然變化所致。（9）電力系統(tǒng)過電壓內(nèi)部過電壓

能量來源于系統(tǒng)本身，幅值以系統(tǒng)最大工作相電壓幅值Uph.m的倍數(shù)k0來表示。 k0值約為1.3-4.0，其大小與系統(tǒng)參數(shù)、斷路器性能、中性點接地方式等一系列因素有關(guān)。操作過電壓：進(jìn)行斷路器操作、或發(fā)生突然短路而引起的過電壓稱為操作過電壓。產(chǎn)生原因：系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生突變，系統(tǒng)從一種電磁狀態(tài)過渡到另一種電磁狀態(tài)，在這種過渡中會出現(xiàn)電磁振蕩，電磁能與靜電能在電感性與電容性元件中以電路固有頻率交替轉(zhuǎn)換，以致在電氣設(shè)備上出現(xiàn)過電壓。常見操作過電壓的種類：

（1）空載線路合閘與重合閘過電壓

（2）切除空載線路過電壓

（3）切斷空載變壓器過電壓

（4）弧光接地過電壓1、操作過電壓（1）空載線路合閘與重合閘過電壓當(dāng)斷路器突然合上時，在回路中會發(fā)生角頻率的高頻振蕩過渡過程，電容C（即線路）上的電壓可能達(dá)到最大值：

1）空載線路合閘過電壓

如果合閘前電容C上還有初始電壓，合閘后振蕩過程中的過電壓有可能達(dá)到3Em（如采用線路自動重合閘時就可能有這種情況）。

2）重合閘過電壓2、切除空載線路過電壓空載線路屬于電容性負(fù)載，由于切斷過程中斷路器觸頭間交流電弧的重燃而引起的電磁振蕩，使線路出現(xiàn)過電壓。

考慮最嚴(yán)重的情況下：工頻電流在t1時刻熄滅，此時線路仍保持殘余電壓Uc=+Em；高壓斷路器加裝并聯(lián)電阻的作用3、切斷空載變壓器過電壓（截流過電壓）變壓器既是感性負(fù)載，同時還有對地電容。當(dāng)斷路器突然切斷小電流時，電流變化率很大，使變壓器上產(chǎn)生很高的感應(yīng)過電壓。電流截斷后，變壓器中的電磁能向?qū)Φ仉娙莩潆姡纬烧袷庍^程，因而出現(xiàn)過電壓，稱為截流過電壓。高壓斷路器加裝并聯(lián)電阻的作用4、弧光接地過電壓中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，由于接地電弧間歇重燃現(xiàn)象而引起的過電壓稱為弧光接地過電壓。

弧光接地過電壓最高可達(dá)3.5Uph.m，使用消弧線圈后，過電壓絕大多數(shù)在3.0-3.2Uph.m，或更低。消弧線圈的工作原理

針對中性點不接地系統(tǒng)1、正常運行情況考慮以下幾個問題：（1）線電壓與相電壓關(guān)系（3）；（2）中性點電位（UN=0）；（3）對地電容電流與相電壓關(guān)系（Ic-0=UC0）。2、單相（A相）接地運行情況考慮以下幾個問題：（1）中性點對地電位（UN=-Ua）；（2）相電壓（

Ua=0、Ub=Ub+UN、Uc=Uc+UN）；（3）線電壓（線電壓不變）；（4）對地電容電流（入地總電容電流為Id=Ib+Ic）。3、單相接地情況電流性質(zhì)：