《高电技术总结》PPT课件.ppt

1,高电压技术,2,第3章 电介质的电气性能,电介质的电气性能,电介质电气性能的划分,极化特性：介电常数损耗特性：介损tg电气传导特性：载流子移动、高场强下的电气传导机理等，电导G 或电阻 R电气击穿特性：包括击穿机理、劣化、电压-时间特性曲线（Vt）等，击穿电压UC 或击穿场强EC,电介质的极化及介电常数,电介质物质结构的基本形式极化(polarization)与电介质(dielectrics)电介质极化的基本类型电介质的介电常数讨论极化的意义,电介质的结构,电介质的分类（根据化学结构）：分子及各聚集态（气、液、固态）的性质和它的键的形式密切有关,离子键：强极性键，离子结构电介质 玻璃、陶瓷共价键：非极性共价键（电负性相同），非极性分子,非极性电介质 聚四氟乙烯、氮气 极性共价键（电负性不同），极性分子,极性电介质 环氧树脂、三氯联苯弱极性电介质 聚苯乙烯,电介质极化基本类型,电介质的极化有五种基本形式,电子位移极化离子位移极化转向极化空间电荷极化 夹层介质界面极化（归到空间电荷极化）,建立时间：极短，10-1410-15s;弹性极化、无损;影响因素：电场强度（有关）；电源频 率（无关）；温度（无关）,电子位移极化,建立时间：极短，10-1210-13 s；弹性极化、无损(极微量无损)；影响因素：电场强度（有关）；电源频率（无关）；温度（随温度升高而增加）,离子位移极化,转向极化（偶极弛豫极化）,需时较长，10-610-2 s；非弹性极化、有损；影响因素：电场强度（有关）；电源频率（有关）；温度（温度较高时降低，低温段随温度增加）,9,带电质点移动；不均匀夹层介质中；需时很长；非弹性极化、有损；影响因素：场强（有关）;电源频率（低频下存在）;温度（有关）；介质的等值电容增大。,夹层介质界面极化（空间电荷极化）,10,气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近1气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小,气体电介质的介电常数,电介质的介电常数,11,非极性和弱极性电介质 如石油、苯、四氯化碳、硅油等，r 数值不大，在1.82.5范围内 r 和温度的关系相似单位体积中的分子数与温度的关系（密度与温度）,液体电介质的介电常数,极性电介质 如蓖麻油、氯化联苯等，r数值在26范围内。还能用作绝缘介质,12,强极性电介质 如酒精、水等,r10，其电导也很大，不能用做绝缘材料。用作电容器浸渍剂时，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大,电场的频率对极性液体电介质介电常数r的影响很大！,非极性和弱极性固体电介质 如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等 电介质只有电子式极化和离子式极化，r 在2.02.7范围 r与温度的关系相似单位体积内的分子数与温度的关系(密度与温度),固体电介质的介电常数,极性固体电介质 树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等 r 较大，一般为36，r和T及f 的关系和极性液体的相似离子性电介质 如陶瓷，云母等，相对介电常数r 一般在58左右,介电常数直接关系到多层介质的合理配合,电介质的电导特性,电介质中的传导电流电介质中的电导特性电介质传导电流的测量电介质的电导讨论电介质电导的意义,电介质中的（传导）电流,导线中的（传导）电流的组成 电介质中的电流含漏导电流和位移电流两个分量漏导电流：由介质中自由的或联系弱的带电质点在电场作用下运动造成的，又称泄漏电流位移电流：由电介质极化造成的电流,ic：快速极化造成的充电电流ia：空间电荷极化等缓慢极化形成的，又称吸收电流ig：趋向稳定值的漏导电流，又称泄漏电流,介质中的电流与时间的关系,介质的体积电导和表面电导,气体中无吸收电流,气体电介质的电导,气体离子的浓度约为5001000对/cm3,气体电介质中的电流密度场强（三个区域）,液体中极化发展快，吸收电流衰减快电导构成：离子电导、电泳电导 离子电导：由液体本身的分子和杂质的分子解离为离子 电泳电导：液体中的胶体质点（如变压器油中悬浮的小水滴）吸附电荷后，形成带电质点构成,液体电介质的电导,非极性电介质电导率：10-18/cm弱极性电介质电导率：10-15/cm极性电介质的电导率：10-1010-12/cm 如水、乙醇等实际上已是离子性导电液，由于损耗太大，不能用作绝缘材料,变压器油在温度为80o时的相对介电常数、电导率,极纯净液体电介质中,离子性电导与电场强度的关系(分成三个区域),工程用纯净液体电介质中,离子性电导与电场强度的关系(分成两个区域),离子性电导随温度的升高而增加,中性分子电介质的电导主要是杂质离子引起的，高温时，中性分子可能发生分解产生自由离子，形成电导 纯净介质的电导率可达10-1710-19/cm极性电介质，因本身能解离，此外还有杂质离子共同决定电导，故电导较大，较大的可达10-1510-16/cm,固体电介质的电导,离子式电介质的电导主要是由离子脱离晶格而移动，电导的大小和离子本身的性质有关，也与杂质离子有关固体电介质的电导与材料的宏观结构有关，如纤维性材料或多孔性材料因易吸水，一般电阻率较小固体介质中电流的吸收现象比较明显,固体电介质的电压电流特性，与液体、气体不同，固体中的电压电流特性没有饱和状态（欧姆段，非线性段、快速增加段（击穿）,主要由表面吸附的水分和污物引起，干燥清洁的固体介质的表面电导很小；介质吸附水分的能力与自身结构有关，所以介质表面电导也是介质本身固有的性质,固体介质的表面电导,绝缘预防性试验的理论依据，预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判断设备的绝缘状况直流电压下分层绝缘时，各层电压分布与电阻成正比，选择合适的电阻率，实现各层之间的合理分压注意环境湿度对固体介质表面电阻的影响，注意亲水性材料的表面防水处理,讨论电导的意义,电介质能量损耗及介质损失角正切,介质损耗和介质损失角正切 工程介质的介质损耗讨论介质损耗的意义,介质损失角正切,介质的能量损耗：电导引起的损耗 周期性极化引起的损耗 直流 电导损耗R、G 交流 电导和极化损耗介质损耗 介质损耗定义 介质在交流电压下的有功功率损耗,Ig：真空极化和无损极化引起的电流，纯电容性的，CgIp：有损极化引起的电流，有功和无功分量，Rp、CpIlk：漏导引起的电流，纯电阻性，Rlk,电介质的等效电路,电介质中的电流和电压矢量,介质损失角正切值tg，如同r一样，取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质,工程电介质的介质损耗,当电场强度小于使气体分子电离所需的值时，气体介质中的损耗极小（tg 10-8），工程中可以略去不计。所以常用气体（如空气，N2；C02，SF6等）作为标准电容器的介质当外施电压U超过起始放电电压U0时，将发生局部放电，损耗急剧增加,气体电介质中的损耗,在固体介质中含有气泡时，气泡在高电压下会发生电离，并使固体介质逐渐劣化，常用浸油、充胶等措施来消除固体介质中的气泡对于固体介质与金属电极接触处的空气隙，则经常用适中的方法，使气隙内场强为零 如35kV瓷套内壁上涂半导体釉，通过弹性铜片与导电杆相连 高压电机定子线圈槽内绝缘外包半导体层后，再嵌入槽内等,液体电介质中的损耗,中性液体固体电介质中的损耗主要由漏导决定，介质损耗与温度、电场强度等因素的关系决定于电导与这些因素之间的关系,中性液体或中性固体电介质的tg与温度的关系示意图,中性液体或中性固体电介质的tg与电场的关系示意图,固体电介质中的损耗,中性电介质，如石蜡、聚苯乙烯等，其损耗主要由电导引起，通常很小，在高频下也可使用 极性电介质，纤维材料（纸、纤维板等）和含有极性基的有机，材料（聚氯乙烯、有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等），tg 值较大，高频下更为严重。与温度、频率的关系与极性液体相似,离子式结构介质，其tg 与结构特性有关,讨论介质损耗的意义,设计绝缘结构时，应注意到绝缘材料的tg 值。若tg 过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿对冲击测量的连接电缆，其tg 必须要小，否则冲击电压波在其中传播时将发生畸变，影响测量精度,在绝缘试验中，tg 的测量是一项基本测试项目。当绝缘受潮劣化或含有杂质时，tg 将显著增加；绝缘内部是否存在局部放电，可通过测tg U 的关系曲线加以判断。,（1）受潮（2）穿透性导电通道（5）绝缘油脏污、劣化等（3）？绝缘内含气泡的电离，绝缘分层、脱壳（4）？绝缘老化劣化，绕组上附积油泥,tg 可以以判断,（6）如果（?！）所加试验电压足以使绝缘中的气隙电离或产生局部放电等情况时，tg的值将随试验电压的升高而迅速增大；通过测tg U 的关系曲线加以判断。,第1章 气体放电的物理过程,主要内容,气体中带电质点的产生和消失气体放电机理电晕放电不均匀电场中气体击穿的发展过程雷电放电,若干名词术语,激励，电离，电子平均自由行程，复合，电子崩,气体中带电质点的产生和消失,气体中带电质点的产生（一）气体分子本身的电离，可由下列因素引起：（1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离（2）各种光辐射（光电离）（3）高温下气体中的热能（热电离）（4）负离子的形成,（二）气体中的固体或液体(金属)的表面电离,碰撞电离（撞击电离）,光电离,热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合。例如：发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离，高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离,热电离,金属（阴极）的表面电离,金属表面电离所需能量获得的方式（4种）,正离子碰撞阴极（二次发射），光电效应，强场放射（冷放射），热电子发射,带电质点的扩散,带电质点的复合,气体放电机理,气体放电的主要形式 非自持放电和自持放电 汤森德气体放电理论 流注放电理论,由非自持放电转入自持放电的电场强称为临界场强(Ecr)，相应的电压称为临界电压(Ucr),非自持放电和自持放电,如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电，而间隙的击穿电压Ub也就是形成自持放电的临界电压Ucr,如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，这时临界电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多,气体放电的主要形式,根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化,辉光放电火花放电电弧放电电晕放电刷状放电,辉光放电,当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象 特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子，管中所充气体不同，发光颜色也不同,火花放电,在较高气压（例如大气压力）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花,火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定,电弧放电,减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征,电晕放电,电极曲率半径很小或电极间距离很远（电场极不均匀），当电压升高到一定值后，首先在紧贴电极电场最强处出现发光层，回路中出现用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用,刷状放电,电极间距较大、电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细线状光束，称为刷状放电 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转入击穿,气体放电理论,汤森德（Townsend）放电理论流注（Streamer）放电理论,这两种理论互相补充，可以说明广阔的 S 范围内气体放电的现象,：气体的相对密度，以标准大 气条件下的大气密度为基准S：气隙距离,汤森德气体放电理论,20世纪初，汤森德根据大量的试验研究结果，提出了较均匀电场且 S 较小时气体放电理论,汤森德气体放电理论,理论认为，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起主要作用提出气隙放电电流和击穿电压的计算公式,过程（电子崩的形成）过程自持放电条件 过程和 过程同时作用产生的电流击穿电压、帕邢定律汤森德放电理论的适用范围,过程（电子崩的形成）,过程,自持放电条件,击穿电压Ub,均匀电场中气体的击穿电压Ub 是气体相对密度和电极间距离的乘积S的函数,温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压力和电极间距离的乘积pS的函数,帕邢（Paschen）定律,击穿电压与S的规律在汤逊碰撞电离学说提出之前，帕邢已从实验中总结出来了，汤逊理论从理论上解释了试验结果,击穿电压、帕邢定律,大量的试验证明，在S较小的情况下，气体的击穿电压与S具有有稳定的关系，计算值与实验值较吻合 试验证明，在S较小的情况下，击穿电压受（阴极材料）的影响,汤森德放电理论的适用范围,汤逊气体放电模型只适用于 S较小的情况当 S过小或过大时，放电机理会出现变化 例如 S极小时（气压极低时），电子的自由程远大于间隙距离，碰撞电离不可能发生，按汤逊理论击穿电压应无限大。事实上场致发射在真空中起作用 例如 电力工程上经常接触到的是气压较高的情况（从一个大气压到数十个大气压），间隙距离通常也很大，气体击穿的很多实验现象和电压值都无法在汤森德理论中得到解释,流注放电理论,对象：工程上感兴趣的压力较高的气体击穿，如大气压力下空气的击穿特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用 通过大量的实验研究（主要在电离室中进行的）说明放电发展的机理,电子崩阶段 空间电荷畸变外电场,流注阶段 电离形成二次电子崩，,(准)等离子体,自持放电条件,流注理论对 S较大时放电现象的解释,正流注的形成,正流注向阴极推进，流注发展到阴极，间隙被导电良好的火花通道（热电离）所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压。,（外加电压等于击穿电压时!）,负流注的形成（外加电压高于击穿电压）,电压较低时，电子崩需经过整个间隙才形成流注，电压较高时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注主电子崩头部的电离很强烈，光子射到主崩前方，在前方产生新的电子崩，主崩头部的电子和二次崩尾的正离子形成混合通道，形成向阳极推进的流注，称为负流注间隙中的正、负流注可以同时向两极发展。,在较高电压下，正流注的发展可能出现分支均匀电场中形成流注的机制：初始电子崩头部的电荷必须积累到一定的程度，使电场畸变并加强到一定程度，已造成足够的空间光电离,试验测量结果,电子崩是沿着电力线直线发展，流注会出现曲折的分支电子崩可以同时有多个互不影响地向前发展当某个流注由于偶然的原因向前发展得更快时，其周围的流注会受到抑制汤森德放电是弥散的一片，流注放电有明亮的细通道,自持放电条件,一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电了如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件,放电外形：S较大时，放电具有通道形式,流注中电荷密度很大，电导很大，其中电场强度较小。因此流注出现后，对周围空间内的电场有屏蔽作用，并且随着其向前发展而更为增强当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈,二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝电子崩则不然，由于其中电荷密度较小，故电场强度还很大，因而不致影响到邻近空间内的电场，所以不会影响其它电子崩的发展，这可以说明，汤逊放电呈连续的一片,流注理论对 S很大时放电现象的解释,放电时间,光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明 S很大时放电时间特别短的现象,阴极材料的影响,根据流注理论，维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说明为何很大S下击穿电压和阴极材料基本无关了,流注理论现存的问题,只有放电的定性描述，没有定量描述缺少数学模型太依赖于实验,电晕放电,发生电晕放电现象的条件电晕放电效应对工程实践的重要意义,电场比较均匀的情况 放电达到自持时，在整个间隙中都巳达到相当数值。这时和均匀电场中情况类似,发生电晕放电现象的条件,电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况 大曲率电极附近 达到足够数值，间隙中很大一部分区域 也都已达相当数值，流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿,电场极不均匀的情况 大曲率电极附近很小范围内 已达相当数值时，间隙中大部分区域值 都仍然很小，放电达到自持放电后，间隙没有击穿 电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大。,局部强场区的放电过程造成-自持放电,电晕放电的效应,对工程实践有重要意义 不利影响：能量损失；放电脉冲 引起的高频电磁波干扰；化学反应引起的腐蚀作用等 有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度；利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电压；利用电晕放电除尘等,直流输、交流输电线上的电晕，皮克公式,不均匀电场中气体击穿的发展过程,极不均匀电场中的放电过程（短间隙）,非自持放电阶段,极性效应,棒板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高,流注发展阶段,极性效应,棒板间隙中棒为负极性时击穿电压比正极性时高,放电进一步发展,外电压较低时，流注通道深入间隙一段距离后，就停止不前了，形成电晕放电或刷状放电外电压足够高时，流注通道将一直达到另一电极，从而导致间隙完全击穿,极不均匀电场中的放电过程（长间隙）,先导放电,先导通道-热电离,流注通道发展到足够的长度后，将有较多的电子循通道流向电极，通过通道根部的电子最多，于是流注根部温度升高，出现了热电离过程。这个具有热电离过程的通道称为先导通道,正先导,流注根部温度升高,热电离过程,先导通道,电离加强，更为明亮,电导增大,轴向场强更低,发展速度更快,长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙！,负先导,负棒正板，正空间电荷大大加强棒极附近原已很强的电场，该区域发生强烈的电离，高场强和大电流密度，使棒极附近产生热电离，形成负先导负空间电荷在通道前端形成反向电场电场屏蔽，屏蔽减弱后，发展新负流注、新负先导，因此，负先导具有分级的特性前伸的平均速度是正先导的1/51/3,迎面先导,条件：上电极为正先导，下电极的几何结构能提供局部强场上电极为负先导，下电极的几何结构无特殊要求，平板、尖端雷电放电多为负先导，接地的建筑物上可产生向上的迎面先导，其影响到下行先导的发展路线及雷击点,主放电,当先导通道头部极为接近板极时，间隙场强可达极大数值，引起强烈的电离，间隙中出现离子浓度远大于先导通道的等离子体 新出现的通道大致具有极板的电位，在它与先导通道交界处保持极高的电场强度，继续引起强烈的电离,高场强区（强电离区）迅速向阳极传播，强电离通道也迅速向前推进，这就是主放电过程主放电过程使贯穿两电极间的先导通道最终成为温度很高、电导很大、轴向电场很小的等离子体通道,雷电放电,雷电放电主要研究雷云对大地放电 表面空间电场强度2530kV/cm上行雷、下行雷90是负极性雷，即雷云流入大地电荷为负下行负极性雷分三个阶段：先导放电、主放电、余光放电雷电放电有后续分量，几个到十几个,雷电的先导过程,下行负先导，逐级发展，平均速度约为（18）105m/s，延续约几毫秒,接地的建筑物上可产生向上的迎面先导，影响到下行先导的发展路线及雷击点。,高电导、高温、具极高电位的先导通道路将雷云到大地之间的气隙击穿，通道中有大量的与雷云同极性的电荷,雷电的主放电过程,先导头部对地极大的电位差作用在剩余短间隙（流注）上，强烈的电离：电子迅速流入大地，形成雷电流的波前部分 正离子与先导通道中的负电荷中和主放电通道温度达(23)104K，压力初期达几十个大气压，发展速度约为(0.050.5)c主放电过程中通道明亮，发出巨大的雷声，产生幅值很大（几十至几百千安）、近百微秒（不超过50100s）的冲击电流,雷电的后续分量,雷云中存在多个电荷聚集中心主放电后，临近的电荷中心对第一电荷中心放电，并沿老通道继续向地发展，形成后续分量电流幅值为第一分量的1/21/3，2100KA；电流波前时间平均为0.51s（陡度上升），电流波尾平均约为40s（较短）分量数多达1030个，平均34个，间隔时间约为几十毫秒，平均约为4065ms,第2章 气隙的电气强度（击穿特性）,影响空气间隙放电电压的主要因素,电场形式对空气间隙放电电压的影响电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀电压形式：直流、交流、雷电冲击、操作冲击大气条件：气压、温度、湿度,主要内容,气隙的击穿时间气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布大气条件对气隙击穿电压的影响较均匀电场气隙的击穿电压不均匀电场气隙的击穿电压提高气体间隙击穿电压的措施,气隙的击穿时间,气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布,持续作用电压,直流电压 工频电压,用击穿电压或击穿场强来表达气隙的耐电特性,非持续作用电压,雷电冲击过电压、操作冲击过电压用伏秒特性来表达气隙的击穿特性,伏秒特性用实验方法求取 放电时间具有分散性，实际上伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域,伏秒特性的应用,对1 起保护作用,在高幅值冲击电压作用下，不起保护作用,气隙击穿电压的概率分布无论何种作用电压，气隙的击穿电压都有分散性，但分散程度不同接近正态分布：用50%击穿电压U50和相对标准偏差 来表示，表3-2-1耐受电压：工程中将很高耐受概率（99%以上）的电压作为耐受电压 U50(1-3)耐受概率99.86%,大气条件对气隙击穿电压的影响,大气条件：气温、气压、湿度等,较均匀电场气隙的击穿电压,均匀电场中的击穿电压 击穿电压与电压极性无关 直流、工频击穿电压（峰值）以及50冲击击穿电压都相同，分散性很小,较均匀电场气隙的击穿电压,稍不均匀电场中的击穿电压 球球间隙 球板间隙 圆柱 板 同轴圆柱间隙,电场不对称时，有极性效应，不很明显 直流、工频下的击穿电压(幅值)以及50冲击击穿电压相同，分散性不大击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高,直接测量高电压峰值的最简单又有一定准确度的手段,球球间隙的极性效应：电场最强的电极为负极性时的击穿电压略低于正极性时的数值,击穿电压的估算的经验公式,不均匀电场气隙的击穿电压,直流电压下的击穿电压,极性效应：棒棒电极间的击穿电压介于极性不同的棒板电极之间，击穿电压与间隙距离接近正比，平均击穿场强：,正棒负板：4.5kV/cm，负棒正板：l0kV/cm，棒棒：.85.0kV/cm,工频电压下的击穿电压,击穿在棒-板的棒极性为正、电压达到幅值时发生,雷电冲击50击穿电压 在多次施加电压（波形1.2/50s）中，其中半数导致击穿的电压，工程上以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性,雷电冲击电压下空气的击穿电压,棒板间隙有明显的极性效应，棒棒间隙也有不大的极性效应,操作冲击电压下空气的击穿电压,极不均匀电场中的操作冲击50击穿有许多特点,极性效应，电场分布的影响（邻近效应”），“饱和”现象，分散性大。,波形的影响,波前时间在一定的范围内，U50 具有最小值，即临界击穿电压（对应临界波前时间）。呈现出“形曲线”对应极小值的波前时间随着间隙距离加大而增加，对7m以下的间隙，在50200s之间,工频击穿电压比临界波前操作冲击击穿电压（操作冲击系数小于1）高P60 图3-5-8,50击穿电压极小值的经验公式,对于120m的长间隙计算结果和试验结果很好地符合,提高气体间隙击穿电压的措施,改善电场分布，使之尽量均匀 改进电极形状 利用空间电荷畸变电场的作用 利用其它方法来削弱气体中的电离过程,利用空间电荷畸变电场的作用,极不均匀电场中击穿前发生电晕放电，利用放电产生的空间电荷改善电场分布，提高击穿电压,极不均匀电场中屏障的采用,原理是屏障积聚空间电荷，改善电场分布。,在电场极不均匀的气隙中，放入薄片固体绝缘材料（例如纸或纸板），在一定条件下，可以显著提高气隙的击穿电压,高气压的采用,减小电子的平均自由行程，削弱电离过程，例如，高压空气断路器、高压标准电容器等,不均匀电场中的击穿电压,提高气压后（在一定范围内），间隙的击穿电压将高于大气压力下的数值，但其提高程度不如均匀电场电场均匀程度对击穿电压的影响比在常压下要显著得多，电场均匀程度下降，击穿电压将剧烈降低,在设计充有高气压气体的电气设备，应尽量提高其电场的均匀度,高真空的采用,采用高度真空可以提高气隙的击穿电压，变化规律如图,原因：削弱间隙中的碰撞电离过程，从而显著增高间隙的击穿电压,含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利昂（CCl2F2）等，其电气强度比空气的要高很多。称为高电气强度气体,高电气强度气体的采用,对高电气强度气体的要求,液化温度要低，具有良好的化学稳定性，无毒，不会爆炸，不易燃烧，即使在放电过程中也不易分解等；经济上应当合理，价格便宜，能大量供应,工程上已得到采用的是六氟化硫（SF6）。SF6除了其电气强度很高以外，还具有优良的灭弧性能。发展成了各种组合设备，即将整套送变电设备组成一体，密封后充以SF6气体，如全封闭组合电器、气体绝缘变电所、充气输电管道等。,第4章固体、液体和组合绝缘的电气强度,主要内容,固体电介质的击穿过程有机绝缘材料的电树老化影响固体电介质击穿电压的主要因素电介质的其它性能,气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电强度最高,固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的绝缘,空气的耐电强度一般在3 4 kV/mm左右液体的耐电强度在10 20 kV/mm固体的耐电强度在十几至 几百kV/mm,普遍规律：介质的击穿总是从电气性能最薄弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷可指电场的集中，也可指介质的不均匀性,电击穿热击穿电化学击穿（电老化）,固体电介质的击穿过程,电击穿,由于电场的作用，使电介质中的某些带电质点积累的数量和能量达到一定的程度，使电介质由绝缘状态突变为良导电状态的过程，称为电击穿。,电击穿理论有两种解释,固有击穿理论（电子崩）,冷发射原理（隧道效应）,作用时间 电压作用时间短，击穿电压高介质特性 介质内含气孔或其它缺陷，对电场造成畸 变，导致介质击穿电压降低 电场均匀：电场的均匀程度影响极大 累积效应 在极不均匀电场中、冲击电压作用下，介质有明显的不完全击穿现象，导致绝缘性能逐渐下降，称为累积效应。介质击穿电压会随冲击电压施加次数的增多而下降无关因素：击穿电压和介质温度、散热条件、介质厚度、频率等因素都无关,电击穿的特点,电介质不断发热升温过程：介质损耗-介质逐渐发热升温-介质电阻的下降，使电流进一步增大-损耗发热也随之增大 同一时间内发热超过散热，则介质温度会不断上升，以致引起电介质分解炭化，最终击穿，这一过程称电介质的热击穿过程,热击穿,：散热系数：导热系数,热击穿电压Ub与各种发、散热因素的关系,Ub=0.342,在发生热击穿时，采取加厚绝缘的办法并不一定能起到提高电介质击穿电压的作用，因而是不经济的,临界温度,固体的最低击穿电压与试品的温度有显著的关系，固体的击穿电压存在一个临界温度，温度超过某临界值后，击穿电压随介质温度的增加而下降，表明击穿已涉及到明显的热过程,概念：在电场的长时间作用下逐渐使介质的物理、化学性能发生不可逆的劣化，最终导致击穿，这过程称电老化,电化学击穿（电老化）（*）,电老化的类型：电离性老化、电导性老化和电解性老化。前两种主要在交流电压下产生，后一种主要在直流电压下产生,在电场、温度等要素作用下，固体电介质因缓慢地化学变化，而引起其电气性能逐渐劣化，最终导致绝缘击穿。,电化学击穿阅经历两个进程，首先是电介质老化，即 固体电介质因发生化学变化而引起地电气绝缘性能劣化；与老化相关地击穿。,直流电压下，固体电介质因离子电导而发生电解过程，结果在电极附近形成导电的金属树枝状物；交流下，固体电介质内部地气泡中，或不同固体电介质之间地气体或油隙中，会发生局放。,对有机固体电介质，在电极尖端处或微小气隙处，会发生树枝状放电，并留下炭化踪迹。电场越强，温度越高，电压作用时间越长，则固体电介质化学变化越强烈，其性能劣化也越严重。,固体电介质化学变化通常导致电导增大，使其温度上升，因而电化学击穿最终形式常是热击穿。,有机绝缘材料的树老化,树老化类型,电树老化和水树老化,电树老化的原因,电离性老化：介质夹层或介质内部存在气隙或气泡，发生电离，造成邻近绝缘物的分解、破坏，表现为变酥、炭化等形式，并沿电场方向逐渐向绝缘层深处发展，在有机绝缘材料中会呈树枝状发展，称作“电树枝”,电导性老化：介质中存在液态导电物质（例如水），当该处场强超过某定值时，该液体会沿电场方向逐渐深入到绝缘层中，形成近似树枝状的痕迹，称作“水树枝”,Tree-like树枝状,Bush-like灌木丛状,chestnut-like栗子状,树枝老化的一般形状,电介质中的树枝老化,影响固体介质击穿电压主要因素,电压作用时间温度电场均匀程度电压种类累积效应受潮机械负荷二次效应如空间电荷等,场均匀程度,均匀电场：击穿电压较高，且与介质厚度的增加近似成直线关系,不均匀电场：厚度增加，电场更不均匀，且散热困难，击穿电压不随厚度的增加而成直线上升,常用的固体电介质出现局部的高场强区，产生局部放电，对介质的完全击穿有累积效应,电压种类,交流电压作用直流电压作用冲击电压作用,施加高频电压，局部放电更强，介损更大，引起发热严重，更易发生热击穿或者导致电化学击穿提前到来,累积效应,不均匀电场下，随着施加冲击或工频电压次数增多，介质的击穿电压下降,多次冲击或工频试验电压电压作用下，一系列的不完全击穿导致介质的完全击穿,较高电压下已发生较强烈的局部放电，由于加压时间短，对介质仅形成局部损伤或不完全击穿,受潮,受潮后介质的击穿电压下降。下降程度与材料的性能有关,易吸潮材料：吸潮后击穿电压最低时可能仅为干燥时的数百分之一,不易受潮材料：吸潮后击穿电压下降一半左右。聚乙烯、聚四氟乙烯等非极性介质,机械负荷,污秽、受潮加剧击穿电压的下降,材料出现开裂或微观裂缝，击穿电压将显著下降,电介质击穿过程的空间电荷效应,电介质中空间电荷：由于外加电场的作用等原因，在介质内部积聚了电荷，称作空间电荷空间电荷效应：由于空间电荷的作用引起的一系列变化。在电介质中，空间电荷的直接作用是改变了介质中的电场分布。这种电场畸变的结果导致了介质击穿电压的变化,耐热性：指保证电介质可靠安全运行的最高允许温度热劣化：电介质在稍高的温度下，长时间后发生绝缘性能的不可逆变化寿命：在一定温度下，电介质不产生热损坏的时间称为寿命短时耐热性：长期耐热性：给定寿命下，电介质不产生热损坏的最高允许温度,热性能,电介质的其它性能,热性能机械性能吸潮性能化学性能及抗生物性,电介质的耐寒性,耐寒性是绝缘材料在低温下保证安全运行的最低许可温度，否则，固体可能变脆、开裂，液体可能凝固。如10、25、40号变压器油分别表示其凝固温度为-10、-25、-40,机械性能 有脆性、塑性和弹性三种吸潮性能在潮湿地区要选用吸湿性小、憎水性强的材料。一般而言，非极性电介质吸湿性低，极性电介质吸湿性较强,化学性能及抗生物性化学性能指材料的化学稳定性如耐腐蚀性气体、液体溶剂等抗生物性指材料抗霉菌、昆虫的性能，在湿热地区尤为重要,改进绝缘设计改进制造工艺改善运行条件,提高电介质击穿电压的方法,主要内容,液体电介质的击穿理论影响液体电介质击穿电压的因素提高液体电介质击穿电压的方法,液体电介质的击穿,液体电介质：纯净的液体电介质 工程用液体电介质,击穿机理不同：电击穿理论 气泡击穿理论 小桥击穿理论,/22,强场发射等原因产生的初始电子，在电场中被加速，与液体分子发生碰撞电离在极不均匀电场中变压器油的击穿过程，首先在尖电极附近开始电离，有一个电离开始阶段，然后是流注发展阶段，流注是分级地向另一电极发展，后一级在前一级通道的基础上发展，放电通道会出现分枝，最后流注通道贯通整个间隙，即贯通间隙的阶段 与长空气间隙的放电过程很相似,各种原因产生气泡：电子电流加热液体，分解出气体电子碰撞液体分子，使之解离产出气体静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大 电极凸起处的电晕引起液体气化,/22,纯净液体电介质的气泡击穿理论,机理：串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比。气泡r=1，小于液体的r，承担比液体更高的场强，而气体耐电强度却低，因此，气泡先行电离。当电离的气泡在电场中堆积成气体通道，击穿在此通道内发生,/22,非纯净液体电介质的小桥击穿理论,液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成杂质的“小桥水分及纤维等的电导大，引起泄漏电流增大、发热增多，促使水分汽化、气泡扩大液体电介质最后在气体通道中发生击穿,与热过程密切相关-热击穿,影响液体电介质击穿电压的因素,液体介质本身品质的影响,含水量,含0.01%的水分，油的击穿电压降到干燥时的15%30%,/22,含纤维量,在电场的作用下，纤维形成“小桥”，使油的击穿电压降低有很强的吸附水分的能力，联合作用使击穿电压降低更为严重,含碳量,碳粒的产生：电弧碳粒对油耐电强度作用的两个方面：碳粒具有较好的导电，局部场强增加，击穿电压降低 活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力,含气量,油中气体析出后，危害：成为气泡，导致局部放电，使油老化，降低击穿电压，氧气与油分子发生化学结合，使油氧化，加速老化,电压作用时间,作用时间小于毫秒级：电击穿性质，规律与气体的伏秒特性相似作用时间超过临界值：热击穿性质，显著下降后，几分钟后达到稳定值油的冲击系数大，特别在均匀场,油中杂质聚集到电极间及介质的发热都需要时间，所以油间隙击穿电压会随加压时间的增加而下降油不太脏时，1分钟下的电气强度和较长时间的电气强度相差不大。耐压试验通常只加电压1分钟,电场均匀程度,电场较均匀时 油的品质对工频或直流电压下的击穿电压影响较大电场极不均匀时，油的品质对工频或直流电压下的击穿电压影响很小，强烈的电离使油扰动，杂质的聚集和排列很困难 无论电场均匀与否，油的品质对冲击击穿电压均无显著影响,液体电介质击穿电压的分散性和电场的均匀程度有关 工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不超过5，而在均匀电场中可达3040,/22,温度,较均匀电场：水的状态与温度有关，击穿电压变化复杂 固态：介电常数与油接近 液态：悬浮状、溶解状气态极不均匀电场：电离及扰动使“电桥”不易形成，影响很小,工频电压作用下,冲击电压作用下,电场、品质：击穿电压受温度影响很小,压力,变压器油（工程电介质），工频击穿电压与压力的关系,/22,工频电压提高的原因：油中气体的状态与压力有关，压力增大，气体在油中的溶解量增大 气泡的放电起始电压也提高升高程度不及气体间隙,提高液体电介质击穿电压的方法,提高以及保持油的品质覆盖层绝缘层屏障沿面放电时改善电场分布,提高以及保持油的品质,过滤：除去纤维、水分、有机酸防潮：制造、检修祛气：除去水分和气体防尘：,覆盖层,材料：1mm的固体绝缘薄层。漆膜、胶纸带、漆布带,作用机理：阻碍杂质小桥中热击穿的发展,适用情况：油品质越差，电场越均匀，电压作用 时间越长，则覆盖层的效果越显著,绝缘层,材料：厚可达几十毫米的固体绝缘层,作用机理：覆在曲率半径较小的电极上，降低这部分空间的场强，且固体绝缘层的耐电强度也较高，不易造成局部放电,适用情况：不均匀电场中（变压器高压引线和屏蔽环、充油套管的导电杆包有绝缘层）,极间障,屏障或隔板,材料：厚度为27mm的固体绝缘 板，纸板、胶 纸、胶布层压板,作用机理：能机械地阻隔杂质小桥，改善电场分布,适用情况：不均匀电场中效果显著 较均匀电场中也有效果