高电压与绝缘技术简介PPT课件
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高电压绝缘技术 邓立林 2021.12
绪论
1 什么是绝缘
➢ 绝缘的功能是将具有不同电位的导体隔开，从而使电气设备能处于安全 状态。
表1 1995-2001年变压器故障台数统计
变压器故障部位
线圈 主绝缘或引线
分接开关 套管 其他
变压器故障台数/台 统计的变压器在役台数/台 变压器故障台率(故障台数/在役台数)/%
金属表面 正离子碰撞阴极 光电效应 场致发射
热电子放射
带电质点的消失有三种方式： 扩散 复合 消失于电极
1.3 均匀电场中的气体击穿
汤逊放电理论和巴申定律适用于气压较低、pd值较小的情况。
过程 过程
击穿电压 适用范围
标准大气条件－p0=0.101325MPa，T0=293K，绝对湿度=11g/m3。 相对密度 T0 p
变压器电压等级/kV
110 220 330～500 合计
166 84
20
270
19
8
4
31
20 10
2
32
15
9
10
34
6
4
2
12
226 115
38
379
55 821 20 733 3 829 80 383
0.41 0.55 0.99 0.47
(1) 随着变压器电压等级的提高，故障台率明显升高，330～500 kV变压 器故障台率是110 kV的两倍以上；
介电强度
均匀电场与不均匀电场
(1)采用电场不均匀系数来描述电场的不均匀程度，f=1为均匀电场，f<2
为稍不均匀电场；f>4为极不均匀电场。
f Emax
Eav
式中，Emax为最大场强；Eav=U ；U为间隙上的电压；d为电极间最
短的绝缘距离。
d
(2)根据能否维持电晕放电来区分。若不均匀到能维持电晕放电，则是极不 均匀电场；若不能维持稳定的电晕放电，一旦放电达到自持，则整个间隙 立即击穿，就称为稍不均匀电场或均匀电场。
离单位－光年类似。
激励－原子的电子在外界因素作用下，跃迁到能量较高的状态。当原子由
较高能级跃迁到较低能级时，将以光子的形式释放出激励能。
电离－原子在外界因素作用下，一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成
自由电子和正离子的过程。电子的尺寸和质量远小于离子。
表1-2 带电质点的产生
电离方式
气体
碰撞电离
光电离 热电离
电压的分类 持续作用电压－直流电压 工频电压 冲击电压－雷电冲击电压 操作冲击电压
均匀电场中的击穿电压 稍不均匀电场中击穿电压的估算
极不均匀电场中击穿电压
1.直流电压下的击穿电压 尖－尖电极的击穿电压介于极性不同的尖－板电极之间。 正棒－负板和负棒－正板的平均击穿场强为4.5kV/cm、10kV/cm。 棒－棒间隙的平均击穿场强为5.0kV/cm。
p0 T
流注理论：适用于压力较高气体的击穿，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，同时考虑了空间电荷对电场的影响。
正流注：电子崩先从阴极到阳极，在阳极附近形成正、负带电质点构成的等离
子体，然后再从阳极贯穿阴极，整个间隙击穿。
负流注：电子崩尚未贯穿间隙即形成流注，流注再贯穿气隙。
流注理论与汤逊理论的比较
3. 高压电器中的绝缘
➢ 绝缘子 ➢ 电力电容器 ➢ 电力电缆 ➢ 高压套管 ➢ 电流互感器 ➢ 变压器
4. 绝缘试验
➢ 绝缘特性试验 ➢ 绝缘耐压试验
5. 为什么要掌握高电压绝缘
电器产品绝缘性能不良 通过型式试验与否 在运行中发生故障
公司成本上升，市场信誉降低 公司盈利降低 裁员
电器产品绝缘性能良好 通过型式试验 稳定运行
公司成本下降，市场信誉上升 公司盈利增长 升职
1. 气体放电
1.1 基本概念
气体放电: 将气体中流通电流的各种形式称作气体放电。 击穿与闪络:当气体间隙上的电压达到一定数值时，电流突然剧增，使气体失去
绝缘性能。气体由绝缘状态突变为良导电状态的过程，称为击穿。 当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿 面闪络。
间隙呈绝缘状态。
刷状放电: 由电晕电极伸出的明亮而细的断续的放电通道，电流增大，间隙仍未被击
穿。
火花放电: 贯通两电极的明亮而细的断续的放电通道，火花放电间歇地击穿间隙。 电弧放电: 持续贯通放电通道，间隙被完全击穿。
1.2 带电质点的产生和消失
途径：气体分子的电离和金属的表面电离 能级－原子具有一系列可取的确定的能量状态，称为能级。 电子伏－电子行经1V电位差的电场所获得的能量，是能量单位。这点与距
(2) 变压器线圈故障占故障总数的71.2％，线圈故障对变压器危害很大 。其中，因变压器抗短路能力不够的线圈故障占线圈故障的58.1％，应更 加注意。
故障类型 击穿故障 放电故障
2 与绝缘相关的问题
➢ 绝缘材料 ➢ 气体放电 ➢ 液体介质的性能 ➢ 固体介质的性能 ➢ 不同介质的交界面
研究对象
➢电介质的击穿过程及其规律 ➢典型电气设备的绝缘问题 ➢绝缘试验及检测
稍不均匀电场的极性效应： 在稍不均匀电场中，不能形成稳定的电晕放电，电晕起始电压 就是其击穿电压，故负极性下的击穿电压低。
气隙 短间隙 长间隙
表1-3 不均匀电场的击穿过程
放电方式
电子崩
流注
电晕放电
先导放电
主放电 主放电
为什么长空气间隙的平均击穿场强小于短间隙？ 先导放电中出现了热电离过程。
1.5 持续作用电压下空气的击穿电压
均匀电场 不均匀电场
表1-1 气体放电的主要外在形式
低气压
高气压(1个大气压及以上)
辉光放电
Hale Waihona Puke Baidu
火花放电、电弧放电
辉光放电 电晕放电、刷状放电、火花放电、电弧放电
辉光放电: 放电光辉充满整个电极空间，电流密度在1-5A/cm2之间，整个间隙呈绝缘
状态。
电晕放电: 高场强电极附近出现发光的薄层，伴随着咝咝的声音和臭氧的气味，整个
2.工频电压下的击穿电压 棒－板间隙击穿的时刻：棒的极性为正，电压达到峰值时。 棒－板间隙的饱和现象：随着距离的增加，平均击穿场强反而降低。
1.4 不均匀电场中的气体击穿
放电特征
电晕放电：在极不均匀电场中，高场强电极周围出现的薄薄的发光层。电晕放电是
极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。
电晕放电的脉冲现象：在电晕放电的起始阶段及向击穿过渡的阶段，会出现放电
的脉冲现象，并造成对外界的电磁干扰。
电晕放电的起始场强和起始电压
极性效应
棒－板间隙的气体放电 (1)正棒－负板的电晕起始电压大于负棒－正板的电晕起始电压 (2)正棒－负板的击穿电压小于负棒－正板的击穿电压
绪论
1 什么是绝缘
➢ 绝缘的功能是将具有不同电位的导体隔开，从而使电气设备能处于安全 状态。
表1 1995-2001年变压器故障台数统计
变压器故障部位
线圈 主绝缘或引线
分接开关 套管 其他
变压器故障台数/台 统计的变压器在役台数/台 变压器故障台率(故障台数/在役台数)/%
金属表面 正离子碰撞阴极 光电效应 场致发射
热电子放射
带电质点的消失有三种方式： 扩散 复合 消失于电极
1.3 均匀电场中的气体击穿
汤逊放电理论和巴申定律适用于气压较低、pd值较小的情况。
过程 过程
击穿电压 适用范围
标准大气条件－p0=0.101325MPa，T0=293K，绝对湿度=11g/m3。 相对密度 T0 p
变压器电压等级/kV
110 220 330～500 合计
166 84
20
270
19
8
4
31
20 10
2
32
15
9
10
34
6
4
2
12
226 115
38
379
55 821 20 733 3 829 80 383
0.41 0.55 0.99 0.47
(1) 随着变压器电压等级的提高，故障台率明显升高，330～500 kV变压 器故障台率是110 kV的两倍以上；
介电强度
均匀电场与不均匀电场
(1)采用电场不均匀系数来描述电场的不均匀程度，f=1为均匀电场，f<2
为稍不均匀电场；f>4为极不均匀电场。
f Emax
Eav
式中，Emax为最大场强；Eav=U ；U为间隙上的电压；d为电极间最
短的绝缘距离。
d
(2)根据能否维持电晕放电来区分。若不均匀到能维持电晕放电，则是极不 均匀电场；若不能维持稳定的电晕放电，一旦放电达到自持，则整个间隙 立即击穿，就称为稍不均匀电场或均匀电场。
离单位－光年类似。
激励－原子的电子在外界因素作用下，跃迁到能量较高的状态。当原子由
较高能级跃迁到较低能级时，将以光子的形式释放出激励能。
电离－原子在外界因素作用下，一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成
自由电子和正离子的过程。电子的尺寸和质量远小于离子。
表1-2 带电质点的产生
电离方式
气体
碰撞电离
光电离 热电离
电压的分类 持续作用电压－直流电压 工频电压 冲击电压－雷电冲击电压 操作冲击电压
均匀电场中的击穿电压 稍不均匀电场中击穿电压的估算
极不均匀电场中击穿电压
1.直流电压下的击穿电压 尖－尖电极的击穿电压介于极性不同的尖－板电极之间。 正棒－负板和负棒－正板的平均击穿场强为4.5kV/cm、10kV/cm。 棒－棒间隙的平均击穿场强为5.0kV/cm。
p0 T
流注理论：适用于压力较高气体的击穿，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，同时考虑了空间电荷对电场的影响。
正流注：电子崩先从阴极到阳极，在阳极附近形成正、负带电质点构成的等离
子体，然后再从阳极贯穿阴极，整个间隙击穿。
负流注：电子崩尚未贯穿间隙即形成流注，流注再贯穿气隙。
流注理论与汤逊理论的比较
3. 高压电器中的绝缘
➢ 绝缘子 ➢ 电力电容器 ➢ 电力电缆 ➢ 高压套管 ➢ 电流互感器 ➢ 变压器
4. 绝缘试验
➢ 绝缘特性试验 ➢ 绝缘耐压试验
5. 为什么要掌握高电压绝缘
电器产品绝缘性能不良 通过型式试验与否 在运行中发生故障
公司成本上升，市场信誉降低 公司盈利降低 裁员
电器产品绝缘性能良好 通过型式试验 稳定运行
公司成本下降，市场信誉上升 公司盈利增长 升职
1. 气体放电
1.1 基本概念
气体放电: 将气体中流通电流的各种形式称作气体放电。 击穿与闪络:当气体间隙上的电压达到一定数值时，电流突然剧增，使气体失去
绝缘性能。气体由绝缘状态突变为良导电状态的过程，称为击穿。 当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿 面闪络。
间隙呈绝缘状态。
刷状放电: 由电晕电极伸出的明亮而细的断续的放电通道，电流增大，间隙仍未被击
穿。
火花放电: 贯通两电极的明亮而细的断续的放电通道，火花放电间歇地击穿间隙。 电弧放电: 持续贯通放电通道，间隙被完全击穿。
1.2 带电质点的产生和消失
途径：气体分子的电离和金属的表面电离 能级－原子具有一系列可取的确定的能量状态，称为能级。 电子伏－电子行经1V电位差的电场所获得的能量，是能量单位。这点与距
(2) 变压器线圈故障占故障总数的71.2％，线圈故障对变压器危害很大 。其中，因变压器抗短路能力不够的线圈故障占线圈故障的58.1％，应更 加注意。
故障类型 击穿故障 放电故障
2 与绝缘相关的问题
➢ 绝缘材料 ➢ 气体放电 ➢ 液体介质的性能 ➢ 固体介质的性能 ➢ 不同介质的交界面
研究对象
➢电介质的击穿过程及其规律 ➢典型电气设备的绝缘问题 ➢绝缘试验及检测
稍不均匀电场的极性效应： 在稍不均匀电场中，不能形成稳定的电晕放电，电晕起始电压 就是其击穿电压，故负极性下的击穿电压低。
气隙 短间隙 长间隙
表1-3 不均匀电场的击穿过程
放电方式
电子崩
流注
电晕放电
先导放电
主放电 主放电
为什么长空气间隙的平均击穿场强小于短间隙？ 先导放电中出现了热电离过程。
1.5 持续作用电压下空气的击穿电压
均匀电场 不均匀电场
表1-1 气体放电的主要外在形式
低气压
高气压(1个大气压及以上)
辉光放电
Hale Waihona Puke Baidu
火花放电、电弧放电
辉光放电 电晕放电、刷状放电、火花放电、电弧放电
辉光放电: 放电光辉充满整个电极空间，电流密度在1-5A/cm2之间，整个间隙呈绝缘
状态。
电晕放电: 高场强电极附近出现发光的薄层，伴随着咝咝的声音和臭氧的气味，整个
2.工频电压下的击穿电压 棒－板间隙击穿的时刻：棒的极性为正，电压达到峰值时。 棒－板间隙的饱和现象：随着距离的增加，平均击穿场强反而降低。
1.4 不均匀电场中的气体击穿
放电特征
电晕放电：在极不均匀电场中，高场强电极周围出现的薄薄的发光层。电晕放电是
极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。
电晕放电的脉冲现象：在电晕放电的起始阶段及向击穿过渡的阶段，会出现放电
的脉冲现象，并造成对外界的电磁干扰。
电晕放电的起始场强和起始电压
极性效应
棒－板间隙的气体放电 (1)正棒－负板的电晕起始电压大于负棒－正板的电晕起始电压 (2)正棒－负板的击穿电压小于负棒－正板的击穿电压