电气绝缘基础知识

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③碰撞游离（形成电弧的原因）
具有很高的速度和巨大的动能的电子，不断地与空 气（或其他绝缘介质）的原子或分子发生碰撞，使原 子核周围的束缚电子释放出来，形成自由电子和正离 子称为碰撞游离。
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思考：什么叫碰撞游离？

自由电子在强电场的作用下，加速向阳 极运动，这些具有很高的速度和巨大的动能 的电子，不断地与空气（或其他绝缘介质） 的原子或分子发生碰撞，使原子核周围的束 缚电子释放出来，形成自由电子和正离子， 这种现象就称为碰撞游离。

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五、 SF6气体的绝缘特性
（1） SF6气体是一种无色、无臭、无毒和不可燃的
惰性气体，化学性能稳定，具有优良的灭弧和绝缘
性能。
（2）SF6气体的液化特性；液化温度随压力变化，
压力越高，液化温度越低；反之亦然。
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▉ SF6气体的介电特性
（3） SF6 气体的灭弧性能特别强的原因主要是： 在高温时分解出的硫、氟原子和正负离子，与其他灭弧介 质相比，在分解时吸收的能量多，对弧柱的冷却作用强，弧柱 温度较低。因此，SF6气体中电弧电压较低，燃弧时的电弧能 量小，对灭弧有利。 气体分子的负电性强。所谓负电性，是指SF6气体吸附自 由电子形成负离子的特性。SF6气体负电性强，加强了去游离， 降低导电率。在电弧电流过零后，弧柱温度将急剧下降，分解 物急速复合。因此，SF6气体弧隙的绝缘性能恢复速度很高， 能耐受很高恢复电压，电弧在电流过零后难重燃。
的关系

三、电场是否均匀对空气间隙击穿电压的影响 四、气体间隙的直流击穿电压和极性效应 五、冲击电压作用下的空气间隙的击穿电压
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六、影响气体间隙击穿电压的各种因素 七、六氟化硫（ SF6 ）气体的绝缘特性 八、气体放电的不同形式 九、气体中固体介质的沿面放电
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大纲要求

电工进网作业许可考试
第二章 电气绝缘基础知识
汪辉
安庆培训基地
内容提要

第一节 气体介质的绝缘特性 第二节 液体介质的绝缘特性
第三节 固体介质的绝缘特性
第四节 组合绝缘的耐电特性

思考题与习题
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第一节 气体介质的绝缘特性

一、空气间隙的击穿机理
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二、均匀电场中气体间隙击穿电压与气体密度
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空气为什么会产生电弧？
这是由于,此时的空气中 出现了大量的自由电子，我 们称空气被游离了，游离状 态下的空气和导体一样具有 导电性能。
游离——中性质点转化为带电质点 （自由电子和 正离子） 。
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思考：

在切断电路时，空气（或其他绝缘介质 ）是如何由绝缘状态转变为导电状态（即游 离状态）的呢？
1.掌握气体介质的击穿机理; 2.熟悉影响气体介质击穿的主要因素; 3.了解气体放电的不同形式 4.掌握气体中固体介质的沿面放电
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本节重点介绍：
空气间隙的击穿机理和影响空气击
穿电压的各种因素。
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第一节

气体介质的绝缘特性
研究在电场作用下，气体间隙中带电离子 的形成和运动过程
气体间隙中带电离子是如何形成的；
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（4） SF6 气体分解物的毒性 SF6 气体在水分和电弧的作用下会产生 有毒或有腐蚀性的物质。 因此，必须做好电气设备的密封处理， 加强漏气和含水量检测。
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在SF6断路器中，在水分参与下将产生强腐蚀性的 分解产物HF。这种物质对绝缘材料、金属材料、 玻璃、电瓷等含硅材料有很强的腐蚀性。因此， 必须严格控制SF6气体中的水分。常采用的措施有： 加强断路器的密封；组装断路器时，先要对零部 件进行彻底烘干；严格控制SF6气体中含水量；严 格控制断路器充气前的含水量；在SF6断路器内部 加装吸附剂。
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碰撞游离连续进行就可能导致触头间 充满了带电质点即大量的电子和正、负离 子，具有很强的电导性。 此时在外加电压作用下，触头间介质 就会被击穿而形成导电的电弧通道。
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碰撞游离过程示意图 自由电子向阳 极加速运动 碰撞出新的 自由电子
阴极
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阳极
电弧的形成
④热游离（维持电弧燃烧的原因）
空气（或其他绝缘介质）分子在电弧极高温度下产 生迅速的不规则运动，具有很大的动能，相互碰撞,游 离出自由电子和正离子称为热游离。
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（4）电晕放电
特点：空气间隙极不均匀，在电极电场最强处出现 发光层，放电电流小，气体间隙大部分尚未丧失 绝缘性能，间隙仍能耐受电压作用。

（5）刷状放电
特点：电场极不均匀的情况下发生电晕放电，如果 电压继续升高到一定程度时，从电晕电极伸展出 许多较明亮的细小放电通道。
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七、气体中固体介质的沿面放电

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四、影响气体间隙击穿电压的各种因素
1.气体状态对击穿电压的影响 2.电压作用时间(电压波形)的影响 1）均匀电场，空气间隙的击穿电压与电压波 形、电压作用时间无关； 2）极不均匀电场，雷电击穿电压远大于工频 击穿电压 3.电压极性的影响 4.电场均匀程度的影响 5.电极材料和光洁度的影响 6.不同气体种类的影响

带点粒子在足够大的电场作用下，高速运动 并不断加速，出现强烈的碰撞电离，形成电子崩， 由许多电子崩产生大量正负带电质点混合的离子 通道即流注，当流注把空气间隙的两极接通时， 整个间隙随之击穿。
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整个过程： 碰撞电离 电子崩（非自持放电） 二次电子崩 流注 间隙被击穿 在均匀电场中发生自持放电，间隙即被击穿；

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从放电的观点如何区分电场的均匀程度：


均匀电场：不存在电晕放电，击穿电压等于自持放 电电压,与作用时间无关； 稍不均匀电场：不能维持稳定的电晕放电，击穿电 压等于自持放电电压； 极不均匀电场：能维持稳定的电晕放电，击穿电压 远大于自持放电电压；
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4、均匀电场与不均匀电场工频击穿电压的比较

在极不均匀电场中发生自持放电，会发生电晕 放电，但间隙并不被击穿，必须增高电压， 才可以击穿间隙。
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重点概念：

碰撞电离、电子崩、二次电子崩、流注、
自持放电、非自持放电、阳极流注、阴极
流注
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二、均匀电场中击穿电压与气体密度的关系
1、气体间隙击穿电压与气体密度的关系 在温度不变的条件下： 压力越大，密度越大，电子的自由行程 短，间隙不容易被击穿，击穿电压升高； 反之，击穿电压减小。 但，气体过于稀薄，碰撞次数太小，导 致击穿电压升高。
1）均匀电场击穿场强：标准大气压下30kV/cm；与气体的密度 有关 2）稍不均匀电场击穿场强：以S/D≤0.5球间隙为例，S一定时 ，D越小，击穿电压越低；反之D越大，击穿电压越高 3）极不均匀电场击穿场强：
棒棒间隙的击穿电压＞棒板间隙的击穿电压；因为棒板间隙的电 场更不均匀。
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四、气体间隙的直流击穿电压和极性效应

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三、电场是否均匀对空气间隙击穿电压的影响
稳态电压：持续作用电压，指的是工频交流和直流电压 1、均匀电场在稳态电压下的击穿特性 1）没有极性效应；2）与电压作用时间无关；3）不会出现 电晕放电 2、不均匀电场在稳态电压下的击穿特性 稍不均匀电场：不能维持稳定的电晕放电； 与均匀电场一样击穿电压=自持放电电压 实例：D/S≥2的球间隙、GIS的母线 极不均匀电场：能维持稳定的电晕放电； 击穿电压 >>(远大于)自持放电电压 实例： D/S<2 的球间隙、棒棒间隙、棒板间隙
电弧电流
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游离过程主要有以下四种形式：
①强电场发射（在触头间最初产生自由电
子的原因之一） 在开关触头刚刚分离的瞬间，当电场强 度E（E=U/s）超过3×106伏/米以上 金属触头阴极表面的电子被电场力拉出， 称为强电场发射。
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②热电子发射（在触头间产生自由电子的原
因之二）
触头即将分开的瞬间，触头之间的压力以及接触面 积减小，接触电阻（Ｒc）增大，电流（I）通过此接触 电阻，使得电能损耗（I2Rc）增大。 在触头表面出现炽热点，温度极高，使得自由电子 能量增加，运动加剧，阴极表面就会有电子跑出，形成 热电子发射。
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六、气体放电的不同形式

（1）辉光放电（低气压下）
特点：放电电流密度较小，放电区域通常占据 放电电极间的整个空间。（霓虹管中的放电） （2）电弧放电（常压或高压下）
特点：放电电流密度极大，耀眼而细长的放电 通道，温度极高，具有短路的性质。 （3）火花放电（常压或高压下） 特点：外电路的阻抗很大，限制了放电电流， 出现贯穿两极的断续的明亮细火花。
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3）强垂直分量的不均匀电场 沿面闪络电压<<同样间隙距离，极不均匀电场 纯空气间隙放电电压

3、提高空气中固体绝缘沿面放电电压的措施
（1）户外安装的绝缘子设置裙边，减小绝缘的吸潮； （2）在绝缘子表面涂防水涂料 （3）尽量使配电装置导电部位电场均匀 1）间隙电极附近单位面积的体积电容 2）减小电极附近固体绝缘表面电阻系数 3）减少空气间隙
电弧的温度极高，如前所述，可达到几千甚至上 万摄氏度，空气（或其他绝缘介质）分子在此高温作 用下，产生迅速的不规则运动，具有很大的动能，相 互碰撞,游离出自由电子和正离子，形成热游离，增加 了开关电器熄灭电弧的难度。
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2、空气间隙的击穿过程
（1）碰撞电离 （2）电子崩 （3）非自持放电和自持放电 （4）流注

气体间隙中带电通道是如何形成的；
带电通道形成后，又是如何维持持续放电的
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一、空气间隙的击穿机理


1、电离（游离）
定义：电子脱离原子核的束缚使原子成为自由电 子和正离子的过程。

电离的形式：碰撞电离、光电离、热电离、表面 电离等。

气体分子本身的电离和气体中的固体和液体金属 的表面电离
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第二节 液体介质的绝缘特性

一、液体介质的种类


二、变压器油的击穿过程
三、影响变压器油击穿电压的各种因素 大纲要求: 1、熟悉变压器油的击穿过程
2、熟悉影响变压器油击穿电压的
各种因素
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第二节 液体介质的绝缘特性

一、液体介质的种类
液体介质按其来源分为：矿物油、植物油、人

在均匀电场中，直流击穿电压和工频击穿电 压的大小相等，不存在极性效应。
在不均匀电场中，正极性的直流击穿电压远低 于负极性的直流击穿电压，这就是极性效应

击穿电压比较:负棒-正板 > 棒-棒 > 正棒-负板
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4.冲击电压作用下的击穿电压 雷电和操作冲击电压,持续时间很短（us或ms ），属于瞬态作用电压，但其幅值很大，对 电气设备的绝缘危害大。 （1）雷电冲击电压：±1.2/50 us（含义） （2）操作冲击电压：±250/2500 us （含义）


1、沿面放电
定义：沿固体介质表面发生的气体放电现象称之 为沿面放电。

沿面放电发展成贯穿性短路（类似于击穿）时称 之为沿面闪络。
电晕放电 沿面放电

刷状放电 间隙被击穿
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滑闪放电

2、影响空气中固体介质沿面放电电压的各种 因素
（1）固体绝缘表面的光洁度 （2）大气湿度和固体绝缘表面吸潮 （3）导体与固体绝缘结合状况 （4）电场分布的均匀程度 1）均匀电场中，沿面闪络电压<纯空气间隙放电电压 2）弱垂直分量的不均匀电场 沿面闪络电压<同样间隙距离，极不均匀电场纯 空气间隙放电电压
先思考：
为什么绝缘体不导电，
而导体能够导电？
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为什么绝缘体不导电，而导体能够导电？

绝缘体内部： 原子核周围的电子被原子核牢牢束缚，称 为束缚电子； 导体内部： 存在大量脱离原子核束缚的电子,称为自由 电子。
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思考：

空气是绝缘体，那么触头之间的空气为什么 会产生电弧，从而形成了一个导电的通道呢？

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操作冲击击穿电压
与间隙距离、电极形状、电极极性、波前时间都有关 波前时间T1越短，击穿电压越高； 反之，波前时间T1越长，击穿电压也越高； 一定有一个时间，击穿电压最小。这个时 间就称之为临界波前时间T0 。
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50%冲击击穿电压 工程上常以击穿概率为50%的冲击电压作为 该间隙的冲击电压击穿值，用符号U 50% 表示。

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2、巴申定律 UF=f（pS） 在均匀电场中，气体的间隙距离一定，间 隙的击穿电压与气体的压力有关

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三、电场是否均匀对空气间隙击穿电压的影响
在标准大气压下，温度为20℃ 均匀电场空气间隙的击穿场强大约为： 30kV/cm 不均匀电场空气间隙的击穿场强大大下降: 空间间隙距离大于50cm 负极性的直流平均击穿场强: 10kV/cm; 正极性的直流平均击穿场强: 4.5kV/cm;