电介质在强电场下的特性

绪论

一、绝缘受到各类电压

1、工频电压

3～220KV等级最高工作电压等级=1.15╳额定电压

330～500KV等级最高工作电压等级=1.1╳额定电压

2、暂时过电压（内部过电压）

工频电压升高，谐振过电压

3、操作过电压（内部过电压）

4、雷电过电压

二、外绝缘：利用空间作为介质的部分

（1）母线间，母线与杆塔间的空气间隙

（2）套管及支柱绝缘子表面

（3）隔离开关触点间

内绝缘：处在变压器或电器外壳内部或电缆外皮内部的绝缘，一般为组合绝缘。三、绝缘的击穿：高幅值过电压作用下，绝缘可能丧失其介质性能，对内外绝缘后果不一样。空气绝缘为自然恢复绝缘，会使供电短时中断，但一般不会使绝缘损坏；内绝缘的电气强度的破坏常常不可逆，导致贵重设备的损坏。

第一部分高电压绝缘及其试验

1.1 概述

1、气体：气体的场强超过某一临界值时，失去绝缘性能，出现导电或放电现象。

（1）均匀电场中，出现放电常导致间隙的短路并使间隙两端电压下降——称破坏性放电（绝缘的击穿）

a.在大气或更高的气压下表现为火花的形式，称火花放电

b.电源功率大，内阻小，出现电流大、温度高的电弧放电

上述放电均限制在带状狭窄通道中

（2）极不均匀电场中，只有部分间隙场强达到临界值——局部放电2、液体和固体

破坏性放电、击穿

闪络：破坏性放电沿固体介质表面

应用实例：在绝缘子的结构设计中，总要使其闪络电压低于固体介质的击穿电压以免在出现过电压时绝缘子破坏。

1.2 气体中带电质点的产生和消失

电离能：气体的电离所需的能量，随气体种类而不同（10～15eV）

一、高压过程

1、碰撞电离

2、光电离：光辐射的能量以不连续的光子的形式发出，光子的能

量与光的波长有关，波长越短，能量越大。例宇宙线，γ线，x线，

短波长紫外线具有较强的电离能量。

3、热电离：高温，例电弧

4、表面电离：（表面发射）

①逸出功：电极发射电子所需的能量，与电极材料及表面状态有关。1～5eV（1eV=1.602╳10-19 c·v=1.602╳10-19 J）逸出功小于气体电离能，说明阴极发射电子比在空间使气体分子电离容易。

②方式：加热电极，正离子对阴极的碰撞，短波光照射，场强作用。

二、去电离过程

带电粒子的扩散（高浓度区到低浓度区）、复合（正离子与负离子、正离子与电子、伴随光辐射（强烈的电离区通常也是强烈的负荷区，这个区的光亮度也就较高）），电子的附着作用（电子形成负离子，放出能量；电负性气体（氧、氯、氟、水蒸气和SF6））

1.3 气体的放电现象和电子崩的形成

1、自持放电：图1-2中，C点以后，不需外界电离因素，放电还能够持续下去。

2、非自持放电：图1-2中，C点以前，需外界电离因素，放电还能够持续下去。

3、电子崩：图1-2中，b点以后

设电子在电场方向走过单位距离时所产生的碰撞离子数dx

（电子的碰撞粒子系数），假设由于外界射线的作用，从阴极发出电子，

经过距离x 后增加到n ，在经过距离dx ，增加的电子数为dn .

dx n dn α=

n

dn =dx α 积分后， ⎰=x dx e n 0α

（式1-1)

若均匀电场，α为常数，e n =x α （式1-2)

若计及新产生的电子也参加电离过程，则电子数增加到e x α 例：若x α=10，则e x α =102.2⨯=4

α的性质：取决于两因数的乘积

1）电子在单位距离内产生的碰撞次数=λ1

（λ为平行自由行程） 2）每次碰撞产生电离的概率

电子与气体分子碰撞时产生电离的工作条件是：电子的动能至少应等于气体分子的电离能。

1.4 汤森的自持放电条件

在均匀电场中，自持放电的开始，即间隙的击穿。

汤森认为，电子崩的正离子，在返回阴极时，在阴极上产生的两次电离过程，是取得二次电子而使放电转为自持的关键。

起始电子——碰撞电离——电子数增为e

d α d 为相间距离 新产生的电子数或正离子数为

e d α-1

一个正离子返回阴极时，由于其具有的位能（电离能）及动能，从阴极上释放出λ个二次电子（λ<1）。（e

d α-1）个正离子，所释放的电子数λ（

e d α-1）个。若λ（e d α-1）≥1，原来的初始电子就可以得到接替，使后继电子崩不需依靠外界因素的作用就得到发展。

∴自持放电条件λ（e d α-1）≥1 （1-8） 而 e

d α》1 上式可写成λ（

e d α-1）=λe d α≥1 （1-9）

γ决定电极材料及其表面状况，以及气体种类。

汤森用电子的碰撞电离和正离子在阴极上释放二次电子来说明自持放电形成的理论。

适用：均匀电场，低气压小间隙

1、 稍不均匀电场，任何一处自持放电的条件，就是整个间隙击穿的条件。

2、 极不均匀电场，气隙某处发生局部自持放电，有可能被稳定地局限于该处附近的局部空间，而不会导致整个间隙的击穿。

1.5 均匀电场中间隙的击穿电压

一、自持放电条件：λe

d α ≥1

d α=ln λ1

一个电子经过极间距离所产生的碰撞电离数d α必须达到一定数值，ln λ1

才会开始自持放电。

二、决定条件：

1、)(0pd f U = （式1-11）间隙的击穿电压。

U 0是气压，p 与级间距离d 乘积的函数。见图1-4

2、考虑温度变化的影响。以气体的密度代替压力)(0d f U δ=（式1-12）

δ为空气的相对密度。

空气间隙的U 0最小值约为327V ，相应的d α值为10375.0-⨯em

∴大气压力或更高气压下间隙的d δ值要远大于上述值，

击穿在巴申曲线的右半部，即U 0随d δ的增大而升高。

1.6 流注放电理论

一、汤森不能解释

1、 从加上电压到放电形成所需要的空间，至少应等于正离子走过极间距离的时间，但实测的放电时间小得多。

2、 气体放电应在整个间隙中均匀连续的发展。

① 低气压下气体放电区域确实占据了整个电极空间，例放电管的辉光放电。

② 大气压力下气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细通道。

二、流注理论:电子的碰撞电离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，并强调空间电荷畸变电场的作用。

适应范围：均匀电场长间隙，不均匀电场。

过程：初始电子（由外界游离因素由阴极释放）→碰撞游离→初始电子崩→正离子（崩头密度最大）作为正空间电荷，使后面的电场