第5讲 气体电介质的绝缘特性

32
1.9.1 均匀电场中的沿面放电
机理分析： 1） 固体介质与电极接触不良，空气间隙发生局放 ，形成的带电粒子沿介质表面移动。
在连接处涂导电粉末或者导电胶
2） 潮气形成水膜，其中的离子在电场下运动， 造成沿面电压分布不均，畸变电场。
憎水性材料
3） 在瓷柱表面的凸凹处，发生电场畸变，产生空气 间隙击穿。带电粒子分布在固体表面，畸变原有电 场，降低了闪络电压。 4） 固体表面电阻不均，造成泄漏电流的压降分 布不均，使电场畸变，降低沿面闪络电压。
300 200 100
4 5
压缩空气可用于内绝 缘，如断路器、高压 标准电容等。
0
5
10 15 d / mm
20
1－2.8MPa 5－0.1MPa
24
（二） 采用强电负性气体
卤化物气体电气强度高
25
（二） 采用强电负性气体
卤化物气体电气强度高的原因： 1） 2） 3） 具有很强的电负性，负离子即削弱电离， 又加强复合； 分子量大，分子直径大，电子的减小。 电离过程伴随离解过程，需要更多能量。
28
p / Pa
10 2
10 2
10 6
气隙击穿电压与真空压力的关系
1.9 沿面放电
含义：沿空气与固体介质表面发生的气体放电现 象称为沿面放电。击穿后俗称闪络。
研究意义：一个绝缘装置的实际耐压水平由沿面 放电电压决定。 研究范围：表面干燥、清洁时的沿面放电电压 表面潮湿、污秽时的沿面放电电压
29
P：气压，kPa；t：温度，度


气压P增大时，带电粒子的平均自由行程减小 ，因此在运动中积累的动能就小；击穿电压升 高 温度T增大时，空气相对密度减小，平均自由 行程增大，击穿电压降低。
6
一、空气相对密度的影响
在大气条件下，空气间隙的击穿电压随的增大而升高
δ ＝ 0.95~1.05 范 围 内 变动时，间隙的击穿 电压与相对密度成正 比，实际试验或运行 条件下
在中间一段范围内，带屏蔽的击穿电压（不论极性 ）与均匀电场下的击穿电压接近
20
（三） 极不均匀电场中采用屏障－工频
工频下，击 穿在正半波 发生，因此 ，屏蔽层也 可显著提高 击穿电压
工频作用下尖－板的击穿电压与屏蔽层位置的关系
21
（三）
极不均匀电场中采用屏障

屏蔽层插入电晕电极侧，可提高击穿电压。
1.9 沿面放电
电极 固体 介质 电极 固体 介质
固体 介质
电极 电极
(a)
均匀电场
(b)
强垂直分量
(c)
弱垂直分量
30
沿面放电的几种典型电场分布形式
1.9 沿面放电
31
1.9.1 均匀电场中的沿面放电
在平行平板中放置瓷 柱，虽然瓷柱不影 响电场分布，但放 电总发生在瓷柱表 面，且击穿电压比 纯空气的低很多。
Ub

n
H
U bs n
使用时务必注意教材P27～28的参数取值条件
9
三、对海拔高度的校正
随着海拔增高，空气密度减小，λ增大，电离 能力增大，间隙的击穿电压降低。
1 Ka 1.1 H 10 4
我国的国家标准规定：1000m<H<4000m地区的 出厂测试U（或称设计耐压水平）与平原地区 外绝缘的Up的关系为

2.先导通道的形成是以(

)的出现为特征。
B.表现游离 D.光游离

试对以下极间距离相同的几种气体间隙的直流 击穿电压进行排序：

a、正极性棒-板 b、负极性棒-板 c、板-板 d、棒 -棒
3
本次课程

大气条件对气隙击穿的影响

相关简单计算

提高气体间隙击穿电压的措施


物理原理 屏障效应

0
Eq
x
16
（三） 极不均匀电场中采用屏障－DC
棒电极为正极性时 正离子聚集在屏 障上，并沿表面均 匀分布，削弱了正 棒头部的强电场 屏障与负板之间形 成均匀电场
17
（三） 极不均匀电场中采用屏障
棒电极为正极性时
屏障
x
d
Ub
无屏障
＋
－
在 x/d=0.2 时 击 穿 电 压的提高最显著，约 为2－3倍。
19
（三） 极不均匀电场中采用屏障-DC:总结
棒电极为正极性时
正离子聚集在屏障上， 并沿表面均匀分布，削 弱了正棒头部的强电场
在 x/d=0.2 时 击 穿 电 压 的 提高最显著，约为2－3 倍。
棒电极为负极性时 总趋势同与正棒下的屏 蔽效应。 当屏蔽层离开电极一定 距离后，吸附的负离子 将加强板前电场，使击 穿电压低于无屏蔽的情 况。 最高提高0.2倍
43
提高沿面放电电压的方法


棱缘屏障（伞裙） 屏蔽电极改善电场分布 提高表面憎水性 避免绝缘体与电极间缝隙 改善局部区域电阻率 强制表面电位分布
44
提高沿面放电电压的方法
以套管型结构为例，也即强垂直分量下的沿面放电 链形等值回路为:
x
HV
RS
法兰
C0
略去了介质的体积电阻
45
提高沿面放电电压的方法
Q0 Q' C r 0 Q0 C0
反映极化、储能特性
49
(a)
(b)
极化的基本形式
1. 电子式极化
2. 离子式极化 3. 偶极子极化 4. 夹层（界面）极化 5. 空间电荷极化
50
1. 电子式极化
极化机理：电子偏离轨道
介质类型：所有介质
建立极化时间：极短，10-1410-15s
－
＋
有屏障
有屏障
－
＋
无屏障
＋
－
O
x/d
直流电压作用下尖－板的击穿电压和屏障的关系
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（三） 极不均匀电场中采用屏障
棒电极为负极性时 当屏蔽层离开电极一定距离后，吸附的负离子将加强板前 电场，使击穿电压低于无屏蔽的情况。
屏蔽层靠近负棒，强电场作用下电子速度大，可以穿透屏 蔽层，正离子集聚在屏蔽层，屏蔽层总体上带正电荷， 削弱屏蔽层前方电场，击穿电压略有提高。
沿面放电 液体、固体的绝缘
4
1.7 大气条件对气隙击穿特性的影响

标准大气条件：
气压 P0=101.3kPa， 温度 t0=20℃ 绝对湿度 f0=11g/m3。

反映空气密度
非标准大气条件要换算到标准大气条件
5
一、空气相对密度的影响
PT0 P 273 t0 2.89P P0T P0 273 t 273 t
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1.9.3 极不均匀场具有弱垂直分量 的沿面放电
没有热电离和明显的滑闪放电； 介质表面电荷聚集对电场畸变影响不大； 沿面闪络电压与空气击穿电压差别不大。
实验表明：这种绝缘子的干式闪络电压基本上随 极间距离的增加而增加。
40
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三种情况比较：

均匀场中的沿面闪络电压最高，有垂直分量的
沿面放电电压低得多；

具有强垂直分量的沿面放电电压很低，因为出
现了热电离和滑闪放电。
41
1.9.4 绝缘子污染状态下 的沿面放电
污闪电压
发展过程： 积污受潮电导增加，电流增大烘干，形 成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始 放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干 周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度 ，自动延伸，贯穿两极
屏蔽层仅对持续作用电压（DC，工频）有效 而对雷电波作用很小。

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二、 削弱或抑制电离过程

采用高气压
采用强电负性气体
采用高真空
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（一） 采用高气压

基本原理：气压提高减小动能减小U提高
600
1 2
500 400
U b / kV
3
当气压在10个大气压 下时，击穿电压随气 压增大线性增加。再 提高P，会饱和
37
1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电

最后，第四阶段，电压再升高，滑闪贯通两级 ，形成沿面闪络。
38
1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电
滑闪放电在交流和冲 击下表现明显。


随电压增加，滑 闪长度增长变快 ，因此单靠加长 距离提高闪络电 压效果不明显。 玻璃管壁变薄， 滑闪电压降低。
2
2
2
(a)
电晕放电
(b)
细丝状的 辉光放电
(c)
滑闪放电
第二阶段： 随着电压升 高，出现平 行的许多火 花细线，具 有辉光放电 的特征。
沿套管表面的放电
36
1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电
1 1 1
2
2
2
(a)
电晕放电
(b)
细丝状的 辉光放电
(c)
滑闪放电
沿套管表面的放电
第三阶段： 电压继续升 高，带电粒 子的运动造 成介质表面 局部发热， 引起气体热 电离，出现 树枝状火花 ，位置不固 定，称为滑 闪放电。
U K aU P
10
1.8 提高气体间隙击穿电压的措施
两条途径： 一、改善电场分布 二、削弱气体中的电离过程
11
一、改善电场分布
(一）改进电极形状

增大电极曲率半径

改善电极边缘
12
(一）改进电极形状

使电极具有最佳外形
13
（二） 利用空间电荷畸变电场

细线效应（工 频下） D增大后，局部 毛刺点的强烈电 离，产生刷状放 电 细线效应只对稳 态电压有作用， 对雷电波没有作 用
极化程度影响因素：
电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（无关） 极化弹性：弹性
消耗能量：无
51
2. 离子式极化
极化机理：正负离子位移
介质类型：离子性介质
建立极化时间：极短，10-12~10-13 s
极化程度影响因素：
电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加，离子结合力） 极化弹性：弹性
链性等值回路的方程： .
. dI j C 0 U dx . . dU Rs I dx
边界条件：
. . x 0,U U 0 . x l ,U 0
U
0
x
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提高沿面放电电压的方法
定性来看，电压分布的不均匀性在于靠近法 兰处的Rs流过的电流大于远离法兰处的Rs中 流过的电流。
防止污闪：1 改善环境，减小污染的可能性 2 改进绝缘子结构设计，降低污秽积 累的可能 42
1.9.5 固体介质表面有水膜时的 沿面放电
A B
C
湿闪电压
闪络途径： 1 AB－BCA’：闪络电 压下降到40%-50% 2 AB－BA’：下降不多 3 AB－水流：湿闪电压 降到很低值。
B'
A'
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（二） 采用强电负性气体
选用卤化物的原则：
1 液化温度要低， 2 应具有良好的化学稳定性， 3 经济上应当合理，价格便宜，能大量供应
目前得到工程广泛应用的是SF6及SF6混合气体
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（三） 采用高真空
Ub
• 接近真空阶段：
碰撞电离的几率
太小，Ub提高 • 高真空阶段： 小距离时：强场 发射、金属气化 大距离时：全电 压效应 真空中的Ub与电极材 料、表面光洁度 、清洁度有关

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（三） 极不均匀电场中采用屏障
E0

正棒－负板
(a) E E0
－
－
(b)
回顾： 极不均匀场 中的极性效应
Ecom E0 Eq Eq
(c) x
0
15

负棒—正板
E
E0
Eq
Ecom E0 Eq Eq
当δ与1相差较大时， 须用空气密度校正系 数Kd对击穿电压U进 行校正
Kd n
U U 0
Ub Ubs
n
7
二、湿度的影响

湿度增加，电离能力下降，对放电过程起到抑 制作用——湿度越大，间隙的击穿电压也会越 高（不均匀电场中更明显）。 湿度矫正系数：
Ubs Ub n H
8
综合气压、温度、湿度的影响
高电压技术
高电压工程系 李黎 leeli@mail.hust.edu.cn
回顾


极不均匀场中的放电过程 稳态电压下的气体击穿 瞬态电压下的气体击穿 重点：极性效应
2
问题

1.流注理论未考虑(

)的现象。
B.表面游离 D.电荷畸变电场
A.碰撞游离 C.光游离 A.碰撞游离 C.热游离
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1.9.1 均匀电场中的沿面放电
34
1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电
1 1 1
2
2
2
第一阶段： 由于接地法 兰附近电力 线密集，首 先出现电晕 。
(a)
电晕放电
(b)
细丝状的 辉光放电
(c)
滑闪放电
沿套管表面的放电
35
1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电
1 1 1
48
2.1 电介质的极化、电导与损耗
极化的概念

Q Q0 U
Q Q0 Q U
'
固体介质表面出现束缚 电荷
Q0 Q ' A C U d
相对介电常数
措施： 1 减小比电容C0
可加大瓷套外径、壁厚，或减小介电常数
2 减小电场较强处的表面电阻。
可涂半导体釉、半导体漆等，采用电容式套 管、充油式套管
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2 液体、固体电介质的 绝缘特性
特 点
1. 2. 3. 4. 5. 电气强度高 液体兼做灭弧；固体兼做支撑 电气强度不受外界影响 不可自恢复 会逐渐老化