1、 第 1 章 气体介质的电气强度一、带电粒子在空气中运动的表征1、自由行程长度: 粒子在 1cm 的行程中碰撞次数 Z 的倒数 即为该粒子的平均自由行程长度。 （两次碰撞间粒子经过的距离）(1)粒子的自由行程长度等于或大于某一距离 x 的概率为： P(x)=：粒子平均自由行程长度令 x = ，可见粒子实际自由行程长度等于或大于平均自由行程长度 的概率为 36.8%(2)由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度：r ：气体分子的半径；N ：气体分子的密度。由于 ，代入上式即得:P ：气压，Pa；T ：气温，K；K ：波尔茨曼常数，k=1.38*10-23。在大气压和常温下，电子在空气中的平均自由
2、行程长度的数量级为 10-5cm。2、带电粒子的迁移率：带电粒子在电场力驱动下，其速度 与场强 E 之比，称为迁移率： k= / E它表示该粒子在单位场强下沿电场方向的漂移速度。（1）电子与离子的迁移率相比较： 电子的平均自由行程长度比离子大得多 电子的质量比离子小得多因此，电子更易加速，其迁移率远大于离子。3、扩散：热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使分布均匀化，这种过程称为扩散。（1）温度越高，气压越低，扩散进行的越快。（2）电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度也要比离子快得多。4、带电粒子产生的物理过程（电离）（1）光电离：书上第 12 页 光子来源：
3、外界高能射线，气体本身放电。（2）热电离：书上第 12 页 气体中发生电离的分子数与总分子数的比值 m 称为该气体的电离度。当 T1000K 时，才需要考虑热电离； 当 T2000K 时，几乎全部空气分子都处于热电离状态。（3）碰撞电离：电子在电场作用下与气体分子碰撞时，把自己的动能转给后者而引起碰撞电离。 （书上第 12 页）电子在场强为 E 的电场中移过 x 的距离时所获得的动能为：m ： 电子的质量；e ： 电子的电荷量。如果 W 等于或大于气体分子的电离能 Wi，该电子就有足够的能量去完成碰撞电离。电子引起碰撞电离的条件应为：e E x Wi （1-4）电子为造成碰撞电离而必须飞越的最
4、小距离：Ui 为气体的电离电位，在数值上与以 eV 为单位的 Wi 相等。x 的大小取决于场强 E，增大气体中的场强将使 x 值减小，可见提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。21veExiUE 碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式； 主要的碰撞电离均由电子完成； 离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多。因此在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。（4）分级电离：书上第 13 页（5）电极表面的电子逸出（即电极表面的电离）：书上第 13 页逸出功：电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途径获得：书上第 13 页（
5、6）负离子的形成：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这过程称为附着。负离子的形成并没有使气体中的带电粒子数改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。 （书上第 14 页）5、带电质点的消失：（书上第 15 页，总共 3 点）6、电子崩产生机理（书上第 16 页） 所有气体放电都有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段； 电子崩将产生急剧增大的空间电子流； 在高气压和高真空的条件下，气隙都不易发生放电现象。1、电子崩的形成过程（1）非自持放电与自持放电特点：书上第 16 页无论何种气体放电都
6、一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段，它在所加电压达到某一数值时开始出现。各种高能辐射线（外界电离因子）引起： 阴极表面光电离 气体中的空间光电离因此，空气中存在一定浓度的带电粒子。（2）电子崩形成过程：外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，初始电子与新电子继续向阳极运动引起新的碰撞电离，依次类推，电子数将按几何级数增多，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。结论：虽然电子崩电流按指数规律随极间距离 d 而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子（令 I0 = 0） ，I 即变为零。因此，电子崩过程时放电不能自持（书上第
7、17、18 页）（3）碰撞电离系数：书上第 18 页设电子的平均自由行程长度为 ，则在它运动过 1cm 的距离内将与气体分子发生1/ 次碰撞，不过并非每次碰撞都会引起电离。只有电子积累的动能大于分子电离能 Wi 时，才能产生电离，此时分子至少运动的距离为：实际自由行程长度等于或大于 xi 的概率为 ，所以它也就是碰撞时能引起电离的概率。根据碰撞电离系数 的定义，即可写出：iiiWUxeEixe1i ixUEe电子的平均自由行程长度 与气温 T 成正比、与气压 p 成反比，即当气温 T 不变时，碰撞电离系数 即可改写为：式中 A、 B 是两个与气体种类有关的常数。可以看出：电场强度 E 增大时，
8、 急剧增大；p 很大或很小时， 值都比较小。高气压时，单位长度上碰撞次数很多，但能引起电离的概率很小；低气压或真空时，电子虽然容易积累能量，但碰撞次数太少。结论：高气压高真空都不易发生放电，即具有较高的电气强度。7、汤逊理论（书上第 18、19、20 页） 当除去外界电离因子的作用，放电不会停止，此时即为自持放电；自持放电是由初始电子崩中的正离子撞击阴极表面产生多余电子形成的。(1) 汤逊理论认为：在电场的作用下，正离子向阴极运动，由于它的平均自由行程长度较短，不易积累动能，所以很难使气体分子发生碰撞电离。但当它们撞击阴极时却有可能引起表面电离而拉出电子，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳
9、极运动和引起新的电子崩。(2) 自持放电的形成：如果电压（电场强度）足够大，初始电子崩中的正离子撞击阴极，使阴极释放出新电子数等于或大于 n0，那么即使除去外界电离因子的作用，放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子就能维持下去，这就变成自持放电了。(3) 均匀电场：起始电压往往就是气隙的击穿电压(4) 不均匀电场：电离仅仅在气隙电场强度等于或大于起始场强的区域，放电能自持，但整个气隙仍未击穿。可见，起始电压低于击穿电压，电场越不均匀，二者的差值就越大(5) 自持放电的条件:设阴极表面在单位时间内发射出来的电子数为 nc，在到达阳极时将增加为： na=nce dnc 包括两部分
10、电子：一部分是外界电离因子所造成的 n0；另一部分是前一秒钟产生出来的正离子在阴极上造成的二次电子发射。当放电达到某种平衡状态时，每秒钟从阴极上逸出的电子数均为 nc，则二次电子数应等于 nc（e d-1） ，因此nc=n0+ nc（e d-1） 表示一个正离子撞击阴极表面时产生出来的二次自由电子数； 碰撞电离系数。将上两式整理后，在等式两边乘以电子电荷 e，可得：如果 1- (e d-1)=0，那么即使除去外界电离因子 (I0=0)，I 亦不等于零，即放电能维持下去。可见自持放电条件应为： (e d-1)=1(6) 自持放电的物理含义: 一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正离子数为：e
11、 d-1这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数为： (e d-1)如果它等于 1，就意味着那个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。(7) 当自持放电条件得到满足时，就会形成图中闭环部分所示的循环不息的状态。8、巴申定律及其适应范围（书上第 20、21 页） 同温时均匀电场下气体起始放电电压是 pd 乘积的函数； 提高气压或降低气压至真空，都可以提高气隙的击穿电压。 表明击穿电压有极小值。（1）巴申曲线表明，改变极间距离 d 的同时，也相应改变气压 p 而使 pd 的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等。（2）由巴申曲线可知，当极间距离不变时，提高气压或降低气压至真空，都可
12、以提高气隙的击穿电压，这一概念具有十分重要的实用意义。9、流注理论考虑了以下因素： 空间电荷对原有电场的影响； 空间光电离的作用； 流注理论适用于高气压、长气隙下的放电。（1）空间电荷对原有电场的影响 电子崩头部集中着大部分正离子和几乎全部电子，造成了电场畸变； 电子崩前方和尾部处的电场都增强，而在这两个强场区之间区域场强很小，粒子浓度最大，有利于复合； 强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新空间光电离的辐射源。（2）空间光电离的作用汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象，而这一因素在高气压、长气隙的击穿过程中起着重要的作用。考虑初始电子崩头部成为辐射源，就会向气隙空间各处发射光子而引发
13、光电离如果这时产生的光电子位于崩头前方和崩尾附近的强场区内，那么它们所造成的二次电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中。这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初始通道的过程被称为流注。（3）流注的特点：是电离强度很大和传播速度很快（超过初崩发展速度 10 倍以上） ，出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力，而不再依赖外界电离因子的作用（4）流注的特点是电离强度很大和传播速度很快（超过初崩发展速度 10 倍以上） ，出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见这时出现流注的条件也就是自持放电条件。10
14、、不均匀电场中的气体放电（书上第 22、23、24 页） 用不均匀系数来描述电场的不均匀程度； 电晕放电是发生在小曲率半径电极附近的放电，是一种自持放电； 电场极不均匀的“棒- 板”气隙，负极性击穿电压高于正极性击穿电压（ 极性效应） 。（1）电晕放电：书上第 22 页（2）电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。根据其特点，可分为两种形式： 电子崩形式 流注形式（3）电晕放电的危害：书上第 23 页（最下边）（4）降低电晕的方法：最根本的途径是设法限制和降低导线的表面电场强度 选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时的电晕损耗相当小，对无线电和电视的干扰亦应限制在容许水平以下。 对超高压
15、和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距离，使导线表面最大电场强度值最小。（5）电晕有利之处： 在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度； 操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制； 电晕放电还在静电除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中获得广泛的应用。11、极不均匀电场中的放电过程（书上第 24、25、26 页）1、极性效应：书上第 24 页2、以电场最不均匀的“棒板”气隙为例，从流注理论的概念出发，说明放电的：一、正极性棒极带正电位时，电子崩头部的电子达到棒极后即将被中和，棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子。这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢
16、而暂留在棒极附近。这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，而加强了正离子群外部空间的电场。因此，当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区亦将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的，直至气隙被击穿。二、负极性棒极带负电位时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头的电子在离开强场区后，虽不能再引起新的碰撞电离，但仍继续往板极运动。留在棒极附近的也是大批正离子，这时它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间的电场。所以，当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整个气隙的击穿将是不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多，完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多。结论：（1）在负极性
17、下，通道的发展要困难得多；（2）输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电压的作用下，击穿均发生在外加电压为正极性的那半周内；（3）在进行外绝缘的冲击高压试验时，也往往施加正极性冲击电压，因为这时的电气强度较低。3、长间隙击穿过程：当气隙较长时流注往往不能一次就贯穿整个气隙，而出现逐级推进的先导放电现象。击穿过程：电晕放电先导放电主放电，最后完成整个气隙的击穿。二、冲击电压下的气隙击穿1 、标准雷电冲击电压波（书上第 32 页图 1-13）IEC 和国标规定： T1=1.2us，容许偏差30% T2=50us，容许偏差20%一般写成 1.2/50us，有国家采
18、用 1.5/40us 标准。2、标准雷电截波用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后所出现的截尾冲击波。IEC 和国标规定： T1=1.2us，容许偏差30% T2=25us，容许偏差 20% 一般写成 1.2/25us。3、标准操作冲击电压波（书上第 34 页图 1-17）IEC 和国标规定： Tcr=250us，容许偏差 20% T2=2500us，容许偏差60%一般写成 250/2500us 冲击波。三、冲击电压下气隙的击穿特性 采用击穿百分比为 50%时的电压来表征气隙的冲击击穿特性； 采用伏秒特性表征气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。1、50%冲击击穿电压（U50%） （书上第
19、 33 页）在工程实际中广泛采用击穿百分比为 50%时的电压（U 50%）来表征气隙的冲击击穿特性。实际中，施加 10 次电压中有 4-6 次击穿了，这一电压即可认为是 50%冲击击穿电压。（ 1） U50%与 Us（静态击穿电压）之比称为冲击系数 。均匀和稍不均匀电场下的 1；极不均匀电场下 1，冲击击穿电压的分散性较大，其标准偏差可取 3%。2、伏秒特性（书上第 33 页 ）由于气隙的击穿存在时延现象，因此冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压-时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒曲线，它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。 （书上第 33 页 图 1-15）伏
20、秒特性实际上是一个以上、下包线为界的带状区域，如图所示，通常取平均伏秒特性或 50%伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿特性。 （ 书上第 34 页 图 1-16）随着时间的延伸，一切气隙的伏秒特性最后都将趋于平坦（这个击穿电压不再受放电时间的影响） ，但是特性曲线变平的时间却与气隙的电场形式有很大的关系：均匀或稍不均匀电场的放电时延短，其伏秒特性很快就变平；极不均匀电场的放电时延较长，其伏秒特性达到变平点的时间也就较长了。四、均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性（书上第 27、28、29、30 页 ）通常都采用实验的方法来求取某些典型电极所构成的气隙的击穿特性，以满足工程实用的需要。典型电极如：
21、 “棒板” 电极 “棒 棒”电极 “球球”电极 “同轴圆筒电极”气体介质电气强度取决于： 电场形式 均匀或稍不均匀电场中，气体击穿场强为 30kV/cm 极不均匀电场，达到 30kV/cm 出现电晕 所加电压类型 工频交流电压 直流电压 雷电过电压 操作过电压1 直流电压 “棒板”负极性击穿电压大大高于正极性击穿电压。2 工频交流电压 “棒 棒”气隙的工频击穿电压 要比“棒板”气隙高一些，因为相对而言， “棒棒”气隙的电场要比“棒板”气隙稍为均匀一些。3 雷 电冲击电压 棒板”气隙的冲击击穿电压具有明显的极性效应，棒极为正极性的击穿电压比负极性时数值低得多。4 操作冲击电压 （1）操作冲击电压
22、波形对气隙的电气强度有很大的影响2）气隙的操作冲击击穿电压不但远低于雷电冲击击穿电压，在 某些波前时间范围内，甚至比工频击穿电压还要低。 （3）极不均匀电场长气隙的操作冲击击穿特性具有显著的“饱 和特征” ，而其雷电冲击击穿特性却是线性的。对空气，湿度，海拔的校正 36,37 面提高气隙击穿电压的方法 37-40 面五、提高气体介质电气强度的方法（书上第 37、38、39、40 页） 球形屏蔽极可显著改善电场分布，提高气隙的击穿电压； 在气隙中放置形状和位置合适、能阻挡带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏蔽，可明显提高气隙击穿电压； 高气压和高强度气体相结合是一种有效的气体绝缘形式；1、利用空间
23、电荷改善电场分布（书上第 37 页）由于极不均匀电场气隙被击穿前一定先出现电晕放电，所以在一定条件下，还可以利用放电本身所产生的空间电荷来调整和改善空间的电场分布，以提高气隙的击穿电压。2、采用屏蔽（书上第 38 页）由于气隙中的电场分布和气体放电的发展过程都与带电粒子在气隙空间的产生、运动和分布密切有关，所以在气隙中放置形状和位置合适、能阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障，也是提高气体介质电气强度的一种有效方法。 屏蔽用绝缘材料制成，但它本身的绝缘性能无关紧要，重要的是它的密封性（拦住带电粒子的能力） 。它一般安装在电晕间隙中，其表面与电力线垂直。 屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极
24、同号的空间电荷，这样就能使电晕电极与屏障之间的空间电场强度减小，从而使整个气隙的电场分布均匀化。 在冲击电压下，屏障的作用要小一些，因为这时积聚在屏障上的空间电荷较少。 显然，屏障在均匀或稍不均匀电场的场合就难以发挥作用了。3、采用高气压（书上第 38 页）在常压下空气的电气强度是比较低的，约为 30kV/cm。即使采取上述各种措施来尽可能改善电场，其平均击穿场强也不可能超越这一极限，可见常压下空气的电气强度要比一般固体和液体介质的电气强度低得多。 如果把空气加以压缩，使气压大大超过 0.1MPa，那么它的电气强度也能得到显著的提高。这主要是因为提高气压可以大大减小电子的自由行程长度，从而削弱
25、和抑制了电离过程。 如能在采用高气压的同时，再以某些高电气强度气体（如 SF6）来代替空气，那就能获得更好的效果。4、采用高电气强度气体（书上第 38 页）有一些含卤族元素的强电负性气体电气强度特别高，因而可称之为高电气强度气体。采用这些气体来替换空气，可以大大提高气隙的击穿电压，甚至在空气中混入一部分这样的气体也能显著提高其电气强度。但仅仅满足高电气强度是不够的，还必须满足以下条件： 液化温度要低，这样才能同时采用高气压； 良好的化学稳定性，出现放电时不易分解、不燃烧或爆炸、不产生有毒物质； 生产不太困难，价格不过于昂贵。SF6 同时满足以上条件，而且还具备优异的灭弧能力，其他有关的技术也相
26、当好，因此SF6 及其混合气体在电力系统中得到了广泛应用。六、沿面放电（书上第 40 页） 沿面放电指沿着固体介质表面发展的气体放电现象； 污闪指沿着污染表面发展的闪络； 沿面放电电压的影响因素、提高方法以及污闪事故的对策。1、沿面放电的概念（书上第 40 页）（1）沿面放电：沿着固体介质表面发展的气体放电现象。污闪：沿着污染表面发展的闪络。（2）电力系统中绝缘子、套管等固体绝缘在机械上起固定作用，又在电气上起绝缘作用。其绝缘状况关系到整个 电力系统的可靠运行。（3）两极之间绝缘功能的丧失有两种情况： 固体介质本身的击穿。一旦发生击穿，即意味着不可逆转地丧失绝缘功能； 沿着固体介质表面发生闪络
27、。闪络时一般不会导致绝缘子的永久性损坏，只要切除电源，其绝缘性能都能很快地自动恢复。（4）实验表明：沿固体介质表面的闪络电压不但要比固体介质本身的击穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少。可见，一个绝缘装置的实际耐压能力并非取决于固体介质部分的击穿电压，而取决于它的沿面闪络电压。它与设备表面的干燥、潮湿和洁净等有较大关系。2、沿面放电的类型与特点（界面电场分布 书上第 41 页）3、均匀和稍不均匀电场中的沿面放电（1）图中平板电场电极间插入一块固体介质，沿面闪络电压比纯空气时下降很多，原因如下： 固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙； 大气中的潮气吸附到固体介质的表面形成
28、薄水膜，电极表面集聚了电荷，降低了闪络电压； 固体表面电阻的不均匀和粗糙不平也会造成电场畸变。4、极不均匀电场且具有强垂直分量时沿面放电（书上第 43 页 图 1-24）电晕放电辉光放电滑闪放电闪络辉光放电转变到滑闪放电的机理：辉光放电中因碰撞电离而存在大量粒子，在垂直电场分量作用下紧贴固体表面运动，从而使局部温度升高，引起气体热电离，放电通道内带电粒子剧增，通道头部电场强度变得很大，迅速向前延伸，这就是滑闪放电，它是以气体分子热电离为特征。但滑闪放电短接两个电极时，即出现沿面闪络。5、极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电（书上第 43 页 ）平均闪络场强比均匀电场时低得多，但另一方面，由于
29、界面上垂直电场分量很弱，因此不会出现热电离和滑闪放电。6、沿面放电电压的影响因素和提高方法（书上第 41、42 页 ）固体介质材料取决于材料的亲水性或憎水性电场型式放电电压与电场型式有很大关系。均匀与稍不均匀电场中的沿面放电电压无疑是最高的；在界面电场主要为切线分量的极不均匀电场中，沿面闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压降低得较少，因而采取措施提高其沿面放电电压的可能幅度也不大。7、固体介质表面有水膜时的沿面放电 沿湿表面 AB 和干表面 BCA发展，绝缘子湿闪电压为干闪时的 4050%。 沿湿表面 AB 和空气间隙 BA发展，绝缘子湿闪电压不会下降很多。 沿湿表面 AB 和水流 BB发
30、展，湿闪电压降低到很低的数值。 如下图所示：8、绝缘子污染状态下的沿面放电（书上第 44、45、46、47、48 页 ）（1）环境应力：雨、露、雪、雾、风等气候条件和工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘、鸟粪等污秽物的污染。（2）闪络形成：毛雨、雾、露等不利天气时，污层将被水分湿润，电导大增，工作电压下泄漏电流大增。绝缘子表面上不断延伸发展局部电弧（称为爬电） ，一旦达到某一临界长度时，自动贯穿两极，形成沿面闪络。（3）污闪过程：可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展；（4）积污地点：城市农村、化工厂、火电厂、冶炼厂等重污染地区；（5）污层受潮条件：多雾、毛毛雨、易凝露地区、长期干旱。（6
31、）污闪危害：污闪事故后果大于雷击事故后果： 雷击仅发生在一点，可实现自动重合闸，停电短，影响小； 污闪一般为一片地区，难实现自动重合闸，停电长，影响大。（7）污闪表征：通常采用“等值附盐密度”来表征绝缘子表面的污秽度，它指的是每平方厘米表面上沉积的等效氯化钠毫克数。 （书上第 47 页 ）方法：除铁脚铁帽的粘合水泥面上的污秽物外，把所有表面上的沉积污秽刮下，溶于300ml 的蒸馏水中，测出其 200C 水温时的电导率。然后在另一杯 200C、300ml 的蒸馏水中加入 NaCl，直到其电导率等于混合溶液的电导率时，所加入的 NaCl 毫克数，即为等值盐量，再除以绝缘子表面积，就可得到“等值盐密
32、”。（8）污闪等级： 污染； 气象条件； 等值盐密。（9）我国国标规定的污秽等级及其对应的盐密值如下表：（书上第 47 页 ）9、污闪事故的对策（提高沿面放电电压的措施：书上第 48 页） 调整爬距（增大泄漏电流）爬电比距指外绝缘的爬电距离与系统最高工作电压之比。 定期或不定期的清扫 涂料 半导体釉色绝缘子 新型合成绝缘子 第二章 液体和固体介质的电气特性一、液体介质的电气强度（1）电介质的极化、电导与损耗（书上第 50 页 ）用来将不同电位的导体分隔开，使之在电气上不相连接，没有电流通过的材料称为绝缘材料或电介质。这些材料在电场作用下，会产生极化、电导、损耗等物理现象。（2）液体和固体介质广
33、泛用于电气设备的内绝缘，常用的液体和固体介质为： 液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 固体介质：绝缘纸、云母、玻璃、硅橡胶（3）电介质的电气特性表现在电场作用下的： 导电性能 介电性能 电气强度（4）表征参数：(四个)A 电导率 （绝缘电阻率 ） B 介电常数 C 介质损耗角正切 tg D 击穿电场强度 Eb1、电介质的极化最基本的极化形式：电子式极化 离子式极化 偶极子极化 夹层极化 空间电荷极化（1）电介质的极化是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。用介电常数来表示极化强弱。对于平行平板电容器，极间为真空时：式中： 0 为真空的介电常数；A 为
34、极板面积。（1）放置电介质后，电容量将增大为：（2）相对介电常数： 式中：d 为极间距离； 为介电常数； 0 为真空的介电常数； r 为相对介电常数。（3）气体 r 接近于 1，液体和固体大多在 26 之间。 用于电容器的绝缘材料，显然希望选用 r 大的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。 其他电气设备中往往希望选用 r 较小的电介质，这是因为较大的 r 往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。 采用 r 较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。（1）电子式极化在外电场的作用下，介质原子中的电子轨道将相对于原子核发生弹性位移。正负电荷作用中心不再重合
35、而出现感应偶极距，这种极化称为电子式极化或电子位移极化。电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点： 完成极化需要的时间极短； 外场消失，整体恢复中性。所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。（5）离子式极化：固体无机化合物大多属离子式结构，无外电场时，晶体的正、负离子对称排列，各个离子对的偶极矩互相抵消，故平衡极矩为零。 在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。特点： 离子相对位移有限，外电场消失后即恢复原状； 所需时间很短，其 r 几乎与外电场频率无关。 温度对离子式极化的影响： 离子间的结合力会随温度的升高而减小，从而使极化程度增强； 离子的
36、密度随温度的升高而减小，使极化程度减弱。通常前一种影响较大，故其 r 一般具有正的温度系数。（6）偶极子极化：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。如橡胶、蓖麻油 极性分子不存在外电场时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，如图所示，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。 出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。 偶极子极化与频率 f 的关系：（书上第 52 页 ）偶极子极化是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极化所需的时间也较长，1
37、0-1010-2s，所以极性电介质的 r 值与电源频率有较大关系。 （书上第 52 页 图 2-1 和图 2-2）频率太高时，偶极子将来不及转动，因而其 r 值变小。其中 r0 相当于直流电场下的相对介电常数，f f1 以后偶极子将越来越跟不上电场的交变，值不断下降；当 f f2 时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化， r 减小到 r 。 偶极子极化与温度 t 的关系：（书上第 52 页 ）温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负的温度系数。对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系紧密，偶极子转动比较困难，所以 r很小。液体、固
38、体介质的 r 在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变得较强烈时，分子热运动阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱， r 又开始随着温度的上升而减小。（7）夹层极化凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，使整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层介质界面极化，简称夹层极化。2、电介质的电导（书上 53、54、55、56 页）1.电导率表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率。按载流子的不同，电介质的电导又可分为离子电导和电子电导两种。（1）电子电
39、导：一般很微弱，因为介质中自由电子数极少；如果电子电流较大，则介质已被击穿。（2）离子电导： 本征离子电导：极性电介质有较大的本征离子电导； 杂质离子电导：在中性和弱极性电介质中，主要是杂质离子电导。（3）电泳电导：载流子为带电的分子团，通常是乳化状态的胶体粒子（例如绝缘油中的悬浮胶粒）或细小水珠，它们吸附电荷后变成了带电粒子。（4）表面电导：对于固体介质，由于表面吸附水分和污秽存在表面电导，受外界因素的影响很大。所以，在测量体积电阻率时，应尽量排除表面电导的影响，应清除表面污秽、烘干水分、并在测量电极上采取一定的措施。2.固体、液体介质的电导率 与温度 T 的关系： 式中：A、B 为与介质有
40、关的常数，其中固体介质的常数 B 通常比液体介质的 B 值大的多。T 为绝对温度，单位为 K。该式表明， 随温度 T 按指数规律上升 。3、电介质的损耗 电介质的损耗为在电场作用下电介质中的能量损耗。（1）介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）引起的损耗，总称介质损耗。（2）直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。（3）交流时：流过电介质的电流 ： 此时介质的功率损耗： 式中： 为电源角频
41、率； 为介质损耗角； 为功率因数角（4）介质损耗角 为功率因数角的余角，其正切 tg 又可称为介质损耗因数，常用百分数（% ）来表示。通常采用介质损耗角正切 tg 作为综合反映电介质损耗特性优劣的一个指标。 气体介质损耗（图 1-1）气体中的电场强度达到放电起始场强 E0 时，气体中发生局部放电，这时损耗将急剧大。图 1-1 图 1-2 液体介质损耗1tgCR中性和弱极性液体介质损耗主要由电导引起，其损耗率（单位体积电介质的功率损耗）为：式中： 为电介质的电导率；E 为电场强度。 与温度有指数关系，P0 也以指数规律随温度的上升而增大。极性液体介质的损耗极性液体介质除了电导损耗外，还存在极化损
42、耗。它们的 tg 与温度的关系要复杂一些，如图 1-2 所示。1、在低温时，极化损耗和电导损耗都较小，随着温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的 tg 亦上升，并在 t=t1 时达到极大值。2、在 t1t2 以后，由于电导损耗随温度急剧上升、极化损耗不断减小而退居次要地位，因而 tg 就随时间 t 的上升而持续增大。4、极性液体介质的 和 tg 与电源角频率 的关系如图所示。 较小时，偶极子的转向极化完全跟得上电场的交变，极化得以充分发展，此时的 最大；但此时偶极子单位时间的转向次数不多，因而极化损耗很小，tg 也小，且主要由电导损耗引起。随 增大，转向极化
43、逐渐跟不上电场交变， 开始下降，但由于转向频率增大仍会使极化损耗增加、tg 增大。一旦大到偶极子完全来不及转向时， 值变得最小而趋于某一定值，tg 也变得很小。 固体介质损耗（1）无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃 云母：由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，是理想的电机绝缘材料，但机械性能差； 电工陶瓷：既有电导损耗，又有极化损耗；200C 和 50Hz 时，tg=2%5%； 玻璃：电导损耗+极化损耗，损耗与玻璃成分有关。（2）有机绝缘材料可分为非极性和极性 非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导； 极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。液体介质的击穿4、纯净液体介质的击穿可用以下
44、理论来解释：（书上第 56 页） 电子碰撞电离理论； 气体小桥理论。电子碰撞电离理论（电击穿理论：书上第 56 页）（1）在外电场足够强时，在阴极产生的电子碰撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，形成电子崩。同时正离子在阴极附近形成空间电荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子量增多，导致液体介质击穿。（2）纯净液体介质的击穿理论与气体放电汤逊理论的作用有些相似。但液体密度比气体密度大得多，电子的平均自由行程很小，必须大大提高场强才开始碰撞电离。所以纯净液体介质的击穿场强要比气体介质高的多。（3）由电击穿理论可知: 纯净液体的密度增加时，击穿场强会增大； 温度升高时液体膨胀，击穿场强会下降；
45、由于电子崩的产生和空间电荷层的形成需要一定时间，当电压作用时间很短时，击穿场强将提高，因此液体介质的冲击击穿场强高于工频击穿场强。气泡击穿理论（小桥理论 书上第 58 页）（1）液体中出现气泡，在交流电压下，串联介质中电场强度的分布与介质的 r 成反比。由于气泡的 r 最小，其电气强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大。许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。5、变压器油击穿电压的影响因素（书上第 59 页） 水分和其它杂质 油温 电场均
46、匀度 电压作用时间 油压的影响（1）程用变压器油的击穿过程及其特点：可用气泡击穿理论来解释击穿过程，属于热击穿的范畴。 （2）击穿特点：当工频电压升高到某值时油中可能出现一个火花放电，但随即消失，油又恢复其电气强度；电压再增加油中又可能出现火花但可能又消失；这样反复多次，最后才会发生稳定的击穿。（3）判断变压器油的质量，主要依靠测量其电气强度、tg 和含水量。其中最重要的实验项目就是测量油的工频击穿电压。（4）变压器油击穿电压的影响因素及其提高的方法油温: 曲线 1 是干燥的油，随着温度升高，击穿电压略有下降，这符合电子碰撞电离理论。 曲线 2 为潮湿的油：当温度由 00C 开始上升时，一部分
47、水分从悬浮状态转化为害处较小的溶解状态，使击穿电压上升；但在温度超过 800C 时，水开始汽化，产生气泡，引起击穿电压下降；而在 00C50C 时，全部水分转化为乳浊状态，导电小桥最容易形成，出现击穿电压的最小值；再降低温度时，水滴冻结成冰粒，油也将逐渐凝固，使击穿电压提高。在极不均匀电场中，随温度上升，工频击穿电压下降，如图 1-3 所示。不论在均匀电场中还是不均匀电场中，随温度上升，冲击击穿电压均单调地稍有下降。图 1-3 图 1-4电场均匀度：优质油 品质差的油电压作用时间（图 1-4）油隙的击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，加电压时间还会影响油的击穿性质。 电压作用时间为几个到数百
48、微秒时，杂质的影响还不能显示出来，为电击穿，这时影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度； 电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。油压的影响不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的电离电压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故。经过脱气处理的油，其工频击穿电压几乎与油压无关。提高的方法:通常可以采用过滤、防潮、祛气等方法来提高油的品质，在绝缘设计中则可利用“油屏障”式绝缘（例如覆盖层、绝缘层和隔板等）来减少杂质的影响，这些措施都能显著提高油隙的击穿电压。第 3 章 固体介质的电气强度一、在电场作用下，固体介质的击穿可分为：(书上第 73 页)电击穿、热击穿和电化学击穿；电击穿理论(书上第 76 页 )（1）固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象。在介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情况
