第1章 高电压绝缘

第1章高电压绝缘1.1 概述一、电介质（绝缘材料）1、定义：电介质是指通常条件下导电性能极差的物质，云母、变压器油等都是电介质。

电介质中正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷极少，因此导电性能差。

2、用途：绝缘、冷却、灭弧、固定、支撑等。

3、绝缘材料的类型：（1）按其形态分为：1）气体介质：如空气、氮、SF6等。

2）液体介质：如变压器油3）固体介质：如云母、橡胶、塑料、陶瓷、纤维等。

（2）按绝缘材料的耐热等级分为七级：Y A E B F H C90 105 120 130 155 180 180度以上4、绝缘材料的性能：电气性能：包括极化、电导、损耗、击穿；机械性能；耐热性能；吸潮性能；生化性能。

二、电介质的极化1、极化——电介质的表面出现束缚电荷按电介质分子电结构不同，可分为：无极分子（如CH 4）和有极分子（如H2O ）。

有极分子取向极化无极分子位移极化解释：（1 ）是束缚电荷而不是自由电子。

（2 ）是有限位移而不是电荷流通，不产生电流。

（3 ）内部电荷的总和仍为零，但由于外电场的作用对外显现电场力。

2、介质的相对介电常数εr——表示电介质极化的程度。

定义：相对介电常数εr ＝Ｃ／Ｃ0电极间为真空时：Ｑ0＝Ｃ0Ｕ电极间放入介质后：Ｑ＝Ｑ0＋△Ｑ＝ＣＵ↓补偿电介质极化产生的束缚电荷3、讨论电介质极化现象在工程中的实际意义（１）不同应用场合，对εr 大小的要求不同中性电介质：εr小——热损耗小——用作高压电气设备的绝缘结构、电缆绝缘等；极性电介质：εr大——在相同的耐电强度下，可使单位电容器的体积和重量减小——用作极板间的的绝缘物质等；（２）在交流及冲击电压作用下，多层串联介质Ｅ与εr 成反比4、电介质极化的基本类型1）电子位移极化：就是在外电场的作用下，电介质粒子中电子轨道变形（偏移）而引起了感应电矩。

特点：（１）此种极化存在于一切电介质中（２）完全弹性，不引起能量损耗（３）是瞬时建立的（约１０－14～１０－15ｓ），即与外加电场的频率无关（４）单元粒子的极化电矩与温度无关（热运动不改变粒子半径）；温度可改变介质密度，使介质的电子位移极化率随之变化。

2）离子位移极化：由离子结合成的电介质，在外电场的作用下，除各离子的内部产生电子位移极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。

特点：（１）存在于离子结构介质中，如：云母、陶瓷、玻璃等（２）极化完成时间极短（约１０－12～１０－13ｓ），几乎与外电场频率无关（低于红外线）（３）有极微量的能量损耗（４）极化率随温度升高而。

增大温度↑→体积↑→离子间距↑→离子间作用力↓3）偶极子极化：极性介质在外电场作用下，每个分子的固有偶极矩有转向与电场平行的趋势，受分子热运动的干扰，在某种程度上达到平衡，对外呈现宏观电矩。

特点：（１）存在于极性电介质中，如：液体（水，乙醇），固体（纤维，涤纶）（２）极化过程需要较长的时间（约１0－6～１0－2ｓ）ｆ↑→转向不充分（跟不上电场的变化）→极化率↓（３）伴有能量损耗（电场能→热能）（４）与温度的关系Ｔ↓→分子间联系紧密→转向困难→极化率↓Ｔ↑→分子间联系较松→转向较易→极化率↑Ｔ↑↑→分子运动剧烈→排序困难→极化率↓4）夹层极化上述三种极化都是由于带电质点的弹性位移或转向而形成的，夹层极化是由自由电荷（通常为离子）在电场中的运动所形成的。

在不均匀电介质中或电介质中有晶格缺陷时，电场的作用使带电质点在电介质中移动，可能被晶格缺陷俘获或在两层电介质的界面上堆积，造成电荷在介质空间中新的分布，从而产生电矩。

实际意义：高压设备绝缘中往往采用不均匀介质材料或复合型电介质。

三、电介质的电导1、绝缘电阻R的定义对于固体介质，R∞包括绝缘的体积电阻和表面电阻。

表面电阻受外界环境的影响大。

电导：绝缘电阻的倒数。

2、电流介质加直流电压后测得电流为：ｉ＝ｉ1＋ｉ2＋ｉ3ｉ1－－偶极子极化、夹层极化的吸收电流（存在的时间较长，衰减较慢）ｉ2－－离子位移极化的泄漏电流（不随时间变化）ｉ3－－电子极化的几何电流（存在的时间很短，很快衰减到零）吸收现象的意义：对判断绝缘是否受潮很有用3、电导１）定义：在电场的作用下，由带电质点（电子、正负离子）沿电场方向移动而造成的。

要点：带电质点主要是正负离子，也称离子式电导，与金属电导有本质区别。

指标：用电导率γ（ｓ／ｃｍ）表示，γ↑→泄漏电流大２）电介质电导与金属电导的本质区别（１）带电质点不同：电介质为带电离子（固有离子，杂质离子）；金属为自由电子（２）数量级不同：电介质的γ小，泄漏电流小；金属电导的电流很大（３）电导电流的受影响因素不同：电介质中的电导电流由离子数目决定，对所含杂质、温度很敏感；而金属中的电导电流主要由外加电压决定，杂质、温度不是主要因素。

四、介质损耗1、定义：在交流电压作用下，电介质中会产生电导电流和位移电流，电介质的部分电能将转变为热能，这部分能量损耗称为介质的损耗。

2、介质损耗的表示：P = U2 ωCtgδ介质损耗角的正切tgδ，一般用百分数表示。

2．分析电介质等效电路为R lk C g进一步简化并联等值电路及矢量图R C P串联等值电路及矢量图R S C S在并联电路中tgδ＝ＩR／ＩC＝（Ｕ／ＲP）／ＵωＣP＝１／ωＣPＲPＰ＝ＵＩcosφ＝ＵＩR＝ＵＩC tgδ＝Ｕ2ωＣP tgδ在串联电路中tgδ＝ωＣSＲSＰ＝Ｕ2ωＣS tgδ／（１＋tg2δ）所以ＣP＝ＣS／（１＋tg2δ）因为tgδ远小于１，所以ＣP＝ＣS＝ＣＰ＝Ｕ2ωＣtgδ可见，在其他各值给定的情况下，Ｐ取决于介质的tgδ。

3、讨论电介质损耗在工程中的实际意义1）在设计绝缘结构时，要注意材料的tgδ。

2）tgδ的大小可以判断绝缘受潮或劣化的程度。

tgδ↑→能量损耗大→绝缘电阻Ｒ↓→判断绝缘材料有受潮、劣化、气泡现象1.2 气体的绝缘性能一、气体中带电粒子的产生和消失1、气体中带电粒子的产生（游离过程）气体中出现带电粒子才可在电场作用下发展成各种气体放电现象1）碰撞电离气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离。

条件：⑴撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能｜动能、位能2）光电离在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子由光电离而产生的自由电子称为光电子。

必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能3）热电离气体的热状态造成的电离，实质仍是碰撞电离和光电离，能量来自气体分子的热能。

热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合。

4）表面电离气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。

游离需要能量，称逸出功，小于电离能。

获得逸出功的途径：⑴热电子发射：金属电极加热，分子动能↑⑵强场发射或冷发射：电极加上强电场⑶二次发射：高能量粒子撞击金属电极表面2、气体中带电粒子的消失１）中和——受电场力作用流入电极，中和电量。

２）扩散——带电粒子由高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于均匀的过程。

由热运动造成。

３）复合——带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递，中和而还原为中性粒子的过程。

复合时异号粒子的静电力起重要作用3、游离和复合的关系游离过程吸收能量产生电子等带电质点，不利于绝缘；复合过程放出能量，使带电质点减少消失，有利于绝缘。

两种过程在气体中同时存在，条件不同，强弱程度不同。

游离主要发生在强电场区、高能量区；复合发生在低电场、低能量区。

二、气体放电过程的一般描述1、外加电压很小时，气隙中的电流是由外界因素所造成的电子和离子所形成的。

（A段）随电压↑，这些质点中和后，电流饱和，仍有极微小的泄漏电流。

(B段)场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，向雪崩似的增长，称电子崩。

电流大增。

(C段)2、Ｅ＜Ｅcr （临界场强：由非自持放电转入自持放电的场强）时，电子崩有赖外界游离因素，为非自持放电。

Ｅ＞Ｅcr 时，电子崩仅由电场的作用而自行维持和发展，为自持放电。

3、此后的发展随电场情况不同：均匀电场→气隙击穿不均匀电场：自持放电形成电晕Ｕ↑→火花击穿（Ｓ小）→刷形放电（Ｓ大），Ｕ↑↑→火花击穿电源功率大时，火花击穿迅速变成电弧。

三、均匀电场中气隙的击穿1、汤逊放电理论适用范围：低气压、短间隙、均匀电场中的放电过程。

解释：由天然辐射作用产生电离生成正离子和电子，在高电场作用下，电子加速碰撞气体分子，产生新的电子和离子。

电离过程象雪崩一样发展，称为电子崩。

正离子撞击阴极又会产生新的电子崩。

即使外界不传给起始电子，放电过程能持续下去，这种放电现象称为自持放电。

汤逊放电理论的实质是：电子的碰撞游离是气体放电的主要原因。

2、巴森定律气体绝缘击穿电压U与气压P和电极间隙d的乘积的函数关系：U = f ( p*d )见图1—3 ，曲线有一极小值点，当p*d=10-2bar.mm其击穿电压最低U <1000伏。

当p*d 由大变小时，击穿电压变低；当p*d 太小时，击穿电压较高。

实际意义：将气隙抽真空（减小p）或加大气隙气压，均能提高气隙的绝缘强度（U↑）。

3、流注理论适用范围：高气压、短间隙、不均匀、均匀电场中的放电过程。

解释：流注的形成（流注是一种现象）。

正离子的运动速度太小，正离子在阳极的运动速度很大，p*d 越大，浓度越大，使二次电子崩与初始电子崩汇合，电子和正离子混合，形成等离子通道，生成流注。

流注理论的实质是：电子的碰撞游离和光电离是气体放电的主要原因，并强调空间电荷畸变电场的作用。

三、不均匀电场中气隙的击穿1、局部放电（电晕放电）1）在极不均匀电场中电极曲率半径小的附近空间的局部场强很大，造成局部放电。

2）电晕放电的现象2、气体放电的几种形式：1）辉光放电（低气压，小功率）2）火花或电弧放电（高气压）3）电晕放电（极不均匀电场中的局部放电）4、沿面放电（沿固体介质表面的气体放电）3、影响气体间隙击穿的主要因素1）电极的几何形状（均匀、极不均匀电场）2）电压的类型（直流、工频交流、冲击电压）3）极间距离4）持续时间1、3 液体的绝缘性能液体绝缘的击穿有：电击穿、气泡击穿、悬浮粒子击穿。

一、电击穿液体绝缘在电场作用下，阴极上由于强电场发射或热电子发射出来的电子被加速后，引起电子崩，当电子密度达到一定值时就发生击穿。

二、气泡击穿介质击穿场强按固体、液体、气体顺次降低。

所以当液体中含有气泡时，因气体的介电常数很小，承受较大的场强，从而使气泡放电，分解产生更多气泡，导致液体介质击穿。

气泡产生的原因：1、电极表面的微小突起使电流集中而引起液体加热。

2、液体中的杂质使电流增大而将液体加热。

3、电极和流入电荷之间的或同电极注入电荷之间的排斥力抵消了液体表面张力。

4、电子崩引起的液体分子离解。

5、电极表面吸附的气泡脱离出来。

三、悬浮粒子产生的击穿液体中悬浮着杂质粒子，使电场畸变，在电极间搭成导电小桥，使液体介质的抗电场度下降，导致击穿。