3高电压技术第三章

第一章电解质的极化和电导①气体介质的介电常数：1)一切气体的相对介电常数都接近于1。

2)任何气体的相对介电常数均随温度的升高而减小，随压力的增大而增大，但影响都很小。

②液体介质的介电常数：1)这类介质通常介电常数都较大。

但这类介质的缺点是在交变电场中的介质损较大，在高压绝缘中很少应用。

2)低温时，分子间的黏附力强，转向较难，转向极化对介电常数的贡献就较大，介电常数随之增大；温度升高时，分子间的热运动加强，对极性分子定向排列的干扰也随之增强，阻碍转向极化的完成，所以当温度进一步升高时，介电常数反而会趋向减小。

③固体介质的相对介电常数：1)中性或弱极性固体电介质：只具有电子式极化和离子式极化，其介电常数较小。

介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近。

2)极性固体电介质：介电常数都较大，一般为3—6，甚至更大。

与温度和频率的关系类似畸形液体所呈现的规律。

3、介电常数与温度、频率关系:1)低温时，分子间黏附力强，转向较难，转向极化对介电常数的贡献较小，随温度升高，分子间黏附力下降，转向极化对介电常数贡献较大，介电常数随之增大，当温度进一步升高时，分子的热运动加强，对极性分子的定向排列的干扰也随之增强，阻碍转向的完成，介电常数反而趋向较小。

2)当频率相当低时，偶极分子来得及跟随交变电场转向，介电常数较大，接近于直流电压下测得的介电常数，当频率上升，超过临界值时，极性分子的转向已跟不上电场的变化，介电常数开始减小，随着频率的继续上升由电子位移极化所引起的介电常数极性。

4.电解质电导与金属电导区别：金属导电的原因是自由电子移动；电介质通常不导电，是在特定情况下电离、化学分解或热离解出来的带电质点移动导致。

5温度对电导影响：温度升高时液体介质的黏度降低，离子受电场力作用而移动所受阻力减小，离子的迁移率增大，使电导增大；另外，温度升高时，液体介质分子热离解度增加，也使电导增大。

6.电容量较大的设备经直流高压试验后，接地放电时间长的原因：由于介质夹层极化，通常电气设备含多层介质，直流充电时由于空间电荷极化作用，电荷在介质夹层界面上堆积，初始状态时电容电荷与最终状态时不一致；接地放电时由于设备电容较大且设备的绝缘电阻也较大则放电时间常数较大（电容较大导致不同介质所带电荷量差别大，绝缘电阻大导致流过的电流小，界面上电荷的释放靠电流完成），放电速度较慢故放电时间要长达5～10min。

第一章气体放电的根本物理过程一、选择题1) 流注理论未考虑的现象。

A ．碰撞游离B ．外表游离C ．光游离D ．电荷畸变电场2) 先导通道的形成是以的出现为特征。

A ．碰撞游离B ．外表游离C ．热游离D ．光游离3) 电晕放电是一种。

A ．自持放电B ．非自持放电C ．电弧放电D ．均匀场中放电4) 气体的各种粒子因高温而动能增加，发生相互碰撞而产生游离的形式称为。

A.碰撞游离B.光游离C.热游离D.外表游离5) ______型绝缘子具有损坏后“自爆〞的特性。

A.电工瓷 B.钢化玻璃 C.硅橡胶 D.乙丙橡胶6) 以下哪个不是发生污闪最危险的气象条件？A.大雾B.毛毛雨C.凝露D.大雨7) 污秽等级II 的污湿特征：大气中等污染地区，轻盐碱和炉烟污秽地区，离海岸盐场3km~10km 地区，在污闪季节中潮湿多雾但雨量较少，其线路盐密为2/cm mg 。

A.≤0.03B.>0.03~0.06C.>0.06~0.10D.>0.10~0.258)以下哪种材料具有憎水性？A.硅橡胶B.电瓷C. 玻璃 D 金属二、填空题9) 气体放电的主要形式：、、、、10) 根据巴申定律，在某一PS 值下，击穿电压存在值。

11) 在极不均匀电场中，空气湿度增加，空气间隙击穿电压。

12) 流注理论认为，碰撞游离和是形成自持放电的主要因素。

13) 工程实际中，常用棒－板或电极构造研究极不均匀电场下的击穿特性。

14) 气体中带电质子的消失有、复合、附着效应等几种形式15) 对支持绝缘子，加均压环能提高闪络电压的原因是。

16) 沿面放电就是沿着外表气体中发生的放电。

17)标准参考大气条件为：温度C t 200=，压力=0b kPa ，绝对湿度30/11m g h = 18)越易吸湿的固体，沿面闪络电压就越______ 19) 等值盐密法是把绝缘子外表的污秽密度按照其导电性转化为单位面积上__________含量的一种方法20)常规的防污闪措施有：爬距，加强清扫，采用硅油、地蜡等涂料三、计算问答题21) 简要论述汤逊放电理论。

高电压与绝缘技术专业培训课程2009年7月23日高电压绝缘技术High Voltage Insulation Technology U n i v e r s i t y n J i a o t o n g 西安交通大学高电压技术教研室© 2009 X i ’a 丁卫东wdding@ 029********y r i g h t 029-********第三章：气体中的沿面放电和高压绝缘子Xi’an Jiaotong University 《高电压绝缘技术》绝缘子的性能要求和材料绝缘子在电力系统中的作用：机械上相互连接，电气上相互绝缘高压绝缘子的分类：(1)绝缘子：用作导电体和接地体之间的绝缘和固定连接。

如隔离开关中用于固定触头的支柱绝缘子等。

(2)瓷套用作电器内绝缘的容器，并使内绝缘免遭周围环境因素的影响。

如电压互感器的瓷套等。

(3)套管：用作导电体穿过电器外壳、接地隔板或墙壁的绝缘部件。

如Xi’an Jiaotong University 《高电压绝缘技术》变压器绕组的出线套管等。

瓷套管以瓷作为主要绝缘，电容套管、充油套管则以瓷套作为外绝缘。

绝缘子的电气性能和机械性能有足够的电绝缘强度；能承受一定的机械负荷；能经受不利的环境和大气作用。

电气性能•干闪络电压：表面清洁、干燥的绝缘子的闪络电压。

是户内绝缘子的主要性能。

•湿闪络电压：表面洁净的绝缘子在淋雨时的闪络电压。

国标对人造雨水的规定：体积电阻率100±5Ω⋅m(20°C时)，雨1015mm/min滴细小均匀，降雨量为1.0-1.5mm/min，降雨方向与水平面近似为45°。

•污秽闪络电压表面脏污的绝缘子在受潮情况下的闪络电压。

目前常用爬电距离来衡量绝缘子在污秽和受潮条件下的绝缘能力。

Xi’an Jiaotong University 《高电压绝缘技术》机械性能•拉伸负荷：如悬挂输电线的绝缘子受重力和导线拉力的作用。

第一章作业⏹1-1解释下列术语（1）气体中的自持放电；（2）电负性气体；（3）放电时延；（4）50%冲击放电电压；（5）爬电比距。

答：（1）气体中的自持放电：当外加电场足够强时，即使除去外界电离因子，气体中的放电仍然能够维持的现象；（2）电负性气体：电子与某些气体分子碰撞时易于产生负离子，这样的气体分子组成的气体称为电负性气体；（3）放电时延：能引起电子崩并最终导致间隙击穿的电子称为有效电子，从电压上升到静态击穿电压开始到出现第一个有效电子所需的时间称为统计时延，出现有效电子到间隙击穿所需的时间称为放电形成时延，二者之和称为放电时延；（4）50%冲击放电电压：使间隙击穿概率为50%的冲击电压，也称为50%冲击击穿电压；（5）爬电比距：爬电距离指两电极间的沿面最短距离，其与所加电压的比值称为爬电比距，表示外绝缘的绝缘水平，单位cm/kV。

1-2汤逊理论与流注理论对气体放电过程和自持放电条件的观点有何不同？这两种理论各适用于何种场合？答：汤逊理论认为电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。

所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。

流注理论认为形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸，流注理论认为二次电子的主要来源是空间的光电离。

汤逊理论的适用范围是短间隙、低气压气隙的放电；流注理论适用于高气压、长间隙电场气隙放电。

1-3在一极间距离为1cm的均匀电场电场气隙中，电子碰撞电离系数α=11cm-1。

今有一初始电子从阴极表面出发，求到达阳极的电子崩中的电子数目。

解：到达阳极的电子崩中的电子数目为n a= eαd= e11⨯1=59874答：到达阳极的电子崩中的电子数目为59874个。

1-5近似估算标准大气条件下半径分别为1cm 和1mm 的光滑导线的电晕起始场强。

解：对半径为1cm 的导线）（）（cm m c /kV 39113.011130)r δ0.3δ(130E =⨯+⨯⨯⨯=+=对半径为1mm 的导线)/(5.58)11.03.01(1130E cm kV c =⨯+⨯⨯⨯=答：半径1cm 导线起晕场强为39kV/cm ，半径1mm 导线起晕场强为58.5kV/cm1-10 简述绝缘污闪的发展机理和防止对策。

第一章 电介质的电气强度1.1气体放电的基本物理过程1.高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其他复合介质。

2.气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。

3.电离：指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。

4.带电质点的方式可分热电离、光电离、碰撞电离、分级电离。

5.带电质点的能量来源可分正离子撞击阴极表面、光电子发射、强场发射、热电子发射。

6.带电质点的消失可分带电质点受电场力的作用流入电极、带电质点的扩散、带电质点的复合。

7.附着：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，也可能发生电子附着过程而形成负离子。

8.复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合。

（1）复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一个中性分子；（2） 复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。

9.1、放电的电子崩阶段（1）非自持放电和自持放电的不同特点宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓度的带电质点。

因此，在气隙的电极间施加电压时，可检测到微小的电流。

由图1-3可知：（1）在I-U 曲线的OA 段：气隙电流随外施电压的提高而增大，这是因为带电质点向电极运动的速度加快导致复合率减小。

当电压接近 时，电流趋于饱和，因为此时由外电离因素产生的带电质点全部进入电极，所以电流值仅取决于外电离因素的强弱而与电压无关。

（2）在I-U 曲线的B 、C 点：电压升高至 时，电流又开始增大，这是由于电子碰撞电离引起的，因为此时电子在电场作用下已积累起足以引起碰撞电离的动能。

电压继续升高至 时，电流急剧上升，说明放电过程又进入了一个新的阶段。

此时气隙转入良好的导电状态，即气体发生了击穿。

（3）在I-U 曲线的BC 段：虽然电流增长很快，但电流值仍很小，一般在微安级，且此时气体中的电流仍要靠外电离因素来维持，一旦去除外电离因素，气隙电流将消失。

高电压技术第三版课后习题答案Last revision date: 13 December 2020.第一章作1-1解释下列术语（1）气体中的自持放电；（2）电负性气体；（3）放电时延；（4）50%冲击放电电压；（5）爬电比距。

答：（1）气体中的自持放电：当外加电场足够强时，即使除去外界电离因子，气体中的放电仍然能够维持的现象；（2）电负性气体：电子与某些气体分子碰撞时易于产生负离子，这样的气体分子组成的气体称为电负性气体；（3）放电时延：能引起电子崩并最终导致间隙击穿的电子称为有效电子，从电压上升到静态击穿电压开始到出现第一个有效电子所需的时间称为统计时延，出现有效电子到间隙击穿所需的时间称为放电形成时延，二者之和称为放电时延；（4）50%冲击放电电压：使间隙击穿概率为50%的冲击电压，也称为50%冲击击穿电压；（5）爬电比距：爬电距离指两电极间的沿面最短距离，其与所加电压的比值称为爬电比距，表示外绝缘的绝缘水平，单位cm/kV。

1-2汤逊理论与流注理论对气体放电过程和自持放电条件的观点有何不同这两种理论各适用于何种场合答：汤逊理论认为电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。

所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。

流注理论认为形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸，流注理论认为二次电子的主要来源是空间的光电离。

汤逊理论的适用范围是短间隙、低气压气隙的放电；流注理论适用于高气压、长间隙电场气隙放电。

1-3在一极间距离为1cm的均匀电场电场气隙中，电子碰撞电离系数α=11cm-1。

今有一初始电子从阴极表面出发，求到达阳极的电子崩中的电子数目。

解：到达阳极的电子崩中的电子数目为n a e d e11159874答：到达阳极的电子崩中的电子数目为59874个。

1-5近似估算标准大气条件下半径分别为1cm和1mm的光滑导线的电晕起始场强。

第三章参考1、试比较电介质各种极化的性质和特点极化形式介质极化时间（频率）能量损耗温度影响电子位移极化所有介质10-14 ~10-15 s 无极小离子位移极化离子式结构的介质10-l2~10-13 s 几乎无损耗具有正的温度系数转向极化极性电介质10-10~10-2 s电源频率提高时极化率减小旋转时克服分子间的吸引力而消耗的电场能量有较大影响：最初随温度增高而增加，当热运动变得较强烈时，又随温度升高而减小。

空间电荷极化层式结构介质介质中有晶格缺陷从几十分之一秒到几分钟，甚至有长达几小时有能量损耗温度影响电导，电导影响空间极化2、极性液体和极性固体电介质的相对介电常数与温度和电压频率的关系如何？为什么？答：温度对极性介质的rε有很大影响。

低温时，分子间的黏附力强，转向较难，转向极化对介电常数的贡献较小；随着温度升高，分子间联系减弱，转向极化加强，介电常数随之增大。

但另一方面，温度升高时，分子的热运动加剧，对极性分子定向排列的干扰也随之增强，使极化减弱。

所以极性电介质的介电常数最初随温度或高而增加，以后当热运动变得较强烈时，又随温度升高而减小。

3、正弦交变电场作用下，电介质的等效电路是怎样的？为什么测量高压电气设备绝缘电阻时需要按照在标准规范的时间下记录，并同时记录温度？答：在正弦交变电场作用下，电介质的等效电路如下：Cg：代表介质的几何电容及无损极化过程，流过的电流i g；C p --R p ：代表有损极化电流支路，流过电流i p ；R lk ：代表电导电流支路，流过的电流为i lk 。

如绝缘良好，则R lk 和R p 的值都比较大，这就不仅使稳定的绝缘电阻值（就是R lk 的值）较高，而且要经过校长的时间才能达到此稳定值（因中间串联支路的时间常数较大)。

如绝缘受潮，或存在穿透性的导电通道，则不仅最后稳定的绝缘电阻值R lk 很低，而且还会很快达到稳定值。

因此，用绝缘电阻随时间变化的关系来反映绝缘的状况。

第三章固体的绝缘特性与介质的电气强度3-1什么叫电介质的极化？极化强度是怎么定义的？3-2固体无机电介质中，无机晶体、无机玻璃和陶瓷介质的损耗主要由那些损耗组成？3-3固体介质的表面电导率除了介质的性质之外，还与那些因素有关？它们各有什么影响？3-4固体介质的击穿主要有那几种形式？它们各有什么特征？3-5局部放电引起电介质劣化、损伤的主要原因有那些？3-6聚合物电介质的树枝化形式主要有那几种？它们各是什么原因形成的？3-7均匀固体介质的热击穿电压是如何确定的？3-8试比较气体、液体和固体介质击穿过程的异同。

3-1什么叫电介质的极化？极化强度是怎么定义的？答：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。

电介质的极化强度可用介电常数的大小来表示，它与该介质分子的极性强弱有关，还受到温度、外加电场频率等因素的影响。

3-2固体无机电介质中，无机晶体、无机玻璃和陶瓷介质的损耗主要由哪些损耗组成？ 答：（１）无机晶体介质只有位移极化，其介质损耗主要来源于电导；（２）无机玻璃的介质损耗可以认为主要由三部分组成：电导损耗、松弛损耗和结构损耗；（３）陶瓷介质可分为含有玻璃相和几乎不含玻璃相两类，第一类陶瓷是含有大量玻璃相和少量微晶的结构，其介质损耗主要由三部分组成：玻璃相中离子电导损耗、结构较松的多晶点阵结构引起的松弛损耗以及气隙中含水引起的界面附加损耗，tan δ相当大。

第二类是由大量的微晶晶粒所组成，仅含有极少量或不含玻璃相，通常结晶相结构紧密，tan δ比第一类陶瓷小得多。

3-3固体介质的表面电导率除了介质的性质之外，还与哪些因素有关？它们各有什么影响？答：介质的表面电导率s γ不仅与介质的性质有关，而且强烈地受到周围环境的湿度、温度、表面的结构和形状以及表面粘污情况的影响。

（１）电介质表面吸附的水膜对表面电导率的影响由于湿空气中的水分子被吸附于介质的表面，形成一层很薄的水膜。