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1、第1章 气体的绝缘强度长春工程学院 刘望来第1页，本讲稿共96页绪论绪论 高电压技术高电压技术是电工学科的一个重要分支，它主要研究高电压、强电场下各种电气物理问题。第2页，本讲稿共96页一、电力系统的电压等级是如何划分的、依据是什么？电晕电晕电能污染电能污染资料1kV0.4kV0.22kV36V高压低压普通高压1250kV（HV）超高压2501000kV(EHV)特高压1000kV及以上(UHV)电压等级划分的级差为23倍。第3页，本讲稿共96页二、为什么采用高电压？电力系统输送的电能P正比于电压的平方（U2），反比于系统阻抗Z，而系统阻抗Z正比于线路长度L，所以P正比于U2，反比于L。所以采
2、用高电压是大功率远距离输电大功率远距离输电的要求，要实现大功率远距离输电唯一可行的措施就是采用高电压。作为二次能源，输送电能要较输送一次能源经济、快捷、安全、方便、清洁。第4页，本讲稿共96页6倍多6倍输电电压等级与输送自然功率以220kV 输送自然功率132MW为基准输送电压(kV)22033050076511001500输送能力比较值12.236.5516.7439.2475.30第5页，本讲稿共96页根据电力发展规划，在水电方面，继三峡水电站之后，西南水电基地即将开发，金沙江上、中、下游13个梯级电站共装机67.38GW，澜沧江中下游14个梯级共装机28.9GW，雅砻江11个梯级共装机2
3、4.30GW，大渡河17个梯级共装机17.72GW，将大容量外送60GW。在火电方面，我国煤炭资源主要分布在华北、西北地区，约占全国煤炭资源的76%。由于采用运煤发电方式存在许多弊端，因此，需建设坑口电厂，以远距离、大容量方式，将火电基地的能源输送到负荷中心。第6页，本讲稿共96页例：用青壳纸和电缆纸作绝缘的10.5kV、10MW的发电机，改用粉云母纸作绝缘，其他条件不变时，发电机容量就提高到12.5MW，可见绝缘限制了设备的容量。2、绝缘限制了设备的寿命；3、绝缘限制了电力系统的投资。1、因为绝缘限制了设备的温升、限制了温升也就限制了设备的容量、体积和重量；高电压下的绝缘问题。因为在电力系统
4、三大技术材料（导电材料、导磁材料和绝缘材料）中绝缘的影响力最大：三、要采用高电压首先要解决的技术问题是什么？第7页，本讲稿共96页四、如何解决绝缘问题？1、寻找和研制新型的绝缘材料；例：由于瓷吹避雷器使作用在被保护设备上的残压降低，使原设计额定电压为400 kV的输变电系统升压为500 kV的系统。而绝缘被破坏的最主要原因就是电力系统过电压。2、限制作用在绝缘上的过电压。第8页，本讲稿共96页五、高电压技术课程讲授的两个问题：绝缘问题和过电压问题是本课程的两大内容。第9页，本讲稿共96页六、学科特点：1、历史短，研究不充分，理论很不完整，工程上高电压问题不能用理论来分析，所以只能从试验入手。2
5、、研究起来很困难，其所研究的问题与其他学科完全不同。其他学科研究的是电的导通，而高压研究的是绝缘，它所研究的是空间的问题，场的问题，所受的影响因素（温度、湿度、气压、极距）很多。第10页，本讲稿共96页3、研究手段难以具备，场地难以满足，问题的重复性小，一次击穿后很难找到完全相同的对象，是暂态问题。4、思考问题的领域宽。第11页，本讲稿共96页第一章 气体的绝缘强度在电气设备中作为绝缘材料使用的物质称电介质，按其物质形态，可分为：气体介质、液体介质、固体介质。在电气设备中在电气设备中:外绝缘:一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成；内绝缘:一般由固体介质和液体介质联合构成。第12页
6、，本讲稿共96页1.1 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程 一、气体间隙中带电粒子的产生中性质点中的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子的过程就是游离。要游离需要吸收能量，吸收的能量称为游离能。结论：气体间隙中带电粒子来源于气体分子本身的游离和金属表面游离。1、气体分子本身游离的定义第13页，本讲稿共96页常见气体及金属蒸汽的激励电位和游离电位单位：V气体或金属蒸汽激励电位游离电位H211.215.4N26.115.6O27.912.5CO210.013.7H2O7.612.7钠蒸汽（Na）2.095.12水银蒸汽（Hg）4.8910.39第14页，本讲稿共96页2、气体分子本身的游离方
7、式、气体分子本身的游离方式 按照电子获得能量的方式划分游离：1）碰撞游离：由于碰撞引起的游离。其条件是撞击质点的能量不小于被撞质点的游离能、并且有足够的作用时间。碰撞游离是气体放电中主要的带电粒子来源，电子是碰撞游离的主导因素。红球：气体分子小绿球：电子粉色球：正离子红球带绿球：负离子第15页，本讲稿共96页2）光游离：由于高能射线的作用产生的游离。其条件是光子的能量不小于游离能。光游离是起始带电粒子的主要来源。具有分级游离的特点。3）热游离：在高温（温度达104 k0）作用下发生的游离。热游离不是一种单独的游离形式，是碰撞游离和光游离的综合。第16页，本讲稿共96页3、负离子的形成、负离子的
8、形成 能够俘获电子与之结合成一个呈现负电性的分子称为具有电负性。例如：水分子、SF6等。为什么阴雨天容易触电呢？具有电负性的分子俘获电子后，使碰撞游离的主导因素降低，所以对放电具有抑制作用。第17页，本讲稿共96页4、金属表面游离：、金属表面游离：金属中的电子摆脱金属表面的位能势垒的束缚成为自由电子的过程。其条件是电子的能量不小于金属的逸出功。金属的逸出功要比气体的游离能低，所以金属表面游离是气体放电起始电子的主要来源：包括光电子发射、热电子发射、强电场发射和二次发射。日光灯中起始带电粒子来源于热电子发射。第18页，本讲稿共96页二、带电粒子的消失二、带电粒子的消失1、进入电极并中和电量：所有
9、物质的电子都是相同的，但不同物质的正离子是不同的，所以，电子可以进入电极中和电量，而正离子是靠其能量打、拉出电子与之复合。2、复合：正负带电粒子碰到一起重新形成中性质点的过程。影响复合的主要因素是带电粒子之间的相对运动速度和浓度。带电粒子在固体表面相对运动速度较慢，容易复合，灭弧栅也利用了这一点。3、扩散：带电粒子从浓度高的区域向浓度低的区域运动。磁吹避雷器、空气断路器等都利用了这一点。第19页，本讲稿共96页一、补充的基本概念1、放电：在电场的作用下由于游离使流过电介质电流增大的现象。2、击穿：电介质在电场作用下丧失其绝缘性能，形成沟通两极的放电。3、击穿电压：使电介质失去其绝缘性能所需要的
10、最低、临界、外加电压。第20页，本讲稿共96页4、击穿场强：在均匀电场中，使电介质失去其绝缘性能所需要的最低、临界、外加电场强度。5、绝缘强度：电介质不失去其绝缘性能所能承受的最高、临界、外加电场强度。6、绝缘水平：电气设备出厂时保证承受的试验电压。第21页，本讲稿共96页三、伏安特性曲线三、伏安特性曲线 伏安特性曲线：电介质在电场作用下，流过电介质的电流与外加电压的关系曲线。第22页，本讲稿共96页放电管中形成一个低气压、短间隙、均匀电场外界游离因素代表气体分子1、试验RUVG第23页，本讲稿共96页BUUAAI0UBUCCOA段：电流随着电压的升高而增大，但此时电流很小，饱和电流密度为10
11、-19A/cm2的数量级。电阻率达1022m，空气处于良好的绝缘状态，流过间隙的电流为泄漏电流。B 点以后：电流为微安级。C点以后：流过间隙的电流急剧加大，由于回路中串联了保护电阻，此时放电管两端的电压略有下降。2、伏安特性曲线第24页，本讲稿共96页RU外界游离因素代表电子代表气体分子G3、分析UI0AUA1、OA段BUB第25页，本讲稿共96页BC段：RU外界游离因素代表电子代表气体分子G+代表正离子UUAAI0BUB放电与漏电的区别在于是否发生游离C点以后UCC第26页，本讲稿共96页四、四、汤逊理论汤逊理论 20世纪初，汤逊从均匀电场、低气压（低于26.66kpacm）短间隙气隙的气体
12、放电实验出发，总结出较系统的气体放电理论。汤逊理论的实质是电子崩理论。汤逊理论第27页，本讲稿共96页六、汤逊理论的适用范围六、汤逊理论的适用范围 汤逊理论适用于低气压、短间隙、均匀电场。间隙的划分：2cm以下的为短间隙、2100cm为一般间隙、100cm及以上的为长间隙。汤逊理论解释不了一般间隙、标准大气压下气隙的放电：1、按汤逊理论计算的击穿电压比实际值高；2、按汤逊理论计算的击穿所需时间比实际值长；3、一般间隙的击穿电压与阴极材料无关；4、放电形状不同第28页，本讲稿共96页1、空间电荷分布及对电场的畸变汤逊理论没有考虑空间电荷对电场的畸变七、流注理论七、流注理论第29页，本讲稿共96页
13、+流注理论认为:发生光游离并形成流注的条件就是发生自持放电的条件。是纯空间问题，所以与阴极材料无关。汤逊理论也没有考虑光游离2、流注理论108第30页，本讲稿共96页流注发展的速度为3 4 108cm/s,电位梯度为5 20kV/cm。第31页，本讲稿共96页因为汤逊理论没有考虑空间电荷对电场的畸变和光游离对放电的影响，流注理论对标准大气压、一般间隙的气体放电现象进行了解释。第32页，本讲稿共96页七、先导主放电理论流注停顿形成先导，先流注停顿形成先导，先导分级向前发展，流注导分级向前发展，流注最后一次停顿后形成主最后一次停顿后形成主放电，主放电阶段产生放电，主放电阶段产生了闪电和雷声，但仅有
14、了闪电和雷声，但仅有30%30%的电荷复合掉，的电荷复合掉，70%70%的电荷在余辉阶段复合。的电荷在余辉阶段复合。第33页，本讲稿共96页五、巴申特性曲线五、巴申特性曲线 是关于气隙的击穿电压与气体压力及极间距离两者乘积的关系曲线。第34页，本讲稿共96页 A点左侧：（1）p一定、s减小、外加电压一定，p一定、自由行程一定，s减小、电场强度加大，所以积累的能量加大，游离率提高；p一定、s减小，碰撞次数减少，其幅度比游离率增大的幅度大，所以总游离数降低，击穿电压提高。（2）s一定、p减小，同上。A点右侧：（1）p一定、s增大、外加电压一定，p一定、自由行程一定，s加大、电场强度减小，所以积累的
15、能量减小，游离率降低；p一定、s增大，碰撞次数增多，其幅度没有游离率下降的幅度大，所以总游离数降低，击穿电压提高。（2）s一定、p增大，同上。第35页，本讲稿共96页八、八、不均匀电场中气体的放电不均匀电场中气体的放电电场的不均匀系数f等于气隙中最大场强EMAX与平均场强Eav的比值。f2时是极不均匀电场。第36页，本讲稿共96页l1击穿电压l2电晕起始电压l3放电不稳定区球隙的放电特性与极间距离的关系第37页，本讲稿共96页（一）、电晕：极不均匀电场中特有的气体放电现象。电晕是划分普通高压与超高压的依据、是划分均匀（稍不均匀）电场和极不均匀电场的依据。1、电晕具有的效应：1）声、光、热效应；
16、2）消耗能量；3）对无线电产生干扰；4）产生化学反应；5）产生“电风”。2、能够引起电晕的电压称为起晕电压，起晕电压与电极的曲率半径有关，而与间隙距离关系不大，半径越小、起晕电压越低。第38页，本讲稿共96页导线板气隙的工频击穿电压（有效值）与气隙距离的关系点划线：均匀电场气隙；1导线直径D=0.5mm；2D=3mm；3D=16mm；4D=20mm；虚线：尖板气隙第39页，本讲稿共96页500kV四分裂导线第40页，本讲稿共96页 （二）、极性效应（二）、极性效应 1、极性效应：不对称极不均匀电场中曲率半径小的电极所带电荷极性对击穿电压的影响。引出：同一个针对板的不对称极不均匀电场，极间距离为
17、4cm，当针极为正时，击穿电压是35kV；当针极为负时，击穿电压是80kV；而针对针的对称极不均匀电场，极间距离是4cm 时，击穿电压为45 kV。为什么会有这么大的区别？2、分析：（针极为正、板极为负）针极附近产生的电晕，带电粒子定向运动，正离子向板极运动，由于速度慢，就在针极附近形成电荷积累区，使未游离区的电场强度增大，而导致击穿电压降低。第41页，本讲稿共96页试验数据试验数据1、均匀电场的击穿场强为30kV/cm，极不均匀电场的平均击穿场强为5 kV/cm。随着间隙距离的增大，击穿电压随着增大，但击穿场强是随着降低的，因为击穿电压的增加速度没有距离增加的速度快。2、在极不均匀电场的情况
18、下，不管棒-板间隙或是不同直径的球-板间隙，击穿电压和距离的关系曲线都比较接近。就是说，在极不均匀电场中，击穿电压主要决定于间隙距离，而与电极形状的关系不大。因此在工程实践中常用棒-板或棒-棒这两种类型间隙的击穿特性曲线作为选择绝缘距离的参考。3、在工频电压作用下，棒-板间隙的击穿总是发生在棒的极性为正、电压达幅值时，并且其击穿电压（幅值）和直流电压下的正棒-负板的击穿电压相近。棒-棒间隙的平均击穿场强为3.8kV（有效值）/cm或5.36kV（幅值）/cm，棒-板间隙稍低一些，约为3.35kV（有效值）/cm或4.8kV（幅值）/cm。第42页，本讲稿共96页九、冲击九、冲击电压下气隙的击穿
19、特性电压下气隙的击穿特性我国国家标准规定的雷电冲击电压标准波形为T1=1.2us30%，T2=5020%us，通用符号为1.2us/50us，直击雷的雷电流波形为10/350us，感应雷和传导雷的雷电流波形为8/20us。1、标准波形T1说明雷电流上升的陡度,反映电磁感应的强烈程度.就是说T1越小，di/dt就越大（kA/s的值越大），那么瞬间雷电流就越大，它的电磁感应强。T2说明雷电所含的电荷数量,反映雷电的能量。从T2时间画一条直线，波形曲线下的阴影的面积通过积分计算，就可算出电荷量和能量。T2时间越长，则阴影的面积越大，那么电荷量和能量就越大。第43页，本讲稿共96页（二）放电时延（二）
20、放电时延击穿时间：t=t0+ts+tf t0为升压时间，ts为统计时延，tf为放电发展时间 第44页，本讲稿共96页（三）伏秒特性（三）伏秒特性 在同一波形、不同幅值的冲击电压作用下，间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线称为间隙的伏秒特性曲线。工程上常用它来表征间隙在冲击电压下的击穿特性。1、曲线的作出2、伏秒特性曲线的配合：保护设备要保护被保护设备，其伏秒特性曲线必须完全位于被保护设备伏秒特性曲线的下面第45页，本讲稿共96页（四）（四）50%冲击放电电压与冲击放电电压与2us冲击放电电压冲击放电电压lU50%的含义是在该电压作用下，气隙击穿和不击穿的概率各为50%。l2us冲击放电电
21、压：气隙在该电压下击穿，击穿所需时间大于或小于2us的概率各为50%。第46页，本讲稿共96页 间隙的伏秒特性形状与极间电场分布有关。对于均匀或梢不均匀电场，由于击穿时的平均场强较高，放电发展较快，放电时延短，所以间隙的伏秒特性曲线比较平坦，而且分散性也较小，仅在放电时间极短时，略显上翘。也就是说，在均匀电场中靠提高电压来缩短击穿所需时间是很难的。因为均匀电场的伏秒特性很平，其50%冲击击穿电压和静态击穿电压是相一致，所以在实践中常常利用电场比较均匀的球间隙作为测量静态电压和冲击电压的通用仪表。第47页，本讲稿共96页 对于极不均匀电场中的间隙，其平均击穿场强较低，放电形成时延tf 受电压的影
22、响大，较长且分散性也大，其伏秒特性曲线在放电时间还相当大时，便随时间t之减小而明显上翘，曲线比较陡。即使在电压作用时间较长（击穿发生在波尾）时，冲击击穿电压也高于静态击穿电压。第48页，本讲稿共96页 具有较陡伏秒特性曲线的保护设备不容易与具有平伏秒特性的被保护设备配合所以不能用保护间隙、管型避雷器来保护变压器第49页，本讲稿共96页1.2影响气体放电电压的因素影响气体放电电压的因素 标 准 大 气 条 件：温 度 t0=200C,大 气 压 力P0=101.3kPa,湿度f0=11g/m3。大气条件对气隙击穿电压的影响的分析方法是：从大气条件的自由行程和碰撞次数的影响，来分析总游离数的变化，
23、从而得出对击穿电压的影响。1、温度的影响：温度升高，气体密度下降，自由行程加大，外加电场强度不变时，游离率加大；气体密度下降使气体分子数减少，但其减小幅度小于游离率增大的幅度，所以总游离数加大，使击穿电压降低。2、湿度的影响：湿度加大，水分子含量加大，由于水具有电负性，能俘获电子形成负离子，对放电具有抑制作用，所以湿度加大，气体的击穿电压升高。湿度对气隙击穿电压的影响与电场的形式有关，均匀电场和稍不均匀电场中湿度的影响比较小，极不均匀电场中湿度的影响比较大，其原因是均匀电场中击穿场强较高，电子运动速度较大，水分子不易吸附电子，所以湿度的影响较小；在极不均匀电场中，平均击穿场较低，放电形成时延较
24、长，所以湿度的影响就比较明显。3、海拔高度的影响：随着海拔高度的增加，空气逐渐稀薄，大气压力及空气相对密度下降，因此空气的击穿电压也随着降低。考虑到这一影响，我国有关国家标准规定，对于拟用于海拔高度高于1000米，但不超过4000米处的电气设备的外绝缘，其试验电压应按规定的标准大气条件下的试验电压乘以系数Ka，其中气体压力的影响：气压加大，击穿电压升高。第50页，本讲稿共96页讨论：讨论：提高气隙击穿电压的方法提高气隙击穿电压的方法提高气隙击穿电压的途径：1、均匀电场的击穿场强比极不均匀电场的平均击穿场强高，所以考虑如何改进电极形状；2、依据巴申特性曲线进行分析。第51页，本讲稿共96页措施一
25、、改进电极形状1、改进电极形状，增大电极曲率半径。采用屏蔽罩以增大电极的曲率半径是一种常用的方法，一些高压设备的高压出现端都加装屏蔽罩以降低出线端附近空间的最大场强，提高电晕起始电压。此外、在超高压线路绝缘子串上安装保护金具、超高压线路上采用扩径导线等都是根据屏蔽原理改善电场分布提高电晕起始电压的具体应用。第52页，本讲稿共96页2、去除电极表面及边缘的毛刺和棱角，消除电场局部增强的现象第53页，本讲稿共96页讨论：提高气隙击穿电压的方法讨论：提高气隙击穿电压的方法措施二、利用空间电荷改善电场分布 在极不均匀电场中，由于气隙击穿前先发生电晕放电，因此在一定条件下，可以利用放电自身产生的空间电荷
26、来改善电场分布。例如采用细线，如“线-板”、“线-线”结构在一定的距离范围内有可能提高气隙的击穿电压。这是因为：当导线直径很小时，周围容易形成比较均匀的电晕层，电晕放电形成的空间电荷调整和改善了电场分布，从而提高了击穿电压。当气隙距离超过一定值，细线也将产生刷形放电，或导线直径较大因其表面不够光滑将产生局部电晕和刷形放电，破坏了比较均匀的电晕层，此后其击穿电压也将下降。第54页，本讲稿共96页第55页，本讲稿共96页讨论：提高气隙击穿电压的方法讨论：提高气隙击穿电压的方法措施三、极不均匀电场中采用屏障改善电场分布。4、冲击电压作用下正极性棒对屏蔽的作用大约与持续电压作用下一样；负极性棒时屏蔽基
27、本上不起作用，这说明屏障对负极性流注的分级发展过程影响不大。1、在直流电压下，击穿电压随着屏障位置的不同有很大的变化。最有利的地方在x/l=0.2处,针正板负间隙击穿电压可提高2-3倍，但针负板正间隙击穿电压仅提高0.2倍。2、极间障能够提高气隙的击穿电压不是靠它自身分压，而是利用空间电荷对电场分布的改善实现的。3、交流电压作用下，屏障作用同在直流电压下针正板负间隙第56页，本讲稿共96页讨论：讨论：提高气隙击穿电压的方法提高气隙击穿电压的方法措施四、削弱或抑制游离过程1、采用高气压：空气在常压下的电气强度约为30kV/cm，如果压缩空气，使气压大大超过0.1MPa，它的电气强度就能显著提高。
28、实用中许多场合应用高气压的气体作为高电气强度的介质（压缩空气断路器、标准电容器等设备的内绝缘）。从图中可见：2.8MPa的空气具有极高的击穿电压，但此时对电气设备外壳的密封性能和机械强度要求很高，因此目前广泛应用SF6，为得到同样的电气强度，只需0.7MPa的气压就可.第57页，本讲稿共96页讨论：讨论：提高气隙击穿电压的方法提高气隙击穿电压的方法六氟化硫、氟里昂等一些含有卤族元素气体属于强电负性气体，它们的电气强度比空气高得多，因此用于电气设备气压不必太高，这就可以使设备的制造和运行得以简化。强电负性气体要在工程中获得实际应用，除电气强度要高以外，还必须具备液化温度不高、化学性能稳定、在该气
29、体中发生放电时不宜分解、不燃烧、不产生有毒物质，并且生产不太困难、价格不能过高。2、采用强电负性气体（高电气强度）目前、得到工程应用的强电负性气体惟有六氟化硫及其混合气体。SF6的电气强度约为空气的2.5倍，其灭弧能力则为空气的100倍以上。SF6所以具有较高的电气强度是因为它具有电负性、游离能高、分子量大。但应该注意到：SF6优异的绝缘性能只有在均匀电场中才能充分发挥，因此设计SF6气体作为绝缘的各种电气设备时，应尽量使气隙的电场均匀化。第58页，本讲稿共96页3、高真空的采用。依据巴申特性曲线，采用高真空将会得出击穿电压极高甚至趋于无限大的结论。试验也表明极间距离较小时高真空的击穿电压很高
30、，其值超过了压缩气体；但极间距离较大时击穿电压提高缓慢，明显低于压缩气体间隙的击穿电压。间隙较短时应用真空击穿理论进行放电解释：此时高真空的击穿是与阴极表面的强场发射密切相关的。由于强场发射所引起的电流密度很大，导致电极局部过热使电极释放出金属气体，破坏高真空度从而引起击穿。间隙较长时应用全电压效应解释：随着气隙距离的增大及击穿电压的提高，电子从阴极到阳极积聚了很大的动能，这些高能电子轰击阳极表面使之释放出正离子和光子，当它们到达阴极又加强了该极的表面游离，这样反复作用将产生越来越大的电子流，使电极局部气化，最终导致间隙击穿。第59页，本讲稿共96页1.3沿面放电沿面放电一、问题提出 电力系统
31、中，电气设备的带电部分总要用固体绝缘材料来支撑或悬挂。绝大多数情况下，这些固体绝缘是处于空气中的。如输电线路的悬式绝缘子、隔离开关的支柱绝缘子等。当这些绝缘子的极间电压超过一定值时，常常在固体电介质和空气的交界面上出现放电现象，这种沿着固体电介质与气体交界面的发生的放电称为沿面放电。当沿面放电发展成贯通两极的放电时，称为闪络。第60页，本讲稿共96页研究表明：在相同的放电距离下，沿面闪络电压比纯气隙的击穿电压低得多，可见一个绝缘装置的实际耐压能力是取决于它的沿面闪络电压的。因此，在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平时，其沿面闪络电压起着决定性作用。应该注意的是，不仅要研究表面干燥、清洁时的沿
32、面放电，而且要研究表面潮湿、污染时的沿面放电，因为它们的放电机理有很大的不同，甚至可能在工作电压下发生闪络，对电力系统的安全运行构成威胁，因而日益受到重视。由于污闪引起的事故每年都会有。第61页，本讲稿共96页1.3沿面放电沿面放电二、均匀电场中的沿面放电第62页，本讲稿共96页第63页，本讲稿共96页二、均匀电场中的沿面放电二、均匀电场中的沿面放电1、解释方法一：不是理想的光滑 在交流或冲击电压的作用下，多层串联电介质中的电压分布与介质的介电常数成反比。第64页，本讲稿共96页2、解释方法二：固体介质与电极表面没有完全密合接触而存在微小气隙，或介质表面有裂纹。在实际绝缘结构中常将电极与介质接
33、触面仔细研磨，使两者紧密接触，以消除气隙，或在介质端面上喷涂金属，将气隙短路，使沿面闪络电压提高。第65页，本讲稿共96页二、均匀电场中的沿面放电二、均匀电场中的沿面放电3、解释方法三：固体电介质表面吸收水分而形成水膜。4、解释方法四：固体电介质表面有导电性粉尘。第66页，本讲稿共96页三、具有强垂直分量极不均匀电场中沿三、具有强垂直分量极不均匀电场中沿面放电面放电1、放电发展过程 电晕刷形放电滑闪闪络第67页，本讲稿共96页三、具有强垂直分量极不均匀电场中沿三、具有强垂直分量极不均匀电场中沿面放电面放电2、极不均匀电场中沿面放电的形成 第68页，本讲稿共96页四、如何提高沿面闪络电压四、如何
34、提高沿面闪络电压表面处理表面处理改善电场分布改善电场分布设计新的绝缘设计新的绝缘延长沿面距离延长沿面距离第69页，本讲稿共96页1、增大沿面距离 在系统中为防止污闪，对耐张绝缘子串来说，可通过增加串中片数达到目的；而对悬垂串来说，在增加片数有困难时可换用每片爬距较大的耐污型绝缘子或改用V形串固定导线，或推行用一种复合材料制成环状薄片，将其嵌入绝缘子铁帽下部的防污闪新技术，加装了薄片后既增大了泄漏距离，又改善了绝缘子表面电场分布，对于抑制帽沿根部电晕的产生、防污和提高闪络电压很有效。返回第70页，本讲稿共96页屏 蔽返回第71页，本讲稿共96页均压环返回第72页，本讲稿共96页返回阻抗调节金属粉
35、半导体涂料第73页，本讲稿共96页半导体釉绝缘子表面半导体釉绝缘子表面一直有一个比普通绝缘子表面泄漏电流为大的表面电导电流流过，使绝缘子表面温度比环境温度略高，因而污层不易吸潮，积污也比较少。此外，釉层电导还能缓解干区电场集中现象，使干区不易出现局部电弧，沿整个绝缘子串的电压分布都比较均匀。但这种材料比较容易被腐蚀和老化，影响了其推广。返回第74页，本讲稿共96页五、绝缘子串上的电位分布五、绝缘子串上的电位分布1、不同电压等级使用绝缘子的片数一般35kV线路用3片，110 kV线路用7-9片，220kV线路用13-15片，330 kV线路用19-21片，500kV线路用25-28片。1000k
36、V线路用40片左右。第75页，本讲稿共96页 以330kV线路用19片绝缘子为例：相电压为209.5kV,如果每片绝缘子分担的电压相等,则每片绝缘子分担的电压约为11kV。绝缘子的起晕电压为2022kV，按理说330kV线路绝缘子上不应该发生电晕，但事实上，330kV线路在正常设计和运行时就有电晕，为什么？第76页，本讲稿共96页五、绝缘子串上的电位分布五、绝缘子串上的电位分布 其原因是绝缘子上的电位分布是不均匀的，第一片绝缘子上分担的电压为11.5%相电压，即24.1kV,已经超过起晕电压。为什么电压分布是不均匀的呢？第77页，本讲稿共96页五、绝缘子串上的电位分布五、绝缘子串上的电位分布
37、电容：任意两点之间有电位差、又存在中间介质的话就可以等效出电容。通常绝缘子的等效电容为5070pF，绝缘子与铁塔之间的等效电容为4-5pF，第78页，本讲稿共96页五、绝缘子串上的电位分布五、绝缘子串上的电位分布 由于导线与绝缘子铁脚之间也存在电位差，同样存在着杂散电容，此电容一般为0.5-1 pF.第79页，本讲稿共96页五、绝缘子串上的电位分布五、绝缘子串上的电位分布l如何改善绝缘子串上的电压分布 安装均压环。330kV及以上的线路绝缘子串上要安装均压环，其原理是利用增大导线对绝缘子的电容，提高其回路流过的电流，来补偿绝缘子对地杂散电容中流走的电流。在500kV线路中采用分裂导线也能够改善
38、电压分布。第80页，本讲稿共96页第81页，本讲稿共96页六、绝缘子的湿闪六、绝缘子的湿闪（1）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。绝缘子的电气性能通常用闪络电压来衡量。气象条件以及污秽等原因，常会影响其闪络电压，根据工作条件的不同，闪络电压可分为干闪电压和湿闪电压两种。干闪是指表面清洁、干燥的绝缘子闪络电压，它是户内绝缘子的主要性能；湿闪是指洁净的绝缘子在淋雨情况下的闪络电压，它是户外绝缘子的主要性能。第82页，本讲稿共96页六、绝缘子的湿闪六、绝缘子的湿闪（2）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。（3）沿湿表面AB和水流BB发展，闪裙间
39、的气隙被连续水流所短路时，湿闪电压降低到很低的数值。第83页，本讲稿共96页七、绝缘子染污状态下的沿面放电（污闪）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。闪络形成：毛毛雨、雾、露等不利天气时，污层将被水分湿润，电导增大，工作电压下泄漏电流增大。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。污闪可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展。第84页，本讲稿共96页积污地点：城市农村；化工厂、火电厂、冶炼厂等重污染地区污层受潮条件：多雾；常下毛毛雨；易凝露地区；长期干旱。污闪事故后果大于雷击
40、事故后果：因为雷击仅发生在一点，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。第85页，本讲稿共96页污闪事故的对策(一)调整爬距（增大泄漏比距）爬电比距指外绝缘“相-地”之间的爬电距离与系统最高工作（线）电压之比。(二)定期或不定期的清扫：带电水冲洗。(三)涂料：常用有机硅油、有机硅脂、地蜡等，涂后效果好，但价格贵，寿命短；近年采用的室温硫化硅橡胶涂料，憎水性强，寿命长。(四)半导体釉绝缘子(五)新型合成绝缘子第86页，本讲稿共96页l有机硅橡胶合成绝缘子的防污性能比普通绝缘子要好得多，它是由承受外力负荷的芯棒（内绝缘）和保护芯棒免受大气环境侵袭的伞
41、套（外绝缘）以及金属连接附件组成复合结构绝缘子。玻璃钢芯棒是用玻璃纤维束经树脂浸渍后通过引拔模加热固化而成，具有极高的抗张强度。至目前为止，硅橡胶仍是最理想的伞套材料，它的电气强度高、憎水性强、耐污性能好，在不同温度下性质稳定。l新型复合绝缘子具有一系列瓷质绝缘子无可比拟的优点：首先它的防污闪性能优良，运行中不需要清扫，其次重量轻、体积小、抗拉强度高、抗弯强度高、制造工艺简单。第87页，本讲稿共96页第88页，本讲稿共96页小小 结结l外界游离因素提供的空间电荷形成了气体间隙的电导。在较低外加电场的作用下，电子的碰撞游离，使气体间隙出现非自持放电。在足够外加电场的作用下，电子崩中的正离子运动到
42、阴极，使阴极发出的有效电子能够取代外界游离因素使阴极发出起始电子时，则放电转为自持放电。l汤逊理论只计入了电子在空间的碰撞游离及正离子使阴极放出电子的过程，故汤逊理论只能解释低气压短间隙中的气体放电。l在汤逊理论的基础上，又考虑了空间电荷对电场的畸变和光游离的影响提出的流注理论，解释了大气压下一般间隙的气体放电。第89页，本讲稿共96页项目汤逊理论流注理论放电开始条件 外界游离因素作用，使阴极表面释放出起始电子同左间隙中导电质点的增长按指数规律增长，形成电子崩经过三次增长阶段：电子崩、流注、主放电自持放电条件 电子崩中的正离子运动到阴极，使阴极发出有效电子数与外界游离因素作用使阴极表面放出的起
43、始电子数相等主电子崩崩头发射出足够的光子，出现光游离，形成电子崩，子崩注入主崩形成流注放电通道外形 面状，圆面直径随放电电流值的增长而增大 带分枝的曲折细线形通道颜色一般呈淡红色、光亮较弱紫白色（电流很小时呈橘红色）光亮较强放电所需时间 较长较短与阴极材料有关无关汤逊理论与流注理论的异同第90页，本讲稿共96页 在1米以上的长间隙中，流注放电的间歇式发展，要用热游离提供的更多带电粒子形成等离子区的先导放电去解释。短、一般、长间隙中的气体放电的过程：短间隙：电子崩 一般间隙：电子崩流注主放电 长间隙：电子崩流注先导主放电 气体间隙的放电，取决于碰撞游离数的多少，碰撞游离数等于碰撞次数与游离率的乘
44、积。碰撞次数取决于气体分子数的多少，因气压和温度的改变要改变气体的密度，故其影响气体间隙的击穿电压。在不均匀电场中放电是逐段向前发展的，空气湿度加大，水分子易俘获电子，减少了碰撞游离因子，故其击穿电压提高。分子的分子结构不同，其游离能大小不同；分子的直径加大，使电子的自由行程减小，其碰撞次数虽增加但累积的动能减小，使碰撞游离概率减小得更多，故其放电电压提高。第91页，本讲稿共96页l均匀电场中，各点的电场强度相等，电场强度低于气体的绝缘强度时不存在电晕放电，能充分发挥间隙中全部气体的绝缘性能，故其放电电压最高。l不均匀电场，以其不对称、极不均匀电场的棒板电场和对称的极不均匀电场的棒棒电极电场为
45、例。棒端电场强度最高，间隙中大部分的电场强度虽低于气体的绝缘强度，但最高电场强度若超过了气体的绝缘强度，则发生电晕放电。棒极带正电荷时，空间正电荷会增加未游离区的场强，使游离易于发展，故其击穿电压最低。而棒带负电荷时，空间正电荷使未游离区的场强降低，阻碍游离发展，其击穿电压就高得多。故不对称电场具有极性效应。第92页，本讲稿共96页l由于点火电子的出现和碰撞游离的发展都需要时间，故电压作用时间是气体放电的三要素之一。放电时间是统计时延及放电形成时延之和。统计时延的长短与外界游离因素的作用等相关，具有统计性，故放电时间不是固定的，可以提前或滞后。放电时间一般是很短的，是微秒级，工频电压的幅值作用
46、时间远大于间隙放电时间，故工频放电取决于电压幅值。但冲击电压作用时间也是微秒级，特别是波头仅一个多微秒，电压变化很快，放电时间的长短就使放电电压值不同，故冲击电压作用时，间隙有伏秒特性。均匀电场比不均匀电场放电所需要时间短，间隙的伏秒特性曲线较平。第93页，本讲稿共96页提高气体间隙的主要措施是改进电极形状，使电场分布均匀。棒板电场中加极间屏障，利用屏障阻挡离子，当屏障在靠近棒极为整个间隙的1520%位置，屏上的离子分布较均匀，与板极形成较均匀电场，可使击穿电压提高3 4倍。l间隙在密闭容器中，加大气压或抽真空，减少其碰撞游离概率或减少碰撞次数，而使间隙击穿电压提高。第94页，本讲稿共96页l
47、利用高绝缘强度的气体可使间隙的击穿电压提高。l固体介质表面凸凹不平形成气体与固体介质的串联支路，工频电压按介电常数反比例分布，和固体表面附着水分、灰尘等使固体介质表面电场畸变。由于表面电容的影响使靠近短电极的固体介质表面电场强度增高，故使沿面放电（闪络）电压降低。第95页，本讲稿共96页l将固体介质表面作得光滑、干净、（浸涂绝缘漆、瓷釉）使沿面电场分布改善；加棱、裙等延长沿面放电路径，降低沿面场强；加内屏蔽减小表面电容的影响等均可使沿面放电电压提高。l由于绝缘子串对地电容的影响使其电压分布不均匀，靠导线绝缘子分担电压最高。利用均压环增大导线对绝缘子的电容，补偿对地电容的影响，使其电压分布改善。第96页，本讲稿共96页