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41.电介质的电气特性与电气强度
高电压技术 国网考试考点41，内容有气体放电的基本物理过程、气体介质的电气强度、液体和固体介质的电气特性。
编辑于2023-10-12 07:40:24- 高电压技术
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41.电介质的电气特性与电气强度
第一章.气体放电的基本物理过程
外绝缘
组成：由气体介质和固体介质联合组成
自恢复性绝缘
如：变压器套管
内绝缘
组成：由液体介质和固体介质联合组成
非自恢复性绝缘
包括
主绝缘
相对相，相对地之间的绝缘
对过电压的幅值和陡度更敏感
纵绝缘
匝间、层间、线段间、角环
电压等级越高，匝间绝缘的厚度越大
对过电压陡度更敏感
电气现象
⑴弱电场下，主要是极化、电导、介质损耗
⑵强电场下，主要是放电、闪络、击穿
击穿场强又叫介电强度、绝缘强度
标准空气状态下，Eb=30kV/cm
SF6气体，Eb=88.5kV/cm
一.带电粒子的产生和消失
1.带电粒子在气体中的运动
自由行程长度
单位行程中的碰撞次数的倒数即平均自由行程长度
实际自由行程长度是一个随机量，有很大的分散性
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%
电子在空气中的平均自由行程长度的数量级为10∧-5cm
玻尔茨曼常数：1.38×10∧-23J/K
带电粒子的迁移率
带电粒子沿电场方向漂移，速度v=kE，k为迁移率，表示该带电粒子在单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度
迁移率与电场强度无关，取决于介质的压强、分子大小状态、带电质点的状态
电子的迁移率远大于离子
扩散
概念：热运动过程，粒子从浓度大→浓度小的区域
气压越低或温度越高，扩散越快
2.带电粒子的产生
激励
概念：原子获得外加能量，电子转移到离核较远的轨道
激励能等于该轨道和常态轨道的能级差
激励状态存在时间很短
电离
概念：原子获得能量足够大，电子摆脱原子核束缚成为自由电子
分解成两种带电粒子——电子和正离子
电离能：使基态原子或分子中结合最松弛的电子电离出来所需的最小能量
电子电荷q=1.6×10∧-19C
分级电离所需的能量小于让原子直接电离的电离能
光电离
W=hν
普朗克常数h=6.63×10∧-34J·s=4.13×10∧-15eV·s
各种可见光都不能使光电离，只有波长更短的高能辐射线才行
导致光电离的光源不仅有高能辐射线，还可能是气体放电本身
热电离
常温下发生热电离的概率极小
温度超过10000K时，才考虑热电离；在20000K时，几乎全部分子都热电离
碰撞电离
提高外加电压使碰撞电离的概率和强度增大
主要的碰撞电离均由电子完成，离子碰撞电离概率很小
电极表面的电离
逸出功：电子从金属表面逸出所需能量
金属的逸出功比气体的电离能小的多，金属表面电离比气体空间电离更易发生
阴极表面电离
⑴正离子撞击阴极表面
正离子的能量是其动能和势能之和，势能等于气体电离能
势能大于等于阴极材料的逸出功的两倍时，才能引起阴极表面的电子发射
⑵光电子发射
条件：光子的能量大于金属的逸出功
紫外线可引起表面电离
⑶热电子发射
加热阴极
⑷强场发射（冷发射）
肖特基发射
附近电场10∧6V/cm可使阴极发射电子
常态气隙的击穿场强远小于此值，不受强场发射的影响
高气压下，特别是压缩的高电气强度气体的击穿过程中，强场发射可能起一定作用
真空的击穿过程中，起决定性作用
3.负离子的形成
附着：电子碰撞引起碰撞电离，还可能发生电子和中性分子结合形成负离子
某些气体分子对电子有亲和性，与电子结合成负离子会放出能量（亲和能）
另一些气体分子与电子结合成负离子必须吸收能量
电负性气体：易于产生负离子的气体
负离子的形成没有使带电粒子数改变，但却使自由电子减少，对气体放电起抑制作用
4.带电粒子的消失
消失的三种情况
⑴在电场的驱动下定向运动，消失于电极上而形成外电路中的电流
⑵扩散而逸出气体放电空间
⑶复合
电子复合：电子与正离子
离子复合：正离子与负离子
离子复合概率大于电子复合
上述两种复合都会以光子的形式放出多余的能量，会使其他气体分子电离
二.电子崩
气体放电现象和发展规律与气体的种类、气压的大小、气隙中的电场型式、电源容量等有关
气体放电的伏安特性曲线
0a段是带电粒子运动速度加快而导致复合减少所致
Ua时带电粒子全部到达电极，电流值仅取决于电离因子的强弱而与电压无关
饱和电流Io很小，没有人工照射时电流密度为10∧-19A/cm²，采用石英灯照射时为10∧-12A/cm²
Ub时电流开始增加，出现了碰撞电离和电子崩
电子崩：电子向阳极运动过程中引起碰撞电离，产生新的电子，又发生碰撞电离产生更多的电子
电子碰撞电离系数α：一个电子沿电场方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数平均值
电子崩电流按指数规律随极间距离而增大，但这时放电还不能自持
高真空和高气压下，不易发生放电现象，即具有较高的电气强度
三.自持放电条件
正离子向阴极运动，撞击阴极时引起表面电离拉出电子（二次自由电子），部分电子和正离子复合，其余向着阳极移动引起新的电子崩
条件：不需要外界游离因素的作用，仅依靠外电场作用即可继续进行放电
条件：γ（e∧αd-1）=1
一个电子从阴极到阳极途中因电子崩造成的正离子数为e∧αd-1，二次自由电子数为γ（e∧αd-1），如果等于1，就意味着有后继电子，放电可以自持
正离子表面电离系数γ与阴极材料、表面状况、气体种类有关
均匀电场中，击穿电压等于起始电压，击穿场强等于起始场强
不均匀电场中，起始电压低于击穿电压Ub，电场越不均匀，二者差值越大
电子崩和γ过程是气体自持放电的决定性因素，是汤逊理论的基础
汤逊理论适用于低气压、短气隙，均匀电场
Uo是自持放电起始电压，不均匀电场中，会出现稳定的电晕放电，均匀电场会发生击穿
自持放电的放电型式
①辉光放电
均匀
低气压
贯穿
②火花放电
常压或高压
断续、有通道
电路阻抗较大、电源容量不大
贯穿
③电弧放电
连续、有通道
电路阻抗不大、电源容量足够大
贯穿
④电晕放电
很小曲率半径的极不均匀电场
非贯穿
四.起始电压与气压的关系
巴申曲线：Ub=f（pd）
改变气压和极间距离可使击穿电压相等
巴申定律：提高气压或降低气压到真空，都能提高击穿电压（气温不变）
气体相对密度δ=2.9p/T
五.气体放电的流注理论
流注理论适用于高气压、长气隙，均匀或不均匀电场
碰撞电离→空间光电离（维持放电发展）→空间电荷电场畸变
流注的特点
电离强度很大
传播速度快（初崩的10倍以上）
出现流注的条件就是自持放电条件
二次崩的电子进入初崩通道后，与正离子构成导电的等离子通道，一旦通道接通了两个电极，放电则转为火花放电或电弧放电
出现流注的条件：初崩头部的空间电荷数量必须达到某一临界值（电子数10∧8）
流注理论说明
①放电并不充满整个电极空间，而是形成一条细窄的放电通道
②实际测的的放电时间远小于正离子穿越极间气隙所需的时间
③击穿电压值与阴极材料无关
④pd值较小时，不可能出现流注，自持只能靠阴极上的γ过程
六.不均匀电场中的放电过程
1.稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征
稍不均匀电场和均匀电场的放电特性相似，一旦出现自持放电，就会导致击穿
曲率半径小的先达到起始场强值，发生局部放电，称为电晕放电
极不均匀电场特点
①不对称电极具有极性效应
②存在稳定电晕放电
③极不均匀电场击穿电压比均匀电场低
④具有饱和性
电场不均匀系数f=最大电场强度和平均电场强度之比
f=1为均匀电场，f＜2为稍不均匀电场，f＞4为极不均匀电场
2.电晕放电
概念：220kV以上超高压输电线路，其导线表面会呈现一种淡紫色辉光，并伴有咝咝作响的噪声和臭氧的气味
形式
电子崩
流注
电晕是局部放电的一种
特点
一定触及一个电极或两个电极
而局部放电可以发生在电极表面，也可以存在两极之间而不触及任一电极
派生效应
电晕损耗＊（CL）
大小受到大气条件和线路结构影响
计算电晕功率损耗的经验公式为皮克公式
只作为校核因素，不作为控制因素
谐波电流
非正弦电压
无线电干扰＊（RI）
由导线、绝缘子、金具的电晕放电引起
干扰包括
无线电干扰
电视干扰（TVI）
30～500kHz的载波通信和信号传输
RI与线路结构参数有关
RI限值以0.5MHz为参考频率，距边相导线在地上垂直投影外侧20m为参考距离
可闻噪声＊（AN）
表示人耳能听到的噪声
电晕放电使声压波的频率和幅值等于工频电压波的2倍
决定因素
⑴导线表面场强
⑵导线分裂数
⑶子导线半径
⑷大气条件
⑸导线到测量点间的横向距离
是选择特高压交、直流输电线路导线和确定线路走廊宽度的决定性因素
对超高压线路来说，无线电干扰起决定性作用
空气的有机合成
降低电晕危害方法（降低电场强度）
①选择导线结构和尺寸时，使好天气时的电晕损耗很小，对无线电和电视的干扰限制到容许水平以下
②超高压和特高压线路，采用分裂导线
一定存在某一分裂距d，使导线表面电场强度最低
取值时d值比使电场强度最小的do值大一些（45cm）
好处
①过电压波将因电晕而衰减其幅值和波前陡度
②应用静电除尘、臭氧发生器
3.极不均匀电场中的放电过程
极不均匀电场中，放电先从曲率半径小的电极表面开始，与电极的极性无关
两个电极形状不同时，极性取决于曲率半径小的电极的电位符号；形状相同时，取决于不接地的那个
影响放电发展时间的因素
间隙长度
电场均匀度
外施电压
正极性
正棒负板
易击穿，不易电晕
负极性
负棒正板
易电晕，不易击穿
外绝缘的空间间隙大都属于极不均匀电场，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半周内；进行冲击高压试验时，也施加正极性冲击电压
气隙较长（极间距离大于1m）时，会出现先导放电现象
气隙长度不超过1m时，棒—棒和棒—板气隙的工频击穿电压大致相等
热电离在先导放电和主放电阶段有重要作用
先导通道的形成以热电离的出现为特征
长气隙：电晕放电→先导放电→主放电
七.放电时间和冲击电压下的气隙击穿
1.放电时间
气隙击穿的必备条件
①足够大的电场强度或电压
②存在有效电子
③有一定时间
总的放电时间tb=t₁+ts+tf
统计时延ts
概念：出现有效电子的时间
具有统计性
放电形成时延tf
概念：出现有效电子后到击穿的时间
具有统计性
放电时延tlag=ts+tf
tb和tlag都有统计性
2.冲击电压波形的标准化
标准冲击电压波形
⑴标准雷电冲击电压波
非周期双指数波
波前时间：1.2μs，容许偏差：±30%；半峰值时间：50μs，容许偏差：±20%（1.2/50μs）
⑵标准雷电截波
波前时间：1.2μs，容许偏差：±30%；截断时间：2～5μs（1.2/2～5μs）
220kV以下做工频和雷电冲击试验
⑶标准操作冲击电压波
非周期双指数波
波前时间：250μs，容许偏差：±20%；半峰值时间：2500μs，容许偏差：±60%（250/2500μs）
330kV以上额外做操作冲击电压试验
3.冲击电压下的气隙击穿特性
50%冲击击穿电压U50%
工程实际中采用U50%来表征气隙的冲击击穿特性
施加10次电压有4～6次击穿了，就可认为是U50%
裕度大小取决于气隙冲击击穿电压分散性大小
均匀和稍不均匀电场的分散性很小，U50%和静态击穿电压Us几乎相同
冲击系数β：U50%与Us之比
均匀和稍不均匀电场β≈1
极不均匀电场中，放电时延较长，β大于1，标准偏差取3%
伏秒特性
电压不高时，击穿发生在波尾，击穿电压取该冲击电压的峰值；电压很高时，击穿发生在波头，击穿电压取击穿瞬间的电压值
通常采用平均伏秒特性或50%伏秒特性曲线来表征冲击击穿特性
均匀或稍不均匀电场的放电时延较短，伏秒特性很快变平；极不均匀电场的放电时延较长，伏秒特性变平的时间较长
被保护装置伏秒特性的下包线始终高于保护装置的上包线
八.沿面放电和污闪事故
1.沿面放电的一般概念
概念：沿固体表面发展的气体放电现象
固体绝缘装置在机械上起固定作用，在电气上起绝缘作用，往往一个电极接高电压，一个电极接地
两极绝缘功能的丧失
①固体介质本身的击穿
②沿固体介质表面发生闪络
闪络电压比击穿电压小的多，比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少
绝缘装置的实际耐压能力取决于沿面闪络电压，在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平时起决定性作用
2.沿面放电的类型与特点
界面电场分布
⑴固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行
⑵固体介质处于极不均匀电场中，界面电场垂直分量比平行切线分量大得多（套管）
⑶固体介质处于极不均匀电场中，界面平行切线分量大于垂直分量（支柱绝缘子）
瓷套属于绝缘子
均匀和稍不均匀电场中的沿面放电
极板间插入一块固体介质后沿面闪络电压仍比纯气隙的击穿电压降低很多，原先均匀电场发生了畸变
原因
⑴固体介质与电极表面有小缝隙。小缝隙内先发生放电，畸变原有电场
可采用在固体表面喷涂导电粉末的方法
⑵潮气吸附到固体介质表面形成水膜，使电压沿介质表面的分布变得不均匀，降低了闪络电压
瓷和玻璃为亲水性材料；石蜡和硅橡胶是憎水性材料
工频电压下闪络电压降低较多，雷电冲击电压下降低的少
⑶固体介质表面电阻不均匀和表面粗糙不平
极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电
电晕放电→辉光放电→滑闪放电→沿面闪络
沿面闪络电压比滑闪放电电压高的不多
滑闪放电以气体分子的热电离作为特征，只发生在交变、具有强垂直分量的极不均匀电场中
当滑闪放电火花中的一支短接了两个电极后，即出现沿面闪络
极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电
两个电极之间距离较大，其间固体介质不会被击穿，可能出现沿面闪络
不会出现热电离和滑闪放电
干闪络电压随极间距离增大而提高
改进电极形状可提高支持绝缘子的沿面闪络电压
3.沿面放电电压的影响因素和提高方法
影响因素
⑴固体介质材料
主要取决于亲水性或憎水性
⑵电场型式
均匀和稍不均匀电场的沿面电压最高；主要是切线分量的极不均匀电场中，沿面闪络电压比纯空气气隙的击穿电压降低的较少
具有强垂直分量的绝缘子的主要问题是会出现滑闪放电，击穿电压很低
提高方法（交流）
①减小比电容C0的值，加大法兰处瓷套的外直径和壁厚
②减小绝缘表面电阻，法兰处电场较强的瓷套外表面涂半导体漆或半导体釉，使此处压降减小
③额定电压大于35kV的高压套管，采用能调节径向和轴向电场分布的电容式套管和充油式套管
提高绝缘方法（直流）
①增大沿面距离
②增大表面电阻
4.固体介质表面有水膜的沿面放电
湿闪电压：洁净的瓷面或玻璃表面被雨水淋湿时的沿面放电电压
避免绝缘子被整个淋湿，需配备伞裙
绝缘子下雨时的三种闪络情况
①被雨水淋湿的湿闪电压为干闪电压的40%～50%
②分散的雨滴，气隙击穿电压降得不多
③伞裙间被连续的雨水短接，湿闪电压降得很低
5.绝缘子染污状态下的沿面放电
毛毛雨、雾、露等不利天气，污层被湿润，泄漏电流大增，局部电弧长度不断增加（爬电），闪络电压最低
污闪过程
积污（根本原因）
受潮
干区形成
局部电弧出现和发展
污闪时自动重合闸成功率远低于雷击闪络时
就经济损失而言，污闪排首位
污秽度
等值附盐密度：每平方厘米表面上沉积的等效氯化钠毫克数
等值盐密法：除铁脚铁帽的粘合水泥面上的污秽外，把所有表面上沉积的污秽刮下，溶于300ml蒸馏水中，测出20℃水温时的电导率
划分污区等级因素
①污源
②气象条件
③等值盐密
污秽等级
直流电压下的污闪电压最低，冲击电压下的污闪电压最高
6.污闪事故的对策
⑴调整爬距（增大泄漏距离）
爬电比距：外绝缘相—地之间的爬电距离与系统最高工作线电压之比（cm/kV）
⑵定期或不定期的清扫
⑶涂料
硫化硅橡胶（RTV）
⑷半导体釉绝缘子
釉层具有导电性，一直有一个比普通绝缘子表面泄漏电流大的表面电导电流流过，使表面温度略高，不易吸潮，积污较少
使干区不易出现局部电弧，电压沿绝缘子串分布更均匀
釉层易被腐蚀和老化
⑸新型合成绝缘子
优点
①重量轻（瓷绝缘子的1/10），运行维护费用低
②机械性能好
③电气绝缘性能好，耐污闪好
④耐电弧性能好
缺点
①价格贵
②老化问题
第二章.气体介质的电气强度
气隙的击穿特性与电场形式和所加电压类型有关
四种电压
工频交流电压（稳态电压）
直流电压（稳态电压）
雷电过电压
操作过电压
气隙在稳态电压作用下的击穿电压即为静态击穿电压Us
一.均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性
1.均匀电场气隙的击穿特性
均匀电场中各处的电场强度均相等，击穿所需时间极短，在直流、工频和冲击电压下的击穿电压都相同
击穿电压分散性小、伏安特性很快变平，冲击系数β=1
随着极间距离的增大，击穿场强稍有下降，在d=1～10cm内，击穿场强为30kV/cm
2.稍不均匀电场气隙的击穿特性
球间隙
电场不均匀度随球间距离d与球极直径D之比的增大而增大
d＜D/4时，击穿特性与均匀电场相似
d＞D/4时，电场不均匀度增大，击穿场强下降，击穿电压分散性增大
为保证测量精度，球隙测压器在d≤D/2的范围内工作
同轴圆筒
取外筒内半径R=10cm，内筒外半径为r
r/R＜0.1时，气隙属于不均匀电场
r/R＞0.1时，气隙变为稍不均匀电场，击穿电压极大值出现在r/R≈0.33
r/R通常在0.25～0.4范围内
二.极不均匀电场气隙的击穿特性
棒—棒气隙具有完全的对称性，棒—板气隙具有最大的不对称性
1.直流电压
极间距离不大时
棒—板气隙负极性下的直流击穿场强为20kV/cm，正极性下为7.5kV/cm
棒—棒气隙击穿特性位于棒—板气隙在两种极性下的击穿特性之间
极间距离更大时
棒—板气隙负极性下的平均击穿场强降至10kV/cm，正极性下为4.5kV/cm
绝缘介质施加直流电压后，绝缘干燥有明显的吸收现象
吸收现象表现为电气设备的绝缘电阻随充电时间的增加而增加
负棒正板＞棒棒＞正棒负板
2.工频交流电压
工频交流电压下测量气隙击穿电压时，升压速率为每秒升高预期击穿电压值的3%
棒极附近空间电场会因上一半波电压所遗留下来的电荷而加强
气隙长度d不超过1m时，棒—棒和棒—板气隙的工频击穿电压几乎一样
负棒棒＞负棒正板＞正棒棒＞正棒负板
3.雷电冲击电压
极不均匀电场的放电时延较长，冲击系数大于1冲击击穿电压分散性较大，标准偏差σ值取3%
在50%击穿电压下，击穿通常发生在波尾部分
4.操作冲击电压
特点
波前时间Tc在100～500μs之间
操作冲击电压的变化速度和作用时间介于工频交流电压和雷电冲击电压之间
操作冲击击穿电压＜工频击穿电压＜雷电冲击击穿电压＜直流电压
极不均匀电场的操作冲击击穿特性具有饱和性，正极性棒—板的饱和现象最严重
操作冲击电压下的气隙击穿电压和放电时间的分散性比雷电冲击电压下大得多，标准偏差σ值达5%～8%
三.大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正
标准大气条件
压力p=101.3kPa（760mmHg）
温度t=20℃或T=293K
绝对湿度h=11g/m³
实际气隙击穿电压U和标准大气条件下的击穿电压U0
U=K₁K₂U0
K₁—空气密度校正因数，K₂—湿度校正因数
1.对空气密度的校正
空气相对密度δ=2.9p/T
气隙的击穿电压随δ的增大而提高
δ为0.95～1.05范围内，气隙击穿电压与δ成正比
2.对湿度的校正
大气湿度越大，气隙击穿电压越高
3.对海拔高度的校正
海拔高度升高，气压和相对密度都减小，电气强度也降低
四.提高气体介质电气强度的方法
1.改进电极形状以改善电场分布
利用屏蔽增大电极的曲率半径
高压电气装置的高压出线端需加装屏蔽罩来降低最大场强，提高电晕起始电压
超高压输电线路应用屏蔽原理的实例
绝缘子串上安装保护金具（均压环）
扩径导线
2.利用空间电荷改善电场分布
细线效应：导线直径减小到一定程度后，气隙的工频击穿电压随着导线直径的减小而提高
细线的电晕放电所形成的均匀空间电荷层，改善了气隙的电场分布，使击穿电压提高
3.采用屏障
屏障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同号的空间电荷，使电场均匀分布
棒—板气隙，最有利的屏障位置是x=（1/5～1/6）d处，电气强度可在正极性直流时增加2～3倍，负极性棒时，只能略微提高击穿电压
在工频电压下，击穿一定发生在棒为正极性的那半周，设置屏障是很有效的
棒—棒气隙需在两个电极都安装屏障才有效
冲击电压下屏障的作用较小
4.采用高气压
提高气压可大大减小电子的自由行程长度，抑制电离
5.采用高电气强度气体
强电负性气体
要求
①液化温度低
②良好的化学稳定性
③生产不太困难，价格不过于昂贵
6.采用高真空
减弱碰撞电离
极间距离小时，高真空的击穿与阴极表面的强场发射有关；距离大时，击穿由全电压效应引起
五.六氟化硫和气体绝缘电气设备
SF6的电气强度为空气的2.5倍，灭弧能力是其100倍以上
1.六氟化硫的绝缘性能
①具有很强电负性，易俘获自由电子形成负离子
②平均自由行程短
③电离电位高
SF6的优异性能只有在较均匀场合才能得到充分发挥
均匀和稍不均匀电场中的SF6的击穿
电子附着系数η：一个电子沿电场方向运动1cm的行程中发生的电子附着次数的平均值
一般气体中，正离子数等于新增电子数；电负性气体中，正离子数等于新增的电子数与负离子数之和
强电负性气体实用中的所处条件属于流注放电范畴
稍不均匀电场中，负极性下的击穿电压比正极性时低10%左右
冲击系数很小，雷电冲击为1.25，操作冲击为1.05～1.1
极不均匀电场中SF6的击穿
异常现象
⑴工频击穿电压曲线存在驼峰，出现在0.1～0.2MPa气压下
⑵驼峰内的雷电冲击击穿电压明显低于静态击穿电压，冲击系数低至0.6
异常现象与空间电荷的运动有关
影响击穿场强的其他因素
①电极表面缺陷
面积效应：电极表面积越大，缺陷出现的概率越大，SF6气体的击穿场强越低
②导电微粒
固定微粒
自由微粒在极间跳动产生不利影响
2.六氟化硫理化特性方面的若干问题
⑴液化问题
SF6高压断路器的气压在0.7MPa左右
高寒地区需对断路器采取加热措施，或采用SF6-N₂混合气体来降低液化温度
⑵毒性分解物
SF6分解物有毒
分解原因
电子碰撞
热辐射
光辐射
采用吸附剂，放置量不小于SF6气体重量的10%
⑶含水量
水分危害最大
3.SF6混合气体
缺点：价格高、液化温度不够低、对电场不均匀度太敏感
SF6-N₂混合气体用于高寒地区，混合比为50%：50%或60%：40%
用气量大的长管道输电线路中，用混合气体代替纯SF6经济性好，工作气压提高0.1MPa，在50%混合比下，费用减少40%
4.气体绝缘电气设备
封闭式气体绝缘组合电器（GIS）
没有自恢复能力
检修周期长
气体绝缘电缆（GIC）
气体绝缘线路（GIL）
气体绝缘变压器（GIT）
第三章.液体和固体介质的电气特性
电介质的电气特性
导电性能
介电性能
电气强度
四个参数
电导率（或电阻率）
介电常数
介质损耗角正切
击穿场强
按化学性质不同电介质分为
极性电介质
非极性电介质
离子性电介质
一.液体和固体介质的极化、电导和损耗
一切电介质在电场的作用下都会出现极化、电导和损耗；气体介质的很微弱
气体的相对介电常数随温度的升高而减小，随压力的增大而增大，但影响很小
1.电介质的极化
概念：电介质在电场的作用下，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
具有极性分子的电介质为极性电介质，由中性分子构成的电介质为中性电介质
真空介电常数ε0=8.86×10∧-14F/cm
气体介质密度小，εr接近1，液体和固体介质的ε在2～6之间
电容器的绝缘材料，选用εr大的电介质；其他电气设备选εr小的电介质，较大的ε会增加介质损耗；ε较小可减少电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压
在工频交流电压和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与εr成反比
极化型式
电子式极化＊
离子式极化＊
偶极子极化＊（转向极化）
极性电介质的εr与频率有很大关系，频率太高，εr减小
极性介质气体εr与温度成负相关，液体和固体介质εr先随温度升高而增大再随温度升高而减小
极性分子都是偶极子
夹层极化（空间电荷极化）
概念：夹层界面上积聚一些电荷，使等值电容增大
只有在直流和低频交流电压下才能表现出来（频率影响大）
2.电介质的电导
外电场的作用下，某些联系较弱的载流子会产生定向漂移而形成传导电流（泄漏电流）
按载流子不同，电导分为
离子电导
本征离子电导
在极性电介质中
杂质离子电导
在中性和弱极性电介质中
电子电导
微弱
电介质的电导主要是离子电导，与金属导体的电导主要依靠自由电子有本质区别
液体电介质中存在电泳电导，载流子为带电的分子团
固体介质电导
体积电导
测量时应排除表面电导的影响（加辅助极）
表面电导
电导率随温度的上升而指数规律急剧增大
3.电介质的损耗
基本概念
介质损耗
电导引起的损耗
有损极化
偶极子极化
夹层极化
直流电压下电介质中没有周期性的极化过程，只有电导引起的损耗
交流电压下，P=U²ωCptanδ
tanδ为介质损耗因数
测量结构因素
①测量频率
②测量电压
③温度
④湿度
一般用tanδ反映电介质损耗特性优劣
C₁是无损极化（电子式和离子式）
i₁是电容电流：极短暂的充电电流（位移电流）
C₂-R₂是有损极化
i₂是吸收电流
R₃是电导损耗
i₃是传导电流（唯一长期存在的电流分量）
介质损耗主要由电导引起，采用并联等值电路；介质损耗主要由极化引起，采用串联等值电路
串联等值电路的电阻r要比并联等值电路中的电阻R小的多
气体、液体和固体介质的损耗
气体介质损耗
气体没有极化损耗
固体和液体中有气泡，气泡会局部放电
液体介质损耗
中性和弱极性液体介质（变压器油）的极化损耗很小，损耗主要由电导引起
极性液体介质（蓖麻油、氯化联苯）有电导损耗和极化损耗
固体介质损耗
⑴无机绝缘材料
云母、陶瓷、玻璃
都是离子式结构晶体材料
结晶态
云母
优良绝缘材料，损耗均由电导引起，介质损耗小，耐高温
缺点是机械性能差
陶瓷
既有电导损耗又有极化损耗
20℃和50Hz下的tanδ=2%～5%
无定形态
玻璃
既有电导损耗又有极化损耗
含碱金属氧化物的玻璃损耗较大，加入重金属氧化物可以减小损耗
⑵有机绝缘材料
非极性
聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯
聚乙烯的缺点是耐热性能差
只有电子式极化，损耗取决于电导
极性
聚氯乙烯、纤维素、蓖麻油、酚醛树脂、胶木、绝缘纸
二.液体介质的击穿
电容器中的绝缘油也起贮能媒质的作用
1.纯净液体介质的击穿理论
电子碰撞电离理论（电击穿理论）
强场发射或肖特基发射
与汤逊理论中的αγ过程相似
特点
①液体密度增加，击穿场强增大
②温度升高，击穿场强下降
③电压作用时间很短，击穿场强提高
④液体介质的冲击击穿场强高于工频击穿场强（冲击系数β＞1）
气泡击穿理论
属于热击穿范畴
气泡的εr最小，电气强度又低于液体介质，气泡先发生电离
如果许多气泡形成气体小桥，击穿可能在此通道中发生
如果击穿由气体小桥引起，那么增大液体压力，可以提高击穿场强
液体小桥的形成与电极形状、电极材料、外施电压种类有关
在高压充油电缆中总要加大油压，以提高电缆的击穿场强
2.工程用变压器油的击穿过程及其特点
特点
均匀电场中，当工频电压升高到某值时油中可能出现一个火花放电，但旋即消失，电压再增大又可能出现火花放电，反复多次才会出现稳定击穿
自恢复现象原因：火花放电后纤维被烧掉、水滴汽化、油扰动以及油具有灭弧性能
判断变压器油的质量方法：标准油杯测量油的工频击穿电压测其电气强度、tanδ和含水量
3.变压器油击穿电压的影响因素及其提高的方法
影响因素
⑴水分和其他杂质
水的两种状态
①溶解状态
②悬浮状态
十分有害
含水量达0.02%时，击穿电压下降至10kV
⑵油温
温度从0℃开始上升，水分从悬浮状态→溶解状态，击穿电压上升；温度超过80℃，水开始汽化，击穿电压下降
60～80℃出现最大值，0～5℃出现最小值
极不均匀电场中，工频击穿电压随温度升高而下降
均匀电场或不均匀电场中，冲击击穿电压随温度升高稍有下降
⑶电场均匀度
品质差的油杂质较多，改善电场对其提高工频击穿电压效果不大
冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，改善电场能显著提高冲击击穿电压
极不均匀电场，油的品质对击穿影响不大
⑷电压作用时间
击穿电压随电压作用时间增加而下降，还会影响油的击穿性质
⑸油压的影响
工频击穿电压随油压增大而增大，而经过脱气处理的油，其工频击穿电压就与油压无关
油压大小不影响冲击击穿电压
提高方法
①过滤、防潮、祛气提高油的品质
②绝缘设计中采用油—屏障式绝缘（覆盖层、绝缘层、隔板）
三.固体介质的击穿
1.固体介质的击穿理论
⑴电击穿
概念：仅由于电场作用而直接使介质破坏并丧失绝缘性能的现象
特征
①击穿电压与周围环境温度无关
②击穿电压与电压作用时间关系不大
③介质发热不显著
④电场均匀程度对击穿电压有显著影响
⑵热击穿
概念：由于固体介质内的热不稳定过程造成（发热大于散热）
特征
①热击穿电压随媒质温度上升而下降
②击穿场强随厚度的增大而降低
③介质的导热系数大，散热系数也大，则热击穿电压上升
④f或tanδ增大都会使发热增加，热击穿电压下降
曲线1、2、3是发热曲线（U₁＞U₂＞U₃），4是散热曲线
k是不稳定的热平衡点，a是稳定的热平衡点，b是不稳定的热平衡点
⑶电化学击穿
概念：长期工作电压下，介质内部发生局部放电，使绝缘劣化、电气强度逐步下降而引起击穿
原因
①放电过程产生气体O₃、NO、NO₂等会产生氧化和腐蚀作用
②放电过程有带电粒子撞击介质，引起局部温度上升，加速介质氧化并使局部电导和介质损耗增加
③带电粒子的撞击可能还会切断分子结构，导致介质破坏
树枝化放电
发生在有机绝缘材料中
化学树枝属于局部放电引起的现象
交流电压下，树枝化放电劣化是局部放电产生的带电粒子撞击固体介质引起电化学劣化的结果
冲击电压下，可能是局部电场强度超过了材料的电击穿场强所造成的结果
2.影响固体介质击穿电压的主要因素
⑴电压作用时间
电压作用时间很短（0.1s以下），是电击穿
加电压数分钟或数小时击穿，属于热击穿
作用时间数十小时甚至几年发生击穿，属于电化学击穿
⑵电场均匀程度
均匀电场中的固体介质，击穿电压较高，击穿电压随介质厚度的增加近似地呈线性增大
不均匀电场中，固体介质厚度增加，击穿场强不变，增大到使散热下降时，击穿场强下降
经过真空干燥、真空浸油或浸漆处理，击穿电压明显提高
⑶温度
⑷受潮
⑸累积效应
多次加电压，局部损伤逐步发展，使击穿电压下降
⑹机械力
击穿电压大小
高频交流电压＜工频交流电压＜直流电压＜雷电冲击电压
固体介质的老化
①电老化
②热老化
③环境老化
④机械老化
四.组合绝缘的电气强度
直流电压下，各层绝缘分担的电压与绝缘电阻成正比，与电导率成反比，即把电气强度高、电导率大的材料用在电场最强的地方
工频交流电压和冲击电压下，分担电压与电容成反比，电气强度与介电常数成反比，即把电气强度高、介电常数大的材料用在电场最强的地方
1.油—屏障式绝缘
油浸电力变压器的主绝缘
是液体介质为主体的组合绝缘
能提高电气强度30%～50%
三种形式
⑴覆盖
阻止杂质小桥直接接触电极，限制泄漏电流，阻碍杂质小桥击穿过程的发展
⑵绝缘层
分担一定电压，降低电极表面附近的最大电场强度
⑶屏障
阻碍杂质小桥的形成，拦住一部分带电粒子，使电场变得均匀
用多重屏障将油隙分隔成多个较短的油隙，击穿场强能提高更多
固体介质的介电常数比变压器油大，所有固体介质总厚度的增加会引起油中电场强度的增大
屏障总厚度不大于整个油隙长度的1/3
极不均匀电场采用屏障可以使工频击穿电压提高2倍或更高；在稍不均匀电场能提高25%或更多
2.油纸绝缘
是固体介质为主体的组合绝缘
击穿场强很高，散热条件较差
油纸绝缘击穿场强500～600kV/cm，油的击穿场强为200kV/cm，干纸的击穿场强为100～150kV/cm
缺点：易受污染或受潮
3.组合绝缘中的电场
均匀电场双层介质模型
极间距离d保持不变，增大总屏障厚度，将使油中的电场强度增大。即在油隙中放置多个屏障，会使油中电场强度显著增大，反而不利
外加的是直流电压时，电压将按电导率（反比）或电阻率（正比）来分配
分阶绝缘
超高压交流电缆为单相圆芯结构
概念：介电常数不同的多层绝缘构成的组合绝缘
分阶原则：对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数越大的材料，使电场均匀化
内层选用高密度的薄纸，介电常数大，击穿场强较大；外绝缘采用低密度厚纸，介电常数小，击穿场强较小
分阶一般只做两层，500kV电缆采用3～5层分阶
五.对电介质性能的全面要求
1.热性能
2.吸湿性
3.耐寒性
10、25、45号三种变压器油的凝固温度为-10℃、-25℃、-45℃，根据地区气温选择
4.机械性能
5.抗化学性能及抗生物性