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第二章第二章 电气绝缘基础知识电气绝缘基础知识电工进网作业许可考试电工进网作业许可考试2内容提要内容提要34六氟化硫（ SF6 ）气体的绝缘特性5大纲要求大纲要求n1. 1.掌握掌握气体介质的击穿机理气体介质的击穿机理; ;n2. 2.熟悉熟悉影响气体介质击穿的主要因素影响气体介质击穿的主要因素; ;n3. 3.了解了解气体放电的不同形式气体放电的不同形式n4. 4.掌握掌握气体中固体介质的沿面放电气体中固体介质的沿面放电6n本节重点介绍： 空气间隙的击穿机理和影响空气击穿电压的各种因素。7n研究在电场作用下，气体间隙中带电离子的形成和运动过程n气体间隙中带电离子是如何形成的；n气体间隙中带电通道是如何形成的；n带电通道形成后，又是如何维持持续放电的8一一n1、电离（游离）n定义：电子脱离原子核的束缚使原子成为自由电子和正离子的过程。n电离的形式：碰撞电离、光电离、热电离、表面电离等。n气体分子本身的电离和气体中的固体和液体金属的表面电离9n为什么绝缘体不导电，为什么绝缘体不导电，而导体能够导电而导体能够导电？先思考先思考：10n绝缘体内部：绝缘体内部： 原子核周围的电子被原子核牢牢束缚，称原子核周围的电子被原子核牢牢束缚，称为为束缚电子束缚电子； n导体内部：导体内部： 存在大量脱离原子核束缚的电子存在大量脱离原子核束缚的电子, ,称为称为自由自由电子电子。为什么绝缘体不导电，而导体能够导电为什么绝缘体不导电，而导体能够导电？11n 空气是空气是绝缘体绝缘体，那么触头之间的空气为什么，那么触头之间的空气为什么会产生电弧，从而形成了一个会产生电弧，从而形成了一个导电导电的通道呢？的通道呢？思考思考：12空气为什么会产生电弧空气为什么会产生电弧？ 这是由于这是由于,此时的此时的空气中空气中出现了大量的自由电子，我出现了大量的自由电子，我们称空气们称空气被游离被游离了，游离状了，游离状态下的空气和导体一样具有态下的空气和导体一样具有导电性导电性能。能。游离游离中性质点转化为带电质点中性质点转化为带电质点 （自由电子和（自由电子和 正离子）正离子） 。13n 在切断电路时，空气（或其他绝缘介质在切断电路时，空气（或其他绝缘介质）是如何由绝缘状态转变为导电状态（即游）是如何由绝缘状态转变为导电状态（即游离状态）的呢？离状态）的呢？思考思考：电弧电流14 强电场发射强电场发射（在触头间最初产生自由电（在触头间最初产生自由电子的原因之一）子的原因之一） 在开关触头刚刚分离的瞬间，当电场强在开关触头刚刚分离的瞬间，当电场强度度E E（E=U/sE=U/s）超过）超过3 310106 6伏伏/ /米以上米以上 金属触头阴极表面的电子被电场力拉出，金属触头阴极表面的电子被电场力拉出，称为强电场发射。称为强电场发射。游离过程主要有以下四种形式：15 热电子发射热电子发射（在触头间产生自由电子的（在触头间产生自由电子的原因之二）原因之二） 触头即将分开的瞬间，触头即将分开的瞬间，触头之间的压力以及接触面触头之间的压力以及接触面积减小，接触电阻（积减小，接触电阻（c c）增大，电流（）增大，电流（I I）通过此接触）通过此接触电阻，使得电能损耗（电阻，使得电能损耗（I I2 2R Rc c）增大。）增大。 在触头表面出现炽热点，温度极高，在触头表面出现炽热点，温度极高，使得自由电子使得自由电子能量增加，运动加剧，能量增加，运动加剧，阴极表面就会有电子跑出，形成阴极表面就会有电子跑出，形成热电子发射。热电子发射。16碰撞游离碰撞游离（形成电弧的原因）（形成电弧的原因） 具有很高的速度和巨大的动能的具有很高的速度和巨大的动能的电子电子，不断地，不断地与与空空气（或其他绝缘介质）的气（或其他绝缘介质）的原子或分子发生碰撞原子或分子发生碰撞，使原，使原子核周围的束缚电子释放出来，形成子核周围的束缚电子释放出来，形成自由电子和正离自由电子和正离子子称为称为碰撞游离碰撞游离。 17n 自由电子在强电场的作用下，加速向阳自由电子在强电场的作用下，加速向阳极运动，这些具有很高的速度和巨大的动能极运动，这些具有很高的速度和巨大的动能的电子，不断地与空气（或其他绝缘介质）的电子，不断地与空气（或其他绝缘介质）的原子或分子发生碰撞，使原子核周围的束的原子或分子发生碰撞，使原子核周围的束缚电子释放出来，形成自由电子和正离子，缚电子释放出来，形成自由电子和正离子，这种现象就称为碰撞游离。这种现象就称为碰撞游离。思考：思考：什么叫碰撞游离？什么叫碰撞游离？18 碰撞游离连续进行碰撞游离连续进行就可能导致触头间就可能导致触头间充满了带电质点即大量的电子和正、负离充满了带电质点即大量的电子和正、负离子，具有很强的电导性。子，具有很强的电导性。 此时在外加电压作用下，触头间介质此时在外加电压作用下，触头间介质就会被击穿而就会被击穿而形成导电的电弧通道形成导电的电弧通道。19碰撞游离过程示意图碰撞游离过程示意图自由电子向阳极加速运动阴极阳极碰撞出新的自由电子20电弧的形成电弧的形成电弧的形成电弧的形成电弧的形成电弧的形成热游离（维持电弧燃烧的原因） 空气（或其他绝缘介质）分子在电弧极高温度下产生迅速的不规则运动，具有很大的动能，相互碰撞,游离出自由电子和正离子称为热游离。 电弧的温度极高，如前所述，可达到几千甚至上万摄氏度，空气（或其他绝缘介质）分子在此高温作用下，产生迅速的不规则运动，具有很大的动能，相互碰撞,游离出自由电子和正离子，形成热游离，增加了开关电器熄灭电弧的难度。 21n2、空气间隙的击穿过程（1）碰撞电离（2）电子崩（3）非自持放电和自持放电（4）流注n 带点粒子在足够大的电场作用下，高速运动并不断加速，出现强烈的碰撞电离，形成电子崩，由许多电子崩产生大量正负带电质点混合的离子通道即流注，当流注把空气间隙的两极接通时，整个间隙随之击穿。22n整个过程：n碰撞电离 电子崩（非自持放电） 二次电子崩 流注 间隙被击穿在均匀电场中发生自持放电，间隙即被击穿；在极不均匀电场中发生自持放电，会发生电晕放电，但间隙并不被击穿，必须增高电压，才可以击穿间隙。23n重点概念：n碰撞电离、电子崩、二次电子崩、流注、自持放电、非自持放电、阳极流注、阴极流注24n1、气体间隙击穿电压与气体密度的关系在温度不变的条件下： 压力越大，密度越大，电子的自由行程短，间隙不容易被击穿，击穿电压升高； 反之，击穿电压减小。 但，气体过于稀薄，碰撞次数太小，导致击穿电压升高。25n2、巴申定律nUF=f（pS）n在均匀电场中，气体的间隙距离一定，间隙的击穿电压与气体的压力有关26n在标准大气压下，温度为20n均匀电场空气间隙的击穿场强大约为：30kV/cmn不均匀电场空气间隙的击穿场强大大下降: 空间间隙距离大于50cm负极性的直流平均击穿场强: 10kV/cm;正极性的直流平均击穿场强: 4.5kV/cm;27n稳态电压：持续作用电压，指的是工频交流和直流电压1、均匀电场在稳态电压下的击穿特性1）没有极性效应；2）与电压作用时间无关；3）不会出现电晕放电2、不均匀电场在稳态电压下的击穿特性 稍不均匀电场：不能维持稳定的电晕放电； 与均匀电场一样击穿电压=自持放电电压实例：D/S2的球间隙、GIS的母线 极不均匀电场：能维持稳定的电晕放电； 击穿电压 (远大于)自持放电电压实例： D/S 棒-棒 正棒-负板31n4.冲击电压作用下的击穿电压n雷电和操作冲击电压,持续时间很短（us或ms），属于瞬态作用电压，但其幅值很大，对电气设备的绝缘危害大。n（1）雷电冲击电压：1.2/50 us（含义）n（2）操作冲击电压：250/2500 us （含义）32n操作冲击击穿电压与间隙距离、电极形状、电极极性、波前时间都有关 波前时间T1越短，击穿电压越高； 反之，波前时间T1越长，击穿电压也越高； 一定有一个时间，击穿电压最小。这个时间就称之为临界波前时间T0 。33n50%冲击击穿电压n工程上常以击穿概率为50%的冲击电压作为该间隙的冲击电压击穿值，用符号U 50% 表示。34n1.气体状态对击穿电压的影响n2.电压作用时间(电压波形)的影响1）均匀电场，空气间隙的击穿电压与电压波形、电压作用时间无关；2）极不均匀电场，雷电击穿电压远大于工频击穿电压n3.电压极性的影响n4.电场均匀程度的影响n5.电极材料和光洁度的影响n6.不同气体种类的影响35 五、五、 SFSF6 6气体的绝缘特性气体的绝缘特性 （1） SF6 6气体是一种无色、无臭、无毒和不可燃的惰性气体，化学性能稳定，具有优良的灭弧和绝缘性能。 （2）SF6 6气体的液化特性；液化温度随压力变化，压力越高，液化温度越低；反之亦然。36 SFSF6 6气体的介电特性气体的介电特性 （3） SF6 6 气体的灭弧性能特别强的原因主要是： 在高温时分解出的硫、氟原子和正负离子，与其他灭弧介质相比，在分解时吸收的能量多，对弧柱的冷却作用强，弧柱温度较低。因此，SF6气体中电弧电压较低，燃弧时的电弧能量小，对灭弧有利。 气体分子的负电性强。所谓负电性所谓负电性，是指SF6 6气体吸附自由电子形成负离子的特性。SF6 6气体负电性强，加强了去游离，降低导电率。在电弧电流过零后，弧柱温度将急剧下降，分解物急速复合。因此，SF6 6气体弧隙的绝缘性能恢复速度很高，能耐受很高恢复电压，电弧在电流过零后难重燃。 37n （4） SF6 6 气体分解物的毒性 SF6 6 气体在水分和电弧的作用下会产生有毒或有腐蚀性的物质。 因此，必须做好电气设备的密封处理，加强漏气和含水量检测。38 在SF6 6断路器中，在水分参与下将产生强腐蚀性的分解产物HF。这种物质对绝缘材料、金属材料、玻璃、电瓷等含硅材料有很强的腐蚀性。因此，必须严格控制SF6 6气体中的水分。39n（1）辉光放电（低气压下）特点：放电电流密度较小，放电区域通常占据放电电极间的整个空间。（霓虹管中的放电）n（2）电弧放电（常压或高压下）特点：放电电流密度极大，耀眼而细长的放电通道，温度极高，具有短路的性质。n（3）火花放电（常压或高压下）特点：外电路的阻抗很大，限制了放电电流，出现贯穿两极的断续的明亮细火花。40n（4）电晕放电特点：空气间隙极不均匀，在电极电场最强处出现发光层，放电电流小，气体间隙大部分尚未丧失绝缘性能，间隙仍能耐受电压作用。n（5）刷状放电特点：电场极不均匀的情况下发生电晕放电，如果电压继续升高到一定程度时，从电晕电极伸展出许多较明亮的细小放电通道。41n1、沿面放电n定义：沿固体介质表面发生的气体放电现象称之为沿面放电。n沿面放电发展成贯穿性短路（类似于击穿）时称之为沿面闪络。n电晕放电 刷状放电 滑闪放电 沿面放电 间隙被击穿42n2、影响空气中固体介质沿面放电电压的各种因素（1）固体绝缘表面的光洁度（2）大气湿度和固体绝缘表面吸潮（3）导体与固体绝缘结合状况（4）电场分布的均匀程度 1）均匀电场中，沿面闪络电压纯空气间隙放电电压 2）弱垂直分量的不均匀电场 沿面闪络电压同样间隙距离，极不均匀电场纯空气间隙放电电压433）强垂直分量的不均匀电场 沿面闪络电压工频和直工频和直流流 电压作用下油间隙的击穿电压电压作用下油间隙的击穿电压提高电场的均匀度可以显著提高冲击击穿电压提高电场的均匀度可以显著提高冲击击穿电压6 6、油间隙宽度的影响、油间隙宽度的影响宽度增加，击穿电压下降宽度增加，击穿电压下降50因素511、固体电介质的种类非极性或弱极性、极性介质和离子性介质2、电介质的极化和相对介电系数 极化：电介质中的正、负电荷沿着电场方向作有限的位移或转向，形成偶极矩 。电子式极化 、离子式极化、偶极子极化、空间电荷极化、夹层极化52n相对介电系数越大，则电介质的电容量C越大1、电击穿 ：发展速度快，与环境温度无关2、热击穿：环境温度越高，作用时间越长，击穿电压越低。3、电化学击穿53因素1、温度对击穿电压的影响2、电压作用时间对击穿电压的影响3、电场均匀程度对击穿电压的影响4、潮湿对击穿电压的影响5、电压种类对击穿电压的影响6、机械负荷对击穿电压的影响7、固体介质的局部放电和累积效应545556n5、介电系数5758（1）一层介质的电阻向另一层介质的电容充电，在两层介质交界面上积累有过剩的自由电荷，称为吸收电荷。（2）充电过程伴随着能量损失（3）均匀介质不存在吸收现象（4）吸收现象是可逆的59复习题：复习题： 1、气体介质的电离形式有（ ）几种。A 碰撞电离 B 光电离 C 热电离 D金属电离 2、下列说法正确的是（ ）A 碰撞电离主要是由自由电子与正电荷相撞引起的；B 电子崩中的电荷分布以正离子为主；C 均匀电场中，流注出现后，空气间隙即被击穿；D 正流注的发展方向与初始电子崩的方向相同。2、均匀电场中，气体间隙的击穿电压与气体密度的关系是（）A 密度越大，击穿电压越高；B 密度越小，击穿电压越高；C 气体种类和电极材料一定时，放电电压是气体密度与间隙距离的乘积的函数；D 都不对3、均匀电场的放电电压与电压作用时间有关，持续电压越长，放电电压越小。（）4、极不均匀电场的电晕起始放电电压就是自持放电电压。（ ）60n下列说法正确的是：下列说法正确的是：A A 均匀电场空气间隙的击穿电压与间隙距离、电压波形及电压作用时间均匀电场空气间隙的击穿电压与间隙距离、电压波形及电压作用时间无关；无关；B B 均匀电场空气间隙的击穿电压与电压的极性无关；均匀电场空气间隙的击穿电压与电压的极性无关；C C 在直流电压作用下，棒在直流电压作用下，棒- -棒间隙的电场分布更均匀，它的击穿电压大于棒间隙的电场分布更均匀，它的击穿电压大于棒棒- -板间隙的击穿电压；板间隙的击穿电压；D D 空气的湿度越大，空气中的水分子越多，空气越容易被击穿。空气的湿度越大，空气中的水分子越多，空气越容易被击穿。U U50%50%表示击穿概率是表示击穿概率是50%50%的击穿电压值。（的击穿电压值。（ ） 电场越均匀，击穿电压越高。（电场越均匀，击穿电压越高。（ ）负极性接线的棒负极性接线的棒- -板间隙，正空间电荷形成的附加电场与棒板间隙，正空间电荷形成的附加电场与棒- -板之间的主板之间的主电场方向相同，所以负极性接线的击穿电压高。电场方向相同，所以负极性接线的击穿电压高。 （ ） SF6SF6气体压力越高，其液化温度越高。（）气体压力越高，其液化温度越高。（） 在常压下，辉光放电的放电电流密度很小，不同的气体，发光颜色不同在常压下，辉光放电的放电电流密度很小，不同的气体，发光颜色不同。只有在极不均匀电场中才会出现持续的电晕放电。只有在极不均匀电场中才会出现持续的电晕放电。同样间隙距离时，气体中固体介质的沿面闪络电压要大于纯空气的击穿同样间隙距离时，气体中固体介质的沿面闪络电压要大于纯空气的击穿电压电压。（）61n7、( )是固体介质在电场作用下，由于介质损耗使绝缘内部发热，如发热量大于散热量，温度持续上升，最后由于温度过高而使绝缘损坏击穿。n A电击穿 B热击穿 C电化学击穿nn8、 SF6气体施加的压力愈高，其液化的温度（ ）。n A愈高 B愈低 C不变nn9、牌号为（ ）的变压器油可用于气温低于200C的地区作为户外断路器、油浸电容式套管和互感器用油。n ADB-10 BDB-25 CDB-45nn7.B 8.A 9.C 10.A n 11.A 12.A 13.A 14.C 15.A n 16.A 17.A 62n10、操作冲击击穿电压的波前时间在临界波前时间时，空气间隙的击穿电压（ ）。n A最低 B最高 C不变 n11、在交流电压作用下，油纸组合绝缘中的油层电场强度与纸层电场强度相比（ ）。n A要高 B要低 C完全相等n12、电介质中的可迁移的电子或离子在电场下移动，积聚在电极附近的介质界面上，形成空间电荷，称为（ ）。n A空间电荷极化 B离子式极化 C电子式极化nn13、当作用在空气间隙上的电压特别高，在初始电子崩从阴极向阳极发展的途中即出现二次电子崩，形成流注，这种流注称为（ ）。 n A阴极流注 B阳极流注 C正流注nn63n14、在外电场的作用下，电介质中正、负电荷沿着电场方向作有限的位移或转向，形成偶极矩，这种现象称为（ ）。n A电介质的放电 B电介质的击穿 C电介质的极化nn15、典型雷电冲击电压波形由半峰值时间和（ ）确定。n A波前时间 B滞后时间 C越前时间nn16、对极不均匀电场的棒板电极，空气间隙的直流或冲击击穿电压与棒极的极性（ ）。n A有关 B无关 C不确定 nn17、与均匀电场相比，不均匀电场中空气间隙的击穿电压（ ）。 n A大大下降 B完全相等 C大大增加nn18、必须依靠外界电离因素才能维持的放电称为（ ）放电。n A自持 B非自持 n C自激 D自发n