第5讲气体电介质的绝缘特性.ppt

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1、第第5 5讲气体电介质的讲气体电介质的绝缘特性绝缘特性现在学习的是第1页，共60页回顾回顾u极不均匀场中的放电过程u稳态电压下的气体击穿u瞬态电压下的气体击穿u重点：极性效应重点：极性效应现在学习的是第2页，共60页问题问题u1.流注理论未考虑()的现象。nA.碰撞游离 B.表面游离nC.光游离 D.电荷畸变电场u2.先导通道的形成是以()的出现为特征。nA.碰撞游离 B.表现游离nC.热游离 D.光游离u试对以下极间距离相同的几种气体间隙的直流直流击穿电压进行排序：na、正极性棒-板 b、负极性棒-板 c、板-板 d、棒-棒现在学习的是第3页，共60页本次课程本次课程u大气条件对气隙击穿的影

2、响n相关简单计算u提高气体间隙击穿电压的措施n物理原理n屏障效应u沿面放电u液体、固体的绝缘现在学习的是第4页，共60页1.7 1.7 大气条件对气隙击穿特性的影响大气条件对气隙击穿特性的影响u标准大气条件：气压 P0=101.3kPa，温度 t0=20绝对湿度 f0=11g/m3。非标准大气条件要换算到标准大气条件反映空气密度反映空气密度现在学习的是第5页，共60页一、空气相对密度的影响一、空气相对密度的影响u气压P增大时，带电粒子的平均自由行程减小，因此在运动中积累的动能就小；击穿电压升高u温度T增大时，空气相对密度减小，平均自由行程增大，击穿电压降低。P：气压，kPa；t：温度，度现在学

3、习的是第6页，共60页一、空气相对密度的影响一、空气相对密度的影响 0.951.05范围内变动时，间隙的击穿电压与相对密度成正比，实际试验或运行条件下 当与1相差较大时，须用空气密度校正系数Kd对击穿电压U进行校正 在大气条件下，空气间隙的击穿电压随的增大而升高现在学习的是第7页，共60页二、湿度的影响二、湿度的影响u湿度增加，电离能力下降，对放电过程起到抑制作用湿度越大，间隙的击穿电压也会越高（不均匀电场中更明显）。湿度矫正系数：湿度矫正系数：现在学习的是第8页，共60页综合气压、温度、湿度的影响综合气压、温度、湿度的影响使用时务必注意教材使用时务必注意教材P2728的参数取值条件的参数取值

4、条件现在学习的是第9页，共60页三、对海拔高度的校正三、对海拔高度的校正 随着海拔增高，空气密度减小，增大，电离能力增大，间隙的击穿电压降低。我国的国家标准规定：1000mH4000m地区的出厂测试U（或称设计耐压水平）与平原地区外绝缘的Up的关系为现在学习的是第10页，共60页1.81.8 提高气体间隙击穿电压的措施提高气体间隙击穿电压的措施两条途径：两条途径：一、改善电场分布一、改善电场分布二、削弱气体中的电离过程二、削弱气体中的电离过程 现在学习的是第11页，共60页(一）改进电极形状一）改进电极形状n增大电极曲率半径增大电极曲率半径 n改善电极边缘改善电极边缘一、改善电场分布一、改善电

5、场分布现在学习的是第12页，共60页(一）改进电极形状一）改进电极形状n使电极具有最佳外形使电极具有最佳外形现在学习的是第13页，共60页（二）（二）利用空间电荷畸变电场利用空间电荷畸变电场n 细线效应（工频下）细线效应（工频下）n D增增大大后后，局局部部毛毛刺刺点点的的强强烈烈电电离离，产产生生刷刷状状放放电电n细细线线效效应应只只对对稳稳态态电电压压有有作作用用，对对雷雷电电波波没有作用没有作用现在学习的是第14页，共60页回顾：回顾：极不均匀场中极不均匀场中的极性效应的极性效应u正棒负板（三）（三）极不均匀电场中采用屏障极不均匀电场中采用屏障现在学习的是第15页，共60页u负棒正板现在

6、学习的是第16页，共60页（三）（三）极不均匀电场中采用屏障极不均匀电场中采用屏障DCDC棒电极为正极性时棒电极为正极性时 正正离离子子聚聚集集在在屏屏障障上上，并并沿沿表表面面均均匀匀分分布布，削削弱弱了了正正棒棒头头部部的强电场的强电场屏屏障障与与负负板板之之间间形形成成均均匀电场匀电场现在学习的是第17页，共60页（三）（三）极不均匀电场中采用屏障极不均匀电场中采用屏障直流电压作用下尖板的击穿电压和屏障的关系棒电极为正极性时棒电极为正极性时 在在x/d=0.2时时击击穿穿电电压压的的提高最显著，约为提高最显著，约为23倍。倍。现在学习的是第18页，共60页（三）（三）极不均匀电场中采用屏

7、障极不均匀电场中采用屏障棒电极为负极性时棒电极为负极性时 当屏蔽层离开电极一定距离后，吸附的负离子将加强板前电场，使击穿电压低于无屏蔽的情况。屏蔽层靠近负棒，强电场作用下电子速度大，可以穿透屏蔽层，正离子集聚在屏蔽层，屏蔽层总体上带正电荷，削弱屏蔽层前方电场，击穿电压略有提高。现在学习的是第19页，共60页（三）（三）极不均匀电场中采用屏障极不均匀电场中采用屏障-DC:DC:总结总结棒电极为正极性时棒电极为正极性时 正离子聚集在屏障上，并沿表面均匀分布，削弱了正棒头部的强电场 在x/d=0.2时击穿电压的提高最显著，约为23倍。棒电极为负极性时棒电极为负极性时 总趋势同与正棒下的屏蔽效应。当屏

8、蔽层离开电极一定距离后，吸附的负离子将加强板前电场，使击穿电压低于无屏蔽的情况。最高提高0.2倍在中间一段范围内，带屏蔽的击穿电压（不论极性）与均匀电场下的击穿电压接近现在学习的是第20页，共60页（三）（三）极不均匀电场中采用屏障工频极不均匀电场中采用屏障工频工频作用下尖板的击穿电压与屏蔽层位置的关系工频下，击穿在正半波发生，因此，屏蔽层也可显著提高击穿电压现在学习的是第21页，共60页（三）（三）极不均匀电场中采用屏障极不均匀电场中采用屏障u 屏蔽层插入电晕电极侧，可提高击穿电压。u 屏蔽层仅对持续作用电压（DC，工频）有效 而对雷电波作用很小。现在学习的是第22页，共60页二、二、削弱或

9、抑制电离过程削弱或抑制电离过程u采用高气压u采用强电负性气体u采用高真空现在学习的是第23页，共60页（一）（一）采用高气压采用高气压u基本原理：气压提高减小动能减小U提高12.8MPa 50.1MPa当气压在10个大气压下时，击穿电压随气压增大线性增加。再提高P，会饱和压缩空气可用于内绝缘，如断路器、高压标准电容等。现在学习的是第24页，共60页（二）（二）采用强电负性气体采用强电负性气体卤化物气体电气强度高现在学习的是第25页，共60页（二）（二）采用强电负性气体采用强电负性气体卤化物气体电气强度高的原因：1）具有很强的电负性，负离子即削弱电离，又加强复合；2）分子量大，分子直径大，电子的

10、减小。3）电离过程伴随离解过程，需要更多能量。现在学习的是第26页，共60页（二）（二）采用强电负性气体采用强电负性气体选用卤化物的原则：1 液化温度要低，2 应具有良好的化学稳定性，3 经济上应当合理，价格便宜，能大量供应 目前得到工程广泛应用的是SF6及SF6混合气体现在学习的是第27页，共60页（三）（三）采用高真空采用高真空气隙击穿电压与真空压力的关系 u接近真空阶段：碰撞电离的几率太小，Ub提高u高真空阶段：小距离时：强场发射、金属气化大距离时：全电压效应真空中的Ub与电极材料、表面光洁度、清洁度有关现在学习的是第28页，共60页1.9 1.9 沿面放电沿面放电含义含义：沿空气与固体

11、介质表面发生的气体放电现 象称为沿面放电。击穿后俗称闪络。研究意义研究意义：一个绝缘装置的实际耐压水平由沿面 放电电压决定。研究范围研究范围：表面干燥、清洁时的沿面放电电压 表面潮湿、污秽时的沿面放电电压现在学习的是第29页，共60页1.9 1.9 沿面放电沿面放电沿面放电的几种典型电场分布形式 均匀电场强垂直分量弱垂直分量现在学习的是第30页，共60页1.9 1.9 沿面放电沿面放电现在学习的是第31页，共60页1.9.1 1.9.1 均匀电场中的沿面放电均匀电场中的沿面放电 在平行平板中放置瓷柱，虽然瓷柱不影响电场分布，但放电总发生在瓷柱表面，且击穿电压比纯空气的低很多。现在学习的是第32

12、页，共60页1.9.1 1.9.1 均匀电场中的沿面放电均匀电场中的沿面放电机理分析：1）固体介质与电极接触不良，空气间隙发生局放 ，形成的带电粒子沿介质表面移动。在连接处涂导电粉末或者导电胶2）潮气形成水膜，其中的离子在电场下运动，造成沿面电压分布不均，畸变电场。憎水性材料3）在瓷柱表面的凸凹处，发生电场畸变，产生空气 间隙击穿。带电粒子分布在固体表面，畸变原有电 场，降低了闪络电压。4）固体表面电阻不均，造成泄漏电流的压降分 布不均，使电场畸变，降低沿面闪络电压。现在学习的是第33页，共60页1.9.1 1.9.1 均匀电场中的沿面放电均匀电场中的沿面放电现在学习的是第34页，共60页1.

13、9.2 1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电的沿面放电沿套管表面的放电电晕放电细丝状的辉光放电滑闪放电第一阶段：第一阶段：由于接地法由于接地法兰附近电力兰附近电力线密集，首线密集，首先出现电晕。先出现电晕。现在学习的是第35页，共60页1.9.2 1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电的沿面放电沿套管表面的放电电晕放电细丝状的辉光放电滑闪放电第二阶段：第二阶段：随着电压升随着电压升高，出现平高，出现平行的许多火行的许多火花细线，具花细线，具有辉光放电有辉光放电的特征。的特征。现在学习的是第36页，共60页1.9.2 1.9.

14、2 极不均匀场具有强垂直分量极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电的沿面放电沿套管表面的放电电晕放电细丝状的辉光放电滑闪放电第三阶段：第三阶段：电压继续升电压继续升高，带电粒高，带电粒子的运动造子的运动造成介质表面成介质表面局部发热，局部发热，引起气体引起气体热热电离电离，出现，出现树枝状火花，树枝状火花，位置不固定，位置不固定，称为滑闪放称为滑闪放电。电。现在学习的是第37页，共60页1.9.2 1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电的沿面放电u最后，第四阶段，电压再升高，滑闪贯通两级，形成沿面闪络。现在学习的是第38页，共60页1.9.2 1.9.2 极不均

15、匀场具有强垂直分量极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电的沿面放电 滑闪放电在交流和冲击下表现明显。u随电压增加，滑闪长度增长变快，因此单靠加长距离提高闪络电压效果不明显。u玻璃管壁变薄，滑闪电压降低。现在学习的是第39页，共60页1.9.3 1.9.3 极不均匀场具有弱垂直分量极不均匀场具有弱垂直分量 的沿面放电的沿面放电没有热电离和明显的滑闪放电；介质表面电荷聚集对电场畸变影响不大；沿面闪络电压与空气击穿电压差别不大。实验表明：这种绝缘子的干式闪络电压基本上随极间距离的增加而增加。现在学习的是第40页，共60页三种情况比较：三种情况比较：u均匀场中的沿面闪络电压最高，有垂直分量的沿面放电电压

16、低得多；u具有强垂直分量的沿面放电电压很低，因为出现了热电离和滑闪放电。现在学习的是第41页，共60页1.9.4 1.9.4 绝缘子污染状态下绝缘子污染状态下 的沿面放电的沿面放电污闪电压污闪电压发展过程发展过程：积污受潮电导增加，电流增大烘干，形成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度，自动延伸，贯穿两极防止污闪防止污闪：1 改善环境，减小污染的可能性 2 改进绝缘子结构设计，降低污秽积 累的可能现在学习的是第42页，共60页1.9.5 1.9.5 固体介质表面有水膜时的固体介质表面有水膜时的 沿面放电沿面放电湿闪电压湿

17、闪电压闪络途径：1 ABBCA：闪络电压下降到40%-50%2 ABBA：下降不多3 AB水流：湿闪电压降到很低值。现在学习的是第43页，共60页提高沿面放电电压的方法提高沿面放电电压的方法u棱缘屏障（伞裙）u屏蔽电极改善电场分布u提高表面憎水性u避免绝缘体与电极间缝隙u改善局部区域电阻率u强制表面电位分布现在学习的是第44页，共60页提高沿面放电电压的方法提高沿面放电电压的方法以套管型结构为例，也即强垂直分量下的沿面放电链形等值回路为:略去了介质的体积电阻现在学习的是第45页，共60页提高沿面放电电压的方法提高沿面放电电压的方法链性等值回路的方程：边界条件：现在学习的是第46页，共60页提高

18、沿面放电电压的方法提高沿面放电电压的方法 定性来看，电压分布的不均匀性在于靠近法兰处的Rs流过的电流大于远离法兰处的Rs中流过的电流。措施：1 减小比电容C0 可加大瓷套外径、壁厚，或减小介电常数2 减小电场较强处的表面电阻。可涂半导体釉、半导体漆等，采用电容式套管、充油式套管现在学习的是第47页，共60页2 2液体、固体电介质的液体、固体电介质的绝缘特性绝缘特性特特 点点1.电气强度高2.液体兼做灭弧；固体兼做支撑3.电气强度不受外界影响4.不可自恢复5.会逐渐老化现在学习的是第48页，共60页2.1 2.1 电介质的极化、电导与损耗电介质的极化、电导与损耗极化的概念极化的概念固体介质表面出

19、现束缚电荷相对介电常数反映极化、储能特性现在学习的是第49页，共60页极化的基本形式极化的基本形式1.电子式极化2.离子式极化3.偶极子极化4.夹层（界面）极化5.空间电荷极化现在学习的是第50页，共60页极化机理：电子偏离轨道极化机理：电子偏离轨道介质类型：所有介质介质类型：所有介质建立极化时间：极短，建立极化时间：极短，10-14 10-15s极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（无关）电源频率（无关）温度（无关）温度（无关）极化弹性：弹性极化弹性：弹性消耗能量：无消耗能量：无 1.1.电子式极化电子式极化现在学习的是第51页，共60页极化机理：正负

20、离子位移极化机理：正负离子位移介质类型：离子性介质介质类型：离子性介质建立极化时间：极短，建立极化时间：极短，10-1210-13 s极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电场强度（有关）电源频率（无关）电源频率（无关）温度（随温度升高而增加，离子结合力温度（随温度升高而增加，离子结合力）极化弹性：弹性极化弹性：弹性消耗能量：无消耗能量：无 2.2.离子式极化离子式极化现在学习的是第52页，共60页极化机理极化机理：偶极子定向排列介质类型：介质类型：具有永久性偶极子的极性介质建立极化时间：建立极化时间：需时较长，10-1010-2 s极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（

21、有关）电源频率（有关，频率升高，极化减弱）温度（低温段增加，高温段降低（热运动）极化弹性：极化弹性：非弹性消耗能量：消耗能量：有3.3.偶极子极化偶极子极化现在学习的是第53页，共60页4.4.夹层式（界面）极化夹层式（界面）极化 当当t=0:当当t=:现在学习的是第54页，共60页 一般情况下：电荷从t=0到t=时会重新分配，在介质的交界面处积累电荷。这些电荷形成的极化形式称夹层式（界面）极化夹层式（界面）极化。极化的时间常数：高压绝缘介质的电导G通常都很小，因此夹层极化只有在低频时才有意义。同样，去掉外加电压后，释放极化电荷的时间也很长。注意安全。4.4.夹层式（界面）极化夹层式（界面）极

22、化现在学习的是第55页，共60页极化机理：极化机理：带电质点移动介质类型：介质类型：不均匀夹层介质中建立极化时间：建立极化时间：很长，从数s到数h极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在）温度（有关）极化弹性：极化弹性：非弹性消耗能量：消耗能量：有4.4.夹层式（界面）极化夹层式（界面）极化现在学习的是第56页，共60页极化机理：极化机理：正负自由离子移动到电极附近，形成空间电荷介质类型：介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：建立极化时间：很长极化程度影响因素：极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在）温度（有关）极化弹性：极化弹性：非弹性

23、消耗能量：消耗能量：有5.5.空间电荷极化空间电荷极化现在学习的是第57页，共60页常用电介质的介电常数常用电介质的介电常数现在学习的是第58页，共60页讨论极化的意义：讨论极化的意义：1选择电容器的介质时，希望 大；选择其他绝缘结构的材料，希望小。2组合绝缘的配合。如油纸绝缘、气泡局放。3极化形式关系到介损，即材料的发热、劣化。4在绝缘预防性实验中，夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。现在学习的是第59页，共60页2.1.2 2.1.2 电介质的电导电介质的电导来源来源：电介质不是理想的绝缘体，其内部会存在带电粒子。它们在电场下的定向移动，形成电流。电子电导 电介质的电导 离子电导（主要）与导体的电导相比，电介质电导的特点：1）主要载流子是离子2）电导率随温度升高而指数上升。现在学习的是第60页，共60页