电气绝缘基础知识

第二章电气绝缘基础知识安庆培训基地汪辉电工进网作业许可考试2内容提要第一节气体介质的绝缘特性第二节液体介质的绝缘特性第三节固体介质的绝缘特性第四节组合绝缘的耐电特性思考题与习题3第一节气体介质的绝缘特性一、空气间隙的击穿机理二、均匀电场中气体间隙击穿电压与气体密度的关系三、电场是否均匀对空气间隙击穿电压的影响四、气体间隙的直流击穿电压和极性效应五、冲击电压作用下的空气间隙的击穿电压4六、影响气体间隙击穿电压的各种因素七、六氟化硫（SF6）气体的绝缘特性八、气体放电的不同形式九、气体中固体介质的沿面放电5大纲要求1.掌握气体介质的击穿机理;2.熟悉影响气体介质击穿的主要因素;3.了解气体放电的不同形式4.掌握气体中固体介质的沿面放电6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。7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气体间隙中带电离子是如何形成的；气体间隙中带电通道是如何形成的；带电通道形成后，又是如何维持持续放电的第一节气体介质的绝缘特性8一、空气间隙的击穿机理1、电离（游离）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。电离的形式：碰撞电离、光电离、热电离、表面电离等。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9为什么绝缘体不导电，而导体能够导电？先思考：10绝缘体内部：原子核周围的电子被原子核牢牢束缚，称为束缚电子；导体内部：存在大量脱离原子核束缚的电子,称为自由电子。为什么绝缘体不导电，而导体能够导电？11空气是绝缘体，那么触头之间的空气为什么会产生电弧，从而形成了一个导电的通道呢？思考：12空气为什么会产生电弧？这是由于,此时的空气中出现了大量的自由电子，我们称空气被游离了，游离状态下的空气和导体一样具有导电性能。游离——中性质点转化为带电质点（自由电子和正离子）。13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（即游离状态）的呢？思考：电弧电流14①强电场发射（在触头间最初产生自由电子的原因之一）在开关触头刚刚分离的瞬间，当电场强度E（E=U/s）超过3×106伏/米以上金属触头阴极表面的电子被电场力拉出，称为强电场发射。游离过程主要有以下四种形式：15②热电子发射（在触头间产生自由电子的原因之二）触头即将分开的瞬间，触头之间的压力以及接触面积减小，接触电阻（Ｒc）增大，电流（I）通过此接触电阻，使得电能损耗（I2Rc）增大。在触头表面出现炽热点，温度极高，使得自由电子能量增加，运动加剧，阴极表面就会有电子跑出，形成热电子发射。16③碰撞游离（形成电弧的原因）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称为碰撞游离。17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。思考：什么叫碰撞游离？18碰撞游离连续进行就可能导致触头间充满了带电质点即大量的电子和正、负离子，具有很强的电导性。此时在外加电压作用下，触头间介质就会被击穿而形成导电的电弧通道。19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④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。212、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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。22整个过程：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。23重点概念：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241、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。二、均匀电场中击穿电压与气体密度的关系252、巴申定律UF=f（pS）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26在标准大气压下，温度为20℃均匀电场空气间隙的击穿场强大约为：30kV/cm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;三、电场是否均匀对空气间隙击穿电压的影响27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/S≥2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/S2的球间隙、棒棒间隙、棒板间隙三、电场是否均匀对空气间隙击穿电压的影响28从放电的观点如何区分电场的均匀程度：均匀电场：不存在电晕放电，击穿电压等于自持放电电压,与作用时间无关；稍不均匀电场：不能维持稳定的电晕放电，击穿电压等于自持放电电压；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；294、均匀电场与不均匀电场工频击穿电压的比较1）均匀电场击穿场强：标准大气压下30kV/cm；与气体的密度有关2）稍不均匀电场击穿场强：以S/D≤0.5球间隙为例，S一定时，D越小，击穿电压越低；反之D越大，击穿电压越高3）极不均匀电场击穿场强：棒棒间隙的击穿电压＞棒板间隙的击穿电压；因为棒板间隙的电场更不均匀。30四、气体间隙的直流击穿电压和极性效应在均匀电场中，直流击穿电压和工频击穿电压的大小相等，不存在极性效应。在不均匀电场中，正极性的直流击穿电压远低于负极性的直流击穿电压，这就是极性效应击穿电压比较:负棒-正板棒-棒正棒-负板314.冲击电压作用下的击穿电压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。（1）雷电冲击电压：±1.2/50us（含义）（2）操作冲击电压：±250/2500us（含义）32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。3350%冲击击穿电压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U50%表示。341.气体状态对击穿电压的影响2.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3.电压极性的影响4.电场均匀程度的影响5.电极材料和光洁度的影响6.不同气体种类的影响四、影响气体间隙击穿电压的各种因素35五、SF6气体的绝缘特性（1）SF6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▉SF6气体的介电特性（3）SF6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，是指SF6气体吸附自由电子形成负离子的特性。SF6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。37（4）SF6气体分解物的毒性SF6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气体中的水分。常采用的措施有：加强断路器的密封；组装断路器时，先要对零部件进行彻底烘干；严格控制SF6气体中含水量；严格控制断路器充气前的含水量；在SF6断路器内部加装吸附剂。39六、气体放电的不同形式（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）（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。（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。40（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。（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。41七、气体中固体介质的沿面放电1、沿面放电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。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。电晕放电刷状放电滑闪放电沿面放电间隙被击穿422、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同样间隙距离，极不均匀电场纯空气间隙放电电压3、提高空气中固体绝缘沿面放电电压的措施（1）户外安装的绝缘子设置裙边，减小绝缘的吸潮；（2）在绝缘子表面涂防水涂料（3）尽量使配电装置导电部位电场均匀1）间隙电极附近单位面积的体积电容2）减小电极附近固体绝缘表面电阻系数3）减少空气间隙44第二节液体介质的绝缘特性一、液体介质的种类二、变压器油的击穿过程三、影响变压器油击穿电压的各种因素大纲要求:1、熟悉变压器油的击穿过程2、熟悉影响变压器油击穿电压的各种因素45第二节液体介质的绝缘特性一、液体介质的种类液体介质按其来源分为：矿物油、植物油、人工合成液体1、矿物油由石油炼制而成，通常所用的变压器油、电容器油和电缆油都是矿物绝缘油。DB-10:凝点不高于-10℃、闪点不低于140℃DB-25:凝点不高于-25℃、闪点不低于140℃46DB-45:凝点不高于-45℃、闪点不低于135℃三中油适用于什么场合?2、植物油纯净的蓖麻油绝缘性能好3、人工合成油47二、变压器油的击穿过程液体介质的击穿与所含的杂质，如气泡、水滴或纤维等密切相关。1、气泡引起的击穿“小桥”理论：许多气泡在电场作用下排成气体“小桥”，在油中形成气体通道，导致油的击穿。2、水滴或纤维引起的击穿水滴或纤维被极化排成杂