电气工程概论高电压与绝缘应用及发展新技术.pptx

第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页1第第5章章高电压与绝缘技术高电压与绝缘技术成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院自动化工程系自动化工程系 孙莉莉孙莉莉2024/8/8 周四周四电气工程概论电气工程概论电气工程概论 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术第第5 5章章 高电压与绝缘技术高电压与绝缘技术5.1 高电压与绝缘技术的主要内容5.2 高电压与绝缘技术的应用现状5.3 高电压与绝缘技术的应用现状发展新方向 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页3目前，我国电力系统正在进入特高压输电和智能电网的时代，交流传输最高电压已提升到1000kV，直流传输最高电压也已提升到800kV，大量智能变电站的投入运行，电网运行与控制的自动化程度也越来越高。不断提高的输电电压等级和智能电网的技术要求，既给高电压与绝缘技术提出了许多有待进一步研究的现实问题，也使高电压与绝缘技术的理论和实践不断完善和发展。本项目明确阐述了高电压技术的研究内容即电气装置的绝缘、绝缘的测试和电力系统的过电压等。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页4【学习目标】通过本项目的学习,要求掌握以下基本知识:1.典型的绝缘材料。2.电解质的电气性能。3.气体、液体、固体电解质的击穿。4.绝缘测试技术。5.雷电及防雷装置。6.电力系统过电压。【技能目标】1.了解典型绝缘材料及其电气性能。2.通过绝缘测试试验,掌握绝缘测试原理及方法。3.了解雷电过电压产生原理，掌握防雷装置。4.了解电力系统过电压产生原理和限制过电压所采取的方法。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页55.1.1典型绝缘材料【活动场景】在教学教室或高电压实训室中进行。【任务要求】掌握气体、液体、固体三种类型的典型绝缘材料。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页6【知识准备】(一)典型绝缘材料1、绝缘材料的定义 在电工技术上，电阻系数大于109cm的材料被称为绝缘材料或电介质，其作用是在电气设备中把电位不同的带电部分隔离开来。绝缘材料应具有良好的介电性能，即具有较高的绝缘电阻和耐受电压强度，并能避免发生漏电、爬电或击穿等事故。其耐热性能要好，其中尤其以不因长期受热作用而产生性能劣化最为重要。此外，还要有良好的导热性、耐潮和有较高的机械强度以及工艺加工方便等要求。绝缘材料按其存在状态分为气体、液体和固体等三种类型。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页72、气体绝缘材料 气体是电气设备中重要的电介质。在一些设备中，气体作为主绝缘，其他固体电介质只起支撑作用，例如架空线、空气电容器、断路器等。气体也可与承担主绝缘的固体或液体电介质以串联或并联的形式存在。另外，在固体或液体绝缘中，都或多或少地存在一定量的气体空隙，因此，气体绝缘材料是绝缘技术中应用最广泛的绝缘材料。气体绝缘材料主要包括空气、氮气、六氟化硫和它们的混合气体等。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页8（1）空气空气在自然界中分布最广且最廉价，是应用最广的一种气体电介质。作为一种混合介质，空气具有液化温度低(-192)、击穿后能自愈、物理化学性能稳定等优点，所以在断路器中多以空气作为绝缘介质。（2）氮气与空气相比，氮气化学性质更稳定(空气中含有约21%的氧气及其它杂质，与金属材料接触时，由于氧化使之易于腐蚀材料)，其呈惰性且不助燃，压缩氮气在电气设备中是一种常用的气体电介质。（3）六氟化硫气体六氟化硫（SF6）气体是一种电负性气体（即容易吸附自由电子），具有较高的击穿场强，在均匀电场下，其耐受击穿场强大约为空气的2.5 倍。在高压开关设备中，SF6气体的工作压力如为0.6MPa，此时击穿场强高出0.1MPa空气的10倍。因此，使用SF6气体的高压开关设备，能大幅减小占地面积和设备体积。空气与SF6开关设备的占地面积之比为30:1。同时SF6气体具有优良的灭弧性能，在高压灭弧室中，其灭弧能力约为空气的数十倍。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页9 纯净的SF6气体是无毒的，有较好的化学稳定性和耐热性，在150下不与水、酸、碱、卤素及绝缘材料作用，在500以下不分解，但温度超过600时，SF6气体将产生部分热分解。近30 年来，SF6气体在高压电气设备中的应用日益广泛，如充SF6气体的互感器和断路器已成为我国220500kV 电力系统中的主流设备。图5.1为充有SF6气体的全封闭组合开关设备。图5.1 气体绝缘组合开关设备 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页10（4）混合气体 混合气体通常由两种或多种气体组成，目前作为电气绝缘用混合气体大致可分为：SF6或氟化烃气体与永久性气体混合，如：SF6-He，SF6-N2；SF6和其它电负性气体混合，如：SF6-空气，SF6-CO2，SF6-N2，SF6-氟化烃气体；其它混合气体，如：CO2-N2，CO2-空气。在上述混合气体中，SF6和其它气体的混合气体具有比纯SF6更优异的电气强度，价格也较便宜，特别是SF6-N2混合气体，被认为是目前较有发展前途的一种混合气体。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页113、液体绝缘材料 液体绝缘材料不仅具有较高的电气强度，而且它的流动性使其还具有散热和灭弧作用，特别是它和固体绝缘材料一道使用时，可以填充固体介质的空隙，从而大大提高了绝缘的局部放电起始电压和绝缘的电气强度。在一些高压电气设备中，充作绝缘用的液体绝缘材料主要是矿物油和合成油两大类。矿物油是从石油中提炼出来的由许多碳氢化合物（即一般所称的“烃”）组成的混合物。其中绝大部分为：烷烃、环烷烃和芳香烃这三种。不同地区出产的矿物绝缘油，上述这三种主要烃类含量也多有不同。按不同成分和经不同精制过程后分别适用于不同电气设备的绝缘油，分别称之为变压器油、电容器油、电缆油和开关油等。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页12 合成油是通过化学合成或精炼加工的方法获得的，其工艺复杂，炼制成本高昂。常见的合成油如有机硅油、十二烷基苯（分子中平均含碳原子数为12的烷基苯的混合物）和聚丁烯等。有机硅油多用于绝缘子表面防污闪涂刷，十二烷基苯多用于充油电缆和浸渍电容器。而目前高压电气设备中应用最多的还是矿物油。（1）变压器油 变压器油是一种液体绝缘材料，大多采用矿物绝缘油，是石油的一种分馏产物，其主要成分是烷烃，环烷族饱和烃，芳香族不饱和烃等化合物。变压器油用于油浸变压器及其他油浸电力设备（如油断路器、互感器等）中，具有质地纯净、绝缘性能良好、理论性能稳定、粘度较低等特点。图5.2和图5.3分别为纯净变压器油和不纯净变压器油。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页13图5.2 纯净变压器油 图5.3 不纯净变压器油 国产的变压器油直接用油的凝点作为标号。变压器油按凝固点分成三个牌号，即10#、25#、45#，其代号为DB-10、DB-25、DB-45。其中，10#变压器油的凝固点为-10，25#变压器油的凝固点为-25，45#变压器油的凝固点为-45。10号变压器油适用于在我国的长江流域及以南的地区使用。25号变压器油适用于黄河流域及华中地区使用。45号变压器油适用在西北、东北地区使用。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页14一般来讲，变压器油具有以下四个作用：绝缘作用 在电气设备中，变压器油将不同电位的带电部分隔离开来，使不致于形成短路，因为空气的介电常数为1.0，而变压器油的介电常数为2.25，油的绝缘强度要比空气的大得多。变压器绕组之间充满了变压器油，增加了介电强度，绝缘就不会被击穿，并且随着油的质量提高，设备的安全系数就越大。散热冷却作用 变压器在带电运行过程中，由于绕组有电流通过，它必然会发热。如果不将绕组内的这种热量散发出来，会使绕组和铁心内积蓄的热量越积越多而使铁心内部温度升高，从而损坏绕组外部包覆的固体绝缘，以致于烧毁绕组。若使用变压器油，绕组内部产生的这部分热量，先是被油吸收，然后通过油的循环使热量散发出来，从而保证设备的安全运行。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页15灭弧作用 在油断路器和变压器的有载调压开关上，触头切换时会产生电弧。由于变压器油导热性能好，且在电弧的高温作用下能分解大量气体，产生较大压力，从而提高了介质的灭弧性能，使电弧很快熄灭。密封作用 变压器油充填在绝缘材料的空隙之中，将易于氧化的纤维素和其他材料所吸收的氧含量减少到最低限度。（2）有机硅油 硅油一般都是指有机硅油，有机硅油一般都是二甲基硅油。它是是一种不同聚合度链状结构的聚有机硅氧烷。它是由二甲基二氯硅烷加水水解制得初缩聚环体，环体经裂解、精馏制得低环体，然后把环体、封头剂、催化剂放在一起调聚就可得到各种不同聚合度的混合物，经减压蒸馏除去低沸物就可制得硅油。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页16 最常用的硅油，有机基团全部为甲基，称甲基硅油。有机基团也可以采用其它有机基团代替部分甲基基团，以改进硅油的某种性能和适用各种不同的用途。硅油一般是无色（或淡黄色），无味、无毒、不易挥发的液体。硅油不溶于水、甲醇和二醇，可与苯、二甲醚、甲基乙基酮、四氯化碳或煤油互溶，稍溶于丙酮、二恶烷和乙醇。硅油具有卓越的耐热性、电绝缘性、憎水性和较小的表面张力，有的品种还具有耐辐射的性能。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页174、固体绝缘材料 与气体绝缘材料、液体绝缘材料相比，固体绝缘材料由于密度较高，碰撞游离过程发展相对困难，因而击穿强度也高得多，这对减少绝缘厚度有重要意义。固体绝缘材料可以分成无机材料和有机材料两大类。无机绝缘材料主要有云母、粉云母及云母制品，玻璃、玻璃纤维及其制品，以及电瓷、氧化铝膜等。它们耐高温，不易老化，具有相当的机械强度，其中某些材料如电瓷等，成本低，在应用中占有一定地位。无机固体绝缘材料的缺点是加工性能差，不易适应电工设备对绝缘材料的成型要求。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页18 有机绝缘材料主要有虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、麻、蚕丝、人造丝等，大多用于制造绝缘漆、绕组导线的包裹绝缘物等。在19世纪时，以天然有机材料为主，如纸、棉布、绸、橡胶等。这些材料都具有柔顺性,能满足应用工艺要求,又易于获得。20世纪以来，人工合成高分子材料的出现从根本上改变了固体绝缘材料的面貌。最早是胶木被用作绝缘材料，稍后出现了聚乙烯、聚苯乙烯，由于它们的介电常数和介质损耗特别小而满足了高频的要求，适应了雷达等新技术的发展。有机硅树脂结合无碱玻璃布，大大提高了电机、电器的耐热等级。聚酯薄膜的厚度仅几十个微米，用它代替原来的纸和布，使电机、电器的技术经济指标大为提高。弹性体材料也有类似的发展，例如耐热的硅橡胶、耐油的丁腈橡胶、以及随后的氟橡胶、乙丙橡胶等。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页19（1）云母 云母是钾、铝、镁、铁、锂等层状结构铝硅酸盐的总称，它具有很高的电绝缘强度、耐电晕、耐热以及良好的力学性能,被广泛用作电子、电力工业上的绝缘材料。例如，一片厚度为0.025mm的云母片，其电击穿强度达4千伏，按击穿场强计算为1600kV/cm（空气间隙的击穿场强只有30kV/cm）；它的抗电晕和电火花的能力，高于所有的有机绝缘材料；在500以下的温度范围内，它能长期保持透明状态，没有弹性损失和碳化现象。云母的颜色特征通常可用来判断其绝缘性能,工业云母一般以浅色为好。白云母和金云母具有良好的电绝缘性和不导热、抗酸、抗碱和耐受电压性能,而黑云母的绝缘性能非常差（铁元素含量很高）。图5.4为天然白云母。图5.5为天然金云母。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页20图5.4 天然白云母 图5.5 天然金云母 云母绝缘材料可按不同的特征进行分类,按其组成可分为片云母、粉云母绝缘材料、有或无补强材料的云母绝缘材料。按其形状和工艺特性可分为云母板、云母带和云母箔。云母带具有良好的电气和力学性能,在室温下具有柔软性,可以连续包绕电机线圈,经浸渍或模压成型为电机线圈主绝缘。图5.6为包绕电机绕组用的云母带。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页21图5.6 云母带 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页22（2）玻璃 玻璃绝缘材料是以SiO2、CaO、Na2O、B2O3 等为主要原料，经高温熔融而形成的组成均匀致密无气孔的非晶态固体，通常呈透明或半透明状态。以绝缘为主要用途的玻璃又称为电工玻璃，不仅要求其绝缘性能好，还具有良好的机械强度、耐热性和化学稳定性等。在高压输电线路上使用的有钢化玻璃绝缘子。由于普通玻璃具有硬脆易裂的特点，在机械强度要求较高的条件下，则需进行钢化处理。通常使用化学或物理的方法，在玻璃表面形成压应力，玻璃承受外力时首先抵消表层应力，从而提高了承载能力，增强玻璃自身抗风压性，寒暑性，冲击性等。与瓷绝缘子比，钢化玻璃绝缘子的机械强度是瓷质绝缘子的2 倍左右，耐电击穿性能是瓷质绝缘子的34 倍。此外，钢化玻璃绝缘子的耐振动疲劳、耐电弧烧伤和耐冷热冲击性能也都优于瓷质绝缘子。图5.7为钢化玻璃绝缘子。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页23图5.7钢化玻璃绝缘子 热膨胀性玻璃毡是一种性能独特、用途甚广的新型间隔填充紧固材料，在电机上可以使用的部位很多。比如:用来制作中型直流电机补偿绕组端线铜排之间的隔离及紧固绝缘垫片；制作大型直流电机换向器竖板根部紧固及加强绝缘；制作交直流电机磁极线圈上下层绝缘垫圈、磁极线圈；制作铁芯之间的衬垫绝缘、定子和电枢上下层线圈间槽内垫条；制作绕组端部之间的间隔垫片或垫块等。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页24 由于玻璃纤维比任何天然纤维及其它人造纤维具有更好的耐热性及不燃性，所以用玻璃纤维作绝缘材料的电动机能够经受超负荷而引起的过热，在高温环境下长期使用，大大延长使用寿命。其次，玻璃纤维抗拉强度高（比如用玻璃纤维拧成的玻璃绳，可称是“绳中之王”。一根手指那样粗的玻璃绳,竟能够吊起一辆载满货物的卡车!）。其伸长率小，可用来制作机械强度高而绝缘厚度薄的电绝缘材料（发电机里用玻璃丝带绑扎定子绕组）。此外，玻璃纤维吸湿性或吸水率很小，水分不能进入玻璃纤维单丝内部，与其他纤维相比，具有较高的绝缘电阻，特别是湿态性能好。所以，用玻璃纤维作绝缘材料的电气设备在长期停用受潮后，能很容易干燥而恢复绝缘。图5.8为用于绑扎电机绕组的无碱玻璃丝带。图5.8 无碱玻璃丝带 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页25（3）陶瓷 陶瓷是以粘土、长石等为主要原料经高温烧制而成具有坚硬结构的无机材料。陶瓷作为绝缘材料有着悠久的历史，是人类最早使用的绝缘材料，它对电力工业的发展作出了重要贡献。在当今电力系统中，瓷绝缘材料仍然是输变电设施的主要绝缘材料。与其它绝缘材料比，瓷绝缘材料不仅价格低廉、机械强度高、形变小，而且还具有优异的耐冷、耐热和耐腐蚀性，因而应用广泛。瓷绝缘材料可分为2大类:普通瓷绝缘材料和特种瓷绝缘材料。电力系统广泛应用的瓷绝缘子通常为普通瓷绝缘材料，它主要以粘土、长石、铝矾土等为原料制备而成。特种瓷绝缘材料是为适应航天航空、电子信息等新技术领域或高温、高频等特殊环境的需求而发展起来的一类具有耐高温、高强度、高导热等性能的新型陶瓷，如氧化铝瓷、氧化铍瓷、氮化铝瓷等，是目前研究发展的重点。图5.9为变压器用瓷套管。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页26图5.9 瓷套管 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页27（4）合成树脂 合成树脂是由人工合成的一类高分子聚合物，为粘稠液体或加热可软化的固体，受热时通常有熔融或软化的温度范围，在外力作用下可呈塑性流动状态，某些性质与天然树脂相似。合成树脂最重要的应用是制造塑料。为便于加工和改善性能，常添加助剂，有时也直接用于加工成形，故常是塑料的同义语。实际应用中，常按其热行为分为热塑性树脂和热固性树脂。热塑性树脂是加热成型后冷却硬固，再加热又软化，可以多次反复成型，具有可溶性的树脂。热塑性树脂种类很多，如聚乙烯（PE），聚氯乙烯（PVC）等。热固性树脂在热压成型后成为不溶熔的固化物，再加热也不软化，也就是只能塑制一次。如酚醛树脂、环氧树脂、交联聚乙烯等。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页28 聚乙烯是一种优质的化工原料，通过交联反应，使聚乙烯分子从二维结构变为三维网状结构，这种材料简称XLPE，即交联聚乙烯。交联技术是提高聚乙烯性能的一种重要技术。经过交联改性的聚乙烯可使其性能得到大幅度的改善，不仅显著提高了聚乙烯的力学性能、耐环境应力开裂性能、耐化学药品腐蚀性能、抗蠕变性和电性能等综合性能，而且非常明显地提高了耐温等级，可使聚乙烯的耐热温度从70提高到100以上，从而大大拓宽了聚乙烯的应用范围。目前，电力电缆的生产中，交联聚乙烯绝缘已逐渐取代聚氯乙烯绝缘。图5.10为交联聚乙烯绝缘电缆，其中白色部分即为交联聚乙烯。图5.10 交联聚乙烯电缆 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页29 酚醛树脂也叫电木，又称电木粉。原为无色或黄褐色透明物，市场销售往往加着色剂而呈红、黄、黑、绿、棕、蓝等颜色，有颗粒、粉末状。酚醛树脂最重要的特征就是耐高温性，即使在非常高的温度下，也能保持其结构的整体性和尺寸的稳定性。酚醛树脂通常用于制作绝缘隔板、低压刀闸外壳等等。图5.11为酚醛层压布板。图5.11 酚醛层压布板 环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。使用环氧树脂时，必须在树脂中加入固化剂，并且根据需要还应加入稀释剂、增韧剂、填料、偶联剂、阻燃剂及颜料等，才能制成具有使用价值的环氧塑料、环氧涂料、胶粘剂及其他环氧材料。环氧材料的电气绝缘性能 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页30尤其突出，不加填料时，固化物的击穿电压高于1.6107V/m，电阻率高于1011m。目前，在小容量电气设备领域，环氧树脂浇注法生产的电气设备大有取代油浸式设备的趋势，如干式变压器、干式互感器等。图5.12为环氧树脂浇注的干式变压器。图5.12 环氧树脂干式变压器 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页315.1.2电介质的电气性能【活动场景】在多媒体教学教室中进行。【任务要求】掌握电解质的极化、电导及绝缘电阻。【知识准备】电介质在电场作用下会产生许多物理现象，如极化、电导、游离、损耗和击穿放电等现象，正确理解和认识这些现象，对我们进行绝缘结构的合理设计、绝缘材料的合理利用以及对绝缘性能的准确评估有着非常重要的意义。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页321、电介质的极化 电介质在没有外电场作用时，内部的正、负电荷处于相对平衡状态，正、负电荷的作用中心互相重合，整体上对外没有极性。当有外电场作用时，均匀介质内部各处仍呈电中性，但在介质表面要出现异号电荷（靠近正极板的表面出现负电荷，靠近负极板的表面出现正电荷），这是电介质中的正、负电荷在电场作用下沿电场方向发生有限位移的结果。电介质表面出现的电荷不能离开电介质到其它带电体，也不能在电介质内部自由移动，我们称它为束缚电荷。因此，在外电场作用下，电介质表面出现束缚电荷的现象，我们称为极化。根据电介质的物质结构，极化的基本形式有电子式极化、离子式极化、偶极子式极化、夹层式极化等。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页33（1）电子式极化 任何电介质都是由原子组成，原子由带正电荷的原子核和带负电荷的外层电子组成。无外电场时，原子中的正、负电荷的电荷量相等，且正、负电荷作用中心重合，对外不显电性。而在外电场作用下，原子外层电子轨道相对于原子核产生位移，其正、负电荷作用中心不再重合，对外呈现出一个电偶极子的状态，如图5.13所示。这就是电子式极化。电子式极化存在于一切电介质中。E=0E （a）极化前 （b）极化后 图5.13 电子式极化示意图 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页34 电子式极化的特点为：极化过程所需的时间极短，约10-1410-15s。极化程度与电源频率无关，与温度无关。此种极化是弹性的，去掉外电场，可立即恢复，无能量损耗。（2）离子式极化 离子式极化发生于离子结构的电介质中。固体无机化合物（如云母、陶瓷、玻璃等）多属于离子结构。在无外电场作用时，每个分子的正、负离子的作用中心是重合的，故不呈现极性，如图5.14（a）所示。在外电场作用下，正、负离子偏移其平衡位置，正、负离子的作用中心不再重合，从而使整个分子呈现极性，如图5.14（b）所示，这种极化称为离子式极化。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页35E=0E（a）极化前 （b）极化后图5.14 离子式极化示意图 离子式极化的特点为：极化过程所需的时间极短，约10-1210-13s。极化程度与电源频率无关，但随温度升高而略有增加。此种极化是弹性的，去掉外电场，可立即恢复，无能量损耗。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页36（3）偶极子式极化 偶极子是一种特殊的分子。没有外电场时，它的正、负电荷的作用中心不相重合，好像分子的一端带正电，分子的另一端带负电，从而形成一个永久性的偶极矩（偶极矩是指正、负电荷中心间的距离r和电荷所带电量q的乘积）。具有这种永久性偶极矩的分子称为极性分子，水分子就是典型的极性分子，其他诸如蓖麻油、氯化联苯、橡胶、胶木和纤维素等都是常用的极性绝缘材料。极性电介质的分子本身就是一个偶极子。在没有外电场作用时，单个的偶极子虽然具有极性，但各个偶极子处于不停的热运动中，排列毫无规则，对外的作用互相抵消，整个介质对外不呈现极性，如图5.15（a）所示。在有外电场作用时，偶极子受电场力的作用发生转向，并沿电场方向定向排列，整个介质对外呈现极性，如图5.15（b）所示。这种由偶极子转向造成的极化称为偶极子式极化。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页37 由于偶极子分子每次转向都要克服分子间的摩擦力和吸引力，在交流电压作用下，每过半个周期就要换向一次，因此由偶极子分子组成的电介质在工频交流电压作用下的极化损耗要远大于直流电压下的损耗。K(a)(b)UUK（a）极化前 （b）极化后图5.15 偶极子式极化示意图 偶极子式极化的特点为：极化过程所需的时间较长，约10-1010-2s。极化程度与电源频率有关，与温度有关。此种极化是非弹性的，去掉外电场，不能立即恢复，有能量损耗。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页38（4）夹层式极化 电气设备的绝缘常采用几种不同电介质组成复合绝缘。对于复合介质，外加电场时，各电介质在电场作用下都要发生极化，由于各电介质介电常数不同，极化程度也不同，故介质交界面积聚的异号电荷不相等，界面处出现多余的电荷，对外呈现出极性。这种使夹层电介质交界面上出现电荷积聚的过程叫做夹层式极化。图5.16为夹层式极化示意图。图5.16 夹层式极化示意图 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页39 夹层式极化的特点为：极化过程缓慢，从数秒到数十分钟甚至数小时。此种极化是非弹性的，去掉外电场，交界面上的电荷不能自行消失，极化过程有能量损耗。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页402、电介质的电导和绝缘电阻 电介质的基本功能是绝缘，将不同电位的导体隔开。理想的绝缘是不导电的，但这种“不导电”并非绝对不导电，而只是导电性很差。在电介质内部或多或少存在带电粒子，它们在电场作用下会不同程度地作定向移动而形成电流，这就是电介质的电导。电介质的电导可分为离子电导和电子电导。正、负离子沿电场方向移动，形成电导电流，这就是离子电导。自由电子在电场作用下移动形成电导电流，这就是电子电导。气体电导主要是电子电导。液体和固体电导主要是离子电导。与金属导体的电导相比，电介质的电导过程中所流过的电导电流非常小。表征电导大小的物理量是电导率，它是电阻率的倒数。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页41 电介质电导受温度的影响与导体完全相反，温度升高，电介质中的离子热运动加剧，在电场作用下作定向运动的离子数量和速度增加，电导增大，所以电介质的电导率随着温度上升而增大，且按指数规律增大。而导体的电导主要是由电子定向移动而形成的，温度升高，导体中的原子热振动加强，定向漂移的电子与原子的碰撞机会增多，电子的运动受到了阻碍，对外呈现的电导就减小。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页42(a)(b)(c)+Uiit0iciaIgi=ic+ia+ig+UC0RRaCaIgiaici（a）在介质上施加直流电压 （b）直流电压下流过介质的电流 （c）介质的等值电路图5.17 电介质中的电流及其等值电路 当开关K合上后，可以观察到回路中流过一个微小电流i，它随时间逐渐衰减，最后达到某个稳定值，这个现象称为吸收现象。流过电介质的电流i由三个分量组成：iiciaig在固体介质上加直流电压，流过电介质的电流变化规律如图5.17所示。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页43 式中，ic为无损极化所形成的电容电流，它存在的时间极短，很快衰减到零；ia是由夹层式极化、偶极子式极化等有损极化过程产生的电流，称为吸收电流，它随时间衰减较缓慢；ig是由电介质中的离子在电场作用下定向移动所形成的电流，称为电导电流或泄露电流，它是一个恒定分量，不随时间变化，数值非常小，为微安级。电介质中流过的泄露电流所对应的电阻称为介质的绝缘电阻。（5.1）第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页44 由于电介质的吸收现象，实验中所测得的绝缘电阻随时间变化的曲线如图5.18所示。tiRR(t)i(t)图5.18 绝缘电阻随时间的变化 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页45 良好的电介质中流过的泄露电流非常小，因此绝缘电阻数值很大，为兆欧级。绝缘电阻与绝缘介质的电阻率、尺寸大小、温度等因素有关，它有以下特点：1）绝缘电阻有负的温度系数，因为温度升高，电导增大，所以绝缘电阻下降。2）绝缘电阻随外加电压的上升而下降，因为电压升高，电介质的电离程度增大，电导增大，所以绝缘电阻下降。3）绝缘电阻随加压时间的增长而增大，加压后的初始阶段，存在极化过程，此时电流较大，绝缘电阻较小。经过一段时间，极化过程完成，仅存在电导过程，此时流过介质的电流为微小的泄露电流，绝缘电阻相应增大。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页463、电介质的损耗 从电介质的极化和电导的基本知识可以得出，任何电介质在电压作用下都有能量损耗。电介质在电场作用下会发生极化过程和电导过程，因此电介质的能量损耗包括两种，一种是由极化过程引起的损耗；另一种是由电导引起的损耗。电介质的能量损耗简称为介质损耗。极化损耗主要是指由极性介质中的偶极子极化和复合介质中的夹层式极化引起的损耗。在直流电压下，由于极化过程仅在电压施加后初始的很短时间内存在，而没有周期性的极化过程，因此在直流电压下可以认为不存在极化损耗；在交流电压下，由于电介质随交流电压 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页47极性的周期性改变而作周期性的正向极化和反向极化，极化过程始终存在于整个加压过程中，因此就要引起能量损耗。极化损耗仅在交流电压下存在。电导损耗是指在电场作用下由泄露电流引起的能量损耗，由于泄露电流与电压的频率无关，因此电导损耗在直流电压和交流电压下都存在。归纳起来，直流电压仅存在电导损耗而无极化损耗。这时用电导率或电阻率已能表征介质的损耗特性。而在交流电压下，既有极化损耗又有电导损耗，一般用介质损耗角的正切值来描述电介质的损耗程度。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页485.1.3气体电介质的击穿【活动场景】在教学多媒体教室中进行。【任务要求】掌握带电粒子的产生与消失的方式、气体放电理论及典型气体放电现象。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页491、气体中带电粒子的产生和消失 纯净的中性状态的气体是不导电的,只有在气体中出现了带电质点(电子、离子)等以后，才可能导电，并在电场作用下，发展成各种形式的气体放电现象。气体中产生带电质点的过程称为游离或电离，是指中性气体原子在外界因素（强电场、高温等）的作用下，获得足够大的能量之后，可使原子中的一个或几个电子完全摆脱原子核的束缚，形成自由电子和正离子。【知识准备】第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页50 气体原子的游离可由下列因素引起：电子与气体分子的碰撞；各种光辐射；高温下气体的热能。根据不同的游离因素，强电场作用下的游离有以下几种形式：（1）碰撞游离 处在电场中的带电粒子，除了经常作不规则的热运动、不断地与其他粒子发生碰撞外，还受电场力的作用，沿电场方向不断加速并积累动能。当具有足够能量的带电粒子与中性气体分子碰撞时，就可能使气体分子发生游离。这种由碰撞引起的游离称为碰撞游离。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页51 电子在强电场中产生的碰撞游离，是气体中带电粒子的重要来源，在气体放电中起着重要的作用。气体中的电子、离子及其他质点与中性原子的碰撞都可能产生游离，但因为电子的尺寸及质量比离子小得多，其平均自由行程（粒子在两次碰撞之间的行程叫自由行程）远大于离子的自由行程，因此容易被电场所加速，并积累起游离所需的能量。而离子或其他质点因其本身的体积和质量较大，难以在碰撞前积累足够的动能，因而产生碰撞游离的可能性很小。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页52（2）光游离 由光辐射引起气体原子或分子产生的游离，称为光游离。光是频率不同的电磁辐射，也具有粒子性，可视为质点，称为光子。光子的能量为 （5.2）式中：h为普朗克常数，h=6.6210-27尔格秒；为光子频率；c为光速；为光的波长。由此可见，光子的能量与波长有关，波长越短能量越大。当光子的能量等于或大于气体原子或分子的游离能时，就可能引起光游离。通常普通的可见光是不能直接产生光游离的，导致气体光游离的光子可以是宇宙射线、射线、x射线等短波长的高能射线。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页53（3）热游离 因气体热状态引起的游离过程，称为热游离。在常温下，气体质点的热运动所具有的平均动能远低于气体游离所需要的能量（游离能），因此不能产生热游离。但是在高温下，如电弧放电时，气体温度可达数千摄氏度，气体质点热运动加剧，其动能增大，此时气体质点所具有的动能就足以引起碰撞游离。此外，高温气体的热辐射也能导致热游离，因此热游离是碰撞游离和光游离的综合。（4）表面游离 放在气体中的金属电极表面游离出自由电子的现象称为表面游离。使金属释放出电子也需要能量，使电子克服金属表面的束缚作用，这个能量通常称为逸出功。金属表面游离所需能量可以从下述途径获得：第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页54正离子碰撞阴极 正离子在电场中向阴极运动，碰撞阴极时将动能传递给阴极中的电子可使其从金属中逸出。在逸出的电子中，一部分可能和撞击阴极的正离子结合成为分子，其余的则成为自由电子。只要正离子能从阴极撞击出至少一个自由电子，就可认为发生了阴极表面游离。短波光照射 阴极表面受到短波光的照射，也能产生表面游离。强场发射 在阴极附近加上很强的外电场时，将电子从阴极表面拉出来，称为强场发射或冷发射。由于强场发射所需电场极强，一般气体间隙达不到如此高的场强，所以不会产生强场发射，而在高真空间隙的击穿时（如真空断路器动、静触头击穿），强场发射具有重要意义。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页55 表面游离与其他游离形式的区别在于，发生其他形式的游离时，自由电子和正离子同时出现，而表面游离只产生自由电子，没有正离子出现。在带电质点产生的同时，也存在另外一个过程，即带电质点消失的过程，这个过程通常叫去游离过程。在电场作用下，气体中放电是不断发展以致击穿，还是气体尚能保持其电气强度而起绝缘作用，就取决于上述两种过程孰强孰弱。如果去游离过程强于游离过程，说明带电粒子数目是不断减少的，气体最终会恢复到绝缘状态。反之，气体放电持续进行。带电粒子的消失主要有以下几种形式。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页561）带电质点受电场力的作用流入电极 在外电场的作用下，气体间隙中的正、负电荷分别向两电极作定向移动，到达两电极后发生电荷的中和。2）带电质点的扩散 带电质点的扩散是指带电质点从浓度较大的区域转移到浓度较小的区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。带电质点的扩散同气体分子的扩散一样，都是由热运动造成的。带电质点的扩散使放电通道中的带电质点数减少，可导致放电过程减弱或停止。3）带电质点的复合 带正、负电荷的质点相遇，发生电荷的传递、中和而还原成中性质点的过程，称为复合。正、负离子的复合远比正离子与自由电子的复合容易得多，参加复合的电子大多数是先形成负离子后再与正离子 第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页57复合的。在复合过程中，质点原先在游离时所吸取的能量以光子的形式释放出来。异号质点的浓度愈大，复合愈强烈。因此，强烈的游离区通常也是强烈的复合区，同时伴随着强烈的光辐射，这个区的光亮度也就愈大。我们平时所看到的电弧或闪电现象，正是带电粒子复合所释放出来的光子所致。4）附着效应 某些气体中的中性分子（或原子）具有较大的电子亲和力，当电子与其相碰撞时，便被其吸附而成为负离子，同时释放出能量，这个过程成为气体的附着效应。容易附着电子形成负离子的气体称为电负性气体，如氧气、氯气、氟气、水蒸气、六氟化硫等都属于电负性气体。电子被电负性气体俘获而形成质量大、速度小的负离子后，游离能力大为降低。因此，附着效应起着阻碍放电的作用，电负性气体具有较高的绝缘强度。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页582、气体放电理论（1）汤逊理论 20世纪初英国物理学家汤逊（John Sealy Townsend）在均匀电场、低气压、短间隙的条件下进行了放电实验，根据实验结果提出了解释气体放电过程的理论，称为汤逊理论（亦称电子崩理论）。汤逊理论认为，受外界因素的作用，在气体间隙中存在自由电子。这些自由电子在电场中被加速，并在运动过程中不断与气体原子或分子发生碰撞；当电子获得电场提供的足够动能时，就会使气体原子产生碰撞游离，形成新的自由电子和正离子。这些新产生的电子和原有电子又从电场中获得能量，并继续碰撞其它气体原子，又可能激发出新的自由电子。这样，自由电子数将会成指数倍地增长，形成电子崩（电子数目的增加，犹如高山雪崩一样）。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页59 电子崩中因碰撞游离产生电子的同时，也产生正离子。电子向阳极运动，正离子向阴极运动。正离子向阴极运动过程中，最终撞击阴极表面使其产生表面游离。从阴极表面逸出的电子作为新的起始电子又重复上述的电子崩过程，使气体间隙维持放电状态。汤逊理论可以用来解释均匀电场、低气压、短间隙条件下的气体放电。2）流注理论 汤逊理论对于高气压、长间隙中的一些放电现象却无法解释，如根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续发展，但在大气压下气体击穿时却出现带有分支的明亮细通道（如闪电）。第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术目录退出页60 在汤逊之后，由洛依布（Loeb）和米克（Meek）等在实验的基础上建立了一种新的理论流注理论，弥补了汤逊理论的不足，较好地解释了高气压、长间隙的气体放电现象。流注理论认为，在外部游离因素作用下，会在阴极附近产生起始有效电子。当外加电场足够强时，这些有效电子在电场作用下，在向阳极运动的途中不断与中性原子发生碰撞游离，而形成初始电子崩。由于电子的运动速度远大于正离子的速度，因此电子集中在朝着阳极的崩头部，当初始电子崩发展到阳极时，崩中的电子迅速进入阳极进行中和，暂留的正离子与负离子（中性原子吸附速度较慢的自由电子后形成的）发生复合过程，向周围释放大量光子。这些光子使附近的气体因光游离而产生二次电子，二次电子在电场作用下，又形成新的电子崩，即二次电子崩。二次电子崩头部的电子向初始电子崩的正离子区域运动，与之汇合成为充满正负带电粒子的混合通道，这个通道称为流注。流注通道由于含有大量正负粒子，其导电性能良好，且其端部