特种作业电工2(第二章-电气绝缘基础知识)5.31改.doc

P52 第二章 电气绝缘基本知识电气设备的绝缘性能与所使用的绝缘介质性能密切有关为了对的判断电气设备的绝缘状况，在对电气设备进行绝缘实验时，针对不同的绝缘介质所采用的实验手段也有不同的考虑因此，电气实验人员必须理解有关电气绝缘的基本知识本章简介不同电气介质的绝缘性能及影响介质击穿的有关因素第一节 气体介质的绝缘特性电力系统架空电力线路和电气设备的外绝缘一般采用空气间隙作为绝缘隔离本节重点简介空气间隙的击穿机理和影响空气间隙击穿电压的多种因素除了空气间隙绝缘之外，尚有某些特殊气体，例如SF6（六氟化硫）气体它们作为电气绝缘介质在开关设备中得到广泛使用，因此，对这一类气体的绝缘性能也作相应简介一、空气间隙的击穿机理1. 电离如果没有外界影响，在一般状况下，气体是不导电的良好绝缘体但是，由于受多种因素的影响，气体原子也许会浮现电离（也称游离），形成自由电子和正离子，从而在空气中产生少量带电粒子根据引起电离因素不同，有不同的电离形式一般分为1碰撞电离、2光电离、3热电离和4表面电离碰撞电离——带电质点在强电场作用下高速运动，撞击中性气体分子引起的电离光电离——光辐射引起的气体原子的电离称为。

表面电离（或表面发射）——在外界因素作用下，电子也许从电极表面逸出引起表面发射电子的因素有多种，例如在强电场作用下，可使阴极表面释放出电子；正离子迅速运动碰撞阴极表面，也也许使阴极释放出电子；金属表面受到光照射也会放射电子热电离——是指气体热状态下引起的电离过程例如，在高温下，气体质点高速运动，互相碰撞产生碰撞电离此外，高温气体的热辐射也能引起光电离2. 空气间隙的击穿过程由于受多种电离因素的影响，空气间隙中会产生少量带电粒子在电场作用下，这些带电质点沿电场方向运动如果空气间隙上施加的电压足够高，电场强度足够大，带电粒子的运动速度加快，浮现强烈的碰撞电离，形成电子崩由许多电子崩产生大量正负带电质点形成的游离通道称为“流注”当流注发展到把空气间隙两极接通时，整个间隙随之击穿少量带电粒子在电场作用下迅速移动大量正负带电质点碰撞电离电子崩流注（1）碰撞电离空气间隙中，处在电场中的带电质点，除了常常作不规则的热运动外，还受极间电压电场力的作用，沿电场方向运动，并不断加速积累动能当所积累的动能达到足够数值，与其她中性气体分子（或原子）发生碰撞时，会使后者失去电子，形成新的自由电子和正离子，这种现象称为“碰撞电离”。

碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的极重要来源由于正、负离子的质量比电子大得多，受电场作用时，电子的运动速度比正、负离子大得多，因此，在气体放电过程中，碰撞电离重要是由自由电子与气体分子（或原子）相撞而引起的2）电子崩气体间隙中自由电子在电场力作用下从阴极流向阳极过程中与其她中性分子发生碰撞电离，产生出新的电子新生电子与本来的初始电子一起向阳极迅速运动，也参与碰撞电离这样，就浮现了一种迅猛发展的碰撞电离，犹如冰山上的雪崩同样，间隙中的带电质点数目急剧增长，形成所谓“电子崩”电子崩的形成及电荷分布如图2－1所示从图2－1（a）可见，气体中的电子数目由1变为2，又由2变为4，成几何级数急剧增长从图2－1（b）可见，电子崩中的电荷分布以正离子为主由于电子的质量轻，运动速度快，绝大多数都集中在电子崩的头部而正离子由于运动速度比自由电子慢得多，滞留在产生时的位置上，缓慢地向阴极移动气体间隙中浮现电子崩时，通过间隙的电流随之增长，但此时的放电仍属于非自持放电，间隙尚未击穿流过间隙的电流虽然有增长，但仍然很小，远不不小于微安级3）非自持放电和自持放电气体间隙放电可分为非自持放电和自持放电必须依托外界电离因素才干维持的放电称为非自持放电。

不需要外界其她电离因素，而仅依托电场自身的作用就能维持的放电，称为自持放电发生自持放电时，气体间隙与否击穿与电场与否均匀有关在均匀电场中，气体间隙一旦浮现自持放电，同步即被击穿在极不均匀电场中，气体间隙局部达到自持放电时，会浮现电晕放电，但间隙并不击穿必须进一步增高电压，才干使间隙击穿4）流注所谓“流注”，是指空气间隙中往两极发展的布满正、负带电质点的混合等离子通道1） 二次电子崩流注的形成与二次电子崩有关如图2－2（a）所示，当空气间隙极间电场足够强时，一种由外界游离因素作用产生的初始电子迅速从阴极奔向阳极，途中不断产生碰撞电离，发展成电子崩（初始电子崩）在图2－2中，初始电子崩的头部接近正极的地方有几种向外的箭头，这是表达由电子崩头部的大量正离子形成的空间电荷，使附近电场大大增强并严重畸变，电子和正离子强烈复合，并向周边发射大量光子，使附近气体中浮现光电离而产生新的电子，称为二次电子由于受到大量空间正电荷强电场力的吸引，这些由光电离产生的二次电子迅速向正电荷区域运动，途中发生碰撞电离，形成新的电子崩，称为二次电子崩2）流注的形成从图2－2（b）、（c）可见，在二次电子崩的头部有大量电子进入初始电子崩的正空间电荷区内，与之混合成为布满正、负带电质点的混合等离子通道，即形成流注。

形成流注的过程是：初始电子崩形成正空间电荷，使原电场加强并发生畸变，正负电荷急剧复合时向周边发射光子，引起光电离，产生二次电子，形成二次电子崩，许多二次电子崩与初始电子崩汇合成流注3）阳极流注和阴极流注如图2－2所示，流注从空气间隙的阳极向阴极发展，称为阳极流注，也称为正流注，它与初始电子崩的发展方向相反当流注通道把两极接通时，空气间隙中布满了正、负带电质点，整个间隙完全击穿如果作用在空气间隙上的电压特别高，则在初始电子崩从阴极向阳极发展的途中，即已浮现二次电子崩，形成流注当时始电子崩达到阳极时，流注随后贯穿整个间隙，这种流注其发展方向与初始电子崩相似，从阴极向阳极发展称为阴极流注，也称为负流注放电流程图：有效电子(经碰撞游离)---电子崩(畸变电场)---发射光子(在强电场作用下)---产生新的电子崩(二次崩)---形成混质通道(流注)---由阳极向阴极(阳极流注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿从上面简介可知，空气间隙的击穿与二次电子崩形成流注有关二次电子崩可以从四周不同方位向流注头部会合［见图2－2（C）］，故流注头部的推动也许有曲折和分支当由于某一偶尔因素使流注按某一方向发展较快时，它将克制其她方向流注的形成和发展。

因此气体间隙的放电通道一般都很狭窄，当间隙击穿时，会浮现很细很亮的放电通道二、均匀电场中气体间隙击穿电压与气体密度的关系1. 气体间隙击穿电压与气体密度的关系在均匀电场中，气体间隙的击穿电压与气体密度有关，因而与压力有关当温度不变而压力变化时，气体的密度发生变化压力升高，密度增大电子在从阴极向阳极的运动过程中，极容易与气体分子发生碰撞，平均每两次碰撞之间的自由行程缩短如果自由行程太短，则发生碰撞时电子积聚的动能局限性，因而不能使气体分子电离，气体间隙不容易击穿，因此击穿电压会升高；反之，当气体压力减小时，密度减小，电子在向阳极运动过程中不容易与气体分子发生碰撞虽然碰撞次数减少，但自由行程大大增长，动能积聚增多，容易使气体分子电离，击穿电压减少但如果气体过于稀薄，也就是说密度太小，碰撞次数太少，气体间隙的击穿电压同样升高汽车、保龄球）2. 巴申定律在均匀电场中，气体间隙的距离一定期，间隙的击穿电压与气体压力产有关当压力在某一特定数值时，间隙的击穿电压达到最低这时如果增大或减小压力，间隙的击穿电压都会增高物理学家巴申总结出下列定律：当气体种类和电极材料一定期，均匀电场中气隙的放电电压UF是气体压力p和间隙极间距离S乘积的函数，即UF ＝f（pS） （2－1）均匀电场中几种气体间隙的击穿电压UF与pS乘积的关系曲线如图2－3的曲线所示。

有些开关设备的工作原理就是运用了气体间隙的击穿电压与气体密度的这一关系例如真空断路器就是运用高真空来提高断路器断口的击穿电压；而压缩空气断路器则是运用足够高的气压来提高断口的击穿电压采用压缩空气时，在高气压下如果浮现放电，空气中的氧容易引起绝缘物燃烧，因此常用氢、氮、二氧化碳替代空气p58 三、电场与否均匀对空气间隙击穿电压的影响气体间隙的击穿电压与电场与否均匀有关在原则大气压下，温度为20℃时，均匀电场中空气间隙的击穿场强大概为30kV／cm（峰值）直流击穿电压和工频交流击穿电压的幅值接近相等与均匀电场相比，不均匀电场中空气间隙的击穿电压大大下降，具体数据还与电极形状、间隙距离长短、作用电压种类（直流、交流或冲击电压）有关如果是直流和冲击电压，还要考虑极性效应的影响例如极不均匀电场的间隙距离不小于50m时，负极性的直流击穿电压（负极施压，正极接地）平均击穿场强约为10kV／cm，而正极性的直流击穿场强平均约为4.5kV／cm，与均匀电场的击穿场强30kV／cm相比，下降诸多下面对均匀电场、稍不均匀电场和极不均匀电场空气间隙在稳态电压作用下的击穿特性作一比较所谓“稳态电压”，也称作“持续作用电压”，指的是工频交流电压和直流电压，以区别于存在时间极短、变化速率很大的雷电冲击电压和操作冲击电压。

1. 均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性均匀电场中电极布置对称，因此不存在极性效应均匀电场气隙中各处电场强度相等一旦气隙中某处放电，整个气隙立即击穿，击穿电压与电压作用时间基本无关直流击穿电压与工频击穿电压的峰值事实上相似均匀电场气隙中一旦浮现自持放电，间隙即被击穿，形成电弧放电或火花放电因此，在均匀电场气隙中不会浮现电晕放电现象2. 稍不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性在电力工程的大多数绝缘构造中，电场都是不均匀的根据电场不均匀限度，不均匀电场又可分为稍不均匀电场和极不均匀电场电场不均匀限度可以根据与否能维持稳定的电晕放电来辨别：能维持稳定电晕放电的不均匀电场，一般可称为极不均匀电场虽然电场不均匀，但还不能维持稳定的电晕放电，一旦放电达到自持，必然会导致整个间隙立即击穿，称为稍不均匀电场对于稍不均匀电场，和均匀电场同样，击穿电压等于其自持放电电压但是，稍不均匀电场中，空气间隙的平均击穿场强要比均匀电场时低高压实验室中测量电压用的1球间隙和2全封闭组合电器（GIS）的母线圆筒都是典型的稍不均匀电场对于球间隙，只有当金属球的直径D比球间隙距离S大得多时，才属于稍不均匀电场如果S比D大得多，则属于极不均匀电场。

因此在高压实验中采用的球间隙一般应保证S≤0.5D3. 极不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性1棒－棒间隙和2棒－板间隙构成的电极间隙是典型的极不均匀电场特别是棒－板间隙，由于两电极不对称，其不均匀限度更为严重目前以棒－板间隙为例，阐明极不均匀电场的击穿特性当作用在间隙上的电压足够高时，在棒形电极附近很小范畴内电子碰撞电离已达到相称限度时，间隙中大部分区域内电离限度仍然极小，事实上可以忽视不计这时，初始电子崩只在电极附近很小的范畴内发展起来，虽然浮现自持放电，如果极间电压尚局限性以击穿整个间隙，电离只局限于棒形电极附近的很小范畴内，在此区域开始浮现薄薄的紫色莹光层这时电流虽较前增长，但仍然极小，间隙没有击穿这种放电现象就是电晕放电随着电压增长，电晕层扩大，电晕电流增大当电压增长到足够高时，在间隙中忽然浮现贯穿两电极的放电通道，浮现击穿由此可见，在极不均匀电场中，间隙击穿电压远高于自持放电电压，这时的自持放电电压只是开始发生电晕的电压，称为电晕起始电压电场越不均匀，击穿电压与开始发生电晕的电晕起始电压间差别也越大。