电气绝缘基础知识讲解学习课件.ppt

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1、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,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,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,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,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

2、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,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。,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,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,为什么绝缘体不导电，而导体能够导电？,先思考：,绝缘体内部： 原子核周围的电子

3、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？,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：,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） 。,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,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（

4、E=U/s）超过3106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：,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（c）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。,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。,自由电子在强电场

5、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？,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。,碰撞游离过程示意图,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

6、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。,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。,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

7、电，但间隙并不被击穿，必须增高电压，才可以击穿间隙。,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,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,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,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

8、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,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/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

9、的影响,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；,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/D0.5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。,四、气体间隙的直流击穿电压和极性效应,在均匀电场

10、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,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：1.2/50 us（含义）（2）操作冲击电压：250/2500 us （含义）,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

11、为临界波前时间T0 。,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U 50% 表示。,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,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

12、力变化，压力越高，液化温度越低；反之亦然。, 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。,（4） SF6 气体分解物的毒性

13、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。,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。,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

14、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。,（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。,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

15、放电 刷状放电 滑闪放电 沿面放电 间隙被击穿,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,3）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

16、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,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,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140DB-25: 凝点不高于-25、闪点不低于140,DB-45: 凝点不高于-45、闪点不低于135三中油适用于什么场合?2、

17、植物油 纯净的蓖麻油绝缘性能好3、人工合成油,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质“小桥”引起发热 油分解产生气体 再由气泡和杂质排成 “小桥”,三、影响变压器油击穿电压的各种因素 只要油里含有水，则耐压值显著下降。此外，压力、温度、电场均匀度、电场的作用时间和油隙宽度对击穿电压都有影响。1、压力的影响压力越大、工频击穿电压升高；反之，则下降2、温度的影响3、电场均匀度的影响,4、电场作用时间的影

18、响 在一定时间内，击穿电压随时间的延长而下降；达到一定时间后，变化不明显。工频耐压试验时间通常1min.5、冲击电压作用下油间隙的击穿电压冲击电压作用下油间隙的击穿电压工频和直流 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6、油间隙宽度的影响宽度增加，击穿电压下降,第三节 固体电介质的绝缘特性,一、固体电介质的种类及其特性二、固体绝缘击穿的三种形式三、影响固体绝缘击穿电压的因素大纲要求: 1、了解固体材料的种类和特性 2、掌握固体绝缘击穿的三种形式 3 、掌握影响固体绝缘击穿的因素,一、固体电介质的种类及其特性1、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、

19、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,相对介电系数越大，则电介质的电容量C越大二、固体绝缘击穿的三种形式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,三、影响固体绝缘击穿电压的因素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,第四节 组合绝缘的耐电特性,一

20、、油纸绝缘的耐电特性二、油纸组合绝缘在交直流电压作用下的不同特点三、组合绝缘的吸收现象大纲要求: 1、了解油纸绝缘的耐电特性 2、了解油纸组合绝缘在交直流电压作用下的不同特点 3 、了解组合绝缘的吸收现象,一、油纸绝缘的耐电特性油纸绝缘：由浸透绝缘油的纸层和纸层间缝隙内的油层组成的组合绝缘。特点：纸在油中起屏蔽作用，油则填充了纸中的空隙，耐电特性极高，缺点耐热性差，易受潮。1、电压作用时间的影响在2h以内，随作用时间的缩短，击穿电压显著升高。,2、局部放电的影响3、温度的影响4、电压作用时间的影响5、介电系数的影响 增大油介质的介电系数，可以提高耐电性,二、油纸组合绝缘在交直流电压作用下的不同

21、特点油纸组合绝缘在直流电压作用下的耐电强度是交流电压作用下的两倍多,三、组合绝缘的吸收现象（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,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

22、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。（ ）,下列说法正确的是：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无关；B 均匀电场空气间隙的击穿电压与电压的极性无关；C 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-板间隙的击穿电压；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。U50%表示击穿概率是50

23、%的击穿电压值。（ ） 电场越均匀，击穿电压越高。（ ）负极性接线的棒-板间隙，正空间电荷形成的附加电场与棒-板之间的主电场方向相同，所以负极性接线的击穿电压高。 （ ） SF6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。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电压。（）,7、( )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。 A电击穿 B热击穿 C电化学击穿8、 SF6气体施加的压力愈高，其液化的

24、温度（ ）。 A愈高 B愈低 C不变9、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。 ADB-10 BDB-25 CDB-457.B 8.A 9.C 10.A 11.A 12.A 13.A 14.C 15.A 16.A 17.A,10、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（ ）。 A最低 B最高 C不变 11、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（ ）。 A要高 B要低 C完全相等12、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（ ）。 A空间电

25、荷极化 B离子式极化 C电子式极化13、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（ ）。 A阴极流注 B阳极流注 C正流注,14、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（ ）。 A电介质的放电 B电介质的击穿 C电介质的极化15、典型雷电冲击电压波形由半峰值时间和（ ）确定。 A波前时间 B滞后时间 C越前时间16、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（ ）。 A有关 B无关 C不确定 17、与均匀电场相比，不均匀电场中空气间隙的击穿电压（ ）。 A大大下降 B完全相等 C大大增加18、必须依靠外界电离因素才能维持的放电称为（ ）放电。 A自持 B非自持 C自激 D自发,