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1、1、介质的绝缘特性与电气强度,（1）气体放电的基本物理过程（2）气体介质的电气强度（3）静电感应现象（4）等效电容的应用（5）固体介质的电导与击穿（6）液体介质的电导与击穿（7）关于绝缘材料的电容电流（8）绝缘介质的介电损耗（9）电力系统过电压,气体介质是电力系统和电气设备中常用的绝缘介质。如：空气、SF6气体等。当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力，从而造成事故。,（1）气体放电的基本物理过程,处于正常状态的气体是一种绝缘介质，但是气体通常并不是理想的绝缘介质，因为气体中总是存在少量带电质点。,带电质点的产生,在电场作用下气体间隙中能发生放电现象，说明其中存在大量带电质点。,带电质点
2、产生的两种形式：气体分子的电离金属的表面电离,碰撞电离：在电场作用下，电子被加速而获得动能，当电子从电场获得的动能等于或大于气体分子的电离能时，就有可能因碰撞而使气体分子发生电离，分裂为电子和正离子。光电离：光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离。热电离：由分子热运动引起的气体分子的电离。,气体分子的电离：碰撞电离；光电离；热电离,金属表面电离：电子从金属表面逸出称为表面电离。,金属表面电离的主要形式：正离子碰撞阴极；光电效应；场致发射；热电子放射,（一）正离子碰撞阴极 正离子在电场中加速碰撞阴极表面，阴极释放出2个以上电子，一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。（二）光电效应 光电
3、效应：金属表面受到光的照射放射出电子，这种现象称为光电效应。,（三）场致发射 在阴极附近加以很强的外电场使阴极放射出电子，称为场致发射或冷发射。由于场致发射所需外电场极强，在107 V/cm数量级，所以在一般气体间隙的击穿过程中不会发生场致发射。（四）热电子放射 阴极达到很高温度时，电子可获得巨大动能而逸出金属表面，称为热电子放射。,负离子的形成：电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是碰撞电子附着于分子，形成了负离子。能够在电子碰撞过程中形成负离子气体，称为电负性气体。已发现的负离子有：,负离子的形成起着阻碍放电的作用,负离子的形成,带电质点的消失,三种方式：1、带电质点在电场作用下作
4、定向运动，从而消失于电极（形成电流）；2、带电质点的扩散带电质点从浓度高的地方向浓度低的地方移动，趋向是使带电质点的浓度变得均匀。3、带电质点的复合正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和，并还原为原子或分子的过程称为复合。,气体放电：气体中存在电流的各种形式统称为气体放电处于正常状态的气体是一种绝缘介质，但是气体通常并不是理想的绝缘介质，因为气体中总是存在少量带电质点。由于气体中带电质点极少，所以气体仍为优良的绝缘体,气体放电基本概念,气体击穿：当气体间隙上外施电压达一定数值，电流突然剧增，气体失去绝缘性能。气体由绝缘状态突变为导电状态的过程称为击穿。,沿面闪络：当击穿过程发生在气
5、体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络击穿电压：引起气体间隙击穿的电压称为击穿电压。临界击穿场强：引起气体发生击穿的电场强度称为临界击穿场强。,1、辉光放电2、电弧放电3、火花放电4、电晕放电,气体放电的4种基本形式,低气压、电源功率小，管内阴极和阳极间整个空间出现发光现象，这种放电形式称为辉光放电。辉光放电的特点：电流密度较小，放电区域通常占据整个空间；管端电压较高，不具有短路的特性。,1、辉光放电,外回路阻抗小，电源功率大，放电通道细、且明亮，管端电压接近于零，这时的放电形式称为电弧放电。电弧放电的特点：电流密度很大，管端电压很低，具有短路的特性。,2、电弧放电,在电极附近电场最强
6、处出现发光层，随着电压升高发光层逐渐扩大，放电电流也逐渐增大。这种放电称为电晕放电。,4、电晕放电,发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用。随着电压升高，最终间隙将被击穿。随后的发展，根据电源功率的大小而转为电弧放电或火花放电。,3、火花放电,电弧放电与火花放电的关系：（1）当外回路中阻抗很大，电源功率不足：火花放电（2）当外回路阻抗很小、电源功率足够大：电弧放电,气体放电的基本物理过程,气体放电试验电路,气体放电过发展过程,电压小于U0：电流数值很小，通常远小于微安级，气体绝缘性能未被破坏，间隙未被击穿。电压大于U0：电流数值很大（放电形式与外
7、界条件相关），U0称为放电起始电压。,巴申定律（巴申曲线）,（2）气体介质的电气强度,根据不同的电极结构，电场性质可以分为：均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场电场不均匀系数：为了比较各种结构的电场的不均匀程度，引入电场不均匀系数 f，它是最大场强Emax和平均场强Eav的比值。,气体击穿的极性效应,f4，极不均匀电场f=1，均匀电场,极不均匀电场下的极性效应,（1）尖一板电极：尖为正极性时击穿电压低 尖为负极性时击穿电压高。（2）尖-尖电极：没有极性效应，击穿电压介乎极性不同的尖一板电极之间。,工频电压下的击穿电压,（1）棒-板电极：击穿总是在棒的极性为正、电压达到峰值时发生。（2）棒-棒电
8、极：没有极性效应。（3）棒-棒电极结构击穿电压略高于棒-板电极。,电极表面的电场强度与其表面电荷密度成正比。在电极尖端或边缘的曲率半径小，表面电荷密度大，电力线密集，电场强度高，容易发生局部放电。这种现象称为尖端效应或边缘效应。尖端效应或边缘效应是极不均匀电场的重要标志。工程上常需改善电极形状，避免电极表面曲率过大或出现尖锐边缘。,尖端效应或边缘效应,一、改进电极形状以改善电场分布,（1）增大电极曲率半径；（2）改善电极边缘（毛刺、棱角）；（3）使电极具有最佳外形（对称电场 棒-棒类型）。,二、利用空间电荷畸变电场的作用,极不均匀电场中击穿前先发生电晕放电，所以在一定条件下，可以利用放电自身产
9、生的空间电荷来改善电场分布，提高击穿电压。,细线效应,提高气体间隙击穿电压的措施,三、高气压的采用,四、高介电强度气体的采用,五、高真空的采用,极不均匀电场中屏障的作用,在电场极不均匀的空气间隙中，放入薄片固体绝缘材料（例如纸或纸板），在一定条件下，可以显著提高间隙的击穿电压。屏障一般采用很薄的固体绝缘材料，其本身的击穿电压很低，所以屏障效应不是由于屏障分担电压的作用而造成的。,（一）直流电压下屏障的作用,1、尖电极为正极性,2、尖电极为负极性,总体情况与尖电极为正极性相同,负极性与正极性的差异：（1）不利于负离子的扩散；（2）屏蔽靠近尖电极情况与正极性有所不同。,直流电压下尖一板空气间隙的击
10、穿电压和屏障位置的关系,（3）静电感应现象,电容分压,导体受邻近带电体的影响，在其表面不同部位出现正负电荷的现象称为静电感应。,（4）等效电容的应用,1、晶格缺陷,绝缘介质内部离子产生的原因,离子电流：晶格结点上的离子在电场作用下，与晶格缺陷相邻位置上的离子落入晶格缺陷，晶格缺陷顺序地在晶格中移动，形成离子电流。,2、解离（1）介质自身热解离成为离子；（2）电子的碰撞电离。,（5）固体介质的电导与击穿,固体绝缘介质的表面电导表面电导产生的原因：附着于介质表面的水分和其他污物。根据绝缘介质对水分子的吸附性：憎水性、亲水性憎水性绝缘介质：绝缘介质分子和水分子的附着力小于水分子的内聚力，因此水分子只
11、能在它们表面形成不连续的水珠。亲水性绝缘介质：绝缘介质分子和水分子的附着力大于水分子的内聚力，水分子容易附着于介质表面。如电瓷、玻璃、多孔性介质（纤维材料）。,液体绝缘介质中的电导,1、离子电导：液体本身的分子和杂质的分子解离为离子，构成离子电导；2、电泳电导：液体中的胶体质点（如变压器油中悬浮的小水滴）吸附电荷后，形成带电质点，构成电泳电导。,注意大型电力变压器中的油流带电现象,（6）液体介质的电导与击穿,（7）关于绝缘材料的电容电流电介质的极化,绝缘材料的分子结构极性分子和非极性分子,极性绝缘介质：环氧树脂、蓖麻油 非极性绝缘介质：SF6、聚四氟乙烯、氮气等,SF6,电介质的极化,Q0,U
12、,自由电荷,极化电荷,关于电介质极化产生的电容效应,Q,+,电介质的极化种类,（1）、电子位移极化（2）、离子位移极化（3）、偶极子转向极化（4）、热离子极化（5）、夹层介质界面极化（6）、空间电荷极化,关于夹层介质界面极化,绝缘介质由不同成分组成（或介质不均匀），在这种情况下会产生“夹层介质界面极化”的现象。这种极化的过程特别缓慢，而且伴随有能量损耗。,关于空间电荷极化,绝缘介质内的正、负自由离子在电场作用下改变分布状况，在电极附近形成空间电荷，称为空间电荷极化。空间电荷极化和夹层界面极化现象一样都是缓慢进行的，所以在低频下存在这种极化现象，而在高频时因离子来不及移动，因此在高频电场作用下不
13、存在这种极化现象。,1、介质损耗的本质？2、介质损耗在交流、直流电压下的区别？3、介质损耗的表示方法？4、为什么要关注绝缘损耗？,介质损耗：介质损耗由 IR 产生，夹角大时，IR就越大，故称为介质损耗角，其正切值为：,（8）绝缘介质的介电损耗,关于极化损耗,优点：灵敏度高，容易发现绝缘整体受潮、劣化、变质，及小体积设备的局部缺陷。缺点：tan不能发现大体积设备的局部缺陷。,规程中对电机、电缆等电气设备，因为缺陷的集中性及体积较大，通常不做此项试验；而对套管、电力变压器、互感器、电容器等则做此项试验。,关于 tan测量,潮气扩散对绝缘性能的影响,电容式套管：出厂tan试验合格，现场交接试验tan
14、超标。,1、绝缘介质tg过大，会引起严重发热，材料容易劣化，甚至可能导致热击穿。2、在绝缘预防性试验中，tg是一基本测试项目，当绝缘受潮或劣化时，tg急剧上升。,测量介质损耗的意义,两种类型过电压：1、雷电过电压：直击雷过电压、感应雷过电压2、内部过电压：操作过电压、暂时过电压,过电压是电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压、可能危害绝缘的异常电压，属于电力系统中的一种电磁扰动现象，是由于电力系统中电路状态和电磁状态的突然变化所致。,（9）电力系统过电压,内部过电压能量来源于系统本身，幅值以系统最大工作相电压幅值Uph.m的倍数k0来表示。k0值约为1.3-4.0，其大小与系统参数、断路器性
15、能、中性点接地方式等一系列因素有关。,操作过电压：进行断路器操作、或发生突然短路而引起的过电压称为操作过电压。产生原因：系统状态发生突变，系统从一种电磁状态过渡到另一种电磁状态，在这种过渡中会出现电磁振荡，电磁能与静电能在电感性与电容性元件中以电路固有频率交替转换，以致在电气设备上出现过电压。,常见操作过电压的种类：（1）空载线路合闸与重合闸过电压（2）切除空载线路过电压（3）切断空载变压器过电压（4）弧光接地过电压,1、操作过电压,（1）空载线路合闸与重合闸过电压,当断路器突然合上时，在回路中会发生角频率 的高频振荡过渡过程，电容C（即线路）上的电压可能达到最大值：,1）空载线路合闸过电压,
16、如果合闸前电容C上还有初始电压，合闸后振荡过程中的过电压有可能达到3Em（如采用线路自动重合闸时就可能有这种情况）。,2）重合闸过电压,2、切除空载线路过电压空载线路属于电容性负载，由于切断过程中断路器触头间交流电弧的重燃而引起的电磁振荡，使线路出现过电压。考虑最严重的情况下：工频电流在t1时刻熄灭，此时线路仍保持残余电压Uc=+Em；,高压断路器加装并联电阻的作用,3、切断空载变压器过电压（截流过电压）变压器既是感性负载，同时还有对地电容。当断路器突然切断小电流时，电流变化率很大，使变压器上产生很高的感应过电压。电流截断后，变压器中的电磁能向对地电容充电，形成振荡过程，因而出现过电压，称为截
17、流过电压。,高压断路器加装并联电阻的作用,4、弧光接地过电压 中性点不接地系统发生单相接地故障时，由于接地电弧间歇重燃现象而引起的过电压称为弧光接地过电压。,弧光接地过电压最高可达3.5 Uph.m，使用消弧线圈后，过电压绝大多数在3.0-3.2 Uph.m，或更低。,消弧线圈的工作原理,针对中性点不接地系统 1、正常运行情况,考虑以下几个问题：（1）线电压与相电压关系（3）；（2）中性点电位（UN=0）；（3）对地电容电流与相电压关系（Ic-0=UC0）。,2、单相（A相）接地运行情况,考虑以下几个问题：（1）中性点对地电位（UN=-Ua）；（2）相电压（Ua=0、Ub=Ub+UN、Uc=U
18、c+UN）；（3）线电压（线电压不变）；（4）对地电容电流（入地总电容电流为Id=Ib+Ic）。,3、单相接地情况电流性质：,（1）单相接地电流值为正常时单相电容电流值的3倍（2）电流为纯电容电流，非短路电流（3）电流升高到一定值，将在接地点产生间歇性电弧（间歇性电弧将导致过电压，影响系统稳定性，甚至会损坏设备）,解决方法：中性点装设消弧线圈,消弧线圈的工作原理,Id超前UN，IL落后UN,关于补偿方式问题的分析：（1）全补偿：IL=Id（问题，产生谐振过电压）；（2）欠补偿：ILId（电力系统常采用的方式）,优、缺点比较,1、大接地电流方式；2、小接地电流方式,电力系统中性点接地方式,2、暂时过电压,由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历暂态过程以后达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压，称为暂时过电压。,（1）空载长线效应：在工频电源作用下，远距离空载线路由于电容效应逐步积累，使沿线电压分布不相等，末端电压最高；,常见的暂时过电压分为4类：,（2）不对称短路接地：三相输电线路中如 a 相发生短路接地故障时，健全相 b,c 相上的电压会升高；（3）突然甩负荷过电压：输电线路因发生故障而被迫突然甩掉负荷时，由于电源电动势尚未及时自动调节而引起的过电压。（4）电力系统工频或非工频谐振，以及非线性铁磁谐振等引起的过电压。,各种过电压幅值和持续时间大致范围,结 束,
