目 錄電介質的分類電介質的電氣特性電介質的極化電介質的電導電介質的損耗010203040501電介質的分類01

電介質的分類輸電線路的線間、線對大地在電力系統中，電介質作為電氣設備的絕緣材料使用：高壓電纜的纜芯之間變壓器匝間、繞組鐵心間將電位不同的部件分隔開，使之在電氣上沒有聯系，以保持不同的電位電氣設備的運行可靠性很大程度上取決于電介質的絕緣性能據統計：50%~80%的停電事故是由于設備電介質的絕緣性能下降最終導致擊穿而引起的。研究+掌握電介質在高電壓作用下的特性01

電介質的分類②

液體電介質：各類絕緣油（礦物油、植物油、酯油、硅油）根據物質的形態，電介質可分為：①

氣體電介質：空氣、六氟化硫氣體（SF6）GISGIL實際情況下多為組合絕緣！電力設備的外絕緣：氣+固電力設備的內絕緣：③

固體電介質：無機（云母、電瓷、玻璃…）、有機（紙、樹脂、橡膠…）液+固02電介質的電氣特性02

電介質的電氣特性電介質的電氣特性，主要表現為它們在電場作用下的導電性能、介電性能和電氣強度。以四個參數來表征：電導率γ（或絕緣電阻率ρ）、介電常數ε、介質損耗角正切tanδ、擊穿場強Eb杜邦公司Nomex

410絕緣紙技術手冊：表1：典型電氣特性圖3：不同溫度下的電阻率EbEbεtanδ03電介質的極化03

電介質的極化++--（一）電介質極化的概念①任何結構的電介質在沒有外電場作用時，內部的正、負電荷處于相對平衡狀態，整體上對外沒有極性。②當有外電場作用時，電介質中的正、負電荷將沿著電場方向作有限的位移或者轉向而形成電矩，這種現象稱為電介質的極化。③極化使得電介質的表面出現電荷，其中靠近正極的表面出現負電荷，靠近負極的表面出現正電荷。※電矩：電荷系統的極性的一種衡量，從-q指向+q的矢徑r和電量q的乘積+ -+ -+ -03

電介質的極化極板面積，cm極間距離，cm（二）電介質的相對介電常數介電常數：表示電介質極化的強弱，與電介質分子的極性強弱有關，還受到溫度、外加電場頻率等因素的影響。①

板間為真空，施加直流電壓

U

時，兩極板充有正、負電荷電荷量

Q0

=

C0U，真空電容器的電容量C0：真空介電常數8.86×10-14F/cm②

板間填充電介質后，電介質在電場作用下發生極化極化使得電介質的表面出現電荷由于外施電壓

U

不變，為保持極板間的電場強度不變，必須再從電源吸取一部分電荷ΔQ到極板上，以抵消束縛電荷的作用極板上的電荷量↑電容量C↑對于同一平行板電容器，放入其中的電介質不同，其極化的程度也不同，表現為極板上的電荷量

Q

的不同。03

電介質的極化極板面積，cm極間距離，cm（二）電介質的相對介電常數介電常數：表示電介質極化的強弱。①

板間為真空，施加直流電壓

U

時，兩極板充有正、負電荷電荷量

Q0

=

C0U，真空電容器的電容量C0：真空介電常數8.86×10-14F/cm②

板間填充電介質后，電介質在電場作用下發生極化極化使得電介質的表面出現電荷由于外施電壓

U

不變，為保持極板間的電場強度不變，必須再從電源吸取一部分電荷ΔQ到極板上，以抵消束縛電荷的作用極板上的電荷量↑反映電介質極化現象的強弱電容量C↑加入電介質的介電常數相對介電常數，由電介質的材料決定，并與溫度、頻率等因素有關。03

電介質的極化（三）電介質極化的形式電介質最基本的極化形式有電子式極化、離子式極化和偶極子極化三種，另外還有夾層極化和空間電荷極化等。1、電子式極化電介質中的原子、分子或離子中的電子在外電場的作用下，使電子軌道相對于原子核產生彈性位移，使正、負電荷作用中心不再重合而形成感應偶極矩的過程，稱為電子式極化。特點：（1）存在于所有電介質中。（2）極化建立所需時間極短（10-15~10-14s），在各種頻率的交變電場中均能發生，即

εr

不隨頻率的變化而變化。（3）極化程度取決于電場強度

E，溫度對此種極化的影響極小。（4）極化是彈性的，去掉外電場時極化可立即恢復，極化時消耗的能量可以忽略不計，因此也稱之為“無損極化”。03

電介質的極化（三）電介質極化的形式電介質最基本的極化形式有電子式極化、離子式極化和偶極子極化三種，另外還有夾層極化和空間電荷極化等。2、離子式極化存在于屬于離子式結構的固體無機化合物，如云母、陶瓷等。有外加電場作用時，除了促使各離子內部產生電子式極化外，正、負離子發生方向相反的偏移，使平均偶極矩不再為零，電介質呈現極化。特點：（1）存在于離子結構的電介質中。（2）極化建立所需時間極短（10-13~10-12s），在各種頻率的交變電場中均能發生，即

εr

不隨頻率的變化而變化。（3）溫度升高時離子間的結合力減弱，εr

隨溫度的升高而增大。（4）彈性極化，離子的相對位移是很有限的，沒有離開晶格，去掉外電場時極化可立即恢復，幾乎沒有能量損耗。對外不呈現電極性偶極矩互相抵消正、負離子對稱排列03

電介質的極化（三）電介質極化的形式電介質最基本的極化形式有電子式極化、離子式極化和偶極子極化三種，另外還有夾層極化和空間電荷極化等。3、偶極子極化存在于極性電介質中（膠木、橡膠、纖維素、氯化聯苯等）。有外電場作用時，偶極子受到電場力的作用而發生定向旋轉，做較有規則的排列，整個電介質的偶極矩不再是零，對外呈現極性。特點：（1）存在于極性電介質中。（2）極化建立所需時間較長（10-6~10-2s），

εr

與頻率有較大關系。當頻率較高時，極化由于跟不上電場的變化而減弱，εr

隨頻率的增加而減小。（3）隨著溫度的增加，εr

先增加后降低。（4）非彈性極化，偶極子在轉向時需要克服分子間的吸引力和摩擦力而消耗能量，又稱為“有損極化”。中性分子極性分子正負電荷中心不重合電荷分布不均勻正負電荷中心重合電荷分布均勻03

電介質的極化（三）電介質極化的形式電介質最基本的極化形式有電子式極化、離子式極化和偶極子極化三種，另外還有夾層極化和空間電荷極化等。3、偶極子極化存在于極性電介質中（膠木、橡膠、纖維素、氯化聯苯等）。有外電場作用時，偶極子受到電場力的作用而發生定向旋轉，做較有規則的排列，整個電介質的偶極矩不再是零，對外呈現極性。分子熱運動加劇妨礙偶極子定向排列分子間聯系緊密妨礙偶極子轉向特點：（1）存在于極性電介質中。（2）極化建立所需時間較長（10-6~10-2s），

εr

與頻率有較大關系。當頻率較高時，極化由于跟不上電場的變化而減弱，εr

隨頻率的增加而減小。（3）隨著溫度的增加，εr

先增加后降低。（4）非彈性極化，偶極子在轉向時需要克服分子間的吸引力和摩擦力而消耗能量，又稱為“有損極化”。氯化聯苯的

εr

與溫度

t和頻率

f的關系(f1

<

f2

<

f3

)03

電介質的極化（三）電介質極化的形式電介質最基本的極化形式有電子式極化、離子式極化和偶極子極化三種，另外還有夾層極化和空間電荷極化等。4、空間電荷極化上述三種極化都是由帶電質點的彈性位移或轉向形成的，而空間電荷極化的機理則與上述不同，它是由帶電質點（電子或正、負離子）的移動形成的。在大多數絕緣結構中，電介質往往呈層式結構（宏觀或微觀的），電介質中也可能存在某些晶格缺陷。在電場的作用下，帶電質點在移動時可能被晶格缺陷捕獲，或在兩層介質的界面上堆積，造成電荷在介質空間中新的分布，從而產生電矩。5、夾層極化最明顯的空間電荷極化是夾層極化。在常用的電氣設備如電纜、電容器、旋轉電機、變壓器、電抗器等的絕緣體，都是由多層介質組成的。電壓重新分配電荷重新分配涉及電荷的移動和積聚，帶來能量損失，屬于有損極化03

電介質的極化、（四）各類電介質極化的特點真空的

εr

=1氣體電介質分子間距離很大，密度很小極化程度很弱氣體的

εr

值均可視為

1在工頻電壓下、溫度為

20

℃

時，常用的液體固體電介質的

εr

大多在

2

~

6

之間

。03

電介質的極化（五）電介質極化的工程意義（1）在選擇高壓電氣設備的絕緣材料時,除了注意材料的電氣強度（一般用電介質所能耐受的電壓來衡量）要求以外，還應考慮相對介電常數

εr

的大小。（2）高壓電氣設備中的絕緣常常是由幾種電介質組合而成的，這種情況下要注意各種電介質

εr

值的適當配合，否則可能導致整體絕緣能力的下降。制造電容器時，極間絕緣介質的

εr

大些，可以使電容器單位容量的體積和質量減小在制造電纜時，要選用

εr

小的絕緣材料作為纜芯與外皮間的絕緣介質，以減小充電電流交流及沖擊電壓下，串聯電介質中的電場強度是與

εr

成反比分布εr

小的電介質承受較大的電場強度εr

大的電介質承受較小的電場強度外加電壓的大部分常常由

εr

小的材料所負擔，降低了整體的絕緣能力絕緣油、澆注絕緣中的氣泡氣體

εr

很小，分擔場強很大放電并導致整個絕緣擊穿04電介質的電導04

電介質的電導（一）電介質電導的概念任何電介質都不可能是理想的絕緣體，電介質內部總存在一些自由的或聯系較弱的帶電質點。在電場作用下，電介質中的帶電質點沿電場方向定向移動構成電流的現象，稱為電介質的電導。任何電介質都具有一定的電導，都存在一定的導電性。表示電導特性的物理量是電導率

γ，它的倒數是電阻率

ρ

。金屬的電導：依靠導體中的自由電子，是電子電導電導很大：電導率在105

(1/Ω·cm)以上電介質的電導：依靠電介質本身和雜質分子離解出的離子（主要是雜質離子），是離子性電導電導很小：電導率在10-9

(1/Ω·cm)以下※工程上常用的是電介質的絕緣電阻04

電介質的電導（二）吸收現象電介質在直流電壓

U

作用下，流過電介質的電流

i

隨時間的變化規律如圖所示，它隨時間逐漸衰減，最終達到某個穩定值，這種現象稱為吸收現象。吸收現象是由電介質的極化產生的。流過電介質的電流

i

由三部分組成：ic

——電容電流，是由無損極化產生的電流。由于無損極化建立所需時間很短，所以很快衰減到零ia

——吸收電流，是由有損極化產生的電流。有損極化建立所需時間較長，所以緩慢衰減到零i∞

——電介質的電導電流或泄漏電流，是不隨時間變化的恒定分量電介質在直流電壓

U

的作用下，開始由于各種極化過程的存在，流過的電流較大，然后隨著極化過程的結束，電流逐漸衰減而趨于一穩定值

I∞

,即泄漏電流。與這個穩定值所對應的電阻就稱為電介質的絕緣電阻，記為

R∞

。04

電介質的電導（二）吸收現象電介質的絕緣電阻決定了電介質泄漏電流的大小。過大的泄漏電流在電介質中流通會引起電介質發熱，加速絕緣老化。可以通過測量電介質絕緣電阻的大小來判斷絕緣的優劣狀況。電介質中的電流

i

完全衰減至穩定的泄漏電流

I∞

所對應的吸收過程往往需要數分鐘以上的時間，通常測量絕緣電阻時應施加電壓

1min或

10min（如大型電機）后測得穩定數據。吸收比

K

：用于判斷絕緣是否受潮t

=

15s時流過電介質的電流t

=

60s時流過電介質的電流對于良好的絕緣，一般

K

≥

1.3。當絕緣受潮或劣化時,

K

值變小，如果

K

≈

1，認為絕緣受潮嚴重。04

電介質的電導（三）各類電介質電導的特點1、氣體電介質的電導工作場強低于擊穿場強時，其電導率

γ

為10-16~10-15(1/Ω·cm)，絕緣電阻很大，泄漏電流很小，是良好的絕緣體。2、液體電介質的電導構成液體電介質電導的主要因素有兩種：離子電導和電泳電導。離子電導是由液體本身分子或雜質的分子離解出來的離子造成的；電泳電導是由液體電介質中的膠體質點（如樹脂、炭渣、懸浮狀水滴等）吸附電荷后形成帶電膠粒產生的。含雜質和水分時電導顯著增加純凈時電導很小電導大一般不能用于絕緣04

電介質的電導（三）各類電介質電導的特點3、固體電介質的電導固體電介質的電導分為體積電導和表面電導，與絕緣電阻的體積電阻和表面電阻是相對應。（1）體積電導：在固體電介質上加電壓時，電介質的內部有電流流過。由固體電介質本身的離子和雜質離子構成的離子電導。（2）表面電導：在固體電介質上加電壓時，電介質的表面有電流流過。主要由表面吸附的水分和污物引起。固體電介質表面干燥、清潔時的電導很小。采取使電介質表面潔凈、干燥或涂敷石蠟、有機硅、絕緣漆等措施，可以降低固體電介質的表面電導。04

電介質的電導（四）電介質電導的工程意義1、設備運維層面（1）在高壓設備絕緣預防性試驗中，一般都要通過測量絕緣電阻和泄漏電流來反映絕緣的電導特性，以判斷設備的絕緣是否受潮或其他劣化現象。在測試過程中應消除或減小表面電導對測量結果的影響，并注意測量時的溫度。（2）電介質的電導對電氣設備的運行有重要影響。

電介質的電導隨溫度的升高而增加。

電導產生的能量損耗使設備發熱，為限制設備的溫度升高，有時必須降低設備的工作電流。

在一定的條件下，電導損耗還可能導致電介質發生熱擊穿。2、設備設計層面（1）串聯的多層電介質絕緣結構，在直流電壓作用下的穩態電壓分布與各層電介質的電導成反比。因此，設計用于直流的電氣設備時，要注意各層所用電介質的電導率的配合，盡量使材料得到合理的利用。（2）可以合理利用表面電阻對絕緣電阻的影響。為了減小表面泄漏電流，應盡量提高表面電阻，如對電介質表面進行清潔、干燥處理或涂敷憎水性材料等。當為了減小某部分的電場強度時，則需減小這部分的表面電阻，如在高壓套管法蘭附近涂半導體釉，高壓電機定子繞組露出槽口的部分涂半導體漆等，都可以減小該處的電場強度，以消除電暈。高壓電機線圈端部防暈處理05電介質的損耗05

電介質的損耗（一）電介質損耗的概念任何電介質在電場中都會有能量的損耗。在外加電壓作用下，電介質在單位時間內消耗的能量稱為介質損耗。電導損耗：由泄漏電流引起的，固體、液體、氣體電介質中均存在。通常很小，但當電介質受潮、臟污或溫度升高時，電導損耗會急劇增大。溫度上升電導增大泄漏電流增大極化損耗：由有損極化引起的。介質損耗 發熱進一步增大加速絕緣老化絕緣擊穿電介質的損耗特性對絕緣性能影響極大05

電介質的損耗（二）介質損耗因數

tanδ在直流電壓下，由于電介質中沒有周期性的極化過程，而一次性極化所損耗的能量可以忽略不計，所以電介質中的損耗就只有電導損耗，此時用電介質的電導率即可表達其損耗特性。在交流電壓下，除了電導損耗外，還存在由于周期性反復進行的極化而引起的不可忽略的極化損耗，需要引入一個新的物理量

tanδ

來反映電介質的能量損耗特性。P與U2、ω、Cp和tanδ成正比05

電介質的損耗（三）各類電介質損耗的特點1、氣體電介質的損耗（1）氣體分子間的距離很大，相互間的作用力很弱，在極化過程中不會引起損耗。（2）如果外加電壓還不足以引起電離過程，則氣體中只存在很小的電導損耗（tan

δ

<

10-8）。（3）外加電場大于起始放電電壓

U0

后，發生局部放電，損耗急劇增加。05

電介質的損耗（三）各類電介質損耗的特點2、液體電介質的損耗（1）中性和弱極性液體電介質的極化損耗很小，其損耗主要由電導引起。隨溫度的上升，電導按指數規律增加。（2）極性液體電介質除了電導損耗外，還存在極化損耗，tanδ

值較大。極性電介質

tanδ

與溫度和頻率的關系頻率

↑，曲線

→在較高的頻率下，偶極子來不及充分轉向要使轉向極化充分進行，就必須減小粘滯性即升高溫度05

電介質的損耗（三）各類電介質損耗的特點3、固體電介質的損耗在電氣設備中常用的固體絕緣材料主要有云母、陶瓷、玻璃等無機絕緣材料和聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、纖維素、膠木等有機絕緣材料。（1）云母：絕緣性能優良，不含雜質時沒有顯著的極化過程,在各種頻率下的損耗均主要由電導引起；

tanδ

小，耐高溫性能好，是理想的電機絕緣材料，缺點是機械性能差。（2）電工陶瓷：既有電導損耗，也有極化損耗；

20

℃

和

50

Hz

下電瓷的

tanδ

為

2%

~

5%，含有大量玻璃相的普通電瓷的

tanδ

較大，而以結晶相為主的超高頻電瓷的

tanδ

很小。（3）玻璃：具有電導損耗和極化損耗，總的介質損耗大小與玻璃的成分有關；含堿金屬氧化物（Na2O、K2O

等）的玻璃損耗較大，加入重金屬氧化物（BaO、PbO等）能使堿玻璃的損耗下降一些。（4）聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等非極性有機電介質：如果不含極性雜質，它們都只有電子式極化，損耗僅取決于電導；（5）聚氯乙烯、纖維素、酚醛樹脂、膠木、絕緣紙等極性有機電介質：顯著的極化損耗使這類電介質具有較大的介質損耗，它們的

tanδ

約為

0.1%~1.0%，甚至更大。05

電介質的損耗（四）電介質損耗的工程意義（1）在設計設備的絕緣結構時，必須考慮絕緣介質的

tanδ

值。tanδ

值過大使電介質損耗過大，會引起材料的嚴重發熱，使電介質迅速劣化甚至導致熱擊穿。（2）tanδ

的大小是反映絕緣狀況的重要指標之一，電氣設備出廠或檢修時，測量設備絕緣的tanδ

是一個基本項目。絕緣受潮或劣化時，tanδ

將急劇增大；通過

tanδ

與外加電壓

U

的關系曲線可以判斷絕緣內部是否發生了局部放電。（3）由電介質損耗引起的發熱是在電介質內部產生的,其發熱均勻，不同于外部加熱方式，可利用這一特點作為干燥加熱的特殊手段。Megger

IDAX300

絕緣診斷分析儀課程思政思政融入本節學習的電介質極化過程可分為有損極化和無損極化。無損極化建立時間極短，能夠及時順應外加電場的頻率變化因此沒有能量損耗；而有損極化在遲滯的轉向中消耗了能量。在人生的發展過程中，雖然環境在動態變化，個體內在狀態也處于不斷波動起伏的過程，我們仍需要及時做好職業生涯規劃的評估與調整，靈活應變、調整心態，才能與時代更好地同行。主編:

王喜燕、周鄭目 錄帶電粒子的產生與消失均勻電場中的氣體放電不均勻電場中的氣體放電不同電壓形式下氣隙的擊穿特性提高氣體電介質電氣強度的方法010203040501帶電粒子的產生與消失01

帶電粒子的產生與消失由于氣體絕緣電介質不存在老化的問題，在擊穿后也有完全的絕緣自恢復特性，再加上其成本非常廉價，因此氣體成為了在實際應用中最常見的絕緣介質：幾乎所有的高壓輸電線路（電力電纜除外）、隔離開關的斷口等都是利用空氣介質作為絕緣的。此外，SF6氣體也是工程中使用較多的氣體電介質，如SF6斷路器和SF6全封閉組合電器。氣體間隙在外加電壓作用下會產生放電甚至擊穿，說明氣體中有大量帶電粒子產生；氣體間隙擊穿后，又可自行恢復其絕緣性能，說明氣體中的帶電粒子會消失。01

帶電粒子的產生與消失（一）帶電粒子的產生產生帶電粒子的物理過程稱為電離（或游離），它是氣體放電的首要前提。①

常態下，電子處于離核最近的軌道上②

在外界因素（電場、高溫等）作用下，氣體原子獲得外加能量，一個或若干個電子有可能轉移到離核較遠的軌道上（激發或激勵）③

如果原子獲得的外加能量足夠大，電子還可躍遷至離核更遠的軌道上去，甚至擺脫原子核的約束而成為自由電子，這時原來中性的原子就發生了電離，分解成兩種帶電粒子———自由電子和正離子※

使基態原子或分子中結合最松弛的那個電子電離出來所需的最小能量稱為電離能

ωi，一般約為10~15eV產生激發所需的能量（激勵能）等于該軌道和常態軌道的能級差存在的時間很短，電子將自動返回常態軌道激發時所吸收的能量將以輻射能（光子）形式放出01

帶電粒子的產生與消失（一）帶電粒子的產生產生帶電粒子的物理過程稱為電離（或游離），它是氣體放電的首要前提。①

常態下，電子處于離核最近的軌道上②

在外界因素（電場、高溫等）作用下，氣體原子獲得外加能量，一個或若干個電子有可能轉移到離核較遠的軌道上（激發或激勵）③

如果原子獲得的外加能量足夠大，電子還可躍遷至離核更遠的軌道上去，甚至擺脫原子核的約束而成為自由電子，這時原來中性的原子就發生了電離，分解成兩種帶電粒子———自由電子和正離子※

使基態原子或分子中結合最松弛的那個電子電離出來所需的最小能量稱為電離能

ωi，一般約為10~15eV01

帶電粒子的產生與消失產生碰撞電離的必要條件：（一）帶電粒子的產生引起電離所需的能量可通過不同的形式傳遞給氣體分子，如光能、熱能、機械（動）能等，對應的電離過程稱為碰撞電離、光電離、熱電離等。1、碰撞電離（氣體中產生帶電粒子的最重要的方式）由于受紫外線、宇宙射線及來自地球內部的輻射線的作用，通常氣體中總存在一些散在的電子或離子。這些處于電場中的帶電粒子，在電場

E

的作用下，沿電場方向不斷得到加速并積累動能。當具有的動能積累到一定數值后，在其與間隙中的氣體原子或分子發生碰撞時，可以把自己的動能傳給后者而產生電離。離子或其他質點因其本身的體積和質量較大，難以在碰撞前積累起足夠的能量，產生碰撞電離的概率比電子小得多。在分析氣體放電發展過程時，往往只考慮自由電子與氣體原子或分子相碰撞所引起的碰撞電離。有效電子：通過碰撞，能使中性原子或分子發生電離的電子。電子的質量電子的速度電離能01

帶電粒子的產生與消失（一）帶電粒子的產生2、光電離當電子從高能級返回到低能級時，多余的能量以光子的形式釋放出來；反之，原子也可以吸收光子的能量來提高它的位能。由光輻射引起的氣體原子或分子電離的現象，稱為光電離。發生空間光電離的條件：普朗克常數，4.15×10-15eV·s× =光的頻率 光子的能量光子的能量

hγ

大于等于氣體原子或分子的電離能，就可以使氣體原子或分子發生電離※與電子碰撞電離不同的是，在碰撞后，光子把能量傳給原子或分子后自身便不再存在?

=

????=???代入光電離條件?

=?????銫原子的電離電位最小3.88V直接產生光電離的波長應<3184×10-10m可見光[

λ

=

(4000~5000)×10-10m]都不能使氣體直接發生光電離※在氣體放電中，能導致氣體光電離的光源有外界的高能輻射線，還可能是氣體放電本身01

帶電粒子的產生與消失（一）帶電粒子的產生3、熱電離氣體在熱狀態下引起的電離過程，稱為熱電離，實質上不是一種獨立的電離形式，而是包含著碰撞電離和光電離，只是其能量來源于氣體分子本身的熱能。發生空間熱電離的條件：玻爾茲曼常數，1.38×10-23J/K 熱力學溫度（K）常溫下，氣體質點的熱運動所具有的平均動能遠低于氣體的電離能，不可能產生熱電離。高溫下：平均動能增大，相互撞擊時產生碰撞電離熱輻射光子的能量大，數量多，產生光電離繼續發生碰撞電離產生高速帶電質點 產生高速帶電質點正、負離子復合、激發態原子恢復正常狀態放出光子產生熱能01

帶電粒子的產生與消失（一）帶電粒子的產生4、表面電離金屬電極表面電離：氣體中的電子由電場作用下的金屬表面發射出來。逸出功：從金屬電極表面發射電子需要的能量。金屬的逸出功一般要比氣體的電離能小得多，表面電離在氣體放電過程中有重要作用。陰極的表面電離可在下列情況下發生：（1）正離子撞擊陰極表面（2）光電子發射（3）熱電子發射（4）強場發射（冷發射）電子管音頻放大器（膽機）陰極射線管（顯像管）場發射顯微鏡（FEM）01

帶電粒子的產生與消失（二）帶電粒子的消失去電離：與電離相反的過程，使帶電粒子從電離區消失，或者削弱產生電離的作用。氣體去電離的基本形式：1、漂移帶電粒子在外電場的做用下做定向移動，消逝于電極面形成回路電流。2、擴散由于熱運動，氣體中帶電粒子總是從氣體放電通道中的高濃度區向周圍空間擴散。3、復合異號電荷的粒子相遇時，有可能發生電荷的傳遞而互相中和。4、吸附有些氣體原子或分子對電子具有較強的親合力，當電子與其碰撞時，非但沒有電離出新的電子，反而被吸附其上形成負離子（電離能力遠不如電子）hν復合漂移擴散容易吸附電子形成負離子的氣體稱為電負性氣體，如氯、氟、水蒸氣和六氟化硫（SF6）等。其中，SF6的吸附效應最強烈，其電氣強度遠大于一般氣體，被稱為高電氣強度氣體。電離

>

去電離帶電粒子數↑氣體擊穿電離

<

去電離帶電粒子數↓絕緣恢復02均勻電場中的氣體放電02

均勻電場中的氣體放電線性段飽和段碰撞電離段自持放電段氣隙已擊穿起始放電電壓非自持放電段均勻電場中的起始放電電壓就是間隙的擊穿電壓試驗表明，在標準大氣條件下，均勻電場中空氣間隙的擊穿場強約為30kV（幅值）/cm電流隨外施電壓的提高而增大，因為帶電質點向電極運動的速度加快電流飽和，帶電質點全部進入電極，電流僅取決于外電離因素的強弱光電離電流開始增大，由于電子碰撞電離引起的（一）湯遜放電理論20

世紀初英國物理學家湯遜在均勻電場、低氣壓、短間隙的條件下進行了氣體放電實驗，提出了比較系統的氣體放電理論，闡述了氣體放電過程，并確定了放電電流和擊穿電壓之間的函數關系。盡管湯遜放電理論只適用于低氣壓短間隙均勻電場中的氣體放電現象，但其中描述的氣體放電的基本物理過程卻具有普遍意義。1、湯遜放電實驗電流急劇上升放電過程進入了一個新的階段（擊穿）02

均勻電場中的氣體放電（一）湯遜放電理論2、電子崩湯遜引入了“電子崩”的概念用于解釋氣體放電過程中碰撞電離的現象。光電離產生的起始電子帶電粒子數迅速增多迅猛發展，如雪崩狀U

>UB線性段飽和段碰撞電離段自持放電段起始放電電壓非自持放電段光電離正離子向陰極運動釋放二代電子 彌補原先產生電子崩并已進入陽極的初始電子3、湯遜自持放電條件U

>UC-撞擊陰極發生表面電離-后繼電子崩無須依靠其他外界電離因素而僅依靠放電過程本身就能自行得到發展02

均勻電場中的氣體放電（一）湯遜放電理論3、總結（1）電子碰撞電離是氣體電離的主要原因；（2）正離子碰撞陰極表面使陰極表面電離并發射電子是維持氣體放電的必要條件；（3）陰極發射電子能否接替初始電子的作用是自持放電的判據。02

均勻電場中的氣體放電（二）巴申定律早在湯遜放電理論出現之前，物理學家巴申就于

19

世紀末對氣體放電進行了大量的實驗研究，并總結得出了放電電壓與放電距離

d

和氣壓

P

的乘積的關系曲線，即

Ub

=

f

(Pd)

。Ub

不僅由間隙距離

d

決定，而且也是

Pd的函數；Ub

不是單調函數，存在極小值；（3）不同氣體的巴申曲線不同，

Ub

及其對應的

Pd

不同。湯遜放電理論能夠完整解釋巴申曲線對其左半支：當

d

一定時：當

P

一定時：02

均勻電場中的氣體放電（二）巴申定律早在湯遜放電理論出現之前，物理學家巴申就于

19

世紀末對氣體放電進行了大量的實驗研究，并總結得出了放電電壓與放電距離

d

和氣壓

P

的乘積的關系曲線，即

Ub

=

f

(Pd)

。Ub

不僅由間隙距離

d

決定，而且也是

Pd的函數；Ub

不是單調函數，存在極小值；（3）不同氣體的巴申曲線不同，

Ub

及其對應的

Pd

不同。湯遜放電理論能夠完整解釋巴申曲線對其右半支：當

d

一定時：當

P

一定時：高氣壓或高真空都可提高擊穿電壓02

均勻電場中的氣體放電（三）流注放電理論湯遜放電理論能夠較好地解釋均勻電場中低氣壓、短間隙的氣體放電過程，但在解釋大氣中長間隙（Pd

較大）放電過程時，以下幾點實驗現象無法全部在湯遜放電理論范圍內給予解釋：湯遜放電理論適用于

Pd<27.0kPa·cm的情況1atm=101.325

kPa若

P

=

1

atm，則

d

=

0.266

cm流注放電理論與湯遜放電理論的不同之處：（1）湯遜放電理論沒有考慮游離出來的空間電荷對電場的畸變作用；（2）湯遜理論沒有考慮光子在放電過程中的的作用。流注放電理論認為：（1）電子的碰撞電離和空間光電離是形成自持放電的主要因素；（2）空間電荷對電場的畸變作用是產生光電離的重要原因。局限性：尚不完備，目前只能做定性描述。02

均勻電場中的氣體放電（三）流注放電理論1、空間電荷對電場的畸變作用大大加強了崩頭及崩尾的電場，削弱了崩頭內部正、負電荷之間的電場。E1E2E3電子崩頭部：電場明顯增強，有利于發生激勵或電離現象，當它們恢復到正常狀態時放射出光子崩內部正、負電荷區域：電場被大大削弱，有助于發生復合過程，并放射出光子E※如果外電場較弱，上述過程不會很強烈，不會引起什么新的現象（電子崩經過整個間隙后，電子進入陽極，正離子趨向陰極，電子崩消亡，前仆后繼不會轉入自持）。※當外電場足夠強時，情況就會發生質的變化，電子崩頭部開始形成流注。初始電子崩（初崩）02

均勻電場中的氣體放電現象，而這一因素在大氣壓、長氣隙的擊穿過程中起著重要的作用。（三）流注放電理論2、空間光電離的作用初崩頭部成為輻射源后，會向氣隙空間各處發生光子而引起空間光電離；湯遜理論沒有考慮放電本身所引發的空間光電離初始電子崩光電子引發光電離光子前進軌跡在初崩頭強化的電場中形成二次崩發射到兩側的光子也能產生光電子，但不存在強場，不易發展成二次崩二次崩頭的電子進入初崩的正電荷區匯合成流注通道單個電子崩向陽極方向推進新的電子崩向陰極擴展二次崩尾正電荷與原正匯合，大大加強崩尾外不斷造成新的衍生電電荷區圍電場子崩流注通道貫通，形成熱電離氣隙擊穿頭部電場強繼續引起光電離延長流注通道02

均勻電場中的氣體放電（三）流注放電理論2、空間光電離的作用初崩頭部成為輻射源后，會向氣隙空間各處發生光子而引起空間光電離；湯遜理論沒有考慮放電本身所引發的空間光電離現象，而這一因素在大氣壓、長氣隙的擊穿過程中起著重要的作用。初始電子崩空間電荷二次電子崩光電離流注

自持注入初崩02

均勻電場中的氣體放電（三）流注放電理論流注放電理論可以解釋湯遜放電理論不能說明的大氣放電現象：03不均勻電場中的氣體放電03

不均勻電場中的氣體放電avEmax電場不均勻系數

f

f

=

E湯遜放電實驗中的均勻電場是一種少有的特例，實際電力設施中常見的是不均勻電場。均勻電場：削弱了邊緣效應的平行板電極。稍不均勻電場：球隙。極不均勻電場：棒-板電極，棒-棒電極=1<2>4Eav=U/

d03

不均勻電場中的氣體放電（一）稍不均勻和極不均勻電場中的氣體放電特征稍不均勻電場的放電特性：與均勻電場相似，間隙擊穿前看不到什么放電跡象，一旦出現自持放電，便立即導致整個間隙的擊穿。極不均勻電場的放電特性：由于電場強度沿氣隙的分布極不均勻，當外加電壓達到某一臨界值時，曲率半徑較小的電極表面附近的局部區域首先出現電暈放電現象，它環繞該電極表面有藍紫色暈光。當外加電壓進一步增大時，電暈區也隨之擴大，間隙中的放電電流也從微安級增大到毫安級，但氣隙依然保持其絕緣狀態，沒有被擊穿。03

不均勻電場中的氣體放電電極的曲率半徑越小，Emax

就越大，電場越不均勻例如：“棒-板”間隙中，棒電極表面場強最大棒電極附近空間的場強首先達到起始放電場強

E0持續升壓局部區域中首先出現碰撞電離和電子崩，甚至出現流注，并發展成為自持放電離棒電極較遠的地方電場強度仍然很低自持放電只能局限在電極附近一個不大的區域（二）極不均勻電場中的電暈放電電暈放電可以是極不均勻電場氣隙擊穿過程的第一階段，也可以是長期存在的穩定放電形式。電暈起始電壓：開始出現電暈放電的電壓。特點：表面會出現藍紫色暈光，并伴有輕微的“嘶嘶”響聲，嚴重時還可嗅到臭氧的氣味。不利之處：引起能量損失、產生高頻電磁波、氧化和腐蝕作用、噪音。03

不均勻電場中的氣體放電（二）極不均勻電場中的電暈放電研究電暈放電、如何限制電暈放電，是高電壓技術中的一項重要任務。限制電暈放電最有效的措施：增大電極的曲率半徑，改進電極形狀。超（特）高壓線路采用分裂導線 高壓電器中空心薄殼的、擴大尺寸的球面或旋轉橢圓面等形式的電極電暈放電的利用：在輸電線上傳播的雷電過電壓波將因電暈而衰減其幅值和降低其波前陡度，操作過電壓的幅值也會受到電暈的抑制，電暈放電還在靜電除塵器、靜電噴涂裝置、臭氧發生器等工業設施中獲得廣泛的應用。03

不均勻電場中的氣體放電（三）極不均勻電場中的極性效應極性效應是不對稱的極不均勻電場所具有的特性之一：對于電極形狀不對稱的不均勻電場氣隙，如棒-板間隙，棒電極的極性不同時，間隙的電暈起始電壓和擊穿電壓的大小也不同。1、正極性：“正棒”

對“負板”，“棒—板”間隙的擊穿電壓較低，而其電暈起始電壓相對較高。（1）電子崩電子進入電極，間隙中正離子移動速度慢，形成正極性空間電荷。（2）正空間電荷削弱電極表面附近空間電場，抑制電暈放電起始，電暈起始電壓增加。（3）正空間電荷增強正離子區外側空間電場，間隙擊穿較為容易。電暈放電區的擴展，強場區隨著電暈放電區擴展逐漸向板極方向推進，有利于放電發展。電子崩由E小向E大發展03

不均勻電場中的氣體放電（三）極不均勻電場中的極性效應極性效應是不對稱的極不均勻電場所具有的特性之一：對于電極形狀不對稱的不均勻電場氣隙，如棒-板間隙，棒電極的極性不同時，間隙的電暈起始電壓和擊穿電壓的大小也不同。2、負極性：“負棒”

對“正板”，“棒—板”間隙的擊穿電壓較高，而其電暈起始電壓相對較低。（1）電子崩從棒電極表面出發向外發展，崩頭電子雖不能再引起碰撞電離，但仍繼續往極板運動。（2）電極附近殘余正離子，正空間電荷增強電極表面附近空間電場，電極附近放電容易，電暈起始電壓降低。（3）正空間電荷削弱外圍空間的電場，外圍空間放電（擊穿）困難。隨著電壓增加，電暈放電區不易擴散，放電發展不順利，放電電壓比正極性時高得多。電子崩由E大向E小發展03

不均勻電場中的氣體放電（三）極不均勻電場中的極性效應輸電線路和電氣設備外絕緣的空氣間隙大都屬于極不均勻電場的情況，所以在工頻高電壓的作用下，擊穿均發生在外加電壓為正極性的那半周內；在進行外絕緣的沖擊高壓試驗時，也往往施加正極性沖擊電壓，因為這時的電氣強度較低。03

不均勻電場中的氣體放電（四）極不均勻電場中的放電發展過程實踐證明，當氣隙距離較長時，存在某種新的、不同形式的放電過程，人們稱其為先導過程。（1）流注通道發展到足夠長度后，將有較多的電子沿通道流向電極，通過通道根部的電子最多；（2）流注從根部開始發熱，溫度可達數千攝氏度或更高，足以使氣體出現熱電離，出現一個莖狀發亮的熱電離通道，稱為先導通道；（3）先導中電離過程更為強烈帶電質點的濃度遠大于流注通道，因而電導更大，壓降更小，相當于把棒電極移動至通道前端，使前方場強大增，引起新的強流注；（4）流注中的電子又匯合到通道前端，繼續加長先導通道向間隙深處延伸，直到接近對面的電極；（5）先導通道發展到接近對面電極時，在余下的小間隙中場強達到極大的數值，

引起強烈的電離，這一間隙中出現了離子濃度遠大于先導的等離子體，這一強電離區又以極高的速度向相反方向傳播，同時中和先導通道中多余的空間電荷，這個過程稱為主放電。在極不均勻電場中，短間隙的放電可分為電子崩、流注和主放電階段；長間隙則可分為電子崩、流注、先導和主放電階段。間隙越長，先導過程就發展得越充分。04不同電壓形式下氣隙的擊穿特性04

不同電壓形式下氣隙的擊穿特性（一）相關概念1、完成氣隙擊穿的條件（1）足夠大的電場強度或足夠高的電壓。（2）在氣隙中存在能引起電子崩并導致流注和主放電的有效電子。（3）需要一定的時間，讓放電得以逐步發展并完成擊穿。氣隙上所加的是直流電壓、工頻交流電壓等持續作用的電壓：放電時間很短（以μs計），上述第三個條件容易滿足。氣隙上所加的是沖擊電壓：變化速度快、作用時間短，有效時間以μs計，放電時間變成重要因素。2、放電時間的組成升壓時間

t0：電壓從零升高到靜態擊穿電壓

U0

所需的時間。統計時延

ts：從電壓升到

U0

的時刻起間隙中形成第一個有效電子的時間。放電形成時延

tf：從出現第一個有效電子的時刻到間隙完全擊穿的時間。（短間隙尤其是均勻電場中

tf

<<ts，tlag

≈ts）放電時延tlag

=ts

+tf

、擊穿時間tb電壓幅值

U

越大放電過程發展越快tb和

tlag越短04

不同電壓形式下氣隙的擊穿特性（二）標準沖擊電壓波為使實驗結果能相互比較，需要規定標準波形。我國規定的標準沖擊電壓波形主要有：1、標準雷電沖擊電壓波波形由波前時間T1、半峰值時間T2確定。國際電工委員會（IEC）和我國國家標準對標準雷電沖擊電壓波的規定為：T1

=

1.2

μs，容許誤差

±

30%；T2

=

50

μs，容許誤差

±

20%。

通常寫成

1.

2/50

μs，并在前面加上正、負號以標明其極性。04

不同電壓形式下氣隙的擊穿特性（二）標準沖擊電壓波為使實驗結果能相互比較，需要規定標準波形。我國規定的標準沖擊電壓波形主要有：2、標準雷電截波波形由波前時間T1、截斷時間T2確定。當電力系統絕緣遭受雷擊而突然發生放電，波形即被截斷。被截斷的雷電沖擊電壓波形稱為雷電沖擊電壓截波（主要考驗設備的縱絕緣）。對某些絕緣來說，它的作用要比全波更加嚴酷。IEC和我國國家標準對標準雷電截波的規定為：T1

=

1.2

μs，容許誤差

±

30%；T2

=

2~5

μs，通常寫成

1.2

/

2~5

μs。04

不同電壓形式下氣隙的擊穿特性（二）標準沖擊電壓波為使實驗結果能相互比較，需要規定標準波形。我國規定的標準沖擊電壓波形主要有：3、標準操作沖擊電壓波操作沖擊電壓是由于電力系統操作或發生事故時，因狀態發生突然變化而引起電感和電容回路的振蕩而產生的過電壓。標準操作沖擊電壓波是用來等效模擬電力系統中的操作過電壓波的，IEC標準和我國標準的規定為：波前時間

Tcr

=

250μs，容許誤差

±20%；半峰值時間

T2

=

2500

μs，容許誤差

±

60%，通常寫成

250/2500μs

沖擊波。04

不同電壓形式下氣隙的擊穿特性（三）沖擊電壓下氣隙的擊穿特性在持續電壓作用下，當氣體狀態不變時，每一氣隙的擊穿電壓為一確定的數值，因而通常以這一擊穿電壓值來表征氣隙的擊穿特性或電氣強度。與此不同，氣隙在沖擊電壓作用下的擊穿復雜得多，此時氣隙的擊穿特性通常采用以下兩種表征方法：1、50%沖擊擊穿電壓(U50%)隨著電壓峰值的繼續升高，多次施加電壓時氣隙發生擊穿的百分比越來越大。最后當沖擊電壓的峰值超過某一值后，氣隙在每次施加電壓時都將發生擊穿。從說明氣隙耐受沖擊電壓的能力看，希望求得剛好發生擊穿時的電壓，但這個電壓在實驗中很難準確求得，所以工程中廣泛采用擊穿百分比為50%時的電壓，即50%沖擊擊穿電壓（U50%

）。

顯然，確定U50%時施加電壓的次數越多，得到的U50%越準確，但工作量也越大。在工程實際中，通常以施加10次電壓中有4~6次擊穿，即可認為這一電壓就是氣隙的U50%。※

當電壓低于U50%時，氣隙也不是一定不會擊穿。如果采用

U50%

來決定所用氣隙距離時，必須考慮一定的裕度。沖擊系數

β：

U50%與U0之比。β

=

1：均勻或稍不均勻電場，分散性很小；

β

>

1：極不均勻電場中，分散性大。保持沖擊電壓的波形不變逐漸升高沖擊電壓的幅值04

不同電壓形式下氣隙的擊穿特性（三）沖擊電壓下氣隙的擊穿特性2、伏秒特性氣隙的沖擊擊穿特性必須用電壓峰值和擊穿時間這兩個參量共同來描述，這種特性稱為氣隙的伏秒特性。伏秒特性是防雷設計中實現保護設備和被保護設備間絕緣配合的依據：伏秒特性對于比較不同設備絕緣的沖擊擊穿特性有重要意義，如果一個電壓同時作用在兩個并聯的絕緣結構上，其中一個絕緣結構先擊穿，電壓被截斷短接，另一個絕緣結構就不會再被擊穿，則前者保護了后者。沖擊電壓峰值低時S2能保護S1沖擊電壓峰值高時S2不能保護S104

不同電壓形式下氣隙的擊穿特性（三）沖擊電壓下氣隙的擊穿特性2、伏秒特性（1）對某一間隙施加沖擊電壓，保持其波形不變，逐漸升高沖擊電壓的峰值，得到該間隙的放電電壓

u

與放電時間

t

的關系；（2）當電壓較低時，擊穿一般發生在波尾部分。當在波尾擊穿時,不能用擊穿時的電壓作為氣隙的擊穿電壓，因為在擊穿過程中起決定作用的應是曾經作用過的沖擊電壓的峰值，所以應該把峰值電壓作為氣隙的擊穿電壓；它與放電時間的交點才是伏秒特性的一個點。（3）當電壓較高時，放電時間大大縮短，擊穿發生在波前部分，在波前擊穿時就以擊穿時的電壓作為氣隙的擊穿電壓值，它與放電時間的交點為伏秒特性的一個點。05提高氣體電介質電氣強度的方法05

提高氣體電介質電氣強度的方法為了縮小電力設施的尺寸，總希望將氣隙長度或絕緣距離盡可能取得小一些，為此需要采取措施，以提高氣體介質的電氣強度。①

改進電極形狀改善氣隙中的電場分布使之盡量均勻削弱或抑制氣體介質的電離過程提高氣隙擊穿電壓途徑②

利用空間電荷改善電場分布③

極不均勻電場采用屏障④

采用高氣壓⑤

采用高真空⑥

采用高電氣強度氣體“兩種途徑”“六種措施”05

提高氣體電介質電氣強度的方法1、改進電極形狀及表面狀況間隙電場分布越均勻，擊穿電壓越高（平均擊穿場強越高）?？赏ㄟ^改進電極形狀的方法來減小氣隙中的最大電場強度。以改善電場分布，提高氣隙的擊穿電壓：①

增大電極曲率半徑

→

均壓環/屏蔽環②

消除電極表面的毛刺

→

避免局部電場集中05

提高氣體電介質電氣強度的方法2、利用空間電荷改善電場分布極不均勻電場中間隙被擊穿前先發生電暈現象，所以在一定條件下，可以利用放電產生的空間電荷來改善電場分布，提高擊穿電壓。例如：導線與平板間隙中，導線直徑很小時，導線周圍容易形成比較均勻的電暈層，由于電暈層比較均勻，電場分布改善，提高了擊穿電壓。（細線效應）05

提高氣體電介質電氣強度的方法3、極不均勻電場中采用屏障改善電場分布在極不均勻電場中，放入薄片固體絕緣材料，在一定條件下可以顯著提高間隙的擊穿電壓。屏障用極薄的絕緣材料制成，其本身的耐電強度并沒有多大意義。屏障的作用取決于它所攔住的與電暈電極同號的空間電荷，這樣就能使電暈電極與屏障之間的空間電場強度減小，從而使整個氣隙的電場分布均勻化。05

提高氣體電介質電氣強度的方法4、采用高氣壓標準大氣條件下，均勻場中空氣平均擊穿場強約為30kV/cm，低于液體和固體電介質。原理：采用高氣壓可減少電子平均自由程，削弱電離過程，提高擊穿電壓。特點：高氣壓下，電場不均勻程度對擊穿電壓影響顯著。采用高氣壓的電氣設備應使電場盡可能均勻，避免電極表面粗糙度對擊穿電壓的影響。05

提高氣體電介質電氣強度的方法5、采用高真空由巴申定律，當氣隙中的壓力很低（接近真空）時，氣隙中的碰撞電離過程也會減弱，擊穿電壓能得到顯著提高。原理：在稀薄的空氣空間中，電子的自由行程長度雖然很大，但其與中性質點發生碰撞的概率卻幾乎為零。特點：高氣壓下，電場不均勻程度對擊穿電壓影響顯著。采用高氣壓的電氣設備應使電場盡可能均勻，避免電極表面粗糙度對擊穿電壓的影響。05

提高氣體電介質電氣強度的方法6、采用高電氣強度氣體高電氣強度氣體：在氣體電介質中，一些含鹵族元素的強電負性氣體，如六氟化硫（SF6）、氟利昂（CCl2F2）等。具有強烈的吸附效應，所以在相同的壓力下具有比空氣高得多的電氣強度（約為空氣的2.5~3倍）。分子直徑較大，平均自由行程較短，不易積聚能量。目前工程上唯一獲得廣泛使用的高電氣強度氣體只有SF6及其混合氣體封閉式組合電器GIS課程思政思政融入本節學習的沖擊電壓下氣隙的擊穿特性中指出，氣隙的沖擊擊穿特性必須用電壓峰值和擊穿時間這兩個參量共同來描述。在人生的發展過程中，個人取得的一個個突破就類似于氣隙的擊穿，它的實現不但需要我們擁有敢打敢拼的精神，面對困難時持之以恒的決心和毅力也是必不可少的因素。不管開展何種工作，我們都要保持恒心，不間斷地努力，最終定會看到成果。主編:

王喜燕、周鄭目 錄液體電介質的擊穿特性液體電介質的擊穿理論影響液體電介質擊穿電壓的因素提高液體電介質擊穿電壓的措施0102030401液體電介質的擊穿特性01

液體電介質的擊穿特性與氣體電介質相似，液體電介質在強電場作用下也會出現由絕緣介質轉變為導體的擊穿過程?！?/p>

擊穿機理的研究遠不及對氣體電介質的研究那么充分。這是因為工程中實際使用的液體介質并不是完全純凈的，往往含有水分、氣體、固體微粒和纖維等雜質，它們對液體介質的擊穿過程有很大影響。礦物油植物油液體電介質人工合成油①

變壓器油②

斷路器油③

電纜油……①

芳烴合成油②

硅油③

酯油……①

菜籽油②

山茶籽油③

花生油……?

最常用，從石油中提煉出來液體電介質的用途：絕緣散熱滅弧（斷路器）儲能（電容器）02液體電介質的擊穿理論02

液體電介質的擊穿理論（一）純凈液體電介質的擊穿1、電擊穿理論與氣體電介質的擊穿理論相似：在液體介質中，由于外界的高能射線或局部強電場的作用或陰極上的強電場發射等原因，介質中總存在有一些初始電子在電場作用下向陽極作加速運動并積累能量，與液體分子發生碰撞產生碰撞游離，形成電子崩導致液體電介質失去絕緣能力而發生擊穿。初始電子碰撞電離電子崩擊穿由于液體電介質的密度遠比氣體電介質的密度大，所以電子在其中的自由行程很短，不容易積累起產生碰撞游離所需的動能。因此純凈液體電介質的耐電強度比常態下氣體電介質的耐電強度高得多，擊穿場強可達1000kV（幅值）/cm以上。擊穿場強隨物性參數的變化規律：密度↑

→擊穿場強↑溫度↑ → 擊穿場強↓電壓作用時間↓

→

擊穿場強↑02

液體電介質的擊穿理論原始氣泡產生分配到較大場強氣泡電離溫度升高、體積膨脹產生的帶電粒子撞擊分解氣體，產生更多氣泡排列成連通兩電極的小橋擊穿可能在此通道發生（一）純凈液體電介質的擊穿2、氣泡擊穿理論當純凈液體電介質承受較高的電場強度時，在其中會有氣泡產生。氣泡產生主要原因：（1）電子電流會使液體發熱而分解出氣泡；（2）電子在電場中運動會與液體電介質分子發生碰撞而導致液體分子解離產生氣泡；（3）由于電極表面粗糙等原因導致局部電場集中處發生電暈放電而使液體加熱汽化產生氣泡。擊穿過程：※氣泡擊穿理論依賴于氣泡的形成、發熱膨脹、氣體通道的擴大并排列成“小橋”,有熱的過程，屬于熱擊穿的范疇。02

液體電介質的擊穿理論（二）工程用液體電介質的擊穿氣泡擊穿理論可以推廣到由其他懸浮雜質引起的擊穿，從而較好地解釋變壓器油等工程用液體介質的擊穿過程。工程用液體電介質由于雜質的存在，擊穿場強大大降低，約為120~200kV（幅值）/cm。以工程用變壓器油為例，雜質主要為：油與大氣接觸時從大氣中吸收的氣體和水分；脫落的紙或布的纖維；油質劣化分解出的氣體、水分和聚合物等雜質的

ε

和

γ異于絕緣油使油中電場分布畸變影響擊穿場強用“小橋”理論來說明其擊穿過程由于液體電介質中水和纖維的

εr（分別為81和6~7）比油的

εr（1.8~2.8）大得多，這些雜質很容易極化并沿電場方向定向排列成雜質小橋。這時會發生兩種情況：（1）如果雜質小橋尚未接通電極，則纖維等雜質與油串聯，由于纖維的

εr

大以及含水分纖維的電導大，使其端部油中電場強度顯著增高并引起電離，于是油分解出氣體，氣泡擴大，電離增強；（2）如果雜質小橋接通電極，因小橋的電導大而導致泄漏電流增大，發熱嚴重，促使水分汽化，氣泡擴大，發展下去也會出現氣體小橋，使油隙發生擊穿。03影響液體電介質擊穿電壓的因素03

影響液體電介質擊穿電壓的因素液體電介質擊穿電壓的大小既決定于其自身品質的優劣，也與溫度、電壓等外界因素有關。（一）液體電介質本身品質的影響：取決于所含雜質的多少，雜質越多、品質越差、擊穿電壓越低。通常用標準油杯按標準試驗方法測得的工頻擊穿電壓來衡量其品質的優劣

。我國采用的標準油杯

不同電壓等級電氣設備中所用變壓器油應符合的電氣強度：03

影響液體電介質擊穿電壓的因素液體電介質擊穿電壓的大小既決定于其自身品質的優劣，也與溫度、電壓等外界因素有關。（一）液體電介質本身品質的影響：取決于所含雜質的多少，雜質越多、品質越差、擊穿電壓越低。1、含水量對耐電強度的影響存在方式（1）含水量極微小時，水分以分子狀態溶解于油中，對耐電強度影響不大；（2）含水量超過其溶解度時，多余的水分以乳化狀態懸浮于油中，對油的耐電強度有很強烈影響；（3）含水量繼續增大時，多余的水分沉淀到油的底部，擊穿電壓不再下降，但對于油的絕緣性能非常有害。在標準油杯中測出的變壓器油的工頻擊穿電壓與含水量的關系：（1）當油中含水量達十萬分之幾時，它對擊穿電壓就有明顯的影響，這意味著油中已出現懸浮狀水滴；（2）當油中含水量達0.

02%時，擊穿電壓已下降至10kV；（3）含水量繼續增大時,擊穿電壓下降已不多。03

影響液體電介質擊穿電壓的因素液體電介質擊穿電壓的大小既決定于其自身品質的優劣，也與溫度、電壓等外界因素有關。（一）液體電介質本身品質的影響：取決于所含雜質的多少，雜質越多、品質越差、擊穿電壓越低。2、含纖維量對耐電強度的影響當油中有纖維存在時，在電場力的作用下，纖維將沿著電場方向極化排列成雜質小橋，使油的擊穿電壓大大下降。纖維具有很強的吸附水分的能力，吸濕的纖維對擊穿電壓的影響更大。3、含氣量對耐電強度的影響溶解于油中的氣體在短時間內對油的性能影響不大，主要是使油的黏度和耐電強度稍有降低。其主要危害為：當溫度、壓力等發生改變時，溶解在油中的氣體可能析出，成為自由狀態的小氣泡，容易導致局部放電；溶解在油中的氧氣經過一定時間會使油逐漸氧化,酸價增大,并加速油的老化。4、含碳量對耐電強度的影響細而分散的碳粒對油的耐電強度的影響并不顯著，但碳粒（再加吸附了某些水分和雜質）逐漸沉淀到電氣設備的固體介質表面形成油泥，易造成油中沿固體介質表面的放電，同時也影響散熱。03

影響液體電介質擊穿電壓的因素液體電介質擊穿電壓的大小既決定于其自身品質的優劣，也與溫度、電壓等外界因素有關。（二）溫度的影響：擊穿電壓與油溫的關系比較復雜，隨電場的均勻程度、油的品質及電壓類型的不同而異。曲線1：純凈的絕緣油油溫升高有利于碰撞電離，擊穿電壓稍有下降。曲線2：潮濕的絕緣油（1）0℃以下：水滴凍結成冰粒，油也將逐漸凝固，使擊穿電壓升高；（2）自0℃上升：部分水溶解，擊穿電壓上升；（3）0~5℃：全部水分轉化為乳濁狀態，導電小橋最易形成，出現擊穿電壓最小值；（4）超過80℃：水開始汽化產生氣泡，引起擊穿電壓下降。03

影響液體電介質擊穿電壓的因素液體電介質擊穿電壓的大小既決定于其自身品質的優劣，也與溫度、電壓等外界因素有關。（三）電場均勻度的影響保持油溫不變，改善電場的均勻度，能使優質油的工頻擊穿電壓顯著增大，也能大大提高其沖擊擊穿電壓；品質差的油由于含雜質較多，改善電場對提高其工頻擊穿電壓的效果較差；在沖擊電壓下，因雜質來不及形成小橋，雜質對擊穿電壓的影響很小，所以改善電場總能顯著提高其沖擊擊穿電壓。（四）電壓作用時間的影響當電壓作用時間極短，小于毫秒級（如雷電沖擊電壓）時：油的擊穿屬于電擊穿性質，擊穿電壓比較高，且影響油隙擊穿電壓的主要因素是電場的均勻程度，雜質在其中的影響還不能顯示出來；當電壓作用時間更長時：油中的雜質開始聚集，且有足夠的時間在間隙中形成小橋，油隙的擊穿開始出現熱過程，擊穿電壓隨電壓作用時間的增長而顯著下降，屬于熱擊穿的性質。（五）油壓的影響不論電場是否均勻，工業純變壓器油的工頻擊穿電壓總是隨油壓的增大而增大；如果將油進行脫氣處理，則其工頻擊穿電壓就幾乎與油壓無關；由于油中的氣泡等雜質不影響沖擊擊穿電壓，所以油壓的大小不影響油隙的沖擊擊穿電壓。04提高液體電介質擊穿電壓的措施04

提高液體電介質擊穿電壓的措施工程用油中的雜質對油隙的工頻擊穿電壓有很大的影響。設法減少雜質的影響，提高油的品質是提高擊穿電壓的首要措施，常用方法如下：（一）提高及保持油的品質過濾防潮祛氣04

提高液體電介質擊穿電壓的措施工程用油中的雜質對油隙的工頻擊穿電壓有很大的影響。設法減少雜質的影響，提高油的品質是提高擊穿電壓的首要措施，常用方法如下：（二）采用“油-屏障”式絕緣以變壓器油為主要電介質，在油隙中放置若干屏障以改善電場分布和阻止雜質小橋的形成，能顯著提高油隙的擊穿電壓。1、覆蓋層緊緊包在小曲率半徑電極上的薄固體絕緣層，不會引起油中電場的改變，主要作用是阻止雜質小橋直接接觸電極，減小了流經雜質小橋的泄漏電流，阻礙了雜質小橋中熱擊穿過程的發展。在均勻電場中，擊穿電壓可提高70%

~

100%；在極不均勻電場中，擊穿電壓可提高

10%

~

15%。2、絕緣層厚度為數毫米到數十毫米，能分擔一定的電壓，且能降低電極表面附近的最大電場強度；通常只用在不均勻電場中，用于變壓器的高壓引線、屏蔽環，以及充油套管的導電桿。3、屏障在油隙中放置的尺寸較大、形狀與電極相適應、厚度為1~5mm的層壓紙板或層壓布板；既能阻礙雜質小橋的形成，又能像氣體介質中的屏障那樣攔住一部分帶電粒子；在稍不均勻電場中放置屏障，可將擊穿電壓提高

25%

以上；在極不均勻電場中放置屏障效果更為顯著，可將擊穿電壓提高兩倍甚至更高。04

提高液體電介質擊穿電壓的措施工程用油中的雜質對油隙的工頻擊穿電壓有很大的影響。設法減少雜質的影響，提高油的品質是提高擊穿電壓的首要措施，常用方法如下：（二）采用“油-屏障”式絕緣以變壓器油為主要電介質，在油隙中放置若干屏障以改善電場分布和阻止雜質小橋的形成，能顯著提高油隙的擊穿電壓。高壓引線絕緣層高壓引線絕緣層屏障課程思政思政融入本節學習的液體電擊穿理論中指出，液體的擊穿與氣體類似，也是由于介質中存在的初始電子在電場作用下向陽極作加速運動并積累能量，最終形成電子崩導致的。雖然初始電子數量微小，但在持續的外界作用下不斷加速后引發質變，仍然能帶來天翻地覆的變化。不積跬步，無以至千里；不積小流，無以成江海。在學習和實踐中必須首先作艱苦的量的積累工作，要有腳踏實地，埋頭苦干的精神，要一點一滴地抓住細小的機遇認真對待，反對急于求成，立竿見影，揠苗助長，須知欲速則不達的道理。主編:

王喜燕、周鄭目 錄固體電介質的擊穿影響固體電介質擊穿電壓的因素提高固體電介質擊穿電壓的措施01020301固體電介質的擊穿01

固體電介質的擊穿絕緣介質除了氣體、液體外還有固體。固體電介質除了可以用作絕緣材料外還可用作載流導體的支撐或作為極間屏障。載流導體的支撐載流導體的支撐極間屏障變壓器繞組絕緣筒動車組車頂支撐絕緣子 電力線路瓷橫擔常用的固體電介質：陶瓷、云母、絕緣紙、環氧樹脂、玻璃纖維板、硅橡膠、塑料…特點：固有耐電強度極高，約為十幾~幾百

kV/mm

（空氣為3~4

kV/mm，液體為10~20

kV/mm）。擊穿后會在其擊穿路徑上留下不可恢復的放電痕跡，從而永遠喪失其絕緣性能，為非自恢復絕緣。01

固體電介質的擊穿內部存在少量帶電粒子在強電場作用下加速撞擊晶格結點上的原子（或離子）碰撞電離形成電子崩晶格結構被破壞電導增大最終擊穿主要特征：電壓作用時間短，擊穿電壓高（擊穿場強達105~106

kV/m），擊穿電壓幾乎與環境溫度無關，介質發熱不顯著，電場的均勻度對擊穿電壓有顯著影響。在電場作用下，固體電介質的擊穿主要有電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿三種形式。（一）電擊穿定義：僅由電場作用而直接使介質破壞并喪失絕緣性能的現象。在介質的電導（或介質損耗）很小，又有良好的散熱條件，以及介質內部不存在局部放電的情況下，固體電介質的擊穿一般為電擊穿。01

固體電介質的擊穿介質損耗發熱發熱量

>

散熱量在電場作用下，固體電介質的擊穿主要有電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿三種形式。（二）熱擊穿定義：熱擊穿是由于固體電介質內部熱不穩定過程造成的。發熱量

=

散熱量 介質處于熱穩定狀態，溫度不再上升，絕緣性能不致破壞溫度不斷升高溫度↑

電導↑泄漏電流↑電介質分解、熔化、碳化或燒焦絕緣性能完全喪失熱擊穿主要特征：擊穿電壓與電壓作用時間有關，因為熱擊穿是一個熱量積累的過程；電壓作用時間越長，擊穿電壓越低（擊穿場強約為103~104

kV/m）；介質溫度特別是局部溫度有明顯的升高；擊穿電壓隨環境溫度的升高而下降；擊穿電壓與電場的均勻程度關系不大，而與介質的散熱條件密切相關?！?/p>

當絕緣本身存在局部缺陷時,缺陷處損耗增大,溫升增高,熱擊穿就容易發生在這種絕緣有局部缺陷處。01

固體電介質的擊穿在電場作用下，固體電介質的擊穿主要有電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿三種形式。（三）電化學擊穿定義：固體電介質在長期工作電壓的作用下，由于介質內部發生局部放電等原因，使絕緣劣化、電氣強度逐步下降并引起擊穿的現象為電化學擊穿?！?/p>

電化學擊穿是固體電介質在電壓長期作用下劣化、老化而引起的，它與固體電介質本身的制造工藝、工作條件等有密切關系。電化學擊穿的擊穿電壓比電擊穿和熱擊穿的擊穿電壓更低，甚至可能在工作電壓下發生，對此應引起足夠的重視。長期在工作電壓下發生電暈或局放產生O3、NO2等對介質氧化腐蝕溫度過高熱擊穿內部或邊緣存在氣泡、氣隙帶電粒子撞擊介質引起局部溫升帶電粒子撞擊引起分子結構破壞介質劣化電擊穿02影響固體電介質擊穿電壓的因素02

影響固體電介質擊穿電壓的因素電擊穿與熱擊穿的分界時間為

105~106

μs之間（一）電壓作用時間作用時間很短（0.1s以下）擊穿 往往是電擊穿二者有時很難分清，例如在工頻交流1min耐壓試驗中的試品擊穿，往往是電和熱雙重作用的結果。數分鐘到數小時才引起擊穿 熱擊穿往往起主要作用屬于電擊穿，此時熱與化學的影響還來不及起作用小于此值大于此值屬于熱擊穿，熱過程和電化學作用使得擊穿電壓明