介质绝缘特性与电气强度
电介质的电气强度讲解
SVC的电抗可从电容性到电感性 按需要调节，从而使SVC安装点的电 压保持在一定的范围内。
我国电网分布
3. 高电压、高场强下的特殊问题 （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） 绝缘问题 ：绝缘材料、绝缘结构、电压形式 高电压试验问题 过电压防护问题 电磁环境问题：电磁兼容、生态效应
4. 高电压下的特殊现象及其应用 （1） 静电技术及其应用 （2） 液电技术及其应用 （3） 线爆技术及其应用 （4） 脉冲功率技术及其应用
1000kV特高压输电示范工程
（3 ） 直流输电、紧凑型输电及灵活交流输电技术 从输电的角度说，直流输电几乎没有距离的限制，也可以用 直流电缆在水下、地下输电，因此在远距离输电上很有前景。 但也存在一些难题：换流站设备昂贵、直流断路器的性能不 满意、直流绝缘子耐污性能差等。 紧凑型输电线路的特点是取消常规线路杆塔的相间接 地构架而将三相线路置于同一塔窗中，使导线相间距离显 著减小。 因此，与常规线路相比，紧凑型输电线路的电感减小， 电容增大，即线路的波阻抗减小，从而增大了输电线路的 自然功率，也就是说可以有效地提高线路的输送能力。紧 凑型输电的另一个显著优点是线路走廊减小，因而占地减 少。
部分与电力有关的网站： 1.中国国家电力信息网 : 2.国际电工委员会(International Electrotechnical Commission ) :www.iec.ch 3.电气电子工程师协会: 4.电力论坛: 5.电力网: 6.美国电力公司: 8.ABB评论:/abbreview
▲研究意义：将电能大容量、远距离、低损耗地输送，
提高电力系统运行的经济效益，防止过电压，提高耐压水平， 保持电网运行的安全可靠性。
二. 研究内容
1. 提高绝缘能力 电介质理论研究—介质特性 放电过程研究—放电机理 高电压试验技术—高压产生、测量
气体的绝缘特性与介质的电气强度
影响介质电气强度的因素
介质本身的性质
不同介质的电气强度不同，这是 由于介质内部的分子结构、极性、
电子云分布等因素的影响。
电场的形式和分布
电场的形式和分布也会影响介质 的电气强度。例如，均匀电场中， 电场强度呈线性分布；而不均匀 电场中，电场强度可能存在局部
增强或减弱。
环境因素
温度、湿度、气压等环境因素也 会影响介质的电气强度。在高温、 高湿、低气压等条件下，介质的
气体的基本概念
气体是由大量分子组成的物质 形态，其分子之间的距离较大， 相互作用力相对较小。
气体在一定条件下可以转化为 液态或固态，其性质也会随之 发生变化。
气体的绝缘特性是指气体在电 场中保持绝缘的能力，与气体 的组成、压力、温度等因素有 关。
02
气体的绝缘特性
气体绝缘原理
气体分子自由移动
气体由大量自由移动的分子组成，这 些分子在空间中随机运动，形成一种 “混乱”的状态，阻碍电流通过。
气体绝缘输电线路的绝缘性能主要依赖于气 体的压力和电气强度。在高压下，气体的压 力越大，气体分子间的距离越小，相互作用 力越大，使得气体不易发生电离，从而提高 了电气强度。同时，气体的电气强度还受到 气体中的杂质离子和水分含量的影响，因此
需要采取措施控制气体的纯度和湿度。
气体绝缘变压器
气体绝缘变压器是一种利用气体作为绝缘介质的变压器，通常采用SF6气体作为绝缘介质。这种变压器具有体积小、重量轻、 散热性能好等优点，广泛应用于电力系统的高压变压器和互感器等场合。
电离与激发
在强电场的作用下，气体分子可能被 电离或激发，形成导电的离子或电子 ，但这个过程相对缓慢，因此气体具 有较好的绝缘性能。
气体绝缘介质
电介质的电气强度
(1-12)
式(1-12)中，I0 n0qe
高压 技术
式(1-12)I I0ed 表明：虽然电子崩电流按指 数规律随极间距离d而增大，但这时放电还不能自
持，因为一旦除去外界电离因子(令I0 0 )，即 I
变为零。
2、汤逊理论
高压 技术
前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放 电的。要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始 电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外 电离因素产生的初始电子。
d 越大，电离总数越多，空间电荷数越多，
电荷数按指数规律增加;因电离总数增加，电子 及正离子的浓度很大，所以必然伴随着强烈的激 发和复合过程 ，放出的光子数量急剧地增加
大量的空间电荷造成局部强场区。而电离 系数对电场很敏感，在强场区，由光子游离出 来的电子容易形成二次电子崩。
高压 技术
因此，通常认为，d ＞0.26 cm(pd＞200 cm • mmHg)时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的 计算结果不再适用，但其碰撞电离的基本原理 仍是普遍有效的。
高压 技术
实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和 气隙长度的乘积（pd ）有关。pd 值较小时自持放电 的条件可用汤逊理论来说明；pd 值较大时则要用流 注理论来解释。
（2）汤逊放电理论的适用范围
高压 技术
汤逊理论是在低气压、d 较小的条件下在放电 实验的基础上建立的。d 过小或过大，放电机理将 出现变化，汤逊理论就不再适用了。
高压
技术
由图1-3可见，
（1）在I-U曲线的OA段：
气隙电流随外施电压的提高而
增大，这是因为带电质点向电
极运动的速度加快导致复合率
减小。当电压接近 U A 时，电流 趋于饱和，因为此时由外电离
电介质的电气强度
阴极表面游离 ( 过程)
正离子
α
γ
——碰撞电离（游离）系数。
场强E越大，其值越大；气压（气密）很大或很小时，其值 比较小。 ——正离子表面电离（游离）系数。
与阴极材料、气体种类、阴极表面光洁度等有关。
二、低气压下均匀场自持放电的汤逊理论
（一）电子崩发展到阳极后的新游离
正离子撞击阴极板表面所产生的游离。 是维持自持放电的必要条件。
作用：既促进又阻碍放电的进行 电子复合和离子复合： 都以光子的形式放出多余的能量。 一定条件下会导致其他气体分子产生光游离，使气体放电 阶跃式发展。
2、扩散
带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小 区域的现象。
作用：阻碍放电发生
3、进入电极
在外电场作用下，气隙中的正、负电荷 分别向两电极定向移动的现象。
若气隙上的电压达到其临界击穿电压，则由于正离子的动能大， 撞击阴极表面时就能使其逸出自由电子，此时即使取消外界游 离因素，仅靠外施电压就能维持阴极表面不断游离出新电子， 弥补初始电子崩的电子，产生新的电子崩，使放电继续进行下 去。这种放电称为自持放电，U0称为起始放电电压。
自持放电条件：
(e
d
汤逊理论适用于pd<26.66kPa· cm的情况。
三、高气压下均匀场自持放电的流注理论
以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与 大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的γ过 程和二次电子发射根本无关。 气体放电流注理论以实验为基础，考虑了高气压、长气 隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要 有以下方面： 空间电荷对原有电场的影响 空间光游离的作用
第一章 气体放电的基本物理过程
第一节 带电粒子的产生和消失
电介质的电气强度
电子数 目将按 2、4、 8…2n 的指数 规律增
长
向阳极运动，又会引起新的
碰撞电离，产生更多电子。
依此，电子将按照几何
级数不断增多，类似雪崩似 地发展，这种急剧增大的空
为什么？
间电子流被称为电子崩。
(a) 电子崩的形成 (b) 带电粒子在电子崩中的分布
电子崩的发展过程也称为α过程
α ----电子碰撞电离系数： 一个电子沿着电场方向运动1cm的行程中所完成的碰 撞电离次数平均值。
• 附 着： 当电子与气体原子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产 生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性原子 相结合形成负离子的情况。
• 负离子产生的作用 负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能 使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。 电负性气体
对电子具有很强的亲和力，电气强度远大于一般气体，因
设n0=1，放电由非自持转入自持的条件为：
(ed 1) 1 d ln 1
其物理意义：由外电离因素从阴极产生的一个电子消失在阳极
前，由α过程形成的正离子数为： ed 1
正离子消失在阴极时，由γ过程（表面电离）在阴极上释放出
二次电子数，即 (ed 1)
如
(ed 1) 1 表示由γ过程在阴极上重新产生一个(或更多)电
第一篇 电介质的电气强度
电介质（dielectric ）在电气设备中作为绝缘材料使用。
1、电介质的分类 按物质形态分：
➢气体电介质 ➢液体电介质 ➢固体电介质 其中气体最常见。气体介质同其它介质相比，具有在击穿后完 全的绝缘自恢复特性，故应用十分广泛。
按在电气设备中所处位置分：
外绝缘： 一般由气体介质（空气）和固体介质（绝缘子）联合构成。 内绝缘： 一般由固体介质和液体介质联合构成。
（完整版）高电压技术答案
（完整版）⾼电压技术答案1 ⽓体的绝缘特性与介质的电⽓强度1-1⽓体放电过程中产⽣带电质点最重要的⽅式是什么，为什么？1-2简要论述汤逊放电理论。
1-3为什么棒－板间隙中棒为正极性时电晕起始电压⽐负极性时略⾼？1-4雷电冲击电压的标准波形的波前和波长时间是如何确定的？1-5操作冲击放电电压的特点是什么？1-6影响套管沿⾯闪络电压的主要因素有哪些？1-7具有强垂直分量时的沿⾯放电和具有弱垂直分量时的沿⾯放电，哪个对于绝缘的危害⽐较⼤，为什么？1-8某距离4m的棒-极间隙。
在夏季某⽇⼲球温度=30℃，湿球温度=25℃，⽓压=99.8kPa的⼤⽓条件下，问其正极性50%操作冲击击穿电压为多少kV?（空⽓相对密度=0.95）1-9某母线⽀柱绝缘⼦拟⽤于海拔4500m的⾼原地区的35kV变电站，问平原地区的制造⼚在标准参考⼤⽓条件下进⾏1min ⼯频耐受电压试验时，其试验电压应为多少kV？1-1⽓体放电过程中产⽣带电质点最重要的⽅式是什么，为什么？答: 碰撞电离是⽓体放电过程中产⽣带电质点最重要的⽅式。
这是因为电⼦体积⼩，其⾃由⾏程(两次碰撞间质点经过的距离)⽐离⼦⼤得多，所以在电场中获得的动能⽐离⼦⼤得多。
其次．由于电⼦的质量远⼩于原⼦或分⼦，因此当电⼦的动能不⾜以使中性质点电离时，电⼦会遭到弹射⽽⼏乎不损失其动能；⽽离⼦因其质量与被碰撞的中性质点相近，每次碰撞都会使其速度减⼩，影响其动能的积累。
1-2简要论述汤逊放电理论。
答: 设外界光电离因素在阴极表⾯产⽣了⼀个⾃由电⼦，此电⼦到达阳极表⾯时由于过程，电⼦总数增⾄个。
假设每次电离撞出⼀个正离⼦，故电极空间共有（－1）个正离⼦。
这些正离⼦在电场作⽤下向阴极运动，并撞击阴极．按照系数的定义，此（－1）个正离⼦在到达阴极表⾯时可撞出（－1）个新电⼦，则( -1)个正离⼦撞击阴极表⾯时，⾄少能从阴极表⾯释放出⼀个有效电⼦，以弥补原来那个产⽣电⼦崩并进⼊阳极的电⼦，则放电达到⾃持放电。
交流电气强度与绝缘强度
交流电气强度与绝缘强度引言：交流电是现代生活中不可或缺的能源，而绝缘材料则起到了保护电路和人身安全的重要作用。
本文将深入探讨交流电的电气强度与绝缘强度之间的关系，并分析其在实际工程中的应用。
一、交流电的电气强度交流电的电气强度是指电流在电路中传输的能力，衡量了电流在电路中流动时所经历的电场强度。
通常以伏特/米（V/m）来表示。
1.1 电气强度的定义电气强度是指在给定的电场中，单位电荷受到的力的大小。
在交流电中，这个力可以通过电流和电场强度来表示。
1.2 电气强度的计算电气强度的计算涉及到电场强度和电流的关系。
根据安培定理和库仑定律，可以得到电气强度的计算公式：E = V/d，其中E表示电气强度，V表示电压，d表示电容器两极板之间的距离。
二、绝缘强度的概念与测量方法绝缘强度是指绝缘材料能承受的最大电场强度，衡量了绝缘材料阻止电流通过的能力。
通常以千伏/毫米（kV/mm）来表示。
2.1 绝缘强度的概念绝缘强度是绝缘材料抵抗电击的能力，也是判断绝缘材料品质的重要指标之一。
它取决于绝缘材料的结构和质量，并直接影响电器设备的安全可靠性。
2.2 绝缘强度的测量方法测量绝缘强度的方法主要有直流高电压法、交流高电压法和浸水法等。
其中，交流高电压法是最常用的方法，可通过设备将高压交流电施加到被测绝缘材料上，观察其耐受能力。
三、交流电气强度与绝缘强度的关系交流电气强度和绝缘强度之间存在一定的关系，下面将从两个方面进行分析：交流电场对绝缘材料的影响和绝缘材料对交流电流的耗损。
3.1 交流电场对绝缘材料的影响交流电场对绝缘材料的影响主要表现在两个方面：电介质极化和电介质击穿。
3.1.1 电介质极化交流电场中的高频电压会引起绝缘材料内部离子的定向运动，使其极化。
极化过程中，绝缘材料内部会产生极化电流，导致电能的损耗，增加了电流的阻抗。
3.1.2 电介质击穿当交流电场强度过大时，绝缘材料可能会发生击穿现象，导致电路短路。
这是因为电场强度超过了绝缘材料的绝缘强度极限，使绝缘材料失去了绝缘的作用。
绝缘材料的电气性能
绝缘材料的电气性能绝缘材料的电气性能主要表现在电场作用下材料的导电性能、介电性能及绝缘强度。
它们分别以绝缘电阻率ρ（或电导γ）、相对介电常数εr、介质损耗角tanδ及击穿强度EB四个参数来表示。
（1）绝缘电阻率和绝缘电阻任何电介质都不行能是肯定的绝缘体，总存在一些带电质点，主要为本征离子和杂质离子。
在电场的作用下，它们可作有方向的运动，形成漏导电流，通常又称为泄漏电流。
电阻支路的电流Ii即为漏导电流；流经电容和电阻串联支路的电流Ia称为汲取电流，是由缓慢极化和离子体积电荷形成的电流；电容支路的电流IC称为充电电流，是由几何电容等效应构成的电流。
①在正常工作时（稳态），漏导电流打算了绝缘材料的导电性，因此，漏导支路的电阻越大，说明材料的绝缘性能越好。
②温度、湿度、杂质含量、电磁场强度的增加都会降低电介质材料的电阻率。
（2）介电常数介电常数是表明电介质极化特征的性能参数。
介电常数愈大，电介质极化力量愈强，产生的束缚电荷就愈多。
束缚电荷也产生电场，且该电场总是减弱外电场的。
现用电容器来说明介电常数的物理意义。
设电容器极板间为真空时，其电容量为Co，而当极板间布满某种电介质时，其电容量变为C，则C与Co的比值即该电介质的相对介电常数，即：在填充电介质以后，由于电介质的极化，使靠近电介质表面处消失了束缚电荷，与其对应，在极板上的自由电荷也相应增加，即填充电介质之后，极板上容纳了更多的自由电荷，说明电容被增大。
因此，可以看出，相对介电常数总是大于1的。
绝缘材料的介电常数受电源频率、温度、湿度等因素而产生变化。
频率增加，介电常数减小。
温度增加，介电常数增大；但当温度超过某一限度后，由于热运动加剧，极化反而困难一些，介电常数减小。
湿度增加，电介质的介电常数明显增加，因此，通过测量介电常数，能够推断电介质受潮程度。
大气压力对气体材料的介电常数有明显影响，压力增大，密度就增大，相对介电增大。
（3）介质损耗在沟通电压作用下，电介质中的部分电能不行逆地转变成热能，这部分能量叫做介质损耗。
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➢ f<2 ，稍不均匀电场 ➢ f>4 ，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。
已发现的负离子有：
✓ 负离子的形成起着阻碍放电的作用
带电质点的消失
三种方式： 1、带电质点在电场作用下作定向运动，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。
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。
2、电弧放电
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。
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：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
✓ 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。
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。
带电质点产生的两种形式： ➢ 气体分子的电离 ➢ 金属的表面电离
气体分子的电离：碰撞电离；光电离；热电离
✓ 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。
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生的空间电荷来改善电场 分布，提高击穿电压。
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。
➢ 沿面闪络：当击穿过程发生在气体与液体或 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。
气体放电的4种基本形式
1、辉光放电 2、电弧放电 3、火花放电 4、电晕放电
1、辉光放电
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。
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
（1）气体放电的基本物理过程
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。
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。
尖端效应或边缘效应
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。
提高气体间隙击穿电压的措施
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
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
气体击穿的极性效应
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
气体放电基本概念
➢ 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。
4、电晕放电
在电极附近电场最强处出现发光层，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。
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。
气体放电的基本物理过程