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1、2 电气绝缘基础理论电气绝缘基础理论 绝缘部分是电气设备结构中的薄弱环节绝缘部分是电气设备结构中的薄弱环节 提高绝缘的可靠性的途径提高绝缘的可靠性的途径 提高质量提高质量：优质材料、先进工艺 、优化设计 、高裕度等：优质材料、先进工艺 、优化设计 、高裕度等 成本增加成本增加 自然老化自然老化 进行必要的检查和维修:形成维修制度(进行必要的检查和维修:形成维修制度(预防性试验预防性试验 ) ) 需停电需停电 停电后设备状态和运行中状态不一致，影响判断准确性停电后设备状态和运行中状态不一致，影响判断准确性 设备仍有可能在试验的周期性间隔期内发生故障设备仍有可能在试验的周期性间隔期内发生故障 过度
2、维修过度维修 以状态监测（通常是在线监测，英文为on-line monitoring）和故障诊断为基础的以状态监测（通常是在线监测，英文为on-line monitoring）和故障诊断为基础的状态维修状态维修 必须充分了解和掌握电气绝缘的基本电气特性必须充分了解和掌握电气绝缘的基本电气特性 电气绝缘的作用：电气绝缘的作用： 把不同电位的导体分隔开，使之在电气上 不相连接，没有电流流过把不同电位的导体分隔开，使之在电气上 不相连接，没有电流流过 绝缘是相对的绝缘是相对的 电气设备绝缘介质电气设备绝缘介质 气体气体 液体液体 固体固体 上述形态的复合上述形态的复合 不同形态的介质的绝缘特性各有不
3、同，导 电或放电机理也有明显区别不同形态的介质的绝缘特性各有不同，导 电或放电机理也有明显区别2.1 气体介质的放电理论气体介质的放电理论 气体绝缘的优点气体绝缘的优点 最为常见最为常见 不存在老化问题不存在老化问题 具有完全的绝缘自恢复特性具有完全的绝缘自恢复特性2.1.1 带电质点的产生与消失带电质点的产生与消失 由于射线作用（宇宙射线、放射性物质），气 体中会产生微弱的电离，从而产生少量的带电 质点由于射线作用（宇宙射线、放射性物质），气 体中会产生微弱的电离，从而产生少量的带电 质点 标准大气条件下，空气中约有标准大气条件下，空气中约有5001000对对/cm3 电离（游离）电离（游离
4、） 电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子 的过程电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子 的过程 电离所需要的能量，称为电离能W电离所需要的能量，称为电离能Wi i单位单位：eV/V2.1.1.1 电子与正离子的产生电子与正离子的产生 热电离热电离 热状态 ，在热状态 ，在1000K以上，才开始出现以上，才开始出现 光电离光电离 光辐射光辐射 光电离的条件：光电离的条件：WWi或或hWi 带电质点复合时，会以光子的形式释放电离能带电质点复合时，会以光子的形式释放电离能 是气体放电过程中的一种重要的电离形式是气体放电过程中的一种重要的电离形式 碰撞电离碰撞电离 高速运动的带电质点与中性原
5、子或分子发生碰撞高速运动的带电质点与中性原子或分子发生碰撞 碰撞电离条件：碰撞电离条件： 是产生带电质点的最重要的方式是产生带电质点的最重要的方式 分级电离分级电离 在激励状态下再获得能量而引发在激励状态下再获得能量而引发 概率很小概率很小EU eEWxii=iiWxeEWmvxF=或2 21rr2.1.1.2 电极表面的电子逸出（表面电离）电极表面的电子逸出（表面电离） 逸出功逸出功：电子从金属表面逸出所需要的能量：电子从金属表面逸出所需要的能量 具体形式具体形式 正离子撞击阴极正离子撞击阴极 光电子发射（光辐射）：比如用紫外线照射等光电子发射（光辐射）：比如用紫外线照射等 强场发射（冷发射
6、）：金属表面电场强度很大时强场发射（冷发射）：金属表面电场强度很大时 热电子发射（高温下）热电子发射（高温下）2.1.1.3 气体中负离子的形成气体中负离子的形成 电子附着在具有强电负性的中性质点上电子附着在具有强电负性的中性质点上 负离子的形成，对放电发展起抑制作用负离子的形成，对放电发展起抑制作用 SF6气体气体 :Eb=89kV/cm，空气，空气Eb=30kV/cm SF6气体具有很强的电负性，易于形成负离子气体具有很强的电负性，易于形成负离子2.1.1.4 带电质点的消失带电质点的消失 回路电流回路电流 在电场作用下定向运动，消失于电极中在电场作用下定向运动，消失于电极中 扩散扩散 由
7、于分子的热运动，带电质点由浓度高的区 域移向浓度低的区域由于分子的热运动，带电质点由浓度高的区 域移向浓度低的区域 复合复合 在一定条件下异性带电质点相遇中和还原为 中性质点在一定条件下异性带电质点相遇中和还原为 中性质点2.1.2 放电的电子崩阶段放电的电子崩阶段对于一均匀电场，假设在外电离因 素作用下，间隙中的气体含有微量的带 电质点。随着外加电压的变化，间隙中 的放电具有不同的特点对于一均匀电场，假设在外电离因 素作用下，间隙中的气体含有微量的带 电质点。随着外加电压的变化，间隙中 的放电具有不同的特点2.1.2.1 非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电 非自持放电非自持放电 随着外
8、加电压的增大，电流不断增大，在增 大到一定程度后，进入饱和阶段（电压增 大，电流并不随之增大），并在一定阶段内 得到维持。但去掉外电离因素，放电不能维 持（无电流）；随着外加电压的增大，电流不断增大，在增 大到一定程度后，进入饱和阶段（电压增 大，电流并不随之增大），并在一定阶段内 得到维持。但去掉外电离因素，放电不能维 持（无电流）； 自持放电自持放电 在放电过程中，去掉外电离因素，放电能够 继续维持。在放电过程中，去掉外电离因素，放电能够 继续维持。 常见的自持放电形式常见的自持放电形式1）辉光放电辉光放电：低气压下的气体放电，如荧光灯：低气压下的气体放电，如荧光灯 2）火花放电火花放电：
9、常压或高气压下，外回路阻抗较 大；：常压或高气压下，外回路阻抗较 大； 3）电弧放电电弧放电：外回路阻抗很小，放电电流很大：外回路阻抗很小，放电电流很大 4）电晕放电电晕放电：一般发生在金属电极表面：一般发生在金属电极表面 非自持放电和自持放电的根本区别非自持放电和自持放电的根本区别放电的维持是否取决于放电的维持是否取决于外电离因素外电离因素的存在的存在 放电放电间隙被击穿间隙被击穿？2.1.2.2 电子崩的形成电子崩的形成 电子崩电子崩 在电场作用下，电子在向阳极运动的过程中不断 发生碰撞电离，自由电子数目呈几何指数不断增 加，这一过程好象在电场作用下，电子在向阳极运动的过程中不断 发生碰撞
10、电离，自由电子数目呈几何指数不断增 加，这一过程好象“雪崩雪崩”（avalanche）一样， 因此将所形成的电子流称为电子崩。）一样， 因此将所形成的电子流称为电子崩。 电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数 一个电子沿电场方向移动一个电子沿电场方向移动1cm平均发生的碰撞电 离次数平均发生的碰撞电 离次数d-+-+图图2-1 电子崩的示意图电子崩的示意图计算电子崩形成的电流计算电子崩形成的电流d-+-+ n0? ? ?n dndxx设：设：n0为阴极处的初始自由电子数， 到达距阴极板距离为为阴极处的初始自由电子数， 到达距阴极板距离为x处的电子数为处的电子数为n，则：，则： )(0xnfn，=设距
11、离为设距离为x处再经过处再经过dx距离，增加的电子 数目为距离，增加的电子 数目为dn，则：，则：dn=(.dx).n=.ndx=nnxdxdnn001xenn 0=当当x=d时，到达阳极的电子数目为时，到达阳极的电子数目为dendn 0)(=ddeIIedtdn dtddn 00)(=电子崩的电流以指数规律增长；当电子崩的电流以指数规律增长；当n0=0时，时，I0=0，I=0，放电不能自持； 故仅有过程，并不能产生自持放电。，放电不能自持； 故仅有过程，并不能产生自持放电。2.1.3 自持放电的条件自持放电的条件 二次电子发射二次电子发射 实验表明：二次电子的产生机机制与气 压实验表明：二次
12、电子的产生机机制与气 压p与间隙距离与间隙距离d的乘积的乘积pd有关有关 pd较小时，用较小时，用汤森理论汤森理论（Townsend Theory） pd值较大时，值较大时，流注理论流注理论Streamer Theory） 分界线：大约分界线：大约26kPa.cm ？标准大气压下的间隙距离是多少标准大气压下的间隙距离是多少2.1.3.1 pd值较小的情况值较小的情况 汤森理论的基本观点汤森理论的基本观点 二次电子的来源是正离子撞击阴极表面，使其表 面发生电子逸出二次电子的来源是正离子撞击阴极表面，使其表 面发生电子逸出 电离系数：一个正离子撞击阴极，从阴极上逸 出电子数目的平均值电离系数：一个
13、正离子撞击阴极，从阴极上逸 出电子数目的平均值 理论上可能正离子发生碰撞电离的系数理论上可能正离子发生碰撞电离的系数 均匀电场中汤森自持放电判据均匀电场中汤森自持放电判据1ln11) 1(deedd汤森理论的推论设电子的设电子的平均自由行程平均自由行程为，则一个电子移动为，则一个电子移动1cm 发生碰撞次数为发生碰撞次数为1/。 参照图参照图2-2，设，设x=0时，对应的电子数为时，对应的电子数为n0，对于任 意距离，对于任 意距离x，没有发生碰撞的电子数为，没有发生碰撞的电子数为n，对距离，对距离x+dx， 没有发生碰撞的电子数为， 没有发生碰撞的电子数为n+dn。则：。则：dxdnndnn
14、dxnn=+=111，故x enn=0若平均自由行程为，1个电子沿电场方向移动距离 为x时，没有发生碰撞的概率为x e由碰撞电离条件：xUi/E，将x=Ui/E代入， 表示发生碰撞电离的可能性。x eEUi e由系数的定义，EUie/1=因为：因为：T/p，可设，可设kT/p，代入上式，得：令：，代入上式，得 ：，代入上式，得：令：，代入上式，得 ：pkTEUi eTkp=iAUBkTA=，1EpBeAp=由此可知，对于由此可知，对于p来说，来说，存在最大值存在最大值由汤森自持放电判据：由汤森自持放电判据：dln1/得：得：1ln/EBpApde1ln/EdBpdApde1ln/bUBpdAp
15、de)( )1lnln()(pdfApdpdBUb= Ub存在极小值存在极小值巴申曲线和巴申定律（巴申曲线和巴申定律（Paschen Law） 1889年，巴申得到了呈年，巴申得到了呈“V”字形的巴申曲线， 提出了巴申定律字形的巴申曲线， 提出了巴申定律 早在汤森理论提出（早在汤森理论提出（1910年左右）之前，其正 确性就已经由巴申定律及巴申曲线提前得到了 实验验证年左右）之前，其正 确性就已经由巴申定律及巴申曲线提前得到了 实验验证 空气的最低击穿电压对应空气的最低击穿电压对应pd值：值：0.7kPa.mm2.1. 3.2 pd值较大时的情况值较大时的情况 (流注理论流注理论) 汤森理论的局限性 实际发生的气体放电与阴极材料无关 实测的放电时延远远小于正离子穿过整个间隙撞击 阴极表面产生二次电子所需的时间 放电发展速度更快，电离更强，放电并不全沿着电 场方向发展，常常会出现曲折的分支 1940年，HRaether等人提出了流注理论流注理论流注理论 基本观点基本观点 当电子崩发展到足够程度后，电子崩中的当电子崩发展到足够程度后，电子崩中的空间电 荷足以使原电场明显畸变空间电 荷足以使原电场明显畸变，从而大
