高电压绝缘

用作高压电气设备绝缘的电介质有气体、液体、固体及其复合介质。一切电介质在电场作用下都会出现极化、电导和损耗等电气物理现象。电介质的电气特性，主要表现为它们在电场作用下的导电性能、介电性能和电气强度，它们分别以四个主要参数，即电导率γ（或绝缘电阻率ρ）、介电常数ε、介质损耗角正切tanδ和击穿电场强度（简称击穿场强）Eb来表示。

电气设备的外绝缘一般由气体介质和固体介质联合组成。例如，架空输电线路的绝缘和电器的外绝缘是靠空气间隙和空气与固体介质的复合绝缘来实现的，气体绝缘的金属封闭式组合电器（简称GIS）则是由SF6气体间隙和SF6气体中的固体绝缘支撑作为绝缘的。用作外绝缘的固体介质有电瓷、玻璃和以硅橡胶为代表的合成材料。电气设备的内绝缘则往往由液体介质和固体介质联合组成，例如，油变压器的内部绝缘是由变压器油和固体绝缘组合，电容器油和电缆油作为固体绝缘材料的浸渍剂分别用于电容器和电缆的内绝缘。用作内绝缘的固体介质有绝缘纸、绝缘纸板、塑料薄膜等，电机绝缘的主要绝缘介质是云母，制造户内绝缘子的材料主要是环氧树脂。

介质发生击穿时，通过介质的电流剧烈地增加，发生击穿时的临界电压称为电介质的击穿电压，相应的电场强度称为电介质的击穿场强。电介质的击穿场强决定了电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力。以下主要介绍气体、液体和固体介质的击穿特性。

8.1.1 气体电介质的绝缘特性

气体绝缘介质不存在老化的问题，而且在击穿后有完全的绝缘自恢复特性，再加上空气，其成本非常廉价，因此，气体成为在高电压工程中最常见的绝缘介质。常用的气体介质除空气外，还有SF6气体等。

1.电晕放电

在极不均匀场中，当电压升高到一定程度后，在空气间隙完全击穿之前，大曲率电极（高场强电极）附近会有薄薄的发光层，有点像“月晕”，在黑暗中看得较为真切，发出咝咝声，嗅到臭氧气味，这种放电现象称为电晕。

输电线路发生电晕时会引起功率损耗和电能损耗，形成的高频电磁波对无线电和高频通信产生干扰，发出的噪声有可能超过环境保护的标准，还会使导线表面发生腐蚀，减少导线使用寿命。解决的途径是：以好天气时导线不发生电晕的条件来选择架空导线的尺寸；采用分裂导线以减小导线的等效半径等。

开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压Uc。三相三角形架设的输电导线，在标准大气压下的电晕起始电压Uc，由实验总结出的经验公式来计算，表达式为

式中，理想光滑导线m1＝1，绞线m1＝0.8～0.9；天气好时m2为1，天气不好时可按0.8估算；δ为气体相对密度；Dm为导线的几何均距；r为导线半径，单位为cm。

2.极性效应

极不均匀电场中，同一间隙在不同电压极性作用下的电晕起始电压不同，间隙击穿电压也不同，称为极性效应。例如，棒－板间隙是典型的极不均匀场，棒电极为正极性时电晕起始电压比棒电极为负极性时略高。棒电极为负极性时的击穿电压比棒电极为正极性时要高得多。

输电线路绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场，因此，交流电压击穿都发生在外施电压的正半周，考核绝缘冲击特性时应施加正极性的冲击电压。气体绝缘的金属封闭式组合电器中，SF6气体间隙属稍不均匀电场，因此，施加负极性电压时击穿电压比正极性时略低。

3.气体介质的电气强度

在实际的工程应用中，比较普遍的是通过参照一些典型电极的击穿电压来选择绝缘距离，或者根据实际电极布置情况，通过实验来确定击穿电压。空气间隙放电电压主要受到电场情况、电压形式，以及大气条件的影响。

1）持续作用电压下的击穿

直流与工频电压均为持续作用的电压，这类电压随时间的变化率很小，在放电发展所需的时间范围内（以μs计），可以认为外施电压没什么变化。

（1）均匀电场中的击穿。高压静电电压表的电极布置是均匀电场的一个实例。实际工程中很少见到比较大的均匀电场间隙。特点是：无击穿的极性效应；击穿所需时间极短；其直流击穿电压、工频击穿电压峰值，以及50％冲击击穿电压（指多次施加冲击电压时，其中50％导致击穿的电压值）实际上是相同的，且击穿电压的分散性很小。击穿电压（峰值）可用以下经验公式表示

式中，d为间隙距离，单位为cm；当d在1～10cm范围内时，击穿强度Eb（用电压峰值表示）约等于30kV／cm。

图8.1.1 一球接地时球间隙的击穿电压Ub与间隙距离d的关系

（2）稍不均匀电场中的击穿。稍不均匀电场中的击穿特点是击穿前无电晕，极性效应不很明显，直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50％冲击击穿电压几乎一致。高压实验中测量电压用的球间隙，测量介质损耗角正切时所用的标准电容器、单芯电缆及GIS的分相封闭母线中的同轴圆柱电极，都是稍不均匀电场间隙的应用实例。一球接地，直径为D的球间隙的击穿电压Ub与间隙距离d的关系，如图8.1.1所示。高电压测量标准空气间隙（GB／T 311.6—2005）规定测量电压用标准空气间隙的制造与使用，并适用于电压峰值的测量。同轴圆柱电极击穿电压Ub的表达式为

Ub＝Emaxd／f （8－3）

式中，Emax为击穿时间隙的最大场强；d为间隙距离；f为间隙的电场不均匀系数。

（3）极不均匀电场中的击穿。电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱，极间距离对击穿电压的影响增大。在工程上遇到极不均匀的电场时，可以根据棒—板和棒—棒这些典型电极的击穿电压数据来做估算。如果电场分布对称，则可参照棒－棒（或尖—尖）电极的数据。在直流电压中，极不均匀场中直流击穿电压的极性效应非常明显。同样间隙距离下，不同极性间，击穿电压相差一倍以上，尖—尖电极的击穿电压介于两种极性尖—板电极的击穿电压之间。而在工频电压下的击穿，无论是棒—棒电极还是棒—板电极，其击穿都发生在棒电极处于工频电压的正半周峰值附近。

2）雷电冲击电压下的击穿

图8.1.2表示雷电冲击电压的标准波形和确定其波前与波长时间的方法（波长指冲击波衰减至半峰值的时间）。标准雷电波的波形规定是

T1＝1.2μs±30％； T2＝50μs±20％

根据国内外实践，冲击击穿电压大多是50％放电电压。同一间隙的50％冲击击穿电压与稳态击穿电压U0之比，称为冲击系数β，其表达式为

均匀电场和稍不均匀电场间隙的冲击击穿通常发生在波峰附近，其冲击系数接近于1。极不均匀电场间隙冲击击穿常发生在波尾部分，其冲击系数大于1。

图8.1.2 标准雷电冲击电压波形

T1—波前时间；T2—半峰值时间；Umax—冲击电压峰值

图8.1.3 50％伏秒特性示意图

1—0％伏秒特性；2—100％伏秒特性；3—50％伏秒特性；4—50％冲击击穿电压

在冲击电压下一般用间隙上出现的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线来表示间隙的冲击绝缘特性，此曲线称间隙的伏秒特性曲线，如图8.1.3所示。在高压绝缘配合中伏秒特性曲线具有重要意义。

3）操作冲击电压下空气的绝缘特性

电力系统在操作或发生事故时，因状态发生突然变化引起电感和电容回路的振荡产生过电压，称为操作过电压。我国采用IEC推荐的250／2 500μs的操作冲击电压标准波形。长空气间隙的操作冲击击穿通常发生在波前部分，因而其击穿电压与波前时间有关而与波尾时间无关。在操作过电压作用下，棒—板间隙的击穿电压比棒—棒间隙的击穿电压低得多。在设计高压电力装置时应注意尽量避免出现棒—板型气隙。与工频击穿电压的规律性类似，长气隙在操作波电压作用下也呈现出显著的饱和现象，特别是棒—板型气隙，其饱和程度更加突出。

4.提高气体击穿电压的措施

（1）改进电极形状。通过改进电极形状、增大电极曲率半径，以改善电场分布，可以有效提高间隙的击穿电压。改变电极形状的方法有：变压器套管端部加球形屏蔽罩，采用扩径导线等；电极边缘做成弧形，或尽量使其与某等位面相近；穿墙高压引线上加金属扁球，墙洞边缘做成近似垂链线旋转体。

（2）利用空间电荷对原电场的畸变作用。利用放电自身产生的空间电荷来改善电场分布，以提高击穿电压。例如，导线与平板间隙中，当导线直径减小到一定程度后，间隙的工频击穿电压反而显著提高。此方法仅在持续电压作用下有效。

（3）采用极不均匀场屏障。在极不均匀场的空气间隙中，放入薄片固体绝缘材料（如纸或纸板）以提高间隙的击穿电压。工频电压下，在尖—板电极中设置屏障可以显著地提高击穿电压；雷电冲击电压下，设置屏障的效果比稳态电压下要小一些。

（4）采用高气压。在极不均匀电场间隙中采用高气压的效果并不明显，因此，采用高气压时应尽可能改进电极形状。在稍不均匀电场中，电极应仔细加工光洁；气体要过滤，滤去尘埃和水分；充气后需放置较长时间静化后再使用。

（5）采用高电气强度气体。目前得到应用的高电气强度气体只有SF6，广泛应用于大容量高压断路器、高压充气电缆、高压电容器、高压充气套管，以及全封闭组合电器中。SF6为温室气体，应减少使用，发展趋势为采用SF6含量较少的N2－SF6混合气体。混合气体（SF6气体的含量为20％时）的绝缘强度为纯SF6气体绝缘强度的75％左右。

（6）采用高真空。采用高真空也是削弱了电极间气体的电离过程。目前真空间隙只在真空断路器中得到应用。

8.1.2 液体和固体电介质的绝缘特性

1.液体电介质的绝缘特性

液体电介质又称绝缘油，在常温下为液态，在电气设备中起绝缘、传热、浸渍及填充作用，主要用在变压器、油断路器、电容器和电缆等电气设备中。

液体电介质与气体电介质一样具有流动性，击穿后有自愈性，但液体电介质电气强度比气体的高，纯净的液体介质很小的均匀场间隙中电气强度可达到1MV／cm，工程用的液体介质击穿场强很少超过300kV／cm，一般在200～250kV／cm的范围内。液体电介质有矿物绝缘油、合成绝缘油和植物油三大类。实际应用中，也常使用混合油，即用两种或两种以上的绝缘油混合成新的绝缘油，以改善某些特性，如耐燃性、析气性、自熄性、局部放电特性等。

电气设备对液体介质的要求，首先是电气性能好，如绝缘强度高、电阻率高、介质损耗及介电常数小（电容器则要求介电常数高）；其次，还要求散热及流动性能好，即黏度低、导热好、物理及化学性质稳定、不易燃、无毒，以及其他一些特殊要求。

2.提高液体介质击穿场强的措施

纯净液体介质的击穿场强虽高，但其精制、提纯极其复杂，而且在电气设备制造过程中又难免会有杂质重新混入；此外，在运行中也会因液体介质劣化而分解出气体或低分子物，所以，工程用液体介质总或多或少含有一些杂质。例如，油常因受潮而含有水分，还常含有由纸或布脱落的纤维等固体微粒。因此，油中杂质对击穿场强有很大的影响，减少杂质的影响起着决定性的作用。

（1）过滤。使油在压力下通过滤油机中的滤纸，即可将纤维、碳粒等固态杂质除去，油中大部分水分和有机酸等也会被滤纸所吸附。对于运行中的变压器，常用此法来恢复变压器油的绝缘性能。

（2）防潮。绝缘件在浸油前必须烘干，必要时可用真空干燥法去除水分。

（3）祛气。将油加热，喷成雾状，并抽真空，可以达到去除油中水分和气体的目的。对于电压等级较高的电器设备，常要求在真空下灌油。

（4）用固体介质减小油中杂质的影响。常用措施为覆盖层、绝缘层和屏障。

3.固体电介质的绝缘特性

固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常见的有绝缘纸、纸板、云母、塑料等。高压导体总是需要用固体绝缘材料来支撑或悬挂，这种固体绝缘称为绝缘子，而用于制造绝缘子的固体介质有电瓷、玻璃、硅橡胶等。高压绝缘子从结构上可以分为以下三类。

（1）（狭义）绝缘子。用作带电体和接地体之间的绝缘和固定连接，如悬式绝缘子、支柱绝缘子、横担绝缘子等。电工陶瓷绝缘子在绝缘子的发展历史中占据了主导地位，钢化玻璃目前仅用于盘形悬式绝缘子，由环氧引拨棒和硅橡胶伞裙护套构成的合成绝缘子是新一代的绝缘子，具有强度高、重量轻、耐污闪能力强等明显优点。

（2）套筒。用作电器内绝缘的容器，多数由电工陶瓷制成，如互感器瓷套、避雷器瓷套及断路器瓷套等。

（3）套管。用作导电体穿过接地隔板、电器外壳和墙壁的绝缘件，如穿越墙壁的穿墙套管，变压器、电容器的出线套管等。

与气体、液体介质相比，固体介质的击穿场强较高，是非自恢复绝缘，不像气体、液体介质那样能自行恢复绝缘性能。每次冲击电压下固体介质发生部分损伤，留下有不能恢复的痕迹，如烧焦或熔化的通道、裂缝等，多次作用下部分损伤会扩大而导致击穿。这种现象即为固体介质的累积效应。固体介质击穿的特点是击穿场强与电压作用时间有很大的关系。如图8.1.4所示，随电压作用时间的不同，固体电介质的击穿有热击穿、电击穿和电化学击穿三种形式。

图8.1.4 固体介质击穿场强与电压作用时间的关系

（1）电击穿。电击穿的主要特征是：击穿场强高（大致在5～15MV／cm范围），实用绝缘系统是不可能达到的。均匀电场中电击穿场强反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度，所以，通常称之为耐电强度或电气强度。

（2）热击穿。如果介质中产生的热量总是大于散热，则温度不断上升，造成材料的热破坏而导致击穿。热击穿所需时间较长，常需要几个小时，即使在提高试验电压时也常需要好几分钟。电介质的热击穿与材料的性能、绝缘结构及电压种类、环境温度等有关。如在直流电压下，正常未受潮的绝缘很少发生热击穿。交流电压的频率提高时，热击穿的可能性比工频时大得多，如中频感应加热设备的电容器，一般需要在夹层中通冷却水加以冷却。

（3）电化学击穿。对绝缘施加电压几个月甚至几年后，击穿场强仍在下降，这是由于介质长期加电压引起介质劣化。介质劣化的主要原因往往是介质内气隙的局部放电造成的。介质中可长期存在局部放电而并不击穿。局部放电产生的活性气体，如O3，NO，NO2等，对介质将产生氧化和腐蚀作用，此外由于带电粒子对介质表面的撞击，也会使介质受到机械的损伤和局部的过热，导致介质的劣化。然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿。因此，在设计时，应使绝缘在工作电压下不发生局部放电，一是尽量消除气隙或设法减小气隙的尺寸，二是设法提高空穴的击穿场强。如钢管油压电缆中用高压油来消除电缆绝缘层中可能出现的气隙，就是一个应用实例。

8.1.3 沿面放电及防污闪技术

1.沿面放电

在各种绝缘设备中，都有沿固体绝缘表面放电的问题，如使用数量极大的高压绝缘子和套管的沿面放电。沿整个固体绝缘表面发生的放电称为闪络，在放电距离相同时，沿面闪络电压低于纯气隙的击穿电压。因此在工程中，很多情况下事故往往是由沿面闪络造成的。

稍不均匀电场与均匀电场中的沿面放电相似。固体介质的引入并不影响电极间的电场分布，但放电总是发生在界面，且闪络电压比空气间隙的击穿电压要低得多。沿面闪络电压与固体绝缘材料特性有关，如石蜡的闪络电压比瓷和玻璃高。这是因为石蜡表面不易吸附水分的缘故。此外介质表面粗糙，也会使电场分布畸变，从而使闪络电压降低。此外，固体介质是否与电极紧密接触对闪络电压也有很大影响。若固体介质与电极间存在气隙，会使原电场分布畸变，从而使闪络电压降低。

极不均匀电场中沿面放电可分为两类：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。套管中靠近法兰处和高压电机绕组出槽口的结构都属于具有强垂直分量的情况。在这种结构中，介质表面各处的场强差别很大，而在工频电压作用下会出现滑闪放电。增大固体介质的厚度，或采用相对介电常数较小的固体介质，减小表面电阻率ρs，都可提高滑闪放电电压。例如，工程上常采用在套管的法兰附近涂半导电漆的方法来减小ρs。电场具有弱垂直分量的情况下，电极形状和布置已使电场很不均匀，其沿面闪络电压与空气击穿电压的差别相比，强垂直分量时要小得多。

2.绝缘子的污秽放电

户外绝缘子常会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污染。干燥情况下，对闪络电压没多大影响。但当绝缘子表面污层被湿润，其表面电导剧增使绝缘子泄漏电流急剧增加，则对闪络电压的影响增大。沿面放电中最容易对电力系统造成很大危害的是污闪，即由于污秽导致产生的闪络。

1）影响污闪的因素

（1）污秽的性质和污染程度。污秽的电导率越高和介质表面沉积的污秽量越多，则闪络电压越低。这实际上说明表面泄漏电流越大，闪络电压越低。

（2）湿润的方式。最容易发生污闪的气象条件是雾、露、融雪和毛毛雨等，在这些条件下污层易达到饱和湿润的状态但不被冲洗掉。

（3）泄漏距离。在污层表面电导率一定时，泄漏距离越长，剩余电阻的阻值越大，绝缘子的泄漏距离是影响污闪电压的重要因素。

（4）外施电压的形式。由于污闪是局部电弧不断拉长的过程，因此，电压作用时间越短就越不容易导致闪络。

2）污秽等级的划分

目前，在世界范围内应用的最广泛的方法是等值盐密法。这种方法就是把绝缘子表面的污秽密度，用与绝缘子表面单位面积上污秽物导电性相当的等值盐（Na Cl）量来表征，即污秽等值附盐密度（简称等值盐密）（mg／cm2）。

我国国家标准《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准》（GB／T 16434—1996）中给出了污秽分级标准，同时规定了不同污秽等级时所要求的单位爬电比距，所谓爬电比距是指绝缘子每1kV额定线电压的爬电距离。这给工程应用带来很大方便。

3.防治污闪的措施

绝缘子的污闪影响电力系统的安全运行，为了提高线路和变电所的运行可靠性可采取以下措施。

（1）提高表面憎水性。在绝缘子表面涂上憎水性物质有有机硅油、有机硅脂、地蜡等，比如RTV涂料就是一种室温硫化硅橡胶涂料，这种涂料使用寿命比半导体釉长得多。

（2）提高污闪电压。在制造过程中增加爬电比距。比如对于悬式绝缘子串，通常会增加其片数或采用大爬距绝缘子。

（3）定期或不定期清扫，对于防止绝缘子表面积聚污秽非常有用。

（4）使用其他材质的绝缘子。通过采用新型材料制造绝缘子，可以达到更好的效果。比如用耐老化性能好、憎水性强的硅橡胶制造绝缘子，其闪络电压在同等值盐密度条件下，有可能达到传统瓷绝缘子的两倍以上。半导体釉绝缘子的污闪电压要高些，但易老化。