西安交通大学：《高电压绝缘专论》研究生课程教学资源（课件讲稿）09 绝缘沿面放电闪络（真空中固体介质沿面闪络的诊断、机理及抑制技术）

西安交通大学9XI'ANJIAOTONGUNIVERSITY绝缘沿面放电闪络-I真空中固体介质沿面闪络的诊断、机理及抑制技术西安交通大学电气工程学院先进高电压与等离子体技术研究中心1898

绝缘沿面放电闪络-I ——真空中固体介质沿面闪络的 诊断、机理及抑制技术 西安交通大学 电气工程学院 先进高电压与等离子体技术研究中心

目录国内外研究现状实验系统与实验方法沿面闪络现象与机理沿面闪络现象的抑制总结及今后的研究方向-2-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -2- p 国内外研究现状 p 实验系统与实验方法 p 沿面闪络现象与机理 p 沿面闪络现象的抑制 p 总结及今后的研究方向 目录

国内外研究现状-3-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -3- 国内外研究现状

引言在并联复合绝缘系统中，当在系统上施加一定的电压时，放电往往总是先在两种介质的交界面上发生，即沿面放电/闪络，而发生闪络时的施加电场强度往往远低于绝缘材料本身耐电强度，并表现出很大分散性Lewis等人发现，有机玻璃棒引入高气压氮气间隙对其在交流电压下绝缘强度的影响不大，但引入真空间隙后却使其耐电强度急剧下降。例如，真空的临界击穿场强约为350kV/cm，高纯度氧化铝陶瓷约为300~400kV/cm，而真空氧化铝系统的沿面闪络通常在几十kV/cm的施加电场下就会发生。阳秋阳极阳极anodeanodeanode阴极阴极阴极cathodecathodecathode空气真空去离子水-4-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotongUniversity

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -4- 在并联复合绝缘系统中，当在系统上施加一定的电压时，放电往往总 是先在两种介质的交界面上发生，即沿面放电/闪络，而发生闪络时的施 加电场强度往往远低于绝缘材料本身耐电强度，并表现出很大分散性。 Lewis等人发现，有机玻璃棒引入高气压氮气间隙对其在交流电压下 绝缘强度的影响不大，但引入真空间隙后却使其耐电强度急剧下降。 例如，真空的临界击穿场强约为350kV/cm，高纯度氧化铝陶瓷约为 300~400kV/cm，而真空 氧化铝系统的沿面闪络通常在几十kV/cm的施 加电场下就会发生。 引言 空气 真空 去离子水

?微波作用下氧化铝介质窗的放电/闪络现象及引起的破坏《高电压绝缘专论》5-Xi'anJiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -5- 微波作用下氧化铝介质窗的放电/闪络现象及引起的破坏

真空中沿面闪络的现象与机理研究传统认识是基于电极-电介质接触处电场的增强。若固体介质与电极之间存在间隙，则交流电压下串联间隙中电场随绝缘材料与间隙之间介电常数的差异而增强。假设间隙的相对介电常数为1，绝缘材料为r，则接触处间隙中的场强将近似被加强sr倍，而间隙的耐电强度一般远低于固体绝缘材料，从而引发间隙处首先发生碰撞电离和放电，进而导致在较低的电场下发生闪络W阳极5mmLOy4bCthx010mm绝缘子20mm5mm阴极40mm2.5mm-6-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotongUniversity

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -6- 真空中沿面闪络的现象与机理研究 10mm 40mm 5mm 5mm 2.5mm 阳 极 20mm 阴 极 绝缘子 a b c w 0 x y h 传统认识是基于电极-电介质接触处电场的增强。若固体介质与电极之 间存在间隙，则交流电压下串联间隙中电场随绝缘材料与间隙之间介电常 数的差异而增强。假设间隙的相对介电常数为1，绝缘材料为r，则接触 处间隙中的场强将近似被加强r倍，而间隙的耐电强度一般远低于固体绝 缘材料，从而引发间隙处首先发生碰撞电离和放电，进而导致在较低的电 场下发生闪络

影响真空中沿面闪络的主要因素真空度的影响施加电压的波形绝缘子几何形状、表面状况以及绝缘子材料电极结构以及电极与绝缘子之间的接触方式绝缘材料的预放电处理其它影响因素（温度、磁场）450AYI图1-2沿面闪络电压V400二350与绝缘子圆锥角的关300250系曲线（绝缘子的材料为200有机玻璃，长度为12.7mm1501001一脉宽50ns的电压脉冲50-4020-60-20040602一脉宽5us的电压脉冲01(°)-7-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -7- q 真空度的影响 q 施加电压的波形 q 绝缘子几何形状、表面状况以及绝缘子材料 q 电极结构以及电极与绝缘子之间的接触方式 q 绝缘材料的预放电处理 q 其它影响因素（温度、磁场） 影响真空中沿面闪络的主要因素 图1-2 沿面闪络电压Vf 与绝缘子圆锥角 的关 系曲线(绝缘子的材料为 有机玻璃，长度为12.7mm) 1—脉宽50ns的电压脉冲 2—脉宽5s的电压脉冲 50 100 150 200 250 300 350 400 450 -60 -40 -20 0 20 40 60 + _ θ / (°) Vf / k V + _ 1 2 θ θ

真空中沿面闪络的机理模型SEEA模型(SecondaryElectronEmissionAvalanche，二次电子发射雪崩，Anderson等，1980年）沿面闪络过程的三个阶段：起始阶段一次电子的产生；发展阶段—电子倍增过程；闪络击穿形成贯穿性放电通道。气体电子倍增一次电子解吸附发射e++子绝缘图1-3真空中沿面闪络的SEEA模型ETPR模型(ElectronTriggeredPolarityRelaxation，电子触发的极化松弛，Blaise和Gressus，1991年)绝缘材料在电场作用下发生极化，储存能量；在外界扰动下极化平衡状态被破坏，介质发生极化松弛，引起极化能量的释放，触发沿面闪络。-8-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -8- q SEEA模型 (Secondary Electron Emission Avalanche，二次电子发射雪崩，Anderson 等，1980年) 沿面闪络过程的三个阶段：起始阶段——一次电子的产生；发展阶 段——电子倍增过程；闪络击穿——形成贯穿性放电通道。 图1-3 真空中沿面闪络的SEEA模型 q ETPR模型 (Electron Triggered Polarity Relaxation，电子触发的极化松弛，Blaise和 Gressus，1991年) 绝缘材料在电场作用下发生极化，储存能量；在外界扰动下极化平衡状 态被破坏，介质发生极化松弛，引起极化能量的释放，触发沿面闪络。 真空中沿面闪络的机理模型 + + + + + + + + 绝 缘 子 + _一次电子 发射 电子倍增 气体 解吸附 阴 极 阳 极 e e e

沿面闪络现象的改善与抑制研究改造电极构造、研磨材料表面、预放电处理、通过表面涂层减小电阻率及二次电子发射系数等。Sudarshan等人通过实验发现Al,O.试品的晶粒影响其闪络电压，晶粒越小、闪络电压越高；丁立健提出用表面粗糙度来表征绝缘材料的表面状况，认为粗糙度越小、材料越光滑则闪络电压越高；而Yamamoto等人则发现了截然相反的结果。Miller通过在Al,O表面涂覆具有较低二次电子发射系数的Cr2O3涂层，发现可提高闪络电压。雷杨俊和肖定全通过在氧化铝陶瓷中掺杂锰铬后烧结，可提高表面耐压强度，将其原因归于二次电子发射系数的降低。Li(李成榕)和Ding(丁立健)基于在Al,O,陶瓷中掺杂Fe,O,或Nb.O,等氧化物烧结后的闪络实验，可以提高闪络电压-9-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -9- 改造电极构造、研磨材料表面、预放电处理、通过表面涂层减 小电阻率及二次电子发射系数等。 沿面闪络现象的改善与抑制研究 n Sudarshan等人通过实验发现Al2O3试品的晶粒影响其闪络电 压，晶粒越小、闪络电压越高； n 丁立健提出用表面粗糙度来表征绝缘材料的表面状况，认为 粗糙度越小、材料越光滑则闪络电压越高；而Yamamoto等人 则发现了截然相反的结果。 n Miller通过在Al2O3表面涂覆具有较低二次电子发射系数的 Cr2O3涂层，发现可提高闪络电压。雷杨俊和肖定全通过在 氧化铝陶瓷中掺杂锰铬后烧结，可提高表面耐压强度，将其 原因归于二次电子发射系数的降低。 n Li(李成榕)和Ding(丁立健)基于在Al2O3陶瓷中掺杂Fe2O3或 Nb2O5等氧化物烧结后的闪络实验，可以提高闪络电压

国际上的主要研究小组美国Sandia国家实验室、LawrenceLivermore国家实验室美国Sudarshan、Kristiansen和Neuber、Verboncoeur、Kirkici;英国Chalmers和Latham;荷兰Wetzer;日本Kobayashi、Saito、Yamamoto和Okubo;华北电大、西安交大、中科院电工所、西核院、九院、国防科技等多个团队。国外需要特别关注美国Neuber课题组（美国德州技术大学）日本Kobayashi（琦玉大学）和Okubo（名古屋大学）美国Verboncoeur课题组（美国加州大学伯克利分校-10-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -10- 美国Sandia国家实验室、Lawrence Livermore国家实验室 美国Sudarshan、Kristiansen和Neuber、 Verboncoeur、Kirkici； 英国Chalmers和Latham； 荷兰Wetzer； 日本Kobayashi、Saito、Yamamoto和Okubo； 华北电大、西安交大、中科院电工所、西核院、九院、国防科技 等多个团队。 国际上的主要研究小组 国外需要特别关注： 美国Neuber课题组（美国德州技术大学） 日本Kobayashi（埼玉大学）和Okubo（名古屋大学） 美国Verboncoeur课题组（美国加州大学伯克利分校）