与输电线路带电作业相关的绝缘材料主要有空气、绝缘板材与管材、塑料薄膜、橡胶、绝缘漆、水等，可分为气体、固体和液体绝缘材料。绝缘材料的性能直接关系到带电作业安全。

当外加电场时，绝缘材料由于电位差而承载一定的电压，其表面及内部仅有极小的泄漏电流通过，可以认为是不导电的。当绝缘材料所处电场强度过高，承载的电压超过限值，或其有效绝缘长度不足时，绝缘材料会因为电击穿而丧失其绝缘性能，作业人员会因身体被迫流通大电流，从而危及人身安全。所以，必须重点对绝缘材料进行电气特性分析。在进行电气特性分析时，绝缘材料又被称为电介质。

1.电介质的极化

对电介质进行电气特性分析的常用方法，是将其置于两个电极之间，通电以施加电场，通过检测其电气参数的变化规律，进而分析其电气特性。

在外加电场作用下，电介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，在介质表面出现束缚负荷，导致极板因吸附电荷增加造成其电容量增大。极板间放入电介质时的电容量与极板间为真空时的电容量的比值，被称为电介质的相对介电常数，它表征电介质在电场作用下极化现象的强弱，如式（1-1-1）所示：

式中：εr——电介质的相对介电常数；

ε——电介质的电介常数；

ε0——真空的电介常数；

C——极板间放入电介质时的电容量；

C0——极板在真空时的电容量。

电介质种类不同，其相对介电常数也不同，见表1-1-1。

表1-1-1　各类电介质的相对介电常数

（1）电介质极化的形式分类

电介质在电场作用下所发生的束缚电荷的弹性位移和极性分子的转向现象，称为电介质的极化。常见的极化形式有电子位移极化、离子位移极化、偶极子式极化、夹层界面极化、空间电荷极化等。

对比各类电介质极化形式，具有以下特点：电子位移极化，存在于所有物质，体现为电子与原子核相对位移，极化时间极短，与频率无关，无能量损耗，温度升高时略微下降；离子位移极化，存在于离子式无机物，体现为正负离子相对位移，极化时间极短，与频率无关，微弱能量损耗，温度升高时略微升高；偶极子转向极化，存在于极性共价化合物，体现为分子转向，极化时间较长，频率增大时减小，有较大能量损耗，温度升高时先增大后减小；夹层极化，存在于多层介质，体现为夹层界面聚集电荷，极化时间很长，仅在低频率下存在，有较大能量损耗；空间电荷极化，存在于含有自由离子的介质，体现为离子向电极集结，极化时间很长，仅在低频率下存在，有较大能量损耗。

（2）电介质极化在实际工程中的意义

①选择绝缘材料

容器——介电常数较大——增大电容值；

电缆——介电常数较小——减小电容电流；

套管——介电常数较小——提高沿面闪络电压。

②多重介质的合理配合

在交流及冲击电压下，串联介质中的电场强度与介电常数成反比。

③介质损耗与介质极化类型有关

转向极化等有较大能量损耗，会使得介质发热，导致老化、劣化甚至热击穿。

④在绝缘预防性试验中，可用夹层式极化来判断绝缘受潮情况。

夹层极化电荷积累时间很长（取决于电导），介质受潮后往往电导增大，时间缩短。

2.电介质的电导

电介质的电导，是指在电场作用下，电介质中的带电质点做有向移动而形成电流的现象。它与金属导体的电导有着本质的区别：电介质电导是离子性的，而金属电导是电子性的；电介质电导很小，金属电导很大；电介质电导的温度系数为正，金属电导的温度系数为负。气体、液体和固体电介质的电导的构成因素和特性是不一致的。

（1）固体电介质

固体电介质的电导分为体积电导和表面电导，构成固体电介质电导的主要因素是离子电导。

非极性和弱极性固体电介质的电导主要是由杂质离子造成的，对于偶极性固体电介质，因本身分子能离解，所以其电导是由本身和杂质离子共同造成的。对于离子性电介质，电导的大小和离子本身的性质有关。固体电介质的表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起，介质表面干燥、清洁时电导很小。介质吸附水分的能力与自身结构有关，可分为亲水性介质和憎水性介质。介质的绝缘电阻是体积电阻和表面电阻两者的并联值，如式（1-1-2）所示：

式中：RV——体积泄漏电阻；

RS——表面泄漏电阻。

（2）液体电介质

构成液体电介质电导的主要因素有两种：离子电导和电泳电导。离子电导是由液体本身分子或杂质的分子离解出来的离子造成的；电泳电导是由荷电胶体质点造成的。

（3）气体电介质

图1-1-1为气体电介质的电导实验原理图及其伏安特性曲线，具体分析详见“气体放电”。

图1-1-1　气体电介质的电导实验及伏安特性曲线

3.气体放电

线路带电作业过程中，作业人员常在导线等带电体附近工作，甚至直接接触带电体，其作业环境是主要由空气绝缘的强电场环境。为了保证其人身安全，有关规程规范中对带电作业最小安全距离、组合间隙等根据电压等级的不同做出了详细规定，目的就是为了防止发生对作业人员不利的空气放电。

气体放电是气体中流通电流的各种形式的统称。气体放电的过程如图1-1-2所示。

图1-1-2　气体放电的过程

电子崩，是指电子从阴极向阳极运动时，发生碰撞电离，使电子数按几何级数不断增加，如雪崩式的增长。非自持放电是指气体放电需要靠外电离来维持。自持放电是指气体放电只需要靠外施电压来维持，U0为自持放电的起始电压。气体间隙中的放电特性与电压作用时间、电场均匀程度、是否沿面放电、气体密度湿度以及海拔高度等因素有关。电压持续时间越短，气体间隙的击穿电压越高；非均匀电场中，电场不均匀程度越高，随着平均击穿场强的下降，气体间隙中存在着明显的极性效应，击穿电压也会下降；沿面放电电压比纯空气间隙中的放电电压要低得多；气体密度、湿度和海拔高度的变化直接影响着气体间隙的放电电压。电力生产实际中，由于电压作用时间、空气密度湿度及海拔高度属于不可能调整的因素，常采用电场调整（如使用均压环或屏蔽环）或提高绝缘子电气绝缘性能等来改善气体的放电特性。(www.daowen.com)

通过测定处于电场中气体的流通电流的大小，可得到其电压和电流的关系，以反映气体放电特性，如图1-1-3、1-1-4所示。

图1-1-3　测定气体中电流的回路示意

图1-1-4　气体中电流和电压的关系

气体放电可分为非自持放电和自持放电两个阶段。非自持放电指去掉外电离因素的作用后放电随即停止的放电；自持放电指仅靠电场的作用而维持的放电。从图1-1-4中可以看出，非自持放电过程为当外施电压小于U0时，间隙内电流数值很小，间隙还未被击穿；自持放电过程为当电压达到U0后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增（体现为辉光放电、火花放电或电弧放电）；从Ub到U0反映了放电的发展过程；U0为起始电压，在均匀电场中也称之为击穿电压。

（1）均匀电场的空气击穿过程

均匀电场击穿的过程，就是各种游离持续发展的过程。在不同情况下，各种游离所起作用的强弱不同，气体间隙击穿的机理也就有差别。影响最大的因素是气体的相对密度和极间距离。

①大气状态对气体间隙放电电压的影响

估算气体间隙放电电压时，应考虑到线路路径的大气条件变化的影响，在非标准大气条件下的实测电压值，应换算到标准大气条件下的电压值。

标准大气条件，是指气压p0=101.3kPa，温度t0=20℃，绝对湿度h0=11g/m3。

②空气密度对放电电压的影响

随着海拔高度增加，大气压力降低，相对空气密度减小，电子平均自由行程增大，电离过程增强，放电电压降低。

均匀电场的空气间隙放电电压，经验公式为

式中：d——空气间隙；

δ——空气密度。

稍不均匀的空气间隙放电电压计算公式为

式中：Ub0——标准大气条件下放电电压，与电场均匀程度和电压种类无关。

不均匀电场的空气间隙放电电压与空气密度δ偏离线性正比关系，满足：

式（1-1-5）中，m是放电距离d的函数。有研究表明，雷电波作用下m取1；操作波作用下，d为1.64、2.45、3.28、4.10m时，m可取1.00、0.90、0.80、0.70。

③湿度对放电电压的影响

均匀或稍不均匀电场中，放电电压随绝对湿度略有增加，无预放电现象，在工程上可以忽略湿度的影响。极不均匀电场下放电电压随绝对湿度增大而增加，并随电极形状、电压极性、波形间隙距离及绝对湿度大小而变化。

均匀电场中的气体间隙放电不存在极性效应，且没有电晕现象。一旦发生气体间隙放电就会引起整个气体间隙的击穿，所以其直流、工频交流下的击穿电压相同，放电的分散性极小。稍不均匀电场中，随着电场均匀程度降低，同样间隙距离下的击穿电压就越低，最高击穿电压即为均匀电场中的击穿电压。

（2）不均匀电场气体间隙的击穿

输电线路附近的电场等大多都是极不均匀的。在极不均匀电场中，由于间隙击穿前已发生强烈电晕，此后放电都是在电晕空间电荷畸变了外电场的情况下发展的，所以影响击穿电压的主要因素是间隙距离，与电极的形状关系不大。

不均匀电场气体间隙的击穿，有显著的极性效应和较长的放电时延，因而与所加电压波形有显著的关系。长间隙中的放电发展过程与短间隙又有不同。

①长间隙放电

空气游离场强一般为25～30kV/m，空气中有水滴时可能仅为10kV/m。先导放电通道的特点为分级发展，每级50m，相邻两级间歇时间为30～90μs。

②短间隙击穿

选择电场极不均匀的“棒—板”和“棒—棒”电极作为典型电极，如果电场分布不对称，可参照棒—板电极的数据；如果电场分布对称，可参照棒—棒电极的数据。极不均匀电场中，作用在不同极性的直流电压时的气体间隙放电电压明显不同。棒—板间隙是典型的极不均匀电场，在这种间隙中，电离过程总是先从高场强的棒电极附近开始。图1-1-5为正棒负板的情况，图1-1-6为负棒正板的情况。

图1-1-5　正棒负板

图1-1-6　负棒正板

当棒的极性不同时，空间电荷所起作用的不同，使得这种极不均匀电场的电晕放电电压或间隙击穿电压出现了明显的差异，这就是所谓的极性效应。

电晕放电电压，负极性放电电压低；气体间隙击穿电压，正极性放电电压低。

（3）气体中的沿面放电

沿面放电，是指沿绝缘子和空气的分界面上发生的放电现象。从沿面放电发展到贯穿性的空气击穿称为闪络。

沿面闪络电压比气体或固体单独存在时的击穿电压都低。在同一长度的空气间隙和绝缘工具上进行电气性能试验，沿面放电电压比沿面闪络的电压高6％～10％。据试验，未受潮的绝缘工具有效长度在3.5m以下时，其沿绝缘体表面放电电压基本等于空气击穿电压。

沿面放电是一种气体放电形式。由于介质界面上的电压分布不均匀，其放电电压不仅比固体介质本身的击穿电压低很多，而且比纯空气间隙的放电电压也低得多，并且受固体介质的表面状况、电极形式、污秽程度、气候条件等因素影响较大。线路绝缘子遭受雷击时的沿面闪络，污秽后雨露天气中的放电等都是沿面放电现象。

（4）气体中的滑闪放电

传统的避雷器、电流互感器、电压互感器、断路器、变压器等电气设备中常用到瓷套管。瓷套管的导电杆与法兰盘是电场的两个电极，其间电场是极不均匀电场，具有强法线分量，有时会发生滑闪放电。滑闪放电电压与电压的工作频率、固体介质的比电容、介质表面电阻率的大小有关。滑闪放电也是沿面放电，由电晕放电发展而来，如图1-1-7所示。

图1-1-7　几种放电过程