绪论、第一章

1、本课程的性质和要求 v课程类别：课程类别：专业课专业课 v课程性质：课程性质：限选课限选课 v学时要求：学时要求：理论：理论：3232学时学时 v考核要求：考核要求：平时出勤、作业及听课表现共平时出勤、作业及听课表现共 计计3030分，无故缺席分，无故缺席3 3次以上无平时成绩；次以上无平时成绩； 期末考试期末考试7070分。分。 绪绪 论论 一、高电压技术的研究对象一、高电压技术的研究对象 一对矛盾 作用在电气设 备上的电压 电气设备承受 电压的能力 工作电压 耐受正常工作电压 耐受过电压 雷电过电压 内部过电压 过电压 一对矛盾 作用在电气设 备上的电压 电气设备承受 电压的能力 工作电压

2、 耐受正常工作电压 耐受过电压 雷电过电压 内部过电压 过电压 1、分析过电压的幅值、波形等参数，采取有效措、分析过电压的幅值、波形等参数，采取有效措 施降低或限制作用于设备上的过电压。施降低或限制作用于设备上的过电压。 2、设法保证及提高绝缘结构的耐受电压。、设法保证及提高绝缘结构的耐受电压。 二、本课程的主要内容 分为三篇: 第一篇 各类电介质在高电场下的特性 第二篇 电气设备绝缘试验技术 第三篇 电力系统过电压与绝缘配合 三、高电压技术课程的特点和要求三、高电压技术课程的特点和要求 高电压技术课程是一门高电压技术课程是一门实践性很强实践性很强的学科，用微观的概的学科，用微观的概 念解释宏

3、观现象，所以念解释宏观现象，所以比较抽象比较抽象。另外，这个理论还处在。另外，这个理论还处在 发展中，发展中，发展不完善发展不完善，所以一些规律的东西常需用试验数，所以一些规律的东西常需用试验数 据或经验公式去表示，我们学习中需要注意这些特点。据或经验公式去表示，我们学习中需要注意这些特点。 通过学习本课程，使学生获得通过学习本课程，使学生获得各种电介质的绝缘特性和各种电介质的绝缘特性和 提高抗电强度方法的知识提高抗电强度方法的知识；了解高电压试验设备原理了解高电压试验设备原理；掌掌 握电气设备绝缘的测试原理和分析方法握电气设备绝缘的测试原理和分析方法，掌掌握电力系统过握电力系统过 电压的产生

4、以及对过电压防护措施电压的产生以及对过电压防护措施；理解电力系统中绝缘理解电力系统中绝缘 配合的原则配合的原则。 教材与参考资料教材与参考资料 文远芳主编文远芳主编 高电压技术高电压技术 华中科技大学出版社华中科技大学出版社 周泽存主编周泽存主编 高电压技术高电压技术 中国电力出版社中国电力出版社 赵智大主编赵智大主编 高电压技术高电压技术 中国电力出版社中国电力出版社 第一篇第一篇 各类电介质在高电场下的特性各类电介质在高电场下的特性 第一章第一章 气体的放电基本物理过程和电气强度气体的放电基本物理过程和电气强度 一、气体放电的主要形式简介 1.1.几个概念 击穿电压U Ud d或闪络电压U

5、 Uf f发生击穿或闪络 的最低临界电压 击穿场强E Ed d = = 均匀电场中的击穿电压/ /间隙距离 平均击穿场强Ed=Ed=不均匀电场中的击穿电压/ /间隙 距离 击穿场强是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。 2.2.一气体放电的一般分类一气体放电的一般分类 根据电源容量、气体压力、电极形状不同，分为根据电源容量、气体压力、电极形状不同，分为 辉光放电辉光放电气体压力小，气体压力小，电源电源功率很小，电流密度较小，功率很小，电流密度较小， 放电区域占据电极的整个空间。如节日彩灯等放电区域占据电极的整个空间。如节日彩灯等 火花放电火花放电在大气压力下，电源功率较小时，间隙间歇性在大气压力下

6、，电源功率较小时，间隙间歇性 击穿，放电通道细而明亮。击穿，放电通道细而明亮。 电弧放电电弧放电大气压力下，电源功率较大时，放电具有明亮、大气压力下，电源功率较大时，放电具有明亮、 持续的细致通道。持续的细致通道。 电晕放电电晕放电极不均匀电场中，高电场强度电极附近出现发极不均匀电场中，高电场强度电极附近出现发 光薄层。光薄层。 二、气体中带电质点的产生与消失二、气体中带电质点的产生与消失 （一）激励和游离的概念（一）激励和游离的概念 产生带电质点的物理过程称为产生带电质点的物理过程称为游离游离，是气体放，是气体放 电的首要前提。电的首要前提。 1.1. 激励：激励：当原子获得外部能量，一个或

7、若干个外层电当原子获得外部能量，一个或若干个外层电 子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象。 激励需要外界给原子一定的能量，称为激励能。激励需要外界给原子一定的能量，称为激励能。 激励这种状态非常不稳定，电子在高能量的轨道上激励这种状态非常不稳定，电子在高能量的轨道上 只能呆很短的时间。随后便回到原来的轨道上去，只能呆很短的时间。随后便回到原来的轨道上去， 此时它会将激励过程中吸收的能量以光子的形式释此时它会将激励过程中吸收的能量以光子的形式释 放出去，即对外发生光辐射。放出去，即对外发生光辐射。 2. 2. 游离游离: : 若原子从外界获得的能量足够大，以致

8、若原子从外界获得的能量足够大，以致 使一个或多个电子摆脱原子核的束缚形成自由使一个或多个电子摆脱原子核的束缚形成自由 电子和正离子，这一过程称为游离。电子和正离子，这一过程称为游离。 （二）气体间隙中带电质点的产生（二）气体间隙中带电质点的产生 1.1. 气体分子本身的游离（空间游离）气体分子本身的游离（空间游离） （1 1）碰撞游离：）碰撞游离： 气体中带电质点在电场中获得加速后和气气体中带电质点在电场中获得加速后和气 体分子碰撞时，把动能传给后者引起游离。体分子碰撞时，把动能传给后者引起游离。 自由行程：一个带电质点在两次碰撞之间自由通自由行程：一个带电质点在两次碰撞之间自由通 过的平均距

9、离。过的平均距离。 自由行程与分子密度有关，分子密度越自由行程与分子密度有关，分子密度越小小自由行自由行 程越长，越容易获得足够的动能发生碰撞游离。程越长，越容易获得足够的动能发生碰撞游离。 （2 2）光游离）光游离 所谓光游离是指由于光辐射引起的原子或分子游离所谓光游离是指由于光辐射引起的原子或分子游离 W=hv=hc/W=hv=hc/ h h 普朗克常熟普朗克常熟 v v 光子频率光子频率 波长波长 通常我们看到的通常我们看到的可见光不会发生光游离可见光不会发生光游离，只有一些，只有一些 短的才会发生光游离，比如：宇宙射线、短的才会发生光游离，比如：宇宙射线、射线等。射线等。 （3 3）热

10、游离）热游离 气体在热状态下引起的游离过程称为气体在热状态下引起的游离过程称为热游离热游离。 所谓热游离并不是一种新游离，所谓热游离并不是一种新游离，它实质上是在热它实质上是在热 状态下发生的碰撞游离和热辐射下引起的光游离。状态下发生的碰撞游离和热辐射下引起的光游离。 这两种游离结合起来形成热游离。这两种游离结合起来形成热游离。 气体分子的平均动能：气体分子的平均动能： W=3/2kTW=3/2kT T T气体温度气体温度 K K波尔茨曼常熟波尔茨曼常熟. 1.38. 1.381010-23 -23 2. 2. 气体中金属表面的游离气体中金属表面的游离 指阴极发射电子的过程，也称电极表面游离指

11、阴极发射电子的过程，也称电极表面游离。 当当逸出功逸出功游离能游离能时，阴极表面的电离可以发生在时，阴极表面的电离可以发生在 下列几种情况下下列几种情况下 正离子撞击阴极表面：正离子撞击阴极表面：正离子撞击阴极表面时把它正离子撞击阴极表面时把它 的能量传递给阴极表面里的电子，使电子能溢出阴的能量传递给阴极表面里的电子，使电子能溢出阴 极表面，一个与正离子中和，其余电子沿电场方向极表面，一个与正离子中和，其余电子沿电场方向 向正极板走，可能发生新的游离过程。向正极板走，可能发生新的游离过程。 短波光照射：短波光照射：用波长比较短的强光，对阴极表用波长比较短的强光，对阴极表 面照射，也能使电子逸出

12、阴极表面，这种现象面照射，也能使电子逸出阴极表面，这种现象 称为光电效应。称为光电效应。 强场放射：强场放射：指阴极表面的电场非常强时，也可指阴极表面的电场非常强时，也可 以把阴极表面的电子释放出来。以把阴极表面的电子释放出来。 热电子放射：热电子放射：即加热阴极表面，当温度达到一即加热阴极表面，当温度达到一 定程度以后，会向外释放电子。这种现象称之定程度以后，会向外释放电子。这种现象称之 为热电子放射。为热电子放射。 气体中带电质电的产生与消失影响着气体放气体中带电质电的产生与消失影响着气体放 电的发展过程。前者促进放电发展，后者阻碍电的发展过程。前者促进放电发展，后者阻碍 放电发展。放电发

13、展。 （三）带电质点的消失（三）带电质点的消失 带电质点的消失可能有以下几种情况：带电质点的消失可能有以下几种情况： 1 1、与两电极的电量中和、与两电极的电量中和：带电质点受电场力作用定向：带电质点受电场力作用定向 运动。正运动。正负极板运动；负负极板运动；负正极板运动，在到达正极板运动，在到达 电极时，消失在电极上，而形成电路中的电流，因电极时，消失在电极上，而形成电路中的电流，因 此气隙中的带电质点减少。此气隙中的带电质点减少。 2 2、扩散：、扩散：主要是由热运动引起的。热运动会使带电质主要是由热运动引起的。热运动会使带电质 点从高浓度区向低浓度区移动，使空气间隙里各个点从高浓度区向低

14、浓度区移动，使空气间隙里各个 地方的带电质点的浓度趋于一致。这种现象称之为地方的带电质点的浓度趋于一致。这种现象称之为 扩散。扩散。 3 3、复合：、复合：异号电荷相遇，发生电荷的传递而还原为中异号电荷相遇，发生电荷的传递而还原为中 性质点的过程。性质点的过程。 复合主要指正负离子之间。复合主要指正负离子之间。 第一节第一节 汤逊理论和流注理论汤逊理论和流注理论 一、均匀电场中气体击穿的发展过程一、均匀电场中气体击穿的发展过程 1 1、自持放电与非自持放电、自持放电与非自持放电 非自持放电非自持放电依靠外依靠外 电离因素的作用而维持电离因素的作用而维持 的放电的放电 自持放电自持放电仅需外仅需

15、外 加电场的作用就能维加电场的作用就能维 持的放电持的放电 C C点以后：点以后：电压达到某一临界值电压达到某一临界值U U0 0，气体被击穿，处于导通状态，气体被击穿，处于导通状态， 由绝缘状态由绝缘状态良导体良导体 均匀电场中：均匀电场中：U U0 0即击穿电压即击穿电压U Ub b；不均匀电场中；不均匀电场中:U:U0 0为起始电晕电压。为起始电晕电压。 当当UUUUUU0 0时时，此时气体放电不需要外界游离因素，故为，此时气体放电不需要外界游离因素，故为自持放电。自持放电。 o oA A段：随着段：随着U U升高，带电质点升高，带电质点 运动速度增大；运动速度增大； ABAB段：电流趋

16、于饱和；段：电流趋于饱和；因为因为 带电质点已全部落入电极，带电质点已全部落入电极， 形成外电路的电流，此时电形成外电路的电流，此时电 流去取决于外界电离因素而流去取决于外界电离因素而 与电压无关。与电压无关。 BCBC段：段：发生电子碰撞电离，发生电子碰撞电离， 产生大量带电质点，所以随产生大量带电质点，所以随 着着U UI I 二、汤逊理论（汤逊气体放电理论）二、汤逊理论（汤逊气体放电理论） 1 1、过程：过程： （1 1）电子崩的形成：）电子崩的形成： 电子数按几何级电子数按几何级 数不断增多，像数不断增多，像 雪崩似的发展，雪崩似的发展， 这种急剧增大的这种急剧增大的 空间电子流空间电

17、子流 电子崩电子崩 （2 2）过程引起的电流：过程引起的电流： 电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数（系数）：系数）： 一个一个 电子沿着电场方向行经电子沿着电场方向行经1cm1cm长度，平均发生的长度，平均发生的 碰撞电离次数；碰撞电离次数； x enn dxndn 0 设阴极表面初始电子数设阴极表面初始电子数n0n0，在距，在距 离阴极离阴极x x处，电子数增至处，电子数增至n n个，这个，这 n n个电子在个电子在dxdx距离中又会产生距离中又会产生dndn 个新电子，则个新电子，则： 令令n0=1,x=d,n0=1,x=d,则则 d en 即为一个电子走完全程产生的电子数目。即为一个电子走

18、完全程产生的电子数目。 d dx x eII eII 0 0 I I0 0为外电离因素为外电离因素 引起的初始电流引起的初始电流 如果如果I I0 0=0=0，则，则I=0.I=0.即如果去掉外界游离因素，则气即如果去掉外界游离因素，则气 体的放电就停止了，所以说，只有体的放电就停止了，所以说，只有过程，放电过程，放电 不能自持。不能自持。 2.2. 过程过程 正离子碰撞游离系数正离子碰撞游离系数一个正离子沿着电场方一个正离子沿着电场方 向行径向行径1cm1cm长度，平均发生的碰撞电离次数；长度，平均发生的碰撞电离次数；也称之也称之 为为汤逊第二游离系数。汤逊第二游离系数。 正离子在运动时，不

19、易积累能引起碰撞游离的能量，正离子在运动时，不易积累能引起碰撞游离的能量， 因而因而值极小，在分析时可予忽略值极小，在分析时可予忽略 3 3、过程过程 正离子表面电离系数正离子表面电离系数表示折合到每个碰撞阴表示折合到每个碰撞阴 极表面的正离子，使阴极金属释放出的自由电子数。极表面的正离子，使阴极金属释放出的自由电子数。 自持放电条件：自持放电条件： 一个电子走完全程以后，所产生的正离一个电子走完全程以后，所产生的正离 子到达阴极以后，只要它撞出来的电子数目大于等子到达阴极以后，只要它撞出来的电子数目大于等 于于1，就可以抵偿到刚消失的那个电子，放电就能达，就可以抵偿到刚消失的那个电子，放电就

20、能达 到自持。到自持。 11 d e 三、巴神定律三、巴神定律 当气体成分和电极材料一定时，气体间隙当气体成分和电极材料一定时，气体间隙 击穿电压是气压和极间距离乘积的函数。击穿电压是气压和极间距离乘积的函数。 U Ub b=f(pd)=f(pd) 式中式中 PP气压（气压（PaPa） d d极间距极间距(cm)(cm) 对应于某一对应于某一pdpd值，气体间隙的击穿电压最低。值，气体间隙的击穿电压最低。 即即U Ud d有极小值。有极小值。 原因原因: :为使放电达到自持，电子从阴极到阳为使放电达到自持，电子从阴极到阳 极的整个行程中需完成足够多次数的碰撞游极的整个行程中需完成足够多次数的碰

21、撞游 离。离。 巴神定律试验曲线图 巴申定律曲线呈巴申定律曲线呈U U型，可解释如下：型，可解释如下： 1 1、当当d d一定时一定时 P P 电子动能电子动能气体游离能力气体游离能力击穿电击穿电 压压U Ub b 反之反之 PP 碰撞次数碰撞次数击穿电压击穿电压U Ub b 2 2、当、当P P一定时一定时 d d要维持足够的电场强度要维持足够的电场强度必须升高电压必须升高电压 反之反之 d d当与平均当与平均可比拟时可比拟时电子走完全程中的碰撞次数电子走完全程中的碰撞次数 U Ub b 由巴申曲线可知：由巴申曲线可知： 当极间距离当极间距离d d一定时，提高气体压力一定时，提高气体压力 p

22、 p或降低气体压力到真空，都可以提高气隙的击穿电或降低气体压力到真空，都可以提高气隙的击穿电 压。这一概念具有十分重要的意义。压。这一概念具有十分重要的意义。 汤逊理论的适用范围及局限性汤逊理论的适用范围及局限性 汤逊理论可以较好的解释汤逊理论可以较好的解释低气压、短间隙、均匀电场低气压、短间隙、均匀电场 中中的放电现象，即的放电现象，即pdpd较小时。较小时。 但是在但是在解释大气压长间隙放电过程时，汤逊理论就不解释大气压长间隙放电过程时，汤逊理论就不 适用了。适用了。发现有以下几点实验现象无法全部在汤逊理发现有以下几点实验现象无法全部在汤逊理 论范围内给予解释：论范围内给予解释： 放电外形

23、：放电外形：在低气压小间隙中气体放电主要是辉光在低气压小间隙中气体放电主要是辉光 放电，但是在大气压下做实验时我们发现能够看到细放电，但是在大气压下做实验时我们发现能够看到细 而明亮的放电通道，但是带有分支，放电形状不一样。而明亮的放电通道，但是带有分支，放电形状不一样。 放电时间：放电时间：在大气压下我们测得的击穿时间要比在大气压下我们测得的击穿时间要比 汤逊理论中小汤逊理论中小1010010100倍倍 阴极材料的影响：阴极材料的影响：在大气压力下做实验，我们发在大气压力下做实验，我们发 现击穿电压与阴极材料没有关系。当气体间隙、气现击穿电压与阴极材料没有关系。当气体间隙、气 体性质一定时，

24、击穿电压就一定。体性质一定时，击穿电压就一定。 v造成汤逊理论不能解释大气压力下放电现象造成汤逊理论不能解释大气压力下放电现象 的主要原因：的主要原因： 汤逊理论没有考虑游离出来的汤逊理论没有考虑游离出来的空间电荷对外电场的空间电荷对外电场的 畸变作用畸变作用 汤逊理论没有考虑汤逊理论没有考虑光子在放电过程中的作用光子在放电过程中的作用 四、流注理论四、流注理论 该理论认为：该理论认为：电子的碰撞游离和空间光游离是形电子的碰撞游离和空间光游离是形 成自持放电的主要因素，并且强调了空间电荷成自持放电的主要因素，并且强调了空间电荷 对电场的畸变作用对电场的畸变作用。 放电过程：放电过程：电子崩、流

25、注、击穿电子崩、流注、击穿 1.1.电子崩：电子崩：初始电子崩以后，大大加强了崩头和崩初始电子崩以后，大大加强了崩头和崩 尾的场强，而在两个强电场区域之间出现一个尾的场强，而在两个强电场区域之间出现一个 电场强度很弱的区域，则电场强度不再均匀。电场强度很弱的区域，则电场强度不再均匀。 这些光子使附近气体因光电离而产生二次电子。这些光子使附近气体因光电离而产生二次电子。 他们在正空间电荷所引起的畸变和加强了局部他们在正空间电荷所引起的畸变和加强了局部 电场作用下，又形成了新的电子崩，叫二次崩电场作用下，又形成了新的电子崩，叫二次崩 图图1-6 流注的形成与发展流注的形成与发展 2.2.流注的形成

26、流注的形成 在主崩形成以后，在正负电荷交接处，电荷密度在主崩形成以后，在正负电荷交接处，电荷密度 最大，电场强度最弱，这时极易发生复合现象。最大，电场强度最弱，这时极易发生复合现象。 子崩的头部带负离子，它们会被主崩崩尾的正离子崩的头部带负离子，它们会被主崩崩尾的正离 子吸引，而靠近主崩，然后头部的自由电子就进入子吸引，而靠近主崩，然后头部的自由电子就进入 到主崩里面形成流注通道。到主崩里面形成流注通道。 流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形 成的正电荷，因此流注头部前方出现很强的电场，成的正电荷，因此流注头部前方出现很强的电场， 产生新的电子崩

27、，从而使流注向前发展。产生新的电子崩，从而使流注向前发展。 3.3.击穿：击穿： 随着流注通道向阴极移动，即等离子体向阴极移随着流注通道向阴极移动，即等离子体向阴极移 动，当这个通道贯穿对极以后，就形成一个等离子动，当这个通道贯穿对极以后，就形成一个等离子 通道，从而导致气隙击穿。（放电为火花放电或电通道，从而导致气隙击穿。（放电为火花放电或电 弧放电）弧放电） v所以流注理论与汤逊理论最大的不同就是所以流注理论与汤逊理论最大的不同就是 它考虑了空间电荷畸变电场形成二次崩，它考虑了空间电荷畸变电场形成二次崩， 二次崩靠近主崩形成等离子体二次崩靠近主崩形成等离子体-良导体，良导体， 一旦等离子通

28、道贯穿两极，就会造成间隙一旦等离子通道贯穿两极，就会造成间隙 被击穿。被击穿。这就是流注理论的基本理论。这就是流注理论的基本理论。 4.4.自持放电条件：自持放电条件： 1 d d e e 或 常数 即流注的形成。即流注的形成。足够的空间光电离足够的空间光电离 主崩头部空间电荷的数主崩头部空间电荷的数 量达到某一个值量达到某一个值 1 lnd 一般认为当一般认为当d20（ed108）便可以认便可以认 为满足条件，使流注得以形成。为满足条件，使流注得以形成。 空间光电离可以维持放电空间光电离可以维持放电 其中其中没有实际的物理意义，只是一个定义的常数，与汤逊理论中的没有实际的物理意义，只是一个定

29、义的常数，与汤逊理论中的不不 同。同。 5.5.适用范围和局限性适用范围和局限性 在高气压、长气隙情况下：在高气压、长气隙情况下： 放电外形、放电外形、 放电时间、放电时间、 阴极材料阴极材料 流注理论适用于高气压、大气隙情况下，流注理论适用于高气压、大气隙情况下， 即即pdpd较大的情况。较大的情况。 汤逊理论与流注理论相互补充，可以说明汤逊理论与流注理论相互补充，可以说明 广阔的广阔的pdpd范围内的放电现象。范围内的放电现象。 小 结 无论是均匀电场还是不均匀电场，放电都是逐渐发展无论是均匀电场还是不均匀电场，放电都是逐渐发展 的，都是由非自持放电转入自持放电。的，都是由非自持放电转入自

30、持放电。 解释维持自持放电的气体放电理论有汤逊理论与流注解释维持自持放电的气体放电理论有汤逊理论与流注 理论。前者强调表面游离的作用；后者强调空间电荷对电理论。前者强调表面游离的作用；后者强调空间电荷对电 场的畸变与空间光游离的作用。前者可定量分析（巴申定场的畸变与空间光游离的作用。前者可定量分析（巴申定 律）；后者只是定性分析。前者适用于解释均匀电场、短律）；后者只是定性分析。前者适用于解释均匀电场、短 间隙、低气压的情况；后者适用于解释长间隙、不均匀电间隙、低气压的情况；后者适用于解释长间隙、不均匀电 场，大气压下的情况。场，大气压下的情况。 v 要求：要求： v 简要分析汤逊理论与流注理

31、论对气体放电过程、电离因简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程、电离因 素以及自持放电条件的观点有何不同，并说明这两种理论素以及自持放电条件的观点有何不同，并说明这两种理论 各自的适用范围；各自的适用范围； v 解释电气放电过程的解释电气放电过程的、系数。系数。 第二节第二节 不均匀电场中的放电过程不均匀电场中的放电过程 电气设备的绝缘结构的电场大多数都是不均匀电场。不均匀电电气设备的绝缘结构的电场大多数都是不均匀电场。不均匀电 场分为稍不均匀电场和极不均匀电场。场分为稍不均匀电场和极不均匀电场。 一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点 放电具有稍

32、不均匀场间 隙的特点， 击穿电压与 电晕起始电 压相同 放电过程不稳定，分 散，属于过渡区 放电具有极不均匀场间隙的特点， 电晕起始电压明显低于击穿电压 有实验可知：随着电场不均匀程度增加，放电现象有实验可知：随着电场不均匀程度增加，放电现象 不同，电场越是不均匀（两球间距离越大，电场越不同，电场越是不均匀（两球间距离越大，电场越 不均匀），击穿电压和电晕起始电压之间的差别也不均匀），击穿电压和电晕起始电压之间的差别也 越大。越大。 均匀电场：均匀电场：放电达到自持，间隙即将被击穿，击穿前放电达到自持，间隙即将被击穿，击穿前 看不到放电现象；看不到放电现象； 稍不均匀电场稍不均匀电场: :与均

33、匀电场相似，虽然电场不均匀，与均匀电场相似，虽然电场不均匀， 不存在稳定的电晕放电，电晕一旦发现，气隙立即被不存在稳定的电晕放电，电晕一旦发现，气隙立即被 击穿（如击穿（如2Dd4D2Dd4D时）时） 极不均匀电场：极不均匀电场：若果电场的不均匀程度导致存在稳定若果电场的不均匀程度导致存在稳定 的电晕放电（如的电晕放电（如d4D以后以后），就称为极不均匀电场。），就称为极不均匀电场。 具有两大基本特征：电晕放电、极性效应具有两大基本特征：电晕放电、极性效应 电场的均匀系数电场的均匀系数f f等于气隙中最大场强等于气隙中最大场强E Emax max与平均 与平均 场强场强E Eav av的比值

34、的比值 其中其中 通常对均匀电场通常对均匀电场f=1f=1；当；当f2f4f4时就明显属于极不均匀电场。时就明显属于极不均匀电场。 av E E f max d U E av U-U-为极间电压；为极间电压； d-d-为极间距离为极间距离 典型的不均匀场：典型的不均匀场： 棒棒-棒电极（对称的）棒电极（对称的） 棒棒-板电极（不对称）板电极（不对称） 二、极不均匀电场中的电晕放电现象二、极不均匀电场中的电晕放电现象 1 1、电晕放电的概念、电晕放电的概念 电晕放电是极不均匀电场所特有的，电晕放电是极不均匀电场所特有的，也是也是极不均匀电场气极不均匀电场气 体放电必须经历的第一阶段体放电必须经历

35、的第一阶段，并且是一种自持放电。并且是一种自持放电。 极不均匀电场中，间隙中的最大场强比均匀场强大的多。极不均匀电场中，间隙中的最大场强比均匀场强大的多。 外加电压较低时，曲率小的电极附近电场强度已足够大可引外加电压较低时，曲率小的电极附近电场强度已足够大可引 起强烈游离，在这局部的强场区形成放电，这种起强烈游离，在这局部的强场区形成放电，这种仅仅发生在仅仅发生在 强场区的局部自持放电称为电晕放电强场区的局部自持放电称为电晕放电。 在这在这局部强场区中，产生强烈的游离局部强场区中，产生强烈的游离，但由于离电极稍远，但由于离电极稍远 处场强已大为减小，所以，此游离区不可能扩展到很大，只处场强已大

36、为减小，所以，此游离区不可能扩展到很大，只 能局限在此电极附近的强场范围内能局限在此电极附近的强场范围内 开始出现电晕放电的电压称之为电晕起始电压开始出现电晕放电的电压称之为电晕起始电压，电晕起始电，电晕起始电 压在理论上可根据自持放电的条件求去，但是这种方法计算压在理论上可根据自持放电的条件求去，但是这种方法计算 繁杂且不精确，所以通常都是根据经验公式来确定的（经验繁杂且不精确，所以通常都是根据经验公式来确定的（经验 公式可查）公式可查） 棒-板间隙电晕导线表面电晕 2 2、电晕放电的利弊、电晕放电的利弊 危害：危害： 电晕放电时发光并发出丝丝声和引起化学反应（如电晕放电时发光并发出丝丝声和

37、引起化学反应（如 大气中氧大气中氧臭氧臭氧），这些都需要能量，从而导致输），这些都需要能量，从而导致输 电线路上有功率损耗；电线路上有功率损耗； 电晕放电过程中由于流注的不断消失和重新产生，电晕放电过程中由于流注的不断消失和重新产生， 从而发现放电脉冲，形成高频电磁波，而干扰周围从而发现放电脉冲，形成高频电磁波，而干扰周围 的通讯。所以我们需要防止和限制电晕放电。的通讯。所以我们需要防止和限制电晕放电。 有利：有利： 消弱输电线路上雷电冲击电压波的幅值和陡度；消弱输电线路上雷电冲击电压波的幅值和陡度； 利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电压；利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电压； 广泛应用于

38、工业设施（利用电晕放电的静电除尘器、广泛应用于工业设施（利用电晕放电的静电除尘器、 静电喷涂装置、臭氧发生器等）。静电喷涂装置、臭氧发生器等）。 三、极不均匀电场中的放电过程三、极不均匀电场中的放电过程 极性效应主要发生在电极形状不对称的不均匀电场中。极性效应主要发生在电极形状不对称的不均匀电场中。 “棒棒- -板板”电极电极是典型的不对称是典型的不对称不均匀电场。不均匀电场。 在棒在棒- -板电极中，电极总是从棒极开始，随后放电的发展板电极中，电极总是从棒极开始，随后放电的发展 就与棒极的极性密切相关。棒电极的极性不同，空间电荷就与棒极的极性密切相关。棒电极的极性不同，空间电荷 对放电过程的

39、发展的影响也不同，气隙击穿电压和电晕起对放电过程的发展的影响也不同，气隙击穿电压和电晕起 始电压也不同。这种现象称始电压也不同。这种现象称为极性效应。为极性效应。 以以“棒棒- -板板”气隙为例，讨论电晕放电和击穿放电两不同气隙为例，讨论电晕放电和击穿放电两不同 阶段的极性效应阶段的极性效应 1 1、极不均匀电场中极性效应电晕放电极不均匀电场中极性效应电晕放电-短气隙的击穿短气隙的击穿 正极性（正棒正极性（正棒- -负板）负板） 电子崩从场强较小的区域向场强较电子崩从场强较小的区域向场强较 大的区域发展的，这对电子崩的发展有大的区域发展的，这对电子崩的发展有 利；电子进入阳极，在棒极前方空间留

40、利；电子进入阳极，在棒极前方空间留 下正离子，下正离子，削弱了棒极附近的场强，棒削弱了棒极附近的场强，棒 极附近难以形成流注，起晕电压高；加极附近难以形成流注，起晕电压高；加 强了正离子与板极间场强强了正离子与板极间场强，造成发展正，造成发展正 流注的有利条件。流注的有利条件。因此当电压进一步提因此当电压进一步提 高，高，二次电子崩与初崩汇合，使通道充二次电子崩与初崩汇合，使通道充 满混合质，而通道的头部仍留下大量的满混合质，而通道的头部仍留下大量的 正空间电荷，加强了通道头部前方的电正空间电荷，加强了通道头部前方的电 场，使流注进场，使流注进一一步向阴极扩展，直至气步向阴极扩展，直至气 隙被

41、击穿。隙被击穿。 负极性（负棒负极性（负棒- -正板）正板） 初崩是由负棒极向正板极发展的，电子崩的初崩是由负棒极向正板极发展的，电子崩的 发展比正棒极时不利得多。初崩留下的正电荷增发展比正棒极时不利得多。初崩留下的正电荷增 强了负棒极附近远已很强的电场，强了负棒极附近远已很强的电场，削弱了前方空削弱了前方空 间的电场，使流注的向前发展受到抑制，间的电场，使流注的向前发展受到抑制，放放电发电发 展困难，击穿电压高展困难，击穿电压高。只有再升高外加电压，并。只有再升高外加电压，并 待初崩向后发展的正流注完成，初崩通道中充满待初崩向后发展的正流注完成，初崩通道中充满 着导电的混合质，使前方电场加强

42、以后，才能在着导电的混合质，使前方电场加强以后，才能在 前方空间产生新的二次崩，负流注继续向阳极发前方空间产生新的二次崩，负流注继续向阳极发 展。展。 如果棒极为正极性，则不易电晕，但是一旦电晕其最后的如果棒极为正极性，则不易电晕，但是一旦电晕其最后的 击穿电压较低，这是正极性；而负极性正好相反，容易电晕，击穿电压较低，这是正极性；而负极性正好相反，容易电晕， 但电晕以后由于整空间电荷的存在，使间隙完全击穿的电压要但电晕以后由于整空间电荷的存在，使间隙完全击穿的电压要 高。这是极不均匀电场中的极性效应。高。这是极不均匀电场中的极性效应。 2 2、长气隙、长气隙（S1m）的击穿的击穿 气隙较长时

43、，流注往往不能一次贯穿整个气隙，而气隙较长时，流注往往不能一次贯穿整个气隙，而 出现逐级推进的出现逐级推进的先导放电先导放电现象。现象。 长间隙的放电过程：电晕放电长间隙的放电过程：电晕放电先导放电先导放电主主 放电放电整个气隙被击穿。整个气隙被击穿。 流注根部温 度升高 热电离过 程 先导 通道 电离加强，更为明亮 电导增大 轴向场强更低 发展速度更快长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙 第三节第三节 空气间隙在各种电压下的击穿特性空气间隙在各种电压下的击穿特性 空气间隙的击穿特性主要取决于所加电压的类型、电极的形状即电场空气间隙的击穿特性主要取决于所加电压的类型、电极的形状即电场 形式、气

44、体的状态等。形式、气体的状态等。 空气间隙击穿所加的电压通常归纳为：空气间隙击穿所加的电压通常归纳为： 一、空气间隙在稳态电压下的击穿一、空气间隙在稳态电压下的击穿 1.均匀电场在稳定电压下气隙击穿额特点均匀电场在稳定电压下气隙击穿额特点 （1）因电极对称，所以击穿电压无极性效应；）因电极对称，所以击穿电压无极性效应； （2）因击穿前间隙中各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电）因击穿前间隙中各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电 电压等于击穿电压电压等于击穿电压 （3）无论直流电压、工频交流电压以及）无论直流电压、工频交流电压以及50%的冲击电压作用下，击的冲击电压作用下，击 穿电压峰值

45、都相同，且分散性小。穿电压峰值都相同，且分散性小。 均匀电场空气间隙的击穿电压峰值均匀电场空气间隙的击穿电压峰值Ub与极间距离与极间距离d的关系的关系 ddU b 66.655.24 经验公式经验公式 击穿电压只取 决于间隙的距 离和气体的状 态即与气体的 密度有关 当d在110cm 内，空气的击 穿场强约为 30Kv/cm d-极间距离，cm -空气相对密度 2.2.稍不均匀电场气隙的击穿稍不均匀电场气隙的击穿 与均与电场相似。其与均与电场相似。其特点特点： 电场不对称时，击穿电压有极性效应但不明显；电场不对称时，击穿电压有极性效应但不明显； 击穿前有电晕发生，但不稳定，一旦发生电晕击穿前有

46、电晕发生，但不稳定，一旦发生电晕 立即导致整个间隙击穿；立即导致整个间隙击穿； 在直流、工频交流以及在直流、工频交流以及50%50%的冲击电压作用下其的冲击电压作用下其 击穿电压峰值几乎相同，分散性小；击穿电压峰值几乎相同，分散性小； 击穿电压与电场不均匀程度关系大，所以没有击穿电压与电场不均匀程度关系大，所以没有 能够概括各种电场分布的经验公式。能够概括各种电场分布的经验公式。 球隙击穿电压峰值与极间距离的关系 3. 3. 极不均匀电场中的击穿：极不均匀电场中的击穿： 极不均匀电场典型的极板形式是极不均匀电场典型的极板形式是“棒棒- -棒棒”和和“棒棒 - -板板”电极。电极。 （1 1）其

47、特点：）其特点： 由于存在局部强场区，故间隙击穿前有稳定的电晕放电，由于存在局部强场区，故间隙击穿前有稳定的电晕放电， 间间隙起始放电电压小于击穿电压；隙起始放电电压小于击穿电压； 对电极形状不对称的不均匀电场，有对电极形状不对称的不均匀电场，有明显的极性效应；明显的极性效应； 由于极不均匀电场，间隙距离较长，放电发展所需要的由于极不均匀电场，间隙距离较长，放电发展所需要的 时间也较长，故外加电压的波形对击穿电压的影响大，时间也较长，故外加电压的波形对击穿电压的影响大， 此时此时击穿电压的分散性较大击穿电压的分散性较大。 研究表明：研究表明：不仅电极的对称程度影响气隙的击穿特性而且不仅电极的对

48、称程度影响气隙的击穿特性而且 极间距离的大小对击穿电压也有很大的影响。极间距离的大小对击穿电压也有很大的影响。 在工程上遇到很多极不均匀电场，我们可以根据典型电极的在工程上遇到很多极不均匀电场，我们可以根据典型电极的 击穿电压数据做简单的估算。通常选择击穿电压数据做简单的估算。通常选择“棒棒- -棒棒”和和“棒棒- -板板” 作为典型电极结构。作为典型电极结构。 （2 2）直流电压作用下的击穿电压：）直流电压作用下的击穿电压： 负棒-正板间隙的 击穿电压 棒棒电极（一 正一负） 正棒-负板间隙 的击穿电压 正极性正极性“棒棒-板板”的击穿电的击穿电 压远低于负极性压远低于负极性“棒棒-板板”

49、的击穿电压，的击穿电压，“棒棒-棒棒”的的 击穿电压介乎二者之间。说击穿电压介乎二者之间。说 明明不对称的极不均匀电场在不对称的极不均匀电场在 直流电压下的击穿具有明显直流电压下的击穿具有明显 的极性效应的极性效应，而，而“棒棒-棒棒” 气隙的极性效应不明显。气隙的极性效应不明显。 （3 3）工频电压作用下的击穿电）工频电压作用下的击穿电压：压： “ “棒棒- -板板”气隙的击穿电压总是发生在棒极为正极性的那半周气隙的击穿电压总是发生在棒极为正极性的那半周 的峰值附近，其击穿电压的峰值与直流电压作用下正极性的峰值附近，其击穿电压的峰值与直流电压作用下正极性 “棒棒- -板板”的击穿电压相近。的

50、击穿电压相近。 “棒棒- -棒棒” 气隙的工气隙的工 频击穿电频击穿电 压比压比“棒棒- - 板板”气隙气隙 要高。要高。 二、空气间隙在冲击电压下的击穿二、空气间隙在冲击电压下的击穿 冲击电压就是作用时间极为短暂的电压，一般指冲击电压就是作用时间极为短暂的电压，一般指雷雷 电冲击电压和操作冲击电压电冲击电压和操作冲击电压。 1.1.雷电冲击电压下的击穿雷电冲击电压下的击穿 （1 1）雷电冲击电压的标准波形）雷电冲击电压的标准波形 波形由波前时间波形由波前时间T T1 1、半峰值时间、半峰值时间T T2 2确定。确定。 T1=1.2us, T1=1.2us,允许偏差允许偏差 T2=50us,

51、T2=50us,允许偏差允许偏差 标准波形通常表示为标准波形通常表示为 %30 %20 1.2/50us （2 2）冲击放电的时延）冲击放电的时延 完成气隙击穿的完成气隙击穿的三个必备条件三个必备条件： 足够大的电场强度或足够高的电压；足够大的电场强度或足够高的电压； 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电 有效电子；有效电子； 需要有一定的时间，让放电得以逐步的发展并完需要有一定的时间，让放电得以逐步的发展并完 成击穿。成击穿。 静态击穿电压：静态击穿电压：持续电压作用下间隙的击穿电压。持续电压作用下间隙的击穿电压。 即在直流电压和工频交流电压作

52、用下间隙的击穿即在直流电压和工频交流电压作用下间隙的击穿 电压。电压。 击穿时间：击穿时间：间隙从开始出现电压到完全击穿所需要间隙从开始出现电压到完全击穿所需要 的时间，也称为全部放电时间。的时间，也称为全部放电时间。 冲击放电时间的组成冲击放电时间的组成 电压升高到静态击电压升高到静态击 穿电压穿电压U0所需要的所需要的 时间称为升压时间，时间称为升压时间， 用用t1表示。表示。 从从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需要的时间成开始到气隙中出现第一个有效电子所需要的时间成 为统计时延，用为统计时延，用ts表示表示 从有效电子出现时刻开始到产生电子崩、形成流注和发从有效电子出现时刻开始到产

53、生电子崩、形成流注和发 展到主放电，乃至气隙击穿完成所需的时间称为放电的展到主放电，乃至气隙击穿完成所需的时间称为放电的 形成时延，用形成时延，用tf表示。表示。 冲击击穿放电的总时间冲击击穿放电的总时间 fsb tttt 1 其中，其中，ts+tf称为称为放电时延放电时延，具有统计性，记为，具有统计性，记为tlag ts和和tf都是服从统计规律的，即他们不是一个固定的值，都是服从统计规律的，即他们不是一个固定的值， 与很多偶然因素有关。与很多偶然因素有关。 影响统计时延影响统计时延ts主要因素：主要因素： 电极的材料、外加电压的影响（外加电压电极的材料、外加电压的影响（外加电压ts）、）、

54、电场的分布（均匀电场中电场的分布（均匀电场中ts较高；极不均匀电场中较高；极不均匀电场中ts较较 低）。低）。 影响放电的形成时延影响放电的形成时延tf的主要因素：的主要因素： 间隙的长短（间隙越长，间隙的长短（间隙越长，tf就越大）、电场的均匀度就越大）、电场的均匀度 （均匀电场中（均匀电场中tf较小；不均匀电场中较小；不均匀电场中tf较大）、外加电压较大）、外加电压 的影响（外加电压越高，的影响（外加电压越高，tf越低）。越低）。 （3 3）雷电）雷电50%50%冲击击穿电压冲击击穿电压 雷电冲击电压具有冲击特性，具有很大的分散性。对雷电冲击电压具有冲击特性，具有很大的分散性。对 于同一间

55、隙，加同样的雷电冲击电压，则气隙有时击穿有于同一间隙，加同样的雷电冲击电压，则气隙有时击穿有 时不击穿，不具有确定性，因此确定冲击击穿电压比较困时不击穿，不具有确定性，因此确定冲击击穿电压比较困 难。难。 考核气隙的冲击击穿电压特性时，保持波形不变，而考核气隙的冲击击穿电压特性时，保持波形不变，而 逐渐提高冲击电压的峰值，并将每一级峰值电压重复作用逐渐提高冲击电压的峰值，并将每一级峰值电压重复作用 于该气隙。在幅值很低时，在气隙上施加于该气隙。在幅值很低时，在气隙上施加n n次冲击电压，次冲击电压， 气隙均不击穿；随着幅值增高，气隙有时击穿有时不击穿；气隙均不击穿；随着幅值增高，气隙有时击穿有

56、时不击穿； 随着幅值继续增高，气隙击穿的百分比越来越增大；最后随着幅值继续增高，气隙击穿的百分比越来越增大；最后 当电压超过某一值后气隙气隙百分之百击穿。当电压超过某一值后气隙气隙百分之百击穿。 因此采用一种折中的方法，即取一个因此采用一种折中的方法，即取一个50%50%的冲击击穿的冲击击穿 电压。电压。 U U50% 50% 间隙被击穿的概率为间隙被击穿的概率为50%50%的冲击电压峰值。的冲击电压峰值。 工程上采用工程上采用50%50%冲击击穿电压冲击击穿电压U U50% 50% 来描述气隙的冲击 来描述气隙的冲击 击穿特性。击穿特性。 s U U %50 冲击系数 1 均匀电场和稍不均匀

57、电场中的击穿电压均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压： 击穿电压分散性小，且击穿电压分散性小，且U50%与与Us相差很小相差很小 1 极不均匀电场中的击穿电压：极不均匀电场中的击穿电压： 由于电场不均匀，放电时延较长，击穿电压分散性由于电场不均匀，放电时延较长，击穿电压分散性 也较大，这时也较大，这时U50% Us 50%冲击放电电压与静态放电压的比值称为绝冲击放电电压与静态放电压的比值称为绝 缘的冲击系数缘的冲击系数 U Us s最低静态击穿电压最低静态击穿电压 实验表明：实验表明：“棒棒-棒棒” 和和“棒棒-板板”在气隙在气隙 距离不很大时的冲击距离不很大时的冲击 击穿特性有极性效应，击穿特

58、性有极性效应， 气隙间隙较大时同样气隙间隙较大时同样 存在极性效应。存在极性效应。 “棒棒-板板”气隙有明气隙有明 显的极性效应；显的极性效应；“棒棒 -棒棒”气隙也有极性气隙也有极性 效应。效应。 1-1-正极性正极性“棒棒-板板” 2-” 2-正极性正极性“棒棒-棒棒” ” 3-3-负极性负极性“棒棒-棒棒” 4-” 4-负极性负极性“棒棒-板板” （4 4）伏）伏秒特性：秒特性： 一个间隙要发生击穿，不仅需要足够高的电压一个间隙要发生击穿，不仅需要足够高的电压 而且还必须有充分的电压作用时间。而且还必须有充分的电压作用时间。 对于冲击电压波，气隙击穿电压与该电压波形对于冲击电压波，气隙击

59、穿电压与该电压波形 有很大的关系，其击穿电压不能简单的用单一击穿有很大的关系，其击穿电压不能简单的用单一击穿 电压值表示，而必须用电压峰值和延续时间两者共电压值表示，而必须用电压峰值和延续时间两者共 同表示。同表示。 伏秒特性伏秒特性对某一冲击电压波形，间隙上出对某一冲击电压波形，间隙上出 现的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线。现的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线。 用实验的方法求取。用实验的方法求取。 伏秒特性曲线主要用于比较不同设备绝缘的冲伏秒特性曲线主要用于比较不同设备绝缘的冲 击击穿特性。击击穿特性。 伏秒特性的形状与间隙中电场的均伏秒特性的形状与间隙中电场的均 匀程度有关。匀程度

60、有关。 对均匀或稍不均匀电场：平均场强对均匀或稍不均匀电场：平均场强 高，较为平坦，分散性也较小；高，较为平坦，分散性也较小； 对极不均匀电场：平均场强低，较对极不均匀电场：平均场强低，较 为陡峭，分散性也较大。为陡峭，分散性也较大。 通过实验绘制气隙伏秒特 性的的方法，其步骤是保 持冲击电压波形不变，逐 级升高电压使气隙发生击 穿，记录击穿电压波形， 读取击穿电压值U与击穿 时间t 伏秒特性曲线是由上、下 包线的带状区域 对绝缘配合的要求：对绝缘配合的要求： 被保护电气设备的伏秒特性曲线应处在保护电气设备的伏被保护电气设备的伏秒特性曲线应处在保护电气设备的伏 秒特性曲线的的上方，且两曲线之间