高电压技术(全套课件)

1、高电压技术高电压技术 绪 论 一一内容与范畴内容与范畴 高电压技术高电压技术主要研究高电压（强电场）下的各种电主要研究高电压（强电场）下的各种电 气物理问题。气物理问题。它起源于它起源于20世纪初期，由于大功率、远距世纪初期，由于大功率、远距 离输电而发展、形成的一门独立学科，属于现代物理学离输电而发展、形成的一门独立学科，属于现代物理学 中电学的一个分支。中电学的一个分支。 学习目的：正确处理电力系统中过电压与绝缘的问题。学习目的：正确处理电力系统中过电压与绝缘的问题。 二高电压技术的研究对象 1.1.电气设备的绝缘电气设备的绝缘： 绝缘试验（固、液、气体）绝缘试验（固、液、气体） 在电场作

2、用下的电气物在电场作用下的电气物 理性能和击穿的理论、规律。理性能和击穿的理论、规律。 高压试验高压试验判断、监视绝判断、监视绝 缘质量的主要试验方法。缘质量的主要试验方法。 2.2.电力系统的过电压：电力系统的过电压： 过电压及其防护过电压及其防护过电压过电压 的成因与限制措施的成因与限制措施。 三三中国电力系统电压等级的划分与分类中国电力系统电压等级的划分与分类 交流系统交流系统 高压（高压（HV）：）：1KV220KV， 包括：包括：10KV，35KV，110KV，220KV 超高压（超高压（EHV）：）：330KV1000KV， 包括：包括：330KV，500KV，750KV 特高压（

3、特高压（UHV）：）：1000KV及以上及以上 直流系统直流系统 超高压（超高压（EHV）：）： 500KV 特高压（特高压（UHV）：）： 800KV 四高电压技术在其它领域的应用四高电压技术在其它领域的应用 1医学：利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症；医学：利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症； 2农业：高压静电喷药，高电场诱发变异在育种上的应农业：高压静电喷药，高电场诱发变异在育种上的应 用；用； 3环保：高压脉冲放电处理污水，电除尘技术；环保：高压脉冲放电处理污水，电除尘技术； 4军事：大功率脉冲技术，电磁干扰、电子对抗；军事：大功率脉冲技术，电磁干扰、电子对抗； 5其它工业：静电喷涂，高压设备

4、制造等。其它工业：静电喷涂，高压设备制造等。 五五课程相关信息课程相关信息 参考书：参考书： u 高电压绝缘技术高电压绝缘技术，中国电力，严璋，朱德恒，中国电力，严璋，朱德恒 u 电网过电压教程电网过电压教程，中国电力，陈维贤，中国电力，陈维贤 u 高电压试验技术高电压试验技术，清华，张仁豫，清华，张仁豫 u 高电压技术高电压技术，中国电力，赵智大，中国电力，赵智大 考试： 20%（作业（作业10% +实验实验10% ）+80%（闭卷笔试）（闭卷笔试） 答疑安排： u 时间：周四下午时间：周四下午3:00-5:00 u 地点：教三楼一楼地点：教三楼一楼110室（办公电话：室（办公电话：752-

5、2357） 第一篇 高电压绝缘及实验 第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗 第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程 第三章第三章 气隙的电气强度气隙的电气强度 第四章第四章 固体液体和组合绝缘的电气强度固体液体和组合绝缘的电气强度 第一章 电介质的极化、电导和损耗 第一节第一节 电介质的极化电介质的极化 第二节第二节 电介质的介电常数电介质的介电常数 第三节第三节 电介质的电导电介质的电导 第四节第四节 电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗 1. 电介质的极化、电导和损耗 电介质有气体、固体、液体三种形态，电电介质有气体、固体、液体三种形态，电 介质在电气

6、设备中是作为绝缘材料使用的。一切电介质介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的。一切电介质 在电场的作用下都会出现极化、电导和损耗等电气物理在电场的作用下都会出现极化、电导和损耗等电气物理 现象。现象。 电介质的电气特性分别用以下几个参数来电介质的电气特性分别用以下几个参数来 表示：即表示：即介电常数介电常数rr，电导率电导率（或其倒数（或其倒数电阻率电阻率 ），），介质损耗角正切介质损耗角正切tgtg，击穿场强击穿场强 E E，它们分别反，它们分别反 映了电介质的极化、电导、损耗、抗电性能。映了电介质的极化、电导、损耗、抗电性能。 绝缘的作用：绝缘的作用： 绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使

7、其没有电绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使其没有电 气的联系并能保持不同的电位。气的联系并能保持不同的电位。 分类：分类： 气体绝缘材料：空气，气体绝缘材料：空气，SF6气体等气体等 固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等 液体绝缘材料：变压器油液体绝缘材料：变压器油 混合绝缘：电缆，变压器等设备混合绝缘：电缆，变压器等设备 1.0 1.0 电力系统的绝缘材料电力系统的绝缘材料 定义：定义：电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹 性位移和偶极子的转向位移现象，称为性位移和偶极子的转向位移现象，称为电电 介质的极化。

8、介质的极化。 效果：效果：消弱外电场，使电介质的等值电容增大。消弱外电场，使电介质的等值电容增大。 物理量：物理量：介电常数介电常数 类型：类型：电子位移极化；电子位移极化； 离子位移极化；离子位移极化； 转向极化；转向极化； 空间电荷极化。空间电荷极化。 1.1 1.1 电介质的极化电介质的极化 一、 电子位移极化 一切电介质都是由分子组成，一切电介质都是由分子组成， 分子又是由原子组成，每个原子分子又是由原子组成，每个原子 都是由带正电荷的原子核和围绕都是由带正电荷的原子核和围绕 核带负电荷的电子云构成。核带负电荷的电子云构成。 当不存在外电场时，电子云的当不存在外电场时，电子云的 中心与

9、原子核重合，此时电矩为中心与原子核重合，此时电矩为 零当外加一电场，在电场力的零当外加一电场，在电场力的 作用下发生电子位移极化当外作用下发生电子位移极化当外 电场消失时，原子核对电子云的电场消失时，原子核对电子云的 引力又使二者重合，感应电矩也引力又使二者重合，感应电矩也 随之消失。随之消失。 电场中的所有电介质内都存在电场中的所有电介质内都存在 电子位移极化。电子位移极化。 q R R i -q O O E 图图1-1 1-1 电子位移极化电子位移极化 二、离子位移极化 在由离子结合成的电介质内，外电场的作用除促使在由离子结合成的电介质内，外电场的作用除促使 各个离子内部产生电子位移极化外

10、还产生正、负离子相对位移而各个离子内部产生电子位移极化外还产生正、负离子相对位移而 形成的极化，称为离子位移极化。图形成的极化，称为离子位移极化。图l-2l-2表示氯化钠晶体的离子位表示氯化钠晶体的离子位 移极化。移极化。 三、转向极化 在极性电介质中，即使没有外加电场，由于分子中正、在极性电介质中，即使没有外加电场，由于分子中正、 负电荷的作用中心不重合。就单个分子而言，就已具有偶极矩，称为负电荷的作用中心不重合。就单个分子而言，就已具有偶极矩，称为固固 有偶极矩有偶极矩。但由于分子不规则的热运动，使各分子偶极矩方向的排列没。但由于分子不规则的热运动，使各分子偶极矩方向的排列没 有秩序，因此

11、，从宏观而言，对外并不呈现合成电矩。有秩序，因此，从宏观而言，对外并不呈现合成电矩。 当有外电场时，由于电场力的作用，每个分子的固有偶极当有外电场时，由于电场力的作用，每个分子的固有偶极 矩就有转向与外电场平行的趋势，其排列呈现一定的秩序。但是受分子矩就有转向与外电场平行的趋势，其排列呈现一定的秩序。但是受分子 热运动的干扰，这种转向有秩序的排列只能达到某种程度，而不能完全。热运动的干扰，这种转向有秩序的排列只能达到某种程度，而不能完全。 对外呈现出宏观电矩。对外呈现出宏观电矩。 U U 电极 电介质 E 图l-3 偶极子的转向极化 四、空间电荷极化四、空间电荷极化 图图1-4 双层电介质的极

12、化模型双层电介质的极化模型 G1G2 C1 C2 U 上述的三种极化是带电质上述的三种极化是带电质 点的弹性位移或转向形成的，点的弹性位移或转向形成的， 而空间电荷极化的机理则与上而空间电荷极化的机理则与上 述三种完全不同，它是由带电述三种完全不同，它是由带电 质点质点(电子或正、负离子电子或正、负离子)的移的移 动形成的。动形成的。 最明显的空间电荷极化是最明显的空间电荷极化是 夹层极化夹层极化。在实际的电气设备。在实际的电气设备 中，如电缆、电容器、旋转电中，如电缆、电容器、旋转电 机、变压器、互感器、电抗器机、变压器、互感器、电抗器 等的绝缘体，都是由多层电介等的绝缘体，都是由多层电介

13、质组成的。质组成的。 如图如图l-4l-4所示，各层介质的电容分别为所示，各层介质的电容分别为C1C1和和C2C2；各层介质的电导分别为；各层介质的电导分别为G1G1 和和G2G2；直流电源电压为；直流电源电压为U U。 为了说明的简便，全部参数均只标数值，略去单位。为了说明的简便，全部参数均只标数值，略去单位。 设设C1=1C1=1，C2C22 2，G1=2G1=2，G2=1G2=1， U U3 3。 当当U作用在作用在AB两端极板上时，其瞬时电容上的电荷和电位两端极板上时，其瞬时电容上的电荷和电位 分布，如图分布，如图1-5(a)所示整个介质的等值电容为所示整个介质的等值电容为 。 到达稳

14、态时，电容上的电荷和电位分布如图到达稳态时，电容上的电荷和电位分布如图l-5(b)所示。整所示。整 个介质的等值电容为个介质的等值电容为 。 分界面上堆积的电荷量为分界面上堆积的电荷量为+4-1+3。 3 2 U Q C eq 3 4 U Q Ceq 图图1-5 双层电介质的电荷与电位分布双层电介质的电荷与电位分布 （a）暂态分布）暂态分布 （b）稳态分布）稳态分布 特 点 夹层的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值夹层的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值 电容的增大，这就是夹层极化效应。电容的增大，这就是夹层极化效应。 夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导夹层界面上电荷的堆积是通过介

15、质电导G G1 1完成的。高压完成的。高压 绝缘介质的电导通常都是很小的，所以这种极化过程绝缘介质的电导通常都是很小的，所以这种极化过程 将是很缓慢的。它的形成时间从几十分之一秒到几分将是很缓慢的。它的形成时间从几十分之一秒到几分 钟甚至有长达几小时的。因此，这种性质的极化只有钟甚至有长达几小时的。因此，这种性质的极化只有 在直流和低频交流电压下才能表现出来。在直流和低频交流电压下才能表现出来。 该极化伴随着能量损耗。该极化伴随着能量损耗。 大电容设备进行高压实验后应对设备绝缘进行较长时大电容设备进行高压实验后应对设备绝缘进行较长时 间放电。间放电。 电介质极化种类及比较电介质极化种类及比较

16、极化类型极化类型产生场合产生场合所需时间所需时间 能量能量 损耗损耗 产生原因产生原因 电子式极化电子式极化 任何任何 电介质电介质 10-1410-15S无无 束缚电子运行轨束缚电子运行轨 道偏移道偏移 离子式极化离子式极化 离子式结构离子式结构 电介质电介质 10-1210-13S 几乎几乎 没有没有 离子的相对偏移离子的相对偏移 偶极子极化偶极子极化 极性极性 电介质电介质 10-1010-2S有有 偶极子的定向排偶极子的定向排 列列 夹层极化夹层极化 多层介质的多层介质的 交界面交界面 10-1S数小数小 时时 有有自由电荷的移动自由电荷的移动 1.2 电介质的介电常数 一一. 介电常

17、数的物理意义介电常数的物理意义 1. 在真空中，有关系式在真空中，有关系式 式子中式子中 E场强矢量场强矢量 ； D电位移矢量，即电通量密度矢量电位移矢量，即电通量密度矢量 ， D与与E同向，比例常数同向，比例常数 为真空的介电常数为真空的介电常数 ED 0 m V 2 mC 0 mF 12 99 0 10854. 8 1094 1 109880. 84 1 在介质中在介质中, D与与E同向，同向， 为介质的相对介电常数，它是没有量纲为介质的相对介电常数，它是没有量纲 和单位的纯数。和单位的纯数。 3.介质的介电常数介质的介电常数 通常，通常， ， 的量纲和单位与的量纲和单位与 相同。相同。

18、ED r 0 r r 0 0 二、气体介质的相对介电常数二、气体介质的相对介电常数 一切气体的相对介电常数一切气体的相对介电常数 都接近于都接近于1。 任何气体的相对介电常数均随温度的升高而减小，随压任何气体的相对介电常数均随温度的升高而减小，随压 力的增大而增大，但影响都很小。力的增大而增大，但影响都很小。 r 三、液体介质的相对介电常数三、液体介质的相对介电常数 1中性液体电介质中性液体电介质 ：石油、苯、四氯化碳、硅油等均为：石油、苯、四氯化碳、硅油等均为 中性或弱极性液体介质。其介电常数不大，其值在中性或弱极性液体介质。其介电常数不大，其值在1.8 2.8范围内。范围内。 2极性液体介

19、质：极性液体介质： (1) 这类介质通常介电常数都较大。但这类介质的缺点是这类介质通常介电常数都较大。但这类介质的缺点是 在交变电场中的介质损较大，在高压绝缘中很少应用。在交变电场中的介质损较大，在高压绝缘中很少应用。 (2) 影响极性液体介质介电常数的主要因素：影响极性液体介质介电常数的主要因素： a. 介电常数与温度的关系（图介电常数与温度的关系（图1-2-1）；）； b. 介电常数与电场频率介电常数与电场频率 f 的关系（图的关系（图1-2-2）。）。 四、固体电介质的介电常数四、固体电介质的介电常数 1. 中性或弱极性固体电介质中性或弱极性固体电介质： 只具有电子式极化和离子式极化，其

20、介电常数较小。只具有电子式极化和离子式极化，其介电常数较小。 介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的 关系很接近关系很接近。 2. 2. 极性固体电介质：极性固体电介质： 介电常数都较大，一般为介电常数都较大，一般为3636，甚至更大。，甚至更大。 该类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体该类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体 所呈现的规律（图所呈现的规律（图1-2-31-2-3）。 1.3 电介质的电导电介质的电导 电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。 一一. 表征电介质导电性能的物理量表

21、征电介质导电性能的物理量电导率电导率 （or：电阻率：电阻率 ） 1 r r 二、影响介质电导的因素二、影响介质电导的因素 (1) 温度温度 式中 A、B常数； T绝对温度 ； 电导率。 温度升高时，液体介质的黏度降低，离子受电场力作用而 移动时所受的阻力减小，离子的迁移率增大，使电导增大；另 一方面，温度升高时，液体介质分子热离解度增加，这也使电 导增大。 在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须注意记录温度。 (2)电场强度电场强度E T B Ae (3) 杂质：（考虑对固体介质的影响）杂质：（考虑对固体介质的影响） 固体介质除了固体介质除了体积电导体积电导以外，还存在着以外，还存在着表面电导

22、表面电导。 表面电导是由于介质表面吸附一些水分、尘埃、或导电性表面电导是由于介质表面吸附一些水分、尘埃、或导电性 的化学沉淀物而形成的，其中水分起着特别重要的作用。的化学沉淀物而形成的，其中水分起着特别重要的作用。 一般中性介质的表面电导最小，极性介质次之，离子一般中性介质的表面电导最小，极性介质次之，离子 性介质最大。采取使介质表面洗净、光洁、烘干、或表面性介质最大。采取使介质表面洗净、光洁、烘干、或表面 涂以石蜡、绝缘漆、有机硅等措施，可以降低介质表面电涂以石蜡、绝缘漆、有机硅等措施，可以降低介质表面电 导。导。 1.4 电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗 一一.电介质损耗的基本概念电介

23、质损耗的基本概念 在电场的作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极在电场的作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极 化（如偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，总称为化（如偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，总称为 电介质的损耗电介质的损耗。 等值电路等值电路 (1) 细化等效电路（从物理概念出发）细化等效电路（从物理概念出发） 泄漏电阻，代表电导损耗。泄漏电阻，代表电导损耗。 介质真空和无损耗极化所形成的电容，代表介质介质真空和无损耗极化所形成的电容，代表介质 的无损耗极化。的无损耗极化。 有损耗极化形成的等效电阻有损耗极化形成的等效电阻. 代表各种代表各种 1. 有损耗极化形成的等效电容有损

24、耗极化形成的等效电容. 有损耗极化有损耗极化 lk R g C p R p C (2)计算用等效电路（或简化等效电路）（从工程实际测量出发）计算用等效电路（或简化等效电路）（从工程实际测量出发） 2 22 1 )(1 1 PP PP k eq RC RC R G 2 )(1 PP P geq RC C CC (3) 相量图相量图 介质损耗角介质损耗角 功率因数角功率因数角 c r J J tg 介质损耗角介质损耗角 为功率因数为功率因数 角角 的余角，其正切的余角，其正切 tg 又可称为又可称为介质损耗因数介质损耗因数， 常用百分数（常用百分数（%）来表示。）来表示。 90 CtgUtgUIU

25、IP CR 2 (4)损耗功率的表达式损耗功率的表达式 二二. 吸收电流与吸收曲线吸收电流与吸收曲线 在等值电路上加上直在等值电路上加上直 流电压时，电介质中流电压时，电介质中 流过的将是电容电流流过的将是电容电流 i1、吸收电流吸收电流 i2 和传和传 导电流导电流 i3 。三者随时。三者随时 间的变化如上右图。间的变化如上右图。 这三个电流分量加在这三个电流分量加在 一起，即得出总电流一起，即得出总电流 上右图中的上右图中的总电流总电流 i, 它表示在直流电压作它表示在直流电压作 用下，流过绝缘的总用下，流过绝缘的总 电流随时间而变化的电流随时间而变化的 曲线，称为曲线，称为吸收曲线吸收曲

26、线。 i1i3 i2 i I60 6015 I15 i t(s) 第二章 气体放电的物理过程 第一节第一节 气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失 第二节第二节 气体放电机理气体放电机理 第三节第三节 电晕放电电晕放电 第四节第四节 不均匀电场气隙的击穿不均匀电场气隙的击穿 第五节第五节 雷电放电雷电放电 第六节第六节 气隙的沿面放电气隙的沿面放电 2.1气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失 一一.带电质点在气体中的运动带电质点在气体中的运动 1.自由行程长度自由行程长度 当气体中存在电场时，其中的带电粒子将具有复杂的运动当气体中存在电场时，其中的带电粒子将具有复

27、杂的运动 轨迹，它们一方面与中性的气体粒子（原子或分子）一样，轨迹，它们一方面与中性的气体粒子（原子或分子）一样， 进行着混乱进行着混乱热运动热运动，另一方面又将，另一方面又将沿着电场作定向漂移沿着电场作定向漂移。 各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞。各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞。 E 单位行程中的碰撞次数Z的倒数即为该粒子的平均自由平均自由 行程长度行程长度。 实际的自由行程长度是随机量随机量，并有很大的分散性，粒 子的平均自由形成长度等于或大于某一距离x的概率为： x x ep 所以电子的平均自由行程长度: 式中 r气体分子的半径； N气体分子的密度； 由于 代入上式即得: Nr e

28、 2 1 kT p N pr kT e 2 2.带电粒子的迁移率带电粒子的迁移率 带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞，带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞， 但在电场力的驱动下，仍将沿着电场方向漂移，其速度但在电场力的驱动下，仍将沿着电场方向漂移，其速度u与场与场 强强E其比例系数其比例系数k=u/E，称为，称为迁移率迁移率，它表示该带电粒子单位，它表示该带电粒子单位 场强（场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。）下沿电场方向的漂移速度。 由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质 量比离子小得多。更易加速，

29、所以电子的迁移率远大于离子。量比离子小得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。 3.扩散扩散 气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关。气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关。 在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较 小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过 程叫程叫扩散扩散。气压越低或温度越高，则扩散进行的越快。电子。气压越低或温度越高，则扩散进行的越快。电子 的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度也要比的热运动速度大、自由行程长度大

30、，所以其扩散速度也要比 离子快得多。离子快得多。 二二.带电质点的产生带电质点的产生 气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生电 离(包括撞击电离，光电离、热电离等多种形式)；另一是 气体中的固体或液体金属发生表面电离。 1.电离是气体放电的首要前提电离是气体放电的首要前提 电离电离产生带电离子的物理过程称为电离电离。 激励激励在常态下，电子受外界因素影响由低能量级轨道上 跃迁到高能量级轨道的现象称为激励激励。 产生激励所需的能量（激励能）等于该轨道和常态轨道的能 级差 。 2.电离的几种形式电离的几种形式 (1)光电离光电离 频率为的光子能量为 W=h 式中 h普郎克常数= 发生空间光

31、电离的条件为发生空间光电离的条件为 或者 式中 光的波长，m； c光速 Wi 气体的电离能，eV。 seVsJ 15 34 1013. 41063. 6 i Wh i W hc sm/103 8 (2)撞击电离撞击电离 主要是电子碰撞电离。原因：1.电子小，自由程长，可以 加速到很大的速度。2.电子的质量小，可以加速到很大。 产生条件 : 势能 势能 e i Exq WmvW 2 2 1 所以提高场强可以使碰撞电离加剧. （3）热电离）热电离 在常温下，气体分子发生热电离的概率极小。是气体在热 状态下光电离和撞击电离的综合。 （4）表面电离表面电离 电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功

32、。逸出功。主要发生在 阴极，原因：阳极自由电子不会向气体中释放。 主要有4种形式： 1. 热电子发射热电子发射： 金属中的电子在高温下也能获 得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。热电子发射。在许多电子 器件中常利用加热阴极来实现电子发射。 2.强场发射（冷发射）强场发射（冷发射）：当阴极表面附近空间存在很强的电场时 （106V/cm数量级），也能时阴极发射电子。常态下作用气隙击 穿完全不受影响；在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会 起一定的作用；真空中更起着决定性作用。 3. 正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面：通常正离子动能不大，可忽略，只有在 它的势能等于或大于阴极材料逸出

33、功两倍时，才能引起阴极表面 电离，这个条件可满足。 4.光电子发射光电子发射： 高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其 条件是光子的能量应大于金属的逸出功。 当电子与气体分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结 合而形成负离子的情况，这种过程称为附着附着。易于产生负离子的 气体称为电负性气体。 这个过程有时需要放出能量，有时需吸收能量。 负离子的形成不会改变带电质点的数量，但却使自由电子数负离子的形成不会改变带电质点的数量，但却使自由电子数 减少，因此对气体放电的发展起抑制作用。（或有助于提高气体减少，因此对气体放电的发展起抑制作用。（或有助于提高气体 的耐电强度）的耐电强度）。如SF6气

34、体对电子有很强的亲和性，因此具有高 电气强度。 （5）负离子的形成负离子的形成 三、带电质点的消失三、带电质点的消失 气体中带电粒子的消失有可有下述几种情况： (1)带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消 失于电极上而形成外电路中的电流； (2)带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。 (3)带电粒子的复合。气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能 发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合复合，是与电离 相反的一种过程。 2.2 气体放电机理气体放电机理 自持放电与非自持放电 放电发展过程与电场的关系 电子崩 汤森德放电理论 帕邢定律 流注放电理论 一一. 自持放电、非自持放电自持放电、非自

35、持放电 当场强小于某个临界值 时候，电子崩有赖于外界电离 因素的原始电离才能持续和发展，如果外界电离因素消失， 则这种电子崩也随之逐渐衰减以至消失，称这种放电为非自非自 持放电持放电。 当场强大于某个临界值 时，电子崩可以仅由电场的作 用而自行维持和发展，不再依赖外界电离的因素，这种性质 的放电称为自持放电自持放电。 cr E cr E (二二) 在很不均匀的电场中(以棒电极为例) (1) 在电压比较低时,棒极附近场强可能已超过临界值,即发生 自持放电,离棒端稍远处有电晕出现. (2)电压再升高时,若电极间距不大,则有可能从电晕放电直接 转为整个间隙的火花击穿,若电极间隙较大,则从电晕到击穿

36、之间还有刷状放电的过渡阶段. (3)电压再提高,刷状放电中的个别光束突发的前伸,形成明亮 的火花通道到达对面电极,气隙被就击穿了.当电源功率足够 时,火花击穿迅速的转变成电弧。 (一一) 在大体均匀的电场中，各处场强的差异不大,任意一处一 旦形成自持放电,就会很快发展到整个间隙,气隙即被直接直接击穿击穿. 二二. 放电发展过程与电场的关系放电发展过程与电场的关系 （三）电场不均匀系数（三）电场不均匀系数 av E E f max 式中， Emax 最大电场强度； Eav 平均电场强度。 d U E av 式中， U 电极间的电压； d 极间距离。 f 4 以上时明显地属于极不均匀电场，可分为棒

37、-棒间隙 和棒-板间隙，例如架空线的导线-导线，导线-大地。 均匀电场均匀电场 f =1 不均匀电场不均匀电场 f 1 三三. 电电 子子 崩崩 外界电离因 子在阴极附近产 生一个初始电子 如果空间的电场 强度足够大，该 电子在向阳极运 动时就会引起碰 撞电离，产生出 一个新电子，初 始电子和新电子 继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生出更多的电 子。依次类推，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的 发展,这种急剧增大的空间电流被称为电子崩电子崩。 第二节电子崩 1. 适用条件 低气压、 短间隙的电场中。 2. 理论要点 电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离是 使带电质点激增,

38、并导致击穿的主要因素。击穿电压大 体上是 的函数. S SfU b 四四. 汤森德气体放电理论汤森德气体放电理论 (1)系数 ，表示一个电子由阴极到阳极每1cm路程中与气 体质点相碰撞所产生的自由电子数(平均值)。 (2)系数 ，表示一个正离子由阳极到阴极每1cm路程中与 气体质点相碰撞所产生的自由电子数(平均值)。 (3)系数 ，表示一个正离子撞击到阴极表面时使阴极逸出 的自由电子数(平均值）。 系数 和 与气体的性质、密度及该处的电场强度等因素 有关。 3. 引用三个系数来定量地反映所考虑的三种因素的作用 d dxx n0nna 4. 电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数 根据碰撞电离系数的定

39、义， 可得 ndxdn 分离变数并积分 ，可得 x dxenn 0 0 均匀电场，不随x 变化 x enn 0 抵达阳极的电子数 ad a enn 0 5. 自持放电条件与表面电离系数自持放电条件与表面电离系数 如果电压( 电场强度 ）足够大，初始电子崩中的正离子能 在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0，那么即使除去外 界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产生 出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维持 下去，这就变成了自持放电。 在整个路程撞击出的正离子数为： 0 (1) ad ne 令 表示一个正离子撞击到阴极 表面时产生出来的二次电子数，则从 金属表面电离出

40、的电子数为： 0 (1) ad ne 若该电子数大于等于起始电子数 n0,那么放电可以自持，即自持放电条自持放电条 件件为： 00 (1) (1)1 ad ad nen e 式（1-14）包含的物理意义为：一个电子从阴极到阳极途 中因电子崩而造成的正电子数为 ead-1 ,这批在阴极上造成的二 次自由电子数应为(ead-1) ，如果它等于1，就意味着那个初试 电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。 物理 物理意义 在不均匀电场中，各点的电场强度E不同，所以各处的 值也不同，在这种条件下，上面的自持条件应改写成： 0 (1)1 d dx e 实验表明正离子在返回阴极途中造成的碰撞电离作用极

41、小，可以忽略不计。 上述过程可以用图 2-1 中的图解加以概括，当自持放电条 件得到满足时，就会形成图解闭环部分循环不息的状态，放 电就能自己维持下去，而不再依赖外界电离因子的作用了。 外界电离因子 阴极表面电离 气体空间电离 气体中的自由电子 在电场中加速 碰撞电离电子崩（）过程 阴极表面二次发射 (过程） 正离子 图 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程 第三节 自持放电放电条件 放电过程 S b Uf T P P T T P s s 9 . 2 五五. 帕邢定律帕邢定律 Ub(kV) 图2-2 均匀电场中空气的帕邢帕邢曲线 0.10.20.30.51 2 3 5 10 20 30

42、50 100 300 1000 50 20 10 1 0.3 5 2 0.2 0.1 0.5 3 30 S 帕邢定律帕邢定律：在均匀的电场中，击穿电压 与气体的相对密 度 、极间距离S的积有函数关系，只要 的乘积不变， 也就不变。 b U S b U 物理解释：物理解释： 假设S保持不变，当气体密度 增大时，电子的平均自由行程 缩短了，相邻两次碰撞之间，电子积聚到足够动能的几率减 小了，故 必然增大。反之；当 减到过小时，电子在碰撞 前积聚到足够动能的几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子 在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小 ，所以 也会增大。在这两者之间，总有一个 值对造成撞击游离最

43、有利，此时 最小 b U b U b U 同样，可假设 保持不变。 S值增大时，欲得一定的场强，电 压必须增大。当S值减到过小时，场强虽大增，但电于在走完 全程中所遇到的撞击次数已减到很小故要求外加电压增大， 才能击穿。这两者之间，也总有一个S的值对造成撞击游离最 有利，此时 最小。 b U 汤森德放电机理的不足：汤森德放电机理的不足： (1)只是在一定的范围内有效 (2)不均匀的电场中，该理论不适用。其主要原因如下： 汤森德理论没有考虑电离出来的空间电荷会使电场畸变，从而对放 电过程产生影响。 汤森德理论没有考虑光子在放电过程中的作用（空间光电离和阴极 表面光电离）。 cmS26. 0 六六

44、. . 流注理论流注理论 高电压技术面对的往往是高气压长气隙的情况。汤逊理论 并不适用，应当用流注理论解释，适用条件为： 流注理论也是以实验为基础的， 影响因素主要有以下几方面： (一一) 空间电荷对原有电场的影响空间电荷对原有电场的影响 电子崩的头部集中着大部分的正离 子和几乎全部电子。原有均匀场强在电 子崩前方和尾部处都增强了，在这两个 强场区中间出现了一个电场强度很小但 电子和正离子浓度却最大的区域，使此 处产生强烈的复合并发射出许多光子， 成为引发新的空间光电离的辐射源。 x (a) (b) E E0 d E0 第三节 0.26Scm 上面所说的辐射源向 气隙空间各处发射光子而 引起光

45、电离。如果光子位 于强场区，二次电子崩将 以更大得多的电离强度向 阳极发展，或汇入崩尾。 这些电离强度和发展速度 远大于初始电子崩的新放 电区（二次电子崩）以及 它们不断汇入初崩通道的 过程被称为流注。流注。 (二二)空间光电离的作用空间光电离的作用 第三节 （自持放电条件 （二）空间光电离的作用 流柱理论 图2-3 流柱形成过程 (a)(b)(c) 流注的特点：流注的特点：电离强度很大，传播速度很快（超过初 崩发展速度10倍以上）。 出现流注后放电便获得独立继续发展的能力，而不再 依赖外界电离因子的作用，可见出现流注的条件也就是自出现流注的条件也就是自 持放电条件。持放电条件。 初崩头部空间

46、电荷数必须达到某一临界值，对于均匀 电场自持放电条件应为： 20ad 或 8 10 ad e 2.3电晕放电电晕放电 一一. 基本物理过程基本物理过程 在极不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大，以至 当外加电压及其平均场强还较低的时候，电极曲率半径较小 处附近的局部场强已很大。 在这局部强场区中，产生强烈的游离，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 能局限在此电极附近的强场范围内。 伴随着游离而存在的复合和反激励，发出大量的光辐射， 使在黑暗中可以看到在该电极附近空间发出蓝色的晕光，这 就是电晕电晕。 1.外观特征： 电极附近空间发出蓝色的晕光电晕。 2.

47、外加电压增大，电晕区也随之扩大，放电电流也增大（由 微安级到毫安级），但气隙总的来看，还保持着绝缘状 态，还没有被击穿。 3. 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。 它可以是极不均匀电场气隙击穿的第一个阶段，也可以 是长期存在的稳定的放电形式，它与其他的形式的放电 有着本质的区别。 二二. 电晕放电效应电晕放电效应 1.伴随着游离、复合、激励、反激励等过程而有声、光、热 等效应，表现是发出“丝丝”的声音，蓝色的晕光以及使 周围气体温度升高等。 2.在尖端或电极的某些突出处，电子和离子在局部强场的 驱动下高速运动，与气体分子交换动量，形

48、成“电风”。 当电极固定得刚性不够时，气体对“电风”的反作用力会 使电晕极振动或转动。 3. 电晕会产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波， 这会造成对无线电的干扰。 4.电晕产生的化学反应产物具有强烈的氧化和腐蚀作用，所 以，电晕是促使有机绝缘老化的重要因素。 5. 电晕还可能产生超过环保标准的噪声。对人们会造成生 理、心理的影响。 6.电晕放电，会有能量损耗。 三、消除电晕措施三、消除电晕措施 最根本的途径就是设法限制和降低导线的表面电场强度。 1.采用分裂导线，使等值曲率半径增大。 2. 改进电极的形状，增大电极的曲率半径，使表面光滑。 四、电晕效应有利的方面四、电晕效应有利的方面

49、1.电晕可削弱输电线上雷电冲击或操作冲击波的幅值和 陡度； 2.利用电晕放电来改善电场分布； 3.利用电晕原理制造除尘器、静电涂喷装置、臭氧发生 器等 2.4不均匀电场气隙的击穿不均匀电场气隙的击穿 极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应极性效应。在两个 电极几何形状不同的场合极性取决于曲率半径较小的那 个电极的电位符号，几何形状相同则取决于不接地的那 个电极上的电位。 下面以最不均匀的“棒板”气隙为例，从流注 理论的概念出发，说明放电发展过程的极性效应。 E0 (c) Ecom=E0+Eq E0 E Eq x (a) (b) 正极性 一、短气隙的击穿 （一）正极性 棒极带正电位时，棒极 附近

50、强场区域的电晕放电 将在棒极附近空间留下许 多正离子，这些空间电荷 削弱的棒极附近的电场强 度，加强了正离子群外部 空间的电场。因此随着电 压提高电晕的扩展，强场 区也将逐渐向板极方向推 进，因而放电的发展是顺 利的直至气隙被击穿。 Ecom=E0+Eq+ Eq- (c) E0 E Eq+ x (a) (b) Eq- E0 负极性 （二）负极性 棒极带负电位时，电 子崩将由棒极表面出 发向外发展，留在棒 极附近的也是大批正 离子它们将加强棒极 表面附近的电场而削 弱外围空间电场，电 晕区不易向外扩展， 整个气隙的击穿是不 顺利的，气隙的击穿 电压要比正极性 时高 很多，完成击穿所需 时间也比正

51、极性时间 长得多。 结论： （1） （2） 板起晕棒板起晕棒 UU 板击穿棒板击穿棒 UU 二、长气隙的击穿 气隙较长时，流注往往不能一次贯穿整个气隙，而出 现逐级推进的先导放电现象。 长间隙的放电过程：电晕放电先导放电主放 电整个气隙被击穿。 电离形式：热电离电离形式：热电离。 雷电放电雷电放电是自然界的超长间隙放电，其先导过程和主 放电过程发展的最充分。 2.6 气隙的沿面放电气隙的沿面放电 一、概述： 一切导体都要靠固体绝缘装置（各类绝缘子）固定，这 些固体绝缘装置还起着电气绝缘的作用。它们丧失绝缘功 能有两种可能，：一是固体介质本身的击穿。二是沿着固 体介质表面发生闪络。电力系统的外绝

52、缘一般都是自恢复 绝缘，绝缘子闪络或空气间隙击穿后，它们的绝缘性能很 快自动恢复。 实验表明：沿固体表面的闪络电压不但比固体介质本身沿固体表面的闪络电压不但比固体介质本身 的击穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击的击穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击 穿电压低不少。穿电压低不少。可见一个固体绝缘装置的实际耐压能力取 决于沿面闪络电压。在确定输电线路和变电所外绝缘的绝 缘水平时，沿面闪络电压起着决定性作用。在表面潮湿污 染的情况下，沿面闪络电压会更低。 （1） 固体介质处于均匀电场中， 且界面与电力线平行，这种情况在工 程中比较少见，但实际结构中会遇到 固体处于稍不均匀电场

53、中、且界面与 电力线大致平行的情况。此时的沿面 放电特性与均匀电场的情况有些相似 。 E 固体介质与气体介质交界面上的电场分布状况对沿面放电 特性有很大影响。界面电场分布可分为典型三种情况。 二、沿面放电的类型与特点 下面就三种情况分别介绍其放电特性。 情况一中，虽界面与电力线平行，但沿面闪络电压仍要比 空气间隙的击穿电压低很多。说明电场发生了畸变，主要原因 如下： （2）固体介质处于极不均匀电场中， 且界面电场的垂直分量 En 比平行于表面 的切线分量 Et 大得多。如右上图 Et EnE （3）固体介质处于极不均匀电场中， 但大部分分界面上的电场切线分量 Et 大于 垂直分量 En 。右下

54、图。 Et En E （一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电。 在电压还不高时，如右 a 图法兰附近先出现电晕放电， 随着电压升高放电区变成许多 平行的火花细线组成的光带（ b 图 ），当电压超过某一临界 值后个别细线突然迅速增长， 转为分叉的树枝状明亮火花通 道，如 c 图。 导杆 法兰 这种树枝火花在不同的位置上交替出现，成为滑闪放电滑闪放电。 电压再升高一些火花就到达另一电极，完成表面气体的完全击 穿，称为沿面闪络或简称 “闪络” 。 （1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。小气 隙中的电场强度很大，首先发生放电，所产生的带电粒子沿固 体介质表面移动，畸变了原有电场。可采用在固体介质

55、表面喷 涂导电粉末的办法消除。 （2）大气的湿度影响。大气中的潮气吸附在固体介质表 面形成水膜，其中的离子受电场的驱动而沿着介质表面移动， 降低了闪络电压。与固体介质吸附水分的性能也有关。 （3）固体介质表面电阻的不均匀和表面的粗糙不平也会 造成沿面电场畸变。 （二）极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电。 这种绝缘子的两个电极之间的距离较长，其间固体介质本 身不可能被击穿，只可能出现沿面闪络。与前两种相比平均闪 络场强要比均匀电场时低得多。不出现热电离和滑闪放电。干 闪络电压随极间距离的增大而提高，平均闪络场强大于前一种 有滑闪放电时的情况。 三、沿面放电电压的影响因素和提高方法三、沿面放电

56、电压的影响因素和提高方法 影响因素：影响因素： （一）固体介质材料主要取决于该材料的亲水性或憎水性。 （二）电场形式 同样的表面闪络距离下均匀与稍不均匀 电场闪络电压最高。界面电场主要为强切线分量的极不均匀电 场中，闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压低的较少 强垂直分量极不均匀电场则低得很多。 （三）极不均匀电场垂直分量很弱时的沿面放电。 主要是增大极间距离，防止或推迟滑闪放电。 以瓷套管为例，要在瓷套的内壁上喷铝，消除内壁消除内 壁两侧的电位差。加大法兰处瓷套的外直径和壁厚或涂半导体 漆或半导体釉，防止滑闪放电过早出现。对35kV以上的高压套 管要采用电容式套管和充油式套管。 四、固体

57、表面有水膜时的沿面放电四、固体表面有水膜时的沿面放电 此处讨论的是洁净的瓷表面被雨水淋湿时的沿面放电，相 应的电压称为湿闪电压。湿闪电压。绝缘子表面有湿污层时的闪络电压称 为污闪电压污闪电压，将在后面再作探讨。 提高方法： 如右图，棒型绝缘子除最上面的一个 伞裙的上表面会全部淋湿外，下面各伞的 上表面都只有一部分淋湿，且全部伞裙的 下表面及瓷柱也不会被淋湿，只可能有少 量的回溅雨水。可见绝缘子表面的水膜是 不均匀和不连续的。有水膜覆盖的表面电 导大，无水膜处的表面电导小，决大多数 外加电压将由干表面（图中的BCA）段来 承受。 A B C A B 当电压升高时，或者空气间隙BA先击穿或者干表面

58、BCA先闪 络，但结果都是形成ABA电弧放电通道，出现一连串的ABA 通道就造成整个绝缘子完全闪络。如雨量特别大时，伞绝缘 间有可能被雨水短接而构成电弧通道，绝缘子也将发生完全 的闪络。 四、固体表面有水膜时的沿面放电 可见绝缘子在雨下有三种可能的闪络途径：沿湿表面AB 和干表面BCA发展沿湿表面AB和空气间隙BA发展；沿湿 表面AB和水流BB发展。 第一种情况湿闪只有干闪电压的40%50%，还受雨水电 导率的影响。第二种情况下绝缘子的湿闪电压不会降低太多。 第三种情况，湿闪电压将降低到很低的数值。在设计时对各级 电压的绝缘子应有的伞裙数、三的倾角、伞裙直径、伞裙伸出 长度与伞裙间气隙长度的比

59、均应仔细考虑、合理选择。 绝缘子污染通常可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧 的出现和发展等四个阶段。采取措施抑制或阻止其中任何一个 阶段的完成就能防止污闪事故的发生。 五、绝缘子污染状态下的沿面放电 线路和变电所的外绝缘受环境应力的作用，包括雨、露、 霜、雪、风等气候条件和工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘、 鸟粪等污秽物的污染。外绝缘被污染的过程一般是渐进的，但 有时也可能是急速的。 染污绝缘子表面上的污层在干燥状态下一般不导电。遇到 雨、雾、露等不利天气时，污层被湿润，电导增大，在工作电 压下的泄漏电流大增。电流所产生的焦耳热，既可能使污层电 导增大，又可能使水分蒸发、污层变干而减小其电导。

60、例如悬 式绝缘子铁脚和铁帽附近的污层中电流密度较大，污层烘干较 快先出现干区或干带。干区的电阻比其余湿区的电阻大的多。 整个绝缘子上的电压都集中到干区上，一般干区宽度不大，所 以电场强度很大。 如果电场强度已足以引起表面空气的电离，在铁脚和铁帽周围 即开始电晕放电或辉光放电，由于此时泄漏电流较大，电晕或 辉光放电很容易转为只存在于绝缘子局部表面的有明亮通道的 电弧，成为局部电弧。随着干区的扩大，电弧被拉长。在雾、 露天，污层湿润度不断增大，泄漏电流也随之增大，在一定电 压下能维持的局部电弧长度也不断增大。一旦局部电弧达到某 一临界长度时弧道温度已很高，弧道的进一步伸长不需要更高 电压，而是自动