重庆大学高电压1 气体的绝缘强度

1、第一篇第一篇 高电压绝缘与试验高电压绝缘与试验主要内容1 气体放电的主要形式1.1 1.1 气体放电的基本概念气体放电的基本概念1.2 1.2 气体放电的主要形式气体放电的主要形式1.1 气体放电的基本概念1.1.1 气体放电1.1.2 气体的绝缘特性1.1.3 气体的电气强度1.1 气体放电的基本概念 气体放电气体放电(discharge)(discharge)：气体中流通电流的各种形式；：气体中流通电流的各种形式； 气体击穿气体击穿(breakdown)(breakdown)：气体由：气体由突变为突变为的过程；的过程； 沿面闪络沿面闪络(flashover)(flashover)：击穿发生

2、在气体与液体、气：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象；体与固体交界面上的放电现象； 工程上将击穿和闪络统称为放电工程上将击穿和闪络统称为放电。 这里所研究的气体是指高压电气设备中常用的空气、这里所研究的气体是指高压电气设备中常用的空气、N2、SF6以及高强度混合气体等气态绝缘介质。以及高强度混合气体等气态绝缘介质。空气：架空线路、变压器外绝缘；空气：架空线路、变压器外绝缘；SF6： SF6断路器和断路器和SF6全封闭组合电器。全封闭组合电器。 空气是最廉价、应用最广、具有自动恢复绝缘特性的气体，空气是最廉价、应用最广、具有自动恢复绝缘特性的气体，因此我们主要研究空气的放电。因此

3、我们主要研究空气的放电。气体具有绝缘的自恢复特性气体具有绝缘的自恢复特性气体的电气强度：气体的电气强度：表征气体耐受电压作用的能力。表征气体耐受电压作用的能力。 均匀电场均匀电场中击穿电压中击穿电压Ub与间隙距离之比称为击穿场强与间隙距离之比称为击穿场强Eb。我们把均匀电场中气隙的击穿场强我们把均匀电场中气隙的击穿场强Eb称为气体的电气强度。称为气体的电气强度。 空气在标准状态下的电气强度为空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm;注意注意：不能把：不能把不均匀电场不均匀电场中气隙中气隙Ub与间隙距离之比称为与间隙距离之比称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。气体的电气强度，通常称之为

4、平均击穿场强。1.2 气体放电的主要形式v 注意注意：电晕放电、刷状放电时气隙电晕放电、刷状放电时气隙未击穿未击穿，而辉光放电、，而辉光放电、火花放电、电弧放电均指火花放电、电弧放电均指击穿击穿后的放电现象，且随后的放电现象，且随条件条件变变化，这些放电现象化，这些放电现象可相互转换可相互转换。常见放电形式常见放电形式l辉光放电辉光放电(glow )l电晕放电电晕放电(corona )l刷状放电刷状放电(brush )l火花放电火花放电(spark )l电弧放电电弧放电(arc )9n电场极不均匀情况下，如电压升高，从电晕电极伸电场极不均匀情况下，如电压升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细放电

5、通道，称为展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状放电刷状放电。n电压再升高，根据电源功率而转入电压再升高，根据电源功率而转入火花放电火花放电或或电弧电弧放电放电，最后整个间隙被击穿。，最后整个间隙被击穿。n如均匀内部电场，则可能不出现刷状放电，而由电如均匀内部电场，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转入击穿晕放电直接转入击穿。n如降低气压，放电转为为辉光放电。如降低气压，放电转为为辉光放电。10放电形式放电形式现象现象特征特征辉光放电辉光放电 气体压力不大，电源功率很小气体压力不大，电源功率很小放电电流密度较小，放电区域通放电电流密度较小，放电区域通常占据整个电极间的空间常占据整个电极间的空

6、间电弧放电电弧放电增大电源功率，电流增大，电流增大增大电源功率，电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，放电通道电压降低越明亮，放电通道电压降低电弧通道和电极温度都很高，电电弧通道和电极温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特流密度极大，电路具有短路的特征征火花放电火花放电在较高气压下，击穿后形成收细的发在较高气压下，击穿后形成收细的发光放电通道，不再扩散于间隙中的整光放电通道，不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路阻抗很大时，电极个空间。当外回路阻抗很大时，电极间出现贯通两极的间出现贯通两极的的明亮细火花的明亮细火花 火花放电的特征是具有收细

7、的通火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定道形式，并且放电过程不稳定 电晕放电电晕放电电极曲率半径很小或电极间距离很远，电极曲率半径很小或电极间距离很远，电压升高到一定值后，先紧贴电极在电压升高到一定值后，先紧贴电极在电场最强处出现发光层。随着电压升电场最强处出现发光层。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大大发生电晕放电时，气体间隙的大发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作流很小，间隙仍能耐受电压的作用用刷状放电刷状放电电场极不均匀情况下，如电压继续升电场极不均匀情

8、况下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状放电细放电通道，称为刷状放电电压再升高，根据电源功率而转电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整入火花放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿，如电场稍不均匀，个间隙被击穿，如电场稍不均匀，而由电晕放电直接转入击穿而由电晕放电直接转入击穿电晕放电电晕放电火花及电弧放电人工模拟雷电冲击下空气间隙的击穿放电通道放电通道就是就是导电通道导电通道，也是具有大量带电粒子也是具有大量带电粒子（质点）的通道，具有（质点）的通道，具有很高的电导率。很高的电导率。介质从介质从绝缘绝缘到到良导体良导体的

9、的发展过程就是大量发展过程就是大量带点带点粒子（质点）粒子（质点）产生的过产生的过程。程。2 2 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2.1 气体中带电质点的产生 气体原子的激发和电离气体原子的激发和电离激发激发(excitation)(excitation)电子电子(electron)(electron)向高一能级轨道的跃迁。向高一能级轨道的跃迁。电离电离(ionization)(ionization)如果气体原子如果气体原子(atom)(atom)从外部获得足够大的能量，使外层从外部获得足够大的能量，使外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。失去电子的原子电子摆脱原子核的束缚

10、成为自由电子。失去电子的原子就成带正电的离子，称为正离子。此过程就称为电离。就成带正电的离子，称为正离子。此过程就称为电离。分级电离分级电离：先经过激发再产生电离的过程。先经过激发再产生电离的过程。电离能电离能产生电离需要的能量。产生电离需要的能量。电子、正离子、负离子施加能量施加能量施加能量施加能量自由电子自由电子分级电离分级电离激发激发施加能量施加能量激发激发施加能量施加能量 W Wi自由电子自由电子光子光子 气体原子的激发和电离气体原子的激发和电离 电子要脱离原子核的束缚成为自由电子电子要脱离原子核的束缚成为自由电子,则则必须给予其必须给予其能量能量。能量。能量来源来源的不同，带电质的不

11、同，带电质点产生的点产生的方式方式就不同。就不同。 因此，根据电子获得能量方式的不同，带电因此，根据电子获得能量方式的不同，带电带电质点产生的方式可分为以下几种。带电质点产生的方式可分为以下几种。（一）碰撞电离（一）碰撞电离(collision ) 电子电子或或离子离子与气体与气体分子分子碰撞，将碰撞，将电场能电场能传递给气体分子引起传递给气体分子引起电离的过程。电离的过程。影响因素：影响因素： 外电场强弱（外电场强弱（E E）；）； 能量的积累（移动距离的大小能量的积累（移动距离的大小x x）。）。qExmV221电子在场强为电子在场强为E E的电场中移过的电场中移过x x距离时获得的动能为

12、距离时获得的动能为: :m:m:电子的质量电子的质量V:V:电子运动速度电子运动速度E:E:外电场强度外电场强度x:x:电子移动距离电子移动距离带电质点产生的方式带电质点产生的方式18质点的平均自由行程 ：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程电子在其自由行程内从外电场获得动能，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关 ieeWVm221Wi为气体分子的电离能为气体分子的电离能碰撞电离条件碰撞电离条件当当电子电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的电离能时，就从电场获得的动能大于或等于气体分子的电离能时，就可能使气体分子分裂为电子和正离子，即可能使气体分子分裂为电子和正离子

13、，即自由行程：自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离。一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离。平均自由行程：平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。众多质点自由行程的平均值。n电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多n气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比pT 由光辐射引起气体分子电离的过程，称为由光辐射引起气体分子电离的过程，称为光电离光电离。 光电离产生的电子称为光电子。光电离产生的电子称为光电子。 光辐射光辐射来源来源： 紫外线、宇宙射线、紫外线、宇宙射线、x x射线等；射线等； 异号带电质点复合成中性质点释放出的光子；异号

14、带电质点复合成中性质点释放出的光子； 激励态分子回复到正常态释放出的光子激励态分子回复到正常态释放出的光子 光电离条件光电离条件：iWhv （二）光电离（二）光电离(Photoionization )iWhch：普朗克常数； C：光速：光频率； ：光波长或（三）热电离（三）热电离(Thermal ) 气体分子高热状态引起的碰撞电离过程，称为热电离。气体分子高热状态引起的碰撞电离过程，称为热电离。热电离条件：热电离条件：imWKTW 32常温下，气体分子发生热电离概率极小。气体中发生电离的分子常温下，气体分子发生热电离概率极小。气体中发生电离的分子数与总分子数的比值数与总分子数的比值m称为该气体

15、的称为该气体的电离度电离度。当当t10000 K时才需考虑热电离；时才需考虑热电离；当当t20000 K时，几乎全部的分时，几乎全部的分子都处于热电离状态。子都处于热电离状态。空气电离度空气电离度m和温度和温度T的关系的关系表面电离形式：表面电离形式： 正离子碰撞阴极表面正离子碰撞阴极表面( (Electron emission by positive ion impact on cathode) )； 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。 光电效应光电效应( (Photoelectric emission) )；

16、 当光子的能量大于逸出功时，金属表面放射出电子。当光子的能量大于逸出功时，金属表面放射出电子。 强场发射强场发射( (Field emission) )； 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。 热电子发射热电子发射( (Thermionic emission) ) 阴极温度很高时，其中的电子具有巨大动能，逸出金属表面。阴极温度很高时，其中的电子具有巨大动能，逸出金属表面。（四）表面电离（四）表面电离(surface )逸出功逸出功 ：电子克服原子核的束缚，从材料表面逸出所需的最小能量。与金属的微观结构 、金属表面状态有关。 （五）负离

17、子的形成（五）负离子的形成附着附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新的电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结生出正离子和新的电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合，形成负离子。合，形成负离子。电子附着系数电子附着系数 ：电子行经：电子行经单位距离单位距离时附着于中性原子的电子数时附着于中性原子的电子数目。目。负离子的形成负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制抑制作用。作用。

18、2.1 气体中带电质点的产生2.2 气体中带电质点的消失2.2 气体中带电质点的消失带电质点一旦产生，在外电场作用下作定向运动，流入带电质点一旦产生，在外电场作用下作定向运动，流入电极形成电导电流。电极形成电导电流。带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域，从而使带带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。扩散的原因扩散的原因：带电质点的热运动。：带电质点的热运动。 电子比离子的扩散速度高电子比离子的扩散速度高3 3个数量级个数量级 含义：含义：正离子与负离子或电子相遇时，发生电荷的传递而相正离子与负离子或电子

19、相遇时，发生电荷的传递而相互中和还原为分子的过程。互中和还原为分子的过程。 对放电的影响：对放电的影响：电荷复合过程要阻碍放电的发展，但在电荷复合过程要阻碍放电的发展，但在一定一定条件条件下又可因复合时的下又可因复合时的光辐射光辐射加剧放电的发展。加剧放电的发展。 放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之间放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之间的复合，参加复合的电子绝大多数是的复合，参加复合的电子绝大多数是先形成先形成负离子负离子再与正离子复合再与正离子复合。气体间隙中带电质点的产生和消失是气体放电气体间隙中带电质点的产生和消失是气体放电的一对基本矛盾，气体放电的发展和终止取决的一对基本矛盾，

20、气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位。于这两个过程谁占主导地位。强电场下，气体中带电质点的产生形式可以分强电场下，气体中带电质点的产生形式可以分为为和和。它们都与外界供给的。它们都与外界供给的能量方式有关，能量来源的形式主要是能量方式有关，能量来源的形式主要是电场能电场能、光辐射能光辐射能和和热能热能，而能量的传递靠电子、光子，而能量的传递靠电子、光子或气体分子的热运动，其传递的过程主要是碰或气体分子的热运动，其传递的过程主要是碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程。撞，它是造成气体分子电离的有效过程。气气体体放放电电发发展展过过程程碰撞电离碰撞电离光电离光电离热电离热电离空间电离空

21、间电离表面电离表面电离负离子的形成负离子的形成正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极光电效应光电效应强场发射强场发射热电子发射热电子发射电场作用下气体中带电质点的定向运动电场作用下气体中带电质点的定向运动带电质点的扩散带电质点的扩散带电质点的复合带电质点的复合2.1 带电质带电质点产生点产生2.2 带电质带电质点消失点消失3.1 3.1 低气压低气压均匀电场下均匀电场下的汤逊理论和巴申定律的汤逊理论和巴申定律3.1.1 低气压均匀电场下的汤逊理论一、气体放电实验及伏安特性曲线一、气体放电实验及伏安特性曲线气体中电流和电压的关系伏安特性曲线测定气体中电流的回路示意图作用在气体介质上的能量外电离因素外电场因

22、素气体放电伏安特性气体放电伏安特性 3.1.1 低气压均匀电场下的汤逊理论低气压均匀电场下的汤逊理论试验分析试验分析 当当UU0n OA段：电流随电压升高而升高段：电流随电压升高而升高n AB段：电流仅取决于外电离因素，段：电流仅取决于外电离因素，与电压无关与电压无关n BC段：电压升高电流增强，但仍靠段：电压升高电流增强，但仍靠外电离维持放电过程外电离维持放电过程 (非自持放电阶非自持放电阶段段)当当UU0n C点后：电流急剧突增，气体间隙击点后：电流急剧突增，气体间隙击穿，只靠外加电压就能维持穿，只靠外加电压就能维持(自持放自持放电阶段电阶段)非自持放电非自持放电：如果取消外如果取消外电离

23、因素，气体的放电过电离因素，气体的放电过程就会停止，那么电流也程就会停止，那么电流也将消失。这类依靠将消失。这类依靠外电离外电离因素和因素和外电场外电场因素共同作因素共同作用而维持的放电。用而维持的放电。自持放电自持放电：气隙中电离过程只靠外施电压已能维气隙中电离过程只靠外施电压已能维持，持，不再需要外电离因素不再需要外电离因素。非自持放非自持放电与自持电与自持放电的分放电的分界点界点二、电子崩（二、电子崩（electron avalanche）的形成）的形成(a) (a) 电子崩的形成电子崩的形成(b) (b) 带电离子在电子崩中的分布带电离子在电子崩中的分布为什么？为什么？电子数目将按电子

24、数目将按2、4、82n的指数规律增长的指数规律增长电子崩的发展过程也称为电子崩的发展过程也称为过程过程 -电子碰撞电离系数：电子碰撞电离系数：一个一个电子电子在电场力作用下，沿电场方向行经单位在电场力作用下，沿电场方向行经单位距离（距离（1cm）平均发生碰撞电离的次数，汤逊第）平均发生碰撞电离的次数，汤逊第一电离系数。一电离系数。反映了电子碰撞气体分子发生电离的能力反映了电子碰撞气体分子发生电离的能力EBpApe/均匀电场中的电子崩计算模型dn0 xndxN-dn根据碰撞电离系数的定义：dxndn分离变量并积分，可得：00 xdxnn e 从而可得n0个电子，从阴极出发在电场的作用下，经距离d

25、，到达阳极时由碰撞电离产生的电子数（用N表示）00ddxNn e研究表明：对均匀电场而言，为常数，电子数N：000 xd xdNn en e上式等号两侧乘以电子的电荷qe，即得电流关系式：表明：电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大。因为一旦除去外界电离因素(令 )，放电就会停止。-非自持放电阶段非自持放电阶段仅有过程不能维持放电的自持。 过程在气体电离过程中起的作用很小。过程在气体电离过程中起的作用很小。电子碰撞电离是电离的主要因素。电子碰撞电离是电离的主要因素。 -正离子碰撞电离系数正离子碰撞电离系数一个正离子沿电场方向行经单位距离（一个正离子沿电场方向行经单位距离（1cm）时平）时平均发

26、生的碰撞电离次数。汤逊第二电离系数。均发生的碰撞电离次数。汤逊第二电离系数。 -表面电离系数表面电离系数 折合到每个碰撞阴极表面的折合到每个碰撞阴极表面的正离子正离子使阴极金属使阴极金属表面表面释放释放出的出的自由电子自由电子数。汤逊第三电离系数。数。汤逊第三电离系数。空间电离空间电离表面电离表面电离正离子能量的来源是在外电场作用下获得的！ 由外电离因素从阴极产生的由外电离因素从阴极产生的一个一个电子消失在阳电子消失在阳极前，由极前，由过程形成的正离子数。即过程形成的正离子数。即1de n0个电子消失在阳极前，由电子消失在阳极前，由过程形成的正离子数。过程形成的正离子数。0(1)dn e 正离

27、子（正离子（获得足够能量的正离子获得足够能量的正离子）消失在阴极时，）消失在阴极时，由由过程（表面电离）过程（表面电离）在阴极上释放出二次电子数，在阴极上释放出二次电子数，即即) 1(de1) 1(de 表示由表示由过程在阴极上重新产生一个过程在阴极上重新产生一个(或更多或更多)电电子，此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展，子，此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展，即转入即转入自持放电。自持放电。自持放电条件（击穿条件）(1)1de如自持放电条件满足时，放电过程就如下图所示如自持放电条件满足时，放电过程就如下图所示循环1lnd阴极表面阴极表面气体间隙中气体间隙中阳极表面阳极表面第1周期

28、第2周期第3周期：1个电子逸出 个电子逸出 个电子逸出：形成 个正离子形成 个正离子形成 个正离子： 个电子进入 个电子进入 个电子进入：(1)dede) 1(de2(1)de(1)ddee22(1)de23(1)de22(1)ddeen 电子碰撞电离电子碰撞电离是气体电离的主要原因；是气体电离的主要原因；正离子碰撞阴极表面正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件。电子是维持气体放电的必要条件。n 阴极逸出电子能否接替起始电子的作阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。用是自持放电的判据。汤逊理论的主要内容汤逊理论的主要内容气体放电伏安特性气体放电

29、伏安特性 在外部光源的照射下，气体中的微观过程有：由于电离而不断产生带电质点；由于电离而不断产生带电质点；正、负点点质点又不断复合。正、负点点质点又不断复合。当电压小于UA时：随着电压的升高，带电质点随着电压的升高，带电质点的运动速度增加，复合导致的运动速度增加，复合导致带电质点的数目减少消失于带电质点的数目减少消失于电极的数目增大，因此，外电极的数目增大，因此，外回路电流增加。回路电流增加。当电压小于UB大于UA时：这是由于因电离产生的带电这是由于因电离产生的带电质点全部消失于电极。电流质点全部消失于电极。电流只取决于外电离因素而与电只取决于外电离因素而与电压无关。压无关。当电压大于UB时：

30、随着电压的升高，又出现了随着电压的升高，又出现了电流的增长，这必然是出现电流的增长，这必然是出现了新的电离方式了新的电离方式电子的碰电子的碰撞电离。在这个电压下，电撞电离。在这个电压下，电场足够强，电子能够在电场场足够强，电子能够在电场的作用下积累足够的能量发的作用下积累足够的能量发生碰撞电离。生碰撞电离。均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系巴申定律：描述了气体的击穿电压巴申定律：描述了气体的击穿电压Ub与与pd的关系曲线的关系曲线(亦即亦即Ub与与pd的关系曲线的关系曲线)实验结果实验结果(1)击穿电压不仅由间隙距离d决定，而且也是pd的函数；(2)击穿电压不是pd的单调函数，而是U曲

31、线，存在击穿电压的极小值；(3)不同气体，其巴申曲线上的最低击穿电压不同，对应的pd值也不同；3.1.2低气压均匀电场下巴申定律(Paschens Law)()11ln()(ln)(pdfpdApdBub 式中式中A、B是与气体种类有关的常数，是与气体种类有关的常数，ub为气温不变的条件下，均为气温不变的条件下，均匀电场中气体的自持放电起始电压匀电场中气体的自持放电起始电压=气隙击穿电压。气隙击穿电压。1lnd汤逊理论的自汤逊理论的自持放电条件持放电条件电子碰撞电离电子碰撞电离系数的表达式系数的表达式汤逊理论推导理论分析汤逊理论推导理论分析 电场强度E增大，急剧增大; P很大，或P很小时，值都

32、比较小 巴申曲线的左半支巴申曲线的左半支(pd )bUPd电离概率电子自由行程碰撞次数一定巴申曲线的右半支：(pd )bpUd电离概率电子自由行程碰撞次数一定bdUdUEp电离概率碰撞次数一定)/(巴申定律汤逊理论 由巴申曲线可知，当极间距离由巴申曲线可知，当极间距离d d不变时不变时提高气压或或降低气压到真空，都可以，都可以提高气隙的击穿电压，这一结论已被工程广泛使用，这一结论已被工程广泛使用 高气压、高真空都可以提高击穿电压，高气压、高真空都可以提高击穿电压，工程上已得到广泛应用工程上已得到广泛应用( (如：压缩空气开关、如：压缩空气开关、真空开关等真空开关等) ) 汤逊理论是在汤逊理论是

33、在均匀电场、低气压、短间隙均匀电场、低气压、短间隙( (pdpd较小较小) )条件下条件下建立起来的。建立起来的。 当电场均匀，但当电场均匀，但pdpd过大时过大时( (气压高、距离大气压高、距离大) )的放电，用汤的放电，用汤逊理论无法解释以下现象：逊理论无法解释以下现象： 放电时间：很短放电时间：很短 放电外形：具有分支的细通道放电外形：具有分支的细通道 击穿电压：与理论计算不一致击穿电压：与理论计算不一致 阴极材料：无关阴极材料：无关 汤逊理论适用于汤逊理论适用于pd pd 26.66 kPa 26.66 kPacmcm3.2 3.2 大气压大气压均匀电场下均匀电场下的流注理论的流注理论

34、 气体放电气体放电流注流注(streamer)(streamer)理论理论仍以电子的仍以电子的碰撞电离过程为基础，它考虑了大气压、长碰撞电离过程为基础，它考虑了大气压、长气隙情况下不容忽视的气隙情况下不容忽视的若干因素若干因素对气体放电对气体放电的影响，主要有以下两方面的影响，主要有以下两方面: : 空间电荷对原有电场的影响空间电荷对原有电场的影响 空间光电离的作用空间光电离的作用3.2 3.2 大气压下均匀电场的流注理论大气压下均匀电场的流注理论 电子崩头部聚集大部分正离子和全电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，导致电场畸变；部电子，导致电场畸变； 在电场强度很小的区域，电子和离在电场强度

35、很小的区域，电子和离子浓度最大，有利于完成复合；子浓度最大，有利于完成复合； 强烈的复合辐射出许多光子，成为强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的引发新的空间光电离空间光电离辐射源。辐射源。（一）空间电荷作用（一）空间电荷作用结果考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射光子而引起光电离。汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象，而这一因素在大气压、长气隙的击穿过程中起着重要的作用。（二）空间光电离的作用（二）空间光电离的作用 起始电子发生碰撞电离形成电子崩初始电子崩； 初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，在电场削弱的区域（正负电荷交界处）复合增加，放射出大量光子； 光

36、电离产生光电子，在加强的局部电场（正离子与阴极间电场）作用下形成二次电子崩；（三）流注的形成和发展示意图（三）流注的形成和发展示意图d) 二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道（20kV/cm），其端部又有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使其发展；e) 流注头部前方电场强度较强，电离迅速发展，放射出大量光子，继续引起空间光电离，于是流注前方出现新的二次崩，延长流注通道；f) 流注通道贯通，气隙击穿新电子崩不断产生的电子形成负离子与原始电子崩的正离子互相渗透，形成正负离子混合的等离子体通道-流注。 当初始电子崩发展到一定程度（电子崩头部电子数达到一定数量）当初始电子崩发展到一定程度（电

37、子崩头部电子数达到一定数量） 电场畸变；电场畸变； 电子崩头部附近正负空间电荷复合；电子崩头部附近正负空间电荷复合； 放射大量光子放射大量光子光辐射；光辐射； 光电离，释放出光电子；光电离，释放出光电子； 崩头处光电子处在了被加强了的电场附近，会迅速产生新崩头处光电子处在了被加强了的电场附近，会迅速产生新的碰撞电离；的碰撞电离； 二次电子崩；二次电子崩；（二次电子崩电子进入初崩正空间电荷区（二次电子崩电子进入初崩正空间电荷区域）流注域）流注 。流注发展过程流注发展过程条件：结果：（四）形成流注条件（四）形成流注条件l 电子崩发展到电子崩发展到足够的程度足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以后，电

38、子崩中的空间电荷足以使原电场使原电场明显畸变明显畸变，大大加强电子崩崩头和崩尾处的电，大大加强电子崩崩头和崩尾处的电场；场；l 电子崩头部附近电荷密度很大，复合频繁，释放出引发电子崩头部附近电荷密度很大，复合频繁，释放出引发新的空间光电离的辐射源，二次电子崩主要来源于新的空间光电离的辐射源，二次电子崩主要来源于空间空间光电离光电离；l 气隙中一旦气隙中一旦形成流注形成流注，放电就可由，放电就可由空间光电离空间光电离自行维持。自行维持。流注自持放电条件：201lnd或810de初崩头部电子数要达到初崩头部电子数要达到108时，时，出现流注，放电才能转为自持出现流注，放电才能转为自持。放电时间二次

39、崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播，二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播，所以流注发展非常快。所以流注发展非常快。放电外形二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可能均匀，而且具有分支。能均匀，而且具有分支。阴极材料大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。总结汤逊理论汤逊理论适用于适用于 均匀电场、均匀电场、低低气压、气压、短短间隙（间隙（pdpd值较小）值较小）气体的击穿；气体的击穿；流

40、注理论流注理论适用于适用于 均匀电场、均匀电场、大大气压、气压、长长间隙（间隙（pdpd值较大）值较大）气体的击穿。气体的击穿。 以以pd = 26.66kPapd = 26.66kPacmcm作为分界参考值；作为分界参考值；总 结汤逊理论汤逊理论的基本观点：的基本观点：电子碰撞电离电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴阴极表面的电子发射极表面的电子发射是维持放电的必要条件。是维持放电的必要条件。流注理论流注理论的基本观点：的基本观点：以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用畸变作用，着

41、重于用气体空间，着重于用气体空间光电离光电离来解释气体放来解释气体放电通道的发展过程；电通道的发展过程；放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达始电子崩中离子数达10108 8以上时，引起空间光电离质以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注；变，电子崩汇合成流注；流注一旦形成，放电转入自持。流注一旦形成，放电转入自持。总 结引起气体放电的外部原因有两个，引起气体放电的外部原因有两个，其一其一是电场作用，是电场作用，其二其二是外电离因素。是外电离因素。非自持放电非自持放电：把去掉外界因素作用后，放电立即停：把去掉外界因

42、素作用后，放电立即停止的放电形式；止的放电形式；自持放电自持放电：把由电场作用就能维持的放电形式。：把由电场作用就能维持的放电形式。汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较(1)(1)汤逊理论：自持放电由阴极过程来维持；汤逊理论：自持放电由阴极过程来维持； 流注理论：依赖于空间光电离。流注理论：依赖于空间光电离。(2) (2) 系数的物理意义不同系数的物理意义不同。4 4 不均匀电场长空气间隙放电不均匀电场长空气间隙放电4 不均匀电场长空气间隙的放电 工程情况：套管引出线对低压套管及外壳；高压输电线对地系统中大多数的带电设备都处在长间隙不均匀电场中，如，变压器出

43、线端；试验变压器高压端对墙等。 均匀电场：两个电极的面积开方远远大于两电极间的距离，这两个电极间的电场为均匀电场。如平板电极； 不均匀电场：两电极的曲率半径小于两电极间的距离时，两电极间的电场就是不均匀电场。如棒-棒、棒-板； 当棒电极的曲率半径远大于棒-板电极间的距离时，其间电场就是极不均匀电场。变压器输电线路变电站4.1 电场不均匀程度的划分4.2 稍不均匀电场中的击穿过程4.3 极不均匀电场中的击穿过程4.1 4.1 电场不均匀程度的划分电场不均匀程度的划分1-1-击穿电压击穿电压 2-2-电晕起始电压电晕起始电压 3-3-过渡区域过渡区域电晕放电不稳定，击穿电压分散性很大电晕放电不稳定

44、，击穿电压分散性很大 电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压之间的差别越电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压之间的差别越大，从大，从放电观点放电观点看，电场的不均匀程度可以根据是否存在稳看，电场的不均匀程度可以根据是否存在稳定的电晕放电来区分；定的电晕放电来区分； 为了定量描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个为了定量描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数电场不均匀系数f，表示为：，表示为：Emax : 最大电场强度最大电场强度; Eav :平均电场强度平均电场强度,f4属不均匀电场属不均匀电场。4.1 电场不均匀程度的划分4.2 稍不均匀电场中的击穿过程4.3 极不均匀电场中

45、的击穿过程4.2 4.2 稍不均匀电场中的击穿过程稍不均匀电场中的击穿过程 稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场相似相似，属于，属于流注击穿，击穿条件就是自持放电条件，流注击穿，击穿条件就是自持放电条件，无电晕产无电晕产生。生。 但稍不均匀电场中场强并非处处相等，但稍不均匀电场中场强并非处处相等， 电离系数电离系数是空间坐标是空间坐标x的函数，因此自持放电条件为：的函数，因此自持放电条件为：201ln)(0ddxx4.1 电场不均匀程度的划分4.2 稍不均匀电场中的击穿过程4.3 极不均匀电场中的击穿过程4.3 极不均匀电场中的击穿过程4.3.1 4.3.1 电

46、晕放电电晕放电定义定义：电场极不均匀时，在大曲率电极附近很薄一层空气中具备：电场极不均匀时，在大曲率电极附近很薄一层空气中具备自持自持放电放电条件，放电仅局限在大曲率电极周围条件，放电仅局限在大曲率电极周围很小范围很小范围内，而整个气隙内，而整个气隙尚未击穿尚未击穿。 电晕放电也就是局部流注放电。电晕放电也就是局部流注放电。特点特点：电晕放电是：电晕放电是极不均匀电场极不均匀电场特有的特有的自持放电形式自持放电形式，电晕起始电压电晕起始电压(Uc)低于击穿电压低于击穿电压(Ub)，电场越不均匀其差值越大。，电场越不均匀其差值越大。 电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，应用最广的是电晕放电的

47、起始电压一般用经验公式来推算，应用最广的是皮克公式皮克公式，电晕起始场强近似为：电晕起始场强近似为：bcUU电晕放电产生的影响电晕放电产生的影响： 电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。一定的能量。电晕损耗电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，下雨气象时的电晕损耗要比晴天时大得多。下雨气象时的电晕损耗要比晴天时大得多。 电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而

48、对无线电和电视广播产生脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。干扰。 电晕放电还会产生可听电晕放电还会产生可听噪声噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。，并有可能超出环境保护所容许的标准。 方法方法：增大电极曲率半径；采用扩径导线等：增大电极曲率半径；采用扩径导线等 有利的一面有利的一面： 在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减衰减其其幅值和幅值和降低降低其波前陡度。其波前陡度。 操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。 电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发

49、生器等工业设施中得到广泛应用。等工业设施中得到广泛应用。 在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。放电的放电的发展过程发展过程、气隙的、气隙的电气强度电气强度、放电电放电电压压等都与该电极的极性有密切的关系。等都与该电极的极性有密切的关系。极不均极不均匀电场中的放电存在着明显的匀电场中的放电存在着明显的极性效应。极性效应。 4.3.2 4.3.2 极性效应极性效应 极性效应的极性由表面电场较强的极性效应的极性由表面电场较强的电极电极所具有的所具有的相对相对电位电位决定：决定： 两

50、个电极几何两个电极几何形状不同形状不同时，极性取决于时，极性取决于曲率半径曲率半径较小较小的电极的电位符号，如的电极的电位符号，如“棒棒- -板板”气隙。气隙。 两个电极几何两个电极几何形状相同形状相同时，极性取决于时，极性取决于不接地不接地的的电极上的电位，如电极上的电位，如“棒棒- -棒棒”气隙。气隙。 以典型的极不均匀电场以典型的极不均匀电场-“棒棒- -板板”气隙为气隙为例，从例，从流注理论流注理论的观点出发，说明放电的：的观点出发，说明放电的： 发展过程发展过程极性效应极性效应 （一）正极性（一）正极性 棒极带正电位时，棒极带正电位时，电子崩头部的电子到电子崩头部的电子到达棒极后即将

51、被中和，达棒极后即将被中和，棒极附近强场区内的棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附电晕放电将在棒极附近空间留下许多近空间留下许多正离正离子子。电晕起始阶段电晕起始阶段这些正离子虽朝板极这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢而移动，但速度很慢而暂留在棒极附近。暂留在棒极附近。 正空间电荷正空间电荷削弱削弱了棒了棒极附近的电场强度，而极附近的电场强度，而加强加强了正离子群外部空了正离子群外部空间的电场，因此棒电极间的电场，因此棒电极附近的放电（电晕）附近的放电（电晕）困困难难，而正离子群外部的，而正离子群外部的放电（击穿）放电（击穿）容易容易。当。当电压进一步提高，随着电压进一步提高，随着电晕放电区的

52、扩展，强电晕放电区的扩展，强场区亦将逐渐向板极方场区亦将逐渐向板极方向推进，因而放电的发向推进，因而放电的发展是顺利的。展是顺利的。（二）负极性（二）负极性 棒极负极性时，电棒极负极性时，电子崩将由棒极表面出发子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头的电子向外发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区在离开强场（电晕）区后，虽不能再引起碰撞后，虽不能再引起碰撞电离，但仍继续往板极电离，但仍继续往板极运动。运动。 留在棒极附近的大量留在棒极附近的大量正离子将正离子将加强加强棒极表面附棒极表面附近的电场，而近的电场，而削弱削弱外围空外围空间的电场。棒极表面附近间的电场。棒极表面附近的放电（电晕放电）的放电（电

53、晕放电）容易容易，而外围空间的放电（击穿）而外围空间的放电（击穿）困难困难。 当电压进一步提高时，当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整电晕区不易向外扩展，整个气隙放电发展将是个气隙放电发展将是不顺不顺利利的，因而的，因而这时气隙的放这时气隙的放电电压要比正极性时高电电压要比正极性时高，完成放电过程所需的时间完成放电过程所需的时间也要比正极性时长。也要比正极性时长。 非自持放电阶段非自持放电阶段 正极性正极性：正空间电荷：正空间电荷削弱削弱棒极附近场强而棒极附近场强而加强加强外部电场，阻外部电场，阻止棒极附近流注形成使止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高电晕起始电压提高； 负极性负极性：正

54、空间电荷：正空间电荷加强加强棒极附近场强而棒极附近场强而削弱削弱外部电场，促外部电场，促进棒极附近流注形成使进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低电晕起始电压降低。)()(ccUU流注发展阶段流注发展阶段 正极性正极性：空间电荷：空间电荷加强加强放电区放电区外部空间的电场外部空间的电场，因此当电压进一步提高，因此当电压进一步提高时，强场区将逐渐向极板推进至击穿。时，强场区将逐渐向极板推进至击穿。 负极性负极性：空间电荷：空间电荷削弱削弱放电区放电区外部空间的电场外部空间的电场，因此当电压进一步提高，因此当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，气隙击穿将不顺利，因此负极性击穿电压比时，电晕区不易向

55、外扩展，气隙击穿将不顺利，因此负极性击穿电压比正极性高，完成击穿所需时间也长。正极性高，完成击穿所需时间也长。)()(bbUU 工程实际中，输电线路外绝缘和高压设备的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生在正半波。4.3.3 4.3.3 长间隙放电长间隙放电流注通道电子被阳极吸引流注通道电子被阳极吸引电子浓度电子浓度电流电流 热损耗热损耗 温度温度流注中流注中热电离热电离电导电导，电流，电流流注变成高电导的等离子体（先导）流注变成高电导的等离子体（先导）电场电场新流注新流注先导不断推进。先导不断推进。 先导放电先导放电 特点特点：电子通过通道根部时由于剧烈的摩擦产：电子通过通道

56、根部时由于剧烈的摩擦产生的热电离过程生的热电离过程 先导加强了前方电场，引起新的流注，使其进先导加强了前方电场，引起新的流注，使其进一步伸展并逐级推进一步伸展并逐级推进 主放电主放电 当先导贯穿两极，导致沿先导通道向反方向扩当先导贯穿两极，导致沿先导通道向反方向扩展到棒极的主放电和最终击穿展到棒极的主放电和最终击穿4.3.3 4.3.3 长间隙放电长间隙放电极不均匀电场：极不均匀电场：气隙较小时气隙较小时长间隙长间隙(1m以上以上)5 冲击电压下气隙的击穿特性5.1 雷电冲击电压下的击穿5.2 操作冲击电压下的击穿电力系统中雷电冲击的产生5.1.1雷电冲击电压的标准波形雷电冲击电压波的标准波形

57、关键参数如何定义？为什么？标准雷电截波 电压发生器（电压发生器（2400kV2400kV） 人工模拟雷电冲击下空气间人工模拟雷电冲击下空气间隙的击穿隙的击穿从放电的发展过程看，完成气隙击穿的必备条件：从放电的发展过程看，完成气隙击穿的必备条件： 足够大的电场强度或足够高的足够大的电场强度或足够高的电压，使得电压，使得气隙中存在能气隙中存在能引起引起电子崩电子崩并导致并导致流注流注和主放电的和主放电的有效电子有效电子 需要有一定的需要有一定的时间时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。，让放电得以逐步发展并完成击穿。5.1.2 冲击放电时延冲击放电时延冲击放电过程的特点冲击放电过程的特点在冲击电压作

58、用下气隙的放电电压在冲击电压作用下气隙的放电电压Uf必须要考虑电压的必须要考虑电压的作用时间，作用时间，Uf的大小是间隙距离和电压作用时间的函数：的大小是间隙距离和电压作用时间的函数：( , )fUf d t也就是说，研究气隙的冲击特性时，不仅要指出作用也就是说，研究气隙的冲击特性时，不仅要指出作用电压的大小，同时，还要指出作用电压的电压的大小，同时，还要指出作用电压的波形波形。放电时间的组成：放电时间的组成：总放电时间总放电时间后面两个分量之和后面两个分量之和称为称为放电时延放电时延放电时间放电时间气隙在持续电压下的击穿电压为气隙在持续电压下的击穿电压为Us， t1为所加电压从为所加电压从0

59、上升到上升到静态击穿电压静态击穿电压Us的时间；的时间；t1-静态电压（或持续电压）作用下的击穿时间静态电压（或持续电压）作用下的击穿时间（把间隙在工频或直流电压作用下的击穿电压称为（把间隙在工频或直流电压作用下的击穿电压称为静态击穿电压静态击穿电压）ts -从从t1开始到气隙中出开始到气隙中出现第一个有效电子所需现第一个有效电子所需的时间称为的时间称为有效电子：有效电子：能在间隙中引起碰撞电离、发展能在间隙中引起碰撞电离、发展电子崩并导致间隙击穿的电子崩并导致间隙击穿的电子电子。它的出现和许多因素有关，如外它的出现和许多因素有关，如外电离因素的强度、气体的性质、电离因素的强度、气体的性质、作

60、用电压的大小、电场的均匀程作用电压的大小、电场的均匀程度等。它的出现是随即的，具有度等。它的出现是随即的，具有统计性统计性。因此因此ts称为称为。tf放电形成时延放电形成时延是指出现有效电子后，引是指出现有效电子后，引起碰撞电离，形成电子崩，起碰撞电离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最发展到流注和主放电，最后完成气隙的击穿。这个后完成气隙的击穿。这个过程需要的时间。过程需要的时间。当当电场较均匀电场较均匀时（如时（如1cm以下短气隙），以下短气隙），tfts，放电，放电时延主要取决于时延主要取决于ts。为减小。为减小ts：v可提高外施电场使气隙中出现有效电子的概率增可提高外施电场使气隙中出现