高电压工程1(气体击穿)

1、高电压技术高电压技术孙岩洲孙岩洲电气工程系电气工程系High Voltage Technology电介质电介质(dielectric)：-在电场中能产生极化的物质，指通常条件下导电性能极差、在电场中能产生极化的物质，指通常条件下导电性能极差、在电力系统用作绝缘的材料。在电力系统用作绝缘的材料。-极化是指物质中电荷分离形成耦极子的过程极化是指物质中电荷分离形成耦极子的过程电介质电介质气体电介质气体电介质液体电介质液体电介质固体电介质固体电介质电介质从贮存电能的角度看电介质从贮存电能的角度看绝缘材料从隔离电流角度看绝缘材料从隔离电流角度看1 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗一一.电

2、介质的极化电介质的极化(dielectric polarization) 和介电常数和介电常数1. 极化：极化：在外加电场的作用下，电介质中的正、负在外加电场的作用下，电介质中的正、负电荷沿电场方向作有限位移或转向，形成电矩（偶电荷沿电场方向作有限位移或转向，形成电矩（偶极矩）极矩）极化对介电常数的影响：极化对介电常数的影响：UQ 束缚电荷束缚电荷UCQ00CUQQQ000CCQQr相对介电常数：相对介电常数： relative dielectric constant0E 0E电子式极化电子式极化2. 电介质的极化种类电介质的极化种类特点：存在于一切电介质，极化所需时间短，特点：存在于一切电介

3、质，极化所需时间短， 不随频率变化；不随频率变化；极化具有弹性，不损耗能量极化具有弹性，不损耗能量r离子式极化离子式极化特点：存在于离子结构电介质中，极化所需时间也很短；特点：存在于离子结构电介质中，极化所需时间也很短；极化具有弹性，无能量损耗；极化具有弹性，无能量损耗； 随温度升高而增大随温度升高而增大rE 有些电介质具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不有些电介质具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，这种分子称为极性分子，这种电介质称为极性电介质，重合，这种分子称为极性分子，这种电介质称为极性电介质，例如胶木、橡胶、纤维素、蓖麻油、氯化联苯等。例如胶木、橡胶、纤维素、蓖麻油、氯化

4、联苯等。 每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电矩等于零，整个介质对外并不表现出极性矩等于零，整个介质对外并不表现出极性出现外电场后偶极子沿出现外电场后偶极子沿电场方向转动，作较有电场方向转动，作较有规则的排列，规则的排列， 因而显出因而显出极性，这种极化称为极性，这种极化称为偶偶极子极化极子极化或或转向极化转向极化。UU电极电介质E0E 0E偶极子极化偶极子极化频率太高时偶极子将来不及转动，因而其频率太高时偶极子将来不及转动

5、，因而其r 值变小。温值变小。温度对极性电介质度对极性电介质r 值也有很大的影响。因为温度较低时值也有很大的影响。因为温度较低时分子间的联系紧密，偶极子转动困难。所以分子间的联系紧密，偶极子转动困难。所以r 很小。温很小。温度升高后分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，度升高后分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱。所以液体固体的使极化减弱。所以液体固体的r 在低温下先随温度的升在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变的较强烈时，高而增大，以后当热运动变的较强烈时，r 又开始随温又开始随温度的上升而减小。度的上升而减小。特点：存在于极性电介质中，极化所需时间较长，特点：存在于

6、极性电介质中，极化所需时间较长， 与电源频率有很大关系；极化消耗能量；与电源频率有很大关系；极化消耗能量； 温度过高或过低，温度过高或过低， 都会减小都会减小rr空间电荷极化空间电荷极化(夹层极化夹层极化)3. 讨论电介质极化的意义讨论电介质极化的意义（）不同应用场合，对（）不同应用场合，对r 大小的要求不同大小的要求不同 （）在交流及冲击电压作用下，多层串联介质场强与（）在交流及冲击电压作用下，多层串联介质场强与r 成反比，要注意各种材料的成反比，要注意各种材料的 r值的配合；值的配合；（3 3）极化类型影响介质损耗，从而影响绝缘劣化和热击穿）极化类型影响介质损耗，从而影响绝缘劣化和热击穿特

7、点：特点：存在于复合介质、不均匀介质中；极化过程很缓慢存在于复合介质、不均匀介质中；极化过程很缓慢 ，只在直，只在直流流 和低频交流下表现出来；极化伴随着能量损耗和低频交流下表现出来；极化伴随着能量损耗 1221RRCC 为便于比较，将上述各种极化列为下表为便于比较，将上述各种极化列为下表极化种类极化种类产生场合产生场合所需时间所需时间能量损耗能量损耗产生原因产生原因电子式极化电子式极化任何电介质任何电介质10-15 s无无束缚电子运行束缚电子运行轨道偏移轨道偏移离子式极化离子式极化离子式结构电离子式结构电介质介质10-13 s几乎没有几乎没有离子的相对偏离子的相对偏移移偶极子极化偶极子极化极

8、性电介质极性电介质10-1010-2 s有有偶极子的定向偶极子的定向排列排列夹层极化夹层极化多层介质的交多层介质的交界面界面10-1 s数小时数小时有有自由电荷的移自由电荷的移动动二二. 电介质的电导电介质的电导(electrical conduction)定义：在电场的作用下，由带电质点沿电场方向定义：在电场的作用下，由带电质点沿电场方向 移动而形成电导电流移动而形成电导电流 要点：要点： 带电质点主要是离子，也称离子式电导带电质点主要是离子，也称离子式电导 指标：用电导率指标：用电导率(s/)表示表示 绝缘材料的电阻率绝缘材料的电阻率：1081020m导体的电阻率导体的电阻率：10-810

9、-4m半导体的电阻率：半导体的电阻率：10-4107m 电阻率电阻率/12.电介质电导与金属电导的区别电介质电导与金属电导的区别 TBAe/3.液体和固体电介质的液体和固体电介质的与温度的关系：与温度的关系： 带电质点：电介质中为离子（固有离子，杂质离子）；带电质点：电介质中为离子（固有离子，杂质离子）； 金属中为自由电子金属中为自由电子 数量级：电介质的数量级：电介质的小，泄漏电流小；金属的电导电流很大小，泄漏电流小；金属的电导电流很大 电导电流影响因素：电介质中由离子数目决定，对所含杂质、电导电流影响因素：电介质中由离子数目决定，对所含杂质、 温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温

10、度不是温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是主要因素主要因素温度温度 热运动加剧热运动加剧离子迁移率离子迁移率 介质分子或杂质热离解介质分子或杂质热离解 电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正的温电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正的温度系数。度系数。 4. 固体电介质的体积电阻和表面电阻固体电介质的体积电阻和表面电阻体积电阻电介质内部绝缘状态的真实反映体积电阻电介质内部绝缘状态的真实反映表面电阻受介质表面吸附的水分和污秽影响表面电阻受介质表面吸附的水分和污秽影响水分起着特别重要作用。水分起着特别重要作用。 亲水性介质（玻璃、陶瓷）表面电导大亲水性介质（

11、玻璃、陶瓷）表面电导大 憎水性介质（石蜡、四氟乙烯、聚苯乙烯）憎水性介质（石蜡、四氟乙烯、聚苯乙烯） 表面电导小表面电导小 三三.电介质的损耗电介质的损耗(dielectric loss) 任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损耗。电介质的能量损耗简称介质损耗。耗。电介质的能量损耗简称介质损耗。1. 介质损耗的含介质损耗的含义义2. 电介质的三支路等值电路电介质的三支路等值电路u1i1C2R2C3R2i3i321iiiiC1无损极化无损极化C2-R2有损极化有损极化R3电导

12、损耗电导损耗0)(sti1i3i2ii吸收曲线吸收曲线3. 电介质在直流电压作用下的吸收现象电介质在直流电压作用下的吸收现象321iiii |充充电电电电流流 |吸吸收收电电流流 |泄泄漏漏电电流流UI1IRI2CI23I2I4. 介质损耗角正切介质损耗角正切tg 交流电压作用下的向量图：交流电压作用下的向量图： 介质损耗角介质损耗角 为功为功率因数角率因数角 的余角，其的余角，其正切正切 tg 又可称为介质损又可称为介质损耗因数，常用百分数（耗因数，常用百分数（%）来表示。）来表示。并联等值电路：并联等值电路：CRIIIUpCpRRICIUICIRI并联电路中：并联电路中：pRRUIpCCU

13、ItgCUtgUIUIPpCR2ppppCRRCCURUIItg1/由相量图：由相量图：5. 用用tg作为综合反映介质损耗特性优劣的指标作为综合反映介质损耗特性优劣的指标 理由：介质损耗理由：介质损耗P值和试验电压值和试验电压U、试品等值电容、试品等值电容量、电源频率等许多因素有关，而量、电源频率等许多因素有关，而tg 是一个仅是一个仅取决于材料本身的损耗特征而与上述种种因素无取决于材料本身的损耗特征而与上述种种因素无关的物理量。关的物理量。tg 的增大，意味着介质绝缘性能变差，实践中的增大，意味着介质绝缘性能变差，实践中常通过测量常通过测量tg来判断设备绝缘的好坏。来判断设备绝缘的好坏。一切

14、电介质的电气强度都是有限的，超过一切电介质的电气强度都是有限的，超过某种限度，电介质就会丧失其原有的绝缘性能，某种限度，电介质就会丧失其原有的绝缘性能，甚至演变成导体。甚至演变成导体。在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：在弱电场下，主要有极化、电导、介质损耗等在弱电场下，主要有极化、电导、介质损耗等1. 2. 在强电场下，主要有放电、闪络、击穿等在强电场下，主要有放电、闪络、击穿等气体放电的基本理论：气体放电的基本理论： 汤逊理论汤逊理论 流注理论流注理论研究气体放电的目的：研究气体放电的目的：了解气体在高电压（强电场）的作用下逐步由电介质了解气体在

15、高电压（强电场）的作用下逐步由电介质 演变成导体的过程；演变成导体的过程；掌握气体介质的电气强度及其提高的方法掌握气体介质的电气强度及其提高的方法Chapter 2. 气体放电的物理过程气体放电的物理过程基本概念回顾：基本概念回顾： 原子在外界因素作用下，使其一个或几个原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程的过程电离电离电离能电离能 电离过程所需要的能量称为电离电离过程所需要的能量称为电离能能 ，也可用电离电位，也可用电离电位 反映。反映。)(eVWi)(VUi一次电离、二次电离一次电离、二次电离一般情况下

16、，气体放电中主要只涉及一次电离的过程一般情况下，气体放电中主要只涉及一次电离的过程施加能量施加能量WWi自由电子自由电子电离电离激励激励施加能量施加能量光子光子激励激励施加能量施加能量自由电子自由电子分级电离分级电离施加能量施加能量2.1 气体中带电粒子的产生与消失气体中带电粒子的产生与消失一一. 带电粒子的产生带电粒子的产生(电离过程）电离过程）1.碰撞电离：碰撞电离：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被 撞粒子能量，使其电离撞粒子能量，使其电离 根据引起电离所需的能量来源不同，对应如下几根据引起电离所需的能量来源不同，对应如下几种电离形式种电离形式是气体中产

17、生带电粒子的是气体中产生带电粒子的最重要的形式最重要的形式 电子引起碰撞电离的条件：电子引起碰撞电离的条件：qExiWqEWxiix条件：条件：撞击粒子的总能量被撞粒子的电离能撞击粒子的总能量被撞粒子的电离能 一定的相互作用的时间和条件，一定的相互作用的时间和条件，通过复杂通过复杂 的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换 动能、位能动能、位能主要的碰撞电离由电子完成主要的碰撞电离由电子完成即电子为了造成碰撞电离即电子为了造成碰撞电离而必须飞越的最小距离而必须飞越的最小距离2.光电离：光电离：在光照射下，将光子能量传给粒子，游在光照射下，将光子能量传给粒子，

18、游 离出自由电子离出自由电子 -由光电离而产生的自由电子称为光电子由光电离而产生的自由电子称为光电子 必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能 光子来源：紫外线、伦琴射线、光子来源：紫外线、伦琴射线、射线、宇宙射线射线、宇宙射线 异号粒子复合也产生光子异号粒子复合也产生光子 h iW iWhc光辐射能够引起光辐射能够引起光电离的临界波长光电离的临界波长可见光（可见光（400750nm）不能）不能使气体直接发生光电离使气体直接发生光电离3.热电离：热电离：气体的热状态引起的电离，实质仍是碰撞气体的热状态引起的电离，实质仍是碰撞 电离和光电离，能量来自气体分

19、子的热能。电离和光电离，能量来自气体分子的热能。 分子动能分子动能碰撞电离碰撞电离 热辐射光子的能量、数量热辐射光子的能量、数量光电离光电离 热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合 温度超过温度超过10000K时（如电弧放电）才需要考虑时（如电弧放电）才需要考虑热电离，在温度达到热电离，在温度达到20000K左右，几乎全部空左右，几乎全部空气分子都已经处于热电离状态气分子都已经处于热电离状态4.电极表面电离电极表面电离: -气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。 -游离需要能量，称金属的逸出功，小于气体游离需要能量

20、，称金属的逸出功，小于气体 分子的电离能分子的电离能 -表明金属表面电离比气体空间电离更易发生表明金属表面电离比气体空间电离更易发生 随着外加能量形式的不同，阴极的表面电离可在随着外加能量形式的不同，阴极的表面电离可在 下列情况下发生：下列情况下发生： 正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面光电子发射：高能辐射线照射电极表面光电子发射：高能辐射线照射电极表面热电子发射：金属电极加热热电子发射：金属电极加热强场发射：电极表面附近存在强电场强场发射：电极表面附近存在强电场5.负离子的形成负离子的形成: 中性分子或原子与电子相结合，形中性分子或原子与电子相结合，形 成负离子（附着）成负离子（附着）附着

21、过程中放出能量（亲合能）附着过程中放出能量（亲合能） 电负性气体电负性气体大大 , 易形成负离子强电负性气体，如易形成负离子强电负性气体，如SFSF6 6负离子的形成使自由电子数减少，对气体放电的发负离子的形成使自由电子数减少，对气体放电的发展起抑制作用展起抑制作用 二二. 带电粒子的消失带电粒子的消失（去电离、消电离）（去电离、消电离）中和中和在电场作用下作定向运动，消失于电极在电场作用下作定向运动，消失于电极而形成外电路中的电流而形成外电路中的电流 (迁移率迁移率)2. 扩散扩散因扩散而逸出气体放电空间（热运动）因扩散而逸出气体放电空间（热运动）3. 复合复合带有异号电荷的粒子相遇，发生电

22、荷的带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递、中和而还原为中性粒子的过程传递、中和而还原为中性粒子的过程 （多为负离子与正离子复合，而碰撞电离（多为负离子与正离子复合，而碰撞电离 多为电子碰撞粒子产生）多为电子碰撞粒子产生）与电离相反的与电离相反的物理过程物理过程2.2 气体放电过程及电子崩的形成气体放电过程及电子崩的形成aUabUbcUc空气中电流和电压的关系空气中电流和电压的关系VA一一.平行板电极实验（汤逊，平行板电极实验（汤逊，Townsend)： E0IUSU0自持放电区自持放电区非自持放电区非自持放电区0a段：随着段：随着E增大，气隙中的初始带电粒子向电极运动的速度增大，气隙中的初始

23、带电粒子向电极运动的速度加快而导致复合数减少，表现为加快而导致复合数减少，表现为I随随U的提高而增大；的提高而增大；ab段：外界电离因子产生的带电粒子几乎能全部抵达电极，电段：外界电离因子产生的带电粒子几乎能全部抵达电极，电流趋于饱和，饱和电流值很小，气体仍处于良好的绝缘状态；流趋于饱和，饱和电流值很小，气体仍处于良好的绝缘状态；bc段：段：I随着随着U的提高而增大，表明此时电场的提高而增大，表明此时电场E足够大，使电足够大，使电子积累足够的动能造成碰撞电离的发生，出现电子崩，子积累足够的动能造成碰撞电离的发生，出现电子崩，E越大，越大，电子碰撞电离越激烈，产生的带电粒子越多；电子碰撞电离越激

24、烈，产生的带电粒子越多；cS段：随着外加电场的增大，碰撞电离愈激烈，带电粒子数段：随着外加电场的增大，碰撞电离愈激烈，带电粒子数目呈指数增长，电流增大更快；目呈指数增长，电流增大更快；S点后：当电压增大到点后：当电压增大到U0时，时， 过程产生的二次电子足够多，过程产生的二次电子足够多，能接替外界电离因子产生的初始电子的作用，即转为自持放能接替外界电离因子产生的初始电子的作用，即转为自持放电阶段，气隙击穿，表现为电流急剧增大，并伴有发光、发电阶段，气隙击穿，表现为电流急剧增大，并伴有发光、发声等现象，气隙转入良好的导电状态。声等现象，气隙转入良好的导电状态。二二.电子崩的形成：电子崩的形成：带

25、电粒子在电子崩中的分布：带电粒子在电子崩中的分布：电子崩中电子数目增长过程分析：电子崩中电子数目增长过程分析：电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数a定义：一个电子沿着电场方向行经定义：一个电子沿着电场方向行经1cm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设每次碰撞电离只能产生一个电子和一设每次碰撞电离只能产生一个电子和一个正离子，则个正离子，则 就是一个电子在单位长就是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数。度行程内新电离出的电子数或正离子数。adanxn到达到达 处，电子数增加到处，电子数增加到nx，dx这这 个电子在个电子在 的距离中又的距离中又产生产生 个新电子，

26、则有：个新电子，则有：ndxdnandxdn 在均匀电场中，在均匀电场中， 为常数为常数aaxen 设：初始电子数为设：初始电子数为11xadxen0抵达阳极的电子数：抵达阳极的电子数：daen途中新增加的电子数或正离子数：途中新增加的电子数或正离子数：11daenn在强电场中出现电子崩的过程在强电场中出现电子崩的过程也称也称 过程过程一个初始电子走过一个初始电子走过 距离后，由本身距离后，由本身碰撞电离产生的电子数是碰撞电离产生的电子数是 ，计及新，计及新产生的电子也参加电离过程，则电子数产生的电子也参加电离过程，则电子数增加到增加到 个，若个，若 ，则则 xax10axaxe4102 .

27、2axe结论：由于碰撞电离引起电子崩过程，结论：由于碰撞电离引起电子崩过程，导致气隙中电子数迅速增加。导致气隙中电子数迅速增加。三三.自持放电条件自持放电条件必须依靠外界电离因素的作用提供自必须依靠外界电离因素的作用提供自 由电子作为电子崩的初始电子，一由电子作为电子崩的初始电子，一 旦外界电离因素停止发生作用，则放旦外界电离因素停止发生作用，则放 电中止电中止非自持放电非自持放电自持放电自持放电撤除外界电离因素后，能仅由电场的撤除外界电离因素后，能仅由电场的作用而维持的放电作用而维持的放电 过程过程：电子崩中的正离子在返回阴极时，由于其电子崩中的正离子在返回阴极时，由于其具有的位能和动能，撞

28、击阴极时引起阴极表具有的位能和动能，撞击阴极时引起阴极表面电离，产生面电离，产生 二次电子的过程二次电子的过程系数系数一个正离子撞击阴极表面时产生的二次电子数一个正离子撞击阴极表面时产生的二次电子数自持放电条件自持放电条件11adeade1自持放电条件可写为：自持放电条件可写为：1ade物理含义？物理含义？外加电场增外加电场增大到一定程大到一定程度，才能满度，才能满足自持放电足自持放电条件条件1)1(0dxade不均匀电场中，各处的不均匀电场中，各处的 值不同，自持放电条件为值不同，自持放电条件为：a 起始场强起始场强（起始电压）（起始电压）放电由非自持转为自持时的场强，放电由非自持转为自持时

29、的场强， 相应的电压为起始电压。相应的电压为起始电压。均匀电场中：均匀电场中：起始场强起始场强=击穿场强击穿场强 起始电压起始电压=击穿电压击穿电压不均匀电场中：不均匀电场中：起始电压起始电压 26.66kPacm（200mmHgcm）时，）时，一些无法用汤逊理论解释的现象：一些无法用汤逊理论解释的现象：(1).放电外形：在大气压下放电不再是辉光放电，而是火花通道放电外形：在大气压下放电不再是辉光放电，而是火花通道 (2). 放电时间：放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间放电时间：放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间 (3). 阴极材料的影响：阴极材料对放电电压影响不大阴极材料

30、的影响：阴极材料对放电电压影响不大 1. 空间电荷对电场的影响空间电荷对电场的影响0dx0E0EE2. 空间光电离的作用空间光电离的作用流注的形成流注的形成初崩初崩空间光电离空间光电离二次电子崩二次电子崩汇入初崩汇入初崩流注流注正流注形成过程：（当外加电压不是很高时）正流注形成过程：（当外加电压不是很高时） 负流注形成过程：负流注形成过程： （当外加电压足够高时）（当外加电压足够高时） 流注的特点流注的特点电离强度很大电离强度很大 传播速度很快传播速度很快 导电性能良好导电性能良好形成流注后，放电就可以由本身产生的空间光电离自形成流注后，放电就可以由本身产生的空间光电离自行维持，即转为自持放电

31、，形成流注的条件（即自持行维持，即转为自持放电，形成流注的条件（即自持放电条件）放电条件）对均匀电场来说，自持放电条件对均匀电场来说，自持放电条件：ade常数常数ad常数常数或或810ade或或20ad实验得出实验得出流注理论和汤逊理论比较：流注理论和汤逊理论比较：各适用于一定条件下的放电过程，不能用一种理论各适用于一定条件下的放电过程，不能用一种理论来取代另一种理论，互相补充，可以解释广阔的来取代另一种理论，互相补充，可以解释广阔的pd范围内的气体放电现象。范围内的气体放电现象。1. 汤逊理论适用于低气压、短气隙的情况（汤逊理论适用于低气压、短气隙的情况（pd26.66kPacm）3.汤逊理

32、论认为电子崩和阴极上的二次发射过程是气体自持汤逊理论认为电子崩和阴极上的二次发射过程是气体自持放电的决定性因素；流注理论认为电子碰撞电离及空间光放电的决定性因素；流注理论认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用。电场的作用。1.4 不均匀电场中气隙的放电过程不均匀电场中气隙的放电过程稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征一一. 电场不均匀系数：电场不均匀系数：f最大电场强度最大电场强度平均电场强度平均电场强度avEEmax2f稍不均匀电场稍不均匀电场4f极不均匀电场极

33、不均匀电场极不均匀电场中，首先在强场区发生电晕放电，极不均匀电场中，首先在强场区发生电晕放电，自持放电条件即是电晕起始条件，气隙击穿电压大自持放电条件即是电晕起始条件，气隙击穿电压大于电晕起始电压。于电晕起始电压。二二. 常见电场的结构：常见电场的结构： 均匀场：均匀场： 板板板板 稍不均匀场：稍不均匀场： 球球球球 对称场对称场 同轴圆筒同轴圆筒 极不均匀场：极不均匀场： 棒棒棒棒 棒板棒板 不对称场不对称场 稍不均匀电场中气隙的放电特性与均匀电场相稍不均匀电场中气隙的放电特性与均匀电场相 似，似，一旦出现自持放电，便会导致整个间隙的击穿，一旦出现自持放电，便会导致整个间隙的击穿，三三. 电

34、晕放电电晕放电1. 电晕的形成：电晕的形成：极不均匀电场中，在外加电压下，小曲率半径电极附近的电极不均匀电场中，在外加电压下，小曲率半径电极附近的电场强度首先达到起始场强场强度首先达到起始场强E0，在此局部区域先出现碰撞电离，在此局部区域先出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区的局部放和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区的局部放电称为电晕放电，在外观上表现为环绕电极表面出现蓝紫色电称为电晕放电，在外观上表现为环绕电极表面出现蓝紫色晕光。晕光。可以是极不均匀电场气隙击穿过可以是极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段，也可以是长期存程的第一阶段，也可以是长期存在的稳放电形式在

35、的稳放电形式2. 电晕的危害及作用电晕的危害及作用有光、声、热效应造成能量损耗；电晕损耗在超高压输电线有光、声、热效应造成能量损耗；电晕损耗在超高压输电线路设计中必须考虑路设计中必须考虑产生的高频脉冲电流含有许多高次谐波，造成无线电干扰；产生的高频脉冲电流含有许多高次谐波，造成无线电干扰；使空气局部游离，产生的臭氧和氧化氮等会腐蚀金属设备；使空气局部游离，产生的臭氧和氧化氮等会腐蚀金属设备；产生可闻噪声；产生可闻噪声； 有利的一面：可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅有利的一面：可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值和陡度，除尘，臭氧发生器值和陡度，除尘，臭氧发生器 3. 起晕场强与导线尺寸的关系起晕

36、场强与导线尺寸的关系 平行导线平行导线, 相距为相距为D, 半径为半径为r ，Dr，线间电压为，线间电压为U）（rDrUE/ln2/)/3 . 01 (30rmEc 导线表面场强导线表面场强: 起晕场强：起晕场强： kV/cm皮克公式皮克公式 导线表面粗造系数导线表面粗造系数，光滑导线，光滑导线m1，绞线，绞线m0.80.9 空气相对密度空气相对密度 rEcEE1/r Ec 1/ , c，E，EEc超高压线路采用分裂导线，超高压线路采用分裂导线，减轻电晕放电危害减轻电晕放电危害设法限制和降低设法限制和降低导线表面电场导线表面电场四四 . 极不均匀电场中放电的极性效应极不均匀电场中放电的极性效应

37、 0100200300300600900bU(kV)d(cm)直流电压下棒直流电压下棒-板间隙击穿电压特性曲线：板间隙击穿电压特性曲线：Ex0E正正棒棒负负板板电电极极0E负负棒棒正正板板电电极极Ex常用高压工程术语常用高压工程术语 击穿：击穿：在电场的作用下，由电介质形成的绝缘间隙，丧失绝在电场的作用下，由电介质形成的绝缘间隙，丧失绝缘缘 性能，形成导电通道的过程，性能，形成导电通道的过程， 放电：放电：气体绝缘的击穿过程气体绝缘的击穿过程 闪络：闪络：沿固体介质表面发展的气体放电（亦称沿面放电）沿固体介质表面发展的气体放电（亦称沿面放电） 电晕：电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部电

38、离放电由于电场不均匀，在电极附近发生的局部电离放电 击穿（放电）电压击穿（放电）电压b（）：（）：使绝缘击穿的最低临界电压使绝缘击穿的最低临界电压 击穿场强（抗电强度，绝缘强度）击穿场强（抗电强度，绝缘强度）b（）：（）： 发生击穿时在绝缘中的最小发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。平均电场强度。 E Eb b b b（：极间距离）（：极间距离） Chapter 3. 气隙的击穿特性气隙的击穿特性气隙的击穿特性取决于：气隙的击穿特性取决于：电场形式电场形式外加电压类型外加电压类型工频交流电压工频交流电压直流电压直流电压雷电过电压雷电过电压操作过电压操作过电压稳态电压稳态电压冲击电压冲击电压一

39、一. 均匀电场气隙的击穿均匀电场气隙的击穿不存在极性效应；不存在极性效应；直流、工频、冲击电压作用下的击穿电压相同；直流、工频、冲击电压作用下的击穿电压相同；击穿电压分散性很小；击穿电压分散性很小；空气间隙的击穿电压经验公式：空气间隙的击穿电压经验公式：）（kVddUb66. 655.24Ub击穿电压峰值，击穿电压峰值，kVEb 平均击穿场强，平均击穿场强，kV/cm空气的相对密度空气的相对密度 d间隙距离，间隙距离， d 1 10cm 内，内，Eb=30kV/cm）（kVddUEbb/66. 655.24二二.稍不均匀电场稍不均匀电场与均匀电场相似，一旦出现局部放电，立即导致整个间隙的与均匀

40、电场相似，一旦出现局部放电，立即导致整个间隙的完全击穿。完全击穿。 电场不对称时有极性效应，不很显著电场不对称时有极性效应，不很显著 不同电压波形下不同电压波形下b都相同，且分散性不大都相同，且分散性不大 典型结构形式：球球，球板，两同轴圆柱典型结构形式：球球，球板，两同轴圆柱 三三.极不均匀电场极不均匀电场有持续的局部放电，空间电荷积累导致显著的极性效应有持续的局部放电，空间电荷积累导致显著的极性效应 电极形状对气隙击穿电压影响不大，可用典型电极代表电极形状对气隙击穿电压影响不大，可用典型电极代表,如棒棒，棒板如棒棒，棒板 在不同性质电压下，在不同性质电压下，b有明显差别，且分散性大有明显差

41、别，且分散性大1.直流电压作用下直流电压作用下 显著的极性效应显著的极性效应 正棒负板，正棒负板，b 5d (kV/cm)负棒正板，负棒正板，b 10d (kV/cm)注意注意: 负棒正板比正棒负板先产生电晕放电负棒正板比正棒负板先产生电晕放电,但后发但后发生击穿。生击穿。都比均匀电场中的击都比均匀电场中的击穿场强小得多（约穿场强小得多（约30kV/cm)2 .工频电压作用下工频电压作用下 击穿总是在棒极为正半波峰值附近发生击穿总是在棒极为正半波峰值附近发生 d时，时，b接近与接近与d成正比成正比 棒棒，棒棒，b d 棒板，棒板，b d相差不多相差不多 d时，时，b与与d的关系趋向饱和，棒板尤

42、甚。的关系趋向饱和，棒板尤甚。各种气隙的工频各种气隙的工频b 分散性不大，标准偏差分散性不大，标准偏差 31. 放电时间的组成放电时间的组成UsU1tstftlagtbtut0四四. 冲击电压下气隙的击穿冲击电压下气隙的击穿冲击电压变化速度冲击电压变化速度很快，作用时间很短很快，作用时间很短（ss），与稳态电压），与稳态电压作用时气隙相比，它作用时气隙相比，它的放电时间就成为关的放电时间就成为关注的重要因素。注的重要因素。实验表明：对气隙实验表明：对气隙施加冲击电压使其击施加冲击电压使其击穿不仅需要足够幅值穿不仅需要足够幅值的电压，有引起电子的电压，有引起电子崩并导致流注和主放崩并导致流注和主

43、放电的有效电子，而且电的有效电子，而且需要一定的电压作用需要一定的电压作用时间。时间。fslagttt放电时延：放电时延：lagbttt1放电时间：放电时间：ts: 统计时延，统计时延，从从 t1开始到气隙中出现第一个有效电开始到气隙中出现第一个有效电 子所需子所需 的时间的时间Us: 静态击穿电压，静态击穿电压，气隙在持续作用电压下的击穿电压气隙在持续作用电压下的击穿电压tf: 放电形成时延，放电形成时延，从从 有有 效电子出现到气隙完成击效电子出现到气隙完成击 穿所需穿所需 的时间的时间具有统计具有统计分散性分散性2. 标准试验电压波形标准试验电压波形直流电压直流电压 大多由交流整流而得，

44、波形有脉动大多由交流整流而得，波形有脉动 脉动系数脉动幅值电压平均值脉动系数脉动幅值电压平均值 最大值与最小值之差的一半最大值与最小值之差的一半 工频交流电压工频交流电压 波形近似为正弦波，正负半波相同，峰值与有效值之比应波形近似为正弦波，正负半波相同，峰值与有效值之比应为为 ，偏差不超过，偏差不超过 标准雷电冲击电压波形定义标准雷电冲击电压波形定义00tmUu/2T0.50.30.91T1s50/2 . 1sT36. 02 . 11波前时间：波前时间：sT10502 半峰值时间半峰值时间（或波长时间）（或波长时间）0tmUu/crT12T0.5标准操作冲击电压波形定义标准操作冲击电压波形定义

45、s2500/2503. 气隙的冲击击穿特性气隙的冲击击穿特性：（1）. 50%冲击击穿电压冲击击穿电压 %50U冲击系数冲击系数sUU%50在一定波形的冲击电压作用下，外加电压的幅值在一定波形的冲击电压作用下，外加电压的幅值变化，导致间隙击穿概率为时的电压称为变化，导致间隙击穿概率为时的电压称为%50U均匀和稍不均匀电场下，均匀和稍不均匀电场下，极不均匀电场下，极不均匀电场下，11（2）. 伏秒特性伏秒特性在电压波形一定的情况下，气隙击穿时的外加电压在电压波形一定的情况下，气隙击穿时的外加电压 峰值与峰值与击穿时间的关系击穿时间的关系: Ub (tb ） 作法：作法：保持一定的波形而逐渐升高电

46、压，以示波图来求取，保持一定的波形而逐渐升高电压，以示波图来求取，电压较低时，击穿发生在峰值过后，取峰值作纵坐标；电压较低时，击穿发生在峰值过后，取峰值作纵坐标；击穿发生在波峰时，取峰值作纵坐标；击穿发生在波峰时，取峰值作纵坐标；击穿发生在尚未到峰值时，取击穿时电压值作纵坐标。击穿发生在尚未到峰值时，取击穿时电压值作纵坐标。 0btbU132特点：特点：伏秒特性有分散性，同一气隙在同一电压作用下，每次伏秒特性有分散性，同一气隙在同一电压作用下，每次击穿时间不完全一样，是一个以上、下包线为界的带状区域击穿时间不完全一样，是一个以上、下包线为界的带状区域在每级电压在每级电压U作用下的多次击穿中，放

47、电时间作用下的多次击穿中，放电时间小于下包络线所示数值小于下包络线所示数值t1的概率为的概率为0，其左方完全不击穿；，其左方完全不击穿；小于上包络线所示数值小于上包络线所示数值 t3的概率为的概率为100，其右方完全击穿；，其右方完全击穿； 小于小于 t2的概率为的概率为5050%概率放电时间对应概率放电时间对应50伏秒特性伏秒特性 0btbU31U1t3t2t2 50伏秒特性伏秒特性 曲线形状与电场的均匀性有关：均匀场，曲线低且平坦，上曲线形状与电场的均匀性有关：均匀场，曲线低且平坦，上 翘范围小；不均匀电场，曲线较高且陡翘范围小；不均匀电场，曲线较高且陡0btbUs112在绝缘配合中的意义：在绝缘配合中的意义： 1AB2AB3PAB图图1： A 设备，保护间隙设备，保护间隙 图图2：保护间隙的伏秒特性曲线：保护间隙的伏秒特性曲线 B低于设备的曲线低于设备的曲线A，能保护设备，能保护设备 图图3：间隙曲线较陡，间隙在交叉点：间隙曲线