气体的绝缘强度

1、1第一篇第一篇高高 电电 压压 绝绝 缘缘 与与 试试 验验2主要内容31 气体放电的主要形式41 气体放电的主要形式1.1 气体放电的基本概念气体放电的基本概念1.2 气体放电的主要形式气体放电的主要形式51.1 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61.1 气体放电的基本概念气体放电气体放电：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：气体由绝缘状态突变为良导电状态的过程；：气体由绝缘状态突变为良导电状态的过程；沿面闪络沿面闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上

2、的放电现象；上的放电现象； 工程上将工程上将击穿击穿和和闪络闪络统称为统称为放电放电。71.1 气体放电的基本概念 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、自动恢复绝缘的气体，因此我们主要空气是最廉价、应用最广、自动恢复绝缘的气体，因此我们主要研究空气的放电。研究空气的放电。气体具有自恢复特性气体具有自恢复特

3、性81.1 气体放电的基本概念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。 均匀电场中击穿电压均匀电场中击穿电压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。我们把均匀电场中气隙的击穿场强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：不能把不均匀场中气隙：不能把不均匀场中气隙Ub与间隙距离之比称为气体的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。电气强度，通常称之为平均击穿场强。91.2 气体放电的主要形式v 注

4、意：电晕放电、刷状放电时气隙未击穿，而辉光放电、注意：电晕放电、刷状放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不火花放电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同，这些放电现象可相互转换。同，这些放电现象可相互转换。常见放电形式常见放电形式 辉光放电辉光放电 电晕放电电晕放电 刷状放电刷状放电 火花放电火花放电 电弧放电电弧放电102 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112.1 气体中带电质点的产生2. 2 气体中带电质点的消失122.1 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电子向高一能级轨道的跃迁。电子

5、向高一能级轨道的跃迁。电离电离如果气体原子从外部获得足够大的能量，使外如果气体原子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。失去层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。失去电子的原子就成带正电的离子，称为正离子。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。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。132.1 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142.1 气体中带电质点的产生l 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

6、为自由电子,则必则必须给予其能量。能量来源的不同带电质点产须给予其能量。能量来源的不同带电质点产生的方式就不同。生的方式就不同。l 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。152.1 气体中带电质点的产生气体中带电质点的产生（一）碰撞电离（一）碰撞电离 电子或离子与气体分子碰撞，将电子或离子与气体分子碰撞，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。因素：因素： 外电场强弱；外电场强弱； 能量的积累（移动距离的大小）。能量的积累（移动距离的大小）。qExmV22

7、1电子在场强为电子在场强为E的电场中移过的电场中移过x距离时获得的动能为距离时获得的动能为 :m:电子的质量电子的质量V:电子运动速度电子运动速度E:外电场强度外电场强度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162.1 气体中带电质点的产生即使满足上述条件，不是每次碰撞都能引起电离。即使满足上述条件，不是每次碰撞都能引起电离。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电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的电离当电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的电离能时，就可能使气体分子分裂为电子或正离子，即能时，就可能使气体分子分裂为

8、电子或正离子，即172.1 气体中带电质点的产生气体中带电质点的产生 由光辐射引起气体分子电离的过程，称为光电离。由光辐射引起气体分子电离的过程，称为光电离。 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。 来源：来源： 紫外线、宇宙射线、紫外线、宇宙射线、x射线等；射线等； 异号带电质点复合成中性质点释放出光子；异号带电质点复合成中性质点释放出光子； 激励态分子回复到正常态释放出光子激励态分子回复到正常态释放出光子 条件：条件：iWhv （二）光电离（二）光电离iWhch：普朗克常数；：普朗克常数； C：光速：光速：光频率；：光频率； ：光波长；：光波长； 或或182.1 气体中带

9、电质点的产生（三）热电离（三）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。气体分子高热状态引起的碰撞电离过程，称为热电离。条件：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离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度。称为该气体的电离度。当当T10000K时才需考虑热电时才需考虑热电离；离；当当T20000K时，几乎全部的时，几乎全部的分子都处于热电离状态分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192.1 气体中带电质点的产生 金属阴极表面发射电子的过程

10、。金属阴极表面发射电子的过程。 形式：形式： 正离子碰撞阴极表面；正离子碰撞阴极表面； 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；（四）表面电离（四）表面电离202.1 气体中带电质点的产生（五）负离子的形成（五）负离子的形成附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。与中性分子相结合形成负离子的情况。电子附着系数电子附着系数 ：电子行经单位距离时附着于中性原子：电子行经单位距离时附着于中

11、性原子的电子数目。的电子数目。负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。用。212.1 气体中带电质点的产生气体中带电质点的产生2.2 气体中带电质点的消失气体中带电质点的消失222.2 气体中带电质点的消失（一）电场作用下气体中带电质点的定向运动（一）电场作用下气体中带电质点的定向运动带电质点一旦产生，在外电场作用下作定向运动，带电质点一旦产生，在外电场作用下作定向运动，形成电导电流。形成电导电流。（二）带电质点的扩散（二）带电质点的扩散带

12、电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域的过程，带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域的过程，称为带电质点的扩散。称为带电质点的扩散。电子扩散比离子扩散高电子扩散比离子扩散高3个数量级个数量级232.2 气体中带电质点的消失气体中带电质点的消失 正离子和负离子或电子相遇时，发生电荷的传递而相互中和正离子和负离子或电子相遇时，发生电荷的传递而相互中和还原为分子的过程。还原为分子的过程。 复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件下又可因复合时复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展。的光辐射加剧放电的发展。 放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之间的复合，参加放电过

13、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先形成负离子再与正离子复合。复合的电子绝大多数是先形成负离子再与正离子复合。（三）带电质点的复合（三）带电质点的复合24小小 结结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，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空间电离和表面电离。它们都与外界供给的为空间电离和表面电离。它们都与外界供给的能量有关，能量的形式主要是电场能

14、、光辐射能量有关，能量的形式主要是电场能、光辐射和热能，而能量的传递靠电子、光子或气体分和热能，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撞，它是子的热运动，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。造成气体分子电离的有效过程。25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

15、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263 汤逊理论和流注理论汤逊理论和流注理论273.1 低气压均匀电场下的汤逊理论和低气压均匀电场下的汤逊理论和巴申定律巴申定律283.1.1 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293.1.1 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 在曲线在曲线OA段，段，I随随U的的提高而增大。而且电提高而增大。而且电流随电压按正比增长。流随电压按正比增长。气体放电伏安特性气体放电伏安特性 30

16、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在曲线在曲线AB段，当电压段，当电压 UB U UA时，电流时，电流I0趋向于趋向于饱和饱和。电流的大小电流的大小仅取决于仅取决于电离因素的强弱（光电离因素的强弱（光照射）而与所加电压照射）而与所加电压无关。无关。气体放电伏安特性气体放电伏安特性 313.1.1 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在在BC段段:当电压提高到当电压提高到U0 U UB时，电流又时，电流又开始随电压的升高而开始随电压的升高而增大。电流随电压的增大。电流随电压的增加按指数规律增长。增加按指数规律增长。气体放电伏安特性气体放电伏安特性 3

17、23.1.1 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在在C点以后点以后:电压电压U U0时，电流急剧增加。时，电流急剧增加。气体间隙击穿。而且气体间隙击穿。而且无需外电离因素（光无需外电离因素（光照射）就能维持间隙照射）就能维持间隙的放电过程的放电过程气体放电伏安特性气体放电伏安特性 333.1.1 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实验分析实验分析 当当UU0nOA段：电流随电压升高而升高段：电流随电压升高而升高nAB段：电流仅取决于外电离因素与电压无关段：电流仅取决于外电离因素与电压无关nBC段：电压升高电流增强但仍靠外电离维持段：电压升高电流增强但仍靠外电

18、离维持 (非自持放电非自持放电阶段阶段)当当UU0nC点后：电流急剧增加，只靠外加电压就能维持点后：电流急剧增加，只靠外加电压就能维持(自持放电自持放电阶段阶段)343.1.1 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非自持放电非自持放电：如果取消外如果取消外电离因素，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。这类依靠外电离将消失。这类依靠外电离因素和外电场因素共同作因素和外电场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持，气隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。不再需要外

19、电离因素。非 自 持 放 电非 自 持 放 电与 自 持 放 电与 自 持 放 电的分界点的分界点353.1.1 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二、电子崩的形成二、电子崩的形成(a) 电子崩的形成电子崩的形成(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？电子数目将按电子数目将按2、4、82n的指数规律增长的指数规律增长363.1.1 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：一个电子在电场力作用下，沿电场方向行一个电子在电场力作用下，沿电场方向行

20、经单位距离（经单位距离（1cm）平均发生碰撞电离的次）平均发生碰撞电离的次数，汤逊第一电离系数。数，汤逊第一电离系数。373.1.1 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均匀电场中的电子崩计算模型过程过程dn0 xndxN-dn383.1.1 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从而可得从而可得n0个电子，从阴极出发在电场的作用下，经个电子，从阴极出发在电场的作用下，经距离距离d，到达阳极时由碰撞电离产生的电子数（用，到达阳极时由碰撞电离产生的电子数（用N表示）表示）00ddxNn e研究表明：对均匀电场而言，研究表明：对均匀电场而言，为常数，电子数为常数，电子

21、数N：000 xd xdNn en e根据碰撞电离系数的定义：根据碰撞电离系数的定义：dxndn分离变量并积分之，可得：分离变量并积分之，可得：00 xdxnn e393.1.1 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上式等号两侧乘以电子的电荷上式等号两侧乘以电子的电荷qe，即得电流关系式：，即得电流关系式：表明：电子崩电流按指数规律随极间距离表明：电子崩电流按指数规律随极间距离d而而增大。增大。因为一旦除去外界电离因素因为一旦除去外界电离因素(令令 )，放电就，放电就会停止。会停止。-非自持放电阶段非自持放电阶段仅有仅有过程不能维持放电的自持。过程不能维持放电的自持。403.1

22、.1 低气压均匀电场下的汤逊理论过程过程过程在气体电离过程中起的作用很小。造过程在气体电离过程中起的作用很小。造成碰撞电离的主要因素是电子。成碰撞电离的主要因素是电子。 -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）时平均发生的碰撞电离次数。汤逊第二电离时平均发生的碰撞电离次数。汤逊第二电离系数。系数。413.1.1 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 -表面电离系数表面电离系数 折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面释放出的自由电子数。汤逊第三电金属表面释放出的自由

23、电子数。汤逊第三电离系数。离系数。过程过程空间电离空间电离表面电离表面电离423.1.1 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电子消失在阳极前，由在阳极前，由过程形成的正离子数。即过程形成的正离子数。即1den0个电子消失在阳极前，由电子消失在阳极前，由过程形成的过程形成的正离子数。正离子数。0(1)dn e433.1.1 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正离子消失在阴极时，由正离子消失在阴极时，由过程（表面电离）过程（表面电离）在阴极在阴极上释放出二次电子数，即上释放出二次电子数，即) 1(d

24、e1) 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)电子，电子，此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展，即此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展，即转入转入自持放电自持放电。如果如果443.1.1 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自持放电条件（击穿条件）自持放电条件（击穿条件）1(1)1lnded 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循环453.1.1 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表表 电极空间及气体间隙中碰撞电离发展过程电极空间及气体间隙中碰撞电离发展过

25、程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)ddee463.1.1 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n 电子碰撞电离是气体电离的主要原因；电子碰撞电离是气体电离的主要原因；正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件。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用

26、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。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473.1.2 低气压均匀电场下巴申定律低气压均匀电场下巴申定律均匀电场中几种气体击穿电压均匀电场中几种气体击穿电压Ub与与pd的关系的关系巴申定律：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（亦即的关系曲线（亦即Ub与的关系曲线）与的关系曲线）d（1）击穿电压不仅）击穿电压不仅由间隙距离由间隙距离d决定，决定，而且也是而且也是pd的函数；的函数；（）击穿电压不（）击穿电压不是是pd的单调函数，的单调函数，而是而是U曲线，存在曲线，存在击穿电压的极小值；击穿电

27、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；48)()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，均匀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。3.1.2 低气压均匀电场下巴申定律低气压均匀电场下巴申定律1lndexp()BAE击穿电压击穿电压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493.1.2 低气压均匀电场下巴申定律低气压均匀电场下巴申定律巴申定

28、律汤逊理论503.1.2 低气压均匀电场下巴申定律低气压均匀电场下巴申定律巴申曲线的右半支：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)/(巴申曲线的左半支巴申曲线的左半支bpUd电离概率电子自由行程碰撞次数一定513.1.2低气压均匀电场下巴申定律低气压均匀电场下巴申定律 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，工程高气压、高真空都可以提高击穿电压，工程上已得到广泛应用（如：压缩空气开关

29、、真上已得到广泛应用（如：压缩空气开关、真空开关等）空开关等）52汤逊理论的适用范围汤逊理论的适用范围 汤逊理论是在汤逊理论是在均匀电场、低气压、短间隙均匀电场、低气压、短间隙（pd较小）条件下建较小）条件下建立起来的。立起来的。 当电场均匀，但当电场均匀，但pd过大时（气压高、距离大）的放电，用汤逊过大时（气压高、距离大）的放电，用汤逊理论无法解释以下现象：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pd26.66kP

30、a cm533.2 大气压均匀电场下的流注理论大气压均匀电场下的流注理论54 气体放电流注理论仍以电子的碰撞电离过气体放电流注理论仍以电子的碰撞电离过程为基础，它考虑了大气压、长气隙情况下程为基础，它考虑了大气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下两方面要有以下两方面: 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 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55电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变；生了电场畸变；在电场很小的

31、区域，电子和离子浓度最大，有在电场很小的区域，电子和离子浓度最大，有利于完成复合；利于完成复合；强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离辐射源。间光电离辐射源。（一）空间电荷作用（一）空间电荷作用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56汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象，而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。这一因素在大气压、长气隙的击穿过程中起着重要的作用。考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙

32、空间各处发射光子而引起光电离。光子而引起光电离。（二）空间光电离的作用（二）空间光电离的作用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573.2 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 起始电子发生碰撞电离形起始电子发生碰撞电离形成成初始电子崩初始电子崩； 初崩发展到阳极，正离子初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，作为空间电荷畸变原电场，在电场削弱的区域复合增在电场削弱的区域复合增加，放射出大量加，放射出大量光子光子； 光电离产生光电子，在加光电离产生光电子，在加强的局部电场（强的局部电场（正离子与正离子与阴极间电场）阴极间电场）作用下形成作用下形成二

33、次崩二次崩；（三）流注的形成和发展示意图（三）流注的形成和发展示意图583.2 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d)二次崩电子与正空间电荷二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端汇合成流注通道，其端部又有二次崩留下的正部又有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产电荷，加强局部电场产生生新电子崩新电子崩使其发展；使其发展；e) 流注头部前方电场很强，流注头部前方电场很强，电离迅速发展，放射出电离迅速发展，放射出大量光子，继续引起空大量光子，继续引起空间光电离，于是流注前间光电离，于是流注前方出现新的二次崩，方出现新的二次崩，延延长流注通道长流注通道；f)流注通道贯通，气隙流注通

34、道贯通，气隙击穿击穿新电子崩不断产生的电子形新电子崩不断产生的电子形成负离子与原始电子崩的正成负离子与原始电子崩的正离子互相渗透，形成正负离离子互相渗透，形成正负离子混合的等离子体通道子混合的等离子体通道-流注。流注。593.2 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 初始电子崩（电子崩头部电子数达到一定数量）初始电子崩（电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，释放出的电子称为光电子；光电离，释放出的电子称为光电子；崩头处光电子处在了被加强了的电场附近，会迅速

35、产生新的碰撞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；电离；二次电子崩；二次电子崩；（二次电子崩电子跑到初崩正空间电荷区域）流（二次电子崩电子跑到初崩正空间电荷区域）流注注 。流注发展过程流注发展过程603.2 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（四）流注条件（四）流注条件形成流注的必要条件是：形成流注的必要条件是：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后，电子崩中的空间电荷足以使原电场以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，大大加强电子崩崩头和崩尾处的电场；的电场；电子崩头部附近电荷密度很大，复合频繁，释放出

36、引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发新的空间光电离的辐射源，二次电子崩主要来源于空间光电离空间光电离；气隙中一旦气隙中一旦形成流注形成流注，放电就可由空间光电离自行维，放电就可由空间光电离自行维持。持。613.2 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de常数流注自持放电条件：流注自持放电条件：201lnd或或810de标准大气条件下，初崩头部电子数要达到标准大气条件下，初崩头部电子数要达到108时，出现流注，时，出现流注，放电才能转为自持。放电才能转为自持。1de也可写为：也可写为：注意：此处的注意：此处的区别于区别于

37、汤逊理论中汤逊理论中62流注理论对放电现象的解释流注理论对放电现象的解释p放电时间放电时间二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播，所以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。流注发展非常快。p放电外形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能均匀，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。而且具有分支。p阴极材料阴极材料大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光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。电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。63小小 结结汤逊理论

38、适用于汤逊理论适用于 均匀电场、低气压、短间隙（均匀电场、低气压、短间隙（pd值较小值较小）气体的击）气体的击穿；穿；流注理论适用于流注理论适用于 均匀电场、大气压、长空气间隙（均匀电场、大气压、长空气间隙（pd值较大值较大）气体）气体的击穿。的击穿。 以以pd=26.66kPacm作为分界参考；作为分界参考；64小小 结结(1)汤逊理论汤逊理论的基本观点：的基本观点： 电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。(2)流注理论流注理论的基本观点：的基本观点：以汤逊理

39、论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电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，着重于用气体空间光电离来解释气场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程；体放电通道的发展过程；放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，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当初始电子崩中离子数达108以上时，引起空间光电以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注；离质变，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。65小小 结结引起气体放电的外部原因有两个，其一是电场作用，其二是外电离因素。引起气体放电的外部原因有

40、两个，其一是电场作用，其二是外电离因素。 把去掉外界因素作用后，放电立即停止的放电形式称为非自持放电；把把去掉外界因素作用后，放电立即停止的放电形式称为非自持放电；把由电场作用就能维持的放电称为自持放电。由电场作用就能维持的放电称为自持放电。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)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) 系数的物理意义不同。系数的物理意义不同。66本本 节节 重重 点点汤逊放电理论和流注理论的使用范围；汤逊放电理论和流注理论的使用范围；汤逊放电

41、描述的电子崩发展过程；汤逊放电描述的电子崩发展过程；电子碰撞游离系数电子碰撞游离系数；汤逊理论的自持放电条件及其物理解释；汤逊理论的自持放电条件及其物理解释；巴申定律及其在实际中的应用；巴申定律及其在实际中的应用；流注理论与汤逊理论在考虑放电发展因素流注理论与汤逊理论在考虑放电发展因素上的不同；上的不同；流注及其放电的发展过程；流注及其放电的发展过程；流注及自持放电的形成条件。流注及自持放电的形成条件。674 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684 不均匀电场长空气间隙的放电不均匀电场长空气间隙的放电 电力系统中大多数的带电设备都处在长间隙不均匀电场中，电力系统中大多数的带

42、电设备都处在长间隙不均匀电场中，如，变压器高压套管引出线对低压套管及壳；高压输电线如，变压器高压套管引出线对低压套管及壳；高压输电线对地；实验室的试验变压器高压端对墙等。那么，关于长对地；实验室的试验变压器高压端对墙等。那么，关于长间隙不均匀电场气体放电的物理过程又是如何发展的呢？间隙不均匀电场气体放电的物理过程又是如何发展的呢？ 均匀电场均匀电场：两个电极的面积远远大于两电极间的距离，这：两个电极的面积远远大于两电极间的距离，这两个电极间的电场称为均匀电场。如平板电极；两个电极间的电场称为均匀电场。如平板电极； 不均匀电场不均匀电场：两电极的曲率半径小于两电极间的距离时，：两电极的曲率半径小

43、于两电极间的距离时，两电极间的电场就是不均匀电场。如棒两电极间的电场就是不均匀电场。如棒-棒、棒棒、棒-板；板； 当棒电极的曲率半径远小于棒当棒电极的曲率半径远小于棒-板电极间的距离时，其间板电极间的距离时，其间电场就是电场就是极不均匀电场极不均匀电场。694 不均匀电场长空气间隙的放电不均匀电场长空气间隙的放电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704.1 电场不均匀程度的划分电场不均匀程度的划分球隙的放电特性与极间距离的关系球隙的放电特性与极间距离的关系1-击穿电压击穿电压 2-电晕起始电压电晕起始电压 3-放电不稳定区放电不稳定区7

44、14.1 电场不均匀程度的划分电场不均匀程度的划分 电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压之间的差别越大电压之间的差别越大 从放电观点看：电场的不均匀程度可从放电观点看：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以根据是否存在稳定的电晕放电来区分；分；均匀电场是一种少有的特例，在实际均匀电场是一种少有的特例，在实际电力设施中常见的却是不均匀电场。电力设施中常见的却是不均匀电场。724.1 电场不均匀程度的划分电场不均匀程度的划分为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引为了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入一个电场不均匀系数f，表示为：，

45、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。 734.1 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744.2 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相似，属稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场相似，属于流注击穿，击穿条件就是自持放电条件，无电于流注击穿，击穿条件就是自持放电条件，无电晕产生。晕产生。 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

46、函数，因此自持放电条件为。201ln)(0ddxx754.1 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764.3 极不均匀电场中的击穿过程极不均匀电场中的击穿过程4.3.1 电晕放电电晕放电4.3.2 极性效应极性效应4.3.3 长间隙放电长间隙放电过程过程774.3.1 电晕放电电晕放电 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：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放电条件，放电仅局限在大曲率电极周围很小范围内，备自持放电条件，放电仅局限在大曲率电极周围很小范围内，而整个气隙尚未击穿。而整个气隙尚未击穿。 电晕放

47、电也就是局部流注。电晕放电也就是局部流注。 特点特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。始电压低于击穿电压，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，流电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，流传最广的是传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：784.3.1 电晕放电电晕放电不利的影响不利的影响： 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。会消耗一定的能量。

48、电晕损耗电晕损耗是超高压输电线路设计时必须是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。考虑的因素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。 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，从而对无线电和电视广播成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生产生干扰。干扰。 电晕放电还会产生可闻电晕放电还会产生可闻噪声噪声，并有可能超出环境保护所容，并有可能超出环境保护所容许的标准。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794.3

49、.1 电晕放电电晕放电有利有利： 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幅值和其幅值和降降低低其波前陡度。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、臭氧发生器等工业设电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。施中得到广泛应用。 804.3.2 极性效应极性效应 在极不均匀电场中，放电一定从曲率半在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。但放电的极性无关。但放电的发展过程发

50、展过程、气隙的、气隙的电气强度电气强度、放电电压放电电压等都与该电极的极等都与该电极的极性有密切的关系。性有密切的关系。极不均匀电场中的放极不均匀电场中的放电存在着明显的电存在着明显的极性效应。极性效应。 814.3.2 极性效应极性效应 决定极性要看表面电场较强的那个决定极性要看表面电场较强的那个电极电极所所具有的具有的电位符号电位符号： 在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如半径较小的那个电极的电位符号，如“棒棒-板板”气隙。气隙。 在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的

51、那个电极上的电位，如地的那个电极上的电位，如“棒棒-棒棒”气隙。气隙。824.3.2 极性效应极性效应下面以典型的极不均匀电场下面以典型的极不均匀电场-“棒棒-板板”气隙为例，气隙为例，从从流注流注的概念出发，说明放电的：的概念出发，说明放电的： 发展过程发展过程极性效应极性效应 834.3.2 极性效应极性效应（一）正极性（一）正极性 如图所示，棒极带正如图所示，棒极带正电位时，电子崩头部电位时，电子崩头部的电子到达棒极后即的电子到达棒极后即将被中和，棒极附近将被中和，棒极附近强场区内的电晕放电强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留将在棒极附近空间留下许多下许多正离子正离子。844.3.2 极

52、性效应极性效应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。854.3.2 极性效应极性效应这些正空间电荷削弱了这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，棒极附近的电场强度，而加强了正离子群外部而加强了正离子群外部空间的电场，因此当电空间的电场，因此当电压进一步提高，随着电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场晕放电区的扩展，强场区亦将逐渐向板极方向区亦将逐渐向板极方向推进，因而推进，因而放电的发展放电的发展是顺利的。是顺利的。864.3.2 极性效应极性效应（二）负极性（二）负极性如如(a)所示：棒极负极性所示：棒极负极性时，电子崩将

53、由棒极表时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头面出发向外发展，崩头的电子在离开强场（电的电子在离开强场（电晕）区后，虽不能再引晕）区后，虽不能再引起碰撞电离，但仍继续起碰撞电离，但仍继续往板极运动。往板极运动。874.3.2 极性效应极性效应在图在图(b)中：留在棒极附中：留在棒极附近的也是大批正离子，这近的也是大批正离子，这时它们将加强棒极表面附时它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间近的电场而削弱外围空间的电场，电场情况如图的电场，电场情况如图(c)所示。所示。 884.3.2 极性效应极性效应所以，当电压进一步提高所以，当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，时，电晕区不易向外扩展

54、，整个气隙击穿将是不顺利整个气隙击穿将是不顺利的，因而的，因而这时气隙的击穿这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多电压要比正极性时高得多，完成击穿过程所需的时间完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多。也要比正极性时长得多。894.3.2 极性效应极性效应非自持放电阶段非自持放电阶段 正极性正极性：正空间电荷削弱棒极附近场强而加强外部电场，阻：正空间电荷削弱棒极附近场强而加强外部电场，阻止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高；止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高； 负极性负极性：正空间电荷加强棒极附近场强而削弱外部电场，促：正空间电荷加强棒极附近场强而削弱外部电场，促进棒极附近流注形成使电晕起始

55、电压降低。进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低。)()(ccUU904.3.2 极性效应极性效应自持放电阶段自持放电阶段 正极性正极性：空间电荷加强放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高：空间电荷加强放电区外部空间的电场，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：空间电荷削弱放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高：空间电荷削弱放电区外部空间的电场，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很多，完成击穿所需时间也长得

56、多。正极性高很多，完成击穿所需时间也长得多。)()(bbUU914.3.2 极性效应极性效应 工程实际中，输电线路外绝缘和高压电器工程实际中，输电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交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；流电压下的击穿都发生在正半波；924.3.3 长间隙放电长间隙放电934.3.3 长间隙放电长间隙放电 先导放电先导放电 特点：电子通过通道根部时由于剧烈的摩擦产特点：电子通过通道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

57、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944.3.3 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。 95稍不均匀电场和极不均匀电场的划分及其典型的稍不均匀电场和极不均匀电场的划分及其典型的电场形式；电场形式；稍不均匀电场和极不均匀电场的

58、放电特征；稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征；电晕放电的概念和导线起晕场强的计算；电晕放电的概念和导线起晕场强的计算；极不均匀电场中的放电发展过程；极不均匀电场中的放电发展过程；极性定义和极性效应。极性定义和极性效应。本本 节节 重重 点点965 冲击电压下气隙的击穿特性冲击电压下气隙的击穿特性975 冲击电压下气隙的击穿特性冲击电压下气隙的击穿特性5.1 雷电冲击电压下的击穿雷电冲击电压下的击穿5.2 操作冲击电压下的击穿操作冲击电压下的击穿985.1 雷电冲击电压下的击穿雷电冲击电压下的击穿5.1.1 雷电冲击电压标准波形雷电冲击电压标准波形5.1.2 冲击放电时延冲击放电时延5.1.3

59、 伏秒特性伏秒特性995.1.1 雷电冲击电压标准波形雷电冲击电压标准波形标准雷电冲击电压波：标准雷电冲击电压波：雷电冲击电压波形的标准化雷电冲击电压波形的标准化1005.1.1 雷电冲击电压标准波形雷电冲击电压标准波形1015.1.1 雷电冲击电压标准波形雷电冲击电压标准波形标准雷电截波：标准雷电截波：用来模拟雷电过电压引用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪起气隙击穿或外绝缘闪络后所出现的截尾冲击络后所出现的截尾冲击波，如图所示。波，如图所示。 1025.1.2 冲击放电时延冲击放电时延放电时间放电时间 完成气隙击穿的三个必备条件：完成气隙击穿的三个必备条件： 足够大的电场强度或足够高足

60、够大的电场强度或足够高的的电压电压 在气隙中存在能引起在气隙中存在能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有效电子电子 需要有一定的需要有一定的时间时间，让放电，让放电得以逐步发展并完成击穿。得以逐步发展并完成击穿。1035.1.2 冲击放电时延冲击放电时延即是说：在冲击电压作用下气隙的放电电压即是说：在冲击电压作用下气隙的放电电压Uf是是间隙距离和电压作用时间的函数：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波作用电压的大小，同时，还要