高电压技术概述及气体的绝缘强度概要课件

刘渝根高电压工程刘渝根高电压工程为什么要学习高电压工程？涉及（学习、掌握）哪些内容？高电压工程与电气工程其它专业的关系？如何学好本课？为什么要学习高电压工程？绪论电压等级

/kV10501102202873805257351150首次出现年份189019071912192619361952195919651985

线路的传输容量P=U2/ZU：电压Z：线路波阻抗电力系统：发电厂（火力、水力、核能、风力、地热、太阳能、潮汐能发电）－变电站（升压）－输电线路－变电站（降压）－配电网－用户交流输电各电压等级首次出现的时间绪论电压等级1050110220287380交流输电各电压等级的波阻抗与传输容量U(kV)22033050075010002000Z(Ω)400303278256250250P(MW)1213609002200400016000

当从发电中心远离用电中心时，高压输电时不可避免的。巨型水电站、巨型坑口电站、核电站都远离负荷中心。我国能源主要分布在西部（黄河、长江、珠江水系，山西、内蒙、四川、云贵）地区，而用电大户是江浙、上海、广东等东部地区。所以不可避免要采用超高压远距离大容量输电。交流输电线路100kV大约传输100km交流输电各电压等级的波阻抗与传输容量U(kV)2203305

交流输电：我国220kV及以下称为高压，330－500kV称为超高压，1000kV及以上称为特高压超电压电网：我国西北地区为330kV，现750kV电网已投运，其它地区500kV，并开始设计1000kV特高压电网直流输电（几乎没有距离限制、采用电缆可在水下、地下输电）我国围绕三峡工程已建成数条500kV直流线路，现开始建设800kV直流线路。交流输电：我国220kV及以下称为高压，330－50中国电力工业的现状与展望发电量：41413亿度(2010年全国总量)装机容量：96219万kW(截止2010年底，其中火电70663万千瓦，占73.4%；水电21340万千瓦，占22.2%；风电3107万千瓦；核电1082万千瓦

)电压等级：

交流：

1000kV/(750kV)500kV/(330kV)220kV/110kV/(66kV)35kV/10kV

直流：±500kV/±660kV(在建，宁东至山东直流

)/±800kV

全国220千伏及以上输电线路回路长度达到44.27万千米，220千伏及以上变电设备容量达到19.74亿千伏安中国电力工业的现状与展望发电量：41413亿度(2010年国家中长期科技发展规划能源科技发展思路：把节约能源放在首位，促进节能型社会的建立；以煤炭为主体，以电力为中心，加快发展水电、核电，保障油气安全；坚持远近结合，积极推进可再生能源和新能源的发展。电力工业发展方针提高能源效率，保护生态环境，加强电网建设，大力发展水电，优化发展煤电，推进核电建设，稳定发展天然气发电，加快新能源发电，促进装备工业发展，深化体制改革。国家中长期科技发展规划能源科技发展思路：电力工业发展方针输煤还是输电商品运行的一般环节：生产、流通、消费。“电”是一特殊的商品：不可储存！电力系统的许多特点由此决定。我国电力资源的分布：西部。电力负荷中心：中东部。能源的输送方式：输电、输煤输煤还是输电商品运行的一般环节：生产、流通、消费。“电”是一发展大煤电、大水电、大核电和特高压交直流输电，实行输电输煤并举，优先发展输电是我国优化能源输送方式的战略选择。为什么要建设特高压电网？长期以来，我国电力发展的主要方式是以就地平衡为主。这种发展方式带来资源浪费、环境恶化、运输紧张等问题。当前电力发展存在的环境和运输瓶颈等问题，归根结底是电源布置不合理造成的。发展大煤电、大水电、大核电和特高压交直流输电，实行输电输煤并Ⅰ电力需要大发展缓解能源运输瓶颈

目前我国总发电量已位居世界前列，但人均用电量还远不如世界发达国家。

电能缺口矛盾突出，这必将使我国要加快电力发展的步伐。美国日本英国韩国中国人均生活用电量246kWh1/71/31/41/31/201/61/101/5中国人均占用电量2149kWh2006年统计Ⅰ电力需要大发展缓解能源运输瓶颈目前我国总发电量已“西电东送”三大通道及主干电网示意“西电东送”三大通道及主干电网示意“西电东送”三大通道及主干电网示意“西电东送”三大通道及主干电网示意积极扩大“西电东送”规模－输电北通道：山西、蒙西向京津冀鲁送电，2010年约20GW，2020年约40GW；中通道：三峡及四川水电向华东、华中电网送电，2010年约21GW，2020年45～50GW；南通道：云南、贵州水电及火电向广东、广西送电，2010年约20.8GW，2020年约40GW。研究结果表明：特高压电网具有具有大容量、长距离和低损耗送电特点。加快建设以特高压电网为重点、各级电网协调发展的坚强的国家电网，对解决我国能源发展面临的突出问题，构筑稳定、经济、清洁、安全的能源供应体系具有十分重要的意义。积极扩大“西电东送”规模－输电研究结果表明：特高压电网具有具Ⅱ

解决现有电网问题

虽然全国“西电东送”500kV超高压骨干网架已经形成，但500kV跨区互联电网联系薄弱，输电能力有限，难以满足西部和北部能源基地大规模、远距离电力外送需求；此外，电力密集地区电网短路电流控制困难，长链型电网结构动态稳定问题突出；受端电网存在多直流集中落点必须采用更高一级电压等级的输电技术。Ⅱ解决现有电网问题虽然全国“西电东送”500kV超高发展和建设特高压输电的必要性和紧急性：从现在起到2020年我国需新装机约5亿千瓦，年均超过3000万千瓦，但我国3/4以上可开发水能资源（3.95亿千瓦）分布在川、云、藏，探明的煤炭资源保有储量3/5以上分布在晋、陕、蒙；而全国电力负荷2/3分布在京广线以东地区，能源分布与经济发展极不平衡；虽然全国“西电东送”500kV超高压骨干网架已经形成，但500kV跨区互联电网联系薄弱，输电能力有限，难以满足西部和北部能源基地大规模、远距离电力外送需求，必须采用更高一级电压等级的输电技术。发展和建设特高压输电的必要性和紧急性：从现在起到2020年我2007年，电源结构调整，水电建设步伐加快，三峡电站已有21台机组投产，发电能力达1480万千瓦。龙滩、小湾、构皮滩、瀑布沟、锦屏、拉西瓦、向家坝、溪洛渡等一批大型水电站相继开工建设，其中一些项目的部分工程投产发电；金沙江水电开发全面启动，溪洛渡电站于11月8日实现截流；核电方面，随着田湾核电站两台核电机组投产，全国核电装机容量已达885万千瓦，红沿河核电项目已开始启动；风力发电取得突破性进展，中国国电集团公司、中国大唐集团公司风电装机容量相继超过百万千瓦，内蒙古自治区成为全国首个风电装机容量突破百万千瓦的省份。11月8日，我国第一个海上风电站在渤海油田顺利投产，拉开了我国有效利用海上风能的序幕；一批生物质发电厂建成投产，光伏发电和煤层气开发积极推进。2007年，电源结构调整，水电建设步伐加快，三峡电站已有21

国内外通过对高于500kV的各种电压等级输电方案与现有的500kV交直流系统在技术、经济和环境等方面的比较：1000kV级交流或±800kV直流输电方案的单位输送容量投资为500kV交流或直流的70％左右；一回100万级交流线路输送能力是500kV线路的5倍，一回±800kV直流线路输送能力是±500kV线路的2倍。国内外通过对高于500kV的各种电压等级输电方案

因此，建设交流1000kV级和直流±800kV级特高压输电系统最经济，逐步构建超特高压骨干网架是我国21世纪电网建设的必然选择。特高压骨干网架，对于我国以“西电东送”带动全国联网，实现大区域电网互联，缓解资源瓶颈，提高能源运输效率和电网运行可靠性，以及打破由于区域能源资源分布而使东西部经济发展的不平衡都具有重大而深远的意义。因此，建设交流1000kV级和直流±80输电方式：架空线路：铁塔、导线、绝缘子电缆输电：太贵输电方式：特高压直流输电特高压直流输电中国电网示意图海南电网已并入南方电网。西藏电网2011年实现与西北电网互联。中国电网示意图海南电网已并入南方电网。西藏电网2011年实现

高压、超高压甚至特高压输电就必须涉及到高电压强电场下的特殊问题：高电压绝缘技术绝缘定义：将不同电位的导体分隔开来，使它们能够保持各自的电位。绝缘研究的问题：各类绝缘材料（气、液、固）在电场作用下的电气性能（极化、电导、损耗等），尤其是在强电场中的击穿特性及其规律。以便研究出可靠的绝缘材料、合理的绝缘结构。电气设备绝缘的费用＝f(U3),电压越高绝缘上的投资越大这与经济性密切相关高压、超高压甚至特高压输电就必须涉及到高电压强电场下

电气设备在电网运行时要承受正常运行电压和过电压的作用。正常运行电压：额定电压：Ue(3、6、10、35、110、220、330、500、750kV)---线电压最大正常运行电压：考虑最大调压需要的运行电压。调压系数：1.05-1.15最大正常运行相电压＝（1.05-1.15）Ue/√3过电压：超过正常运行电压可能引起绝缘损坏的电压升高。过电压分类：雷电（大气、外部）过电压内部过电压

电气设备在电网运行时要承受正常运行电压和过电电力系统运行的基本要求：安全可靠、经济短路是电力系统安全运行最大的敌人，电力工作者都要对付这一强大的敌人绝缘损坏是造成短路的最主要原因而绝缘损坏最主要的原因就是:

过电压敌人

我是谁？绝缘

朋友是谁？限制过电压的装置及措施电力系统运行的基本要求：安全可靠、经济敌人我是谁？绝缘

电力系统过电压研究的问题：分布参数线路及绕组中的波过程各种过电压产生的机理、幅值、波形，影响因素及限制措施方法和装置。绝缘配合：根据设备在系统中可能承受的各种电压（工作电压和过电压），并考虑限压装置的特性和设备的绝缘特性来确定必要的耐受强度，以便把作用在设备上的各种电压所引起的绝缘损坏和影响连续运行的概率降低到经济上和运行上能接受的水平。要求：技术上处理好各种电压、各种限压措施和设备绝缘耐受能力三者之间的配合关系，以及经济上协调设备投资费、运行维护费和事故损失费三者之间的关系。绝缘水平：设备可以承受（不发生闪络、放电或其它损坏）的试验电压值。

电力系统过电压研究的问题：

为了对设备的绝缘能力进行考核，需采用试验的方法研究其击穿机理、影响因素以及检测电气设备耐受水平。设备生产厂家和电力运行部门都需按其相应规定的绝缘水平对每台电气设备进行试验。所以要对高压试验技术进行研究。高电压试验技术研究的问题：研究如何产生电网中可能出现的各种形式的高电压（直流、交流、冲击）及其测量方法；如何在不对绝缘有损坏的情况下对绝缘的电气性能（极化、电导、损耗等）进行测量并对绝缘状况进行判断。高电压技术就是由绝缘、试验技术和过电压三部分构成。为了对设备的绝缘能力进行考核，需采用试验的方法研如何学好高电压技术？重视本课涉及专业知识，大家没有什么概念，内容多、新、难！认真听课，做好笔记，课后尽快消化，考前认真总结，积极备考！重视概念重视关系重视试验如何学好高电压技术？重视本课第1章气体的绝缘强度

1.1气体放电的物理过程1.1.1气体中带电质点的产生和消失1.气体放电形式

气体中没有电流流通时为绝缘介质（起绝缘作用）气体中流通电流的各种形式统称为气体放电纯气体间隙的放电：

1.辉光放电（气压低、电源功率小、电流密度小1－5mA/cm2）

2.电晕放电（极不均匀电场中，局部电场最强处）

3.刷状放电（明亮且细断续放电通道，间隙仍未被击穿）

4.火花放电电弧（贯串两极明亮而细断续的放电通道）第1篇高压绝缘与试验第1章气体的绝缘强度1.1气体放电HV辉光HV电晕HV刷状HV火花及电弧HV辉光HV电晕HV刷状HV火花及电弧当u>u0气体介质击穿由于击穿时的条件不同而出现各种放电形式击穿时最低临界电压称为击穿电压当u>u0沿固体介质表面的气体放电称为沿面放电（闪络）闪络时最低临界电压称为闪络电压空气间隙击穿的类型当u>u0气体介质击穿当u>u0沿固体介质表面的气体放电称为2.气体绝缘为自恢复绝缘介质

自恢复绝缘：在绝缘击穿后，当导致击穿的原因消失后，能恢复其原来的绝缘性能的绝缘。如：气体非自恢复绝缘：如：固体自恢复绝缘气体介质：绝缘——带电质点的产生——放电——带电质点的消失—

—绝缘恢复带电质点的产生——游离（空间游离、表面游离)

带电质点的消失——去游离（扩散、复合）2.气体绝缘为自恢复绝缘介质低能级e吸收能量跃迁高能级高能级e放出能量回到低能级

气体原子

e离原子核的半径r不同，电子能量We不同

r越小——低能级

r越大——高能级低能级e吸收能量跃迁高能级气体原子

金属（电极）使金属释放出电子，同样需要外能，此外能称为逸出功一般：逸出功（1－5eV)<游离能(10－15eV)外界因素使原子(e)吸收能量W外原子(e)吸收W外：激励——e由低能级跃迁高能级，这一过程称为激励，激励过程所需能量称为激励能We游离（电离）——当原子吸收的W外足够大时，e就可以脱离原子核的约束而成为自由电子,原子核成为正离子。游离过程所需能量称为游离能WyWe和Wy大小可用eV表示，也可用电位Uy表示

W=e×UyUy

＝W/e金属（电极）外界因素使原子(e)吸收能量W外3.带电质点的产生（1）表面游离（表面发射）－金属电极当金属电极获得外能W外，且>逸出功，就会向气体中发射电子获得逸出功的途径有：

1）热电子发射电极被加热（电子、离子器件中常用，强电场中的电弧放电）

2）场致（冷）发射强电场（106V/cm数量级）

3）二次发射具有一定动能的正离子撞击阴极表面

4）光电发射（效应）电极受到光照3.带电质点的产生（1）表面游离（表面发射）－金属电极（2）空间游离－气体介质中

当气体原子获得外能w外，且W外>游离能，就会产生游离（产生出电子或正离子）获得游离能的途径有：

1）碰撞游离：

在电场作用下：气体中e、正、负离子获得动能气体原子产生游离e（2）空间游离－气体介质中在电场作用下：气体原子产生游离e由于体积Ve<<V离子平均自由行程λe>>λ离子

速度ve>>v离子因此离子碰撞频繁，不易聚集起足够使气体游离所需能量，而电子却能获得较大动能，因此碰撞游离是指e和气体分子原子碰撞产生的游离。这是带电质点数目增加的重要原因由于体积Ve<<V离子平均自由行程λe>>2）光游离：当气体分子（原子）受光辐射获得W>Wy时会产生光游离，产生的电子称为光电子光具有粒子、波动二重性即光波具有能量

W=hf=hc/λ(h普朗克常数、c光速、f光波频率、λ光波波长）λ越小，W越大光子引起光游离的临界波长——即最大波长为

各种气体及金属蒸汽体中铯蒸汽Vymin=3.88V∴λmax=3196(A0)相当于紫外线范围只有λ<λmax的光才能产生光游离而可见光波长4000－7700(A0)，因此不能产生光游离。

x、α

、β、γ和宇宙射线比紫外线更短，可产生光游离且较强

2）光游离：当气体分子（原子）受光辐射获得W>Wy时会产生3）热游离：气体在热状态下产生的游离，即W外来源于气体分子本身的热能实际上热游离包括碰撞游离和光游离

前面三种游离本质上讲都是碰撞交换能量使其游离其区别在于①什么与什么的碰撞碰撞游离：光游离：热游离：e光子和中性分子、原子原子或分子间光子和中性分子间②能量来源不同：电场能量光能热能3）热游离：气体在热状态下产生的游离，即W外来源于气体分4.带电质点的消失——去游离1）带电质点受电场力的作用流入电极2）扩散：由热运动引起高浓度扩散到低浓度3）复合：e＋⊕

结合相对速度较大不易结合

是主要的∵质量速度相近复合时以光子形式释放能量复合强弱取决于负离子产生的多少

＋⊕4.带电质点的消失——去游离1）带电质点受电场力的作用流入电1.1.2汤逊理论（电子崩理论）和巴申定律一.两个重要试验1.巴申试验（1889年）平板电极S不大均匀电场气隙中各处电场强度相等1.1.2汤逊理论（电子崩理论）和巴申定律一.两个重要试经大量试验：P(δ)S得出击穿电压Ub=f(PS)=f(δS)U型曲线：从试验中总结出来的规律

巴申定律经大量试验：P(δ)S得出击穿电压Ub=f(PS)=f(δS2.汤逊试验（1903年）得出在直流电压下均匀电场中气隙电流和电压间的关系或电流密度和场强的关系2.汤逊试验（1903年）得出在直流电压下均匀电场中气隙电流1.意义：不仅解释了U-I曲线，并在一系列假设前提下，定量推导了Ub=f(PS），给巴申定律以理论上的论证，反过来巴申定律也给汤逊理论以实验结果的支持。汤逊根据均匀电场、低气压条件下的试验研究结果，提出了比较系统的理论和计算公式，解释了气体放电的整个发展过程和击穿条件。虽然有很大的局限性，但对气体放电的研究奠定了基础。二.汤逊理论（电子崩理论）

为了解释上面两个试验结果，汤逊于1903年提出气体击穿机理，1910年提出气体击穿的判据。1.意义：二.汤逊理论（电子崩理论）为了解释

oa段:由于外界催离素（游离因素、电离因素）宇宙射线地层发射性物质的放射线太阳光中的紫外线作用游离去游离气体中保持平衡在标准状态下3×1019个分子/cm3空气中约500－1000对离子（）当UV带电质点I即单位时间内跑到电极的带电质点数2.对U-I曲线的解释oa段:由于外界催离素（游离因素、电离因素）宇宙射线作用游ab段：UI不变呈饱和状态即电场已足够将单位时间内产生的离子运到电极，故I仅取决于外界催离素，与U无关了。饱和电流密度数值极小10－19A/cm2数量级，一般表测不出来，认为是绝缘状态。bc段:U>Ub后UI为什么？必然出现新的游离因素汤逊解释为碰撞游离自由电子e将按几何级数迅猛增加，如雪崩一样发展。这个不断增加的电子流被形象地称为电子崩。此阶段称为汤逊放电阶段。但I仍很小且为无光放电气体仍为绝缘体ab段：UI不变呈饱和状态即电场已足够将单位时间内产生的离c点以前的放电为非自持放电c点以后的放电为自持放电根据间隙P气压W电源功率电场形状电场均匀程度不同辉光放电（P低，W小）火花或电弧放电（主要靠热游离维持）电晕放电（极不均匀电场）出现c点以前的放电为非自持放电c点以后的放电为自持放电根据间隙P非自持放电：如果放电是由电场外界催离素联合作用引起的放电当外界催离素取消，则放电随即停止如用铅壳将间隙密封起来实验证明自持放电：如果放电仅由电场维持而与外界催离素无关用铅壳将间隙密封起来放电仍能继续Uc=U0由非自持放电转为自持放电的电压称为起始放电电压U0对均匀电场U0=Ub对不均匀电场U0<UbUb气隙击穿电压非自持放电：电场联合作用引起的放电当外界催离素取消，则放电随3.电子崩发展的规律和自持放电的条件为了分析引入

α——电子空间碰撞游离系数定义：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）因此强电场中出现的电子崩过程——也称为α过程γ——正离子的表面游离系数定义：表示一个正离子碰撞阴极表面时使阴极逸出的自由电子数（平均值）3.电子崩发展的规律和自持放电的条件为了分析引入定义：表①电子崩发展规律N0个原始电子（外界催离素产生）从阴极出发,距阴极x处已有电子数n,dx微段内产生电子数为dn,dn=nαdxN0个电子发展电子崩经S而进入阳极的电子数NP一定均匀电场α＝常数N0=1N1=eαS这就是电子崩发展规律：即一个电子从阴极出发到阳极由于碰撞游离变成eαS个电子即按指数规律增加电子数①电子崩发展规律N0个原始电子（外界催离素产生）从阴极出发,②自持放电条件到达阳极的电子数碰撞游离中产生的正离子数要能自持，必须始终保持有N0个e不断从阴极出发，N0个e从何而来？现不能由外界催离素产生，靠什么？

γN=N0金属表面（游离）发射N=N0(eαS-1)=γN(eαS-1)∴自持放电条件：γ(eαS-1)≥1或γeαS≥1eαS>>1即一个e经过s后由于碰撞游离所产生的返回阴极时至少能打出一个e，则放电就能自持，而与外界催离素无关。⊕⊕⊕⊕②自持放电条件到达阳极的电子数碰撞游离中产生的正离子数要能自4.用汤逊理论解释巴申定律

根据汤逊的自持放电条件可以导出

γ（eαs-1)=1α=APe-BP/EoEo=Ub/S

变换得ln(1/γ+1)=αS=APSe-BPS/EoS=APSe-BPS/Ub

∴U0=Ub==f(PS)∵γ在式中需取二次对数，因此Ub对γ不敏感可视为常数当P、S改变时，考虑e穿越间隙时碰撞游离效率的不同即可解释巴申实验的U型曲线4.用汤逊理论解释巴申定律∴U0=Ub=5.汤逊放电理论的适用范围：

汤逊放电理论是建立在均匀电场低气压下为条件的放电实验基础上的基本论点：依靠α、γ过程来维持自持放电可以解释：①巴申定律②低气压下的辉光放电整个间隙放电阴极材料对击穿过程有一定影响5.汤逊放电理论的适用范围：可以解释：①巴申定律整个间隙放电

但由于存在不可克服的缺陷：①没有考虑空间电荷的存在对电场的畸变②没有考虑光游离效应因此只适用于均匀电场中一定PS范围值，通常认为在空气中PS<200(cm·133Pa)内，且PS极小如真空间隙就不符合。主要有三个问题：①发展时间－计算时间与实际时间相差10-100倍以上②在大气压的空气中，Ub与阴极材料物质没有多大关系，如选同一γ值的材料，计算的Ub与测试Ub相差甚大③在大气压的空气中放电形式是分支槽道式放电，不是充满间隙的辉光放电

因此电子崩理论，适用与均匀电场中PS较小的气隙的击穿过程，且认为空间碰撞游离（α过程）和⊕引起的表面游离（γ过程）是形成自持放电的主要原因因此电子崩理论，适用与均匀1.1.3流注理论

工程上更感兴趣的是大气压下空气中的放电

1939年米克、雷泽等人在雾室里对放电过程中带电粒子的运动轨迹拍照进行研究，于1940年发表了流注理论——适合于PS较大的气隙的击穿过程建立的基础：是在电子崩理论基础上经大量实验，为补充和发展电子崩理论而提出的特点：强调空间电荷畸变电场的作用及空间光游离效应，认为碰撞游离和光游离是形成自持放电的主要因素

1.1.3流注理论一.空间电荷的形成和它对电场的畸变——圆锥体崩头大，集中e阴极附近的电子在电场作用下向阳极运动中不断发生碰撞游离，形成电子崩e比⊕迁移速度大两个数量级按指数↑（60％e是在最后1mm内形成的）一.空间电荷的形成和它对电场的畸变——圆锥体崩头大，集当光子能量hv≧游离能发生光游离产生光电子在强E下产生二次崩新崩子崩衍生崩当αs≧20即N⊕≧108的粒子浓度时复合发射出的光子能量就能产生光游离（e与中性质点结合成的负离子与正离子产生复合）崩中部弱电场带电粒子浓度最大给复合创造了良好条件放射出大量光子崩头前面E最强——产生强烈的游离过程，并伴随强烈的激励和反激励过程。反激励——放射出大量光子当光子能量hv≧游离能发生光游离产生光电子在强E下产生二次崩二.阳（正）流注的发展过程当U外施＝Ubmin时当初崩接近阳极时N+>108开始光游离产生光电子光电子产生新崩，新崩头e受初崩吸引向初崩发展汇合到初崩中，由于E变弱变成负离子Θ形成正负离子混合通道（流注）并由于相互吸引使通道变细流注导电好E柱=5kV/cmE0=30kV/cm流注发展速度较快（1-2）×108cm/s电子崩为1.25×107cm/s二.阳（正）流注的发展过程当U外施＝Ubmin时当初崩接近阳视电源容量火花放电电弧放电间隙击穿完成当流注接近阴极时，由于E特别强游离很强烈大量e流过流注通道流入阳极流注：正负离子的混合质通道流注阶段：由于电子崩自身的辐射而产生光游离和新崩，新崩不断地产生和汇入初崩，形成高导电的正负离子混合质通道的放电阶段。

视电源容量火花放电电弧放电间隙击穿完成当流注接近阴极时，由于光电子新崩形成流注一旦形成流注就转为自持放电导致间隙击穿流注形成的条件就是流注理论的自持放电条件一般认为αs≌20（或eαs=108）即N+>108时就能发生光游离光电子新崩形成流注一旦形成流注就转为自持放电导致间隙击穿流注三.阴（负）流注的发展过程当U外施＝Ubmin时，初崩发展到接近阳极时开始光游离，流注从阳极（正极）产生向阴极发展当U外施>Ub由于E很强，不需初崩经过整个间隙其头部已聚集到足够的空间电荷来产生流注了，则流注由阴极产生向阳极发展，故称为阴极流注（负流注）由于阴极流注在发展过程中电子的运动受到电子崩留下的正电荷的牵制，故发展速度较正流注小，一般为0.7－0.8×108cm/s(比正流注慢）同样：流注贯串整个间隙时，间隙就击穿了三.阴（负）流注的发展过程当U外施＝Ubmin时，初崩发展到1.1.4不均匀电场中的放电过程不均匀系数Ke=Emax/Eav

表示电场不均匀程度E=U/SKe<2稍不均匀电场Ke>4极不均匀电场击穿过程与均匀场相似最大特点击穿前出现稳定的电晕放电有显著的极性效应实际工程中较少存在均匀形式电场而多为稍不均匀甚至极不均匀电场1.1.4不均匀电场中的放电过程不均匀系数Ke=Emax一.电晕放电条件：极不均匀电场中电极曲率半径小电极间距离大特点：间隙局部击穿，大部分尚未丧失绝缘性能，间隙仍能耐受电压作用，放电电流小，紫色晕光，吱吱放电声

电晕起始电压U0<间隙击穿电压Ub一.电晕放电条件：极不均匀电场中电极曲率半径小电极间距离大特危害：1.无线电干扰：电晕电流为高频脉冲电流，辐射出高频电磁波造成通讯干扰

2.噪声

3.腐蚀作用：放电时产生O3(强氧化剂）、NO、NO2…使H2和N2混合形成NH3（氨气），NO和NO2与空气中水分子合成HNO3－强腐蚀剂∴电晕会腐蚀金属，促使有机绝缘材料老化

4.电晕损耗：强烈游离伴随复合、反游离，使放电过程中产生光、声、热、化学反应等效应均引起能量损耗（资料表明－输电线路平均电晕损耗仅比电阻损耗小一个数量级，最大电晕损耗可达同一数量级或更高）因此电晕在高压特别使超高压、特高压中要严加限制我国设计要求：220kV及以下输电线路要求在恶劣天气下也无可见电晕,500kV输电线路要求在好天气下夜间无可见电晕

危害：1.无线电干扰：电晕电流为高频脉冲电流，辐射出高频电磁电晕的利用：

在限制过电压时利用冲击电晕来降低冲击电压幅值及陡度

改善电场分布——提高Ub

除尘、电晕合成、电晕漂白等

书上p13给出了直流和交流电压各种情况下电晕起晕场强、电晕损耗的计算公式电晕的利用：书上p13给出了直流和交流电压各种情况下电晕起晕极不均匀电场的针、棒、尖电极附近稳定的电晕放电产生空间电荷的积累增大对Ub的影响二.极性效应1.非自持放电阶段空间电荷的形成空间电荷对外加E外的影响电晕起始电压极不均匀电场的针、棒、尖电极附近稳定的电晕放电产生空间电荷的电场畸变使针附近电离减弱难于形成流注电场畸变使针附近电离增强易于形成流注即易于转入自持放电（电晕放电）即难于形成自持放电（电晕放电）>∴U0U0电晕起始电压电场畸变使针附近电离减弱难于形成流注电场畸变使针易于形成流注2.空间电荷对流注发展的影响U=U0针附近空间电荷密度辐射出大量光子光电子新崩新崩汇入初崩形成流注转入自持放电(电晕放电)2.空间电荷对流注发展的影响U=U0针附近空间电荷密度辐射出前方空间为正离子E前方如像将正针向前延伸因此流注发展时连续的发展速度很快易引起间隙击穿针附近强烈游离产生太多电子崩出现扩散状分布的等离子流注变得短、粗如针r改善了电场分布使流注向前发展受到抑制等待e变成负离子扩散后增大E前方再发展因此出现阶段性向前发展击穿电压<∴UbUb前方空间E前方如像将正针向前延伸因此流注发展时连续的发展速度因此在极不均匀电场中：短间隙放电过程为：电子崩——流注——主放电三个阶段长间隙（>1m)放电过程为：电子崩——流注——先导——主放电四个阶段雷闪放电就是典型的长间隙放电——几百－几千m的空气间隙被击穿这是因为间隙长，流注未到达对方电极温度就很高——出现热游离——变为先导——贯串间隙——主放电先导放电通道－具有热游离的放电通道－高电导的等离子体通道－端部有高的场强，易形成新的流注

因此在极不均匀电场中：

主放电－先导发展到接近对方电极后，剩余小间隙会有十分强烈的放电过程，这一过程沿着先导通道以一定速度向其反方向扩展到电极，同时中和先导通道中多余的空间电荷

主放电使贯串两极间的通道最终成为温度很高的、电导很大的、轴心场强很小的等离子体火花通道（若电源功率足够，则转为电弧放电），从而使间隙完全失去绝缘性能，气隙击穿完成。主放电阶段的放电速度很快，可达109cm/s。主放电－先导发展到接近对方电极后，剩余小间隙会有一、电压波形我国标准波形与IEC规定的标准波形一致

不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压不同。为了便于比较因此需统一波形。1.直流电压直流都是利用交流电压整流而来，故对其脉动系数要求不大于3％2.工频交流电压应近似正弦波，峰值与均方根值（有效值）之比应小于，频率在45－65Hz范围3.雷电冲击电压4.操作冲击电压1.1.5冲击电压下气体间隙的击穿特性一、电压波形1.1.5冲击电压下气体间隙的击穿特性T1－波前时间（波头时间）=1.2±30%μsT2－半峰值时间（波长时间）=50±20%μs可表示为1.2/50μsTc－截断时间=2～5μs标准雷电冲击电压全波截波波形T1－波前时间（波头时间）=1.2±30%μs操作冲击电压标准波形T1－波前时间（波头时间）=250±20%μsT2－半峰值时间（波长时间）=2500±20%μs可表示为250/2500μs操作冲击电压标准波形T1－波前时间（波头时间）=250±20二、放电时延

每个间隙都有它的静态击穿电压，即长时间作用在气隙上能使气隙击穿的最低电压，但如果所加电压瞬时值是变化的，或所加电压持续时间很短时，则气隙的击穿电压一般高于静态击穿电压实验证明：U冲击b>U直流b

U交流b为什么？∵间隙击穿放电的发展过程不仅需要足够高的U还需要一定的作用时间二、放电时延每个间隙都有它的静态击穿td－击穿时间td=t0+ts+tft0－升压时间（电压从0升到静态击穿电压U0的时间）U0－静态击穿电压（直流或工频电压作用下的击穿时间）ts－统计时延(从电压达到U0时间起到间隙出现有效电子能引起初崩到导致击穿的电子的时间）自由电子不一定能形成有效电子tf－放电发展（形成）时延(从第一个有效电子出现时间到间隙完全击穿为止的时间)ts+tf=tl

称为放电时延间隙放电所需时间td－击穿时间td=t0+ts+tf影响平均统计时延ts的因素有：（1）电极材料

材料不同其逸出功不同，逸出功越大平均统计时延ts越大（2）外施电压

外施电压越高，自由电子成为有效电子概率增大，ts减小（3）短波光照射

ts减小（4）电场情况

极不均匀电场气隙中出现有效电子概率增大ts较小影响放电发展时间tf的因素有：（1）间隙长度

间隙越长，tf越大，在总的放电时延中占的比例越大（2）电场均匀程度

不均匀电场气隙中ts<<tf均匀电场气隙中tf<<ts

（3）外施电压

外施电压越高，放电发展越快，tf

就越小影响平均统计时延ts的因素有：三、气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布1.伏秒特性冲击电压作用于气隙击穿取决于两个因素作用U作用时间tdUtdUtd同样击穿因此要表达冲击击穿特性必须用两者来表达工程上用气隙上出现的电压最大值与放电时间的关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性气隙的伏秒特性三、气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布1.伏秒特性冲击电压伏秒特性的制作：波形相同1.2/50μs幅值不同逐级升压同一间隙同一电压作用放电具有一定的分散性

伏秒特性的制作：波形相同1.2/50μs幅值不同逐级升制作u-t(伏秒特性）曲线很费事，特别是非自恢复绝缘的间隙工程上常常采用“50％击穿电压”

“U2μs”2μs冲击击穿电压来表示气隙的耐电性能“50％击穿电压”指在该冲击电压作用下气隙被击穿的概率为一半接近伏秒特性曲线的下边缘“U2μs”

指在该冲击电压作用下发生击穿td大于或小于2μs的概率各为一半制作u-t(伏秒特性）曲线很费事，特别是非自恢复绝缘的间隙工伏秒特性曲线的应用：变电站用避雷器保护电气设备（变压器）时就需对避雷器的伏秒特性和变压器伏秒特性进行合理配合要求避雷器的伏秒特性平、低、分散性小，其放电间隙接近均匀电场伏秒特性曲线的应用：变电站用避雷器

1.2影响气体放电电压的因素

1.2.1－2电场形式及电压波形对放电电压的影响(1)较均匀电场气隙的击穿电压均匀电场和稍不均匀电场:板－板、球－球、球－板、圆柱－板、两同轴圆筒、两平行圆柱、两垂直圆柱间隙1.2影响气体放电电压的因素

1.2.均匀电场：两个电极形状完全相同且对称布置，因而不存在极性效应各处电场强度均相等，击穿所需的时间极短击穿电压的分散性很小（标准偏差σ=1），伏秒特性曲线平缓，冲击系数β＝1直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压实际上都相同

UbDC＝UbAC(幅值）＝U50%Ub∝S均匀电场：对空气的经验公式：当S>1cm时Eb≈30kV/cmkV(幅值)稍不均匀电场与均匀电场相似＝≈对空气的经验公式：kV(幅值)稍不均匀电场与均匀电场相似＝（2）不均匀电场气隙的击穿电压工程实际中所遇电场多为不均匀电场∵易出现稳定的电晕放电空间电荷的积累对Ub影响1）直流电压作用下特点：a.E越不均匀，越不对称极性效应越明显

b.Ub最低当S<10cm约7.5kV/cm当S>50cm约4.5kV/cmUb最高当S<10cm约20kV/cm当S>50cm约10kV/cmUb居中

约5.4kV/cm

（2）不均匀电场气隙的击穿电压工程实际中所遇电场多为不均匀电工频交流和Ub相近并且击穿总是发生在针为正半波时～平均Ub3.8kV(有效值)/cm5.4kV(幅值)/cm～平均Ub3.4kV(有效值)/cm4.8kV(幅值)/cm当S>2mUb和S的关系出现饱和趋势,故在估计安全距离时一般以500kV/m再加安全裕度来考虑2)工频电压作用下工频交流和Ub相近并且击穿总是发生在针为正半波时～平均Ub3高电压技术概述及气体的绝缘强度概要课件Ub=f(S)一般波尾击穿，线性，无饱和现象

U50％＋－针相近U50%≈547SS≤9m线－板≈针－板线－线＞针－针U50%3)雷电冲击电压作用下Ub=f(S)U50%≈547S线－板≈针－板U50高电压技术概述及气体的绝缘强度概要课件一般波头部分击穿特点：a.长间隙特别是呈现饱和现象b.分散性比雷电冲击大σ雷电=3％σ操作=4∽8％4)

操作冲击电压作用下c.U50%+－<U50%－＋一般波头部分击穿特点：呈现饱和现象b.分散性比雷电冲击大σ雷d.U50%=f(波前时间）击穿发生在波前（波头）最显著比显著伸长形电极（如分裂导线所形成间隙）最不显著呈U形曲线d.U50%=f(波前时间）击穿发生在波前（波头）最显著比显高电压技术概述及气体的绝缘强度概要课件1.2.3气体性质和状态对放电电压的影响气体状态－气温、气压、湿度等标准大气条件：t0=200C、P0=760mmHg(101.3kPa)、h0=11g/m3在非标准大气条件下作试验空气的密度湿度Ub密度λe碰撞游离Ub湿度水分子负极性的水分子易捕获ee数Ub1.2.3气体性质和状态对放电电压的影响气体状态－气温因此要修正：①空气密度修正系数Kd=②湿度修正系数Kh=H=1000-4000m按GB311.1-83修正∵HpδUbU=KaUpKa=因此要修正：①空气密度修正系数Kd=②湿度修正系数Kh=H=

不同的气体具有不同的耐电强度目前工程上用得最广泛的是SF6气体，是目前发现的具有最优绝缘性能和灭弧性能的气体

1.是电负性很强的气体,最外层电子数为7或6，就最易捕获1或2个电子变为8个电子稳定数

而形成负离子碰撞电子数复合能力(离子结合)绝缘能力2.分子量大、分子直径大分子损失碰撞游离能力高电气强度气体（SF6）的采用不同的气体具有不同的耐电强度而形成负离子碰撞电子数复合λ自由行程碰撞游离能力3.与e相遇时易引起分子极化4.具有很好的冷却特性

因此SF6气体在国内外都已广泛用于大容量高压断路器、高压充气电缆、高压电容器、高压充气套管、以及全封闭组合电器中。λ自由行程碰撞游离能力3.与e相遇时易引起分子极化4.具有很高电压技术概述及气体的绝缘强度概要课件1.3沿面放电

沿面放电也称为沿面闪络，是一种气体放电现象，指在固体介质和空气的交界面上出现的沿固体绝缘表面的气体放电。沿面闪络时的临界电压称闪络电压U闪U闪<Ub纯空气？U雷闪>U工闪？电力系统不少绝缘事故均是沿面闪络造出的所以研究它的放电机理和规律对电气设备的设计和安全运行都有重大的现实意义1.3沿面放电沿面放电也称为沿面闪络，是一种气体

电力系统中绝缘子、套管等固体绝缘在机械上起固定作用，又在电气上起绝缘作用。其绝缘状况关系到整个电力系统的可靠运行。固体介质击穿：一旦发生击穿，即意味着不可逆转地丧失绝缘功能。沿介质表面发生闪络：由于大多数绝缘子以电瓷、玻璃等硅酸盐材料组成，所以沿着它们的表面发生放电或闪络时，一般不会导致绝缘子的永久性损坏。电力系统的外绝缘，一般均为自恢复绝缘，因为绝缘子闪络或空气间隙击穿后，只要切除电源，它们的绝缘性能都能很快地自动彻底恢复。电力系统中绝缘子、套管等固体绝缘在机械上起固1.3.1

沿面闪络的物理过程（一）均匀电场中

U闪<Ub纯空原因？1.表面吸潮一层水膜离子电导在E作用下向极运动电极附近E电极间E电极附近首先游离U闪因此与绝缘材料表面吸潮性有关与离子移动累积电荷导致表面E畸变需要一定时间1.3.1沿面闪络的物理过程（一）均匀电场中1.表面吸潮一高电压技术概述及气体的绝缘强度概要课件2.表面污秽表面有毛刺表面电阻不均匀引起局部E首先游离U闪3.电极和固体介质接触不良有气隙，形成分层介质ε气=1ε介≈4气体中E首先游离局部放电带电质点从气隙逸出到介质表面畸变原E变成不均匀电场U闪2.表面污秽引起局部E首先游离U闪3.电极和固体介质接触不良电场本身分布极不均匀因此有无固体介质表面是否吸潮等影响变小要提高U闪只有改善电场不均匀度如高压设备出线装椭圆形屏蔽电极(二)极不均匀电场中两种情况1.垂直分量小介质表面电场的切线分量>垂直分量支柱绝缘子实验室模拟电极电场本身分布极不均匀因此有无固体介质表面是否吸潮等影响变小穿墙套管实验室模拟电极2.垂直分量大如穿墙套管绝缘子穿墙套管实验室模拟电极2.垂直分量大如穿墙套管绝缘子放电发展过程可大致分为三个阶段电晕放电细线状辉光放电滑闪放电放电发展过程可大致分为三个阶段

滑闪放电机理：E垂直分量使带电质点紧贴表面

E切线分量使带电质点向前运动摩擦发热产生热游离压降小电导发展类似先导放电火花放电长度随外加U而直至对方电极闪络电源被短路视容量大小电弧放电局部温度火花放电通道头部E滑闪放电机理：E垂直分量使带电质点紧贴表面摩擦发热产生1.3.2影响气隙沿面闪络电压的因素1.电场分布情况和电压波形的影响均匀电场弱垂直分量电场均匀电场：U沿面<U纯空气间隙

U直流、工频<U冲击弱垂直分量电场：U沿面<U纯空气间隙但降低程度没有均匀电场显著1.3.2影响气隙沿面闪络电压的因素1.电场分布情况和电压强垂直分量电场强垂直分量电场：直流电压下基本成线性关系冲击电压下有饱和趋势强垂直分量电场强垂直分量电场：直流电压下基本成线性关系2.介质材料的影响主要是吸潮对沿面闪络电压的影响石蜡最不易吸潮，沿面闪络电压较高胶纸、陶瓷、玻璃易吸潮或吸附水分，沿面闪络电压较低烘干介质表面可提高沿面闪络电压3.气体条件的影响

气压和湿度对沿面闪络电压的影响与纯空气间隙相似，但影响程度远不显著2.介质材料的影响主要是吸潮对沿面闪络电压的影响3.气体条件4.电介质表面情况的影响①湿闪电压湿状态下的闪络电压如