气体电介质的击穿特性

不均匀电场中气体的击穿过程持续电压作用下的击穿电压雷电冲击电压下空气的击穿电压引入新课操作冲击电压下空气的击穿电压提高气体间隙击穿场强的方法沿面放电2023/3/211当前1页，总共36页。电晕放电极性效应先导主放电雷击冲击电压的波形伏秒特性流注的形成和发展沿面放电知识点2023/3/212当前2页，总共36页。电晕放电1电晕的产生极不均匀电场中，间隙中的最大场强比平均场强大得多。外加电压比较低的时候，曲率大（曲率半径较小）的电极附近电场强度已足够大可引起强烈的游离，在这局部的强场区形成放电。这种仅仅发生在强场区的局部放电称为电晕放电。

电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式。电晕放电的现象薄薄的发光层；伴有“咝咝”放电声；发出臭氧气味。当前3页，总共36页。起始电压起始场强开始出现电晕时的电压开始出现电晕时电极表面的场强2023/3/214当前4页，总共36页。

输电线路的电晕起始场强与导线半径及空气密度有关，一般用经验公式来推算，应用最广的是皮克公式：m：导线表面粗糙系数与气象系数的乘积;δ:空气相对密度；r:导线半径（cm）2023/3/215当前5页，总共36页。3、电晕放电的效应（1）电晕电流具有高频脉冲性质，对无线电通讯产生干扰。（2）电晕使空气发生化学反应，产生O3、NO、NO2。（3）产生能量损耗。电晕损耗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。对于500－750kV的超高压输电线路，在天气好时电晕损耗一般不超过几个W/km，而在坏天气时，可以达到100W/km以上。

因此在设计超高压线路时，需要根据不同天气条件下电晕损耗的实测数据和线路参数，以及沿线路各种气象条件的出现概率等对线路的电晕损耗进行估算降低电晕的方法：从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。2023/3/216当前6页，总共36页。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。对于电极形状不对称的不均匀电场气隙，如棒——板间隙，棒电极的极性不同时，间隙的起晕电压和击穿电压的大小也不同。这种现象称为极性效应。原因：棒电极的极性不同时，间隙中的空间电荷对外电场的畸变作用不同。2023/3/217当前7页，总共36页。正棒—负板间隙当电子崩发展到棒极时，电子进入棒极中和。正离子留在棒极附近以较慢速度向板极运动，正空间电荷使紧贴棒极附近的电场减弱，不易形成流注，放电难以自持，故起晕电压高。而正空间电荷加强了朝向板极的电场，有利于流注向板发展，故击穿电压较低。2023/3/218当前8页，总共36页。负棒—正板阴极表面游离产生的电子通过强场区形成电子崩，电子向板极运动进入弱场区后不再引起游离，并大多形成负离子。因其浓度小，对电场影响小。正空间电荷加强了棒极附近的电场，易形成自持放电，故起晕电压低。朝向板极方向的电场被减弱，流注不易发展，故击穿电压较高。2023/3/219当前9页，总共36页。短间隙不均匀电场中的放电过程指间隙距离不超过1m的间隙，以棒板间隙为例。由于正流注所形成的空间电荷总是加强流注通道头部前方的电场，所以正流注的发展是连续的，速度很快。棒极为负时流注的发展实际上是阶段式的，其平均速度比正棒极流注小得多，击穿同一间隙所需的外电压要高得多。2023/3/2110当前10页，总共36页。2023/3/2111当前11页，总共36页。长间隙不均匀电场中的放电过程（d＞1m时）1.先导放电阶段具有热游离过程的通道称为先导通道。2.主放电阶段温度更高、电导更大，轴向电场更小的等离子体火花通道。此时，间隙接近于短路状态，气隙完全丧失了绝缘性能。2023/3/2112当前12页，总共36页。结论：a、长间隙的放电通常分为电子崩、流注、先导放电和主放电四个阶段。b、短间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注和主放电三个阶段。c、长间隙放电时，炽热的导电通道是在放电发展的过程中建立的，而不是在整个间隙被流注通道贯穿后建立的，先导过程与主放电过程就发展得越充分，所以长间隙的平均击穿场强远小于短间隙的平均击穿场强。2023/3/2113当前13页，总共36页。持续电压作用下空气的击穿电压空气间隙的击穿场强主要取决于外加电压的种类、电场的均匀程度及气体的状态。电力工程中的空气间隙一般会受到三种电压的作用：

持续电压、雷电冲击电压、操作冲击电压持续电压作用下间隙的击穿电压与放电发展的时间无关，在电场形式、气体的状态等其他条件不变的情况下，只取决于间隙的距离

2023/3/2114当前14页，总共36页。特点：电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相比极小，故放电发展所需的时间可以忽略不计，只要作用于间隙的电压达到击穿电压，间隙就会发生击穿。直流电压：直流中所含脉动分类的脉动系数（脉动幅值与直流电压的平均值之比）不大于3%。直流电压的大型指直流电压的平均值。持续电压指直流电压或工频交流电压交流电压：波形接近正弦波，正、负两半波相同，峰值与有效值之比为，偏差不超过。2023/3/2115当前15页，总共36页。一、均匀电场中的击穿电压因电场对称，所以击穿电压无极性效应。因击穿前间隙各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电电压等于击穿电压。不论何种电压（直流、交流、正负50%冲击电压）作用，其击穿电压（峰值）都相同，且分散性很小。在标准大气条件下（d为1cm左右时)，均匀电场中空气的电气强度约为30kV/cm（峰值）。2023/3/2116当前16页，总共36页。二、稍不均匀电场中的击穿电压稍不均匀电场中各处的场强差异不大，间隙中任何一处若出现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。所以对于稍不均匀电场，任何一处自持放电的条件，就是整个间隙击穿的条件。电场不对称时，击穿电压有弱极性效应。击穿前有电晕发生，但不稳定，一旦出现电晕，立即导致整个间隙击穿。间隙距离一般不很大，放电发展所需时间短。直流击穿电压、交流击穿电压、正负50%冲击击穿电压几乎一致，且分散性不大。不均匀系数：间隙中的最大场强与平均场强之比，稍不均匀电场<42023/3/2117当前17页，总共36页。稍不均匀电场的击穿电压与电场均匀度关系极大，没有能概括各种电极结构的统一的经验公式。通常是对一些典型的电极结构做出一批实验数据，实际的电极结构只能从典型电极中选取类似结构进行估算。电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高，其极限就是均匀电场中的击穿电压。2023/3/2118当前18页，总共36页。三、极不均匀电场中的击穿电压对电极形状不对称的不均匀电场，有明显的极性效应。由于存在局部强场区，故间隙击穿前有稳定的电晕发生，间隙的起始放电电压小于击穿电压。因间隙距离长，放电发展所需时间长。故外加电压的波形对击穿电压影响大，击穿电压的分散性大。极不均匀电场击穿电压的特点：电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱（由于电场已经极不均匀），间隙距离对击穿电压的影响增大。可以选择电场极不均匀的极端情况，棒－板和棒－棒作为典型电极结构，它们得击穿电压具有代表性。

工程上遇到极不均匀电场时，可根据典型电极的击穿电压数据做简单的估算。2023/3/2119当前19页，总共36页。（1）直流电压下（有极性效应）图2-13

同样间隙距离下不同间隙类型的击穿电压比较：负棒—正板>棒—棒>正棒—负板（2）工频电压下（有极性效应）图2-14(d<2cm)棒—板间隙的击穿总是发生在棒极性为正时的半个周期且电压达峰值时，击穿电压（峰值）和直流下正棒负板时的击穿电压相近。2023/3/2120当前20页，总共36页。棒—棒间隙的平均击穿场强约为5.36kV/cm(幅值)，棒—板间隙的约为4.8kV/cm(幅值)d>2cm,击穿电压具有“饱和现象,导致间隙距离增大的同时其平均击穿场强却随之降低，这对输电电压等级的提高不利，棒－板：d＝1m，

5kV/cmd＝l０m，2kV/cm2023/3/2121当前21页，总共36页。均匀电场的击穿特点

击穿前无电晕、无极性效应、各种电压作用时其击穿电压（峰值）都相同。稍不均匀电场的击穿特点

击穿前无稳定电晕、极性效应不明显、各种电压作用时其击穿电压（峰值）几乎一致。极不均匀电场的击穿特点击穿前有稳定电晕、有明显的极性效应、外加电压波形对击穿电压影响很大。当前22页，总共36页。阴极表面游离γ系数：表示一个正离子撞击阴极表面时使阴极平均逸出的自由电子数。到达阴极的正离子数从阴极电离出的电子数物理意义：一个从阴极出发的起始电子发展电子崩并到达阳极后，崩中的个正离子移向阴极和阴极碰撞时，只要至少能从阴极撞击出一个自由电子来，放电即可转入自持。2023/3/2123当前23页，总共36页。放电由非自持转入自持的条件为

2023/3/2124当前24页，总共36页。巴申定律：（适用于δd<0.26cm时的放电过程）当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压是气体的相对密度δ和气隙距离d乘积的函数Ub=f(δd)2023/3/2125当前25页，总共36页。巴申曲线解释电离次数=碰撞次数*电离概率距离d不变，气压P增加距离d不变，气压P降低2023/3/2126当前26页，总共36页。流注理论:(δd>0.26cm时的放电过程)在高气压长间隙条件下的气体放电理论特点：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场的作用

电子崩阶段空间电荷畸变外电场

流注阶段光电离形成二次电子崩2023/3/2127当前27页，总共36页。（1）电子崩阶段（a）初始电子崩阳极侧电子崩数目多正空间电荷加强了原电场，同时向周围放射出大量光子2023/3/2128当前28页，总共36页。（b）二次电子崩光子使附近的气体因光电离而产生二次电子它们在由正空间电荷所引起的畸变和加强了的局部电场作用下，又形成新的电子崩，即二次电子崩

2023/3/2129当前29页，总共36页。（2）流注的形成和发展二次电子崩中的电子＋初始电子崩的正空间电荷——混合通道（流注）。流注通道和二次崩留下的正电荷，大大加强了流注发展方向的电场，产生新电子崩，从而使流注向前发展2023/3/2130当前30页，总共36页。（3）间隙的击穿流注不断向阴极报进，头部电场越来越强，因而其发展也越快流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通——间隙击穿2023/3/2131当前31页，总共36页。在电离室中得到的初始电子崩照片图a和图b的时间间隔为110-7秒p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/厘米初始电子崩转变为流注瞬间照片p＝273毫米汞柱E=12千伏/厘米电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s2023/3/2132当前32页，总共36页。在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片正流注的发展速度约为11082108cm/s2023/3/2133当前33页，总共36页。自持放电条件形成流注——空间光电离维持放电（自持放电）如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。流注形成的条件：足够的空间光游离——较多的初始电子崩（电子崩积累到一定的数量）2023/3/2134当前34页，总共36页。（二）流注理论对高气压、长间隙（pd很大）放电现象的解释1．放电外形具有通道形式流注前方随着其向前发展而更为增强多流注之间互相抑制发展二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝。电子崩则不然，由于其中电荷密度较小，故电场强度还很大，因而不致影响到邻近空间内的电场，所以不会影响其它电子崩的发展