高电压技术第一章课件

第一章气体的绝缘特性与介质的电气强度

研究气体放电的目的：了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程掌握气体介质的电气强度及其提高方法NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

1.1气体放电的基本物理过程

1.2气体介质的电气强度

1.3固体绝缘表面的气体沿面放电习题与思考题本章内容返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.1气体放电的基本物理过程

高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其它复合介质。由于气体绝缘介质不存在老化的问题，在击穿后也有完全的绝缘自恢复特性，再加上其成本非常廉价，因此气体成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。气体击穿过程的理论研究虽然还不完善，但是相对于其他几种绝缘材料来说最为完整。因此，高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。

NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.1.1带电质点的产生

气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量的带电质点。正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体；在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1、气体中电子与正离子的产生

电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。电离可一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式。电离方式可分为：

热电离

光电离

碰撞电离

分级电离电子在电场中的运动轨迹

视频链接NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（1）热电离常温下，气体分子发生热电离的概率极小。气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度。下图为不同温度下空气和气体的热电离程度。图1-1不同温度下空气和气体的热电离程度NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（3）碰撞电离电子或离子在电场作用下加速所获得的动能（）与质点电荷量(e)、电场强度（）以及碰撞前的行程()有关．即

(1-3)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY式中：：电子的电荷量；：外电场强度；：电子移动的距离(1-4)高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时，如原子或分子获得的能量等于或大于其电离能，则会发生电离。因此，电离条件为NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前必须经过的距离为：式中为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的相等的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使值减少。可见提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。(1-4)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2、电极表面的电子逸出逸出功——使电子从金属表面逸出需要的能量。不同金属的逸出功不同，如表1-2所示：NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途径获得：（1）正离子撞击阴极

（2）光电子发射（3）强场发射（4）热电子发射

NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3、气体中负离子的形成

附着：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，也可能发生电子附着过程而形成负离子。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用。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY表l-3列出了卤族元素的电子亲合能与电负性数值返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.1.2带电质点的消失带电质点的消失可能有以下几种情况：带电质点受电场力的作用流入电极

；带电质点因扩散而逸出气体放电空间；带电质点的复合。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合。复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一个中性分子；复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。带电质点的复合

返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（1）非自持放电和自持放电的不同特点

宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓度的带电质点。因此，在气隙的电极间施加电压时，可检测到微小的电流。1、放电的电子崩阶段NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

由图1-3可见，（1）在I-U曲线的OA段：气隙电流随外施电压的提高而增大，这是因为带电质点向电极运动的速度加快导致复合率减小。当电压接近时，电流趋于饱和，因为此时由外电离因素产生的带电质点全部进入电极，所以电流值仅取决于外电离因素的强弱而与电压无关图1－3气体间隙中电流与外施电压的关系NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（2）在I-U曲线的AB点：电压升高至时，电流又开始增大，这是由于电子碰撞电离引起的，因为此时电子在电场作用下已积累起足以引起碰撞电离的动能。电压继续升高至时，电流急剧上升，说明放电过程又进入了一个新的阶段。此时气隙转入良好的导电状态，即气体发生了击穿。图1－3气体间隙中电流与外施电压的关系NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY因此，外施电压小于时的放电是非自持放电。电压达到后，电流剧增，且此时间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了。外施电压达到后的放电称为自持放电，称为放电的起始电压。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（2）电子崩的形成外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。图1－4电子崩的示意图

视频链接电子崩的演示NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY根据碰撞电离系数的定义，可得：分离变量并积分之，可得：(1-7)(1-8)对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相同，值不随x而变化，所以上式可写成：(1-9)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY抵达阳极的电子数应为：(1-10)将式(1-8)的等号两侧乘以电子的电荷，即得电流关系式：途中新增加的电子数或正离子数应为：(1-11)式(1-12)中，(1-12)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY式(1-12)表明：虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子(令)，即变为零。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（3）影响碰撞电离系数的因素(1-13)若电子的平均自由行程为，则在1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为。设在x处有n个电子沿电力线方向运动，行经dx距离时还剩下dn个电子未发生过碰撞，则在到这一距离中发生碰撞的电子数应为由上式积分得：NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY由第一节公式，实际自由行程长度等于或大于xi的概率为，所以也就是碰撞电离的概率。根据碰撞电离系数的定义，即可得出：(1-14)由第一节公式内容可知，电子的平均自由长度与气温成正比、与气压成反比，即：(1-15)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY当气温不变时，式(1-14)即可改写为：式中A、B是两个与气体种类有关的常数。由上式不难看出：电场强度E增大时，急剧增大;

很大或很小时，都比较小。(1-16)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

所以，在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。高气压时，很小，单位长度上的碰撞次数很多，但能引起电离的概率很小；低气压和真空时，很大，总的碰撞次数少，所以也比较小。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2、汤逊理论

前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放电的。要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。

实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和气隙长度的乘积（）有关。值较小时自持放电的条件可用汤逊理论来说明；值较大时则要用流注理论来解释。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（1）过程与自持放电条件

由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电子。此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起阴极表面电离，统称为过程。为此引入系数。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于过程，电子总数增至个。因在对系数进行讨论时已假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（－1）个正离子。由系数的定义，此（－1）个正离子在到达阴极表面时可撞出（－1）个新电子，这些电子在电极空间的碰撞电离同样又能产生更多的正离子，如此循环下去。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY自持放电条件为：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数：电子碰撞电离系数：两极板距离

此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进入阳极后可以由及过程在阴极上又产生一个新的替身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。(1-21)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（2）汤逊放电理论的适用范围

汤逊理论是在低气压、较小的条件下在放电实验的基础上建立的。过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了。

过小时，气压极低(过小在实际上是不可能的)，过小，远大于，碰撞电离来不及发生，击穿电压似乎应不断上升，但实际上电压U上升到一定程度后，场致发射将导致击穿，汤逊的碰撞电离理论不再适用，击穿电压将不再增加。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY过大时，气压高，或距离大，这时气体击穿的很多实验现象无法全部在汤逊理论范围内给以解释：放电外形；放电时间；击穿电压；阴极材料。

因此，通常认为，＞0.26cm(pd＞200cm•mmHg)时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结果不再适用，但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有效的。返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.1.4巴申定律与适用范围早在汤逊理论出现之前，巴申(Paschen)就于1889年从大量的实验中总结出了击穿电压与的关系曲线，称为巴申定律，即

(1-23)1、巴申定律NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY图1-7给出了空气间隙的与的关系曲线。从图中可见，首先，并不仅仅由决定，而是的函数；其次不是的单调函数，而是U型曲线，有极小值。图1-7实验求得的均匀场不同气体间隙曲线NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY不同气体，其巴申曲线上的最低击穿电压，以及使的值各不相同。对空气，的极小值为。此极小值出现在cm时，即的极小值不是出现在常压下，而是出现在低气压，即空气相对密度很小的情况下。图1-7实验求得的均匀场不同气体间隙曲线返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.1.5不均匀电场中的气体放电电气设备中很少有均匀电场的情况。但对不均匀电场还要区分两种不同的情况，即稍不均匀电场和极不均匀电场。全封闭组合电器(GIS)的母线筒和高压实验室中测量电压用的球间隙是典型的稍不均匀电场；高压输电线之间的空气绝缘和实验室中高压发生器的输出端对墙的空气绝缘则属于极不均匀电场。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分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。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f，表示为：:最大电场强度:平均电场强度f<2时为稍不均匀电场,f>4属不均匀电场。(1-26)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.极不均匀电场的电晕放电（1）电晕放电在极不均匀场中，当电压升高到一定程度后，在空气间隙完全击穿之前，大曲率电极(高场强电极)附近会有薄薄的发光层，这种放电现象称为电晕。电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压，而此时电极表面的场强称为电晕起始场强。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY根据电晕层放电的特点，可分为两种形式：电子崩形式和流注形式。当起晕电极的曲率很大时，电晕层很薄，且比较均匀，放电电流比较稳定，自持放电采取汤逊放电的形式，即出现电子崩式的电晕。随着电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现放电的脉冲现象，开始转入流注形式的电晕放电。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY若电极曲率半径加大，则电晕一开始就很强烈，一出现就形成流注的形式。电压进一步升高，个别流注快速发展，出现刷状放电，放电脉冲更强烈，最后贯通间隙，导致间隙完全击穿。冲击电压下，电压上升极快，因此电晕从一开始就具有流注的形式。爆发电晕时能听到声，看到光，嗅到臭氧味，并能测到电流。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（2）电晕放电的起始场强

电晕放电的起始场强一般由实验总结出的经验公式来计算，电晕的产生主要取决于电极表面的场强，所以研究电晕起始场强和各种因素间的关系更直接。对于输电线路的导线，在标准大气压下其电晕起始场强的经验表达式为（此处指导线的表面场强，交流电压下用峰值表示）：式中r－导线半径，cm。(1-28)kV/cmNANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY式（1-28）说明导线半径r越小则值越大。因为r越小，则电场就越不均匀，也就是间隙中场强随着其离导线的距离增加而下降得更快，而碰撞电离系数随离导线距离的增加而减小得越快。所以输电线路起始电晕条件为:式中－起始电晕层的厚度，时。可见电场越不均匀，要满足式(1-29)时导线表面场强应越高。式(1-28)表明，当r→时，=30kV/cm。(1-29)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY而对于非标准大气条件，则进行气体密度修正以后的表达式为式中－气体相对密度(1-30)实际上导线表面并不光滑，所以对于绞线要考虑导线的表面粗糙系数。此外对于雨雪等使导线表面偏离理想状态的因素（雨水的水滴使导线表面形成突起的导电物）可用系数加以考虑。kV/cmNANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY理想光滑导线＝1，绞线＝0.8～0.9，好天气时可按0.8估算。算得后就不难根据电极布置求得电晕起始电压。例如，对于离地高度为h的单根导线可写出对于距离为d的两根平行导线（）则可写出(1-32)(1-33)此时式（1-30）则写为(1-31)kV/cmNANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（3）电晕放电的危害、对策及其利用

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。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素。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产生干扰。电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY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。在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（4）极不均匀电场中放电的极性效应在电晕放电时，空间电荷对放电的影响已得到关注。由于高场强电极极性的不同，空间电荷的极性也不同，对放电发展的影响也就不同，这就造成了不同极性的高场强电极的电晕起始电压的不同，以及间隙击穿电压的不同，称为极性效应。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY棒－板间隙这种典型的极不均匀场图1－8正棒－负板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场畸变作用－外电场－空间电荷电场当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩，如图1-8（a）所示。随着电压的逐渐上升，到形成自持放电爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，如图1-8（b）所示。这样就减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。因此，棒极附近的电场被削弱，难以形成流注，这就使得放电难以得到自持。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩，如图1-9（a）所示。当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，面以越来越慢的速度向阳极运动。一部分电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY图1－9负棒－正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用－外电场－空间电荷电场电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷，如图1-9（b）所示。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY图1－9负棒－正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用－外电场－空间电荷电场负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于满足、易于转入流注而形成电晕放电。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY图1－10两种极性下棒－板间隙的电场分布图（a）正棒－负板（b）负棒－正板-电场场强－棒极到板极的距离图1-10是两种极性下棒－板间隙的电场分布图，其中曲线1为外电场分布，曲线2为经过空间电荷畸变以后的电场。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY通过实验已证明，棒－板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高。而极性效应的另一个表现，就是间隙击穿电压的不同。随着电压升高，在紧贴棒极附近，形成流注，产生电晕；以后在不同极性下空间电荷对放电的进一步发展所起的影响就和对电晕起始的影响相异了。负极性下的击穿电压应较正极性时为高。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（5）长间隙击穿过程在间隙距离较长时，存在某种新的、不同性质的放电过程，称为先导放电。长间隙放电电压的饱和现象可由先导放电现象作出解释。

长间隙的放电大致可分为先导放电和主放电两个阶段，在先导放电阶段中包括电子崩和流注的形成及发展过程。不太长间隙的放电没有先导放电阶段、只分为电子崩、流注和主放电阶段。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3.稍不均匀电场中的极性效应稍不均匀电场意味着电场还比较均匀，高场强区电子电离系数达足够数值时，间隙中很大一部分区域中的也达到相当值，起始电子崩在强场区发展起来，经过一部分间隙距离后形成流注。流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致完全击穿。在高电压工程中常用的球—球间隙、同轴圆柱间隙等属稍不均匀电场。

NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY稍不均匀电场间隙的放电特点和均匀电场相似，气隙实现自持放电的条件就是气隙的击穿条件。在直流电压作用下的击穿电压和工频交流下的击穿电压幅值以及50％冲击击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大，这也和均匀电场放电特点一致。稍不均匀场也有一定的极性效应，但不很明显。高场强电极为正极性时击穿电压稍高；为负极性时击穿电压稍低。这是因为在负极性下电晕易发生，而稍不均匀场中的电晕很不稳定。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY从击穿电压的特点来看，稍不均匀场的极性效应与极不均匀场的极性效应结果相反。在稍不均匀场中，高场强电极为正电极时，间隙击穿电压稍高；高场强电极为负电极时，间隙击穿电压稍低。而在极不均匀场中却是高场强电极为正时，间隙击穿电压低；高场强电极为负时，间隙击穿电压高。电晕的起始电压就是间隙击穿电压。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY小结气体中电离的方式可分为热电离、光电离、碰撞电离和分级电离。正离子撞击阴极光电子发射

强场发射

热电子发射

电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途径获得NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY气体放电过程中，带电质点除在电场作用下定向运动，还可能因扩散和复合使带电质点在放电空间消失。汤逊理论认为：在低气压、较小的条件下，二次电子的来源是正离子撞击阴极使阴极表面发生电子逸出。并引入系数表示每个正离子从阴极表面平均释放的自由电子数。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY巴申定律：出现在汤逊理论之前，总结了击穿电压与的关系曲线，即电场不均匀系数的定义为间隙中最大场强与平均场强的比值：

均匀电场＝1；稍不均匀电场﹤2；极不均匀电场＞4。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压，而此时电极表面的场强称为电晕起始场强。

棒－板间隙的极性效应。棒为正极性时，电晕起始电压比负极性时略高；棒为负极性时，击穿电压较正极性时为高。返回（本节完）NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.2气体介质的电气强度实际工程应用中，击穿电压的确定方式如下：参照一些典型电极的击穿电压来选择绝缘距离；根据实际电极布置情况，通过实验来确定。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY空气间隙放电电压的影响因素如下：电场情况电压形式大气条件NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

1.2.1持续作用电压下的击穿

1.2.2雷电冲击电压下的击穿

1.2.3操作冲击电压下空气的绝缘特性

1.2.4大气条件对气体击穿的影响

1.2.5提高气体击穿电压的措施本节内容返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.2.1持续作用电压下的击穿

实际中，大均匀电场间隙要求电极尺寸做得很大。因此，对于均匀场间隙，通常只有间隙长度不大时的击穿数据，如图1-11所示。1、均匀电场中的击穿图1-11均匀电场中空气间隙的击穿电压峰值随间隙距离d的变化NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY电极布置对称，无击穿的极性效应；间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短；直流击穿电压、工频击穿电压峰值以及50％冲击击穿电压相同；击穿电压的分散性很小。均匀电场的击穿特性：NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

对于图1-11所示的击穿电压(峰值)实验曲线，可用以下经验公式表示：式中－间隙距离，cm；－空气相对密度

从图1-11中可以得出，当在1～10cm范围内时，击穿强度（用电压峰值表示）约等于30kV/cm。(1-34)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2、稍不均匀电场中的击穿

稍不均匀电场的击穿特点：击穿前无电晕；无明显的极性效应；直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50％冲击击穿电压几乎一致。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

稍不均匀电场的击穿电压通常可以根据起始场强经验公式进行估算取决于电极布置，可用静电场计算的方法或电解槽实验的方法求得。

对于稍不均匀场，当达临界场强时，达到击穿电压，从而(1-35)(1-36)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY图1-12几种典型电极结构示意图1、同心球2、球－平板3、球－球4、同轴圆柱5、圆柱－平板6、圆柱－圆柱7、曲面－平面8、曲面－曲面下面给出几种典型的电极结构:图1-12几种典型电极结构示意图1、同心球2、球－平板3、球－球4、同轴圆柱5、圆柱－平板6、圆柱－圆柱7、曲面－平面8、曲面－曲面NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY球－板电极(1-40)(1-39)(1-38)(1-37)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY柱—板电极(1-43)(1-44)(1-42)(1-41)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY平行圆柱电极(1-45)(1-46)(1-47)(1-48)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY同轴圆柱电极(1-49)(1-50)(1-51)(1-52)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY同心球电极(1-53)(1-56)(1-55)(1-54)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY球－球电极(1-57)(1-58)(1-59)(1-60)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

另外，对于某些不太好根据经验公式求的电场结构，也可以用＝30kV/cm进行大致估算，则间隙击穿电压

为(1-61)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3、极不均匀电场中的击穿

极不均匀场的击穿特性：电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱；极间距离对击穿电压的影响增大；在直流电压中，直流击穿电压的极性效应非常明显；NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY工频电压下，击穿都发生在正半周峰值附近。返回

当间隙距离不大时，击穿电压基本上与间隙距离呈线性上升的关系；当间隙距离很大时，平均击穿场强明显降低，即击穿电压不再随间隙距离的增大而线性增加，呈现出饱和现象。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.2.2雷电冲击电压下的击穿

大气中雷电产生的过电压对高压电气设备绝缘会产生重大威胁。因此在电力系统中，一方面应采取措施限制大气过电压，另一方面应保证高压电气设备能耐受一定水平的雷电过电压。

雷电过电压是一种持续时间极短的脉冲电压，在这种电压作用下绝缘的击穿具有与稳态电压下击穿不同的特点。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1、雷电冲击电压的标准波形按雷电发展的方向可分为：雷电能对地面设备造成危害的主要是云地闪。下行雷在雷云中产生并向大地发展；上行雷由接地物体顶部激发，并向雷云方向发展。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

下行负极性雷通常可分为3个主要阶段：先导过程主放电过程余光放电过程NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY先导过程：延续约几毫秒，以远级发展、高电导、高温的、具有极高电位的先导通道将雷云到大地之间的气隙击穿。沿先导通道分布着电荷，其数量达几库仑。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

主放电过程：当下行先导和大地短接时，发生先导通道放电的过渡过程。在主放电过程中，通道产生突发的亮光，发出巨大的声响，沿着雷电通道流过幅值很大、延续时间为近百微秒的冲击电流。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY余光放电：主放电完成后，云中的剩余电荷沿着雷电通道继续流向大地，这时在展开照片上看到的是一片模糊发光的部分，相应的电流是逐渐衰减的，约为A，延续时间约为几毫秒。

上述3个阶段组成下行负雷的第一个分量。余光放电：主放电完成后，云中的剩余电荷沿着雷电通道继续流向大地，这时在展开照片上看到的是一片模糊发光的部分，相应的电流是逐渐衰减的，约为A，延续时间约为几毫秒。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

通常，雷电放电并未结束，随后还有几个(甚至十几个)后续分量。每个后续分量也是由重新使雷电通道充电的先导阶段、使通道放电的主放电阶段和余光放电阶段组成。各分量中的最大电流和电流增长最大陡度是造成被击物体上的过电压、电动力、电磁脉冲和爆破力的主要因素。而在余光阶段中流过较长时间的电流则是造成雷电热效应的重要因素。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY图1-13标准雷电冲击电压波形－波前时间－半峰值时间-冲击电压峰值

图1-13表示雷电冲击电压的标准波形和确定其波前和波长时间的方法(波长指冲击波衰减至半峰值的时间)。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY图1-13标准雷电冲击电压波形－波前时间－半峰值时间—冲击电压峰值

图中O为原点，P点为波峰。国际上都用图示的方法求得名义零点（即图中虚线所示，连接P点与0.3倍峰值点作虚线交横轴、于点）NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

目前国际上大多数国家对于标准雷电波的波形规定是：

对于不同极性的标准雷电波形可表示为+或-。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2、放电延时完成气隙击穿的三个必备条件：最低静态击穿电压；在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子；需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY图1-14冲击击穿所需时间的示意图总放电时间

后面两个分量之和称为放电延时

(1-62)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY图1-14冲击击穿所需时间的示意图

－气隙在持续电压下的击穿电压为，为所加电压从0上升到的时间；

－从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时间称为统计时延；

NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY图1-14冲击击穿所需时间的示意图tf－出现有效电子后，引起碰撞电离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙的击穿。这个过程需要的时间称为放电形成时延tf

。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY放电时间tb和tlag放电时延的长短都与所加电压的幅值有关，总的趋势是越高，放电过程发展的越快，tb和tlag越短。tb和tf都具有统计性NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3、50％击穿电压在工程实际中广泛采用击穿百分比为50％时的电压（U50%）来表征气隙的冲击击穿特性。实际中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可认为是50％冲击击穿电压。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

U50%与静态击穿电压的比值称为冲击系数β：均匀和稍不均匀电场下，;极不均匀电场中,，冲击击穿电压的分散性也较大，其标准偏差可取3％。(1-64)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY4、伏－秒特性冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压－时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性曲线，它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。如图1-15所示：图1-15伏秒特性绘制方法

NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY实际的伏秒特性曲线如图1-16所示，是一个以上、下包线为界的带状区域。通常取50％伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿特性。图1-1650％伏秒特性示意图（虚线表示没有被试间隙时的波形）1-0％伏秒特性2－100％伏秒特性3－50％伏秒特性4—50％冲击击穿电压5－0％冲击击穿电压（静态击穿电压）返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.2.3操作冲击电压下空气的绝缘特性电力系统在操作或发生事故时，因状态发生突然变化引起电感和电容回路的振荡产生过电压，称为操作过电压。目前的试验标准规定，对额定电压在300kV以上的高压电气设备要进行操作冲击电压试验。这说明操作冲击电压下的击穿只对长间隙才有重要意义。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1、操作冲击电压波形操作过电压波形是随着电压等级、系统参数、设备性能、操作性质、操作时机等因素而有很大变化的。IEC推荐了250／2500us的操作冲击电压标准波形，我国国家标准也采用了这个标准波形。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

如图1-17所示，波形特征参数为：波前时间＝250us，允许误差为土20％；半峰值时间＝2500us，允许误差为土60％；峰值允许误差土3％；90％蜂值以上持续时间未作规定。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY图1-17操作冲击电压全波图中0点为实际零点，u为电压值，图中u＝1.0处为电压u峰值－电压值持续处于0.9倍电压峰值以上时间

－波前时间

－半峰值时间NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.操作冲击放电电压的特点U形曲线极性效应饱和现象分散性大

邻近效应返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.2.4大气条件对气体击穿的影响

湿度校正因数

空气密度校正因数

海拔高度的影响

NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY前面介绍的不同气隙在各种电压下的击穿特性均对应于标准大气条件和正常海拔高度。由于大气的压力、温度、湿度等条件都会影响空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程，所以也必然会影响气隙的击穿电压。

海拔高度的影响亦与此类似，因为随着海拔高度的增加，空气的压力和密度均下降。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY压力：p0=101.3kPa(760mmHg)；温度：t0=20摄氏度或T0=293K；绝对湿度：hc=11g/m3。国标规定的大气条件：正由于此，在不同大气条件和海拔高度下所得出的击穿电压实测数据都必须换算到某种标准条件下才能互相进行比较。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY上式不仅适用于气隙的击穿电压，也适用于外绝缘的沿面闪络电压。：空气密度校正因数：湿度校正因数实验条件下的气隙击穿电压与标准大气条件下的击穿电压之间关系：(1-66)NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY在进行高压试验时，也往往要根据实际试验时的大气条件，将试验标准中规定的标准大气条件下的试验电压值换算得出实际应加的试验电压值。下面分别讨论各个校正因数的取值：NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY湿度校正因数

正如在“负离子的形成”一段中所介绍的那样，大气中所含的水气分子能俘获自由电子而形成负离子，这对气体中的放电过程显然起着抑制作用，可见大气的湿度越大，气隙的击穿电压也会增高。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场强度都较大，电子的运动速度较快，不易被水气分子所俘获，因而湿度的影响就不太明显，可以忽略不计。

例如用球隙测量高电压时，只需要按空气相对密度校正其击穿电压就可以了，而不必考虑湿度的影响。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY在极不均匀电场中，湿度的影响就很明显了，这时可以用下面的湿度校正因数来加以修正：式中的因数k与绝对湿度和电压类型有关，而指数之值则取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。(1-68)返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY空气密度校正因数

空气密度与压力和温度有关。空气的相对密度：(1-67)式中－试验条件下的气压，Pa；－试验条件下的气温，℃；，－标准状态下的气压和气温NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY在大气条件下，气隙的击穿电压随的增大而提高。因而：（1-69）返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY海拔高度的影响

我国幅员辽阔，有不少电力设施(特别是输电线路)位于高海拔地区。随着海拔高度的增大，空气变得逐渐稀薄，大气压力和相对密度减小，因而空气的电气强度也将降低。海拔高度对气隙的击穿电压和外绝缘的闪络电压的影响可利用一些经验公式求得。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY我国国家标准规定：对于安装在海拔高于1000m、但不超过4000m处的电力设施外绝缘，其试验电压U应为平原地区外绝缘的试验电压乘以海拔校正因数足即：式中H－安装地点海拔高度，m。(1-70)返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.2.5提高气体击穿电压的措施电极形状的改进空间电荷对原电场的畸变作用极不均匀场中屏障的采用提高气体压力的作用高真空和高电气强度气体SF6的采用NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY为了缩小电力设施的尺寸，总希望将气隙长度或绝缘距离尽可能取得小一些，为此就应采取措施来提高气体介质的电气强度。从实用角度出发，要提高气隙的击穿电压不外乎采用两条途径：改善气隙中的电场分布，使之均匀；设法削弱和抑制气体介质中的电离过程。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1、电极形状的改进电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。因此，可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的最大电场强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电压。如：增大电极的曲率半径改善电极边缘使电极具有最佳外形NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2、空间电荷对原电场的畸变作用极不均匀电场气隙被击穿前先出现电晕放电。在一定条件下，可以利用放电本身所产生的空间电荷来调整和改善空间的电场分布，以提高气隙的击穿电压。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3、极不均匀场中屏障的采用在极不均匀场的空气间隙中，放入薄片固体绝缘材料(如纸或纸板)，在一定条件下可以显著地提高间隙的击穿电压。屏障的作用在于屏障表面上积聚的空间电荷，使屏障与板电极间形成较均匀的电场，从而使整个间隙的击穿电压提高。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

工频电压下，在尖—板电极中设置屏障可以显著提高击穿电压，因为工频电压下击穿总是发生在尖电极为正极性的半周内。

雷电冲击电压下，屏障也可提高正尖—板间隙的击穿电压，但是幅度比稳态电压下要小一些。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY4、提高气体压力的作用在常压下空气的电气强度比较低，约为30kV/cm。即使采取上述各种措施来尽可能改善电场，其平均击穿场强也不可能超越这一极限。可见，常压下空气的电气强度要比一般固体和液体介质的电气强度低得多。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY如果把空气压缩，使气压大大超过0.1MPa，它的电气强度能得到显著提高。这主要是因为提高气压可以大大减小电子的自由行程长度，从而削弱和抑制了电离过程。如能在采用高气压的同时，再以某些高电气强度气体（如SF6）代替空气，那就能获得更好的效果。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY5、高真空和高电气强度气体SF6的采用

采用高真空也可以减弱气隙中的碰撞电离过程，从而显著提高气隙的击穿电压。在电力设备中，实际采用高真空作为绝缘媒质的情况还不多，主要因为在各种设备的绝缘结构中大都还要采用各种固体或液体介质，它们在真空中都会逐渐释出气体，使高真空难以长期保持。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

有一些含卤族元素的强电负性气体电气强度特别高，因而可称之为高电气强度气体。采用这些气体来替换空气，可以大大提高气隙的击穿电压，甚至在空气中混入一部分这样的气体也能显著提高其电气强度。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY但仅仅满足高电气强度是不够的，还必须满足以下条件：液化温度要低，这样才能同时采用高气压；良好的化学稳定性，出现放电时不易分解、不燃烧或爆炸、不产生有毒物质；生产不太困难，价格不过于昂贵。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

SF6同时满足以上条件，而且还具备优异的灭弧能力，其他有关的技术也相当好，因此SF6及其混合气体在电力系统中得到了广泛应用。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY小结外施电压的种类包括稳态电压和冲击电压。稳态电压包括直流与工频电压，其特点为随时间的变化率很小。冲击电压包括雷电冲击电压和操作冲击电压，其特点为持续时间极短。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

均匀电场：无极性效应，击穿时间短，击穿电压分散性小；稍不均匀电场：击穿前无电晕，极性效应不明显，工频击穿电压峰值及50％冲击击穿电压几乎一致。

极不均匀电场：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)，极间距离对击穿电压的影响增大。

稳态电压作用下的击穿特点。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY50％冲击击穿电压比工频击穿电压的峰值要高一些；均匀电场和稍不均匀电场间隙的放电时延短，击穿的分散性小，冲击击穿通常发生在波峰附近；极不均匀电场间隙的放电时延长，冲击击穿常发生在波尾部分。雷电冲击电压作用下的击穿特点。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGYU形曲线极性效应

饱和现象

分散性大

邻近效应

操作冲击电压作用下的击穿特点。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY电极形状的改进空间电荷对原电场的畸变作用极不均匀场中屏障的采用提高气体压力的作用高真空和高电气强度气体的采用

提高气体击穿电压的措施

返回（本节完）NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY基本概念：闪络——沿着整个固体绝缘表面发生的放电。1.3固体绝缘表面的气体沿面放电在放电距离相同时，沿面闪络电压低于纯气隙的击穿电压。工程中的事故往往由沿面闪络造成，因此有必要研究沿面放电特性。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY高压绝缘子的分类：按结构分：（１）绝缘子在机械上起固定，电气上起隔离作用的固体高压绝缘部件。如悬式绝缘子、支柱绝缘子、横担绝缘子等。（２）套筒用作电器内绝缘的容器，如互感器瓷套、避雷器瓷套及断路器瓷套等。NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY（３）套管用作导电体穿过接地隔板、电器外壳和墙壁的绝缘件，如穿越墙壁的穿墙套管、变压器、电容器的出线套管等。按材料分：（1）电工陶瓷（2）钢化玻璃（3）硅橡胶、乙丙橡胶等有机材料NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGYNANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGYNANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGYNANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGYNANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGYNANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

1.3.1界面电场的分布

1.3.2均匀电场中的沿面放电

1.3.3极不均匀电场中的沿面放电

1.3.4绝缘子的污秽放电

1.3.5提高沿面放电电压的措施本节内容返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.3.1界面电场的分布界面电场的分布有以下三种典型情况：图1-21介质在电场中的典型布置方式（a）均匀电场（b）界面上电力线有强垂直分量（c）界面上电力线有弱垂直分量1－电极2－固体介质图1-21介质在电场中的典型布置方式（a）均匀电场（b）界面上电力线有强垂直分量（c）界面上电力线有弱垂直分量1－电极2－固体介质NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY(a)固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行；图1-21介质在电场中的典型布置方式（a）均匀电场（b）界面上电力线有强垂直分量（c）界面上电力线有弱垂直分量1－电极2－固体介质NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY(b)固体介质处于极不均匀电场中，且电力线垂直于界面的分量（垂直分量）比平行于表面的分量要大得多；图1-21介质在电场中的典型布置方式（a）均匀电场（b）界面上电力线有强垂直分量（c）界面上电力线有弱垂直分量1－电极2－固体介质NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY(c)固体介质处于极不均匀电场中，但在界面大部分地方，电场强度平行于界面的分量要比垂直分量大。图1-21介质在电场中的典型布置方式（a）均匀电场（b）界面上电力线有强垂直分量（c）界面上电力线有弱垂直分量1－电极2－固体介质返回NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY如图1－22，取决于材料的亲水性或憎水性沿面闪络电压的影响因素（一）固体绝缘材料特性图1-22均匀电场中不同介质的沿面闪络电压（工频峰值）的比较1-空气隙击穿2－石蜡3－瓷4－与电板接触不紧密的瓷（二）介质表面的粗糙度（三）固体介质与电极间的气隙大小1.3.2均匀电场中的沿面放电NANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY其中，前两种因素的影响在高气压时表现得更加明显，如图1-23所示：图1-23均匀电场中气压对氮气中沿面闪络电压的影响1-氮