气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘

气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘主要内容2.1气体放电主要形式简介2.2带电质点的产生2.3带电质点的消失2.4均匀电场中气体击穿的发展过程2.5不均匀电场中气体击穿的发展过程2.6持续作用电压下空气的击穿电压2.7雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性2.8操作冲击电压下空气间隙的击穿电压2.9提高气体间隙击穿电压的措施2精选ppt空气中存在带电粒子（宇宙射线等辐射电离作用）。击穿：气体由绝缘态变为良导电态的过程。沿面闪络：气体-液体，气体-固体界面的击穿过程。击穿电压：发生击穿的临界电压。击穿场强：击穿电压与间隙距离的比（介电强度）。第一节气体放电主要形式简介气体中流通电流的各种形式气体放电3精选ppt第一节气体放电主要形式简介辉光放电电弧放电火花放电电弧放电4精选ppt第一节气体放电主要形式简介5精选ppt第一节气体放电主要形式简介电晕放电刷形放电火花/电弧放电不均匀电场下6精选ppt第一节气体放电主要形式简介7精选ppt第二节带电质点的产生带电质点的产生是形成放电的基础。一、原子的激励和电离(一)原子的能级能级：根据原子中电子的能量状态，原子具有一系列可取的确定能量状态，称为能级。8精选ppt第二节带电质点的产生(二)原子的激励和电离原子核基态电子能量激励电离电离能复合一次电离：中性原子失去最外层电子。9精选ppt第二节带电质点的产生(二)原子的激励和电离气体电离能N215.5O212.5CO213.7SF615.6H215.4H2O12.710精选ppt第二节带电质点的产生二、气体中质点的自由行程

：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞次数的倒数。11精选ppt第二节带电质点的产生二、气体中质点的自由行程受温度和气压影响电子的

要比分子和离子的大得多

的性质反映了带电质点自由运动的能力空气中电子平均自由行程0.1微米12精选ppt第二节带电质点的产生三、气体中带电质点的产生带电粒子的来源源于气体内部源于电极碰撞电离热电离光电离正离子碰撞光电子发射热电子发射强场发射13精选ppt第二节带电质点的产生三、气体中带电质点的产生(一)碰撞电离中性原子电子E电子动能电离能气体中产生带电粒子的最主要原因14精选ppt第二节带电质点的产生三、气体中带电质点的产生(二)光电离中性原子光子能量电离能光子X射线、γ线15精选ppt第二节带电质点的产生三、气体中带电质点的产生(三)热电离—本质上与碰撞电离、光电离一致中性原子电子电子动能电离能高温在大电弧的情况下发生16精选ppt第二节带电质点的产生三、气体中带电质点的产生(四)负离子的形成E负极正极气体分子要有很高的电负性17精选ppt第二节带电质点的产生三、气体中带电质点的产生(四)负离子的形成电子亲和能元素电子亲合能（eV）电负性值F4.034.0Cl3.743.0Br3.652.8I3.302.518精选ppt第二节带电质点的产生四、金属表面电离(一)正离子碰撞阴极E负极正极正离子电子正离子的能量与金属电极的逸出功的关系19精选ppt第二节带电质点的产生四、金属表面电离(一)正离子碰撞阴极一些金属的逸出功金属逸出功（eV)铝4.08银4.73铜4.7铁4.48氧化铜5.34正离子从金属中释放自由电子的概率为0.01数量级20精选ppt第二节带电质点的产生四、金属表面电离(二)光电效应光子也可能被反射、吸收(热能)，仅一小部分使电子逸出E负极正极21精选ppt第二节带电质点的产生四、金属表面电离(三)场致发射一般气隙中不会发生，在高气压、高真空条件下可能存在E负极正极电场阈值22精选ppt第二节带电质点的产生四、金属表面电离(三)热电子发射E负极正极加热23精选ppt第三节带电质点的消失E负极正极带电粒子消失的三条途径：复合、扩散和中和复合中和扩散24精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程一、非自持放电和自持放电非自持放电：去掉外电离因素后放电随即停止。自持放电：仅由电场的作用而维持的放电自持放电起始电压25精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程二、汤逊气体放电理论(一)过程引起的电流1、电子崩的形成E负极正极初始电子碰撞电离电子倍增碰撞电离电子崩崩头崩尾26精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程2、过程引起的电流电子碰撞电离系数α1cm，碰撞电离平均次数电子数：电流：27精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程3、的分析α的定义E增大，α急剧增大；p很大或很小时，α均很小。28精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程3、的分析29精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程3、的分析30精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程(二)、及过程同时引起的电流1.过程过程:正离子沿电场方向行经1cm时，平均发生的碰撞电离次数。过程:正离子碰撞阴极，气体空间形成的光子引发的电极表面光电离。31精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程2、及过程同时引起的电流单位时间内阴极单位面积产生电子总数：到达阳极后的电子总数为：于是可建立关系式：32精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程3、系数的大致数值于是可得：33精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程(三)、均匀电场中的击穿电压1.自持放电条件在均匀电场下，就是击穿的条件2.击穿电压、巴申定律温度不变时，均匀电场中气体击穿电压Ub是pd的函数。34精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程(三)、均匀电场中的击穿电压1.自持放电条件对于空气，击穿电压极小值对应(pd)min=0.57(cm·133Pa)35精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程(四)、汤逊理论的适用范围气压很低时(真空），场致发射起作用，机理改变。气压很高时，很多击穿现象无法在汤逊理论范围内解释。1.放电外形：带有分支的明亮细通道。2.放电时间：放电时间较长（理论值）3.击穿电压：在pd较大时，计算值与实测值的差别较大。4.阴极材料：在大气压下空气中实测得到的击穿电压与阴极材料无关。适用于pd<200(cm·133Pa)的条件36精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(一)、在电离室中进行放电发展的实验研究电离室：利用饱和蒸汽束缚气体放电形成的带电粒子，使放电轨迹得以记录和显示。37精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展负极正极E38精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(一)、在电离室中进行放电发展的实验研究电子崩的特征：从阴极向阳极发展，呈锥形；电子崩发展速度1.25×10E7cm/s;电子崩可互不影响的向前发展。流注的特征：电离特强的放电区；发展形式受偶然原因影响，通道呈现一定随机性；发展速度明显高于电子崩，有正、负流注之分。39精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(二)、电子崩电子数目呈几何级数迅速增多，40精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(三)、流注的形成E负极正极正流注：由正极向负极发展的流注放电过程。发展速度：1-2×10E6m/s41精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(三)、流注的形成负流注：由负极向正极发展的流注放电过程发展速度：7-8×10E5m/sE负极正极42精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(四)、均匀电场中的击穿电压1、自持放电条件流注形成，则出现新的电离因子，放电进入自持。常温常压下，此常数为10E8数量级。43精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(四)、均匀电场中的击穿电压2、击穿电压击穿电压表达式与汤逊理论相同，但物理过程差异很大。3、系数44精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(五)、流注理论对pd很大时放电现象的解释1、放电外形流注通道曲折，带有分支。2、放电时间光子以光速传播，二次电子崩跳跃式发展，故速度快。3、阴极材料由于光电离的作用，使击穿电压与阴极材料基本无关。45精选ppt第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(六)、pd不同时，放电过程发生变化的解释1、pd较小时电子崩释放的光子容易被电极吸收，形成电极光电离。由于气压低，带电质点容易移动，不足以形成空间电荷效应。2、pd较大时电子崩释放的光子容易被空气吸收，高气压也使得空间电荷容易大量积累。46精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程一、稍不均匀电场和极不均匀电场的特征电晕放电刷形放电气隙击穿电场均匀程度不同，放电发展过程也不同47精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程以同轴圆筒电极说明电场均匀程度对放电机理的影响电场越不均匀，衰减的越快48精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程以同轴圆筒电极说明电场均匀程度对放电机理的影响主要特征：电场比较均匀：在整个间隙的数值都很大。电场不均匀程度变大：在间隙中大部分区域的数值都很大。电子崩主要贴近内电极产生。电场极不均匀：的分布极不均匀。易在内电极附近形成蓝紫色晕光(电晕)。电压继续提高，间隙才能击穿。可以用能否形成稳定的电晕放电来划分电场的不均匀程度49精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程二、稍不均匀电场中的自持放电条件和击穿稍不均匀电场中，是空间的函数将的表达式带入其中，并以同轴圆筒状电极为例：50精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程二、稍不均匀电场中的自持放电条件和击穿可见，起始电压可写成：放电相似定律：不均匀电场中，温度不变时，对于几何相似间隙，其起始电压是气体压力和决定间隙形状的某个几何尺寸间乘积的函数。气体压力和间隙尺寸反比变化，则起始电压可以不变。51精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述曲率半径小的电极尖端发生的蓝紫色晕光状放电。极不均匀场的一种特有的自持放电形式。电晕现象52精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述电晕现象53精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述起始电压/场强外界电压很小，间隙放电取决于外电离因素，放电非自持，电流极小，一般仪器难以测量。电晕爆发后，电流突增，变为自持放电。电晕起始电压Uc电晕起始场强Ec54精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述外区空间电荷作用无论内电极正、负，外区空间电荷与内电极同号。施加电压提高，电晕层电离加强，电流增大；但外区电荷密度增加，削弱电晕层电场，使放电过程重回平衡。55精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述两种形式电子崩式：曲率半径小，电晕层薄，放电电流稳定，自持放电为汤逊放电形式流注式：电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现放电脉冲。若电极的曲率半径极小，电晕开始时就很强烈，一旦出现就以流注形式存在。56精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述电晕特征效应：1)、声、光、热

吱吱的响声

蓝紫色的晕光

周围气体温度升高57精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述电晕特征效应：2)、电风的作用

电子和离子高速运动与气体交换能量形成电风空气对电风的反作用使电晕电极舞动58精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述电晕特征效应：3)、高频脉冲作用

电晕引发的高频脉冲是造成无线电干扰的原因之一。59精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述电晕特征效应：4)、化学作用

形成臭氧、一氧化氮、二氧化氮和氨气等。产物会腐蚀金具、有机绝缘材料，使其老化，使用寿命减少。60精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述电晕特征效应：5)、能量损耗

电晕损耗是电力管理部门最重视的现象之一。在有些场合，电晕损耗的程度非常可观。61精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述电晕特征效应：6)、环境效应

电晕噪声影响人类的正常工作。62精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述电晕特征过电压波在传输线上行进时，电晕可削弱其幅值及陡度；电晕在静电除尘、臭氧发生器的应用。63精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(二)、电晕放电的脉冲现象实验现象64精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(二)、电晕放电的脉冲现象电压很低，放电电流小(0.1微安)，电流波形不规则。电压升高，突现显著电流，有重复脉冲波形。电压继续升高，电流脉冲幅值不变，频率增高，平均电流加大。电压继续升高，高频脉冲消失，转入持续电晕阶段。电压再升高，出现刷形放电，电流脉冲强烈不规则。击穿实验现象65精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(二)、电晕放电的脉冲现象现象解释电晕脉冲归因于外区空间电荷削弱电场的作用66精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(三)、电晕放电的起始电压/场强PEEK公式平行导线：同轴圆柱：球-球间隙：67精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(三)、电晕放电的起始电压/场强PEEK公式对策：（限制导线的表面场强）

采用分裂导线。

对220kV及以上的线路应采用分裂导线，例如220，500和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。

68精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿、极性效应(一)、长空气间隙中放电过程的实验研究69精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿、极性效应(一)、长空气间隙中放电过程的实验研究1.实验设备高速照相机象变换管光电倍增管光谱分析仪高速示波器70精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿、极性效应(一)、长空气间隙中放电过程的实验研究2.实验结果流注->先导->主放电正棒-负板负棒-正板71精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程1.非自持放电阶段

电晕放电起始前负极正极电离正空间电荷作用电离加强正电荷电子72精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程1.非自持放电阶段

电晕放电起始前正极负极电离正空间电荷作用电离减弱正电荷电子73精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程1.非自持放电阶段

电晕放电起始前极性效应：负电晕较正电晕容易发生74精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程2.流注发展阶段

流注放电正极负极电场加强，有利正流注发展电子崩流注场强增大流注加强放电75精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程2.流注发展阶段

流注放电负极正极电子崩流注场强不足流注熄灭棒极前流注加强混合质通道场强增大流注开始放电76精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程2.流注发展阶段

流注放电77精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程3.先导放电电压升高

流注不断汇入

电荷密度增大

温度高热电离

先导先导出现后平均击穿场强低78精选ppt第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程4.主放电先导相当于延伸电极把棒极电位向下牵引主放电也称“最后跳跃”79精选ppt第六节持续作用电压下空气的击穿电压一、均匀电场中的击穿电压其中，空气的相对密度电极间距击穿电压80精选ppt第六节持续作用电压下空气的击穿电压二、稍不均匀电场中的击穿电压(一)击穿电压试验数据1.击穿的一般规律稍不均匀电场的击穿和均匀电场相似:(a).击穿前不发生电晕(b).极性效应不明显(c).交流、直流、冲击电压下的击穿电压相同；分散性小。稍不均匀电场中，电场越均匀，其击穿电压就越高。81精选ppt第六节持续作用电压下空气的击穿电压二、稍不均匀电场中的击穿电压2.球-球间隙82精选ppt第六节持续作用电压下空气的击穿电压二、稍不均匀电场中的击穿电压(二).击穿电压的估算同轴和偏心圆柱同心和偏心圆球83精选ppt第六节持续作用电压下空气的击穿电压三、极不均匀电场中的击穿电压(一).直流电压作用下显著特征：极性效应平均击穿场强：正极性棒-板间隙：7.5kV/cm负极性棒-板间隙：20kV/cm棒-棒间隙：8.5kV/cm84精选ppt第六节持续作用电压下空气的击穿电压三、极不均匀电场中的击穿电压(一).直流电压作用下显著特征：极性效应平均击穿场强：正极性棒-板间隙：4.5kV/cm负极性棒-板间隙：10kV/cm正极性棒-棒间隙：4.8kV/cm85精选ppt第六节持续作用电压下空气的击穿电压三、极不均匀电场中的击穿电压(二).工频电压作用下特点：1、棒-板间隙击穿总是在棒的极性为正时击穿。2、击穿电压与距离近似成直线关系，大间隙下击穿电压有饱和趋势（见后页）3、平均击穿场强棒-棒间隙：3.8kV(有效值)/cm棒-板间隙：3.35kV(有效值)/cm

86精选ppt第六节持续作用电压下空气的击穿电压三、极不均匀电场中的击穿电压(二).工频电压作用下87精选ppt第七节雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性一、雷电冲击电压标准波形(一)造成雷电过电压的原因88精选ppt第七节雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性二、放电时延89精选ppt第七节雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性二、放电时延有效电子电极材料外施电压光照情况电场均匀度击穿过程间隙长度电场均匀度外施电压90精选ppt第七节雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性三、雷电冲击50%击穿电压击穿百分比为50%时的电压，称为~。工程上采用该值表征气隙的冲击击穿特性，一般认为外施10次冲击电压，发生4-6次击穿的电压就是该值。冲击系数β：U50%与Us之比。均匀或稍不均匀电场：β=1；极不均匀电场：β>191精选ppt第七节雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性三、雷电冲击50%击穿电压1.均匀或稍不均匀电场中，击穿强度与前述的稳态电压下相等。2.极不均匀电场中的击穿电压，放电时延长，在间隙较长时，击穿可能发生在波尾。92精选ppt第七节雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性三、雷电冲击50%击穿电压93精选ppt第七节雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性四、伏秒特性工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。保持波形不变仅改变幅值94精选ppt第七节雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性四、伏秒特性伏秒特性是一个有上下包络线的带状区域。工程上通常取平均伏秒特性或50%伏秒特性表示气隙的击穿特性。95精选ppt第七节雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性四、伏秒特性1）极不均匀电场（大间隙）平均击穿场强较低，放电时延较长，只有大大提高电压，才能缩短放电时延。∴S向左上角上翘2）较均匀电场（小间隙）间隙各处场强相差不大，一但出现电离，很快贯穿整个间隙，放电时延短。∴S只能在很小的时间内向上翘96精选ppt第七节雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性四、伏秒特性97精选ppt第八节操作冲击电压下空气间隙的击穿电压一、操作冲击电压推荐波形98精选ppt第八节操作冲击电压下空气间隙的击穿电压二、操作冲击50%击穿电压1.均匀或稍不均匀电场中，操作冲击的50%击穿电压与稳态值相同。2.在极不均匀电场中，操作冲击的50%击穿电压存在明显的