气体放电（高电压技术课件）

1-4不同电压形式下空气间隙的击穿1-2均匀电场中的放电1-3不均匀电场中的放电1-1气体中带电质点的产生与消失1-5大气条件对空气击穿电压的影响1-6提高气隙击穿电压的措施1-7沿面放电与污秽放电1-8SF6气体的绝缘特性第一章气体放电1-1气体中带电质点的产生与消失学习目标1了解气体放电的类型、熟记电气强度的概念2了解原子的结构及电离的概念3熟知带电质点产生的形式及影响因素4熟知带电质点消失的形式及影响因素5领悟绝缘体与导体的辩证关系气体绝缘？概述一、何谓绝缘（作用）？隔离电位（相当于水库的大坝）

二、绝缘的一般分类二、绝缘的一般分类二、绝缘的一般分类二、绝缘的一般分类对变压器绝缘对有绕组设备二、绝缘的一般分类1.气体放电——气体由绝缘状态突变为良好导电状态的过程2.击穿电压——击穿时最低临界电压（kV）三、气体放电及相关概念3.击穿场强（电气强度）——均匀电场中击穿电压与间隙距离之比(kV/cm)如:空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm,SF6气体约为75-90kV/cm四、气体放电的类型

气体放电

统称为放电（discharge)

1-1气体中带电质点的产生与消失１、碰撞游离２、光游离３、热游离４、表面游离一、气体中带电质点的产生原子、原子核、激发、电离示意图能量能量中性原子激发游离原子核外的电子从离原子核较近的轨道跳到离原子核较远的轨道上去原子中的一个或几个电子完全脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子（即带电质点）1.碰撞游离自由行程λ:质点两次碰撞之间的距离。平均自由行程越大，越容易发生碰撞游离。平均自由行程与气体间的压力P成反比，与绝对温度T成正比。碰撞电离动画各种短波长的高能辐射线，如各种宇宙射线，紫外线、贝塔射线、X线等才有使气体产生光游离的能力。由光游离产生的自由电子称为光电子。超新星爆发宇宙射线2、光游离电磁波与高能射线3.热游离高温下，气体质点热运动所具有的动能大于气体的游离能，在互相碰撞中引起气体质点的游离。热游离是在热状态下产生碰撞游离和光游离的综合。4.表面游离金属电极加热（热电子发射）正离子撞击阴极短波光照射电极（光电效应）强电场发射4.表面电离：气体中的金属电极表面游离出自由电子的现象短波光照射正离子撞击阴极强场发射强电场（106V/cm数量级）一、气体中带电质点的产生二、气体中带电质点的消失1.漂移(定向运动消失于电极)从浓度较大的区域转移到浓度较小的区域影响因素：气体的压力越高或温度越低，扩散过程也就越弱。2.扩散

强烈的游离区总是强烈的复合区光辐射在一定条件下又可能成为导致光游离的因素3.复合正、负电荷的质点相遇，发生电荷的传递、中和而还原成中性质点的过程容易附着电子形成负离子的气体称为电负性气体，如氧气、氯气、氟气、水蒸气、六氟化硫等都属于电负性气体4.吸附效应（负离子的形成，阻碍放电发展）在电场作用下，气体中放电是不断发展以致击穿，还是气体尚能保持其电气强度而起绝缘作用，就取决于上述两种过程的发展情况。讨论本节的意义高电压技术—气体中带电质点的产生与消失气体中带电质点的产生与消失

气体中带电质点的产生2

气体中带电质点的消失3气气体放电概述1了解原子的结构及电离的概念学习目标了解带电质点产生的形式及影响因素了解原子的结构及电离的概念了解带电质点消失的形式及影响因素了解气体放电的相关概念、类型01气体放电相关知识1、气体放电—气体由绝缘状态突变为良好导电状态的过程2、击穿电压（Ub）—击穿时的最低临界电压（kV）3、击穿场强或电气强度（Eb）——在均匀电场中击穿电压与间隙距离之比(kV/cm)一.气体放电的相关知识

空气：在标准状态下的电气强度为30kV/cm

SF6气体：75-90kV/cm1.气体放电的相关概念2.气体放电的类型辉光放电电晕放电火花放电电弧放电一.气体放电的相关知识1.辉光放电2.火花放电3.电弧放电4.电晕放电5.刷状放电气体放电类型各种放电类型的特点：电源容量？气体压力？放电外形？温度高低？一.气体放电的相关知识3.气体放电的两种表现形式1.击穿（breakdown）2.闪络(flashover)一.气体放电的相关知识02气体中带电质点的产生与消失几个名词解释‹

激励‹

电离‹

电子平均自由行程‹

复合‹

电子崩5原子激励原子能级

以电子伏为单位1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J原子激励原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，所需能量称为激励能We，原子处于激励态激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子（光辐射）的频率υ，h普朗克常数We

=

hυ6原子电离原子电离在外界因素作用下，其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子电离过程所需要的能量称为电离能Wi

(ev)，也可用电离电位Ui（v）8二.气体中带电质点的产生知识准备：原子结构；原子的激发与电离绝缘配合能量能量中性原子激发电离激发：电子从离原子核较近的轨道跳到离原子核较远的轨道上去电离：一个或几个电子完全脱离原子核的束缚成为自由电子和正离子（即带电质点）知识准备：原子结构；原子的激发与电离二.气体中带电质点的产生气体中带电质点的产生形式１、电子或正离子与气体分子的碰撞电离２、各种光辐射（光电离）３、高温下气体中的热能（热电离）４、气体中的固体或液体金属的表面电离二.气体中带电质点的产生1.碰撞电离必要条件：撞击质点所具有的能量不小于被撞击质点在该种状态下所需的电离能m——电子的质量ν——电子的运动速度Wi——气体原子或分子的电离能二.气体中带电质点的产生1.碰撞电离m——电子的质量ν——电子的运动速度Wi——气体原子或分子的电离能影响碰撞电离能力的因素：1.平均自由行程越大，越容易发生碰撞游离。自由行程λ——质点两次碰撞之间的距离。2.平均自由行程又与气体间的压力P成反比，与绝对温度T成正比。一个重要概念：λ

∝二.气体中带电质点的产生超新星爆发宇宙射线2.光电离h——普朗克常数，4.14×10-15evsv——光的频率各种短波长的高能辐射线，如宇宙射线、贝塔射线、X线、紫外线等才有使气体产生光游离的能力。由光游离产生的自由电子称为光电子。在气体放电过程中，当处于激励状态的原子回到常态，以及异号带电质点复合时，都以光子的形式放出多余的能量。光电离产生的自由电子称为光电子。超新星爆发二.气体中带电质点的产生3.热游离气体在热状态下引起的电离过程称为热电离。在高温下的气体，由于气体分子运动加剧，可能发生电离现象。气体温度升高时，其热辐射光子的能量及数量也随着增大，光子与气体分子碰撞也可能发生光电离。因此，热电离实质上是在热状态下产生碰撞电离和光电离的综合。

K——玻尔茨曼常数1.38×10-23J/KT——热力学温度，K二.气体中带电质点的产生4.表面电离

4.正离子撞击阴极表面（二次发射）金属电极的表面电离出电子的过程。逸出功—从金属表面电离出电子所需要的最小能量。1.强电场发射（冷发射）2.金属电极加热（热电子发射）3.短波光照射电极（光电效应）二.气体中带电质点的产生1.漂移(定向运动消失于电极)二、气体中带电质点的消失电场力作用下，带电质点作定向运动，流入电极后被中和。带电质点在电场中作定向移动的平均速度称为驱引速度，驱引速度与电场强度、迁移率成正比。由于电子的质量和半径远小于离子，在定向移动过程中，电子的迁移率比离子大两个数量级，驱引速度也大两个数量级。03气体中带电质点的消失2.扩散2.电子的质量和直径远小于离子，使得电子热运动过程中所受到的碰撞的概率小得多，故电子的扩散作用比离子要强得多。影响因素1.气体的压力越高或温度越低，扩散过程也就越弱。带电质点在空间各处有趋于均匀的过程，带电质点总是从浓度较大的区域向浓度较小的区域扩散。扩散与气体热运动有关。三.气体中带电质点的消失3.复合1.异号电荷的浓度越大，复合的过程也越快速越强烈，强烈的电离区也是强烈的复合区。2.异号电荷的相对速度越小，相互作用的时间就越长，复合的可能性也就越大。3.气体中电子的运动速度比离子要大得多，故电子与正离子发生复合的概率很小，通常是先形成负离子，再发生正负离子的复合。气体中异号电荷的粒子相遇时，由带电质点还原为中性质点的过程称为复合。复合的过程是带电质点在接近时通过电磁力相互作用完成的（异号电荷间的静电力）。复合过程总是释放能量的。影响复合的因素三.气体中带电质点的消失4.吸附效应有些电子和气体原子或分子碰撞时，非但没有电离出新电子，碰撞电子反而被气体分子吸附而形成了负离子，称为吸附效应。容易吸附电子形成负离子的气体称为电负性气体，如氧、氯、氟、水蒸气和六氟化硫气体等。（负离子的形成，阻碍放电发展）三.气体中带电质点的消失气体中带电质点的产生与消失总结在电场作用下，气体中放电是不断发展以致击穿，还是气体尚能保持其电气强度而起绝缘作用，就取决于上述两种过程的发展情况。环保型C4F7N混合气体由于SF6气体具有优良的绝缘特性及稳定的化学性能，在电力设备中获得了广泛的应用。随着社会的发展，自然环境面临的压力越来越高，人们需要把环境保护作为一个更加优先的事项来处理，我国也提出了2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的目标。而SF6的温室效应潜在值（GWP）是CO2的23500倍，SF6的大规模应用，将会加剧全球变暖趋势，因此，寻找一种能代替SF6的气体显得非常必要，在探索的过程中，一种名为全氟异丁腈（C4F7N）的气体引起了人们的关注。C4F7N的分子量为195，沸点-4.7℃，凝固点-118℃，不可燃，化学性能稳定。纯净的C4F7N绝缘性能为SF6的2倍以上，GWP值为2100。当与CO2，N2等气体混合应用时，C4F7N的浓度为20%，即可达到与SF6相当的绝缘性能，而GWP值仅为SF6的2%。目前，国内外都已经开展了C4F7N在电力设备中的实践应用。拓展

C4F7N的分子结构普朗克常数普朗克被誉为量子力学之父，于1918年获得诺贝尔物理学奖，和爱因斯坦并称为20世纪最重要的两位物理学家。普朗克在研究热体辐射时，发现在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，每一份能量值只能取某个最小能量元的整数倍，这份能量值等于hν，ν为辐射电磁波的频率，h为一常量，这个常量h被称为普朗克常数。普朗克常数大小为6.63×10-34

J·s。除了普朗克常数外，还有一系列的普朗克常量，如普朗克时间、普朗克长度等。普朗克长度和普朗克时间，它们是指我们这个宇宙中存在的最小的尺度。其中普朗克长度的大小为1.62×10-35m。普朗克时间为5.39×10-44s，这是宇宙中最短的时间。拓展爱因斯坦与光电效应

电磁波高于某特定频率时，照射金属表面会产生电子，形成电流，这种现象称为光电效应。德国物理学家赫兹在1887年发现光电效应现象，而爱因斯坦是第一个对光电效应提出正确解析的人(1905年，爱因斯坦奇迹年)。金属表面在光辐照作用下发射电子，发射出来的电子叫做光电子。光频率大于某一临界值时方能发射电子，对应的光的频率为极限频率。极限频率取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长，与光的强度无关。拓展1-4不同电压形式下空气间隙的击穿1-2均匀电场中的放电1-3不均匀电场中的放电1-1气体中带电质点的产生与消失1-5大气条件对空气击穿电压的影响1-6提高气隙击穿电压的措施1-7沿面放电与污秽放电1-8SF6气体的绝缘特性第一章气体放电1-2均匀电场中的放电学习目标1知晓电场的类型（均匀、稍不均匀与不均匀）2了解气体放电的过程（从非自持放电到自持放电）3理解电子碰撞及电子崩过程4了解汤生理论的理论特点及适用范围5掌握巴申定律曲线并能定性说明6一般了解流注理论的理论特点及适用范围ABCO气隙放电时的伏安特性曲线iu1-2均匀电场的放电(1)线性段(2)饱和段(3)游离段(4)自持段OA段：电流随电压升高而升高AB段：电流仅取决于外离因素与电压无关BC段：电压升高碰撞电离增强但仍靠外电离维持(非自持)C点后：只靠外加电压就能维持(自持)一、气体放电过程的一般描述自持放电——仅需外加电场就能维持的放电过程非自持放电——需要外游离因素和外加电场共同作用维持的放电过程一、气体放电过程的一般描述ABCO

气隙放电时的伏安特性曲线iuOA段:由于外界催离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ABC一、气体放电过程的一般描述AB段：UI不变,呈饱和状态电场已足够将单位时间内产生的离子运到电极，故I仅取决于外界游离因素，与U无关。饱和电流密度数值极小10－19A/cm2数量级，一般表测不出来，仍是绝缘状态。ABC一、气体放电过程的一般描述自由电子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。BC段：但I仍很小，气体仍保持为绝缘体一、气体放电过程的一般描述当外施电压U＜Ub时，若取消外界游离因素，电子崩会消失，电流也将消失，这类放电称为非自持放电。非自持放电ABC一、气体放电过程的一般描述

C点后：当外施电压U≥Ub时，由于场强足够大，正离子撞击阴极会发生表面游离，释放出的电子又会引起电子崩，这时气体中的游离过程可只靠电场的作用自行维持，而不再需要外界游离因素，这就是自持放电。

自持放电非自持放电击穿电压ABC气体间隙击穿一、气体放电过程的一般描述为了解释上面试验结果，汤逊于1903年提出气体击穿机理，1910年提出气体击穿的判据。二、气体放电理论AV光照射20世纪初英国物理学家汤逊在均匀电场、低气压、短间隙的条件下进行了放电实验，根据实验结果提出了解释气体放电过程的理论，称为汤逊理论。（一）汤逊理论AV光照射电场类型均匀电场：气隙中各处电场强度相等（一）汤逊理论

γ——正离子的表面游离系数，表示一个正离子在电场作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面游离的电子数（一）汤逊理论(1)电子崩及α过程

α——电子碰撞游离系数，表示一个电子沿着电场方向行进的过程中，在单位距离内平均发生碰撞游离的次数。α与气体的种类、相对密度和电场强度有关β——正离子碰撞游离系数，表示一个正离子沿电场方向行进的过程中，在单位距离内平均发生碰撞游离的次数。β值极小，在分析时可予忽略。(3)γ过程(2)β过程电子崩？外游离→初始电子→电子个数2－4－8…2n→电子崩→产生的正离子撞击阴极发生表面游离→新的电子→(如果去掉外电离因素)仍有后继电子→放电自持（4）汤逊自持放电条件γ（eas一1)≥1物理意义？（5）巴申定律巴申试验（1889年）Ub=f(pd)U形曲线，有极小值（5）巴申定律巴申定律曲线呈U型，可解释如下：当d一定时

P↑→

↑→λ↓→电子动能↓→气体游离能力↓→击穿电压Ub↑

反之

P↓→

↓→碰撞次数↓↓→击穿电压Ub↑（5）巴申定律­­¯­­­¯­右半支­¯­¯左半支高气压、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、真空开关等）解释低气压、短间隙、均匀电场中的放电现象，即pd较小时。

pd过大，汤逊理论就不再适用。pd过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释：放电时间：很短放电外形：具有分支的细通道击穿电压：与理论计算不一致阴极材料：无关（6）汤逊理论的适用范围

但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pd较大的气隙的击穿过程（1）认为：电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，并且强调了空间电荷对电场的畸变作用（二）流注理论（2）过程：初崩产生大量空间电荷电场分布被畸变崩头、崩尾电场增强（使游离更强烈），崩内电场削弱（使复合更容易）向空间辐射大量光子光游离产生光电子被主崩正离子吸引二次崩产生与主崩汇合形成流注（导电性好）流注迅速发展流注贯穿两极间隙击穿（正流注的形成）流注理论认为电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，空间电荷对电场的畸变作用是产生光游离的重要原因。（二）流注理论空间电荷对电场的畸变作用由于电子崩中空间电荷的出现，原本均匀的电场被畸变得不均匀了。崩头前方附近的场强得到了加强，而崩头内部正、负电荷交界处的场强则被削弱了。崩尾部分的场强虽然也加强的，但加强的程度要比崩头前方附近的小得多。（二）流注理论外施电压大于气隙击穿电压时，首先形成主电子崩。当主崩接近阳极时，场强急剧增大，去游离过程增强，放射出大量光子。外围气体分子吸收光子能量后，发生光游离，产生二次电子崩。由于主崩头部的电子已进入阳极，场强减弱，二次电子崩头部的电子进入时，形成负离子。正、负离子混合的通道称为流注，随着崩尾场强的增大，不断有新的电子崩汇合进来，流注向阴极不断发展，直至贯穿两极。（二）流注理论流注的形成及发展过程（定性）流注发展速度较快：（1-2）×108cm/s电子崩为：1.25×107cm/s1-19（二）流注理论（3）流注自持放电条件初崩头部的电荷达到一定的数量（一般认为当ad

20或eαd=108）时便可以形成流注，而流注一旦形成，放电就可以转入自持（4）适用范围及局限性适用于长间隙、大气压，即pd较大的情况汤逊理论与流注理论互相补充，从而在广阔的pd范围内说明了不同的放电现象（二）流注理论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，所以流注发展非常快。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，而且具有分支。阴极材料大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。（二）流注理论高电压技术—均匀电场中的气体放电气体放电过程的一般概述1

气体放电理论（汤逊、流注）2目录CONTENTS均匀电场中的气体放电了解原子的结构及电离的概念学习目标知道巴申定律能定性说明及懂得在工程上的应用一般了解气体放电过程（非自持放电与自持放电）领会电子崩过程了解汤逊理论的理论特点及适用范围知晓电场的类型（均匀、稍不均匀与不均匀）一般了解流注理论的理论特点及适用范围01气体放电过程的一般描述电子崩与非自持放电阶段自持放电阶段气体放电一般过程气体放电的一般过程AB段：由外界因素产生的带电质点已全部参与了导电过程，气隙间电流趋于饱和，电压增大时，电流增大的幅度很小。（饱和段）C点后：气体介质突然变为良好的导电状态，电流急剧突增。（自持段）BC段：电子积累的动能已可引起碰撞电离，气隙中的带电质点骤增，流过气隙的电流随外加电压的增加而增大。（游离段）OA段：由外界因素催生电离，气隙中电流与电压成近似正比关系。（线性段）气体放电的一般过程OA段: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气体放电的一般过程外界电离因素AB段：电流几乎不变，呈饱和状态电场已足够将单位时间内产生的离子运到电极，故I仅取决于外界游离因素，与U无关。饱和电流密度数值极小10－19A/cm2数量级，一般表测不出来，仍是绝缘状态。ABC气体放电的一般过程自由电子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。——汤逊放电阶段BC段：但I仍很小，气体仍保持为绝缘体！气体放电的一般过程若取消外界游离因素，电子崩会消失，电流也将消失——非自持放电。非自持放电ABC气体放电的一般过程外施电压U＜Ub时

当外施电压U≥Ub时，由于场强足够大，正离子撞击阴极会发生表面游离，释放出的电子又会引起电子崩，这时气体中的游离过程可只靠电场的作用自行维持，而不再需要外界游离因素，这就是自持放电。

自持放电非自持放电击穿电压AC气体间隙击穿B气体放电的一般过程C点后：非自持放电自持放电当外界因素产生的电子崩到达阳电极，电子崩产生的电子被中和，由于没有后续电子崩，气隙的放电发展过程中断，放电随之减小至消失。气隙两端外加电压大于某值时，放电发生了质的改变，电子崩的产生不再依赖于外界因素而能自行维持和发展，持续发展的电子崩使得气隙间充满了大量的带电质点，最终导致气隙的击穿。气体放电的一般过程02气体放电理论汤逊放电理论与巴申定律流注理论气体放电理论气体放电理论为了解释上面试验结果，汤逊于1903年提出气体击穿机理，1910年提出气体击穿的判据。AV光照射20世纪初英国物理学家汤逊在均匀电场、低气压、短间隙的条件下进行了放电实验，根据实验结果提出了解释气体放电过程的理论，称为汤逊理论。气体放电理论——汤逊理论1.理论基础AV光照射电场类型1.理论基础气体放电理论——汤逊理论一个正离子撞击阴极从阴极表面逸出的自由电子数电子数计算模型1.理论基础气体放电理论——汤逊理论第一电离系数α：一个电子向阳极运动1cm路程中与质点相碰撞平均产生的自由电子数第二电离系数β：一个正离子向阴极运动1cm路程中与质点相碰撞产生的自由电子数（可忽略）第三电离系数γ：n0个电子在向阳极运动的过程中，行经距离x时变成了n个电子，再行经dx，增加的电子数为dn个，则：A、B—与气体性质有关的常数;

δ—空气相对密度,

E——电场强度，则有如下关系：电子数计算模型气体放电理论——汤逊理论1.理论基础n0个电子在电场作用下不断产生碰撞游离，发展电子崩，经距离d而进入阳极的电子数为：气隙临界击穿电压：自持放电条件可表达为：1.理论基础气体放电理论——汤逊理论物理意义？？？2.验证汤逊理论的巴申定律巴申试验（1889年）Ub=f（pd）即击穿电压与间隙距离及气体压力乘积的关系呈U形曲线，有一极小值。气体放电理论——汤逊理论巴申定律实验曲线的解释高气压、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、真空开关等）假设间隙距离d不变，改变间隙间的气体压力p时

P↓→

↓→碰撞次数（机会）↓↓（虽然λ↑）→击穿电压Ub↑P↑→

↑→λ↓→电子动能W↓→气体游离能力↓→击穿电压Ub↑对右半支：对左半支：适用于低气压、短间隙、均匀电场中的放电现象，即pd较小时。

3.汤逊理论的适用范围1）放电时间：很短？2）放电外形：具有分支的细通道？3）击穿电压：与理论计算不一致？4）阴极材料：无关？气体放电理论——汤逊理论无法解释：1.理论基础：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。电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，并且强调了空间电荷对电场的畸变作用。气体放电理论——流注理论（1）空间电荷对电场的畸变作用气体放电理论——汤逊理论空间电荷的出现，原本均匀的电场被畸变得不均匀了,表现在：1.崩头前方附近：场强得到了加强。2.崩头内部正、负电荷交界处：场强被削弱了。3.崩尾部分：场强加强，但加强的程度要比崩头前方附近的小得多。外施电压大于气隙击穿电压时，首先形成主电子崩。当主崩接近阳极时，场强急剧增大，去游离过程增强，放射出大量光子。外围气体分子吸收光子能量后，发生光游离，产生二次电子崩。由于主崩头部的电子已进入阳极，场强减弱，二次电子崩头部的电子进入时，形成负离子。正、负离子混合的通道称为流注，随着崩尾场强的增大，不断有新的电子崩汇合进来，流注向阴极不断发展，直至贯穿两极。气体放电理论——汤逊理论流注发展速度较快：（1-2）×108cm/s电子崩为：1.25×107cm/s气体放电理论——汤逊理论（2）正流注的形成及发展过程（定性）（3）流注自持放电条件

初崩头部的电荷达到一定的数量（一般认为ad

20或eαd=108）时便可以形成流注。气体放电理论——汤逊理论流注一旦形成，放电即转入自持。2.适用范围适用于长间隙、大气压中，即pd较大的情况。1）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，所以流注发展非常快。2）放电外形二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进具有概率性，而且具有分支。3）阴极材料大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。气体放电理论——汤逊理论汤逊理论与流注理论互相补充，从而在广阔的pd范围内说明了不同的放电现象。气体放电理论小结高电压技术—不均匀电场中的气体放电电场的分类01

电晕放电02目录CONTENTS

不均匀电场中气隙的击穿过程04不均匀电场中的气体放电

极性效应03

不均匀电场中气隙的击穿电压05了解原子的结构及电离的概念学习目标一般了解极性效应物理过程知晓电晕放电的现象熟知电晕放电的危害性熟练掌握限制电晕的思路与措施领会电晕放电的概念熟记极性效应结论（两个不等式）记住典型间隙击穿场强之比较（DC、工频AC下）01电场的分类一.电场的类型用电场不均匀程度f衡量U——间隙上外加的电压d——间隙间的最小距离棒-棒间隙棒-板间隙典型极不均匀间隙均匀电场：f=1稍不均匀电场：1<f<2极不均匀电场：f>4一.电场的类型稍不均匀电场极不均匀电场1.与均匀电场类似，间隙击穿前没有明显放电迹象。2.微弱的极性效应1.间隙击穿前在高场强区会出现蓝紫色光晕，并发出“咝咝”的响声（电晕放电）。2.有明显极性效应02电晕放电二.电晕放电1.电晕放电的概念不均匀电场中，气隙上电压升高至某一临界值时，在曲率半径较小的尖电极附近空间，局部场强将首先达到引起强烈游离的数值，在这局部区域内形成自持放电。二.电晕放电2.电晕放电的现象1.薄薄的淡淡的发光层2.伴有“咝咝”放电声3.发出臭氧气味均压环毛刺放电导线断股处放电电机槽部放电二.电晕放电3.电晕放电的危害1432引起能量损耗干扰周围无线电通信和测量腐蚀有机绝缘材料和金具噪声干扰二.电晕放电4.电晕放电限制措施例如超（特）高压线路采用分裂导线;有些高压电器采用空心薄壳的，扩大尺寸的球面或旋转椭圆面等形式的电极;采用管型空心硬母线等。最有效的措施就是增大电极的曲率半径，改进电极形状。500kV直流架空线路四分裂导线4.电晕放电限制措施二.电晕放电1100kV高压断路器4.电晕放电限制措施电晕放电在载流量不大的情况下,采用空心薄壳、扩大尺寸的电极结构4.电晕放电限制措施二.电晕放电我国设计要求：

1.220kV及以下输电线路要求在恶劣天气下也无可见电晕

2.500kV输电线路要求在好天气下夜间无可见电晕二.电晕放电电除尘消毒杀菌5.电晕放电的应用二.电晕放电03极性效应正棒—负板负棒—正板电子崩发展方向电子崩发展方向极性效应是由棒的极性不同时，间隙中的空间电荷对外电场的畸变作用不同引起的。无论棒的极性如何，棒极附近总为强电场区，该处气体首先发生游离，形成电子崩。三.极性效应0.空间电荷：电场畸变使棒附近电场减弱难于形成流注电场畸变使棒附近电场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）

UC（负棒—正板）＜UC（正棒—负板）1.起晕电压：正棒—负板负棒—正板三.极性效应正空间电荷在间隙深处产生的场强与外加电压产生的场强方向一致，加强了朝向板极的电场，有利于流注向间隙深处发展，故其击穿电压较低。

间隙深处的电场被削弱，使流注不易向前发展

Ub（负棒—正板）＜Ub（正棒—负板）2.击穿电压：正棒—负板负棒—正板三.极性效应起晕电压UC负棒—正板＜正棒—负板

击穿电压Ub负棒—正板＞正棒—负板

在间隙距离d相同时三.极性效应小结04极不均匀电场中气隙的击穿过程电子崩流注主放电电子崩流注主放电先导1.短间隙放电2.长间隙放电四.极不均匀电场中的气隙击穿过程具有热游离过程的通道称为先导通道1.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。2.短间隙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。电力工程系林建军制作由于间隙越长，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比短间隙的平均击穿场强低。四.极不均匀电场中的气隙击穿过程05极不均匀电场中气隙的击穿电压五.不均匀电场中空气间隙的击穿电压1.稍不均匀电场中空气击穿电压

电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高（即电气强度越高）。其极限就是均匀电场中的击穿电压（30kV/cm）典型电极结构：球-球间隙2.极不均匀电场中的击穿电压1）直流电压下的击穿电压直流击穿电压与间隙距离接近成正比正棒-负板间隙约为4.5kV/cm负棒-正板间隙约为10kV/cm棒-棒间隙约为5.4kV/cm五.不均匀电场中空气间隙的击穿电压棒-板棒-棒在距离小于1m的范围内，击穿电压与间隙距离的关系接近成正比。当间隙距离超过2m时，击穿电压与间隙距离的关系出现明显的饱和趋向，特别是棒-板间隙，其饱和趋向尤甚。五.不均匀电场中空气间隙的击穿电压2.极不均匀电场中的击穿电压2）工频电压下的击穿电压故在设计高压装置时，为了使结构紧凑，应尽量避免出现棒-板型间隙案例例：试估算750kV工频试验变压器高压出线端对墙的安全距离（安全系数取1.8）至少应为多大?解：米五.不均匀电场中空气间隙的击穿电压高电压技术—不同电压形式下的气体击穿特性冲击电压的标准波形1放电时延2目录CONTENTS

U50%及冲击系数

3伏秒特性4不同电压形式下的气体击穿特性不同电压形式下气隙的击穿电压5了解原子的结构及电离的概念学习目标了解U50%及冲击系数β的概念领会间隙击穿的两个必要条件（电压与时间）知道雷电与操作冲击电压的标准波形了解放电时间的组成及影响因素知道按作用时间长短的电压分类（持续与冲击）了解伏秒特性的概念及不同电场类型的V-t形状理解伏秒特性曲线的意义及在工程中的应用第一部分冲击电压的标准波形不同电压形式下的气体击穿特性见过吗？一.冲击电压的标准波形电压波形持续作用电压直流电压工频电压冲击电压雷电冲击操作冲击一.冲击电压的标准波形《高电压技术》课程林建军编写标准操作冲击电压波形：250/2500μs标准雷电冲击电压波形：1.2/50μs一.冲击电压的标准波形人工模拟雷电冲击下空气间隙的击穿一.冲击电压的标准波形第二部分放电时延不同电压形式下的气体击穿特性静态击穿电压U0长时间作用在气隙上能击穿气隙的最低电压。如果电压的瞬时值是变化的，或者所加的电压持续的时间很短，则击穿电压就不等于静态击穿电压，一般要高于静态击穿电压.间隙击穿的必要条件：充分的时间间隙击穿的必要条件：足够的电压二.放电时延放电时间tb=f(电场均匀程度、外加电压、外界照射)二.放电时延全部放电时间组成：tb=t0+ts+tf=t0+tlagtb──放电时间;t0──升压时间,电压从零升高到U0所需的时间;ts──统计时延,从电压升到U0的时刻起到气隙中形成第一个有效电子的时间;tf──放电形成时延,从形成第一个有效电子的时刻起到气隙完全被击穿的时间;t1ag──放电时延,t1ag=ts+tf第三部分U50%及冲击系数

不同电压形式下的气体击穿特性对于冲击电压波形，其幅值和时间都有一定的分散性，尤其是作用时间。所以对同一气隙加相同的冲击电压，有时候能击穿，有时候则不能击穿。保持冲击电压的波形不变，逐渐升高冲击电压的幅值，当气隙的击穿概率为50%时，这个电压称为“50%击穿电压”，是指气隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值，用U50%表示。1.50%冲击放电电压（U50%）U50%及冲击系数

50%冲击击穿电压与静态击穿电压U0的比值称为绝缘的冲击系数在均匀电场和稍不均匀电场中，β≈1，且击穿通常在波头附近在极不均匀电场中，β＞1，且击穿通常在波尾部分2.冲击系数

U50%及冲击系数

第四部分伏秒特性不同电压形式下的气体击穿特性1.伏秒特性的概念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。气隙击穿取决于两个因素作用电压U作用时间tbUtbUtb同样击穿因此冲击击穿特性必须用两者来综合表达！保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，记录击穿电压波形，读取击穿电压值U与击穿时间t当击穿发生在波前时，U与t均取击穿时的值；当击穿发生在波尾时，U取波峰值，t取击穿值四.伏秒特性2.伏秒特性的形状均匀或稍不均匀电场：

形状较为陡峭，分散性较大由于放电时间具有分散性，所以在每级电压下可得到一系列放电时间。实际上伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域

形状较为平坦，分散性较小极不均匀电场：四.伏秒特性四.伏秒特性3.伏秒特性的意义1）能全面反映间隙的冲击击穿特性2）电力系统防雷设计中绝缘配合的依据4.对绝缘配合的要求1）保护设备绝缘的伏秒特性曲线的上包线始终低于被保护设备的伏秒特性曲线的下包线2）保护设备绝缘的伏秒特性曲线应平坦一些，即采用电场比较均匀的绝缘结构t2t1S2S1S2t1t2S1：变压器S2：避雷器s1第五部分不同电压形式下气隙的击穿电压不同电压形式下的气体击穿特性1.均匀电场中（无极性效应）在不同形式电压下，其击穿电压相同（冲击系数β等于1），分散性很小在标准大气条件下，均匀电场中空气的电气强度约为30kV/cm五.不同电压形式下气隙的击穿电压2.稍不均匀电场中（有弱极性效应）与均匀电场类似，但在电场不对称时，有较弱的极性效应，且与极不均匀电场中的极性效应相反五.不同电压形式下气隙的击穿电压3.极不均匀电场中（1）直流电压下（有极性效应）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—负板五.不同电压形式下气隙的击穿电压（2）工频电压下（有极性效应）3.极不均匀电场中棒—板间隙的击穿总是在棒极性为正、电压达峰值时发生。击穿电压峰值稍低于直流击穿电压五.不同电压形式下气隙的击穿电压3.极不均匀电场中（3）雷电冲击电压下（有极性效应）长间隙时击穿电压与气隙距离呈线性关系五.不同电压形式下气隙的击穿电压3.极不均匀电场中（4）操作冲击电压下（有极性效应）长间隙时呈现“饱和”效应和“U”型关系对≥330KV超高压系统的绝缘设计起主要的决定作用五.不同电压形式下气隙的击穿电压高电压技术—大气条件对空气击穿电压的影响目录一、大气条件及对空气击穿电压的影响二、不同大气条件下空气击穿电压的换算大气条件及对击穿电压的影响知晓气压、温度、湿度对击穿电压的影响目标知道标准的大气条件参数、领会记录校正大气条件的意义知晓海拔高度对击穿电压的影响大气条件及对击穿电压的影响目标培养正确的科学精神与世界观树立“四个自信”，激发家国情怀能科普电力工程中的一些做法大国工匠与时代楷模精神大气条件及对击穿电压的影响

1.课前观看《超级电网》视频及思考大气条件及对击穿电压的影响想一想：大气条件有哪些基本状态参数？(压力、温度与湿度)猜一猜：不同的压力、温度与湿度，对电网的设计、建设及运行有无影响？若有，主要是哪方面的影响？头脑风暴：同样电压等级的输电线路，高原地区与平原地区的占用空间会一样大吗？（A）一样大（B）高原大（C）平原大大气条件及对击穿电压的影响

2.课中大气条件及对击穿电压的影响

一、大气条件及对击穿电压的影响大气条件及对击穿电压的影响1.我国电网建设成就的伟大举措充分证明美国、加拿大这样的西方国家的电网企业仅考虑经济价值，而我国作为社会主义国家，偏远地区人民和发达地区拥有同等的用电权（社会服务价值）！2.只有我国的国家体制才能成功实现精准扶贫、共同富裕！3.藏中联网工程这一举措充分说明中国特色社会主义体制的优越性：四个自信（道路自信、理论自信、制度自信和文化自信）

！

看完课前视频后，你的第一念头或感悟？一.大气条件及对击穿电压的影响p0——标准大气条件下的气压（101.3kPa）t0——标准大气条件下的温度（20℃）h0——标准大气条件下的湿度（11g/m3）大气条件的基本参数及标准大气状态一.大气条件及对击穿电压的影响1.气压、温度对击穿电压的影响P↑

↑Ub↑t↓

p——实际大气条件下的气压，kPa;t——实际大气条件下的温度，℃;p0——标准大气条件下的气压(101.3kPa);t0——标准大气条件下的温度(20℃)。2.湿度对击穿电压的影响结论：在极不均匀电场中,湿度增大后，气隙击穿电压随之提高！（理论与实验均表明）是否很意外？反直觉？现实不是你所见！——科学是形而上（抽象与演绎）后的形而下（实验与归纳），科学是假设后的验证，要达到验证结果的统一性、普遍性与可重复性。Why(难点)可想象在一个有粉尘的教室里打扫卫生...3.海拔高度对击穿电压的影响海拔高度H↑P↓↓Ub↓在海拔1000-4000m的范围内，海拔每升高100m，空气的绝缘强度约下降1%GB311.1-1997规定，对拟用于高海拔地区的外绝缘设备，在非高海拔地区进行试验时，其试验电压U应为U=KaU03.海拔高度对击穿电压的影响

二、不同大气条件下空气击穿电压的换算不同大气条件下空气击穿电压的换算同一气隙的击穿电压，在不同的大气压力、温度与湿度条件下，也有所不同。假设在标准大气条件下的击穿电压为U0，则不同的大气条件下的校正公式：Kd——空气相对密度校正系数;Kh——空气湿度校正系数不同大气条件下空气击穿电压的换算p——实际大气条件下的气压，kPa;t——实际大气条件下的温度，℃;p0——标准大气条件下的气压(101.3kPa);t0——标准大气条件下的温度(20℃)。参数Kd及Kh的求取不同大气条件下空气击穿电压的换算m值、w值和K值可以从以下两图中求取不同大气条件下空气击穿电压的换算现场试验设备不同大气条件下空气击穿电压的换算现场试验设备不同大气条件下空气击穿电压的换算对于按照高度超过1000m，低于4000m气隙，其击穿电压U应按规定的标准大气条件下的试验电压乘以系数kaH——安装地点的海拔高度，m。不同大气条件下空气击穿电压的换算这就带来了另一个问题，高等级意味着工程材料的几何数增长和翻倍，仅工程物料就超过100万吨，相当于10艘世界最大的航母及其10000架舰载机满载的总重量。而狭窄险峻的318国道重型物资的有效通行时间只有短短两个月的夏季窗口，不少路段只能单边通行。山体滑坡、路基塌陷更是家常便饭。要把100万吨的工程物料在有限的时间窗口内安全送上高原，这个运输过程的本身就是一次巨大的挑战。请问：藏中电网联网工程所有的设计施工调试人员伟大不伟大？名副其实的大国工匠！！！时代楷模！！！不同大气条件下空气击穿电压的换算3.课后

1.本节课堂反思2.下节课程预习220kV复合外套避雷器环形电极国产1000kV套管双环形屏蔽电极国产1000kV套管双环形屏蔽电极国产1200kV冲击电压发生器花格预习——如何提高气体击穿电压?高压套管预习——如何提高气体击穿电压?10kV真空断路器预习——如何提高气体击穿电压?气体（SF6）绝缘金属封闭开关设备预习——如何提高气体击穿电压?高电压技术—提高气体击穿电压的措施影响气体击穿电压的因素1目录CONTENTS提高气隙击穿电压的措施2提高气体击穿电压的措施了解原子的结构及电离的概念学习目标能学以致用，解释电力工程中的许多做法掌握并灵活应用改善电场分布的具体措施掌握并灵活应用削弱气体电离过程的具体措施知晓提高气体击穿电压的两个途径01影响气体击穿电压的因素不均匀电场的气隙平均击穿场强远低于均匀电场的平均击穿场强。1.电场形式（电场均匀程度）一.影响气体击穿电压的因素一.影响气体击穿电压的因素2.电压波形一是要有足够高的外施电压，二是要有充分的电压作用时间。电压波形不同，施加在气体间隙上的作用时间不同，气隙击穿电压幅值也不同。一.影响气体击穿电压的因素2.电压波形一是要有足够高的外施电压，二是要有充分的电压作用时间。电压波形不同，施加在气体间隙上的作用时间不同，气隙击穿电压幅值也不同。一.影响气体击穿电压的因素2.气体的性质和状态相同条件下，不同的气体其绝缘特性一般是不相同的。对于同一种气体介质，不同状态下，其电气强度也是不一样的。02提高气隙击穿电压的措施二.提高气体击穿电压的措施途径一是改善电场分布，使之尽量均匀二是削弱气隙中的游离过程二.提高气体击穿电压的措施1.改善电场分布，使之尽量均匀1）改变电极形状最常用的方法是增大曲率半径。如在变压器套管端部加球形屏蔽罩，避雷器端部加环形屏蔽罩等。另外，还要改善电气设备电极的表面及其边缘状况，应尽量光滑，尽量避免毛刺及棱角等。220kV复合外套避雷器环形电极国产1000kV套管双环形屏蔽电极国产1000kV套管双环形屏蔽电极国产1200kV冲击电压发生器花格特高压分裂导线1）改变电极形状1.改善电场分布，使之尽量均匀均压环与分裂导线1）改变电极形状1.改善电场分布，使之尽量均匀500kV管型母线与避雷器均压环1）改变电极形状1.改善电场分布，使之尽量均匀高压套管1）改变电极形状1.改善电场分布，使之尽量均匀“细线效应”就是当导线直径减小到一定程度后，气隙的工频击穿电压反而会随导线直径的减小而提高。因为细线周围发生了电晕放电，细线周围的均匀空间电荷层相当于扩大了细线的等效半径，从而改善了气隙中的电场分布。2）细线效应1.改善电场分布，使之尽量均匀3）采用绝缘屏障+电极d1屏障-电极无屏障有屏障屏障布置图在气隙中加入绝缘屏障后，屏障阻止了正离子的运动，使正离子聚集在屏障向着棒的一面，且由于同性电荷相互排斥，使其比较均匀地分布在屏障上，从而在屏障前方形成了比较均匀的电场，改善了整个间隙中的电场分布。1.改善电场分布，使之尽量均匀2.削弱气体的游离过程1)采用高气压2)采用高真空3)采用高电气强度SF6气体高电压技术—沿面放电沿面放电的一般物理过程1

悬式绝缘子串的电压分布2绝缘子的污闪及防范措施4绝缘子的干闪与湿闪3沿面放电了解原子的结构及电离的概念学习目标熟悉外绝缘电气性能指标：干闪湿闪污闪知晓电力系统绝缘事故的放电性质统计了解均匀电场中的沿面放电机理（Uf<Ub的原因）了解悬式绝缘子中的沿面放电并掌握提高Uf措施知晓内绝缘与外绝缘，击穿与闪络的区别（概念）明白污闪的条件及污闪的危害性了解附盐等值密度及爬电比距的概念了解高压套管中的沿面放电并掌握提高Uf措施了解支柱绝缘子中的沿面放电并掌握提高Uf措施熟练掌握提高污闪电压的措施击穿闪络：沿着固体表面的气体放电（沿面放电）：单一气体间隙的绝缘被破坏放电形式《高电压技术》林建军编写0.沿面放电概述电力系统中的绝缘事故大多表现为闪络形式极间距相同时击穿电压(Ub)与闪络电压(Uf)比较Uf<Ub,气体<Ub,固体沿面放电概述01沿面放电的一般物理过程一.沿面放电的一般物理过程1.均匀电场气隙的击穿总是发生在固体介质的表面，且Uf<Ub，这是因为（★）（1）固体介质表面不光滑→电场不均匀→Eb↓（2）固体介质表面吸潮→水分中的离子向两极移动→电场畸变→Eb↓（3）固体介质与电极接触存在小气隙→气隙先游离→局部放电→电场畸变→Eb↓思考:如何解释下