氣體的絕緣強(qiáng)度

1、第一篇高 電 壓 絕 緣 與 試 驗(yàn),第一章 氣體的絕緣強(qiáng)度,主要內(nèi)容,氣體放電的主要形式 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失 湯遜理論和流注理論 不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程 沖擊電壓下氣隙的擊穿特性 影響氣體放電電壓的因素 提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法 沿面放電,1 氣體放電的主要形式,1.1 氣體放電的基本概念,1.1.1 氣體放電 1.1.2 氣體的絕緣特性 1.1.3 氣體的電氣強(qiáng)度,1.1.1 氣體放電,氣體放電：氣體中流通電流的各種形式,氣體擊穿：氣體電絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)的過(guò)程,沿面閃絡(luò)：擊穿發(fā)生在氣體與液體、氣體與固體交界面上的放電現(xiàn)象,工程上將擊穿和閃絡(luò)統(tǒng)稱為放電,1.1.2 氣體的絕

2、緣特性,氣體指高壓電氣設(shè)備中常用的空氣、sf6、以及高強(qiáng)度混合氣體等氣態(tài)絕緣介質(zhì)。 空氣：架空線路、變壓器外絕緣； sf6： sf6斷路器和sf6全封閉組合電器,氣體失去絕緣后，雖然可以自動(dòng)恢復(fù)，但其放電所造成的事故已經(jīng)發(fā)生，因此我們要研究氣體的電氣強(qiáng)度,空氣是最廉價(jià)、應(yīng)用最廣、自動(dòng)恢復(fù)絕緣的氣體，因此我們主要研究空氣的放電,1.1.3 氣體的電氣強(qiáng)度,氣體的電氣強(qiáng)度表征氣體耐受電壓作用的能力,均勻電場(chǎng)中擊穿電壓ub與間隙距離之比稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)eb。我們把均勻電場(chǎng)中氣隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)eb稱為氣體的電氣強(qiáng)度。 空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電氣強(qiáng)度為30kv/cm,注意：不能把不均勻場(chǎng)中氣隙ub與間隙距離之比稱為

3、氣體的電氣強(qiáng)度，通常稱之為平均擊穿場(chǎng)強(qiáng),1.2 氣體放電的主要形式,注意：電暈放電時(shí)氣隙未擊穿，而輝光放電、火花放電、電弧放電均指擊穿后的放電現(xiàn)象，且隨條件不同，這些放電現(xiàn)象可相互轉(zhuǎn)換,常見(jiàn)放電形式 輝光放電 電暈放電 火花放電 電弧放電,2 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失,2.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生,氣體原子的激發(fā)和游離,2.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生,氣體原子的激發(fā)和游離,激勵(lì)： 原子外層電子躍遷到較遠(yuǎn)的軌道上去的現(xiàn)象。 激勵(lì)能： 產(chǎn)生激勵(lì)需要的能量。 電離： 使原來(lái)的一個(gè)中性原子變成一個(gè)自由電子和一個(gè)帶正電荷的離子的現(xiàn)象。 電離能：電離所需的最小能量（wi）。 分級(jí)電離：先經(jīng)過(guò)激勵(lì)再產(chǎn)生電離

4、的過(guò)程,2.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生,帶電粒子的運(yùn)動(dòng),當(dāng)氣體中存在電場(chǎng)時(shí)，粒子進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)和沿電場(chǎng)定向運(yùn)動(dòng),自由行程：一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在每?jī)纱闻鲎查g自由地通過(guò)的距離,平均自由行程：眾多質(zhì)點(diǎn)自由行程的平均值,p：氣壓k：波爾茲曼常數(shù) t：氣溫r：氣體分子半徑,常溫常壓下空氣中電子平均自由行程在10-5cm數(shù)量級(jí),2.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生,一）碰撞電離,電子或離子與氣體分子碰撞，將電場(chǎng)能傳遞給氣體分子引起電離的過(guò)程,因素： 外電場(chǎng)強(qiáng)弱； 能量的積累（移動(dòng)距離的大小,2.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生（續(xù)1,即使?jié)M足上述條件，不是每次碰撞都能引起電離,一）碰撞電離,wi為氣體分子的電離能,碰撞電離條件 當(dāng)電子從

5、電場(chǎng)獲得的動(dòng)能大于或等于氣體分子的電離能時(shí)，就可能使氣體分子分裂為電子或正離子，即,2.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生（續(xù)1,一）碰撞電離,在電場(chǎng)中，電子的平均自由行程大，且與氣體分子發(fā)生彈性碰撞（未發(fā)生電離），幾乎不損失能量。因此電離的主要因素是電子引起的電離,離子碰撞電離系數(shù)： 一個(gè)正離子沿電場(chǎng)方向行經(jīng)單位距離（1cm）時(shí)平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)，湯遜第二電離系數(shù),電子碰撞電離系數(shù)： 一個(gè)電子在電場(chǎng)力作用下，沿電場(chǎng)方向行經(jīng)單位距離（1cm）平均發(fā)生碰撞電離的次數(shù)，湯遜第一電離系數(shù),2.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生（續(xù)2,含義：由光輻射引起氣體分子電離的過(guò)程。 光電離產(chǎn)生的電子稱為光電子。 來(lái)源： 紫外

6、線、宇宙射線、x射線等； 異號(hào)帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合成中性質(zhì)點(diǎn)釋放出光子； 激勵(lì)態(tài)分子回復(fù)到正常態(tài)釋放出光子 條件,二）光電離,h：普朗克常數(shù)； c：光速 ：光頻率； ：光波長(zhǎng),或,2.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生（續(xù)2,三）熱電離 本質(zhì)：氣體分子熱狀態(tài)引起電離，是碰撞電離和光電離的綜合。 氣體分子平均動(dòng)能,電離度：氣體中發(fā)生電離的分子數(shù)與總分子數(shù)比值稱為該氣體的,常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離概率極小。 當(dāng)t10000k時(shí)才需考慮熱電離； 當(dāng)t20000k時(shí)，幾乎全部的分子都處于熱電離狀態(tài),空氣電離度m和溫度t的關(guān)系,熱電離條件,2.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生（續(xù)3,四）表面電離,含義： 金屬陰極表面發(fā)射電子的

7、過(guò)程。 逸出功：使陰極釋放出電子需要的能量。 （通常比氣體電離能小） 形式： 正離子碰撞陰極表面；（正離子能量大于2倍金屬逸出功） 光電效應(yīng)； （光子能量大于金屬逸出功） 強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射；（場(chǎng)強(qiáng)在103kv/cm數(shù)量級(jí)） 熱電子發(fā)射； （金屬電子動(dòng)能大于逸出功,2.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生（續(xù)3,表面電離系數(shù)： 折合到每個(gè)碰撞陰極表面的正離子使陰極金屬表面釋放出的自由電子數(shù)，湯遜第三電離系數(shù),四）表面電離,2.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生（續(xù)3,五）負(fù)離子的形成,附著：電子與中性分子相結(jié)合形成負(fù)離子的情況,電子附著系數(shù) ：電子行經(jīng)單位距離時(shí)附著于中性原子的電子數(shù)目,負(fù)離子的形成使自由電子數(shù)減少，因而對(duì)氣

8、體放電的發(fā)展起抑制作用,親和能：中性分子或原子與電子結(jié)合生成負(fù)離子所放出的能量。（親和能越大，越易與電子結(jié)合行程負(fù)離子,2.2 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失,一）電場(chǎng)作用下氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的定向運(yùn)動(dòng),帶電質(zhì)點(diǎn)一旦產(chǎn)生，在外電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成電導(dǎo)電流,帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度,電子的遷移率比離子大2個(gè)數(shù)量級(jí),b為帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)中的遷移率,二）帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散,帶電質(zhì)點(diǎn)從濃度較大區(qū)域轉(zhuǎn)移到濃度較小區(qū)域。（熱運(yùn)動(dòng)） 電子擴(kuò)散比離子擴(kuò)散高3個(gè)數(shù)量級(jí),2.2 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失（續(xù)1,正離子和負(fù)離子或電子相遇時(shí)，發(fā)生電荷的傳遞而相互中和還原為分子的過(guò)程，復(fù)合放出能量。 復(fù)合的質(zhì)點(diǎn)相對(duì)速度越大，復(fù)合概率越小。 復(fù)

9、合過(guò)程要阻礙放電的發(fā)展，但在一定條件下又可因復(fù)合時(shí)的光輻射加劇放電的發(fā)展。 放電過(guò)程中絕大多數(shù)是正、負(fù)離子之間復(fù)合，參加復(fù)合的電子絕大多數(shù)先形成負(fù)離子再與正離子復(fù)合,三）帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合,小 結(jié),氣體間隙中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失是氣體放電的一對(duì)基本矛盾，氣體放電的發(fā)展和終止取決于這兩個(gè)過(guò)程誰(shuí)占主導(dǎo)地位。 強(qiáng)電場(chǎng)下，氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生形式可以分為空間電離和表面電離。它們都與外界供給的能量有關(guān)，能量的形式主要是電場(chǎng)能、光輻射和熱能，而能量的傳遞靠電子、光子或氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)，其傳遞的過(guò)程主要是碰撞，它是造成氣體分子電離的有效過(guò)程,本 節(jié) 要 點(diǎn),激勵(lì)、激勵(lì)能、電離、電離能、分級(jí)電離的概念； 帶電質(zhì)點(diǎn)

10、的產(chǎn)生方式； 電離的主要方式、電離的原因及其條件； 自由行程和平均自由行程的概念； 異號(hào)帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合成中性原子（分子）時(shí)，光電子的產(chǎn)生過(guò)程； 表面電離比空間電離更容易的原因； 帶電質(zhì)點(diǎn)消失的各種方式及其特點(diǎn)； 電子親和能和電負(fù)性對(duì)氣體分子附著效應(yīng)的影響,3 湯遜理論和流注理論,3.1.1 非自持放電和自持放電,3.1.2 低氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的湯遜理論,3.1.3 巴申定律,3.2.1 空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變 3.2.2 高氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的流注理論 3.2.3 流注理論對(duì)放電現(xiàn)象的解釋,3.1 湯遜理論和巴申定律,3.2 流注理論,湯遜理論和流注理論,3.1.4 湯遜理論的適用范圍,

11、3.1 湯遜理論和巴申定律,3.1.1 非自持放電和自持放電 3.1.2 低氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的湯遜理論 3.1.3 巴申定律 3.1.4 湯遜理論的適用范圍,3.1.1 非自持放電和自持放電,非自持放電與自持放電的分界點(diǎn),氣體放電實(shí)驗(yàn)的伏安特性曲線,3.1.1 非自持放電和自持放電,氣體放電實(shí)驗(yàn)的伏安特性曲線,圖表示實(shí)驗(yàn)所得平板電極(均勻電場(chǎng))氣體中的電流i與所加電壓的關(guān)系：即伏安特性,氣體放電伏安特性,3.1.1 非自持放電和自持放電（續(xù)1,實(shí)驗(yàn)分析,oa段： 電流隨電壓升高而升高。這是由于電極空間的帶電粒子向電極運(yùn)動(dòng)加速而導(dǎo)致復(fù)合數(shù)的減少所致。 ab段： 電流僅取決于外電離因素與電壓

12、無(wú)關(guān)。電流趨向于飽和值，因?yàn)檫@時(shí)外界電離因子所產(chǎn)生的帶電粒子幾乎能全部抵達(dá)電極，所以電流值與所加電壓無(wú)關(guān)。 bc段： 當(dāng)電壓提高到時(shí)，電流又開(kāi)始隨電壓的升高而增大，這是由于氣隙中出現(xiàn)碰撞電離和電子崩。電壓升高碰撞電離增強(qiáng)但仍靠外電離維持(非自持) c點(diǎn)后：只靠外加電壓就能維持(自持,3.1.1 非自持放電和自持放電（續(xù)1,起始電壓u0 （非自持自持,均勻場(chǎng)：擊穿電壓ub,不均勻場(chǎng)：電暈起始電壓，氣隙仍絕緣，ubu0,如果取消外電離因素，那么電流也將消失，這類依靠外電離因素的作用而維持的放電叫非自持放電,氣隙中電離過(guò)程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素。外施電壓到達(dá)u0后的放電稱為自持放電

13、。u0稱為起始放電電壓,3.1.2 低氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的湯遜理論,一）電子崩,a) 電子崩的形成 (b) 帶電離子在電子崩中的分布,外界電離因子在陰極附近產(chǎn)生了一個(gè)初始電子，如果空間電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引起碰撞電離，產(chǎn)生一個(gè)新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。 依此，電子將按照幾何級(jí)數(shù)不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為電子崩,3.1.2 低氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的湯遜理論,n是包括起始電子在內(nèi)的電子崩中的電子數(shù)，它表征一個(gè)起始電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)過(guò)程到達(dá)陽(yáng)極時(shí)產(chǎn)生的電子數(shù),湯遜理論中的過(guò)程,設(shè)外電離因素在陰

14、極表面產(chǎn)生的起始電子數(shù)為n0，當(dāng)起始電子到達(dá)離陰極x處時(shí)，電子數(shù)為n，這n個(gè)電子行經(jīng)dx后，又會(huì)產(chǎn)生dn個(gè)新電子,即,3.1.2 低氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的湯遜理論,對(duì)e值敏感， 當(dāng)e/ 不變時(shí)，系數(shù) 與氣體相對(duì)密度成正比,湯遜理論中的過(guò)程,經(jīng)推導(dǎo)，得,a,b 常數(shù) ：空氣相對(duì)密度， p e：場(chǎng)強(qiáng),3.1.2 低氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的湯遜理論,湯遜理論中的過(guò)程 氣隙中碰撞電離而產(chǎn)生的正離子，即從陰極產(chǎn)生的一個(gè)電子消失在陽(yáng)極前，由過(guò)程形成的正離子數(shù)。即,3.1.2 低氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的湯遜理論,正離子消失在陰極前，由過(guò)程在陰極上釋放出二次電子數(shù)，即,表示由過(guò)程在陰極上重新產(chǎn)生一個(gè)電子，此

15、時(shí)不再需要外電離因素就能使電離維持發(fā)展，即轉(zhuǎn)入自持放電,湯遜理論中的過(guò)程,3.1.2 低氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的湯遜理論,自持放電條件,如自持放電條件滿足時(shí)，會(huì)形成下圖的閉環(huán)部分,3.1.2 低氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的湯遜理論,總結(jié)： 將電子崩和陰極上的過(guò)程作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。 湯遜理論的實(shí)質(zhì)是電子碰撞電離是氣體放電的主要原因，二次電子來(lái)源于正離子撞擊陰極表面使陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。 陰極逸出電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù),3.1.3 巴申定律,根據(jù)自持放電條件，導(dǎo)出擊穿電壓的表達(dá)式,a、b是與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，ub為氣溫不變

16、的條件下，均勻電場(chǎng)中氣體的自持放電起始電壓等于氣隙擊穿電壓,巴申定律： 當(dāng)氣體成份和電極材料一定時(shí)，氣體間隙擊穿電壓(ub)是氣壓(p)和極間距離(d)乘積的函數(shù),3.1.3 巴申定律,均勻電場(chǎng)中幾種氣體擊穿電壓ub與pd的關(guān)系,巴申曲線表明，改變極間距離d的同時(shí)，也相應(yīng)改變氣壓p而使pd的乘積不變，則極間距離不等的氣隙擊穿電壓卻彼此相等,3.1.3 巴申定律,3.1.3 巴申定律,原因：形成自持放電需要達(dá)到一定的電離數(shù)d，而這又取決于碰撞次數(shù)與電離概率的乘積。 高氣壓、高真空都可以提高擊穿電壓，工程上已得到廣泛應(yīng)用（如：壓縮空氣開(kāi)關(guān)、真空開(kāi)關(guān)等,3.1.4 湯遜理論的適用范圍,湯遜理論是在低

17、氣壓pd較小條件下建立起來(lái)的， pd過(guò)大，湯遜理論就不再適用。 pd過(guò)大時(shí)（氣壓高、距離大）湯遜理論無(wú)法解釋： 放電時(shí)間：很短； 放電外形：具有分支的細(xì)通道； 擊穿電壓：與理論計(jì)算不一致； 陰極材料：無(wú)關(guān)； 湯遜理論適用于pd26.66kpa cm,3.2 流注理論,3.2.1 空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變 3.2.2 高氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的流注理論 3.2.3 流注理論對(duì)放電現(xiàn)象的解釋,3.2 流注理論,湯遜放電理論所討論的是低氣壓、短氣隙的情況，但在高氣壓（101.3kpa或更高）、長(zhǎng)氣隙的情況 pd26.66kpa cm，湯遜理論將不適用。 以自然界的雷電為例，它發(fā)生在兩塊雷云之間或雷云與大

18、地之間，這時(shí)不存在金屬陰極，因而與陰極上的過(guò)程和二次電子發(fā)射根本無(wú)關(guān)。 氣體放電流注理論以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，它考慮了高氣壓、長(zhǎng)氣隙情況下不容忽視的若干因素對(duì)氣體放電的影響，主要有以下兩方面 空間電荷對(duì)原有電場(chǎng)的影響； 空間光電離的作用,3.2.1 空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變,d) 這些光子將導(dǎo)致空間光電離,a) 電子崩崩頭集中著電子，其后是正離子，形狀似半球形錐體,b) 空間電荷分布極不均勻，大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾的電場(chǎng)，削弱了電子崩內(nèi)部的電場(chǎng),c) 崩頭電場(chǎng)明顯增強(qiáng)，有利于分子和離子的激勵(lì)現(xiàn)象，當(dāng)它們從激勵(lì)態(tài)恢復(fù)到正常態(tài)時(shí)將放射出光子；電子崩內(nèi)部電場(chǎng)削弱，有助于復(fù)合將放射出光子,3.2.2 高氣壓下均勻電

19、場(chǎng)自持放電的流注理論,流注的形成和發(fā)展示意圖,3.2.2 高氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的流注理論（續(xù)1,起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩； 初崩發(fā)展到陽(yáng)極，正離子作為空間電荷畸變?cè)妶?chǎng)，加強(qiáng)正離子與陰極間電場(chǎng)，放射出大量光子； 光電離產(chǎn)生二次電子，在加強(qiáng)的局部電場(chǎng)下形成二次崩； 二次崩電子與正空間電荷匯合成流注通道，其端部有二次崩留下的正電荷，加強(qiáng)局部電場(chǎng)產(chǎn)生新電子崩使其發(fā)展； 流注頭部電離迅速發(fā)展，放射出大量光子，引起空間光電離，流注前方出現(xiàn)新的二次崩，延長(zhǎng)流注通道； 流注通道貫通，氣隙擊穿。 注：流注速度為108109cm/s，而電子崩速度為107cm/s,3.2.2 高氣壓下均勻電場(chǎng)自持放

20、電的流注理論（續(xù)2,流注條件： 必要條件是電子崩發(fā)展到足夠的程度，電子崩中的空間電荷足以使原電場(chǎng)明顯畸變，加強(qiáng)電子崩崩頭和崩尾處的電場(chǎng)；另一方面電子崩中電荷密度很大，所以復(fù)合頻繁，放射出的光子在這部分很強(qiáng)，電場(chǎng)區(qū)很容易成為引發(fā)新的空間光電離的輻射源，二次電子主要來(lái)源于空間光電離；氣隙中一旦形成流注，放電就可由空間光電離自行維持,流注自持放電條件,初崩頭部電子數(shù)要達(dá)到108時(shí)，放電才能轉(zhuǎn)為自持，出現(xiàn)流注,或,3.2.3 流注理論對(duì)放電現(xiàn)象的解釋,放電時(shí)間 二次崩的起始電子是光子形成的，而光子以光速傳播，所以流注發(fā)展非?？?放電外形 二次崩的發(fā)展具有不同的方位，所以流注的推進(jìn)不可能均勻，而且具有分

21、支,陰極材料 大氣條件下的氣體放電不依賴陰極表面電離，而是靠空間光電離產(chǎn)生電子維持，因此與陰極材料無(wú)關(guān),小 結(jié),1.湯遜理論只適用于pd值較小的范圍，流注理論只適用于pd值較大的范圍，二者過(guò)渡值為pd=26.66kpacm； (1)湯遜理論的基本觀點(diǎn)： 電子碰撞電離是氣體放電時(shí)電流倍增的主要過(guò)程，而陰極表面的電子發(fā)射是維持放電的必要條件。 (2)流注理論的基本觀點(diǎn)： 以湯遜理論的碰撞電離為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用，著重于用氣體空間光電離來(lái)解釋氣體放電通道的發(fā)展過(guò)程； 放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過(guò)程，當(dāng)初始電子崩中離子數(shù)達(dá)108以上時(shí)，引起空間光電離質(zhì)變，電子崩匯合成流注；

22、 流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持,小 結(jié),2. 引起氣體放電的外部原因有兩個(gè)，其一是電場(chǎng)作用，其二是外電離因素。 把去掉外界因素作用后，放電立即停止的放電形式稱為非自持放電；把由電場(chǎng)作用就能維持的放電稱為自持放電,3. 湯遜理論和流注理論自持放電條件的比較 (1)湯遜理論：自持放電由陰極過(guò)程來(lái)維持； 流注理論：依賴于空間光電離。 (2) 系數(shù)的物理意義不同,流注發(fā)展過(guò)程,初始電子崩（電子崩頭部電子數(shù)達(dá)到一定數(shù)量） 電場(chǎng)畸變和加強(qiáng)； 電子崩頭部正負(fù)空間電荷復(fù)合； 放射大量光子； 光電離； 崩頭處二次電子（光電子）； （向正空間電荷區(qū)運(yùn)動(dòng)）碰撞游離； 二次電子崩； （二次電子崩電子跑到初崩正空間電荷區(qū)

23、域）流注,本 節(jié) 重 點(diǎn),湯遜放電理論和流注理論的使用范圍； 湯遜放電描述的電子崩發(fā)展過(guò)程； 電子碰撞游離系數(shù)； 湯遜理論的自持放電條件及其物理解釋； 巴申定律及其在實(shí)際中的應(yīng)用； 流注理論與湯遜理論在考慮放電發(fā)展因素上的不同； 流注及其放電的發(fā)展過(guò)程； 流注及自持放電的形成條件,4 不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程,4.1 電場(chǎng)不均勻程度的劃分,4.2 稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿過(guò)程,不均勻電場(chǎng)放電過(guò)程,4.3 極不均勻電場(chǎng)中的擊穿過(guò)程,4.3.1 電暈放電 4.3.2 極性效應(yīng) 4.3.3 長(zhǎng)間隙放電,4.1 電場(chǎng)不均勻程度的劃分,球隙的放電特性與極間距離的關(guān)系,1-擊穿電壓 2-電暈起始電壓 3-放電不

24、穩(wěn)定區(qū),4.1 電場(chǎng)不均勻程度的劃分（續(xù)1,電場(chǎng)越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓之間的差別越大； 從放電觀點(diǎn)看：電場(chǎng)的不均勻程度可以根據(jù)是否存在穩(wěn)定的電暈放電來(lái)區(qū)分； 從電場(chǎng)均勻程度看：可用電場(chǎng)的不均勻系數(shù)劃分,f4時(shí)為極不均勻電場(chǎng),emax：最大場(chǎng)強(qiáng)； eav： 平均場(chǎng)強(qiáng),4.2 稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿過(guò)程,稍不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程與均勻電場(chǎng)相似，屬于流注擊穿，擊穿條件就是自持放電條件，無(wú)電暈產(chǎn)生。 但稍不均勻電場(chǎng)中場(chǎng)強(qiáng)并非處處相等， 電離系數(shù)是空間坐標(biāo)x的函數(shù)，因此自持放電條件為,4.3 極不均勻電場(chǎng)中的擊穿過(guò)程,4.3.1 電暈放電 4.3.2 極性效應(yīng) 4.3.3 長(zhǎng)間隙放電,4.3.1

25、 電暈放電,定義：由于電場(chǎng)強(qiáng)度沿氣隙的分布極不均勻，因而當(dāng)所加電壓達(dá)到某一臨界值時(shí)，曲率半徑較小的電極附近空間的電場(chǎng)強(qiáng)度首先達(dá)到了起始場(chǎng)強(qiáng)e0，因而在這個(gè)局部區(qū)域出現(xiàn)碰撞電離和電子崩，甚至出現(xiàn)流注，這種僅僅發(fā)生在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)（小曲率半徑電極附近空間）的局部放電稱為電暈放電。 。 特點(diǎn)：電暈放電是極不均勻電場(chǎng)特有的自持放電形式，電暈起始電壓低于擊穿電壓，電場(chǎng)越不均勻其差值越大,4.3.1 電暈放電,不良影響： 能量損耗；通信干擾；化學(xué)腐蝕等。 解決方法： 增大電極曲率半徑；采用擴(kuò)徑導(dǎo)線等。 其它應(yīng)用： 削弱輸電線路雷電沖擊或操作沖擊電壓幅值陡度；制造臭氧發(fā)生器、電暈除塵器等,電暈放電的起始電壓一般用經(jīng)

26、驗(yàn)公式來(lái)推算，應(yīng)用最廣的是皮克公式，電暈起始場(chǎng)強(qiáng)近似為,m：導(dǎo)線表面粗糙系數(shù); :空氣相對(duì)密度； r: 導(dǎo)線半徑（cm,4.3.2 極性效應(yīng),極性效應(yīng) 在極不均勻電場(chǎng)中，放電一定從曲率半徑較小的那個(gè)電極表面開(kāi)始，與該電極極性無(wú)關(guān)。但后來(lái)的發(fā)展過(guò)程、氣隙的電氣強(qiáng)度、擊穿電壓等都與該電極的極性有密切的關(guān)系。極不均勻電場(chǎng)中的放電存在著明顯的極性效應(yīng),極性決定于表面電場(chǎng)較強(qiáng)的電極所具有的電位符號(hào)： 在兩個(gè)電極幾何形狀不同時(shí)，極性取決于曲率半徑較小的那個(gè)電極的電位符號(hào)，如“棒-板”氣隙。 在兩個(gè)電極幾何形狀相同時(shí)，極性取決于不接地的那個(gè)電極上的電位，如“棒-棒”氣隙,4.3.2 極性效應(yīng)（續(xù)1,1）自持

27、放電前階段 正空間電荷削弱棒極附近場(chǎng)強(qiáng)而加強(qiáng)外部電場(chǎng)，阻止棒極附近流注形成使電暈起始電壓提高； （2）自持放電階段 空間電荷加強(qiáng)放電區(qū)外部空間的電場(chǎng)，因此當(dāng)電壓進(jìn)一步提高時(shí)，強(qiáng)場(chǎng)區(qū)將逐漸向極板推進(jìn)至擊穿,正極性,4.3.2 極性效應(yīng)（續(xù)1,1）自持放電前階段：正空間電荷加強(qiáng)棒極附近場(chǎng)強(qiáng)而削弱外部電場(chǎng)，促進(jìn)棒極附近流注形成使電暈起始電壓降低。 （2）自持放電階段：空間電荷削弱放電區(qū)外部空間的電場(chǎng)，因此當(dāng)電壓進(jìn)一步提高時(shí)，電暈區(qū)不易向外擴(kuò)展，氣隙擊穿將不順利，因此負(fù)極性擊穿電壓比正極性高很多，完成擊穿所需時(shí)間也長(zhǎng)得多,負(fù)極性,4.3.2 極性效應(yīng)（續(xù)3,工程實(shí)際中，輸電線路外絕緣和高壓電器的外絕緣

28、都屬于極不均勻電場(chǎng)分布，在交流電壓下的擊穿都發(fā)生在正半波。 因此，考核絕緣沖擊特性時(shí)應(yīng)施加正極性的沖擊電壓,因此,4.3.3 長(zhǎng)間隙放電,4.3.3 長(zhǎng)間隙放電（續(xù)1,先導(dǎo)放電 特點(diǎn)：電子通過(guò)通道根部時(shí)由于劇烈的摩擦產(chǎn)生的熱電離過(guò)程 先導(dǎo)加強(qiáng)了前方電場(chǎng)，引起新的流注，使其進(jìn)一步伸展并逐級(jí)推進(jìn) 主放電 當(dāng)先導(dǎo)貫穿兩極，導(dǎo)致沿先導(dǎo)通道向反方向擴(kuò)展到棒極的主放電和最終擊穿,4.3.3 長(zhǎng)間隙放電（續(xù)2,流注通道電子被陽(yáng)極吸引 電子濃度 電流 流注中熱電離 電導(dǎo)，電流 流注變成高電導(dǎo)的等離子體（先導(dǎo)） 電場(chǎng)新流注先導(dǎo)不斷推進(jìn),5 沖擊電壓下氣隙的擊穿特性,5.1 雷電沖擊電壓下的擊穿,5.2 操作沖擊

29、電壓下的擊穿,沖擊電壓下氣隙的擊穿特性,5.2.1 操作沖擊電壓的形成,5.1.1 雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形,5.1.2 沖擊放電時(shí)延,5.1.3 雷電沖擊50擊穿電壓,5.1.4 伏秒特性,5.2.2 操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形,5.2.3 操作沖擊放電電壓的特點(diǎn),5.1 雷電沖擊電壓下的擊穿,5.1.1 雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形 5.1.2 沖擊放電時(shí)延 5.1.3 雷電沖擊50擊穿電壓 5.1.4 伏秒特性,5.1.1 雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形,5.1.2 沖擊放電時(shí)延,沖擊電壓變化速度很快，作用時(shí)間很短（s），與穩(wěn)態(tài)電壓作用時(shí)氣隙相比，它的放電時(shí)間就成為關(guān)注的重要因素。 實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)氣隙施加沖擊電壓使其

30、擊穿不僅需要足夠幅值的電壓，有引起電子崩并導(dǎo)致流注和主放電的有效電子，而且需要一定的電壓作用時(shí)間,5.1.2 沖擊放電時(shí)延（續(xù)1,沖擊放電的總時(shí)間為,5.1.2 沖擊放電時(shí)延（續(xù)2,短氣隙中（1cm以下），特別是電場(chǎng)均勻時(shí)，tfts，放電時(shí)延主要取決于ts。為減小ts： 可提高外施電場(chǎng)使氣隙中出現(xiàn)有效電子的概率增加 可采用人工光源照射，使陰極釋放出更多的電子 較長(zhǎng)氣隙時(shí)，放電時(shí)延主要決定于tf，且電場(chǎng)越不均勻， tf越大,5.1.3 雷電沖擊50擊穿電壓,定義：在多次施加同一電壓時(shí)，其中半數(shù)導(dǎo)致氣隙擊穿，以此反映氣隙的耐受沖擊電壓的能力。 特點(diǎn)：(1)在均勻和稍不均勻場(chǎng)中，擊穿電壓分散性小，

31、沖擊系數(shù) (2)在極不均勻電場(chǎng)中，由于放電時(shí)延較長(zhǎng)，其沖擊系數(shù) 擊穿電壓分散性也較大,5.1.4 伏秒特性,5.1.4 伏秒特性（續(xù)1,繪制伏秒特性的方法 保持沖擊電壓波形不變，逐級(jí)升高電壓使氣隙發(fā)生擊穿，記錄擊穿電壓波形，讀取擊穿電壓值u與擊穿時(shí)間t。 當(dāng)電壓不很高時(shí)擊穿一般在波長(zhǎng)發(fā)生；當(dāng)電壓很高時(shí)，擊穿百分比將達(dá)100，放電時(shí)延大大縮短，擊穿可能發(fā)生在波前發(fā)生 當(dāng)擊穿發(fā)生在波前時(shí)，u與t均取擊穿時(shí)的值；當(dāng)擊穿發(fā)生在波長(zhǎng)時(shí)， u取波峰值，t取擊穿值 50伏秒特性的繪制,5.1.4 伏秒特性（續(xù)2,極不均勻：平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)低，放電時(shí)延長(zhǎng)，曲線上翹； 稍不均勻：平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)高，放電時(shí)延短，曲線平坦

32、。 因此在避雷器等保護(hù)裝置中，保護(hù)間隙采用均勻電場(chǎng)，確保在各種電壓下保護(hù)裝置伏秒特性低于被保護(hù)設(shè)備,5.1.4 伏秒特性（續(xù)3,伏秒特性在絕緣配合中的應(yīng)用,5.2 操作沖擊電壓下的擊穿,5.2.1 操作沖擊電壓的形成 5.2.2 操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形 5.2.3 操作沖擊放電電壓的特點(diǎn),5.2.1 操作沖擊電壓的形成,電力系統(tǒng)的輸電線及電氣設(shè)備都有各自的電感和電容，由于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的突變（正常或故障）將導(dǎo)致電感和電容元件間電磁能的互相轉(zhuǎn)換，引起振蕩性的過(guò)渡過(guò)程 過(guò)渡過(guò)程會(huì)在電氣設(shè)備或局部電網(wǎng)上造成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常運(yùn)行的電壓，稱為操作過(guò)電壓 操作過(guò)電壓幅值與波形跟電力系統(tǒng)的參數(shù)有密切關(guān)系，由于其過(guò)渡

33、過(guò)程的振蕩基值是系統(tǒng)運(yùn)行電壓，因此電壓等級(jí)越高，操作過(guò)電壓幅值越高，最高可達(dá)到最大相電壓峰值的34倍,5.2.2 操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形,5.2.3 操作沖擊放電電壓的特點(diǎn),均勻場(chǎng)和稍不均勻場(chǎng)中 操作沖擊電壓的作用時(shí)間介于工頻電壓與雷電沖擊電壓之間。 操作沖擊50%沖擊放電電壓u50、直流放電電壓、工頻放電電壓等峰值幾乎相同，分散性不大，擊穿發(fā)生在波前部分，與半峰時(shí)間無(wú)關(guān)。 極不均勻場(chǎng)中 操作沖擊表現(xiàn)出許多不同的特點(diǎn),5.2.3 操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)（續(xù)1,u形曲線 左半支： 波前放電時(shí)延ub 右半支： 波前空間電荷遷移范圍 電極附近電場(chǎng)ub,5.2.3 操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)（續(xù)2,極性效應(yīng)

34、 在不同的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)中，正操作沖擊50%擊穿電壓比負(fù)極性低，一般均討論正極性的情況。 操作沖擊擊穿電壓不僅遠(yuǎn)低于雷電沖擊擊穿電壓，在某些波前時(shí)間內(nèi)，甚至比工頻擊穿電壓還低。 在同極性的雷電沖擊標(biāo)準(zhǔn)波作用下，棒-板間隙的擊穿電壓比棒-棒間隙時(shí)低得不多，而在操作過(guò)電壓下，前者比后者低得多 啟示：在設(shè)計(jì)高壓電氣設(shè)備時(shí)應(yīng)盡量 避免出現(xiàn)棒-板間隙,5.2.3 操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)（續(xù)3,飽和現(xiàn)象 原因：長(zhǎng)間隙下先導(dǎo)形成后，放電更易發(fā)展，這對(duì)于發(fā)展特高壓輸電技術(shù)是不利的；而雷電沖擊作用時(shí)間太短，其飽和不明顯，放電電壓與間隙距離一般呈線性關(guān)系。 分散性大 操作沖擊電壓下的氣隙擊穿電壓和放電時(shí)間的分散性都比雷

35、電沖擊電壓大得多,6 影響氣體放電電壓的因素,6.1 電場(chǎng)形式對(duì)放電電壓的影響,6.2 電壓波形對(duì)放電電壓的影響,影響氣體放電電壓的因素,6.3 大氣條件對(duì)放電電壓的影響,6.1 電場(chǎng)形式對(duì)放電電壓的影響,均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓 擊穿電壓等于起始放電電壓，且無(wú)極性效應(yīng)。 經(jīng)驗(yàn)公式： d-間隙距離，-空氣相對(duì)密度 稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓 極性效應(yīng)：負(fù)極性擊穿電壓略低于正極性,6.1 電場(chǎng)形式對(duì)放電電壓的影響（續(xù)1,極不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓 工程上常見(jiàn)電場(chǎng)大多數(shù)是極不均勻電場(chǎng) 工程上遇到極不均勻電場(chǎng)時(shí)，可由典型電極的擊穿電壓來(lái)修正絕緣距離，對(duì)稱電場(chǎng)參照“棒棒”電極數(shù)據(jù)；不對(duì)稱電場(chǎng)可參照“棒板”電極

36、數(shù)據(jù) 放電的分散性大，且極性效應(yīng)明顯,6.2 電壓波形對(duì)放電電壓的影響,均勻電場(chǎng)中 不同電壓波形下?lián)舸╇妷?峰值)相同，放電分散性小 稍不均勻電場(chǎng)中 不同電壓波形下?lián)舸╇妷夯鞠嗤烹姺稚⑿圆淮?，極性效應(yīng)不顯著 極不均勻電場(chǎng)中 直流、工頻及沖擊電壓間差別明顯,6.2 電壓波形對(duì)放電電壓的影響（續(xù)1,直流電壓下的擊穿電壓 棒-板間隙存在極性效應(yīng) 棒-棒電極擊穿電壓介于 不同極性棒-板之間,6.2 電壓波形對(duì)放電電壓的影響（續(xù)2,工頻電壓下的擊穿電壓 無(wú)論棒-棒或棒-板電極 擊穿都發(fā)生在正半周峰 值附近，分散性不大； 當(dāng)間隙距離不太大時(shí)， 擊穿電壓與間隙距離呈 線性關(guān)系；當(dāng)間隙距離 很大時(shí)，平均

37、擊穿場(chǎng)強(qiáng) 明顯降低，呈現(xiàn)出飽和 現(xiàn)象,6.2 電壓波形對(duì)放電電壓的影響（續(xù)3,沖擊電壓下的擊穿電壓 雷電沖擊擊穿電壓與 距離呈正比，無(wú)飽和； 操作沖擊電壓有明顯 的極性效應(yīng)和飽和現(xiàn)象,6.3 大氣條件對(duì)放電電壓的影響,不同大氣條件下測(cè)得的擊穿電壓必須換算到統(tǒng)一的參考條件下才能進(jìn)行比較； 我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件為：壓力：101.3kpa；溫度：20；絕對(duì)濕度：11g/m3 實(shí)際試驗(yàn)條件下的擊穿電壓和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓可通過(guò)相應(yīng)的校正系數(shù)換算： kd為空氣密度校正系數(shù) kh為濕度校正系數(shù),6.3 大氣條件對(duì)放電電壓的影響（續(xù)1,對(duì)空氣密度的校正 對(duì)濕度的校正 在極不均勻場(chǎng)中 對(duì)海拔高度的校正

38、 氣體性質(zhì)對(duì)放電電壓的影響,7 提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法,7.1.1 改進(jìn)電極形狀,7.2.1 高氣壓的采用,7.1 改善電場(chǎng)分布,7.2 削弱或抑制電離過(guò)程,提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法,7.1.2 空間電荷的利用,7.1.3 極不均勻電場(chǎng)中屏障的采用,7.2.2 高真空的采用,7.2.3 高電氣強(qiáng)度氣體（sf6）的采用,7.1 改善電場(chǎng)分布,7.1.1 改進(jìn)電極形狀 7.1.2 空間電荷的利用 7.1.3 極不均勻電場(chǎng)中屏障的采用,7.1.1 改進(jìn)電極形狀,一般說(shuō)來(lái)，電場(chǎng)分布越均勻，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)越高 改進(jìn)電極形狀、增大電極曲率半徑，可以改善電場(chǎng)分布，提高間隙擊穿電壓 電極表面盡量避免毛刺、

39、棱角等以消除電場(chǎng)局部增強(qiáng)的現(xiàn)象 如不可避免出現(xiàn)極不均勻電場(chǎng)，則盡可能采用對(duì)稱電場(chǎng)（棒-棒電極,7.1.1 改進(jìn)電極形狀（續(xù)1,7.1.2 空間電荷的利用,極不均勻電場(chǎng)中間隙被擊穿前先發(fā)生電暈現(xiàn)象，所以在一定條件下，可以利用放電產(chǎn)生的空間電荷來(lái)改善電場(chǎng)分布，提高擊穿電壓。 例如：導(dǎo)線與平板間隙中，導(dǎo)線直徑很小時(shí)，導(dǎo)線周圍容易形成比較均勻的電暈層，由于電暈層比較均勻，電場(chǎng)分布改善，提高了擊穿電壓,7.1.3 極不均勻電場(chǎng)中屏障的采用,在極不均勻電場(chǎng)中，放入薄片固體絕緣材料，在一定條件下可以顯著提高間隙的擊穿電壓 例如：正針-板電極中設(shè)置屏障后，正離子將在屏障上集聚，由于同號(hào)排斥作用，正離子沿屏障表

40、面均勻分布，在屏障前方從而形成較均勻的電場(chǎng)，改善了電場(chǎng)分布，提高了擊穿電壓,7.2 削弱或抑制電離過(guò)程,7.2.1 高氣壓的采用 7.2.2 高真空的采用 7.2.3 高電氣強(qiáng)度氣體（sf6）的采用,7.2.1 高氣壓的采用,采用高氣壓可以減少電子的平均自由行程，削弱電離過(guò)程，提高擊穿電壓 在高氣壓下，電場(chǎng)均勻程度下降，擊穿電壓將劇烈降低，因此采用高氣壓的電氣設(shè)備應(yīng)使電場(chǎng)盡可能均勻 在高氣壓下，電極表面狀態(tài)（粗糙度）對(duì)擊穿電壓影響顯著 高氣壓下應(yīng)盡可能改進(jìn)電極形狀，改善電場(chǎng)分布，電極應(yīng)仔細(xì)加工光潔，氣體要過(guò)濾（濾去塵埃和水份）處理,7.2.2 高真空的采用,在高真空中，電子的平均自由行程遠(yuǎn)大于