高電壓工程1(氣體擊穿)

1、高電壓技術高電壓技術孫巖洲孫巖洲電氣工程系電氣工程系High Voltage Technology電介質電介質(dielectric)：-在電場中能產生極化的物質，指通常條件下導電性能極差、在電場中能產生極化的物質，指通常條件下導電性能極差、在電力系統(tǒng)用作絕緣的材料。在電力系統(tǒng)用作絕緣的材料。-極化是指物質中電荷分離形成耦極子的過程極化是指物質中電荷分離形成耦極子的過程電介質電介質氣體電介質氣體電介質液體電介質液體電介質固體電介質固體電介質電介質從貯存電能的角度看電介質從貯存電能的角度看絕緣材料從隔離電流角度看絕緣材料從隔離電流角度看1 電介質的極化、電導和損耗電介質的極化、電導和損耗一一.電

2、介質的極化電介質的極化(dielectric polarization) 和介電常數(shù)和介電常數(shù)1. 極化：極化：在外加電場的作用下，電介質中的正、負在外加電場的作用下，電介質中的正、負電荷沿電場方向作有限位移或轉向，形成電矩（偶電荷沿電場方向作有限位移或轉向，形成電矩（偶極矩）極矩）極化對介電常數(shù)的影響：極化對介電常數(shù)的影響：UQ 束縛電荷束縛電荷UCQ00CUQQQ000CCQQr相對介電常數(shù)：相對介電常數(shù)： relative dielectric constant0E 0E電子式極化電子式極化2. 電介質的極化種類電介質的極化種類特點：存在于一切電介質，極化所需時間短，特點：存在于一切電介

3、質，極化所需時間短， 不隨頻率變化；不隨頻率變化；極化具有彈性，不損耗能量極化具有彈性，不損耗能量r離子式極化離子式極化特點：存在于離子結構電介質中，極化所需時間也很短；特點：存在于離子結構電介質中，極化所需時間也很短；極化具有彈性，無能量損耗；極化具有彈性，無能量損耗； 隨溫度升高而增大隨溫度升高而增大rE 有些電介質具有固有的電矩，即正、負電荷作用中心永不有些電介質具有固有的電矩，即正、負電荷作用中心永不重合，這種分子稱為極性分子，這種電介質稱為極性電介質，重合，這種分子稱為極性分子，這種電介質稱為極性電介質，例如膠木、橡膠、纖維素、蓖麻油、氯化聯(lián)苯等。例如膠木、橡膠、纖維素、蓖麻油、氯化

4、聯(lián)苯等。 每個極性分子都是偶極子，具有一定的電矩，但當不存在每個極性分子都是偶極子，具有一定的電矩，但當不存在外電場時，這些偶極子因熱運動而雜亂無序地排列著，宏觀電外電場時，這些偶極子因熱運動而雜亂無序地排列著，宏觀電矩等于零，整個介質對外并不表現(xiàn)出極性矩等于零，整個介質對外并不表現(xiàn)出極性出現(xiàn)外電場后偶極子沿出現(xiàn)外電場后偶極子沿電場方向轉動，作較有電場方向轉動，作較有規(guī)則的排列，規(guī)則的排列， 因而顯出因而顯出極性，這種極化稱為極性，這種極化稱為偶偶極子極化極子極化或或轉向極化轉向極化。UU電極電介質E0E 0E偶極子極化偶極子極化頻率太高時偶極子將來不及轉動，因而其頻率太高時偶極子將來不及轉動

5、，因而其r 值變小。溫值變小。溫度對極性電介質度對極性電介質r 值也有很大的影響。因為溫度較低時值也有很大的影響。因為溫度較低時分子間的聯(lián)系緊密，偶極子轉動困難。所以分子間的聯(lián)系緊密，偶極子轉動困難。所以r 很小。溫很小。溫度升高后分子熱運動加劇，阻礙極性分子沿電場取向，度升高后分子熱運動加劇，阻礙極性分子沿電場取向，使極化減弱。所以液體固體的使極化減弱。所以液體固體的r 在低溫下先隨溫度的升在低溫下先隨溫度的升高而增大，以后當熱運動變的較強烈時，高而增大，以后當熱運動變的較強烈時，r 又開始隨溫又開始隨溫度的上升而減小。度的上升而減小。特點：存在于極性電介質中，極化所需時間較長，特點：存在于

6、極性電介質中，極化所需時間較長， 與電源頻率有很大關系；極化消耗能量；與電源頻率有很大關系；極化消耗能量； 溫度過高或過低，溫度過高或過低， 都會減小都會減小rr空間電荷極化空間電荷極化(夾層極化夾層極化)3. 討論電介質極化的意義討論電介質極化的意義（）不同應用場合，對（）不同應用場合，對r 大小的要求不同大小的要求不同 （）在交流及沖擊電壓作用下，多層串聯(lián)介質場強與（）在交流及沖擊電壓作用下，多層串聯(lián)介質場強與r 成反比，要注意各種材料的成反比，要注意各種材料的 r值的配合；值的配合；（3 3）極化類型影響介質損耗，從而影響絕緣劣化和熱擊穿）極化類型影響介質損耗，從而影響絕緣劣化和熱擊穿特

7、點：特點：存在于復合介質、不均勻介質中；極化過程很緩慢存在于復合介質、不均勻介質中；極化過程很緩慢 ，只在直，只在直流流 和低頻交流下表現(xiàn)出來；極化伴隨著能量損耗和低頻交流下表現(xiàn)出來；極化伴隨著能量損耗 1221RRCC 為便于比較，將上述各種極化列為下表為便于比較，將上述各種極化列為下表極化種類極化種類產生場合產生場合所需時間所需時間能量損耗能量損耗產生原因產生原因電子式極化電子式極化任何電介質任何電介質10-15 s無無束縛電子運行束縛電子運行軌道偏移軌道偏移離子式極化離子式極化離子式結構電離子式結構電介質介質10-13 s幾乎沒有幾乎沒有離子的相對偏離子的相對偏移移偶極子極化偶極子極化極

8、性電介質極性電介質10-1010-2 s有有偶極子的定向偶極子的定向排列排列夾層極化夾層極化多層介質的交多層介質的交界面界面10-1 s數(shù)小時數(shù)小時有有自由電荷的移自由電荷的移動動二二. 電介質的電導電介質的電導(electrical conduction)定義：在電場的作用下，由帶電質點沿電場方向定義：在電場的作用下，由帶電質點沿電場方向 移動而形成電導電流移動而形成電導電流 要點：要點： 帶電質點主要是離子，也稱離子式電導帶電質點主要是離子，也稱離子式電導 指標：用電導率指標：用電導率(s/)表示表示 絕緣材料的電阻率絕緣材料的電阻率：1081020m導體的電阻率導體的電阻率：10-810

9、-4m半導體的電阻率：半導體的電阻率：10-4107m 電阻率電阻率/12.電介質電導與金屬電導的區(qū)別電介質電導與金屬電導的區(qū)別 TBAe/3.液體和固體電介質的液體和固體電介質的與溫度的關系：與溫度的關系： 帶電質點：電介質中為離子（固有離子，雜質離子）；帶電質點：電介質中為離子（固有離子，雜質離子）； 金屬中為自由電子金屬中為自由電子 數(shù)量級：電介質的數(shù)量級：電介質的小，泄漏電流小；金屬的電導電流很大小，泄漏電流小；金屬的電導電流很大 電導電流影響因素：電介質中由離子數(shù)目決定，對所含雜質、電導電流影響因素：電介質中由離子數(shù)目決定，對所含雜質、 溫度很敏感；金屬中主要由外加電壓決定，雜質、溫

10、度不是溫度很敏感；金屬中主要由外加電壓決定，雜質、溫度不是主要因素主要因素溫度溫度 熱運動加劇熱運動加劇離子遷移率離子遷移率 介質分子或雜質熱離解介質分子或雜質熱離解 電介質的電阻率具有負的溫度系數(shù)；金屬的電阻率具有正的溫電介質的電阻率具有負的溫度系數(shù)；金屬的電阻率具有正的溫度系數(shù)。度系數(shù)。 4. 固體電介質的體積電阻和表面電阻固體電介質的體積電阻和表面電阻體積電阻電介質內部絕緣狀態(tài)的真實反映體積電阻電介質內部絕緣狀態(tài)的真實反映表面電阻受介質表面吸附的水分和污穢影響表面電阻受介質表面吸附的水分和污穢影響水分起著特別重要作用。水分起著特別重要作用。 親水性介質（玻璃、陶瓷）表面電導大親水性介質（

11、玻璃、陶瓷）表面電導大 憎水性介質（石蠟、四氟乙烯、聚苯乙烯）憎水性介質（石蠟、四氟乙烯、聚苯乙烯） 表面電導小表面電導小 三三.電介質的損耗電介質的損耗(dielectric loss) 任何電介質在電場作用下都有能量損耗，包任何電介質在電場作用下都有能量損耗，包括由電導引起的損耗和由某些極化過程引起的損括由電導引起的損耗和由某些極化過程引起的損耗。電介質的能量損耗簡稱介質損耗。耗。電介質的能量損耗簡稱介質損耗。1. 介質損耗的含介質損耗的含義義2. 電介質的三支路等值電路電介質的三支路等值電路u1i1C2R2C3R2i3i321iiiiC1無損極化無損極化C2-R2有損極化有損極化R3電導

12、損耗電導損耗0)(sti1i3i2ii吸收曲線吸收曲線3. 電介質在直流電壓作用下的吸收現(xiàn)象電介質在直流電壓作用下的吸收現(xiàn)象321iiii |充充電電電電流流 |吸吸收收電電流流 |泄泄漏漏電電流流UI1IRI2CI23I2I4. 介質損耗角正切介質損耗角正切tg 交流電壓作用下的向量圖：交流電壓作用下的向量圖： 介質損耗角介質損耗角 為功為功率因數(shù)角率因數(shù)角 的余角，其的余角，其正切正切 tg 又可稱為介質損又可稱為介質損耗因數(shù)，常用百分數(shù)（耗因數(shù)，常用百分數(shù)（%）來表示。）來表示。并聯(lián)等值電路：并聯(lián)等值電路：CRIIIUpCpRRICIUICIRI并聯(lián)電路中：并聯(lián)電路中：pRRUIpCCU

13、ItgCUtgUIUIPpCR2ppppCRRCCURUIItg1/由相量圖：由相量圖：5. 用用tg作為綜合反映介質損耗特性優(yōu)劣的指標作為綜合反映介質損耗特性優(yōu)劣的指標 理由：介質損耗理由：介質損耗P值和試驗電壓值和試驗電壓U、試品等值電容、試品等值電容量、電源頻率等許多因素有關，而量、電源頻率等許多因素有關，而tg 是一個僅是一個僅取決于材料本身的損耗特征而與上述種種因素無取決于材料本身的損耗特征而與上述種種因素無關的物理量。關的物理量。tg 的增大，意味著介質絕緣性能變差，實踐中的增大，意味著介質絕緣性能變差，實踐中常通過測量常通過測量tg來判斷設備絕緣的好壞。來判斷設備絕緣的好壞。一切

14、電介質的電氣強度都是有限的，超過一切電介質的電氣強度都是有限的，超過某種限度，電介質就會喪失其原有的絕緣性能，某種限度，電介質就會喪失其原有的絕緣性能，甚至演變成導體。甚至演變成導體。在電場的作用下，電介質中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象：在電場的作用下，電介質中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象：在弱電場下，主要有極化、電導、介質損耗等在弱電場下，主要有極化、電導、介質損耗等1. 2. 在強電場下，主要有放電、閃絡、擊穿等在強電場下，主要有放電、閃絡、擊穿等氣體放電的基本理論：氣體放電的基本理論： 湯遜理論湯遜理論 流注理論流注理論研究氣體放電的目的：研究氣體放電的目的：了解氣體在高電壓（強電場）的作用下逐步由電介質了解氣體在

15、高電壓（強電場）的作用下逐步由電介質 演變成導體的過程；演變成導體的過程；掌握氣體介質的電氣強度及其提高的方法掌握氣體介質的電氣強度及其提高的方法Chapter 2. 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程基本概念回顧：基本概念回顧： 原子在外界因素作用下，使其一個或幾個原子在外界因素作用下，使其一個或幾個電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過程的過程電離電離電離能電離能 電離過程所需要的能量稱為電離電離過程所需要的能量稱為電離能能 ，也可用電離電位，也可用電離電位 反映。反映。)(eVWi)(VUi一次電離、二次電離一次電離、二次電離一般情況下

16、，氣體放電中主要只涉及一次電離的過程一般情況下，氣體放電中主要只涉及一次電離的過程施加能量施加能量WWi自由電子自由電子電離電離激勵激勵施加能量施加能量光子光子激勵激勵施加能量施加能量自由電子自由電子分級電離分級電離施加能量施加能量2.1 氣體中帶電粒子的產生與消失氣體中帶電粒子的產生與消失一一. 帶電粒子的產生帶電粒子的產生(電離過程）電離過程）1.碰撞電離：碰撞電離：氣體介質中粒子相撞，撞擊粒子傳給被氣體介質中粒子相撞，撞擊粒子傳給被 撞粒子能量，使其電離撞粒子能量，使其電離 根據(jù)引起電離所需的能量來源不同，對應如下幾根據(jù)引起電離所需的能量來源不同，對應如下幾種電離形式種電離形式是氣體中產

17、生帶電粒子的是氣體中產生帶電粒子的最重要的形式最重要的形式 電子引起碰撞電離的條件：電子引起碰撞電離的條件：qExiWqEWxiix條件：條件：撞擊粒子的總能量被撞粒子的電離能撞擊粒子的總能量被撞粒子的電離能 一定的相互作用的時間和條件，一定的相互作用的時間和條件，通過復雜通過復雜 的電磁力的相互作用達到兩粒子間能量轉換的電磁力的相互作用達到兩粒子間能量轉換 動能、位能動能、位能主要的碰撞電離由電子完成主要的碰撞電離由電子完成即電子為了造成碰撞電離即電子為了造成碰撞電離而必須飛越的最小距離而必須飛越的最小距離2.光電離：光電離：在光照射下，將光子能量傳給粒子，游在光照射下，將光子能量傳給粒子，

18、游 離出自由電子離出自由電子 -由光電離而產生的自由電子稱為光電子由光電離而產生的自由電子稱為光電子 必要條件：光子的能量大于氣體粒子的電離能必要條件：光子的能量大于氣體粒子的電離能 光子來源：紫外線、倫琴射線、光子來源：紫外線、倫琴射線、射線、宇宙射線射線、宇宙射線 異號粒子復合也產生光子異號粒子復合也產生光子 h iW iWhc光輻射能夠引起光輻射能夠引起光電離的臨界波長光電離的臨界波長可見光（可見光（400750nm）不能）不能使氣體直接發(fā)生光電離使氣體直接發(fā)生光電離3.熱電離：熱電離：氣體的熱狀態(tài)引起的電離，實質仍是碰撞氣體的熱狀態(tài)引起的電離，實質仍是碰撞 電離和光電離，能量來自氣體分

19、子的熱能。電離和光電離，能量來自氣體分子的熱能。 分子動能分子動能碰撞電離碰撞電離 熱輻射光子的能量、數(shù)量熱輻射光子的能量、數(shù)量光電離光電離 熱電離是熱狀態(tài)下碰撞電離和光電離的綜合熱電離是熱狀態(tài)下碰撞電離和光電離的綜合 溫度超過溫度超過10000K時（如電弧放電）才需要考慮時（如電弧放電）才需要考慮熱電離，在溫度達到熱電離，在溫度達到20000K左右，幾乎全部空左右，幾乎全部空氣分子都已經處于熱電離狀態(tài)氣分子都已經處于熱電離狀態(tài)4.電極表面電離電極表面電離: -氣體中的電子也可從金屬電極表面游離出來。氣體中的電子也可從金屬電極表面游離出來。 -游離需要能量，稱金屬的逸出功，小于氣體游離需要能量

20、，稱金屬的逸出功，小于氣體 分子的電離能分子的電離能 -表明金屬表面電離比氣體空間電離更易發(fā)生表明金屬表面電離比氣體空間電離更易發(fā)生 隨著外加能量形式的不同，陰極的表面電離可在隨著外加能量形式的不同，陰極的表面電離可在 下列情況下發(fā)生：下列情況下發(fā)生： 正離子撞擊陰極表面正離子撞擊陰極表面光電子發(fā)射：高能輻射線照射電極表面光電子發(fā)射：高能輻射線照射電極表面熱電子發(fā)射：金屬電極加熱熱電子發(fā)射：金屬電極加熱強場發(fā)射：電極表面附近存在強電場強場發(fā)射：電極表面附近存在強電場5.負離子的形成負離子的形成: 中性分子或原子與電子相結合，形中性分子或原子與電子相結合，形 成負離子（附著）成負離子（附著）附著

21、過程中放出能量（親合能）附著過程中放出能量（親合能） 電負性氣體電負性氣體大大 , 易形成負離子強電負性氣體，如易形成負離子強電負性氣體，如SFSF6 6負離子的形成使自由電子數(shù)減少，對氣體放電的發(fā)負離子的形成使自由電子數(shù)減少，對氣體放電的發(fā)展起抑制作用展起抑制作用 二二. 帶電粒子的消失帶電粒子的消失（去電離、消電離）（去電離、消電離）中和中和在電場作用下作定向運動，消失于電極在電場作用下作定向運動，消失于電極而形成外電路中的電流而形成外電路中的電流 (遷移率遷移率)2. 擴散擴散因擴散而逸出氣體放電空間（熱運動）因擴散而逸出氣體放電空間（熱運動）3. 復合復合帶有異號電荷的粒子相遇，發(fā)生電

22、荷的帶有異號電荷的粒子相遇，發(fā)生電荷的傳遞、中和而還原為中性粒子的過程傳遞、中和而還原為中性粒子的過程 （多為負離子與正離子復合，而碰撞電離（多為負離子與正離子復合，而碰撞電離 多為電子碰撞粒子產生）多為電子碰撞粒子產生）與電離相反的與電離相反的物理過程物理過程2.2 氣體放電過程及電子崩的形成氣體放電過程及電子崩的形成aUabUbcUc空氣中電流和電壓的關系空氣中電流和電壓的關系VA一一.平行板電極實驗（湯遜，平行板電極實驗（湯遜，Townsend)： E0IUSU0自持放電區(qū)自持放電區(qū)非自持放電區(qū)非自持放電區(qū)0a段：隨著段：隨著E增大，氣隙中的初始帶電粒子向電極運動的速度增大，氣隙中的初始

23、帶電粒子向電極運動的速度加快而導致復合數(shù)減少，表現(xiàn)為加快而導致復合數(shù)減少，表現(xiàn)為I隨隨U的提高而增大；的提高而增大；ab段：外界電離因子產生的帶電粒子幾乎能全部抵達電極，電段：外界電離因子產生的帶電粒子幾乎能全部抵達電極，電流趨于飽和，飽和電流值很小，氣體仍處于良好的絕緣狀態(tài)；流趨于飽和，飽和電流值很小，氣體仍處于良好的絕緣狀態(tài)；bc段：段：I隨著隨著U的提高而增大，表明此時電場的提高而增大，表明此時電場E足夠大，使電足夠大，使電子積累足夠的動能造成碰撞電離的發(fā)生，出現(xiàn)電子崩，子積累足夠的動能造成碰撞電離的發(fā)生，出現(xiàn)電子崩，E越大，越大，電子碰撞電離越激烈，產生的帶電粒子越多；電子碰撞電離越激

24、烈，產生的帶電粒子越多；cS段：隨著外加電場的增大，碰撞電離愈激烈，帶電粒子數(shù)段：隨著外加電場的增大，碰撞電離愈激烈，帶電粒子數(shù)目呈指數(shù)增長，電流增大更快；目呈指數(shù)增長，電流增大更快；S點后：當電壓增大到點后：當電壓增大到U0時，時， 過程產生的二次電子足夠多，過程產生的二次電子足夠多，能接替外界電離因子產生的初始電子的作用，即轉為自持放能接替外界電離因子產生的初始電子的作用，即轉為自持放電階段，氣隙擊穿，表現(xiàn)為電流急劇增大，并伴有發(fā)光、發(fā)電階段，氣隙擊穿，表現(xiàn)為電流急劇增大，并伴有發(fā)光、發(fā)聲等現(xiàn)象，氣隙轉入良好的導電狀態(tài)。聲等現(xiàn)象，氣隙轉入良好的導電狀態(tài)。二二.電子崩的形成：電子崩的形成：帶

25、電粒子在電子崩中的分布：帶電粒子在電子崩中的分布：電子崩中電子數(shù)目增長過程分析：電子崩中電子數(shù)目增長過程分析：電子碰撞電離系數(shù)電子碰撞電離系數(shù)a定義：一個電子沿著電場方向行經定義：一個電子沿著電場方向行經1cm長度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)長度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)設每次碰撞電離只能產生一個電子和一設每次碰撞電離只能產生一個電子和一個正離子，則個正離子，則 就是一個電子在單位長就是一個電子在單位長度行程內新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù)。度行程內新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù)。adanxn到達到達 處，電子數(shù)增加到處，電子數(shù)增加到nx，dx這這 個電子在個電子在 的距離中又的距離中又產生產生 個新電子，

26、則有：個新電子，則有：ndxdnandxdn 在均勻電場中，在均勻電場中， 為常數(shù)為常數(shù)aaxen 設：初始電子數(shù)為設：初始電子數(shù)為11xadxen0抵達陽極的電子數(shù)：抵達陽極的電子數(shù)：daen途中新增加的電子數(shù)或正離子數(shù)：途中新增加的電子數(shù)或正離子數(shù)：11daenn在強電場中出現(xiàn)電子崩的過程在強電場中出現(xiàn)電子崩的過程也稱也稱 過程過程一個初始電子走過一個初始電子走過 距離后，由本身距離后，由本身碰撞電離產生的電子數(shù)是碰撞電離產生的電子數(shù)是 ，計及新，計及新產生的電子也參加電離過程，則電子數(shù)產生的電子也參加電離過程，則電子數(shù)增加到增加到 個，若個，若 ，則則 xax10axaxe4102 .

27、2axe結論：由于碰撞電離引起電子崩過程，結論：由于碰撞電離引起電子崩過程，導致氣隙中電子數(shù)迅速增加。導致氣隙中電子數(shù)迅速增加。三三.自持放電條件自持放電條件必須依靠外界電離因素的作用提供自必須依靠外界電離因素的作用提供自 由電子作為電子崩的初始電子，一由電子作為電子崩的初始電子，一 旦外界電離因素停止發(fā)生作用，則放旦外界電離因素停止發(fā)生作用，則放 電中止電中止非自持放電非自持放電自持放電自持放電撤除外界電離因素后，能僅由電場的撤除外界電離因素后，能僅由電場的作用而維持的放電作用而維持的放電 過程過程：電子崩中的正離子在返回陰極時，由于其電子崩中的正離子在返回陰極時，由于其具有的位能和動能，撞

28、擊陰極時引起陰極表具有的位能和動能，撞擊陰極時引起陰極表面電離，產生面電離，產生 二次電子的過程二次電子的過程系數(shù)系數(shù)一個正離子撞擊陰極表面時產生的二次電子數(shù)一個正離子撞擊陰極表面時產生的二次電子數(shù)自持放電條件自持放電條件11adeade1自持放電條件可寫為：自持放電條件可寫為：1ade物理含義？物理含義？外加電場增外加電場增大到一定程大到一定程度，才能滿度，才能滿足自持放電足自持放電條件條件1)1(0dxade不均勻電場中，各處的不均勻電場中，各處的 值不同，自持放電條件為值不同，自持放電條件為：a 起始場強起始場強（起始電壓）（起始電壓）放電由非自持轉為自持時的場強，放電由非自持轉為自持時

29、的場強， 相應的電壓為起始電壓。相應的電壓為起始電壓。均勻電場中：均勻電場中：起始場強起始場強=擊穿場強擊穿場強 起始電壓起始電壓=擊穿電壓擊穿電壓不均勻電場中：不均勻電場中：起始電壓起始電壓 26.66kPacm（200mmHgcm）時，）時，一些無法用湯遜理論解釋的現(xiàn)象：一些無法用湯遜理論解釋的現(xiàn)象：(1).放電外形：在大氣壓下放電不再是輝光放電，而是火花通道放電外形：在大氣壓下放電不再是輝光放電，而是火花通道 (2). 放電時間：放電時間短于正離子在通道中到達陰極的行程時間放電時間：放電時間短于正離子在通道中到達陰極的行程時間 (3). 陰極材料的影響：陰極材料對放電電壓影響不大陰極材料

30、的影響：陰極材料對放電電壓影響不大 1. 空間電荷對電場的影響空間電荷對電場的影響0dx0E0EE2. 空間光電離的作用空間光電離的作用流注的形成流注的形成初崩初崩空間光電離空間光電離二次電子崩二次電子崩匯入初崩匯入初崩流注流注正流注形成過程：（當外加電壓不是很高時）正流注形成過程：（當外加電壓不是很高時） 負流注形成過程：負流注形成過程： （當外加電壓足夠高時）（當外加電壓足夠高時） 流注的特點流注的特點電離強度很大電離強度很大 傳播速度很快傳播速度很快 導電性能良好導電性能良好形成流注后，放電就可以由本身產生的空間光電離自形成流注后，放電就可以由本身產生的空間光電離自行維持，即轉為自持放電

31、，形成流注的條件（即自持行維持，即轉為自持放電，形成流注的條件（即自持放電條件）放電條件）對均勻電場來說，自持放電條件對均勻電場來說，自持放電條件：ade常數(shù)常數(shù)ad常數(shù)常數(shù)或或810ade或或20ad實驗得出實驗得出流注理論和湯遜理論比較：流注理論和湯遜理論比較：各適用于一定條件下的放電過程，不能用一種理論各適用于一定條件下的放電過程，不能用一種理論來取代另一種理論，互相補充，可以解釋廣闊的來取代另一種理論，互相補充，可以解釋廣闊的pd范圍內的氣體放電現(xiàn)象。范圍內的氣體放電現(xiàn)象。1. 湯遜理論適用于低氣壓、短氣隙的情況（湯遜理論適用于低氣壓、短氣隙的情況（pd26.66kPacm）3.湯遜理

32、論認為電子崩和陰極上的二次發(fā)射過程是氣體自持湯遜理論認為電子崩和陰極上的二次發(fā)射過程是氣體自持放電的決定性因素；流注理論認為電子碰撞電離及空間光放電的決定性因素；流注理論認為電子碰撞電離及空間光電離是維持自持放電的主要因素，并強調了空間電荷畸變電離是維持自持放電的主要因素，并強調了空間電荷畸變電場的作用。電場的作用。1.4 不均勻電場中氣隙的放電過程不均勻電場中氣隙的放電過程稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特征稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特征一一. 電場不均勻系數(shù)：電場不均勻系數(shù)：f最大電場強度最大電場強度平均電場強度平均電場強度avEEmax2f稍不均勻電場稍不均勻電場4f極不均勻電場極

33、不均勻電場極不均勻電場中，首先在強場區(qū)發(fā)生電暈放電，極不均勻電場中，首先在強場區(qū)發(fā)生電暈放電，自持放電條件即是電暈起始條件，氣隙擊穿電壓大自持放電條件即是電暈起始條件，氣隙擊穿電壓大于電暈起始電壓。于電暈起始電壓。二二. 常見電場的結構：常見電場的結構： 均勻場：均勻場： 板板板板 稍不均勻場：稍不均勻場： 球球球球 對稱場對稱場 同軸圓筒同軸圓筒 極不均勻場：極不均勻場： 棒棒棒棒 棒板棒板 不對稱場不對稱場 稍不均勻電場中氣隙的放電特性與均勻電場相稍不均勻電場中氣隙的放電特性與均勻電場相 似，似，一旦出現(xiàn)自持放電，便會導致整個間隙的擊穿，一旦出現(xiàn)自持放電，便會導致整個間隙的擊穿，三三. 電

34、暈放電電暈放電1. 電暈的形成：電暈的形成：極不均勻電場中，在外加電壓下，小曲率半徑電極附近的電極不均勻電場中，在外加電壓下，小曲率半徑電極附近的電場強度首先達到起始場強場強度首先達到起始場強E0，在此局部區(qū)域先出現(xiàn)碰撞電離，在此局部區(qū)域先出現(xiàn)碰撞電離和電子崩，甚至出現(xiàn)流注，這種僅僅發(fā)生在強場區(qū)的局部放和電子崩，甚至出現(xiàn)流注，這種僅僅發(fā)生在強場區(qū)的局部放電稱為電暈放電，在外觀上表現(xiàn)為環(huán)繞電極表面出現(xiàn)藍紫色電稱為電暈放電，在外觀上表現(xiàn)為環(huán)繞電極表面出現(xiàn)藍紫色暈光。暈光?？梢允菢O不均勻電場氣隙擊穿過可以是極不均勻電場氣隙擊穿過程的第一階段，也可以是長期存程的第一階段，也可以是長期存在的穩(wěn)放電形式在

35、的穩(wěn)放電形式2. 電暈的危害及作用電暈的危害及作用有光、聲、熱效應造成能量損耗；電暈損耗在超高壓輸電線有光、聲、熱效應造成能量損耗；電暈損耗在超高壓輸電線路設計中必須考慮路設計中必須考慮產生的高頻脈沖電流含有許多高次諧波，造成無線電干擾；產生的高頻脈沖電流含有許多高次諧波，造成無線電干擾；使空氣局部游離，產生的臭氧和氧化氮等會腐蝕金屬設備；使空氣局部游離，產生的臭氧和氧化氮等會腐蝕金屬設備；產生可聞噪聲；產生可聞噪聲； 有利的一面：可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅有利的一面：可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅值和陡度，除塵，臭氧發(fā)生器值和陡度，除塵，臭氧發(fā)生器 3. 起暈場強與導線尺寸的關系起暈

36、場強與導線尺寸的關系 平行導線平行導線, 相距為相距為D, 半徑為半徑為r ，Dr，線間電壓為，線間電壓為U）（rDrUE/ln2/)/3 . 01 (30rmEc 導線表面場強導線表面場強: 起暈場強：起暈場強： kV/cm皮克公式皮克公式 導線表面粗造系數(shù)導線表面粗造系數(shù)，光滑導線，光滑導線m1，絞線，絞線m0.80.9 空氣相對密度空氣相對密度 rEcEE1/r Ec 1/ , c，E，EEc超高壓線路采用分裂導線，超高壓線路采用分裂導線，減輕電暈放電危害減輕電暈放電危害設法限制和降低設法限制和降低導線表面電場導線表面電場四四 . 極不均勻電場中放電的極性效應極不均勻電場中放電的極性效應

37、 0100200300300600900bU(kV)d(cm)直流電壓下棒直流電壓下棒-板間隙擊穿電壓特性曲線：板間隙擊穿電壓特性曲線：Ex0E正正棒棒負負板板電電極極0E負負棒棒正正板板電電極極Ex常用高壓工程術語常用高壓工程術語 擊穿：擊穿：在電場的作用下，由電介質形成的絕緣間隙，喪失絕在電場的作用下，由電介質形成的絕緣間隙，喪失絕緣緣 性能，形成導電通道的過程，性能，形成導電通道的過程， 放電：放電：氣體絕緣的擊穿過程氣體絕緣的擊穿過程 閃絡：閃絡：沿固體介質表面發(fā)展的氣體放電（亦稱沿面放電）沿固體介質表面發(fā)展的氣體放電（亦稱沿面放電） 電暈：電暈：由于電場不均勻，在電極附近發(fā)生的局部電

38、離放電由于電場不均勻，在電極附近發(fā)生的局部電離放電 擊穿（放電）電壓擊穿（放電）電壓b（）：（）：使絕緣擊穿的最低臨界電壓使絕緣擊穿的最低臨界電壓 擊穿場強（抗電強度，絕緣強度）擊穿場強（抗電強度，絕緣強度）b（）：（）： 發(fā)生擊穿時在絕緣中的最小發(fā)生擊穿時在絕緣中的最小平均電場強度。平均電場強度。 E Eb b b b（：極間距離）（：極間距離） Chapter 3. 氣隙的擊穿特性氣隙的擊穿特性氣隙的擊穿特性取決于：氣隙的擊穿特性取決于：電場形式電場形式外加電壓類型外加電壓類型工頻交流電壓工頻交流電壓直流電壓直流電壓雷電過電壓雷電過電壓操作過電壓操作過電壓穩(wěn)態(tài)電壓穩(wěn)態(tài)電壓沖擊電壓沖擊電壓一

39、一. 均勻電場氣隙的擊穿均勻電場氣隙的擊穿不存在極性效應；不存在極性效應；直流、工頻、沖擊電壓作用下的擊穿電壓相同；直流、工頻、沖擊電壓作用下的擊穿電壓相同；擊穿電壓分散性很??；擊穿電壓分散性很?。豢諝忾g隙的擊穿電壓經驗公式：空氣間隙的擊穿電壓經驗公式：）（kVddUb66. 655.24Ub擊穿電壓峰值，擊穿電壓峰值，kVEb 平均擊穿場強，平均擊穿場強，kV/cm空氣的相對密度空氣的相對密度 d間隙距離，間隙距離， d 1 10cm 內，內，Eb=30kV/cm）（kVddUEbb/66. 655.24二二.稍不均勻電場稍不均勻電場與均勻電場相似，一旦出現(xiàn)局部放電，立即導致整個間隙的與均勻

40、電場相似，一旦出現(xiàn)局部放電，立即導致整個間隙的完全擊穿。完全擊穿。 電場不對稱時有極性效應，不很顯著電場不對稱時有極性效應，不很顯著 不同電壓波形下不同電壓波形下b都相同，且分散性不大都相同，且分散性不大 典型結構形式：球球，球板，兩同軸圓柱典型結構形式：球球，球板，兩同軸圓柱 三三.極不均勻電場極不均勻電場有持續(xù)的局部放電，空間電荷積累導致顯著的極性效應有持續(xù)的局部放電，空間電荷積累導致顯著的極性效應 電極形狀對氣隙擊穿電壓影響不大，可用典型電極代表電極形狀對氣隙擊穿電壓影響不大，可用典型電極代表,如棒棒，棒板如棒棒，棒板 在不同性質電壓下，在不同性質電壓下，b有明顯差別，且分散性大有明顯差

41、別，且分散性大1.直流電壓作用下直流電壓作用下 顯著的極性效應顯著的極性效應 正棒負板，正棒負板，b 5d (kV/cm)負棒正板，負棒正板，b 10d (kV/cm)注意注意: 負棒正板比正棒負板先產生電暈放電負棒正板比正棒負板先產生電暈放電,但后發(fā)但后發(fā)生擊穿。生擊穿。都比均勻電場中的擊都比均勻電場中的擊穿場強小得多（約穿場強小得多（約30kV/cm)2 .工頻電壓作用下工頻電壓作用下 擊穿總是在棒極為正半波峰值附近發(fā)生擊穿總是在棒極為正半波峰值附近發(fā)生 d時，時，b接近與接近與d成正比成正比 棒棒，棒棒，b d 棒板，棒板，b d相差不多相差不多 d時，時，b與與d的關系趨向飽和，棒板尤

42、甚。的關系趨向飽和，棒板尤甚。各種氣隙的工頻各種氣隙的工頻b 分散性不大，標準偏差分散性不大，標準偏差 31. 放電時間的組成放電時間的組成UsU1tstftlagtbtut0四四. 沖擊電壓下氣隙的擊穿沖擊電壓下氣隙的擊穿沖擊電壓變化速度沖擊電壓變化速度很快，作用時間很短很快，作用時間很短（ss），與穩(wěn)態(tài)電壓），與穩(wěn)態(tài)電壓作用時氣隙相比，它作用時氣隙相比，它的放電時間就成為關的放電時間就成為關注的重要因素。注的重要因素。實驗表明：對氣隙實驗表明：對氣隙施加沖擊電壓使其擊施加沖擊電壓使其擊穿不僅需要足夠幅值穿不僅需要足夠幅值的電壓，有引起電子的電壓，有引起電子崩并導致流注和主放崩并導致流注和主

43、放電的有效電子，而且電的有效電子，而且需要一定的電壓作用需要一定的電壓作用時間。時間。fslagttt放電時延：放電時延：lagbttt1放電時間：放電時間：ts: 統(tǒng)計時延，統(tǒng)計時延，從從 t1開始到氣隙中出現(xiàn)第一個有效電開始到氣隙中出現(xiàn)第一個有效電 子所需子所需 的時間的時間Us: 靜態(tài)擊穿電壓，靜態(tài)擊穿電壓，氣隙在持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓氣隙在持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓tf: 放電形成時延，放電形成時延，從從 有有 效電子出現(xiàn)到氣隙完成擊效電子出現(xiàn)到氣隙完成擊 穿所需穿所需 的時間的時間具有統(tǒng)計具有統(tǒng)計分散性分散性2. 標準試驗電壓波形標準試驗電壓波形直流電壓直流電壓 大多由交流整流而得，

44、波形有脈動大多由交流整流而得，波形有脈動 脈動系數(shù)脈動幅值電壓平均值脈動系數(shù)脈動幅值電壓平均值 最大值與最小值之差的一半最大值與最小值之差的一半 工頻交流電壓工頻交流電壓 波形近似為正弦波，正負半波相同，峰值與有效值之比應波形近似為正弦波，正負半波相同，峰值與有效值之比應為為 ，偏差不超過，偏差不超過 標準雷電沖擊電壓波形定義標準雷電沖擊電壓波形定義00tmUu/2T0.50.30.91T1s50/2 . 1sT36. 02 . 11波前時間：波前時間：sT10502 半峰值時間半峰值時間（或波長時間）（或波長時間）0tmUu/crT12T0.5標準操作沖擊電壓波形定義標準操作沖擊電壓波形定義

45、s2500/2503. 氣隙的沖擊擊穿特性氣隙的沖擊擊穿特性：（1）. 50%沖擊擊穿電壓沖擊擊穿電壓 %50U沖擊系數(shù)沖擊系數(shù)sUU%50在一定波形的沖擊電壓作用下，外加電壓的幅值在一定波形的沖擊電壓作用下，外加電壓的幅值變化，導致間隙擊穿概率為時的電壓稱為變化，導致間隙擊穿概率為時的電壓稱為%50U均勻和稍不均勻電場下，均勻和稍不均勻電場下，極不均勻電場下，極不均勻電場下，11（2）. 伏秒特性伏秒特性在電壓波形一定的情況下，氣隙擊穿時的外加電壓在電壓波形一定的情況下，氣隙擊穿時的外加電壓 峰值與峰值與擊穿時間的關系擊穿時間的關系: Ub (tb ） 作法：作法：保持一定的波形而逐漸升高電

46、壓，以示波圖來求取，保持一定的波形而逐漸升高電壓，以示波圖來求取，電壓較低時，擊穿發(fā)生在峰值過后，取峰值作縱坐標；電壓較低時，擊穿發(fā)生在峰值過后，取峰值作縱坐標；擊穿發(fā)生在波峰時，取峰值作縱坐標；擊穿發(fā)生在波峰時，取峰值作縱坐標；擊穿發(fā)生在尚未到峰值時，取擊穿時電壓值作縱坐標。擊穿發(fā)生在尚未到峰值時，取擊穿時電壓值作縱坐標。 0btbU132特點：特點：伏秒特性有分散性，同一氣隙在同一電壓作用下，每次伏秒特性有分散性，同一氣隙在同一電壓作用下，每次擊穿時間不完全一樣，是一個以上、下包線為界的帶狀區(qū)域擊穿時間不完全一樣，是一個以上、下包線為界的帶狀區(qū)域在每級電壓在每級電壓U作用下的多次擊穿中，放

47、電時間作用下的多次擊穿中，放電時間小于下包絡線所示數(shù)值小于下包絡線所示數(shù)值t1的概率為的概率為0，其左方完全不擊穿；，其左方完全不擊穿；小于上包絡線所示數(shù)值小于上包絡線所示數(shù)值 t3的概率為的概率為100，其右方完全擊穿；，其右方完全擊穿； 小于小于 t2的概率為的概率為5050%概率放電時間對應概率放電時間對應50伏秒特性伏秒特性 0btbU31U1t3t2t2 50伏秒特性伏秒特性 曲線形狀與電場的均勻性有關：均勻場，曲線低且平坦，上曲線形狀與電場的均勻性有關：均勻場，曲線低且平坦，上 翹范圍??；不均勻電場，曲線較高且陡翹范圍??；不均勻電場，曲線較高且陡0btbUs112在絕緣配合中的意義：在絕緣配合中的意義： 1AB2AB3PAB圖圖1： A 設備，保護間隙設備，保護間隙 圖圖2：保護間隙的伏秒特性曲線：保護間隙的伏秒特性曲線 B低于設備的曲線低于設備的曲線A，能保護設備，能保護設備 圖圖3：間隙曲線較陡，間隙在交叉點：間隙曲線