高電壓技術(第一章)課件

1、氣體放電氣體放電氣體擊穿氣體擊穿沿面閃絡沿面閃絡氣體放電氣體放電氣體的絕緣特性氣體的絕緣特性氣體的電氣強度氣體的電氣強度輝光放電輝光放電電暈放電電暈放電火花放電火花放電電弧放電電弧放電氣體放電的基本概念氣體放電的基本概念氣體放電的主要形式氣體放電的主要形式氣體放電氣體放電主要形式主要形式1.1.1 1.1.1 氣體放電氣體放電1.1.2 1.1.2 氣體的絕緣特性氣體的絕緣特性1.1.3 1.1.3 氣體的電氣強度氣體的電氣強度氣體放電：氣體中流通電流的各種形式；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щ姞顟B(tài)氣體擊穿：氣體電絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝щ姞顟B(tài)的過程；的過程；

2、沿面閃絡：擊穿發(fā)生在氣體與液體、氣體與固沿面閃絡：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；體交界面上的放電現(xiàn)象； 工程上將擊穿和閃絡統(tǒng)稱為放電。工程上將擊穿和閃絡統(tǒng)稱為放電。氣體指高壓電氣設備中常用的空氣、氣體指高壓電氣設備中常用的空氣、SFSF6 6、以及、以及高強度混合氣體等氣態(tài)絕緣介質(zhì)。高強度混合氣體等氣態(tài)絕緣介質(zhì)。v空氣：架空線路、變壓器外絕緣；空氣：架空線路、變壓器外絕緣；vSFSF6 6： SFSF6 6斷路器和斷路器和SFSF6 6全封閉組合電器；全封閉組合電器；氣體失去絕緣后，雖然可以自動恢復，但其放氣體失去絕緣后，雖然可以自動恢復，但其放電所造成的事故已經(jīng)發(fā)生，因

3、此我們要研究氣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度。體的電氣強度?？諝馐亲盍畠r、應用最廣、自動恢復絕緣的氣空氣是最廉價、應用最廣、自動恢復絕緣的氣體，因此我們主要研究空氣的放電。體，因此我們主要研究空氣的放電。氣體的電氣強度表征氣體耐受電壓作用的能力。氣體的電氣強度表征氣體耐受電壓作用的能力。均勻電場中擊穿電壓均勻電場中擊穿電壓U Ub b與間隙距離之比稱為擊穿場強與間隙距離之比稱為擊穿場強E Eb b。我們把均勻電場中氣隙的擊穿場強。我們把均勻電場中氣隙的擊穿場強E Eb b稱為氣體的稱為氣體的電氣強度。電氣強度。v空氣在標準狀態(tài)下的電氣強度為空氣在標準狀態(tài)下的電氣強度為30

4、kV/cm;30kV/cm;注意：不能把不均勻場中氣隙注意：不能把不均勻場中氣隙U Ub b與間隙距離之比稱為與間隙距離之比稱為氣體的電氣強度，通常稱之為平均擊穿場強。氣體的電氣強度，通常稱之為平均擊穿場強。v注意：電暈放電時氣隙未擊穿，而輝光放電、火花放注意：電暈放電時氣隙未擊穿，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，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。這些放電現(xiàn)象可相互轉(zhuǎn)換。常見放電形式常見放電形式l輝光放電輝光放電l電暈放電電暈放電l刷狀放電刷狀放電l電弧放電電弧放電電子碰撞電離電子碰撞電離 正離子碰撞電離正離子碰撞電離 碰

5、撞電離碰撞電離光電離光電離熱電離熱電離空間電離空間電離表面電離表面電離正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極光電效應光電效應強場發(fā)射強場發(fā)射熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射電場作用下氣體中帶電質(zhì)點的定向運動電場作用下氣體中帶電質(zhì)點的定向運動帶電質(zhì)點的擴散帶電質(zhì)點的擴散帶電質(zhì)點的復合帶電質(zhì)點的復合2.1 帶電質(zhì)帶電質(zhì)點產(chǎn)生點產(chǎn)生2.2 帶電質(zhì)帶電質(zhì)點消失點消失氣體放電氣體放電發(fā)展過程發(fā)展過程氣體原子的激發(fā)和游離氣體原子的激發(fā)和游離氣體原子的激發(fā)和游離氣體原子的激發(fā)和游離激勵：激勵： 原子外層電子躍遷到較遠的軌道上去的現(xiàn)象。原子外層電子躍遷到較遠的軌道上去的現(xiàn)象。激勵激勵能：能： 產(chǎn)生激勵需要的能量。產(chǎn)生激勵需要的能量

6、。電離：電離： 使原來的一個中性原子變成一個自由電子和使原來的一個中性原子變成一個自由電子和一個帶正電荷的離子的現(xiàn)象。一個帶正電荷的離子的現(xiàn)象。電離能：電離能：電離所需的電離所需的最小最小能量（能量（W Wi i）。）。分級電離：分級電離：先經(jīng)過激勵再產(chǎn)生電離的過程。先經(jīng)過激勵再產(chǎn)生電離的過程。 （一）電場作用下氣體中帶電質(zhì)點的定向運動（一）電場作用下氣體中帶電質(zhì)點的定向運動帶電質(zhì)點一旦產(chǎn)生，在外電場作用下作定向運動，帶電質(zhì)點一旦產(chǎn)生，在外電場作用下作定向運動，形成電導電流。形成電導電流。（二）帶電質(zhì)點的擴散（二）帶電質(zhì)點的擴散帶電質(zhì)點從濃度較大區(qū)域轉(zhuǎn)移到濃度較小區(qū)域。帶電質(zhì)點從濃度較大區(qū)域轉(zhuǎn)

7、移到濃度較小區(qū)域。（熱運動）（熱運動）電子擴散比離子擴散高電子擴散比離子擴散高3 3個數(shù)量級個數(shù)量級v正離子和負離子或電子相遇時，發(fā)生電荷的傳遞而正離子和負離子或電子相遇時，發(fā)生電荷的傳遞而相互中和還原為分子的過程，復合放出能量。相互中和還原為分子的過程，復合放出能量。v復合的質(zhì)點相對速度越大，復合概率越小。復合的質(zhì)點相對速度越大，復合概率越小。v復合過程要阻礙放電的發(fā)展，但在一定條件下又可復合過程要阻礙放電的發(fā)展，但在一定條件下又可因復合時的光輻射加劇放電的發(fā)展。因復合時的光輻射加劇放電的發(fā)展。v放電過程中絕大多數(shù)是正、負離子之間復合，參加放電過程中絕大多數(shù)是正、負離子之間復合，參加復合的電

8、子絕大多數(shù)先形成負離子再與正離子復合。復合的電子絕大多數(shù)先形成負離子再與正離子復合。（三）帶電質(zhì)點的復合（三）帶電質(zhì)點的復合3.1.1 非自持放電和自持放電非自持放電和自持放電3.1.2 低氣壓下均勻電場自持放電的湯遜理論低氣壓下均勻電場自持放電的湯遜理論3.1.3 巴申定律巴申定律3.2.1 空間電荷對電場的畸變空間電荷對電場的畸變3.2.2 高氣壓下均勻電場自持放電的流注理論高氣壓下均勻電場自持放電的流注理論3.2.3 流注理論對放電現(xiàn)象的解釋流注理論對放電現(xiàn)象的解釋3.1 湯遜理論和湯遜理論和巴申定律巴申定律3.2 流注理論流注理論湯遜理論和湯遜理論和流注理論流注理論3.1.4 湯遜理論

9、的適用范圍湯遜理論的適用范圍3.1.1 3.1.1 非自持放電和自持放電非自持放電和自持放電3.1.2 3.1.2 低氣壓下均勻電場自持放電的湯遜理論低氣壓下均勻電場自持放電的湯遜理論3.1.3 3.1.3 巴申定律巴申定律3.1.4 3.1.4 湯遜理論的適用范圍湯遜理論的適用范圍非自持放電與自持放電的分界點氣體放電實驗的伏安特性曲線氣體放電實驗的伏安特性曲線氣體放電實驗的伏安特性曲線氣體放電實驗的伏安特性曲線圖表示實驗所得平板電圖表示實驗所得平板電極極( (均勻電場均勻電場) )氣體中的氣體中的電流電流I I與所加電壓的關與所加電壓的關系：即伏安特性系：即伏安特性 氣體放電伏安特性氣體放電

10、伏安特性 實驗分析實驗分析OAOA段：段： 電流隨電壓升高而升高。這是由于電極空間的帶電粒子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動加速而導致復合數(shù)的減少所致向電極運動加速而導致復合數(shù)的減少所致( (非自持非自持) ) 。ABAB段：段： 電流僅取決于外電離因素與電壓無關。電流趨向于飽和電流僅取決于外電離因素與電壓無關。電流趨向于飽和值，因為這時外界電離因子所產(chǎn)生的帶電粒子幾乎能全值，因為這時外界電離因子所產(chǎn)生的帶電粒子幾乎能全部抵達電極，所以電流值與所加電壓無關部抵達電極，所以電流值與所加電壓無關( (非自持非自持) ) 。BCBC段：段： 當電壓提高到時，電流又開始隨電壓

11、的升高而增大，這當電壓提高到時，電流又開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。是由于氣隙中出現(xiàn)碰撞電離和電子崩。電壓升高碰撞電電壓升高碰撞電離增強但仍靠外電離維持離增強但仍靠外電離維持( (非自持非自持) )C C點后：當所加電壓大于點后：當所加電壓大于U0U0時，只靠外加電壓就能維持時，只靠外加電壓就能維持( (自持自持) )如果取消外電離因素，那么電流也將消失，這類依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靠外電離因素的作用而維持的放電叫非自持放電非自持放電。氣隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要氣隙中電離過程只靠外施電壓已能維

12、持，不再需要外電離因素。外施電壓到達外電離因素。外施電壓到達U U0 0后的放電稱為后的放電稱為自持放電自持放電。U U0 0稱為稱為起始放電電壓起始放電電壓。（一）電子崩（一）電子崩(a) (a) 電子崩的形成電子崩的形成(b) (b) 帶電離子在電子崩中的分布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)外界電離因子在陰極附近產(chǎn)生了一個初始電子，如果空間電生了一個初始電子，如果空間電場強度足夠大，該電子在向陽極場強度足夠大，該電子在向陽極運動時就會引起碰撞電離，產(chǎn)生運動時就會引起碰撞電離，產(chǎn)生一個新的電子，初始電子和新電一個新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運動，又會引起新子繼續(xù)向陽

13、極運動，又會引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。 依此，電子將按照幾何級數(shù)依此，電子將按照幾何級數(shù)不斷增多，類似雪崩一樣地發(fā)展，不斷增多，類似雪崩一樣地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱這種急劇增大的空間電子流被稱為電子崩。為電子崩。dxndnddxeenx0n是包括起始電子在內(nèi)的電子崩中的電是包括起始電子在內(nèi)的電子崩中的電子數(shù)，它表征一個起始電子在向陽極子數(shù)，它表征一個起始電子在向陽極運動過程到達陽極時產(chǎn)生的電子數(shù)。運動過程到達陽極時產(chǎn)生的電子數(shù)。湯遜理論中的湯遜理論中的過程過程設外電離因素在陰極表面產(chǎn)生設外電離因素在陰極表面產(chǎn)生的起始電子數(shù)為的起始電子數(shù)為n n0 0

14、，當起始電，當起始電子到達離陰極子到達離陰極x x處時，電子數(shù)為處時，電子數(shù)為n n，這，這n n個電子行經(jīng)個電子行經(jīng)dxdx后，又會后，又會產(chǎn)生產(chǎn)生dndn個個新電子新電子, ,即即v 對對E E值敏感，值敏感，v 當當E/ E/ 不變時，系數(shù)不變時，系數(shù) 與氣體相對密度成正比；與氣體相對密度成正比；湯遜理論中的湯遜理論中的過程過程經(jīng)推導，得經(jīng)推導，得 A,B 常數(shù)：空氣相對密度， p E：場強 )()/exp(EfEBA湯遜理論中的湯遜理論中的過程過程 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)生的一個電子消失在陽極前，由個電子消失在陽極前，由過

15、程形成的正離子數(shù)。即過程形成的正離子數(shù)。即1de 正離子消失在陰極前，由正離子消失在陰極前，由過程在陰極上釋放出二過程在陰極上釋放出二次電子數(shù)，即次電子數(shù)，即) 1(de1) 1(de 表示由表示由過程在陰極上重新產(chǎn)生一個過程在陰極上重新產(chǎn)生一個電子，此時不再需要外電離因素就能使電離維持發(fā)電子，此時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。展，即轉(zhuǎn)入自持放電。湯遜理論中的湯遜理論中的過程過程自持放電條件自持放電條件1ln1) 1(ded如自持放電條件滿足時，會形成下圖的閉環(huán)部分如自持放電條件滿足時，會形成下圖的閉環(huán)部分總結：總結：將電子崩和陰極上的將電子崩和陰極上的過程作為氣體自持

16、放電的決定過程作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎。因素是湯遜理論的基礎。湯遜理論的實質(zhì)是電子碰撞電離是氣體放電的主要原湯遜理論的實質(zhì)是電子碰撞電離是氣體放電的主要原因，二次電子來源于正離子撞擊陰極表面使陰極表面因，二次電子來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。逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。1.1.陰極逸出電子能否接替起始電子的作用是自持放電的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)。判據(jù)。根據(jù)自持放電條件，導出擊穿電壓的表達式根據(jù)自持放電條件，導出擊穿電壓的表達式)()11ln()(ln)(pdfpdApdBub A A、

17、B B是與氣體種類有關的常數(shù)，是與氣體種類有關的常數(shù)，u ub b為氣溫不變的條件下，均勻為氣溫不變的條件下，均勻電場中氣體的自持放電起始電壓等于氣隙擊穿電壓。電場中氣體的自持放電起始電壓等于氣隙擊穿電壓。巴申定律：巴申定律： 當氣體成份和電極材料一定時，氣體間隙擊穿電壓當氣體成份和電極材料一定時，氣體間隙擊穿電壓( (u ub b) )是氣壓是氣壓( (p p) )和極間距離和極間距離( (d d) )乘積的函數(shù)。乘積的函數(shù)。均勻電場中幾種氣體擊穿電壓均勻電場中幾種氣體擊穿電壓U Ub b與與pdpd的關系的關系 巴申曲線表明，改變極間距離巴申曲線表明，改變極間距離d d的同時，也相應的同時

18、，也相應改變氣壓改變氣壓p p而使而使pdpd的乘積不變，則極間距離不等的氣的乘積不變，則極間距離不等的氣隙擊穿電壓卻彼此相等。隙擊穿電壓卻彼此相等。 原因：形成自持放電需要達到一定的電離數(shù)原因：形成自持放電需要達到一定的電離數(shù)d d，而這又取決于碰撞次數(shù)與電離概率的乘積。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，工程上已得高氣壓、高真空都可以提高擊穿電壓，工程上已得到廣泛應用（如：壓縮空氣開關、真空開關等）到廣泛應用（如：壓縮空氣開關、真空開關等）湯遜理論是在低氣壓湯遜理論是在低氣壓pdpd較小條件下建立起來的，較小條件下建立起來的， pdpd過大，湯遜理論就不

19、再適用。過大，湯遜理論就不再適用。pdpd過大時（氣壓高、距離大）湯遜理論無法解釋：過大時（氣壓高、距離大）湯遜理論無法解釋：v放電時間：很短；放電時間：很短；v放電外形：具有分支的細通道；放電外形：具有分支的細通道；v擊穿電壓：與理論計算不一致；擊穿電壓：與理論計算不一致；v陰極材料：無關；陰極材料：無關；湯遜理論適用于湯遜理論適用于pd26.66kPa pd26.66kPa pd26.66kPa cm cm，湯遜理論將不適用。，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地之間，這時不存在金屬陰極，因而與陰極雷云與大地之間

20、，這時不存在金屬陰極，因而與陰極上的上的過程和二次電子發(fā)射根本無關。過程和二次電子發(fā)射根本無關。 氣體放電流注理論以實驗為基礎，它考慮了高氣氣體放電流注理論以實驗為基礎，它考慮了高氣壓、長氣隙情況下不容忽視的若干因素對氣體放電的壓、長氣隙情況下不容忽視的若干因素對氣體放電的影響，主要有以下兩方面影響，主要有以下兩方面 空間電荷對原有電場的影響；空間電荷對原有電場的影響； 空間光電離的作用?？臻g光電離的作用。(d) (d) 這些光子將導致空間光電離。這些光子將導致空間光電離。(a) (a) 電子崩崩頭集中著電子，其后電子崩崩頭集中著電子，其后是正離子，形狀似半球形錐體；是正離子，形狀似半球形錐體

21、；(b) (b) 空間電荷分布極不均勻，大大空間電荷分布極不均勻，大大加強了崩頭及崩尾的電場，削弱加強了崩頭及崩尾的電場，削弱了電子崩內(nèi)部的電場；了電子崩內(nèi)部的電場；(c) (c) 崩頭電場明顯增強，有利于分崩頭電場明顯增強，有利于分子和離子的激勵現(xiàn)象，當它們從子和離子的激勵現(xiàn)象，當它們從激勵態(tài)恢復到正常態(tài)時將放射出激勵態(tài)恢復到正常態(tài)時將放射出光子；電子崩內(nèi)部電場削弱，有光子；電子崩內(nèi)部電場削弱，有助于復合將放射出光子；助于復合將放射出光子；流注的形成和發(fā)展示意圖起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩；初崩發(fā)展到陽極，起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩；初崩發(fā)展到陽極，正離子作為空間電荷畸變原電場

22、，加強正離子與陰極間電正離子作為空間電荷畸變原電場，加強正離子與陰極間電場，放射出大量光子；場，放射出大量光子；光電離產(chǎn)生二次電子，在加強的局部電場下形成二次崩；光電離產(chǎn)生二次電子，在加強的局部電場下形成二次崩；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，加強局部電場產(chǎn)生新電子崩使其發(fā)展；崩留下的正電荷，加強局部電場產(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，延長流注通道；離，流注前方出現(xiàn)新的二次崩，延長流注通道；d

23、)d)流注通道貫通，氣隙擊穿。流注通道貫通，氣隙擊穿。注：流注速度為注：流注速度為10108 810109 9cm/scm/s，而電子崩速度為，而電子崩速度為10107 7cm/scm/s。流注條件：流注條件：必要條件是電子崩發(fā)展到必要條件是電子崩發(fā)展到足夠的程度足夠的程度，電子崩中的，電子崩中的空間電荷足以使原電場空間電荷足以使原電場明顯畸變明顯畸變，加強電子崩崩頭和崩，加強電子崩崩頭和崩尾處的電場；另一方面電子崩中電荷密度很大，所以復尾處的電場；另一方面電子崩中電荷密度很大，所以復合頻繁，放射出的光子在這部分很強，電場區(qū)很容易成合頻繁，放射出的光子在這部分很強，電場區(qū)很容易成為引發(fā)新的空間

24、光電離的輻射源，二次電子主要來源于為引發(fā)新的空間光電離的輻射源，二次電子主要來源于空間光電離；氣隙中一旦形成流注，放電就可由空間光空間光電離；氣隙中一旦形成流注，放電就可由空間光電離自行維持。電離自行維持。201lnd流注自持放電條件：流注自持放電條件：初崩頭部電子數(shù)要達到初崩頭部電子數(shù)要達到108時，放電才能轉(zhuǎn)為自持，時，放電才能轉(zhuǎn)為自持，出現(xiàn)流注。出現(xiàn)流注。810de或或放電時間放電時間二次崩的起始電子是光子形成的，而光子以光速傳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?？臁舸r間比湯遜理論推算的播，所以流注發(fā)展非常快。擊穿時間比湯遜理論推算的小得多小得多放電外形放

25、電外形二次崩的發(fā)展具有不同的方位，所以流注的推進不二次崩的發(fā)展具有不同的方位，所以流注的推進不可能均勻，而且具有分支?？赡芫鶆颍揖哂蟹种?。陰極材料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，因此與陰極材料無關?？靠臻g光電離產(chǎn)生電子維持，因此與陰極材料無關。1.1.湯遜理論只適用于湯遜理論只適用于pdpd值較小的范圍，流注理論只適用值較小的范圍，流注理論只適用于于pdpd值較大的范圍，二者過渡值為值較大的范圍，二者過渡值為pd=26.66kPapd=26.66kPacmcm；(1)(1)湯遜理論的基本觀點：湯遜理論

26、的基本觀點：電子碰撞電離是氣體放電時電流倍增的主要過程，電子碰撞電離是氣體放電時電流倍增的主要過程，而陰極表面的電子發(fā)射是維持放電的必要條件。而陰極表面的電子發(fā)射是維持放電的必要條件。(2)(2)流注理論的基本觀點：流注理論的基本觀點：以湯遜理論的碰撞電離為基礎，強調(diào)空間電荷對電場的畸以湯遜理論的碰撞電離為基礎，強調(diào)空間電荷對電場的畸變作用，著重于用氣體空間光電離來解釋氣體放電通道的變作用，著重于用氣體空間光電離來解釋氣體放電通道的發(fā)展過程；發(fā)展過程；放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過程，當初始放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過程，當初始電子崩中離子數(shù)達電子崩中離子數(shù)達10108

27、8以上時，引起空間光電離質(zhì)變，電以上時，引起空間光電離質(zhì)變，電子崩匯合成流注；子崩匯合成流注；流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持。流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持。2. 2. 引起氣體放電的外部原因有兩個，其一是電場引起氣體放電的外部原因有兩個，其一是電場作用，其二是外電離因素。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；把由電場作用就能維電形式稱為非自持放電；把由電場作用就能維持的放電稱為自持放電。持的放電稱為自持放電。3. 3. 湯遜理論和流注理論自持放電條件的比較湯遜理論和流注理論自持放電條件的比較(1)(1)湯遜理論：自持

28、放電由陰極過程來維持；湯遜理論：自持放電由陰極過程來維持； 流注理論：依賴于空間光電離。流注理論：依賴于空間光電離。(2) (2) 系數(shù)的物理意義不同。系數(shù)的物理意義不同。 初始電子崩（電子崩頭部電子數(shù)達到一定數(shù)量）初始電子崩（電子崩頭部電子數(shù)達到一定數(shù)量）電場畸變和加強；電場畸變和加強；電子崩頭部正負空間電荷復合；電子崩頭部正負空間電荷復合；放射大量光子；放射大量光子；光電離；光電離；崩頭處二次電子（光電子）；崩頭處二次電子（光電子）；（向正空間電荷區(qū)運動）碰撞游離；（向正空間電荷區(qū)運動）碰撞游離；二次電子崩；二次電子崩；（二次電子崩電子跑到初崩正空間電荷區(qū)域）流注（二次電子崩電子跑到初崩正

29、空間電荷區(qū)域）流注 。4.1 4.1 電場不均勻程度的劃分電場不均勻程度的劃分4.2 4.2 稍不均勻電場中的擊穿過程稍不均勻電場中的擊穿過程不均勻電場不均勻電場放電過程放電過程4.3 4.3 極不均勻電場中的擊穿過程極不均勻電場中的擊穿過程4.3.1 4.3.1 電暈放電電暈放電4.3.2 4.3.2 極性效應極性效應4.3.3 4.3.3 長間隙放電長間隙放電球隙的放電特性與極間距離的關系球隙的放電特性與極間距離的關系1-1-擊穿電壓擊穿電壓 2-2-電暈起始電壓電暈起始電壓 3-3-放電不穩(wěn)定區(qū)放電不穩(wěn)定區(qū)電場越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓之間的差別電場越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓

30、之間的差別越大；越大；從放電觀點看：電場的不均勻程度可以根據(jù)是否存在從放電觀點看：電場的不均勻程度可以根據(jù)是否存在穩(wěn)定的電暈放電來區(qū)分；穩(wěn)定的電暈放電來區(qū)分；從電場均勻程度看：可用電場的不均勻系數(shù)劃分從電場均勻程度看：可用電場的不均勻系數(shù)劃分avEEfmax f2 f4f4時為極不均勻電場。時為極不均勻電場。Emax：最大場強；Eav： 平均場強稍不均勻電場中的放電過程與均勻電場相似，屬于流稍不均勻電場中的放電過程與均勻電場相似，屬于流注擊穿，擊穿條件就是自持放電條件，無電暈產(chǎn)生。注擊穿，擊穿條件就是自持放電條件，無電暈產(chǎn)生。但稍不均勻電場中場強并非處處相等但稍不均勻電場中場強并非處處相等.

31、.4.3.1 4.3.1 電暈放電電暈放電4.3.2 4.3.2 極性效應極性效應定義：由于電場強度沿氣隙的分布極不均勻，因而當定義：由于電場強度沿氣隙的分布極不均勻，因而當所加電壓達到某一臨界值時，曲率半徑較小的電極附所加電壓達到某一臨界值時，曲率半徑較小的電極附近空間的電場強度首先達到了起始場強近空間的電場強度首先達到了起始場強E E0 0，因而在這，因而在這個局部區(qū)域出現(xiàn)碰撞電離和電子崩，甚至出現(xiàn)流注，個局部區(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)生在強場區(qū)（小曲率半徑電極附近空間）這種僅僅發(fā)生在強場區(qū)（小曲率半徑電極附近空間）的局部放電稱為的局部放電稱為電暈放電電暈放電 。特

32、點：電暈放電是極不均勻電場特有的特點：電暈放電是極不均勻電場特有的自持放電自持放電形式，形式，電暈起始電壓低于擊穿電壓，電場越不均勻其差值越電暈起始電壓低于擊穿電壓，電場越不均勻其差值越大。大。v不良影響：不良影響：能量損耗；通信干擾等。能量損耗；通信干擾等。v解決方法：解決方法：增大電極曲率半徑；采用分裂導線等。增大電極曲率半徑；采用分裂導線等。v其它應用：其它應用：制造臭氧發(fā)生器、電暈除塵器等。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)驗公式來推算，電暈放電的起始電壓一般用經(jīng)驗公式來推算，應用最廣的是皮克公式，電暈起始場強近似為應用最廣的是皮克公式，電暈起始場強近似為 )/

33、)(3 . 01 (30cmkVrmEcm m：導線表面粗糙系數(shù)導線表面粗糙系數(shù); ;:空氣相對密度；空氣相對密度；r:r: 導線半徑（導線半徑（cmcm）極性效應極性效應 在極不均勻電場中，放電一定從曲率半徑較小的在極不均勻電場中，放電一定從曲率半徑較小的那個電極表面開始，與該電極極性無關。但后來的發(fā)那個電極表面開始，與該電極極性無關。但后來的發(fā)展過程、氣隙的電氣強度、擊穿電壓等都與該電極的展過程、氣隙的電氣強度、擊穿電壓等都與該電極的極性有密切的關系。極性有密切的關系。極不均勻電場中的放電存在著明極不均勻電場中的放電存在著明顯的極性效應顯的極性效應。極性決定于表面電場較強的電極所具有的電位

34、符號：極性決定于表面電場較強的電極所具有的電位符號：v在兩個電極幾何形狀不同時，極性取決于曲率半徑較小的那在兩個電極幾何形狀不同時，極性取決于曲率半徑較小的那個電極的電位符號，如個電極的電位符號，如“棒棒- -板板”氣隙。氣隙。v在兩個電極幾何形狀相同時，極性取決于不接地的那個電極在兩個電極幾何形狀相同時，極性取決于不接地的那個電極上的電位，如上的電位，如“棒棒- -棒棒”氣隙。氣隙。（1 1）自持放電前階段）自持放電前階段 正空間電荷削弱棒極附近場強正空間電荷削弱棒極附近場強而加強外部電場，阻止棒極附近而加強外部電場，阻止棒極附近流注形成使電暈起始電壓提高；流注形成使電暈起始電壓提高；（2

35、2）自持放電階段）自持放電階段 空間電荷加強放電區(qū)外部空間空間電荷加強放電區(qū)外部空間的電場，因此當電壓進一步提高的電場，因此當電壓進一步提高時，強場區(qū)將逐漸向極板推進至時，強場區(qū)將逐漸向極板推進至擊穿。擊穿。正極性正極性（1 1）自持放電前階段：正空）自持放電前階段：正空間電荷加強棒極附近場強而削間電荷加強棒極附近場強而削弱外部電場，促進棒極附近流弱外部電場，促進棒極附近流注形成使電暈起始電壓降低。注形成使電暈起始電壓降低。（2 2）自持放電階段：空間電）自持放電階段：空間電荷削弱放電區(qū)外部空間的電場，荷削弱放電區(qū)外部空間的電場，因此當電壓進一步提高時，電因此當電壓進一步提高時，電暈區(qū)不易向外

36、擴展，氣隙擊穿暈區(qū)不易向外擴展，氣隙擊穿將不順利，因此負極性擊穿電將不順利，因此負極性擊穿電壓比正極性高很多，完成擊穿壓比正極性高很多，完成擊穿所需時間也長得多。所需時間也長得多。負極性負極性工程實際中，輸電線路外絕緣和高壓電器的外工程實際中，輸電線路外絕緣和高壓電器的外絕緣都屬于極不均勻電場分布，在交流電壓下絕緣都屬于極不均勻電場分布，在交流電壓下的擊穿都發(fā)生在正半波。的擊穿都發(fā)生在正半波。因此，考核絕緣沖擊特性時應施加正極性的沖因此，考核絕緣沖擊特性時應施加正極性的沖擊電壓。擊電壓。)()(ccUU)()(bbUU因此：因此：5.1 5.1 雷電沖擊電壓下的擊穿雷電沖擊電壓下的擊穿5.2

37、5.2 操作沖擊電壓下的擊穿操作沖擊電壓下的擊穿5.2.1 5.2.1 操作沖擊電壓的形成操作沖擊電壓的形成5.1.1 5.1.1 雷電沖擊電壓標準波形雷電沖擊電壓標準波形5.1.2 5.1.2 沖擊放電時延沖擊放電時延5.1.3 5.1.3 雷電沖擊雷電沖擊5050擊穿電壓擊穿電壓5.1.4 5.1.4 伏秒特性伏秒特性5.2.2 5.2.2 操作沖擊電壓標準波形操作沖擊電壓標準波形5.2.3 5.2.3 操作沖擊放電電壓的特點操作沖擊放電電壓的特點5.1.1 5.1.1 雷電沖擊電壓標準波形雷電沖擊電壓標準波形5.1.2 5.1.2 沖擊放電時延沖擊放電時延5.1.3 5.1.3 雷電沖擊

38、雷電沖擊5050擊穿電壓擊穿電壓5.1.4 5.1.4 伏秒特性伏秒特性沖擊電壓變化速度很快，作用時間很短（沖擊電壓變化速度很快，作用時間很短（ss），），與穩(wěn)態(tài)電壓作用時氣隙相比，它的放電時間就與穩(wěn)態(tài)電壓作用時氣隙相比，它的放電時間就成為關注的重要因素。成為關注的重要因素。實驗表明：對氣隙施加沖擊電壓使其擊穿不僅實驗表明：對氣隙施加沖擊電壓使其擊穿不僅需要足夠幅值的電壓，有引起電子崩并導致流需要足夠幅值的電壓，有引起電子崩并導致流注和主放電的有效電子，而且需要一定的電壓注和主放電的有效電子，而且需要一定的電壓作用時間。作用時間。沖擊放電的總時間為：fsbtttt1短氣隙中（1cm以下），特別

39、是電場均勻時，tfts，放電時延主要取決于ts。為減小ts：v可提高外施電場使氣隙中出現(xiàn)有效電子的概率增加v可采用人工光源照射，使陰極釋放出更多的電子較長氣隙時，放電時延主要決定于形成延時tf，且電場越不均勻， tf越大定義：在多次施加同一電壓時，其中半數(shù)導致氣隙擊穿，以此反映氣隙的耐受沖擊電壓的能力。特點：(1)在均勻和稍不均勻場中，擊穿電壓分散性小， 沖擊系數(shù) (2)在極不均勻電場中，由于放電時延較長，其沖擊系數(shù) 擊穿電壓分散性也較大。050UU1050UU1繪制伏秒特性的方法保持沖擊電壓波形不變，逐級升高電壓使氣隙發(fā)生擊穿，記錄擊穿電壓波形，讀取擊穿電壓值U與擊穿時間t。當電壓不很高時擊

40、穿一般在波長發(fā)生；當電壓很高時，擊穿百分比將達100，放電時延大大縮短，擊穿可能發(fā)生在波前發(fā)生當擊穿發(fā)生在波前時，U與t均取擊穿時的值；當擊穿發(fā)生在波長時， U取波峰值，t取擊穿值50伏秒特性的繪制極不均勻：平均擊穿場強低，放電時延長，曲線上翹；稍不均勻：平均擊穿場強高，放電時延短，曲線平坦。因此在避雷器等保護裝置中，保護間隙采用均勻電場，確保在各種電壓下保護裝置伏秒特性低于被保護設備。伏秒特性在絕緣配合中的應用5.2.1 5.2.1 操作沖擊電壓的形成操作沖擊電壓的形成5.2.2 5.2.2 操作沖擊電壓標準波形操作沖擊電壓標準波形5.2.3 5.2.3 操作沖擊放電電壓的特點操作沖擊放電電

41、壓的特點電力系統(tǒng)的輸電線及電氣設備都有各自的電感和電容，由于系統(tǒng)運行狀態(tài)的突變（正?；蚬收希е码姼泻碗娙菰g電磁能的互相轉(zhuǎn)換，引起振蕩性的過渡過程過渡過程會在電氣設備或局部電網(wǎng)上造成遠遠超過正常運行的電壓，稱為操作過電壓操作過電壓幅值與波形跟電力系統(tǒng)的參數(shù)有密切關系，由于其過渡過程的振蕩基值是系統(tǒng)運行電壓，因此電壓等級越高，操作過電壓幅值越高，最高可達到最大相電壓峰值的34倍均勻場和稍不均勻場中v操作沖擊電壓的作用時間介于工頻電壓與雷電沖擊電壓之間。v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，與半峰時間無關。極不均勻場中

42、操作沖擊表現(xiàn)出許多不同的特點vU形曲線左半支：波前放電時延Ub 右半支：波前空間電荷遷移范圍電極附近電場Ub v極性效應 在不同的電場結構中，正操作沖擊50%擊穿電壓比負極性低，一般均討論正極性的情況。 操作沖擊擊穿電壓不僅遠低于雷電沖擊擊穿電壓，在某些波前時間內(nèi)，甚至比工頻擊穿電壓還低。 在同極性的雷電沖擊標準波作用下，棒-板間隙的擊穿電壓比棒-棒間隙時低得不多，而在操作過電壓下，前者比后者低得多 啟示：在設計高壓電氣設備時應盡量 避免出現(xiàn)棒-板間隙v飽和現(xiàn)象 原因：長間隙下先導形成后，放電更易發(fā)展，這對于發(fā)展特高壓輸電技術是不利的；而雷電沖擊作用時間太短，其飽和不明顯，放電電壓與間隙距離一

43、般呈線性關系。v分散性大 操作沖擊電壓下的氣隙擊穿電壓和放電時間的分散性都比雷電沖擊電壓大得多。6.1 電場形式對放電電壓的影響電場形式對放電電壓的影響6.2 電壓波形對放電電壓的影響電壓波形對放電電壓的影響6.3 大氣條件對放電電壓的影響大氣條件對放電電壓的影響均勻電場均勻電場稍不均勻電場稍不均勻電場極不均勻電場極不均勻電場直流電壓直流電壓工頻電壓工頻電壓沖擊電壓沖擊電壓空氣密度空氣密度濕度濕度海拔高度海拔高度氣體性質(zhì)氣體性質(zhì)均勻電場中的擊穿電壓擊穿電壓等于起始放電電壓，且無極性效應。經(jīng)驗公式： （標準大氣條件，峰值） d-間隙距離，-空氣相對密度稍不均勻電場中的擊穿電壓極性效應：負極性擊穿

44、電壓略低于正極性50UUUDCAC)(08. 622.24kVddUb50UUUDCAC極不均勻電場中的擊穿電壓v工程上常見電場大多數(shù)是極不均勻電場v工程上遇到極不均勻電場時，可由典型電極的擊穿電壓來修正絕緣距離，對稱電場參照“棒棒”電極數(shù)據(jù)；不對稱電場可參照“棒板”電極數(shù)據(jù)v放電的分散性大，且極性效應明顯)()(bbUU)()(ccUU均勻電場中 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中 不同電壓波形下?lián)舸╇妷夯鞠嗤?，放電分散性不大，極性效應不顯著極不均勻電場中 直流、工頻及沖擊電壓間差別明顯v直流電壓下的擊穿電壓棒-板間隙存在極性效應棒-棒電極擊穿電壓介于不同極性棒

45、-板之間)()(bbUUv工頻電壓下的擊穿電壓無論棒-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；當間隙距離不太大時，擊穿電壓與間隙距離呈線性關系；當間隙距離很大時，擊穿電壓與氣隙距離呈現(xiàn)飽和趨勢不同大氣條件下測得的擊穿電壓必須換算到統(tǒng)一的參考條件下才能進行比較；我國規(guī)定的標準大氣條件為：壓力：101.3kPa；溫度：20；絕對濕度：11g/m3實際試驗條件下的擊穿電壓和標準大氣條件下的擊穿電壓可通過相應的校正系數(shù)換算： Kd為空氣密度校正系數(shù) Kh為濕度校正系數(shù)0UKKUhd對空氣密度的校正對濕度的校正 在極不均勻場中對海拔高度的校正氣體性質(zhì)對放電電壓的影響nmdttppK)273

46、273()(00whkKpaUKU 4101 . 11HKa)40001000(mHm7.1.1 改進電極形狀改進電極形狀7.2.1 高氣壓的采用高氣壓的采用7.1 改善電場分布改善電場分布7.2 削弱或抑制電離過程削弱或抑制電離過程7.1.2 空間電荷的利用空間電荷的利用7.1.3 極不均勻電場中屏障的采用極不均勻電場中屏障的采用7.2.2 高真空的采用高真空的采用7.2.3 高電氣強度氣體高電氣強度氣體（SF6）的采用）的采用7.1.1 改進電極形狀7.1.2 空間電荷的利用7.1.3 極不均勻電場中屏障的采用一般說來，電場分布越均勻，平均擊穿場強越高改進電極形狀、增大電極曲率半徑，可以改善電場分布，提高間隙擊穿電壓電極表面盡量避免毛刺、棱角等以消除電場局部增強的現(xiàn)象如不可避免出現(xiàn)極不均勻電場，則盡可能采用對稱電場（棒-棒電極）極不均勻電場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)生的空間電荷來改善電場分布，提高擊穿電壓。例如：導線與平板間隙中，導線直徑很小時，導線周圍容易形成比較均勻的電暈層，由于電暈層比較均勻，電場分布改善，提