高電壓技術(shù)全套課件590

高電壓技術(shù)全套課件

緒論第一篇電介質(zhì)的電氣強度第二篇電氣設(shè)備絕緣試驗第三篇電力系統(tǒng)過電壓及其防護與絕緣配合高電壓技術(shù)第一篇電介質(zhì)的電氣強度1.什么是電介質(zhì)？2.什么是電介質(zhì)的電氣強度？電介質(zhì)作為絕緣材料，分為：氣體介質(zhì)、固體介質(zhì)和液體介質(zhì)，常進行組合。電介質(zhì)的耐擊穿性能（絕緣性能）。第一章氣體放電的基本物理過程第二章氣體介質(zhì)的電氣強度第三章液體和固體介質(zhì)的電氣特性第一篇電介質(zhì)的電氣強度本章要求掌握帶電粒子產(chǎn)生和消失的途徑；掌握氣體放電的湯森理論和流注理論；理解不均勻電場中的放電過程；掌握沿面放電形成機理和預(yù)防措施。第一章氣體放電的基本物理過程5第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生與消失第二節(jié)電子崩第三節(jié)自持放電條件第四節(jié)起始電壓與氣壓的關(guān)系第五節(jié)氣體放電的流注理論第六節(jié)不均勻電場的放電過程第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿第八節(jié)沿面放電與閃絡(luò)第一章氣體放電的基本物理過程

第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失氣體放電一、帶電粒子在氣體中的運動描述（一）自由行程長度第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失當氣體中存在電場時，帶電粒子具有復(fù)雜的運動軌跡：（1）與中性的氣體粒子（原子或分子）一樣，進行著雜亂無章的熱運動；（2）沿著電場作定向漂移。平均自由行程長度各種粒子在空氣中運動時都會不斷碰撞。單位行程(1cm)中的碰撞次數(shù)Z的倒數(shù)λ即為該粒子的平均自由行程長度。實際的自由行程長度是隨機量，粒子的平均自由行程長度等于或大于某一距離x的概率為

可見實際的自由行程長度x等于或大于平均自由行程長度λ的概率為36.8%.第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失電子的平均自由行程長度:由于電子的半徑或體積比離子或氣體分子小得多，所以電子的平均自由行程長度要比離子或氣體分子大得多。由氣體動力學(xué)可知，電子的平均自由行程長度式中r-----氣體分子的半徑；

N-----氣體分子的密度；由于，代入上式即得式中p-----氣壓，Pa；

T-----氣溫，K；

k-----波爾茨曼常數(shù)，

第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失結(jié)論：電子的平均自由行程與氣體種類、氣壓及溫度有關(guān)。（二）帶電粒子的遷移率遷移率:帶電粒子在電場力的驅(qū)動下，將沿著電場方向漂移，其速度v與場強E成正比,其比例系數(shù)k=v/E，稱為遷移率，它表示該帶電粒子在單位場強（1V/m）下沿電場方向的漂移速度。電子更易被加速：由于電子的平均自由行程長度比離子大得多，而電子的質(zhì)量比離子小得多,更易加速，所以電子的遷移率遠大于離子。第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失

(三)擴散擴散：在熱運動的過程中，粒子會從濃度較大的區(qū)域運動到濃度較小的區(qū)域，從而使每種粒子的濃度分布均勻化，這種物理過程叫擴散。影響擴散的因素：氣壓越低，溫度越高（密度?。瑒t擴散進行的越快。電子擴散速度快：電子的熱運動速度大，自由行程長度也大，所以其擴散速度也要比離子快得多。

第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失

二、帶電粒子的產(chǎn)生

電離：產(chǎn)生帶電粒子的過程稱為電離（或游離)，它是氣體放電的首要前提。激勵：氣體原子中的電子沿著原子核周圍的圓形或橢圓形軌道圍繞著帶正電的原子核旋轉(zhuǎn)。當原子獲得外加能量時，一個或若干個電子可能轉(zhuǎn)移到離核較遠的軌道上去。這種現(xiàn)象叫激勵。產(chǎn)生激勵所需的能量（激勵能）等于該軌道和常態(tài)軌道的能級差。第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失電離：如果原子獲得的外加能量足夠大，電子擺脫原子核的約束而成為自由電子，這時原來中性的原子發(fā)生了電離，分解成兩種帶電粒子—電子和正離子。電離能：使基態(tài)原子或分子中結(jié)合最松弛的那個電子電離出來所需的最小能量稱為電離能。第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失氣體激勵能We(eV)電離能Wi(eV)氣體激勵能We(eV)電離能Wi(eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6

表1-1某些氣體的激勵能和電離能

能量來源：引起電離所需的能量可通過不同的形式傳遞給氣體分子，例如:光能、熱能、機械能（動）能，對應(yīng)的電離過程稱為光電離、熱電離、碰撞電離。第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失（1）光電離

頻率為ν的光子能量為

h——普郎克常數(shù)=

發(fā)生空間光電離的條件為或者式中λ——光的波長，m;c——光速；

Wi——氣體的電離能，eV。

第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失

通過的計算可知，各種可見光（波長大于290nm）都不可能使氣體直接發(fā)生光電離，紫外線也只能使少數(shù)幾種電離能特別小的金屬蒸汽發(fā)生光電離，只有那些波長更短的高能輻射線（例如X射線、γ射線等）才能使氣體發(fā)生光電離。

在氣體放電中，能導(dǎo)致氣體光電離的光源不僅有外界的高能輻射線，而且還可能是氣體放電本身，例如帶電粒子復(fù)合的過程中，就會放出輻射能而引起新的光電離。

第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失在高溫下，氣體分子和原子熱運動加快，它們互相碰撞，在溫度足夠高時會撞擊產(chǎn)生離子和自由電子，這種現(xiàn)象稱為熱游離。（2）熱電離

第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失81012141618202224×103(K)1.00.80.60.40.20mT（2）熱電離電離度：氣體中已發(fā)生電離的分子數(shù)與總分子的比值m

稱為該氣體的電離度。下圖是空氣的電離度與溫度的關(guān)系曲線，可知：只有在溫度超過10000K時(例如電弧放電的情況)，才需考慮熱電離；而在溫度達到20000K左右時，幾乎全部空氣分子都已處于熱電離狀態(tài)。

第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失（3）碰撞電離

第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失當有一定強動能的電子撞擊到某種氣體的中性質(zhì)點時，可使其間電子被釋放出來，游離成正離子和新的自由電子。被撞擊的電子和原來的電子又會在電場作用下向陽極作加速運動，獲得足夠動能后，又將撞擊其它中性質(zhì)點，產(chǎn)生更多的自由電子和正離子，使帶電質(zhì)點濃度迅速增加。這一游離過程即稱為碰撞電離。（3）碰撞電離電子在電場強度為E的電場中移過x

距離時所獲得的動能為式中m——電子的質(zhì)量；qe——電子的電荷量。如果W

等于或大于氣體分子的電離能Wi

，該電子就有足夠的能量去完成碰撞電離，由此可得出電子引起碰撞電離的條件為

第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失

碰撞電離的最小距離：電子為造成碰撞電離而必須飛越的最小距離，xi的大小取決于場強E

，增大氣體中的場強將使xi值減小，可見提高外加電場（電壓）將使碰撞電離的概率和強度增大。

第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失碰撞電離是氣體中產(chǎn)生帶電粒子的最重要的方式。強調(diào)：碰撞電離主要由電子完成，離子碰撞中性分子并使之電離的概率要比電子小得多，所以在分析氣體放電發(fā)展過程時，往往只考慮電子所引起的碰撞電離。氣體激勵能We(eV)電離能Wi(eV)氣體激勵能We(eV)電離能Wi(eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6金屬逸出功(eV）金屬逸出功(eV）金屬逸出功(eV）鋁(Al)銀(Ag)1.83.1鐵(Fe)銅(Cu)3.93.9氧化銅(CuO)銫(Cs)5.30.7

（4）電極表面電離逸出功：電子從金屬表面逸出需要一定的能量，稱為逸出功比較表1-2與表1-1，可知金屬的逸出功比氣體分子的電離能小得多，表明金屬表面電離比氣體空間電離更易發(fā)生。陰極表面電離（電子發(fā)射）在氣體放電過程中起著相當重要的作用。隨著外加能量形式的不同，陰極表面電離可在下列情況下發(fā)生：1)正離子撞擊陰極表面：通常正離子動能不大，可忽略，其勢能等于電離能；只有在它的勢能等于或大于陰極材料逸出功兩倍時，才能引起陰極表面電離，這個條件可滿足（比較表1－1和1－2）。2)光電子發(fā)射：高能輻射線照射陰極時，會引起光電子發(fā)射，其條件是光子的能量應(yīng)大于金屬的逸出功。（4）電極表面電離3)熱電子發(fā)射：金屬中的電子在高溫下能獲得足夠的動能而從金屬表面逸出，稱為熱電子發(fā)射。在許多電子器件中常利用加熱陰極來實現(xiàn)電子發(fā)射。

4)強場發(fā)射（冷發(fā)射）：當陰極表面附近空間存在很強的電場時（106V/cm數(shù)量級），能使陰極發(fā)射電子。常態(tài)下作用氣隙擊穿完全不受影響；在高氣壓、壓縮的高強度氣體的擊穿過程中會起一定的作用；真空中更起著決定性作用。（4）電極表面電離三、負離子的形成當電子與氣體與分子碰撞時，可能會發(fā)生電子與中性分子相結(jié)合而形成負離子的情況，這種過程成為附著(附著效應(yīng)）。易于產(chǎn)生負離子的氣體稱為電負性氣體。例：氧氣、水汽分子、SF6

第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失

(2)擴散：帶電粒子因擴散現(xiàn)象而逸出氣體放電空間。

(3)復(fù)合：氣體中帶異號電荷的粒子相遇時，可能發(fā)生電荷的傳遞與中和，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合，是與電離相反的一種過程。

四、帶電粒子的消失

(1)中和：帶電粒子在電場的驅(qū)動下作定向運動，在到達電極時，消失于電極上而形成外電路中的電流；

第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失一、湯遜試驗試驗條件：兩個平行平板電極；外部光源（天然輻射或人工光源）；可調(diào)直流電源；測量表計(電壓表、電流表）；

第二節(jié)電子崩試驗結(jié)果及解釋0a段：電流隨電壓升高而增大；隨著場強的增大，氣體中的帶電粒子運動速度加快。ab段：電壓升高，電流基本不變；單位時間內(nèi)產(chǎn)生的帶電粒子全部運動到極板。

第二節(jié)電子崩bc段：電流隨電壓增大；出現(xiàn)了新的電離因素（碰撞電離），產(chǎn)生了新的帶電粒子。c點后：電流急劇增大；自身的電離因素占主導(dǎo)作用，絕緣被擊穿。

第二節(jié)電子崩非自持放電：S點前，電流較小，而且電流需要外界電離因素才能維持。自持放電：電壓達到一定值U0后，電流劇增，且電離過程僅靠外加電壓已能維持，不需要外界電離因素。U0稱為起始放電電壓。

第二節(jié)電子崩

外界電離因素在陰極附近產(chǎn)生一個初始電子，如果空間的電場強度足夠大，該電子在向陽極運動時就會引起碰撞電離，產(chǎn)生出一個新電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運動，又會引起新的碰撞電離，產(chǎn)生出更多的電子。依次類推，電子數(shù)將按幾何級數(shù)不斷增多，象雪崩似的發(fā)展,這種急劇增大的空間電子流被稱為電子崩。

第二節(jié)電子崩電子碰撞電離系數(shù)α：表示一個電子沿電場方向運動1cm的行程所完成的碰撞電離次數(shù)平均值根據(jù)碰撞電離系數(shù)α的定義，可得分離變量并積分，可得均勻電場，α不隨x變化ddxxn0nna

第二節(jié)電子崩抵達陽極的電子數(shù)新增加的電子數(shù)或離子數(shù)等號兩側(cè)乘以電子電荷qe

即成為電流關(guān)系式表示：電子崩電流按指數(shù)規(guī)律隨極間距離d而增大，但這時的放電還不能自持，因為一旦除去外界電離因子（令I(lǐng)0=0)，I即變?yōu)榱?，即為非自持放電。ddxxn0nna

第二節(jié)電子崩關(guān)于碰撞電離系數(shù)的討論（1）A、B與氣體種類有關(guān)；（2）p—氣壓；（3）E—電場強度。

第二節(jié)電子崩第三節(jié)自持放電條件二次電子：在電場作用下，正離子向陰極運動，撞擊陰極有可能引起表面電離而拉出電子，部分電子和正離子復(fù)合，其余部分則向著陽極運動和產(chǎn)生新的電子崩。如果電壓(電場強度）足夠高，初始電子崩中的正離子在陰極上產(chǎn)生出的新電子數(shù)等于或大于初始電子n0，那么即使除去外界電離因子的作用，放電也不會停止，即放電僅僅依靠已經(jīng)產(chǎn)生出來的電子和正離子（它們的數(shù)目取決于電場強度）就能維持下去，這就變成了自持放電。ddxxn0nna令γ表示一個正離子撞擊到陰極表面時產(chǎn)生出來的二次電子數(shù)，單位時間內(nèi)發(fā)射的電子數(shù)為nc

,到達陽極時將增加為外界電離因素引起正離子撞擊陰極引起第三節(jié)自持放電條件如果，那么即使除去外電離因子（I0=0),I亦不等于零，即放電能維持下去?？赏瞥觯嚎梢娮猿址烹姉l件應(yīng)為湯遜放電條件第三節(jié)自持放電條件

物理意義為：一個電子從陰極到陽極途中因電子崩而造成的正離子數(shù)為ead-1,這批正離子在陰極上造成的二次自由電子數(shù)應(yīng)為γ(ead-1)，如果它等于1，就意味著那個初始電子有了一個后繼電子，從而使放電得以自持。第三節(jié)自持放電條件起始場強與起始電壓放電由非自持轉(zhuǎn)為自持時的電場強度稱為起始場強，相應(yīng)的電壓為起始電壓；在比較均勻的電場中，起始場強和起始電壓就是氣隙的擊穿場強和擊穿電壓；在不均勻電場中電離過程僅僅存在于氣隙中電場強度等于或大于起始場強的區(qū)域，即使放電已能自持，但整個氣隙仍未擊穿。因此，在不均勻電場中，起始電壓低于擊穿電壓，電場越不均勻，二者的差值越大。

第三節(jié)自持放電條件

在不均勻電場中，各點的電場強度E不同，所以各處的α值也不同，在這中條件下，上面的自持條件應(yīng)改寫成

把電子崩和陰極上的γ過程作為氣體自持放電的決定性因素是湯遜理論的基礎(chǔ)，它只能使用于低氣壓、短氣隙的情況pd<26.66kPa·cm(200mmHg·cm)]，因為這種條件下不會出現(xiàn)以后要介紹的流注現(xiàn)象。上述過程可以用圖1-6中的圖解加以概括，當自持放電條件得到滿足時，就會形成圖解閉環(huán)部分循環(huán)不息的狀態(tài)，放電就能自己維持下去，而不再依賴外界電離因子的作用了。第三節(jié)自持放電條件外界電離因子陰極表面電離氣體空間電離碰撞電離電子崩（α）過程氣體中的自由電子在電場中加速

陰極表面二次發(fā)射

(γ過程）正離子圖1-6低氣壓、短氣隙情況下氣體的放電過程

第三節(jié)自持放電條件第四節(jié)起始電壓與氣壓的關(guān)系

利用湯遜理論的自持放電條件，以及碰撞電離系數(shù)α與氣壓p

、電場強度E

的關(guān)系式，并考慮均勻電場中自持放電起始場強，可得到下面的關(guān)系式由于均勻電場氣隙的擊穿電壓Ub等于它的自持放電起始電壓U0,所以上式表明：U0或Ub是氣壓和極間距離的乘積（pd)的函數(shù)，即

Ub

=U0=f(pd)巴申定律

擊穿電壓Ub具有極小值，提高氣壓或降低氣壓到真空都能提高氣隙的擊穿電壓。Ub

=f(pd)曲線稱為巴申曲線。它表明：如果改變極間距離d的同時，也相應(yīng)的改變氣壓p，而使pd的乘積不變，則極間距離不等的氣隙的擊穿電壓卻彼此相等。

上述巴申定律是在溫度T不變的條件下得出的。在氣溫T并非恒定的情況下，應(yīng)改寫成Ub

=F(δd)式中δ——氣體的相對密度。第四節(jié)起始電壓與氣壓的關(guān)系Ub(kV)圖1-7均勻電場中空氣的巴申曲線0.10.20.30.5123510203050100300100050201010.3520.20.1

0.5330pd(×133.3Pa.cm)第四節(jié)起始電壓與氣壓的關(guān)系擊穿電壓有最小值的定性解釋

形成自持放電需要一定的電離數(shù)，這決定于碰撞次數(shù)與電離概率的乘積；

若d一定，則p增大時，碰撞次數(shù)增加，但電離概率減小，因此在某個p值下，碰撞次數(shù)與電離概率的乘積有最大值；

若p一定，d增大時，碰撞次數(shù)增加，但電離概率減小（場強減?。?，因此在某個d值下，碰撞次數(shù)與電離概率的乘積有最大值；第四節(jié)起始電壓與氣壓的關(guān)系第四節(jié)起始電壓與氣壓的關(guān)系第五節(jié)氣體放電的流注理論湯遜理論的實用性能較好的解釋低氣壓短氣隙中的放電現(xiàn)象。不能解釋高氣壓長氣隙中的放電現(xiàn)象。（1）時間短：實際測的大氣擊穿時間比按湯遜理論推測的時間小得多；（2）放電通道出現(xiàn)不均勻。

(1)空間電荷對原有電場的影響原有均勻場強在電子崩前方和尾部處都增強了，在這兩個強場區(qū)中間出現(xiàn)了一個電場強度很小但電子和正離子濃度卻最大的區(qū)域，使此處產(chǎn)生強烈的復(fù)合并發(fā)射出許多光子，成為引發(fā)新的空間光電離的輻射源。x(a)(b)EE0dE0第五節(jié)氣體放電的流注理論輻射源向氣隙空間各處發(fā)射光子而引起光電離。如果光子位于強場區(qū)，二次電子崩將以更大得多的電離強度向陽極發(fā)展，或匯入崩尾。

(2)空間光電離的作用第五節(jié)氣體放電的流注理論

圖1-9流注形成過程(a)(b)(c)x(a)(b)EE0dE0

流注理論：在初始階段，氣體放電以碰撞電離和電子崩的形式出現(xiàn)，但當電子崩發(fā)展到一定程度后，某一初始電子崩的頭部積聚到足夠數(shù)量的空間電荷，就會引起新的強烈電離和二次電子崩，這種強烈的電離和二次電子崩是由于空間電荷使局部電場大大增強以及發(fā)生空間光電離的結(jié)果，這時放電即轉(zhuǎn)入新的流注階段。

(2)空間光電離的作用第五節(jié)氣體放電的流注理論

圖1-9流注形成過程(a)(b)(c)

流注：電離強度和發(fā)展速度遠大于初始電子崩的新放電區(qū)（二次電子崩）以及它們不斷匯入初崩通道的過程被稱為流注。

(2)空間光電離的作用第五節(jié)氣體放電的流注理論

圖1-9流注形成過程(a)(b)(c)

(二)空間光電離的作用第五節(jié)氣體放電的流注理論

流注的特點：電離強度很大，傳播速度很快（超過初崩發(fā)展速度10倍以上）。

出現(xiàn)流注后放電便獲得獨立繼續(xù)發(fā)展的能力，而不在依賴外界電離因素的作用，可見出現(xiàn)流注的條件也就是自持放電條件。出現(xiàn)流注的條件:初崩頭部空間電荷數(shù)必須達到某一臨界值，對于均勻電場，自持放電條件為:ead

=常數(shù)或ad=常數(shù)

圖1-9流注形成過程(a)(b)(c)第五節(jié)氣體放電的流注理論試驗研究所得的常數(shù)值為

或可見初崩頭部的電子數(shù)要達到108時，放電才能轉(zhuǎn)為自持（出現(xiàn)流注）。

如果電極間所加電壓正好等于自持放電起始電壓U0，那就意味著初崩要跑完整個氣隙，頭部才能積聚到足夠的電子數(shù)而引起流注。如果所加電壓超過自持放電電壓U0，流注將提前出現(xiàn)和以更快的速度發(fā)展。第五節(jié)氣體放電的流注理論流注理論能夠解釋湯遜理論無法解釋的一系列高氣壓、長氣隙下出現(xiàn)的放電現(xiàn)象，例如：時間問題，放電不均勻性。注意：這兩種理論各適用一定條件下的放電過程，不能用一種理論來代替另一種理論。第五節(jié)氣體放電的流注理論第六節(jié)不均勻電場中的放電過程一、稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特征稍不均勻電場：放電特性與均勻電場相似，一旦出現(xiàn)自持放電，一定立即導(dǎo)致整個氣隙擊穿。

例如：高壓實驗中用來測高電壓的球隙、全封閉組合電器中的分相母線筒。主變壓器側(cè)面一、稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特征第六節(jié)不均勻電場中的放電過程一、稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特征極不均勻電場：電場強度沿氣隙分布極不均勻，當所加電壓達到某一臨界值時，曲率半徑小的電極附近空間電場強度首先達到起始場強值E0，在此區(qū)域出現(xiàn)放電，但氣隙的大部分并未出現(xiàn)放電現(xiàn)象，即出現(xiàn)電暈現(xiàn)象。電暈：僅發(fā)生在強場區(qū)（小曲率半徑電極附近空間）的局部放電稱為電暈放電。外觀特征：環(huán)繞電極表面的藍紫色光暈。電暈起始電壓：開始出現(xiàn)電暈放電時的電壓為電暈起始電壓。隨著外加電壓的增大，電暈區(qū)也增大，但氣隙仍保持絕緣狀態(tài)，并未擊穿。

電場不均勻系數(shù)式中Emax

最大電場強度

Eav

平均電場強度。

U——電極間的電壓d——

極間距離

一般：f=1時，均勻電場；

f<2時，稍不均勻電場；

f>4時，極不均勻電場。第六節(jié)不均勻電場中的放電過程

二、架空線路的電暈放電電暈放電：可以是極不均勻電場氣隙擊穿過程的第一階段，也可以是長期存在的穩(wěn)定放電形式。這種放電對超高壓和特高壓輸電線路具有特殊的重要性。

以輸電線路為例，半徑為r的單根導(dǎo)線，離地高度為h

，導(dǎo)線表面電場強度E與對地電壓U的關(guān)系：第六節(jié)不均勻電場中的放電過程

兩根線間距離為D、半徑為r

的平行導(dǎo)線，線間電壓為U，則：

皮克公式，線路電暈起始場強Ec

近似計算式如下

式中

m——導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)，光滑導(dǎo)線的m≈1,絞線的m≈0.8～0.9；

δ

——

空氣相對密度；

r——

導(dǎo)線半徑，cm。第六節(jié)不均勻電場中的放電過程電暈受天氣的影響：

在雨、雪、霧等壞天氣時，導(dǎo)線表面的水滴使導(dǎo)線表面電場發(fā)生變化，降低了電暈起始電壓和起始場強，更容易發(fā)生電暈。電暈的危害：（1）電暈放電所產(chǎn)生的光、聲、熱等效應(yīng)使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會消耗一些能量，電暈損耗是超高壓輸電線路設(shè)計是必須考慮的因素，壞天氣電暈功率損耗會比好天氣時大得多。（2）電暈會對無線電和電視廣播產(chǎn)生干擾，還可能產(chǎn)生超過環(huán)保標準的噪聲（3）累積效應(yīng)損壞設(shè)備。第六節(jié)不均勻電場中的放電過程防止和減輕電暈的方法：

根本的途徑：限制和降低導(dǎo)線的表面電場強度?？刹捎脭U徑空心導(dǎo)線，更加合適的措施是采用分裂導(dǎo)線。第六節(jié)不均勻電場中的放電過程分裂導(dǎo)線：每相都用若干根直徑較小的平行分導(dǎo)線來替換大直徑導(dǎo)線。分裂數(shù)超過兩根時，這些分導(dǎo)線通常被布置在一個圓的內(nèi)接正多邊形重心上。第六節(jié)不均勻電場中的放電過程

典型架空輸電線路的照片第六節(jié)不均勻電場中的放電過程電暈的積極意義衰減雷電過電壓幅值和降低其陡度；抑制操作過電壓的幅值；廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)施（靜電除塵器、靜電噴涂裝置、臭氧發(fā)生器）。第六節(jié)不均勻電場中的放電過程

三、極不均勻電場的放電過程

極不均勻電場中的放電存在明顯的極性效應(yīng)。在兩個電極幾何形狀不同的場合，極性取決于

曲率半徑較小的那個電極的電位符號；幾何形狀相同，則取決于不接地的那個電極上的電位。第六節(jié)不均勻電場中的放電過程E0(c)Ecom=E0+EqE0EEqx(a)(b)正極性（一）正極性棒極帶正電位時，棒極附近強場區(qū)域的電暈放電將在棒極附近空間留下許多正離子，這些空間電荷削弱了棒極附近的電場強度，加強了正離子群外部空間的電場。因此隨著電壓提高，電暈的擴展，強場區(qū)也將逐漸向板極方向推進，因而放電的發(fā)展是順利的，直至氣隙被擊穿。－－第六節(jié)不均勻電場中的放電過程（二）負極性棒極帶負電位時，電子崩將由棒極表面出發(fā)向外發(fā)展，留在棒極附近的也是大批正離子，它們將加強棒極表面附近的電場而削弱外圍空間電場，電暈區(qū)不易向外擴展，整個氣隙的擊穿是不順利的，氣隙的擊穿電壓要比正極性時高很多，完成擊穿所需時間也比正極性時間長得多。

第六節(jié)不均勻電場中的放電過程Ecom=E0+Eq++Eq-(c)E0EEq+x(a)(b)Eq-E0負極性＋＋在進行外絕緣的沖擊高壓試驗時往往加正極性沖擊電壓，因為這時電氣強度較低。在工頻高壓作用下，擊穿均發(fā)生在外加電壓為正極性的半周內(nèi)。應(yīng)用第六節(jié)不均勻電場中的放電過程

第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿一、放電時間完成氣隙擊穿的三個必備條件：（1）足夠大的電場強度或足夠高的電壓；（2）在氣隙中存在能引起電子崩并導(dǎo)致流注（或γ

過程）和主放電的有效電子；（3）需要有一定的時間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿。

放電的總時間tb

由三部分組成，即t1-----到達靜態(tài)擊穿電壓所需時間。

ts

——統(tǒng)計時延，指從tl到氣隙中出現(xiàn)第一個有效電子。tf——放電形成時延，從出現(xiàn)有效電子到最終擊穿。

tb=tl

+ts

+tf

tlag=ts+tf

tlag——放電時延

Us－－靜態(tài)擊穿電壓，氣隙持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓。tst1tftlagtbUutUs

第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿二、沖擊電壓波形的標準化

由于氣隙在沖擊電壓下的擊穿電壓和放電時間都與沖擊電壓的波形有關(guān)，所以在求取沖擊擊穿特性時，必須首先將沖擊電壓的波形標準化，這樣的結(jié)果才具有可比性及實用性。我國規(guī)定的標準沖擊電壓波形主要有以下幾種：（1）標準雷電沖擊電壓波（2）標準雷電截波（3）標準操作沖擊電壓波

第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿（1）標準雷電沖擊電壓波

用來模擬電力系統(tǒng)中的雷電過電壓波，采用非周期性雙指數(shù)波。T1——視在波前時間；T2——視在半峰值時間；Um——沖擊電壓峰值國際電工委員會(IEC)和我國國家標準規(guī)定為：T1=1.2μs，容許偏差±30%；T2=40μs，容許偏差±20%通常寫成1.2/40μs，并可在前面加上正、負號表示極性。0.30.50.91OT1T2

u/Umt

第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿（2）標準雷電截波用來模擬雷電過電壓引起氣隙擊穿或外絕緣閃絡(luò)后出現(xiàn)的截尾沖擊波。IEC標準和我國國家標準規(guī)定為T1=1.2μs，容許偏差±30%；Tc=2～5μs?？蓪懗?.2/2～5μs.0.9O0.31

u/UmT1Tct

第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿（3）標準操作沖擊電壓波用來等效模擬電力系統(tǒng)中操作過電壓波，一般也用非周期性雙指數(shù)波。IEC標準和我國標準規(guī)定為[見下左圖]：波前時間Tcr=250μs,容許偏差±20%；半峰值時間T2=2500μs,容許偏差±60%。可寫成250/2500μs沖擊波。0.510

u/UmTcrT2tu0UmTcrtTcr=1000～1500us當在試驗中上述波形不能滿足要求時，推薦采用100/2500μs和500/2500μs沖擊波。此外還建議采用一種衰減震蕩波[下右圖]，第一個半波的持續(xù)時間在2000～3000μs之間，極性相反的第二個半波的峰值約為第一個半波峰值的80%

第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿

（一）50%沖擊擊穿電壓（U50%)

由于放電時延和放電時間均具有統(tǒng)計分散性，多次重復(fù)施加電壓時可能有幾次擊穿，而另幾次沒擊穿。隨著電壓的提高，發(fā)生擊穿的百分比將越來越大，直到每次施加電壓都擊穿。工程實際中廣泛采用擊穿百分比為50%時的電壓U50%來表征氣隙的沖擊擊穿特性。在實際中施加10次電壓有4～6次擊穿，就可認為這一電壓為氣隙的U50%沖擊擊穿電壓三、沖擊電壓下的氣隙擊穿特性

第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿

（一）50%沖擊擊穿電壓（U50%)沖擊系數(shù)β

：U50%與Us

之比稱為沖擊系數(shù)β。均勻和稍不均勻電場下沖擊擊穿電壓的分散性很小，沖擊系數(shù)β≈1。極不均勻電場中由于放電時延較長，沖擊系數(shù)β均大于1，沖擊擊穿電壓的分散性也較大。三、沖擊電壓下的氣隙擊穿特性

第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿伏秒特性由于氣隙的擊穿存在時延現(xiàn)象，所以其沖擊擊穿特性最好用電壓和時間兩個參量來表示，這種在“電壓—時間”平面上形成的曲線，通常稱為伏秒特性，它表示該氣隙的沖擊擊穿電壓與放電時間的關(guān)系。（二）伏秒特性

第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿

伏秒特性的制作：保持沖擊電壓波形不變，逐漸提高沖擊電壓的峰值。電壓不高時擊穿一般發(fā)生在波尾，電壓很高時擊穿百分比達到100%，放電時間大大縮短，擊穿可發(fā)生在波頭部分。在波頭時，取擊穿瞬間的電壓為該氣隙的擊穿電壓；在波尾擊穿時取該沖擊電壓的峰值作為擊穿電壓圖中點1和點2。u0t123

第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿實際上伏秒特性具有統(tǒng)計分散性，是一個以上下包線為界的帶狀區(qū)域，為了方便的解決工程實際問題，通常采用將平均放電時間各點相連所得的平均伏秒特性或50%伏秒特性曲線來表征一個氣隙的沖擊擊穿電壓。U50%u0t231

第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿均勻或稍不均勻電場放電時延短，其伏秒特性很快就變平；極不均勻電場放電時延長，因而伏秒特性到達變平點的時間也就較長。一切氣隙的伏秒特性最后都將趨于平坦，這時擊穿電壓不再受放電時間影響。特性曲線變平的時間與電場的形式有很大關(guān)系。

第七節(jié)放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿

各類絕緣子喪失絕緣功能有兩種可能：

(1)固體介質(zhì)本身的擊穿;(2)沿著固體介質(zhì)表面發(fā)生閃絡(luò)。電力系統(tǒng)的外絕緣一般都是自恢復(fù)絕緣，絕緣子閃絡(luò)或空氣間隙擊穿后，它們的絕緣性能很快自動恢復(fù)。試驗表明：沿固體表面的閃絡(luò)電壓不但比固體介質(zhì)本身的擊穿電壓低得多，而且也比極間距離相同的純氣隙的擊穿電壓低不少。一、沿面放電的一般概念第八節(jié)沿面放電和污閃事故（1）固體介質(zhì)處于均勻電場中，且界面與電力線平行，這種情況在工程中比較少見，但實際結(jié)構(gòu)中會遇到固體處于稍不均勻電場中、且界面與電力線大致平行的情況。此時的沿面放電特性與均勻電場的情況有些相似。E固體介質(zhì)與氣體介質(zhì)交界面上的電場分布狀況對沿面放電特性有很大影響。界面電場分布可分為典型三種情況。

二、面放電的類型與特點第八節(jié)沿面放電和污閃事故

（2）固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，且界面電場的垂直分量En

比平行于表面的切線分量Et大得多。例:絕緣套管。（3）固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，但大部分分界面上的電場切線分量Et大于垂直分量En

。例:支柱絕緣子。EtEnE第八節(jié)沿面放電和污閃事故EtEnE變壓器瓷套戶外棒形支柱絕緣子復(fù)合針式絕緣子絕緣套管高壓戶外穿墻瓷套管

界面與電力線平行，但沿面閃絡(luò)電壓仍要比空氣間隙的擊穿電壓低很多。說明電場發(fā)生了畸變，主要原因如下：（1）固體介質(zhì)與電極表面接觸不良，存在小氣隙。（2）大氣中的潮氣吸附在固體表面，形成薄水膜。（3）固體介質(zhì)表面電阻的不均勻和表面的粗糙不平。（一）均勻和稍不均勻電場中的沿面放電。E第八節(jié)沿面放電和污閃事故（二）極不均勻電場具有強垂直分量時的沿面放電

接地的法蘭附近的電力線密集，電場最強，不僅有切線分量，還有強垂直分量。EtEnE第八節(jié)沿面放電和污閃事故1.在電壓還不高時，法蘭附近先出現(xiàn)電暈放電；2.隨著電壓升高放電區(qū)變成許多平行的火花細線組成的光帶；3.當電壓超過某一臨界值后個別細線突然迅速增長，轉(zhuǎn)為分叉的樹枝狀明亮火花通道。導(dǎo)桿法蘭

這種樹枝火花在不同的位置上交替出現(xiàn)，稱為滑閃放電。電壓再升高一些，火花就到達另一電極，完成表面氣體的完全擊穿，稱為沿面閃絡(luò)或簡稱“閃絡(luò)”。第八節(jié)沿面放電和污閃事故這種絕緣子的兩個電極之間的距離較長，其間固體介質(zhì)本身不可能被擊穿，只可能出現(xiàn)沿面閃絡(luò)。電場垂直分量很弱,不出現(xiàn)熱電離和滑閃放電。干閃絡(luò)電壓隨極間距離的增大而提高，平均閃絡(luò)場強大于前一種有滑閃放電時的情況。（三）極不均勻電場垂直分量很弱時的沿面放電EtEnE第八節(jié)沿面放電和污閃事故

三、沿面放電電壓的影響因素和提高方法

1.影響因素

（一）固體介質(zhì)材料：主要取決于該材料的親水性或憎水性。

（二）電場形式：

同樣表面閃絡(luò)距離下，均勻與稍不均勻電場閃絡(luò)電壓最高。強切線分量的極不均勻電場中，閃絡(luò)電壓比同樣距離的純空氣間隙的擊穿電壓低得較少;強垂直分量極不均勻電場則低得很多。第八節(jié)沿面放電和污閃事故

（1）增大極間距離；（2）防止或推遲滑閃放電。

以瓷套管為例:要在瓷套的內(nèi)壁上噴鋁，消除內(nèi)壁兩側(cè)的電位差。加大法蘭處瓷套的外直徑和壁厚或涂半導(dǎo)體漆或半導(dǎo)體釉，防止滑閃放電過早出現(xiàn)。對35kV以上的高壓陶管要采用電容式套管和充油式套管。

提高沿面放電電壓的方法第八節(jié)沿面放電和污閃事故

四、固體表面有水膜時的沿面放電濕閃：潔凈的瓷表面被雨水淋濕時的沿面放電，相應(yīng)的電壓稱為濕閃電壓。污閃：絕緣子表面有濕污層時的閃落電壓稱為污閃電壓，將在后面再作專門探討。第八節(jié)沿面放電和污閃事故絕緣子表面的水膜是不均勻和不連續(xù)的。有水膜覆蓋的表面電導(dǎo)大，無水膜處的表面電導(dǎo)小，絕大多數(shù)外加電壓將由干表面（圖中的BCA’）段來承受。ABCAB當電壓升高時，或者空氣間隙BA’先擊穿或者干表面BCA’先閃絡(luò)，但結(jié)果都是形成ABA’電弧放電通道，出現(xiàn)一連串的ABA’通道就造成整個絕緣子完全閃落。如雨量特別大時，傘絕緣間有可能被雨水短接而構(gòu)成電弧通道，絕緣子也將發(fā)生完全的閃落。可見絕緣子在雨下有三種可能的閃絡(luò)途徑：①沿濕表面AB和干表面BCA’發(fā)展②沿濕表面AB和空氣間隙BA’發(fā)展；③沿濕表面AB和水流BB’發(fā)展。第八節(jié)沿面放電和污閃事故

第一種情況濕閃只有干閃電壓的40%～50%，還受雨水電導(dǎo)率的影響。第二種情況下絕緣子的濕閃電壓不會降低太多。第三種情況，濕閃電壓將降低到很低的數(shù)值。在設(shè)計時對各級電壓的絕緣子應(yīng)有的傘裙數(shù)、傘的傾角、傘裙直徑、傘裙伸出長度與傘裙間氣隙長度的比均應(yīng)仔細考慮、合理選擇。ABCAB①沿濕表面AB和干表面BCA’發(fā)展；②沿濕表面AB和空氣間隙BA’發(fā)展；③沿濕表面AB和水流BB’發(fā)展。第八節(jié)沿面放電和污閃事故

絕緣子污閃通?？煞譃榉e污、受潮、干區(qū)形成、局部電弧的出現(xiàn)和發(fā)展等四個階段。采取措施抑制或阻止其中任何一個階段的完成就能防止污閃事故的發(fā)生。

五、絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電——污閃第八節(jié)沿面放電和污閃事故

絕緣子表面上的污層在干燥狀態(tài)下一般不導(dǎo)電。遇到雨、霧、露等不利天氣時，污層被濕潤，電導(dǎo)增大，在工作電壓下的泄漏電流大增。電流所產(chǎn)生的焦耳熱，既可能使污層電導(dǎo)增大，又可能使水分蒸發(fā)、污層變干而減小其電導(dǎo)。例如懸式絕緣子鐵腳和鐵帽附近的污層中電流密度較大，污層烘干較快先出現(xiàn)干區(qū)或干帶。干區(qū)的電阻比其余濕區(qū)的電阻大的多,整個絕緣子上的電壓都集中到干區(qū)上，一般干區(qū)寬度不大，所以電場強度很大。第八節(jié)沿面放電和污閃事故如果電場強度已足已引起表面空氣的電離，在鐵腳和鐵帽周圍即開始電暈放電或輝光放電，由于此時泄漏電流較大，電暈或輝光放電很容易轉(zhuǎn)為只存在于絕緣子局部表面的有明亮通道的電弧，成為局部電弧。隨著干區(qū)的擴大，電弧被拉長。在霧、露天，污層濕潤度不斷增大，泄漏電流也隨之增大，在一定電壓下能維持的局部電弧長度也不斷增大。一旦局部電弧達到某一臨界長度時弧道溫度已很高，弧道的進一步伸長不需要更高電壓，而是自動延伸直至貫穿兩極完成沿面閃落。第八節(jié)沿面放電和污閃事故污閃的發(fā)展過程潮濕污穢層電導(dǎo)大，泄漏電流大，使污層加熱，出現(xiàn)干燥區(qū)干燥區(qū)電阻大，電壓集中在干燥區(qū)，場強大，出現(xiàn)局部放電局部放電發(fā)熱引起干燥區(qū)擴大，電弧拉長，場強下降。若此時電壓不足以維持電弧的燃燒電弧將熄滅。若電壓能維持放電繼續(xù)發(fā)展，電弧將不斷拉長（爬電），一旦爬電發(fā)展到某一臨界長度，將自動延伸，完成沿面閃絡(luò)，相應(yīng)的電壓稱為污閃電壓。第八節(jié)沿面放電和污閃事故污穢度：除了與積污量有關(guān)，還與污穢的化學(xué)成分有關(guān)。通常采用“等值附鹽密度”（簡稱“等值鹽密”）來表征絕緣子表面的污穢度，它指的是每平方厘米表面所沉積的等效氯化鈉（NaCl）毫克數(shù)。等值的方法：把表面沉積的污穢刮下，溶于300ml蒸餾水，測出其在20℃水溫時的電導(dǎo)率；然后在另一杯20℃、300ml的蒸餾水中加入NaCl，直到其電導(dǎo)率等于混合鹽溶液的電導(dǎo)率時，所加入的NaCl毫克數(shù)，即為等值鹽量，再除以絕緣子的表面積，即可得出“等值鹽密”(mg/cm2)。第八節(jié)沿面放電和污閃事故（一）調(diào)整爬電比距λ（增大泄露距離）爬電比距λ

指外絕緣“相—地”之間的爬電距離(cm)與系統(tǒng)最高工作（線）電壓（kV,有效值）之比。一定要遵循規(guī)定的爬電比距來選擇絕緣子串的總爬電距離和片數(shù)。

六、防污閃事故的對策

第八節(jié)沿面放電和污閃事故（二）定期或不定期的清掃（三）涂料（憎水性材料）（四）半導(dǎo)體釉絕緣子（五）新型合成絕緣子

各污穢等級所要求的爬電比距值λ3.10(3.41)3.10(3.57)2.91～3.45(3.20～3.80)2.78～3.30(3.20～3.80)Ⅳ2.50(2.75)2.50(2.88)2.27～2.91(2.50～3.20)2.17～2.78(2.50～3.20)Ⅲ2.00(2.20)2.00(2.30)1.82～2.27(2.00～2.50)1.74～2.17(2.00～2.50)Ⅱ1.60(1.76)1.60(1.84)1.45～1.82(1.60～2.00)1.39～1.74(1.60～2.00)Ⅰ__1.45(1.60)1.39(1.60)0330kV及以下220kV及以下330kV及以下220kV及以下

發(fā)電廠、變電所

線路爬電比距(cm/kV)污穢等級

注括號內(nèi)的數(shù)據(jù)為以系統(tǒng)額定電壓為基準的爬電比距值。

1.重量輕（僅相當于瓷絕緣子的1/10左右）

2.抗彎、抗拉、耐沖擊附和等機械性能都很好。

3.電氣絕緣性能好，特別是在嚴重污染和大氣潮濕的情況下性能十分優(yōu)異；

4.耐電弧性能也很好。

價格昂貴、老化等問題是影響它獲得更大推廣的問題。隨著材料工藝的進步這種絕緣子必將獲得越來越多的采用。新型合成絕緣子的優(yōu)點：第八節(jié)沿面放電和污閃事故第二章氣體介質(zhì)的電氣強度本章要求掌握均勻和不均勻電場氣隙的擊穿特性；掌握大氣條件對氣隙擊穿特性的影響；掌握提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法；了解六氟化硫氣體的特性。第一節(jié)均勻和稍不均勻電場的擊穿特性第二節(jié)極不均勻電場的擊穿特性第三節(jié)大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及校正第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法第五節(jié)六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備第二章氣體介質(zhì)的電氣強度

第二章氣體介質(zhì)的電氣強度工程實踐中，常常需要對氣體介質(zhì)的電氣強度（以擊穿場強或擊穿電壓表示）作出定量估計。通常用實驗的方法求取某些典型電極構(gòu)成的氣隙的擊穿特性，以滿足工程實際的需要。氣隙的電氣強度首先取決于電場形式；其次與所加電壓類型有很大關(guān)系。

一、均勻電場氣隙的擊穿特性均勻電場氣隙的擊穿特性：擊穿所需的時間很短；擊穿前無電暈；無極性效應(yīng)；與所加的電壓類型關(guān)系不大。它在直流、工頻和沖擊電壓作用下的擊穿電壓實際上都相同，而且擊穿電壓分散性很小，伏秒特性很快就變平，沖擊系數(shù)β=1。

均勻電場空氣間隙擊穿電壓特性可用下面的經(jīng)驗公式來表示第一節(jié)均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性

第二章氣體介質(zhì)的電氣強度

由上式可知，隨著極距離d的增大，擊穿場強Eb

稍有下降，在d=1～10cm的范圍內(nèi)，其擊穿場強約為30kV/cm

。相應(yīng)的平均擊穿場強

第一節(jié)均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性稍不均勻電場的擊穿特性：不可能存在穩(wěn)定的電暈放電，一旦出現(xiàn)局部放電即導(dǎo)致整個氣隙的擊穿；與所加電壓類型關(guān)系不大，它的沖擊系數(shù)也接近1，即它的沖擊擊穿電壓與工頻擊穿電壓及直流擊穿電壓基本上是相等的。實例：球間隙（高電壓試驗中用來測量高電壓幅值的球隙測量器）和同軸圓桶（高壓標準電容器和氣體絕緣組合電器中的分相封閉母線筒)。

二、稍不均勻電場的擊穿特性第一節(jié)均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性第一節(jié)均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性第一節(jié)均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性球間隙：電場不均勻度隨著球間距離d與球極直徑D之比（d/D)的增大而增大。極間距離d<D/4時，電場相當均勻，擊穿特性與均勻電場相似。d>D/4時，電場不均勻度增大，擊穿電壓的分散性增大。球隙測壓器一般在

D≤d/2的范圍內(nèi)工作，以保證測量精度。第一節(jié)均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性如果取同軸圓筒的外筒內(nèi)半徑為10cm，而改變內(nèi)筒外直徑r之值，那么這一氣隙的電暈起始電壓Uc和擊穿電壓Ub隨r而變化。同軸圓筒Rr同軸圓筒第一節(jié)均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性主變壓器側(cè)面第一節(jié)均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性當r很小（r<0.1R)時，氣隙屬于極不均勻電場，擊穿前先出現(xiàn)電暈，且Uc

值很小，而擊穿電壓Ub遠大于Uc。當r>0.1R

時，氣隙已逐漸轉(zhuǎn)為稍不均勻電場，Ub≈Uc

，擊穿前不再有穩(wěn)定的電暈放電，且擊穿電壓的極大值出現(xiàn)在r≈0.33R左右。通常在絕緣設(shè)計中將r/R之比選在0.25～0.4的范圍內(nèi)。01234567891014012010080604020UbUbUcU(kV)r(cm)第一節(jié)均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性Rr

在各種各樣的極不均勻電場氣隙中，“棒—棒”氣隙具有完全的對稱性，而“棒—板”氣隙具有最大的不對稱性。一、直流電壓

不對稱的極不均勻電場：（例如“棒—板”氣隙）在直流電壓下的擊穿具有明顯的極性效應(yīng)?！鞍簟濉睔庀对谪摌O性時的擊穿電壓大大高于正極性時的擊穿電壓。對稱的極不均勻電場：“棒—棒”氣隙的極性效應(yīng)不明顯，可忽略不計，其擊穿特性介于上述“棒—板”氣隙在兩種極性下的擊穿特性之間。第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性長間隙負極性平均擊穿場強10kV/cm；正極性4.5kV/cm負極性平均擊穿場強20kV/cm；正極性7.5kV/cm“棒—板”氣隙的擊穿總是發(fā)生在棒極為正極性的那半周的峰值附近。

“棒—棒”氣隙的工頻擊穿電壓要比“棒—板”氣隙高一些。因為相對而言前者比后這稍均勻一些。

二、工頻交流電壓第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性在氣隙長度不超過1m時，“棒—棒”與“棒—板”氣隙的工頻擊穿電壓幾乎一樣；棒—棒：Ub≈4.0kV/cm（有效值）棒—板：Ub≈3.7kV/cm（有效值）但氣隙長度進一步增大后，二者的差別就變得越來越大了。在空氣間隙更長時，“棒—板”氣隙的平均擊穿場強明顯降低，即存在“飽和”現(xiàn)象。顯然，這時再增大“棒—板”氣隙的長度，已不能有效的提高其工頻擊穿電壓。D=10m時，Ub≈1.5kV/cm（有效值）第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性在1.5/40μs的雷電沖擊電壓作用下，“棒—板”氣隙的沖擊擊穿電壓具有明顯的極性效應(yīng)，棒為正極性時的擊穿電壓要比棒為負極性時的數(shù)值低得多。

三、雷電沖擊電壓第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性在1.5/40μs的雷電沖擊電壓作用下，“棒—板”氣隙的沖擊擊穿電壓具有明顯的極性效應(yīng)，棒為正極性時的擊穿電壓要比棒為負極性時的數(shù)值低得多?！鞍簟簟睔庀兑灿胁淮蟮臉O性效應(yīng)，這是大地的影響，使不接地的那支棒極附近電場增強的緣故?！鞍簟簟睔庀兜膿舸┨匦越橛凇鞍簟濉睔庀秲煞N極性的擊穿特性之間。第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性長間隙擊穿特性空氣中棒間隙的工頻擊穿電壓（幅值）和雷電沖擊50%擊穿電壓的近似計算公式如下表（標準大氣條件，極間距離d>40cm)氣隙電壓類型近似計算公式(d,cm;Ub,kV)氣隙電壓類型近似計算公式(d,cm;Ub,kV)棒—棒工頻交流Ub=70+5.25d棒—板工頻交流Ub=40+5d正極性雷電沖擊Ub=75+5.6d正極性雷電沖擊Ub=40+5d負極性雷電沖擊Ub=110+6d負極性雷電沖擊Ub=215+6.7d第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性對極不均勻電場長氣隙來說，操作沖擊電壓下的擊穿具有如下特點：（1）操作沖擊電壓的波形對氣隙的電氣強度有很大的影響，實驗表明，氣隙的50%操作沖擊擊穿電壓U50%(s)與波前時間Tc

的關(guān)系曲線呈“U”型，在某一時間Tc下U50%(s)出現(xiàn)極小值U50%(min)

。Tc值隨氣隙長度d的增大而增大，在工程實際中所遇到d的范圍內(nèi)，Tc

值大約處于100～500μs之間。

四、操作沖擊電壓第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性50%操作沖擊擊穿電壓極小值U50%(min)可用下面的經(jīng)驗公式求得式中d——氣隙長度，m。上式適用于d=2～15m的場合，當d>15m時，可用下式計算（2）在各種類型的作用電壓中，以操作沖擊電壓下的電氣強度為最小。在確定電力設(shè)施的空間距離時，必須考慮這一重要情況。第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性操作沖擊電壓下的電氣強度為最小。（3）極不均勻電場長氣隙的操作沖擊擊穿電壓具有顯著的“飽和”特征。利用上面的經(jīng)驗公式可求得d=10m時的氣隙平均擊穿場強已不到2kV/cm。而當d=20m時，更降到了1.25kV/cm。平均擊穿場強隨氣隙長度加大而降低。特高壓輸電第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性（4）操作沖擊電壓下的氣隙擊穿電壓和放電時間的分散性都要比雷電沖擊電壓下大得多。此時極不均勻電場氣隙的相應(yīng)標準偏差σ值可達5%～8%。第二節(jié)極不均勻電場氣隙的擊穿特性

由于大氣的壓力、溫度、濕度等條件都會影響空氣的密度、電子自由行程長度、碰撞電離及附著過程，所以也必然會影響氣隙的擊穿電壓。海拔高度的影響與此類似，隨著高度的增加，空氣的壓力和密度均會下降。正由于此，在不同的大氣條件和海拔高度下所得出的擊穿電壓實測數(shù)據(jù)都必須換算到某種標準條件下才能互相進行比較。我國的國家標準所規(guī)定的標準大氣條件為：

壓力p0=101.3kpa（760mmHg）；溫度t0=20℃或T0=293K；絕對濕度hc

=11g/m3。第三節(jié)大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正

在實際試驗條件下的氣隙擊穿電壓U與標準大氣條件下的擊穿電壓U0

之間可以通過相應(yīng)的校正因數(shù)進行如下?lián)Q算式中Kd——空氣密度校正因數(shù)；

Kh——濕度校正因數(shù)。第三節(jié)大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正空氣的密度與壓力和溫度有關(guān)。空氣的相對密度在大氣條件下，氣隙的擊穿電壓隨δ的增大而提高。當δ處于0.95～1.05的范圍內(nèi)時，氣隙的擊穿電壓幾乎與δ成正比，即此時的空氣密度校正因數(shù)Kd≈δ，因而

U

≈δU0

氣隙不長（例如不超過1m）時，上式能足夠精確的使用于各種電場形式和各種電壓類型下近似的工程估算。一、對空氣密度的校正

第三節(jié)大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正

研究表明：對更長空氣間隙來說，擊穿電壓與大氣的關(guān)系并不是一種簡單的線性關(guān)系。而是隨電極形狀、電壓類型和氣隙長度而變化的復(fù)雜關(guān)系。Kd如下式計算式中指數(shù)m

，n與電極形狀、氣隙長度、電壓類型及極性有關(guān)，其值在0.4～1.0的范圍內(nèi)變化，具體取值可參考有關(guān)國家標準的規(guī)定。第三節(jié)大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正

大氣中的水分子能夠俘獲自由電子而形成負離子，這對氣體的放電過程起著抑制作用，可見：大氣的濕度越大，氣隙的擊穿電壓也會增高。在均勻和稍不均勻電場中，放電開始時，整個氣隙的電場強度都很大，電子運動速度較快，不易被水分子俘獲，因而濕度影響不太明顯，可以忽略不計。

例如:用球隙測量高電壓時，只要按空氣相對密度校正其擊穿電壓就可以了，而不必考慮濕度的影響。

二、對濕度的校正

第三節(jié)大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正

在極不均勻電場中，濕度影響很明顯，可用下面的濕度校正因數(shù)來校正。式中k與絕對濕度和電壓類型有關(guān)，而指數(shù)ω值取決于電極形狀、氣隙長度、電壓類型及其極性。具體值亦可參考有關(guān)國家標準。

Kh

=kω第三節(jié)大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正我國國家標準規(guī)定：對于安裝在海拔高于1000m、但不超過4000m處的電力設(shè)施外絕緣，其試驗電壓U

應(yīng)為平原地區(qū)外絕緣的試驗電壓Up

乘以海拔校正因數(shù)Kn

，即

U=KaUp式中H——安裝點的海拔高度，m。

三、對海拔的校正

第三節(jié)大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正

為了縮小電力設(shè)施的尺寸，總希望將氣隙長度或絕緣距離盡可能取小一些，為此需要采取措施提高氣體介質(zhì)的電氣強度。從使用角度出發(fā)，要提高氣隙的擊穿電壓有兩種途徑（1）改善氣隙中的電場分布，使之盡量均勻；（2）設(shè)法消弱或抑制氣體介質(zhì)中的電離過程。

第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法

一、改進電極形狀以改善電場分布

電場分布越均勻，氣隙的平均擊穿場強越大。改進電極形狀（增大電極的曲率半徑、消除電極表面的毛刺、尖角等），可以減小氣隙中的最大電場強度，改善電場分布，從而提高氣隙的擊穿電壓。

第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法

第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法

一、改進電極形狀以改善電場分布一、改進電極形狀以改善電場分布一、改進電極形狀以改善電場分布擴徑導(dǎo)線

利用屏蔽罩來增大電極的曲率半徑是一種常用的方法。屏蔽罩的尺寸應(yīng)選的使電暈起始電壓Uc

大于裝置的最大對地工作電壓Ug.max

，即

Uc

>Ug.max最簡單的屏蔽罩是球型屏蔽極，它的半徑R

可按下式選擇超高壓線路上采用的擴徑導(dǎo)線，超高壓線路絕緣子串上安裝的保護金具（均壓環(huán)）都是在超高壓線路上應(yīng)用屏蔽原理來改善電場分布以提高電暈起始電壓的實例。電暈起始場強

第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法

第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法

球型屏蔽極均壓環(huán)一、改進電極形狀以改善電場分布細線效應(yīng)：以“導(dǎo)線—平板”、“導(dǎo)線—導(dǎo)線”氣隙為例，當導(dǎo)線直徑減小到一定程度后，氣隙的工頻擊穿電壓反而會隨導(dǎo)線直徑的減小而提高，出現(xiàn)所謂“細線效應(yīng)”。解釋：細線的電暈放電所形成的均勻空間電荷層能改善氣隙中電場分布，導(dǎo)致?lián)舸╇妷旱奶岣?；在?dǎo)線直徑較大時，在整個表面發(fā)生均勻的總體電暈之前就會在個別局部先出現(xiàn)電暈和刷形放電。

二、利用空間電荷改善電場分布

第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法

第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法

細線效應(yīng)雷電沖擊電壓下沒有細線效應(yīng)三、采用屏障在氣隙中放置形狀和位置合適、能阻礙帶電粒子運動和調(diào)整空間電荷分布的屏障，是提高氣體介質(zhì)電氣強度的一種有效方法。屏障用絕緣材料制成，但它本身的絕緣性能無關(guān)緊要，重要的是它的密閉性，一般安裝在電暈間隙中，其表面與電力線垂直。

第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法

原理：屏障的作用取決于它所攔住的與電暈電荷同號的空間電荷，使電暈電極與屏障之間的空間電場強度減小。雖然這時屏障與另一電極之間空間電場強度增大了，但其電場分布更加均勻，所以整個氣隙的電氣強度提高了。三、采用屏障

屏障的位置很重要，在“棒—板”氣隙中，最有利的屏障位置是距棒（1/5～1/6）d處。當棒為負極性時，改善效果會大大降低，在大多數(shù)位置甚至還會降低。三、采用屏障

提高氣壓會大大減小電子的自由行程長度，削弱和抑制了電離過程，使氣體的電氣強度得到提高。如果在采用高壓的同時再以某些高強度的氣體（例如SF6氣體）來替代空氣，能獲得更好的效果。五、采用高電氣強度氣體

在眾多氣體中，有一些含鹵族元素的強電負性氣體[例如六氟化硫（SF6）、氟里昂（CCl2F2）等]的電氣強度特別高可稱為高電氣強度氣體。采用這些氣體來代替空氣可以大大提高氣隙的擊穿電壓，甚至在空氣中混入一部分這樣的氣體也能顯著提高電氣性能。

四、采用高氣壓

第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法

高真空度可以減弱氣體的碰撞電離過程從而顯著提高氣隙的擊穿電壓。在高真空時，不能用簡單的氣體放電理論來說明。在極間距離較小時，高真空的擊穿與陰極表面的強場發(fā)射有關(guān)。

六、采用高真空

第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法

在距離較小時，擊穿場強較高。在距離較大時，擊穿將由所謂“全電壓效應(yīng)”引起，隨著極間距離的增大，平均擊穿場強將越來越小。真空間隙的擊穿電壓與陰極材料、表面光潔度和潔凈度等多種因素有關(guān)，因而分散性很大。

六、采用高真空

第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法

擊穿電壓的比較

SF6

的電氣強度約為空氣的2.5倍，滅弧能力高達空氣的100倍以上。在超高壓和特高壓范疇內(nèi)，它已完全取代絕緣油和壓縮空氣成為唯一的斷路器滅弧媒質(zhì)。在封閉式氣體絕緣組合電器（GIS）和充氣管道輸電線等裝置中，SF6也被廣泛的采用。第五節(jié)六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備

電負性氣體的有效碰撞電離系數(shù)應(yīng)為式中η——電子附著系數(shù)，表示一個電子沿電場方向運動1cm的行程所發(fā)生的電子附著次數(shù)平均值

α——電子碰撞電離系數(shù)。（一）均勻和稍不均勻電場中SF6的擊穿

均勻電場的電子崩增長規(guī)律式中n0——陰極表面處的初始電子數(shù)；

na——到達陽極時的電子數(shù)。

一、六氟化硫的絕緣性能

由于強電負性氣體在實用中均屬于流注放電的范疇，均勻電場中電負性氣體的流注自持放電條件為αd=K(α–η

)d=K實驗研究表明對于SF6

氣體，常數(shù)K=10.5，相應(yīng)的擊穿電壓為

Ub=88.5pd+0.38(kV)式中p——氣壓，Mpa

；

d——極間距離，mm。

在工程應(yīng)用中，通常pd>1MP·mm,所以上式也可近似寫成

Ub≈88.5pd

一、六氟化硫的絕緣性能

在極不均勻電場中，SF6

氣體的擊穿有異?，F(xiàn)象，主要表現(xiàn)在兩個方面：首先是工頻擊穿電壓隨氣壓的變化曲線存在“駝峰”；其次是駝峰區(qū)段內(nèi)的雷電沖擊擊穿電壓明顯低于靜態(tài)擊穿電壓，其沖擊系數(shù)可低至0.6左右。（二）極不均勻電場中SF6

的擊穿電極表面粗糙度Ra對SF6氣體擊穿場強Eb的影響隨著工作氣壓的提高而增大。電極表面粗糙度大時表面突起處的局部電場強度要比氣隙的平均電場強度的大得多，而且可在宏觀上平均場強尚未到達臨界值時就誘發(fā)擊穿。電極表面還會有其他缺陷，電極表面積越大這類缺陷出現(xiàn)的概率也就越大，SF6

的擊穿場強就越低，這一現(xiàn)象稱為“面積效應(yīng)”。

1.電極表面缺陷（三）影響擊穿場強的其他因素

氣體絕緣電氣設(shè)備的設(shè)計場強值遠遠低于理論擊穿場強，因為有其他因素的影響：（三）影響擊穿場強的其他因素

1.電極表面缺陷2.導(dǎo)電微粒設(shè)備中的導(dǎo)電微粒有兩大類，即固定微粒和自由微粒，前者的作用與電極表面缺陷相似，而后者因會在極間跳動而對SF6氣體的絕緣性能產(chǎn)生更大的不利影響。（三）影響擊穿場強的其他因素

氣體要作