氣體的絕緣強(qiáng)度解析課件

第一篇

高電壓絕緣與試驗(yàn)第一章氣體的絕緣強(qiáng)度第一篇

高電壓絕緣與試驗(yàn)第一章氣體的絕緣強(qiáng)1什么是絕緣絕緣是電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其作用是把電位不等的導(dǎo)體分開，使其保持各自的電位，沒有電氣連接。

什么是電介質(zhì)？將具有絕緣作用的材料稱為絕緣材料，即電介質(zhì)。電介質(zhì)在電場的作用下，有極化，電導(dǎo)、損耗和擊穿等現(xiàn)象。什么是絕緣什么是電介質(zhì)？21.1氣體放電的基本物理過程1.1.1氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失

氣體是電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備中常見的絕緣介質(zhì)，工程上使用得最多的是空氣和六氟化硫氣體。

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氣體放電的基本物理過程氣體是電力系統(tǒng)和電氣設(shè)3

以空氣為作為絕緣介質(zhì)，如：架空線路中相與相之間、相與地之間、變壓器外絕緣等。以空氣為作為絕緣介質(zhì)，如：架空線路中相與相之間、相與4

以六氟化硫氣體作為絕緣介質(zhì)，如六氟化硫斷路器、六氟化硫全封閉組合電器。福建水口電站的550KVHGIS

運(yùn)行在巴基斯坦的252KVGIS以六氟化硫氣體作為絕緣介質(zhì)，如六氟化硫斷路器、六氟化5氣體不是理想的絕緣體:

正常情況下，氣體是絕緣體，但其中仍有少量的帶電質(zhì)點(diǎn)，這是在空中高能射線（如紫外線、宇宙射線及地球內(nèi)部輻射）作用下產(chǎn)生的。在電場作用下，這些帶電質(zhì)點(diǎn)作定向運(yùn)動(dòng)而形成電導(dǎo)電流。因?yàn)椋瑲怏w不是理想的絕緣體，不過，當(dāng)電場較弱時(shí)，帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)極少，電流極小，氣體仍是良好的絕緣體。氣體不是理想的絕緣體:6什么是氣體擊穿

當(dāng)氣體中的電場強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值后，氣體中電流劇增，在氣體間隙中形成一條導(dǎo)電性能高的通道，氣體失去絕緣能力，氣體這種由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)的過程，稱為擊穿。什么是氣體擊穿7什么是氣體放電

氣體中流過電流的各種形式，統(tǒng)稱為氣體放電。氣體放電的形式：在氣壓低、電源功率較小時(shí)，為充滿間隙的輝光放電；在大氣壓下，表現(xiàn)為火花放電或電弧放電；在極不均勻電場中，會(huì)在局部電場最強(qiáng)處產(chǎn)生電暈放電。什么是氣體放電8氣體原子的激發(fā)和電離:

任何電介質(zhì)都是由原子組成的，原子則由一帶正電的原子核和圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)的外層電子組成。由于原子所帶正、負(fù)電荷相等，故正常情況呈中性。電子的能量不同，其所處的軌道也不同。通常電子能量越小，其軌道半徑越小，離原子核越近。穩(wěn)定的原子的外層電子都在各自的能級(jí)軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)原子的位能最小。當(dāng)外界給予原子一定的能量使內(nèi)層電子獲得能量不能脫離原子核的束縛，只能躍遷到標(biāo)志著能量更高的、離原子核較遠(yuǎn)的軌道上去時(shí)，該原子就處于激勵(lì)狀態(tài)，原子的位能也增加，這一過程叫激勵(lì)。

氣體原子的激發(fā)和電離:9激發(fā)：電子向高一能級(jí)軌道的躍遷。電離：如果氣體原子從外部獲得足夠大的能量，使外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子。失去電子的原子就成帶正電的離子，稱為正離子。此過程就稱為電離。激發(fā)：電子向高一能級(jí)軌道的躍遷。10（1）氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生

帶電質(zhì)點(diǎn)可由以下形式的游離形成：1）碰撞游離2）光游離3）熱游離4）表面游離（1）氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生111）碰撞游離

這是氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)目增加的重要原因。在電場作用下，電子被加速獲得動(dòng)能。若其動(dòng)能大于氣體質(zhì)點(diǎn)的游離能，在和氣體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞時(shí)，就可能使氣體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生游離分裂成正離子和電子。這種游離稱為碰撞游離。1）碰撞游離122）光游離

電磁射線（光子）的能量等于或大于氣體質(zhì)點(diǎn)的游離能時(shí)所引起的游離過程叫光游離。3）熱游離因氣體分子熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)引起的游離稱為熱游離。其實(shí)質(zhì)仍是碰撞游離和光游離，只是直接的能量來源不同而已。2）光游離134）表面游離

放在氣體中的金屬電極表面游離出自由電子的現(xiàn)象稱為表面游離。金屬表面游離所需能量可以從下述途徑獲得：正離子碰撞陰極：正離子在電場中向陰極運(yùn)動(dòng)，碰撞陰極時(shí)將其能量傳遞給電子而使金屬表面逸出兩個(gè)電子，其中一個(gè)與正離子結(jié)合而合成中性質(zhì)點(diǎn)，另一個(gè)才可能成為自由電子。光電效應(yīng)：金屬表面受到光的照射，也能產(chǎn)生表面游離。強(qiáng)場發(fā)射：在陰極附近加上很強(qiáng)的外電場，將電子從陰極表面拉出來，稱為強(qiáng)場發(fā)射或冷發(fā)射。熱電子發(fā)射：將金屬電極加熱到很高的溫度，可使其中電子獲得巨大能量，逸出金屬。在電子、離子器件中常利用熱電子發(fā)射作為電子來源，在強(qiáng)電領(lǐng)域，對(duì)某些電弧放電的過程有重要作用。4）表面游離14(2)氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失（三種方式）1）氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)在電場力作用下流入電極帶電質(zhì)點(diǎn)一旦產(chǎn)生，在外電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)，流入電極形成電導(dǎo)電流。2）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，從而使帶電質(zhì)點(diǎn)在空間各處的濃度趨于均勻的過程。擴(kuò)散的原因：帶電質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)電子比離子的擴(kuò)散速度高3個(gè)數(shù)量級(jí)(2)氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失（三種方式）1）氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)在15含義：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程。對(duì)放電的影響：復(fù)合過程要阻礙放電的發(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。

放電過程中的復(fù)合絕大多數(shù)是正、負(fù)離子之間的復(fù)合，參加復(fù)合的電子絕大多數(shù)是先形成負(fù)離子再與正離子復(fù)合。3）帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合含義：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161.1.2湯遜理論和巴申定律

非自持放電：如果取消外電離因素，氣體的放電過程就會(huì)停止，那么電流也將消失。這類依靠外電離因素和外電場因素共同作用而維持的放電。

自持放電：氣隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素。1.1.2湯遜理論和巴申定律17湯遜理論：描述均勻電場氣隙的擊穿放電的理論一、氣體放電實(shí)驗(yàn)及伏安特性曲線氣體中電流和電壓的關(guān)系伏安特性曲線測定氣體中電流的回路示意圖適用條件：均勻電場、低氣壓、短間隙湯遜理論：描述均勻電場氣隙的擊穿放電的理論一、氣體放電實(shí)驗(yàn)18氣體放電伏安特性

湯遜理論試驗(yàn)分析當(dāng)U<Ucoa段：I隨U的提高而增大，這是由于一定強(qiáng)度的光照射所產(chǎn)生的光電子是一個(gè)常數(shù)，隨著電壓的升高，間隙中帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度加大。ab段：當(dāng)電壓接近Ua時(shí)，電流I0趨向于飽和值，這是因?yàn)楣庹丈洚a(chǎn)生的光電子是一個(gè)常數(shù)，所以電流仍取決于外界游離因素，而與所加電壓無關(guān)。bc段：當(dāng)電壓提高到時(shí)Ub，電流又開始隨電壓的升高而增大，這是由于電子在電場作用下，已積累起足以引起游離的能量，當(dāng)它與氣體分子碰撞時(shí)氣隙中出現(xiàn)碰撞電離。氣體放電伏安特性湯遜理論試驗(yàn)分析19氣體放電伏安特性

湯遜理論試驗(yàn)分析bc段：電壓升高電流增強(qiáng)，但仍靠外電離維持放電過程(非自持放電階段)當(dāng)UUcc點(diǎn)后：電流急劇突增，氣體間隙擊穿，只靠外加電壓就能維持(自持放電階段)氣體放電伏安特性湯遜理論試驗(yàn)分析20

外界電離因子在陰極附近產(chǎn)生了一個(gè)初始電子，如果空間電場強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(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。電子崩：在電場作用下電子從陰極向陽極推進(jìn)而形成的一群電子圖1.2電子崩形成示意圖

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21電子崩的發(fā)展規(guī)律

為了分析碰撞電離和電子崩引起的電流，引入：電子碰撞電離系數(shù)。表示一個(gè)電子沿電場方向運(yùn)動(dòng)1cm的行程所完成的碰撞電離次數(shù)平均值。

如圖1-3為平板電極氣隙，板內(nèi)電場均勻，設(shè)外界電離因子每秒鐘使陰極表面發(fā)射出來的初始電子數(shù)為N0。圖1-3電子崩內(nèi)電子數(shù)的計(jì)算圖電子崩的發(fā)展規(guī)律為了分析碰撞電離和電子崩引起的電流22

由于碰撞電離和電子崩的結(jié)果，在它們到達(dá)x處時(shí)，電子數(shù)已增加為n，這n個(gè)電子在dx的距離中又會(huì)產(chǎn)生dn個(gè)新電子。圖1-3電子崩內(nèi)電子數(shù)的計(jì)算圖根據(jù)碰撞電離系數(shù)的定義，可得：移項(xiàng)并積分積分：由于碰撞電離和電子崩的結(jié)果，在它們到達(dá)x處時(shí)，電子數(shù)23當(dāng)x=s時(shí)，抵達(dá)陽極的電子數(shù)應(yīng)為：途中新增加的電子數(shù)或正離子數(shù)應(yīng)為：這就是電子崩發(fā)展規(guī)律：即一個(gè)電子從陰極出發(fā)到陽極由于碰撞游離變成eαS個(gè)電子即按指數(shù)規(guī)律增加電子數(shù)當(dāng)x=0時(shí)，n=N0。則在均勻電場中，是一個(gè)常數(shù)，則當(dāng)x=s時(shí)，抵達(dá)陽極的電子數(shù)應(yīng)為：途中新增加的電子數(shù)或正離子24②自持放電條件設(shè)一個(gè)正離子撞擊陰極產(chǎn)生出的自由電子數(shù)為γ，γ稱為正離子的表面游離系數(shù)，則個(gè)正離子撞擊陰極產(chǎn)生的電子數(shù)為

。只要即陰極表面至少逸出一個(gè)電子，則即使外界游離因素不復(fù)存在，氣隙中游離過程也能繼續(xù)下去。由此，均勻電場中由非自持放電轉(zhuǎn)為自持放電的條件為：②自持放電條件設(shè)一個(gè)正離子撞擊陰極產(chǎn)生出的自由電子數(shù)為γ，25巴申定律根據(jù)自持放電條件，導(dǎo)出氣體的擊穿電壓為：A、B是與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，ub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。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(s)乘積的函數(shù)。巴申定律根據(jù)自持放電條件，導(dǎo)出氣體的擊穿電壓為：A、B是與26均勻電場中幾種氣體擊穿電壓Ub與ps的關(guān)系巴申定律：描述了氣體的擊穿電壓Ub與ps的關(guān)系曲線(亦即Ub與δs的關(guān)系曲線)－－實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1)擊穿電壓不僅由間隙距離s決定，而且也是ps的函數(shù)；(2)擊穿電壓不是ps的單調(diào)函數(shù)，而是U曲線，存在擊穿電壓的極小值；(3)不同氣體，其巴申曲線上的最低擊穿電壓不同，對(duì)應(yīng)的ps值也不同；低氣壓均勻電場下巴申定律均勻電場中幾種氣體擊穿電壓Ub與ps的關(guān)系巴申定律：描述了氣27上述巴申定律是在氣溫T保持不變時(shí)得出的。在氣溫T并非恒定的情況下，通常寫為：式中：氣體的相對(duì)密度，即實(shí)際氣體密度與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的密度之比，可見：=101.3kPa=293K標(biāo)準(zhǔn)大氣條件：上述巴申定律是在氣溫T保持不變時(shí)得出的。在氣溫T式中：281.1.3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）、長氣隙的情況[ps>>26.66kPa·cm]，湯遜理論將不適用。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)原有電場的影響空間光電離的作用1.1.3流注理論湯遜放電理論所討論的是低氣壓、29(一)空間電荷的形成和它對(duì)電場的畸變圖1.5平板電極間電子崩空間電荷對(duì)外電場的畸變作用電子崩頭部聚集大部分正離子和全部電子，產(chǎn)生了電場畸變；在電場很小的區(qū)域，電子和離子濃度最大，有利于完成復(fù)合；強(qiáng)烈的復(fù)合輻射出許多光子，成為引發(fā)新的空間光電離輻射源。(一)空間電荷的形成和它對(duì)電場的畸變圖1.5平板電極間電30流注的形成與發(fā)展

圖1.6正流注發(fā)展機(jī)理(a)原始電子崩；(b)發(fā)展中的流注起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩；初始崩中正負(fù)離子間電場大大削弱，復(fù)合劇烈進(jìn)行，同時(shí)放射出大量光子；光電離產(chǎn)生二次電子，在加強(qiáng)的局部電場作用下形成二次崩；流注的形成與發(fā)展圖1.6正流注發(fā)展機(jī)理起始電子發(fā)生碰31d)二次崩中的電子受初崩中正離子的吸引作用，就注入到初崩中，形成了正、負(fù)離子的混合質(zhì)通道。此時(shí)，離子濃度更高，復(fù)合更激烈進(jìn)行，又不斷向崩尾輻射出光電子，形成新的光游離，不斷有光電子和二次崩產(chǎn)生。二次崩電子又不斷滲入到初崩中來，使正、負(fù)離子的混合質(zhì)通道不斷伸長（稱為流注）。e)流注通道貫通，氣隙擊穿d)二次崩中的電子受初崩中正離子的吸引作用，就注入到初崩中32流注條件形成流注的必要條件是：電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷足以使原電場明顯畸變，大大加強(qiáng)電子崩崩頭和崩尾處的電場；電子崩頭部附近電荷密度很大，復(fù)合頻繁，釋放出引發(fā)新的空間光電離的輻射源，二次電子崩主要來源于空間光電離；氣隙中一旦形成流注，放電就可由空間光電離自行維持。流注條件33流注自持放電條件：或初崩頭部電子數(shù)要達(dá)到108時(shí)，出現(xiàn)流注，放電才能轉(zhuǎn)為自持。流注自持放電條件：或初崩頭部電子數(shù)要達(dá)到108時(shí)，出現(xiàn)流注，341.1.4不均勻電場中的放電過程

實(shí)際工程中較少存在均勻形式電場而多為稍不均勻甚至極不均勻電場均勻電場：兩個(gè)電極的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩電極間的距離，這兩個(gè)電極間的電場稱為均勻電場。如平板電極；不均勻電場：兩電極的曲率半徑小于兩電極間的距離時(shí)，兩電極間的電場就是不均勻電場。如棒-棒、棒-板；當(dāng)棒電極的曲率半徑遠(yuǎn)大于棒-板電極間的距離時(shí)，其間電場就是極不均勻電場。在極不均勻電場間隙擊穿前會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的電暈放電，且放電過程中具有顯著的極性效應(yīng)。1.1.4不均勻電場中的放電過程實(shí)際工程中較少存在均勻35Emax:最大電場強(qiáng)度;Eav:平均電場強(qiáng)度Ke<2，稍不均勻電場—擊穿過程與均勻電場相似Ke>4，極不均勻電場—兩個(gè)特點(diǎn)：擊穿前出現(xiàn)穩(wěn)定的電暈放電；有顯著的極性效應(yīng)為了描述各種結(jié)構(gòu)的電場不均勻程度，可引入一個(gè)電場不均勻系數(shù)Ke，表示為：Emax:最大電場強(qiáng)度;Eav:平均電場強(qiáng)度為了描述36一.電暈放電條件：極不均勻電場中電極曲率半徑小電極間距離大特點(diǎn)：間隙局部擊穿，大部分尚未喪失絕緣性能，間隙仍能耐受電壓作用，放電電流小，紫色暈光，吱吱放電聲.電暈起始電壓U0<間隙擊穿電壓Ub一.電暈放電條件：極不均勻電場中電極曲率半徑小電極間距離大特37導(dǎo)線表面起暈場強(qiáng)三相對(duì)稱時(shí)，導(dǎo)線的起暈場強(qiáng)電暈損耗功率計(jì)算電暈放電的起始電壓一般用經(jīng)驗(yàn)公式來推算，應(yīng)用最廣的是皮克公式，電暈起始場強(qiáng)近似為：導(dǎo)線表面起暈場強(qiáng)電暈放電的起始電壓一般用經(jīng)驗(yàn)公式來推算，應(yīng)用38電暈放電的危害：能量損耗高頻電磁波使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)噪聲污染電暈放電的對(duì)策：改變電極形狀，增加電極曲率半徑采用分裂導(dǎo)線電暈放電的危害：39在極不均勻電場中，放電一定從曲率半徑較小的那個(gè)電極表面開始，與該電極極性無關(guān)。但放電的發(fā)展過程、氣隙的電氣強(qiáng)度、放電電壓等都與該電極的極性有密切的關(guān)系。極不均勻電場中的放電存在著明顯的極性效應(yīng)。

2極性效應(yīng)在極不均勻電場中，放電一定從曲率半徑較小的那個(gè)電極表面開40決定極性要看表面電場較強(qiáng)的那個(gè)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。決定極性要看表面電場較強(qiáng)的那個(gè)電極所具有的電位符號(hào)：41

下面以典型的極不均勻電場--“棒-板”氣隙為例，從流注理論的觀點(diǎn)出發(fā)，說明放電的：

發(fā)展過程極性效應(yīng)

下面以典型的極不均勻電場--“棒-板”氣隙為例，從流注理論42（一）正極性如圖所示棒極帶正電位時(shí)，電子崩頭部的電子到達(dá)棒極后即將被中和，棒極附近強(qiáng)場區(qū)內(nèi)的電暈放電將在棒極附近空間留下許多正離子。

這些正離子雖朝板極移動(dòng)，但速度很慢而暫留在棒極附近。（一）正極性如圖所示43

這些正空間電荷削弱了棒極附近的電場強(qiáng)度，而加強(qiáng)了正離子群外部空間的電場，因此當(dāng)電壓進(jìn)一步提高，隨著電暈放電區(qū)的擴(kuò)展，強(qiáng)場區(qū)亦將逐漸向板極方向推進(jìn)，因而放電的發(fā)展是順利的。這些正空間電荷削弱了棒極附近的電場強(qiáng)度，而加強(qiáng)了正離44（二）負(fù)極性

如圖所示：棒極負(fù)極性時(shí)，電子崩將由棒極表面出發(fā)向外發(fā)展，崩頭的電子在離開強(qiáng)場（電暈）區(qū)后，雖不能再引起碰撞電離，但仍繼續(xù)往板極運(yùn)動(dòng)。留在棒極附近的也是大批正離子，這時(shí)它們將加強(qiáng)棒極表面附近的電場而削弱外圍空間的電場，電場情況如圖（c）所示。（二）負(fù)極性如圖所示：棒極負(fù)極性時(shí)，電子崩將由棒極表面出45所以，當(dāng)電壓進(jìn)一步提高時(shí)，電暈區(qū)不易向外擴(kuò)展，整個(gè)氣隙擊穿將是不順利的，因而這時(shí)氣隙的擊穿電壓要比正極性時(shí)高得多，完成擊穿過程所需的時(shí)間也要比正極性時(shí)長得多。所以，當(dāng)電壓進(jìn)一步提高時(shí)，電暈區(qū)不易向外擴(kuò)展，整個(gè)氣隙擊穿將46標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波：雷電沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化1.1.5沖擊電壓下氣體間隙的擊穿特性標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波：雷電沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化1.1.5沖47雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形48標(biāo)準(zhǔn)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)后所出現(xiàn)的截尾沖擊波，如圖所示。

標(biāo)準(zhǔn)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)后所49b.操作沖擊電壓Tcr－波前時(shí)間（波頭時(shí)間）=250±20%μsT2－半峰值時(shí)間（波長時(shí)間）=2500±20%μs可表示為250/2500μsb.操作沖擊電壓Tcr－波前時(shí)間（波頭時(shí)間）=250±20%50衰減振蕩電壓波第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間在2000—3000μs之間，反極性的第二半波的峰值約為第一個(gè)半波峰值的80％衰減振蕩操作沖擊波衰減振蕩電壓波第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間在2000—3000μ512.放電時(shí)延：對(duì)氣隙加上沖擊電壓，電壓隨著時(shí)間的增長迅速由零上升到峰值后，又緩慢衰減

放電時(shí)間的形成

1)升壓時(shí)間t0：電壓從零上升到持續(xù)電壓作用下的擊穿電壓U0（稱為靜態(tài)擊穿電壓）所需的時(shí)間。2)統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts：通常把電壓達(dá)間隙的靜態(tài)擊穿電壓開始到間隙中出現(xiàn)第一個(gè)有效電子為止所需的時(shí)間3)放電發(fā)展時(shí)間tf：從第一個(gè)有效電子到間隙完成擊穿所需的時(shí)間4）放電時(shí)延tL：tL=ts+tf5）氣體間隙在沖擊電壓作用下?lián)舸┧枞繒r(shí)間：td=t0+ts+tf氣隙的擊穿需要一定的時(shí)間2.放電時(shí)延：放電時(shí)間的形成1)升壓時(shí)間t0：電壓從零523.伏秒特性

定義：同一波形、不同幅值的沖擊電壓下，間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時(shí)間的關(guān)系曲線.繪制方法：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(shí)，擊穿發(fā)生在波尾;電壓較高時(shí)，擊穿發(fā)生在波頭3.伏秒特性定義：同一波形、不同幅值的沖擊電壓下，間隙上53制作伏秒特性曲線很費(fèi)事，工程上常常采用：“50％擊穿電壓”“U2μs”2μs沖擊擊穿電壓來表示氣隙的耐電性能“50％擊穿電壓”：指在該沖擊電壓作用下氣隙被擊穿的概率為一半“U2μs”：

指在該沖擊電壓作用下發(fā)生擊穿td大于或小于2μs的概率各為一半制作伏秒特性曲線很費(fèi)事，工程上常常采用：“50％擊穿電壓”54實(shí)驗(yàn)表明，在沖擊電壓作用下，由于放電時(shí)間具有分散性，所以在每級(jí)電壓下可以得到一系列的放電時(shí)間。伏秒特性實(shí)際上是一個(gè)以上、下包線為界的帶狀區(qū)域。0%伏秒特性：每級(jí)電壓下，放電時(shí)間小于下包線橫坐標(biāo)所示數(shù)值的概率為0%100%伏秒特性：每級(jí)電壓下，放電時(shí)間小于上包線橫坐標(biāo)所示數(shù)值的概率為100%50%伏秒特性：每級(jí)電壓下，放電時(shí)間小于該包線橫坐標(biāo)所示數(shù)值的概率為50%通常取50％伏秒特性或平均伏秒特性曲線來表征一個(gè)氣隙的沖擊擊穿特性。實(shí)驗(yàn)表明，在沖擊電壓作用下，由于放電時(shí)間具有分散性，所以在每55第一章-氣體的絕緣強(qiáng)度解析課件56極不均勻場間隙(s1)和均勻及稍不均勻場間隙(s2)的伏秒特性

同一電壓下，S2都將先于S1擊穿，S2就能可靠的保護(hù)S1極不均勻場間隙(s1)和均勻及稍不均勻場間隙同一電壓下，S57兩個(gè)間隙伏秒特性交叉的情況

在沖擊電壓峰值較低時(shí)，s2先于s1擊穿，能對(duì)s1起保護(hù)作用；但在高峰值沖擊電壓作用下，s1先于s2擊穿，s2不起保護(hù)作用。兩個(gè)間隙伏秒特性交叉的情況在沖擊電壓峰值較低時(shí)，s2先于s58電場情況：均勻、稍不均勻、極不均勻

電壓形式：直流、交流、雷電沖擊、操作沖擊

大氣條件：氣壓、溫度、濕度1.2影響氣體放電電壓的因素電場情況：均勻、稍不均勻、極不均勻1.2影響氣體放電電591.2.1電場形式對(duì)放電電壓的影響均勻電場：兩個(gè)電極形狀完全相同且對(duì)稱布置，因而不存在極性效應(yīng)。均勻電場中各處的電場強(qiáng)度均相等，擊穿所需的時(shí)間極短

在直流、工頻和沖擊電壓作用下的擊穿電壓實(shí)際上都相同，與作用電壓形式無關(guān)

擊穿電壓的分散性很小，伏秒特性很快就變平，沖擊系數(shù)β＝1

一、均勻電場和稍均勻電場中的擊穿電壓1.2.1電場形式對(duì)放電電壓的影響均勻電場：一、均勻電場60擊穿電壓的經(jīng)驗(yàn)公式可表示為：上式完全符合巴申定律，因?yàn)樗部筛膶懗桑簱舸╇妷旱慕?jīng)驗(yàn)公式可表示為：上式完全符合巴申定律，因?yàn)樗部?1與均勻電場相似，沖擊系數(shù)接近1，沖擊擊穿電壓與工頻擊穿電壓及直流擊穿電壓幾乎相等。稍均勻電場:與均勻電場相似，沖擊系數(shù)接近1，沖擊擊穿電壓與工頻擊穿電壓及62工程上常見電場大多數(shù)是極不均勻電場工程上遇到極不均勻電場時(shí)，可由典型電極的擊穿電壓來修正絕緣距離，對(duì)稱電場參照“棒－棒”電極數(shù)據(jù)；不對(duì)稱電場可參照“棒－板”電極數(shù)據(jù)放電分散性較大，且極性效應(yīng)顯著。間隙距離相同時(shí)，電場越均勻，氣隙的擊穿電壓就越高。極不均勻電場中的擊穿電壓:工程上常見電場大多數(shù)是極不均勻電場極不均勻電場中的擊穿電631.2.2電壓波形對(duì)擊穿電壓的影響氣隙上作用電壓的種類（波形）：

直流電壓工頻電壓雷電沖擊電壓操作沖擊電壓1.2.2電壓波形對(duì)擊穿電壓的影響氣隙上作用電壓的種類（波64①棒-板間隙存在極性效應(yīng)②棒-棒電極擊穿電壓介于不同極性棒-板之間直流電壓下的擊穿特性①棒-板間隙存在極性效應(yīng)直流電壓下的擊穿特性65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)，呈現(xiàn)出飽和現(xiàn)象,平均擊穿場強(qiáng)明顯降低，棒-板間隙尤為嚴(yán)重。所以，在電氣設(shè)備中希望盡量采用“棒-棒”類型的電極結(jié)構(gòu)而避免“棒-板”類型。工頻電壓下的擊穿特性當(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)66雷電沖擊擊穿電壓與距離呈正比，無飽和；沖擊工頻電壓下的擊穿特性沖擊工頻電壓下的擊穿特性67操作沖擊電壓有明顯的極性效應(yīng)和飽和現(xiàn)象操作沖擊電壓有明顯的極性效應(yīng)和飽和現(xiàn)象68大氣條件對(duì)放電電壓的影響由于大氣的壓力、溫度、濕度等條件都會(huì)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(huì)影響氣隙的擊穿電壓。

海拔高度的影響亦與此類似，因?yàn)殡S著海拔高度的增加，空氣的壓力和密度均下降。擊穿電壓是指在一定大氣參數(shù)下的擊穿電壓大氣條件對(duì)放電電壓的影響由于大氣的壓力、溫度、濕度等69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(jìn)行比較；我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件為：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(jìn)70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相應(yīng)的校正系數(shù)換算：

Kd：空氣密度校正系數(shù)

Kh：濕度校正系數(shù)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相應(yīng)71對(duì)空氣密度的校正對(duì)濕度的校正在極不均勻場中對(duì)海拔高度的校正對(duì)空氣密度的校正721.3沿面放電沿面放電：沿著固體介質(zhì)表面發(fā)展的氣體放電現(xiàn)象。

1.3沿面放電沿面放電：沿著固體介質(zhì)表面發(fā)展的氣體放電現(xiàn)象73沿面放電也稱為沿面閃絡(luò)，是一種氣體放電現(xiàn)象，指在固體介質(zhì)和空氣的交界面上出現(xiàn)的沿固體絕緣表面的氣體放電。閃絡(luò)：沿面放電發(fā)展到貫穿性的空氣擊穿稱為閃絡(luò)；電力系統(tǒng)不少絕緣事故均是沿面閃絡(luò)造出的.所以研究它的放電機(jī)理和規(guī)律對(duì)電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行都有重大的現(xiàn)實(shí)意義。沿面放電也稱為沿面閃絡(luò)，是一種氣體放電現(xiàn)象，指在固體介質(zhì)和74沿面放電的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

沿固體介質(zhì)表面的閃絡(luò)電壓比純空氣間隙或純固體介質(zhì)的擊穿電壓低得多。按照固體介質(zhì)在電極間的位置，形成三種電場結(jié)構(gòu)：均勻電場具有弱垂直分量的極不均勻電場(如支柱絕緣子)具有強(qiáng)垂直分量的極不均勻電場(如套管）沿面放電的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：按照固體介質(zhì)在電極間的位置，形成三種電場75第一章-氣體的絕緣強(qiáng)度解析課件761.3.1沿面放電的物理過程1）固體介質(zhì)處于均勻電場

l－純空氣擊穿；2－石蠟；3－陶瓷；4－與電極接觸不緊密的陶瓷均勻場中不同介質(zhì)沿面工頻閃絡(luò)電壓沿面閃絡(luò)時(shí)的臨界電壓稱閃絡(luò)電壓1.3.1沿面放電的物理過程1）固體介質(zhì)處于均勻電場均772)、極不均勻電場強(qiáng)垂直分量沿面放電基本過程：1）電暈放電2）刷狀放電3）滑閃放電4）完全擊穿滑閃機(jī)理：帶電離子撞擊介質(zhì)表面，使局部溫度升高，導(dǎo)致熱電離2)、極不均勻電場強(qiáng)垂直分量沿面放電基本過程：滑閃機(jī)理：78影響沿面放電電壓的因素電場分布和電壓波形的影響均勻與不均勻；工頻、直流、沖擊介質(zhì)材料的影響主要表現(xiàn)在介質(zhì)表面吸潮方面大氣條件的影響溫度、氣壓（如高海拔）、濕度介質(zhì)表面情況的影響雨水淋濕或表面臟污，沿面閃絡(luò)電壓急劇下降影響沿面放電電壓的因素電場分布和電壓波形的影響79絕緣子的污穢放電絕緣子將處于不同電位的導(dǎo)體在機(jī)械上固定，在電氣上絕緣。結(jié)構(gòu)上分：(懸式、支柱)絕緣子、套筒、套管絕緣子的污穢放電絕緣子結(jié)構(gòu)上分：80絕緣事故的原因：

一、電壓升高：

雷擊、操作過電壓、工頻電壓升高

二、絕緣下降：

污穢、雨、霧、露、冰、雪；

異物、零值、大風(fēng)、老化

絕緣子的污穢放電：沿著污染絕緣表面發(fā)展的放電現(xiàn)象。通常也稱為污穢閃絡(luò)。污穢閃絡(luò)(pollutionflashover)發(fā)生在運(yùn)行電壓下，屬于典型的絕緣下降問題。絕緣事故的原因：

一、電壓升高：

雷擊、操作過電壓、工81防污閃措施

1.增加絕緣子片數(shù)或采用防污型絕緣子2.定期清掃或更換絕緣子3.在絕緣子表面涂憎水性材料4.采用半導(dǎo)體釉絕緣子5.采用合成絕緣子防污閃措施1.增加絕緣子片數(shù)或采用防污型絕緣子821.3.4提高沿面放電電壓的措施屏障屏蔽提高表面憎水性改變絕緣體表面電阻率(如,應(yīng)用半導(dǎo)體涂料,在法蘭附近的絕緣體表面涂半導(dǎo)體釉)強(qiáng)制固體介質(zhì)表面的電位分布(減小C,可使表面的電位分布均勻）1.3.4提高沿面放電電壓的措施屏障83本章總結(jié)氣體的放電理論：湯遜理論和流注理論不均勻電場長間隙的放電特點(diǎn)：電暈、極性效應(yīng)不均勻電場長間隙的放電過程沖擊電壓的表征方式(波形)、沖擊特性的表征方法(U50和伏秒特性)影響氣體擊穿電壓的因素及機(jī)理分析提高氣體擊穿電壓的主要措施沿面放電、影響沿面放電電壓的主要因素和提高沿面放電電壓的主要措施本章總結(jié)氣體的放電理論：湯遜理論和流注理論84第一篇

高電壓絕緣與試驗(yàn)第一章氣體的絕緣強(qiáng)度第一篇

高電壓絕緣與試驗(yàn)第一章氣體的絕緣強(qiáng)85什么是絕緣絕緣是電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其作用是把電位不等的導(dǎo)體分開，使其保持各自的電位，沒有電氣連接。

什么是電介質(zhì)？將具有絕緣作用的材料稱為絕緣材料，即電介質(zhì)。電介質(zhì)在電場的作用下，有極化，電導(dǎo)、損耗和擊穿等現(xiàn)象。什么是絕緣什么是電介質(zhì)？861.1氣體放電的基本物理過程1.1.1氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失

氣體是電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備中常見的絕緣介質(zhì)，工程上使用得最多的是空氣和六氟化硫氣體。

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氣體放電的基本物理過程氣體是電力系統(tǒng)和電氣設(shè)87

以空氣為作為絕緣介質(zhì)，如：架空線路中相與相之間、相與地之間、變壓器外絕緣等。以空氣為作為絕緣介質(zhì)，如：架空線路中相與相之間、相與88

以六氟化硫氣體作為絕緣介質(zhì)，如六氟化硫斷路器、六氟化硫全封閉組合電器。福建水口電站的550KVHGIS

運(yùn)行在巴基斯坦的252KVGIS以六氟化硫氣體作為絕緣介質(zhì)，如六氟化硫斷路器、六氟化89氣體不是理想的絕緣體:

正常情況下，氣體是絕緣體，但其中仍有少量的帶電質(zhì)點(diǎn)，這是在空中高能射線（如紫外線、宇宙射線及地球內(nèi)部輻射）作用下產(chǎn)生的。在電場作用下，這些帶電質(zhì)點(diǎn)作定向運(yùn)動(dòng)而形成電導(dǎo)電流。因?yàn)椋瑲怏w不是理想的絕緣體，不過，當(dāng)電場較弱時(shí)，帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)極少，電流極小，氣體仍是良好的絕緣體。氣體不是理想的絕緣體:90什么是氣體擊穿

當(dāng)氣體中的電場強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值后，氣體中電流劇增，在氣體間隙中形成一條導(dǎo)電性能高的通道，氣體失去絕緣能力，氣體這種由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)的過程，稱為擊穿。什么是氣體擊穿91什么是氣體放電

氣體中流過電流的各種形式，統(tǒng)稱為氣體放電。氣體放電的形式：在氣壓低、電源功率較小時(shí)，為充滿間隙的輝光放電；在大氣壓下，表現(xiàn)為火花放電或電弧放電；在極不均勻電場中，會(huì)在局部電場最強(qiáng)處產(chǎn)生電暈放電。什么是氣體放電92氣體原子的激發(fā)和電離:

任何電介質(zhì)都是由原子組成的，原子則由一帶正電的原子核和圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)的外層電子組成。由于原子所帶正、負(fù)電荷相等，故正常情況呈中性。電子的能量不同，其所處的軌道也不同。通常電子能量越小，其軌道半徑越小，離原子核越近。穩(wěn)定的原子的外層電子都在各自的能級(jí)軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)原子的位能最小。當(dāng)外界給予原子一定的能量使內(nèi)層電子獲得能量不能脫離原子核的束縛，只能躍遷到標(biāo)志著能量更高的、離原子核較遠(yuǎn)的軌道上去時(shí)，該原子就處于激勵(lì)狀態(tài)，原子的位能也增加，這一過程叫激勵(lì)。

氣體原子的激發(fā)和電離:93激發(fā)：電子向高一能級(jí)軌道的躍遷。電離：如果氣體原子從外部獲得足夠大的能量，使外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子。失去電子的原子就成帶正電的離子，稱為正離子。此過程就稱為電離。激發(fā)：電子向高一能級(jí)軌道的躍遷。94（1）氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生

帶電質(zhì)點(diǎn)可由以下形式的游離形成：1）碰撞游離2）光游離3）熱游離4）表面游離（1）氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生951）碰撞游離

這是氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)目增加的重要原因。在電場作用下，電子被加速獲得動(dòng)能。若其動(dòng)能大于氣體質(zhì)點(diǎn)的游離能，在和氣體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞時(shí)，就可能使氣體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生游離分裂成正離子和電子。這種游離稱為碰撞游離。1）碰撞游離962）光游離

電磁射線（光子）的能量等于或大于氣體質(zhì)點(diǎn)的游離能時(shí)所引起的游離過程叫光游離。3）熱游離因氣體分子熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)引起的游離稱為熱游離。其實(shí)質(zhì)仍是碰撞游離和光游離，只是直接的能量來源不同而已。2）光游離974）表面游離

放在氣體中的金屬電極表面游離出自由電子的現(xiàn)象稱為表面游離。金屬表面游離所需能量可以從下述途徑獲得：正離子碰撞陰極：正離子在電場中向陰極運(yùn)動(dòng)，碰撞陰極時(shí)將其能量傳遞給電子而使金屬表面逸出兩個(gè)電子，其中一個(gè)與正離子結(jié)合而合成中性質(zhì)點(diǎn)，另一個(gè)才可能成為自由電子。光電效應(yīng)：金屬表面受到光的照射，也能產(chǎn)生表面游離。強(qiáng)場發(fā)射：在陰極附近加上很強(qiáng)的外電場，將電子從陰極表面拉出來，稱為強(qiáng)場發(fā)射或冷發(fā)射。熱電子發(fā)射：將金屬電極加熱到很高的溫度，可使其中電子獲得巨大能量，逸出金屬。在電子、離子器件中常利用熱電子發(fā)射作為電子來源，在強(qiáng)電領(lǐng)域，對(duì)某些電弧放電的過程有重要作用。4）表面游離98(2)氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失（三種方式）1）氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)在電場力作用下流入電極帶電質(zhì)點(diǎn)一旦產(chǎn)生，在外電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)，流入電極形成電導(dǎo)電流。2）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，從而使帶電質(zhì)點(diǎn)在空間各處的濃度趨于均勻的過程。擴(kuò)散的原因：帶電質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)電子比離子的擴(kuò)散速度高3個(gè)數(shù)量級(jí)(2)氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失（三種方式）1）氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)在99含義：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程。對(duì)放電的影響：復(fù)合過程要阻礙放電的發(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。

放電過程中的復(fù)合絕大多數(shù)是正、負(fù)離子之間的復(fù)合，參加復(fù)合的電子絕大多數(shù)是先形成負(fù)離子再與正離子復(fù)合。3）帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合含義：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1001.1.2湯遜理論和巴申定律

非自持放電：如果取消外電離因素，氣體的放電過程就會(huì)停止，那么電流也將消失。這類依靠外電離因素和外電場因素共同作用而維持的放電。

自持放電：氣隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素。1.1.2湯遜理論和巴申定律101湯遜理論：描述均勻電場氣隙的擊穿放電的理論一、氣體放電實(shí)驗(yàn)及伏安特性曲線氣體中電流和電壓的關(guān)系伏安特性曲線測定氣體中電流的回路示意圖適用條件：均勻電場、低氣壓、短間隙湯遜理論：描述均勻電場氣隙的擊穿放電的理論一、氣體放電實(shí)驗(yàn)102氣體放電伏安特性

湯遜理論試驗(yàn)分析當(dāng)U<Ucoa段：I隨U的提高而增大，這是由于一定強(qiáng)度的光照射所產(chǎn)生的光電子是一個(gè)常數(shù)，隨著電壓的升高，間隙中帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度加大。ab段：當(dāng)電壓接近Ua時(shí)，電流I0趨向于飽和值，這是因?yàn)楣庹丈洚a(chǎn)生的光電子是一個(gè)常數(shù)，所以電流仍取決于外界游離因素，而與所加電壓無關(guān)。bc段：當(dāng)電壓提高到時(shí)Ub，電流又開始隨電壓的升高而增大，這是由于電子在電場作用下，已積累起足以引起游離的能量，當(dāng)它與氣體分子碰撞時(shí)氣隙中出現(xiàn)碰撞電離。氣體放電伏安特性湯遜理論試驗(yàn)分析103氣體放電伏安特性

湯遜理論試驗(yàn)分析bc段：電壓升高電流增強(qiáng)，但仍靠外電離維持放電過程(非自持放電階段)當(dāng)UUcc點(diǎn)后：電流急劇突增，氣體間隙擊穿，只靠外加電壓就能維持(自持放電階段)氣體放電伏安特性湯遜理論試驗(yàn)分析104

外界電離因子在陰極附近產(chǎn)生了一個(gè)初始電子，如果空間電場強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(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。電子崩：在電場作用下電子從陰極向陽極推進(jìn)而形成的一群電子圖1.2電子崩形成示意圖

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105電子崩的發(fā)展規(guī)律

為了分析碰撞電離和電子崩引起的電流，引入：電子碰撞電離系數(shù)。表示一個(gè)電子沿電場方向運(yùn)動(dòng)1cm的行程所完成的碰撞電離次數(shù)平均值。

如圖1-3為平板電極氣隙，板內(nèi)電場均勻，設(shè)外界電離因子每秒鐘使陰極表面發(fā)射出來的初始電子數(shù)為N0。圖1-3電子崩內(nèi)電子數(shù)的計(jì)算圖電子崩的發(fā)展規(guī)律為了分析碰撞電離和電子崩引起的電流106

由于碰撞電離和電子崩的結(jié)果，在它們到達(dá)x處時(shí)，電子數(shù)已增加為n，這n個(gè)電子在dx的距離中又會(huì)產(chǎn)生dn個(gè)新電子。圖1-3電子崩內(nèi)電子數(shù)的計(jì)算圖根據(jù)碰撞電離系數(shù)的定義，可得：移項(xiàng)并積分積分：由于碰撞電離和電子崩的結(jié)果，在它們到達(dá)x處時(shí)，電子數(shù)107當(dāng)x=s時(shí)，抵達(dá)陽極的電子數(shù)應(yīng)為：途中新增加的電子數(shù)或正離子數(shù)應(yīng)為：這就是電子崩發(fā)展規(guī)律：即一個(gè)電子從陰極出發(fā)到陽極由于碰撞游離變成eαS個(gè)電子即按指數(shù)規(guī)律增加電子數(shù)當(dāng)x=0時(shí)，n=N0。則在均勻電場中，是一個(gè)常數(shù)，則當(dāng)x=s時(shí)，抵達(dá)陽極的電子數(shù)應(yīng)為：途中新增加的電子數(shù)或正離子108②自持放電條件設(shè)一個(gè)正離子撞擊陰極產(chǎn)生出的自由電子數(shù)為γ，γ稱為正離子的表面游離系數(shù)，則個(gè)正離子撞擊陰極產(chǎn)生的電子數(shù)為

。只要即陰極表面至少逸出一個(gè)電子，則即使外界游離因素不復(fù)存在，氣隙中游離過程也能繼續(xù)下去。由此，均勻電場中由非自持放電轉(zhuǎn)為自持放電的條件為：②自持放電條件設(shè)一個(gè)正離子撞擊陰極產(chǎn)生出的自由電子數(shù)為γ，109巴申定律根據(jù)自持放電條件，導(dǎo)出氣體的擊穿電壓為：A、B是與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，ub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。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(s)乘積的函數(shù)。巴申定律根據(jù)自持放電條件，導(dǎo)出氣體的擊穿電壓為：A、B是與110均勻電場中幾種氣體擊穿電壓Ub與ps的關(guān)系巴申定律：描述了氣體的擊穿電壓Ub與ps的關(guān)系曲線(亦即Ub與δs的關(guān)系曲線)－－實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1)擊穿電壓不僅由間隙距離s決定，而且也是ps的函數(shù)；(2)擊穿電壓不是ps的單調(diào)函數(shù)，而是U曲線，存在擊穿電壓的極小值；(3)不同氣體，其巴申曲線上的最低擊穿電壓不同，對(duì)應(yīng)的ps值也不同；低氣壓均勻電場下巴申定律均勻電場中幾種氣體擊穿電壓Ub與ps的關(guān)系巴申定律：描述了氣111上述巴申定律是在氣溫T保持不變時(shí)得出的。在氣溫T并非恒定的情況下，通常寫為：式中：氣體的相對(duì)密度，即實(shí)際氣體密度與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的密度之比，可見：=101.3kPa=293K標(biāo)準(zhǔn)大氣條件：上述巴申定律是在氣溫T保持不變時(shí)得出的。在氣溫T式中：1121.1.3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）、長氣隙的情況[ps>>26.66kPa·cm]，湯遜理論將不適用。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)原有電場的影響空間光電離的作用1.1.3流注理論湯遜放電理論所討論的是低氣壓、113(一)空間電荷的形成和它對(duì)電場的畸變圖1.5平板電極間電子崩空間電荷對(duì)外電場的畸變作用電子崩頭部聚集大部分正離子和全部電子，產(chǎn)生了電場畸變；在電場很小的區(qū)域，電子和離子濃度最大，有利于完成復(fù)合；強(qiáng)烈的復(fù)合輻射出許多光子，成為引發(fā)新的空間光電離輻射源。(一)空間電荷的形成和它對(duì)電場的畸變圖1.5平板電極間電114流注的形成與發(fā)展

圖1.6正流注發(fā)展機(jī)理(a)原始電子崩；(b)發(fā)展中的流注起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩；初始崩中正負(fù)離子間電場大大削弱，復(fù)合劇烈進(jìn)行，同時(shí)放射出大量光子；光電離產(chǎn)生二次電子，在加強(qiáng)的局部電場作用下形成二次崩；流注的形成與發(fā)展圖1.6正流注發(fā)展機(jī)理起始電子發(fā)生碰115d)二次崩中的電子受初崩中正離子的吸引作用，就注入到初崩中，形成了正、負(fù)離子的混合質(zhì)通道。此時(shí)，離子濃度更高，復(fù)合更激烈進(jìn)行，又不斷向崩尾輻射出光電子，形成新的光游離，不斷有光電子和二次崩產(chǎn)生。二次崩電子又不斷滲入到初崩中來，使正、負(fù)離子的混合質(zhì)通道不斷伸長（稱為流注）。e)流注通道貫通，氣隙擊穿d)二次崩中的電子受初崩中正離子的吸引作用，就注入到初崩中116流注條件形成流注的必要條件是：電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷足以使原電場明顯畸變，大大加強(qiáng)電子崩崩頭和崩尾處的電場；電子崩頭部附近電荷密度很大，復(fù)合頻繁，釋放出引發(fā)新的空間光電離的輻射源，二次電子崩主要來源于空間光電離；氣隙中一旦形成流注，放電就可由空間光電離自行維持。流注條件117流注自持放電條件：或初崩頭部電子數(shù)要達(dá)到108時(shí)，出現(xiàn)流注，放電才能轉(zhuǎn)為自持。流注自持放電條件：或初崩頭部電子數(shù)要達(dá)到108時(shí)，出現(xiàn)流注，1181.1.4不均勻電場中的放電過程

實(shí)際工程中較少存在均勻形式電場而多為稍不均勻甚至極不均勻電場均勻電場：兩個(gè)電極的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩電極間的距離，這兩個(gè)電極間的電場稱為均勻電場。如平板電極；不均勻電場：兩電極的曲率半徑小于兩電極間的距離時(shí)，兩電極間的電場就是不均勻電場。如棒-棒、棒-板；當(dāng)棒電極的曲率半徑遠(yuǎn)大于棒-板電極間的距離時(shí)，其間電場就是極不均勻電場。在極不均勻電場間隙擊穿前會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的電暈放電，且放電過程中具有顯著的極性效應(yīng)。1.1.4不均勻電場中的放電過程實(shí)際工程中較少存在均勻119Emax:最大電場強(qiáng)度;Eav:平均電場強(qiáng)度Ke<2，稍不均勻電場—擊穿過程與均勻電場相似Ke>4，極不均勻電場—兩個(gè)特點(diǎn)：擊穿前出現(xiàn)穩(wěn)定的電暈放電；有顯著的極性效應(yīng)為了描述各種結(jié)構(gòu)的電場不均勻程度，可引入一個(gè)電場不均勻系數(shù)Ke，表示為：Emax:最大電場強(qiáng)度;Eav:平均電場強(qiáng)度為了描述120一.電暈放電條件：極不均勻電場中電極曲率半徑小電極間距離大特點(diǎn)：間隙局部擊穿，大部分尚未喪失絕緣性能，間隙仍能耐受電壓作用，放電電流小，紫色暈光，吱吱放電聲.電暈起始電壓U0<間隙擊穿電壓Ub一.電暈放電條件：極不均勻電場中電極曲率半徑小電極間距離大特121導(dǎo)線表面起暈場強(qiáng)三相對(duì)稱時(shí)，導(dǎo)線的起暈場強(qiáng)電暈損耗功率計(jì)算電暈放電的起始電壓一般用經(jīng)驗(yàn)公式來推算，應(yīng)用最廣的是皮克公式，電暈起始場強(qiáng)近似為：導(dǎo)線表面起暈場強(qiáng)電暈放電的起始電壓一般用經(jīng)驗(yàn)公式來推算，應(yīng)用122電暈放電的危害：能量損耗高頻電磁波使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)噪聲污染電暈放電的對(duì)策：改變電極形狀，增加電極曲率半徑采用分裂導(dǎo)線電暈放電的危害：123在極不均勻電場中，放電一定從曲率半徑較小的那個(gè)電極表面開始，與該電極極性無關(guān)。但放電的發(fā)展過程、氣隙的電氣強(qiáng)度、放電電壓等都與該電極的極性有密切的關(guān)系。極不均勻電場中的放電存在著明顯的極性效應(yīng)。

2極性效應(yīng)在極不均勻電場中，放電一定從曲率半徑較小的那個(gè)電極表面開124決定極性要看表面電場較強(qiáng)的那個(gè)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。決定極性要看表面電場較強(qiáng)的那個(gè)電極所具有的電位符號(hào)：125

下面以典型的極不均勻電場--“棒-板”氣隙為例，從流注理論的觀點(diǎn)出發(fā)，說明放電的：

發(fā)展過程極性效應(yīng)

下面以典型的極不均勻電場--“棒-板”氣隙為例，從流注理論126（一）正極性如圖所示棒極帶正電位時(shí)，電子崩頭部的電子到達(dá)棒極后即將被中和，棒極附近強(qiáng)場區(qū)內(nèi)的電暈放電將在棒極附近空間留下許多正離子。

這些正離子雖朝板極移動(dòng)，但速度很慢而暫留在棒極附近。（一）正極性如圖所示127

這些正空間電荷削弱了棒極附近的電場強(qiáng)度，而加強(qiáng)了正離子群外部空間的電場，因此當(dāng)電壓進(jìn)一步提高，隨著電暈放電區(qū)的擴(kuò)展，強(qiáng)場區(qū)亦將逐漸向板極方向推進(jìn)，因而放電的發(fā)展是順利的。這些正空間電荷削弱了棒極附近的電場強(qiáng)度，而加強(qiáng)了正離128（二）負(fù)極性

如圖所示：棒極負(fù)極性時(shí)，電子崩將由棒極表面出發(fā)向外發(fā)展，崩頭的電子在離開強(qiáng)場（電暈）區(qū)后，雖不能再引起碰撞電離，但仍繼續(xù)往板極運(yùn)動(dòng)。留在棒極附近的也是大批正離子，這時(shí)它們將加強(qiáng)棒極表面附近的電場而削弱外圍空間的電場，電場情況如圖（c）所示。（二）負(fù)極性如圖所示：棒極負(fù)極性時(shí)，電子崩將由棒極表面出129所以，當(dāng)電壓進(jìn)一步提高時(shí)，電暈區(qū)不易向外擴(kuò)展，整個(gè)氣隙擊穿將是不順利的，因而這時(shí)氣隙的擊穿電壓要比正極性時(shí)高得多，完成擊穿過程所需的時(shí)間也要比正極性時(shí)長得多。所以，當(dāng)電壓進(jìn)一步提高時(shí)，電暈區(qū)不易向外擴(kuò)展，整個(gè)氣隙擊穿將130標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波：雷電沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化1.1.5沖擊電壓下氣體間隙的擊穿特性標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波：雷電沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化1.1.5沖131雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形132標(biāo)準(zhǔn)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)后所出現(xiàn)的截尾沖擊波，如圖所示。

標(biāo)準(zhǔn)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)后所133b.操作沖擊電壓Tcr－波前時(shí)間（波頭時(shí)間）=250±20%μsT2－半峰值時(shí)間（波長時(shí)間）=2500±20%μs可表示為250/2500μsb.操作沖擊電壓Tcr－波前時(shí)間（波頭時(shí)間）=250±20%134衰減振蕩電壓波第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間在2000—3000μs之間，反極性的第二半波的峰值約為第一個(gè)半波峰值的80％衰減振蕩操作沖擊波衰減振蕩電壓波第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間在2000—3000μ1352.放電時(shí)延：對(duì)氣隙加上沖擊電壓，電壓隨著時(shí)間的增長迅速由零上升到峰值后，又緩慢衰減

放電時(shí)間的形成

1)升壓時(shí)間t0：電壓從零上升到持續(xù)電壓作用下的擊穿電壓U0（稱為靜態(tài)擊穿電壓）所需的時(shí)間。2)統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts：通常把電壓達(dá)間隙的靜態(tài)擊穿電壓開始到間隙中出現(xiàn)第一個(gè)有效電子為止所需的時(shí)間3)放電發(fā)展時(shí)間tf：從第一個(gè)有效電子到間隙完成擊穿所需的時(shí)間4）放電時(shí)延tL：tL=ts+tf5）氣體間隙在沖擊電壓作用下?lián)舸┧枞繒r(shí)間：td=t0+ts+tf氣隙的擊穿需要一定的時(shí)間2.放電時(shí)延：放電時(shí)間的形成1)升壓時(shí)間t0：電壓從零1363.伏秒特性

定義：同一波形、不同幅值的沖擊電壓下，間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時(shí)間的關(guān)系曲線.繪制方法：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(shí)，擊穿發(fā)生在波尾;電壓較高時(shí)，擊穿發(fā)生在波頭3.伏秒特性定義：同一波形、不同幅值的沖擊電壓下，間隙上137制作伏秒特性曲線很費(fèi)事，工程上常常采用：“50％擊穿電壓”“U2μs”2μs沖擊擊穿電壓來表示氣隙的耐電性能“50％擊穿電壓”：指在該沖擊電壓作用下氣隙被擊穿的概率為一半“U2μs”：

指在該沖擊電壓作用下發(fā)生擊穿td大于或小于2μs的概率各為一半制作伏秒特性曲線很費(fèi)事，工程上常常采用：“50％擊穿電壓”138實(shí)驗(yàn)表明，在沖擊電壓作用下，由于放電時(shí)間具有分散性，所以在每級(jí)電壓下可以得到一系列的放電時(shí)間。伏秒特性實(shí)際上是一個(gè)以上、下包線為界的帶狀區(qū)域。0%伏秒特性：每級(jí)電壓下，放電時(shí)間小于下包線橫坐標(biāo)所示數(shù)值的概率為0%100%伏秒特性：每級(jí)電壓下，放電時(shí)間小于上包線橫坐標(biāo)所示數(shù)值的概率為100%50%伏秒特性：每級(jí)電壓下，放電時(shí)間小于該包線橫坐標(biāo)所示數(shù)值的概率為50%通常取50％伏秒特性或平均伏秒特性曲線來表征一個(gè)氣隙的沖擊擊穿特性。實(shí)驗(yàn)表明，在沖擊電壓作用下，由于放電時(shí)間具有分散性，所以在每139第一章-氣體的絕緣強(qiáng)度解析課件140極不均勻場間隙(s1)和均勻及稍不均勻場間隙(s2)的伏秒特性

同一電壓下，S2都將先于S1擊穿，S2就能可靠的保護(hù)S1極不均勻場間隙(s1)和均勻及稍不均勻場間隙同一電壓下，S141兩個(gè)間隙伏秒特性交叉的情況

在沖擊電壓峰值較低時(shí)，s2先于s1擊穿，能對(duì)s1起保護(hù)作用；但在高峰值沖擊電壓作用下，s1先于s2擊穿，s2不起保護(hù)作用。兩個(gè)間隙伏秒特性交叉的情況在沖擊電壓峰值較低時(shí)，s2先于s142電場情況：均勻、稍不均勻、極不均勻

電壓形式：直流、交流、雷電沖擊、操作沖擊

大氣條件：氣壓、溫度、濕度1.2影響氣體放電電壓的因素電場情況：均勻、稍不均勻、極不均勻1.2影響氣體放電電1431.2.1電場形式對(duì)放電電壓的影響均勻電場：兩個(gè)電極形狀完全相同且對(duì)稱布置，因而不存在極性效應(yīng)。均勻電場中各處的電場強(qiáng)度均相等，擊穿所需的時(shí)間極短

在直流、工頻和沖擊電壓作用下的擊穿電壓實(shí)際上都相同，與作用電壓形式無關(guān)

擊穿電壓的分散性很小，伏秒特性很快就變平，沖擊系數(shù)β＝1

一、均勻電場和稍均勻電場中的擊穿電壓1.2.1電場形式對(duì)放電電壓的影響均勻電場：一、均勻電場144擊穿電壓的經(jīng)驗(yàn)公式可表示為：上式完全符合巴申定律，因?yàn)樗部筛膶懗桑簱舸╇妷旱慕?jīng)驗(yàn)公式可表示為：上式完全符合巴申定律，因?yàn)樗部?45與均勻電場相似，沖擊系數(shù)接近1，沖擊擊穿電壓與工頻擊穿電壓及直流擊穿電壓幾乎相等。稍均勻電場:與均勻電場相似，沖擊系數(shù)接近1，沖擊擊穿電壓與工頻擊穿電壓及146工程上常見電場大多數(shù)是極不均勻電場工程上遇到極不均勻電場時(shí)，可由典型電極的擊穿電壓來修正絕緣距離，對(duì)稱電場參照“棒－棒”電極數(shù)據(jù)；不對(duì)稱電場可參照“棒－板”電極數(shù)據(jù)放電分散性較大，且極性效應(yīng)顯著。間隙距離相同時(shí)，電場越均勻，氣隙的擊穿電壓就越高。極不均勻電場中的擊穿電壓:工程上常見電場大多數(shù)是極不均勻電場極不均勻電場中的擊穿電1471.2.2電壓波形對(duì)擊穿電壓的影響氣隙上作用電壓的