氣體電解質(zhì)的絕緣特性

氣體電解質(zhì)的絕緣特性第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失一、氣體電介質(zhì)中帶電粒子的產(chǎn)生

原子在外界因素作用下，獲得足夠大的能量，可使原子中的一個(gè)或幾個(gè)電子完全擺脫原子核的束縛，形成自由電子和正離子，這個(gè)過程稱為原子的電離。氣體原子的電離可由下列因素引起：①電子或正離子與氣體分子的碰撞；②各種光輻射；③高溫下氣體中的熱能。強(qiáng)電場(chǎng)根據(jù)不同的電離因素，電離有以下幾種形式：

1．碰撞電離

處在電場(chǎng)中的帶電粒子，除了經(jīng)常地作不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)、不斷地與其它粒子發(fā)生碰撞外,還受電場(chǎng)力的作用，沿電場(chǎng)方向不斷得到加速并積累動(dòng)能。當(dāng)具有足夠能量的帶電粒子與中性氣體分子碰撞時(shí)，就可能使氣體分子產(chǎn)生電離。這種由碰撞而引起的電離稱為碰撞電離。第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．光電離

由光輻射引起的氣體原子的電離稱為光電離。光輻射的能量與波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越短，能量越大。

3．熱電離

因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程，稱為熱電離。在常溫下，氣體質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)所具有的平均動(dòng)能遠(yuǎn)低于氣體的電離能，因此不產(chǎn)生熱電離。但是在高溫下氣體質(zhì)點(diǎn)具有的動(dòng)能足以導(dǎo)致氣體原子的碰撞，產(chǎn)生碰撞電離。此外高溫氣體的熱輻射也能導(dǎo)致光電離，因此熱電離的本質(zhì)仍是高速運(yùn)動(dòng)的氣體分子的碰撞電離的與光電離。

4．表面電離

在外界電離因素的作用下，電子可能從電極的表面釋放，稱為表面電離或表面發(fā)射。電極發(fā)射電子所需要的能量叫逸出功。逸出功的大小與電極的材料和氣體表面的狀態(tài)有關(guān)，一般在1~5eV之間，它小于氣體在空間的電離能，而和金屬的溫度基本無關(guān)。這說明從陰極發(fā)射電子比在空間使氣體分子電離更容易。第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、氣體介質(zhì)中帶電粒子的消失

氣體中發(fā)生放電時(shí)，除了有不斷形成帶電粒子的電離過程外，還存在著相反的過程，即帶電粒子的消失過程，它們將導(dǎo)致帶電粒子從電離區(qū)域消失，或者削弱其產(chǎn)生電離的作用，這些過程通常叫做去電離過程。

1．帶電粒子受電場(chǎng)力的作用流入電極

帶電粒子在與氣體分子碰撞后雖會(huì)發(fā)生散射，但從宏觀看是向電極方向作定向運(yùn)動(dòng)。在一定電場(chǎng)強(qiáng)度E下，帶電質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的平均速度將達(dá)到某個(gè)穩(wěn)定值。

2．帶電粒子的擴(kuò)散

氣體中的帶電粒子，經(jīng)常處于不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)之中。如果不同區(qū)域中的帶電粒子存在濃度差，則它們總的趨勢(shì)是不斷從高濃度區(qū)域移向低濃度區(qū)域，趨向于使各種帶電粒子濃度變得均勻。這種現(xiàn)象稱為帶電粒子的擴(kuò)散。第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．帶電粒子的復(fù)合

正離子與負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和，還原為中性分子的過程稱為復(fù)合過程。復(fù)合可在氣體空間進(jìn)行，也可以在容器壁上發(fā)生。若放電空間離容器壁較遠(yuǎn)，則顯然前者是主要的。

4．附著效應(yīng)

某些氣體中的中性分子（或原子）具有較大的電子親和力，當(dāng)電子與其碰撞時(shí)，便被其吸附而成為負(fù)離子，同時(shí)放出能量，這個(gè)過程稱為氣體的附著效應(yīng)。容易附著電子形成負(fù)離子的氣體稱為電負(fù)性氣體，如氧氣、氯氣、氟氣、水蒸氣、六氟化硫等都屬于電負(fù)性氣體。第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)湯遜理論和流柱理論一、湯遜理論

20世紀(jì)初，英國(guó)物理學(xué)家湯遜（Townsend）在均勻電場(chǎng)、低氣壓、短間隙的條件下進(jìn)行了放電實(shí)驗(yàn)，提出了比較系統(tǒng)的理論和計(jì)算公式，解釋了整個(gè)間隙的放電過程和擊穿條件。雖然湯遜理論有很多不足，其適用范圍也有很大的局限，但它描述的放電過程是很基本的，具有普遍意義。第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．非自持放電和自持放電氣體放電可分為非自持放電和自持放電兩種。必須借助外加電離因素才能維持的放電則稱之為非自持放電。不需其它任何外加電離因素而僅由電場(chǎng)的作用就能維持的放電稱為自持放電。

圖1－1平行板電極試驗(yàn)裝置

圖1－2放電電流和電壓的關(guān)系

圖1－1所示的是湯遜的實(shí)驗(yàn)裝置。在空氣中放置兩塊平行板電極，用外部光源對(duì)陰極極板進(jìn)行照射，并在兩極間加上直流電壓，則在兩極之間形成均勻電場(chǎng)。當(dāng)極間電壓從零起逐漸升高時(shí)，得到電流和電壓的關(guān)系如圖1－2所示。外加電壓到達(dá)c點(diǎn)以前，間隙中的電流很小，且要依靠外界的電離因素來維持，此時(shí)的放電屬于非自持放電；外加電壓到達(dá)c點(diǎn)之后，氣體間隙中發(fā)生了強(qiáng)烈的電離，帶電粒子的數(shù)量急增，此時(shí)間隙中的放電依靠電場(chǎng)的作用就可以維持，c點(diǎn)以后的放電屬于自持放電。第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月２．湯遜放電理論在外界電離因素的作用下，陰極產(chǎn)生光電子發(fā)射，使間隙中產(chǎn)生自由電子，這些電子就是放電的起始電子。這些起始電子在電場(chǎng)的作用下，由陰極奔向陽極，在這個(gè)過程中，電子不斷被加速，動(dòng)能不斷積累，同時(shí)與中性粒子發(fā)生碰撞，當(dāng)U>Ub后，電場(chǎng)很強(qiáng)，電子的動(dòng)能達(dá)到足夠大，有可能產(chǎn)生碰撞電離。如圖1－2所示，當(dāng)氣體間隙上所加電壓超過Ub后，電流迅速增大。電離新產(chǎn)生的電子和原有電子一起又從電場(chǎng)中獲得動(dòng)能，繼續(xù)被加速，從而發(fā)生新的碰撞電離。這樣就出現(xiàn)了一個(gè)連鎖反應(yīng)的局面：一個(gè)起始電子從電場(chǎng)獲得一定的動(dòng)能后,碰撞電離出一個(gè)第二代電子；這兩個(gè)電子作為新的起始電子從電場(chǎng)獲得動(dòng)能，又電離出兩個(gè)新的第二代電子，這時(shí)間隙中已存在四個(gè)自由電子；這四個(gè)自由電子又作為新的起始電子繼續(xù)發(fā)生碰撞電離；……,這樣一代一代不斷地發(fā)展下去。間隙中的電子數(shù)目由1變?yōu)?，2變?yōu)?,……，電子的數(shù)目迅速增加。這種電子數(shù)目迅速增加的過程，猶如高山的雪崩過程，因此被形象地稱為電子崩，見圖1－3。圖1-3電子崩的電荷分布圖1-4氣體間隙的示意圖第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖1－4所示，假設(shè)氣體間隙的距離為d，由于某種外界電離因素，從陰極發(fā)出一個(gè)電子。這個(gè)電子在向陽極運(yùn)動(dòng)過程中不斷引起碰撞電離，電子數(shù)目越來越多，經(jīng)過距離x后數(shù)目達(dá)到n，再經(jīng)過距離dx，增加的電子數(shù)目為dn。通過數(shù)學(xué)積分得n=eαd（1－1）n是過程中包括起始電子在內(nèi)的電子數(shù)。所以，自持放電的條件為：

γ（eαd－1）≥1或（1－2）3．巴申（Paschen）定律當(dāng)氣體成分和電極材料一定時(shí)，氣體間隙擊穿電壓（U0）是氣壓（P）和間隙距離（d）乘積的函數(shù)：U0=f（Pd） （1－3） 巴申定律給湯遜理論以實(shí)驗(yàn)支持，而湯遜理論給巴申定律以理論上的解釋，兩者相互映證。巴申曲線如圖1－5。圖1－5某種氣體的巴申曲線第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

4．湯遜放電理論的適用范圍湯遜理論是在低氣壓、Pd較小的條件下在放電實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的。Pd過小或過大，放電機(jī)理將出現(xiàn)變化，湯遜理論就不再適用了。

Pd過小時(shí)，氣體極低（d過小實(shí)際是不可能的），電子的平均自由行程遠(yuǎn)大于間隙距離，碰撞電離來不及發(fā)生，擊穿電壓似乎應(yīng)不斷上升，但實(shí)際上電壓U上升到一定程度后，場(chǎng)致發(fā)射將導(dǎo)致?lián)舸?，湯遜的碰撞電離理論不再適用，擊穿電壓將不再增加。

Pd過大時(shí)，氣壓高，或距離大，這時(shí)氣體擊穿的很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法全部在湯遜理論范圍內(nèi)給以解釋。（1）放電外形：高氣壓時(shí)放電外形具有分支的細(xì)通道，而按照湯遜放電理論，放電應(yīng)在整個(gè)電極空間連續(xù)進(jìn)行，例如輝光放電。（2）放電時(shí)間：根據(jù)出現(xiàn)電子崩經(jīng)幾個(gè)循環(huán)后完成擊穿的過程，可以計(jì)算出放電時(shí)間，在低氣壓下的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致，高氣壓下的實(shí)測(cè)放電時(shí)間比計(jì)算值小得多。（3）擊穿電壓：Pd較小時(shí)擊穿電壓計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值一致；Pd大時(shí)不一致。（4）陰極材料：低氣壓下?lián)舸╇妷号c電極材料有關(guān)；高氣壓下間隙擊穿電壓與電極材料無關(guān)。因此，通常認(rèn)為，Pd>200cm·mmHg時(shí)，擊穿過程將發(fā)生變化，湯遜理論的計(jì)算結(jié)果不再適用，但其碰撞電離的基本原理仍是普遍有效的。第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、流注理論

1．流注的形成在湯遜以后，由洛依布（Loeb）和米克（Meek）等在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了一種新理論——流注理論（streamertheory），彌補(bǔ)了湯遜理論的不足，較好地解釋了高氣壓長(zhǎng)間隙的氣體放電現(xiàn)象。圖1－6流注的形成和發(fā)展

第11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．流注形成的條件氣隙中一旦出現(xiàn)流注，放電就可以由放電本身所產(chǎn)生的空間光電離而自行維持，因此自持放電條件就是流注形成的條件。而形成流注的條件是需要初始電子崩頭部的電荷達(dá)到一定的數(shù)量，使電場(chǎng)得到足夠的畸變和加強(qiáng)，造成足夠的空間光電離，轉(zhuǎn)入流注。所以流注形成的條件為：

eαd

≥常數(shù)（1－4）一般認(rèn)為當(dāng)αd≈20（或eαd

≥108）便可滿足上述條件，使流注得以形成。

3．流注理論對(duì)放電現(xiàn)象的解釋利用流注理論可以很好地解釋高氣壓、長(zhǎng)間隙情況下出現(xiàn)的一系列放電現(xiàn)象。（1）放電外形流注通道電流密度很大，電導(dǎo)很大，故其中電場(chǎng)強(qiáng)度很小。因此流注出現(xiàn)后，將減弱其周圍空間內(nèi)的電場(chǎng)，加強(qiáng)了流注前方的電場(chǎng)，并且這一作用伴隨著其向前發(fā)展而更為增強(qiáng)。因而電子崩形成流注后，當(dāng)某個(gè)流注由于偶然原因發(fā)展更快時(shí)，它就將抑制其它流注的形成和發(fā)展，這種作用隨著流注向前推進(jìn)將越來越強(qiáng)，開始時(shí)流注很短可能有三個(gè)，隨后減為兩個(gè)，最后只剩下一個(gè)流注貫通整個(gè)間隙了，所以放電是具有通道形式的。第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）放電時(shí)間根據(jù)流注理論，二次電子崩的起始電子由光電離形成，而光子的速度遠(yuǎn)比電子的大，二次電子崩又是在加強(qiáng)了的電場(chǎng)中，所以流注發(fā)展更迅速，擊穿時(shí)間比由湯遜理論推算的小得多。（3）陰極材料的影響根據(jù)流注理論，大氣條件下氣體放電的發(fā)展不是依靠正離子使陰極表面電離形成的二次電子維持的，而是靠空間光電離產(chǎn)生電子維持的，故陰極材料對(duì)氣體擊穿電壓沒有影響。第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)不均勻電場(chǎng)的放電過程電氣設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)大多是不均勻的。根據(jù)其放電特點(diǎn)，不均勻電場(chǎng)可分為稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)。一、稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的放電特點(diǎn)

圖1－7直徑為D的球隙的放電電壓與極間距離d的關(guān)系曲線1－擊穿電壓；2－電暈起始電壓；3－放電不穩(wěn)定區(qū)第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1－7表示直徑為D的球隙的放電電壓與極間距離d的關(guān)系曲線。試驗(yàn)表明：當(dāng)d≤2D時(shí)，電場(chǎng)還比較均勻，其放電特性與均勻電場(chǎng)相似，一旦出現(xiàn)自持放電，立即導(dǎo)致整個(gè)氣隙擊穿。當(dāng)d≥4D以后，這時(shí)由于電場(chǎng)強(qiáng)度沿氣隙分布極不均勻，因而當(dāng)所加電壓達(dá)到某一臨界值時(shí)，在靠近兩個(gè)球極的表面出現(xiàn)藍(lán)紫色的暈頭，并發(fā)出“咝咝”的響聲，這種局部放電現(xiàn)象稱為電暈放電，開始出現(xiàn)電暈放電的電壓稱為電暈起始電壓。當(dāng)外加電壓進(jìn)一步增大時(shí)，電極表面電暈層亦隨之?dāng)U大，并出現(xiàn)刷狀的細(xì)火花，火花越來越長(zhǎng)，最終導(dǎo)致氣隙完全擊穿。球隙距離在2D~4D之間時(shí)，屬于過渡區(qū)域，隨電壓升高會(huì)出現(xiàn)電暈，但不穩(wěn)定，該球隙立刻就轉(zhuǎn)為火花放電。由實(shí)驗(yàn)可知，隨著電場(chǎng)不均勻程度增加，放電現(xiàn)象不相同，電場(chǎng)越不均勻（兩球間距離越大，電場(chǎng)越不均勻），擊穿電壓和電暈起始電壓之間的差別也越大。從放電的觀點(diǎn)看，電場(chǎng)的不均勻程度也可以根據(jù)是否存在穩(wěn)定的電暈放電來區(qū)分：如果電場(chǎng)的不均勻程度導(dǎo)致存在穩(wěn)定的電暈放電（如d≥4D以后），則稱為極不均勻電場(chǎng)；雖然電場(chǎng)不均勻，但還不存在穩(wěn)定的電暈放電，電暈一旦出現(xiàn)，氣隙立刻被擊穿（如2D<d<4D時(shí)），則稱為稍不均勻電場(chǎng)。第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月通常電場(chǎng)的不均勻程度一般可用電場(chǎng)不均勻系數(shù)f來描述：（1－5）其中，Emax為電場(chǎng)中場(chǎng)強(qiáng)最高點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度；Eav為平均電場(chǎng)強(qiáng)度（1－6）其中，U為間隙上施加的電壓；d為電極間最短的絕緣距離。用電場(chǎng)不均勻系數(shù)可將電場(chǎng)不均勻程度劃分為：均勻電場(chǎng)f=1；稍不均勻電場(chǎng)f<2；極不均勻電場(chǎng)f>4。由上述可見，在稍不均勻電場(chǎng)中放電達(dá)到自持條件時(shí)發(fā)生擊穿現(xiàn)象，此時(shí)氣隙中平均電場(chǎng)強(qiáng)度比均勻電場(chǎng)氣隙的要小，因此在同樣極間距離時(shí)稍不均勻場(chǎng)氣隙的擊穿電壓比均勻氣隙的要低，在極不均勻場(chǎng)氣隙中自持放電條件即是電暈起始條件，由發(fā)生電暈至擊穿的過程還必須增高電壓才能完成。第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、極不均勻電場(chǎng)氣體的電暈放電

在極不均勻電場(chǎng)中，氣隙完全被擊穿以前，電極附近會(huì)發(fā)生電暈放電，產(chǎn)生暗藍(lán)色的暈光。這種特殊的暈光是電極表面電離區(qū)的放電過程造成的。電離區(qū)內(nèi)的分子,在外電離因素（如光源）和電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生了激發(fā)、電離，形成大量的電子崩。與此同時(shí)也產(chǎn)生激發(fā)和電離的可逆過程——復(fù)合。在復(fù)合過程中，會(huì)產(chǎn)生光輻射，從而形成了暈光,即所謂電暈。電暈放電的電流強(qiáng)度取決于外加電壓、電極形狀、極間距離、氣體性質(zhì)和密度等。電暈放電的起始電壓在理論上可根據(jù)自持放電的條件求取,但這種方法計(jì)算繁雜且不精確，所以通常都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來確定的。在某些情況下可以利用電暈放電的空間電荷來改善極不均勻場(chǎng)的電場(chǎng)分布，以提高其擊穿電壓。第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖1－8在導(dǎo)線－板氣隙中不同直徑D的導(dǎo)線的工頻擊穿電壓（有效值）與極間距離d的關(guān)系點(diǎn)劃線－均勻電場(chǎng)；虛線－正尖－負(fù)板電場(chǎng)；1－D=0.5mm；2—D=3mm；3－D=16mm；4－D=20mm

在圖1－8的導(dǎo)線－板氣隙中，給出了不同直徑D的導(dǎo)線的工頻擊穿電壓（有效值）與極間距離d的關(guān)系。由圖可見，導(dǎo)線直徑D在厘米級(jí)時(shí)擊穿電壓與尖－板間隙相近；但當(dāng)導(dǎo)線直徑減小到0.5mm時(shí)，擊穿電壓值幾乎接近均勻場(chǎng)時(shí)的情況。這是由于細(xì)線電暈放電時(shí)形成的均勻電暈層，改善了間隙中的電場(chǎng)分布，因而擊穿電壓提高。導(dǎo)線直徑較大時(shí)情況不同，因?yàn)殡姌O表面不可能絕對(duì)光滑，所以在整個(gè)表面發(fā)生電暈之前局部有缺陷處先發(fā)生放電，出現(xiàn)刷狀放電現(xiàn)象，因此擊穿與尖－板間隙相近。第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月在極不均勻電場(chǎng)中，當(dāng)間隙上所加的電壓遠(yuǎn)低于擊穿電壓時(shí)，在曲率大的電極表面附近可能由于場(chǎng)強(qiáng)已經(jīng)達(dá)到自持放電的條件而出現(xiàn)電暈放電。這時(shí)，在黑暗的環(huán)境中，可以看到電暈電極周圍出現(xiàn)微弱的暈光，還可以聽到嘶嘶的電暈噪聲，嗅到由電暈放電產(chǎn)生的臭氧的味道。與此同時(shí),電路電流也突然增大到可以測(cè)量的數(shù)值。在平行導(dǎo)線間的距離d遠(yuǎn)大于導(dǎo)線半徑r時(shí)，可求得導(dǎo)線表面的場(chǎng)強(qiáng)為（1－7）式中U－導(dǎo)線對(duì)中性平面的電壓。皮克研究了平行導(dǎo)線間電暈起始電壓的大量數(shù)據(jù)，并通過公式(1-8)的關(guān)系換算得到平行導(dǎo)線間電暈起始場(chǎng)強(qiáng)E0的經(jīng)驗(yàn)公式如下:

（1－8）（1－9）式(1-9)中m－導(dǎo)線表面的粗糙系數(shù)。對(duì)光滑導(dǎo)線m=1,對(duì)于一般導(dǎo)線m=0.82~0.9,對(duì)絞線上出現(xiàn)局部電暈m=0.72；δ－空氣相對(duì)密度；r－導(dǎo)線直徑（cm）。第19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月上式表明,E0與空氣相對(duì)密度和導(dǎo)線直徑有關(guān)。另外,當(dāng)導(dǎo)線表面粗糙時(shí),電暈起始電壓降低。由公式（1－7）可以得到電暈起始電壓U0如下式所示:

（1－10）對(duì)于三相輸電線路，上式的U0代表相電壓，d為導(dǎo)線的幾何平均距離：（1－11）式中d12、d23、d31分別表示三根導(dǎo)線兩兩之間的距離。第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月三、極不均勻電場(chǎng)中的放電過程“棒－板”間隙是典型的極不均勻電場(chǎng)，以下以正棒負(fù)板的“棒－板”間隙為例，討論極不均勻電場(chǎng)中的放電過程。

1．非自持放電階段圖1－9正棒－負(fù)板間隙中非自持放電階段第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．流注發(fā)展階段圖1－10正棒－負(fù)板間隙中流注的形成和發(fā)展第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．先導(dǎo)放電階段

4．主放電階段圖1－11正棒－負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展圖1－12正棒－負(fù)極板間隙中的主放電過程第23頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月四、極不均勻電場(chǎng)中的極性效應(yīng)圖1－13在正極性“棒－棒”氣隙中自持放電前空間電荷對(duì)原電場(chǎng)的畸變E0—原電場(chǎng)，Eq—空間電荷的電場(chǎng)，Ecom—合成電場(chǎng)第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1－14負(fù)極性“棒－板”間隙中自持放電前空間電荷對(duì)原電場(chǎng)的畸變E0—原電場(chǎng)，Eq—空間電荷的電場(chǎng)，Ecom—合成電場(chǎng)第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)空氣間隙在各種電壓下的擊穿特性一、持續(xù)作用電壓下空氣間隙的擊穿特性直流和工頻統(tǒng)稱為持續(xù)作用電壓，這類電壓隨時(shí)間的變化速度較小，相比之下放電發(fā)展所需的時(shí)間可忽略不計(jì)。

1．均勻電場(chǎng)中空氣的擊穿特性均勻電場(chǎng)中空氣的擊穿電壓經(jīng)驗(yàn)公式為:

（1－12）式中，d——間隙距離，單位為cm；

δ——空氣相對(duì)密度。

2．稍不均勻電場(chǎng)中空氣的擊穿特性稍不均勻電場(chǎng)中直到擊穿為止不發(fā)生電暈;電場(chǎng)不對(duì)稱時(shí),極性效應(yīng)不很明顯。直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓（幅值）、50%沖擊擊穿電壓實(shí)際也都相同，擊穿電壓的分散性也不大。稍不均勻電場(chǎng)中,擊穿電壓和電場(chǎng)均勻程度關(guān)系極大,電場(chǎng)越均勻,同樣間隙距離下的擊穿電壓就越高,其極限就是均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓。第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．極不均勻電場(chǎng)中空氣的擊穿特性（1）直流擊穿電壓棒一板間隙,由于極性效應(yīng)，棒電極具有正極性時(shí)擊穿電壓比負(fù)極性時(shí)低得多。棒一棒間隙的擊穿電壓介于極性不同的棒一板間隙之間。圖1－15所示的“棒－棒”和“棒－板”空氣間隙的直流擊穿特性和圖1－16所示的“棒－棒”和“棒－板”長(zhǎng)間隙的直流擊穿特性圖1－15“棒－棒”和“棒－板”空氣間隙的直流擊穿特性（d－極間距離，Ub－擊穿電壓）

第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1－16“棒－棒”和“棒－板”長(zhǎng)間隙的直流擊穿特性（d－極間距離，Ub－擊穿電壓）

棒-板電極具有明顯的極性效應(yīng)，棒電極為正極性時(shí)的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)是4.5kV/cm；棒電極為負(fù)極性時(shí)的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)10kV/cm。棒-棒間隙仍具有微弱的極性效應(yīng),一極接地后,大地使電場(chǎng)分布稍微不對(duì)稱，加強(qiáng)了高壓電極處的電場(chǎng)，所以正極性時(shí)的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)是4.8kV/cm；負(fù)極性時(shí)的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)是5.0kV/cm。第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1－17“棒－棒”和“棒－板”長(zhǎng)間隙的工頻擊穿特性1——棒－棒2——棒－板圖1－17為空氣中“棒－棒”和“棒－板”間隙的工頻擊穿電壓峰值與極間距離的關(guān)系曲線。由圖可見：在距離小于1cm的范圍內(nèi)，“棒－棒”和“棒－板”氣隙的工頻擊穿電壓幾乎相等，但隨距離增大，它們的差異就明顯了。當(dāng)距離超過2m，擊穿電壓與氣隙距離的關(guān)系出現(xiàn)“飽和”趨勢(shì)，特別是“棒－板”氣隙，其飽和趨勢(shì)尤甚。很明顯，這時(shí)如果再增大“棒－板”氣隙的長(zhǎng)度，對(duì)于提高其工頻擊穿電壓是無效的。（2）工頻擊穿電壓第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、雷電沖擊電壓下空氣間隙的擊穿特性

1．雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形圖1－18標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定了雷電沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)波形是根據(jù)大量實(shí)測(cè)到的雷電沖擊電壓波形制訂的。如圖1－18所示。雷電沖擊電壓是非周期性指數(shù)衰減波，波形由波頭時(shí)間和波尾時(shí)間加以確定。

IEC規(guī)定：視在波頭時(shí)間T1=1.2μs，容許偏差±30%；視在波尾時(shí)間T2=50μs，容許偏差±20%；通常表示為1.2/50μs波，±符號(hào)表示波的極性。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的波形參數(shù)與IEC相同。第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．放電時(shí)延圖1-19沖擊放電時(shí)間的組成沖擊放電所需的全部時(shí)間為（1－13）式中，稱為放電時(shí)延，記為tlag，它是統(tǒng)計(jì)時(shí)延和放電形成時(shí)延的總和。第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．雷電50%沖擊擊穿電壓（U50%）由于沖擊電壓作用下放電有分散性，所以很難準(zhǔn)確得到一個(gè)使間隙擊穿的最低電壓值，因此工程上采用50%沖擊擊穿電壓(U50%)來描述間隙的沖擊擊穿特性，即在多次施加同一電壓時(shí)，用間隙擊穿概率為50％的電壓值來反映間隙的耐受沖擊電壓的特性。采用50%沖擊擊穿電壓決定絕緣距離時(shí)，應(yīng)根據(jù)擊穿電壓分散性的大小，留有一定的裕度。在均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓分散性小，其U50%和靜態(tài)擊穿電壓Us相差不大，因此沖擊系數(shù)β（U50%與Us之比）接近1。而在極不均勻電場(chǎng)中，由于放電時(shí)延較長(zhǎng)，其沖擊系數(shù)β均大于1，擊穿電壓分散性也大一些，其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取±3%。

4．伏秒特性將擊穿電壓值與放電時(shí)間聯(lián)系起來確定間隙的擊穿特性，也就是伏秒特性，它是表征氣隙擊穿特性的另一種方法。第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1－20氣隙伏秒特性曲線的繪制方法（虛線表示原始沖擊電壓波形）

圖1－20表示通過實(shí)驗(yàn)繪制氣隙伏秒特性的方法，其步驟是保持間隙距離不變、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。注意到當(dāng)電壓不很高時(shí)擊穿一般在波尾時(shí)間發(fā)生，當(dāng)電壓很高時(shí)，擊穿百分比將達(dá)100%，放電時(shí)間大大縮短，擊穿可能在波頭時(shí)間發(fā)生。以圖1－20三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為例說明繪制方法：擊穿發(fā)生在波前時(shí)，U與t均取擊穿時(shí)的值（圖中2、3坐標(biāo)點(diǎn)）；擊穿發(fā)生在波尾時(shí)，U取波峰值，t取擊穿時(shí)對(duì)應(yīng)值（圖中1坐標(biāo)點(diǎn)）；將1、2、3各點(diǎn)連接起來，即可得到伏秒特性曲線。第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月三、操作沖擊電壓下空氣間隙的擊穿特性

1．操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形操作沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形與雷電沖擊電壓類似，也是非周期性指數(shù)衰減波，如圖1－21（a）所示。IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為，波頭時(shí)間Tcr=250μs，容許偏差±20%；波尾時(shí)間T2=2500μs，容許偏差±60%。表示為±250/2500波，±符號(hào)的意思與雷電沖擊電壓波相同。由于原點(diǎn)和峰值點(diǎn)的位置較清晰，所以波頭、波尾都為自然波頭、自然波尾。此外，還建議采用一種衰減振蕩波（如圖1－21（b）所示）,其第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間為2000~3000μs；第二個(gè)半波為反極性，它的峰值約占第一個(gè)半波峰值的4/5。圖1－21操作沖擊實(shí)驗(yàn)電壓波形（a）非周期雙指數(shù)沖擊波（b）衰減震蕩波第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．操作沖擊50%擊穿電壓在均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)中，操作沖擊電壓的作用時(shí)間介于工頻電壓和雷電沖擊電壓的作用時(shí)間之間，間隙的操作沖擊50%擊穿電壓、雷電沖擊50%擊穿電壓和工頻擊穿電壓（峰值）幾乎相同，擊穿幾乎發(fā)生在峰值，擊穿電壓的分散性也較小。而在極不均勻電場(chǎng)中，操作沖擊電壓下的擊穿通常發(fā)生在波頭部分，擊穿電壓與波頭時(shí)間有關(guān)而與波尾時(shí)間無關(guān)。圖1－22“棒－板”氣隙正極性50%操作沖擊擊穿電壓與波前時(shí)間的關(guān)系

第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月操作沖擊電壓下極不均勻場(chǎng)長(zhǎng)間隙的擊穿電壓呈形曲線。圖1－22表明“棒－板”間隙正極性50%操作沖擊擊穿電壓與波頭時(shí)間的關(guān)系?？梢钥闯觯?0%操作沖擊擊穿電壓具有極小值，對(duì)應(yīng)于極小值的波頭時(shí)間稱為臨界波頭時(shí)間,它隨間隙距離加大而增加，對(duì)7m以下的間隙，大致在50~200μs之間。這種“U形曲線”現(xiàn)象被認(rèn)為是由于放電時(shí)延和空間電荷形成遷移兩類不同因素的影響所造成。U形曲線極小值左邊Eb隨tf的減小而增大是放電時(shí)間在起作用，這一點(diǎn)與雷電沖擊電壓下的伏秒特性是相似的。形曲線極小值右邊Eb隨tf的增加而增大，是因?yàn)殡妷鹤饔脮r(shí)間增加后空間電荷遷移的范圍擴(kuò)大，改善了氣隙中電場(chǎng)分布,從而使擊穿電壓提高。第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響一、空氣相對(duì)密度的影響

氣壓和溫度的變化都可以反映為空氣相對(duì)密度的變化，因此氣壓和溫度的影響就可歸結(jié)為空氣相對(duì)密度的影響。氣壓P增大時(shí)，空氣相對(duì)密度δ增大，帶電粒子在氣體中運(yùn)動(dòng)的平均自由行程減小，運(yùn)動(dòng)中所積累的動(dòng)能就較小，電離能力就較小，因此間隙的擊穿電壓就高;反之則有相反的結(jié)果。溫度T升高，空氣相對(duì)密度δ減小,帶電粒子在氣體中運(yùn)動(dòng)的平均自由行程增大,運(yùn)動(dòng)中所積累的動(dòng)能就增大，電離能力也就較大，因此間隙的擊穿電壓就較低；反之則相反?？諝庀鄬?duì)密度與氣壓成正比、與溫度成反比（1－14）第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月在大氣條件下，空氣間隙的擊穿電壓隨的增大而升高。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)空氣相對(duì)密度δ在0.95~1.05范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，間隙的擊穿電壓與相對(duì)密度成正比，則試驗(yàn)或運(yùn)行條件下的擊穿電壓U和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓U0的關(guān)系為：（1－15）當(dāng)δ與1相差較大時(shí)，必須使用空氣密度校正系數(shù)Kd對(duì)擊穿電壓進(jìn)行校正，空氣密度校正系數(shù)可按下求?。?－16）式中，m、n與電極形狀、間隙距離、電壓種類及極性有關(guān)，其值在的范圍內(nèi)。此時(shí)，試驗(yàn)或運(yùn)行條件下的擊穿電壓U和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓U0的關(guān)系為：（1－17）第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月二、濕度的影響濕度增加，空氣中所含的水分子增加，水分子能捕獲自由電子而形成負(fù)離子，使電離能力下降，對(duì)氣體中的放電過程起到抑制作用，因此空氣的濕度越大，間隙的擊穿電壓也會(huì)越高。所以濕度對(duì)極不均勻電場(chǎng)的放電過程有顯著影響，需要進(jìn)行濕度校正，濕度校正系數(shù)為：（1－18）式中，是絕對(duì)濕度和電壓種類的函數(shù);指數(shù)ω的值取決于電極形狀,間隙距離,電壓種類及其極性。因此，試驗(yàn)或運(yùn)行條件下的擊穿電壓U和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓U0的關(guān)系為：（1－19）綜合氣壓、溫度、濕度的影響，在試驗(yàn)或運(yùn)行條件下的間隙擊穿電壓U和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓U0可以進(jìn)行如下?lián)Q算：（1－20）第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月三、對(duì)海拔高度的校正隨著海拔高度的增加，空氣逐漸稀薄，大氣壓力下降，空氣密度減小，帶電粒子在氣體中運(yùn)動(dòng)的平均自由行程增大，運(yùn)動(dòng)中所積累的動(dòng)能就增大,電離能力增大,因此間隙的擊穿電壓降低。為此，引入海拔校正系數(shù)：（1－21）式中，H為電力設(shè)備安裝地點(diǎn)的海拔高度（m）,1000≤H≤4000。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：凡安裝在海拔高度超過1000而又低于4000地區(qū)的電力設(shè)施其外絕緣試驗(yàn)電壓U與平原地區(qū)外絕緣的試驗(yàn)電壓Up的關(guān)系為（1－22）第40頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)提高氣體間隙擊穿電壓的措施一、改善電場(chǎng)分布電場(chǎng)分布越均勻，間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)越高。因此，改善電場(chǎng)分布可以有效地提高間隙的擊穿電壓。改善電場(chǎng)分布可從以下三個(gè)方面著手:

（1）改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布（2）利用空間電荷改善電場(chǎng)分布（3）極不均勻電場(chǎng)中采用屏障改善電場(chǎng)分布二、削弱或抑制電離過程

1．采用高氣壓

2．采用強(qiáng)電負(fù)性氣體

3．采用高真空第41頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第七節(jié)SF6氣體的特性及應(yīng)用一、SF6氣體的物理化學(xué)特性

SF6分子結(jié)構(gòu)為六個(gè)氟原子圍繞一個(gè)中心硫原子，對(duì)稱布置在八面體的各個(gè)頂端，相互以共價(jià)鍵結(jié)合。硫原子和氟原子的電負(fù)性都很強(qiáng)，故其鍵合的穩(wěn)定性很高，在不太高的溫度下，接近惰性氣體的穩(wěn)定性。在電氣設(shè)備中，使用某一介質(zhì)的必要條件之一是它的化學(xué)惰性，即它不應(yīng)與設(shè)備中使用的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在一般條件下，純凈的SF6能夠滿足這一要求。二、SF6的傳熱特性

SF6氣體的熱導(dǎo)率僅為空氣的2/3，因而SF6氣體的傳導(dǎo)傳熱能力比空氣差。然而，氣體的定壓摩爾熱容大約為空氣的3.4倍，因此，SF6氣體的對(duì)流傳熱能力比空氣大得多。此外，SF6氣體的粘度低于空氣，流動(dòng)性好。因此，如果將對(duì)流傳熱一并考慮，SF6氣體的實(shí)際傳熱能力比空氣好得多，而接近于傳熱能力較好的氦氣和氫氣。第42頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月三、SF6的液化特性

SF6混合氣體的絕緣性能和滅弧能力均略低于純SF6氣體，因而充混合氣體的設(shè)備的工作氣壓常需要再提高0.1MPa。由于此時(shí)SF6混合氣體的氣壓仍比用純SF6氣體時(shí)的工作氣壓低得多，所以不會(huì)出現(xiàn)液化問題。統(tǒng)計(jì)表明：如用SF6－N2混合氣體代替SF6氣體，可取得很大經(jīng)濟(jì)效益。四、SF6