高電壓技術-第二章課件

在電氣設備中:外絕緣:一般由氣體介質(空氣)和固體介質(絕緣子)聯合構成。內絕緣:一般由固體介質和液體介質聯合構成。在電氣設備中:外絕緣:一般由氣體介質(空氣)和固體介質(絕緣在電氣作用下，電介質中出現的電氣現象可分為兩大類:弱電場—電場強度比擊穿場強小得多極化、電導、介質損耗等強電場—電場強度等于或大于放電起始放電、閃絡、擊穿等場強或擊穿場強在電氣作用下，電介質中出現的電氣現象可分為兩大類:弱電場—電1.1

氣體放電的基本物理過程

高壓電氣設備中的絕緣介質有氣體、液體、固體以及其它復合介質。由于氣體絕緣介質不存在老化的問題，在擊穿后也有完全的絕緣自恢復特性，再加上其成本非常廉價，因此氣體成為了在實際應用中最常見的絕緣介質。

氣體擊穿過程的理論研究雖然還不完善，但是相對于其他幾種絕緣材料來說最為完整。因此，高電壓絕緣的論述一般都由氣體絕緣開始。1.1氣體放電的基本物理過程 高壓電氣設備中的絕緣介質有1.1.1

帶電質點的產生氣體放電是對氣體中流通電流的各種形式統(tǒng)稱。由于空氣中存在來自空間的輻射，氣體會發(fā)生微弱的電離而產生少量的帶電質點。正常狀態(tài)下氣體的電導很小，空氣還是性能優(yōu)良的絕緣體；在出現大量帶電質點的情況下，氣體才會喪失絕緣性能。1.1.1帶電質點的產生氣體放電是對氣體中流通電流的各種1、氣體中電子與正離子的產生

電離是指電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和

正離子的過程。電離可一次完成，也可以是先激勵

再電離的分級電離方式。

電離方式可分為

：

光電離

碰撞電離

熱電離

分級電離電子在電場中的運動軌跡視頻連接1、氣體中電子與正離子的產生光電離碰撞電離熱電離分級（1）熱電離常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的概率極小。氣體中發(fā)生電離的分子數與總分子數的比值m稱為該氣體的電離度。圖1-1

不同溫度下空氣和氣體的熱電離程度下圖為不同溫度下空氣和SF6氣體的熱電離程度。（1）熱電離常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的概率極小。氣體中發(fā)生{（2）光電離

當滿足以下條件時，產生光電離式中：：光的波長；c

：光速；光子來源Wi：氣體的電離能外界高能輻射線

氣體放電本身(1-2){（2）光電離式中：：光的波長；光子來源Wi：氣體的電離(1-3)（3）碰撞電離

電子或離子在電場作用下加速所獲得的動能

1

2

（

mv

）與質點電荷量(e)、電場強度（E）以

2

及碰撞前的行程(x)有關．即(1-3)（3）碰撞電離式中：

e：電子的電荷量；

E：外電場強度；

x

：電子移動的距離(1-4)

高速運動的質點與中性的原子或分子碰撞時，如原子或分子獲得的能量等于或大于其電離能，則會發(fā)生電離。

因此，電離條件為式中：(1-4) 高速運動的質點與中性的原子或分子碰為使碰撞能導致電離，質點在碰撞前必須經過的距離為：

式中Ui為氣體的電離電位，在數值上與以eV為

單位的Wi相等

xi的大小取決于場強E，增大氣體中的場強將使

xi值減少?？梢娞岣咄饧与妷簩⑹古鲎搽婋x的概率和強度增大。(1-4)為使碰撞能導致電離，質點在碰撞前必須經過的距離為： 式中Ui（4）分級電離當逸出功<<電離能時，陰極表面電離可在下列情況下發(fā)生：正離子撞擊陰極表面光電子發(fā)射強場發(fā)射熱電子發(fā)射（4）分級電離當逸出功<<電離能時，陰極表面電離可在下列情況2、電極表面的電子逸出逸出功——使電子從金屬表面逸出需要的能量。不同金屬的逸出功不同，如表1-2所示：金屬逸出功鋁1.8銀3.1銅3.9鐵3.9氧化銅5.3表1-2一些金屬的逸出功（eV）2、電極表面的電子逸出逸出功——使電子從金屬表面逸出需要的能電子從電極表面逸出所需的能量可通過下述途徑獲得

：（1）正離子撞擊陰極（2）光電子發(fā)射（3）強場發(fā)射（4）熱電子發(fā)射電子從電極表面逸出所需的能量可通過下述途徑獲得：（1）正離3、氣體中負離子的形成

附著：電子與氣體分子碰撞時，不但有可能引起碰撞電離而產生出正離子和新電子，也可能發(fā)生電子附著過程而形成負離子。

負離子的形成并未使氣體中帶電粒子的數目改變，但卻能使自由電子數減少，因而對氣體放電的發(fā)展起抑制作用。3、氣體中負離子的形成 附著：電子與氣體分子碰撞時，不但有可電子親合能：使基態(tài)的氣體原子獲得一個電子形成負離子時所放出的能量，其值越大則越易形成負離子。

電子親合能未考慮原子在分子中的成鍵作用，為了說明原子在分子中吸引電子的能力，在化學中引入電負性概念。電負性：一個無量綱的數，其值越大表明原子在分子中吸引電子的能力越大

。電子親合能：使基態(tài)的氣體原子獲得一個電子 電子親合能未考慮原1.1.2

帶電質點的消失帶電質點的消失可能有以下幾種情況：帶電質點受電場力的作用流入電極

；帶電質點因擴散而逸出氣體放電空間；帶電質點的復合。1.1.2帶電質點的消失帶電質點的消失可能有以下幾種情況：復合：當氣體中帶異號電荷的粒子相遇時，有可能發(fā)生電荷的傳遞與中和，這種現象稱為復合。復合可能發(fā)生在電子和正離子之間，稱為電子復合，其結果是產生一個中性分子；復合也可能發(fā)生在正離子和負離子之間，稱為離子復合，其結果是產生兩個中性分子。帶電質點的復合復合：當氣體中帶異號電荷的粒子相遇時，有可復合可能發(fā)生在電子1.1.3

電子崩與湯遜理論氣體放電現象與規(guī)律因氣體的種類、氣壓和間隙中電場的均勻度而異。但氣體放電都有從電子碰撞電離開始發(fā)展到電子崩的階段。1.1.3電子崩與湯遜理論氣體放電現象與規(guī)律因氣體的種類、（1）非自持放電和自持放電的不同特點宇宙射線和放射性物質的射線會使氣體發(fā)生微弱的電離而產生少量帶電質點；另一方面、負帶電質點又在不斷復合，使氣體空間存在一定濃度的帶電質點。因此，在氣隙的電極間施加電壓時，可檢測到微小的電流。1、放電的電子崩階段（1）非自持放電和自持放電的不同特點宇宙射線和放射性物質的射因素產生的帶電質點全部進入電極，所以電流值僅取決于外電離因素的強弱而與電壓無關圖1－3

氣體間隙中電流與外施電

壓的關系

由圖1-3可見，

（1）在I-U曲線的OA段：氣隙電流隨外施電壓的提高而增大，這是因為帶電質點向電極運動的速度加快導致復合率減小。當電壓接近U

A

時，電流趨于飽和，因為此時由外電離因素產生的帶電質點全部進入圖1－3氣體間隙中電流與外施電電過程又進入了一個新的階段。此時氣隙轉入良好的導電狀態(tài)，即氣體發(fā)生了擊穿。圖1－3

氣體間隙中電流與外施電

壓的關系

（2）在I-U曲線的B、C點：電壓升高至UB

時，電流又開始增大，這是由于電子碰撞電離引起的，因為此時電子在電場作用下已積累起足以引起碰撞電離的動能。電壓繼續(xù)升高至

U0

時，電流急劇上升，說明放電過程又進入了一個新的階圖1－3氣體間隙中電流與外施電 （3）在I-U曲線的BC段：雖然電流增長很快，但電流值仍很小，一般在微安級，且此時氣體中的電流仍要靠外電離因素來維持，一旦去除外電離因素，氣隙電流將消失。

圖1－3

氣體間隙中電流與外施電

壓的關系U0（3）在I-U曲線的BC段：仍要靠外電離因素來維持，一旦去除間隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再

因此，外施電壓小于U0

時的放電是非自持放電。電壓達到

U0后，電流劇增，且此時需要外電離因素了。外施電壓達到U0后的放電稱為自持放電，U0稱為放電的起始電壓。間隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再 因此，外施電壓小于（2）電子崩的形成

外界電離因子在陰極附近產生了一個初始電子，如果空間電場強度足夠大，該電子在向陽極運動時就會引起碰撞電離，產生一個新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運動，又會引起新的碰撞電離，產生更多電子。

電子崩的演示圖1－4

電子崩的示意圖視頻連接（2）電子崩的形成 外界電離因子在陰極附 視頻連接

依此，電子將按照幾何級數不斷增多，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。

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

α

。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平均值。 依此，電子將按照幾何級數不斷增多，類似雪α:表示一個電圖1－5

計算間隙中電子數增長的示意圖

如圖1-5為平板電極氣隙，板內電場均勻，設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為n0。

由于碰撞電離和電子崩的結果，在它們到達x處時，電子數已增加為n，這n個電子在dx的距離中又會產生dn個新電子。圖1－5計算間隙中電子數增長的示意圖 如圖1-5為平板電根據碰撞電離系數α的定義，可得：(1-7)(1-8)

對于均勻電場來說，氣隙中各點的電場強度相同，α值不隨x而變化，所以上式可寫成：(1-9)分離變量并積分之，可得：根據碰撞電離系數α的定義，可得：(1-7)(1-8) 對于均抵達陽極的電子數應為：(1-10)

將式(1-8)的等號兩側乘以電子的電荷，即得電流關系式：途中新增加的電子數或正離子數應為：(1-11)式(1-12)中，(1-12)抵達陽極的電子數應為：(1-10) 將式(1-8)的等號兩側數規(guī)律隨極間距離d而增大，但這時放電還不能自變?yōu)榱?。持，因為一旦除去外界電離因子(令

I0

=

0)，即

I式(1-12)

表明：雖然電子崩電流按指數規(guī)律隨極間距離d而增大，但這時放電還不能自變?yōu)榱?。持，因?1-13)（3）影響碰撞電離系數的因素

若電子的平均自由行程為λ，則在1cm長度內一個電子的平均碰撞次數為1/λ。

由上式積分得：設在處有個電子沿電力線方向運動，行經距離時還剩下個電子未發(fā)生過碰撞，則在到這一距離中發(fā)生碰撞的電子數應為(1-13)（3）影響碰撞電離系數的因素由上式積分得：設在處由第一節(jié)公式，實際自由行程長度等于或大于xi的概率為，所以也就是碰撞電離的概率。根據碰撞電離系數α的定義，即可得出：(1-14)內容可知，電子反比，即：由第一節(jié)公式

(1-15)的平均自由長度與氣溫T成正比、與氣壓P成

由第一節(jié)公式，實際自由行程長度等于或大于xi的(1-當氣溫

T不變時，式(1-14)即可改寫為：式中A、B是兩個與氣體種類有關的常數。由上式不難看出：電場強度E增大時，α急劇增大;p

很大或很小時，α

都比較小。(1-16)當氣溫T不變時，式(1-14)即可改寫為：式中A、B是兩個所以，在高氣壓和高真空下，氣隙不易發(fā)生放電現象，具有較高的電氣強度。但能引起電離的概率很??；高氣壓時，

很小，單位長度上的碰撞次數很多，低氣壓和真空時，

很大，總的碰撞次數少，所以α也比較小。所以，在高氣壓和高真空下，氣隙不易發(fā)生放電現象，具有較高的電2、湯遜理論

前述已知，只有電子崩過程是不會發(fā)生自持放電的。要達到自持放電的條件，必須在氣隙內初始電子崩消失前產生新的電子（二次電子）來取代外電離因素產生的初始電子。

實驗現象表明，二次電子的產生機制與氣壓和氣隙長度的乘積（pd

）有關。

pd

值較小時自持放電的條件可用湯遜理論來說明；

pd

值較大時則要用流注理論來解釋。2、湯遜理論 前述已知，只有電子崩過程是不會發(fā)生自持放 實驗（1）

過程與自持放電條件

由于陰極材料的表面逸出功比氣體分子的電離能小很多，因而正離子碰撞陰極較易使陰極釋放出電子。此外正負離子復合時，以及分子由激勵態(tài)躍遷回正常態(tài)時，所產生的光子到達陰極表面都將引起陰極表面電離，統(tǒng)稱為

過程。

為此引入系數。（1）過程與自持放電條件 由于陰極材料的表面逸出功比氣增至在到達陰極表面時可撞出些電子在電極空間的碰撞電離同樣又能產生更多的正離子，如此循環(huán)下去。

設外界光電離因素在陰極表面產生了一個自由電子，此電子到達陽極表面時由于α

過程，電子總數eαd個。因在對α

系數進行討論時已假設每次電離撞出一個正離子，故電極空間共有（

eαd-1）個正離子。由系數γ的定義，此（

eαd-1）個正離子γ（eαd-1）個新電子，這增至在到達陰極表面時可撞出些電子在電極空間的碰撞電離同樣又能γ

(e

?1)

=1自持放電條件為αd

γ

：一個正離子撞擊到陰極表面時產生出來的

二次電子數

α

：電子碰撞電離系數

d

：兩極板距離

此條件物理概念十分清楚，即一個電子在自己進入陽極后可以由α及γ過程在陰極上又產生一個新的替身，從而無需外電離因素放電即可繼續(xù)進行下去。(1-21)γ(e?1)=1自持放電條件為αd γγ（2）湯遜放電理論的適用范圍出現變化，湯遜理論就不再適用了。

湯遜理論是在低氣壓、

δd

較小的條件下在放電實驗的基礎上建立的。

δd

過小或過大，放電機理將擊穿電壓似乎應不斷上升，但實際上電壓U上升到一定程度后，場致發(fā)射將導致擊穿，湯遜的碰撞電離理論不再適用，擊穿電壓將不再增加。δd

過小時，氣壓極低(

過小在實際上是不可能d的)，/λ

過小，

遠大于

d，碰撞電離來不及發(fā)生，γ（2）湯遜放電理論的適用范圍出現變化，湯遜理論就不再適用了的很多實驗現象無法全部在湯遜理論范圍內給以解釋：放電外形；放電時間；擊穿電壓；陰極材料。δd

過大時，氣壓高，或距離大，這時氣體擊穿mmHg)時，擊穿過程將發(fā)生變化，湯遜理論的計算結果不再適用，但其碰撞電離的基本原理仍是普遍有效的。因此，通常認為，δd

＞0.26

cm(pd＞200

cm

?的很多實驗現象無法全部在湯遜理論范圍內給以解δd過大時，氣Ub

=

f

(pd)(1-23)1.1.4

巴申定律與適用范圍

1、巴申定律

早在湯遜理論出現之前，巴申(Paschen)就于

1889年從大量的實驗中總結出了擊穿電壓ub

與pd

的關系曲線，稱為巴申定律，即Ub=f(pd)(1-23)1.1.4巴申定律與線，有極小值。圖1-7給出了空氣間隙的ub與

pd

的關系曲線。從圖中可見，首先，

ub并不僅僅由d

決定，而是

pd

的函數；其次ub不是

pd的單調函數，而是U型曲圖1-7

實驗求得的均勻場不同氣體間隙

ub

=

f(pd)

曲線線，有極小值。圖1-7給出了空氣間隙的ub圖1-7實驗求u度很小的情況下。

不同氣體，其巴申曲線上的最低擊穿電壓Ub,min，以及使ub

=Ub,min

的δd值(δd)min各不相同。對空氣，b的極小值為Ub,min

≈

325V。此極小值出現在δd

≈

75×105cm時，即ub

的極小值不是出現在常壓下，而是出現在低氣壓，即空氣相對密圖1-7

實驗求得的均勻場不同氣體間隙

ub

=

f(pd)曲線u度很小的情況下。 不同氣體，其巴申曲線上的最低擊穿電壓Ub1.1.5

不均勻電場中的氣體放電

電氣設備中很少有均勻電場的情況。但對不均勻電場還要區(qū)分兩種不同的情況，即稍不均勻電場和極不均勻電場。全封閉組合電器(GIS)的母線筒和高壓實驗室中測量電壓用的球間隙是典型的稍不均勻電場；高壓輸電線之間的空氣絕緣和實驗室中高壓發(fā)生器的輸出端對墻的空氣絕緣則屬于極不均勻電場。1.1.5不均勻電場中的氣體放電 電氣設備中很少有均勻電:平均電場強度

Eαv

=1.

稍不均勻電場和極不均勻電場的特點與劃分

均勻電場是一種少有的特例，在實際電力設

施中常見的卻是不均勻電場。

為了描述各種結構的電場不均勻程度，可引

入一個電場不均勻系數f，表示為：U——df<2時為稍不均勻電場,

f>4屬不均勻電場。(1-26)

Emax:最大電場強度Eαv:平均電場強度Eαv=1.稍不均勻電場和極不均勻電場的2.

極不均勻電場的電暈放電（1）電暈放電在極不均勻場中，當電壓升高到一定程度后，在空氣間隙完全擊穿之前，大曲率電極(高場強電極)附近會有薄薄的發(fā)光層，這種放電現象稱為電暈。電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自持放電形式。開始出現電暈時的電壓稱為電暈起始電壓Uc，而此時電極表面的場強稱為電暈起始場強Ec

。2.極不均勻電場的電暈放電（1）電暈放電在極不均勻場中，當根據電暈層放電的特點，可分為兩種形式：電子崩形式和流注形式。

當起暈電極的曲率很大時，電暈層很薄，且比較均勻，放電電流比較穩(wěn)定，自持放電采取湯遜放電的形式，即出現電子崩式的電暈。隨著電壓升高，電暈層不斷擴大，個別電子崩形成流注，出現放電的脈沖現象，開始轉入流注形式的電暈放電。根據電暈層放電的特點，可分為兩種形式：電子崩形式和流注形式。若電極曲率半徑加大，則電暈一開始就很強烈，一出現就形成流注的形式。電壓進一步升高，個別流注快速發(fā)展，出現刷狀放電，放電脈沖更強烈，最后貫通間隙，導致間隙完全擊穿。沖擊電壓下，電壓上升極快，因此電暈從一開始就具有流注的形式。爆發(fā)電暈時能聽到聲，看到光，嗅到臭氧味，并能測到電流。若電極曲率半徑加大，則電暈一開始就很強烈，一出現就形成流注的

（2）電暈放電的起始場強

電暈放電的起始場強一般由實驗總結出的經驗公式來計算，電暈的產生主要取決于電極表面的場強，所以研究電暈起始場強

Ec和各種因素間的關系更直接。

對于輸電線路的導線，在標準大氣壓下其電暈起

始場強

Ec的經驗表達式為（此處指導線的表面場強，

交流電壓下用峰值表示）：)0.3

rEc

=

30(1+式中r－導線半徑，cm。(1-28)kV/cm （2）電暈放電的起始場強)0.3Ec=30(1+式中x∫αdx

=

K條件為:

式（1-28）說明導線半徑

r

越小則

Ec

值越大。因為r越小，則電場就越不均勻，也就是間隙中場強隨著其離導線的距離增加而下降得更快，而碰撞電離系數α

隨離導線距離的增加而減小得越快。所以輸電線路起始電暈

c0式中xxc－起始電暈層的厚度，

>

xc

時α

≈

0。

可見電場越不均勻，要滿足式(1-29)時導線表面場強應越高。

式(1-28)表明，當

r→∞

時，

Ec=30kV/cm。(1-29)x∫αdx=K條件為: 式（1-28）說明導線半徑r

而對于非標準大氣條件，則進行氣體密度修正以后的表達式為kV/cm(1-30)

式中

δ

－氣體相對密度

實際上導線表面并不光滑，所以對于絞線要考慮導線的表面粗糙系數

m1。此外對于雨雪等使導線表面偏離理想狀態(tài)的因素（雨水的水滴使導線表面形成突起的導電物）可用系數

m2

加以考慮。 而對于非標準大氣條件，則進行氣體密度修正以kV/cm

理想光滑導線m1

＝1，絞線m1＝0.8～0.9，好天氣時m2

可按0.8估算。算得

Ec

后就不難根據電極布置求得電暈起始電壓Uc。例如，對于離地高度為h

的單根導線可寫出出對于距離為

d

的兩根平行導線（d

>>

r

）則可寫(1-32)(1-33)此時式（1-30）則寫為kV/cm

(1-31) 理想光滑導線m1＝1，絞線m1＝0.8～0.9，好出對（3）電暈放電的危害、對策及其利用電暈放電引起的光、聲、熱等效應使空氣發(fā)生化學反應，都會消耗一定的能量。電暈損耗是超高壓輸電線路設計時必須考慮的因素。電暈放電中，由于電子崩和流注不斷消失和重新出現所造成的放電脈沖會產生高頻電磁波，從而對無線電和電視廣播產生干擾。電暈放電還會產生可聞噪聲，并有可能超出環(huán)境保護所容許的標準。（3）電暈放電的危害、對策及其利用電暈放電引起的光、聲、熱等降低電暈的方法：從根本上設法限制和降低導線的表面電場強度。在選擇導線的結構和尺寸時，應使好天氣時電暈損耗接近于零，對無線電和電視的干擾應限制到容許水平以下。對于超高壓和特高壓線路的分裂線來說，找到最佳的分裂距，使導線表面最大電場強度值最小。降低電暈的方法：從根本上設法限制和降低導線的表面電場強度。在（4）極不均勻電場中放電的極性效應

在電暈放電時，空間電荷對放電的影響已得到關注。由于高場強電極極性的不同，空間電荷的極性也不同，對放電發(fā)展的影響也就不同，這就造成了不同極性的高場強電極的電暈起始電壓的不同，以及間隙擊穿電壓的不同，稱為極性效應。（4）極不均勻電場中放電的極性效應 在電暈放電時，空間電荷對Eex－外電場Esp－空間電荷電場棒－板間隙這種典型的極不均勻場

當棒具有正極性時，間隙中出現的電子向棒運動，進入強電場區(qū)，開始引起電離現象而形成電子崩，如圖1-8（a）所示。隨著電壓的逐漸上升，到形成自持放電爆發(fā)電暈之前，在間隙中形成相當多的電子崩。

圖1－8

正棒－負板間隙中非自持放電階段空間電荷對外電場畸變作用Eex－外電場Esp－空間電荷電場棒－板間隙這種典型的極不均

當電子崩達到棒極后，其中的電子就進入棒極，而正離子仍留在空間，相對來說緩慢地向板極移動。于是在棒極附近，積聚起正空間電荷，如圖1-8（b）所示。這樣就減少了緊貼棒極附近的電場，而略為加強了外部空間的電場。因此，棒極附近的電場被削弱，難以形成流注，這就使得放電難以得到自持。 當電子崩達到棒極后，其中的電子就進入棒

當棒具有負極性時，陰極表面形成的電子立即進入強電場區(qū)，造成電子崩，如圖1-9（a）所示。當電子崩中的電子離開強電場區(qū)后，電子就不再能引起電離，面以越來越慢的速度向陽極運動。一部分電子直接消失于陽極，其余的可為氧原子所吸附形成負離子。 當棒具有負極性時，陰極表面形成的電子立Eex－外電場Esp－空間電荷電場

電子崩中的正離子逐漸向棒極運動而消失于棒極，但由于其運動速度較慢，所以在棒極附近總是存在著正空間電荷。結果在棒極附近出現了比較集中的正空間電荷，而在其后則是非常分散的負空間電荷，如圖1-9（b）所示。

圖1－9

負棒－正板間隙中非自持放電階段空間電荷對外電場的畸變作用Eex－外電場Esp－空間電荷電場 電子崩中的正離子逐漸向Eex－外電場Esp－空間電荷電場

負空間電荷由于濃度小，對外電場的影響不大，而正空間電荷將使電場畸變。棒極附近的電場得到增強，因而自持放電條件易于滿足、易于轉入流注而形成電暈放電。

圖1－9

負棒－正板間隙中非自持放電階段空間電荷對外電場的畸變作用Eex－外電場Esp－空間電荷電場 負空間電荷由于濃度小，圖1－10

兩種極性下棒－板間隙的電場分布圖（a）正棒－負板

（b）負棒－正板E

-電場場強

x

－棒極到板極的距離

圖1-10是兩種極性下棒－板間隙的電場分布圖，其中曲線1為外電場分布，曲線2為經過空間電荷畸變以后的電場。圖1－10兩種極性下棒－板間隙的電場分布圖（a）正棒－負通過實驗已證明，棒－板間隙中棒為正極性時電暈起始電壓比負極性時略高。

而極性效應的另一個表現，就是間隙擊穿電壓的不同。隨著電壓升高，在緊貼棒極附近，形成流注，產生電暈；以后在不同極性下空間電荷對放電的進一步發(fā)展所起的影響就和對電暈起始的影響相異了。負極性下的擊穿電壓應較正極性時為高。通過實驗已證明，棒－板間隙中棒為正極性時電暈起始電壓比負極性（5）長間隙擊穿過程

在間隙距離較長時，存在某種新的、不同性質的放電過程，稱為先導放電。長間隙放電電壓的飽和現象可由先導放電現象作出解釋。

長間隙的放電大致可分為先導放電和主放電兩個階段，在先導放電階段中包括電子崩和流注的形成及發(fā)展過程。不太長間隙的放電沒有先導放電階段、只分為電子崩、流注和主放電階段。（5）長間隙擊穿過程 在間隙距離較長時，存在某種新的、不同性3.

稍不均勻電場中的極性效應

稍不均勻電場意味著電場還比較均勻，高場強區(qū)電子電離系數α達足夠數值時，間隙中很大一部分區(qū)域中的α

也達到相當值，起始電子崩在強場區(qū)發(fā)展起來，經過一部分間隙距離后形成流注。流注一經產生，隨即發(fā)展至貫通整個間隙，導致完全擊穿。

在高電壓工程中常用的球—球間隙、同軸圓柱間隙等屬稍不均勻電場。3.稍不均勻電場中的極性效應電子電離系數α達足夠數值時，間

稍不均勻電場間隙的放電特點和均勻電場相似，氣隙實現自持放電的條件就是氣隙的擊穿條件。在直流電壓作用下的擊穿電壓和工頻交流下的擊穿電壓幅值以及50％沖擊擊穿電壓都相同，擊穿電壓的分散性也不大，這也和均勻電場放電特點一致。稍不均勻場也有一定的極性效應，但不很明顯。高場強電極為正極性時擊穿電壓稍高；為負極性時擊穿電壓稍低。這是因為在負極性下電暈易發(fā)生，而稍不均勻場中的電暈很不穩(wěn)定。 稍不均勻電場間隙的放電特點和均勻電場相似，稍不均勻場也有一

從擊穿電壓的特點來看，稍不均勻場的極性效應與極不均勻場的極性效應結果相反。在稍不均勻場中，高場強電極為正電極時，間隙擊穿電壓稍高；高場強電極為負電極時，間隙擊穿電壓稍低。而在極不均勻場中卻是高場強電極為正時，間隙擊穿電壓低；高場強電極為負時，間隙擊穿電壓高。電暈的起始電壓就是間隙擊穿電壓。 從擊穿電壓的特點來看，稍不均勻場的極性效應電暈的起始電壓就小結氣體中電離的方式可分為熱電離、光電離、碰撞電離和分級電離。?正離子撞擊陰極?光電子發(fā)射?強場發(fā)射?熱電子發(fā)射電子從電極表面逸出所需的能量可通過下述途徑獲得小結氣體中電離的方式可分為熱電離、光電離、碰?正離子撞擊陰極氣體放電過程中，帶電質點除在電場作用下定向運動，還可能因擴散和復合使帶電質點在放電空間消失。二次電子的來源是正離子撞擊陰極使陰極表面從陰極表面平均釋放的自由電子數。湯遜理論認為：在低氣壓、

δd較小的條件下，發(fā)生電子逸出。并引入γ

系數表示每個正離子氣體放電過程中，帶電質點除在電場作用下定二次電子的來源是正離巴申定律

：出現在湯遜理論之前，總結了擊穿電壓與的關系曲線，

即Ub

=

f

(pd)電場不均勻系數

f的定義為間隙中最大場強

Emax與平均場強

Eav的比值：f

=

Emax

/

Eav均勻電場

f

＝1；稍不均勻電場

f﹤2；極不均勻電場

f

＞4。巴申定律：出現在湯遜理論之前，總結了擊穿電Ub=電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自持放

電形式。開始出現電暈時的電壓稱為電暈起始

電壓，而此時電極表面的場強稱為電暈起始場

強。棒－板間隙的極性效應。?棒為正極性時，電暈起始電壓比負極性時略高；?棒為負極性時，擊穿電壓較正極性時為高。（本節(jié)完）電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自持放（本節(jié)完）1.2

氣體介質的電氣強度實際工程應用中，擊穿電壓的確定方式如下：參照一些典型電極的擊穿電壓來選擇絕緣距離；根據實際電極布置情況，通過實驗來確定。1.2氣體介質的電氣強度實際工程應用中，擊穿電壓的確定方空氣間隙放電電壓的影響因素如下：電場情況電壓形式大氣條件空氣間隙放電電壓的影響因素如下：電場情況電壓形式大氣條件1.2.1持續(xù)作用電壓下的擊穿1.2.2雷電沖擊電壓下的擊穿1.2.3操作沖擊電壓下空氣的絕緣特性1.2.4大氣條件對氣體擊穿的影響1.2.5提高氣體擊穿電壓的措施本節(jié)內容1.2.1持續(xù)作用電壓下的擊穿1.2.3操作沖擊電壓下空1.2.1

持續(xù)作用電壓下的擊穿實際中，大均勻電場間隙要求電極尺寸做得很大。因此，對于均勻場間隙，通常只有間隙長度不大時的擊穿數據，如圖1-11所示。1、均勻電場中的擊穿圖1-11

均勻電場中空氣間隙的擊穿電壓峰值Ub

隨間隙距離d的變化1.2.1持續(xù)作用電壓下的擊穿實際中，大均勻電場間隙要求電極布置對稱，無擊穿的極性效應；間隙中各處電場強度相等，擊穿所需時間極短；直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值以及50％沖擊擊穿電壓相同；擊穿電壓的分散性很小。均勻電場的擊穿特性：電極布置對稱，無擊穿的極性效應；間隙中各處電場強度相等，擊穿

對于圖

1-11所示的擊穿電壓(峰值)實驗曲線，可用以下經驗公式表示：kV式中

Ub

=

24.22δd

+6.08

δd

d－間隙距離，cm；δ

－空氣相對密度b

從圖

1-11

中可以得出，當d

在1～10cm范圍內時，擊穿強度

E（用電壓峰值表示）約等于30kV/cm。(1-34) 對于圖1-11所示的擊穿電壓(峰值)實驗曲線，可用kV式2、稍不均勻電場中的擊穿稍不均勻電場的擊穿特點：擊穿前無電暈；無明顯的極性效應；直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值及50％沖擊擊穿電壓幾乎一致。2、稍不均勻電場中的擊穿稍不均勻電場的擊穿特點：擊穿前無電暈

稍不均勻電場的擊穿電壓通常可以根據起始場強經驗公式進行估算U

=

Emax

?d

/

f

f

取決于電極布置，可用靜電場計算的方法或電

解槽實驗的方法求得。

對于稍不均勻場，當

Emax達臨界場強

E0時，

U達到擊穿電壓Ub

，從而Ub

=

E0

?d

/

f(1-35)(1-36) 稍不均勻電場的擊穿電壓通?？梢愿鶕鹗紙鰪奤=Emax圖1-12

幾種典型電極結構示意圖1、同心球

2、球－平板

3、球－球

4、同軸圓柱5、圓柱－平板

6、圓柱－圓柱

7、曲面－平面

8、曲面－曲面下面給出幾種典型的電極結構:圖1-12幾種典型電極結構示意圖1、同心球球－板電極E0

=

27.7δ(1+0.337/

rδ

))d

rU

dEmax(1+=

0.9r

+

d

rd=

0.9U

?

0.91+

d

/rf

=

dr0.9(d

+

r)Uc

=

E0(1-40)(1-39)(1-38)(1-37)球－板電極E0=27.7δ(1+0.337/柱—板電極E0

=

30.3δ(1+0.298/

rδ

))Emax

0.9U

d

+

rrln(

r=)

0.9d

d

+

rrln(

rf

=)

d

+

rrln(

r

0.9Uc

=

E0(1-43)(1-44)(1-42)(1-41)柱—板電極E0=30.3δ(1+0.298/r平行圓柱電極E0

=

30.3δ(1+0.298/

rδ

))Emax

0.9U

d

+

2r2rln(

2r=)

0.9d

d

+

2r2rln(

2rf

=)

d

+

2r2rln(

2r

0.9Uc

=

E0(1-45)(1-46)(1-47)(1-48)平行圓柱電極E0=30.3δ(1+0.298/U

c

=

E0rln(

)同軸圓柱電極E0

=

31.5δ(1+0.305/

rδ

)

Urln(R/r)Emax=

R

?

rrln(R/r)f

=R

r(1-49)(1-50)(1-51)(1-52)Uc=E0rln()同軸圓柱電極E0=3同心球電極E0

=

24δ(1+1/

rδ

)Emax

RUr(R

?r)=f

=

R/r(R

?

r)r

RU

c

=

E0(1-53)(1-56)(1-55)(1-54)同心球電極E0=24δ(1+1/rδ)Ema)

Uc

=

E0球－球電極E0

=

27.7δ(1+0.337/

rδ

))

d2rU

dEmax(1+=

0.9

d2r(1-57)(1-58)f

=

0.9(1+

(1-59)

d(1-60)0.9(1+

d

/2r))Uc=E0球－球電極E0=27.7δ(

另外，對于某些不太好根據經驗公式求的電場結構，也可以用

E0＝30kV/cm進行大致估算，則間隙擊穿電壓

Ub為Ub

=

30d

/

f(1-61) 另外，對于某些不太好根據經驗公式求的電場結Ub=303、極不均勻電場中的擊穿極不均勻場的擊穿特性：電場不均勻程度對擊穿電壓的影響減弱；極間距離對擊穿電壓的影響增大；在直流電壓中，直流擊穿電壓的極性效應非常明顯；3、極不均勻電場中的擊穿極不均勻場的擊穿特性：電場不均勻程度工頻電壓下，擊穿都發(fā)生在正半周峰值附近。當間隙距離不大時，擊穿電壓基本上與間隙距離呈線性上升的關系；

當間隙距離很大時，平均擊穿場強明顯降低，即擊穿電壓不再隨間隙距離的增大而線性增加，呈現出飽和現象。工頻電壓下，擊穿都發(fā)生在正半周峰值附近。當間隙距離不大時，擊1.2.2

雷電沖擊電壓下的擊穿

大氣中雷電產生的過電壓對高壓電氣設備絕緣會產生重大威脅。因此在電力系統(tǒng)中，一方面應采取措施限制大氣過電壓，另一方面應保證高壓電氣設備能耐受一定水平的雷電過電壓。

雷電過電壓是一種持續(xù)時間極短的脈沖電壓，在這種電壓作用下絕緣的擊穿具有與穩(wěn)態(tài)電壓下擊穿不同的特點。1.2.2雷電沖擊電壓下的擊穿 大氣中雷電產生的過電壓對高1、雷電沖擊電壓的標準波形按雷電發(fā)展的方向可分為：雷電能對地面設備造成危害的主要是云地閃。下行雷在雷云中產生并向大地發(fā)展；上行雷由接地物體頂部激發(fā)，并向雷云方向發(fā)展。1、雷電沖擊電壓的標準波形按雷電發(fā)展的方向可分為：雷電能對地下行負極性雷通?？煞譃?個主要階段：先導過程主放電過程余光放電過程下行負極性雷通?？煞譃?個主要階段：先導過程主放電過程余光放

先導過程：延續(xù)約幾毫秒，以遠級發(fā)展、高電導、高溫的、具有極高電位的先導通道將雷云到大地之間的氣隙擊穿。沿先導通道分布著電荷，其數量達幾庫侖。 先導過程：延續(xù)約幾毫秒，以遠級發(fā)展、

主放電過程：當下行先導和大地短接時，發(fā)生先導通道放電的過渡過程。在主放電過程中，通道產生突發(fā)的亮光，發(fā)出巨大的聲響，沿著雷電通道流過幅值很大、延續(xù)時間為近百微秒的沖擊電流。 主放電過程：當下行先導和大地短接時，上述3個階段組成下行負雷的第一個分量。

余光放電：主放電完成后，云中的剩余電荷沿著雷電通道繼續(xù)流向大地，這時在展開照片上看到的是一片模糊發(fā)光的部分，相應的電流是逐漸衰減的，約為

10

~10

A，延續(xù)時間約為幾毫秒。3上述3個階段組成下行負雷的第一個分量。 余光放電：主放電完成

通常，雷電放電并未結束，隨后還有幾個(甚至十幾個)后續(xù)分量。每個后續(xù)分量也是由重新使雷電通道充電的先導階段、使通道放電的主放電階段和余光放電階段組成。各分量中的最大電流和電流增長最大陡度是造成被擊物體上的過電壓、電動力、電磁脈沖和爆破力的主要因素。而在余光階段中流過較長時間的電流則是造成雷電熱效應的重要因素。 通常，雷電放電并未結束，隨后還有幾個(甚至十T1－波前時間T2－半峰值時間

Umax-沖擊電壓峰值

圖1-13表示雷電沖擊電壓的標準波形和確定其波前和波長時間的方法(波長指沖擊波衰減至半峰值的時間)。

圖1-13

標準雷電沖擊電壓波形T1－波前時間T2－半峰值時間Umax-沖擊電T1－波前時間T2－半峰值時間

Umax—沖擊電壓峰值1

圖中O為原點，P點為波峰。國際上都用圖示的方法求得名義零點

O（即圖中虛線所示，連接P點與0.3倍峰值點作虛線交橫軸、于

O1點）

圖1-13

標準雷電沖擊電壓波形T1－波前時間T2－半峰值時間Umax—沖擊電壓目前國際上大多數國家對于標準雷電波的波形規(guī)定是：T1

=1.2μs

±30%對于不同極性的標準雷電波形可表示為

+

1.2/50us或

-

1.2/50us。T2

=

50μs

±

20%目前國際上大多數國家對于標準雷電波的波形規(guī)定是：T1=1.2、放電延時完成氣隙擊穿的三個必備條件：最低靜態(tài)擊穿電壓；在氣隙中存在能引起電子崩并導致流注和主放電的有效電子；需要有一定的時間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿。2、放電延時完成氣隙擊穿的三個必備條件：最低靜態(tài)擊穿電壓；在圖1-14

沖擊擊穿所需時間的示意圖總放電時間

后面兩個分量之和稱為放電延時tb

=t0+ts+tf(1-62)tlag

=ts+tf圖1-14沖擊擊穿所需時間的示意圖總放電時間 后面兩個分圖1-14

沖擊擊穿所需時間的示意圖

ts－從t1開始到氣隙中出現第一個有效電子所需的時間稱為統(tǒng)計時延；ts

t0－氣隙在持續(xù)電壓下的擊穿電壓為Us

，為所加電壓從0上升到Us的時間；圖1-14沖擊擊穿所需時間的示意圖 ts－從t1開始到氣圖1-14

沖擊擊穿所需時間的示意圖tf－出現有效電子后，引起碰撞電離，形成電子崩，發(fā)展到流注和主放電，最后完成氣隙的擊穿。這個過程需要的時間稱為放電形成時延tf

。圖1-14沖擊擊穿所需時間的示意圖tf－出現有效電子后，放電時間tb和tlag放電時延的長短都與所加電發(fā)展的越快，tb和tlag越短。tb和tf都具有統(tǒng)計性壓的幅值

U有關，總的趨勢是U

越高，放電過程放電時間tb和tlag放電時延的長短都與所加電發(fā)展的越快，t3、50％擊穿電壓

在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。實際中，施加10次電壓中有4-6次擊穿了，這一電壓即可認為是50％沖擊擊穿電壓。3、50％擊穿電壓 在工程實際中廣泛采用擊穿百分比為50％時極不均勻電場中,，沖擊擊穿電壓的分散性也較大，其標準偏差可取3％。Ub50

U

0β

=(1-64)U50%與靜態(tài)擊穿電壓Ur的比值稱為沖擊系數β：均勻和稍不均勻電場下，β

≈1;極不均勻電場中,，沖擊擊穿電壓的分散性也較大，其標準偏差可取4、伏－秒特性

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”坐標平面上形成的

曲線，通常稱為伏秒特

性曲線，它表示該氣隙

的沖擊擊穿電壓與放電時間的關系。如圖1-15所示：圖1-15

伏秒特性繪制方法4、伏－秒特性時間的關系。如圖1-15圖1-15伏秒特性圖1-16

50％伏秒特性示意圖（虛線表示沒

有被試間隙時的波形）

實際的伏秒特性曲線如圖1-16所示，是一個以上、下包線為界的帶狀區(qū)域。通常取50％伏秒特性或平均伏秒特性曲線來表征一個氣隙的沖擊擊穿特性。

1-0％伏秒特性

2－100％伏秒特性

3－50％伏秒特性

4—50％沖擊擊穿電壓

5－0％沖擊擊穿電壓（靜態(tài)擊穿電壓）圖1-1650％伏秒特性示意圖（虛線表示沒 實際的伏秒1.2.3

操作沖擊電壓下空氣的絕緣特性

電力系統(tǒng)在操作或發(fā)生事故時，因狀態(tài)發(fā)生突然變化引起電感和電容回路的振蕩產生過電壓，稱為操作過電壓。

目前的試驗標準規(guī)定，對額定電壓在300kV以上的高壓電氣設備要進行操作沖擊電壓試驗。這說明操作沖擊電壓下的擊穿只對長間隙才有重要意義。1.2.3操作沖擊電壓下空氣的絕緣特性 電力系統(tǒng)在操作或1、操作沖擊電壓波形

操作過電壓波形是隨著電壓等級、系統(tǒng)參數、設備性能、操作性質、操作時機等因素而有很大變化的。

IEC推薦了250／2500

us

的操作沖擊電壓標準波形，我國國家標準也采用了這個標準波形。1、操作沖擊電壓波形 操作過電壓波形是隨著電壓等級、系統(tǒng)參數2500us

，允許誤差為土60％；峰值允許誤差土3％；

如圖1-17所示，波形特征參數為：波前時間

Tcr＝250us

，允許誤差為土20％；半峰值時間

T2

＝90％蜂值以上持續(xù)時間

Td

未作規(guī)定。2500us，允許誤差為土60％；峰值允許誤差土3％； 圖1-17

操作沖擊電壓全波圖中0點為實際零點，u為電壓值，圖中u＝1.0處為電壓u峰值Td－電壓值持續(xù)處于0.9倍電壓峰值以上時間Tcr－波前時間T2－半峰值時間圖1-17操作沖擊電壓全波圖中0點為實際零點，u為電壓值2.

操作沖擊放電電壓的特點U形曲線極性效應飽和現象分散性大鄰近效應2.操作沖擊放電電壓的特點U形曲線極性效應飽和現象分散性大1.2.4

大氣條件對氣體擊穿的影響濕度校正因數空氣密度校正因數海拔高度的影響1.2.4大氣條件對氣體擊穿的影響濕度校正因數空氣密度校前面介紹的不同氣隙在各種電壓下的擊穿特性均對應于標準大氣條件和正常海拔高度。

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。海拔高度的影響亦與此類似，因為隨著海拔高度的增加，空氣的壓力和密度均下降。前面介紹的不同氣隙在各種電壓下的擊穿特性均對應于標準大氣條件國標規(guī)定的大氣條件：

正由于此，在不同大氣條件和海拔高度下所得出的擊穿電壓實測數據都必須換算到某種標準條件下才能互相進行比較。壓力：

0=101.3kPa(760mmHg)；溫度：t0=20攝氏度或T0=293K；絕對濕度：hc=11g/m。p3國標規(guī)定的大氣條件： 正由于此，在不同大氣條件和海拔高度下所

Kd

：空氣密度校正因數

Kh

：濕度校正因數

上式不僅適用于氣隙的擊穿電壓，也適用于外絕緣的沿面閃絡電壓。UsKdKhU

=

實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U

S

之間關系：(1-66) Kd：空氣密度校正因數UsKdU= 實驗條件下的氣隙

在進行高壓試驗時，也往往要根據實際試驗時的大氣條件，將試驗標準中規(guī)定的標準大氣條件下的試驗電壓值換算得出實際應加的試驗電壓值。下面分別討論各個校正因數的取值： 在進行高壓試驗時，也往往要根據實際試驗時下面分別討論各個校濕度校正因數正如在“負離子的形成”一段中所介紹的那樣，大氣中所含的水氣分子能俘獲自由電子而形成負離子，這對氣體中的放電過程顯然起著抑制作用，可見大氣的濕度越大，氣隙的擊穿電壓也會增高。濕度校正因數正如在“負離子的形成”一段中所介紹的那樣，大氣中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較大，電子的運動速度較快，不易被水氣分子所俘獲，因而濕度的影響就不太明顯，可以忽略不計。

例如用球隙測量高電壓時，只需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。在均勻和稍不均勻電場中，放電開始時，整個氣 例如用球隙測量高在極不均勻電場中，濕度的影響就很明顯了，這時可以用下面的濕度校正因數來加以修正：ωKh

=

k(1-68)

式中的因數k與絕對濕度和電壓類型有關，而指數ω之值則取決于電極形狀、氣隙長度、電壓類型及其極性。在極不均勻電場中，濕度的影響就很明顯了，這ωKh=k(1空氣密度校正因數

空氣密度與壓力和溫度有關?？諝獾南鄬γ芏龋?1-67)式中p－試驗條件下的氣溫，Pa；

t－試驗條件下的氣溫，℃；ps，ts－標準狀態(tài)下的氣壓和氣溫空氣密度校正因數(1-67)式中p－試驗條件下的氣溫，Pa；U

≈δU0在大氣條件下，氣隙的擊穿電壓隨δ的增大而提高。因而：K

d

=δ

m（1-69）實驗表明，當δ處于0.95~1.05的范圍內時，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：U≈δU0在大氣條件下，氣隙的擊穿電壓隨δ的增大而提高。因海拔高度的影響

我國幅員遼闊，有不少電力設施(特別是輸電線路)位于高海拔地區(qū)。隨著海拔高度的增大，空氣變得逐漸稀薄，大氣壓力和相對密度減小，因而空氣的電氣強度也將降低。海拔高度對氣隙的擊穿電壓和外絕緣的閃絡電壓的影響可利用一些經驗公式求得。海拔高度的影響 我國幅員遼闊，有不少電力設施(特別是輸電海拔US-4U

=

KAUS

=

11.1?

H

×10(1-70)我國國家標準規(guī)定：對于安裝在海拔高于1000m、但不超過4000m處的電力設施外絕緣，其試驗電壓U應為平原地區(qū)外絕緣的試驗電壓Us乘以海拔校正因數足Ka即：式中

H－安裝地點海拔高度，m。US-4U=KAUS= 1(1-70)我國國家標準1.2.5

提高氣體擊穿電壓的措施電極形狀的改進空間電荷對原電場的畸變作用極不均勻場中屏障的采用提高氣體壓力的作用高真空和高電氣強度氣體SF6的采用1.2.5提高氣體擊穿電壓的措施電極形狀的改進空間電荷對

為了縮小電力設施的尺寸，總希望將氣隙長度或絕緣距離盡可能取得小一些，為此就應采取措施來提高氣體介質的電氣強度。從實用角度出發(fā)，要提高氣隙的擊穿電壓不外乎采用兩條途徑：改善氣隙中的電場分布，使之均勻；設法削弱和抑制氣體介質中的電離過程。 為了縮小電力設施的尺寸，總希望將氣隙長度改善氣隙中的電場分1、電極形狀的改進

電場分布越均勻，氣隙的平均擊穿場強也就越大。因此，可以通過改進電極形狀的方法來減小氣隙中的最大電場強度，以改善電場分布，提高氣隙的擊穿電壓。如：增大電極的曲率半徑改善電極邊緣使電極具有最佳外形1、電極形狀的改進 電場分布越均勻，氣隙的平均擊穿場強也就增2、空間電荷對原電場的畸變作用極不均勻電場氣隙被擊穿前先出現電暈放電。在一定條件下，可以利用放電本身所產生的空間電荷來調整和改善空間的電場分布，以提高氣隙的擊穿電壓。2、空間電荷對原電場的畸變作用極不均勻電場氣隙被擊穿前先出現3、極不均勻場中屏障的采用

在極不均勻場的空氣間隙中，放入薄片固體絕緣材料(如紙或紙板)，在一定條件下可以顯著地提高間隙的擊穿電壓。

屏障的作用在于屏障表面上積聚的空間電荷，使屏障與板電極間形成較均勻的電場，從而使整個間隙的擊穿電壓提高。3、極不均勻場中屏障的采用 在極不均勻場的空氣間隙中，放入薄

工頻電壓下，在尖—板電極中設置屏障可以顯著提高擊穿電壓，因為工頻電壓下擊穿總是發(fā)生在尖電極為正極性的半周內。

雷電沖擊電壓下，屏障也可提高正尖—板間隙的擊穿電壓，但是幅度比穩(wěn)態(tài)電壓下要小一些。 工頻電壓下，在尖—板電極中設置屏障可以顯 雷電沖擊電壓下，4、提高氣體壓力的作用在常壓下空氣的電氣強度比較低，約為30kV/cm。即使采取上述各種措施來盡可能改善電場，其平均擊穿場強也不可能超越這一極限。可見，常壓下空氣的電氣強度要比一般固體和液體介質的電氣強度低得多。4、提高氣體壓力的作用在常壓下空氣的電氣強度比較低，約為30如果把空氣壓縮，使氣壓大大超過0.1MPa，它的電氣強度能得到顯著提高。這主要是因為提高氣壓可以大大減小電子的自由行程長度，從而削弱和抑制了電離過程。如能在采用高氣壓的同時，再以某些高電氣強度氣體（如SF6）代替空氣，那就能獲得更好的效果。如果把空氣壓縮，使氣壓大大超過0.1MPa，它的電如能在采用5、高真空和高電氣強度氣體SF6的采用采用高真空也可以減弱氣隙中的碰撞電離過程，從而顯著提高氣隙的擊穿電壓。

在電力設備中，實際采用高真空作為絕緣媒質的情況還不多，主要因為在各種設備的絕緣結構中大都還要采用各種固體或液體介質，它們在真空中都會逐漸釋出氣體，使高真空難以長期保持。5、高真空和高電氣強度氣體SF6的采用采用高真空也可以減弱氣

有一些含鹵族元素的強電負性氣體電氣強度特別高，因而可稱之為高電氣強度氣體。采用這些氣體來替換空氣，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其電氣強度。 有一些含鹵族元素的強電負性氣體電氣強度但僅僅滿足高電氣強度是不夠的，還必須滿足以下條件：液化溫度要低，這樣才能同時采用高氣壓；良好的化學穩(wěn)定性，出現放電時不易分解、生產不太困難，價格不過于昂貴。不燃燒或爆炸、不產生有毒物質；但僅僅滿足高電氣強度是不夠的，還必須滿足以下條件：液化溫度要

SF6同時滿足以上條件，而且還具備優(yōu)異的滅弧能力，其他有關的技術也相當好，因此SF6及其混合氣體在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用。 SF6同時滿足以上條件，而且還具備優(yōu)異的及其混合氣體在電力小結外施電壓的種類包括穩(wěn)態(tài)電壓和沖擊電壓。穩(wěn)態(tài)電壓包括直流與工頻電壓，其特點為隨時間的變化率很小。沖擊電壓包括雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓，其特點為持續(xù)時間極短。小結外施電壓的種類包括穩(wěn)態(tài)電壓和沖擊電穩(wěn)態(tài)電壓包括直流與工頻???

均勻電場：無極性效應，擊穿時間短，擊穿電壓分散性??；

稍不均勻電場：擊穿前無電暈，極性效應不明顯，工頻擊穿電壓峰值及50％沖擊擊穿電壓幾乎一致。

極不均勻電場：電場不均勻程度對擊穿電壓的影響減弱(由于電場已經極不均勻)，極間距離對擊穿電壓的影響增大。穩(wěn)態(tài)電壓作用下的擊穿特點。? 均勻電場：無極性效應，擊穿時間短，擊穿穩(wěn)態(tài)電壓作用下的擊?

50％沖擊擊穿電壓比工頻擊穿電壓的峰值要高一些；?

均勻電場和稍不均勻電場間隙的放電時

延短，擊穿的分散性小，沖擊擊穿通常

發(fā)生在波峰附近；?

極不均勻電場間隙的放電時延長，沖擊擊穿常發(fā)生在波尾部分。雷電沖擊電壓作用下的擊穿特點。?50％沖擊擊穿電壓比工頻擊穿電壓的峰值要高一些；??

U形曲線?

極性效應?

飽和現象?

分散性大?

鄰近效應操作沖擊電壓作用下的擊穿特點。?U形曲線?極性效應操作沖擊電壓作用下的擊穿特點?????電極形狀的改進空間電荷對原電場的畸變作用極不均勻場中屏障的采用提高氣體壓力的作用高真空和高電氣強度氣體的采用提高氣體擊穿電壓的措施（本節(jié)完）?電極形狀的改進提高氣體擊穿電壓的措施（本節(jié)完）基本概念：閃

絡——沿著整個固體絕緣表面發(fā)生的放電。1.3

固體絕緣表面的氣體沿面放電

在放電距離相同時，沿面閃絡電壓低于純氣隙的擊穿電壓。工程中的事故往往由沿面閃絡造成，因此有必要研究沿面放電特性?；靖拍睿洪W絡——沿著整個固體絕緣表面發(fā)生的放電。1高壓絕緣子的分類：按結構分：（１）絕緣子

在機械上起固定，電氣上起隔離作用的固體高壓絕緣部件。如懸式絕緣子、支柱絕緣子、橫擔絕緣子等。（２）套筒用作電器內絕緣的容器，如互感器瓷套、避雷器瓷套及斷路器瓷套等。高壓絕緣子的分類：按結構分：（１）絕緣子 在機械上起固定，電（３）套管

用作導電體穿過接地隔板、電器外殼和墻壁的絕緣件，如穿越墻壁的穿墻套管、變壓器、電容器的出線套管等。按材料分：（1）電工陶瓷（2）鋼化玻璃（3）硅橡膠、乙丙橡膠等有機材料（３）套管 用作導電體穿過接地隔板、電器外殼和墻壁按材料分：高電壓技術-第二章課件高電壓技術-第二章課件高電壓技術-第二章課件高電壓技術-第二章課件高電壓技術-第二章課件1.3.1

界面電場的分布1.3.2

均勻電場中的沿面放電1.3.3

極不均勻電場中的沿面放電1.3.4

絕緣子的污穢放電1.3.5

提高沿面放電電壓的措施本節(jié)內容1.3.1界面電場的分布1.3.2均勻電場中的沿面放電11.3.1

界面電場的分布

界面電場的分布有以下三種典型情況：

圖1-21

介質在電場中的典型布置方式

（a）均勻電場

（b）界面上電力線有強垂直分量

（c）界面上電

力線有弱垂直分量1－電極2－固體介質1.3.1界面電場的分布1－電極2－固體介質(a)固體介質處于均勻電場中，且界面與電力線平行；

圖1-21

介質在電場中的典型布置方式（a）均勻電場

（b）界面上電力線有強垂直分量

（c）界面上

電力線有弱垂直分量1－電極2－固體介質(a)固體介質處于均勻電場中，且界面與電力線平 圖1-21(b)固體介質處于極不均勻電場中，且電力線垂直于界面的分量（垂直分量）比平行于表面的分量要大得多；

圖1-21

介質在電場中的典型布置方式（a）均勻電場

（b）界面上電力線有強垂直分量

（c）界面上

電力線有弱垂直分量1－電極2－固體介質(b)固體介質處于極不均勻電場中，且電力線垂直 圖1-21(c)

固體介質處于極不均勻電場中，但在界面大部分地方，電場強度平行于界面的分量要比垂直分量大。

圖1-21

介質在電場中的典型布置方式（a）均勻電場

（b）界面上電力線有強垂直分量

（c）界面上

電力線有弱垂直分量1－電極2－固體介質(c)固體介質處于極不均勻電場中，但在界面大量大。 圖11.3.2

均勻電場中的沿面放電

圖1-21

介質在電場中的典型布置方式

（a）均勻電場

（b）界面上電力線有強垂直分量

（c）界面上電力線有弱垂直分量1－電極2－固體介質1.3.2均勻電場中的沿面放電1－電極2－固體介質沿面閃絡電壓的影響因素

（一）固體絕緣材料特性

如圖1－22，取決

于材料的親水性圖1-22

均勻電場中不同介質的

沿面閃絡電壓

（工頻峰值）的比較1-空氣隙擊穿

2－石蠟

3－瓷

4－與電板接觸不緊密的瓷

或憎水性（二）介質表面的粗糙度（三）固體介質與電極間的氣隙大小沿面閃絡電壓的影響因素圖1-22均勻電場中不同介質的其中，前兩種因素的影響在高氣壓時表現得更加明顯，如圖1-23所示：

圖1-23

均勻電場中氣壓對氮氣中沿面閃絡電壓的影響1-氮氣間隙

3－膠布板2－塑料

4－瓷其中，前兩種因素的影響在高氣壓時表現得1-氮氣間隙2－塑料圖1－21(a)為均勻電場中引入一固體介質，沿面閃絡電壓低于純空氣間隙的擊穿電壓，主要原因可歸結如下：圖1-21

介質在電場中的典型布置方式（a）均勻電場（b）界面上電力線有強垂直分量

（c）界面上電力線有弱垂直分量1－電極2－固體介質圖1－21(a)為均勻電場中引入一固體介質，圖1-21介質固體介質表面會吸附氣體中的水分形成水膜，電極附近積累起電荷，使介質表面電壓分布不均勻，從而降低了閃絡電壓。介質表面電阻不均勻以及表面有傷痕裂紋也會畸變電場的分布，使閃絡電壓降低。電極和固體介質端面間存在氣隙，氣隙處場強大易發(fā)生電離，產生的帶電質點會畸變原電場分布，從而使閃絡電壓降低。固體介質表面會吸附氣體中的水分形成水膜，電布，從而使閃絡電壓1.3.3

極不均勻電場中的沿面放電

圖1-21

介質在電場中的典型布置方式

（a）均勻電場

（b）界面上電力線有強垂直分量

（c）界面上電力線有弱垂直分量1－電極2－固體介質1.3.3極不均勻電場中的沿面放電1－電極2－固體介質

圖1-24

沿套管表面放電的示意圖

（a）電暈放電

（b）細線狀輝光放電（c）滑閃放電

（d）套管表面電容等值圖1-導桿2－接地法蘭1、具有強垂直分量時的沿面放電

如圖1-24所示，以具有強垂直分量的套管為例，說

明沿面放電的發(fā)展過程及其特有形式：

閃絡演示視頻連接 圖1-24沿套管表面放電的示意圖1-導桿2－接地法蘭1發(fā)展過程外施電壓升高電壓超過某一值電壓再升高一些電暈放電輝光放電滑閃放電閃絡

圖1-24

沿套管表面放電的示意圖

（a）電暈放電

（b）細線狀輝光放電（c）滑閃放電

（d）套管表面電容等值圖1-導桿2－接地法蘭發(fā)展過程外施電壓升高電壓超過某一值電壓再升高一些電暈放電輝光滑閃放電是具有強垂直分量絕緣結構所特有的放電形式。滑閃放電的條件：電場必須有足夠的垂直分量；電場必須有足夠的水平分量；電壓必須是交變的?；W放電是具有強垂直分量絕緣結構所特有的放電形式?；W放電的滑閃放電現象可用圖1-25所示的等效電路來解釋：

圖1-25

套管絕緣子等效電路C－表面電容R－體積電阻r－表面電阻A－導桿B－法蘭滑閃放電現象可用圖1-25所示的等效電路C－表面電容R－體積滑閃放電的起始電壓U0和各參數的關系如下：E0

——滑閃放電的起始場強；ω

——電壓的角頻率；ρs——表面電阻率。C0

——比表面電容（F/cm），U0

=

E0

ωC0ρsC0

=

ε

r

/[4π×9×1011×r2

ln(r2

/r1)]2滑閃放電的起始電壓U0和各參數的關系如下：E0——滑閃放電提高滑閃放電電壓的方法減小C0

：增大固體介質的厚度，或采用相對介減小

ρs

：在套管的法蘭附近涂半導電漆電常數εr較小的固體介質提高滑閃放電電壓的方法減小C0：增大固體介質的厚度，或C0

>

0.25×10

F/cm一定時，滑閃放電的起始電壓U0主要和ρs、

E0、

ω比表面電容值C0

有關，經驗公式如下：C01.36×10Ucr

=Ucr——工頻滑閃放電的起始電壓有效值（kV）;

C0——比表面電容（F/cm）。?12適用范圍：0.44?422C0>0.25×10F/cm一定時，滑閃2、具有弱垂直分量時的沿面放電電極形狀和布置不會顯著降低沿面閃絡電壓；由于電場垂直分量較小，因此不會出現熱電離和滑閃放電，介質厚度對放電電壓沒有影響；改進電極形狀可改善電極附近的電場，從而提高沿面放電電壓。2、具有弱垂直分量時的沿面放電電極形狀和布置不會顯著降低沿面1.3.4

絕緣子的污穢放電污閃形成：絕緣子常年處于戶外，自然界灰塵和飄浮鹽堿顆粒易附于其上，從而形成污層。隨著大氣濕度的提高，污層將受潮變得濕潤，導致電導劇增，絕緣子泄漏電流大大增加。當絕緣