第1章高電壓課件

高電壓與絕緣技術(shù)

閆莎莎Email：yan_ssha@163.com辦公：電子樓208課程學(xué)習(xí)及考核課堂講授與自學(xué)相結(jié)合學(xué)分：3學(xué)分考核:平時(shí)成績20%+實(shí)驗(yàn)10%+卷面70%

平時(shí)成績包括：出勤、作業(yè)、課堂表現(xiàn)等學(xué)時(shí)：共48學(xué)時(shí)；其中授課42學(xué)時(shí)；實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)本課程的主要內(nèi)容及特點(diǎn)《高電壓與絕緣技術(shù)》主要研究高電壓下的各種電氣物理問題。該課程既是電氣工程及其自動化專業(yè)課，也是電網(wǎng)考試課；是學(xué)習(xí)和研究該領(lǐng)域的重要課程。緒論高電壓發(fā)展本課程的主要內(nèi)容學(xué)習(xí)本課程目的（主要任務(wù)）本課程的主要內(nèi)容

高電壓絕緣理論：研究如何利用電介質(zhì)的電氣性能為電力系統(tǒng)服務(wù)，預(yù)防事故的發(fā)生；高電壓試驗(yàn)技術(shù)：研究如何應(yīng)用通過給設(shè)備絕緣施加較高電壓的方法來檢查設(shè)備是否有安全隱患的技術(shù)；過電壓及其防護(hù)技術(shù)：討論電力系統(tǒng)過電壓的產(chǎn)生，發(fā)展機(jī)理，及其如何限制其發(fā)展和限制其產(chǎn)生的措施。本課程的主要任務(wù)使學(xué)習(xí)者通過本課程的學(xué)習(xí)，基本掌握各種絕緣介質(zhì)的基本特性，如何正確的利用它的基本方法；基本掌握應(yīng)用高電壓試驗(yàn)技術(shù)對電氣設(shè)備的絕緣進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)的基本方法；能在通過工程設(shè)計(jì)，預(yù)防和保護(hù)電氣設(shè)備免受過電壓的危害。為從事有關(guān)方面的工作奠定必要的理論基礎(chǔ)。第一篇電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度一、氣體放電的基本物理過程二、氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度三、液體和固體介質(zhì)的電氣特性第一篇電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度

電介質(zhì)（dielectric

）在電氣設(shè)備中作為絕緣材料使用。

電氣強(qiáng)度表征電介質(zhì)耐受電壓作用的能力。

均勻電場中擊穿電壓Ub與間隙距離之比稱為擊穿場強(qiáng)Eb。我們把均勻電場中氣隙的擊穿場強(qiáng)Eb稱為氣體的電氣強(qiáng)度。

空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電氣強(qiáng)度為30kV/cm;

注意：不能把不均勻場中氣隙Ub與間隙距離之比稱為氣體的電氣強(qiáng)度，通常稱之為平均擊穿場強(qiáng)。

擊穿電壓：電介質(zhì)擊穿時(shí)的最低臨界電壓。

擊穿場強(qiáng)是表征氣體間隙絕緣性能的重要參數(shù)。1、電介質(zhì)的分類

按物質(zhì)形態(tài)分：氣體電介質(zhì)液體電介質(zhì)固體電介質(zhì)其中氣體最常見。氣體介質(zhì)同其它介質(zhì)相比，具有在擊穿后完全的絕緣自恢復(fù)特性，故應(yīng)用十分廣泛。按在電氣設(shè)備中所處位置分：

外絕緣：一般由氣體介質(zhì)（空氣）和固體介質(zhì)（絕緣子）聯(lián)合構(gòu)成。

內(nèi)絕緣：一般由固體介質(zhì)和液體介質(zhì)聯(lián)合構(gòu)成。

2.在電場的作用下電介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象

弱電場——當(dāng)電場強(qiáng)度比擊穿場強(qiáng)小得多如：極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗等。

強(qiáng)電場——電場強(qiáng)度等于或大于放電起始場強(qiáng)或擊穿場強(qiáng)：如：放電、閃絡(luò)、擊穿等。

強(qiáng)電場下的放電、閃絡(luò)、擊穿等電氣現(xiàn)象是我們本篇所要研究的主要內(nèi)容。3、幾個(gè)基本概念

放電：特指氣體絕緣的擊穿過程。

擊穿：在電場的作用下，電介質(zhì)由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)的過程。

閃絡(luò)：擊穿發(fā)生在氣體與液體、氣體與固體交界面上的放電現(xiàn)象。

工程上將擊穿和閃絡(luò)統(tǒng)稱為放電。

擊穿、放電、閃絡(luò)都是在一定的電壓作用下電介質(zhì)的絕緣性能被破壞的過程。4、本篇的主要內(nèi)容

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(qiáng)度第三章、液體和固體介質(zhì)的電氣特性

輸電線路以氣體作為絕緣材料電介質(zhì)的分類

——例圖1變壓器相間絕緣以液體作為絕緣材料電介質(zhì)的分類

——例圖2電氣設(shè)備中常用的氣體介質(zhì)：

空氣、壓縮的高電氣強(qiáng)度氣體（如SF6）純凈的、中性狀態(tài)的氣體是不導(dǎo)電的，只有氣體中出現(xiàn)了帶電粒子（電子、正離子、負(fù)離子）后，才可能導(dǎo)電，并在電場作用下發(fā)展成各種形式的氣體放電現(xiàn)象。

第一章氣體放電的基本物理過程

輝光放電

氣壓較低，電源功率很小時(shí)，放電充滿整個(gè)間隙?；鸹ǚ烹姡ɡ组W）

大氣壓力下。電源功率較小時(shí)，間隙間歇性擊穿，放電通道細(xì)而明亮。

因氣體壓力、電源功率、電極形狀等因素的影響，放電具有多種形式

電弧放電大氣壓力下，電源功率較大時(shí)，放電具有明亮、持續(xù)的細(xì)致通道。

電暈放電極不均勻電場，高電場強(qiáng)度電極附近出現(xiàn)發(fā)光薄層。（2）本章主要內(nèi)容

1.1帶電粒子的產(chǎn)生和消失

1.2均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程

1.3不均勻電場中的放電過程

1.4沖擊電壓下氣隙的擊穿特性

1.5沿面放電和污閃事故

一、帶電粒子在氣體中的運(yùn)動

(一)自由行程長度——運(yùn)動引起的碰撞

(二)帶電粒子的遷移率——沿電場方向漂移

(三)擴(kuò)散——與粒子濃度有關(guān)第一節(jié)帶電粒子的產(chǎn)生和消失

(一)自由行程長度

1）帶電粒子在電場中的運(yùn)動形式：

當(dāng)氣體中存在電場時(shí)，帶電粒子進(jìn)行熱運(yùn)動和沿電場定向運(yùn)動（如圖1-1所示）

粒子從這次碰撞到下次碰撞之間所走過的距離稱為自由行程長度。

自由行程長度是隨機(jī)值，具有分散性，所以我們引入平均值的概念。

平均自由行程長度：單位行程中的碰撞次數(shù)Z的倒數(shù)λ即為該粒子的平均自由行程長度。

2）自由行程長度和平均自由行程長度

粒子的自由行程等于或大于某一距離x的概率為：

λ：粒子平均自由行程長度

令x=λ，可見粒子實(shí)際自由行程長度大于或等于平均自由行程長度的概率是36.8%。

由氣體動力學(xué)可知，電子平均自由行程長度

式中：r：氣體分子半徑

N：氣體分子密度

由于代入上式得到：

式中：P：氣壓

T：氣溫

k：波爾茲曼常數(shù)

大氣壓和常溫下平均自由行程長度數(shù)量級為10-5cm

3）定性分析：(二)帶電粒子的遷移率

1）遷移率的定義遷移率表示單位場強(qiáng)下（1V/m)帶電粒子沿電場方向的漂移速度。

2）定性分析：

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

結(jié)論：電子更易加速，電子的遷移率遠(yuǎn)大于離子。(三)擴(kuò)散

1）擴(kuò)散的定義：

熱運(yùn)動中，粒子從濃度較大的區(qū)域運(yùn)動到濃度較小的區(qū)域，從而使分布均勻化，這種過程稱為擴(kuò)散。

2）定性分析：

氣壓越低，溫度越高，擴(kuò)散越快。

結(jié)論：電子的熱運(yùn)動速度大、自由行程長度大，所以其擴(kuò)散速度比離子快得多。二

帶電粒子的產(chǎn)生

（1）原子的電離與激勵(lì)

（2）電離的四種形式

——按引起電離的外部能量形式不同，分為：

1）光電離

2）熱電離

3）碰撞電離

4）電極表面電離

原子的激勵(lì)

當(dāng)原子獲得外部能量（電場、高溫等），一個(gè)或若干個(gè)電子有可能轉(zhuǎn)移到離核較遠(yuǎn)的軌道上去，該現(xiàn)象稱為激勵(lì)。激勵(lì)能（We，電子伏eV）原子的電離原子在外界因素作用下，使其一個(gè)或幾個(gè)電子脫離原子核的束縛，而形成自由電子和正離子的過程稱為電離。

電離能（Wi，電子伏eV）(1)原子的電離和激勵(lì)電子要脫離原子核的束縛成為自由電子,則必須給予其能量。能量來源的不同帶電粒子產(chǎn)生的方式就不同。因此，根據(jù)電子獲得能量方式的不同，帶電粒子產(chǎn)生的方式可分為以下幾種。(2)電離的四種形式1）光電離定義：由光輻射引起氣體分子電離的過程，稱為光電離。條件：當(dāng)滿足以下條件時(shí)，產(chǎn)生光電離：

光子來源：外界高能輻射線；氣體放電本身紫外線、宇宙射線、x射線等；異號帶電粒子復(fù)合成中性粒子釋放出光子；激勵(lì)態(tài)分子回復(fù)到正常態(tài)釋放出光子2）熱電離定義：氣體分子高熱狀態(tài)引起的碰撞導(dǎo)致電離過程，稱為熱電離。條件：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(shù)與總分子數(shù)的比值m稱為該氣體的電離度。

下圖為空氣的電離度m與溫度T的關(guān)系：

由圖所示：當(dāng)T>104K時(shí)，才需考慮熱電離；當(dāng)T>2*104K時(shí)，幾乎全部的分子都處于熱電離狀態(tài)3）碰撞電離

定義：電子或離子與氣體分子碰撞，將電場能傳遞給氣體分子引起的電離。它是氣體中產(chǎn)生帶電粒子的最重要的方式，主要是由電子完成。

條件：電子獲得加速后和氣體分子碰撞時(shí)，把動能傳給后者，如果動能大于或等于氣體分子的電離能Wi，該電子就有足夠的能量完成碰撞電離。碰撞電離時(shí)應(yīng)滿足以下條件：

Xi表示電子為造成碰撞電離而必須飛越的最小距離。它的大小取決于場強(qiáng)E，增大氣體中的場強(qiáng)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(qiáng)度增大。4）電極表面的電離定義：金屬陰極表面發(fā)射電子的過程。

逸出功：從金屬電極表面逸出電子所需要的能量。由于逸出功<<電離能，因此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)射熱電子發(fā)射強(qiáng)場發(fā)射

光電離、熱電離和碰撞電離均為空間電離，而電極表面電離為表面電離，它們均有利于電離過程。附著：當(dāng)電子與氣體分子碰撞時(shí)，不但有可能引起碰撞電離而產(chǎn)生出正離子和新電子，而且也可能會發(fā)生電子與中性分子相結(jié)合形成負(fù)離子的情況。負(fù)離子產(chǎn)生的作用負(fù)離子的形成并未使氣體中帶電粒子的數(shù)目改變，但卻能使自由電子數(shù)減少，因而對氣體放電的發(fā)展起抑制作用。電負(fù)性氣體氧/氟/氯等、SF6

三、負(fù)離子的產(chǎn)生四

、帶電粒子的消失帶電粒子的消失可能有以下幾種情況：帶電粒子在電場的驅(qū)動下做定向運(yùn)動，在到達(dá)電極時(shí)，消失于電極上而形成外電路中的電流；帶電粒子因擴(kuò)散而逸出氣體放電空間；帶電粒子的復(fù)合。

四

、帶電粒子的消失復(fù)合：當(dāng)氣體中帶異號電荷的粒子相遇時(shí)，有可能發(fā)生電荷的傳遞與中和現(xiàn)象。電離的逆過程復(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。本節(jié)內(nèi)容小結(jié)氣體間隙中帶電粒子的產(chǎn)生和消失是氣體放電的一對基本矛盾，氣體放電的發(fā)展和終止取決于這兩個(gè)過程誰占主導(dǎo)地位。氣體中帶電粒子的產(chǎn)生形式可以分為空間電離和表面電離。它們都與外界供給的能量有關(guān)，能量的形式主要是電場能、光輻射和熱能，而能量的傳遞靠電子、光子或氣體分子的熱運(yùn)動，其傳遞的過程主要是碰撞，它是造成氣體分子電離的有效過程。氣體放電發(fā)展過程光電離熱電離碰撞電離空間電離表面電離負(fù)離子的形成正離子碰撞陰極光電效應(yīng)強(qiáng)場發(fā)射熱電子發(fā)射電場作用下氣體中帶電粒子的定向運(yùn)動帶電粒子的擴(kuò)散帶電粒子的復(fù)合帶電粒子的產(chǎn)生帶電粒子消失第二節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程1、非自持放電和自持放電2、湯遜氣體放電理論3、氣體放電的流注理論

所謂均勻電場，就是在電場中，電場強(qiáng)度處處相等，如兩個(gè)平行平板電極的電場（當(dāng)然還要考慮邊緣效應(yīng)），如圖所示

什么是均勻電場？平行平板電極的電場第二節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程1、非自持放電和自持放電圖1-2

測定氣體中電流的回路示意圖當(dāng)U<Ua

在曲線Oa段，I隨U的提高而增大。而且電流隨電壓按正比增長。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果圖1-3氣體中電流和電壓的關(guān)系——伏安特性曲線當(dāng)Ua≤U≤

Ub

在曲線ab段，電流I0趨向于飽和。因?yàn)檫@時(shí)外界電離因素所產(chǎn)生的帶電粒子幾乎能全部抵達(dá)電極，電流的大小僅取決于電離因素的強(qiáng)弱（光照射）而與所加電壓無關(guān)。圖1-3氣體放電的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果當(dāng)Ub≤U≤

Uc

在曲線bc段，電流又開始隨電壓的升高而增大。電流隨電壓的增加按指數(shù)規(guī)律增長。但當(dāng)外電離因素消失，電流會迅速降低，這是由于氣隙中出現(xiàn)了碰撞電離和電子崩。圖1-3氣體放電的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果α過程當(dāng)Uc≤U≤

U0

在曲線cS段，當(dāng)氣隙上所加電壓大于Uc時(shí)，實(shí)測I隨電壓U的增大不再遵循指數(shù)規(guī)律，而是更快一些。這時(shí)又出現(xiàn)了促進(jìn)放電的新因素，這就是受正離子的影響。圖1-3氣體放電的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果α過程+γ過程當(dāng)UU0

在S點(diǎn)以后，電壓U

U0時(shí)，電流急劇增加，無需外電離因素（光照射）就能維持間隙的放電過程，進(jìn)入自持放電階段。圖1-3氣體放電的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果

當(dāng)U<U0Oa段：電流隨電壓升高而升高ab段：電流僅取決于外電離因素與電壓無關(guān)bS段：電壓升高電流增強(qiáng)但仍靠外電離維持(非自持放電階段)當(dāng)UU0S點(diǎn)后：電流急劇增加，只靠外加電壓就能維持(自持放電階段)圖1-3氣體放電的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果非自持放電:如果取消外電離因素，氣體的放電過程就會停止，那么電流也將消失。這是依靠外電離因素和外電場因素共同作用而維持的放電。圖1-3氣體放電的伏安特性曲線自持放電: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。非自持放電和自持放電非自持放電與自持放電的分界點(diǎn)由非自持放電轉(zhuǎn)入自持放電的電壓稱為起始電壓如電場比較均勻，則間隙將被擊穿，此后根據(jù)氣壓、外回路阻抗等條件形成輝光放電、火花放電、或電弧放電,如電場極不均勻，則當(dāng)放電由非自持轉(zhuǎn)入自持時(shí)，在小曲率半徑電極表面電場集中的區(qū)域發(fā)生電暈放電，這時(shí)起始電壓是間隙的電暈起始電壓，而擊穿電壓可能比起始電壓高很多。起始電壓U0

氣體放電的現(xiàn)象與發(fā)展規(guī)律與氣體種類、氣壓大小、氣隙中的電場型式、電源容量等一系列因素有關(guān)。

但無論何種氣體放電都一定有一個(gè)電子碰撞電離導(dǎo)致電子崩的階段，它在所加電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)出現(xiàn)。2、湯遜氣體放電理論（1）α過程1）電子崩的形成

各種高能輻射線（外界電離因素）引起：陰極表面光電離

氣體中的空間光電離因此：氣體中存在一定濃度的帶電粒子。

外界電離因素在陰極附近產(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)動時(shí)就會引起碰撞電離，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，又會引起新的碰撞電離，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。電子數(shù)目將按2、4、8…2n的指數(shù)規(guī)律增長為什么？(a)電子崩的形成(b)帶電粒子在電子崩中的分布2、湯遜氣體放電理論（1）α過程2）α過程引起的電流電子崩的發(fā)展過程也稱為α過程α

----電子碰撞電離系數(shù)：一個(gè)電子沿著電場方向運(yùn)動1cm的行程中所完成的碰撞電離次數(shù)平均值。α過程

如圖為平板電極氣隙，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。

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的距離中又會產(chǎn)生dn個(gè)新電子。均勻電場中的電子崩計(jì)算模型α過程引起的電流均勻電場中的電子崩計(jì)算模型根據(jù)α的定義：表明：電子崩電流按指數(shù)規(guī)律隨極間距離d而增大。因?yàn)橐坏┏ネ饨珉婋x因素(令

)，放電就會停止。---非自持放電階段僅有α過程不能維持放電的自持。2、湯遜氣體放電理論（1）α過程3）α的分析設(shè)電子的平均自由行程為λe，運(yùn)動1cm碰撞1/λe。但不是每次碰撞都引起電離，只有電子累積的動能大于分子電離能時(shí)，才產(chǎn)生電離，此時(shí)電子至少運(yùn)動的距離為根據(jù)第一節(jié)公式，實(shí)際自由行程長度等于或大于Xi概率為根據(jù)碰撞電力系數(shù)α的定義，即可得出：由第一節(jié)內(nèi)容可知，電子的平均自由長度式中A、B是兩個(gè)與氣體種類有關(guān)的常數(shù)。可以看出：電場強(qiáng)度E增大時(shí)，α急劇增大；

P很大或很小時(shí)，α都比較小。所以，在高氣壓和高真空下，氣隙不易發(fā)生放電現(xiàn)象，具有較高的電氣強(qiáng)度。所有氣體放電都有一個(gè)電子碰撞電離導(dǎo)致電子崩的階段；電子崩將產(chǎn)生急劇增大的空間電子流；在高氣壓和高真空下，氣隙不易發(fā)生放電現(xiàn)象。2、湯遜氣體放電理論（2）γ過程正離子表面電離系數(shù)γγ----一個(gè)正離子在電場作用下由陽極向陰極運(yùn)動，撞擊陰極表面產(chǎn)生表面電離的電子數(shù)?？臻g電離表面電離從陰極飛出n0個(gè)電子，到達(dá)陽極后，電子數(shù)將增加為：正離子數(shù)：正離子到達(dá)陰極，從陰極電離出的電子數(shù)：（3）自持放電條件（擊穿條件）

其物理意義：由外電離因素從陰極產(chǎn)生的一個(gè)電子消失在陽極前，由α過程形成的正離子數(shù)為：

正離子消失在陰極時(shí)，由γ過程（表面電離）在陰極上釋放出二次電子數(shù)，即如果

表示由γ過程在陰極上重新產(chǎn)生一個(gè)(或更多)電子，此時(shí)不再需要外電離因素就能使電離維持發(fā)展，即轉(zhuǎn)入自持放電。

設(shè)n0=1，放電由非自持轉(zhuǎn)入自持的條件為：（4）α過程和γ過程同時(shí)引起的電流若分母，即使除去了外界電離因素（I0=0），放電也能維持下去。因此α過程和γ過程同時(shí)作用，能達(dá)到自持放電。低氣壓、短氣隙情況下氣體的放電過程電子碰撞電離是氣體電離的主要原因；正離子碰撞陰極表面使陰極表面逸出電子是維持氣體放電的必要條件。陰極逸出電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。湯遜理論的主要內(nèi)容（5）擊穿電壓和巴申定律將代入可推得：這條曲線稱為巴申曲線。均勻電場氣體的擊穿電壓Ub=自持放電電壓U0

左圖給出了空氣間隙的Ub與pd的關(guān)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(shù)；其次Ub不是單調(diào)函數(shù)，而是U型曲線，有極小值。巴申定律：描述了氣體的擊穿電壓Ub與pd的關(guān)系曲線（亦即Ub與的關(guān)系曲線）（1）擊穿電壓不僅由間隙距離d決定，而且也是pd的函數(shù)；（２）擊穿電壓不是pd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，對應(yīng)的pd值也不同；

從試驗(yàn)曲線上可以看出，存在一個(gè)最小值，總有一個(gè)氣壓對碰撞電離最有利，此時(shí)擊穿電壓最?。粴鈮汉苄r(shí)，氣體稀薄，雖然電子自由行程大，可以得到足夠的動能，但碰撞總數(shù)小，所以擊穿電壓升高；氣壓很大時(shí)，電子自由行程變小，得到動能減小，所以擊穿電壓升高；故當(dāng)極間距離d不變時(shí)提高氣壓或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓，這一結(jié)論已被工程廣泛使用（如：壓縮空氣開關(guān)、真空開關(guān)等）巴申定律的實(shí)際意義（6）湯遜理論的適用范圍1）適用范圍低氣壓，短間隙（pd值較小—pd<200mmHg.cm(26.66kPa·cm)）2）局限性

Pd值較大時(shí)，解釋現(xiàn)象與實(shí)際不符：放電時(shí)間：很短放電外形：具有分支的細(xì)通道擊穿電壓：與理論計(jì)算不一致陰極材料：無關(guān)高氣壓的采用

氣體壓力提高后，氣體的密度加大，減少了電子的平均自由行程，從而削弱了碰撞游離的過程。如高壓空氣斷路器和高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器等。高真空的采用

氣體間隙中壓力很低時(shí)，電子的平均自由行程已增大到極間空間很難產(chǎn)生碰撞游離的程度。如真空電容器、真空斷路器等。3、氣體放電的流注理論

氣體放電流注理論仍以電子的碰撞電離過程為基礎(chǔ)，它考慮了高氣壓、長氣隙情況下不容忽視的若干因素對氣體放電的影響，主要有以下兩方面:空間電荷對原有電場的影響空間光電離的作用（1）二次電子崩

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，電子和正離子濃度最大，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。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(qiáng)場區(qū)，二次電子崩將以更大得多的電離強(qiáng)度向陽極發(fā)展，或匯入崩尾。（2）流注的形成a)起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩；b)初崩發(fā)展到陽極，正離子作為空間電荷畸變原電場，在電場削弱的區(qū)域復(fù)合增加，放射出大量光子；c)光電離產(chǎn)生光電子，在加強(qiáng)的局部電場（正離子與陰極間電場）作用下形成二次崩；d)二次崩電子與正空間電荷匯合成流注通道，其端部又有二次崩留下的正電荷，加強(qiáng)局部電場產(chǎn)生新電子崩使其發(fā)展；e)流注頭部前方電場很強(qiáng)，電離迅速發(fā)展，放射出大量光子，繼續(xù)引起空間光電離，于是流注前方出現(xiàn)新的二次崩，延長流注通道；f)流注通道貫通，氣隙擊穿（2）流注的形成這些電離強(qiáng)度和發(fā)展速度遠(yuǎn)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。(a)(b)(c)流注理論認(rèn)為：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(dāng)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(qiáng)烈電離和二次電子崩，這種強(qiáng)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(qiáng)以及發(fā)生空間光電離的結(jié)果，這時(shí)放電即轉(zhuǎn)入新的流注階段。流注形成條件：初崩頭部空間電荷數(shù)必須達(dá)到某一臨界值。實(shí)驗(yàn)研究所得的常數(shù)值為（2）流注的形成（3）流注理論對pd很大時(shí)放電現(xiàn)象的解釋流注理論能夠說明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：放電時(shí)間二次崩的起始電子是光子形成的，而光子以光速傳播，所以流注發(fā)展非?？臁７烹娡庑味伪赖陌l(fā)展具有不同的方位，所以流注的推進(jìn)不可能均勻，而且具有分支。陰極材料大氣條件下的氣體放電不依賴陰極表面電離，而是靠空間光電離產(chǎn)生電子維持，因此與陰極材料無關(guān)。第二節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程小結(jié)湯遜理論適用于

均勻電場、低氣壓、短間隙（pd值較?。怏w的擊穿；流注理論適用于均勻電場、大氣壓、長空氣間隙（pd值較大）氣體的擊穿。以pd=26.66kPa·cm作為分界參考；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。(1)湯遜理論的基本觀點(diǎn)：電子碰撞電離是氣體放電時(shí)電流倍增的主要過程，而陰極表面的電子發(fā)射是維持放電的必要條件。(2)流注理論的基本觀點(diǎn)：以湯遜理論的碰撞電離為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)空間電荷對電場的畸變作用，著重于用氣體空間光電離來解釋氣體放電通道的發(fā)展過程；放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過程，當(dāng)初始電子崩中離子數(shù)達(dá)108以上時(shí)，引起空間光電離質(zhì)變，電子崩匯合成流注；流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持。本節(jié)重點(diǎn)湯遜放電理論和流注理論的適用范圍；湯遜理論描述的電子崩發(fā)展過程；電子碰撞游離系數(shù)α；湯遜理論的自持放電條件及其物理解釋；巴申定律及其在實(shí)際中的應(yīng)用；流注理論與湯遜理論在考慮放電發(fā)展因素上的不同；流注及其放電的發(fā)展過程；流注及自持放電的形成條件。習(xí)題1、簡要論述湯遜理論。2、湯遜理論和流注理論對氣體放電過程和自持放電條件的觀點(diǎn)有和不同？第三節(jié)不均勻電場中的放電過程1、稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特征2、電暈放電3、極性效應(yīng)4、長氣隙放電

電力系統(tǒng)中大多數(shù)的帶電設(shè)備都處在長間隙不均勻電場中，如，變壓器高壓套管引出線對低壓套管及殼；高壓輸電線對地；實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)變壓器高壓端對墻等。那么，關(guān)于長間隙不均勻電場氣體放電的物理過程又是如何發(fā)展的呢？一、稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特征電場如何區(qū)分均勻電場放電達(dá)到自持，間隙即被擊穿，擊穿前看不到放電跡象稍不均勻電場

與均勻電場相似極不均勻電場場強(qiáng)高的空間先發(fā)生電暈放電2、電暈放電

定義：電場極不均勻時(shí)，在小曲率半徑電極附近很薄一層氣體中具備自持放電條件，放電僅局限在小曲率半徑電極周圍很小范圍內(nèi)，而整個(gè)氣隙尚未擊穿。電暈放電也就是局部流注。

特點(diǎn)：極不均勻電場氣隙擊穿過程的第一階段。極不均勻電場的自持放電現(xiàn)象，電暈起始電壓低于擊穿電壓，電場越不均勻其差值越大。（1）電暈放電的一般描述2、電暈放電電暈放電的現(xiàn)象薄薄的發(fā)光層；伴有“咝咝”放電聲；發(fā)出臭氧氣味。（1）電暈放電的一般描述由于影響因素多，常利用實(shí)驗(yàn)方法求取，再利用表面電場強(qiáng)度和所加電壓的關(guān)系推導(dǎo)出計(jì)算電暈起始場強(qiáng)Ec的經(jīng)驗(yàn)公式。以輸電線路導(dǎo)線為例：（皮克公式）（2）電暈起始電壓和電暈起始場強(qiáng)

在雨、雪、霧天氣時(shí)，導(dǎo)線表面會出現(xiàn)許多水滴，它們在強(qiáng)電場和重力的作用下，將克服本身的表面張力而被拉成錐形，從而使導(dǎo)線表面的電場發(fā)生變化，結(jié)果在較低的電壓和電場強(qiáng)度下就會出現(xiàn)電暈放電。（2）電暈起始電壓和電暈起始場強(qiáng)（3）電暈放電的利弊

弊：電暈放電引起的光、聲、熱等效應(yīng)使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，都會消耗一定的能量。電暈損耗是超高壓輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素，壞天氣時(shí)電暈損耗要比好天氣時(shí)大得多。

電暈放電中，由于電子崩和流注不斷消失和重新出現(xiàn)所造成的放電脈沖會產(chǎn)生高頻電磁波，從而對無線電和電視廣播產(chǎn)生干擾。

電暈放電還會產(chǎn)生可聞噪聲，并有可能超出環(huán)境保護(hù)所容許的標(biāo)準(zhǔn)。利：在輸電線上傳播的雷電電壓波因電暈放電而衰減其幅值和降低其波前陡度。操作過電壓的幅值也會受到電暈的抑制。電暈放電還在除塵器、靜電噴涂裝置、臭氧發(fā)生器等工業(yè)設(shè)施中得到廣泛應(yīng)用。（3）電暈放電的利弊

（4）防止和減輕電暈的方法根本的途徑是設(shè)法限制和降低導(dǎo)線的表面電場強(qiáng)度。可采用擴(kuò)徑導(dǎo)線和空心導(dǎo)線，更加合適的措施是采用分裂導(dǎo)線。分裂導(dǎo)線的電場強(qiáng)度與分導(dǎo)線的直徑和分導(dǎo)線間的距離d

有關(guān)。在某一最佳值d0

時(shí)最大電場強(qiáng)度會產(chǎn)生一極小值。330-750kV的超高壓線路，分裂數(shù)一般取2-4；1000kV及以上的特高壓線路分裂數(shù)就更多，例如取8或更大。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(shí)，這些分導(dǎo)線通常被布置在一個(gè)圓的內(nèi)接正多邊形頂點(diǎn)上。第三節(jié)不均勻電場中的放電過程3、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)。

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：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，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。

下面以典型的極不均勻電場--“棒-板”氣隙為例，從流注的概念出發(fā)，說明放電的：發(fā)展過程極性效應(yīng)

（1）正極性

空間電荷削弱了棒極附近的電場強(qiáng)度——阻止棒極附近流注形成使電暈起始電壓提高加強(qiáng)了正離子群外部空間的電場——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。

棒極為正極性時(shí)，不容易發(fā)生電暈放電，但是起暈后到完全擊穿電壓低。（2）負(fù)極性

空間電荷削弱了朝向板極方向的電場強(qiáng)度——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。加強(qiáng)了朝向棒極端的電場強(qiáng)度——促進(jìn)棒極附近流注形成使電暈起始電壓降低。

棒極為負(fù)極性時(shí)，容易發(fā)生電暈放電，但起暈后，受空間電荷影響，使完全擊穿電壓升高。在進(jìn)行外絕緣的沖擊高壓試驗(yàn)時(shí)往往加正極性沖擊電壓，因?yàn)檫@時(shí)電氣強(qiáng)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那半周內(nèi)。工程實(shí)際中，輸電線路外絕緣和高壓電器的外絕緣都屬于極不均勻電場分布，在交流電壓下的擊穿都發(fā)生在正半波。第三節(jié)不均勻電場中的放電過程4、長間隙放電流注往往不能一次貫穿整個(gè)氣隙，而出現(xiàn)逐級推進(jìn)的先導(dǎo)放電現(xiàn)象。流注發(fā)展到足夠長度后，會出現(xiàn)新的強(qiáng)電離過程，通道的電導(dǎo)大增，形成先導(dǎo)通道，引起新的流注，導(dǎo)致先導(dǎo)進(jìn)一步伸展。所加電壓達(dá)到或超過該氣隙的擊穿電壓時(shí)，先導(dǎo)貫通整個(gè)氣隙，使氣隙擊穿。熱電離在先導(dǎo)放電和主放電階段均有重要的作用。電暈放電先導(dǎo)放電主放電第三節(jié)不均勻電場中的放電過程本節(jié)重點(diǎn)稍不均勻電場和極不均勻電場的劃分；極不均勻電場的放電特征；電暈放電的概念和導(dǎo)線起暈場強(qiáng)的計(jì)算；極不均勻電場中的放電發(fā)展過程；極性定義和極性效應(yīng)。第四節(jié)放電時(shí)間和沖擊電壓下的氣隙擊穿1、放電時(shí)間2、沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化3、沖擊電壓下的氣隙擊穿特性1、放電時(shí)間足夠大的電場強(qiáng)度或足夠高的電壓；在氣隙中存在能引起電子崩并導(dǎo)致流注和主放電的有效電子；需要有一定的時(shí)間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿。第四節(jié)放電時(shí)間和沖擊電壓下的氣隙擊穿（1）氣隙擊穿必備條件（2）放電時(shí)間的組成放電的總時(shí)間tb

由三部分組成：

tb=tl+ts+tft1

—所加電壓從0上升到Us的時(shí)間；ts

—統(tǒng)計(jì)時(shí)延，指從tl

到氣隙中出現(xiàn)第一個(gè)有效電子；tf—放電形成時(shí)延，從出現(xiàn)有效電子到最終擊穿。tst1tftlagtbUutUS

tlag=ts+tftlag——放電時(shí)延U越高，放電過程發(fā)展越快，tb和tlag越短Us--間隙在工頻或直流電壓作用下的擊穿電壓稱為靜態(tài)擊穿電壓1、放電時(shí)間2、沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化（1）標(biāo)準(zhǔn)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。100’T1T2

u/Umt國際電工委員會(IEC)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：T1=1.2μs，容許偏差±30%；T2=50μs，容許偏差±20%；通常寫成1.2/50μs，可在前面加上正、負(fù)號表示極性。（2）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)后出現(xiàn)的截尾沖擊波。國際電工委員會(IEC)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：T1=1.2μs，容許偏差±30%；Tc=2～5μs，容許偏差±20%；通常寫成1.2/2～5μs，可在前面加上正、負(fù)號表示極性。0.900.31

u/Um0’T1Tct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。波前時(shí)間Tcr=250μs,容許偏差±20%；半峰值時(shí)間T2=2500μs,容許偏差±60%?？蓪懗?50/2500μs沖擊波。0.510

u/UmTcrT2t（3）標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波還建議采用一種衰減振蕩波。u0UmTcrtTcr=1000～

1500us衰減振蕩波，第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間在2000～3000μs之間，極性相反的第二個(gè)半波的峰值約為第一個(gè)半波峰值的80%（3）標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波第四節(jié)沖擊電壓下的氣隙擊穿3、沖擊電壓下的氣隙擊穿特性（1）50%沖擊擊穿電壓工程實(shí)際中廣泛采用擊穿概率百分比為50%時(shí)的電壓U50%來表征氣隙的沖擊擊穿特性。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(shí)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，其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取3%。同一波形，不同幅值的沖擊電壓作用下，空氣間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時(shí)間的關(guān)系曲線。伏秒特性的制訂方法：3、沖擊電壓下的氣隙擊穿特性（2）伏秒特性保持沖擊電壓的波形不變（例如1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓），改變沖擊電壓幅值；當(dāng)作用電壓幅值不很高時(shí)，放電所需時(shí)間較長，放電發(fā)生在波尾；如曲線１；當(dāng)作用電壓幅值較高時(shí)，放電所需時(shí)間較短，放電發(fā)生在波前或波幅處，如曲線2、3。把這種作用在間隙上的電壓最大值與放電時(shí)間的關(guān)系曲線，稱為絕緣的伏秒特性。（即，圖中1、2、3點(diǎn)所連的光滑曲線）u0t123t1t2t3U50%u0t231實(shí)際上伏秒特性具有統(tǒng)計(jì)分散性，是一個(gè)以上下包線為界的帶狀區(qū)域，為了方便的解決工程實(shí)際問題，通常采用將平均放電時(shí)間各點(diǎn)相連所得的平均伏秒特性或50%伏秒特性曲線來表征一個(gè)氣隙的沖擊擊穿電壓。電場均勻程度對曲線的影響不均勻電場由于平均擊穿電場強(qiáng)度較低,而且流注總是從強(qiáng)場區(qū)向弱場區(qū)發(fā)展,放電速度受到電場分布的影響,所以放電時(shí)延長,分散性大,其伏秒特性曲線在放電時(shí)間還相當(dāng)大時(shí),便隨時(shí)間之減小而明顯地上翹,曲線比較陡.均勻或稍不均勻電場則相反,由于擊穿時(shí)平均場強(qiáng)較高,流注發(fā)展較快,放電時(shí)延較短,其伏秒特性曲線較平坦.實(shí)際意義為了使被保護(hù)設(shè)備得到可靠的保護(hù),被保護(hù)設(shè)備絕緣的伏秒特性曲線的下包線必須始終高于保護(hù)設(shè)備的伏秒特性曲線的上包線.（2）伏秒特性本節(jié)重點(diǎn)放電時(shí)間的組成為：tb=tl+ts+tf，放電時(shí)間和放電時(shí)延的概念；雷電、雷電截波、操作波標(biāo)準(zhǔn)波形；50％沖擊擊穿電壓；伏秒特性的定義、求取伏秒特性的方法和伏秒特性的配合。第五節(jié)沿面放電和污閃事故1、沿面放電的一般概念2、沿面放電的類型與特點(diǎn)3、沿面放電電壓的影響因素和提高方法4、固體表面有水膜時(shí)的沿面放電5、絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電6、污閃事故的對策第五節(jié)沿面放電和污閃事故1、沿面放電的一般概念（1）沿面放電沿著固體介質(zhì)表面發(fā)展的氣體放電現(xiàn)象。

電力系統(tǒng)中絕緣子、套管等固體絕緣在機(jī)械上起固定作用，又在電氣上起絕緣作用，絕緣子和它所固定的帶電導(dǎo)體絕大部分處在空氣中，在絕緣子和空氣的分界面上有時(shí)會出現(xiàn)放電現(xiàn)象，即沿面放電。第五節(jié)沿面放電和污閃事故1、沿面放電的一般概念（2）閃絡(luò)若沿面放電發(fā)展到貫穿性的空氣擊穿，稱為閃絡(luò)。沿面閃絡(luò)電壓比氣體或固體單獨(dú)存在時(shí)的擊穿電壓都低。

電力設(shè)備的絕緣事故中很多是沿面放電造成的，因而，其絕緣狀況關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。第五節(jié)沿面放電和污閃事故2、沿面放電的類型與特點(diǎn)b)界面上垂直分量很弱的極不均勻電場c)界面上有強(qiáng)垂直分量的極不均勻電場a)均勻電場2、沿面放電的類型與特點(diǎn)（1）均勻和稍不均勻電場中的沿面放電放電發(fā)生在沿著固體介質(zhì)表面,且放電電壓比純空氣間隙的放電電壓要低很多。原因：E固體介質(zhì)與電極表面沒有完全密合而存在微小氣隙，或者介面有裂紋；介質(zhì)表面易吸收水分，形成一層很薄的膜，水膜中的離子在電場作用下向兩極移動，易在電極附近積聚電荷,使電場不均勻，介質(zhì)表面電阻不均勻和表面的粗糙不平也使電場分布不均勻。（2）極不均勻電場具有強(qiáng)垂直分量時(shí)的沿面放電電暈放電細(xì)線狀輝光放電滑閃放電閃絡(luò)局部溫升熱電離滑閃放電導(dǎo)桿法蘭（3）極不均