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1、气体电介质的击穿特性第1页，本讲稿共36页不均匀电场中气体的击穿过程持续电压作用下的击穿电压雷电冲击电压下空气的击穿电压引入新课操作冲击电压下空气的击穿电压提高气体间隙击穿场强的方法 沿面放电 2023/2/72第2页，本讲稿共36页u电晕放电u极性效应u先导 主放电u雷击冲击电压的波形u伏秒特性u流注的形成和发展u沿面放电知识点2023/2/73第3页，本讲稿共36页电晕放电1电晕的产生极不均匀电场中，间隙中的最大场强比平均场强大得多。外加电压比较低的时候，曲率大（曲率半径较小）的电极附近电场强度已足够大可引起强烈的游离，在这局部的强场区形成放电。这种仅仅发生在强场区的局部放电称为电晕放电。
2、电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式。电晕放电的现象l薄薄的发光层；l伴有“咝咝”放电声；l发出臭氧气味。第4页，本讲稿共36页起始电压起始电压起始场强起始场强开始出现电晕时的电压开始出现电晕时的电压开始出现电晕时电极表面的场强开始出现电晕时电极表面的场强2023/2/75第5页，本讲稿共36页 输电线路的电晕起始场强与导线半径及空气密度有输电线路的电晕起始场强与导线半径及空气密度有关，一般用经验公式来推算，应用最广的是皮克公式：关，一般用经验公式来推算，应用最广的是皮克公式：m m：导线表面粗糙系数与气象系数的乘积：导线表面粗糙系数与气象系数的乘积;:空气相对密度；空气相对密度；r:r:
3、导线半径（导线半径（cmcm）2023/2/76第6页，本讲稿共36页3、电晕放电的效应（1）电晕电流具有高频脉冲性质，对无线电通讯产生干扰。（2）电晕使空气发生化学反应，产生O3、NO、NO2。（3）产生能量损耗。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。对于500750kV的超高压输电线路，在天气好时电晕损耗一般不超 过几个W/km，而在坏天气时，可以达到100 W/km以上。因此在设计超高压线路时，需要根据不同天气条件下电晕损耗的实测数据和线路参数，以及沿线路各种气象条件的出现概率等对线路的电晕损耗进行估算降低电晕的方法：从根本上设法限制和降低导线
4、的表面电场强度。2023/2/77第7页，本讲稿共36页在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。对于电极形状不对称的不均匀电场气隙，如棒板间隙，棒电极的极性不同时，间隙的起晕电压和击穿电压的大小也不同。这种现象称为极性效应。原因：棒电极的极性不同时，间隙中的空间电荷对外电场的畸变作用不同。2023/2/78第8页，本讲稿共36页正棒负板间隙p当电子崩发展到棒极时，电子进入棒极中和。正离子留在棒极附近以较慢速度向板极运动，正空间电荷使紧贴棒极附近的电场减弱，不易形成流注，放电难以自持，故起晕电压高。而正空间电荷加强了朝向板极的电场，有利于流注向板发展，故击穿
5、电压较低。2023/2/79第9页，本讲稿共36页负棒正板p阴极表面游离产生的电子通过强场区形成电子崩，电子向板极运动进入弱场区后不再引起游离，并大多形成负离子。因其浓度小，对电场影响小。正空间电荷加强了棒极附近的电场，易形成自持放电，故起晕电压低。朝向板极方向的电场被减弱，流注不易发展，故击穿电压较高。2023/2/710第10页，本讲稿共36页短间隙不均匀电场中的放电过程指间隙距离不超过1m的间隙，以棒板间隙为例。由于正流注所形成的空间电荷总是加强流注通道头部前方的电场，所以正流注的发展是连续的，速度很快。棒极为负时流注的发展实际上是阶段式的，其平均速度比正棒极流注小得多，击穿同一间隙所需
6、的外电压要高得多。2023/2/711第11页，本讲稿共36页2023/2/712第12页，本讲稿共36页长间隙不均匀电场中的放电过程（d1m时）1.先导放电阶段 具有热游离过程的通道称为先导通道。2.主放电阶段 温度更高、电导更大，轴向电场更小的等离子体火花通道。此时，间隙接近于短路状态，气隙完全丧失了绝缘性能。2023/2/713第13页，本讲稿共36页结论：a、长间隙的放电通常分为电子崩、流注、先导放电和主放电四个阶段。b、短间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注和主放电三个阶段。c、长间隙放电时，炽热的导电通道是在放电发展的过程中建立的，而不是在整个间隙被流注通道贯穿后建立的，
7、先导过程与主放电过程就发展得越充分，所以长间隙的平均击穿场强远小于短间隙的平均击穿场强。2023/2/714第14页，本讲稿共36页持续电压作用下空气的击穿电压 空气间隙的击穿场强主要取决于外加电压的种类、电场的均匀程度及气体的状态。电力工程中的空气间隙一般会受到三种电压的作用：持续电压、雷电冲击电压、操作冲击电压 持续电压作用下间隙的击穿电压与放电发展的时间无关，在电场形式、气体的状态等其他条件不变的情况下，只取决于间隙的距离2023/2/715第15页，本讲稿共36页特点：电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相比极小，特点：电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相比极小，故放电发展所需的时间
8、可以忽略不计，只要作用于间隙的故放电发展所需的时间可以忽略不计，只要作用于间隙的电压达到击穿电压，间隙就会发生击穿。电压达到击穿电压，间隙就会发生击穿。直流电压：直流中所含脉动分类的脉动系数（脉动幅值与直直流电压：直流中所含脉动分类的脉动系数（脉动幅值与直流电压的平均值之比）不大于流电压的平均值之比）不大于3%。直流电压的大型指直流电压。直流电压的大型指直流电压的平均值。的平均值。持续电压指直流电压或工频交流电压交流电压：波形接近正弦波，正、负两半波相同，峰值与有效值之交流电压：波形接近正弦波，正、负两半波相同，峰值与有效值之比为比为 ，偏差不超过，偏差不超过 。2023/2/716第16页，
9、本讲稿共36页一、均匀电场中的击穿电压1.因电场对称，所以击穿电压无极性效应。2.因击穿前间隙各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电电压等于击穿电压。3.不论何种电压（直流、交流、正负50%冲击电压）作用，其击穿电压（峰值）都相同，且分散性很小。在标准大气条件下（d为1cm左右时)，均匀电场中空气的电气强度约为30kV/cm（峰值）。2023/2/717第17页，本讲稿共36页二、稍不均匀电场中的击穿电压 稍不均匀电场中各处的场强差异不大，间隙中任何一处若出现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。所以对于稍不均匀电场，任何一处自持放电的条件，就是整个间隙击穿的条件。1.电场不对称时，击穿电压
10、有弱极性效应。2.击穿前有电晕发生，但不稳定，一旦出现电晕，立即导致整个间隙击穿。3.间隙距离一般不很大，放电发展所需时间短。直流击穿电压、交流击穿电压、正负50%冲击击穿电压几乎一致，且分散性不大。不均匀系数：间隙中的最大场强与平均场强之比，稍不均匀电场 棒棒 正棒负板（2）工频电压下（有极性效应）图2-14 (d2cm,击穿电压具有“饱和现象,导致间隙距离增大的同时其平均击穿场强却随之降低，这对输电电压等级的提高不利，棒板：d1m，5 kV/cm dlm，2 kV/cm2023/2/722第22页，本讲稿共36页均匀电场的击穿特点 击穿前无电晕、无极性效应、各种电压作用时其击穿电压（峰值）
11、都相同。稍不均匀电场的击穿特点 击穿前无稳定电晕、极性效应不明显、各种电压作用时其击穿电压（峰值）几乎一致。极不均匀电场的击穿特点 击穿前有稳定电晕、有明显的极性效应、外加电压波形对击穿电压影响很大。第23页，本讲稿共36页阴极表面游离系数：表示一个正离子撞击阴极表表示一个正离子撞击阴极表面时使阴极平均逸出的自由电子数面时使阴极平均逸出的自由电子数。到达阴极的正离子数到达阴极的正离子数从阴极电离出的电子数从阴极电离出的电子数物理意义：一个从阴极出发的起始电子发展电子崩并到达阳极后，崩中的 个正离子移向阴极和阴极碰撞时，只要至少能从阴极撞击出一个自由电子来，放电即可转入自持。2023/2/724
12、第24页，本讲稿共36页放电由非自持转入自持的条件为放电由非自持转入自持的条件为 2023/2/725第25页，本讲稿共36页巴申定律：（适用于d0.26cm时的放电过程)n在高气压长间隙条件下的气体放电理论在高气压长间隙条件下的气体放电理论n 特特点点：认认为为电电子子碰碰撞撞电电离离及及空空间间光光电电离离是是维维持持自自持持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用 n电子崩阶段电子崩阶段 空间电荷畸变外电场空间电荷畸变外电场 n流注阶段 光电离形成二次电子崩光电离形成二次电子崩2023/2/728第28页，本讲稿共36页（1）电子崩阶段
13、（a）初始电子崩阳极侧电子崩数目多正空间电荷加强了原电场，同时向周围放射出大量光子 2023/2/729第29页，本讲稿共36页（b）二次电子崩n光光子子使使附附近近的的气气体体因因光光电电离离而而产产生生二次电子二次电子n它它们们在在由由正正空空间间电电荷荷所所引引起起的的畸畸变变和和加加强强了了的的局局部部电电场场作作用用下下，又又形形成成新新的的电电子子崩崩，即即二二次电子崩次电子崩2023/2/730第30页，本讲稿共36页（2）流注的形成和发展n二次电子崩中的电子初始电子崩的正空间电荷混合通道（流注）。流注通道和二次崩留下的正电荷，大大加强了流注发展方向的电场，产生新电子崩，从而使流
14、注向前发展2023/2/731第31页，本讲稿共36页（3）间隙的击穿n流流注注不不断断向向阴阴极极报报进进，头头部部电电场场越越来来越越强强，因因而而其其发发展展也也越越快快n流流注注发发展展到到阴阴极极，间间隙隙被被导导电电良良好好的的等等离离子子通通道道所所贯贯通通间隙击穿间隙击穿 2023/2/732第32页，本讲稿共36页在电离室中得到的初始电子崩照片图a和图b的时间间隔为110-7秒p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/厘米初始电子崩转变为流注瞬间照片p273毫米汞柱E=12千伏/厘米电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s2023/2/733第33页，本讲稿共36页在电
15、离室中得到的阳极流注发展过段的照片在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片正流注的发展速度约为正流注的发展速度约为1 108 2 108cm/s2023/2/734第34页，本讲稿共36页自持放电条件形成流注形成流注空间光电离维持放电（空间光电离维持放电（自持放电自持放电）如如果果电电场场均均匀匀，间间隙隙就就将将被被击击穿穿。所所以以流流注注形形成成的的条条件件就就是是自自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。流流注注形形成成的的条条件件：足足够够的的空空间间光光游游离离较较多多的的初初始始电电子子崩崩（电子崩积累到一定的数量）（电子崩积累
16、到一定的数量）2023/2/735第35页，本讲稿共36页（二）流注理论对高气压、长间隙（pd很大）放电现象的解释 1放电外形放电外形 具有通道形式具有通道形式 流注前方随着其向前发展而更为增强流注前方随着其向前发展而更为增强多流注之间互相抑制发展多流注之间互相抑制发展二二次次电电子子崩崩在在空空间间的的形形成成和和发发展展带带有有统统计计性性，所所以以火火花花通通道道常常是是曲曲折折的的，并并带有分枝。带有分枝。电电子子崩崩则则不不然然，由由于于其其中中电电荷荷密密度度较较小小，故故电电场场强强度度还还很很大大，因因而而不不致致影影响响到邻近空间内的电场，所以不会影响其它电子崩的发展到邻近空
17、间内的电场，所以不会影响其它电子崩的发展2放放电电时时间间短短 二二次次电电子子崩崩由由光光电电离离形形成成，所所以以流流注注发发展展速速度度极极快快放放电电时时间特别短间特别短3放放电电不不受受阴阴极极材材料料的的影影响响 维维持持放放电电靠靠光光电电离离，而而不不是是阴阴极极表表面面的的电电离离过过程程，与与材材料料无无关关在在Pd值值较较小小时时，起起始始电电子子不不可可能能在在穿穿越越极极间间距距离离后后完完成成足足够够多多的的碰碰撞撞电电离离次次数数，因因而而难难以以聚聚积积到到足足够够的的电电子子数数，这这样样就就不不可可能能出出现现流流注注，放放电的自持只能依靠阴极上的电的自持只能依靠阴极上的过程。过程。2023/2/736第36页，本讲稿共36页