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1、绪绪 论论 各种高电压现象各种高电压现象 研究对象研究对象 中国电力系统电压等级划分中国电力系统电压等级划分 高电压技术在其它领域的应用高电压技术在其它领域的应用 课程相关信息课程相关信息第1页/共160页雷电雷电极光极光电离圈电离圈绝缘子闪络绝缘子闪络 电晕电晕电弧电弧各种高电压现象各种高电压现象第2页/共160页研究对象研究对象1.内容与范畴：高电压技术高电压技术主要研究高电主要研究高电压（强电场）下的各种电气设备物理问压（强电场）下的各种电气设备物理问题。它起源于题。它起源于2020世纪初期，由于大功率、世纪初期，由于大功率、远距离输电而发展形成的一门独立学科，远距离输电而发展形成的一门
2、独立学科，属于现代物理学中电学的一个分支。属于现代物理学中电学的一个分支。2.电气设备的绝缘：绝缘介质（固、液、气体）在电场作绝缘介质（固、液、气体）在电场作用下的电气物理性能和击穿的理论、规用下的电气物理性能和击穿的理论、规律。律。高压试验高压试验判断、监视绝缘质量的判断、监视绝缘质量的主要试验方法与试验原理。主要试验方法与试验原理。3.电力系统的过电压：过电压及其防护过电压及其防护过电压的成因与过电压的成因与限制措施限制措施。第3页/共160页 中国电力系统电压等级划分中国电力系统电压等级划分 高压（HV）：1kV220kV 10kV,20kV,35kV,110kV,220kV 超高压（E
3、HV）：3301000kV 330kV,500kV,750kV 特高压（UHV）：1000kV及以上交流系统直流系统 超高压（EHV）：500kV 666kV n 特高压（UHV）：800kV第4页/共160页高电压技术在其它领域的应用高电压技术在其它领域的应用医学：利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症；医学：利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症；农业：高压静电喷药，高电场诱发变异育种；农业：高压静电喷药，高电场诱发变异育种；环保：高压脉冲放电处理污水，电除尘技术；环保：高压脉冲放电处理污水，电除尘技术；军事：大功率脉冲技术，电磁干扰、电子对抗；军事：大功率脉冲技术，电磁干扰、电子对抗；其它：静电喷涂，高
4、压设备制造等。其它：静电喷涂，高压设备制造等。第5页/共160页课程相关信息课程相关信息参考书：参考书：u高电压绝缘技术，中国电力，严璋，朱德恒u电网过电压教程，中国电力，陈维贤u高电压试验技术，清华，张仁豫u高电压技术，中国电力，赵智大uHigh-Voltage Engineering，Pergamon Press,E.Kuffel(Canada),W.S.Zaengl,(Switzerland)学习方法：学习方法：理论联系实际考试：考试：20%（作业+实验）+80%（闭卷笔试）答疑安排：答疑安排：u时间：周四下午3:00-5:00u地点：教三楼一楼105室第6页/共160页第一篇第一篇 高
5、电压绝缘及实验高电压绝缘及实验第一章 电介质的极化、电导和损耗第二章 气体放电的物理过程第三章 气隙的电气强度第四章 固体液体和组合绝缘的电气强度第7页/共160页第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗 电介质有气体、固体、液体三种形态，电介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的。一切电介质在电场的作用下都会出现极化、电导和损耗等电气物理现象。电介质的电气特性分别用以下几个参数来表示：即介电常数r，电导率(或其倒数电阻率)，介质损耗角正切tg,击穿场强E，它们分别反映了电介质的极化、电导、损耗、抗电性能。第8页/共160页绝缘的作用：绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使其
6、没有电气的联系能保持不同的电位,又称为电介质.分类：气体绝缘材料：空气，SF6气体等固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等液体绝缘材料：变压器油混合绝缘：电缆，变压器等设备1.0 1.0 电力系统的绝缘材料电力系统的绝缘材料第9页/共160页1.1 1.1 电介质的极化电介质的极化 定义：电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹 性位移和偶极子的转向位移现象，称为电 介质的极化。效果：消弱外电场，使电介质的等值电容增大。物理量：介电常数 类型：电子位移极化；离子位移极化；转向极化；空间电荷极化。第10页/共160页电子位移极化电子位移极化 一切电介质都是由分子组成，分子又是由原子组成，每个原子都
7、是由带正电荷的原子核和围绕核带负电荷的电子云构成。当不存在外电场时，电子云的中心与原子核重合，此时电矩为零当外加一电场，在电场力的作用下发生电子位移极化当外电场消失时，原于核对电子云的引力又使二者重合，感应电矩也随之消失。电场中的所有电介质内都存在电子位移极化。qRRi-qOOE图1-1 1-1 电子位移极化第11页/共160页离子位移极化离子位移极化 在由离子结合成的电介质内，外电场的作用除促使各个离子内部产生电子位移极化外还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。图l-2表示氯化钠晶体的离子位移极化。图l-2 氯化钠晶体的离子位移极化 第12页/共160页转向极化转向极化 在
8、极性电介质中，即使没有外加电场，由于分子中正、负电荷的作用中心不重合。就单个分子而言，就已具有偶极矩，称为固有偶极矩。但由于分子不规则的热运动，使各分子偶极矩方向的排列没有秩序，因此，从宏观而言，对外并不呈现电矩。当有外电场时，由于电场力的作用，每个分子的固有偶极矩就有转向与外电场平行的趋势，其排列呈现行一定的秩序。但是受分子热运动的干扰，这种转向有秩序的排列。UU电极电介质E图l-3 偶极子的转向极化 第13页/共160页 空间电荷极化空间电荷极化 图1-4 双层电介质的夹层极化 G1G2 C1C2U 上述的三种极化是带电质点的弹性位移或转向形成的，而空间电荷极化的机理则与上述三种完全不同，
9、它是由带电质点(电子或正、负离子)的移动形成的。最明显的空间电荷极化是夹层极化。在实际的电气设备中，有不少多层电介质的例子，如电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器的绕组绝缘等，都是由多层电介质组成的。如图l-4l-4所示，各层介质的电容分别为C1C1和C2C2；各层介质的电导分别为G1G1和G2G2；直流电源电压为U U。为了说明的简便，全部参数均只标数值，略去单位。设C1=1C1=1，C2C22 2，G1=2G1=2，G2=1G2=1，U U3 3。第14页/共160页 当U作用在AB两端极扳上时，其瞬时电容上的电荷和电位分布，如图1-5(a)所示整个介质的等值电容为 。到达稳态时
10、，电容上的电荷和电位分布如图l-5(b)所示。整个介质的等值电容为 。分界面上堆积的电荷量为+4-1+3。图1-5 双层电介质的电荷与电位分布（a）暂态分布（b）稳态分布 空间电荷极化（续）空间电荷极化（续）第15页/共160页空间电荷极化的空间电荷极化的特点特点夹层的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值电容的增大。这就是夹层极化效应。夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的。高压绝缘介质的电导通常都是很小的，所以，这种极化过积将是很缓慢的。它的形成时间从几十分之一秒到几分钟甚至有长达几小时的。因此，这种性质的极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。该极化伴随着能量损耗。大电容设备进
11、行高压实验后应对设备绝缘进行较长时间放电。第16页/共160页电介质极化种类及比较电介质极化种类及比较极化类型产生场合所需时间能量损耗产生原因电子式极化任何电介质10-1410-15S无束缚电子运行轨道偏移离子式极化离子式结构电介质10-1210-13S几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质10-1010-2S有偶极子的定向排列夹层极化多层介质的交界面10-1S数小时有自由电荷的移动第17页/共160页1.2 1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数一.介电常数的物理意义在真空中，有关系式 式子中 E场强矢量 ；D电位移矢量，即电通量密度矢量 ，D与E同向，比例常数 为真空中的介电常数第1
12、8页/共160页 在介质中在介质中,D与与E同向，同向，为介质的相对介电常数，它是没有量纲和单为介质的相对介电常数，它是没有量纲和单位的纯数。位的纯数。介质的介电常数介质的介电常数 通常，通常，的量纲和单位与的量纲和单位与 相同相同二、气体介质的相对介电常数 一切气体的相对介电常数 都接近于1。任何气体的相对介电常数均随温度的升高而减小，随压力的增大而增大，但影响都很小。三、液体介质的相对介电常数三、液体介质的相对介电常数 1.中性液体电介质中性液体电介质：石油、苯、四氯化碳、硅油等均为中：石油、苯、四氯化碳、硅油等均为中性或弱极性液体介质其介电常数不大，其值在性或弱极性液体介质其介电常数不大
13、，其值在1.82.8范范围内。围内。第19页/共160页 2极性液体介质：极性液体介质：(1)这类介质通常介电常数都较大。但这类介质的缺点是在交变电场中这类介质通常介电常数都较大。但这类介质的缺点是在交变电场中的介质损较大，在高压绝缘中很少应用。的介质损较大，在高压绝缘中很少应用。(2)影响极性液体介质介电常数的主要因素：影响极性液体介质介电常数的主要因素：a.介电常数与温度的关系介电常数与温度的关系 b.介电常数与电场频率介电常数与电场频率 f 的关系的关系 四、固体电介质的介电常数 1.1.中性或弱极性固体电介质：中性或弱极性固体电介质：只具有电子式极化和离子式极化，其介电常数较小。只具有
14、电子式极化和离子式极化，其介电常数较小。介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近。介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近。2.2.极性固体电介质：极性固体电介质：介电常数都较大，一般为介电常数都较大，一般为3636，甚至更大。，甚至更大。这类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体所呈现的规律。这类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体所呈现的规律。电介质的介电常数电介质的介电常数(续续)第20页/共160页1.3 1.3 电介质的电导电介质的电导电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。一.表征电介质导电性能的物理量电导率 （或：电阻率 ）电导形式电导形式电导率
15、电导率金属导体金属导体（自由电子）电子电导（自由电子）电子电导 很大很大 气体气体 液体液体 固体固体自由电子、正离子、负离子自由电子、正离子、负离子杂质电导、自身离解杂质电导、自身离解 离子离子杂质、离子杂质、离子 电导电导 很小很小 很大很大 第21页/共160页二、影响介质电导的因素二、影响介质电导的因素(1)温度 式中 A、B常数；T绝对温度；电导率。温度升高时，液体介质的黏度降低，离子受电场力作用而移动时所受的阻力减小，离子的迁移率增大，使电导增大；另一方面，温度升高时，液体介质分子热离解度增加，这也使电导增大。所以在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须注意记录温度。(2)电场强度电场
16、强度第22页/共160页1.4 1.4 电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗一.电介质损耗的基本概念二.等效电路与相量图三.简化等效电路与损耗四.吸收电流与吸收曲线本节主要内容：本节主要内容：第23页/共160页 在电场的作用下，电介质由于电导引起的损在电场的作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化（如偶极子极化、夹层极化等）引耗和有损极化（如偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，总称为电介质的起的损耗，总称为电介质的损耗损耗。一一.电介质损耗的基本概念电介质损耗的基本概念第24页/共160页二二.等效电路与相量图等效电路与相量图R3C1R2C2 i=i1+i2+i3i1i2i3uU图中C1
17、代表介质的无损极化（电子式和离子式极化），C2 R2 代表各种有损极化，而R3则代表电导损耗。介质损耗角 为功率因数角 的余角，其正切 tg 又可称为介质损耗因数，常用百分数（%）来表示。另，tg同样随温度、频率的变化而变化。第25页/共160页三三.简化等效电路与损耗简化等效电路与损耗UUIRCPUI P=U I cos=U IR=U IC tg=U2 Cp tg 式中 电源角频率；功率因数角；介质损耗角。第26页/共160页 在等值电路上加上直流电压时，电介质中流过的将是电容电流 i1、吸收电流 i2 和传导电流 i3。三者随时间的变化如上右图。这三个电流分量加在一起，即得出总电流上右图中
18、的总电流 i,它表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间而变化的曲线，称为吸收曲线。四四.吸收电流与吸收曲线吸收电流与吸收曲线返回第27页/共160页第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第一节 气体中带电质点的产生和消失第二节 气体放电机理第三节 电晕放电第四节 不均匀电场气隙的击穿第五节 雷电放电第六节 气隙的沿面放电第28页/共160页2.1 2.1 气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失 一.带电质点在气体中的运动二.带电质点的产生三.带电质点的消失本节主要内容：第29页/共160页一一.带电质点在气体中的运动带电质点在气体中的运动1.自由行程长度 当气体
19、中存在电场时，其中的带电粒子将具有复杂的运动轨迹，它们一方面与中性的气体粒子（原子或分子）一样，进行着混乱热运动，另一方面又将沿着电场作定向漂移。各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞。一个质点在每两次碰撞之间自由通过的距离叫自由行程长度。实际的自由行程长度是随机量，并有很大的分散性。单位行程中的碰撞次数Z的倒数即为该粒子的平均自由行程长度。第30页/共160页2.带电粒子的迁移率 带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞，但在电场力的驱动下，仍将沿着电场方向漂移，其速度u u与场强E其比例系数k=u/Ek=u/E，称为迁移率，它表示该带电粒子单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。由
20、于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。3.扩散 气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关。在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程叫扩散。气压越低或温度越高，则扩散进行的越快。电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度也要比离子快得多。一一.带电质点在气体中的运动（续）带电质点在气体中的运动（续）第31页/共160页二二.带电质点的产生带电质点的产生 气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生电离(包括撞击电离，光电离、热电离等多种形式)；另一是
21、气体中的固体或液体金属发生表面电离。1.电离是气体放电的首要前提电离是气体放电的首要前提 电离电离产生带电离子的物理过程称为电离。产生带电离子的物理过程称为电离。激励激励在常态下，电子受外界因素影响由低能量级轨道上在常态下，电子受外界因素影响由低能量级轨道上跃迁到高能量级轨道的现象称为激励。跃迁到高能量级轨道的现象称为激励。第32页/共160页2.电离的几种形式电离的几种形式(1)光电离光电离频率为频率为的光子能量为的光子能量为 W=h 式中式中 h普郎克常数普郎克常数=发生空间光电离的条件为发生空间光电离的条件为 或者或者 式中式中 光的波长，光的波长，m；c光速光速 Wi 气体的电离能，气
22、体的电离能，eV。二二.带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）第33页/共160页(2)撞击电离撞击电离 主要是电子碰撞游离。原因：1.电子小，自由程长，可以加速到很大的速度。2.电子的质量小，可以加速到很大。产生条件:所以提高场强可以使碰撞电离加剧。（3）热电离 在常温下，气体分子发生热电离的概率极小。是气体在热状态下光电离和撞击电离的综合。二二.带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）第34页/共160页（4）表面电离 电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。主要发生在阴极，原因：阳极自由电子不会向气体中释放。主要有4种形式：1.正离子撞击阴极表面：通常正离子动能不大，可忽略，只有
23、在它的势能等于或大于阴极材料逸出功两倍时，才能引起阴极表面电离，这个条件可满足。2.光电子发射：高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。3.热电子发射：金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。4.强场发射（冷发射）：当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），也能时阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响；在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。二二.带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）第35页/共160页 当电子与气
24、体分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程成为附着。易于产生负离子的气体称为电负性气体。这个过程有时需要放出能量，有时需吸收能量。负离子的形成不会改变带电质点的数量，但却使自由电子数减少，因此对气体放电的发展起抑制作用。（或有助于提高气体的耐电强度）。如SF6气体对电子有很强的亲和性，因此具有高电气强度。（5）负离子的形成二二.带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）第36页/共160页三三.带电质点的消失带电质点的消失 气体中带电粒子的消失有可能下述几种情况：气体中带电粒子的消失有可能下述几种情况：(1)带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，带电粒子在
25、电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消消失于电极失于电极上而形成外电路中的电流；上而形成外电路中的电流；(2)带电粒子因带电粒子因扩散扩散现象而逸出气体放电空间。现象而逸出气体放电空间。(3)带电粒子的带电粒子的复合复合。气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能。气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，是与电离发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，是与电离相反的一种过程。相反的一种过程。第37页/共160页2.2 2.2 气体放电机理气体放电机理1电子崩电子崩2自持放电与非自持放电自持放电与非自持放电3放电发展过程与电场的关系放电发展过程与电场的关系4汤森德放电
26、理论汤森德放电理论5帕邢定律帕邢定律6流注放电理论流注放电理论第38页/共160页一一.电子崩电子崩 外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子，如果空间的电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生出更多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展,这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。第39页/共160页二二.自持放电与非自持放电自持放电与非自持放电 当场强小于某个临界值 时候，电子崩有赖于外界电离因素的原始电离才能持续和发展，如果外界电离因素消失，则这种电子崩也随之逐渐衰减以至消失，称这种放电
27、为非自持放电。当场强大于某个临界值 时，电子崩可以仅由电场的作用而自行维持和发展，不再依赖外界电离的因素，这种性质的放电称为自持放电。第40页/共160页(二)在很不均匀的电场中(以棒电极为例)(1)在电压比较低时,棒极附近场强可能已超过临界值,即发生自持放电,离棒端稍远处有电晕出现.(2)电压再升高时,若电极间距不大,则有可能从电晕放电直接转为整个间隙的火花击穿,若电极间隙较大,则从电晕到击穿之间还有刷状放电的过渡阶段.(3)电压再提高,刷形放电中的个别光束突发的前伸,形成明亮的火花通道到达对面电极,气隙被就击穿了.当电源功率足够时,火花击穿迅速的转变成电弧。(一)在大体均匀的电场中，各处场
28、强的差异不大,任意一处一旦形成自持放电,就会很快发展到整个间隙,气隙即被直接击穿.三三.放电发展过程与电场的关系放电发展过程与电场的关系第41页/共160页（三）电场不均匀系数Emax 最大电场强度Eav 平均电场强度。U 电极间的电压 d 极间距离 f 4 以上时明显地属于极不均匀电场，可分为棒-棒间隙和棒-板间隙，例如架空线的导线-导线，导线-大地。三三.放电发展过程与电场的关系（续）放电发展过程与电场的关系（续）第42页/共160页四四.汤森德气体放电理论汤森德气体放电理论1.适用条件适用条件 低气压、低气压、短间隙的电场中，即短间隙的电场中，即 2.理论要点理论要点 电子碰撞电离和正离
29、子撞击阴极产生的金属表面电离电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离是使带电质点激增是使带电质点激增,并导致击穿的主要因素。击穿电压大体并导致击穿的主要因素。击穿电压大体上是上是 的函数的函数.第43页/共160页(1)系数系数 ，表示一个电子由阴极到阳极每，表示一个电子由阴极到阳极每1cm路程中与气路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数体质点相碰撞所产生的自由电子数(平均值平均值)。(2)系数系数 ，表示一个正离子由阳极到阴极每，表示一个正离子由阳极到阴极每1cm路程中与路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数气体质点相碰撞所产生的自由电子数(平均值平均值)。(3)系数系数 ，表示一
30、个正离子撞击到阴极表面时使阴极逸出，表示一个正离子撞击到阴极表面时使阴极逸出的自由电子数的自由电子数(平均值）。平均值）。3.引用三个系数来定量的反映三种因素的作用四四.汤森德气体放电理论（续）汤森德气体放电理论（续）系数 和 与气体的性质、密度及该处的电场强度等因素有关。第44页/共160页 根据碰撞电离系数的定义，可得分离变数并积分，可得均匀电场，不随x 变化ddxxn0nna4.电子碰撞电离系数抵达阳极的电子数四四.汤森德气体放电理论（续）汤森德气体放电理论（续）第45页/共160页5.自持放电条件与表面电离系数 如果电压(电场强度）足够大，初始电子崩中的正离子能在阴极上产生出来的新电子
31、数等于或大于n0，那么即使除去外界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维持下去，这就变成了自持放电。在整个路程撞击出的正离子数为：令 表示一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数，则从金属表面电离出的电子数为：若该电子数大于等于起始电子数n0,那么放电可以自持，即自持放电条件为：四四.汤森德气体放电理论（续）汤森德气体放电理论（续）第46页/共160页 式（1-14）包含的物理意义为：一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正电子数为 ead-1,这批在阴极上造成的二次自由电子数应为(ead-1)，如果它等于1，就意味着那
32、个初试电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。物理物 理 意 义 在不均匀电场中，各点的电场强度E不同，所以各处的 值也不同，在这中条件下，上面的自持条件应改写成：实验表明正离子在返回阴极途中造成的碰撞电离作用极小，可以忽略不计。上述过程可以用图 2-1 中的图解加以概括，当自持放电条件得到满足时，就会形成图解闭环部分循环不息的状态，放电就能自己维持下去，而不再依赖外界电离因子的作用了。四四.汤森德气体放电理论（续）汤森德气体放电理论（续）第47页/共160页外界电离因子阴极表面电离气体空间电离气体中的自由电子在电场中加速碰撞电离电子崩（）过程 阴极表面二次发射 (过程）正离子图图 2-1
33、2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程低气压、短气隙情况下气体的放电过程 第三节 自持放电放电条件第48页/共160页五五.帕邢定律帕邢定律Ub(kV)图2-2 均匀电场中空气的帕邢曲线0.10.20.30.51 2 3 5 10 20 30 50 100 300 100050201010.3520.20.1 0.5330S第49页/共160页分析：1.当 不变的时候，提高气压或降低气压到真空都能提高气隙的击穿电压。2.当S不变的时候，气体的相对密度 增大或减小的时 候，击穿电压增大；3.在均匀的电场中，击穿电压 与气体的相对密度 、极间距离S的积有函数关系，只要 的乘积不变，也就不变。物
34、理解释：假设S S保持不变，当气体密度 增大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之间，电子积聚到足够动能的几率减小了，故 必然增大。反之，当减小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小 ，所以 也会增大。五五.帕邢定律（续）帕邢定律（续）第50页/共160页 在这两者之间，总有一个 值对造成撞击游离最有利，此时 最小同样，可假设 保持不变。S S值增大时，欲得一定的场强，电压必须增大。当S S值减到过小时，场强虽大增，但电于在走完全程中所遇到的撞击次数己减到很小，故要求外加电压增大，才能击穿。这两者之间，也总有一个S
35、S的值对造成撞击游离最有利，此时 最小。汤森德放电机理的不足汤森德放电机理的不足(1)只是在一定的范围内有效只是在一定的范围内有效(2)不均匀的电场中，该理论不适用。不均匀的电场中，该理论不适用。五五.帕邢定律（续）帕邢定律（续）第51页/共160页六六.流注理论流注理论(一)空间电荷对原有电场的影响 (二)空间光电离的作用 高电压技术面对的往往是高气压长气隙的情况。汤逊理论并不适用，应当用流注理论解释，适用条件为：流注理论也是以实验为基础的，影响因素主要有以下两方面：第52页/共160页 电子崩的头部集中着大部分的正离子和几乎全部电子。原有均匀场强在电子崩前方和尾部处都增强了，在这两个强场区
36、中间出现了一个电场强度很小但电子和正离子浓度却最大的区域，使此处产生强烈的复合并发射出许多光子，成为引发新的空间光电离的辐射源。x(a)(b)EE0dE0 (一一)空间电荷对原有电场的影响空间电荷对原有电场的影响第53页/共160页 上面所说的辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离。如果光子位于强场区，二次电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展，或汇入崩尾。这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流注。(二二)空间光电离的作用空间光电离的作用 图2-3 流注形成过程(a)(b)(c)第54页/共160页 流注的特点：电离强度很大，传播
37、速度很快（超过初崩发展速度10倍以上）。出现流注后放电便获得独立继续发展的能力，而不在依赖外界电离因子的作用可见出现流注的条件也就是自持放电条件。初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值，对于均匀电场自持放电条件应为：或 (三三)流注的特点流注的特点第55页/共160页2.3 2.3 电晕放电电晕放电一.基本物理过程在极不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大，以至当外加电压及其平均场强还较低的时候，电极曲率半径较小处附近的局部场强已很大。在这局部强场区中，产生强烈的游离，但由于离电极稍远处场强已大为减小，所以，此游离区不可能扩展到很大，只能局限在此电极附近的强场范围内。拌随着游离而存在的复合和反
38、激励，发出大量的光辐射，使在黑暗中可以看到在该电极附近空间发出蓝色的晕光，这就是电晕。第56页/共160页1.外观特征：外观特征：电极附近空间发出蓝色的晕光电极附近空间发出蓝色的晕光电晕。电晕。2.外加电压增大，电晕区也随之扩大，放电电流也增大（由外加电压增大，电晕区也随之扩大，放电电流也增大（由微安级到毫安级），但气隙总的来看，微安级到毫安级），但气隙总的来看，还保持着绝缘状还保持着绝缘状态，还没有被击穿态，还没有被击穿。3.电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。它可以是极不均匀电场气隙击穿的第一个阶段，也可以它可以是极不均匀电场气隙
39、击穿的第一个阶段，也可以是长期存在的稳定的放电形式，它与其他的形式的放电是长期存在的稳定的放电形式，它与其他的形式的放电有着本质的区别。有着本质的区别。2.3 2.3 电晕放电（续）电晕放电（续）第57页/共160页1.1.伴随着游离、复合、激励、反激励等过程而有声、光、热等效应，会伴随着游离、复合、激励、反激励等过程而有声、光、热等效应，会有有能量损耗能量损耗。2.2.在尖端或电极的某些突出处，电子和离子在局部强场的驱动下高速运在尖端或电极的某些突出处，电子和离子在局部强场的驱动下高速运动，与气体分子交换动量，形成动，与气体分子交换动量，形成“电风电风”。当电极固定得刚性不够时，。当电极固定
40、得刚性不够时，气体对气体对“电风电风”的反作用力会的反作用力会使电晕极振动或转动。使电晕极振动或转动。3.3.电晕会产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波，这会造成电晕会产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波，这会造成对无线电的干扰对无线电的干扰。4.4.电晕产生的化学反映产物电晕产生的化学反映产物具有强烈的氧化和腐蚀作用具有强烈的氧化和腐蚀作用，所以，电晕是，所以，电晕是促使有机绝缘老化的重要因素。促使有机绝缘老化的重要因素。5.5.电晕还可能电晕还可能产生超过环保标准的噪声产生超过环保标准的噪声，对人们会造成生理、心理的，对人们会造成生理、心理的影响。影响。二.电晕放电效应2.3
41、2.3 电晕放电（续）电晕放电（续）第58页/共160页三、消除电晕措施 最根本的途径就是设法限制和降低导线（导体）的表面电场强度。1.采用分裂导线，使等值曲率半径增大。2.改进电极的形状，增大电极的曲率半径，使表面光滑。四、电晕效应有利的方面1.电晕可削弱输电线上雷电冲击或操作冲击波的幅值和陡度；2.利用电晕放电来改善电场分布；3.利用电晕原理制造除尘器、静电涂喷装置、臭氧发生器等。2.3 2.3 电晕放电（续）电晕放电（续）第59页/共160页2.4 2.4 不均匀电场气隙的击穿不均匀电场气隙的击穿 极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应。在两个电极几何形状不同的场合极性取决于曲率半径较小
42、的那个电极的电位符号，几何形状相同则取决于不接地的那个电极上的电位符号。下面以最不均匀的“棒板”气隙为例，从流注理论的概念出发，说明放电发展过程的极性效应。第60页/共160页E0(c)Ecom=E0+EqE0EEqx(a)(b)棒极带正电位时，棒极附近强场区域的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子，这些空间电荷削弱的棒极附近的电场强度，加强了正离子群外部空间的电场。因此随着电压提高电晕的扩展，强场区也将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的直至气隙被击穿。短气隙的击穿：正极性短气隙的击穿：正极性第61页/共160页Ecom=E0+Eq+Eq-(c)E0EEq+x(a)(b)Eq-E0
43、棒极带负电位时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，留在棒极附近的也是大批正离子，它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间电场，电晕区不易向外扩展，整个气隙的击穿是不顺利的，气隙的击穿电压要比正极性 时高很多，完成击穿所需时间也比正极性时间长得多。短气隙的击穿：负极性短气隙的击穿：负极性第62页/共160页（1）结结 论论（2）第63页/共160页 气隙较长时，流注往往不能一次贯穿整个气隙，而出现逐级推进的先导放电现象。长间隙的放电过程：电晕放电先导放电主放电整个气隙被击穿。电离形式：热电离 雷电放电是自然界的超长间隙放电，其先导过程和主放电过程发展的最充分。二二.长气隙的击穿长气隙的击穿第64
44、页/共160页 2.6 2.6 沿面放电和污闪事故沿面放电和污闪事故一.沿面放电的一般概念二.沿面放电的类型三.沿面放电电压低的原因四.支柱绝缘子的沿面闪络过程五.固体表面有水膜时的沿面放电六.绝缘子污染状态下的沿面放电七.污闪事故的对策第65页/共160页 一切导体都要靠固体绝缘装置（各类绝缘子）固定，这些固体绝缘装置还起着电气绝缘的作用。它们丧失绝缘功能有两种可能，：一是固体介质本身的击穿。二是沿着固体介质表面发生闪络。电力系统的外绝缘一般都是自恢复绝缘，绝缘子闪络或空气间隙击穿后，它们的绝缘性能很快自动恢复。实验表明：沿固体表面的闪络电压不但比固体介质本身的击穿电压低得多，而且也比极间距
45、离相同的纯气隙的击穿电压低不少。可见一个固体绝缘装置的实际耐压能力取决与沿面闪络电压。在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平时，沿面闪络电压其者决定性作用。在表面潮湿污染的情况下，沿面闪络电压会更低。一一.沿面放电的一般概念沿面放电的一般概念第66页/共160页 （1）固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，这种情况在工程中比较少见，但实际结构中会遇到固体处于稍不均匀电场中、且界面与电力线大致平行的情况。此时的沿面放电特性与均匀电场的情况有些相似。E 固体介质与气体介质交界面上的电场分布状况对沿面放电特性有很大影响。界面电场分布可分为典型三种情况。二二.沿面放电的类型沿面放电的类型第67页
46、/共160页 （2）固体介质处于极不均匀电场中，且界面电场的垂直分量 En 比平行于表面的切线分量 Et 大得多。如右上图。EtEnE （3）固体介质处于极不均匀电场中，但大部分分界面上的电场切线分量 Et 大于垂直分量 En 。右下图。EtEnE 二二.沿面放电的类型（续）沿面放电的类型（续）第68页/共160页 （1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。小气隙中的电场强度很大，首先发生放电，所产生的带电粒子眼固体介质表面移动，畸变了原有电场。（2）大气的湿度影响。大气中的潮气吸附在固体介质表面形成水膜，其中的离子受电场的驱动而沿着介质表面移动，降低了闪络电压。与固体介质吸附水分的性能也
47、有关。（3）固体介质表面电阻的不均匀和表面的粗糙不平也会造成沿面电场畸变。三三.沿面放电电压低的原因沿面放电电压低的原因第69页/共160页 在电压还不高时，如右 a 图法兰附近先出现电晕放电；随着电压升高放电区变成许多平行的火花细线组成的光带（b 图），成为滑闪放电；当电压超过某一临界值后个别细线突然迅速增长，转为分叉的树枝状明亮火花通道，成为火花放电，如 c 图所示；电压再升高一些火花就到达另一电极，完成表面气体的完全击穿，称为沿面闪络或简称“闪络”。导杆法兰四四.支柱绝缘子的沿面闪络过程支柱绝缘子的沿面闪络过程 a图 b图 c图第70页/共160页五五.固体表面有水膜时的沿面放电固体表面
48、有水膜时的沿面放电概念：ABCAB湿闪电压：洁净的瓷表面被雨水淋湿时的沿面放电电压称为湿闪电压。污闪电压：绝缘子表面有湿污层时的闪络电压称为污闪电压。部分淋湿，绝缘子表面的水膜是不连续的（AB湿，BCA干）有水膜覆盖的表面电导大，无水膜处的表面电导小。大多数外加电压将由干表面（图中的BCA）段来承受。或者空气间隙BA先击穿或者干表面BCA先闪落，但结果都是形成ABA电弧放电通道闪络。如雨量特别大时，伞间（BB）被雨水短接构成电弧通道闪络。沿湿表面AB和干表面BCA发展沿湿表面AB和空气间隙BA发展沿湿表面AB和水流BB发展1)湿闪只有干闪电压的湿闪只有干闪电压的40%50%，还受雨水电导率，还
49、受雨水电导率的影响。的影响。2)绝缘子的湿闪电压不会降低太多。绝缘子的湿闪电压不会降低太多。3)湿闪电压将降低到很低的数值。湿闪电压将降低到很低的数值。在设计时对各级电压的绝缘子应有的伞在设计时对各级电压的绝缘子应有的伞裙数、伞的倾角、伞裙直径应仔细考裙数、伞的倾角、伞裙直径应仔细考虑、合理选择。虑、合理选择。第71页/共160页 绝缘子污染通常可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展等四个阶段。采取措施抑制或阻止其中任何一个阶段的完成就能防止污闪事故的发生。六六.绝缘子污染状态下的沿面放电绝缘子污染状态下的沿面放电积污：气候条件：包括雨、露、霜、雪、风等环境作用：和工业粉尘、废气、自
50、然盐碱、灰尘、鸟粪等污秽外绝缘被污染的过程一般是渐进的。染污绝缘子表面上的污层在干燥状态下一般不导电。污层湿润：遇到雨、雾、露等不利天气时，污层被湿润，电导增大，在工作电压下的泄漏电流大增。干区形成：电流所产生的焦耳热，既可能使污层电导增大，又可能使水分蒸发、污层变干而减小其电导。电场畸变：干区的电阻比其余湿区的电阻大的多。整个绝缘子上的电压都集中到干区上，一般干区宽度不大，所以电场强度很大。局部电弧：如果电场强度已足已引起表面空气的电离，开始出现电晕放电或辉光放电，由于此时泄漏电流较大，电晕或辉光放电很容易转为绝缘子局部表面的有明亮通道的电弧。第72页/共160页击穿：随着干区的扩大，电弧被