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1、1第第 1 1 1 1 章章气体的绝缘强度气体的绝缘强度 1.11.11.11.1气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程 1.1.11.1.11.1.11.1.1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 气体电介质的放电特性气体电介质的放电特性 绝缘介质：绝缘介质：气体、固体、液体及其复合介质 空气在强电场下放电特性：空气在强电场下放电特性： 气体在正常状态下是良好的绝缘体，在一个立方厘米体积内仅含几千个带 电粒子，但在高电压下，气体从少量电符会突然产生大量的电符，从而失去绝 缘能力而发生放电现象。气体由绝缘状态突变为良导电状态过程称为击穿。 放电形式：放电形式： 辉光放电、
2、火花放电、电弧放电 、电晕放电 产生带电质点途径：本身游离、金属表面游离 激励激励：当外界给予原子一定的能量使内层电子获得能量不能脱离原子核的束 缚，只能跃迁到标志着能量更高的、离原子核较远的轨道上去时，该原子就处 于激励状态，原子的位能也增加，这一过程叫激励。 激励能激励能：原子激励所需能量等于较远轨道与正常轨道的能级之差 游离游离：电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程 游离能游离能 ：若吸收的外界能量足够大，使得原子中一个或几个电子脱离原子核 的束缚而形成自由电子，中性原子失去电子成为正离子，该原子就被游离了。 这一过程称为原子的游离过程，所需能量称为游离能 。 电晕放电电晕放
3、电：在电场不均匀的情况下（导线或电极表面的）电场强度超过碰撞游 离阈值时发生的气体局部自持放电现象。因在黑暗中形同月晕而得名。 即局 部满足自持放电条件的现象。 气体电解质优点：气体电解质优点： 一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态，气体放电理论比液体 和固体的放电理论完整非自持放电非自持放电：完全消除外界的电离能量时，放电电流随之消失。 自持放电：自持放电：不管外界有没有电离能量，放电电流都持续的放电。 辉光放电的主要应用是利用其发光效应（如霓虹灯、日光灯）以及正常辉光放 电的稳压效应（如氖稳压管） 。 利用它的发光效应（如霓虹灯）和正常辉光放 电的稳压特性(如氖稳压管)。利用辉光放
4、电的正柱区产生激光的特性，制做氦 氖激光器。 当高压电源的功率不太大时，高压电极间的气体在强电场的作用下被击 穿，产生明亮、曲折、狭窄且有分叉的电火花，并伴随爆裂声，这种形式的自 激导电叫火花放电。火花放电的击穿电压与气体的性质和压强、电极的形状和 大小以及电极间距离等因素有关。雷电就是一种强大的火花放电现象 1 1 1 1气体中带电质点的产生气体中带电质点的产生 （1 1 1 1）碰撞游离）碰撞游离21 2imveExW=当带电质点具有的动能积累到一定数值后，在与气体原子（或分子）发生 碰撞时，可以使后者产生游离，分裂成正离子和电子，这种由碰撞而引起的游 离称为碰撞游离 当原子或分子有可能在
5、外界给予的能量小于电离能但大于激励能时发生的 激励称为分级电离 （2 2 2 2）光游离）光游离 由光辐射引起气体原子（或分子）的游离称为光游离 （3 3 3 3）热游离）热游离 因气体分子热运动状态引起的游离称为热游离。 其实质仍是碰撞游离和光游离，能量来源不同而已。 （4 4 4 4）表面游离）表面游离放在气体中的金属电极表面游离出自由电子的现象放在气体中的金属电极表面游离出自由电子的现象 逸出功：使电子从金属便面逸出所需要的功逸出功：使电子从金属便面逸出所需要的功 金属表面游离的途径金属表面游离的途径 （1）正离子撞击阴极（2）光电子发射iUxE条 件 ：2（3）强场发射（冷发射）（4）
6、热电子发射一些金属的逸出功（eV）金属逸出功铝1.8银3.1 铜3.9铁3.9 氧化铜5.3气体中负离子的产生气体中负离子的产生 电子与气体分子或原子碰撞时，不但有可能发生碰撞电离产生正离子和电 子，也有可能发生电子附着过程形成负离子。 与碰撞电离相反，电子附着过程放出能量。 负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用 电负性气体分子捕获电子的能力除与气体性质有关外，还与电子的动能有 关，电子速度高时不容易捕获，因此，电场强度很高时电子附着率很低。 2 2 2 2气体中带电质点的消失气体中带电质点的消失 （1 1 1 1）带电质点的扩散）带电质点的扩散 带电质点从浓度较大的区域向浓
7、度较小的区域的移动， 从而使浓度变得均 匀的过程， 称为带电质点的扩散。 电子由于体积小、 质量小， 其热运动速度高、 自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。 （2 2 2 2）带电质点的复合）带电质点的复合 带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过 程， 称为复合。带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出 来， 这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电 质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。 （3 3 3 3）带电质点在电场作用下定向运动）带电质点在电场作用下定向运动 1.1.21.1.21.1.21.1.2
8、汤逊理论和巴申定律汤逊理论和巴申定律 适用条件：均匀电场、低气压、短间隙适用条件：均匀电场、低气压、短间隙 oaoaoaoa段：随着电压升高，到达阳极的带电质点数量和速度也随之增大段：随着电压升高，到达阳极的带电质点数量和速度也随之增大 abababab段：电流不再随电压的增大而增大段：电流不再随电压的增大而增大bcbcbcbc 段：电流又再随电压的增大而增大段：电流又再随电压的增大而增大 c c c c 点：电流急剧突增点：电流急剧突增图图 1.11.11.11.1气体间隙放电实验原理图及其伏安特性气体间隙放电实验原理图及其伏安特性 (a)(a)(a)(a)实验原理图；实验原理图；(b)(b
9、)(b)(b)气隙中的伏安特性气隙中的伏安特性 外施电压小于U0 时的放电是非自持放电。电压到达U0 后，电流剧增， 间 隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。 电子崩：电子崩：在电场作用下电子从阴极向阳极推进而形成的一群电子电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数：代表一个电子沿电力线方向行经 1cm时平均发生 的碰撞电离次数。 公式推导省去 U0：放电的起始电压（气隙转入良好的导电状态，即气体发生击穿）3非自持放电：非自持放电： 去掉外界游离因素的作用后，放电随即停止外施电压4Ke4Ke4Ke4，极不均匀电场，极不均匀电场 （输电线） 1. 1. 1. 1.电晕放电电晕放电 电晕放
10、电： 在电场极不均匀时，随间隙上所加电压的升高，在大曲率电极附 近很薄一层空气中将具备自持放电条件， 放电仅局限在大曲率电极周围很小范 围内，而整个间隙尚未击穿，这种放电称为电晕放电 。 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 电晕起始电压开始出现电晕时的电压 电晕起始场强开始出现电晕时电极表面的场强 电晕放电的起晕场强（公式请自己填写）电晕放电的起晕场强（公式请自己填写）三相对称时，起晕场强三相对称时，起晕场强 电晕损耗功率计算电晕损耗功率计算 电晕放电的危害：电晕放电的危害： 1,能量损耗2 高频电磁波3 使空气发生化学反应 4 噪声污
11、染 电晕放电的对策： 1,改变电极形状，增加电极曲率半径2 采用分裂导线（220kV2 分裂或 不分裂，330kV2 分裂，500kV4 分裂，750kV6 分裂） 表 1.3 不必校验电晕的导线最小直径额定电压额定电压(kV)(kV)(kV)(kV)60606060 以下以下110110110110154154154154220220220220330330330330导线直径导线直径(mm)(mm)(mm)(mm)9.69.69.69.613.713.713.713.721.321.321.321.32 2 2 221.321.321.321.3maxaveEEk=42. 2. 2. 2.
12、极性效应极性效应 原则原则：决定极性要看表面场强较强的那个电极所具有的极性。 在两个电极 几何形状不同的场合(如棒.板间隙)，极性取决于大曲率的那个电极的极 性，而在两个电极几何形状相同的场合(如棒.棒间隙)，则极性取决 于不 接 地的那个电极的极性。 负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板电极高 ， 完成击穿时间比正极 性时间长。A A A A正棒正棒- - - -负板负板 a.由于捧极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离，使电晕放电难以形成，造成 电晕起始电压提高。 b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电场加强了朝向板极的电 场，有利于流注发展，故降低了击穿电压。 B B B B 负棒负
13、棒- - - -正板正板 a.捧附近正空间电荷产生附加电场加强了朝向棒端的电场强度，容易形成自持 放电，所以其电晕起始电压较低。 b.在间隙深处，正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，使放电的发展 比较困难，因而击穿电压较高。 结论：结论：在相同间隙下正捧正捧-负板负板负捧负捧-正板正板 电晕起始电压电晕起始电压高高低低间隙击穿电压间隙击穿电压低低高高 极不均匀电场的放电特点：极不均匀电场的放电特点： 气隙较小时，间隙放电大致可分为电子崩、流注和主放电阶段。 长间隙的放电则可分为电子崩、流注、先导和主放电阶段。间隙越长，先导过 程就发展得越充分。 1.1.51.1.51.1.51.1.5冲
14、击电压下气体间隙的击穿特性冲击电压下气体间隙的击穿特性 1. 1. 1. 1.标准波形标准波形 a. a. a. a.雷电冲击电压雷电冲击电压标准雷电波标准雷电波的波形： T1=1.230s，T2=5020s对于不同极性：+1.2/50s 或-1.2/50s图图 1.91.91.91.9标准雷电冲击电压全波及截波波形标准雷电冲击电压全波及截波波形 T1T1T1T1波前时间；波前时间；T2T2T2T2半峰值时间；半峰值时间；TcTcTcTc截波时间；截波时间；TjTjTjTj截波视在持续时间截波视在持续时间 b. b. b. b.操作冲击电压操作冲击电压 长波头冲击波的波形：长波头冲击波的波形：
15、 T1=250s20，T2=2500s60 对于不同极性：+250/2500s 或-250/2500s 衰减振荡电压波衰减振荡电压波 第一个半波的持续时间在 20003 000 之 间，反极性的第二半波的峰值约为第一个 半波峰值的 80 2. 2. 2. 2.放电时延放电时延 1)1)1)1)升压时间升压时间 t0t0t0t02)2)2)2)统计时延统计时延 ts ts ts ts 3)3)3)3)放电发展时放电发展时 间间 tf tf tf tf 3. 3. 3. 3.伏秒特性伏秒特性放电时间的形成放电时间的形成 工程上用气隙上出现的电压最大值与放电时间的关系来表征气隙在冲击电压工程上用气隙
16、上出现的电压最大值与放电时间的关系来表征气隙在冲击电压 下的击穿特性，称为气隙的伏秒特性下的击穿特性，称为气隙的伏秒特性伏秒特性的绘制 1,2-波尾击穿 3-波头击穿5用实验确定间隙伏秒特性的方法： 对同一间隙，施加一系列标准波形的冲击 电压，使间隙击穿，用示波器记录击穿电压 U 与击穿时间 t。l0伏秒特性； 2100伏秒特性； 350伏秒特性； 450冲击击穿电压； 50冲击击穿电压 (即静态击穿电压)伏秒特性实际分散情况伏秒特性实际分散情况 50505050击穿电压击穿电压2us2us2us2us 冲击击穿电压冲击击穿电压 1.31.31.31.3沿面放电沿面放电 布置方式布置方式1 1 1 1电极；电极；2 2 2 2固体介质固体介质(a)(a)(a)(a)均匀电场；均匀电场；(b)(b)(b)(b)有强垂直分量的极不均匀电场；有强垂直分量的极不
