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1、第一章 气体的绝缘特性与介质的 电气强度研究气体放电的目的：了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程掌握气体介质的电气强度及其提高方法本章内容1.1 气体放电的基本物理过程1.2 气体介质的电气强度1.3 固体绝缘表面的气体沿面放电1.1 气体放电的基本物理过程高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、 固体以及其它复合介质。由于气体绝缘介质不存 在老化的问题，在击穿后也有完全的绝缘自恢复 特性，再加上其成本非常廉价，因此气体成为了 在实际应用中最常见的绝缘介质。气体击穿过程的理论研究虽然还不完善，但 是相对于其他几种绝缘材料来说最为完整。因此，高电压绝缘的论述一般都由气体
2、绝缘开始。本节内容：1.1.1 带电质点的产生1.1.2 带电质点的消失1.1.3 电子崩与汤逊理论1.1.4 巴申定律与适用范围1.1.5 气体放电的流注理论1.1.6 不均匀电场中的气体放电返回1.1.1 带电质点的产生气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生 微弱的电离而产生少量的带电质点。正常状态下气体的电导很小，空气还是性能 优良的绝缘体；在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧 失绝缘性能。1、气体中电子与正离子的产生电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和 正离子的过程。电离可一次完成，也可以是先激励 再电离的分级电离方式。电离方式可分
3、为 ：热电离、光电离、碰撞电离、分级电离（1）热电离常温下，气体分子发生热电离的概率极小。气体中发生电离的分子数与总分子数的比值x称为该气体的电离度。下图为不同温度下空气和气体的热电离程度。图1-1 不同温度下空气和气体的热电离程度6SF（2）光电离当满足以下条件时，产生光电离iWhc式中：光的波长；：光速；：气体的电离能ciW光子来源外界高能辐射线气体放电本身(1-2)（3）碰撞电离电子或离子在电场作用下加速所获得的动能（）与质点电荷量(e)、电场强度（）以及碰撞前的行程( )有关即(1-3)eExmv 2 212 21mvE xieExW式中：电子的电荷量；：外电场强度；：电子移动的距离e
4、 E x(1-4)高速运动的质点与中性的原子或分子碰 撞时，如原子或分子获得的能量等于或大于 其电离能，则会发生电离。因此，电离条件为为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前必须经过的距离为：EU EqWxieii式中为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的相等iUiW的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使值减少。可见提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。ixix(1-4)（4）分级电离电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的 外层轨道，称之为激励，其所需能量为激励能We。 原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分 级电离，此时所需能量为Wi-We。当逸出功26.66kPa(200mmHg
5、*cm)，汤逊理论将不适用。 以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或 雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极 上的过程和二次电子发射根本无关。 气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气 压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的 影响，主要有以下两方面： 空间电荷对原有电场的影响 空间光电离的作用a) 起始电子发生碰撞电离形 成电子崩初始电子崩；b) 初崩发展到阳极，正离子 作为空间电荷畸变原电场， 在电场削弱的区域复合增 加，放射出大量光子；c) 光电离产生光电子，在加 强的局部电场（正离子与 阴极间电场）作用下形成 二次电子崩；流注的形成和发展示意图流注的形成和发展示意图
6、d)二次崩电子与正空间电荷 汇合成流注通道，其端 部又有二次崩留下的正 电荷，加强局部电场产 生新电子崩使其发展；e) 流注头部前方电场很强， 电离迅速发展，放射出 大量光子，继续引起空 间光电离，于是流注前 方出现新的二次崩，延 长流注通道；f)流注通道贯通，气隙击穿新电子崩不断产生的电子形成 负离子与原始电子崩的正离子 互相渗透，形成正负离子混合 的等离子体通道-流注。流注理论对放电现象的解释放电时间二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播， 所以流注发展非常快。放电外形二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可能均 匀，而且具有分支。阴极材料大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电
7、离，而是靠空间 光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。实验研究所得出的常数值为： 20d或810de流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界值。对均匀 电场来说，自持放电条件为：ded或为常数流注条件流注的特点是电离强度很大和传播速度很快，出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见这时出现流注的条件也就是自持放电的条件。可见初崩头部的电子数要达到108时，放电才能转为自持， 出现流注。1.1.6 不均匀电场中的气体放电电气设备中很少有均匀电场的情况。但对不均匀电场还要区分两种不同的情况，即稍不均匀电场和极不均匀电场。全封闭组合电器(GIS)的母线筒和高压实
8、验室中测量电压用的球间隙是典型的稍不均匀电场；高压输电线之间的空气绝缘和实验室中高压发生器的输出端对墙的空气绝缘则属于极不均匀电场。均匀电场是一种少有 的特例，在实际电力 设施中常见的却是不 均匀电场，如：变压器棒 板棒 棒输电线路变电站1. 稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分均匀电场是一种少有的特例，在实际电力设施中常见的却是不均匀电场。为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数f，表示为：vEEfmax:最大电场强度vE:平均电场强度dUEvf4属不均匀电场。(1-26)maxE2. 极不均匀电场的电晕放电（1）电晕放电在极不均匀场中，当电压升高到一定程度后，在空气间隙
9、完全击穿之前，大曲率电极(高场强电极)附近会有薄薄的发光层，这种放电现象称为电晕。电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压 ，而此时电极表面的场强称为电晕起始场强。cUcE根据电晕层放电的特点，可分为两种形式：电子崩形式和流注形式。当起晕电极的曲率很大时，电晕层很薄，且比较均匀，放电电流比较稳定，自持放电采取汤逊放电的形式，即出现电子崩式的电晕。随着电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现放电的脉冲现象，开始转入流注形式的电晕放电。若电极曲率半径加大，则电晕一开始就很强烈，一出现就形成流注的形式。电压进一步升高，个别流注快速发展，出现刷状放
10、电，放电脉冲更强烈，最后贯通间隙，导致间隙完全击穿。冲击电压下，电压上升极快，因此电晕从一开始就具有流注的形式。爆发电晕时能听到声，看到光，嗅到臭氧味，并能测到电流。（2）电晕放电的起始场强电晕放电的起始场强一般由实验总结出的经验公式来计算，电晕的产生主要取决于电极表面的场强，所以研究电晕起始场强和各种因素间的关系更直接。cE对于输电线路的导线，在标准大气压下其电晕起始场强的经验表达式为（此处指导线的表面场强，交流电压下用峰值表示）：cE)3 . 01 (30rEc式中r导线半径，cm。(1-28)kV/cm式（1-28）说明导线半径 r 越小则值越大。因为r 越小，则电场就越不均匀，也就是间
11、隙中场强随着其离 导线的距离增加而下降得更快，而碰撞电离系数随离 导线距离的增加而减小得越快。所以输电线路起始电晕 条件为:cEKdxcx 0式中起始电晕层的厚度，时。cxcxx 0可见电场越不均匀，要满足式(1-29)时导线表面 场强应越高。式(1-28)表明，当 r 时， =30kV/cm。cE(1-29)而对于非标准大气条件，则进行气体密度修正以后的表达式为 rEc3 . 0130式中气体相对密度(1-30)实际上导线表面并不光滑，所以对于绞线要考虑导线的表面粗糙系数。此外对于雨雪等使导线表面偏离理想状态的因素（雨水的水滴使导线表面形成突起的导电物）可用系数加以考虑。1m2mkV/cm理
12、想光滑导线1，绞线0.80.9，好 天气时可按0.8估算。算得后就不难根据电极 布置求得电晕起始电压。例如，对于离地高度为 h 的单根导线可写出1m1m2mcEcUrhrEUcc2ln对于距离为 d 的两根平行导线（）则可写 出rd rdrEUccln2(1-32)(1-33) rmmEc3 . 013021此时式（1-30）则写为(1-31)kV/cm（3）电晕放电的危害、对策及其利用 电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生 化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损耗是超 高压输电线路设计时必须考虑的因素。脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视 电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新 出
13、现所造成的放电广播产生干扰。电晕放电还会产生可听噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。降低电晕的方法：从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。（4）极不均匀电场中放电的极性效应在电晕放电时，空间电荷对放电的影响已得到关注。由于高场强电极极性的不同，空间电荷的极性也不同，对放电发展的影响也就不同，这就造成了不同极性的高场强电极的电晕起始电压的不同，以及间隙击穿电压的不同，称为极性效应。 决定极性要看表面电场较强的
14、那个决定极性要看表面电场较强的那个电极电极所具有的所具有的电电位符号位符号： 在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如较小的那个电极的电位符号，如“棒棒- -板板”气隙。气隙。 在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的那个电极上的电位，如那个电极上的电位，如“棒棒- -棒棒”气隙。气隙。下面以典型的极不均匀电场下面以典型的极不均匀电场-“棒棒- -板板”气隙为气隙为例例，从从流注理论流注理论的观点出发的观点出发，说明放电的：说明放电的：发展过程发展过程极性效应极性效应（一
15、）正极性（一）正极性如图所示，棒极带正如图所示，棒极带正电位时，电子崩头部电位时，电子崩头部的电子到达棒极后即的电子到达棒极后即将被中和，棒极附近将被中和，棒极附近强场区内的电晕放电强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留将在棒极附近空间留下许多下许多正离子正离子。电晕起始阶段电晕起始阶段这些正离子虽朝板极这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢而移动，但速度很慢而暂留在棒极附近。暂留在棒极附近。这些正空间电荷这些正空间电荷削弱削弱了棒了棒 极附近的电场强度，而极附近的电场强度，而加加 强强了正离子群外部空间的了正离子群外部空间的 电场，因此棒电极附近的电场，因此棒电极附近的 放电（电晕）放电（电晕）困
16、难困难，而正，而正 离子群外部的放电（击穿）离子群外部的放电（击穿） 容易容易。当电压进一步提高，。当电压进一步提高， 随着电晕放电区的扩展，随着电晕放电区的扩展， 强场区亦将逐渐向板极方强场区亦将逐渐向板极方 向推进，因而放电的发展向推进，因而放电的发展 是顺利的。是顺利的。空间电荷的空间电荷的 影响影响（二）负极性（二）负极性如如(a)(a)所示：棒极负极所示：棒极负极 性时性时，电子崩将由棒极电子崩将由棒极 表面出发向外发展表面出发向外发展，崩崩 头的电子在离开强场头的电子在离开强场 （电晕电晕）区后区后，虽不能虽不能 再引起碰撞电离再引起碰撞电离，但仍但仍 继续往板极运动继续往板极运动。在图（在图（b b）中：留在棒极）中：留在棒极附近的也是大批正离子，附近的也是大批正离子，这时它们将这时它们将加强加强棒极表面棒极表面附近的电场，
