武汉大学高电压绝缘总结

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1、一描述电介质电气性能的物理现象和对应的物理量：电介质极化一相对介电常数& r；电 介质电导一电导率Y;电介质损耗一介质损耗角正切tg5；电介质击穿一击穿场强E bo 辉光放电：贯穿于整个通道的发光现象。特点：气压不大，功率小，电流密度小，放电区占 据整个空间。电弧放电：贯穿于两级的细长明亮通道。特点：较高气压下，电导很大，电 压降低。火花放电：贯通两极的断续明亮的细火花。原因：电流突增，导致外回路阻抗 上压降增大，放电间隙电压降低，火花熄灭；外回路电压降低，放电间隙再形成火花 大气 压下、电源功率小。电晕放电：极不均匀电场中，紧贴电极电场最强处出现的发光层。 特点：只在极不均匀电场中出现，且随

2、电压升高发光层扩大。刷状放电：电晕放电时，如继 续升高电压，从电晕电极伸展出许多明亮放电通道。注意：电晕放电、刷状放电时气隙未 击穿，而辉光放电、火花放电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同，这些放电 现象可相互转换。质点产生： 光电离：光辐射引起的气体分子的电离过程。外光源紫外线照射）/激励态 原子回到基态/正负离子的复合碰撞电离：由于质点碰撞所引起的电离过程。（主要是 电子碰撞电离）。是气体中产生带电粒子的最重要的方式。分级电离时能量小于上式。分 析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。 热电离：因气体热状态 引起的电离过程。热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综

3、合。表面电离 金属表面 电离比气体空间电离更易发生。 阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。 正离子撞击阴极表面：正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电 子，使其逸出金属 正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子 逸出的电子有一个 和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。光电子发射（光电效应）：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。 热电子发射： 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属表面 在许多电子器件中 常利用加热阴极来实现电子发射。 强场发射（冷发射）： 当阴极表面附近空间存在很 强的电场时，

4、能使阴极发射电子。 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。另外，电负性气体有 负离子的形成：电子碰撞中性的分子或原子没发生电离，也没被反弹回来被中性的分子捕捉， 成为自己的束缚电子形成了负离子。 形成负离子时可释放出能量,有时需吸收能量 有些气 体容易形成负离子， 负离子的形成起着阻碍放电的作用 质点消失：电场作用定向移动消失于电极形成电流，驱引速度Vd=bE, b迁移率。扩散： 在热运动的过程中，粒子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 分布均匀化的物理过程。 特点：气压越低，温度越高，扩散进行

5、的越快。电子的热运动速 度大、自由行程长度大，其扩散速度也要比离子快得多。带电粒子的复合，气体中带异 号电荷的粒子相遇而发生电荷的传递与中和，还原为分子的过程。带电粒子的复合过程中会 发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又成为导致电离的因素 参与复合的粒子的相对速度 越大，复合概率 越小。通常放电过程中 离子间的复合更为重要 带电粒子浓度越大，复合 速度越大， 强烈的电离区也是强烈的复合区。开始光电离，带电质点速度大，因复合导致消失数目少，消失于电极数目大，电流随电压增 大； Ua 附近时电流饱和，因电离产生的质点全部落入电极，电流取决于外电离因素与电压 无关；达到Ub时，电子在强电场作用下发生

6、碰撞电离，电流增加；电压升高至临界值U0 时，电流剧增气体进入良好导电状态。电场均匀U0就是击穿电压，不均匀时电晕起始电压。 六汤逊放电：电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起主要作用。电子崩：由 外电离因素产生一个初始电子电子（电场力作用下，电子沿电场做定向移动）与中性粒子 发生电子碰撞（中性粒子发生电离）产生正离子和自由电子原来的电子和新产生的电子 继续移动，不断发生电子碰撞电离电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样，形成了 电子崩。Y过程：正离子撞击阴极引起表面电离和激励状态回到正常状态及复合释放的光子 引起的光电离。Y和逸出功有关，因此和电极材料和表面状态有关。自持放电条件物

7、理意 义：一个电子 从阴极到阳极途中因电子崩（a过程）而造成的正离子数为e a d 1 , 这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数（Y过程）应为Y （e a d 1 ），如果 它等于1，就意味着那个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。 当自持放电 条件得到满足时，放电就能自己维持下去。 【外电离因素下，阴极表面电离和气体空间电 离产生自由电子，电子在电场中加速，发生碰撞电离，形成电子崩，留下的正离子撞击阴极 表面Y过程，产生新的自由电子，满足自持放电条件，不断循环最终击穿气体间隙】巴申定律：起始电压U 0放电由非自持转为自持时的电压。均匀电场中：起始电 压U 0 =击穿电压U b均匀

8、电场中气体的击穿电压U b是气压和电极间距离的乘积（pd） 的函数。假设 d 不变： 当气压很小时 ，气体稀薄，虽然电子自由程大，可以得到足够的 动能，但碰撞总数小，所以击穿电压升高当气体增大时 ，电子自由程变小，得到的动能减 小，所以击穿电压升高。 总有一个气压对碰撞电离最有利，此时击穿电压最小。局限性： pd 较大时，解释现象与实际不符 放电外形汤逊理论解释： 放电外形均匀， 如辉光放电；pd大时的实际现象：外形不均匀，有细小分支； 放电时间：T pd大T 汤逊击穿电压：U b pd大U b 汤逊阴极材料影响汤逊理论解释：阴极材 料对放电有影响（ （ Y 过程）； pd 大时的实际现象：

9、阴极材料对放电无影响； 流注理论：在外电离因素下气隙产生有效电子，发生碰撞电离形成电子崩，畸变电场，由于 气体原子或分子的激励电离复合等过程产生光电离发射光子，在强电场作用下产生新的电子 崩，不断汇入主崩，形成等离子通道（流注），流注高速向电极发展，由阳极向阴极（正流注） 或由阴极向阳极（负流注，外加电压击穿电压）。流注形成的条件就是自持放电条件，在 均匀电场中也就是导致击穿的条件。流注理论对pd较大时放电现象的解释放电外形现 象： pd 较大时,放电不均匀，有分支，有细小的通道解释： 二次电子崩在空间的形成和发 展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝 放电时间现象：放电时间极短 解

10、 释：光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别短的 现象 阴极材料的影响现象： 放电与阴极材料无关 解释： pd 很大时， 维持放电自持的 是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程 比较汤逊理论放电充斥整个空间，流注理论只是线状空间；汤逊理论碰撞电离起主要作用， 流注理论以光电离为主；流注理论光子以光速传播，时间快；汤逊理论强调阴极材料的影响， 因为其自持条件是表面电离，而流注理论强调空间光电离，阴极材料无影响。引起气体放电 的外部原因有两个，其一 是电场作用， 其二 是外电离因素。自持放电条件的比较 （1） 汤 逊理论：自持放电由阴极 Y 过程来维持；流注理论：

11、依赖于空间光电离。 （2） Y 系数的 物理意义不同。 放电相似定律;不均匀电场中，温度不变时，对于几何相似间隙，其起始电压为气体压力和 决定气隙形状的几何尺寸乘积的函数。巴申理论的拓展。十电晕放电效应：咝咝的声音、臭氧的气味、电极附近空间蓝色的晕光；化学反应产生新 物质； 回路电流明显增加（ 绝对值仍很小） ，可以测量到能量损失；产生高频脉冲电流； 两种形式：电子崩起晕电极曲率很大时，放电初期，电晕层很薄且比较均匀，放电电流稳定， 自持放电采用汤逊放电形式。 放电达到自持时， a 在整个间隙中部巳达到相当数值。这 时和均匀电场中情况类似；流注形式升高电压：电晕层扩大，个别电子崩一流注 再电压

12、 升高：个别流注强烈发展一出现刷状放电继续升高电压：流注贯穿间隙一击穿 一电晕放电弊：发光、发热，损失能量；使空气发生化学反应，产生O 3、NO、NO 2等，引起腐蚀作用；O 3是强氧化剂，NO、NO 2遇到水气会形成硝酸和亚硝酸， 从而会对电力设备引起腐蚀作用脉冲现象产生高频电磁波，干扰通讯和测量，还可能产生 超过环保标准的噪声。利：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度；工业应用， 利用电晕放电产生的氧化剂除菌清新空气、处理污水、利用电晕放电的高功率脉冲形成高能 活性离子进行尾气处理。消除：（1）采用分裂导线，使等值曲率半径增大（2）改进电极形 状，增大电极的曲率半径，使表面光滑二.

13、 极不均匀电场放电：电离总是在棒极附近开始，存在极性效应。1 非自持放电阶段：（1） 正棒负板：棒极附近强场区域内形成电子崩，电子崩头部的电子被棒极中和，在棒极附近留 下许多正离子，积聚起的正空间电荷，减少了紧贴棒极附近的电场，而加强了外部空间的电 场，棒极附近难以造成流注，使得自持放电、即电晕放电难以形成。（2）负棒正板：电子崩 中电子离开强电场区后，难以再引起电离，正离子逐渐向棒极运动，在棒极附近出现了比较 集中的正空间电荷，使电场畸变，棒极附近的电场得到增强，因而自待放电条件就易于得到 满足， 易于转入流注而形成电晕放电。2 流注发展阶段：（1）正棒负板：电子崩进入棒电 极，正电荷留在棒

14、尖 加强了前方（板极）的电场；电场的加强对形成流注发展有利。头部 前方产生新电子崩，吸引入流注头部正电荷区内，加强并延长流注通道；流注及其头部的正 电荷使强电场区向前移，促进流注通道进一步发展，逐渐向阴极推进，形成正流注（。2）负 棒正板：电子崩由强场区向弱场区发展，对电子崩发展不利。棒极前的正电荷区消弱了前方 （阳极）空间的电场，使流注发展不利 等离子体层前方电场足够强后，发展新电子崩，形 成了大量二次电子崩，汇集起来后使得等离子体层向阳极推进，形成负流注。（长间隙流注 不足以击穿）3先导放电：流注通道发展到足够的长度后，将有较多的电子循通道流向电极， 通过通道根部的电子最多，于是流注根部温

15、度升高，出现 热电离过程。这个具有热电离过 程的通道称为 先导通道。正先导较快。4 主放电：当先导通道头部发展到接近对面电极时， 将发生十分强烈的放电过程，这个过程将沿着先导通道以一定速度向反方向扩展到棒极，这 个过程称为 主放电过程。主放电过程使贯穿两极间的通道成为温度很高、电导很大、轴向 场强很小的等离子体火花通道（ 如电源功率足够，则转为电弧通道） ，从而使气隙完全失去 了绝缘性能，气隙被击穿。【正极性电晕电压高，击穿电压低】三. 气体间隙击穿电压的主要因素：电场分布（均匀、稍不均匀、极不均匀）、电压形式（直 流、交流（持续作用电压）、雷电冲击、操作冲击）、气体种类（空气、电负性气体（S

16、F6 ）、 气体状态（气压、温度、湿度、海拔高度）气隙击穿的必备条件:足够大的电场强度； 在气隙中存在有效电子，以能电子崩并导致流柱和主放电需要有一定的时间，让放电得以 逐步发展并完成击穿。持续电压（直流、工频电压）， 电压的变化速度很小。相比之下放电 发展所需时间可以忽略不计，当气体状态不变时，一定距离的间隙的击穿电压具有确定的数 值。非持续电压下（雷电、操作冲击电压）， 因为电压波来去速度很快，放电发展速度就不 能忽略不计了。间隙的击穿电压与作用电压的波形（即作用时间）有很大关系。四均匀电场中的击穿电压：只有小间隙数据、无极性效应、分散性小。稍不均匀：没有稳定 电晕放电、极性效应不明显、 直流、工频下的击穿电压（ 幅值） 以及 50 冲击击穿电压相 同， 分散性不大、击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场越均匀，同样间隙距离下的击 穿电压就越高。极不均匀：主要因素是间隙距离（短流注理论、长先导放电）因为击穿前发 生电晕，以后放电在电晕空间电荷已强烈