2 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘

第二章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘 1 第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介 第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失 第三节第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程 第四节第四节 不均匀电场中的气体不均匀电场中的气体 击穿的发展击穿的发展 过程过程 第五节第五节 持续电压作用下气体的击穿特性持续电压作用下气体的击穿特性 第六节第六节 雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 第七节第七节 操作冲击电压下气体的击穿特性操作冲击电压下气体的击穿特性 第八节第八节 SF6和气体绝缘电气设备和气体绝缘电气设备 第九节第九节 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正 第十节第十节 提高气体介质电气强度的方法提高气体介质电气强度的方法 第十一节第十一节 沿面放电和污闪事故沿面放电和污闪事故 本章主要内容 2 第一节 气体放电的主要形式简介 1 气体放电的概念 n气体放电 气体中流通电流的各种形式。 1. 正常状态：优良的绝缘体。 l在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子 ,但这些 带电粒子并不影响气体的绝缘。 l空气的利用：架空输电线路个相导线之间、导线与地 线之间、导线与杆塔之间的绝缘；变压器相间的绝缘等 。 3 输电线路以气体作为绝缘材料 4 变压器相间绝缘以气 体作为绝缘材料 5 2. 高电压状态 电压升高 达到一定数值 气体中的带电粒子大量增加 电流增大 达到一定 数值 气体失去 绝缘 击穿（或 闪络） n击穿 纯空气隙之间 。 （架空线相间的空气放电） n闪络 气体沿着固体表面击穿。 （气体沿着悬挂架空线的绝 缘子串放电） 6 3. 气体放电的相关概念 n 击穿电压 Ub或闪络电压 Uf 发生击穿或闪络的最低临界电压； n 击穿场强 Eb （均匀电场中的击穿电压） /间隙距离 n 平均击穿场强 （不均匀电场中的击穿电压） /间隙距离 7 u 根据 气体压力、电源功率、电极形状 等因素的不同，击穿后 气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现 象的变化 2 气体的放电形式 8 u 当气体 压力不大 ，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗 ）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值 ，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象。 u 特点： 放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间 的空间。 霓虹管中的放电就是辉光放电的例子，管中所充气 体不同，发光颜色也不同 1. 辉光放电 9 u 减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后， 放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明 通道的电导越来越大 u 特点： 电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大 ，电路 具有短路的特征 2. 电弧放电 10 u 当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通 两极的断续的明亮细火花 。（大气条件下） u 特点： 具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定 3. 火花放电 返回11 第二节 带电粒子的产生和消失 n 带电粒子的产生和消失是气体放电的根本根源，是分 析气体击穿的理论基础； n 正常时气体中有正负粒子存在，但对气体的绝缘状态 没有影响； n 随着电压升高气体间隙中的带电粒子数量会迅速增加 ，带电粒子的运动会产生电流。 掌握 n 气体放电时，带电粒子如何产生？ n 放电结束后，带电粒子又如何消失？ 12 1 原子的激励和电离 原子的能级 n 原子的结构可用行星系模型描述。 原子核（正电） 电子云（负电） n 能级 根据原子核外电子的能量状态，原子具有一系列可 取得确定的能量状态。 p 外围电子能量高 原子能量就高 能级就高； p 外围电子能量低 原子能量就低 能级就低； 原子能量大小的衡量 13 原子的激励 n 激励 (激发 ) 原子在外界因素（电场、高温等）的作用下 ，吸收外界能量使其内部能量增加，原子核外的电子将从离 原子核较近的轨道上跳到离原子核较远的轨道上去的过程。 n 激励能（ We） 产生激励所需的能量。等于该轨道和常 态轨道的能级差。 i 注意 p 激励状态存在的时间很短（ 10-7 10 -8 s），电子将自动返 回到常态轨道上去。 p 原子的激励过程不会产生带电粒子。 14 原子的电离 n 电离 在外界因素作用下，其一个或几个电子脱离原子核 的束缚而形成自由电子和正离子的过程。 n 电离能（ Wi） 使稳态原子或分子中结合最松弛的那个电 子电离出来所需要的最小能量。（电子伏 eV） 1eV 1V1.610-19C 1.610-19J（焦耳） 1V电压 qe：电子的电荷（库伦） i 注意 原子的电离过程产生带电粒子。 15 气体 激励能 We (eV) 电离能 Wi (eV) 气体 激励能 We (eV) 电离能 Wi (eV) N2 O2 H2 6.1 7.9 11.2 15.6 12.5 15.4 CO2 H2O SF6 10.0 7.6 6.8 13.7 12.8 15.6 表 1-1 某些气体的激励能和电离能 16 4. 原子的激励与电离的关 系 原子发生电离产生带电粒子的两种情况： 原子吸收了一定的能量 ，但能量不太高 发生激励，跳到 更远的轨道 再次吸收能量 发生电离，产生带电粒子 原子吸收直接吸收了足够的能量 发生电离，产生带电粒子 n 原子的激励过程不产生带电粒子； n 原子的电离过程产生带电粒子； n 激励过程可能是电离过程的基础。 激励 +电离 直接电离 17 2 气体中带电粒子的产生 电离所获能量形式不同，带电粒子产生的形式不同 光电离 碰撞电离 热电离 电极表面电离（阴极表面电离） 负离子的形成 18 2 气体中带电粒子的产生 电离所获能量形式不同，带电粒子产生的形式不同 光电离 u 光电离 光辐射引起的气体分子的电离过程。 u 发生光电离的条件 式中： h 普郎克常数； 光子的频率； Wi 气体的电离能， eV； c 光速 =3108m/s； 光的波长， m。 光子能量 W h i 注意 可见光都不可能使气体 直接发生光电离，只有波 长短的高能辐射线 （ 例 如 X 射线、 射线等）才能 使气体发生光电离。 19 碰撞电离 u 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） u 电子在电场强度为 E 的电场中移过 x 距离时所获得的动 能为： 式中 :m 电子的质量； qe 电子的电荷量 若 W等于或大于 气体分子的电离 能 Wi，该电子就 有足够的能量去 完成碰撞电离 u发生碰撞电离的条件 20 u 电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离： 式中： Ui为气体的电离电位，在数值上与以 eV为单位的 Wi相等。 u xi 的大小取决与场强 E ，增大气体中的场强将使 xi 值减小， 可见提高外加电场将使碰撞电离的概率和强度增大。 i 注意 n 碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。 n 主要的碰撞电离均有电子完成，离子碰撞中性分子并使之电 离的概率要比电子小得多，所以在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。 21 热电离 u 热电离 因气体热状态引起的电离过程。 u 发生热电离的条件 式中： k 波尔茨曼 常数； （ k=1.3810-23J/K） Wi 气体的电离能， eV； T 绝对温度， K； i 注意 p 分子 热运动 所固有的动能不足 以产生 碰撞电离 ， 20oC时，气 体分子平均动能约 0.038eV。热 电离起始温度为 103K（ 727oC） p 在一定热状态下物质会发出辐 射， 热辐射光子 能量大，会引 起 光电离i 绝对温度和摄氏温度的关系： T绝对 =273+T摄氏 22 u 热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合 p 例如：发生 电弧放电 时，气体温度可达数千度， 气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离， 高温下 高能热辐射光子 也能造成气体的电离 23 电极表面电离（阴极表面电离） u 电极表面电离 电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。 u 逸出功 电子从金属表面逸出所需的能量。 金属 逸出功 (eV) 金属 逸出功 (eV) 金属 逸出功 (eV) 铝 (Al ) 银 (Ag) 1.8 3.1 铁 (Fe) 铜 (Cu) 3.9 3.9 氧化铜 (CuO) 铯 (Cs) 5.3 0.7 n 逸出功 n 与表 1-1相比较，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得 多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。 n 阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。 24 u 电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式 p 正离子碰撞阴极时把能量传递给金属极板中的电子，使其逸出金属 p 正离子必须碰撞出 一个以上电子时才能产生自由电子 p 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 。 p 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。 p 同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多 正离子撞击阴极表面 光电子发射（光电效应） 25 p 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 p 在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。 p 当阴极表面附近空间存在很强的电场时（ 106V/cm数量级） ，能使阴极发射电子。 p 常态下作用气隙击穿完全不受影响； p 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。 热电子发射 强场发射（冷发射） 26 负离子的形成 u自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果 电子碰撞中性的分子或原子 发生电离 产生自由电子 l情况一 电子碰撞中性的分子或原子 能量不足，撞击后反弹回来 未产生自由电子 l情况二 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 l情况三 形成了负离子 27 u 附着 自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子 相结合而形成负离子的过程。 p 形成负离子时可释放出能量 p 有些气体容易形成负离子，称为 电负性气体 （如氧、氟、氯 等）， SF6（绝缘性是空气的 3倍，灭弧性是空气的 100倍） p 负离子的形成起着阻碍放电的作用 u 负离子形成过程的特点 28 3 带电粒子在气体中的运动 自由行程长度 带电粒子的运动轨迹 u 当气体中存在电场时，带电粒子将具 有复杂的运动轨迹 “混乱热运动沿着电场作定向漂移 ” u 自由行程长度 带电粒子与气体分子发生第一次碰撞到第 二次碰撞所移动的距离。 （两次碰撞中未再发生任何碰撞） 29 平均自由行程长度 u 平均自由行程长度 带电粒子单位行程中的碰撞次数 Z的 倒数。 u 实际的自由行程长度是 随机量 ，有很大的分散性，任意带电 粒子在 1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与分子的半径和密度 有关 u 粒子的实际自由行程长度等于或大于某一距离 x的概率为 i 注意： 由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所 以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。 30 u 又由 式中： p 气压， Pa； T 气温， K； k 波尔茨曼常数， （ k =1.3810-23J/K）。 u 由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度 式中： r 气体分子半径； N 气体分子密度。 p 平均自由行程长度与温度成正比 ，温度越高气体发散，粒子间距 离较远， e越大 p 平均自由行程长度与气压成反比 ，气压越高，气体分子被得越紧 ，粒子间距离较近 ， e越小。 31 带电粒子的迁移率 u 带电粒子的迁移率 k 带电粒子在单位场强 （ 1V/m） 下沿 电场方向的漂移速度。 式中： v 带电粒子的速度； E 电场强度 。 i 注意 由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。一 般电子迁移率比离子迁移率大 两个数量级 32 扩散 u 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。 p 气压越低，温度越高，扩散进行的越快。 p 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。 u 扩散的特点 33 4 带电粒子消失 带电粒子产生和消失的关系 u 带电粒子产生和消失是同时发生的过程； u 若产生的带电粒子 大于 消失的带电粒子，则会 促进 气体放 电过程； u 若产生的带电粒子 等于 消失的带电粒子，则会促进气体就 处于 稳定状态 ； u 若产生的带电粒子 小于 消失的带电粒子，则会 阻碍 气体放 电过程； 34 带电粒子消失的形式 带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时， 消失 于电极上而形成外电路中的 电流 。 带电粒子因 扩散现象 而逸出气体放电空间。 u 扩散的实质 某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散 到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数 减少 。 p 带电粒子的扩散是由于 热运动 造成，带电粒子的扩散规律和 气体的扩散规律相似 p 气体中带电粒子的扩散和 气体状态有关 ，气体压力越高或者 温度越低，扩散过程也就越弱 p 电子质量远小于离子，所以电子的热运动速度高，它在热运 动中受到的碰撞也少，因此， 电子的扩散过程比离子的要强 35 带电粒子的 复合 u 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 。（是与电离相反的一种过程） u 电子复合 电子和正离子发生复合，产生一个中性分子 离子复合 正离子和负离子发生复合，产生两个中性分子 p 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 p 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 p 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 36 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 掌握 n 非自持放电过程和自持放电过程的概念； n 汤逊气体放电理论的要点和适用范围； n 流注气体放电理论的要点和适用范围； u 气体的击穿过程与 电场分布 有很大关系，均匀电场和不均匀 电场下气体的击穿过程有很大的不同； p 均匀电场 电场中任一点的电场强度均相同； p 不均匀电场 电场中任一点的电场强度均不相同； 37 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 1 非自持放电和自持放电 u 非自持放电 去掉外电离因素的作用后放电随即停止； u 自持放电 不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电 过程。 非自持放电和自持放电的概念 非自持放电和自持放电的 过程 u 测定气体间隙中电流变化的实验装置 p 通过调节电阻，测量回路电流随电压 变化的情况 u 气体间隙中 电流的变化 反映放电过程 38 u 加电场前， 外电离因素 （光照射） 在极板间产生带电粒子，但带电粒 子制作杂乱无章的热运动，不产生 电流； u 加电场后，带电粒子沿电场方向定 向移动，形成电流。随着电压升高 ，带电粒子运动速度加快，使到达 极板的 带电粒子数量和速度不断增 大，电流也随之增大。 oa段 随着电压升高，电流增大， 到达极板的带电粒子数量和速 度也随之增大。 均匀电场中气体的伏安特性 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析 I0 Ua Ub Uc U I 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 39 均匀电场中气体的伏安特性 ab段 电流趋于饱和，由外电离因素 产生的带电粒子已全部进入电 极，电流 I0大小取决于外电离因 素与电压无关。 u 外电离因素（光照射）的强度 一定的情况下，单位时间内产 生的带电粒子数量是一定的， 由此产生的电流也是一定。 u I0 饱和电流。 I0 Ua Ub Uc U I 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 40 均匀电场中气体的伏安特性 bc段 电流又再随电压的增大而增大。 发生电子 碰撞电离 。 I0 Ua Ub Uc U I 电压升高 气体间的带电粒子运动速度加快 带电粒子能量 （动能）增加 当能量大于极板间空 气中原子的电离能 电子碰撞电离，产 生大量带电粒子 电流急速 增加 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 41 均匀电场中气体的伏安特性 c点 U=Uc，电流急剧增大。气体间 隙 被击穿 进入导电状态（ 自持 放电 ），不再需要任何外界因 素（光照射、外加电源）。 u c点处的临界电压 Uc就是 击穿电 压 Ub，当电压达到 Uc后气体即 被击穿 ，由原来的绝缘体变成 了 导体 。 I0 Ua Ub Uc U I 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 42 均匀电场中气体的伏安特性 I0 Ua Ub Uc U I 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析 u 当产生的电流 I Ic： 非自持放电 区； u 当产生的电流 IIc： 自持放电区 ； u 当施加的电压 U Uc： 气体保持 绝缘； u 当施加的电压 UUc： 气体被击穿 。 Ic 自持放电区 非自持放电区 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 43 （二）汤逊放电理论 20世纪初，汤逊根据大量的试验研究结果，提出了适用 于 均匀电场、低气压、短气隙 时气体放电理论 u 理论认为， 电子的碰撞电离 (过程）和 正离子撞击阴 极造成的表面电离 （ 过程）起主要作用 u 提出气隙放电电流和击穿电压的计算公式 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 44 过程 （电子崩过程） 电子崩的形成过程 由外电离因素产 生一个初始电子 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 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 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 45 u 电子崩的形状： “ 崩头大、崩尾小 。 ” p 电子发生电子碰撞后，电子的速度快，所以会大量的集中在 崩头； p 正离子移动速度较慢，所以缓慢的移向崩尾。 u 电子崩 电子数按几何级数不断增多，像雪崩似的发展。 从而形成的急剧增大的空间电子流。 崩头崩尾 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 46 过程 引起的电流 u 电子碰撞电离系数 表示 一个电子 沿电场方向运动 1cm 的行程中所完成的 碰撞电离 次数平均值。 u 即是 一个电子 在单位长度行程内新电离出的 电子数 或正离子 数。 i 注意： 必须是电子发生 碰撞且电离 的次数，若电子只发生 了碰撞没有导致电离则不能计入 中。 的定义 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 47 na d 电子增长规律 （ n0个电子行进 x距离产 生的电子数 n） 令 x=d，抵达阳极电子数 na 过程的分析（电子崩的计算） 设：在外电离因素光辐射的作用下，单位 时间内阴极单位面积产生 n0个电子， 由于 碰撞电离和电子崩得作用下，在距离阴极 x处，电子数增至 n个。 在 dx段上产生的新电子 dn dn ndx 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 48 na d u 令 x=d，进入阳极的电流（外回路电流） p 若 I0=0，则 I=0，既若去掉外界电离因素，气隙中电流为 0，气体放电停止。 过程的分析（电子崩的计算） 途中新增的电子数或正离子数 n 电子电流增长规律 将式 两边乘以电子电荷 qe 式中： I0 初始电子引起的初始电流 u 结论：若只有 过程，气体放电是不能自持的。 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 49 的分析 u 假设电子的平均自由行程为 e， 运动 1cm碰撞次数为 1/e ， 但 并不是每次碰撞都引起电离； u 碰撞引起电离的概率为 ， xi 为电子造成碰撞电离而必须飞 跃的最小距离。 u 根据 定义有： 式中： A、 B 与气体种类有关的常数； E 电场强度； P 气体压力。 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 50 u 由式 ，可得结论： 电场强度 E增大 ， 则 增大； 气体压力 P很大（电子的平均自由行程 e很小）或者 气体压力 P很小（电子的平均自由行程 e很大）时， 值都很小。 既在高气压或高真空的条件下，气体间隙不易发生 放电现象，具有较高的电气强度。 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 51 过程 u 正离子表面电离系数 表示 一个正离子 沿电场方向由阳极 向阴极运动 ， 撞击阴极 表面产生表面电离的 电子数 。 p 正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能，在撞击 阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自由电子 的概念 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 52 na d nc 过程 和 过程 引起的电流 u设 阴极表面 单位时间内发射的电子数为 nc nc 外电离因素产生的电子数 n0 前一秒钟产生出来的正离子在阴 极上造成的 二次电子发射 所产生 的电子数 nc(ed 1) nc个电子到达阳极后 ，产生总电子数为： na nced 产生的新正离子数 为： nced nc 正离子撞击阴极表 面产生的 电子数 为 nc(ed 1) 每产生一个自由电子的同 时，会产生一个正离子 产生的新电子数 为： nced nc 正离子沿电场运动，撞击 阴极造成二次电子发射 p 二次电子发射的形成过程 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 53 进入阳极的电流（外回路电流） 将上式两边乘以电子电荷 qe p 若 =0，则 I I0ed， 即只有 过程； p 若 ，当 I0 0时， I 0 若 ，当 I0 0时， I0 nc个电子行进 d距离产生的电子数 na 已知 nc n0 nc(ed 1) na nced 过程 过程 的分析 na d u 结论： 若 1 (ed 1) 0， 即使 I0=0（除去外界 的电离因素），放电 能维持下去。 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 54 汤逊理论的 均匀电场中的电压 汤逊理论的 自持放电条件 p 物理意义： 一个电子 从阴极到阳极途中因 电子崩（ 过程） 而造成的正离子数为 ed 1 ，这批正离子在阴极上造成的 二次自由电子数 （ 过程） 应为 (ed 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。 (ed 1) 1 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 55 u 当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所示 的 循环不息 的状态，放电就能 自己维持 下去。 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 56 击穿电压、巴申定律 u 起始电压 U0 放电由非自持转为自持时的电压。 p 均匀电场中：起始电压 U0 击穿电压 Ub u 将 计算式 代入自持放电条件 ，并 且考虑均匀电场中自持放电的起始场强 得： u 结论： 均匀电场中气体的击穿电压 Ub是气压和电极间距 离的乘积（ pd）的函数。 均匀电场击穿电压的推导 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 57 巴申定律 巴申实验曲线 u 击穿电压 与 pd的规律在 汤逊碰撞电离学说提出 之前，巴申已从实验中 总结出来了，汤逊理论 从理论上解释了试验结 果。 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 58 巴申定律 u 从曲线可以看出，存在一个 最小值 ，此时击穿电压最低 u 假设 d不变： p 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 p 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。 u 总有一个气压对碰撞电离最 有利，此时击穿电压最小 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 59 汤逊理论的适用范围 适用范围 均匀场、低气压、短气隙 pd40cm ) 第六节 雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 返回123 第七节 操作冲击电压下气体的击穿特性 （一）操作冲击电压的标准波形 0.5 1 0 u / Um Tcr T 2 t 非周期性双指数衰减波 u 参数： 波前时间： Tcr=250 s20% （ 反应上升速度） 半峰值时间： T2=2500 s60% （反应下降速度） 标准波形通用写法 250/2500 s 124 第七节 操作冲击电压下气体的击穿特性 u 0 Um Tcr t Tcr=1000 1500us 衰减震荡操作冲击波 u 参数： 波前时间： Tcr=1000 1500 s （反应上升速度） 极性相反的第二个半波的峰值 约为第一个半波峰值的 80% 125 （二）操作冲击 50% 击穿电压 1. 操作冲击电压下均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 u 与雷电冲击 50%击穿电压、工频击穿电压（峰值）相同， 且分散性小 2. 操作冲击电压下极不均匀电场的击穿特性 图 2-12 极性效应 p 正极性下 50 击穿电 压比负极性下低 第七节 操作冲击电压下气体的击穿特性 126 电场分布的影响 p “邻近效应 ”： 接地物体靠近放电间隙会显著降低其正极性 击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压 图 2-12 饱和现象 p 随着气隙长度增加，除了 负极性 “棒 棒 ”气隙外， 其它棒间隙的 “饱和 ”现象 十分明显。 电气强度最差 的 “棒 板 ”间隙饱和现象 最为严重。 显然，这时在 增大 “棒 板 ”气隙的长度 ，已不能有效的提高其击 穿电压。 第七节 操作冲击电压下气体的击穿特性 127 波形的影响 p 在一定波前时间范围内， U50% 甚 至会比工频击穿电压低 ，呈现出 “U形曲线 ”。故对于 220kV的超高 压输电系统和电力设备，应按操 作过电压的电气特性进行绝缘设 计。 p “U形曲线 ”是 放电时延 和 空间电荷 (形成及迁移 )这两类不同因素的影 响所造成的。 教材 P36 p 对应极小值的波前时间随着间隙 距离加大而增加。对 7m以下的间 隙，在 50 200s这段时间内， 气息的击穿最易发生。 第七节 操作冲击电压下气体的击穿特性 128 分散性大 p 波前时间在数十到数百位秒之间： U50% 的标准偏差约为 5% 。波前时间超过 1000s以后，可达 8 。 50 击穿电压极小值的经验公式 第七节 操作冲击电压下气体的击穿特性 返回129 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 （一） SF6的物理化学特性 无色、无味的气体，具有较高的电气强度，优良的灭弧性能 ，良好的冷却特性，不可燃； p SF6击穿电压是空气的 3倍，灭弧性能大约是空气的 100倍 SF6分子中， 6个氟原子围绕硫原子对称排布成正八面体，化 学性能稳定 纯 SF6是一种无毒气体，但它会因引起窒息对人身造成威胁； 若纯度不够，会含有 SF4、 S2F10、 HF、 SO2等杂质，这些杂质 有毒；另外 SF6因放电而产生的一些分解物也是有毒的。 p 要对一个断路器或其他设备更换 SF6时，要带防毒面具 20 充气压力 0.45MPa， 液化温度 40 ； 20 充气压力 0.75MPa，液化温度 25 。高寒地区需采用加热措施。 130 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 （二） SF6的绝缘性能 1. 均匀和稍不均匀电场中 SF6的击穿特性 击穿过程 过程电子附着过程 电子碰撞中性粒子发生电 离，产生大量自由电子 同时又被 SF6分子吸附成负离 子，使自由电子数减少，阻 碍放电的形成和发展 u 电子附着系数 一个电子沿电场方向运动 1cm的行程所发 生的电子附着次数平均值 131 电负性气体有效碰撞电离系数 均匀电场中电子崩的增长规律 式中： n0 阴极表面的初始电子数； na 到达阳极时的电子数。 自持放电条件 u 强电负性气体所处的条件为流注放电范畴 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 132 SF6气体的击穿电压 u 由实验，常数 K =10.5 相应的击穿电压为 Ub= 88.5pd+0.38 (kV) 式中： p 气压 ， Mpa ； d 极间距离 ， mm。 在工程中，通常 pd1MPmm， Ub88.5pd 在稍不均匀电场中击穿场强不与气压成正比，而是增加的少 一些。 负极性时的击穿电压反而比正极性时低 10%左右。 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 133 2. 极不均匀电场中 SF6的击穿特性 u 电场不均匀程度对 SF6击穿电压的影响远比对空气的影响大 40 80 120 160 0.1 0.2 0.3 0.4 p(MPa） Ub （ kV ） 工频交流电压（峰值） +1.5/40s冲击电压 图 2-18 u 异常情况 工频击穿电压随气压的变化 ，曲线存在 “驼峰 ”（ 0.1- 0.2MPa工作气压下）； “驼峰 ”区雷电冲击电压明显 低于静态击穿电压。 u 注意： SF6只用于均匀或稍不均匀电场，不能用于极不均匀 电场。 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 134 （三） SF6混合气体 1. 纯 SF6气体 的缺陷 u 价格高；液化温度不够低；对电场的均匀度太敏感 2. SF6混合气体 u 将 SF6气体和别的气体（ N2、 CO2）按一定容积比混合 p 混合后要考虑的问题： 混合后其灭弧性能、绝缘性能如何？ 混合后气体的物理化学特性如何？（是否极易液化？有毒？ ） 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 135 3. SF6 N2混合气体 横坐标： SF6百分含量； 纵坐标：混合后气体的击 穿场强与纯 SF6击穿场强 的比值 u 当 SF6占 80%， N2占 20%时：混合 气体的击穿场强还是纯 SF6击穿场 强的 90% 以上； u 当 SF6占 60%， N2占 40%时：混合 气体的击穿场强是纯 SF6击穿场强 的 90%左右； u SF6 N2混合气体 特点： p 能较好保持纯 SF6的绝缘性能 ； p 更好的物理化学特性 (液化温度低 ) p 能取得很大的经济效益。 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 136 （四）气体绝缘电气设备 1. 封闭式绝缘组合电器（ GIS） u GIS 由 断路器、隔离开关、接地刀闸、互感器、避雷器、母 线、连线和出线终端等部件组合而成，全部封闭在充 SF6 气 体的金属外壳中。 u GIS具有下列突出优点： 大大节省占地面积和空间体积（ SF6绝缘性能好，大大减少设 备与设备、设备对地的距离）。 运行安全可靠。 有利于环保，使运行人员不受电场和磁场的影响。 安装工作量小、检修周期长。 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 137 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 500 kV 户外 GIS 138 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 500 kV 户内 GIS 139 2. 气体绝缘管道输电线 （ GIC） u 气绝缘管道输电线亦可称为气体绝缘电缆 (GIC）， 它与充油 电缆相比具有如下优点： 电容量小，只有充油电缆的 1/4左右，充电电流小，传输距离 长； 损耗小。充油电缆介质损耗大。 传输容量大。常规电缆截面不超过 2000mm2 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 140 隧道中 SF6绝缘电缆 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 141 3. 气体绝缘变压器（ GIT） u 气体绝缘变压器与传统的油浸变压器相比，有以下主要优点 GIT是防火防爆型变压器，特别适合城市高层建筑的供电和 用于地下矿井等有防火防爆要求的场合。 气体传递震动的能力比液体小，所以 GIT的噪声小于油浸变 压器。 气体介质不会老化，简化了维护工作。 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 返回142 第九节 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正 u 我国的国家标准规定的标准大气条件： p 压力： P0=101.3KPa（ 760mmHg） p 温度： t0=20 或 T0=293K p 绝对湿度： h0=11g/m3(每立方米水蒸气 11克） u 在实际试验件下的气隙击穿电压 U与标准大气条件下的击穿电 压 U0之间的换算关系： 式中： Kd 空气密度校正因数； Kh 湿度校正因数。 p 注意：空气密度的变化实 际上是 压力 和 温度 的变化 143 式中： p 气压 ， kPa； T 温度 ， K 。 第九节 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正 （一） 空气密度的校正 u 空气的密度与压力和温度有关 1. 空气的相对密度 2. 大气条件下，气隙的击穿电压随 的增高而提高。 密度增加 气体被压紧，气隙之间距离很短 虽然自由电子碰撞次数多，但自由行程短，碰撞有效性差 电离数很低 击穿电压高 144 u 实验表明，当 处于 0.95 1.05的范围内时， 气隙的击穿电压 几乎与 成 正比 ，即此时的空气密度校正因数 Kd ，因而 U U0 3. 对更长空气间隙来说，击穿电压与大气的关系并不是一 种简单的线形关系。而是随电极形状、电压类型和气隙 长度而变化的复杂关系。 u Kd 计算式 式中： m 、 n 与电极形状 、气隙长度、电压类 型及极性有关，值在 0.4 1.0的范围内变化 第九节 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正 145 （二） 湿度的校正 大气的湿度越大，气隙的击穿电压增高 p 大气中的水分子能够俘获自由电子而形成负离子，对气体 的放电过程起着抑制作用 均匀和稍不均匀电场中，湿度影响不太明显 p 均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场强 度都很大，电子运动速度较快，不易被水分子俘获 极不均匀电场中，湿度影响很明显 p 极不均匀电场中，放电开始时，电场强度比较低，出现电 晕放电，这时电子运动速度较慢，容易被水分子俘获 p 修正式： Kh = k 式中： k 与绝对温度和电压类型有关，指数 之值取决于电极形状、气隙长度、电压类 型及其极性。 第九节 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正 146 （三） 海拔高度的校正 1. 海拔高度越大，气隙的击穿电压越低 u 海拔越高 空气越稀薄 大气压力和相对密度越小 击穿电 压降低 2. 我国国家标准规定：对于安装在海拔高于 1000m 、但不 超过 4000m 处的电力设施外绝缘， 其试验电压 U 应为平 原地区外绝缘的试验电压 Up 乘以海拔校正因数 Ka U = Ka Up 式中： H 安装点的海拔高度， m。 第九节 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正 返回147 第十节 提高气体介质电气强度的方法 （一） 两个途径 改善电场分布，使之尽量均匀（内因） 利用其它方法来削弱气体中的电离过程（外因） （二） 方法 1. 改善电场分布的方法 改进电极形状改进电极形状 利用空间电荷畸变电场利用空间电荷畸变电场 采用屏障采用屏障 148 第十节 提高气体介质电气强度的方法 2. 削弱气体电离过程的方法 采用高气压采用高气压 采用高电气强度气体采用高电气强度气体 采用高真空采用高真空 149 改进电极形状改进电极形状 增大电极曲率半径减小表面场强。 如变压器套管端部加球形屏蔽罩 改善电极边缘 电极边缘做成弧形 使电极具有最佳外形 如穿墙高压引线上加金属扁球； 第十节 提高气体介质电气强度的方法 150 第十节 提高气体介质电气强度的方法 利用空间电荷畸变电场利用空间电荷畸变电场 u 极不均匀电场中击穿前发 生电晕放电，利用放电产 生的 空间电荷改善电场分 布，使电场均匀度提高 ， 从而提高击穿电压； p 直径 D 20、 16mm时，击 穿电压曲线的直线部分和棒 一板间隙相近 p 导线直径减为 3mm以至 0.5mm时，击穿电压曲线的 直线部分陡度大为增加，曲 线逐渐与均匀电场中的相近 “ 细线效应 ” 当导线直径减小到一定程度后，气隙 的工频击穿电压会随导线直径的减小 而提高，出现所谓 “细线效应 ”。 151 极不均匀电场中采用屏障极不均匀电场中采用屏障 u 在电场极不均匀的气隙中，放入 薄片固体绝缘材料 （例如纸 或纸板），在一定条件下，可以显著提高气隙的击穿电压。 u 屏障作用的原理 x 棒极附近产生电晕 ，产生带电粒子 正离子沿电场 向负极板运动 正离子遇到固体绝 缘材料被拦截下来 均匀的排列在固体 绝缘材料的左侧 使材料右侧的电场 变得均匀，形状像 均匀电场，提高击 穿电压 u 屏障作用：积聚空 间电荷，改善电场 分布 第十节 提高气体介质电气强度的方法 152 x x （ x / d） 极不均匀电场中采用屏障极不均匀电场中采用屏障 u 影响屏障气隙的击穿电压的因素： 屏障位置 及 棒电极的极性 u 当棒为正极性 p 屏障在间隙的任何位置都会 增加击穿电压值。当 时最有利； u 当棒为负极性 p 屏障离棒极很近时，有一 定的屏障效果； p 屏障离开棒电极一定距离 ，设置屏障反而降低间隙 的击穿电压 第十节 提高气体介质电气强度的方法 153 极不均匀电场中采用屏障极不均匀电场中采用屏障 u 工频电压下屏障的作用 p 设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。 u 雷电冲击电压下屏障的作用 p 棒电极具有正极性时，设置屏障可显著提高间隙的击穿电 压 p 棒极性为负时设置屏障后，间隙的击穿电压和没有屏障时 相差不多 第十节 提高气体介质电气强度的方法 154 采用高气压采用高气压 原理：减小电子的平均自由行程，削弱电离过程 p 例：大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的 1/5 1/8，提高压力至 1 1.5MPa，空气的电气强度和一般的液 、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、云母等的电气强度相 接近 高气压下应尽可能的改善电场分布，使电场均匀，否则用高 气压来提高击穿电压的效果不明显 p 因为电场的不均匀对击穿电压的影响比大气压对击穿电压 的影响要大得多。 压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘在一些电气设备中已得到 采用。 如高压空气断路器、高压标准电容器等 第十节 提高气体介质电气强度的方法 155 采用高电气强度气体采用高电气强度气体 u 高电气强度气体 含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（ SF6）、氟利昂（ CCl2F2）等，其电气强度比空气要高很多。 含有卤族元素，气体具有 很强的电负性 ，气体分子容易和电 子结合成为负离子，削弱电子的碰撞电离能力，同时又加强 复合过程 气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其中的 自由行 程缩短 ，不易积聚能量，从而减少其碰撞电离能力 电子和这些气体的分子相遇时，还易于引起分子 发生极化等 过程 ，增加能量损失，从而减弱其碰撞电离能力 u 卤化物气体电气强度高的原因 第十节 提高气体介质电气强度的方法 156 采用高真空采用高真空 u 采用高度真空可以提高气隙的击穿电压的原因： 削弱间隙中 的碰撞电离过程 ，从而显著增高间隙的击穿电压。 u 仅某些特殊领域，如真空断路器中用作灭弧和绝缘 真空断路器 第十节 提高气体介质电气强度的方法 157 小结 纯空气隙 击穿理论 与电场均 匀度有关 均匀电场 汤逊理论 流注理论 内容： 过程 过程 自持放电条件： (ed 1) 1 适用范围： 低气压、短气隙 内容： 电子崩 流注过程 自持放电条件： ed 常数 适用范围： 高气压、长气隙 不均匀电场 电晕放电： 极不均匀电场特有的自持放 电现象 极性效应 正棒 负板 电晕起始电压高 间隙击穿电压低 负棒 正板 电晕起始电压低 间隙击穿电压高 158 小结 纯空气隙 击穿理论 与电压类 型有关 静态击穿电压（直 流、工频） 放电时间足够，击穿电压有确定值 标准波形 U50% ： 击穿百分比为 50% 的击穿电压 v-t特性： 气隙的冲击击穿电压与放电 时间的关系。用于绝缘配合 雷电冲击击 穿电压 特点 邻近效应： 接地物体靠近放电间隙 降低正极性击穿电压， 提高负极性击穿电压 非周期性双指数衰减波 衰减震荡操作冲击波 饱和现象： 增大气隙的长度，不 能提高其击穿电压。 波形 U形曲线： 一定波前时间内 ， U50% 比工频击穿电压低 操作冲击击 穿电压 标准波形 非周期性双指数衰减波 雷电截波 159 小结 纯空气隙 击穿理论 与气体状 态有关 空气密度 相对密度 空气湿度 影响： 气隙的击穿电压随 的增高而提高 影响： 湿度越大，气隙的击穿电压增高 校正： Kh = k 海拔高度 空气 SF6 物理化学特性： 无色、无味，化学性能稳定 绝缘特性： 击穿电压是空气的 3倍，灭弧性能大 约是空气的 100倍 混合气体： 较好保持纯 SF6的绝缘性能；更好的物 理化学特性 (液化温度低 );能取得很大的经济效益 气体绝缘电气设备： 封闭式绝缘组合电器、气体 绝缘变压器、气体绝缘管道输电线 校正： U U0 影响： 海拔高度越大，气隙的击穿电压越低 校正： U = Ka Up 与气体种 类有关 160 小结 提高气体介 质电气强度 的方法 改善电场 分布 改进电极形状 使电场分布更加均匀 利用放电产生的空间电荷改善电场分 布，使电场均匀度提高 采用高气压 减小电子平均自由行程，削弱电离过程 积聚空间电荷，改善电场分布 利用空间电 荷畸变电场 利用屏障 削弱气体 电离过程 采用高电气强度气体 削弱间隙中的碰撞电离过程采用高真空 卤族元素：很强的电负性；分子直径大 ，电子自由行程短；易发生极化现象 161 第十一节 沿面放电和污闪事故 （教材 P22） （一） 沿面放电的一般概念 u 沿面放电 沿着固体介质表面的气体发生的放电 u 闪络 沿面放电发