《高电压技术一》PPT课件.ppt

第一篇 电介质的电气强度,电介质（dielectric ）在电气设备中作为绝缘材料使用。,电气强度表征电介质耐受电压作用的能力。,均匀电场中击穿电压Ub与间隙距离之比称为击穿场强Eb。我们把均匀电场中气隙的击穿场强Eb称为气体的电气强度。 空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm;,注意：不能把不均匀场中气隙Ub与间隙距离之比称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。,击穿电压：电介质击穿时的最低临界电压。,击穿场强是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。,1、电介质的分类 按物质形态分： 气体电介质 液体电介质 固体电介质 其中气体最常见。气体介质同其它介质相比，具有在击穿后完全的绝缘自恢复特性，故应用十分广泛。 按在电气设备中所处位置分： 外绝缘： 一般由气体介质（空气）和固体介质（绝缘子）联合构成。 内绝缘： 一般由固体介质和液体介质联合构成。,2、在电场的作用下，电介质中出现的电气现象： 弱电场电场强度比击穿场强小得多 如：极化、电导、介质损耗等。 强电场电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强： 如：放电、闪络、击穿等。 强电场下的放电、闪络、击穿等电气现象是我们本篇所要研究的主要内容。,3、几个基本概念,放电：特指气体绝缘的击穿过程。,击穿：在电场的作用下，电介质由绝缘状态突变为良导电状态的过程。,闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象。,工程上将击穿和闪络统称为放电。,击穿、放电、闪络都是在一定的电压作用下电介质的绝缘性能被破坏的过程。,4、本篇的主要内容 第一章、气体放电的基本物理过程 第二章、气体介质的电气强度 第三章、液体和固体介质的电气特性,输电线路以气体作为绝缘材料,电介质的分类 例图1,变压器相间绝缘以液体作为绝缘材料,电介质的分类 例图2,电气设备中常用的气体介质 ： 空气、压缩的高电气强度气体（如SF6） 纯净的、中性状态的气体是不导电的，只有气体中出现了带电粒子（电子、正离子、负离子）后，才可能导电，并在电场作用下发展成各种形式的气体放电现象。,第一章 气体放电的基本物理过程,辉光放电 气压较低，电源功率很小时，放电充满整个间隙。,电弧放电 大气压力下，电源功率较大时，放电具有明亮、持续的细致通道。,火花放电（雷闪） 大气压力下。电源功率较小时，间隙间歇性击穿，放电通道细而明亮。,因气体压力、电源功率、电极形状等因素的影响，放电具有多种形式,电晕放电 极不均匀电场，高电场强度电极附近出现发光薄层。,（2）本章主要内容 1.1 带电粒子的产生和消失 1.2 均匀电场中气体击穿的发展过程 1.3 不均匀电场中的放电过程 1.4 冲击电压下气隙的击穿特性 1.5 沿面放电和污闪事故,1.1.1 带电粒子在气体中的运动 (1) 自由行程长度运动引起的碰撞 (2) 带电粒子的迁移率沿电场方向漂移 (3) 扩散与粒子浓度有关,第一节 带电粒子的产生和消失,(1)自由行程长度,1）带电粒子在电场中的运动形式： 当气体中存在电场时，带电粒子进行热运动和沿电场定向运动（如图1-1所示）,第一节 带电粒子的产生和消失,2）自由行程长度和平均自由行程长度 粒子从这次碰撞到下次碰撞之间所走过的距离称为自由行程长度。 自由行程长度是随机值，具有分散性，所以我们引入平均值的概念。 平均自由行程长度： 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。,第一节 带电粒子的产生和消失,粒子的自由行程等于或大于某一距离x的概率为： ：粒子平均自由行程长度 令x=，可见粒子实际自由行程长度大于或等于平均自由行程长度的概率是36.8%。,由气体动力学可知，电子平均自由行程长度 式中： r：气体分子半径 N：气体分子密度,第一节 带电粒子的产生和消失,由于 代入上式得到： 式中： P：气压 T：气温 k：波尔兹曼常数 大气压和常温下平均自由行程长度数量级为10-5cm 3）定性分析：,第一节 带电粒子的产生和消失,(2)带电粒子的迁移率 1）迁移率的定义 迁移率表示单位场强下（1V/m)带电粒子沿电场方向的漂移速度。 2）定性分析： 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 结论：电子更易加速，电子的迁移率远大于离子。,第一节 带电粒子的产生和消失,(3) 扩散 1）扩散的定义： 热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使分布均匀化，这种过程称为扩散。 2）定性分析： 气压越低， 温度越高，扩散越快。 结论：电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度比离子快得多。,第一节 带电粒子的产生和消失,1.1.2 带电粒子的产生 (1)原子的电离和激励 (2) 电离的四种形式 按引起电离的外部能量形式不同，分为： 1）光电离 2）热电离 3）碰撞电离 4）电极表面电离,第一节 带电粒子的产生和消失,(1) 原子的电离和激励,第一节 带电粒子的产生和消失,(1)原子的电离和激励 原子的激励 当原子获得外部能量（电场、高温等） ，一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去，该现象称为激励。 激励能（We，电子伏eV） 原子的电离 原子在外界因素作用下，使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称为电离。 电离能（Wi，电子伏eV ）,第一节 带电粒子的产生和消失,电子要脱离原子核的束缚成为自由电子,则必须给予其能量。能量来源的不同带电粒子产生的方式就不同。 因此，根据电子获得能量方式的不同，带电粒子产生的方式可分为以下几种。,第一节 带电粒子的产生和消失,(2)电离的四种形式,1）光电离 定义：由光辐射引起气体分子电离的过程，称为光电离。 条件：当满足以下条件时，产生光电离： 光子来源：外界高能辐射线；气体放电本身 紫外线、宇宙射线、x射线等； 异号带电粒子复合成中性粒子释放出光子； 激励态分子回复到正常态释放出光子,第一节 带电粒子的产生和消失,2）热电离 定义：气体分子高热状态引起的碰撞导致电离过程，称为热电离。 条件：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m称为该气体的电离度。 下图为空气的电离度m与温度T的关系：,由图所示： 当T 104K时，才需考虑热电离； 当T 2*104K 时，几乎全部的分子都处于热电离状态,第一节 带电粒子的产生和消失,3）碰撞电离 定义：电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体分子引起的电离。它是气体中产生带电粒子的最重要的方式，主要是由电子完成。 条件：电子获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者，如果动能大于或等于气体分子的电离能Wi，该电子就有足够的能量完成碰撞电离。碰撞电离时应满足以下条件：,Xi表示电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离。它的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使Xi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。,第一节 带电粒子的产生和消失,因素： 外电场强弱； 能量的积累（移动距离的大小）。,4）电极表面的电离 定义：金属阴极表面发射电子的过程。 逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。 由于逸出功电离能，因此阴极表面电离可在下列情况下发生： 正离子撞击阴极表面 光电子发射 热电子发射 强场发射,光电离、热电离和碰撞电离均为空间电离，而电极表面电离为表面电离，它们均有利于电离过程。,第一节 带电粒子的产生和消失,附 着： 当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。 负离子产生的作用 负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。 电负性气体 氧/氟/氯等 SF6,1.1.3 负离子的产生,第一节 带电粒子的产生和消失,1.1.4 带电粒子的消失,带电粒子的消失可能有以下几种情况： 带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流； 带电粒子因扩散而逸出气体放电空间； 带电粒子的复合。 复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和现象。电离的逆过程 复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展。 放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之间的复合，参加复合的电子绝大多数是先形成负离子再与正离子复合。,第一节 带电粒子的产生和消失,本节内容小结,第一节 带电粒子的产生和消失,气体间隙中带电粒子的产生和消失是气体放电的一对基本矛盾，气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位。 气体中带电粒子的产生形式可以分为空间电离和表面电离。它们都与外界供给的能量有关，能量的形式主要是电场能、光辐射和热能，而能量的传递靠电子、光子或气体分子的热运动，其传递的过程主要是碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程。,第二节 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 2、汤逊气体放电理论 3、气体放电的流注理论,所谓均匀电场，就是在电场中，电场强度处处相等，如两个平行平板电极的电场（当然还要考虑边缘效应），如图所示,什么是均匀电场？,平行平板电极的电场,第二节 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,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,图1-3 气体中电流和电压的关系伏安特性曲线,图1-2 测定气体中电流的回路示意图,当UUa 在曲线Oa段，I随U的提高而增大。而且电流随电压按正比增长。,图1-3 气体放电的伏安特性曲线,实验分析结果,当UaU Ub 在曲线ab段，电流I0趋向于饱和。 因为这时外界电离因素所产生的带电粒子几乎能全部抵达电极，电流的大小仅取决于电离因素的强弱（光照射）而与所加电压无关。,图1-3 气体放电的伏安特性曲线,实验分析结果,当UbU Uc 在曲线bc段，电流又开始随电压的升高而增大。电流随电压的增加按指数规律增长。但当外电离因素消失，电流会迅速降低，这是由于气隙中出现了碰撞电离和电子崩。,图1-3 气体放电的伏安特性曲线,实验分析结果,过程,当UcU U0 在曲线cS段，当气隙上所加电压大于Uc时，实测I随电压U的增大不再遵循指数规律，而是更快一些。这时又出现了促进放电的新因素，这就是受正离子的影响。,图1-3 气体放电的伏安特性曲线,实验分析结果,过程+ 过程,当U0U 在S点以后，电压U U0时，电流急剧增加，无需外电离因素（光照射）就能维持间隙的放电过程，进入自持放电阶段。,图1-3 气体放电的伏安特性曲线,实验分析结果,当UU0 OA段：电流随电压升高而升高 AB段：电流仅取决于外电离因素与电压无关 BS段：电压升高电流增强但仍靠外电离维持 (非自持放电阶段) 当UU0 S点后：电流急剧增加，只靠外加电压就能维持(自持放电阶段),图1-3 气体放电的伏安特性曲线,实验分析结果,非自持放电:如果取消外电离因素，气体的放电过程就会停止，那么电流也将消失。这是依靠外电离因素和外电场因素共同作用而维持的放电。,图1-3 气体放电的伏安特性曲线,自持放电:气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。,非自持放电和自持放电,非自持 放电与 自持放 电的分 界点,由非自持放电转入自持放电的电压称为起始电压 如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电，而起始电压U0也就是间隙的击穿电压Ub 如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，在小曲率半径电极表面电场集中的区域发生电晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多。,起始电压U0,气体放电的现象与发展规律与气体种类、气压大小、气隙中的电场型式、电源容量等一系列因素有关。,但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 （1）过程 1）电子崩的形成,各种高能辐射线（外界电离因素）引起： 阴极表面光电离 气体中的空间光电离 因此：气体中存在一定浓度的带电粒子。,电子崩的形成,外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，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，产生更多电子。 依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。,电子数目将按2、4、82n 的指数规律增长,为什么？,(a) 电子崩的形成 (b) 带电粒子在电子崩中的分布,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 （1）过程 2） 过程引起的电流,电子崩的发展过程也称为过程, -电子碰撞电离系数： 一个电子沿着电场方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数平均值。,过程,如图为平板电极气隙，板内电场均匀，设外界电离因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数为n0。,由于碰撞电离和电子崩的结果，在它们到达x处时，电子数已增加为n，这n个电子在dx的距离中又会产生dn个新电子。,均匀电场中的电子崩计算模型,过程引起的电流,均匀电场中的电子崩计算模型,根据的定义：,表明：电子崩电流按指数规律随极间距离d 而增大。 因为一旦除去外界电离因素(令 )，放电就会停止。-非自持放电阶段,仅有过程不能维持放电的自持。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 （1）过程 3） 的分析,设电子的平均自由行程为e，运动1cm碰撞1/e。 但不是每次碰撞都引起电离，只有电子累积的动能大于分子电离能时，才产生电离，此时电子至少运动的距离为 根据第一节公式，实际自由行程长度等于或大于Xi概率为,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 （1）过程 3） 的分析,根据碰撞电力系数的定义 ，即可得出：,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 （1）过程 3） 的分析,由第一节内容可知，电子的平均自由长度,式中A、B是两个与气体种类有关的常数。,可以看出： 电场强度E增大时，急剧增大； P很大或很小时，都比较小。,所以，在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 （1）过程 小结,所有气体放电都有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段； 电子崩将产生急剧增大的空间电子流； 在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 （2） 过程 正离子表面电离系数, -一个正离子在电场作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面电离的电子数。,空间电离,表面电离,从阴极飞出n0个电子，到达阳极后，电子数将增加为： 正离子数： 正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数：,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 （3）自持放电条件（击穿条件）,其物理意义：由外电离因素从阴极产生的一个电子消失在阳极前，由过程形成的正离子数为：,正离子消失在阴极时，由过程（表面电离）在阴极上释放出二次电子数，即,如果,表示由过程在阴极上重新产生一个(或更多)电子，此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展，即转入自持放电。,设n0=1，放电由非自持转入自持的条件为：,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 （4） 过程和过程同时引起的电流,若分母 ，即使除去了外界电离因素（I0=0），放电也能维持下去。 因此过程和过程同时作用，能达到自持放电。,低气压、短气隙情况下气体的放电过程,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论,电子碰撞电离是气体电离的主要原因； 正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件。 阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。,汤逊理论的主要内容,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 （5）击穿电压和巴申定律,均匀电场气体的击穿电压Ub=自持放电电压U0 将 代入 可推得： 这条曲线称为巴申曲线。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 （5）击穿电压和巴申定律,左图给出了空气间隙的Ub与pd的关系曲线。从图中可见，首先，Ub并不仅仅由d决定，而是pd的函数；其次Ub不是单调函数，而是U型曲线，有极小值。,巴申定律：描述了气体的击穿电压Ub与pd的关系曲线（亦即Ub与 的关系曲线）,（1）击穿电压不仅由间隙距离d决定，而且也是pd的函数；,（）击穿电压不是pd的单调函数，而是U曲线，存在击穿电压的极小值；,（3）不同气体，其巴申曲线上的最低击穿电压不同，对应的pd值也不同；,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论,巴申定律的实际意义 从试验曲线上可以看出，存在一个最小值，总有一个气压对碰撞电离最有利，此时击穿电压最小； 气压很小时，气体稀薄，虽然电子自由行程大，可以得到足够的动能，但碰撞总数小，所以击穿电压升高； 气压很大时，电子自由行程变小，得到动能减小，所以击穿电压升高； 故当极间距离d不变时提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压，这一结论已被工程广泛使用（如：压缩空气开关、真空开关等）,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 （6）汤逊理论的适用范围,1） 适用范围 低气压，短间隙（pd值较小pd200mmHg.cm (26.66kPa cm)） 2）局限性 Pd值较大时，解释现象与实际不符： 放电时间：很短 放电外形：具有分支的细通道 击穿电压：与理论计算不一致 阴极材料：无关,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,气体放电流注理论仍以电子的碰撞电离过程为基础，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,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（1）二次电子崩,电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变； 在电场很小的区域，电子和正离子浓度最大，有利于完成复合； 强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离辐射源。 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。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（2）流注的形成,a)起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩； 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）作用下形成二次崩； 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,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（2）流注的形成,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。,流注理论认为：在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这时放电即转入新的流注阶段。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（2）流注的形成,流注的特点是电离强度很大， 传播速度很快（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，而不再依赖外界 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。 二次崩的电子进入初崩通道 后，便与正离子群构成了导电的 等离子通道，一旦等离子通道短 接了两个电极，放电即转为火花 放电或电弧放电。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（2）流注的形成,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（2）流注的形成,流注形成条件：初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值。,实验研究所得的常数值为,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（3）流注理论对pd很大时放电现象的解释,流注理论能够说明汤逊理论无法解释的一系列高气压、长气隙下出现的放电现象：,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离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,小 结,汤逊理论适用于 均匀电场、低气压、短间隙（pd值较小）气体的击穿； 流注理论适用于 均匀电场、大气压、长空气间隙（pd值较大）气体的击穿。 以pd=26.66kPacm作为分界参考；,注意：这两种理论各适用一定条件下的放电过程，不能用一种理论来代替另一种理论。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,小 结,(1)汤逊理论的基本观点： 电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。 (2)流注理论的基本观点： 以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程； 放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达108以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注； 流注一旦形成，放电转入自持。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,本节重点,汤逊放电理论和流注理论的适用范围； 汤逊理论描述的电子崩发展过程； 电子碰撞游离系数； 汤逊理论的自持放电条件及其物理解释； 巴申定律及其在实际中的应用； 流注理论与汤逊理论在考虑放电发展因素上的不同； 流注及其放电的发展过程； 流注及自持放电的形成条件。,练习题 教材P300： 1-2、1-3,第三节 不均匀电场中的放电过程,1、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征 2、电晕放电 3、极性效应 4、长气隙放电,电力系统中大多数的带电设备都处在长间隙不均匀电场中，如，变压器高压套管引出线对低压套管及壳；高压输电线对地；实验室的试验变压器高压端对墙等。那么，关于长间隙不均匀电场气体放电的物理过程又是如何发展的呢？,第三节 不均匀电场中的放电过程,1、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征,电场如何区分 均匀电场 放电达到自持，间隙即被击穿，击穿前看不到放电迹象 稍不均匀电场 与均匀电场相似 极不均匀电场 场强高的空间先发生电晕放电,第三节 不均匀电场中的放电过程,2、电晕放电,（1）电晕放电的一般描述 定义：电场极不均匀时，在小曲率半径电极附近很薄一层气体中具备自持放电条件，放电仅局限在小曲率半径电极周围很小范围内，而整个气隙尚未击穿。电晕放电也就是局部流注。 特点：极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段。极不均匀电场的自持放电现象，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。,电晕放电的现象 薄薄的发光层； 伴有“咝咝”放电声； 发出臭氧气味。,第三节 不均匀电场中的放电过程,2、电晕放电,（2）电晕起始电压和电晕起始场强 由于影响因素多，常利用实验方法求取，再利用表面电场强度和所加电压的关系推导出计算电晕起始场强Ec的经验公式。 以输电线路导线为例：（皮克公式）,在雨、雪、雾天气时，导线表面会出现许多水滴，它们在强电场和重力的作用下，将克服本身的表面张力而被拉成锥形，从而使导线表面的电场发生变化，结果在较低的电压和电场强度下就会出现电晕放电。,第三节 不均匀电场中的放电过程,2、电晕放电,（3）电晕放电的利弊,弊： 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，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。 电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。 电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。,第三节 不均匀电场中的放电过程,2、电晕放电,（3）电晕放电的利弊,利： 在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度。 操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。 电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。,第三节 不均匀电场中的放电过程,2、电晕放电,（4）防止和减轻电晕的方法,根本的途径是设法限制和降低导线的表面电场强度。 可采用扩径导线和空心导线，更加合适的措施是采用分裂导线。 分裂导线的电场强度与分导线的直径和分导线间的距离 d 有关。在某一最佳值d0 时最大电场强度会产生一极小值。,330-750kV的超高压线路，分裂数一般取2-4； 1000kV及以上的特高压线路分裂数就更多，例如取8或更大。,分裂导线：每相都用若干根直径较小的平行分导线来替换大直径导线。分裂数超过两根时，这些分导线通常被布置在一个圆的内接正多边形顶点上。,第三节 不均匀电场中的放电过程,3、极性效应,在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。但放电的发展过程、气隙的电气强度、放电电压等都与该电极的极性有密切的关系。极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。,第三节 不均匀电场中的放电过程,3、极性效应,决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电位符号： 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“棒-板”气隙。 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“棒-棒”气隙。,下面以典型的极不均匀电场-“棒-板”气隙为例，从流注的概念出发，说明放电的： 发展过程 极性效应,第三节 不均匀电场中的放电过程,3、极性效应,（1）正极性,空间电荷,削弱了棒极附近的电场强度阻止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高,加强了正离子群外部空间的电场当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区亦将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的。,正极性,棒极为正极性时，不容易发生电晕放电，但是起晕后到完全击穿电压低。,第三节 不均匀电场中的放电过程,3、极性效应,（2）负极性,空间电荷,削弱了朝向板极方向的电场强度当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整个气隙击穿将是不顺利的。,加强了朝向棒极端的电场强度促进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低。,负极性,棒极为负极性时，容易发生电晕放电，但起晕后，受空间电荷影响，使完全击穿电压升高。,第三节 不均匀电场中的放电过程,3、极性效应,在进行外绝缘的冲击高压试验时往往加正极性冲击电压，因为这时电气强度较低。在工频高压作用下，击穿均发生在外加电压为正极性的那半周内。,工程实际中，输电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生在正半波。,第三节 不均匀电场中的放电过程,4、长间隙放电,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。 流注发展到足够长度后，会出现新的强电离过程，通道的电导大增，形成先导通道，引起新的流注，导致先导进一步伸展。 所加电压达到或超过该气隙的击穿电压时，先导贯通整个气隙，使气隙击穿。 热电离在先导放电和主放电阶段均有重要的作用。,第三节 不均匀电场中的放电过程,本 节 重 点,稍不均匀电场和极不均匀电场的划分； 极不均匀电场的放电特征； 电晕放电的概念和导线起晕场强的计算； 极不均匀电场中的放电发展过程； 极性定义和极性效应。 习题：P300 1-5,第四节 冲击电压下的气隙击穿,1、放电时间 2、冲击电压波形的标准化 3、冲击电压下的气隙击穿特性,第四节 冲击电压下的气隙击穿,1、放电时间,（1）气隙击穿必备条件 足够大的电场强度或足够高的电压； 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子； 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。,第四节 冲击电压下的气隙击穿,1、放电时间,（2）放电时间的组成 放电的总时间 tb 由三部分组成：,tb = tl + ts + tf t1 所加电压从0上升到Us的时间； ts 统计时延，指从 tl 到气隙中出现第一个有效电子； tf放电形成时延，从出现有效电子到最终击穿。,tlag = ts + tf tlag放电时延,U越高，放电过程发展越快， tb和tlag越短,Us-间隙在工频或直流电压作用下的击穿电压称为静态击穿电压,第四节 冲击电压下的气隙击穿,2、冲击电压波形的标准化,（1）标准雷电冲击电压波 用来模拟电力系统中的雷电过电压波，采用非周期性双指数波。,国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为： T1=1.2s，容许偏差30% ； T2=50s，容许偏差20%； 通常写成1.2/50s，可在前面加上正、负号表示极性。,第四节 冲击电压下的气隙击穿,2、冲击电压波形的标准化,（2）标准雷电截波 用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后出现的截尾冲击波 。,国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为： T1=1.2s，容许偏差30% ； Tc=25s，容许偏差20%； 通常写成1.2/25s，可在前面加上正、负号表示极性。,第四节 冲击电压下的气隙击穿,2、冲击电压波形的标准化,（3）标准操作冲击电压波 用来等效模拟电力系统中操作过电压波，一般也用非周期性双指数波。,波前时间Tcr=250s, 容许偏差20%； 半峰值时间T2=2500s, 容许偏差60% 。 可写成250/2500s冲击波。,衰减震荡波，第一个半波的持续时间在20003000s之间，极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80%,第四节 冲击电压下的气隙击穿,3、冲击电压下的气隙击穿特性,（1） 50%冲击击穿电压 工程实际中广泛采用击穿概率百分比为50%时的电压U50%来表征气隙的冲击击穿特性。 U50%与Us之比称为冲击系数 均匀和稍不均匀电场下冲击击穿电压的分散性很小， 冲击系数 1。 极不均匀电场中由于放电时延较长，冲击系数均大于1，冲击击穿电压的分散性也较大，其标准偏差可取 3% 。,第四节 冲击电压下的气隙击穿,3、冲击电压下的气隙击穿特性,（2）伏秒特性 同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，空气间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线。 伏秒特性的制订方法：,保持冲击电压的波形不变（例如1.2/50s标准雷电冲击电压），改变冲击电压幅值； 当作用电压幅值不很高时，放电所需时间较长，放电发生在波尾；如曲线； 当作用电压幅值较高时，放电所需时间较短，放电发生在波前或波幅处，如曲线2、3。,把这种作用在间隙上的电压最大值与放电时间的关系曲线，称为绝缘的伏秒特性。,（即，图中1、2、3点所连的光滑曲线）,第四节 冲击电压下的气隙击穿,3、冲击电压下的气隙击穿特性,（2）伏秒特性,实际上伏秒特性具有统计分散性，是一个以上下包线为界的带状区域，为了方便的解决工程实际问题，通常采用将平均放电时间各点相连所得的平均伏秒特性或 50% 伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿电压。,第四节 冲击电压下的气隙击穿,3、冲击电压下的气隙击穿特性,（2）伏秒特性 电场均匀程度对曲线的影响,不均匀电场由于平均击穿电场强度较低,而且流注总是从强场区向弱场区发展,放电速度受到电场分布的影响,所以放电时延长,分散性大,其伏秒特性曲线在放电时间还相当大时,便随时间之减小而明显地上翘,曲线比较陡. 均匀或稍不均匀电场则相反,由于击穿时平均场强较高,流注发展较快,放电时延较短,其伏秒特性曲线较平坦.,第四节 冲击电压下的气隙击穿,3、冲击电压下的气隙击穿特性,（2）伏秒特性 实际意义,S1被保护设备的伏秒特性曲线 S2保护设备的伏秒特性曲线,为了使被保护设备得到可靠的保护,被保护设备绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线.,第四节 冲击电压下的气隙击穿,本 节 重 点,放电时间的组成为：tb = tl + ts + tf，放电时间和放电时延的概念； 雷电、雷电截波、操作波标准波形； 50冲击击穿电压； 伏秒特性的定义、求取伏秒特性的方法和伏秒特性的配合。,第五节 沿面放电和污闪事故,1、沿面放电的一般概念 2、沿面放电的类型与特点 3、沿面放电电压的影响因素和提高方法 4、固体表面有水膜时的沿面放电 5、绝缘子污染状态下的沿面放电 6、污闪事故的对策,第五节 沿面放电和污闪事故,1、沿面放电的一般概念,（1）沿面放电 沿着固体介质表面发展的气体放电现象。 电力系统中绝缘子、套管等固体绝缘在机械上起固定作用，又在电气上起绝缘作用，绝缘子和它所固定的带电导体绝大部分处在空气中，在绝缘子和空气的分界面上有时会出现放电现象，即沿面放电。 （2）闪络 若沿面放电发展到贯穿性的空气击穿，称为闪络。 沿面闪络电压比气体或固体单独存在时的击穿电压都低。,电力设备的绝缘事故中很多是沿面放电造成的，因而，其绝缘状况关系到整个电力系统的可靠运行。,第五节 沿面放电和污闪事故,2、沿面放电的类型与特点,b)界面上垂直分量很弱的极不均匀电场,c)界面上有强垂直分量的极不均匀电场,a)均匀电场,第五节 沿面放电和污闪事故,2、沿面放电的类型与特点,（1）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电 放电发生在沿着固体介质表面,且放电电压比纯空