第二章 气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘

1、主讲人：高宇主讲人：高宇 高电压与绝缘技术实验室高电压与绝缘技术实验室 天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 气体中流通电流的各种形式气体中流通电流的各种形式 辉光放电辉光放电 电弧放电电弧放电 火花放电火花放电 电弧放电电弧放电 电晕放电电晕放电 刷形放电刷形放电 火花火花/ /电弧放电电弧放电 带电质点的产生是形成放电的基础。带电质点的产生是形成放电的基础。 一、原子的激励和电离一、原子的激励和电离 ( (一一) ) 原子的能级原子的能级 能级：能级：根据原子中电根据原子中电 子的能量状态，原子子的能量状态，原子 具有一系列可取的确具有一系列可取的确 定能量状态，称为能

2、定能量状态，称为能 级。级。 ( (二二) ) 原子的激励和电离原子的激励和电离 一次电离：中性原子失去最外一次电离：中性原子失去最外 层电子。层电子。 ( (二二) ) 原子的激励和电离原子的激励和电离 气体电离能 N215.5 O212.5 CO213.7 SF615.6 H215.4 H2O12.7 二、气体中质点的自由行程二、气体中质点的自由行程 ：一个带电质点在向前行进：一个带电质点在向前行进1 1cm距离内，发生碰撞距离内，发生碰撞 次数的倒数次数的倒数 。 二、气体中质点的自由行程二、气体中质点的自由行程 P T 电子的电子的 要比分子和离子的大得多要比分子和离子的大得多 的性质

3、的性质 反映了带电质点自由运动的能力反映了带电质点自由运动的能力 空气中电子平均自由行程空气中电子平均自由行程0.1微米微米 三、气体中带电质点的产生三、气体中带电质点的产生 三、气体中带电质点的产生三、气体中带电质点的产生 ( (一一) ) 碰撞电离碰撞电离 中性原子中性原子 电子电子 电子动能电子动能 2 2 1 eev m 电离能电离能 i W 三、气体中带电质点的产生三、气体中带电质点的产生 ( (二二) ) 光电离光电离 中性原子中性原子 光子能量光子能量hW = 电离能电离能 i W X X射线、射线、线线 三、气体中带电质点的产生三、气体中带电质点的产生 ( (三三) ) 热电离

4、热电离本质上与碰撞电离、光电离一致本质上与碰撞电离、光电离一致 中性原子中性原子 电子电子 电子动能电子动能kT 2 3 电离能电离能 i W 在大电弧的情况下发生 三、气体中带电质点的产生三、气体中带电质点的产生 ( (四四) ) 负离子的形成负离子的形成 t Wmv 2 1 2 气体分子要有很高的电负性气体分子要有很高的电负性 三、气体中带电质点的产生三、气体中带电质点的产生 ( (四四) ) 负离子的形成负离子的形成 电子亲和能电子亲和能 元素元素电子亲合能（电子亲合能（eV）电负性值电负性值 F4.034.0 Cl3.743.0 Br3.652.8 I3.302.5 四、金属表面电离四

5、、金属表面电离 ( (一一) ) 正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极 h 电子电子 正离子的能量与金属电极的逸出功的关系正离子的能量与金属电极的逸出功的关系 四、金属表面电离四、金属表面电离 ( (一一) ) 正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极 一些金属的逸出功一些金属的逸出功 金属金属逸出功（逸出功（eV) 铝铝4.08 银银4.73 铜铜4.7 铁铁4.48 氧化铜氧化铜5.34 正离子从金属中释放自由电子的概率为正离子从金属中释放自由电子的概率为0.01数量级数量级 四、金属表面电离四、金属表面电离 ( (二二) ) 光电效应光电效应 光子也可能被反射、吸收光子也可能被反射、吸收(热能热能)，仅一小

6、部分使电子逸出，仅一小部分使电子逸出 t Wh 四、金属表面电离四、金属表面电离 ( (三三) ) 场致发射场致发射 一般气隙中不会发生，在高气压、高真空条件下可能存在一般气隙中不会发生，在高气压、高真空条件下可能存在 mV /108 电场阈值电场阈值 四、金属表面电离四、金属表面电离 ( (三三) ) 热电子热电子发射发射 t Wmv 2 1 2 h 复合复合 中和中和 扩散扩散 一、非自持放电和自持放电一、非自持放电和自持放电 非自持放电：去掉外电离因素后放电随即停止。非自持放电：去掉外电离因素后放电随即停止。 自持放电：仅由电场的作用而维持的放电自持放电：仅由电场的作用而维持的放电 自持

7、放电自持放电 起始电压起始电压 二、汤逊气体放电理论二、汤逊气体放电理论 ( (一一) ) 过程引起的电流过程引起的电流 1 1、电子崩的形成、电子崩的形成 初始电子初始电子碰撞电离碰撞电离电子倍增电子倍增碰撞电离碰撞电离电子崩电子崩 崩头崩头 崩尾崩尾 2 2、 过程引起的电流过程引起的电流 电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数 1 cm1 cm， 碰撞电离平均次数碰撞电离平均次数 x n 0 n dx dn )exp( 0 0 x dxnn)exp( 0 0 x dxII 3 3、 的分析的分析 1 N E U x i i = exp() Bp Ap E a=- )exp( 1 E Ui )e

8、xp( i x P p E f p 3 3、 的分析的分析 3 3、 的分析的分析 ( (二二) )、 及及 过程同时引起的电流过程同时引起的电流 1. 1. 过程过程 过程过程: :正离子沿电场方向行经正离子沿电场方向行经1cm1cm时，平均发生时，平均发生 的碰撞电离次数。的碰撞电离次数。 过程过程: :正离子碰撞阴极，气体空间形成的光子引正离子碰撞阴极，气体空间形成的光子引 发的电极表面光电离。发的电极表面光电离。 2 2、 及及 过程同时引起的电流过程同时引起的电流 单位时间内阴极单位面积产生电子总数：单位时间内阴极单位面积产生电子总数： nnnc 0 到达阳极后的电子总数为：到达阳极

9、后的电子总数为： d ca enn 于是可建立关系式：于是可建立关系式：)( ca nnn ) 1(1 0 d d a e e nn ) 1(1 0 d d e e II 3 3、系数、系数 的大致数值的大致数值 ) 1(1 0 d d e e II d d e e II 1 0 于是可得：于是可得： I I e d 0 ( (三三) )、均匀电场中的击穿电压、均匀电场中的击穿电压 1.1.自持放电条件自持放电条件 ) 1(1 0 d d e e II 1) 1( d e 在均匀电场下，就是击穿的条件在均匀电场下，就是击穿的条件 2.2.击穿电压、巴申定律击穿电压、巴申定律 /1ln ln A

10、pd Bpd U b 温度不变时，均匀电场温度不变时，均匀电场 中气体击穿电压中气体击穿电压U Ub b是是pdpd 的函数。的函数。 ( (三三) )、均匀电场中的击穿电压、均匀电场中的击穿电压 1.1.自持放电条件自持放电条件 对于空气，击穿电压极小值对应对于空气，击穿电压极小值对应(pd)min=0.57(cm133Pa) ( (四四) )、汤逊理论的适用范围、汤逊理论的适用范围 气压很低时气压很低时( (真空），场致发射起作用，机理改变。真空），场致发射起作用，机理改变。 气压很高时，很多击穿现象无法在汤逊理论范围内解释。气压很高时，很多击穿现象无法在汤逊理论范围内解释。 1. 1.

11、放电外形：带有分支的明亮细通道。放电外形：带有分支的明亮细通道。 2. 2. 放电时间：放电时间较长（理论值）放电时间：放电时间较长（理论值） 3. 3. 击穿电压：在击穿电压：在pd较大时，计算值与实测值的差别较大。较大时，计算值与实测值的差别较大。 4. 4. 阴极材料：在大气压下空气中实测得到的击穿电压与阴极材料：在大气压下空气中实测得到的击穿电压与 阴极材料无关。阴极材料无关。 适用于适用于pd-先导先导-主放电主放电 正正棒棒- -负板负板 负棒负棒- -正板正板 四、极不均匀电场中的击穿、极性效应四、极不均匀电场中的击穿、极性效应 ( (二二) )、极不均匀电场中的放电过程、极不均

12、匀电场中的放电过程 1.1.非自持放电阶段非自持放电阶段电晕放电起始前电晕放电起始前 负极负极 正极正极 电离电离正空间电荷作用正空间电荷作用电离加强电离加强 正电荷正电荷电子电子 四、极不均匀电场中的击穿、极性效应四、极不均匀电场中的击穿、极性效应 ( (二二) )、极不均匀电场中的放电过程、极不均匀电场中的放电过程 1.1.非自持放电阶段非自持放电阶段电晕放电起始前电晕放电起始前 正极正极 负极负极 电离电离正空间电荷作用正空间电荷作用电离减弱电离减弱 正电荷正电荷电子电子 四、极不均匀电场中的击穿、极性效应四、极不均匀电场中的击穿、极性效应 ( (二二) )、极不均匀电场中的放电过程、极

13、不均匀电场中的放电过程 1.1.非自持放电阶段非自持放电阶段电晕放电起始前电晕放电起始前 极性效应：负电晕较正电晕容易发生极性效应：负电晕较正电晕容易发生 四、极不均匀电场中的击穿、极性效应四、极不均匀电场中的击穿、极性效应 ( (二二) )、极不均匀电场中的放电过程、极不均匀电场中的放电过程 2.2.流注发展阶段流注发展阶段流注放电流注放电 E 电场加强电场加强 ，有利正，有利正 流注发展流注发展 电子崩电子崩流注流注场强增大场强增大流注加强流注加强放电放电 四、极不均匀电场中的击穿、极性效应四、极不均匀电场中的击穿、极性效应 ( (二二) )、极不均匀电场中的放电过程、极不均匀电场中的放电

14、过程 2.2.流注发展阶段流注发展阶段流注放电流注放电 E E 电子崩电子崩流注流注场强不足场强不足流注熄灭流注熄灭 棒极前流棒极前流 注加强注加强 混合质通道混合质通道 场强增大场强增大流注开始流注开始 放电 四、极不均匀电场中的击穿、极性效应四、极不均匀电场中的击穿、极性效应 ( (二二) )、极不均匀电场中的放电过程、极不均匀电场中的放电过程 2.2.流注发展阶段流注发展阶段流注放电流注放电 四、极不均匀电场中的击穿、极性效应四、极不均匀电场中的击穿、极性效应 ( (二二) )、极不均匀电场中的放电过程、极不均匀电场中的放电过程 3.3.先导放电先导放电 电压升高电压升高流注不断汇入流注

15、不断汇入电荷密度增大电荷密度增大温度高热电离温度高热电离先导先导 先导出现后先导出现后 平均击穿场强低平均击穿场强低 四、极不均匀电场中的击穿、极性效应四、极不均匀电场中的击穿、极性效应 ( (二二) )、极不均匀电场中的放电过程、极不均匀电场中的放电过程 4.4.主放电主放电 先导相当于延伸电极先导相当于延伸电极 把棒极电位向下牵引把棒极电位向下牵引 主放电也称主放电也称“最后跳跃最后跳跃” 一、均匀电场中的击穿电压一、均匀电场中的击穿电压 kVddUb08. 622.24 其中，其中， 空气的相对密度空气的相对密度 d 电极间距电极间距 b U 击穿电压击穿电压 二、稍不均匀电场中的击穿电

16、压二、稍不均匀电场中的击穿电压 ( (一一) ) 击穿电压试验数据击穿电压试验数据 1. 1. 击穿的一般规律击穿的一般规律 稍不均匀电场的击穿和均匀电场相似稍不均匀电场的击穿和均匀电场相似: : (a).(a).击穿前不发生电晕击穿前不发生电晕 (b).(b).极性效应不明显极性效应不明显 (c).(c).交流、直流、冲击电压下的击穿电压相同；分散性小。交流、直流、冲击电压下的击穿电压相同；分散性小。 稍不均匀电场中，电场越均匀，其击穿电压就越高。稍不均匀电场中，电场越均匀，其击穿电压就越高。 二、稍不均匀电场中的击穿电压二、稍不均匀电场中的击穿电压 2. 2. 球球- -球间隙球间隙 二、

17、稍不均匀电场中的击穿电压二、稍不均匀电场中的击穿电压 ( (二二). ). 击穿电压的估算击穿电压的估算 fdfdEUb/30/ 0 r E 35.13 2 .27 0 ) 1 1 (24 0 r E 同轴和偏心圆柱同轴和偏心圆柱同心和偏心圆球同心和偏心圆球 三、极不均匀电场中的击穿电压三、极不均匀电场中的击穿电压 ( (一一). ). 直流电压作用下直流电压作用下 显著特征：显著特征： 平均击穿场强：平均击穿场强： 正极性棒正极性棒- -板间隙：板间隙：7.5kV/cm7.5kV/cm 负极性棒负极性棒- -板间隙：板间隙：20kV/cm20kV/cm 棒棒- -棒间隙：棒间隙：8.5kV/

18、cm8.5kV/cm 三、极不均匀电场中的击穿电压三、极不均匀电场中的击穿电压 ( (一一). ). 直流电压作用下直流电压作用下 显著特征：显著特征： 平均击穿场强：平均击穿场强： 正极性棒正极性棒- -板间隙：板间隙：4.5kV/cm4.5kV/cm 负极性棒负极性棒- -板间隙：板间隙：10kV/cm10kV/cm 正极性棒正极性棒- -棒间隙：棒间隙：4.8kV/cm4.8kV/cm 三、极不均匀电场中的击穿电压三、极不均匀电场中的击穿电压 ( (二二). ). 工频电压作用下工频电压作用下 特点：特点： 1 1、棒、棒- -板间隙击穿总是在棒的极性板间隙击穿总是在棒的极性 为正时击穿

19、。为正时击穿。 2 2、击穿电压与距离近似成直线关、击穿电压与距离近似成直线关 系，大间隙下击穿电压有饱和趋势系，大间隙下击穿电压有饱和趋势 （见后页）（见后页） 3 3、平均击穿场强、平均击穿场强 棒棒- -棒间隙：棒间隙：3.8kV(3.8kV(有效值有效值)/cm)/cm 棒棒- -板间隙：板间隙：3.35kV(3.35kV(有效值有效值)/cm)/cm 三、极不均匀电场中的击穿电压三、极不均匀电场中的击穿电压 ( (二二). ). 工频电压作用下工频电压作用下 一、雷电冲击电压标准波形一、雷电冲击电压标准波形 ( (一一) ) 造成雷电过电压的原因造成雷电过电压的原因 s50/2.1

20、二、放电时延二、放电时延 二、放电时延二、放电时延 fSb tttt+= 0 s t有效电子有效电子 电极材料电极材料 外施电压外施电压 光照情况光照情况 电场均匀度电场均匀度 f t击穿过程击穿过程 间隙长度间隙长度 电场均匀度电场均匀度 外施电压外施电压 三、雷电冲击三、雷电冲击50%击穿电压击穿电压 时的电压，称为。 工程上采用该值表征气隙的冲击击穿特性，一般认 为外施10次冲击电压，发生的电压就是该 值。 ：U50%与Us之比。均匀或稍不均匀电场： =1；极不均匀电场： 1 三、雷电冲击三、雷电冲击50%击穿电压击穿电压 三、雷电冲击三、雷电冲击50%击穿电压击穿电压 四、伏秒特性四、

21、伏秒特性 工程上用间隙上出 现的和 的关系来 表征间隙在冲击电 压下的击穿特性， 称为。 保持波形不变保持波形不变 仅改变幅值仅改变幅值 四、伏秒特性四、伏秒特性 伏秒特性是一个有 。 工程上通常 或 表示气隙的击穿特性。 四、伏秒特性四、伏秒特性 1 1）极不均匀电场（大间隙）极不均匀电场（大间隙） 平均击穿场强较低，放电时延平均击穿场强较低，放电时延 较长，只有大大提高电压，才能缩较长，只有大大提高电压，才能缩 短放电时延。短放电时延。 S S向左上角上翘向左上角上翘 2 2）较均匀电场（小间隙）较均匀电场（小间隙） 间隙各处场强相差不大，一间隙各处场强相差不大，一 但出现电离，很快贯穿整

22、个间隙，但出现电离，很快贯穿整个间隙， 放电时延短。放电时延短。 S S只能在很小的时间内向上翘只能在很小的时间内向上翘 四、伏秒特性四、伏秒特性 一、操作冲击电压推荐波形一、操作冲击电压推荐波形 %602500= %20250= sT sT t f 二、操作冲击二、操作冲击50%击穿电压击穿电压 二、操作冲击二、操作冲击50%击穿电压击穿电压 二、操作冲击二、操作冲击50%击穿电压击穿电压 d U 8 1 4 . 3 min50 U50%极小值经验公式极小值经验公式 对于极间距对于极间距1-20m的长间的长间 隙和试验结果符合均很好。隙和试验结果符合均很好。 提高气体间隙击穿电压的思路提高气体间隙击穿电压的思路 改善电场 分布，使 其尽量均 匀 削弱气体 中的电离 过程 一、改进电极形状以改善电场分布一、改进电极形状以改善电场分布 增大电极的曲率半径，消除电极表面毛刺，尖角增大电极的曲率半径，消除电极表面毛刺，尖角 实例：大型试验设备出线端的球形电极；实例：大型试验设备出线端的球形电极； 超高压线路绝缘子串上的均压环；超高压线路绝缘子串上的均压环； 超高压线路上采用的扩径导线超高压线路上采用的扩径导线； 一、改进电极形状以改善电场分布一、改进电极形状以改善电场分布 二、利用空间电荷畸变电场的作用二、利用空间电荷畸变电场的作用