高电压技术-第1章气体的绝缘特性与介质的电气强度终ppt课件

1、第第1章章 气体的绝缘特性与气体的绝缘特性与介质的电气强度介质的电气强度 高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其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，再加上其本钱非常击穿后也有完全的绝缘自恢复特性，再加上其本钱非常廉价，因此气体成为了在实践运用中最常见的绝缘介质。廉价，因此气体成为了在实践运用中最常见的绝缘介质。 气体击穿过程的实际研讨虽然还不完善，但是相对于其气体击穿过程的实际研讨虽然还不完善，但是相对于其他几种绝缘资料来说最为完好。因此，高电压

2、绝缘的论他几种绝缘资料来说最为完好。因此，高电压绝缘的论述普通都由气体绝缘开场。述普通都由气体绝缘开场。 1.1 气体放电的根本物理过程气体放电的根本物理过程1.1 气体放电的根本物理过程气体放电的根本物理过程1.1.1 带电质点的产生带电质点的产生 气体放电是对气体中流通电流的各种方式统称。 由于空气中存在来自空间的辐射，气领会发生微弱的电离而产生少量的带电质点。 正常形状下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体； 在呈现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能。 1.1.1 带电质点的产生带电质点的产生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

3、比值m称为该气体的电离度。 以以下图为不同温度下空气和 气体的热电离程度。图图1-1 1-1 不同温度下空气和气体的热电离程度不同温度下空气和气体的热电离程度6SF1.1.1 带电质点的产生带电质点的产生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1-21.1.1 带电质点的产生带电质点的产生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 1-3eExmv 221221mvEx1.1.1 带电质点的产生带电质点的产生ieExW式中： ：电子的电荷量 ：外电

4、场强度 ：电子挪动的间隔 eEx1-4 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，那么会发生电离。 电离条件为 1.1.1 带电质点的产生带电质点的产生 为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前必需经过的间隔 为：EUEqWxieii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。ixix1-41.1.1 带电质点的产生带电质点的产生4分级电离 当逸出功电离能时，阴极外表电离可在以下情况下发生： 正离子撞击阴极外表 光电子发射 强场发射 热电子发射1

5、.1.1 带电质点的产生带电质点的产生 2、电极外表的电子逸出逸出功使电子从金属外表逸出需求的能量。 不同金属的逸出功不同，如表1-2所示：1.1.1 带电质点的产生带电质点的产生 电子从电极外表逸出所需的能量可经过下述途径获得电子从电极外表逸出所需的能量可经过下述途径获得: : 1正离子撞击阴极 2光电子发射 3强场发射 4热电子发射 1.1.1 带电质点的产生带电质点的产生 3、气体中负离子的构成 附着：电子与气体分子碰撞时，不但有能够引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，也能够发生电子附着过程而构成负离子。 负离子的构成并未使气体中带电粒子的数目改动，但却能使自在电子数减少，因此对气体放电

6、的开展起抑制造用。 电子亲合能：使基态的气体原子获得一个电子构成负离子时所放出的能量，其值越大那么越易构成负离子。 电子亲合能未思索原子在分子中的成键作用，为了阐明原子在分子中吸引电子的才干，在化学中引入电负性概念。 电负性：一个无量纲的数，其值越大阐明原子在分子中吸引电子的才干越大 。 1.1.1 带电质点的产生带电质点的产生表l-3列出了卤族元素的电子亲合能与电负性数值 1.1.2 带电质点的消逝带电质点的消逝 带电质点的消逝能够有以下几种情况： 带电质点受电场力的作用流入电极 ；带电质点因分散而逸出气体放电空间；带电质点的复合。 复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有能够发生电荷的传送

7、与复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有能够发生电荷的传送与中和，这种景象称为复合。中和，这种景象称为复合。 复合能够发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一复合能够发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一个中性分子；个中性分子；复合也能够发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产复合也能够发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。生两个中性分子。1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际气体放电景象与规律因气体的种类、气压和间隙中电场的均匀度而异。但气体放电都有从电子碰撞电分开场开展到电子崩的阶段。 1非自持放电和自持放电的不同特点

8、 宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面正、负带电质点又在不时复合，使气体空间存在一定浓度的带电质点。因此，在气隙的电极间施加电压时，可检测到微小的电流。1、放电的电子崩阶段1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际由图1-3可知： 1在I-U曲线的OA段：气隙电流随外施电压的提高而增大，这是由于带电质点向电极运动的速度加快导致复合率减小。当电压接近 时，电流趋于饱和，由于此时由外电离要素产生的带电质点全部进入电极，所以电流值仅取决于外电离要素的强弱而与电压无关。图图1 13 3 气体间隙中电流与外施电压的气体间隙中电流与外施电压的关系关系AU1.1.3

9、 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际 2在I-U曲线的B、C点：电压升高至 时，电流又开场增大，这是由于电子碰撞电离引起的，由于此时电子在电场作用下已积累起足以引起碰撞电离的动能。电压继续升高至 时，电流急剧上升，阐明放电过程又进入了一个新的阶段。此时气隙转入良好的导电形状，即气体发生了击穿。图图1 13 3 气体间隙中电流与外施电压的气体间隙中电流与外施电压的关系关系BU0U1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际 3在I-U曲线的BC段： 虽然电流增长很快，但电流值仍很小，普通在微安级，且此时气体中的电流仍要靠外电离要素来维持，一旦去除外电离要素，气隙电流将消逝。图图13 气体间隙中电流

10、与外施电压的气体间隙中电流与外施电压的关系关系0U 因此，外施电压小于 时的放电是非自持放电。电压到达 后，电流剧增，且此时间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需求外电离要素了。外施电压到达 后的放电称为自持放电， 称为放电的起始电压。0U0U0U2电子崩的构成 外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，假设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。图图1 14 4 电子崩的表示图电子崩的表示图 1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际 依此

11、，电子将按照几何级数不时增多，类似雪崩似地开展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。 为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入电子碰撞电离系数 。:表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完成的碰撞电离次数平均值。 如图1-5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外表发射出来的初始电子数为n0。图图1 15 5 计算间隙中电子数增长的表示图计算间隙中电子数增长的表示图 由于碰撞电离和电子崩的结果，在它们到达x处时，电子数已添加为n，这n个电子在dx的间隔 中又会产生dn个新电子。1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际根据碰撞电离系数 的定义，可得：分别变量并积分之，可

12、得：xdxenn00(1-8) 对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度一样， 值不随x而变化，所以上式可写成：xenn0(1-9)(1-7)xndnd抵达阳极的电子数应为：daenn0(1-10)途中新添加的电子数或正离子数应为：) 1(00daennnn(1-11) 将式(1-8)的等号两侧乘以电子的电荷 ，即得电流关系式：eq式(1-12)中，eqnI00deII0(1-12)1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际 式(1-12) 阐明：虽然电子崩电流按指数规律随极间间隔d而增大，但这时放电还不能自持，由于一旦除去外界电离因子(令 )，即电流变为零。deII000I1.1.3 电子崩

13、与汤逊实际电子崩与汤逊实际3影响碰撞电离系数的要素假设电子的平均自在行程为 ，那么在1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为 。1(1-13)由上式积分得：/0 xenndxndn 设在 处有 个电子沿电力线方向运动，行经间隔 时还剩下 个电子未发生过碰撞，那么在 到 这一间隔中发生碰撞的电子数应为：0 xxn0nxdxx1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际 由式(1-4)可知，实践自在行程长度等于或大于xi的概率为 ，所以也就是碰撞电离的概率。 根据碰撞电离系数 的定义，即可得出：iexeEUexeeieiee11(1-14) 由第一节公式 内容可知，电子的平均自在长度 与气温 成正比、

14、与气压 成反比，即：TprkTe2eppTe(1-15)当气温 不变时，式(1-14)即可改写为：T式中A、B是两个与气体种类有关的常数。由上式不难看出：电场强度E增大时， 急剧增大; 很大或很小时， 都比较小。pEBpApe(1-16)1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际 所以，在高气压和高真空下，气隙不易发生放电景象，具有较高的电气强度。高气压时， 很小，单位长度上的碰撞次数很多，但能引起电离的概率很小；低气压和真空时， 很大，总的碰撞次数少，所以 也比较小。ee2、汤逊实际 前述，只需电子崩过程是不会发生自持放电的。要到达自持放电的条件，必需在气隙内初始电子崩消逝前产生新的电子二

15、次电子来取代外电离要素产生的初始电子。 实验景象阐明，二次电子的产活力制与气压和气隙长度的乘积 有关。 值较小时自持放电的条件可用汤逊实际来阐明； 值较大时那么要用流注实际来解释。pdpdpd1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际1 过程与自持放电条件 由于阴极资料的外表逸出功比气体分子的电离能小很多，因此正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电子。此外正负离子复合时，以及分子由鼓励态跃迁回正常态时，所产生的光子到达阴极外表都将引起阴极外表电离，统称为 过程。 为引入系数。1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际 设外界光电离要素在阴极外表产生了一个自在电子，此电子到达阳极外表时由于 过程，

16、电子总数增至 个。因在对 系数进展讨论时已假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有 1)个正离子。由系数 的定义，此 1个正离子在到达阴极外表时可撞出 1个新电子，这些电子在电极空间的碰撞电离同样又能产生更多的正离子，如此循环下去。dededede1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际自持放电条件为 ：一个正离子撞击到阴极外表时产生出来的二次电子数 ：电子碰撞电离系数：两极板间隔d 此条件物理概念非常清楚，即一个电子在本人进入阳极后可以由 及 过程在阴极上又产生一个新的替身，从而无需外电离要素放电即可继续进展下去。1) 1(de(1-21)1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际2

17、汤逊放电实际的适用范围 汤逊实际是在低气压、 较小的条件下在放电实验的根底上建立的。 过小或过大，放电机理将呈现变化，汤逊实际就不再适用了。dd 过小时，气压极低 过小在实践上是不能够的 ， 过小， 远大于 ，碰撞电离来不及发生，击穿电压似乎应不时上升，但实践上电压U上升到一定程度后，场致发射将导致击穿，汤逊的碰撞电离实际不再适用，击穿电压将不再添加。d/dd1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际 过大时，气压高，或间隔 大，这时气体击穿的很多实验景象无法全部在汤逊实际范围内给以解释：放电外形；放电时间；击穿电压；阴极资料。d 因此，通常以为， 0.26 cmpd200 cm mmHg时

18、，击穿过程将发生变化，汤逊实际的计算结果不再适用，但其碰撞电离的根本原理仍是普遍有效的。d1.1.3 电子崩与汤逊实际电子崩与汤逊实际1.1.4 巴申定律与适用范围巴申定律与适用范围1、巴申定律 早在汤逊实际出现之前，巴申(Paschen)就于1889年从大量的实验中总结出了击穿电压 与 的关系曲线，称为巴申定律，即)(pdfUb(1-23)bupdpdfub图1-7给出了空气间隙的 与 的关系曲线。从图中可见，首先， 并不仅仅由 决议，而是 的函数；其次 不是 的单调函数，而是U型曲线，有极小值。bupdbudpdbupd图图1-7 1-7 实验求得的均匀场不同气体间隙实验求得的均匀场不同气

19、体间隙 曲线曲线 不同气体，其巴申曲线上的最低击穿电压 ，以及 使 的 值各不一样。对空气， 的极小值为 。min,bUmin,bbUu mindbuVUb325min,d此极小值出如今 cm时，即 的极小值不是出如今常压下，而是出如今低气压，即空气相对密度很小的情况下。575 10dbupdfub图1-7 实验求得的均匀场不同气体间隙 曲线1.1.4 巴申定律与适用范围巴申定律与适用范围1.1.5不均匀电场中的气体放电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。全封锁组合电器GIS的母线筒和高压实验室中丈量电压用

20、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那么属于极不均匀电场。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，在实践电力设备中常见的却是不均匀电场。 为了描画各种构造的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数f，表示为：f4属不均匀电场。vEEfmax(1-26):最大电场强度vE:平均电场强度dUEvmaxE1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电2. 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，在空气间隙完全击穿之前，小曲率电极高场强电极附近会有薄薄的发光层，这种放电

21、景象称为电晕。 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电方式。开场出现电晕时的电压称为电晕起始电压 ，而此时电极外表的场强称为电晕起始场强 。cUcE1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电 根据电晕层放电的特点，可分为两种方式：电子崩方式和流注方式。1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电 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方式，即呈现电子崩式的电晕。随着电压升高，电晕层不时扩展，个别电子崩构成流注，呈现放电的脉冲景象，开场转入流注方式的电晕放电。 假设电极曲率半径加小，那么电晕一开场就很剧烈，一呈现就构成流

22、注的方式。电压进一步升高，个别流注快速开展，呈现刷状放电，放电脉冲更剧烈，最后贯穿间隙，导致间隙完全击穿。冲击电压下，电压上升极快，因此电晕从一开场就具有流注的方式。迸发电晕时能听到声，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普通由实验总结出的阅历公式来计算，电晕的产生主要取决于电极外表的场强，所以研讨电晕起始场强 和各种要素间的关系更直接。cE 对于输电线路的导线，在规范大气压下其电晕起始场强 的阅历表达式为此处指点线的外表场强，交流电压下用峰值表示：cE式中r导线半径，单位cm。)3 . 01 (30rEc(1-28)kV/cm1.1.5不均匀电场中的气体

23、放电不均匀电场中的气体放电1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电 式1-28阐明导线半径 r 越小那么 值越大。由于r越小，那么电场就越不均匀，也就是间隙中场强随着其离导线的间隔 添加而下降得更快，而碰撞电离系数 随离导线间隔 的添加而减小得越快。所以输电线路起始电晕条件为:cE 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)时导线外表场强应越高。 式(1-28)阐明，当 r 时， =30kV/cm。cEKdxcx0(1-29) 而对于非规范大气条件，那么进展气体密度修正以后的表达式为rEc3 . 0130(1-30)kV/cm 式中 气

24、体相对密度1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电 实践上导线外表并不光滑，所以对于绞线要思索导线的外表粗糙系数 。此外对于雨雪等使导线外表偏离理想形状的要素雨水的水滴使导线外表构成突起的导电物可用系数 加以思索。1m2m 理想光滑导线 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1m1m2mcEcU 对于间隔为 d 的两根平行导线 那么可写出rd rdrEUccln2rhrEUcc2ln(1-32)1-33 此时式1-30那么写为rmmEc3 . 013021(1-31)kV/cm1.

25、1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电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响，都会耗费一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必需思索的要素。 电晕放电中，由于电子崩和流注不时消逝和重新呈现所构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，并有能够超出环境维护所允许的规范。降低电晕的方法：从根本上设法限制和降低导线的外表电场强度。 在选择导线的构造和尺寸时，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允许程度以下。 对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最正确的分裂距，使导线外表最

26、大电场强度值最小。1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电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，对放电开展的影响也就不同，这就构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。1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电棒板间隙这种典型的极不均匀场 当棒具有正极性时，间隙中呈现的电子向棒运动，进入强电场区，开场引起电离景象而构成电子崩，如图1-8a所示。随着电压的逐渐上升，到构成自持放电迸发电晕

27、之前，在间隙中构成相当多的电子崩。exEspE图图1 18 8 正棒负板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场畸变作用正棒负板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场畸变作用 外电场外电场 空间电荷电场空间电荷电场exEspE 当电子崩到达棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极挪动。于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，如图1-8b所示。这样就减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。因此，棒极附近的电场被减弱，难以构成流注，这就使得放电难以得到自持。1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电图

28、图19 负棒正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用负棒正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用 外电场外电场 空间电荷电场空间电荷电场exEspE 电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消逝于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。结果在棒极附近呈现了比较集中的正空间电荷，而在其后那么是非常分散的负空间电荷，如图1-9b所示。1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电图图1 19 9 负棒正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用负棒正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用 外电场外电场 空间电荷电场空间电荷电场exEspE

29、 负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。棒极附近的电场得到加强，因此自持放电条件易于满足、易于转入流注而构成电晕放电。1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电图图1 110 10 两种极性下棒板间隙的电场分布图两种极性下棒板间隙的电场分布图 a a正棒负板正棒负板 b b负棒正板负棒正板 - -电场场强电场场强 棒极到板极的间隔棒极到板极的间隔Ex 图1-10是两种极性下棒板间隙的电场分布图，其中曲线1为外电场分布，曲线2为经过空间电荷畸变以后的电场。 经过实验已证明，棒板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高。 而极性效应的另一个表现，就是间隙击穿电压的不同。随着电压升高，在紧贴棒极附近，构成流注，产生电晕；以后在不同极性下空间电荷对放电的进一步开展所起的影响就和对电晕起始的影响相异了。负极性下的击穿电压应较正极性时为高。1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电5长间隙击穿过程 在间隙间隔 较长时，存在某种新的、不同性质的放电过程，称为先导放电。长间隙放电电压的饱和景象可由先导放电景象作出解释。1.1.5不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放