第二章 气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘

1、气体击穿的理论(lln)分析和空气间隙绝缘主讲人：高宇高电压(diny)与绝缘技术实验室天津大学电气与自动化工程学院共一百一十二页主要(zhyo)内容2.1 气体放电主要形式简介2.2 带电质点的产生2.3 带电质点的消失2.4 均匀电场中气体击穿的发展过程2.5 不均匀电场中气体击穿的发展过程2.6 持续(chx)作用电压下空气的击穿电压2.7 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性2.8 操作冲击电压下空气间隙的击穿电压2.9 提高气体间隙击穿电压的措施共一百一十二页空气中存在带电粒子（宇宙射线等辐射电离作用）。击穿：气体由绝缘态变为良导电态的过程(guchng)。沿面闪络：气体-液体

2、，气体-固体界面的击穿过程。击穿电压：发生击穿的临界电压。击穿场强：击穿电压与间隙距离的比（介电强度）。第一节 气体放电(fng din)主要形式简介气体中流通电流的各种形式气体放电共一百一十二页第一节 气体放电主要形式(xngsh)简介辉光(hu un)放电电弧放电火花放电电弧放电共一百一十二页第一节 气体放电主要(zhyo)形式简介共一百一十二页第一节 气体放电主要(zhyo)形式简介电晕(din yn)放电刷形放电火花/电弧放电不均匀电场下共一百一十二页第一节 气体放电(fng din)主要形式简介共一百一十二页第二节 带电(di din)质点的产生带电质点的产生是形成放电(fng di

3、n)的基础。一、原子的激励和电离(一) 原子的能级能级：根据原子中电子的能量状态，原子具有一系列可取的确定能量状态，称为能级。共一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生(二) 原子的激励(jl)和电离原子核基态电子能量激励电离电离能复合一次电离：中性原子失去最外层电子。共一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生(二) 原子的激励(jl)和电离气体电离能N215.5O212.5CO213.7SF615.6H215.4H2O12.7共一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生二、气体中质点(zhdin)的自由行程 ：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞次数的倒数 。共

4、一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生二、气体中质点(zhdin)的自由行程受温度和气压影响电子的要比分子和离子的大得多的性质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0.1微米共一百一十二页第二节 带电(di din)质点的产生三、气体中带电(di din)质点的产生带电粒子的来源源于气体内部源于电极碰撞电离热电离光电离正离子碰撞光电子发射热电子发射强场发射共一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生三、气体(qt)中带电质点的产生(一) 碰撞电离中性原子电子E电子动能电离能气体中产生带电粒子的最主要原因共一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生三、气体中带电

5、(di din)质点的产生(二) 光电离中性原子光子能量电离能光子X射线、线共一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生三、气体(qt)中带电质点的产生(三) 热电离本质上与碰撞电离、光电离一致中性原子电子电子动能电离能高温在大电弧的情况下发生共一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生三、气体(qt)中带电质点的产生(四) 负离子的形成E负极正极气体分子要有很高的电负性 共一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生三、气体(qt)中带电质点的产生(四) 负离子的形成电子亲和能 元素电子亲合能（eV）电负性值F4.034.0Cl3.743.0Br3.652.8I3.302.5

6、共一百一十二页第二节 带电(di din)质点的产生四、金属表面电离(dinl)(一) 正离子碰撞阴极E负极正极正离子电子正离子的能量与金属电极的逸出功的关系共一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生四、金属表面电离(dinl)(一) 正离子碰撞阴极一些金属的逸出功金属逸出功（eV)铝4.08银4.73铜4.7铁4.48氧化铜5.34正离子从金属中释放自由电子的概率为0.01数量级共一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生四、金属表面电离(dinl)(二) 光电效应光子也可能被反射、吸收(热能)，仅一小部分使电子逸出E负极正极共一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生四

7、、金属表面电离(dinl)(三) 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E负极正极电场阈值共一百一十二页第二节 带电质点(zhdin)的产生四、金属表面电离(dinl)(三) 热电子发射E负极正极加热共一百一十二页第三节 带电质点(zhdin)的消失E负极(fj)正极带电粒子消失的三条途径：复合、扩散和中和复合中和扩散共一百一十二页第四节 均匀电场中气体(qt)击穿的发展过程一、非自持(zch)放电和自持(zch)放电非自持放电：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起始电压共一百一十二页第四节 均匀电场中气体击穿(j chun)的发展过

8、程二、汤逊气体(qt)放电理论(一) 过程引起的电流1、电子崩的形成E负极正极初始电子碰撞电离电子倍增碰撞电离电子崩 崩头崩尾共一百一十二页第四节 均匀电场(din chng)中气体击穿的发展过程2、 过程(guchng)引起的电流电子碰撞电离系数1 cm， 碰撞电离平均次数电子数：电流：共一百一十二页第四节 均匀电场中气体(qt)击穿的发展过程3、 的分析(fnx)的定义E增大，急剧增大；p很大或很小时，均很小。共一百一十二页第四节 均匀电场中气体击穿(j chun)的发展过程3、 的分析(fnx)共一百一十二页第四节 均匀电场中气体击穿的发展(fzhn)过程3、 的分析(fnx)共一百一十

9、二页第四节 均匀电场中气体击穿的发展(fzhn)过程(二)、 及 过程同时(tngsh)引起的电流1. 过程 过程:正离子沿电场方向行经1cm时，平均发生的碰撞电离次数。 过程: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。共一百一十二页第四节 均匀电场中气体(qt)击穿的发展过程2、 及 过程(guchng)同时引起的电流单位时间内阴极单位面积产生电子总数：到达阳极后的电子总数为：于是可建立关系式：共一百一十二页第四节 均匀电场中气体(qt)击穿的发展过程3、系数(xsh) 的大致数值于是可得：共一百一十二页第四节 均匀电场中气体击穿(j chun)的发展过程(三)、均匀电场(di

10、n chng)中的击穿电压1.自持放电条件在均匀电场下，就是击穿的条件2.击穿电压、巴申定律温度不变时，均匀电场中气体击穿电压Ub是pd的函数。共一百一十二页第四节 均匀电场中气体击穿(j chun)的发展过程(三)、均匀(jnyn)电场中的击穿电压1.自持放电条件对于空气，击穿电压极小值对应(pd)min=0.57(cm133Pa)共一百一十二页第四节 均匀电场中气体(qt)击穿的发展过程(四)、汤逊理论(lln)的适用范围气压很低时(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。1. 放电外形：带有分支的明亮细通道。2. 放电时间：放电时间较长（理论值

11、）3. 击穿电压：在pd较大时，计算值与实测值的差别较大。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无关。适用于pd先导-主放电正棒-负板负棒-正板共一百一十二页第五节 不均匀电场中气体(qt)击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿(j chun)、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程1.非自持放电阶段电晕放电起始前负极正极电离正空间电荷作用电离加强正电荷电子共一百一十二页第五节 不均匀电场中气体击穿(j chun)的发展过程四、极不均匀(jnyn)电场中的击穿、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程1.非自持放电阶段电晕放电起始前正极负极电离正空间电荷作用电离减弱正电

12、荷电子共一百一十二页第五节 不均匀电场中气体击穿(j chun)的发展过程四、极不均匀电场(din chng)中的击穿、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程1.非自持放电阶段电晕放电起始前极性效应：负电晕较正电晕容易发生共一百一十二页第五节 不均匀电场中气体击穿(j chun)的发展过程四、极不均匀电场中的击穿(j chun)、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程2.流注发展阶段流注放电正极负极电场加强，有利正流注发展电子崩流注场强增大流注加强放电共一百一十二页第五节 不均匀电场(din chng)中气体击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿(j chun)、极性效应(二)、极不均匀电

13、场中的放电过程2.流注发展阶段流注放电负极正极电子崩流注场强不足流注熄灭棒极前流注加强混合质通道场强增大流注开始放电共一百一十二页第五节 不均匀电场中气体击穿的发展(fzhn)过程四、极不均匀(jnyn)电场中的击穿、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程2.流注发展阶段流注放电共一百一十二页第五节 不均匀电场中气体击穿(j chun)的发展过程四、极不均匀(jnyn)电场中的击穿、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程3.先导放电电压升高流注不断汇入电荷密度增大温度高热电离先导先导出现后平均击穿场强低共一百一十二页第五节 不均匀电场中气体(qt)击穿的发展过程四、极不均匀电场中的击穿(j

14、 chun)、极性效应(二)、极不均匀电场中的放电过程4.主放电先导相当于延伸电极把棒极电位向下牵引主放电也称“最后跳跃”共一百一十二页第六节 持续(chx)作用电压下空气的击穿电压一、均匀电场(din chng)中的击穿电压其中，空气的相对密度电极间距击穿电压共一百一十二页第六节 持续(chx)作用电压下空气的击穿电压二、稍不均匀(jnyn)电场中的击穿电压(一) 击穿电压试验数据1. 击穿的一般规律稍不均匀电场的击穿和均匀电场相似:(a).击穿前不发生电晕(b).极性效应不明显(c).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。共一百一十二

15、页第六节 持续作用(zuyng)电压下空气的击穿电压二、稍不均匀(jnyn)电场中的击穿电压2. 球-球间隙共一百一十二页第六节 持续作用电压(diny)下空气的击穿电压(diny)二、稍不均匀电场(din chng)中的击穿电压(二). 击穿电压的估算同轴和偏心圆柱同心和偏心圆球共一百一十二页第六节 持续(chx)作用电压下空气的击穿电压三、极不均匀电场(din chng)中的击穿电压(一). 直流电压作用下显著特征：极性效应平均击穿场强：正极性棒-板间隙：7.5kV/cm负极性棒-板间隙：20kV/cm棒-棒间隙：8.5kV/cm共一百一十二页第六节 持续(chx)作用电压下空气的击穿电压

16、三、极不均匀电场(din chng)中的击穿电压(一). 直流电压作用下显著特征：极性效应平均击穿场强：正极性棒-板间隙：4.5kV/cm负极性棒-板间隙：10kV/cm正极性棒-棒间隙：4.8kV/cm共一百一十二页第六节 持续作用电压下空气(kngq)的击穿电压三、极不均匀(jnyn)电场中的击穿电压(二). 工频电压作用下特点：1、棒-板间隙击穿总是在棒的极性为正时击穿。2、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（见后页）3、平均击穿场强棒-棒间隙：3.8kV(有效值)/cm棒-板间隙：3.35kV(有效值)/cm 共一百一十二页第六节 持续作用电压(diny)下空气的

17、击穿电压(diny)三、极不均匀电场中的击穿(j chun)电压(二). 工频电压作用下共一百一十二页第七节 雷电冲击(chngj)电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性一、雷电冲击电压标准(biozhn)波形(一) 造成雷电过电压的原因共一百一十二页第七节 雷电冲击电压下空气(kngq)间隙的击穿电压及伏秒特性二、放电(fng din)时延共一百一十二页第七节 雷电(lidin)冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性二、放电(fng din)时延有效电子电极材料外施电压光照情况电场均匀度击穿过程间隙长度电场均匀度外施电压共一百一十二页第七节 雷电冲击电压(diny)下空气间隙的击穿电压(diny

18、)及伏秒特性三、雷电冲击50%击穿(j chun)电压击穿百分比为50%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4-6次击穿的电压就是该值。冲击系数：U50%与Us之比。均匀或稍不均匀电场： =1；极不均匀电场： 1共一百一十二页第七节 雷电冲击电压(diny)下空气间隙的击穿电压(diny)及伏秒特性三、雷电冲击50%击穿(j chun)电压1.均匀或稍不均匀电场中，击穿强度与前述的稳态电压下相等。2.极不均匀电场中的击穿电压，放电时延长，在间隙较长时，击穿可能发生在波尾。共一百一十二页第七节 雷电冲击电压下空气间隙(jin x)的击穿电压及伏秒

19、特性三、雷电(lidin)冲击50%击穿电压共一百一十二页第七节 雷电冲击电压下空气(kngq)间隙的击穿电压及伏秒特性四、伏秒特性(txng)工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。保持波形不变仅改变幅值共一百一十二页第七节 雷电冲击电压(diny)下空气间隙的击穿电压(diny)及伏秒特性四、伏秒特性(txng)伏秒特性是一个有上下包络线的带状区域。工程上通常取平均伏秒特性或50%伏秒特性表示气隙的击穿特性。共一百一十二页第七节 雷电冲击(chngj)电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性四、伏秒特性(txng)1）极不均匀电场（大间隙）

20、平均击穿场强较低，放电时延较长，只有大大提高电压，才能缩短放电时延。 S向左上角上翘2）较均匀电场（小间隙） 间隙各处场强相差不大，一但出现电离，很快贯穿整个间隙，放电时延短。 S只能在很小的时间内向上翘 共一百一十二页第七节 雷电冲击电压下空气间隙的击穿(j chun)电压及伏秒特性四、伏秒特性(txng)共一百一十二页第八节 操作冲击(chngj)电压下空气间隙的击穿电压一、操作冲击电压(diny)推荐波形共一百一十二页第八节 操作冲击电压(diny)下空气间隙的击穿电压(diny)二、操作(cozu)冲击50%击穿电压1.均匀或稍不均匀电场中，操作冲击的50%击穿电压与稳态值相同。2.在

21、极不均匀电场中，操作冲击的50%击穿电压存在明显的极性效应，饱和效应，且受到波形的影响严重。共一百一十二页第八节 操作冲击(chngj)电压下空气间隙的击穿电压二、操作(cozu)冲击50%击穿电压共一百一十二页第八节 操作(cozu)冲击电压下空气间隙的击穿电压二、操作冲击(chngj)50%击穿电压U50%极小值经验公式对于极间距1-20m的长间隙和试验结果符合均很好。共一百一十二页第九节 提高气体间隙(jin x)击穿电压的措施提高气体(qt)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电极形状空间电荷共一百一十二页第九节 提高气体间隙击穿电压(diny)的措施一、改

22、进(gijn)电极形状以改善电场分布电场均匀击穿场强高通过改善电极形状均匀电场方法：增大电极的曲率半径，消除电极表面毛刺，尖角 通常采用屏蔽的方法来增大电极的曲率半径，即在棒极的端部加装一只直径适当的金属球。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； 超高压线路上采用的扩径导线；共一百一十二页第九节 提高气体间隙(jin x)击穿电压的措施一、改进(gijn)电极形状以改善电场分布共一百一十二页第九节 提高气体间隙击穿电压(diny)的措施二、利用空间电荷畸变电场(din chng)的作用细线效应：当架空线路的导线直径减小到一定程度时，对应间隙的工频击穿场强反而会增大。其原因就是电晕产生的空间电荷改善了电场。利用空间电荷效应改善电场在应用中难度较大，因为空间电荷的密度、位置等均不易控制。电晕空间电荷改善电场共一百一十二页第九节 提高气体间隙(jin x)击穿电压的措施三、极不均匀电场(din chng)中的屏蔽作用共一百一十二页第九节 提高气体间隙击穿电压