1、高电压技术全册配套最完整高电压技术全册配套最完整 精品课件精品课件1 高电压技术 讲授：马淋淋 3 教材及主要参考书 v高电压技术（第四版） 周泽存等编 v高电压技术（第二版） 张一尘主编 v高电压技术 赵玉林主编 4 绪论绪论 v高电压技术学科定义及特点 v电力系统与输电电压 v过电压及电介质 v本课程的性质、特点和任务 5 电气工程及自动化（一级学科） 高电压与绝缘技术（二级学科） 多高电压能称为高电压？ 工程上规定：1000V以上视为高电压 高电压技术学科定义及特点： 很多绝缘介质在高电压作用下会呈现出不 同程度的导电特性 6 一 电力系统与输电电压 电力系统：由发电厂、输电线路、变 电
2、所、配电线路、用户等五部分组成的发 电、输电、变电、配电、用电的一个整体。 输电电压：输电线路上的电压又称为 电网的额定电压，是指在规划和设计的时 候，为了满足设备的额定电压所选的电压。 7 选择输电电压的依据： 待输送的容量和输送的距离 绝缘技术水平 高压设备制造能力 系统的经济性 系统的发展规模 8 国家推荐的电压等级： 交流输电各电压等级首次出现的时间 100年来，输电电压提高了100倍 为什么不断提高电压等级？ 高压（kV） 超高压（kV） 特高压（kV） 10351102203305007501000 电压10501102202873805257351150 年份1890190719
3、12192619361952195919651985 9 提高输电电压的原因： 1.增加输送容量与距离 2.降低线路的造价 3.降低线损 4.节省线路走廊用地 10 线路走廊：导线边线向外侧水平延伸并垂直于地面所形成的两平行面内的区域。 110kV ：5m 35110kV：10m 154330kV：15m 500kV：20m 11 目前世界上: v 交流输电：1200kV，超1000kM,输送功率超过5000MW v 直流输电：800kV，超1000kM，输送功率超过4000MW 输电电压与输送容量、输送距离的范围 12 v2009年1月16日，国内首条特高压示范工程 晋东南-南阳-荆门100
4、0千伏特高压交流输电示 范工程正式投运。 v2010年7月8日，向家坝-上海800千伏特高压 直流输电示范工程成功投入运行。这是目前规 划建设的世界上电压等级最高、输送距离最远、 容量最大的直流输电工程。 13 交流架空输电铁塔 14 同塔多回 15 特高压铁塔 16 直流输电铁塔和交流紧凑型输电铁塔 17 二 电力系统中的过电压 电气设备在运行中可能承受的过电压： v雷电过电压 v短时过电压 v操作过电压 18 1 雷电过电压 雷电过电压也称大气过电压。 v 直击雷过电压 v 感应雷过电压 雷电过电压的特点： 单极性 作用时间短 峰值高 是电力系统特别是110kV及以下系统的最危 险的过电压
5、。 19 2 短时过电压 v这是由单相接地、突然甩负荷及由谐振引起的电力 系统内部过电压。其特点是持续时间较长、过电压 的数值一般不太高，由于110kV及以下的电力系统 绝缘裕度高，一般不会造成电气设备的损坏，这种 过电压却是过电压保护装置动作条件的重要依据， 在系统设计时应对这种过电压加以限制。 v绝缘裕度：设计电力系统时须考虑的内部过电压的 水平。 110220kV:3倍最大工作电压 330500kV:22.5倍最大工作电压 特高压系统：从前景来看1.51.8倍最大工作电压 是可能的 20 3 操作过电压 v由系统操作或故障引起的过渡性质的过 电压。（如：空载线路合闸和分闸、切除 空载变压
6、器等）过电压时间短，衰减快， 过电压辐值一般不超过电气设备额定电压 的3.5倍。这种过电压一般不会对电气设 备的绝缘造成危害，但对绝缘较弱的电气 设备及直配电机的绝缘威胁较大，必须予 以重视。 21 4 系统过电压的组成关系 外部过电压（雷电过电压） 内部过电压 短时过电压 操作过电压 工频电压升高 谐振过电压 空载线路分闸过电压 空载线路合闸过电压 空载变压器分闸过电压 间歇电弧接地过电压 解列过电压 系统过电压 22 1.电介质（绝缘介质）：常温常压下 不导电，在高压下（高场强下）因 带电粒子的运动可能变为良导体的 介质。（气、液、固） v架空线路的绝缘介质是大气；电缆 线路的绝缘层中含有
7、大量的绝缘介 质：绝缘纸、变压器油、氮气、聚 乙烯、交联聚乙烯等 三 电介质 23 四 绝缘、绝缘强度和绝缘击穿 电气设备的绝缘分为内绝缘和外绝缘。 绝缘间隙：充满绝缘介质（或真空）的两 个带电体 （或带电体与大地）之间的距离 称为绝缘间隙。 绝缘强度：指介质保持绝缘性能所能承受 的最高外施电场强度。 绝缘击穿：介质承受的场强超过其绝缘强 度时，介质将丧失绝缘性能，称为绝缘击 穿。 24 五、自恢复绝缘 当空气击穿或绝缘子表面闪络时，如果导致 击穿或者闪络的因素消失了，则空气的绝缘 强度会完全恢复，所以空气绝缘又称为自恢 复绝缘。 液体介质也属于自恢复绝缘但是性能稍差。 固体介质属于非自恢复绝
8、缘。 电气设备的损坏：绝缘强度无法恢复。 25 本课程的主要内容 高电压绝缘理论高电压绝缘理论：研究如何利用电介质的 电气性能为电力系统服务，预防事故的发 生； 高电压试验技术高电压试验技术：研究如何应用通过给设 备绝缘施加较高电压的方法来检查设备是 否有安全隐患的技术； 过电压及其防护技术过电压及其防护技术：讨论电力系统过电 压的产生，发展机理，及其如何限制其发 展和限制其产生的措施。 26 本课程要解决的问题 避雷线根数？ 保护角？ 导线与杆塔的 距离？ 绝缘子型式？ 片数？ 是否采用分裂导线 ？分裂导线数？ 导线与导线之间的 距离？ 导线与大地之间的 距离？ 杆塔型式？结 构？尺寸？ 接
9、地设计？接 地电阻？ 27 本课程的主要特点： 历史短，研究不充分，理论很不完整，工程 上高电压问题不能用理论来分析，所以只能 从试验入手。 研究起来很困难，其所研究的问题与其他学 科完全不同。其他学科研究的是电的导通， 而高压研究的是绝缘，它所研究的是空间的 问题，场的问题，所受的影响因素（温度、 湿度、气压、极距）很多。 研究手段难以具备，场地难以满足，问题的 重复性小，一次击穿后很难找到完全相同的 对象，是暂态问题。 第二章 29 v与空气相对比，液，固体电介质有如下特点： 1） 绝缘强度高。 液体：105v/cm数量级 固体：106 v/cm数量级 2） 自恢复性能：固体无，液体差。
10、3） 液，固体介质会老化。 4） 介电常数比空气大。 30 一.极化现象 a. 极板上施加直流电压有 b. 在极间距离及电极表面积不变情况下，当极间 由真空变为固体介质时极板上电荷增多。 第一节 电介质的极化 UCQ 00 31 二.物理现象的解释 v由于固体介质的引入，使极间固体介质在与两个 极板接触的界面上感应出与极板电荷极性相反的 束缚电荷，形成了一个与外施电场方向反方向的 内部电场，电介质有了明显的极性，即极化。 v极化的结果是使极间合成电场减弱，但由于外施 电压不变，所以极间电场不能变化，必须在极板 上增加电荷来抵消内电场的作用。 32 三、介电常数的概念 介电常数： v由于固体介质
11、的放入使极板上的电荷从Q0增大 为Q即：CUQQQ 0 00 0 0 1 )( Q Q UQ UQQ C C r 即放入固体介质后极板电容由C0增大到C。C与C0 的比值称为电介质的相对介电常数（无单位）： 介电常数的大小反应了极化现象的强弱。 ，称为介质的介电常数 真空的介电常数 r0 12 0 F/m1086. 8 33 几种介质的相对介电常数 材料名称介电常数 气体介质空气1.00058 液体介质 弱极性变压器油2.2 极性蓖麻油4.5 固体介质 中性石蜡1.92.2 极性松香2.52.6 离子性云母57 34 1. 电子式极化 特点： 极化快，约为10-1410-15s 弹性极化，无能
12、耗。 受温度影响小。 四.极化的分类及特点 35 v固体无机化合物多属离子式结 构，如云母，陶瓷，玻璃等。 特点： 极化快，约为10-1310-12s。 弹性极化，几乎无能耗。 受温度影响小，随温度的上升 极化加强。 2. 离子式极化 _ + + + + _ _ _ E _ _ + + + _ _ + 36 v 有些介质如蓖麻油，氯化联 苯，橡胶，纤维素等，由偶 极子构成，称为极性分子。 特点： 极化时间长约为10-1010-2 s r与频率f有关。 有损极化 偶极子转向容易r， 但当很高时，热运动 干扰偶极子转向r U U 电极 电介质 E 3. 偶极子式极化 37 苏伏油的相对介电常数与频
13、率和温度的关系 38 v由几种介电常数不 同、电阻率也不同 的绝缘材料组成的 层式绝缘结构中， 加上电压后，各层 间电压将从起始时 按介质电容分布逐 渐过渡到稳态时按 介质电导分布，从 而使各层交界面上 出现电荷积聚，形 成所谓的夹层极化。 4.夹层极化 特点： 1）极化时间长，10-2s 几小时。 2）有能量损耗。 39 吸收现象 分界面无电荷积累 电压按电容反比分配 合闸瞬间（频率高），设 2 2 1 2 , 1, 2, 2, 1 20220 10110 20 10 1 2 20 10 2121 CC CC C C C C UCQ UCQ U U C C U U GGCC 3 4 1 2
14、1 t 222 111 2 1 1 2 2 1 分界面剩余电荷为 将按电导反比分配，电路达稳态后，电压当 CC CC C C C C UCQ UCQ U U G G U U 所以合闸之后两介质之间有一个电 压重新分配的过程：C1上的电荷要 通过G1和G2泄放掉一部分；而C2上 要通过G1和G2吸收一部分电荷 吸收电荷 40 电介质介电常数的意义 1.电容器的绝缘材料希望r越大越好，而 绝缘结构希望r越小越好。 2. 组合绝缘注意配合。 3. 介质损耗与极化类型有关。 4. 夹层极化可用来判断绝缘受潮情况。 41 第二节 电介质的电导 一、导体电导与电介质电导的区别 1.导体属于电子性电导。具有
15、负温度系数。 2. 电介质属于离子性电导（正离子、负离子、 自由电子）。具有正温度系数。电介质中 离子的来源： （1）介质本身离解。（2）杂质离解 二、气体电介质的电导 由气体的伏安特性曲线得来 42 1.中性液体介质本身不容易离解，主要是杂 质离解出的离子构成电导，电导率较低。 2. 极性液体介质除杂质电导外，还有介质本 身离解出的离子电导，电导率高。 强极性液体介质如：水、酒精等。 3. 影响液体电介质电导的主要因素： 杂质浓度、温度、电场强度。 三、液体电介质的电导 43 温度： T B Ae 式中： A、B常数； T绝对温度 电导率 44 区域1：液体电介质 的电导在电场比较小的 情况
16、下，遵循欧姆定律 区域2：随着场强的 增大，有一平坦区域 区域3：场强继续增 大超过某一极限，引起 电流激增，最终击穿 电场强度 45 四、固体电介质的电导 1.中性分子的固体介质电导主要由杂质离 子引起，只有T较高时本身才发生离解。 2. 离子结构的固体介质，电导主要由离子 在热运动下脱离晶格移动造成的 3. 影响固体电介质电导的因素： 温度、杂质浓度、电场强度 46 第三节 电介质的损耗 一、电介质损耗的基本概念 1. 电导损耗（直流损耗） 2. 极化损耗（有损极化） 47 二. 等效电路与相量图 R3 C1 R2 C2 i=i1+i2+i3 i1 i2i3 u 图中C1 代表介质的 无损
17、极化（电子式 和离子式极化）， C2 R2 代表各种有 损极化，而R3则代 表电导损耗。 介质损耗角为功率因数角 的余角，其正切值 tg 又可称为介 质损耗因数。 I C I2 R I2 3 I U 2 I 1 I 48 三. 简化等效电路与损耗 1. 并联等值电路并联等值电路 RCCU RU I I tg PPC R 1/ tgCU R U P P 2 2 49 2. 串联等值电路串联等值电路 rC CI rI U U tg S Sc r / 2 2 2 222 2 2 2 2 11 1 tg tgCU rC rCU r Cr U rIP S S S S 50 2 2 2 1 tg tgCU
18、 tgCU S P 2 1 tg C C S P 根据等效原理有：根据等效原理有： sp CC ，故通常1tg 因此：介质损耗功可以用统一的公式： 参数是衡量介质损耗的一个成正比，因此与 一定的前提下、成正比，而当、与 tgtgP CUCUP CtgUP 2 2 51 按平板电容器的均匀电场计算： 单位体积的损耗为 tan tan 2 22 2 VE S A SE CtgUP tan 2 E V P P 通常均采用介质损耗角正切tan作为综合反映电 介质损耗特性优劣的一个指标，反映的是介质总 体平均损耗，对局部小体积损耗反映不灵敏。测 量和监控各种电力设备绝缘的tan值已成为电力 系统中绝缘预
19、防性试验的最重要项目之一。 52 四 气体、液体和固体介质的损耗 1、气体介质损耗 当外加电场还不足以引起电离过程，气体中只 存在很小的电导损耗（ tan10-8）；但当气体 中的电场强度达到放电起始场强E0时，气体中 将发生局部放电，这时的损耗将急剧增大。 53 2、液体和固体电介质的损耗 中性液体和固体的极化主要是电子式和 离子式极化，极化损耗很小，其主要损 耗由电导引起，随温度场强的增加而增 加。 极性液、固体介质的损耗（电导损耗 极化损耗）与温度频率等因素有较复杂 的关系。 54 极性液体介质tan与温度的关系 tan t () t1 t2 0 1 55 v当电源频率f和r恒定时，ta
20、n与介质损耗的变 化率相同。但当f变化时还将引起r变化，所以 tan与f的关系很复杂。 0 0 tan tan 极性液体介质tan与电压频率f的关系 p 高电压技术 主讲：青岛理工大学自动化工程学院 马淋淋 57 第一章 58 绝大多数电气设备都在不同程度上以不同的形 式利用气体介质作为绝缘材料。架空输电线路各 相导线之间、导线与地线之间、导线与杆塔之间 的绝缘都利用了空气；高压电气设备的外绝缘也 利用着空气。在真空断路器中，压缩空气被用作 绝缘媒质和灭弧媒质。在某些类型的高压电缆 （充气电缆）和高压电容器中，特别是在现代的 气体绝缘组合电器（GIS）中，更采用压缩的高 电气强度气体（如SF6
21、）作为绝缘。 59 研究气体放电的主要目的： 1.了解气体在高电压（强电场）的作用下 逐渐由电介质演变成导体的物理过程； 2. 掌握气体介质的电气强度及提高方法。 60 第一章第一章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程 1.1 气体中带电质点的产生和消失 1.2 均匀电场小气隙的放电 1.3 均匀电场大气隙的放电 1.4 电晕放电 1.5 不均匀电场气隙的击穿 61 第一节 气体中带电质点的产生与消失 一带电质点的产生一带电质点的产生 v 碰撞游离 v 光游离 v 热游离 v 表面游离 (气体中的金属) 二二. . 带电质点的消失带电质点的消失 v 质点的扩散 v 质点的复合 （气体本身）
22、62 波尔量子理论波尔量子理论 v电子分布使原子的总能量趋 向最小。 v高能级低能级：发出单色 光。 v低能级高能级：需要外部 激励。 v激励状态不稳定 + 低能级 高能级 63 v游离（电离）：电子获得足够的能量跳出最外层 轨道，成为自由电子。产生带电离子的过程称为 游离。这时原来中性的原子发生了电离，分解成 两种带电粒子电子和正离子。质点游离所需 的最小能量称为游离能。(1ev=1.60210-19J) v激励：当质点吸收的能量小于质点的游离能时， 不能发生电离，但可以使电子跃迁到较高的能级 的现象称为质点的激励。处于激励状态的质点易 游离。 v反激励：处于激励状态的质点，恢复到原来的中
23、性状态的现象称为质点的反激励。反激励将把激 励时所吸收的能量以光的状态释放出来。 64 表1-1 某些气体的激励能和游离能 引起游离所需的能量可通过不同的形式传递给气体分子，引起游离所需的能量可通过不同的形式传递给气体分子， 诸如：光能、热能、机械能（动）能，对应的游离过程称诸如：光能、热能、机械能（动）能，对应的游离过程称 为为光游离、热游离、碰撞游离光游离、热游离、碰撞游离等。等。 气体气体激励能激励能W We e (eV) (eV)游离能游离能W Wi i (eV) (eV)气体气体激励能激励能W We e (eV) (eV)游离能游离能W Wi i (eV) (eV) N2 O2 H2
24、 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 65 1 1 碰撞游离碰撞游离 v一个运动的质点（可以是带电的，也可以是中性一个运动的质点（可以是带电的，也可以是中性 质点）撞击另一个中性质点，且使其分解成为两质点）撞击另一个中性质点，且使其分解成为两 个带电质点（正离子和自由电子）的现象称为碰个带电质点（正离子和自由电子）的现象称为碰 撞游离。撞游离。 v发生碰撞游离的条件：两个撞击质点的发生碰撞游离的条件：两个撞击质点的总能量总能量 （动能位能）（动能位能）大于被撞击质点的游离能；有一大于被撞击质点的
25、游离能；有一 定的相互作用时间。定的相互作用时间。 v特点：可以一次完成，也可以分级完成。特点：可以一次完成，也可以分级完成。 v自由行程自由行程：质点两次碰撞之间的距离。电子体积：质点两次碰撞之间的距离。电子体积 小，自由行程要比其它质点长。小，自由行程要比其它质点长。 66 动能动能 ： mv22，m为 质点的质量， v为质点的速 度。 撞击质点的撞击质点的 总能量总能量 位能： 处在激励状态 下的质点具有 较高的位能。 撞击质点的能量 67 电子产生碰撞游离的过程 v碰撞游离是气体中产生带电粒子的最重要的方 式。应该强调的是，主要的碰撞电离均由电子 完成，离子和中性质点碰撞中性分子并使之
26、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。 电子电子 中性中性 质点质点 激励原子激励原子 电子电子 + 正离子正离子 电子电子 + 电子电子 总能量游离能 总能量游离能 负离子负离子 或 68 2. 光游离 v短波射线的光子具有很大的能量，它以光的速 度运动，当它射到中性介质的分子或原子上时， 所产生的游离称为光游离。 v光子的能量： v紫外线，X射线，是引起光游离的主要因素。 ）光的频率（ 普朗克常数，等于式中 Hz s .106260755. 6 34 Jh hW 69 3.热游离 v在高温下，气体的质点热运动加剧，相互 碰撞而产生的游
27、离称为热游离。 v只有在500010000K的高温下才能产生热 游离。 70 4 表面游离 v电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出逸出 功功。各种金属的逸出功是不同的，如表1-2所示。 表1-2各种金属的逸出功 金属金属逸出功逸出功 (eV）金属金属逸出功逸出功 (eV）金属金属逸出功逸出功 (eV） 铝铝 (Al ) 银银 (Ag) 1.8 3.1 铁铁 (Fe) 铜铜 (Cu) 3.9 3.9 氧化铜氧化铜 (CuO) 铯铯 (Cs) 5.3 0.7 71 v比较表1-2 与表1-1，可知金属的逸出功比气体分子的 游离能小得多，表明金属表面电离比气体空间游离更易 发生。随着外加能量形
28、式的不同，表面游离可在下列情 况下发生： 二次发射：通常正离子进入阴极的过程中其能量等于或 大于阴极材料逸出功，引起阴极表面游离。 光电子发射： 高能辐射线照射阴极时，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。 热电子发射： 金属中的电子在高温下也能获得足够的 动能而从金属表面逸出，称为热电子发射热电子发射。在许多电子 器件中常利用加热阴极来实现电子发射。 72 强电场发射：当阴极表面附近空间存在很 强的电场时（106V/cm数量级），也能使阴 极发射电子。常态下气隙击穿完全不受强 场发射影响；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。
29、73 表面游离的四种形式 表面游离表面游离 二次二次 发射发射 强电场强电场 发射发射 热电子热电子 发射发射 光电子光电子 发射发射 74 二、带电质点的消失 v 去游离：带电质点从游离区消失或游离的作用被削弱的 现象称为去游离。 v 当电子与气体与分子碰撞时，可能会发生电子与中性分 子相结合而形成负离子的情况，这种过程称为附着附着。易 于产生负离子的气体称为负电性气体。 v 离子的游离能力比电子小得多，并且形成负离子的过程 将使自由电子数减少，因此负离子的形成对气体放电的 发展起抑制作用（有助于提高气体的耐电强度）。例如 SF6气体对电子具有很强的亲合性，因此其电气强度远 大于一般气体，因
30、而被称为高抗电强度气体。 v 带电质点的消失是由于游离作用小于去游离的作用。 75 1.1. 带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在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到达电极时，消失于电极上而形成外电路 中的电流；中的电流； 2.2. 带电粒子因带电粒子因扩散扩散现象而逸出气体放电空间。现象而逸出气体放电空间。 3.3. 气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发 生电荷的传递与中和，这种现象称为生电荷的传递与中和，这种现象称为复合复合， 是与是与游离游离相反的一种过程。相反的一种过程。 气体中带电质点的消失有可有下述几种情况
31、： 76 带电质点的消失 带电质点进入电极形成电流带电质点进入电极形成电流 带电质点的扩散带电质点的扩散 带电质点的复合带电质点的复合 77 一气隙放电的伏安特性曲线一气隙放电的伏安特性曲线 二气隙击穿电压的理论计算二气隙击穿电压的理论计算 三巴申曲线三巴申曲线 第二节 均匀电场小气隙的放电 78 一、气隙放电的伏安特性曲线： v十九世纪九十年代，英国物理学家汤深德 （Townsend）采用图1的实验装置测出了气体 小间隙的伏安特性曲线如图2所示。 79 v oa段：电压较低，有微 弱电流流过，存在少量带 电质点，电压升高，质点 运动加快，电流也随之上 升。 v ab段：外界因素产生的 带电质
32、点全部参与导电， 且带电质点与中性质点碰 撞损失能量，从而使带电 质点移动速度随外界电压 升高而趋于不变，所以电 流也基本不变，电流密度 较小10-19A/cm2，气隙仍处 于绝缘状态。 80 v bc段：带电质点（主要为 电子）在外界强电场的作用 下，获得很大的加速度，与 中性质点碰撞后致使中性质 点产生碰撞游离，游离产生 的新的电子在强电场的加速 下又将产生新的碰撞游离 形成 ，所以电流随外 加电压的增高而急剧增大。 v C ：由于电压升高产生的 电子崩使空间气隙电荷数量 急剧增加，电流急剧增大， 到c点已达到必须依靠外电路 电阻来限制的地步，此时气 隙已经击穿。（自持放电） 0-c段：必
33、须依靠外界游离 因素（宇宙射线）维持。 称非自持放电阶段。 C点之后：不需要依赖于外 界游离因素，放电也能持 续，称自持放电阶段 电子崩 81 2、电子崩的形成 初始初始 电子电子 更多更多 电子电子 碰撞碰撞电离电离形成电流形成电流 电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展，这种急剧 增大的空间电流被称为电子崩电子崩。 82 二、气隙击穿电压Ub的计算 v 1、汤深德放电理论 汤深德第一游离系数。一个电子逆外电场 方向行进单位距离产生的碰撞游离数。 E B eA 的常数与气体种类及性质有关BA, 强度电子所在处的电场 气体的相对密度 E 83 汤深德第二游离系数 ：一个正离子沿外 电场方向
34、行进单位距离所产生的碰撞游离 数称为。 v 因为正离子质量大，体积也大，所以在外 电场作用下，不易加速，且自由行程小。 所以不易产生碰撞游离，即在分析气隙击 穿的过程中，可以不考虑正离子产生的碰 撞游离作用。 84 汤深德第三游离系数 ：一个正离子撞 击阴极表面时期表面游离释放出的净电 子数。 v 与阴极材料及气体种类有关 。 85 2 自持放电的条件 v阴极的逸出功远小于气体的游离能，所以在外界 射线的作用下，阴极表面的自由电子密度高，这 些电子产生的碰撞游离数远高于其它部分的电子。 v放电能否自持取决于阴极表面能否连续不断释放 出电子。 v如果碰撞游离产生的正离子使阴极表面游离出的 电子数
35、不少于外界射线使阴极表面游离出的电子 数时，若取消了外界光游离的条件，放电也可继 续下去，所以此时气隙达到了击穿。 86 v外界射线使阴极表面释放出 个电子，这些电子 在外电场作用下逆外电场方向行进 距离后，由 于碰撞游离作用，使电子增加到 个，再行进 距离，电子增加到 个，显然： 0 n x ndx dnn dxndn 两端积分： x dx x cen cdxn 0 1 0 ln 87 v当 ，所以 v进入阳极的电子数为: v气隙中正电荷数为: v只要 个正离子使阴极表面游离净放的电 子数不少于 个电子，则放电就能在没有外界射 线的作用下，仅靠外加电压自己维持放电。即放 电自持。 v所以气隙
36、击穿的条件为： 00 ) 1(nen s 0 ,0nnx 时 0 nc s y enn 0 ) 1( 00 s y ennn ) 1( 0 s en 0 n x dx cen 0 88 89 3、击穿电压Ub的计算 放电自持的条件也即击穿的条件： 因为 而 所以推导出 结论： 1. 击穿电压与阴极材料和气体性质有关。 2. 与 有关。 1 1 s e b E B eA S U E b b )( ) 1 1ln( ln sf sA sB U jc S 90 三、巴申定律三、巴申定律 v内容：气隙的击穿 电压不仅与气隙的 大小有关，还与气 隙的中性质点的密 度有关，且是二者 乘积的函数，这个 规律
37、称为巴申定律。 巴申曲线 91 第三节 均匀电场大气隙的放电 一、汤深德理论的不足 1. 实验表明，时，气隙击穿电压与按汤森德 理论计算出的值差异很大，汤森德理论存在以下 几个方面不足： （1）放电形式：放电路径、放电发展过程不符。 （2）放电时间：实际放电的发展速度比单纯的碰撞 电离快。 （3）阴极材料：击穿电压值与阴极材料无关。 0.26Scm 92 2. 原因： 汤深德没有考虑电离出来的电荷对空间电 场有畸变作用。 没有考虑光子在放电过程中的作用。 v 高电压技术面对的往往是高气压长气隙的 情况。汤森德理论并不适用，比如雷电放 电并不存在金属电极，因而与阴极上的 值和二次电子发射根本无关
38、。 93 v 空间电荷对气隙电场的畸变 + - 二、流注放电理论 94 2.正流注的形成 v 如果外施电压为气隙的最低 击穿电压，当初崩发展到阳 极时，正负电荷复合和反激 励发出光子。由于受空间电 荷的畸变作用，崩尾的电场 较高，光子到达这里时，形 成二次电子崩。二次电子崩 头部的电子与初崩的正空间 电荷汇合成为充满正负带电 质点的混合通道。这个正电 荷多于负电荷的混合通道称 为流注通道，简称为流注。 由正极向负极发展，所以称 为正流注。 95 3、负流注 v 电压较低时，电子崩需经 过整个间隙才形成流注， 电压较高时，电子崩不需 经过整个间隙，其头部电 离程度已足以形成流注 。 v 主崩头部
39、的电离很强烈， 光子射到主崩前方，在前 方产生新的电子崩，主崩 头部的电子和二次崩尾的 正离子形成混合通道，形 成向阳极推进的流注，称 为负流注 。 (a)(b)(c) 96 4.流注的概念及特点 v 流注：初崩中辐射出来的光子照射到崩头崩尾，产生二次 电子崩并逐渐会合到主崩当中来形成带点质点的混合通道， 称为流注。 v 特点特点：电离强度大，传播速度快（出现流注后放电便获得 独立继续发展的能力，而不在依赖外界电离因子的作用， 出现流注的条件也就是自持放电条件出现流注的条件也就是自持放电条件。 v 注意： v 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。 时，按汤申
40、德理论分析 时，按流注理论分析 cm26.0 cm26.0 S S 97 第四节 不均匀电场的击穿 一、不均匀电场的模拟一、不均匀电场的模拟 v 不均匀电场的分类不均匀电场的分类 电极的不同导致电场 的分布有所不同，但可以分为两类：对称 电场和不对称电场两种。 v 对称电场对称电场 棒棒电极来模拟; v 不对称电场不对称电场 棒板电极来模拟。 98 v 以 “棒板”气隙为例，从流柱理论的概念 出发，说明放电发展过程的极性效应。 二、短间隙（S1m）的击穿 1、棒为正极性时，电子崩 是从场强低的区域向场强高 的区域发展。此外，初崩的 电子很快进入棒极，在棒极 前方留下的正离子大大加强 了气隙深处
41、的电场，极易使 气隙深处的电子产生二次电 子崩而形成正流注。由于流 注所产生的空间电荷总是加 强前方的电场，所以它的发 展是连续的，速度很快，与 棒为负极性时相比，击穿同 一间隙所需电压要低得多 。 - - - - - - - - - - - - - 99 2、当棒为负极性时，初崩 直接由棒极向外发展。 先经过强场区，后来的 路程中场强愈来愈弱， 这就使电子崩的发展比 棒为正极性时不利得多。 初崩留下的正空间电荷 显然增强了负棒极附近 的电场，却削弱了气隙 深处的空间电场，使负 流注的向前发展受到抑 制。击穿同一间隙所需 的电压要高得多。 + + + + + + + + + + + 100 1
42、.棒为正极时，由于正流注所造成的空间电 荷总是加强流注通道前方的电场，所以正 流注的发展是连续的，其速度很快，与负 棒极相比，击穿同一间隙所需的电压要小 得多。 2. 棒为负极时，流注的发展是阶段式的，其 平均速度比正棒极流注小得多，击穿同一 间隙所需的外电压要高得多。 棒板电极的极性效应 101 无论是正流注还是负流注，当流注通道发展到达 对面电极时，整个间隙就被充满正、负离子混合质的、 具有较大导电性的通道所贯穿，在电源电压的作用下， 通道中的带电质点继续从电源电场获得能量，发展成 更强烈的电离，使通道中带电质点的浓度急剧增长， 通道的温度和电导也急剧增长，通道完全失去了绝缘 性能，表征气
43、隙已经击穿。 注意注意： 输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都 属于不均匀电场的情况，所以在工频高电压的作用下， 击穿均发生在外加电压为正极性的那半周；在进行外 绝缘的冲击高压试验时，也往往施加正极性冲击电压， 因为这时的电气强度较低。 102 三、长间隙的击穿 v实践表明，当气隙较大(约1m以上)时，存 在某种新的，不同性质的被称为先导放电 的放电过程。不同极性的先导放电过程有 不同的特性。目前，对这些问题的研究还 很不够，只是对这些事物的现象、参数、 影响因素及变化规律等作了一些实测，而 对这些放电过程的机理并没有完全研究清 楚。 v比如：雷电放电 103 先导放电（正先导过程）先导放电
44、（正先导过程） 以棒正板负为例： v 在强场驱使下的大密度电流与气体分 子碰撞交换能量后，使该处气体温度 上升到104K数量级，造成热电离，在 棒端前方造成炽热的等离子通道，称 为先导通道。 棒极的E很大产生很高能量 剧烈电离 电子崩、流注 先导通道 热电离 104 第五节 电晕放电 105 1、在极不均匀电场中，电极曲率较大处附近空间， 伴随着电离而存在的复合和反激励，辐射出大量 光子，使在黑暗中可以看到蓝紫色的晕光，这就 是电晕。导体表面的局部场强大于空气的击穿场 强时表面空气被击穿发生咝咝声伴随闪光的现象。 电晕的存在形式：1、存在于极不均匀电场气隙击 穿过程初期；2、以稳定形式长期存在
45、 电晕放电是极不均匀电场极不均匀电场所特有的一种自持放电 形式，它与其它形式的放电有本质的区别。 电晕放电的电流强度取决于：外施电压的大小， 电极形状，极间距离，气体的性质和密度等。 一、概述 106 这种仅发生在强场区（小曲率半径电极附 近空间）的局部放电称为电晕放电。 特征：环绕该电极表面的蓝紫色光晕。 开始出现电晕放电时的电压为电晕起始电 压。随着外加电压的增大，电晕区也增大， 但气隙仍保持绝缘状态，并未击穿。 电晕放电的条件：只有当极间距离对起晕电极表 面最小曲率半径的比值大于一定值时，电晕放电才 可能发生，若小于此值，则表现为火花击穿。 107 二、气体中的电晕放电效应 声、光、热等
46、效应； “电风”； 无线电干扰； 气体的化学反应； 可听噪声； 能量损耗。 108 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。 电晕的积极意义：衰减雷电过电压幅值和降 低其陡度；抑制操作过电压的幅值；广泛应 用于工业设施（静电除尘器、静电喷涂装置 、臭氧发生器）。 三、防止和减轻电晕的方法： 109 第六节第六节 雷电放电雷电放电 110 雷电放电包括雷云对大地、雷云对雷云和雷云内部的 放电现象。大多数雷电放电是在雷云与雷云之间进行的， 只是少数是对地进行的。雷云对大地的放电是造成输电线 路雷害事故的主要因素。实测表明，9
47、0%左右是负极性雷。 下行的负极性雷通常分为三个主要阶段： （1）先导放电：延续约几微秒，以逐级发展的、高电导的、 高温的、具有极高电位的先导通道将雷云到大地之间的气隙击 穿。 （2）主放电：在先导放电的同时，先导通道中留下大量与雷 云同极性的电荷，当下行先导和大地短接时，发生先导通道放 电的过渡过程，这个过程很象充电的长线在前端与地短接的过 程称为主放电过程。 111 在主放电过程中，通道产生突发的明亮，发出 巨大的雷响，沿着雷电通道流过幅值很大的、延 续时间为近百微秒的冲击电流，正是主放电过程 造成雷电放电最大的破坏作用。 （3）余光放电：主放电完成后，云中剩余电荷 沿着原来的主放电通道继
48、续流入大地，这时在 展开照片上看到的是一片模糊发光的部分，称 为余光放电。 112 第七节第七节 沿面放电沿面放电 沿面放电：一种特殊的气体放电，即沿着气体与固体 （液体）介质分界面上发展的气体放电现象。（本质 是气体的放电，通常比纯空气间隙的击穿电压要低。） 闪络：沿面放电发展到贯穿两极，使整个气隙沿面击 穿，称为闪络。 污闪：沿着固体（液体）介质污染表面发展的闪络。 一、沿面放电的一般概念 注意：污闪放电与介质表面干净时有很大不同，而且污闪注意：污闪放电与介质表面干净时有很大不同，而且污闪 电压要低得多，甚至可能在工作电压下发生，严重影响电力电压要低得多，甚至可能在工作电压下发生，严重影响
49、电力 系统的安全运行系统的安全运行 113 114 115 二、沿面放电的类型与特点 固体介质与气体介质交界面上的电场分布状况对沿面放电 的特性有很大的影响，界面电场分布可分为三种典型情况： 1.固体介质处于均匀电场且表面与电力线平行。 沿面闪络电压比纯空气间隙的击穿电压低得多。 固体介质表面固体介质表面多少会 吸附空气 中的水分，引起表面电场的畸变。 固体介质表面电导不均匀。 固体介质与电极接触不紧密。 不可能绝对光滑。 116 2.固体介质处于极不均匀电场中，分界面气 隙场强中法线分量较弱。 即使没有固体介质的存在，电 场已经很不均匀了，任何使电 场不均匀性增大的因素对气隙 击穿电压的影响
50、不会像均匀电 场当中那样显著。 沿面闪络电压比纯空气间隙的击穿 电压低得不很多。 117 3.固体介质处于极不均匀电场中，分界面气隙场 强中法线分量较强 刷形放电滑闪放电 沿面闪络电晕放电 浅蓝色，电 子崩性质 辐射细线状， 流注性质 树枝状，浅紫色火花放电，轻微爆裂声。电 压较小升高，火花较大增长（先导性质） 电压升高 超过5-10cm 贯穿两极 118 注意：上述先导性沿面放电现象，只有在快速交变电压（如 工频或冲击电压）作用下才会发生，而在直流电压作用下难 以发生。 工频电压作用下平板玻璃表面滑闪放电照片 70kV85kV 119 120 121 v 滑闪放电阶段，因已属于先导放电 过程
