第一章气体的绝缘特性与介质的电气强度课件

*,*,2024/9/16,第,1,章 气体的绝缘特性与介质的电气强度,Insulation Characteristic and Electrical Strength of Gas Dielectrics,研究气体放电的目的,：,Aims of research on gas discharge:,了解气体在,高电压（强电场）,作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程。,Understand the physical process of the gas changing from dielectric to conductor due to the effect of,high voltage (strong electric field).,掌握气体介质的,电气强度,及其提高方法。,Grasp the,electrical strength,of the gas dielectric and the corresponding methods of enhancement .,1.1,气体放电的基本物理过程,1.1 The physical process of gas discharge,1.2,气体介质的电气强度,1.2 The electrical strength of gas dielectrics,1.3,固体绝缘表面的气体沿面放电,1.3 Gas creeping discharge on the surface of solid insulation,习题与,思考题,Exercises & FAQs,本章内容,Contents in this section,1.1,气体放电的基本物理过程,The physical process of the gas discharge,高压电气设备中的绝缘介质有,气体、液体、固体,以及其它,复合电介质,。由于气体绝缘介质不存在老化问题，击穿后自愈能力强，且其成本廉价，因此气体成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。,气体击穿过程的理论研究虽然还不完善，但是相对于其他几种绝缘材料来说最为完整。因此，高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。,Key words,：,气体,-gas,；,液体,-liquid,；,固体,-solid,；,材料,-,material,复合电介质,-composite dielectrics,本节内容,Contents in this section,1.1.1,带电质点的产生和消失,1. 1. 1 The generation and disappearance of charged particles,1.1.2,电子崩与汤逊理论,1. 1. 2 The electron avalanche and Townsend Theory,1.1.3,巴申定律及其适用范围,1. 1. 3 Paschens law and its scope of application,1.1.4,气体放电的流注理论,1. 1. 4 Streamer theory of gas discharge,1.1.5,不均匀电场中的气体放电,1. 1. 5 The gaseous discharge in non-uniform fields,1.1.1,带电质点的产生和消失,气体放电,是对气体中流通电流的各种形式统称。,由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量的,带电质点,。,气体放电,-,Gas discharge,；,带电质点,-,charged particles,；,正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体；,在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能。,1,、气体中电子与正离子的产生,Production of electrons and positive ions in gas,电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。电离可一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式。,电离方式可分为：,热电离,Thermoionization,光电离,Photoionization,碰撞电离,Collision ionization,分级,电离,Grading ionization,电子在电场中的运动轨迹,视频链接,（,1,）,热电离,Thermoionization,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。,图,1-1,不同温度下空气和气体的热电离程度,下图为不同温度下空气和,SF,6,气体的热电离程度。,（,2,）,光电离,Photoionization,光子来源,外界高能辐射线,External high-energy radiation,气体放电本身,Gas discharge itself,当满足以下条件时，,产生光电离。,式中,：,：,光的波长；,：,光速；,：,气体的电离能；,(1-2),（,3,）,碰撞电离,Collision ionization,(1-3),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,:,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，则会发生电离。,(1-4),因此，电离条件为,式中,：,：,电子的电荷量；,：,外电场强度；,：,电子移动的距离,（,4,）分级电离,Hierarchical ionization,电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为,激励,，其所需能量称为激励能。,原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为,分级电离,，此时所需能量为,。,激励,-,excitation,；,分级电离,-,grading ionization,；,为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前必须经过的距离为,：,式中 为气体的电离电位，在数值上与以,eV,为单位的 相等,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。,(1-5),2,、,电极表面的电子逸出,Electronic escape form the electrode surface,逸出功,使电子从金属表面逸出需要的能量。,金属,逸出功,铝,1.8,银,3.1,铜,3.9,铁,3.9,氧化铜,5.3,表,1-1,一些金属的逸出功,电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途径获得,：,（,1,）正离子撞击阴极,Positive ion strikes on the surface of negative pole,（,2,）光电子发射,Photoelectric emission,（,3,）强场发射,Strong field emission,（,4,）热电子发射,Thermoionic emission,3,、气体中负离子的形成,Formation of negative ions in gas,附着：,电子,与气体分子碰撞时，不但有可能引起,碰撞电离,而产生出正离子和电子，也可能发生电子附着过程而形成负离子。,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。,碰撞,-,collision,；电离,-ionization,；电子,-electron,；电子亲和能,-electron affinity,电子亲合能,：使基态的气体原子获得一个电子形成负离子时所放出的能量，其值越大则越易形成负离子。电子亲合能未考虑原子在分子中的成键作用，为了说明原子在分子中吸引电子的能力，在化学中引入电负性概念。,电负性,：一个无量纲的数，其值越大表明原子在分子中吸引电子的能力越大 。,电负性,-,Electro-negativity,；,电子亲合能,-,electron affinity,；,元素,电子亲和能,(,eV,),电负性值,F,3.45,4.0,CI,3.61,3.0,Br,3.36,2.8,I,3.06,2.8,表,1-2,卤族元素的电子亲和能与电负性值,带电质点在与气体分子碰撞后虽会发生散射，但从宏观看是向电极方向作定向运动。在一定,电场,强度,E,下，带电质点运动的平均速度将达到某个,稳定值,。这个平均速度称为带电质点的,迁移速度,。,迁移速度,-migration rate,；稳定值,-stable value,；电场,-electric field,b,带电质点在电场中的迁移率，即,单位场强下的运动速度。,4,、带电质点受电场力的作用流入电极,Charged particle driven by the electric field flowing into the electrode,(1-6),5.,带电质点的扩散,The diffusion of charged particle,带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域移动，从而使浓度变均匀的过程，称为,带电质点的扩散,。,带电质点的扩散是由于质点的热运动造成的，其扩散规律与气体扩散规律相似，即气压越高或温度越低时扩散越弱。电子的,热运动,速度越高，自由行程大，所以其扩散速度比离子快得多。,扩散,-diffusion,；热运动,-thermal movement,；,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，这种现象称为复合。,6.,带电质点的复合,Compound of charged particle,复合可能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；,复合也可能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。,复合,-,Compound,；热运动,-thermal movement,；,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；另一方面负带电质点又在不断复合，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。,宇宙射线,-cosmic rays,；,放射性物质,-radioactive substance,电离,-inoization,；,电极,-electrode,；,电压,-voltage,；,电流,current,（,1,）非自持放电和自持放电的不同特点,Features of self-sustaining discharge and non-self-sustaining discharge,1,、放电的电子崩阶段,The stage of electron avalanche,1.1.2,电子崩与汤逊理论,Electron avalanche and Townsend theory,图,1,2,气体间隙中电流与外施,电压的关系,（,1,）,在,I-U,曲线的,OA,段,：气隙电流随外施电压的提高而增大，这是因为带电质点向电极,运动的速度加快导致复合率减小,。,（,2,）,在,I-U,曲线的,B,、,C,点,:,电压升高至 ，电流又开始增大，这是由于,电子碰撞电离引起,的，因为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。,当电压接近,时，电流趋于饱和，因为此时由外电离因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因素的强弱而与电压无关,。,电压继续升高至,时，电流急剧上升，说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状态，即,气体发生了击穿,。,加速,-,accelerated,；,复合率,-,recombination rate,；,击穿,-breakdown,（,3,）,在,I-U,曲线的,BC,段,：虽然电流增长很快，但电流值仍很小，一般在,微安级,，且此时气体中的电流仍要靠外电离因素来维持，一旦去除外电离因素，气隙电流将消失。,因此，外施电压小于 时的放电是,非自持放电,。电压达到 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，不再需要外电离因素了。外施电压达到 后的放电称为,自持放电,， 称为放电的,起始电压,。,微安级,-,microampere level,；,非自持放电,-,non-self-sustaining discharge,；,自持放电,-,self-sustaining discharge,；,起始电压,-,starting voltage,图,1,2,气体间隙中电流与外施,电压的关系,（,2,）,电子崩的形成,formation of Electron avalanche,图,1,3,电子崩的示意图,电子崩的演示,Presentation of electron avalanche,外界电离因子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。,视频链接,初始电子,-,preliminary electron,；,新的电子,-,new electron,；,碰撞电离,-,impact ionization,；,电子崩,electron avalanche,如图,1-4,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,n,0,。,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。,图,1,4,计算间隙电子数增长的示意图,平板电极气隙,-,flat-electrode gap,；,阴极表面,-,cathode surface,；,碰撞电离,-,impact ionization,；,电子崩,electron avalanche,分离变量并积分之，可得：,(1-8),(1-9),(1-7),根据碰撞电离系数 的定义，可得：,对于均匀电场来说，,气隙,中各点的,电场强度,相同， 值不随,x,而变化，所以上式可写成：,电场强度,-,electric field intensity,；,气隙,-,gap,；,抵达阳极的电子数应为：,(1-10),途中新增加的电子数或正离子数应为：,(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：,(1-12),式,(1-12),中，,式,(1-12),表明：虽然电子崩电流按指数规律随极间距离,d,而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子,(,令,),，即 变为零。,（,3,）,影响碰撞电离系数的因素,The factors that affect the impact ionization coefficient,设在,dx,处有,dn,个电子沿电力线方向运动，行经距离,时还剩下,n,个电子未发生过碰撞，则在这一距离中发生碰撞的电子数应为,:,若电子的平均自由行程为 ，则在,1cm,长度内一个电子的平均碰撞次数为,。,由上式积分得,：,(1-13),平均自由行程,-,mean-free-path,；平均碰撞次数,-,the average time of collisions,；,电力线,-,power lines,；,由第一节公式，实际自由行程长度等于或大于,x,i,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：,(1-14),由第一节公式 内容可知，电子的平均自由长度 与气温 成正比、与气压 成反比， 即：,式中,A,、,B,是两个与气体种类有关的常数。,(1-16),当气温 不变时，式,(1-15),即可改写为：,(1-15),由上式不难看出：,电场强度增大时，碰撞电离系数急剧增大,;,气压,很大或很小时，碰撞电离系数都比较小。,高气压时，平均自由长度很小，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，,平均自由长度,很大，总的碰撞次数,少，所以,碰撞电离系数,也比较小。,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。,2,、汤逊理论,Townsend theory,前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放电的。要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。,汤逊理论,-,Townsend mechanism,；,流注理论,-,Streamer mechanism,；,电力线,-,power lines,；,实验现象表明，二次电子的产生机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,汤逊理论,来说明； 值较大时则要用,流注理论,来解释。,汤逊理论认为二次电子来源于正离子撞击阴极，使阴极表面发生电子逸出。,（,1,）,过程与自持放电条件,-process and conditions for sustaining discharge,由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能小很多，因而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，以及分子由激励态跃迁回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起阴极表面电离，统称为 过程。,阴极,-,cathode,；,激励态,-,incentive-state,；,光电离,-,photoionization,；,设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于 过程，电子总数增至 个。因在对 系数进行讨论时已假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有 个正离子。由系数 的定义，此,个正离子在到达阴极表面时可撞出,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。,：,一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数,：,电子碰撞电离系数,：,两极板距离,此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进入阳极后可以由,及 过程在阴极上又产生一个新的替身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。,自持放电条件,The self-sustaining discharge criterion,(1-21),（,2,）,汤逊放电理论的适用范围,Townsend theory applications,汤逊理论,是在低气压、 较小的条件下在放电实验的基础上建立的。 过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了,。,汤逊理论,-,Townsend theory,；,放电机理,-,discharge mechanism,；,光电离,-,photoionization,；,过小时，气压极低,(,d,过小在实际上是不可能的,),， 小，,远大于 ，碰撞电离来不及发生，击穿电压似乎应不断上,升，但实际上电压,U,上升到一定程度后，场致发射将导致击,穿，汤逊的碰撞电离理论不再适用，击穿电压将不再增加。,过大时，气压高，或距离大，这时气体击穿的很多实验现象无法全部在汤逊理论范围内给以解释：,放电外形；,放电时间,；击穿电压；阴极材料,。,discharge shape,discharge time, breakdown voltage,cathode material,.,因此，通常认为，,0.26cm(,pd,200cmmmHg),时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结果不再适用，但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有效的。,图,1-5,实验求得的均匀场不同气体间隙,曲线,图,1-5,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 决定，而是 的函数；其次 不是 的单调函数，而是,U,型曲线，有极小值。,极小值,-,minimum value,1.1.3,巴申定律与适用范围,Paschens law and its scope of application,(1-23),1,、巴申定律,Paschens law,早在汤逊理论出现之前，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,图,1-6,实验求得的均匀场不同气体间隙曲线,此极小值出现在,cm,时，即 的极小值不是出现在常压下，而是出现在低气压，即空气相对密度很小的情况下。,图,1-7,实验求得的均匀场不同气体间隙曲线,思考题,请根据巴申定律解释，为什么选用真空做绝缘体？,1.1.4,气体放电的流注理论,Streamer theory of gas discharge,前面汤逊放电理论所讨论的是低气压、短气隙的情况，但在高气压（,101.3kPa,或更高）、长气隙的情况 汤逊理论将不适用。,以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的过程和二次电子发射根本无关。,短气隙,-,short gas-gap,；,阴极,-,cathode,；,流注理论,-,Streamer Theory,；,气体放电,流注理论,以实验为基础，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,Influence of space charge applied to original electric field,空间光电离的作用,Effect of space optical ionization,1.,空间电荷对原有电场的影响,Influence of space charge applied to original electric field,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。,正离子,-,positive ions,；,电子,-,electrons,；,光子,-,photon,；,2.,空间光电离的作用,Effect of space photoionization,考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射光子而引起光电离。,汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象，而这一因素在高气压、长气隙的击穿过程中起着重要的作用。,如图所示：如果这时产生的光子位于崩头前方和崩尾附近的强场强区，则造成的二次电子崩将以更大的电离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中。,这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注。,正离子,-,positive ions,；,光子,-,photon,；,流注,-,streamer,；,流注条件,Conditions of streamer,流注的特点是电离强度很大和传播速度很快，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，可见这时出现流注的条件也就是,自持放电,的条件。,自持放电,-,self-sustaining discharge,；,电离强度,-,ionization degree,；,临界值,-,critical value,；,实验研究所得出的常数值为：,或,可见初崩头部的电子数要达到,10,8,，放电才能转为自持，出现流注。,流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界值。对均匀电场来说，自持放电条件为：,或,为常数,思考：流注理论和汤逊理论的异同点,1.1.5,不均匀电场中的气体放电,The gaseous discharge in non-uniform fields,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,。全封闭组合电器,(GIS),的母线筒和高压实验室中测量电压用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则属于极不均匀电场。,稍不均匀,-,slightly non-uniform,；,极不均匀,-,extremely uneven,；,高压输电线,-,high-voltage transmission lines,；,1.,稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分,Features and divisions of slightly and extremely uneven electric field,均匀电场是一种少有的特例，在实际电力设施中常见的却是不均匀电场。,为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数,f,，表示为：,f,4,属不均匀电场。,(1-28),:,最大电场强度,Maximum field intensity,:,平均电场强度,Average field intensity,2.,极不均匀电场的电晕放电,The discharge process of extremely non-uniform electric field,（,1,）电晕放电,Corona Discharges,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，大曲率电极,(,高场强电极,),附近会有薄薄的发光层，这种放电现象称为,电晕,。,电晕,-,corona,；,电晕起始场强,-,corona starting field strength,；,电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压，而此时电极表面的场强称为电晕起始场强 。,根据电晕层放电的特点，可分为两种形式：电子崩形式和流注形式。,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形式，即出现,电子崩式,的电晕。随着电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现放电的脉冲现象，开始转入,流注形式,的电晕放电。,若电极曲率半径加大，则电晕一开始就很强烈，一出现就形成,流注的形式,。电压进一步升高，个别流注快速发展，出现刷状放电，放电脉冲更强烈，最后贯通间隙，导致,间隙完全击穿,。冲击电压下，电压上升极快，因此电晕从一开始就具有流注的形式。爆发电晕时能听到声，看到光，嗅到臭氧味，并能测到电流。,完全击穿,-,complete breakdown,；,流注形式,-,streamer form,；,（,2,）电晕放电的起始场强,The starting electric field of the corona discharge,电晕放电的起始,场强,一般,由实验总结出的经验公式来计算，电晕的产生主要取决于电极表面的场强，所以研究电晕起始场强各种因素间的关系更具有实际意义。,对于输电线路的导线，在标准大气压下其电晕起始场强 的经验表达式为（此处指导线的表面场强，交流电压下用峰值表示）：,式中,r,导线半径，,cm,。,(1-30),kV/cm,式（,1-30,）说明导线半径,r,越小则 值越大。因为,r,越小，则电场就越不均匀，也就是间隙中场强随着其离导线的距离增加而下降得更快，而碰撞电离系数 随离导线距离的增加而减小得越快。,可见电场越不均匀，要满足式,(1-31),时导线表面场强应越高。,式,(1-30),表明，当,r,时，,=,30kV/cm,。,(1-31),式中， 起始电晕层的厚度， 时 。,所以输电线路起始电晕条件为,:,而对于,非标准大气条件,，则进行气体密度修正以后的表达式为,(1-32),kV/cm,式中 气体相对密度,非标准大气条件,-,non-standard atmospheric conditions,；,实际上导线表面并不光滑，所以对于绞线要考虑,导线的表面粗糙系数,。此外对于雨雪等使导线表面偏离理想状态的因素（雨水的水滴使导线表面形成突起的导电物）可用系数 加以考虑。,此时式（,1-32,）则写为,(1-33),kV/cm,表面粗糙系数,-,surface roughness coefficient,；,(1-35),对于距离为,d,的两根平行导线（ ）则可写出,(1-34),理想光滑导线 ,1,，绞线 ,0.8,0.9,，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,（,3,）电晕放电的危害、对策及其利用,The harm of corona discharge and its solutions & applications,电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，,都会消耗能量。,电晕损耗,是超高压输电线路设计时必须考虑的因素。,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。,电晕损耗,-,Corona loss,；,高频电磁波,-,high-frequency electromagnetic waves,；,可闻噪声,-,audible noise,降低电晕的方法：,The method of reducing corona,在选择导线的结构和尺寸时，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容许水平以下。,对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。,思考：,犀浦校区从南区到北区有一条高压线，发出滋滋滋的响声，为何？,雨天和晴天有何区别，为什么？,降低电晕的方法,分裂导线,The method of reducing corona,49,单根导线,四分裂,二分裂,六分裂,（,4,）极不均匀电场中放电的极性效应,Polarity effect in the very uneven electric field,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，对放电发展的影响也就不同，这就造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,.,极性效应,-,polarity effect,；,棒板间隙这种典型的极不均匀场,Rod-plate gap of classic very uneven field,当棒具有,正极性,时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩，如图,1-10,（,a,）所示。随着电压的逐渐上升，到形成自持放电爆发,电晕,之前，在间隙中形成相当多的,电子崩,。,图,1,10,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,当电子崩达到棒极后，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移动。于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，如图,1-10,（,b,）所示。这样就减少了紧贴棒极附近的电场，而略微加强了外部空间的电场。因此，棒极附近的电场被削弱，难以形成流注，这就使得放电难以得到自持。,当棒具有,负极性,时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩，如图,1-11,（,a,）所示。当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢的速度向阳极运动。一部分电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。,图,1,11,负棒正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场畸变作用,电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，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,。结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的,负空间电荷,，如图,1-11,（,b,）所示。,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增强，因而自持放电条件易于满足、易于转入流注而形成电晕放电。,图,1-12,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。,图,1,12,两种极性下棒板间隙的电场分布图,（,a,）正棒负板,（,b,）负棒正板,-,电场场强,棒极到板极的距离,通过实验已证明，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，形成流注，产生电晕；以后在不同极性下空间电荷对放电的进一步发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。,（,5,）长间隙击穿过程,The process of long gap breakdown,在间隙距离较长时，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现象可由先导放电现象作出解释。,长间隙的放电大致可分为先导放电和主放电两个阶段，在先导放电阶段中包括电子崩和流注的形成及发展过程。不太长间隙的放电没有先导放电阶段、只分为电子崩、流注和主放电阶段。,先导放电,-,leader discharge,；,主放电,-,main discharge,；,电子崩,-,electron collapse,；,流注,-,streamer,；,长间隙,-,Long gap discharge,；,不论是正先导还是负先导，当通道头部发展到接近对面电极时，在剩余的这一小段间隙中场强剧增，会有十分强烈的放电过程，此过程将沿着先导通道向反方向扩展到棒极，同时中和先导通道中多余的空间电荷，此过程即主放电过程。,3.,稍不均匀电场中的极性效应,Polarity effect in slightly non-uniform electric field,稍不均匀电场意味着电场还比较均匀，高场强区电子电离系数 达足够数值时，间隙中很大一部分区域中的 也达相当值，起始电子崩在强场区发展起来，经过一部分间隙距离后形成流注。流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致完全击穿。,在高电压工程中常用的球,球间隙、同轴圆柱间隙等属稍不均匀电场。,球,球间隙,-,ball - ball gap,；,同轴圆柱间隙,-,coaxial cylinder gap,；,稍不均匀电场间隙的放电特点和均匀电场相似，气隙实现自持放电的条件就是气隙的击穿条件。在直流电压作用下的击穿电压和工频交流下的击穿电压幅值以及,50,冲击击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大，这也和均匀电场放电特点一致。,稍不均匀场也有一定的极性效应，但不很明显。高场强电极为正极性时击穿电压稍高；为负极性时击穿电压稍低。这是因为在负极性下电晕易发生，而稍不均匀场中的电晕很不稳定。,极性效应,-,polarity effect,；,正极性,-,positive polarity,；,负极性,-,negative polarity,；,从击穿电压的特点来看，稍不均匀场的极性效应与极不均匀场的极性效应结果相反。在稍不均匀场中，高场强电极为正电极时，间隙击穿电压稍高；高场强电极为负电极时，间隙击穿电压稍低。而在极不均匀场中却是高场强电极为正时，间隙击穿电压低；高场强电极为负时，间隙击穿电压高。,电晕的起始电压就是间隙击穿电压。,Corona starting voltage is the gap breakdown voltage,.,相反,-,opposite,；,击穿电压,-,breakdown voltage,；,高场强,-,high field strength,；,小 结,Summary,气体中电离的方式可分为,热电离、光电离、碰撞电离,和,分级电离,。,Gas ionization types can be divided into,thermal ionization,photoionization,impact ionization,and,gr,ading,ionization,.,正离子撞击阴极,Positive ions hit the cathode,光电子发射,Photoemission,强场发射,Strong field emission,热电子发射,Thermoionic emission,电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途径获得,气体放电过程中，带电质点除在电场作用下,定向运动,，还可能因,扩散,和,复合,使带电质点在放电空间消失。,汤逊理论认为：在低气压、 较小的条件下，二次电子的来源是正离子撞击阴极使阴极表面发生电子逸出。并引入,系数表示每个正离子从阴极表面平均释放的自由电子数。,定向运动,-,directional movement,；,扩散,-,diffusion,；,复合,-,compound,；,巴申定律,：出现在汤逊理论之前，总结了击穿电压与 的关系曲线，即,电场不均匀系数 的定义为间隙中最大场强 与平均场强 的比值：,均匀电场 ；稍不均匀电场 ；极不均匀电场 。,流注理论,考虑了以下因素,空间电荷对原有电场的影响,空间光电离的作用,流注理论,适用于,高气压、长气隙,下的放电,电晕放电,是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压，而此时电极表面的场强称为电晕起始场强。,棒板间隙的,极性效应,。,棒为,正极性,时，电晕起始电压比负极性时略高；,棒为,负极性,时，击穿电压较正极性时为高。,课后训练题,1.,文献检索方法简介,2.,目前,SF,6,气体实际运用中的优点与缺点,3.,目前,GIS,应用情况调查及其简介,1.2,气体介质的电气强度,The electrical intensity of gas dielectric,实际工程应用中，,击穿电压,的确定方式如下：,参照一些典型电极的击穿电压来选择绝缘距离,；,根据实际电极布置情况，通过实验来确定,。,击穿电压,-,breakdown voltage,；,空气间隙放电电压的,影响因素,如下,:,电场情况,Electric field condition,电压形式,Voltage types,大气条件,Atmospheric pressure condition,1.2.1,持续作用电压下的击穿,1.2.1 Continuing voltage breakdown,1.2.2,雷电冲击电压下的击穿,1.2.2 Lightning impulse voltage breakdown,1.2.3,操作冲击电压下空气的绝缘特性,1.2.3 The air insulating characteristics of operating impulse voltage,1.2.4,大气条件对气体击穿的影响,1.2.4 The impacts of atmospheric conditions on the gas breakdown,1.2.5,提高气体击穿电压的措施,1.2.5 Measures to improve the gas breakdown voltage,本节内容,Contents in this section,实际中,，,大均匀电场间隙要求电极尺寸做得很大。因此，对于均匀场间隙，通常只有间隙长度不大时的击穿数据，如图,1-,13,所示。,1.2.1,持续作用电压下的击穿,Continuing voltage breakdown,1,、均匀电场中的击穿,Uniform electric field in the breakdown,图,1-13,均匀电场中空气间隙的击穿电压峰值 随间隙距离,d,的变化,电极布置对称，,无击穿的极性效应,；,Electrode arranged symmetrically, no polarity effect;,间隙中各处电场强度相等，,击穿所需时间极短,；,Identical electric field intensity,short breakdown time,;,直流击穿电压、工频击穿电压峰值以及,50,冲击,击穿电压相同；,DC breakdown voltage, the peak of power frequency breakdown,voltage and 50% impulse breakdown voltage are same;,击穿电压的,分散性很小,。,Very little dispersion,of breakdown voltage.,均匀电场的击穿特性：,Uniform electric field,breakdown characteristics:,式中 间隙距离；,空气相对密度。,从图,1-,14,中可以得出，当 在,1,10cm,范围内时，击穿强度,(,用电压峰值表示,),约等于,30kV/cm,。,对于图,1-,14,所示的击穿电压,(,峰值,),实验曲线，可用以下经验公式表示：,(1-36),2,、稍不均匀电场中的击穿,Slightly non-uniform electric field breakdown,稍不均匀电场的,击穿特点：,击穿前无电晕；,无明显的极性效应；,直流击穿电压、工频击穿电压峰值及,50,冲击击穿电,压几乎一致。,稍不均匀电场的,击穿电压,通常可以根据起始场强经验公式进行估算,(1-37),(1-38),取决于电极布置，可用静电场计算的方法或电解槽实验的方法求得。,对于稍不均匀场，当 达临界场强 时， 达到击穿电压 ，从而,击穿电压,-,breakdown voltage,；临界场强,-,critical field strength,下面给出几种典型的电极结构,:,图,1-14,几种典型电极结构示意图,1,、同心球,2,、球平板,3,、球球,4,、同轴圆柱,5,、圆柱平板,6,、圆柱圆柱,7,、曲面平面,8,、曲面曲面,球板电极,Ball - plate electrode,(1-42),(1-41),(1-40),(1-39),柱,板电极,Column - Plate electrodes,(1-45),(1-46),(1-44),(1-43),平行圆柱电极,Parallel cylindrical electrodes,(1-47),(1-48),(1-49),(1-50),同轴圆柱电极,Coaxial cylindrical electrodes,(1-51),(1-52),(1-53),(1-54),同心球电极,Concentric sphere electrode,(1-55),(1-58),(1-57),(1-56),球球电极,Ball - ball electrode,(1-59),(1-60),(1-61),(1-62),(1-63),另外，对于某些不太好根据经验公式求的电场结构，也可以用 ,30kV/cm,进行大致估算，则,间隙击穿电压,为,间隙击穿电压,-,gap breakdown voltage,3,、极不均匀电场中的击穿,Breakdown,in very non-uniform electric field,极不均匀场的击穿特性,电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱；,极间距离对击穿电压的影响增大；,在直流电压中，直流击穿电压的极性效应非常明显；,工频电压下，击穿都发生在正半周峰值附近。,当间隙距离不大时，击穿电压基本上与间隙距离呈线性上升的关系；,当间隙距离很大时，平均击穿场强明显降低，即击穿电压不再随间隙距离的增大而线性增加，呈现出饱和现象。,1.2.2,雷电冲击电压下的击穿,Lightning impulse voltage breakdown,大气中雷电产生的过电压对高压电气设备绝缘会产生重大威胁。因此在,电力系统中，一方面应采取措施限制大气过电压，另一方面应保证高压电气设备,能耐受一定水平的雷电过电压。,过电压,-,over-voltage,；,雷电,-,lightning,雷电过电压,是一种持续时间极短的脉冲电压，在这种电压作用下绝缘的击穿具有与稳态电压下击穿不同的特点。,1,、雷电冲击电压的标准波形,The standard lightning impulse voltage waveforms,按雷电发展的方向可分为：,雷电能对地面设备造成危害的主要是云地闪。,下行雷,Downward thunder,在雷云中产生并向大地发展；,上行雷,Upward thunder,由接地物体顶部激发，并向雷云方向发展。,下行负极性雷通常可分为,3,个主要阶段：,先导过程,主放电过程,余光放电过程,先导过程：,延续约几毫秒，以远级发展、高电导、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。沿先导通道分布着电荷，其数量达几库仑。,先导,-,Leader stroke,；,主放电,-,Main discharge,；,余光放电,-,Glow discharge,主放电过程：,当下行先导和大地短接时，发生先导通道放电的过渡过程。在主放电过程中，通道产生突发的亮光，发出巨大的声响，沿着雷电通道流过幅值很大、延续时间为近百微秒的冲击电流。,余光放电过程,：主放电完成后，云中的剩余电荷沿着雷电通道继续流向大地，这时在展开照片上看到的是一片模糊发光的部分，相应的电流是逐渐衰减的，约为,A,，延续时间约为几毫秒。,通常，雷电放电并未结束，随后还有几个,(,甚至十几个,),后续分量。每个后续分量也是由重新使雷电通道充电的先导阶段、通道放电的主放电阶段和余光放电阶段组成。,上述,3,个阶段组成下行负雷的第一个分量。,后续分量,-,follow-up components,；,先导阶段,-,leader stroke,电动力,-,electric power,；,电磁脉冲,-,electromagnetic pulse,各分量中的最大电流和电流增长最大陡度是造成被击物体上的过电压、电动力、电磁脉冲和爆破力的主要因素。而在余光阶段中流过较长时间的电流则是造成雷电热效应的重要因素。,图,1-1,5,表示雷电冲击电压的标准波形和确定其波前和波长时间的方法,(,波长时间指冲击波衰减至半峰值的时间,),。,图,1-15,标准雷电冲击电压波形,波前时间 半峰值时间,冲击电压峰值,标准波形,-,standard lightening impulse waveform,；,波长时间,-