高电压技术(第二版)吴广宁电子教案Word文件下载.doc

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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。

1.1.1带电质点的产生

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

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

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。

（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比值m称为该气体的电离度。

（2）光电离当满足以下条件时，产生光电离。

（3）碰撞电离

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。

（4）分级电离

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。

2、电极表面的电子逸出

（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

3、气体中负离子的形成

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。

1.1.2带电质点的消失

1.带电质点受电场力的作用流入电极；

2.带电质点的扩散；

3.带电质点的复合。

1.1.3电子崩与汤逊理论

1、放电的电子崩阶段

（1）非自持放电和自持放电的不同特点

（2）电子崩的形成

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。

依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。

2、汤逊理论

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。

（1）γ过程与自持放电条件

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γ过程。

（2）汤逊放电理论的适用范围

作业布置：

审批：

小结：

1、带电质点的产生与消失

2、电子崩的形成与汤逊理论

后记：

1.1气体放电的基本物理过程

（二）

1、掌握巴申定律与适用范围

2、掌握气体放电的流注理论

3、掌握不均匀电场中的气体放电

流注理论

1.1气体放电的基本物理过程

1.1.4巴申定律与适用范围

1、巴申定律

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

1.1.5气体放电的流注理论

1.空间电荷对原有电场的影响

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。

2.空间光电离的作用

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。

流注条件

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。

1.1.6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。

1.稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分

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：

为了描f<

2时为稍不均匀电场，f>

4属不均匀电场。

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，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。

（2）电晕放电的起始场强

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和各种因素间的关系更直接。

（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应，都会消耗一定的能量。

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。

降低电晕的方法：

①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。

②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。

（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.

棒－板间隙这种典型的极不均匀场

（5）长间隙击穿过程

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。

3.稍不均匀电场中的极性效应

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@也达到相当值，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。

1、巴申定律与适用范围

2、气体放电的流注理论

3、不均匀电场中的气体放电

1.2气体介质的电气强度

（一）

1、掌握持续作用电压下的击穿现象

2、掌握雷电冲击电压下的击穿现象

击穿机理

1.2气体介质的电气强度

1.2.1持续作用电压下的击穿

1、均匀电场中的击穿

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，如图所示。

均匀电场的击穿特性：

电极布置对称，无击穿的极性效应；

间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短

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；

击穿电压的分散性很小。

2、稍不均匀电场中的击穿

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。

3、极不均匀电场中的击穿

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。

1.2.2雷电冲击电压下的击穿

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。

1、雷电冲击电压的标准波形

雷电能对地面设备造成危害的主要是云地闪。

按雷电发展的方向可分为

下行雷在雷云中产生并向大地发展；

上行雷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。

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：

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10000—10A，延续时间约为几毫秒。

图1-16标准雷电冲击电压波形

Figure1-16Thestandardlighteningimpulsewaveform

－波前时间wave-fronttime－半峰值时间half-peaktime

－冲击电压峰值peakofimpulsevoltage

2、放电延时

完成气隙击穿的三个必备条件：

最低静态击穿电压；

在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子；

需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。

3.50％击穿电压

在工程实际中广泛采用击穿百分比为50％时的电压（U50%）来表征气隙的冲击击穿特性。

实际中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可认为是50％冲击击穿电压。

4.伏-秒特性

冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压－时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性曲线，它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。

如图所示：

1、持续作用电压下的击穿现象

2、雷电冲击电压下的击穿现象

1.2气体介质的电气强度

（二）

1、了解气体操作冲击电压下空气的绝缘特性

2、掌握大气条件对气体击穿的影响

3、掌握提高气体击穿电压的措施

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