子情境12气体绝缘材料及其击穿特性要求

正离子撞击阴极
正离子在电场中向阴极运动，碰撞阴极时将动能传递 给阴极中的电子可使其从金属中逸出。在逸出的电子 中，一部分可能和撞击阴极的正离子结合成为分子， 其余的则成为自由电子。
短波光照射 强场发射
在阴极附近加上很强的外电场 时，电子从阴极表面拉出来， 称为强场发射或冷发射。
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性
碰撞游离
是气体中带电质点数目增加的重要原因
按 在电场作用下，电子被加速获得动能。如果动能
照
大于气体质点的游离能，在和气体质点发生碰撞 时，就可能使气体质点产生游离，分裂成正离子
能 和自由电子。这种游离称为碰撞游离。
量 光游离
来
由光辐射引起气体原子或分子产生的游离，称为 光游离。
在U2＜U＜Ub时 电流随电压而增
时，单位时间内 加，这说明出现
进入电极的带电 了新的游离因素
质点数增加，电 ，这就是电子的
流随电压升高而 碰撞游离。
升高
U=Ub时，间 隙击穿。Ub 是该平板间隙 的击穿电压。 均匀电场中空 气间隙的击穿 场强约为30 kV(幅值)/cm。
在生的U1带＜图1电U-3＜质U点2全时部，落电入流电趋极于。稳因定产，生由的外带界电游质离点因数素很产 少，所以电流极小，此时气体间隙处于良好绝缘状态。
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性
一、稍不均匀电场和极不均匀电场中气体 放电的特征
稍不均匀电场中放电的特点与均匀电场中相似，在间隙 击穿前看不到有什么放电的迹象。
极不均匀电场中放电则不同，间隙击穿前在高场强区（ 曲率半径较小的电极表面附近）会出现蓝紫色的晕光， 并发出“咝咝”的响声，称为电晕放电。刚出现电晕时的 电压称为电晕起始电压，随着外施电压的升高电晕层逐 渐扩大，此时间隙中放电电流也会从微安级增大到毫安 级，但从工程观点看间隙仍保持其绝缘性能。
pd (133Pa·c积减m累弱) 能，量也，需从要而更游高离的
现在低气压下。图2－7 均匀电场中空气间隙电的压U才b＝能f（击p穿d）。曲线
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高气压或高真空都可提高击穿电压，工程 上都已广泛使用。真空度高到一定程度， 所有电子都不引起碰撞游离而直接进入阳 极，击穿电压不会无限提高。这是因为电 压上升到一定程度后，阴极表面的场强就 足够高，高得足以产生强场发射，而且高 能电子撞击阳极也可引起阳极表面材料的 气化，使高真空下的击穿电压上升到一定 程度后就很难再提高了。
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2．流注的形成和发展
流注头二部次游电离子过崩程向蓬主勃发展，放 出大量电光子子崩，汇继合续，引头起空光游离 。在流部注的前电方子出进现入了主新的二次电 当完后间大尾，射电整，电，部向出子个头荷加的周光崩间部密强电围子子延到主，生电到走 隙 空 度 了 场 放由界形电崩崩长阴放迅了通达外游成子，了极电速高道阳光离光畸的生崩崩电空于，形量质通它流，，向温迅极子，电变电了，。子间电所成的点道们注将强阳，速时引新子而场新二崩电场以负正构，被通间大极形由间起 形 在 加 中 的 次头荷强电离、成就吸 道 隙 的 运 成 阴 隙光成受强，电电部区度子子负的是引。接电动了极被游的到了产子子的，较大。带混流向通子，热向击当正由小多大电合注流，流互游阳穿流注就通相离极注头形过摩，发一部成流擦主展旦，了注产放，达
1．空间电荷对电场的畸变作用
在电场作用下 电子在奔向阳 极的过程中不 断引起碰撞游 离，电子崩不 断发展。由于 电子的运动速 度快，故电子 总是位于电子 崩的头部。正 离子的运动速 度比电子慢的 多，可看作静 止不动。
崩尾部 分的场 强加强 幅度小
崩头前方附 近的场强得 到了加强
正、负电荷交界处 场强被削弱
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2.汤逊理论
U＞U2时，假设外界游离因素作用下先使阴极附近出现了一个 自由电子。此电子在电场的作用下加速，造成碰撞游离，于是 出又现造一成个新正 的离碰子撞，游图两离1-个。4 自电由子电数子目。将两以个20自、由21电、子22在、电…场、中2n运的动 规律，如雪崩状增加，这一现场现象称为电子崩。
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如果中性原子从外界获得足够的能量，使 原子中的一个或几个电子完全脱离原子核 的束缚而成为自由电子和正离子（即带电 质点），此过程称为原子的游离。游离是 激发的极限状态，气体分子或原子游离所 需要的能量称为游离能。
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图1-1
分子或原子的游离可以一次完成，也可以分级完 成，即先经过激发阶段，然后发生游离，这种游离称 为分级游离。分级游离时，一次需要获得的能量较小 ，但几次获得的总能量应大于或等于游离能。
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图1-5
当外施电压U＜Ub时，若取消外界游离因素，电子崩 会消失，电流也将消失，这类放电称为非自持放电
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图1-6
U≥Ub时，由于场强足够大，正离子撞击阴极会发生 表面游离，释放出的电子又会引起电子崩，这时气体 中的游离过程可只靠电场的作用自行维持，而不再需 要外界游离因素，这就是自持放电。
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管形母线
四分裂 导线
(a)
(b)
1－12线路中的防晕措施
（a）220kV管形母线；（b）500kV线路的四分裂导线
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三、极不均匀电场中的极性效应
对于电极形状不对称的极不均匀电场间隙，如棒－板间 隙，棒的极性不同时，间隙的起晕电压和击穿电压各不 相同，这种现象称为极性效应。极性效应是不对称的极 不均匀电场所具有的特性之一。
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当d≤4Ur时 4r＜d＜8r放电过程
，放电具有 不稳定，击穿电压
稍不均匀场 间隙的特点
的分散性很大，属 于由稍不均匀变为
1
即击穿电
1
的
O
4r
8r
当d≥8r时，放 电具有极不均匀 场间隙的特点， 此时电晕起始电 压明显低于击穿 电压。
带电质点的复合
带正、负电荷的质点相遇，发生电荷的传递、中和而还原成中 性质点的过程，称为复合。强烈的游离区通常强烈的复合区， 同时伴随着强烈的光辐射，这个区的光亮度也就大。
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任务1.2.2 均匀电场中气体的击穿过程
内容
• 汤逊理论与巴申定律 • 流注理论
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3.巴申定律
在U形曲线的左半支，pd的下降主要指气压下降，而不是间隙 距离d的缩短。若50p下降，则电子平均自由行程加长，电子在 两次碰撞之间积累了足够高的能量。虽然电子动能很大，但由
于空气密U度b太低1，0 分子数量太少，碰撞次数太少，游离过程减
弱，击（峰穿值电，压kV升）高5 。
Ub是pd的函数 1
若d增加时电压不变
；是U性曲线 ，有极小值。对
0.5
，则间隙中E下降， 游离过程减弱，击穿
空气，Ub的极小 0.1
电压增加。另外，若
值约为325V。 此极小值出现在
0.1 0.5 1
5 10 P增加5，0 1则00电子自50由0 103 行程缩短，电子不易
pd≈76Pa·cm 时，即极小值出
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二、流注理论
pd较大时，放电过程及现象出现了新的 变化，因而在大量实验研究的基础上，提 出了流注放电理论。流注理论认为电子的 碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的 主要因素，空间电荷对电场的畸变作用是 产生光游离的重要原因。
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增大电极的曲率半径，例如采用扩径导线；在 某些载流量不大的场合，可采用空心薄壳的、 扩大尺寸的球面或旋转椭圆面等形式的电极。 对于输电线路，通常采用分裂导线法来防止电 晕的产生，就是将每相输电导线分裂为几根导 线组成，但总的截面积不变。分裂组合后的导 线，相当于增大了输电导线的半径，这样可以 使导线表面的电场强度减小，从而限制电晕的 形成 。
d
图1－11 球间隙的电晕电压、击穿电压与球间隙间距离的关系 1—击穿电压；2—电晕起始电压
任何电极形状随着极间距离的增大都会从稍不均 匀电场变为极不均匀电场。
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二、极不均匀电场中的电晕放电
极不均匀电场中，间隙中的最大场强与平 均场强相差很大。距曲率半径小的电极越 近，场强越大。当间隙上的电压升高时， 平均场强远未达到平均击穿场强的情况下 ，曲率半径小的电极附近空间的局部场强 将首先达到足以引起强烈游离的数值，在 这一局部区域内形成自持放电，产生薄薄 的蓝紫色的电晕层，电晕层发光是由于伴 随着游离而存在的复合以及由激发态回到 正常态的反激发辐射光子造成的。
二、气体中带电质点的消失
气体发生放电时，除了不断形成带电质点的游离过程 外，还存在带电质点的消失过程。
带电质点受电场力的作用流入电极 带电质点的扩散
带电质点的扩散是指带电质点从浓度较大的区域转移到浓度较 小的区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程 。扩散由热运动造成的。扩散使放电通道中的带电质点数减少 ，导致放电过程减弱或停止。
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性
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要求
熟悉在不同电场中，不同电压性质下气 体间隙的击穿特性，能正确运用各种提 高气体间隙击穿电压的方法
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知识点
• 气体中带电质点的产生与消失形式 • 汤逊理论、巴申定律、流注理论 • 极不均匀电场中的电晕放电和极性效应 • 冲击电压下间隙的放电时延和伏秒特性 • 提高气体间隙击穿电压的方法 • 绝缘子沿面放电的特点以及提高沿面闪络 电压的方法