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高电压技术第二章-气体放电
当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离产生出 正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负 离子的情况(又称为：吸附效应[attachment])。 容易吸附电子形成负离子的 气体称为电负性气体，如氧、氯、 氟、水蒸气和六氟化硫气体等。 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。
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的 行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。 单位行程中的碰撞次数n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太 大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内， 只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘 体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待 电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的 行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。 单位行程中的碰撞次数n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太 大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内， 只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘 体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待 电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
高电压技术课件 第二章 气体放电的物理过程
有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反 而是碰撞电子附着分子，形成了负离子
有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易 形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、SF6等）
负离子的形成起着阻碍放电的作用
15
5、金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态
41
4、击穿电压、巴申定律
根据自持放电条件推导击穿电压 ，先推导 的计算式
设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子 从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离， 必须满足条件
eEx Wi 或 Ex Ui
只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分子发生
碰撞电离
若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为
正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概 率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要
一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其 浓度
21
§2.2 气体放电机理
气体放电的概述 汤逊放电理论 流注放电理论
22
一、气体放电的概述
（一）气体放电的主要形式
根据气体压强、电源功率、电极形状等因素的不同 ，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电 管可以观察放电现象的变化
Ub
f
2
pS T
电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高 ，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩 散过程比离子的要强得多
20
3、带电质点的复合
正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相 中和、还原为分子的过程
在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易 形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、SF6等）
负离子的形成起着阻碍放电的作用
15
5、金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态
41
4、击穿电压、巴申定律
根据自持放电条件推导击穿电压 ，先推导 的计算式
设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子 从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离， 必须满足条件
eEx Wi 或 Ex Ui
只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分子发生
碰撞电离
若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为
正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概 率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要
一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其 浓度
21
§2.2 气体放电机理
气体放电的概述 汤逊放电理论 流注放电理论
22
一、气体放电的概述
（一）气体放电的主要形式
根据气体压强、电源功率、电极形状等因素的不同 ，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电 管可以观察放电现象的变化
Ub
f
2
pS T
电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高 ，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩 散过程比离子的要强得多
20
3、带电质点的复合
正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相 中和、还原为分子的过程
在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
高电压技术-第二章
δd 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。 因此，通常认为，δd ＞0.26 cm(pd＞200 cm •
mmHg)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。
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 。
1.1.2 带电质点的消失
带电质点的消失可能有以下几种情况： 带电质点受电场力的作用流入电极 ；
带电质点因扩散而逸出气体放电空间；
带电质点的复合。
带电质点的复合 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。 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。
回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起
为此引入系数。 阴极表面电离，统称为 过程。
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 α 过程，电子总数 增至 eαd 个。因在对α 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 （ eαd-1）个 正离子。由系数 γ 的定义，此（ eαd-1）个正离子 在到达阴极表面时可撞出 γ（eαd-1） 个新电子，这
（2）汤逊放电理论的适用范围
汤逊理论是在低气压、 δd 较小的条件下在放电
实验的基础上建立的。 δd 过小或过大，放电机理将
出现变化，汤逊理论就不再适用了。
δd 过小时，气压极低( 过小在实际上是不可能
γ 远大于 d，碰撞电离来不及发生， 的)， d / λ 过小，
高电压技术课件ppt
总结词
高电压技术经历了多个阶段，从最初的直流输 电到现代的特高压交流输电，其技术水平和应用范围 不断得到提升和拓展。未来，随着新能源、智能电网 等领域的快速发展，高电压技术将继续向更高电压等 级、更远距离输电、更高效节能等方向发展。同时， 随着科技的不断进步，高电压技术还将与其他领域的 技术进行交叉融合，产生更多的创新应用。
应急预案制定
制定详细的高电压安全事故应急预案，明确应急组织、救援程序 和救援措施。
应急演练和培训
定期进行应急演练和培训，提高工作人员应对高电压安全事故的能 力和意识。
及时救援和处理
一旦发生高电压安全事故，应迅速启动应急预案，采取有效措施进 行救援和处理，以减少人员伤亡和财产损失。
06 实践案例分析
高电压设备的绝缘测试与维护
绝缘测试
为了确保高电压设备的安全运行，必 须定期进行绝缘测试。常见的绝缘测 试方法包括耐压测试、介质损耗测试 、局部放电测试等。
维护与检修
高电压设备的运行过程中，应定期进 行维护和检修，及时发现和处理设备 存在的隐患和缺陷，保证设备的正常 运行。
高电压的电磁场与电磁屏蔽
高电压技术在电力系统中的作用
总结词
高电压技术在电力系统中的作用
详细描述
高电压技术在电力系统中扮演着至关重要的角色。通过高压输电，可以大幅度提高输电效率，降低线损，减少能 源浪费。同时，高电压也是电力系统稳定运行的重要保障，能够有效地解决电力供需矛盾，保障电力系统的安全 稳定运行。
高电压技术的发展历程与趋势
某地区高电压输电线路的设计与优化
总结词
考虑地理环境、气象条件、线路长度等 因素，采用先进的输电技术，优化设计 高电压输电线路。
VS
详细描述
高电压技术(全套)PPT课件
17电介质极化种类及比较极化类型产生场合所需时间能量损耗产生原因电子式极化任何电介质10141015束缚电子运行轨道偏移离子式极化离子式结构电介质10121013几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质1010102夹层极化多层介质的交界面101自由电荷的移动1812电介质的介电常数在真空中有关系式式子中e场强矢量d与e同向比例常数为真空的介电常数10854109880在介质中d与e同向为介质的相对介电常数它是没有量纲和单位的纯数
9
§1.0 电力系统的绝缘材料
绝缘的作用：
绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使其没有电 气的联系并能保持不同的电位。
分类：
气体绝缘材料：空气，SF6气体等 固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等 液体绝缘材料：变压器油 混合绝缘：电缆，变压器等设备
10
§1.1 电介质的极化
定义：电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹 性位移和偶极子的转向位移现象，称为电 介质的极化。
上述的三种极化是带电质
点的弹性位移或转向形成的， 而空间电荷极化的机理则与上 述三种完全不同，它是由带电 质点(电子或正、负离子)的移 动形成的。
最明显的空间电荷极化是 夹层极化。在实际的电气设备 中，如电缆、电容器、旋转电 机、变压器、互感器、电抗器 等的绝缘体，都是由多层电介
质组成的。
如图l-4所示，各层介质的电容分别为C1和C2；各层介质的电导分别为G1 和G2；直流电源电压为U。
26
(2)计算用等效电路（或简化等效电路）（从工程实际测量出发）
GeqR11k
2CP 2RP 1(CPRP)2
CeqCg
CP
1(CPRP)2
27
(3) 相量图
——介质损耗角 ——功率因数角
9
§1.0 电力系统的绝缘材料
绝缘的作用：
绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使其没有电 气的联系并能保持不同的电位。
分类：
气体绝缘材料：空气，SF6气体等 固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等 液体绝缘材料：变压器油 混合绝缘：电缆，变压器等设备
10
§1.1 电介质的极化
定义：电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹 性位移和偶极子的转向位移现象，称为电 介质的极化。
上述的三种极化是带电质
点的弹性位移或转向形成的， 而空间电荷极化的机理则与上 述三种完全不同，它是由带电 质点(电子或正、负离子)的移 动形成的。
最明显的空间电荷极化是 夹层极化。在实际的电气设备 中，如电缆、电容器、旋转电 机、变压器、互感器、电抗器 等的绝缘体，都是由多层电介
质组成的。
如图l-4所示，各层介质的电容分别为C1和C2；各层介质的电导分别为G1 和G2；直流电源电压为U。
26
(2)计算用等效电路（或简化等效电路）（从工程实际测量出发）
GeqR11k
2CP 2RP 1(CPRP)2
CeqCg
CP
1(CPRP)2
27
(3) 相量图
——介质损耗角 ——功率因数角
高电压技术(全套课件)
◆电子崩的形成（BC段电流剧增原因）
图1-5 均匀电场中的电子崩计算
电子碰撞电离系数α：代表一个电子沿电场方 向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数 平均值。
dn ndx
dn dx
n
x
n n0e0 dx
n n0e x
n n0ed
n n n0 n0 (ed 1)
◆影响碰撞电离的因素
● 除了电力工业、电工制造业外，高电压技术 目前还广泛应用于大功率脉冲技术、激光 技术、核物理、等离子体物理、生态与环 境保护、生物学、医学、高压静电工业应 用等领域。
第一篇 电介质的电气强度
第一章 气体放电的基本物理过程
第一节 带电粒子的产生和消失 第二节电子崩 第三节 自持放电条件 第四节 起始电压与气压的关系 第五节 气体放电的流注理论 第六节 不均匀电场中的放电过程 第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿 第八节 沿面放电和污闪事故
《高电压技术》
绪论
● 高电压技术主要研讨高电压(强电场)下的各种电气物理问题。 ● 高电压技术的发展始终与大功率远距离输电的需求密切相关。 ● 对于电力类专业的学生来说，学习本课程的主要目的是学会正确处理电力系统中过电压与绝 缘这一对矛盾。 ● 为了说明电力系统与高电压技术的密切关系， 以高压架空输电线路的设计为例，在图 0-1中 列出了种种与高电压技术直接相关的工程问题。
在大气压和常温下,电子在空气中的平均自由行程长度的数 量级为10-5cm 。
◆ 带电粒子的运动
● 带电粒子的迁移率：该粒子在单位场强（1V/m) 下沿电场方向的漂移速度。
k v E
电子的迁移率远大于离子的迁移率
● 扩散：在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的 区域向浓度较小的区域运动，从而使其浓度分布均 匀化的物理过程。
第二章 气体介质的电气强度
气隙的极性效应则不明显， “棒—棒” 气隙的极性效应则不明显，可忽略不 棒 计。
击穿特性介于上述“ 击穿特性介于上述“棒—板” 气隙在两种极性下的击穿 板 特性之间。 特性之间。
《高电压技术》第二讲 11
第二章
气体介质的电气强度
第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性
2、直流电压 、
《高电压技术》第二讲 12
《高电压技术》第二讲 6
第二章
气体介质的电气强度
第二节 稍不均匀电场气隙的击穿特性
2、击穿电压 、
通常对一些典型的电极结构做出一批实验数据， 通常对一些典型的电极结构做出一批实验数据， 对一些典型的电极结构做出一批实验数据 实际的电极结构只能从典型电极中选取类似结构 进行估算。 进行估算。 电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高， 电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高， 极限就是均匀电场中的击穿电压。 极限就是均匀电场中的击穿电压。
伏秒特性很快就变平，冲击系数 伏秒特性很快就变平，冲击系数β=1强度
第一节 均匀电场中气体击穿的发展过程
3、击穿电压的经验公式 、
击穿电压： 击穿电压：
U b = 24 .55δd + 6.66 δd ( kV )
平均击穿场强
Ub Eb = = 24 .55δ + 6.66 δ / d ( kV / cm ) d
《高电压技术》第二讲 13
第二章
气体介质的电气强度
第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性
3、工频交流电压 、
在空气间隙更长时， 在空气间隙更长时，“棒—板”气隙的平均击穿场 板 强明显降低，即存在“饱和”现象。 强明显降低，即存在“饱和”现象。 各种气隙的工频击穿电压的分散性一般不大， 各种气隙的工频击穿电压的分散性一般不大，其标 准偏差σ值一般不会超过2% 3%。 2%～ 准偏差σ值一般不会超过2%～3%。
高电压技术(第二章)
工程用变压器油中含有水分和纤维等杂质，由于它们的 r 很大
容易沿电场方向极化定向，排列成杂质小桥：
1. 如果杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串联，由于
度显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电 离增强，这样发展下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。
纤维的 r大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强
Emax
利用系数： Eav r0 R ＝ ln Emax R r0 r0
Emin
0
r0
三. 影响液体介质击穿电压的因素
1.电压形式的影响 击穿电压跟电压的作用时间和电压上升 率有关 2. 含水量、含气量 3. 温度
4. 杂质的影响
5. 油量的影响
水分和油温
Ub(kV)
悬浮状水滴在油中是十分有 40 害的，如右图，当含水量为 万 分之几时，它对击穿电压就有明 20 显的影响，这意味着油中已出现 悬浮状水滴；含水量达0.02%时 击穿电压已下降至约15kV，比 0 0.02 0.04 含水量(%) 不含水分时低很多 。含水量继 标准油杯实验 续增大击穿电压下降已不多，因为只有一定数量的水分能悬 浮于水中，多余的会沉淀到油底部。 潮湿的油由0℃开始 上升时，一部分水分从悬浮状态转为 害处较小的溶解状态，使击穿电压上升；超过80 ℃后，水开始 汽化，产生气泡，引起击穿电压下降，从而在60 ℃～80℃间出 现最大值
与周围环境温度无关。
2. 热击穿：由于固体介质内部热不稳定性造成。
电压作用下 介质损耗， 使介质发热 发热大于散 热时，介质温 度不断升高 介质分解、 熔化、碳化 或烧焦
热击穿
特点：
(1)在电压作用下，产生的电导电流和介质极化引起介质损耗， 使介质发热． (2)热击穿电压随环境温度的升高而下降,热击穿电压直接与 散热条件有关
容易沿电场方向极化定向，排列成杂质小桥：
1. 如果杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串联，由于
度显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电 离增强，这样发展下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。
纤维的 r大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强
Emax
利用系数： Eav r0 R ＝ ln Emax R r0 r0
Emin
0
r0
三. 影响液体介质击穿电压的因素
1.电压形式的影响 击穿电压跟电压的作用时间和电压上升 率有关 2. 含水量、含气量 3. 温度
4. 杂质的影响
5. 油量的影响
水分和油温
Ub(kV)
悬浮状水滴在油中是十分有 40 害的，如右图，当含水量为 万 分之几时，它对击穿电压就有明 20 显的影响，这意味着油中已出现 悬浮状水滴；含水量达0.02%时 击穿电压已下降至约15kV，比 0 0.02 0.04 含水量(%) 不含水分时低很多 。含水量继 标准油杯实验 续增大击穿电压下降已不多，因为只有一定数量的水分能悬 浮于水中，多余的会沉淀到油底部。 潮湿的油由0℃开始 上升时，一部分水分从悬浮状态转为 害处较小的溶解状态，使击穿电压上升；超过80 ℃后，水开始 汽化，产生气泡，引起击穿电压下降，从而在60 ℃～80℃间出 现最大值
与周围环境温度无关。
2. 热击穿：由于固体介质内部热不稳定性造成。
电压作用下 介质损耗， 使介质发热 发热大于散 热时，介质温 度不断升高 介质分解、 熔化、碳化 或烧焦
热击穿
特点：
(1)在电压作用下，产生的电导电流和介质极化引起介质损耗， 使介质发热． (2)热击穿电压随环境温度的升高而下降,热击穿电压直接与 散热条件有关
高电压技术 二章
△U=△τ（△ u/△τ）
击穿完成时间间隙上 的电压应为： U0+△U
u
△U
△U △U→0
U0 t
击穿电压和电压陡度的关系
1 伏秒特性：工程上用气隙出现的电压最大 值和放电时间的关系来表示气隙在冲击电 压下的击穿特性 2伏-秒特性曲线的得出： 保持一定的波形而逐级升高电压 a)峰值大的电压波加于间隙时，击穿常发生 在波前，取击穿时的电压值和实际作用时 间相交的那个点；
u0 t
2影响平均统计时延的因素： 1）电极材料； 2）外施电压； 3）短波光照射； 4）电场情况 3影响放电发展时间的主要因素： 1）间隙长短；2）电场均匀度；3）外施电压
短间隙且电场比较均匀： tf 较小
在很不均匀电场且长间隙中： tf 将占大部分。
外施电压越高，则放电发展越快， tf 也就越小
稍不均匀电场中的击穿电压
1. 不能形成稳定的电晕放电 2. 电场不对称时，极性效应不很明显 3. 直流、工频下的击穿电压(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 4. 击穿电压和电场均匀程度关系极大， 电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电 压就越高
球—球间隙，球—板间隙，同轴圆柱间隙
当d＞D/4，大地对电场的畸变 作用使间隙电场分布不对称， Ub有极性效应
电场最强的电极为负极性时的 击穿电压略低于正极性时的 数值 同一间隙距离下，球电极直径 越大，由于电场均匀程度增 加，击穿电压也越高
3、极不均匀电场中 （1）直流电压下（有极性效应） 同样间隙距离下不同间隙类型的击穿电压比较： 负棒—正板 > 棒—棒 > 正棒—负板 （2）工频电压下（有极性效应，击穿电压峰值稍 低于直流击穿电压） 棒—板间隙的击穿总是在棒极性为正、电压达峰值 时发生。
击穿完成时间间隙上 的电压应为： U0+△U
u
△U
△U △U→0
U0 t
击穿电压和电压陡度的关系
1 伏秒特性：工程上用气隙出现的电压最大 值和放电时间的关系来表示气隙在冲击电 压下的击穿特性 2伏-秒特性曲线的得出： 保持一定的波形而逐级升高电压 a)峰值大的电压波加于间隙时，击穿常发生 在波前，取击穿时的电压值和实际作用时 间相交的那个点；
u0 t
2影响平均统计时延的因素： 1）电极材料； 2）外施电压； 3）短波光照射； 4）电场情况 3影响放电发展时间的主要因素： 1）间隙长短；2）电场均匀度；3）外施电压
短间隙且电场比较均匀： tf 较小
在很不均匀电场且长间隙中： tf 将占大部分。
外施电压越高，则放电发展越快， tf 也就越小
稍不均匀电场中的击穿电压
1. 不能形成稳定的电晕放电 2. 电场不对称时，极性效应不很明显 3. 直流、工频下的击穿电压(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 4. 击穿电压和电场均匀程度关系极大， 电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电 压就越高
球—球间隙，球—板间隙，同轴圆柱间隙
当d＞D/4，大地对电场的畸变 作用使间隙电场分布不对称， Ub有极性效应
电场最强的电极为负极性时的 击穿电压略低于正极性时的 数值 同一间隙距离下，球电极直径 越大，由于电场均匀程度增 加，击穿电压也越高
3、极不均匀电场中 （1）直流电压下（有极性效应） 同样间隙距离下不同间隙类型的击穿电压比较： 负棒—正板 > 棒—棒 > 正棒—负板 （2）工频电压下（有极性效应，击穿电压峰值稍 低于直流击穿电压） 棒—板间隙的击穿总是在棒极性为正、电压达峰值 时发生。
最新2高电压技术第二章解析ppt课件
如右图所示
19
试验图形分析：
• 首先，大气中少量的正负离子存在；
• 其次，在极间加上电压后，带电离子 oa段:
分别向两极移动，形成电流；
随着电压升高，到达阳极 的带电质点数量和速度也随之 增大。
均匀电场中气体的伏安特性
ab段：
电流不再随电压的增大而 增大因为这时由外界电离因素 在极间产生的带电离子已全部 参加导电，所以电流趋于饱和 。电流密度是极小的，一般只 有10-19 A/cm2，间隙仍处于良 好的绝缘状态。
2高电压技术第二章解析
电气设备的一般特性
1. 设备可靠性随电压升高而下降 2. 设备的体积随电压升高而增大
2
电气设备的一般特性
设备
可靠性
体积
电压 3
高电压技术 第二章
气体放电的物理过程
4
概述
➢ 气体 如绝缘气体：空气 1 用于高压电气设备绝缘的介质 ➢ 液体 如油，变压器等
➢ 固体 如绝缘子等
一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
6
输电线路以气体作为绝缘材料
架空输电线 相与相之间 线路与铁塔之间
7
变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料
变压器引出 线之间
8
液体与固体绝缘材料中的气体
9
2.带电质点的产生
(1) 激发（激励）
原子在外界因素（电场、高温等）作用下,其电子 跃迁到能量较高的状态，但这一过程只有10-8S，非 常短暂。Байду номын сангаас回到正常状态并发射光子。
在电场不均匀的间隙中，最大场强通常出现在曲率半径小的电 极表面附近。当最大场强区域已达到自持放电条件，但其他区域的 场强仍很低。即自持放电局限在间隙中场强最大的部分—电晕放电
19
试验图形分析：
• 首先，大气中少量的正负离子存在；
• 其次，在极间加上电压后，带电离子 oa段:
分别向两极移动，形成电流；
随着电压升高，到达阳极 的带电质点数量和速度也随之 增大。
均匀电场中气体的伏安特性
ab段：
电流不再随电压的增大而 增大因为这时由外界电离因素 在极间产生的带电离子已全部 参加导电，所以电流趋于饱和 。电流密度是极小的，一般只 有10-19 A/cm2，间隙仍处于良 好的绝缘状态。
2高电压技术第二章解析
电气设备的一般特性
1. 设备可靠性随电压升高而下降 2. 设备的体积随电压升高而增大
2
电气设备的一般特性
设备
可靠性
体积
电压 3
高电压技术 第二章
气体放电的物理过程
4
概述
➢ 气体 如绝缘气体：空气 1 用于高压电气设备绝缘的介质 ➢ 液体 如油，变压器等
➢ 固体 如绝缘子等
一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
6
输电线路以气体作为绝缘材料
架空输电线 相与相之间 线路与铁塔之间
7
变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料
变压器引出 线之间
8
液体与固体绝缘材料中的气体
9
2.带电质点的产生
(1) 激发（激励）
原子在外界因素（电场、高温等）作用下,其电子 跃迁到能量较高的状态，但这一过程只有10-8S，非 常短暂。Байду номын сангаас回到正常状态并发射光子。
在电场不均匀的间隙中，最大场强通常出现在曲率半径小的电 极表面附近。当最大场强区域已达到自持放电条件，但其他区域的 场强仍很低。即自持放电局限在间隙中场强最大的部分—电晕放电
高电压技术(全套课件)
高电压技术
信息工程学院电气教研室
绪论
一．内容与范畴
高电压技术是电工学科的一个重要分支，它涉及到 数学、物理、化学、材料等基础学科，主要研究高电压 （强电场）下的各种电气物理问题。20世纪60年代以来， 高电压技术一直不断吸收其他学科尤其是新科技领域的 成果，促进自身发展；也促进了电力传输、大功率脉冲 技术、激光技术、核物理等科技领域的发展，显示出强 大的活力。
四.重点和难点
课程的重点包括： 汤逊理论和流注理论等气体放电的基本理论、电场
型式及其与击穿特性的关系、液体和固体电介质的 绝缘特性； 绝缘特性的测量方法、电气设备的高电压试验设备及 原理； 线路和绕组中的波过程、电力系统中的过电压及其防 护、绝缘配合。
课程的难点是：
汤逊、流注气体放电理论的理解； 电介质的极化、电导和损耗的物理概念及其工
当不存在外电场时，电子云的 中心与原子核重合，此时电矩为 零．当外加一电场，在电场力的 作用下发生电子位移极化．当外 电场消失时，原子核对电子云的 引力又使二者重合，感应电矩也 随之消失。
电场中的所有电介质内都存在 电子位移极化。
二、离子位移极化
在由离子结合成的电介质内，外电场的作用除促使
各个离子内部产生电子位移极化外还产生正、负离子相对位移而
二 .课程内容
第一篇 各类电介质在高电场下的特性 教学内容：气体放电的基本物理过程；气体介质的 气强度；液体和固体介质的电气特性。
第二篇 电气设备绝缘试验技术 教学内容：电气设备绝缘预防性试验；绝缘的高电压 试验。
第三篇 电力系统过电压与绝缘配合 教学内容：输电线路和绕组中的波过程；雷电放电与 防雷保护装置；电力系统的防雷保护；内部过电压； 电力系统绝缘配合。
信息工程学院电气教研室
绪论
一．内容与范畴
高电压技术是电工学科的一个重要分支，它涉及到 数学、物理、化学、材料等基础学科，主要研究高电压 （强电场）下的各种电气物理问题。20世纪60年代以来， 高电压技术一直不断吸收其他学科尤其是新科技领域的 成果，促进自身发展；也促进了电力传输、大功率脉冲 技术、激光技术、核物理等科技领域的发展，显示出强 大的活力。
四.重点和难点
课程的重点包括： 汤逊理论和流注理论等气体放电的基本理论、电场
型式及其与击穿特性的关系、液体和固体电介质的 绝缘特性； 绝缘特性的测量方法、电气设备的高电压试验设备及 原理； 线路和绕组中的波过程、电力系统中的过电压及其防 护、绝缘配合。
课程的难点是：
汤逊、流注气体放电理论的理解； 电介质的极化、电导和损耗的物理概念及其工
当不存在外电场时，电子云的 中心与原子核重合，此时电矩为 零．当外加一电场，在电场力的 作用下发生电子位移极化．当外 电场消失时，原子核对电子云的 引力又使二者重合，感应电矩也 随之消失。
电场中的所有电介质内都存在 电子位移极化。
二、离子位移极化
在由离子结合成的电介质内，外电场的作用除促使
各个离子内部产生电子位移极化外还产生正、负离子相对位移而
二 .课程内容
第一篇 各类电介质在高电场下的特性 教学内容：气体放电的基本物理过程；气体介质的 气强度；液体和固体介质的电气特性。
第二篇 电气设备绝缘试验技术 教学内容：电气设备绝缘预防性试验；绝缘的高电压 试验。
第三篇 电力系统过电压与绝缘配合 教学内容：输电线路和绕组中的波过程；雷电放电与 防雷保护装置；电力系统的防雷保护；内部过电压； 电力系统绝缘配合。
高电压技术讲义第二章
由于通过介质的泄漏电流和有损极化使电介 质在交变电场作用下产生介质损耗，介质损耗 的大小用tgδ来表示。
可编辑ppt
32
工程上应用的变压器油中总是含有少量的 杂质，主要是水分和纤维等。水分和纤维的 相对介电常数比油的大，在外加电场作用下 很容易极化，因而在极间形成漏电大的通道， 即杂质小桥，这漏电大的通道发热使局部温 度升高，水分汽化而形成气体通道，气体通 道因碰撞游离而击穿，故变压器油的击穿是 用小桥理论来解释的。
=ε0A/d。
可编辑ppt
2
在两电极间加入厚度与
极间距相同的固体电介
质重新完成试验。发现
极板上的电量增加了Q’，
-+
Q=Q0+Q’ =εA/d 。问Q’
-+
这些电量是如何来的呢？
在电场的作用下，电 介质相对电极两面呈
用相对介电常数来描述
现电性的现象称为极 εγ =Q/Q0=（Q0+Q’）/Q0 化。
2、在交流及冲击电压作用下，多层串联电介
质是中先的缠场强介分电布常与数介小电的常数呢成？反比。
3、利用夹层极化可以判断绝缘受潮的情况。
可编辑ppt
8
常用电介质的介电常数
材料类别
气体介质
（标准大 气压条件
下）
中性 极性
液体介质
弱极性 极性 强极性
固体介质 极性
离子性
名称 空气/氮气
二氧化硫
变压器油/硅有机液 蓖麻油/氯化联苯
28
小结
在电场作用下，电介质中发生的物理现象可用 四个特性参数：介电常数、绝缘电阻率、介质 损耗角正切及绝缘强度来表征。前三个参数是 表征在较弱电场中的性能，绝缘强度是在强电 场中表征电介质性能的参数（电场的强弱是以 能否使电介质发生放电来区分的）。这四个参 数有三个是物理量，而tgδ是一个比值。
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32
工程上应用的变压器油中总是含有少量的 杂质，主要是水分和纤维等。水分和纤维的 相对介电常数比油的大，在外加电场作用下 很容易极化，因而在极间形成漏电大的通道， 即杂质小桥，这漏电大的通道发热使局部温 度升高，水分汽化而形成气体通道，气体通 道因碰撞游离而击穿，故变压器油的击穿是 用小桥理论来解释的。
=ε0A/d。
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2
在两电极间加入厚度与
极间距相同的固体电介
质重新完成试验。发现
极板上的电量增加了Q’，
-+
Q=Q0+Q’ =εA/d 。问Q’
-+
这些电量是如何来的呢？
在电场的作用下，电 介质相对电极两面呈
用相对介电常数来描述
现电性的现象称为极 εγ =Q/Q0=（Q0+Q’）/Q0 化。
2、在交流及冲击电压作用下，多层串联电介
质是中先的缠场强介分电布常与数介小电的常数呢成？反比。
3、利用夹层极化可以判断绝缘受潮的情况。
可编辑ppt
8
常用电介质的介电常数
材料类别
气体介质
（标准大 气压条件
下）
中性 极性
液体介质
弱极性 极性 强极性
固体介质 极性
离子性
名称 空气/氮气
二氧化硫
变压器油/硅有机液 蓖麻油/氯化联苯
28
小结
在电场作用下，电介质中发生的物理现象可用 四个特性参数：介电常数、绝缘电阻率、介质 损耗角正切及绝缘强度来表征。前三个参数是 表征在较弱电场中的性能，绝缘强度是在强电 场中表征电介质性能的参数（电场的强弱是以 能否使电介质发生放电来区分的）。这四个参 数有三个是物理量，而tgδ是一个比值。
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2 绝缘的击穿： 作用在绝缘材料上的电场强度超过某一临界值 而使其失去绝缘性能的现象。
3 气体介质的两大优点
❖ 不存在老化问题；
❖ 击穿后具有完全的绝缘自恢复特 性。
5
2.1.气体中带电质点的产生和消失
1.空气在强电场下放电特性 气体在正常状态下是良好的绝缘体，在一个立方厘
米体积内仅含几千个带电粒子,但在高电压下,气体从少量 电荷会突然产生大量的电荷,从而失去绝缘能力而发生放 电现象.
27
汤森德理论分析： 碰撞电离系数
1
xi
e
wi
1 e qE
1 定义 AP
A is constant, P is pressure
Ae
APw i qE
P
Aw
i
q
定义
B
Ae Bp E P
P
f
E
P
/P 是E/P的函数
28
汤森德理论分析：
汤森德的自持放电条件
非自持放电
1) 场强能保证出现有效的碰撞电离； 2) 依靠外界电离因素从阴极释放自由电子。
叫自持放电。电子雪崩。
21
试验图形分析：
电子在电场作用下从阴 极奔向阳极，并与中性分子 碰撞产生电离，由此产生的 新电子也加入其中，使电子 的数目迅速增加，这种迅猛 发展的碰撞电离过程被称为 电子雪崩。
均匀电场中气体的伏安特性
22
相关的概念
(1).电子崩 在电场作用下电子从阴极向阳极推进而形成的一群电子。
原子
17
气体中带电质点的产生与消失
中性的气体
能量 电离的方式 ➢ 激发
电离 去电离过程 ➢ 带电质点中和电量
➢ 游离
碰撞电离 光电离
➢ 带电质点的扩散
热电离
➢ 带电质点的复合
表面电离
负离子的形成
18
2.2气体放电机理电子崩与流注
1.汤森德放电理论（又名电子崩理论）. 适用条件:
均匀电场,低气压,短间隙 实验装置：
(2).非自持放电 去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止。
(3).自持放电 不需要外界游离因素存在,放电也能维持下去。
23
电子雪崩的示意图
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
d
+
24
电子崩的电荷分布
-
+ +
+ +
+ +
+ +
+
+
+
+
++
+ +
+
+ +
+
+
+ +
+
-
-
-
-
+
d
25
汤森德理论分析：
新产生的电子参加电离过程
新增加的es－1个正离子或电子 二次电离
(es＿1)个电子
31
汤森德理论分析：
自持放电条件
由前面的计算结果可以得出此结论
e s 1 1
取决于
电极材料及表面状况 气体种类 E/P
32
paschen定律
更普遍的形式是以气体的密度代替压力
表达式:
Ubf(S)
式中：δ: 气体压力 S: 极间距离
如右图所示
19
试验图形分析：
• 首先，大气中少量的正负离子存在；
• 其次，在极间加上电压后，带电离子 oa段:
分别向两极移动，形成电流；
随着电压升高，到达阳极 的带电质点数量和速度也随之 增大。
均匀电场中气体的伏安特性
ab段：
电流不再随电压的增大而 增大因为这时由外界电离因素 在极间产生的带电离子已全部 参加导电，所以电流趋于饱和 。电流密度是极小的，一般只 有10-19 A/cm2，间隙仍处于良 好的绝缘状态。
增加间隙上的电压
自持放电 无需外界电离因素从阴极释放自由电子
29
汤森德理论分析：
汤森德的解释：
电子崩中的正离子在返回阴极时，由于其具有的位能（电 离能）及动能而在阴极上产生的二次电离是取得二次电子使 放电转为自持的关键。
30
汤森德理论分析：
如果每个正离子返回阴极时，由于其具有的位能及动能， 从阴极上释放出 个二次电子。（假设起始电子不参加电离过 程）
一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
6
输电线路以气体作为绝缘材料
架空输电线 相与相之间 线路与铁塔之间
7
变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料
变压器引出 线之间
8
液体与固体绝缘材料中的气体
9
2.带电质点的产生
(1) 激发（激励）
原子在外界因素（电场、高温等）作用下,其电子 跃迁到能量较高的状态，但这一过程只有10-8S，非 常短暂。后回到正常状态并发射光子。
14
2.带电质点的产生 （d）表面电离 电子从金属电极表面逸出来的过程称为表面电离
15
2.带电质点的产生 （e）负离子的形成 中性分子或原子与电子的结合
16
3.带电质点的消失 去电离
a.带电质点中和电量 b.扩散 带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动. c.复合 正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性
20
试验图形分析：
bc段：
电流又再随电压的增大而增 大，到达b点后，电流又重新随电 压升高而增大。间隙中出现新的 电离因素，这就是电子的碰撞电 离。
c点:电流急剧突增
均匀电场中气体的伏安特性
随着电压的升高，电流越来
越大。最后达到c点时，电流更急
剧增加到必须依靠外电路的电阻
来限制的地步。放电的这一阶段
12
2.带电质点的产生
（b）光电离 由光辐射引起气体原子（或分子）的电离称为光电离
产生光电离的条件： h Wi
从公式中可得出，：能量取决于光的波长
h:普朗克常数 ν:光的频率
13
2.带电质点的产生
（c）热电离 气体在热状态下引起的电离过程称为热电离
产生热电离的条件：
3 2
KT
Wi
K:波茨曼常数
T:绝对温度
2高电压技术第二章解析
电气设备的一般特性
1. 设备可靠性随电压升高而下降 2. 设备的体积随电压升高而增大
2
电气设备的一般特性
设备
可靠性
体积
电压 3
高电压技术 第二章
气体放电的物理过程
4
概述
➢ 气体 如绝缘气体：空气 1 用于高压电气设备绝缘的介质 ➢ 液体 如油，变压器等
➢ 固体 如绝缘子等
1
es
If s=10 Then es=2.2×104
26
汤森德理论分析：
碰撞电离系数
它表示电子在电场作用下由阴极移动过程中在单位行程里 所发生的碰撞游离系数
取决于
➢ 单位距离电子产生碰撞的次数 ➢ 每次碰撞产生电离的概率
自由行程 ：单位距离电子产生碰撞的次数等于平均自由行程 的倒数 （=距离/次数）。
正常 原子
电场 高温等
激发 原子
+
正常 原子
光子
10
2.带电质点的产生
(2) 游离
原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子脱 离原子核的束博而形成自由电子和正离子。
中性 原子
外界能量
+
正离子 电子
11
2.带电质点的产生
游离的方式 a.撞击电离（电子起主要作用） b.光电离 c.热电离 d. 表面电离 e. 负离子的形成
3 气体介质的两大优点
❖ 不存在老化问题；
❖ 击穿后具有完全的绝缘自恢复特 性。
5
2.1.气体中带电质点的产生和消失
1.空气在强电场下放电特性 气体在正常状态下是良好的绝缘体，在一个立方厘
米体积内仅含几千个带电粒子,但在高电压下,气体从少量 电荷会突然产生大量的电荷,从而失去绝缘能力而发生放 电现象.
27
汤森德理论分析： 碰撞电离系数
1
xi
e
wi
1 e qE
1 定义 AP
A is constant, P is pressure
Ae
APw i qE
P
Aw
i
q
定义
B
Ae Bp E P
P
f
E
P
/P 是E/P的函数
28
汤森德理论分析：
汤森德的自持放电条件
非自持放电
1) 场强能保证出现有效的碰撞电离； 2) 依靠外界电离因素从阴极释放自由电子。
叫自持放电。电子雪崩。
21
试验图形分析：
电子在电场作用下从阴 极奔向阳极，并与中性分子 碰撞产生电离，由此产生的 新电子也加入其中，使电子 的数目迅速增加，这种迅猛 发展的碰撞电离过程被称为 电子雪崩。
均匀电场中气体的伏安特性
22
相关的概念
(1).电子崩 在电场作用下电子从阴极向阳极推进而形成的一群电子。
原子
17
气体中带电质点的产生与消失
中性的气体
能量 电离的方式 ➢ 激发
电离 去电离过程 ➢ 带电质点中和电量
➢ 游离
碰撞电离 光电离
➢ 带电质点的扩散
热电离
➢ 带电质点的复合
表面电离
负离子的形成
18
2.2气体放电机理电子崩与流注
1.汤森德放电理论（又名电子崩理论）. 适用条件:
均匀电场,低气压,短间隙 实验装置：
(2).非自持放电 去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止。
(3).自持放电 不需要外界游离因素存在,放电也能维持下去。
23
电子雪崩的示意图
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
d
+
24
电子崩的电荷分布
-
+ +
+ +
+ +
+ +
+
+
+
+
++
+ +
+
+ +
+
+
+ +
+
-
-
-
-
+
d
25
汤森德理论分析：
新产生的电子参加电离过程
新增加的es－1个正离子或电子 二次电离
(es＿1)个电子
31
汤森德理论分析：
自持放电条件
由前面的计算结果可以得出此结论
e s 1 1
取决于
电极材料及表面状况 气体种类 E/P
32
paschen定律
更普遍的形式是以气体的密度代替压力
表达式:
Ubf(S)
式中：δ: 气体压力 S: 极间距离
如右图所示
19
试验图形分析：
• 首先，大气中少量的正负离子存在；
• 其次，在极间加上电压后，带电离子 oa段:
分别向两极移动，形成电流；
随着电压升高，到达阳极 的带电质点数量和速度也随之 增大。
均匀电场中气体的伏安特性
ab段：
电流不再随电压的增大而 增大因为这时由外界电离因素 在极间产生的带电离子已全部 参加导电，所以电流趋于饱和 。电流密度是极小的，一般只 有10-19 A/cm2，间隙仍处于良 好的绝缘状态。
增加间隙上的电压
自持放电 无需外界电离因素从阴极释放自由电子
29
汤森德理论分析：
汤森德的解释：
电子崩中的正离子在返回阴极时，由于其具有的位能（电 离能）及动能而在阴极上产生的二次电离是取得二次电子使 放电转为自持的关键。
30
汤森德理论分析：
如果每个正离子返回阴极时，由于其具有的位能及动能， 从阴极上释放出 个二次电子。（假设起始电子不参加电离过 程）
一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
6
输电线路以气体作为绝缘材料
架空输电线 相与相之间 线路与铁塔之间
7
变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料
变压器引出 线之间
8
液体与固体绝缘材料中的气体
9
2.带电质点的产生
(1) 激发（激励）
原子在外界因素（电场、高温等）作用下,其电子 跃迁到能量较高的状态，但这一过程只有10-8S，非 常短暂。后回到正常状态并发射光子。
14
2.带电质点的产生 （d）表面电离 电子从金属电极表面逸出来的过程称为表面电离
15
2.带电质点的产生 （e）负离子的形成 中性分子或原子与电子的结合
16
3.带电质点的消失 去电离
a.带电质点中和电量 b.扩散 带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动. c.复合 正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性
20
试验图形分析：
bc段：
电流又再随电压的增大而增 大，到达b点后，电流又重新随电 压升高而增大。间隙中出现新的 电离因素，这就是电子的碰撞电 离。
c点:电流急剧突增
均匀电场中气体的伏安特性
随着电压的升高，电流越来
越大。最后达到c点时，电流更急
剧增加到必须依靠外电路的电阻
来限制的地步。放电的这一阶段
12
2.带电质点的产生
（b）光电离 由光辐射引起气体原子（或分子）的电离称为光电离
产生光电离的条件： h Wi
从公式中可得出，：能量取决于光的波长
h:普朗克常数 ν:光的频率
13
2.带电质点的产生
（c）热电离 气体在热状态下引起的电离过程称为热电离
产生热电离的条件：
3 2
KT
Wi
K:波茨曼常数
T:绝对温度
2高电压技术第二章解析
电气设备的一般特性
1. 设备可靠性随电压升高而下降 2. 设备的体积随电压升高而增大
2
电气设备的一般特性
设备
可靠性
体积
电压 3
高电压技术 第二章
气体放电的物理过程
4
概述
➢ 气体 如绝缘气体：空气 1 用于高压电气设备绝缘的介质 ➢ 液体 如油，变压器等
➢ 固体 如绝缘子等
1
es
If s=10 Then es=2.2×104
26
汤森德理论分析：
碰撞电离系数
它表示电子在电场作用下由阴极移动过程中在单位行程里 所发生的碰撞游离系数
取决于
➢ 单位距离电子产生碰撞的次数 ➢ 每次碰撞产生电离的概率
自由行程 ：单位距离电子产生碰撞的次数等于平均自由行程 的倒数 （=距离/次数）。
正常 原子
电场 高温等
激发 原子
+
正常 原子
光子
10
2.带电质点的产生
(2) 游离
原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子脱 离原子核的束博而形成自由电子和正离子。
中性 原子
外界能量
+
正离子 电子
11
2.带电质点的产生
游离的方式 a.撞击电离（电子起主要作用） b.光电离 c.热电离 d. 表面电离 e. 负离子的形成