气体电介质的击穿特性优秀课件
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气体电介质的击穿特性
引入新课
不均匀电场中气体的击穿过程 持续电压作用下的击穿电压 雷电冲击电压下空气的击穿电压 操作冲击电压下空气的击穿电压 提高气体间隙击穿场强的方法 沿面放电
知识点
电晕放电 极性效应 先导 主放电 雷击冲击电压的波形 伏秒特性 流注的形成和发展 沿面放电
1 电晕放电
电晕的产生 极不均匀电场中，间隙中的最大场强比平均场强大得多。外加电压比
短间隙不均匀电场中的放电过程
指间隙距离不超过1m的间隙，以棒板间隙为 例。
由于正流注所形成的空间电荷总是加强流注 通道头部前方的电场，所以正流注的发展是 连续的，速度很快。
棒极为负时流注的发展实际上是阶段式的， 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。
长间隙不均匀电场中的放电过程
正棒—负板间隙 当电子崩发展到棒极时，电子进入棒极中和。正离子留在棒 极附近以较慢速度向板极运动，正空间电荷使紧贴棒极附近的 电场减弱，不易形成流注，放电难以自持，故起晕电压高。而 正空间电荷加强了朝向板极的电场，有利于流注向板发展，故 击穿电压较低。
负棒—正板 阴极表面游离产生的电子通过强场区形成电子崩，电子向板极运动进入 弱场区后不再引起游离，并大多形成负离子。因其浓度小，对电场影响小。 正空间电荷加强了棒极附近的电场，易形成自持放电，故起晕电压低。朝 向板极方向的电场被减弱，流注不易发展，故击穿电压较高。
较低的时候，曲率大（曲率半径较小）的电极附近电场强度已足够大 可引起强烈的游离，在这局部的强场区形成放电。这种仅仅发生在强 场区的局部放电称为电晕放电。 电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式。
电晕放电的现象
薄薄的发光层；
伴有“咝咝”放电声；
发出臭氧气味。
起始电压
开始出现电晕时的电压
起始场强
素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。 对于500－750kV的超高压输电线路，在天气好时电晕损耗一般不超 过几个W/km，而在坏天气时，可以达到100 W/km以上。 因此在设计超高压线路时，需要根据不同天气条件下电晕损耗的实测 数据和线路参数，以及沿线路各种气象条件的出现概率等对线路的电 晕损耗进行估算
开始出现电晕时电极表面的场强
输电线路的电晕起始场强与导线半径及空气密度 有关，一般用经验公式来推算，应用最广的是皮克 公式：
Ec3m 0(10r.3 )k( V/cm )
m：导线表面粗糙系数与气象系数的乘 积; δ:空气相对密度； r: 导线半径（cm）
3、电晕放电的效应 （1）电晕电流具有高频脉冲性质，对无线电通讯产生干扰。 （2）电晕使空气发生化学反应，产生O3、NO、NO2。 （3）产生能量损耗。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因
稍不均匀电场中各处的场强差异不大，间隙中任何一处若出 现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。所以对于稍不均 匀电场，任何一处自持放电的条件，就是整个间隙击穿的条件。 1. 电场不对称时，击穿电压有弱极性效应。 2. 击穿前有电晕发生，但不稳定，一旦出现电晕，立即导致整个 间隙击穿。 3. 间隙距离一般不很大，放电发展所需时间短。直流击穿电压、 交流击穿电压、正负50%冲击击穿电压几乎一致，且分散性不 大。
始放电电压等于击穿电压。 3. 不论何种电压（直流、交流、正负50%冲击电压）作
用，其击穿电压（峰值）都相同，且分散性很小。
U b ＝ 24.22 d＋ 6.08d(kV )
在标准大气条件下（d为1cm左右时)，均匀电场 中空气的电气强度约为30kV/cm（峰值）。
二、稍不均匀电场中的击穿电压
不均匀系数：间隙中的最大场强与平均场强之比， 稍不均匀电场<4
和主放电三个阶段。 c、长间隙放电时，炽热的导电通道是在放电发展的过程中
建立的，而不是在整个间隙被流注通道贯穿后建立的，先 导过程与主放电过程就发展得越充分，所以长间隙的平均 击穿场强远小于短间隙的平均击穿场强。
持续电压作用下空气的击穿电压
空气间隙的击穿场强主要取决于外加电压的 种类、电场的均匀程度及气体的状态。 电力工程中的空气间隙一般会受到三种电压的作 用：
直流电压：直流中所含脉动分类的脉动系数（脉动幅值 与直流电压的平均值之比）不大于3%。直流电压的大型 指直流电压的平均值。
交流电压：波形接近正弦波，正、负两半波相同，峰值
与有效值之比为 2，偏差不超过 5%。
一、均匀电场中的击穿电压
1. 因电场对称，所以击穿电压无极性效应。 2. 因击穿前间隙各处场强相等，击穿前无电晕发生，起
降低电晕的方法： 从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。
在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的 那个电极表面开始，与该电极极性无关。
对于电极形状不对称的不均匀电场气隙，如棒— —板间隙，棒电极的极性不同时，间隙的起晕电 压和击穿电压的大小也不同。这种现象称为极性 效应。
原因：棒电极的极性不同时，间隙中的空间电荷 对外电场的畸变作用不同。
（d＞1m时） 1.先导放电阶段
具有热游离过程的通道称为先 导通道。 2.主放电阶段 温度更高、电导更大，轴向电 场更小的等离子体火花通道。 此时，间隙接近于短路状态， 气隙完全丧失了绝缘性能。
结论： a、长间隙的放电通常分为电子崩、流注、先导放电和主放
电四个阶段。 Fra Baidu bibliotek、短间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注
稍不均匀电场的击穿电压与电场均匀度关 系极大，没有能概括各种电极结构的统一的经 验公式。通常是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。 电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高， 其极限就是均匀电场中的击穿电压。
持续电压、雷电冲击电压、操作冲击电压
持续电压作用下间隙的击穿电压与放电发展 的时间无关，在电场形式、气体的状态等其他 条件不变的情况下，只取决于间隙的距离
持续电压指直流电压或工频交流电压
特点：电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相比极 小，故放电发展所需的时间可以忽略不计，只要作用于 间隙的电压达到击穿电压，间隙就会发生击穿。
引入新课
不均匀电场中气体的击穿过程 持续电压作用下的击穿电压 雷电冲击电压下空气的击穿电压 操作冲击电压下空气的击穿电压 提高气体间隙击穿场强的方法 沿面放电
知识点
电晕放电 极性效应 先导 主放电 雷击冲击电压的波形 伏秒特性 流注的形成和发展 沿面放电
1 电晕放电
电晕的产生 极不均匀电场中，间隙中的最大场强比平均场强大得多。外加电压比
短间隙不均匀电场中的放电过程
指间隙距离不超过1m的间隙，以棒板间隙为 例。
由于正流注所形成的空间电荷总是加强流注 通道头部前方的电场，所以正流注的发展是 连续的，速度很快。
棒极为负时流注的发展实际上是阶段式的， 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。
长间隙不均匀电场中的放电过程
正棒—负板间隙 当电子崩发展到棒极时，电子进入棒极中和。正离子留在棒 极附近以较慢速度向板极运动，正空间电荷使紧贴棒极附近的 电场减弱，不易形成流注，放电难以自持，故起晕电压高。而 正空间电荷加强了朝向板极的电场，有利于流注向板发展，故 击穿电压较低。
负棒—正板 阴极表面游离产生的电子通过强场区形成电子崩，电子向板极运动进入 弱场区后不再引起游离，并大多形成负离子。因其浓度小，对电场影响小。 正空间电荷加强了棒极附近的电场，易形成自持放电，故起晕电压低。朝 向板极方向的电场被减弱，流注不易发展，故击穿电压较高。
较低的时候，曲率大（曲率半径较小）的电极附近电场强度已足够大 可引起强烈的游离，在这局部的强场区形成放电。这种仅仅发生在强 场区的局部放电称为电晕放电。 电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式。
电晕放电的现象
薄薄的发光层；
伴有“咝咝”放电声；
发出臭氧气味。
起始电压
开始出现电晕时的电压
起始场强
素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。 对于500－750kV的超高压输电线路，在天气好时电晕损耗一般不超 过几个W/km，而在坏天气时，可以达到100 W/km以上。 因此在设计超高压线路时，需要根据不同天气条件下电晕损耗的实测 数据和线路参数，以及沿线路各种气象条件的出现概率等对线路的电 晕损耗进行估算
开始出现电晕时电极表面的场强
输电线路的电晕起始场强与导线半径及空气密度 有关，一般用经验公式来推算，应用最广的是皮克 公式：
Ec3m 0(10r.3 )k( V/cm )
m：导线表面粗糙系数与气象系数的乘 积; δ:空气相对密度； r: 导线半径（cm）
3、电晕放电的效应 （1）电晕电流具有高频脉冲性质，对无线电通讯产生干扰。 （2）电晕使空气发生化学反应，产生O3、NO、NO2。 （3）产生能量损耗。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因
稍不均匀电场中各处的场强差异不大，间隙中任何一处若出 现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。所以对于稍不均 匀电场，任何一处自持放电的条件，就是整个间隙击穿的条件。 1. 电场不对称时，击穿电压有弱极性效应。 2. 击穿前有电晕发生，但不稳定，一旦出现电晕，立即导致整个 间隙击穿。 3. 间隙距离一般不很大，放电发展所需时间短。直流击穿电压、 交流击穿电压、正负50%冲击击穿电压几乎一致，且分散性不 大。
始放电电压等于击穿电压。 3. 不论何种电压（直流、交流、正负50%冲击电压）作
用，其击穿电压（峰值）都相同，且分散性很小。
U b ＝ 24.22 d＋ 6.08d(kV )
在标准大气条件下（d为1cm左右时)，均匀电场 中空气的电气强度约为30kV/cm（峰值）。
二、稍不均匀电场中的击穿电压
不均匀系数：间隙中的最大场强与平均场强之比， 稍不均匀电场<4
和主放电三个阶段。 c、长间隙放电时，炽热的导电通道是在放电发展的过程中
建立的，而不是在整个间隙被流注通道贯穿后建立的，先 导过程与主放电过程就发展得越充分，所以长间隙的平均 击穿场强远小于短间隙的平均击穿场强。
持续电压作用下空气的击穿电压
空气间隙的击穿场强主要取决于外加电压的 种类、电场的均匀程度及气体的状态。 电力工程中的空气间隙一般会受到三种电压的作 用：
直流电压：直流中所含脉动分类的脉动系数（脉动幅值 与直流电压的平均值之比）不大于3%。直流电压的大型 指直流电压的平均值。
交流电压：波形接近正弦波，正、负两半波相同，峰值
与有效值之比为 2，偏差不超过 5%。
一、均匀电场中的击穿电压
1. 因电场对称，所以击穿电压无极性效应。 2. 因击穿前间隙各处场强相等，击穿前无电晕发生，起
降低电晕的方法： 从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。
在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的 那个电极表面开始，与该电极极性无关。
对于电极形状不对称的不均匀电场气隙，如棒— —板间隙，棒电极的极性不同时，间隙的起晕电 压和击穿电压的大小也不同。这种现象称为极性 效应。
原因：棒电极的极性不同时，间隙中的空间电荷 对外电场的畸变作用不同。
（d＞1m时） 1.先导放电阶段
具有热游离过程的通道称为先 导通道。 2.主放电阶段 温度更高、电导更大，轴向电 场更小的等离子体火花通道。 此时，间隙接近于短路状态， 气隙完全丧失了绝缘性能。
结论： a、长间隙的放电通常分为电子崩、流注、先导放电和主放
电四个阶段。 Fra Baidu bibliotek、短间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注
稍不均匀电场的击穿电压与电场均匀度关 系极大，没有能概括各种电极结构的统一的经 验公式。通常是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。 电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高， 其极限就是均匀电场中的击穿电压。
持续电压、雷电冲击电压、操作冲击电压
持续电压作用下间隙的击穿电压与放电发展 的时间无关，在电场形式、气体的状态等其他 条件不变的情况下，只取决于间隙的距离
持续电压指直流电压或工频交流电压
特点：电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相比极 小，故放电发展所需的时间可以忽略不计，只要作用于 间隙的电压达到击穿电压，间隙就会发生击穿。