气体的绝缘特性教学文案
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气体的绝缘性能
1.2 气体的绝缘性能
d) 二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部有二次 崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子雪崩使其发展。
e) 流注头部电离迅速发展，放射出大量光子，引起空间光电 离，流注前方出现新的二次电子雪崩，延长流注通道。
f) 流注通道贯通，气隙击穿。
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1.2 气体的绝缘性能
一、汤逊放电理论
3. 非自持放电 ❖ 去掉外界游离因素的作用后，放电随即停止。 4. 自持放电 ❖ 不需要外界游离因素存在，放电也能维持下去。
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1.2 气体的绝缘性能
一、汤逊放电理论
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1.2 气体的绝缘性能
四、局部放电
1.电晕放电
❖ 由于电场强度沿气隙的分布极不均匀，因而当所加 电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近 空间的电场强度首先达到了起始场强E，在这个局部 区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种 仅仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的 局部放电——电晕放电。
气压力下的空气中，间隙击穿电压与阴极材料无关。 (3)按汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地
发展，但在大气中击穿时，会出现有分支的明亮细 通道。
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1.2 气体的绝缘性能
三、流注理论
2.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 空间光电离的作用
幅值陡度；制造臭氧发生器、电晕除尘器等。
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1.2 气体的绝缘性能
气体电介质的绝缘特性二分解精品PPT课件
18
d≥4D，电场分布极不均
匀，电压达到一定临界 值时，曲率半径小的电
Ub
d
极附近的强电场区域首 先放电，出现碰撞电离
D
1 3
和电子崩，甚至产生流
1
注。
靠近两个球极的表面出 0 d 2D d 4D 现蓝紫色晕光，并发出 “咝咝”声——电晕放
外电加。电压进一步增大，电极表面的电晕层扩
大，并出现刷状的细火花——刷状放电
21
电场不均匀系数 f
f Emax Eav
f<2时，稍不均匀电场:
Eav
U d
达到自持放电时发生击穿现象，此时间隙中平均电场强
度比均匀电场间隙的略小，即在同样极间距离时稍不均
匀场间隙的击穿电压较均匀场低；
f>4时，极不均匀电场：自持放电的条件即是电晕起始条件 ，由发生电晕击穿的过程还必须提高击穿电压才能完成
ed 常数（108）
13
（二）流注理论对高气压、长间隙（pd 很大）放电现象的解释
1．放电外形 具有通道形式
通道电荷密度很大、电导率高，故其中电场强度很小 。一旦流注出现，将降低流注头部后方及其周围空间 的电场，加强流注前方的电场，这一作用伴随着其前 方的发展而更为增强。因而在电子崩转化成流注后， 当某个流注由于偶然原因发展更快时，就将抑制其他 流注的形成和发展，这个作用随着流注向前推进将越 来越强，开始时流注很短，可能有三个，随后减为两 个，最后只剩下一个流注贯通整个间隙。
电压继续升高，火花变长，最终导致气隙完 全击穿。
2 d
19
d＝2ห้องสมุดไป่ตู้~4D，属于过渡
区域，放电过程极不 稳定，放电电压分散 性很大。
Ub
d
D
d≥4D，电场分布极不均
匀，电压达到一定临界 值时，曲率半径小的电
Ub
d
极附近的强电场区域首 先放电，出现碰撞电离
D
1 3
和电子崩，甚至产生流
1
注。
靠近两个球极的表面出 0 d 2D d 4D 现蓝紫色晕光，并发出 “咝咝”声——电晕放
外电加。电压进一步增大，电极表面的电晕层扩
大，并出现刷状的细火花——刷状放电
21
电场不均匀系数 f
f Emax Eav
f<2时，稍不均匀电场:
Eav
U d
达到自持放电时发生击穿现象，此时间隙中平均电场强
度比均匀电场间隙的略小，即在同样极间距离时稍不均
匀场间隙的击穿电压较均匀场低；
f>4时，极不均匀电场：自持放电的条件即是电晕起始条件 ，由发生电晕击穿的过程还必须提高击穿电压才能完成
ed 常数（108）
13
（二）流注理论对高气压、长间隙（pd 很大）放电现象的解释
1．放电外形 具有通道形式
通道电荷密度很大、电导率高，故其中电场强度很小 。一旦流注出现，将降低流注头部后方及其周围空间 的电场，加强流注前方的电场，这一作用伴随着其前 方的发展而更为增强。因而在电子崩转化成流注后， 当某个流注由于偶然原因发展更快时，就将抑制其他 流注的形成和发展，这个作用随着流注向前推进将越 来越强，开始时流注很短，可能有三个，随后减为两 个，最后只剩下一个流注贯通整个间隙。
电压继续升高，火花变长，最终导致气隙完 全击穿。
2 d
19
d＝2ห้องสมุดไป่ตู้~4D，属于过渡
区域，放电过程极不 稳定，放电电压分散 性很大。
Ub
d
D
SF6气体电气特性
SF6气体电气特性(1)SF6分子很容易吸附自由电子，形成负离子，具有较强的电负性。
但在一定电场下，这些离子很难积累足够的能量导致气体电离。
同时因为气体中的自由电子减少，还降低了这些电子容易使气体被击穿的危害。
因此，SF6气体具有良好的绝缘性能，在均匀电场中SF6的绝缘强度比空气大2—3倍，在0.3Mpa压力下，绝缘强度超过变压器油。
但在不均匀电场中，其绝缘强度会下降，因此六氟化硫断路器的部件多呈同心圆状，以使电场均匀。
(2) SF6分子具有较强的电负性，使SF6具有强大的灭弧能力。
因为SF6分子吸附自由电子后变为负离子，负离子容易和正离子复合形成中性分子，使电弧空间的导电性能很快消失。
特别在电弧电流接近零值时，这种作用更加显著。
如果例用SF6气体吹弧，使大量新鲜的SF6分子不断和电弧接触则灭弧更加迅速。
由于SF6气体灭弧能力强，从导电电弧向绝缘体变化速度特别快，所以SF6断路器的开断电流大，开断时间短。
在同一电压等级，同一开断电流和其它条件相同的条件下，SF6断路器的串联断口较少。
（3）SF6气体是多原子的分子气体，在电弧高温下分解和电离的情况非常复杂。
SF6气体中弧心部分导热率低，温度高，电导率大，其外焰部分导热率高，温度低，电导率小，所以电弧电流几乎集中在弧心部分。
因此，在SF6气体中，可以看到很细、很亮的电弧，几乎看不到外焰部位。
这也是SF6气体灭弧时间短的原因之一。
当电弧电流减小趋近于零值时，SF6分子此时电负性显著，从而使电流保持连续，可使细小的弧心一直存在到极小的电流范围。
SF6电弧的这种特点，使断路器开断小电流时，也不会由于截流作用而产生操作过电压。
气体的绝缘强度基础知识讲解
1、0%伏秒特性； 2、100%伏秒特性； 3、50%伏秒特性； 4、50%击穿电压； 5、静态击穿电压
50%冲击放电电压与2us冲击放电电压
U50%的含义是在该电压作用下，气隙击穿和不 击穿的概率各为50%。 该电压表征了气隙冲击 击穿特性的基本耐电性能。
2us冲击放电电压：气隙在该电压下击穿，击穿 所需时间大于或小于2us的概率各为50%。它也 是击穿发生在标准波峰值附近的电压。
二、带电粒子的消失
1、进入电极并中和电量：所有物质的电子都是相同的，但不 同物质的正离子是不同的，所以，电子可以进入电极中和 电量，而正离子是靠其能量打、拉出电子与之复合。
2、复合：正负带电粒子碰到一起重新形成中性质点的过程。 影响复合的主要因素是带电粒子之间的相对运动速度和浓 度。利用了这一点。
3）热游离：在高温（温度达104 k0）作用下发生的 游离。热游离不是一种单独的游离形式，是碰撞游 离和光游离的综合。
3、负离子的形成
能够俘获电子与之结合成一个呈现负电 性的分子称为具有电负性。例如：水分子、 SF6等。
具有电负性的分子俘获电子后，使碰撞游离的主 导因素降低，所以对放电具有抑制作用。
+
+
108
流注理论认为:发生光游离并形成流注的条件就是 发生自持放电的条件。是纯空间问题，所以与阴 极材料无关。
流注发展的速度为3 ~ 4× 108cm/s, 电位梯度为5 ~20kV/cm。
因为汤逊理论没有考虑空间电荷对电 场的畸变和光游离对放电的影响，流 注理论对标准大气压、一般间隙的气 体放电现象进行了解释。
UB UC U
代表气体分子 代表电子 + 代表正离子
四、汤逊理论
20世纪初，汤逊从均匀电场、低气压 （低于26.66kpa•cm）短间隙气隙的气体放 电实验出发，总结出较系统的气体放电理 论。汤逊理论的实质是电子崩理论。
第一章气体电解质的绝缘特性
1．非自持放电和自持放电 气体放电可分为非自持放电和自持放电两种。必须借助外加电离 因素才能维持的放电则称之为非自持放电。不需其它任何外加电离因 素而仅由电场的作用就能维持的放电称为自持放电。
I
−
+
c
b
a
0
验装置
图1－2 放电电流和电压的关系
图1－1所示的是汤逊的实验装置。在空气中放置两块平行板电极，用外部 所示的是汤逊的实验装置。在空气中放置两块平行板电极， 光源对阴极极板进行照射，并在两极间加上直流电压， 光源对阴极极板进行照射，并在两极间加上直流电压，则在两极之间形成均匀 电场。当极间电压从零起逐渐升高时，得到电流和电压的关系如图1 所示。 电场。当极间电压从零起逐渐升高时，得到电流和电压的关系如图1－2所示。 外加电压到达c点以前，间隙中的电流很小， 外加电压到达c点以前，间隙中的电流很小，且要依靠外界的电离因素来维 持，此时的放电属于非自持放电；外加电压到达c点之后，气体间隙中发生了强 此时的放电属于非自持放电；外加电压到达c点之后， 烈的电离，带电粒子的数量急增， 烈的电离，带电粒子的数量急增，此时间隙中的放电依靠电场的作用就可以维 持，c点以后的放电属于自持放电。 点以后的放电属于自持放电。
图1－5 某种气体的巴申曲线
4．汤逊放电理论的适用范围 汤逊理论是在低气压、Pd较小的条件下在放电实验的基础上建立 汤逊理论是在低气压、Pd较小的条件下在放电实验的基础上建立 的。Pd过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了。 Pd过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了。 Pd过小时，气体极低（d过小实际是不可能的），电子的平均自 Pd过小时，气体极低（ 过小实际是不可能的） 由行程远大于间隙距离，碰撞电离来不及发生， 由行程远大于间隙距离，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， 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。 逊的碰撞电离理论不再适用，击穿电压将不再增加。 Pd过大时，气压高，或距离大，这时气体击穿的很多实验现象无 Pd过大时，气压高，或距离大， 法全部在汤逊理论范围内给以解释。 法全部在汤逊理论范围内给以解释。 （1）放电外形：高气压时放电外形具有分支的细通道，而按照汤 放电外形：高气压时放电外形具有分支的细通道， 逊放电理论，放电应在整个电极空间连续进行，例如辉光放电。 逊放电理论，放电应在整个电极空间连续进行，例如辉光放电。 （2）放电时间：根据出现电子崩经几个循环后完成击穿的过程， 放电时间：根据出现电子崩经几个循环后完成击穿的过程， 可以计算出放电时间，在低气压下的计算结果与实验结果比较一致， 可以计算出放电时间，在低气压下的计算结果与实验结果比较一致， 高气压下的实测放电时间比计算值小得多。 高气压下的实测放电时间比计算值小得多。 （3）击穿电压：Pd较小时击穿电压计算值与实验值一致；Pd大时 击穿电压：Pd较小时击穿电压计算值与实验值一致；Pd大时 不一致。 不一致。 （4）阴极材料：低气压下击穿电压与电极材料有关；高气压下间 隙击穿电压与电极材料无关。 隙击穿电压与电极材料无关。 因此， 通常认为 ， Pd>200cm·mmHg时 击穿过程将发生变化 ， 因此 ， 通常认为， Pd>200cm·mmHg 时 ， 击穿过程将发生变化， 汤逊理论的计算结果不再适用， 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。 效的。
1 第一章 气体的绝缘强度解析
什么是气体击穿
当气体Байду номын сангаас的电场强度达到一定数值后，气体中 电流剧增，在气体间隙中形成一条导电性能高的 通道，气体失去绝缘能力，气体这种由绝缘状态
突变为良导电状态的过程，称为击穿。
什么是气体放电
气体中流过电流的各种形 式，统称为气体放电。
气体放电的形式：
在气压低、电源功率较小 时，为充满间隙的辉光放电；
测定气体中电流的回路示意图
气体中电流和电压的关系
伏安特性曲线
汤逊理论
试验分析 当U<Uc
oa 段： I 随 U 的提高而增大，这是由于一定 强度的光照射所产生的光电子是一个常数， 随着电压的升高，间隙中带点质点运动速 度加大。 ab 段：当电压接近 Ua 时，电流 I0 趋向于饱 和值，这是因为光照射产生的光电子是一 个常数，所以电流仍取决于外界游离因素， 而与所加电压无关。
气体放电伏安特性
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
激发：电子向高一能级轨道的跃迁。 电离：如果气体原子从外部获得足够大的能量，使外
层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。失去电子的
原子就成带正电的离子，称为正离子。此过程就称为 电离。
（1）气体中带电质点的产生
带电质点可由以下形式的游离形成：
1）碰撞游离
2）光游离
3）热游离
4）表面游离
1）碰撞游离
这是气体中带电质点数目增加的重要原因。
在电场作用下，电子被加速获得动能。若其动 能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 和电子。这种游离称为碰撞游离。
2）光游离
电磁射线（光子）的能量等于或大于气体质点 的游离能时所引起的游离过程叫光游离。
第3讲 气体电介质的绝缘特性(二)
d 4D
d
d≤2D，电场还比较均匀，放电特性与均匀电场相似。 即：一旦出现自持放电，立即导致整个气隙击穿。
d≥4D，电场极不均匀 ，存在电晕放电（电晕 起始电压）。 外加电压进一步增大 ，表面电晕层扩大，并 出现刷状的细火花，火 花变长，最终导致气隙 完全击穿。
Ub
d
D 1
3
1
2
0
d 2D
e
d
常数（ 10 ）
8
（二）流注理论对高气压、长间隙（pd 很大）放电现象的解释
1．放电外形 具有通道形式 流注前方随着其向前发展而更为增强
多流注之间互相抑制发展
二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性， 所以火花通道常是曲折的，并带有分枝。 电子崩则不然，由于其中电荷密度较小，故电 场强度还很大，因而不致影响到邻近空间内的 电场，所以不会影响其它电子崩的发展
（a ）
(b)
(c
（2）流注的形成和发展
（a ）
(b)
(c )
（3）间隙的击穿
流注不断向阴极报进， 头部电场越来越强，因 而其发展也越快 流注发展到阴极，间隙 被导电良好的等离子通 道所贯通——间隙击穿
电场不均匀系数 f 的定义
气体电介质的绝缘特性讲课文档
最高提高0.2倍
在中间一段范围内，带屏蔽的击穿电压（不论极性）与均匀电 场下的击穿电压接近
19
第十九页，共59页。
（三） 极不均匀电场中采用屏障－工频
工频下，击穿 在正半波发生 ，因此，屏蔽 层也可显著提 高击穿电压
工频作用下尖－板的击穿电压与屏蔽层位置的关系
20
第二十页，共59页。
（三） 极不均匀电场中采用屏障 屏蔽层插入电晕电极侧，可提高击穿电压。 屏蔽层仅对持续作用电压（DC，工频）有效
发展过程： 积污受潮电导增加，电流增大烘干，形 成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始 放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干 周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度 ，自动延伸，贯穿两极
防止污闪：1 改善环境，减小污染的可能性 2 改进绝缘子结构设计，降低污秽积 累的可能
41
第四十一页，共59页。
A
细线效应只对稳态 电压有作用，对雷 电波没有作用
13
第十三页，共59页。
（三） 极不均匀电场中采用屏障
E0
正棒－负板
回顾： 极不均匀场中的 极性效应
－ (a)
－
Байду номын сангаас(b)
E
E0
Ecom E0 Eq
0
Eq
(c)
第十四页，共59页。
x 14
负棒—正板
E
E0 Eq 0
第十五页，共59页。
Ecom E0 Eq Eq
32
第三十二页，共59页。
33
第三十三页，共59页。
1
2
(a)
电晕放电
1
1
2
(b)
细丝状的辉 光放电
2
(c)
在中间一段范围内，带屏蔽的击穿电压（不论极性）与均匀电 场下的击穿电压接近
19
第十九页，共59页。
（三） 极不均匀电场中采用屏障－工频
工频下，击穿 在正半波发生 ，因此，屏蔽 层也可显著提 高击穿电压
工频作用下尖－板的击穿电压与屏蔽层位置的关系
20
第二十页，共59页。
（三） 极不均匀电场中采用屏障 屏蔽层插入电晕电极侧，可提高击穿电压。 屏蔽层仅对持续作用电压（DC，工频）有效
发展过程： 积污受潮电导增加，电流增大烘干，形 成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始 放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干 周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度 ，自动延伸，贯穿两极
防止污闪：1 改善环境，减小污染的可能性 2 改进绝缘子结构设计，降低污秽积 累的可能
41
第四十一页，共59页。
A
细线效应只对稳态 电压有作用，对雷 电波没有作用
13
第十三页，共59页。
（三） 极不均匀电场中采用屏障
E0
正棒－负板
回顾： 极不均匀场中的 极性效应
－ (a)
－
Байду номын сангаас(b)
E
E0
Ecom E0 Eq
0
Eq
(c)
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x 14
负棒—正板
E
E0 Eq 0
第十五页，共59页。
Ecom E0 Eq Eq
32
第三十二页，共59页。
33
第三十三页，共59页。
1
2
(a)
电晕放电
1
1
2
(b)
细丝状的辉 光放电
2
(c)
第2讲 气体电介质的绝缘特性(一)
得
U0
BPd APd
ln
ln(1 1 )
影响击穿电压的因素
均匀电场中气体的自持放电的起始电压， 等于气隙的击穿电压U0。
U0＝f(Pd)
1.2.3 巴申（Paschen）定律
U 0 / kV
U0 f (pPdd )/(Pa cm)
巴申曲线
50
30 20
SF6
10
空气
5 3 2
1
0.5
0.3 0.2
• 同样，可假设P保持不变。 d值增大时，欲得一定的场 强，电压必须增大。当d值减到过小时，场强虽大增， 但电于在走完全程中所遇到的撞击次数己减到很 小．故要求外加电压增大，才能击穿。
• U形曲线
9
Wi qE 1
Ae AP
Wi AP
Ae qE
BP
Ae E
f (E)
P
P
其中B AWi q
代入自持放电的临界条件 ed 1 1 及 E U0 / d
0.3 0.1
0.1 0.2 0.5
1 235
氢 氦
10 20 30 50 100
300
pd / 133.3Pa cm
1000
巴申曲线解释
电离次数= 碰撞次数 * 电离概率
距离d不变，气压P增加 距离d不变，气压P降低
U0 f Pd
U0 f (d ) δ—空气的相对密度
PT0 P 273 20 2.89 P
7
实际上的系数A及B和温度有关。系数A和绝对温度成反比
Ub
f
2
pd T
比值p／T和气体密度成正比
Ts p 2.计，T以绝对温度表示
巴申定律更普遍的形式
1第一章气体的绝缘强度分析
气体放电的形式：
在气压低、电源功率较小
时，为充满间隙的辉光放电；
在大气压下，表现为火花 放电或电弧放电；
在极不均匀电场中，会在
局部电场最强处产生电晕放 电。
气体原子的激发和电离:
任何电介质都是由原子组成的，原子则由一带正电的 原子核和围绕着原子核旋转的外层电子组成。由于原子所 带正、负电荷相等，故正常情况呈中性。
光电效应：金属表面受到光的照射，也能产生表面游离。
强场发射：在阴极附近加上很强的外电场，将电子从阴极表 面拉出来，称为强场发射或冷发射。
热电子发射：将金属电极加热到很高的温度，可使其中电子 获得巨大能量，逸出金属。在电子、离子器件中常利用热电子 发射作为电子来源，在强电领域，对某些电弧放电的过程有重 要作用。
均匀电场中几种气体击穿电压Ub与ps的关系
上述巴申定律是在气温T保持不变时得出的。在气温T 并非恒定的情况下，通常写为：
Ub F(.s)
式中 ：气体的相对密度，即实际气体密度与标准大气条件
下的密度之比，可见：
p Ts 2.9 p
T ps
T
标准大气条件：ps =101.3kPa Ts =293K
低气压均匀电场下巴申定律
巴申定律：描述了气体的击穿电压Ub与ps的关系曲线(亦即Ub 与δs的关系曲线)－－实验结果
(3()1不)击同穿气电体压，不其仅巴由间 申隙曲距线离上s决的定最，低而击且也 穿(电2)压击是不穿ps同电的，压函对不数应是；ps
的的p单s值调也函不数同，；而是 U曲线，存在击穿 电压的极小值；
气体是电力系统和电气设备中常见的绝
缘介质，工程上使用得最多的是空气和六 氟化硫气体。
空气是最廉价、应用最广、自动恢复绝缘的气 体，因此我们主要研究空气的放电。
在气压低、电源功率较小
时，为充满间隙的辉光放电；
在大气压下，表现为火花 放电或电弧放电；
在极不均匀电场中，会在
局部电场最强处产生电晕放 电。
气体原子的激发和电离:
任何电介质都是由原子组成的，原子则由一带正电的 原子核和围绕着原子核旋转的外层电子组成。由于原子所 带正、负电荷相等，故正常情况呈中性。
光电效应：金属表面受到光的照射，也能产生表面游离。
强场发射：在阴极附近加上很强的外电场，将电子从阴极表 面拉出来，称为强场发射或冷发射。
热电子发射：将金属电极加热到很高的温度，可使其中电子 获得巨大能量，逸出金属。在电子、离子器件中常利用热电子 发射作为电子来源，在强电领域，对某些电弧放电的过程有重 要作用。
均匀电场中几种气体击穿电压Ub与ps的关系
上述巴申定律是在气温T保持不变时得出的。在气温T 并非恒定的情况下，通常写为：
Ub F(.s)
式中 ：气体的相对密度，即实际气体密度与标准大气条件
下的密度之比，可见：
p Ts 2.9 p
T ps
T
标准大气条件：ps =101.3kPa Ts =293K
低气压均匀电场下巴申定律
巴申定律：描述了气体的击穿电压Ub与ps的关系曲线(亦即Ub 与δs的关系曲线)－－实验结果
(3()1不)击同穿气电体压，不其仅巴由间 申隙曲距线离上s决的定最，低而击且也 穿(电2)压击是不穿ps同电的，压函对不数应是；ps
的的p单s值调也函不数同，；而是 U曲线，存在击穿 电压的极小值；
气体是电力系统和电气设备中常见的绝
缘介质，工程上使用得最多的是空气和六 氟化硫气体。
空气是最廉价、应用最广、自动恢复绝缘的气 体，因此我们主要研究空气的放电。
第二章 气体绝缘基本知识2010.11.21
(2)扩 散
① 正、负带电质点相遇，电荷彼此中和而还原为中 性原子，这一过程称为复合。
② 复合过程中将以光辐射的形式释放能量，这种光 又有可能使中性原子发生光游离。
③ 影响复合过程的因素主要是正、负带电质点的 浓度和相对运动速度。正、负带电质点的浓度 越大，越容易发生复合，复合过程就越强烈； 而正、负带电质点的相对运动速度越快，越不 容易发生复合，因此正、负离子之间的复合概 率比正离子与电子之间的复合概率更大。
1、压力升高，密度增大，击穿电压升高 1击穿电压与密度 2、压力减小，密度减小，击穿电压降低
电工
进 网 作 业 许 可 考 试参考教材
特种类专业 高压试验
广东南方电力技术职业培训学校
1
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第二章 气体绝缘基本知识
1. 均匀电场中气体间隙击穿与气体密度的关系 2. 电场是否均匀对空气间隙击穿电压的影响 3. 气体间隙的直流击穿电压和极性效应 4. 冲击电压下空气间隙的击穿电压 5. 影响气体间隙击穿电压的各种因素 6. SF6气体的绝缘特性 7. 空气间隙的击穿 8. 气体放电的不同形式 9. 气体中固体介质沿表面放电
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附 ：带电质点的消失1
1.气体中产生带电质点的同时，还伴随着相反的过 程——带电质点的消失。
气体中带电质点的消失主要有3种方式： (1)定向运 动、 (2)扩散、（3）复合
(1)定向运动
在外电场作用下，电子、负离子向阳极运动， 正离子向阴极运动，形成电流，带电质点消失于电 极。
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附 ：带电质点的消失2
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第一节 气体介质的绝缘特性
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第一节 气体介质的绝缘特性
预备知识1：
物质的组成
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同一波形、不同幅值的冲击电压下，间隙上 出现的电压最大值和放电时间的关系曲线
(2) 曲线求取方法
(3) 电场均匀程度对曲线的影响
不均匀电场由于平均击穿电场强度较低,而且流注 总是从强场区向弱场区发展,放电速度受到电场分 布的影响,所以放电时延长,分散性大,其伏秒特性 曲线在放电时间还相当大时,便随时间之减小而明 显地上翘,曲线比较陡.
(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
(4).自持放电条件 a.电子的空间碰撞系数α
一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰撞 游离数
b.正离子的表面游离系数γ
一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的电 子数
自持放电条件可表达为:
c.按汤逊理论,气体放电应在整个间隙中均匀连续地 发展,但在大气中击穿会出现有分枝的明亮细通道
(2).理论要点:
认为电子碰撞游离及空间光游离是维持自持放电的 主要因素,流注形成便达到了自持放电条件,它强调了 空间电符畸变电场的作用和热游离的作用.
(3)放电简单流程图:
有效电子(经碰撞游离)-----电子崩(畸变电场)----发射光子(在强电场作用下)-----产生新的电子崩 (二次崩)-----形成混质通道(流注)-----由阳极向阴 极(阳极流注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿.
热游离 气体在热状态下引起的游离过程称为热游离
产生热游离的条件：
K:波茨曼常数 T:绝对温度
3 2 KT Wi
金属表面游离
电子从金属电极表面逸出来的过程 称为表面游离
(4)去游离
a.扩散 带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动.
b.复合 正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原 子
c.附着效应 电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子
五. 大气条件对气体间隙击穿电压的影响
1. 标准大气条件
大气压力 P0=101.3kpa
温度
200 C
湿度
f0=11g/m3
2. 相对密度的影响
相对密度
p
=0.289----
T
当在0.95到1.05之间时,空气间隙的击穿电压U 与成正比
雷电标准波形通常用符号 1.2/50s
表示
2.放电时延 (1).间隙击穿要满足二个条件
a.一定的电压幅值 b.一定的电压作用时间
(2).统计时延t s
通常把电压达间隙的静态击穿电压开始到间隙中出 现第一个有效电子为止所需的时间
(3).放电形成时延tf
从第一个有效电子到间隙完成击穿所需的时间
(4).放电时延tL
二.气体放电的两个理论
1.汤逊放电理论. 适用条件:均匀电场,低气压,短间隙 实验装置
分析： oa段: 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
ab段：
电流不再随电压的 增大而增大 bc段：
均匀电场中气体的 伏安特性
电流又再随电压 的增大而增大
c点:电流急剧突增
(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
气体的绝缘特性
输电线路以气体 作为绝缘材料
变压器相间绝 缘以气体作为绝 缘材料
2.带电质点的产生与消失
(1) 激发 原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态
(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
(3)游离的方式 a.碰撞游离 b.光游离 c.热游离 d.金属表面游离
均匀或稍不均匀电场则相反,由于击穿时平均场强 较高,流注发展较快,放电时延较短,其伏秒特性曲线较 平坦.
(4) 实际意义 S1被保护设备的伏秒特性曲线，S2保护设备的伏秒特性曲线
为了使被保护设备得到可靠的保护,被保护设备 绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设 备的伏秒特性曲线的上包线.
(eS 1)1
(5)巴申定律 a.表达式:
UF f(PS)
P:气体压力 S:极间距离
b.均匀电场中几种气体的击穿电压与ps的关系
2.流注理论 (1).在ps乘积较大时,用汤逊理论无法解释的几种现象 a.击穿过程所需时间,实测值比理论值小10--100倍
b.按汤逊理论,击穿过程与阴极材料有关,然而在大气 压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关.
三.不均匀电场中气隙的放电特性
1.电晕放电
一定电压作用下,在曲率半径小的电极附近发生局部 游离,并发出大量光辐射,有些像日月的晕光,称为电晕 放电.
电晕起始场强 电晕起始电压
开始出现电晕时电极表面的场强 开始出现电晕时的电压
电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式
2.极性效 (1).正棒---负板
碰撞游离
当带电质点具有的动能积累到一定数值后，
在与气体原子（或分子）发生碰撞时，可以使 后者产生游离，这种由碰撞而引起的游离称为 碰撞游离
引起碰撞游离的条件：
1 2
m2
Wi
W i ：气体原子（或分子）的游离能
光游离
由光辐射引起气体原子（或分子）的游离 称为光游离
h W 产生光游离的条件：
i
h:普朗克常数 ν:光的频率
b.在间隙深处，正空间电荷产生的附加电场与原电 场方向相反，使放电的发展比较困难，因而击穿电 压较高。
结论： 在相同间隙下
电晕起始电压
正捧-----负板 高
负捧-----正板 低
间隙击穿电压
低
高
四.雷电冲击电压下气隙的击穿特性
1.标准波形
几个参数
波头时间T1：T1=(1.2 30%)μs
波长时间T2: T2=(50 20%) μs
tL=ts+tf
气体间隙在冲击电压作用下击穿所需全部时间：
t=t1+ts+tf 其中：ts+tf 就是放电时延tL
3. 50%冲击放电电压U50%
放电概率为50%时的冲击放电电压 p
50%
u击
u50%
50%冲击放电电压与静态放电压的比值称为绝缘
的冲击系数β
U 50%
U0
4. 伏秒特性
(1) 定义
分析：
a.由于带正电的捧极附近积聚起正空间电荷，削弱 了电离，使电晕放电难以形成，造成电晕起始电压 提高。
b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生 电场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故 降低了击穿电压。
(2).负棒---正板
分析：
a.棒附近正空间电荷产生附加电场加强了朝向棒端 的电场强度，容易形成自持放电，所以其电晕起 始电压较低。
(2) 曲线求取方法
(3) 电场均匀程度对曲线的影响
不均匀电场由于平均击穿电场强度较低,而且流注 总是从强场区向弱场区发展,放电速度受到电场分 布的影响,所以放电时延长,分散性大,其伏秒特性 曲线在放电时间还相当大时,便随时间之减小而明 显地上翘,曲线比较陡.
(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
(4).自持放电条件 a.电子的空间碰撞系数α
一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰撞 游离数
b.正离子的表面游离系数γ
一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的电 子数
自持放电条件可表达为:
c.按汤逊理论,气体放电应在整个间隙中均匀连续地 发展,但在大气中击穿会出现有分枝的明亮细通道
(2).理论要点:
认为电子碰撞游离及空间光游离是维持自持放电的 主要因素,流注形成便达到了自持放电条件,它强调了 空间电符畸变电场的作用和热游离的作用.
(3)放电简单流程图:
有效电子(经碰撞游离)-----电子崩(畸变电场)----发射光子(在强电场作用下)-----产生新的电子崩 (二次崩)-----形成混质通道(流注)-----由阳极向阴 极(阳极流注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿.
热游离 气体在热状态下引起的游离过程称为热游离
产生热游离的条件：
K:波茨曼常数 T:绝对温度
3 2 KT Wi
金属表面游离
电子从金属电极表面逸出来的过程 称为表面游离
(4)去游离
a.扩散 带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动.
b.复合 正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原 子
c.附着效应 电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子
五. 大气条件对气体间隙击穿电压的影响
1. 标准大气条件
大气压力 P0=101.3kpa
温度
200 C
湿度
f0=11g/m3
2. 相对密度的影响
相对密度
p
=0.289----
T
当在0.95到1.05之间时,空气间隙的击穿电压U 与成正比
雷电标准波形通常用符号 1.2/50s
表示
2.放电时延 (1).间隙击穿要满足二个条件
a.一定的电压幅值 b.一定的电压作用时间
(2).统计时延t s
通常把电压达间隙的静态击穿电压开始到间隙中出 现第一个有效电子为止所需的时间
(3).放电形成时延tf
从第一个有效电子到间隙完成击穿所需的时间
(4).放电时延tL
二.气体放电的两个理论
1.汤逊放电理论. 适用条件:均匀电场,低气压,短间隙 实验装置
分析： oa段: 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
ab段：
电流不再随电压的 增大而增大 bc段：
均匀电场中气体的 伏安特性
电流又再随电压 的增大而增大
c点:电流急剧突增
(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
气体的绝缘特性
输电线路以气体 作为绝缘材料
变压器相间绝 缘以气体作为绝 缘材料
2.带电质点的产生与消失
(1) 激发 原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态
(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
(3)游离的方式 a.碰撞游离 b.光游离 c.热游离 d.金属表面游离
均匀或稍不均匀电场则相反,由于击穿时平均场强 较高,流注发展较快,放电时延较短,其伏秒特性曲线较 平坦.
(4) 实际意义 S1被保护设备的伏秒特性曲线，S2保护设备的伏秒特性曲线
为了使被保护设备得到可靠的保护,被保护设备 绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设 备的伏秒特性曲线的上包线.
(eS 1)1
(5)巴申定律 a.表达式:
UF f(PS)
P:气体压力 S:极间距离
b.均匀电场中几种气体的击穿电压与ps的关系
2.流注理论 (1).在ps乘积较大时,用汤逊理论无法解释的几种现象 a.击穿过程所需时间,实测值比理论值小10--100倍
b.按汤逊理论,击穿过程与阴极材料有关,然而在大气 压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关.
三.不均匀电场中气隙的放电特性
1.电晕放电
一定电压作用下,在曲率半径小的电极附近发生局部 游离,并发出大量光辐射,有些像日月的晕光,称为电晕 放电.
电晕起始场强 电晕起始电压
开始出现电晕时电极表面的场强 开始出现电晕时的电压
电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式
2.极性效 (1).正棒---负板
碰撞游离
当带电质点具有的动能积累到一定数值后，
在与气体原子（或分子）发生碰撞时，可以使 后者产生游离，这种由碰撞而引起的游离称为 碰撞游离
引起碰撞游离的条件：
1 2
m2
Wi
W i ：气体原子（或分子）的游离能
光游离
由光辐射引起气体原子（或分子）的游离 称为光游离
h W 产生光游离的条件：
i
h:普朗克常数 ν:光的频率
b.在间隙深处，正空间电荷产生的附加电场与原电 场方向相反，使放电的发展比较困难，因而击穿电 压较高。
结论： 在相同间隙下
电晕起始电压
正捧-----负板 高
负捧-----正板 低
间隙击穿电压
低
高
四.雷电冲击电压下气隙的击穿特性
1.标准波形
几个参数
波头时间T1：T1=(1.2 30%)μs
波长时间T2: T2=(50 20%) μs
tL=ts+tf
气体间隙在冲击电压作用下击穿所需全部时间：
t=t1+ts+tf 其中：ts+tf 就是放电时延tL
3. 50%冲击放电电压U50%
放电概率为50%时的冲击放电电压 p
50%
u击
u50%
50%冲击放电电压与静态放电压的比值称为绝缘
的冲击系数β
U 50%
U0
4. 伏秒特性
(1) 定义
分析：
a.由于带正电的捧极附近积聚起正空间电荷，削弱 了电离，使电晕放电难以形成，造成电晕起始电压 提高。
b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生 电场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故 降低了击穿电压。
(2).负棒---正板
分析：
a.棒附近正空间电荷产生附加电场加强了朝向棒端 的电场强度，容易形成自持放电，所以其电晕起 始电压较低。