第二章 气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘
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修改版-气体击穿理论
高电压技术
第二章—气体放电的物理过程
概述
1：电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质 2：气体绝缘要解决的问题主要是如何选择合适的 绝缘距离以及如何提高气体间隙的击穿电压
3：气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状 态有关
4：理论至今很不完善，工程设计问题常借助于各 种实验规律分析解决或直接由试验决定
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
5.1电子崩空间电荷对电场的畸变
崩头和崩尾电场被加强 崩中电场减弱：复合发光
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
放电时间：光子以光速传播，衍生崩跳跃式发 展，因此放电发展时间很短（书上有数值） 阴极材料的影响：维持放电的是光电离而不是 表面电离，因而与阴极材料无关。
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
常见的电场结构
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
问题的提出
气体中的电流：在电场作用下，气隙中带电粒子 的形成和运动过程形成电流。 1、气隙中带电粒子是如何形成的？
自持放电：当电压达到U0 后，气体中发生了强烈的 电离，电流剧增，其中的电离只靠电场的作用自行 维持，不再需要外电离因素。
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第二章—气体放电的物理过程
概述
1：电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质 2：气体绝缘要解决的问题主要是如何选择合适的 绝缘距离以及如何提高气体间隙的击穿电压
3：气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状 态有关
4：理论至今很不完善，工程设计问题常借助于各 种实验规律分析解决或直接由试验决定
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5.1电子崩空间电荷对电场的畸变
崩头和崩尾电场被加强 崩中电场减弱：复合发光
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放电时间：光子以光速传播，衍生崩跳跃式发 展，因此放电发展时间很短（书上有数值） 阴极材料的影响：维持放电的是光电离而不是 表面电离，因而与阴极材料无关。
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常见的电场结构
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问题的提出
气体中的电流：在电场作用下，气隙中带电粒子 的形成和运动过程形成电流。 1、气隙中带电粒子是如何形成的？
自持放电：当电压达到U0 后，气体中发生了强烈的 电离，电流剧增，其中的电离只靠电场的作用自行 维持，不再需要外电离因素。
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改第2章-气体击穿理论
山东省特高压输变电技术与气体放电重点实验室
2、电极表面带电质点的产生 （2）光电效应
光电效应：光照射金属表面而发射出自由电子。 光电子发射条件：光子能量大于金属表面逸出功。 实际上，一部分入射光子被反射，电极吸收的光能大部
分化为金属的热能，平均每100个光子入射才能放射出一 个有效自由电子。
0 x
nd n0 e Id I0 e
d
d
n n0 e x
山东省特高压输变电技术与气体放电重点实验室
碰撞电离系数的数学描述
碰撞电离条件：qExi Wi （x xi时，碰撞才发生电离) 自由行程x x （ i xi内不发生碰撞）的概率：f ( xi ) dx 其后dxi内发生碰撞的概率为： i
W hf hc / Wi
阳光照射形成地球大气电离层，但由于大气层的阻挡作用，到达地面的
0 hc / Wi
最短波长大于290nm，不足以引起光电离。 导致光电离的高频高能光子由外界供：人为X光照射
山东省特高压输变电技术与气体放电重点实验室
2 带电质点的产生 1、电极空间带电质点的产生 （3）热电离：热运动引起气体分子发生电 离。
山东省特高压输变电技术与气体放电重点实验室
4.1汤逊机理
碰撞电离与电子崩
电子崩：连续多次碰撞电离使得电子数按几何级数增长，如雪 崩状发展，电流急剧增加。 电子碰撞电离系数α：单个电子由阴极到阳极每经１ｃｍ路程， 与气体质点相撞发生的碰撞电离次数，也即：单位行程内因碰 撞电离产生的自由电子数。 电子崩过程称α过程（忽略β过程：正离子碰撞） 电子平均自由行程λ∝T/P：每两次碰撞之间电子自由通过的距 离。单位长度内电子的平均碰撞次数：1/λ
气体间隙的击穿强度PPT课件
U
＝
b
Em
d f
精选ppt
12
3、极不均匀电场中的击穿
高电压工程基础
➢ 由于存在局部强场区，故间隙击穿前有稳定的 电晕放电，间隙的起始放电电压小于击穿电压。
➢ 对电极形状不对称的极不均匀电场，有明显的 极性效应。
➢ 因间隙距离长，放电发展所需时间长，故外加 电压的波形对击穿电压的影响大，击穿电压的 分散性大。
精选ppt
6
1、均匀电场中的击穿
高电压工程基础
均匀电场中空气间隙的击穿电压（峰值）可根据下面 经验公式求得：
U b ＝ 24.22 d＋ 6.08d(kV )
式中 d —间隙距离，cm；δ —空气相对密度。
Ub/kV
400 100
10
10.01 0.1
1
均匀电场中空气 的击穿场强（峰 值）为30kV/cm。
➢ 间隙距离一般不是很大，放电发展所需时间短。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，且分散性不大。
精选ppt
8
2、稍不均匀电场中的击穿
高电压工程基础
稍不均匀电场的击穿电压与电场均匀度关系 极大，没有能够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的 进行结构估算。（补充）
在电气设备上，应尽量采用 棒-棒类对称型的电极结构， 而避免棒-板类不对称的电极 结构。
精选ppt
棒－棒和棒－板空气间隙的工频
击穿电压（有效值）
16
高电压工程基础
小 结：
1、均匀电场的击穿特点
击穿前无电晕、无极性效应、各种电压作用时其击穿电压 （峰值）都相同。
气体间隙的击穿
颗粒大小与分布的影响
颗粒的大小和分布对击穿电压有显著 影响。大而密集的颗粒会导致局部电 场增强，从而降低整体的击穿电压。
04
气体间隙击穿的预防与控制
提高气体纯度与压力
总结词
提高气体纯度与压力可以有效降低气体间隙的击穿概率。
详细描述
气体纯度越高，气体间隙中的杂质和污染物就越少，从而降低了气体间隙的击穿概率。同时，提高气体的压力也 可以增加气体分子的密度，进一步降低击穿的可能性。
击穿过程具有瞬时性、随机性和复杂 性，与气体压力、温度、气体类型、 电极形状和电压波形等因素有关。
气体间隙击穿的物理过程
电场增强
在强电场的作用下，气体分子中 的电子被激发，形成传导电流。
电离与雪崩效应
随着电场的增强，气体分子中的 电子被加速并获得足够的能量， 与气体分子碰撞产生电离，形成 更多的电子和正离子，导致电流
迅速增加。
放电通道的形成
当电流达到一定阈值时，放电通 道形成，气体间隙由绝缘状态变
为导电状态。
气体间隙击穿的应用领域
01
02
03
高压设备
气体间隙击穿在高压设备 中有着广泛的应用，如高 压变压器、断路器、绝缘 子等。
电子设备
气体间隙击穿在电子设备 中也有着重要的应用，如 电容器、电子管、晶体管 等。
水平和击穿阈值。
详细描述
新型气体介质如氩气、氦气等惰性气体，以及混合气体如SF6、CF4等，由于其高电负 性和不活泼的化学性质，具有很好的绝缘性能和耐电弧侵蚀能力。这些新型气体介质在 高压电气设备中广泛应用，如GIS、变压器、断路器等，以提高设备的绝缘水平和运行
可靠性。
高电压气体间隙的击穿特性研究
在高温下，气体分子 会吸收热量并获得足 够的能量，从而发生 热电离。
颗粒的大小和分布对击穿电压有显著 影响。大而密集的颗粒会导致局部电 场增强，从而降低整体的击穿电压。
04
气体间隙击穿的预防与控制
提高气体纯度与压力
总结词
提高气体纯度与压力可以有效降低气体间隙的击穿概率。
详细描述
气体纯度越高，气体间隙中的杂质和污染物就越少，从而降低了气体间隙的击穿概率。同时，提高气体的压力也 可以增加气体分子的密度，进一步降低击穿的可能性。
击穿过程具有瞬时性、随机性和复杂 性，与气体压力、温度、气体类型、 电极形状和电压波形等因素有关。
气体间隙击穿的物理过程
电场增强
在强电场的作用下，气体分子中 的电子被激发，形成传导电流。
电离与雪崩效应
随着电场的增强，气体分子中的 电子被加速并获得足够的能量， 与气体分子碰撞产生电离，形成 更多的电子和正离子，导致电流
迅速增加。
放电通道的形成
当电流达到一定阈值时，放电通 道形成，气体间隙由绝缘状态变
为导电状态。
气体间隙击穿的应用领域
01
02
03
高压设备
气体间隙击穿在高压设备 中有着广泛的应用，如高 压变压器、断路器、绝缘 子等。
电子设备
气体间隙击穿在电子设备 中也有着重要的应用，如 电容器、电子管、晶体管 等。
水平和击穿阈值。
详细描述
新型气体介质如氩气、氦气等惰性气体，以及混合气体如SF6、CF4等，由于其高电负 性和不活泼的化学性质，具有很好的绝缘性能和耐电弧侵蚀能力。这些新型气体介质在 高压电气设备中广泛应用，如GIS、变压器、断路器等，以提高设备的绝缘水平和运行
可靠性。
高电压气体间隙的击穿特性研究
在高温下，气体分子 会吸收热量并获得足 够的能量，从而发生 热电离。
2 带电质点的产生和消失
1.原子的激励 原子的激励 激励：在常态下，电子受外界因素影响由低能量级轨道上跃 在常态下，
迁到高能量级轨道的现象称为激励。 迁到高能量级轨道的现象称为激励。 激励 原子能级 以电子伏为单位 1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J ＝ × × ＝ × 激励能：原子在外界因素作用下， 激励能：原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的态 所需能量。 所需能量。 激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子。 激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子。
光的来源：自然界、人为照射、 光的来源：自然界、人为照射、气体放电过程
3.电离的几种形式 电离的几种形式
(2)撞击电离 撞击电离 主要是电子碰撞电子。 主要是电子碰撞电子。 原因： 电子体积小 自由程长，可以加速到很大的速度。 电子体积小， 原因：1.电子体积小，自由程长，可以加速到很大的速度。 2.电子的质量小，易产生弹性碰撞，积累动能。 电子的质量小，易产生弹性碰撞，积累动能。 电子的质量小 产生条件 :
放 电 主 要 形 式
电弧 放电 火花 放电 电晕 放电 刷状 放电
贯穿于两级的细长明亮通道。 贯穿于两级的细长明亮通道。 特点：较高气压下，电导很大，电压降低。 特点：较高气压下，电导很大，电压降低。
贯通两级的断续明亮的细火花。 贯通两级的断续明亮的细火花。 原因：电流突增，导致外回路阻抗上压降增大， 原因：电流突增，导致外回路阻抗上压降增大，放电间隙电压 降低，火花熄灭；外回路电压降低， 降低，火花熄灭；外回路电压降低，放电间隙再形成火花
气体绝缘要解决的问题
如何选择合适 绝缘距离 如何提高气体 间隙击穿电压
气体放电： 气体放电：气体中流通电流的各种形式。 击穿：当提高气体间隙上的外施电压而大到一定数值后， 击穿： 电流突然剧增，从而气体失去绝缘性能，气体由绝缘突变 为良导体。 沿面闪络： 沿面闪络：击穿过程发生在气体和液体或气体与固体的交 界面上。
国家电网高压电培训 第二章 气体放电过程及其击穿特性
(三) 影响空气间隙击穿场强的主要因素?
※影响空气间隙击穿场强的主要因素? 3.气体的状态等因素有关（温度、气压、湿度）
●标准大气条件
大气压力 P0=101.3kpa 温度 湿度
200 C
h0=11g/m3
(三) 影响空气间隙击穿场强的主要因素?
①相对密度的影响
p
相对密度δ
δ=0.289---T
学习内容：
(一) 击穿?击穿电压?击穿场强? (二) 击穿过程?（放电机理） (三) 影响空气间隙击穿场强的主要因素? (四) 提高气体间隙击穿场强的方法?
(五) 沿面放电
(六) SF6气体的特性
(一) 击穿? 击穿电压? 击穿场强?
击穿：当施加于电介质的电压达到某临界值时，通过介质的 电流会急剧增加，电介质完全失去绝缘性能，这种现 象称为电介质的击穿。 击穿电压：导致电介质击穿的最低临界电压称为击穿电压。
①
50%冲击放电电压U50%
反映间隙的耐受冲击电压的特性。
即在多次施加某一冲击电压时， 击穿概率为50%时的电压。 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
伏秒特性
比较不同设备绝缘的冲击击穿特性
(三) 影响空气间隙击穿场强的主要因素?
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
δd值较大时则要用流注理论来解释。
(三) 影响空气间隙击穿场强的主要因素?
※影响空气间隙击穿场强的主要因素? 1.电场的均匀程度 2.外加电压的种类
3.气体的状态等因素有关
(三) 影响空气间隙击穿场强的主要因素?
※影响空气间隙击穿场强的主要因素? 1.电场的均匀程度（均匀、稍不均匀、极不均匀） 2.外加电压的种类（交流、直流、冲击电压）
第二章 气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘
2.击穿电压、巴申定律
温度不变时，均匀电场
中气体击穿电压Ub是pd 的函数。
d
(e 1) 1
d
在均匀电场下，就是击穿的条件
Bpd Ub Apd ln ln 1 /
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
(三)、均匀电场中的击穿电压
1.自持放电条件
对于空气，击穿电压极小值对应(pd)min=0.57(cm· 133Pa)
二、汤逊气体放电理论 (一) 过程引起的电流 1、电子崩的形成 崩头
崩尾
负极
正极
E
初始电子
碰撞电离
电子倍增
碰撞电离
电子崩
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
2、 过程引起的电流
电子碰撞电离系数α 1 cm， 碰撞电离平均次数
dn
n0
n x
dx
I 0 exp( dx)
0 x
n n0 exp( 电子数：
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(三)、流注的形成
E
正极
负极
负流注：由负极向正极发展的流注放电过程 发展速度： 7-8×10E5 m/s
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(四)、均匀电场中的击穿电压 1、自持放电条件
电场比较均匀： 在整个间隙的数值都很大。 电场不均匀程度变大： 在间隙中大部分区域的 数值都很大。电子崩主要贴近内电极产生。 电场极不均匀： 的分布极不均匀。易在内电极 附近形成蓝紫色晕光(电晕)。电压继续提高，间 隙才能击穿。
可以用能否形成稳定的电晕放电来划分电场的不均匀程度
温度不变时，均匀电场
中气体击穿电压Ub是pd 的函数。
d
(e 1) 1
d
在均匀电场下，就是击穿的条件
Bpd Ub Apd ln ln 1 /
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
(三)、均匀电场中的击穿电压
1.自持放电条件
对于空气，击穿电压极小值对应(pd)min=0.57(cm· 133Pa)
二、汤逊气体放电理论 (一) 过程引起的电流 1、电子崩的形成 崩头
崩尾
负极
正极
E
初始电子
碰撞电离
电子倍增
碰撞电离
电子崩
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
2、 过程引起的电流
电子碰撞电离系数α 1 cm， 碰撞电离平均次数
dn
n0
n x
dx
I 0 exp( dx)
0 x
n n0 exp( 电子数：
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(三)、流注的形成
E
正极
负极
负流注：由负极向正极发展的流注放电过程 发展速度： 7-8×10E5 m/s
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(四)、均匀电场中的击穿电压 1、自持放电条件
电场比较均匀： 在整个间隙的数值都很大。 电场不均匀程度变大： 在间隙中大部分区域的 数值都很大。电子崩主要贴近内电极产生。 电场极不均匀： 的分布极不均匀。易在内电极 附近形成蓝紫色晕光(电晕)。电压继续提高，间 隙才能击穿。
可以用能否形成稳定的电晕放电来划分电场的不均匀程度
第二章 气体电介质的击穿特性
分析：
a.由于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.捧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。
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： 电流又再随电压 的增大而增大 c点:电流急剧突增
均匀电场中气体的 伏安特性
(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
(2).非自持放电 去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止
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 b.复合 子 c.附着效应 带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动. 正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原 电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子
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
b.介质表面不可能绝对光滑,使表面电场不均 匀.
c.介质表面电阻不均匀使电场分布不均匀
d.介质表面易吸收水分,形成一层很薄的膜, 水膜中的离子在电场作用下向两极移动,易 在电极附近积聚电荷,使电场不均匀
4. 极不均匀电场具有强法线分量时的沿面放电 (套管型) (1) 放电发展特点:
a. 电晕放电
6. 绝缘子串的电压分布
分析结果：
a.绝缘子片数越多，电压分布越不均匀 b.靠近导线端第一个绝缘子电压降最高，易 产生电晕放电。在工作电压下不允许产生电 晕，故对330kv及以上电压等级考虑使用均 压环
气体间隙的击穿强度
碰撞电离击穿模型
总结词
碰撞电离击穿模型认为气体间隙的击穿是由于气体分子在强电场下被加速并与其他气体分子发生碰撞 ，导致气体分子电离，形成导电通道。
详细描述
在强电场的作用下，气体分子被加速并获得能量。这些能量使得气体分子之间的碰撞变得更加剧烈。 当气体分子与其他气体分子发生碰撞时，碰撞会产生足够的能量，使气体分子电离，形成导电通道。 随着导电通道数量的增加，气体间隙的击穿最终会发生。
论支持和技术指导。
谢谢
THANKS
04 气体间隙击穿的未来研究方向
CHAPTER
高压气体间隙的击穿特性研究
总结词
高压气体间隙的击穿特性研究是当前研究的 热点之一，对于理解气体间隙的击穿机制和 优化高压设备的设计具有重要意义。
详细描述
随着电力和能源领域的发展，高压气体间隙 的应用越来越广泛，如高压电容器、气体绝 缘开关等。然而，高压气体间隙的击穿特性 研究仍存在许多挑战，如高电场强度下的电 子崩塌机制、气体分子与电极表面的相互作 用等。未来的研究需要深入探讨这些机制，
气体间隙 气体间隙击穿强度概述 • 气体间隙击穿的理论模型 • 气体间隙的实际应用 • 气体间隙击穿的未来研究方向
01 气体间隙击穿强度概述
CHAPTER
定义与特性
定义
气体间隙的击穿强度是指气体在电场 作用下，从绝缘状态转变为导电状态 所需的最低电场强度。
特性
气体间隙的击穿强度与气体的种类、 压力、温度、电场均匀程度以及气体 中的杂质和水分等因素有关。
影响因素
气体压力
气体压力越高，击穿强度越大。
电场均匀度
电场越均匀，击穿强度越高。
气体种类
不同气体的击穿强度存在差异， 如空气、氮气、氦气等，其击 穿强度依次递增。
气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
气体放电光源中的气体击穿和绝缘
气体放电光源是利用气体放电产生的光辐射的一种光源。在放电过程中，气体分 子被电离形成带电粒子，这些带电粒子在电场作用下加速运动并撞击其他气体分 子，使气体分子激发和电离，形成连续的放电电流。
为了维持稳定的放电状态并提高光源的光效和寿命，需要解决气体击穿和绝缘问 题。常用的方法包括优化电极结构、选择合适的气体介质和操作条件以及采用附 加的抑制电路等。
在气体中施加电压后，电场强 度逐渐增强。
电子崩发展
在电场作用下，气体中的电子 获得能量并碰撞气体分子，使 其电离产生更多的电子和离子 。
导电通道形成
随着电子崩和离子崩的发展， 丝状电流形成并扩展，最终导 致气体击穿。
放电现象
气体击穿后，电流在气体内流 动，产生放电现象。
03
气体间隙绝缘
气体间隙的绝缘性能
01
气体间隙的绝缘性能主要取决于气体的种类、压力、 温度和电场强度等参数。
02
在低气压下，气体分子的碰撞减少，导致电离率降 低，绝缘性能提高。
03
在高电场强度下，气体分子更容易发生电离，导致 绝缘性能降低。
气体间隙的击穿电压
气体间隙的击穿电压是指在一定条件下，气体能 够维持其绝缘性能的最大电压。
击穿电压与气体的种类、压力、温度和电场强度 等因素有关。
气体击穿和绝缘的基本概念
气体击穿
气体在电场的作用下，从绝缘状 态转变为导电状态的过程。
气体间隙绝缘
利用气体进行隔离，以实现不同 电位之间的电气隔离。
02
气体击穿理论
汤逊理论和流注理论
汤逊理论
该理论认为气体击穿是由电子崩发展而来的，当电子从电场中获得足够能量时， 会与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的电子和离子，最终形成导电通道。
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
1
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
1
6
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。
1
7
附 ：带电质点的消失2
1
2
第一节 气体介质的绝缘特性
1
3
第一节 气体介质的绝缘特性
预备知识1：
物质的组成
气体间隙击穿理论
非持续作用电压雷电冲击过电压、操作冲击过电压持续时间极短（以微秒计），放电发展速度不能忽略不计。
间隙的击穿电压与作用电压的波形（即作用时间）有很大关系用伏秒特性来表达气隙的击穿特性伏秒特性以斜角波电压为例说明考虑放电时延的必要性在间隙上缓慢地施加电压，达到静态击穿电压U 0后，间隙中开始发展起击穿过程。
但击穿需一定时间∆τ= t l ，在此时间内电压上升击穿完成时间隙上的电压应为U 0+∆Utu U ∆∆⋅∆=∆/τ例如某间隙的静态击穿电压为50kV ，放电时延为如果电压上升的平均陡度为，与50kV 相比，可以忽略电压上升的平均陡度：，与50kV 相比，不能忽略V/S 10s )105/(V 1050733=××−V/S 10s )105/(V 10501063=××−S 106−=∆τV 10107=∆×=∆τU KV 101010=∆×=∆τU伏秒特性的制订方法工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性伏秒特性用实验方法求取放电时间具有分散性，实际上伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域伏秒特性的应用Ｓ２对Ｓ1起保护作用在高幅值冲击电压作用下，Ｓ２不起保护作用气隙击穿电压的概率分布无论何种作用电压，气隙的击穿电压都有分散性，但分散程度不同接近正态分布：用50%击穿电压U和相对标50准偏差σ来表示，表3-2-1耐受电压：工程中将对应于（99%以上）的电压最为耐受电压U50(1-3σ)——击穿几率99.86%球—球间隙极性效应：当d＞D/4，大地对电场的畸变作用使间隙电场分布不对称：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电场均匀程度影响：同一间隙距离下，球电极直径越大，击穿电压也越高照射效应：增大气隙中出现有效电子的概率，减小击穿电压的分散性直流电压下的击穿电压¾极性效应：棒—棒电极间的击穿电压介于极性不同的棒—板电极之间¾击穿电压与间隙距离接近正比，平均击穿场强：正棒—负板：4.5kV/cm负棒—正板：l0kV/cm棒—棒：4.8~5.0kV/cm工频电压下的击穿电压¾击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生¾间隙距离小于2.5cm，击穿电压和距离近似直线关系¾平均击穿场强(幅值)：棒—棒间隙为5.36kV/cm，棒—板间隙为4.8kV/cm¾“饱和现象”：距离加大，平均击穿场强明显降低，棒—板间隙尤为严重d＝1m， 5 kV/cmd＝l０m，2 kV/cm¾在图所示范围内击穿电压和间隙距离呈直线关系¾棒—板间隙有明显的极性效应，棒—棒间隙也有不大的极性效应操作冲击电压下空气的击穿电压极不均匀电场中的操作冲击50％击穿有许多特点¾极性效应正极性下50％击穿电压比负极性下低，所以也更危险¾电场分布的影响“邻近效应”：接地物体靠近放电间隙会显著降低其正极性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压¾“饱和”现象：和工频电压下类似，棒—板间隙更严重¾分散性大：波前时间在数十到数百微秒之间，U50的标准偏差约为5％；波前时间超过1000µs以后，可达8％¾波形的影响在一定的波前时间范围内，U50 甚至会比工频击穿电压低，呈现出“Ｕ形曲线”放电时延和空间电荷(形成及迁移)这两类不同因素的影响所造成的对应极小值的波前时间随着间隙距离加大而增加，对7m以下的间隙，在50∼200µs之间1、改进电极形状以改善电场分布 增大电极曲率半径减小表面场强。
武大电气2019年高电压绝缘复习
2019年高电压绝缘复习一．题型1填空（30空30分）2简答（7题70分）二．题库第二章：气体击穿理论分析和气体间隙绝缘1．气体放电的五种形式及其特点：辉光放电：电弧放电：火花放电：电晕放电：刷状放电：注意：电晕放电、刷状放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同，这些放电现象可相互转换。
2．质点产生四种形式：（1）气体分子本身发生电离①光电离:光辐射引起的气体分子的电离过程。
外光源(紫外线照射)/激励态原子回到基态/正负离子的复合。
②碰撞电离：由于质点碰撞所引起的电离过程。
（主要是电子碰撞电离）。
是气体中产生带电粒子的最重要的方式。
分级电离时能量小于上式。
分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。
③热电离：因气体热状态引起的电离过程。
热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合。
(2）气体中的固体或液体金属发生表面电离④表面电离：金属表面电离比气体空间电离更易发生。
阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。
电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式：①正离子撞击阴极表面②光电子发射（光电效应）③热电子发射④强场发射（冷发射）3.质点消失三种形式：①电场作用定向移动消失于电极形成电流。
②扩散：在热运动的过程中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化的物理过程。
特点：气压越低，温度越高，扩散进行的越快。
电子的热运动速度大、自由行程长度大，其扩散速度也要比离子快得多。
③带电粒子的复合，气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的传递与中和，还原为分子的过程。
带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又成为导致电离的因素参与复合的粒子的相对速度越大，复合概率越小。
通常放电过程中离子间的复合更为重要带电粒子浓度越大，复合速度越大，强烈的电离区也是强烈的复合区。
4．汤逊放电：特点：电子的碰撞电离（α过程）和正离子（γ过程）撞击阴极造成的表面电离起主要作用。
2 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘.
粒子的实际自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为
P
x
x
e
注意：由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所 以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。30
由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度
式中：r—气体分子半径；e
1 r2N
N—气体分子密度。
又由 Nkp T ek rT 2p e∝ T P
正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子
逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。
② 光电子发射（光电效应）
高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量 应大于金属的逸出功。
同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多
25
③ 热电子发射
当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸
第八节 第九节
SF6和气体绝缘电气设备 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正
第十节 提高气体介质电气强度的方法
2
第十一节 沿面放电和污闪事故
第一节 气体放电的主要形式简介
一．气体放电的概念
气体放电——气体中流通电流的各种形式。
1. 正常状态：优良的绝缘体。
在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但这些带 电粒子并不影响气体的绝缘。 空气的利用：架空输电线路个相导线之间、导线与地 线之间、导线与杆塔之间的绝缘；变压器相间的绝缘等 。
E
“混乱热运动＋沿着电场作定向漂移”
自由行程长度——带电粒子与气体分子发生第一次碰撞到第 二次碰撞所移动的距离。（两次碰撞中未再发生任何碰撞）
29
② 平均自由行程长度
实际的自由行程长度是随机量，有很大的分散性，任意带电 粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与分子的半径和密度 有关
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第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(二)、电子崩 电子数目呈几何级数迅速增多，
ne
x
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(三)、流注的形成
E
正极
负极
正流注：由正极向负极发展的流注放电过程。 发展速度：1-2×10E6 m/s
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(六)、pd不同时，放电过程发生变化的解释 1、pd较小时
电子崩释放的光子容易被电极吸收，形成电极光电离。
由于气压低，带电质点容易移动，不足以形成空间电荷效应。
2、pd较大时
电子崩释放的光子容易被空气吸收，高气压也使得空间电
荷容易大量积累。
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
负极
正极
E
气体分子要有很高的电负性
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (四) 负离子的形成
电子亲和能
元素
F Cl Br I
电子亲合能（eV）
4.03 3.74 3.65 3.30
电负性值
4.0 3.0 2.8 2.5
第二节 带电质点的产生
四、金属表面电离 (一) 正离子碰撞阴极
正离子
光子能量W
= hυ
光子 中性原子
>
电离能
Wi
X射线、γ线
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (三) 热电离—本质上与碰撞电离、光电离一致
中性原子
电子
高温
电子动能
3 kT 2
>
电离能
Wi
在大电弧的情况下发生
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (四) 负离子的形成
1 2 mv < Wt 2
二、汤逊气体放电理论 (一) 过程引起的电流 1、电子崩的形成 崩头
崩尾
负极
正极
E
初始电子
碰撞电离
电子倍增
碰撞电离
电子崩
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
2、 过程引起的电流
电子碰撞电离系数α 1 cm， 碰撞电离平均次数
dn
n0
n x
dx
I 0 exp( dx)
0 x
n n0 exp( 电子数：
一、稍不均匀电场和极不均匀电场的特征
电晕放电
刷形放电
气隙击穿
电场均匀程度不同，放电发展过程也不同
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
以同轴圆筒电极说明电场均匀程度对放电机理的影响
电场越不均匀， 衰减的越快
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
以同轴圆筒电极说明电场均匀程度对放电机理的影响 主要特征：
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
二、稍不均匀电场中的自持放电条件和击穿
可见，起始电压 U 0 可写成：
R1 U 0 f ( pl , , ) l
放电相似定律：不均匀电场中，温度不变时，对于几何相
似间隙，其起始电压是气体压力和决定间隙形状的某个几 何尺寸间乘积的函数。
气体压力和间隙尺寸反比变化，则起始电压可以不变。
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
(四)、汤逊理论的适用范围
气压很低时(真空），场致发射起作用，机理改变。 气压很高时，很多击穿现象无法在汤逊理论范围内解释。
1. 放电外形：带有分支的明亮细通道。 2. 放电时间：放电时间较长（理论值） 3. 击穿电压：在pd较大时，计算值与实测值的差别较大。 4. 阴极材料：在大气压下空气中实测得到的击穿电压与 阴极材料无关。
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
三、极不均匀电场中的电晕放电
(一)、电晕放电的一般描述 电晕现象 曲率半径小的电极 尖端发生的蓝紫色 晕光状放电。 极不均匀场的一种 特有的自持放电形 式。
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
三、极不均匀电场中的电晕放电
(一)、电晕放电的一般描述 电晕现象
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
3、 的分析
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
3、 的分析
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程 (二)、 及 过程同时引起的电流
1.
过程
过程:正离子沿电场方向行经1cm时，平均发生
的碰撞电离次数。 过程:正离子碰撞阴极，气体空间形成的光子引 发的电极表面光电离。
2.击穿电压、巴申定律
温度不变时，均匀电场
中气体击穿电压Ub是pd 的函数。
d
(e 1) 1
d
在均匀电场下，就是击穿的条件
Bpd Ub Apd ln ln 1 /
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
(三)、均匀电场中的击穿电压
1.自持放电条件
对于空气，击穿电压极小值对应(pd)min=0.57(cm· 133Pa)
第一节 气体放电主要形式简介
辉光放电 电弧放电 火花放电 电弧放电
第一节 气体放电主要形式简介
第一节 气体放电主要形式简介
不均匀电场下 电晕放电 刷形放电 火花/电弧放电
第一节 气体放电主要形式简介
第二节 带电质点的产生
带电质点的产生是形成放电的基础。
一、原子的激励和电离 (一) 原子的能级 能级：根据原子中电 子的能量状态，原子 具有一系列可取的确 定能量状态，称为能 级。
EБайду номын сангаас
负极
E3
E1
E2
E
正极
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(一)、在电离室中进行放电发展的实验研究 电子崩的特征：从阴极向阳极发展，呈锥形；电子 崩发展速度1.25×10E7cm/s;电子崩可互不影响的向 前发展。
流注的特征：电离特强的放电区；发展形式受偶然 原因影响，通道呈现一定随机性；发展速度明显高 于电子崩，有正、负流注之分。
二、气体中质点的自由行程
：一个带电质点在向前行进 1cm 距离内，发生碰撞 次数的倒数 。
第二节 带电质点的产生
二、气体中质点的自由行程
T λ∝ P
受温度和气压影响
的性质
电子的要比分子和离子的大得多 反映了带电质点自由运动的能力
空气中电子平均自由行程0.1微米
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程 2、 及 过程同时引起的电流
单位时间内阴极单位面积产生电子总数：nc
n0 n
d n n e 到达阳极后的电子总数为： a c
于是可建立关系式： n (na
nc )
e na n0 1 (ed 1)
d
ed I I0 1 (ed 1)
适用于pd<200 (cm· 133 Pa)的条件
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展 (一)、在电离室中进行放电发展的实验研究 电离室：利用 饱和蒸汽束缚 气体放电形成 的带电粒子， 使放电轨迹得 以记录和显示。
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
负极
hυ ≥ Wt
正极
E
光子也可能被反射、吸收(热能)，仅一小部分使电子逸出
第二节 带电质点的产生
四、金属表面电离 (三) 场致发射
E
负极
电场阈值
正极
108V / m
一般气隙中不会发生，在高气压、高真空条件下可能存在
第二节 带电质点的产生
四、金属表面电离 (三) 热电子发射
加热
1 2 mv ≥ Wt 2
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(五)、流注理论对pd很大时放电现象的解释 1、放电外形 流注通道曲折，带有分支。
2、放电时间
3、阴极材料
光子以光速传播，二次电子崩跳跃式发展，故速度快。
由于光电离的作用，使击穿电压与阴极材料基本无关。
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
碰撞电离
源于气体内部
热电离 光电离
带电粒子的来源
正离子碰撞
光电子发射
源于电极
热电子发射 强场发射
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (一) 碰撞电离 E
电子 中性原子
1 2 电子动能 me ve 2
>
电离能
Wi
气体中产生带电粒子的最主要原因
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (二) 光电离
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(三)、流注的形成
E
正极
负极
负流注：由负极向正极发展的流注放电过程 发展速度： 7-8×10E5 m/s
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(四)、均匀电场中的击穿电压 1、自持放电条件
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程 3、系数 的大致数值
e I I0 d 1 (e 1)
于是可得：
d
e I I0 1 ed
d
d
e
I0 I
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
(三)、均匀电场中的击穿电压
1.自持放电条件
e I I0 d 1 (e 1)
电场比较均匀： 在整个间隙的数值都很大。 电场不均匀程度变大： 在间隙中大部分区域的 数值都很大。电子崩主要贴近内电极产生。 电场极不均匀： 的分布极不均匀。易在内电极 附近形成蓝紫色晕光(电晕)。电压继续提高，间 隙才能击穿。