气体电介质的击穿特性优秀课件 (2)

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气体电介质的击穿特性演示文稿

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。
2020/11/10
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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
电四个阶段。 b、短间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注
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，先击穿场强远小于短间隙的平均击穿场强。
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用，其击穿电压（峰值）都相同，且分散性很小。
Ub＝24.22 d＋6.08 d (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）。
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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
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。
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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。

2.3-气体电介质的击穿特性(均匀电场中-流注理论)

eαd ≥常数一般认为当αd≈20（或eαd ≥108）便可满足上述条件，
使流注得以形成。
流注理论对放电现象的解释
放电时间：二次崩的起始电子是光子形成的，而光
子以光速传播，所以流注发展非常快。放电外形：
二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可能均匀，而且具有分支。阴极材料：
大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。
流注理论与汤逊理论的区别与联系：相同点：
都有电子崩的产生不同点：
流注的形成过程中有二次崩的形成、二次电离在气体击穿过程中起了重要作用。
作业
P32 2-2 2-3
分枝的明细通道
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。
以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的二次电子发射根本无关。因此，必须采用另外一种理论－－流注理论来解释。
流注理论的认识
汤逊理论适用于低气压、短间隙、均匀电场。间隙的划分：2cm以下的为短间隙、2—100cm为一般间隙、 100cm及以上的为长间隙。汤逊理论解释不了一般间隙、标准大气压下气隙的放电：
1.按汤逊理论计算的击穿电压比实际值高； 2.按汤逊理论计算的击穿所需时间比实际值长； 3.一般间隙的击穿电压与阴极材料无关； 4.放电外形不同;均匀连续，如辉光放电
本节重点：
流注的形成过程、流注的条件气体放电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畸变作用空间光游离

《高压电工程》教学课件—02电介质的击穿特性

2.1.2 气体中带电粒子的产生
01
光游离
① 条件 ② 来源
h Wi
紫外线、高能辐射线等；气体放电本身释放光子。
（2-1）
02 热游离
温度超过1000K时才考虑热游离；温度达到2000K时，几乎全部的空气分子已处于热游离状态。
2.1.2 气体中带电粒子的产生
03 碰撞游离
① 条件
qEx Wi
2.2.3 流注理论
流注理论和汤逊理论的主要区别
2.2.4 均匀电场气隙的静态击穿电压
常见的电压类型： ①工频交流电压；②直流电压；③雷电冲击电压；④操作冲击电压
工频交流电压和直流电压可持续作用于气隙上，称为稳态电压；存在时间极短、变化速率很大的雷电冲击电压和操作冲击电压，称为暂态电压。气隙在稳态电压作用的击穿电压也称为静态击穿电压。
03 流注放电理论
04 均匀电场气隙的静态击穿电压
2.2.1 自持放电和非自持放电
实验分析：
Oa段：电流随电压升高而升高 ab段：电流只取决于外游离因素 bc段：电压升高，碰撞游离增强，但仍靠外游离维持（非自持） c点以后：只靠外加电压就能维持（自持）
2.2.1 自持放电和非自持放电
非自持放电与自持放电的分界点
(2-17)
稍不均匀电场的放电特性与均匀电场类似，一旦出现自持放电，便一定导致整个气隙的击穿。
2.3.1 不均匀电场的放电特征
极不均匀电场当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近电场强度首先达到了起始场强，这个局部区域里最先出现碰撞游离和电子崩，甚至出现流注，种仅仅发生在强场区的局部放电称为电晕放电，环绕电极表面发出蓝紫色晕光。开始出现电晕的电压称为电晕起始电压，当外加电压进一步增大时，电晕区亦随着增大，放电电流也会变大，但是整个气隙还没有击穿。

气体的击穿优秀PPT资料

的电子，初始电子和新电子继续
极不均匀场放电特点：游离能：产生游离需要的能量。场强较小，则正离子撞击阴极板时从阴极逸出的电子将全
向阳极运动，又会引起新的碰撞
游离，产生更多电子。依此电子激励态分子回复到正常态释放出光子。
工程实际中，输电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生在正半波；
如果取消外游离因素，电流也将消失，这类依靠外游离因素的作用而维持的放电叫非自持放电。
外施电压到达U0后，气隙中游离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外游离因素的放电称为自持放电，U0称为起始放电电压。
二、低气压下均匀场自持放电的汤逊理论
（一）电子崩
外界游离因子在阴极附近产生一
空间电荷对原有电场的影响
带电粒子的运动
当气体中存在电场时，粒子同时进行热运动和沿电场定向运动。
自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离。
平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。
1、碰撞游离
电子或离子与气体分子碰撞，将动能传递给气体分子引起游离的过程。
碰撞游离条件：当电子从电场获得的动能大于或等于气体分
c、光游离子产生的二次游电子离，在能加强时的局，部电就场作可用下能形成使二次气崩；体分子分裂为电子或正离子。
模块五交流耐压试验
情境一均匀场气体的击穿
新课引入：
气体的击穿是由什么引起的？
本次课程的目的要求:
1、能说明 (P)、d对击穿电压的影响，会解释
巴申曲线中放电特点 2、能说明均匀场中气体击穿的两个理论及区别。
3、会说明均匀电场中气隙的击穿特性。
(一) 气隙中带电粒子的产生和消失
带电粒子：正离子、负离子、电子

气体电介质的绝缘特性二分解精品PPT课件

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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
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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）
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（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
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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

气体电介质的击穿特性

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）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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。
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：
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。

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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
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
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。
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
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。
（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。 b、短间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注
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
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。
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。
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。
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：
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
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
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