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气体电介质的绝缘特性一

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电气绝缘特性与劣化

电气绝缘特性与劣化


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：开始出现电晕时电极表面 的场强。
电晕起始电压：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
电气绝缘特性与劣化
液体的绝缘性能
引起碰撞游离的条件：
：气体原子（或分子）的游离能
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
电气绝缘特性与劣化
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
电气绝缘特性与劣化
(2).极化损耗
由偶极子与夹层极化引起,交流电压 下极明显。
电气绝缘特性与劣化
(3).游离损耗 指气体间隙的电晕放电以及 液固体介质内部气泡中局部 放电所造成的损耗。
电气绝缘特性与劣化
2.用介质损耗角的正切tgδ来表示介损的意义
在交流电压作用下,由于存在三种 形式的损耗,需引入一个新的物理量来 表征介损的特性。 经推导,介质损耗P为
在加压初瞬间介质中的电子式极化和 离子式极化过程所引起的电流,无损耗 ,存在时间极短。
(2)吸收电流ia
有损极化所对应的电流,即夹层极化 和偶极子极化时的电流,它随时间而 衰减。
电气绝缘特性与劣化
(3)泄漏电流
绝缘介质中少量离子定 向移动所形成的电导电流, 它不随时间而变化。
电气绝缘特性与劣化
流过介质的电流i由三个分量组成：
电气绝缘特性与劣化
2.带电质点的产生与消失
高压试验-第二章 电气绝缘基础知识

高压试验-第二章 电气绝缘基础知识


电弧放电
放电电流密度大，温度高，具有亮而细长放电 弧道，弧道电阻小，似短路 放电回路阻抗大，放电时断时续
500千伏线路进行短路试验
火花放电
20
外电路阻抗大，压降大，间隙多次被击穿
电气绝缘基础知识
第一节 气体介质的绝缘特性
八、气体放电的不同形式
极不均匀电场环境中
电晕放电
空气间隙电场极不均匀，在电极附近强电场处 出现的局部空气游离发光现象，电流小，整个 空气间隙并未击穿，仍能耐受电压作用 电晕放电后压力增大，产生刷状放电
26
电气绝缘基础知识
第二节 液体介质的绝缘特性 电气设备对液体介质的要求 电气性能好：如绝缘强度高、电阻率 高、介质损耗及介电常数小（电容器则要 求介电常数高）； 散热及流动性能好：即粘度低、导热 好、物理及化学性质稳定、不易燃、无毒 等。
27
电气绝缘基础知识
第二节 液体介质的绝缘特性
一、液体绝缘介质的种类
矿物油
29
电气绝缘基础知识
第二节 液体介质的绝缘特性
一、液体绝缘介质的种类
有些纯净的植物油也具有良好的电气绝缘性能。 例如蓖麻油，由于其绝缘性能好，介电系数 ε 较 高，因此也可用作电力电容器的浸渍剂，此外， 如广泛使用的绝缘漆，也是由植物液体加工制成， 在变压器等电气设备中普遍使用。 由人工合成的液体绝缘材料。由于矿物绝缘油是 多种碳氢化合物的混合物，难以除净降低绝缘性 能的成分，且制取工艺复杂，易燃烧，耐热性低， 因而人们研究、开发了多种性能优良的合成油。 如有机硅油和十二烷基苯等。
流注理论：
前部电场加强Leabharlann 碰撞游离 反击发 复合电子崩
中部电场减弱 尾部电场加强
两侧
崩尾 产生光子
1.5-1.6-1.7 雷电、操作下气体间隙的击-大气对击穿电压的影响

1.5-1.6-1.7 雷电、操作下气体间隙的击-大气对击穿电压的影响

放电形成时延tlag比较长； 击穿电压分散性大，标准偏差取3%， U50% 和Us相差很大；
极不均匀电场： β＞1
11
极性效应：棒板更为明显； 雷电冲击50％击穿电压较工频击穿电压的峰值要高。 【作用 时间短，当间隙距离加大后，需要提高先导发展速度才能完 成放电，因而导致击穿电压提高】 雷电冲击50% 击穿电压和间隙距离大致呈线性关系。
15
1.5 雷电冲击作用下气体间隙的击穿
1.5.4 伏秒特性
实际曲线 由于放电时间具有分散 性，于是每一级电压下 可得一系列放电时间， 所以实际上伏秒特性是 以上、下包线为界的带 状区域。
注意：工程上，常采用将平 均放电时间各点相连所得的 平均伏秒特性或 50% 伏秒特 性曲线来表征一个气隙的冲 击击穿电压。
1.6 操作冲击作用下气体间隙的击穿
1.6.2 操作冲击50%击穿电压
2.6
U50% ( MV )
临界波头 气隙距离 15.2m
②
波形的影响——“U形曲线” 左半支：当波前时间从临界值 逐渐减小时，留给放电发展的 时间缩短了，相当于放电时延 减小了，必然要求有更高的电 压才能击穿。 右半支：留给放电发展的时间 已经足够长，棒极附近同号的 空间电荷有时间被驱赶到离棒 极较远的地方，使空间电荷不 再集中在棒极附近，使得空间 电荷造成的附加电场减弱，不 利于放电进一步发展。
0
t
14
1.5 雷电冲击作用下气体间隙的击穿
1.5.4 伏秒特性
间隙伏秒特性曲线的形状与间隙中的电场分布有关。 在均匀电场和稍不均匀电场中，击穿时平均场强较高， 放电发展较快，放电时延较短，伏秒特性曲线较平坦； 在极不均匀电场中，平均击穿场强较低，放电时延较长 ，伏秒特性曲线较为陡峭。当间隙较长时，击穿通常发 生在波尾。
气体的绝缘特性与介质的电气强度

气体的绝缘特性与介质的电气强度


影响介质电气强度的因素
介质本身的性质
不同介质的电气强度不同，这是 由于介质内部的分子结构、极性、
电子云分布等因素的影响。
电场的形式和分布
电场的形式和分布也会影响介质 的电气强度。例如，均匀电场中， 电场强度呈线性分布；而不均匀 电场中，电场强度可能存在局部
增强或减弱。
环境因素
温度、湿度、气压等环境因素也 会影响介质的电气强度。在高温、 高湿、低气压等条件下，介质的
气体的基本概念
气体是由大量分子组成的物质 形态，其分子之间的距离较大， 相互作用力相对较小。
气体在一定条件下可以转化为 液态或固态，其性质也会随之 发生变化。
气体的绝缘特性是指气体在电 场中保持绝缘的能力，与气体 的组成、压力、温度等因素有 关。
02
气体的绝缘特性
气体绝缘原理
气体分子自由移动
气体由大量自由移动的分子组成，这 些分子在空间中随机运动，形成一种 “混乱”的状态，阻碍电流通过。
气体绝缘输电线路的绝缘性能主要依赖于气 体的压力和电气强度。在高压下，气体的压 力越大，气体分子间的距离越小，相互作用 力越大，使得气体不易发生电离，从而提高 了电气强度。同时，气体的电气强度还受到 气体中的杂质离子和水分含量的影响，因此
需要采取措施控制气体的纯度和湿度。
气体绝缘变压器
气体绝缘变压器是一种利用气体作为绝缘介质的变压器，通常采用SF6气体作为绝缘介质。这种变压器具有体积小、重量轻、 散热性能好等优点，广泛应用于电力系统的高压变压器和互感器等场合。
电离与激发
在强电场的作用下，气体分子可能被 电离或激发，形成导电的离子或电子 ，但这个过程相对缓慢，因此气体具 有较好的绝缘性能。
气体绝缘介质
第4讲 气体电介质的绝缘特性(三)

第4讲 气体电介质的绝缘特性(三)


1.7 大气条件对气隙击穿特性的影响
标准大气条件： 气压P0=101.3kPa，温度t0=20℃——空气密度 绝对湿度f0=11g/m3。

一、空气相对密度的影响
二、湿度的影响

湿度增加，电离能力下降
对放电过程起到抑制作用——湿度越大，间隙的击穿电压也 会越高。
三、对海拔高度的校正

随着海拔增高，空气密度减小，自由程λ增大 ，电离能力增大，间隙的击穿电压降低。
伏秒特性的分散性


放电时间具有分散性，每级电压下测得不同的放电时间---伏秒特性是以上、下包络线为界的一个带状区域 通常用平均伏秒特性或50%伏秒特性表征间隙的击穿特性
伏秒特性的用途
Ｓ２对Ｓ1 起保护作用

在高幅值冲击电压作用下， Ｓ２起不到保护作用

伏秒特性的配合：左图被保护设备绝缘的伏秒特性S1与保护间 隙的伏秒特性S2，两间隙并联可达到完全保护。【绝缘配合】 右图不能完全配合：电压较低时，S2可以保护S1；电压较高时 ，则不行
气体击穿电压的影响因素
1、气体种类（强介电强度气体） 4、气体状态（温度、气压、湿度等） 3、电场形式 按电场均匀程度分：均匀场/稍不均匀场/极不均匀场 2、电压种类（直流、交流、雷电冲击、操作冲击等）
• •
持续作用电压：直流和交流电压 冲击电压（持续作用时间段）：操作冲击和雷电冲击。
足够幅值的电压 击穿条件 一定时间的作用
高电压技术
1.3.4 极不均匀场中的极性效应
正棒－负板


电子运动速度快，迅速进入棒极； 棒极附近积聚起正空间电荷，削弱了棒极附近的电场强度而 加强了正离子群外部空间的电场 结果：（1）使电晕起始电压提高。（2）外部空间电场加强 ，有利于流注的发展，因此 击穿电压较低。
气体的绝缘特性

气体的绝缘特性


(2). 利用空间电荷对电场的畸变作用
(3). 极不均匀电场中采用屏障
当屏障与棒极之间的距离约等于间隙的距离 的15%-----20%时，间隙的击穿电压提高得最多 ，可达到无屏障时的2---3倍
2. 削弱游离因素的措施
(1). 采用高气 压 气体压力提高后，气体的密度加大，减少了电 子的平均自由行程，从而削弱了碰撞游离的过程 。
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 U= U0
3. 湿度的影响
(1). 均匀或稍不均匀电场
湿度的增加而略有增加,但程度极微,可以不校正
(2). 极不均匀电场
由于平均场强较低,湿度增加后,水分子易吸附电 子而形成质量较大的负离子,运动速度减慢，游离能 力大大降低,使击穿电压增大.因此需要校正.
4. 高度的影响
随着高度增加,空气逐渐稀薄,大气压力及空气 相对密度下降,间隙的击穿电压也随之下降.
U=ka U0
k
1 H 1.1 1000
六. 提高气体间隙绝缘强度的方法
有两个途径: 一个是改善电场分布,使之尽量均匀; 另一个是削弱气体间隙中的游离因素.
1. 改善电场分布的措施
(1). 改变电极形状
如高压空气断路器和高压标准电容器等
10kv高压标准介损器
(2). 采用高真空
气体间隙中压力很低时，电子的平均自由 行程已增大到极间空间很难产生碰撞游离的程 度。 如真空电容器、真空断路器等
真空断路器
真空电容器
(3). 采用高强度气体 SF6气体属强电负性气体,容易吸附电子 成为负离子,从而削弱了游离过程.提高压力 后可相当于一般液体或固体绝缘的绝缘强度. 它是一种无色、无味、无臭、无毒、不燃的 不活泼气体，化学性能非常稳定，无腐蚀作 用。它具有优良的灭弧性能，其灭弧能力是 空气的100倍，故极适用于高压断路器中。
气体电介质的绝缘特性一

气体电介质的绝缘特性一


绝缘电阻的测试方法
01
02
03
直接测量法
通过测量通过绝缘材料的 电流和电压，计算出绝缘 电阻。
电桥法
利用电桥平衡原理，测量 绝缘电阻。
谐振法
利用谐振原理，测量绝缘 电阻。
绝缘强度的测试方法
耐压测试
介质损耗角正切值测试
在一定时间内，对绝缘材料施加一定 的高电压，观察是否发生击穿现象。
测量绝缘材料的介质损耗角正切值， 评估其绝缘性能。
03
气体电介质绝缘特性的影响因素
气体压力的影响
总结词
气体压力对气体电介质的绝缘特性具有重要影响。
详细描述
随着气体压力的增加，气体电介质的绝缘性能通常会提高。这是因为高压力下 气体分子间的距离减小，碰撞频率增加，导致电离的可能性降低，从而提高了 绝缘性能。
温度的影响
总结词
温度对气体电介质的绝缘特性具有显著影响。
总结词
高压输电线路中，气体电介质被广泛应用，以实现绝缘和隔 离。
详细描述
在高压输电线路中，气体电介质如SF6被用作绝缘和隔离介质 ，以防止电流从一个导体泄漏到另一个导体或周围环境中。 这种气体具有高绝缘强度和良好的热稳定性，能够在高压和 高温条件下保持稳定的绝缘性能。
电子器件中的气体绝缘
总结词
在电子器件中，气体电介质用于保护电 路和元件免受电击穿和过电压的影响。
气体电介质的绝缘特性
• 气体电介质简介 • 气体电介质的绝缘特性 • 气体电介质绝缘特性的影响因素 • 气体电介质绝缘特性的测试方法 • 气体电介质绝缘特性的应用实例
01
气体电介质简介
气体电介质的定义
01
气体电介质是指在电场作用下能 够保持绝缘性能的物质，通常是 指气体状态的绝缘材料。
1.8-1.9-提高气体间隙击穿电压的措施 沿面放电

1.8-1.9-提高气体间隙击穿电压的措施 沿面放电

工频电压下的屏障的作用 工频电压下极不均匀电场中同 样能形成大量空间电荷，故屏 障同样具有积聚空间电荷、改 善电场的作用。 没有屏障时，尖-板间隙中工频 电压下击穿是在尖电极具有正 极性的半周内发生的。所以工 频电压下，设置屏障可以显著 提高间隙的击穿电压。 工频电压下，设臵屏障可以显著提高间隙的击穿电压。
高电压技术
第1篇 电介质的电气特性
李 化 leehua@
1 气体电介质的绝缘特性
1.1 气体中带电粒子的产生和消失 1.2 均匀电场中气体的击穿 1.3 不均匀电场中气体的击穿 1.4 气体间隙的稳态击穿电压 1.5 雷电冲击作用下气体间隙的击穿
1.6 操作冲击作用下气体间隙的击穿
12
（二）削弱或抑制电离过程-采用高气压
① 原理：减小电子的平均自由行程，削弱电离过程
例：大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的1/5～1/8，提高 压力至1～1.5MPa，空气的电气强度和一般的液、固态绝缘材料如变 压器油、电瓷、云母等的电气强度相接近
② 高气压下应尽可能的改善电场分布，使电场均匀，否则用高 气压来提高击穿电压的效果不明显 因为电场的不均匀对击穿电压的影响比大气压对击穿电压 的影响要大得多。Why？ ③ 压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘在一些电气设备中已得到 采用。如高压空气断路器、高压标准电容器等
在标准大气条件下，某距离为4m的棒-极间隙 的正极性50％操作冲击击穿电压为1130kV。在 夏季某日温度为30℃，气压99.8kPa的大气条 件下，问其正极性50%操作冲击击穿电压为多 少kV?
PT0 99.8 273 20 0.953 PT 101.3 273 30 0
16
（二）削弱或抑制电离过程-采用强电负性气体
高电压技术试题按章排序

高电压技术试题按章排序

⾼电压技术试题按章排序第⼀章⽓体的绝缘特性⼀、选择题：1.流注理论未考虑( )的现象。

A.碰撞游离B.表⾯游离C.光游离D.电荷畸变电场2.先导通道的形成是以( )的出现为特征。

A.碰撞游离B.表现游离C.热游离D.光游离3.SF6⽓体具有较⾼绝缘强度的主要原因之⼀是( )A.⽆⾊⽆味性B.不燃性C.⽆腐蚀性D.电负性4.由于光辐射⽽产⽣游离的形式称为( )。

A.碰撞游离B.光游离C.热游离D.表⾯游离5.解释电压较⾼、距离较长的间隙中的⽓体放电过程可⽤( )。

A.流注理论B.汤逊理论C.巴申定律D.⼩桥理论6.SF6⽓体具有⾮常优良的电⽓性能，但( )A.对绝缘材料有腐蚀作⽤B.不能在寒冷地区使⽤C.灭弧能⼒不如空⽓D.在电弧作⽤下会分解出有毒⽓体7.极不均匀电场中的极性效应表明( )A.负极性的击穿电压和起晕电压都⾼B.正极性的击穿电压和起晕电压都⾼C.负极性的击穿电压低和起晕电压⾼D.正极性的击穿电压低和起晕电压⾼8.在⼤⽓条件下，流注理论认为放电发展的维持是靠( )A.碰撞游离的电⼦B.光游离的光⼦C.热游离的离⼦D.表⾯游离的电⼦9.⽓隙下操作冲击击穿电压最⼩值( )A.⽐雷电冲击击穿电压⾼B.⽐⼯频交流击穿电压⾼C.的临界波前时间随间距增⼤⽽增⼤D.的临界波前时间随间距增⼤⽽减⼩10.导线上出现冲击电晕后，使( )A.导线的波阻抗增⼤B.导线的波速增⼤C.⾏波的幅值增⼤D.导线的耦合系数增⼤11.电晕放电是⼀种( )A.⾃持放电B.⾮⾃持放电C.沿⾯放电D.滑闪放电12.以下四种⽓体间隙的距离均为10cm，在直流电压作⽤下，击穿电压最低的是( )A.棒—板间隙，棒为正极B.棒—板间隙，棒为负极C.针—针间隙D.球—球间隙(球径50cm)13.与标准⼤⽓条件相⽐，当实际温度下降⽓压升⾼时，均匀电场⽓隙的击穿电压( )A.不变B.降低C.升⾼D.取决于湿度的变化14.我国规定的标准⼤⽓条件是( )A.101.3kPa，20℃，11g／m3B.101.3kPa，20℃，10g／m3C.50.1kPa，25℃，10g／m3D.50.1kPa，25℃，11g／m32.能有效提⾼⽀持绝缘⼦沿⾯闪络电压的措施是( )A.减⼩介质介电常数B.改进电极形状C.增加瓷套管表⾯电阻D.加⼤瓷套管半径15.标准雷电冲击电压波的波形是( )A.1/10sµB.1.2/50sµC.100/1000sµD.250/2500sµ16.线路冲击电晕的特点是( )A.正极性冲击电晕对波的衰减和变形⽐较⼩B.负极性冲击电晕对波的衰减和变形⽐较⼤C.过电压计算中应以正冲击电晕的作⽤为依据D.过电压计算中应以负冲击电晕的作⽤为依据17.棒—板间隙在⼯频电压作⽤下( )A.击穿电压远⼤于直流电压下正棒—负棒的击穿电压B.击穿电压远⼤于直流电压下正板—负棒的击穿电压C.击穿时刻是极性为正，电压达幅值时D.击穿时刻是极性为负，电压达幅值时18.沿⾯放电电压与同样距离下的纯空⽓间隙的放电电压相⽐总是( )A.⾼B.低C.相等D.不确定19.伏秒特性曲线实际上是⼀条带状区域，因为在冲击电压作⽤下，间隙放电时间具有( )A.时延性B.准确性C.统计性D.50%概率20.采⽤真空提⾼绝缘强度的理论依据是( )。

电气绝缘基础知识

电气绝缘基础知识


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
3、非自持放电和自持放电 （1）依靠外界电离因素维持的是非自持放电 （2）仅靠电场本身作用的是自持放电 4、空气间隙在电场作用下出现自持放电是否 一定会发生击穿？ 答：在均匀电场中，气体间隙一旦出现自持 放电，同时即被击穿。在极不均匀电场中， 气体局部达到自持放电时，会出现电晕放 电，间隙并不击穿。 5、流注：空气间隙中往两极发展的充满正负 带点质点的混合等离子通道。
UF=f(PS)
三、电场是否均匀对空气间隙击穿电压影响 在标准大气压下，温度为20℃时，均匀电场中空气间隙的 击穿场强大约是30kv/cm。 极不均匀电场间隙大于50cm时，负极性的直流击穿电压 平均击穿场强约为10kv/cm，而正极性的直流击穿场强约 为4.5kv/cm，与均匀电场的击穿场强相比下降很多。 1、均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性 均匀电场中一旦出现自持放电，间隙即被击穿，形成电弧放 电或火花放电，无电晕放电。 2、稍不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性 不均匀电场分类依据：能否维持稳定的电晕放电 极不均匀电场 稍不均匀电场
3、电场的均匀程度： 改善电场均匀度可提高击穿电压。 4、电压作用时间的影响： 短时间内随加压时间的延长击穿电压下降，达到一 定时间不再明显下降。工频耐压时间为1min. 5、冲击电压作用下变压器油间隙的击穿场强 6、油间隙宽度对击穿场强的影响
一、固体电介质的种类及其特性
1、固体电介质的种类 2、电介质的极化和相对介电常数 电介质的极化： 在外加电场的作用下，电介质中的正负电荷沿电场 的方向作有限的位移或转向，形成偶极矩。 3、固体电介质的物理化学性能
流注分类 （1）阳极（正）流注：从阳极向阴极发展 （2）阴极（负）流注：从阴极向阳极发展 二、均匀电场中气体间隙击穿电压与气体密度的关系 1、除去气体过于稀薄外，气体密度越大，击穿电压 越高。 2、巴申定律： 当气体种类和电极材料一定时，均匀电场中气隙的 放电电压UF是气体压力P和间隙极间距离S乘积的 函数。
高电压技术 02 液体、固体电介质的绝缘特性

高电压技术 02 液体、固体电介质的绝缘特性

上半导体釉等。
27
2.1.3 电介质的损耗
损耗
极化过程损耗（DC下无）
电导损耗（DC、AC都有）
28
一、介质损耗正切角（tan)
I
U
U
rg Ca Ig
Ia Ic ra C0
..
..
I IgIcIa
.
I g ：泄漏电流，由电导引起
.
I a ：吸收电流，由极化引起
.
I c ：纯电容电流。
容性电流阻性电流
C2 G2 C1 G1
电荷会重新分配（吸收电荷），在介质的交界面处积累电
荷－－夹层式（界面）极化。
夹层极化只有在低频时才有意义。
(C1 C2 ) /(G1 G2 )
G1
G2
G1
G2
C1
1
U10
U 3
C2
U 20
2U 3
C1
2
U1
U 3
C2
U2
1U 3
(a) 设2G1＝G2，C1＝2C2。 (b)
Cp
1
Cs tan 2
P U 2Cp tan
32
➢如介损主要由电导引起，常用并联等效电路
➢如介损主要由介质极化及连接导线的电阻引起，常用串联 等效电路
电介质类型
tanδ/%
变压器油 蓖麻油 电工陶瓷 油浸电缆纸 沥青云母带
0.05～0.5 1～3 2～5 0.5～8 0.2～1
电介质类型
聚乙烯 交联聚乙烯 聚苯乙烯 聚四氟乙烯 聚氯乙烯
f 较小时：偶极子跟得上电场的交变，极化充分发展，此时 的εr最大；但偶极子单位时间的转向次数不多，因而极化损
耗很小，tan也小，主要由电导损耗。

(一)碰撞电离

hc 1229 0 qUi Ui nm

对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下， 一般是不能直接发生光电离的
(三）热电离

因气体热状态引起的电离过程——热电离（碰撞 电离与光电离的综合） 气体分子的平均动能和气体温度的关系为
Wm 3 KT 2
在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离
表面电离的形式
（2）光电效应
金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时， 金属表面放射出电子
（3）强场放射（冷放射）
当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子
（4）热电子放射
当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能 ，逸出金属
1.1.2 气体中带电粒子的运动与消失

（一）电场作用下气体中带电粒子的运动
根据气体压力、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

辉光放电 电弧放电 火花放电


电晕放电 刷状放电
辉光放电

当气体压力不大，电场较均匀、电源功率很小（ 放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一 定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极 和阳极间整个空间忽然出现发光现象 特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了 整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放 电的例子。管中所充气体本同，发光颜色也不同
高电压技术
高电压工程系 tslc@ 刘春 13871018672
第2讲
1 气体电介质的绝缘特性（一）
1.1 气体中带电粒子的产生和消失
在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程

气隙中带电粒子是如何形成的？

高电压技术

第一章气体的绝缘特性1.电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为三类：气体电介质液体电介质固体电介质在电气设备中又分为：外绝缘：一般由气体介质（空气）和固体介质（绝缘子）联合构成。

内绝缘：一般由固体介质和液体介质联合构成。

2、一些基本概念：①气体介质的击穿——当加在气体间隙上的电场强度达到某一临界值后，间隙中的电流会突然剧增，气体介质会失去绝缘性能而导致击穿的现象，也称为气体放电。

②放电电压UF——在间隙距离及其它相关条件一定的条件下，加在间隙两端刚好能使其击穿的电压。

由于相关条件的变化，这个值有一定的分散性。

③击穿场强——指均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。

这个参数反映了某种气体介质耐受电场作用的能力，也即该气体的电气强度，或称气体的绝缘强度。

④平均击穿场强——指不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。

3.大气击穿的基本特点固体介质中的击穿将使介质强度永久丧失；而气体和液体击穿发生击穿时，一般只引起介质强度的暂时降低，当外加电压去掉后，绝缘性能又可以恢复，故称为自恢复绝缘。

§1.1 气体介质中带电质点的产生和消失一、气体原子的激发与游离产生带电质点的物理过程称为游离，是气体放电的首要前提。

1、几个基本概念①激发—-原子在外界因素（如电场、温度等）的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，从而使核外电子从离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道上去的过程（也称为激励）。

②游离—-中性原子由外界获得足够的能量，以致使原子中的一个或几个电子完全脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子（即带正电的质点）的过程（也称为电离）。

2、游离的基本形式①碰撞游离a 、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。

b 、发生条件：——气体分子（或原子）的游离能c 、碰撞游离的特点碰撞游离是气体放电过程中产生带电质点的极重要的来源。

1.3-1.4 不均匀电场中的气体击穿-气体间隙的稳态击穿电压


3
3
课程回顾
流注理论-高气压长间隙
2 2 2 2 1 1 (a) (b) (c) (d) 2 2 1 (e) (f) 3 3 3
如果外施电压比击穿电压高，则电子崩不需
要经过整个间隙，其头部电离程度足以形成流 注——负流注，向阳极发展（发展速度）
特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放 电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场（使原来 均匀的电场变成了不均匀电场）的作用 放电过程
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电晕起始场强的求取（皮克公式） 以输电线路为例
0.3 Ec 30mδ 1 (kV / cm ) r
注意：在雨、雪、雾 等坏天气时，导线表 面的水滴使导线表面 电场发生变化，降低 了电晕起始电压和起 始场强。
式中 m—导线表面粗糙系数，光滑导线的m≈1, 绞线的m ≈ 0.82～0.9，局部电晕 0.72, δ —空气相对密度； r —导线半径，cm 。
1.2 不均匀电场中气体的击穿
1.3.3 极不均匀电场中的放电过程
极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应。
⒈ 短间隙极不均匀电场中的放电过程（棒－板间隙） ⑴ 正极性（正棒—负板）
E0
① 非自持放电阶段
棒极附近强场区域内形成电子崩，电 子崩头部的电子被棒极中和，在棒极 附近空间留下许多正离子， 积聚起的正空间电荷，减少了紧贴棒 极附近的电场，而略微加强了外部空 间的电场，棒极附近难以造成流注， 使得自持放电、即电晕放电难以形成
d 4D
d
200
均匀 电场
U b / kV
150
r
3
100
50
d
3.5kV / cm
0
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第一章 气体电介质的绝缘特性

第一章 气体电介质的绝缘特性
第一节 气体中带电质点的产生与消失
一、气体电介质中带电粒子的产生 气体中的原子通常处于正常状态，原子在外界因素（强电场，高温等）的作用下，吸 收外界能量使其内部能量增加，其电子可由低能级跃迁到能级较高的轨道运行，这个过程 称为原子激励。此时原子的状态称为激发态。此时的电子还未摆脱原子核的束缚。激励过 程所需能量称为激励能。 如果中性原子在外界因素作用下，获得足够大的能量，可使原子中的一个或几个电子 完全摆脱原子核的束缚，形成自由电子和正离子，这个过程称为原子的电离。电离是激发 的极限状态，电离后形成的正离子就是原子失去一个或几个电子后形成的带正电的质点。 电离过程所需要的能量称为电离能Wi，一般为10~15eV。显然，发生电离的条件就是原子 从外界获取的能量大于原子的电离能。 气体原子的电离可由下列因素引起：①电子或正离子与气体分子的碰撞；②各种光辐 射；③高温下气体中的热能。强电场根据不同的电离因素，电离有碰撞电离，光电离，热 电离，表面电离几种形式：
性气体具有较高的绝缘强度。
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第二节 汤逊理论和流柱理论
一、汤逊理论 20世纪初，英国物理学家汤逊（Townsend）在均匀电场、低气压、短间隙的条件下
进行了放电实验，提出了比较系统的理论和计算公式，解释了整个间隙的放电过程和击穿
条件。虽然汤逊理论有很多不足，其适用范围也有很大的局限，但它描述的放电过程是很 基本的，具有普遍意义。 1．非自持放电和自持放电
下关系：
W
式中：K――波尔茨曼常数，K＝1.38×9-23J/K； T――绝对温度，K。 随着温度升高，气体分子动能增加，当气体分子的动能大于气体分子电离能时，就可 能引起热电离。因此产生热电离的条件为：
3 KT Wi 2
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（二）带电粒子的扩散
带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热 运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也 是相似的
气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体压力越 高或者温度越低，扩散过程也就越弱
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
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（ 一） 电场作用下气体中带电粒子的运动
带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形
成电流
j qnvd
在气体放电空间 ，带电粒子在一定的电场强度下运动达 到某种稳定状态 ，保持平均速度，即上述的带电粒子的
驱引速度
vd bE
b ——迁移率
电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中 ，电子迁移率也随场强而变
0
hc qUi
1229 Ui
nm
对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下， 一般是不能直接发生光电离的
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(三）热电离
因气体热状态引起的电离过程——热电离（碰撞电离 与光电离的综合） 气体分子的平均动能和气体温度的关系为
3 Wm 2 KT
在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千
原子激励
原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态， 所需能量称为激励能We
激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光
子（光辐射）的频率
W h
3
原子电离——
原子在外界因素作用下，获得能量，使其一个或几个电 子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程
电离过程所需要的能量——电离能Wi（10-15 eV），也 可用电离电位Ui（V）
特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了 整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放 电的例子。管中所充气体本同，发光颜色也不同
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电弧放电
减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大 到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮， 管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越 大
：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通 过的平均行程
电子在其自由行程内从外电场获得动能 ，能量除决定 于电场强度外，还和其自由行程有关
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（一）碰撞电离
气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分 子碰撞而引起的
在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电 子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离
气体放电的主要形式
根据气体压力、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
辉光放电 电弧放电 火花放电 电晕放电 刷状放电
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辉光放电
当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串 入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路 中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个 空间忽然出现发光现象
Eq
1 2
m
2
Wi
碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的 大小有关
9
（二）光电离
光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离
自然界、人为照射、气体放电过程
当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条 件，将引起光电离，分解成电子和正离子
h Wi
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为
4
1.1.1 气体中带电粒子的产生
（一）气体分子的电离可由下列因素引起： （1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （2）各种光辐射（光电离） （3）高温下气体中的热能（热电离）
（二） 金属（阴极）的表面电离
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（一）碰撞电离
自由行程：粒子在两次碰撞之间的行程 电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多 气体分子密度越大，其中粒子的平均自由行程越
度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离
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（四）金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功（1－5eV） ：与金属的微观结构 、金属表面 状态有关
金属表面电离的多种方式 （1）正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要 大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为 原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出 一个以上电子时才能出现自由电子
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表面电离的形式
（2）光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功
时，金属表面放射出电子 （3）强场放射（冷放射）
当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电 子 （4）热电子放射
当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大 动能，逸出金属
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1.1.2 气体中带电粒子的运动与消失
（一）电场作用下气体中带电粒子的运动 （定向运动，消失） （二）带电粒子的扩散 （三）带电粒子的复合 （中和，空间或器壁） （四）附着效应
小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密 度成正比
T
p
6
自由行程的分布： 具有统计性的规律。粒子的 自由行程大于x的概率为
x
f (x) e
如果起始有n0个粒子（或一个粒子的相继n0次 碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的 粒子数（或次数）n(x)应为
x
n(x) n0e
7
粒子的平均自由行程
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（三）带电粒子的复合
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 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
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
一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决定于其 浓度
第2讲 1 气体电介质的绝缘特性（一）
1
1.1 气体中带电粒子的产生和消失
在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程 气隙中带电粒子是如何形成的？ 气隙中的导电通道是如何形成的？ 气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？
2
原子激励和电离
原子能级 以电子伏（eV）为单位
1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J
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（四）附着效应——负离子的形成
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、氯，SF6 等）
质量、速度小——阻碍放电，绝缘强度较高
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1.2 均匀电场中气体的击穿