电晕放电和极性效应.ppt
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不均匀电场放电PPT课件
均匀场>D最小>较小>较大> 最大>尖-板 – D在厘米级时，击穿电压大 于棒（尖）-板气隙，二者 相近。 – D为0.5mm时，击穿电压略 小于均匀场，二者接近。 • 发现什么问题？
极不均匀电场中的电晕放电现象
• 矛盾：D越小，电场越不均匀，应该越接近尖-板，实际却远离尖-板 而接近均匀场？
– D较大时，局部毛刺（类似于尖）先出现刷状放电，与尖-板接近 – D较小时，电晕放电形成的均匀电晕层，改善了电场分布，提高击穿电
棒为负极性(流注阶段)： 非自持放电 正空间电荷
E棒附近↑U外>Uc
大量分散 电子崩
负流注
棒半径↑
E↓ U外↑ 新电子崩
流注伸长
Ub () Ub ()
• 工程实际中，输电线路外绝缘和高压设备 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。
结论：
在相同间隙下
正棒—负板
电晕起始电压
Uc () Uc ()
流注发展阶段
– 正极性：空间电荷加强放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高 时，强场区将逐渐向极板推进至击穿。
– 负极性：空间电荷削弱放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高 时，电晕区不易向外扩展，气隙击穿将不顺利，因此负极性击穿电压比 正极性高很多，完成击穿所需时间也长得多。
特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起始电压 (Uc)低于击穿电压(Ub)，电场越不均匀其差值越大。
电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，应用最广的是皮克公式， 电晕起始场强近似为：同直径的两根平行园导线
电晕起始电压可由Ec求得。对于离地高度为h的单向 导线可写出
高度为h的单根导线：U c
极不均匀电场中的电晕放电现象
• 矛盾：D越小，电场越不均匀，应该越接近尖-板，实际却远离尖-板 而接近均匀场？
– D较大时，局部毛刺（类似于尖）先出现刷状放电，与尖-板接近 – D较小时，电晕放电形成的均匀电晕层，改善了电场分布，提高击穿电
棒为负极性(流注阶段)： 非自持放电 正空间电荷
E棒附近↑U外>Uc
大量分散 电子崩
负流注
棒半径↑
E↓ U外↑ 新电子崩
流注伸长
Ub () Ub ()
• 工程实际中，输电线路外绝缘和高压设备 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。
结论：
在相同间隙下
正棒—负板
电晕起始电压
Uc () Uc ()
流注发展阶段
– 正极性：空间电荷加强放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高 时，强场区将逐渐向极板推进至击穿。
– 负极性：空间电荷削弱放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高 时，电晕区不易向外扩展，气隙击穿将不顺利，因此负极性击穿电压比 正极性高很多，完成击穿所需时间也长得多。
特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起始电压 (Uc)低于击穿电压(Ub)，电场越不均匀其差值越大。
电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，应用最广的是皮克公式， 电晕起始场强近似为：同直径的两根平行园导线
电晕起始电压可由Ec求得。对于离地高度为h的单向 导线可写出
高度为h的单根导线：U c
4电晕放电和极性效应
1.电晕放电现象 在极不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大，以至 当外加电压及其平均场强还较低的时候，电极曲率半径较小 处附近的局部场强已很大。 在这局部强场区中，产生强烈的游离，但由于离电极稍远 处场强已大为减小，所以，此游离区不可能扩展到很大，只 能局限在此电极附近的强场范围内。 伴随着游离而存在的复合和反激励，发出大量的光辐射， 使在黑暗中可以看到在该电极附近空间发出蓝色的晕光，这 就是电晕。 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。
流注根部温 度升高 热电离过 程 先导 通道
电导增大 轴向场强更低 发展速度更快
电离加强，更为明亮
长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙
§5 不均匀电场中气体击穿的发展过程
一.稍不均匀电场和极不均匀电场特征 1、球间隙放电
HV
D
d
放电现象
①d<d0,电场比较均匀，击穿之前看不到放电迹象，类似于 均匀电场； ②d>d0, 电压逐步升高，先出现电晕放电，然后刷状放电， 最后间隙完全击穿； 总结电晕放电电压和击穿电压的关系： ①d<d0,两电压相等； ②d>d0',击穿电压 >电晕起始电压； ③d0<d<d0', 过渡区，放电电压很不稳定，击穿电压分散性 很大。 从上述试验可知：放电过程与电场均匀性有着密切联系.
2)变象管
放电现象1经物镜2投射到半透明的光电阴极3,根据投射来的光辐射， 光电阴极发射出电子。发射出的电子由电极4聚焦成象并得到加速。聚焦 后的电子束经光阑5、闭锁电极6、垂直偏转电极7、水平偏转电极8及补 偿电极9而到达荧光屏10，又重现为发光图象。利用偏转电极可将放电现 象随时间展开。在闭锁电极上施加间断的释放脉冲电压还可在荧光屏上 得到分幅的图象。荧光屏上的图象可用普通照相机摄制下来。变象管扫 描速度高，分辨率好，控制灵活，灵敏度高(能增强发光微弱现象的亮度) ，因此获得越来越广泛的应用。
流注根部温 度升高 热电离过 程 先导 通道
电导增大 轴向场强更低 发展速度更快
电离加强，更为明亮
长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙
§5 不均匀电场中气体击穿的发展过程
一.稍不均匀电场和极不均匀电场特征 1、球间隙放电
HV
D
d
放电现象
①d<d0,电场比较均匀，击穿之前看不到放电迹象，类似于 均匀电场； ②d>d0, 电压逐步升高，先出现电晕放电，然后刷状放电， 最后间隙完全击穿； 总结电晕放电电压和击穿电压的关系： ①d<d0,两电压相等； ②d>d0',击穿电压 >电晕起始电压； ③d0<d<d0', 过渡区，放电电压很不稳定，击穿电压分散性 很大。 从上述试验可知：放电过程与电场均匀性有着密切联系.
2)变象管
放电现象1经物镜2投射到半透明的光电阴极3,根据投射来的光辐射， 光电阴极发射出电子。发射出的电子由电极4聚焦成象并得到加速。聚焦 后的电子束经光阑5、闭锁电极6、垂直偏转电极7、水平偏转电极8及补 偿电极9而到达荧光屏10，又重现为发光图象。利用偏转电极可将放电现 象随时间展开。在闭锁电极上施加间断的释放脉冲电压还可在荧光屏上 得到分幅的图象。荧光屏上的图象可用普通照相机摄制下来。变象管扫 描速度高，分辨率好，控制灵活，灵敏度高(能增强发光微弱现象的亮度) ，因此获得越来越广泛的应用。
高电压技术-第02章-气体放电的物理过程PPT课件
-
5
③ 光电离：
概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生 的电离。
条件：光子能量不小于气体的电离能。
光电子：由光电离产生的自由电子。
光的来源：
➢ 外界自然光（紫外射线、伦琴射线、 射线、宇宙射 线等高能射线）
➢ 气体本身的反激励或复合释放出的光子。
紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光
升了通道的温度，导致热电离； ➢ 整个流注通道转化为火花通道，气隙的击穿完成。
⑤ 负流注的发展速度比正流注慢。
⑥ 概念： 由初崩辐射出的光子，在崩头、崩尾外围空间局部
强场中衍生出二次电子崩并汇合到主崩通道中来，使主 崩通道不断高速向前、后延伸的过程称为流注。
-
22
⑦ 均匀电场形成流注就能自持发展，直至击穿。
电晕层：这个晕光层叫作电晕层或起晕层。
外围区间：电晕层外，场强已较弱，不发生撞击电离。
-
24
电晕产生条件：极间距离对起晕电极表面最小曲率半径 的比值大于一定值。
电晕特性：
➢ 电晕放电是极不均匀电场中的一种自持放电形式； ➢ 电晕放电不能扩展很大，只能局限于电极附近； ➢ 电晕放电有明显的极性效应。
电子能量越大。 激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，
这个过程叫激励。
-
2
激励能：激励所需能量叫激励能 W
，其值等于两轨道能
e
级之差。
电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨 道成为自由电子。原来的中性原子变成一个自由 电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。
电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能 W i 。 反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色
高电压技术第一章课件.ppt
• 这些电离强度和发 展速度远大于初始
电子崩的二次电子
崩不断汇入初崩通
道的过程称为流注。
流注条件
• 流注的特点是电离强度很大和传播速度很快， 出现流注后，放电便获得独立继续发展的能 力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见 这时出现流注的条件也就是自持放电的条件。
• 流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界 值。对均匀电场来说，自持放电条件为：
n
n0
e
dx
0
n n0ed
• 途中新增加的电子数或正离子数应为：
n na n0 n0 (ed 1)
• 将等号两侧乘以电子的电荷qe ，即得 电流关系式：：
I I0ed I0 n0qe
一旦除去外界电离因子?
(三)自持放电与非自持放电
在I-U曲线的BC段 一旦去除外电离因素，
气隙中电流将消失。 外施电压小于U0时 的放电是 非自持放 电。
• 复合可能发生在电子和正离子之间，称 为电子复合，其结果是产生一个中性分 子；
• 复合也可能发生在正离子和负离子之间， 称为离子复合，其结果是产生两个中性 分子。
气体放电的基本理论
• 汤逊理论 • 流注理论 • 巴申定律
一 汤逊气体放电理论
1. 电子崩
• 电子崩的形成过程 • 碰撞电离和电子崩引起的电流 • 碰撞电离系数
一、带电粒子在气体中的运动
（一）自由行程长度
气体中存在电场时， 粒子进行 热运动和 沿电场定向运动
• 各种粒子在气体中运动时 不断地互相碰撞，任一粒 子在1cm的行程中所遭遇 的碰撞次数与气体分子的 半径和密度有关。
• 单位行程中的碰撞次数Z 的倒数λ
–即为该粒子的平均自由行 程长度。
二、带电粒子的产生
电子崩的二次电子
崩不断汇入初崩通
道的过程称为流注。
流注条件
• 流注的特点是电离强度很大和传播速度很快， 出现流注后，放电便获得独立继续发展的能 力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见 这时出现流注的条件也就是自持放电的条件。
• 流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界 值。对均匀电场来说，自持放电条件为：
n
n0
e
dx
0
n n0ed
• 途中新增加的电子数或正离子数应为：
n na n0 n0 (ed 1)
• 将等号两侧乘以电子的电荷qe ，即得 电流关系式：：
I I0ed I0 n0qe
一旦除去外界电离因子?
(三)自持放电与非自持放电
在I-U曲线的BC段 一旦去除外电离因素，
气隙中电流将消失。 外施电压小于U0时 的放电是 非自持放 电。
• 复合可能发生在电子和正离子之间，称 为电子复合，其结果是产生一个中性分 子；
• 复合也可能发生在正离子和负离子之间， 称为离子复合，其结果是产生两个中性 分子。
气体放电的基本理论
• 汤逊理论 • 流注理论 • 巴申定律
一 汤逊气体放电理论
1. 电子崩
• 电子崩的形成过程 • 碰撞电离和电子崩引起的电流 • 碰撞电离系数
一、带电粒子在气体中的运动
（一）自由行程长度
气体中存在电场时， 粒子进行 热运动和 沿电场定向运动
• 各种粒子在气体中运动时 不断地互相碰撞，任一粒 子在1cm的行程中所遭遇 的碰撞次数与气体分子的 半径和密度有关。
• 单位行程中的碰撞次数Z 的倒数λ
–即为该粒子的平均自由行 程长度。
二、带电粒子的产生
不均匀电场的击穿和雷电冲击电压下的空气击穿ppt课件
版！ 3 课件部分内容来源于网络，如有异
消除方法：改进电极形状，减小电极曲率；如电极采用
大尺寸球面， 超高压线路采用扩径导线等。
有利方面：
降低输电线上的雷电或操作冲击波的幅值和波前陡度。 电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工 业设施中得到广泛应用。
某些场合可改善电场分布。
tf－出现有效电子后，引起碰撞游离，形成电子崩，发展到 流注和主放电，最后完成气隙击穿需要的时间，称为放电 形成时延。
短气隙中（1cm以下），特别是电场均匀时， tf<<ts， 放电时延主要取决于ts。为减小ts： 可提高外施电场使气隙中出现有效电子的概率增加 可采用人工光源照射，使阴极释放出更多的电子 较长气隙时，放电时延主要决定于 tf，且电场越不均匀， tf越大。
放电特点：
1、电晕放电 2、极性效应
一、电晕放电
1、定义：电场极不均匀时，在大曲率电极附近空间局部 场强首先达到引起强烈游离的数值，使其附近很薄一层空 气中形成自持放电，产生薄薄的淡紫色发光层。该放电仅 局限在大曲率电极周围很小范围内，而整个气隙尚未击穿， 这种现象即为电晕放电。
刚开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压或起晕电压
课件部分内容来源于网络，如有异 议侵权的话可以联系删除，可编辑 版！
2
2、特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式， 电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。 电晕放电的起始电压一般用经验 公式来推算，流传最广的是皮克 公式，电晕起始场强近似为：
危害：
电晕放电引起光、声、热等效应使空气发生化学反应，不 但消耗能量，还产生臭氧和氧化氮等有害气体，腐蚀金具 和有机绝缘物。坏天气要比好天气时的电晕损耗大得多。 电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失、出现造成的放 电脉冲会产生高频电磁波，对无线电和广播产生干扰。 电晕放电还会产生可闻噪声。 议侵权的话可以联系删除，可编辑
消除方法：改进电极形状，减小电极曲率；如电极采用
大尺寸球面， 超高压线路采用扩径导线等。
有利方面：
降低输电线上的雷电或操作冲击波的幅值和波前陡度。 电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工 业设施中得到广泛应用。
某些场合可改善电场分布。
tf－出现有效电子后，引起碰撞游离，形成电子崩，发展到 流注和主放电，最后完成气隙击穿需要的时间，称为放电 形成时延。
短气隙中（1cm以下），特别是电场均匀时， tf<<ts， 放电时延主要取决于ts。为减小ts： 可提高外施电场使气隙中出现有效电子的概率增加 可采用人工光源照射，使阴极释放出更多的电子 较长气隙时，放电时延主要决定于 tf，且电场越不均匀， tf越大。
放电特点：
1、电晕放电 2、极性效应
一、电晕放电
1、定义：电场极不均匀时，在大曲率电极附近空间局部 场强首先达到引起强烈游离的数值，使其附近很薄一层空 气中形成自持放电，产生薄薄的淡紫色发光层。该放电仅 局限在大曲率电极周围很小范围内，而整个气隙尚未击穿， 这种现象即为电晕放电。
刚开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压或起晕电压
课件部分内容来源于网络，如有异 议侵权的话可以联系删除，可编辑 版！
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2、特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式， 电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。 电晕放电的起始电压一般用经验 公式来推算，流传最广的是皮克 公式，电晕起始场强近似为：
危害：
电晕放电引起光、声、热等效应使空气发生化学反应，不 但消耗能量，还产生臭氧和氧化氮等有害气体，腐蚀金具 和有机绝缘物。坏天气要比好天气时的电晕损耗大得多。 电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失、出现造成的放 电脉冲会产生高频电磁波，对无线电和广播产生干扰。 电晕放电还会产生可闻噪声。 议侵权的话可以联系删除，可编辑
4 电晕放电和极性效应
导线表面电晕
三.极不均匀电场中的电晕放电
1.电晕放电现象 1.电晕放电现象 在极不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大， 在极不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大，以至 当外加电压及其平均场强还较低的时候，电极曲率半径较小 当外加电压及其平均场强还较低的时候，电极曲率半径较小 处附近的局部场强已很大 局部场强已很大。 处附近的局部场强已很大。 在这局部强场区中 产生强烈的游离， 局部强场区中， 在这局部强场区中，产生强烈的游离，但由于离电极稍远 处场强已大为减小，所以，此游离区不可能扩展到很大， 处场强已大为减小，所以，此游离区不可能扩展到很大，只 能局限在此电极附近的强场范围内。 能局限在此电极附近的强场范围内。 伴随着游离而存在的复合和反激励 发出大量的光辐射 复合和反激励， 光辐射， 伴随着游离而存在的复合和反激励，发出大量的光辐射， 使在黑暗中可以看到在该电极附近空间发出蓝色的晕光 蓝色的晕光， 使在黑暗中可以看到在该电极附近空间发出蓝色的晕光，这 就是电晕。 就是电晕。 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。 2.电晕起始电压Uc和起始场强Ec；
6.消除电晕措施
最根本的途径就是设法限制和降低导线（导体） 最根本的途径就是设法限制和降低导线（导体）的表面电 场强度。 场强度。 1. 采用分裂导线，使等值曲率半径增大。 采用分裂导线，使等值曲率半径增大。 2. 改进电极的形状，增大电极的曲率半径，使表面光滑。 改进电极的形状，增大电极的曲率半径，使表面光滑。
迎面流注对负先导的发展有很大影响。 迎面流注对负先导的发展有很大影响。棒为负极性时 间隙的击穿电压比正极性时要高， 间隙的击穿电压比正极性时要高，而负先导的发展速度 则比正先导的低一个数量级。 则比正先导的低一个数量级。
第一章-气体放电的基本物理过程PPT课件
质点的平均自由行程
：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞 次数的倒数 。
-
5
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
质点的平均自由行程
的性质
λ∝ T P
受温度和气压影响
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
-
6
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
带电质点的迁移率
正离子
负极
电子
E
-
61
1.5 电晕放电和沿面放电
1.5.1 电晕放电
1.概念 2.物理过程和效应 3.直流输电线上的电晕 4.交流输电线上的电晕 5.输电线路电晕的抑制方法 6.电晕的应用
1.5.2 沿面放电
1.概念
2.类型及特点
3.放电电压提高方法
4.湿闪现象
5.污闪放电
-
62
1.5.1 电晕放电
1、电晕放电的概念
-
32
1.2 汤逊理论
1.2.4.汤逊理论
汤逊的理论推导
击穿电压U表示为：
U
Bpd
f ( pd )
ln
Apd ln(1 1 )
汤逊理论的适用条件： 均匀电场 pd 26.66kPacm
-
33
1.2 汤逊理论
汤逊理论的不足：
放电时间较长 放电特征呈丝状
阴极的作用
无法解释长间隙放电的物理现象
-
34
1.3 流注放电
2、电晕放电的物理过程和效应 效应：
2)、电风的作用
电子和离子高速运动 与气体交换能量 形成电风
空气对电风的反作用 使电晕电极舞动
-
69
1.5.1 电晕放电
：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞 次数的倒数 。
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1.1.1 带电粒子在气体中的运动
质点的平均自由行程
的性质
λ∝ T P
受温度和气压影响
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
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1.1.1 带电粒子在气体中的运动
带电质点的迁移率
正离子
负极
电子
E
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1.5 电晕放电和沿面放电
1.5.1 电晕放电
1.概念 2.物理过程和效应 3.直流输电线上的电晕 4.交流输电线上的电晕 5.输电线路电晕的抑制方法 6.电晕的应用
1.5.2 沿面放电
1.概念
2.类型及特点
3.放电电压提高方法
4.湿闪现象
5.污闪放电
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1.5.1 电晕放电
1、电晕放电的概念
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32
1.2 汤逊理论
1.2.4.汤逊理论
汤逊的理论推导
击穿电压U表示为：
U
Bpd
f ( pd )
ln
Apd ln(1 1 )
汤逊理论的适用条件： 均匀电场 pd 26.66kPacm
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1.2 汤逊理论
汤逊理论的不足：
放电时间较长 放电特征呈丝状
阴极的作用
无法解释长间隙放电的物理现象
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1.3 流注放电
2、电晕放电的物理过程和效应 效应：
2)、电风的作用
电子和离子高速运动 与气体交换能量 形成电风
空气对电风的反作用 使电晕电极舞动
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1.5.1 电晕放电
气体放电的物理过程 高电压技术 教学PPT课件
③ 热电子发射： 金属中的电子在高温下也能获得足够的动 能而从金属表面逸出，称为热电子发射。在许多电子器 件中常利用加热阴极来实现电子发射。
13
④ 强电场发射：当阴极表面附近空间存在很强 的电场时（106V/cm数量级），也能使阴极 发射电子。常态下气隙击穿完全不受强场发 射影响；在高气压、压缩的高强度气体的击 穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决 定性作用。
3
第一节 气体中带电质点的产生与消失
一．带电质点的产生
碰撞游离
光游离
（气体本身）
热游离
表面游离 (气体中的金属)
二. 带电质点的消失
质点的扩散
质点的复合
4
波尔量子理论
低能级 ✓电子分布使原子的总能量趋向最小。
高能级 ✓高能级→低能级：发出单色光。
+
✓低能级→高能级：需要外部激励。
✓激励状态不稳定。
反激励：处于激励状态的质点，恢复到原来的
中性状态的现象称为质点的反激励。反激励将 把激励时所吸收的能量以光的状态释放出来。
6
表1-1 某些气体的激励能和游离能
气体 N2
激励能We (eV)
6.1
O2
7.9
H2
11.2
游离能Wi (eV) 气体 激励能We (eV) 游离能Wi (eV)
15.6
CO2
带电质点的消失是由于游离作用小于去游离的作用。
15
气体中带电粒子的消失有可有下述几种情 况：
1. 带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在 到达电极时，消失于电极上而形成外电路 中的电流；
2. 带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。 3. 气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发
生电荷的传递与中和，这种现象称为复合， 是与游离相反的一种过程。
13
④ 强电场发射：当阴极表面附近空间存在很强 的电场时（106V/cm数量级），也能使阴极 发射电子。常态下气隙击穿完全不受强场发 射影响；在高气压、压缩的高强度气体的击 穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决 定性作用。
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第一节 气体中带电质点的产生与消失
一．带电质点的产生
碰撞游离
光游离
（气体本身）
热游离
表面游离 (气体中的金属)
二. 带电质点的消失
质点的扩散
质点的复合
4
波尔量子理论
低能级 ✓电子分布使原子的总能量趋向最小。
高能级 ✓高能级→低能级：发出单色光。
+
✓低能级→高能级：需要外部激励。
✓激励状态不稳定。
反激励：处于激励状态的质点，恢复到原来的
中性状态的现象称为质点的反激励。反激励将 把激励时所吸收的能量以光的状态释放出来。
6
表1-1 某些气体的激励能和游离能
气体 N2
激励能We (eV)
6.1
O2
7.9
H2
11.2
游离能Wi (eV) 气体 激励能We (eV) 游离能Wi (eV)
15.6
CO2
带电质点的消失是由于游离作用小于去游离的作用。
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气体中带电粒子的消失有可有下述几种情 况：
1. 带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在 到达电极时，消失于电极上而形成外电路 中的电流；
2. 带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。 3. 气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发
生电荷的传递与中和，这种现象称为复合， 是与游离相反的一种过程。
学习_安全用电第5章：电气设备绝缘
④在油隙中放置尺寸较大（与电极尺寸相适应） 厚度在1～3mm的层压纸板或层压布板屏障， 从而使油间隙的击穿电压提高。
二、固体介质的击穿
固体介质密度最大，耐电强度最高。但其击穿 过程最复杂。 （一）固体介质的击穿过程 1．电击穿 特点：电压作用时间极短，击穿电压高，击穿场强与 电场均匀程度有密切关系，但与环境温度无关。 2．热击穿 特点：作用时间较长，击穿电压值较低，绝缘内部温 度上升较高；热击穿电压随着环境温度的上升而下 降，但与电场均匀程度关系不大。 3．电化学击穿
Ub↓
↓
四、沿面放电
固体介质表面处的气体放电称沿面放电。 若放电贯穿两电极，称沿面闪络。
由于固体介质表面电压分布不均匀，表 面状态、空气污秽情况和气候条件等诸多 因素的影响，使沿面闪络电压比等长的纯 空气间隙击穿电压低（更比等长固体介质 击穿电压低），所以固体绝缘与空气的交 界面是绝缘的薄弱环节。
2、工程用油击穿过程：
通常可用“小桥”击穿理论来解释：
由于水和纤维的相对介电系数分別为81和6～7， 比油（1.8～2.8）大得多→油中的水分被纤 维吸收后→沿电场排列→形成杂质“小桥” →小桥架通两电极后→水分和纤维电导较大 →流过“小桥”的泄漏电流增加→发热增加 →使温度升高→“小桥”中水分汽化→气泡 扩大，同时油也受热分解→形成气泡桥→在 气体通道中击穿。
2、介质损耗的基本形式 （1）电导损耗（DC、AC下均存在） （2）极化损耗（只在AC下存在 （3）游离损耗（外加电压超过一定值时）
3、在AC交流电压作用下的介质损耗
P UI cos UICtg U 2Cptg
式中 tgδ——介质损耗因数， ψ——功率因数角 δ——介质损耗角
（二）雨淋或污秽时绝缘子的沿面放电
二、固体介质的击穿
固体介质密度最大，耐电强度最高。但其击穿 过程最复杂。 （一）固体介质的击穿过程 1．电击穿 特点：电压作用时间极短，击穿电压高，击穿场强与 电场均匀程度有密切关系，但与环境温度无关。 2．热击穿 特点：作用时间较长，击穿电压值较低，绝缘内部温 度上升较高；热击穿电压随着环境温度的上升而下 降，但与电场均匀程度关系不大。 3．电化学击穿
Ub↓
↓
四、沿面放电
固体介质表面处的气体放电称沿面放电。 若放电贯穿两电极，称沿面闪络。
由于固体介质表面电压分布不均匀，表 面状态、空气污秽情况和气候条件等诸多 因素的影响，使沿面闪络电压比等长的纯 空气间隙击穿电压低（更比等长固体介质 击穿电压低），所以固体绝缘与空气的交 界面是绝缘的薄弱环节。
2、工程用油击穿过程：
通常可用“小桥”击穿理论来解释：
由于水和纤维的相对介电系数分別为81和6～7， 比油（1.8～2.8）大得多→油中的水分被纤 维吸收后→沿电场排列→形成杂质“小桥” →小桥架通两电极后→水分和纤维电导较大 →流过“小桥”的泄漏电流增加→发热增加 →使温度升高→“小桥”中水分汽化→气泡 扩大，同时油也受热分解→形成气泡桥→在 气体通道中击穿。
2、介质损耗的基本形式 （1）电导损耗（DC、AC下均存在） （2）极化损耗（只在AC下存在 （3）游离损耗（外加电压超过一定值时）
3、在AC交流电压作用下的介质损耗
P UI cos UICtg U 2Cptg
式中 tgδ——介质损耗因数， ψ——功率因数角 δ——介质损耗角
（二）雨淋或污秽时绝缘子的沿面放电
高电压工程基础(第2章)
三、汤逊自持放电条件
• 汤逊根据对放电过程的实验研究．认为要使气隙 中的放电由非自持放电转变为自持放电就必须在 气隙中能够连续地形成电子崩，才能使极间电流 维持下去。这就要求在电子崩发展到贯通两极时， 电子进入阳极，正离子在返回阴极时必须能够在 阴极上产生二次电离过程，以取得在气隙中形成 后继电子崩所必需的二次电子，否则电子崩就会 中断，气体放电就无法自行维持。因此，从阴极 获取二次电子是气体放电由非自持放电转为自持 放电的关键。
电子崩 • 所谓电子崩是指电子在电场作用下从阴极 奔向阳极的过程中与中性分子碰撞发生电 离，电离的结果产生出新的电子．新生电 子又与初始电子一起继续参与碰撞电离， 从而使气体中的电子数目由1变为2，又由2 变为4而急剧增加。这种迅猛发展的碰撞电 离过程犹如高山上发生的雪崩，因此被形 象地称之为电子崩。
•热游离 由气体热状态引起的电离过程称为热电离。 从基本方面来说，热电离和碰撞电离及光电 离是一致的，都是能量超过某一临界值的粒 子或光子碰撞分子使之发生电离．只是直接 的能量来源不同而已。 •表面电离 气体中的电子也可以由电场作用下的金属表 面发射出来，称为金属电极表面电离
• 当气体中发生放电时，除了有不断产生带 电粒子的电离过程外，还存在着一个相反 的过程，即去电离过程 • 它将使带电粒了从电离区域消失，或者削 弱产生电离的作用。当导致气体电离的因 素消失后．由于去电离过程，会使气体还 原成中性状态，而恢复其绝缘性能．这就 是气体具有自恢复绝缘特性的本质所在。
• γ阴极表面电离系数：每个正离子返回阴极时，能从阴极 释放出的电子数。 • 需要满足条件
(e 1) 1
d
• 这是自持放电的条件 • 放电由非自持转为自持时的电场强度称为起始放电场强， 相应的电压称为起始放电电压
极不均匀电场中的电晕放电
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性
气体放电过程中的光、声、热的效应以及化学反应 等都要引起能量损耗 放电的脉冲现象会产生高频电磁波，对无线电通讯 造成干扰 电晕放电使空气发生化学反应，生成臭氧、氮氧化物 等产物，臭氧、氮氧化物等产物是强氧化剂和腐蚀剂 ，会对气体中的固体介质及金属电极造成损伤或腐蚀
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性
图1-5
当外施电压U＜Ub时，若取消外界游离因素，电子崩 会消失，电流也将消失，这类放电称为非自持放电
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性子撞击阴极会发生 表面游离，释放出的电子又会引起电子崩，这时气体 中的游离过程可只靠电场的作用自行维持，而不再需 要外界游离因素，这就是自持放电。
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性
U 当d≤4 r时 ，放电具有 稍不均匀场 间隙的特点 即击穿电压 与电晕起始 电压是相同 的 O
4r＜d＜8r放电过程 不稳定，击穿电压 的分散性很大，属 1 于由稍不均匀变为 极不均匀的过渡区。
2
1
当d≥8r时，放 电具有极不均匀 场间隙的特点， 此时电晕起始电 压明显低于击穿 电压。 d
3.巴申定律
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性
高气压或高真空都可提高击穿电压，工程 上都已广泛使用。真空度高到一定程度， 所有电子都不引起碰撞游离而直接进入阳 极，击穿电压不会无限提高。这是因为电 压上升到一定程度后，阴极表面的场强就 足够高，高得足以产生强场发射，而且高 能电子撞击阳极也可引起阳极表面材料的 气化，使高真空下的击穿电压上升到一定 程度后就很难再提高了。
在高压输电线路上应力求避免或限制电晕，特别是超高 压系统中，限制电晕引起的能量损耗和电磁波对无线电 的干扰已成为必须加以解决的重要问题。
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不均匀系数： f= Emax = Emax Eav U / d
{ f<2 :稍不均匀电场 f>4 :极不均匀电场
二.稍不均匀电场和极不均匀电场特征
稍不均匀电场中击穿电压的计算
0d
dxln
1
20
Ape Bp/E
EU / f ( x )
自持放电电压 也即击穿电压
如同轴圆柱体：
E
U x ln
R
（二）电晕放电的脉冲现象
1. 试验装置和放电现象 ①U很低时，放电电流极小，电流波形不规则。 ②U ，会突然出现显著的电流和重复脉冲。 ③U ，电流脉冲幅值不变，但f增高，脉冲更密集。 ④电压继续升高到一定程度后， 高频脉冲突然消失， 转入持续电晕阶段，但电流 仍继续随电压增高而加大 ⑤临近击穿时出现刷状放电 和不规则的强烈电流脉冲 ⑥最后发生击穿。
r
R
dx=
ln
1
rLeabharlann R rApexp
-
Bp E
dx=
R r
Ap exp -
Bpx ln R/r
U0
dx= ln
1
三.极不均匀电场中的电晕放电
棒-板间隙电晕
导线表面电晕
三.极不均匀电场中的电晕放电
1.电晕放电现象 ➢在极不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大，以至 当外加电压及其平均场强还较低的时候，电极曲率半径较小 处附近的局部场强已很大。 ➢在这局部强场区中，产生强烈的游离，但由于离电极稍远 处场强已大为减小，所以，此游离区不可能扩展到很大，只 能局限在此电极附近的强场范围内。 ➢伴随着游离而存在的复合和反激励，发出大量的光辐射， 使在黑暗中可以看到在该电极附近空间发出蓝色的晕光，这 就是电晕。 ➢电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。
d Uc=Ecr ln r kV
②地面上的单根导线：
r
h
Ec
=30.3m
1
0.298
r
kV/cm
d Uc=Ecr ln r kV
d = 2h
③同轴圆柱：
r R
Ec
=31.5
1
0.305
r
kV/cm
R Uc=Ecr ln r kV
④球-球间隙
r
d
Ec
=27.7
1
0.337
r
kV/cm
Uc的计算：先计算不均匀系数f，计算平均电场Eav， Uc=Eav*d
华北电力大学
高电压绝缘技术
王胜辉
华北电力大学 电气与电子工程学院 高压教研室
2012年2月
§5 不均匀电场中气体击穿的发展过程
一.稍不均匀电场和极不均匀电场特征 1、球间隙放电
HV
D
d
放电现象
①d<d0,电场比较均匀，击穿之前看不到放电迹象，类似于
均匀电场；
②d>d0, 电压逐步升高，先出现电晕放电，然后刷状放电，
四.极不均匀电场中的击穿、极性效应
(一)长空气间中放电过程的实验研究
1.试验设备 1) 旋转照相机 2）像变换管 3）光电倍增管 4）光谱分析仪 5）示波设备等
2)变象管
放电现象1经物镜2投射到半透明的光电阴极3,根据投射来的光辐射， 光电阴极发射出电子。发射出的电子由电极4聚焦成象并得到加速。聚焦 后的电子束经光阑5、闭锁电极6、垂直偏转电极7、水平偏转电极8及补 偿电极9而到达荧光屏10，又重现为发光图象。利用偏转电极可将放电现 象随时间展开。在闭锁电极上施加间断的释放脉冲电压还可在荧光屏上 得到分幅的图象。荧光屏上的图象可用普通照相机摄制下来。变象管扫 描速度高，分辨率好，控制灵活，灵敏度高(能增强发光微弱现象的亮度) ，因此获得越来越广泛的应用。
隙中大部分区域α值都仍然很小。这时，初始电子崩只能 在大曲率电极附近很小范围内发展，放电自持时形成 的流注也不能发展至贯通整个间隙。只是在大曲率 电极附近出现薄薄的紫色晕光层，也就是电晕放电。电压 必须继续增加到一定值后，才会形成贯通两电极的放电通 道，导致击穿。
电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也 越大。
2. 脉冲现象的解释： 空间电荷的影响。
（三）电晕放电的起始场强和电压
1. 电晕放电起始电压Uc根据
d
exp 0 dx=1
理论求解
2. 利用经验公式求解电晕起始电压（Peek公式）
①平行导线：
r
d
Ec
=30.3m
1
0.298
r
kV/cm
导线尺寸，大气状态，大气湿度，电极材料，电源频率，导线表面状态等 对Ec都有影响。
6.消除电晕措施
最根本的途径就是设法限制和降低导线（导体）的表面电 场强度。 1. 采用分裂导线，使等值曲率半径增大。 2. 改进电极的形状，增大电极的曲率半径，使表面光滑。
7.电晕效应有利的方面
1. 电晕可削弱输电线上雷电冲击或操作冲击波的幅值和陡 度； 2. 利用电晕放电来改善电场分布； 3. 利用电晕原理制造除尘器、静电涂喷装置、臭氧发生器 等。
②电场不均匀程度增加但仍比较 均匀的情况下：
当大曲率电极附近α达到足够 数值时，起始电子崩在间隙中强 电场区内发展起来，经过间隙中 相当一部分距离后，形成流注。 流注一经产生，随即发展至贯通 整个间隙，导致间隙完全击穿。
R=10cm
2、同轴圆柱间隙放电
③ 电场极不均匀的情况下： 当大曲率电极附近很小范围内α已达相当数值时，间
2.电晕起始电压Uc和起始场强Ec；
3.外区中空间电荷的作用
结论： ①外区中的离子和电晕电极同号； ②加强了外区中的电场，减少了电晕层中的场强。
4.电晕放电有两种不同形式：电子崩形式和流注形式
5. 电晕放电危害
1. 伴随着游离、复合、激励、反激励等过程而有声、光、 热等效应，会有能量损耗。 2. 在尖端或电极的某些突出处，电子和离子在局部强场的 驱动下高速运动，与气体分子交换动量，形成“电风”。 当电极固定得刚性不够时，气体对“电风”的反作用力会 使电晕极振动或转动。 3. 电晕会产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波, 这会造成对无线电的干扰。 4. 电晕产生的化学反映产物具有强烈的氧化和腐蚀作用， 电晕是促使有机绝缘老化的重要因素。 5. 电晕还可能产生超过环保标准的噪声，对人们会造成生 理、心理的影响。
最后间隙完全击穿； 总结电晕放电电压和击穿电压的关系：
①d<d0,两电压相等； ②d>d0',击穿电压 >电晕起始电压； ③d0<d<d0', 过渡区，放电电压很不稳定，击穿电压分散性
很大。 从上述试验可知：放电过程与电场均匀性有着密切联系.
2、同轴圆柱间隙放电
① 电场比较均匀：放电达到自持 时，α在整个间隙中都已达到相 当数值。初始电子崩经过整个问 隙后，形成阳极流注，击穿。
结论：电场比较均匀：击穿电压=放电自持电压 电场极不均匀：电晕起始电压=放电自持电压
由此可见，电场的不均匀程度可以根据能否维持电 晕放电来划分。 ➢极不均匀电场：不均匀到可以维持电晕放电的程度； ➢稍不均匀电场：虽然电场不均匀，但还不能维持稳定的 电晕放电，一旦放电达到自持，必然会导致整个间隙立 即击穿。
{ f<2 :稍不均匀电场 f>4 :极不均匀电场
二.稍不均匀电场和极不均匀电场特征
稍不均匀电场中击穿电压的计算
0d
dxln
1
20
Ape Bp/E
EU / f ( x )
自持放电电压 也即击穿电压
如同轴圆柱体：
E
U x ln
R
（二）电晕放电的脉冲现象
1. 试验装置和放电现象 ①U很低时，放电电流极小，电流波形不规则。 ②U ，会突然出现显著的电流和重复脉冲。 ③U ，电流脉冲幅值不变，但f增高，脉冲更密集。 ④电压继续升高到一定程度后， 高频脉冲突然消失， 转入持续电晕阶段，但电流 仍继续随电压增高而加大 ⑤临近击穿时出现刷状放电 和不规则的强烈电流脉冲 ⑥最后发生击穿。
r
R
dx=
ln
1
rLeabharlann R rApexp
-
Bp E
dx=
R r
Ap exp -
Bpx ln R/r
U0
dx= ln
1
三.极不均匀电场中的电晕放电
棒-板间隙电晕
导线表面电晕
三.极不均匀电场中的电晕放电
1.电晕放电现象 ➢在极不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大，以至 当外加电压及其平均场强还较低的时候，电极曲率半径较小 处附近的局部场强已很大。 ➢在这局部强场区中，产生强烈的游离，但由于离电极稍远 处场强已大为减小，所以，此游离区不可能扩展到很大，只 能局限在此电极附近的强场范围内。 ➢伴随着游离而存在的复合和反激励，发出大量的光辐射， 使在黑暗中可以看到在该电极附近空间发出蓝色的晕光，这 就是电晕。 ➢电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。
d Uc=Ecr ln r kV
②地面上的单根导线：
r
h
Ec
=30.3m
1
0.298
r
kV/cm
d Uc=Ecr ln r kV
d = 2h
③同轴圆柱：
r R
Ec
=31.5
1
0.305
r
kV/cm
R Uc=Ecr ln r kV
④球-球间隙
r
d
Ec
=27.7
1
0.337
r
kV/cm
Uc的计算：先计算不均匀系数f，计算平均电场Eav， Uc=Eav*d
华北电力大学
高电压绝缘技术
王胜辉
华北电力大学 电气与电子工程学院 高压教研室
2012年2月
§5 不均匀电场中气体击穿的发展过程
一.稍不均匀电场和极不均匀电场特征 1、球间隙放电
HV
D
d
放电现象
①d<d0,电场比较均匀，击穿之前看不到放电迹象，类似于
均匀电场；
②d>d0, 电压逐步升高，先出现电晕放电，然后刷状放电，
四.极不均匀电场中的击穿、极性效应
(一)长空气间中放电过程的实验研究
1.试验设备 1) 旋转照相机 2）像变换管 3）光电倍增管 4）光谱分析仪 5）示波设备等
2)变象管
放电现象1经物镜2投射到半透明的光电阴极3,根据投射来的光辐射， 光电阴极发射出电子。发射出的电子由电极4聚焦成象并得到加速。聚焦 后的电子束经光阑5、闭锁电极6、垂直偏转电极7、水平偏转电极8及补 偿电极9而到达荧光屏10，又重现为发光图象。利用偏转电极可将放电现 象随时间展开。在闭锁电极上施加间断的释放脉冲电压还可在荧光屏上 得到分幅的图象。荧光屏上的图象可用普通照相机摄制下来。变象管扫 描速度高，分辨率好，控制灵活，灵敏度高(能增强发光微弱现象的亮度) ，因此获得越来越广泛的应用。
隙中大部分区域α值都仍然很小。这时，初始电子崩只能 在大曲率电极附近很小范围内发展，放电自持时形成 的流注也不能发展至贯通整个间隙。只是在大曲率 电极附近出现薄薄的紫色晕光层，也就是电晕放电。电压 必须继续增加到一定值后，才会形成贯通两电极的放电通 道，导致击穿。
电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也 越大。
2. 脉冲现象的解释： 空间电荷的影响。
（三）电晕放电的起始场强和电压
1. 电晕放电起始电压Uc根据
d
exp 0 dx=1
理论求解
2. 利用经验公式求解电晕起始电压（Peek公式）
①平行导线：
r
d
Ec
=30.3m
1
0.298
r
kV/cm
导线尺寸，大气状态，大气湿度，电极材料，电源频率，导线表面状态等 对Ec都有影响。
6.消除电晕措施
最根本的途径就是设法限制和降低导线（导体）的表面电 场强度。 1. 采用分裂导线，使等值曲率半径增大。 2. 改进电极的形状，增大电极的曲率半径，使表面光滑。
7.电晕效应有利的方面
1. 电晕可削弱输电线上雷电冲击或操作冲击波的幅值和陡 度； 2. 利用电晕放电来改善电场分布； 3. 利用电晕原理制造除尘器、静电涂喷装置、臭氧发生器 等。
②电场不均匀程度增加但仍比较 均匀的情况下：
当大曲率电极附近α达到足够 数值时，起始电子崩在间隙中强 电场区内发展起来，经过间隙中 相当一部分距离后，形成流注。 流注一经产生，随即发展至贯通 整个间隙，导致间隙完全击穿。
R=10cm
2、同轴圆柱间隙放电
③ 电场极不均匀的情况下： 当大曲率电极附近很小范围内α已达相当数值时，间
2.电晕起始电压Uc和起始场强Ec；
3.外区中空间电荷的作用
结论： ①外区中的离子和电晕电极同号； ②加强了外区中的电场，减少了电晕层中的场强。
4.电晕放电有两种不同形式：电子崩形式和流注形式
5. 电晕放电危害
1. 伴随着游离、复合、激励、反激励等过程而有声、光、 热等效应，会有能量损耗。 2. 在尖端或电极的某些突出处，电子和离子在局部强场的 驱动下高速运动，与气体分子交换动量，形成“电风”。 当电极固定得刚性不够时，气体对“电风”的反作用力会 使电晕极振动或转动。 3. 电晕会产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波, 这会造成对无线电的干扰。 4. 电晕产生的化学反映产物具有强烈的氧化和腐蚀作用， 电晕是促使有机绝缘老化的重要因素。 5. 电晕还可能产生超过环保标准的噪声，对人们会造成生 理、心理的影响。
最后间隙完全击穿； 总结电晕放电电压和击穿电压的关系：
①d<d0,两电压相等； ②d>d0',击穿电压 >电晕起始电压； ③d0<d<d0', 过渡区，放电电压很不稳定，击穿电压分散性
很大。 从上述试验可知：放电过程与电场均匀性有着密切联系.
2、同轴圆柱间隙放电
① 电场比较均匀：放电达到自持 时，α在整个间隙中都已达到相 当数值。初始电子崩经过整个问 隙后，形成阳极流注，击穿。
结论：电场比较均匀：击穿电压=放电自持电压 电场极不均匀：电晕起始电压=放电自持电压
由此可见，电场的不均匀程度可以根据能否维持电 晕放电来划分。 ➢极不均匀电场：不均匀到可以维持电晕放电的程度； ➢稍不均匀电场：虽然电场不均匀，但还不能维持稳定的 电晕放电，一旦放电达到自持，必然会导致整个间隙立 即击穿。