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高电压工程基础高电压工程基础高电压工程基础高电压工程基础任课教师：赵任课教师：赵 彤彤山东大学电气工程学院山东大学电气工程学院第二章第二章第二章第二章 气体放电气体放电气体放电气体放电基本物理过程基本物理过程基本物理过程基本物理过程第1页 气体电介质气体电介质 液体电介质液体电介质 固体电介质固体电介质电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其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：物质形态，可分为三类：高电压工程基础第2页 外绝缘外绝缘普通由气体电介质普通由气体电介质(空气空气)和固体介质和固体介质(绝缘子绝缘子)联合组成联合组成在电气设备中：在电气设备中：高电压工程基础 内绝缘内绝缘普通由固体电介质和液体电介质联合组成普通由固体电介质和液体电介质联合组成第3页了解气体在高电压了解气体在高电压(强电场强电场)作用下逐步由电介作用下逐步由电介质演变成导体物理过程。质演变成导体物理过程。研究气体放电目标：研究气体放电目标：高电压工程基础电气设备中惯用气体介质：电气设备中惯用气体介质：空气、压缩高电气强度气体空气、压缩高电气强度气体(如如SF6)掌握气体介质电气强度及其提升方法。掌握气体介质电气强度及其提升方法。第4页输电线路以空气输电线路以空气作为绝缘材料作为绝缘材料第5页变压器相间绝缘以变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料气体作为绝缘材料第6页高电压工程基础空气在正常情况下导电率很小，为良空气在正常情况下导电率很小，为良绝缘体。但气体间隙上电压过高时，气体绝缘体。但气体间隙上电压过高时，气体会由绝缘状态转变为良导体，这种现象称会由绝缘状态转变为良导体，这种现象称为为气体击穿气体击穿。一旦电压解除后一旦电压解除后,气体电介质能气体电介质能自动恢复绝缘自动恢复绝缘状态，状态，且不存在老化现象。且不存在老化现象。第7页高电压工程基础气体放电气体放电:气体中流通电流各种形式。气体中流通电流各种形式。因气体压力、电源功率、电极形状等原因影响，因气体压力、电源功率、电极形状等原因影响，放电含有各种形式：放电含有各种形式：辉光放电：辉光放电：气压较低气压较低(远小于远小于1大气压大气压)，电源，电源功率很小时，放电充满整个间隙。功率很小时，放电充满整个间隙。火花放电：火花放电：大气压下，电源功率很小时，间大气压下，电源功率很小时，间隙间歇性击穿，放电通道细而明亮时断时续。隙间歇性击穿，放电通道细而明亮时断时续。电弧放电：电弧放电：大气压下，电源功率较大时，放大气压下，电源功率较大时，放电含有明亮、连续细致通道。电含有明亮、连续细致通道。电晕放电：电晕放电：极不均匀电场中，高电场强度电极不均匀电场中，高电场强度电极附近出现发光薄层。极附近出现发光薄层。刷状放电：刷状放电：由电晕电极伸出明亮而细断续放由电晕电极伸出明亮而细断续放电通道。电通道。第8页高电压工程基础第9页电晕放电电晕放电高电压工程基础第10页高电压工程基础第11页一、带电质点产生与消失一、带电质点产生与消失二、放电电子崩阶段二、放电电子崩阶段三、自持放电条件三、自持放电条件四、不均匀电场中气体放电特点四、不均匀电场中气体放电特点高电压工程基础第二章第二章 气体放电基本物理过程气体放电基本物理过程第12页高电压工程基础激励激励(激发激发)：当原子取得外部能量，一个或若干个当原子取得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远轨道上去现象。外层电子跃迁到离原子核较远轨道上去现象。激励需要外界给原子一定能量，称为激励能。激励需要外界给原子一定能量，称为激励能。产生带电质点物理过程称为电离产生带电质点物理过程称为电离(游离游离)，是气体，是气体放电首要前提。放电首要前提。一、带电质点产生与消失一、带电质点产生与消失电离电离(游离游离)：若原子从外界取得能量足够大，以致若原子从外界取得能量足够大，以致使一个或几个电子摆脱原子核束缚形成自由电子和使一个或几个电子摆脱原子核束缚形成自由电子和正离子，这一过程称为电离。电离所需能量称为电正离子，这一过程称为电离。电离所需能量称为电离能离能Wi，通惯用电子伏，通惯用电子伏(eV)表示。表示。第13页高电压工程基础电离方式：电离方式：碰撞电离碰撞电离光电离光电离热电离热电离分级电离分级电离金属表面电离金属表面电离 电极表面带电质点产生电极表面带电质点产生电极空间带电质点产生电极空间带电质点产生第14页1、气体中电子与正离子产生、气体中电子与正离子产生（1）碰撞）碰撞电电离离高电压工程基础电电子或离子在子或离子在电场电场作用下加速所取得作用下加速所取得动动能与能与质质点点电电荷荷(e)、电场电场强强度度(E)以及碰撞前行程以及碰撞前行程(x)相关，即：相关，即：高速运高速运动质动质点与中性原子或分子碰撞点与中性原子或分子碰撞时时，如原子或分子取得，如原子或分子取得能量等于或大于其能量等于或大于其电电离能，离能，则则会会发发生生电电离，离，这这种由碰撞而引种由碰撞而引发电发电离称离称为为碰撞碰撞电电离离。第15页（1）碰撞）碰撞电电离离高电压工程基础即使即使满满足碰撞足碰撞电电离条件离条件,也不一定每次碰撞都引也不一定每次碰撞都引发电发电离离引引入入“自由行程自由行程”概念。概念。自由行程：自由行程：一个一个质质点在每两次碰撞点在每两次碰撞间间自由自由经过经过平均距离。平均距离。碰撞碰撞电电离是气体放离是气体放电过电过程中程中产产生生带电质带电质点最主要方式，由点最主要方式，由电电子引子引发电发电离占主要地位。离占主要地位。电电子：自由行程大，子：自由行程大，获获取取动动能大；能大；质质量小，量小，弹弹性碰撞性碰撞时时几乎不几乎不损损失失动动能。能。离子：自由行程短，碰撞离子：自由行程短，碰撞间间取得取得动动能少；碰撞能少；碰撞时损时损失失动动能。能。第16页（2）光）光电电离离高电压工程基础由光由光辐辐射引射引发发气体分子气体分子电电离离过过程，称程，称为为光光电电离。离。即当气体分子受到光即当气体分子受到光辐辐射射时时，若光子能量大于气体分子，若光子能量大于气体分子电电离离能，能，则则可能引可能引发发气体分子光气体分子光电电离。离。普朗克常数6.6310-34Js 光波能量：光波能量：因因为为大气大气层层阻阻挡挡，阳光抵达地面波，阳光抵达地面波长长 290nm，所以，普，所以，普通阳光照射不足以引通阳光照射不足以引发发气体分子光气体分子光电电离。离。比如波比如波长为长为300nm紫外紫外线线，其光波能量，其光波能量为为：第17页（3）热电热电离离高电压工程基础气体在气体在热热状状态态下引下引发电发电离离过过程称程称为热电为热电离。离。热电热电离本离本质质：高速运高速运动动气体分子碰撞气体分子碰撞电电离和光离和光电电离，只不离，只不过过能量不是来自能量不是来自电场电场而是气体分子本身而是气体分子本身热热能。能。气体分子平均气体分子平均动动能与分子温度关系：能与分子温度关系：常温下常温下(T=300K)，不足以引，不足以引发发空气空气热电热电离；当离；当发发生生电电弧放弧放电时电时，气体温度到达数千度以上，能气体温度到达数千度以上，能够够造成碰撞造成碰撞电电离。离。波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度 热电热电离离实质实质上是上是热热状状态产态产生碰撞生碰撞电电离和光离和光电电离离综综合。合。第18页（4）分）分级电级电离离高电压工程基础原子中原子中电电子在外界原因作用下可子在外界原因作用下可跃跃迁到能迁到能级较级较高外高外层轨层轨道，道，称之称之为为激励，所需能量称激励，所需能量称为为激励能激励能We。激励能比激励能比电电离能小，原子或分子有可能在外界离能小，原子或分子有可能在外界给给予能量小于予能量小于Wi但大于但大于We时发时发生激励。生激励。气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6原子或分子在激励原子或分子在激励态态再取得能量而再取得能量而发发生生电电离称离称为为分分级电级电离，离，此此时时所需要能量所需要能量为为Wi-We。激励激励态态不不稳稳定，分定，分级电级电离概率小。离概率小。只有只有亚稳亚稳激励激励态态才会引才会引发发分分级电级电离。离。第19页（4）分）分级电级电离离高电压工程基础若混合气体中甲气体若混合气体中甲气体亚稳亚稳激励激励态态能高于乙气体能高于乙气体电电离能，离能，则则会会出出现现潘宁效潘宁效应应，可使混合气体，可使混合气体击击穿穿强强度低于度低于这这两种气体各自两种气体各自击击穿穿强强度。度。从从绝缘观绝缘观点看，潘宁效点看，潘宁效应应是很不利；但在气体放是很不利；但在气体放电应电应用中，用中，如在如在电电光源和激光技光源和激光技术术中，中，则经则经常利用潘宁效常利用潘宁效应应。第20页2、电极表面电子逸出、电极表面电子逸出 一些金属逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3高电压工程基础电子从金属电极电子从金属电极(阴极阴极)表面逸出来过程称为电极表面电离。表面逸出来过程称为电极表面电离。使阴极释放电子需要能量使阴极释放电子需要能量:逸出功。逸出功。逸出功与金属微观结构和表面状态相关逸出功与金属微观结构和表面状态相关,与金属温度无关。与金属温度无关。金属表面逸出功比气体电离能小很多，所以电极表面电离在气金属表面逸出功比气体电离能小很多，所以电极表面电离在气体放电过程中有相当主要作用。体放电过程中有相当主要作用。第21页2、电极表面电子逸出、电极表面电子逸出 高电压工程基础正离子撞击阴极：正离子能量传递给阴极正离子撞击阴极：正离子能量传递给阴极,2 金属金属表面逸出功时发生电离。表面逸出功时发生电离。光电子发射：金属表面受到短波长光照时光电子发射：金属表面受到短波长光照时,光子能光子能量量金属表面逸出功时金属表面逸出功时,可造成电离。可造成电离。强场发射：在阴极附近施加强电场可使阴极释放强场发射：在阴极附近施加强电场可使阴极释放电子。高气压强电负气体击穿过程起一定作用；电子。高气压强电负气体击穿过程起一定作用；在真空击穿过程中，含有决定性作用。在真空击穿过程中，含有决定性作用。热电子发射：加热阴极，使电子获取足够动能，热电子发射：加热阴极，使电子获取足够动能，克服金属表面逸出功。仅对电弧放电有意义。克服金属表面逸出功。仅对电弧放电有意义。第22页3、气体中负离子形成、气体中负离子形成 电子与中性气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子电子与中性气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能电子亲合能。电子亲合能大小可用来衡量原子捕捉一个电子难易，越大则电子亲合能大小可用来衡量原子捕捉一个电子难易，越大则越易形成负离子。越易形成负离子。元素电子亲合能（eV）电负性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5 负离子形成使自由电子数降低，因而负离子形成使自由电子数降低，因而对放电发展起抑对放电发展起抑制作用制作用。SF6气体含气体含F，其分子俘获电子能力很强，属强电，其分子俘获电子能力很强，属强电负性气体，因而含有很高电气强度。负性气体，因而含有很高电气强度。高电压工程基础第23页4、带电质点消失、带电质点消失 与两电极电量中和与两电极电量中和带电质点受电场力作用定向运动，在抵达电极时，消带电质点受电场力作用定向运动，在抵达电极时，消失于电极上而形成外电路中电流。失于电极上而形成外电路中电流。带电质点扩散带电质点扩散 带电质点从浓度较大区域向浓度较小区域移动，从而带电质点从浓度较大区域向浓度较小区域移动，从而使浓度变得均匀过程，称为带电质点使浓度变得均匀过程，称为带电质点扩散扩散。电子热运动速。电子热运动速度高、自由行程大，其扩散比离子扩散快得多。度高、自由行程大，其扩散比离子扩散快得多。带电质点复合带电质点复合 带异号电荷质点相遇，发生电荷传递和中和而还原为带异号电荷质点相遇，发生电荷传递和中和而还原为中性质点过程，称为中性质点过程，称为复合复合。带电质点复合时会以光辐射形。带电质点复合时会以光辐射形式将电离时取得能量释放出来，这种光辐射在一定条件下式将电离时取得能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能造成间隙中其它中性原子或分子电离。带电质点复合率能造成间隙中其它中性原子或分子电离。带电质点复合率与正、负电荷浓度相关，浓度越大则复合率越高。与正、负电荷浓度相关，浓度越大则复合率越高。高电压工程基础第24页二、放电电子崩阶段二、放电电子崩阶段气体放电现象与发展规律与气体种类、气压气体放电现象与发展规律与气体种类、气压大小、气隙中电场形式、电源容量等一系列原因大小、气隙中电场形式、电源容量等一系列原因相关。相关。但不论何种气体放电都一定有一个电子碰撞但不论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离造成电子崩阶段，它在所加电压到达一定数电离造成电子崩阶段，它在所加电压到达一定数值时出现。值时出现。高电压工程基础第25页二、放电电子崩阶段二、放电电子崩阶段1、非自持放电和自持放电不一样特点、非自持放电和自持放电不一样特点 各种高能辐射射线（外界电离原因）引发：各种高能辐射射线（外界电离原因）引发：阴极表面光电离阴极表面光电离气体中空间光电离气体中空间光电离所以：气体空间中存在一定浓度带电质点。所以：气体空间中存在一定浓度带电质点。高电压工程基础第26页1、非自持放电和自持放电不一样特点、非自持放电和自持放电不一样特点 电流随外施电压提升而增大，因为带电质点向电极运动速度加紧复合率减小 电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离原因强弱（良好绝缘状态）电流开始增大，因为电子碰撞电离引发 电流急剧上升放电过程进入了一个新阶段（击穿）外施电压小于外施电压小于U0时放电是时放电是非自持放电非自持放电。电压抵达。电压抵达U0后，后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离原因。要外电离原因。自持放电起始电压高电压工程基础第27页2、电子崩形成（、电子崩形成（BC段电流剧增原因）段电流剧增原因）高电压工程基础放电由非自持向自持转化机制与气体压强和气隙放电由非自持向自持转化机制与气体压强和气隙长度乘积长度乘积(pd)相关：相关：汤逊理论汤逊理论(pd值较小值较小)流注理论流注理论(pd值较大值较大)共同理论基础：电子碰撞电离形成电子崩。共同理论基础：电子碰撞电离形成电子崩。第28页2、电子崩形成、电子崩形成高电压工程基础外界电离原因在阴极附近产生了一个初始电外界电离原因在阴极附近产生了一个初始电子，假如空间电场强度足够大，该电子在向阳极子，假如空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引发碰撞电离，产生一个新电子，初运动时就会引发碰撞电离，产生一个新电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引发新碰始电子和新电子继续向阳极运动，又会引发新碰撞电离，产生更多电子。撞电离，产生更多电子。第29页2、电子崩形成、电子崩形成高电压工程基础依此，电子将按照几何级数不停增多，类似雪崩似依此，电子将按照几何级数不停增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大空间电子流称为电子崩。地发展，这种急剧增大空间电子流称为电子崩。电子崩形成示意图电子崩形成示意图第30页电子崩电子崩高电压工程基础第31页2、电子崩形成、电子崩形成电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数：代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生碰撞电离次数。高电压工程基础均匀电场 不随x改变新增电子数回路电流第32页三、自持放电条件三、自持放电条件高电压工程基础汤逊理论汤逊理论(pd值较小值较小)流注理论流注理论(pd值较大值较大)要到达自持放电条件，必须在气隙内初始电子崩消失前要到达自持放电条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新电子（二次电子）来取代外电离原因产生初始电产生新电子（二次电子）来取代外电离原因产生初始电子。子。试验现象表明，二次电子产生机制与气压和气隙长度乘试验现象表明，二次电子产生机制与气压和气隙长度乘积积(pd)相关：相关：第33页 1、pd 值较小情况（汤逊理论）值较小情况（汤逊理论）高电压工程基础19,由英国人汤逊(J.S.Townsend)依据试验事实，提出了比较系统气体放电理论，阐述了气体放电过程，并确定出放电电流和击穿电压之间函数关系。汤逊气体放电理论最早定量地解释了气体放电理论。适用条件：均匀电场，低气压，短间隙。适用条件：均匀电场，低气压，短间隙。第34页 1、pd 值较小情况（汤逊理论）值较小情况（汤逊理论）（1）汤逊自持放电判据）汤逊自持放电判据高电压工程基础在电场作用下，正离子向阴极运动，因为它平均自由行在电场作用下，正离子向阴极运动，因为它平均自由行程长度较短，不易积累动能，所以极难使气体分子发生碰撞程长度较短，不易积累动能，所以极难使气体分子发生碰撞电离。电离。但当正离子撞击阴极表面时却有可能引发表面电离而拉但当正离子撞击阴极表面时却有可能引发表面电离而拉出电子，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动出电子，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动形成新电子崩。形成新电子崩。电电子碰撞子碰撞电电离系数离系数：一个：一个电电子沿子沿电电力力线线方向行方向行经经1cm时时平均平均发发生碰撞生碰撞电电离次数。离次数。阴极表面阴极表面电电离系数离系数：一个正离子撞：一个正离子撞击击阴极表明阴极表明时时从阴从阴极表面平均逸出自由极表面平均逸出自由电电子数。子数。第35页 1、pd 值较小情况（汤逊理论）值较小情况（汤逊理论）（1）汤逊自持放电判据）汤逊自持放电判据高电压工程基础假如电压足够大，初始电子崩中正离子在阴极上产生出假如电压足够大，初始电子崩中正离子在阴极上产生出来新电子等于或大于来新电子等于或大于n0，即使除去外界电离因子作用，放电，即使除去外界电离因子作用，放电也不会停顿，这就变成了自持放电。也不会停顿，这就变成了自持放电。均匀电场中自持放电条件：均匀电场中自持放电条件：将电子崩和阴极上将电子崩和阴极上过程作为气体自持放电决定原因是汤逊过程作为气体自持放电决定原因是汤逊理论基础。理论基础。第36页高电压工程基础汤逊理论实质：汤逊理论实质：气体间隙中发生电子碰撞电离是气体放电主要原气体间隙中发生电子碰撞电离是气体放电主要原因因(电子崩电子崩)。二次电子起源于正离子撞击阴极表面逸出电子，二次电子起源于正离子撞击阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电必要条件。逸出电子是维持气体放电必要条件。所逸出电子能否接替起始电子作用是自持放电判所逸出电子能否接替起始电子作用是自持放电判据。据。第37页（2）气体击穿巴申定律）气体击穿巴申定律 高电压工程基础 1889年年,巴申（巴申（Paschen）从大量试验中总结了击）从大量试验中总结了击穿电压穿电压Ub与与pd关系，称为巴申定律。关系，称为巴申定律。当气体和电极材料一定时，气隙击穿电压是气体压当气体和电极材料一定时，气隙击穿电压是气体压力力p和气隙距离和气隙距离d乘积函数，即：乘积函数，即：第38页高电压工程基础（2）气体击穿巴申定律）气体击穿巴申定律 对应于某一对应于某一pd值，空气间隙击穿电压最低。即值，空气间隙击穿电压最低。即Ub有极小值。有极小值。原因：为使放电到达自持，电子从阴极到阳极原因：为使放电到达自持，电子从阴极到阳极整个行程中需完成足够屡次数碰撞电离。整个行程中需完成足够屡次数碰撞电离。第39页高电压工程基础（2）气体击穿巴申定律）气体击穿巴申定律 d值一定时：值一定时：p自由行程自由行程碰撞次数降低碰撞次数降低 Ubp自由行程自由行程碰撞电离可能碰撞电离可能 Ub所以，一定存在一个所以，一定存在一个p值对碰撞电离最有利，值对碰撞电离最有利，此时此时Ub最小。最小。第40页高电压工程基础（2）气体击穿巴申定律）气体击穿巴申定律 p值一定时：值一定时：d当当d值过小时，碰撞次数已减到极少值过小时，碰撞次数已减到极少 UbdE须增加外加电压以维持放电所需电场须增加外加电压以维持放电所需电场强度强度 Ub所以，一定存在一个所以，一定存在一个d值对碰撞电离最有利，值对碰撞电离最有利，此时此时Ub最小。最小。第41页高电压工程基础（2）气体击穿巴申定律）气体击穿巴申定律 由巴申定律可知，当极间距离由巴申定律可知，当极间距离d不变时，提升气不变时，提升气压或降低气压到真空，都能够提升气隙击穿电压，压或降低气压到真空，都能够提升气隙击穿电压，这一概念含有十分主要实用意义。这一概念含有十分主要实用意义。巴申定律与汤逊理论关系巴申定律与汤逊理论关系前者为后者提供试验结果支持；后者为前者提前者为后者提供试验结果支持；后者为前者提供理论依据供理论依据.（3）气体密度对击穿影响）气体密度对击穿影响 第42页高电压工程基础（4）汤逊理论不足）汤逊理论不足汤逊理论是在汤逊理论是在pd较小时在试验基础上建立，当较小时在试验基础上建立，当pd较较大时，此理论就不再适用，一些试验现象无法解释。大时，此理论就不再适用，一些试验现象无法解释。放电外形：放电外形：按汤逊理论，气体放电应在整个间按汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展，比如辉光放电，但在大隙中均匀连续地发展，比如辉光放电，但在大气压下击穿会出现有分支明亮细通道。气压下击穿会出现有分支明亮细通道。放电时间：放电时间：高气压下击穿过程所需时间，实测高气压下击穿过程所需时间，实测值比理论值小值比理论值小10100倍。倍。阴极材料：阴极材料：按汤逊理论，击穿过程与阴极材料按汤逊理论，击穿过程与阴极材料相关，然而在大气压力下空气隙中击穿电压与相关，然而在大气压力下空气隙中击穿电压与阴极材料无关。阴极材料无关。第43页高电压工程基础主要原因：主要原因：汤逊理论没有考虑电离出来空间电荷对电场畸汤逊理论没有考虑电离出来空间电荷对电场畸变作用。变作用。汤逊理论没有考虑光子在放电过程中作用（空汤逊理论没有考虑光子在放电过程中作用（空间光电离和阴极表明光电离）。间光电离和阴极表明光电离）。第44页高电压工程基础在在pd较小时这两个原因影响不显著原因：较小时这两个原因影响不显著原因：空间电荷是电子崩过程中气体分子电离产物。空间电荷是电子崩过程中气体分子电离产物。pd越大，电离总数越多，空间电荷数越多，电越大，电离总数越多，空间电荷数越多，电荷数按指数规律增加。荷数按指数规律增加。pd大时，因电离总数剧增，电子及正离子浓度大时，因电离总数剧增，电子及正离子浓度很大，所以必定伴伴随强烈复合和激发过程，很大，所以必定伴伴随强烈复合和激发过程，放出光子数量急剧增加。放出光子数量急剧增加。大量空间电荷造成局部强场区，而碰撞电离系大量空间电荷造成局部强场区，而碰撞电离系数数 对电场很敏感。在强场区，由光子电离出对电场很敏感。在强场区，由光子电离出来电子轻易形成二次电子崩。来电子轻易形成二次电子崩。第45页2、pd 值较大情况（流注理论）值较大情况（流注理论）（1）电子崩中空间电荷对电场畸变作用）电子崩中空间电荷对电场畸变作用高电压工程基础a图图：电电子崩子崩发发展展过过程中，程中，电电子移子移动动速度速度快，正离子相快，正离子相对对于于电电子可看成静止，崩子可看成静止，崩头头集中集中电电子，后部子，后部为为正离子；因正离子；因为电为电子子扩扩散作用，散作用，电电子崩横向半径逐步子崩横向半径逐步扩扩大大形成半球形成半球头锥头锥体。体。b图图：电电子崩子崩过过程中，程中，电电子数子数 N 呈指数增呈指数增加。加。电电子崩子崩电电离离过过程集中在程集中在头头部，空部，空间间电电荷分布极不均匀。荷分布极不均匀。c图图：当：当电电子崩子崩发发展到一定程度，其形成展到一定程度，其形成空空间电间电荷荷电场电场大大增大大增强强。d图图：崩：崩头头和崩尾和崩尾电场电场增增强强，电电子崩内正子崩内正负电负电荷区域荷区域间电场间电场减弱，合成减弱，合成电场发电场发生生显显著畸著畸变变。第46页高电压工程基础电电子崩子崩头头部部电电荷密度大，荷密度大，电电离离过过程程强强烈，且烈，且电场电场分布畸分布畸变变，造成崩造成崩头头放射大量光子；放射大量光子；崩崩头头前后前后电场电场增增强强，有利于分子离子，有利于分子离子发发生激励生激励现现象，其从象，其从激励状激励状态态恢复正常状恢复正常状态时态时，放射出光子；，放射出光子；电电子崩内部正子崩内部正负电负电荷区域荷区域间电场间电场减弱，有利于减弱，有利于发发生复合生复合过过程，一程，一样发样发射出光子。射出光子。光子数量和能量取决于光子数量和能量取决于电场电场畸畸变变程度。当外程度。当外电场较电场较弱弱时时，上述上述过过程并不程并不强强烈，没有烈，没有发发生新生新现现象；当外象；当外电场电场到达到达击击穿穿场场强强时时，上述，上述过过程十分程十分强强烈，空烈，空间电间电荷数量到达一定数荷数量到达一定数值时值时，放射出光子数量和能量足以引放射出光子数量和能量足以引发发空空间间光光电电离，离，电电子崩子崩头头部形部形成流注。成流注。（1）电子崩中空间电荷对电场畸变作用）电子崩中空间电荷对电场畸变作用第47页（2）流注形成）流注形成高电压工程基础正流注形成正流注形成1初始电子崩初始电子崩(主电子崩主电子崩)；2二次电子崩；二次电子崩；3流注流注第48页高电压工程基础正流注形成正流注形成外外电场电场原因使得从阴极原因使得从阴极释释放放电电子向子向阳极运阳极运动动，形成，形成电电子崩。子崩。电电子崩子崩过过程中程中头头部部电电离愈加离愈加强强烈，烈，走完整个走完整个间间隙后，隙后，头头部空部空间电间电荷密荷密度非常大，大大加度非常大，大大加强强了崩了崩头头尾部尾部电电场场，放射大量光子。，放射大量光子。光子引光子引发发空空间间光光电电离，新形成光离，新形成光电电子被主子被主电电子崩子崩头头部正离子所吸引，部正离子所吸引，在受到畸在受到畸变变而加而加强强了了电场电场中，引中，引发发新新强强烈烈电电子崩子崩(二次二次电电子崩子崩)。（2）流注形成）流注形成第49页高电压工程基础正流注形成正流注形成二次二次电电子崩子崩头头部部电电子子进进入主入主电电子崩子崩头头部正空部正空间电间电荷区（荷区（电场电场强强度度较较小），小），电电子大多形成子大多形成负负离子。离子。大量正、大量正、负带负带电质电质点点组组成了等离子体，成了等离子体，这这就是所就是所谓谓正流注正流注。流注通道流注通道导电导电性良好，其性良好，其头头部又是由部又是由二次二次电电子崩形成正子崩形成正电电荷，所以流注荷，所以流注头头部前方出部前方出现现了很了很强强电场电场。（2）流注形成）流注形成第50页高电压工程基础正流注形成正流注形成流注流注头头部部电电离放射出大量光子，离放射出大量光子，继续继续引引发发空空间间光光电电离。流注前方出离。流注前方出现现新二次新二次电电子崩，它子崩，它们们被吸引向流注被吸引向流注头头部，从而延部，从而延长长了流注通道。了流注通道。流注不停向阴极推流注不停向阴极推进进，且伴随流注靠近，且伴随流注靠近阴极，其阴极，其头头部部电场电场越来越越来越强强，因而其，因而其发发展越来越快。展越来越快。流注流注发发展到阴极，整个展到阴极，整个间间隙被隙被导电导电良好良好等离子体通道所等离子体通道所贯贯通，通，间间隙隙击击穿完成，穿完成，这这个个电压电压就是就是击击穿穿电压电压。（2）流注形成）流注形成第51页高电压工程基础负流注形成负流注形成外施外施电压较电压较低（低（击击穿穿电压电压）时时，电电子崩子崩需需经过经过整个整个间间隙方能形成流注；隙方能形成流注；电压较电压较高高时时，电电子崩不需子崩不需经过经过整个整个间间隙，其隙，其头头部部电电离程度已足以形成流注。离程度已足以形成流注。主主电电子崩子崩头头部部电电离很离很强强烈，光子射向烈，光子射向头头部前方，在前方部前方，在前方产产生新生新电电子崩，主崩子崩，主崩头头部部电电子和二次崩尾正离子形成混合通道，子和二次崩尾正离子形成混合通道，形成向阳极推形成向阳极推进进流注，称流注，称为负为负流注。流注。主主电电子崩子崩头头部射向其后方光子，引部射向其后方光子，引发发光光电电离后形成向阴极推离后形成向阴极推进进正流注。正流注。间间隙中隙中正、正、负负流注能流注能够够同同时时向两极向两极发发展。展。（2）流注形成）流注形成第52页高电压工程基础电离室中得到正流注发展过程照片电离室中得到正流注发展过程照片第53页（3）流注自持放电条件）流注自持放电条件高电压工程基础流注特点是流注特点是电电离离强强度很大和度很大和传输传输速度很快。流注一旦速度很快。流注一旦形成，放形成，放电电可由本身可由本身产产生空生空间间光光电电离自行离自行维维持，持，进进入自持入自持放放电阶电阶段，即均匀段，即均匀电场间电场间隙被隙被击击穿。所以，均匀穿。所以，均匀电场间电场间隙隙击击穿条件，即自持放穿条件，即自持放电电条件，即流注形成条件。条件，即流注形成条件。流注形成主要原因是流注形成主要原因是电电子碰撞子碰撞电电离及空离及空间间光光电电离。只离。只有有电电子崩子崩头头部部电电荷到达一定数量，空荷到达一定数量，空间电间电荷畸荷畸变电场变电场到达到达一定程度，造成足一定程度，造成足够够空空间间光光电电离，才能离，才能转转入流注。入流注。第54页（4）流注理论对放电现象解释）流注理论对放电现象解释高电压工程基础 放放电电外形外形pd很大很大时时，适用流注理，适用流注理论论。流注中。流注中电电荷密度大，荷密度大，电导电导很很大，故其中大，故其中电场电场强强度小。伴随流注度小。伴随流注发发展，周展，周围围空空间电场间电场被减被减弱，抑制其它流注形成弱，抑制其它流注形成发发展。流注放展。流注放电电含有含有细细通道。通道。pd较较小小时时，适用，适用汤逊汤逊理理论论。电电子崩子崩电电荷密度小，荷密度小，电场电场强强度大，不影响周度大，不影响周围围空空间电场间电场，不影响其它，不影响其它电电子崩子崩产产生。生。汤逊汤逊放放电电呈呈连续连续一片。一片。放放电时间电时间流注理流注理论论：光子以光速：光子以光速传输传输，流注，流注发发展速度快，放展速度快，放电时电时间间尤其短。尤其短。第55页（4）流注理论对放电现象解释）流注理论对放电现象解释高电压工程基础 阴极材料影响阴极材料影响流注理流注理论论：维维持自持放持自持放电电是空是空间间光光电电离，不是阴极表面离，不是阴极表面电电离，所以离，所以击击穿穿电压电压与阴极材料基本无关。与阴极材料基本无关。汤逊汤逊理理论论：自持放：自持放电电与阴极表面与阴极表面电电离相关，离相关，击击穿穿电压电压与与阴极材料相关。阴极材料相关。结论结论：汤逊汤逊理理论论与流注理与流注理论论相互相互补补充，充，说说明不一明不一样样放放电现电现象。象。两个理两个理论论都都还还很粗糙，无法准确很粗糙，无法准确计计算算详细绝缘详细绝缘材料材料击击穿穿电压电压，要，要经过试验经过试验方法方法获获取。取。第56页半径为r球间隙放电特征与极间距d关系 2.4 不均匀电场中气体放电特点不均匀电场中气体放电特点 稍不均匀电场和极不均匀电场不一样特点稍不均匀电场和极不均匀电场不一样特点放电含有稍不均匀场间隙特点击穿电压与电晕起始电压相同 放电含有极不均匀场间隙特点电晕起始电压显著低于击穿电压 放电过程不稳定，分散属于过渡区 高电压工程基础第57页极不均匀电场中电晕放电极不均匀电场中电晕放电（1）电晕放电起始场强是气体相对密度；m1表面粗糙度系数，理想光滑导线取1，绞线0.80.9；好天气时m2=1，坏天气时m2可按0.8估算。第58页（2）电晕放电危害与对策危害：危害：功率损耗、电磁干扰、噪声污染对策对策：（：（限制导线表面场强限制导线表面场强）采取分裂导线。对330kV及以上线路应采取分裂导线，比如330，500和750kV线路可分别采取二分裂、四分裂和六分裂导线。第59页（2）电晕放电利用 在一些情况下能够利用电晕放电产生空间电荷来改进极不均匀场电场分布，以提升击穿电压。导线板电极空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离关系1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm 虚线尖-板电极间隙 点划线均匀场间隙第60页 不均匀电场中放电极性效应不均匀电场中放电极性效应负极性棒板间隙电晕起始电压比正极性棒板电极低负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板电极高 第61页谢谢大家！第62页
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