高电压技术第一章讲稿气体的绝缘特性课件.ppt

1、 勤学勤学 修德修德 明辨明辨 笃实笃实高电压技术高电压技术(第二版）第二版）张一尘主编张一尘主编气体气体的绝缘特性的绝缘特性第一章第一章主要内容：4气体带电质点的产生和消失气体带电质点的产生和消失4气隙的放电特性和击穿特性气隙的放电特性和击穿特性4提高气体间隙绝缘强度的方法提高气体间隙绝缘强度的方法4气体中的沿面放电气体中的沿面放电重点和难点：重点和难点：4气体的放电和击穿特性气体的放电和击穿特性基本要求：基本要求：熟悉概念，掌握特性的基本特征熟悉概念，掌握特性的基本特征1.1.空气在强电场下放电特性空气在强电场下放电特性一一.气体电介质的放电特性气体电介质的放电特性 气体在正常状态下是良好

2、的绝缘体，在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子，但在高电压下，气体从少量电符会突然产生大量的电荷，从而失去绝缘能力而发生放电放电现象。一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘自动恢复绝缘状态。输电线路以气体作为绝缘材料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变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料2.2.带电质点的产生与消失带电质点的产生与消失(1)激发 原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态。(2)游离 原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子脱离原子核的束博而形成自由电子和正离子。(3)游离的方式 a.碰撞游离 b.光游离 c.热游离 d.金属表面游离碰撞游离碰撞游

3、离 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。引起碰撞游离的条件：引起碰撞游离的条件：iWm221iW：气体原子（或分子）的游离能。光游离光游离 由光辐射引起气体原子（或分子）的游离称为光游离。产生光游离的条件：iWhh:普朗克常数:光的频率热游离热游离气体在热状态下引起的游离过程称为热游离。气体在热状态下引起的游离过程称为热游离。产生热游离的条件：产生热游离的条件：iWKT 23K:波茨曼常数T:绝对温度，K金属表面游离金属表面游离 电子从金属电极表面逸出来的过电子从金属电极表面逸出来的过程称为表面游离。程

4、称为表面游离。(4)去游离去游离a.扩散 带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动。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。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与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子。电子附着原子形成负离子。二二.气体放电的两个理论气体放电的两个理论1.1.汤逊放电理论汤逊放电理论.适用条件适用条件:均匀电场，低气压，短间隙。实验装置均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性分析：分析：oa段段: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：段：电流不再随电压的增大而增

5、大。bc段：段：电流又再随电压的增大而增大。c点点:电流急剧突增。电流急剧突增。(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。(3).自持放电 不需要外界游离因素存在,放电也能维持下去。(4).自持放电条件自持放电条件a.电子的空间碰撞系数 一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰撞游离数。b.正离子的表面游离系数 一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的电子数。自持放电条件可表达为:1)1(Se解释气体放电机制的最早理论。由英国物理学家J.S.E.汤森于1903年提出。汤森在实验中发现，当两平板电极之间所加电

6、压增大到一定值时，极板间隙的气体中出现连接两个电极的放电通道，使原来绝缘的气体变成电导很高的气体，有放电电流通过，间隙被击穿。汤森用气体电离的概念解释这一现象。他设想有n0个自由电子在电场作用下由阴极向阳极运动，只要电场足够强，电子在与气体分子碰撞时会引起后者电离，发展成电子崩。若每个电子在电场中移动单位距离时产生的电离次数为(汤森电离系数)，则可推知n0个自由电子在由阴极向阳极运动中经过距离n后将增加到n0eas，而每个电子产生的正离子电子对数为eas-1。正离子在电场作用下向阴极运动，设每个正离子撞击阴极时引起的电子发射（称二次电子发射）的概率为r，则n0个自由电子引起电离后产生的二次电子

7、数为rn0(ead-1)。要使放电持续不断，则需使rn0(eas-1)=n0或r(eas-1)=1，这就是汤森自持放电的条件，又称汤森判别式。汤森理论汤森理论Townsend theory 对于不同间隙介质都有不同的临界击穿电场强度Ec（大气中约30kVcm-1）。间隙中的电场E低于Ec时，间隙不会击穿。在汤森判别式中，电离系数 随外加电场强度E的增强而增大，因此电子的电离效应也加强。值必须足够大才能产生足够的电离次数及离子数，满足自持放电条件使间隙被击穿。实际过程比这要复杂一些，例如间隙中空间电荷的积累会引起电场畸变；阴极表面还存在光电发射和其他粒子轰击阴极表面的过程；间隙气体中还有光电离和

8、电附着作用等。虽然自持放电包括的过程比较复杂，但判别式的形式仍是 其中rm为包括了各种阴极表面过程的二次电子发射概率，为气体吸收系数。利用高速示波器可以测出放电发展过程中的电流变化。电流的周期性变化说明间隙中电离、阴极发射电子等一次次的循环。不满足自持条件时的放电，电流逐步减为零，此时间隙中气体未击穿，仍保持绝缘状态。汤森理论只适用于气压比较低、气压与极距的乘积(PS)比较小的情况。(5)Paschen定律定律a.表达式:)(PSfUFP:气体压力 S:极间距离b.均匀电场中几种气体的击穿电压与ps的关系弗里德里希弗里德里希帕邢帕邢 弗里德里希帕邢（Friedrich Paschen，1865

9、.1.221947.2.25），德国物理学家，1908年发现了氢原子光谱的帕邢系1。1865年1月22日生于德国什米林。1884年考人斯特拉斯堡大学。1888年在柏林大学由于发现火花放电的电压只决定于气压和两极之间距离的乘积而获博士学位。1901年任蒂宾根大学教授和物理研究所所长。19241933年任帝国物理技术研究所（柏林夏洛腾堡）所长，19251927年任德国物理学会会长。1947年2月25日在德国波茨坦去世，终年82岁。帕邢在物理学方面的主要贡献是对光谱学进行了一系列实验研究。从1890年起，帕邢系统地用测量热辐射方法对光谱的红外区进行了大量的研究。1894年通过对太阳光谱的研究，把红外

10、线的波长从5um拓宽到9.3um。1897年通过改进仪器和采用新的测量方法，又把红外线的波长推至23pth。1908年，帕邢应用光栅摄谱仪对元素的红外区发射光谱进行了研究，发现氢原子光谱的近红外区存在附加的谱线，它恰好是氢光谱的H和H之差得出的一个新谱线，从而证明了里兹（WaltherRitz，18781909）提出的“从任何两条谱线之和与差往往可以找到另一谱线”的预言，并进一步发现了“帕邢线系”。此外，帕邢还研究过光谱线在强磁场的分裂效应、氦谱线的精细结构、氖的复杂光谱等，在这些方面都取得了一定的成功。2.2.流注理论流注理论(1).在在ps乘积较大时乘积较大时,用汤逊理论无法解释的几种现象

11、用汤逊理论无法解释的几种现象a.击穿过程所需时间,实测值比理论值小10-100倍。b.按汤逊理论,击穿过程与阴极材料有关,然而在大气压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关。c.按汤逊理论,气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展,但在大气中击穿会出现有分枝的明亮细通道。(2).理论要点理论要点:认为电子碰撞游离及空间光游离是维持自持放电的主要因素,流注形成便达到了自持放电条件,它强调了空间电符畸变电场的作用和热游离的作用。(3)放电简单流程图放电简单流程图:有效电子(经碰撞游离)电子崩(畸变电场)发射光子(在强电场作用下)产生新的电子崩(二次崩)形成混质通道(流注)由阳极向阴极(阳极流注)或由阴极

12、向阳极(阴极流注)击穿。流注理论流注理论stream theory 关于气体电击穿机理的一种理论。由R.瑞特与J.M.米克于1937年提出。汤森理论奠定了气体放电的理论基础，但是随着气体放电研究的发展，有些现象只由汤森理论难以解释，例如放电发展的速度比碰撞电离快，放电通道是不均匀的而呈折线形状，因此需要寻求其他理论。流注理论就是在总结这些实验现象的基础上形成的。应用流注理论描述放电过程如下。在外施电场作用下，电子崩由阴极向阳极发展，由于气体原子（或分子）的激励、电离、复合等过程产生光电离，在电子崩附近由光电子引起新的子电子崩，电子崩接近阳极时，电离最强,光辐射也强。光电子产生的子电子崩汇集到由

13、阳极生长的放电通道，并帮助它的发展，形成由阳极向阴极前进的流注（正流注），流注的速度比碰撞电离快。同时，光辐射是指向各个方向的，光电子产生的地点也是随机的，这说明放电通道可能是曲折进行的。正流注达到阴极时，正负电极之间形成一导电的通道，可以通过大的电流，使间隙击穿。如果所加电压超过临界击穿电压（过电压），电子崩电离加强，虽然电子崩还没有发展到阳极附近，但在间隙中部就可能产生许多光电子及子电子崩,它们汇集到主电子崩,加速放电的发展，增加放电通道的电导率，形成由阴极发展的流注（负流注）。瑞特和米克认为，当电子崩头部的电场比外加电压在间隙中形成的均匀电场更强时，电子崩附近电场严重畸变，电离剧烈，放电

14、可以自行发展成流注，从而导致间隙击穿。根据这一基本思想，他们进行了理论推演。虽然他们计算电子崩头部电场的方法不尽相同，推导出不同的计算击穿电压的方程，但是计算得到的击穿电压很相近，与试验比较相符。对均匀电场：4一旦形成流注，放电就能自持发展，直到整个间隙击穿。形成流注的条件就是间隙击穿的条件。4击穿电压经验公式（1-9）流注的特点：4电离强度很大很大，传播速度很快很快(34108cm/s)。出现流注后，放电便获得了独立继续发展的能力，出现流注的条件就是自持放电的条件！形成流注的条件：s20三三.不均匀电场中气隙的放电特性不均匀电场中气隙的放电特性1.1.电晕放电电晕放电 一定电压作用下,在曲率

15、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：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。电晕放电的起始场强：4大气条件4导线粗糙程度4导线半径 经验公式见（1-11）1-13）2.2.极性效应极性效应(1).正棒-负板分析：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，故降低了击穿电压降低了击穿电压。(2).负棒-正板分析：分析

16、：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。b.在间隙深处，正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，使放电的发展比较困难，因而击穿电击穿电压较高。压较高。结论：结论：在相同间隙下正捧正捧-负板负板负捧负捧-正板正板电晕起始电压间隙击穿电压 高高 低 低 高高持续电压作用下的不均匀电场气隙击穿特性持续电压作用下的不均匀电场气隙击穿特性4直流电压：图1-111-124工频电压：图1-13。棒-板间隙的击穿总是在棒的极性为正、电压达幅值时发生。?四四.雷电冲击电压下气隙的击穿特性雷电冲击电压下气隙的击穿特性1.1.标准波形标准波形几个参数几

17、个参数波头时间波头时间T T1 1：T1=(1.2 30%)s波长时间波长时间T T2 2:T:T2 2=(50 20%)s=(50 20%)s标准波形通常用符号标准波形通常用符号 表示表示s50/2.12.2.放电时延放电时延(1).间隙击穿要满足二个条件间隙击穿要满足二个条件a.一定的电压幅值一定的电压幅值b.一定的电压作用时间一定的电压作用时间(2).统计时延t s 通常把电压达间隙的静态击穿电压开始到间隙中出通常把电压达间隙的静态击穿电压开始到间隙中出现第一个有效电子为止所需的时间。现第一个有效电子为止所需的时间。(3).放电形成时延tf从第一个有效电子到间隙完成击穿所需的时间。从第一

18、个有效电子到间隙完成击穿所需的时间。(4).放电时延tLtL=ts+tf气体间隙在冲击电压作用下击穿所需全部时间：气体间隙在冲击电压作用下击穿所需全部时间：t=t1+ts+tf其中：ts+tf 就是放电时延tL3.50%3.50%冲击放电电压冲击放电电压U U50%-50%-反应绝缘耐受冲击电压的能力反应绝缘耐受冲击电压的能力放电概率为50%时的冲击放电电压。50%冲击放电电压与静态放电压的比值称为绝缘的冲击系数pu击u50%50%0%50UU电场均匀性的影响：4均匀和稍不均匀电场：=1，放电时延较短，击穿发生在波前峰值附近击穿发生在波前峰值附近。4极不均匀电场：1，放电时延较长，击穿电压分散

19、性大，击穿发生在波前峰击穿发生在波前峰值附近值附近。4.4.伏秒特性伏秒特性(1)(1)定义定义 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。问题的提出：气隙击穿的必备条件所致！问题的提出：气隙击穿的必备条件所致！(2)曲线求取方法(3)电场均匀程度对曲线的影响 不均匀电场由于平均击穿电场强度较低,而且流注总是从强场区向弱场区发展,放电速度受到电场分布的影响,所以放电时延长,分散性大,其伏秒特性曲线在放电时间还相当大时,便随时间之减小而明显地上翘,曲线比较陡。均匀或稍不均匀电场则相反,由于击穿时平均场强较高,流注发展较快,放电时延较短,其伏秒特性曲线较平坦。(4

20、)实际意义实际意义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 为了使被保护设备得到可靠的保护为了使被保护设备得到可靠的保护,被保护设备被保护设备绝缘的伏秒特性曲线的绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线。护设备的伏秒特性曲线的上包线。五五.大气条件对气体间隙击穿电压的影响大气条件对气体间隙击穿电压的影响1.1.标准大气条件标准大气条件大气压力：P0=101.3kpa温度：湿度：f0=11g/m3C0202.2.相对密度的影响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=U

21、03.3.湿度的影响湿度的影响(1)均匀或稍不均匀电场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。4.4.高度的影响高度的影响 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 10001.11Hk六六.提高气体间隙绝缘强度的方法提高气体间隙绝缘强度的方法两个途径两个途径:一个是改善电场分布改善电场分布,使之尽量均匀；使之尽量均匀；另一个是削弱气体间隙中的游离因素。

22、削弱气体间隙中的游离因素。1.1.改善电场分布的措施改善电场分布的措施(1).改变电极形状(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23倍。2.2.削弱游离因素的措施削弱游离因素的措施(1)(1)采用高气压采用高气压 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。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)(2)采用高真空采用高真空 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

23、真空电容器、真空断路器等。真空电容器真空断路器(3)(3)采用高强度气体采用高强度气体 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。七七.气体中的沿面放电气体中的沿面放电1.1.什么叫沿面放电什么叫沿面放电沿着固体介质表面的气体发生的放电。沿面放电电压通常比纯空气间隙的击穿电压要低。2.2.界面电场分布的三种典型情况界面电场分布的三种典型情况气体介质与固体介质的交界称为

24、界面界面。(1).固体介质处于均匀电场中,且界面与电力线平行;(2).固体介质处于极不均匀电场中,且电力线垂直于界面的分量比平行于界面的分量大得多;类似套管类似套管瓷套管变压器用电容套管(3).固体介质处于极不均匀电场中,且电力线平行于界面的分量以垂直于界面的分量大得多。类似支持绝缘子复合支持绝缘子复合支持绝缘子户外高压支持绝缘子户外高压支持绝缘子3.3.均匀电场中的沿面放电均匀电场中的沿面放电放电特点放电特点:(1).放电发生在沿着固体介质表面,且放电电压比纯空气间隙的放电电压要低.其原因其原因a.固体介质与电极表面没有完全密合而存在微小气隙,或者介面有裂纹.b.介质表面不可能绝对光滑,使表

25、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。4.4.极不均匀电场具有强法线分量时的沿面放电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b.线状火花放电c.滑闪放电d.闪络放电(2)影响沿面放电因素分析等值电路图a.固体介质厚度越小，则体积电容越大，沿介质表面电压分布越不均匀，其沿面闪络电压越低；b.同理，固体介质的体积电阻越小，沿面闪络电压越低；c.固体介质表面电阻减少，可降低沿面的最大电场强度，从而提高沿面闪络电压。(3).提高沿面闪络

26、电压措施a.减少套管的体积电容。如增大固体介质厚度，加大法兰处套管的外经；b.减少绝缘的表面电阻。如在套管近法兰处涂半导体漆或半导体釉。5.5.极不均匀电场具有强切线分量时的沿面放电极不均匀电场具有强切线分量时的沿面放电(支柱绝缘子型)由于电极本身的形状和布置己使电场很不均匀，故介质表面积聚电荷使电压重新分布不会显著降低沿面闪络电压，为了提高沿面闪络电压，一般从改进电极形状，如采用屏蔽罩和均压环。6.6.绝缘子串的电压分布绝缘子串的电压分布分析结果：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

27、以上电压等级考虑使用均压环。7.7.绝缘子表面污秽时的沿面放电绝缘子表面污秽时的沿面放电 户外绝缘子，会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污染，在干燥时，由于污秽尘埃电阻很大，绝缘子表面泄漏电流很小，对绝缘子安全运行无危险；但下雨时，绝缘子表面容易冲掉，而大气湿度较高，或在毛毛雨、雾等气候下，污秽尘埃被润湿，表面电导剧增，使绝缘子的泄漏电流剧增，降低闪络电压。8.8.防止绝缘子的污闪，应采取措施防止绝缘子的污闪，应采取措施(1).对污秽绝缘子定期或不定期进行清洗(2).绝缘子表面涂一层憎水性防尘材料(3).加强绝缘和采用防污绝缘子(4).采用半导体釉绝缘子对瓷柱进行清洗电子崩的形成电子崩的形成.

28、swf.swf电子在电场中的运电子在电场中的运动轨迹动轨迹.swf.swf闪络闪络.swf.swf1、字体安装与设置、字体安装与设置如果您对PPT模板中的字体风格不满意，可进行批量替换，一次性更改各页面字体。在“开始”选项卡中，点击“替换”按钮右侧箭头，选择“替换字体”。（如下图）在图“替换”下拉列表中选择要更改字体。（如下图）在“替换为”下拉列表中选择替换字体。点击“替换”按钮，完成。2、替换模板中的图片、替换模板中的图片模板中的图片展示页面，您可以根据需要替换这些图片，下面介绍两种替换方法。方法一：更改图片方法一：更改图片选中模版中的图片（有些图片与其他对象进行了组合，选择时一定要选中图片 本身，而不是组合）。1.单击鼠标右键，选择“更改图片”，选择要替换的图片。（如下图）赠送精美图标