《高电压绝缘技术》
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第一章气体的绝缘特性
一、气体电介质的放电特性
1空气在强电场下放电特性 气体在正常状态下是良好的绝缘体,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符,从而失去绝缘能力而发生放电现象.一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
2.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
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：
: 气体原子（或分子）的游离能 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：
h:普朗克常数
ν:光的频率
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：
K:波茨曼常数
i W m ≥22
1υi W i W h ≥νi W KT ≥2
3
T:绝对温度
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
(4)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
二.气体放电的两个理论
1.汤逊放电理论.
适用条件:均匀电场,低气压,短间隙
(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
a.电子的空间碰撞系数α
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γ
一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的电子数
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:
(5)巴申定律
a.表达式:
P: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)(PS f U F =1
)1(=-S e αγ
2.流注理论
(1).在ps乘积较大时,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:
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:
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
注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿.
三.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
电晕起始场强开始出现电晕时电极表面的场强
电晕起始场强开始出现电晕时电极表面的场强
2.极性效应
(1).正棒---负板
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。
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
(2).负棒---正板
分析：
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，因而击穿电压较高。
结论：
在相同间隙下
正捧-----负板负捧-----正板
电晕起始高低
间隙击穿压低高
四.雷电冲击电压下气隙的击穿特性
1.标准波形
几个参数
波头时间T1：T1=(1.2 30%)μs
波长时间T2: T2=(50 20%) μs
标准波形符 表示
2.放电时延
(1).间隙击穿要满足二个条件
a.一定的电压幅值
b.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
(4).放电时延tL
tL=ts+tf
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tL
3. 50%冲击放电电压U50%
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β
4. 伏秒特性
(1) 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
(2) 曲线求取方法 s
μ50/2.1±0
%
50U U =β
(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.
五. 大气条件对气体间隙击穿电压的影响
大气条件
大气压力 P0=101.3kpa
温度
湿度 f0=11g/m3
2. 相对密度的影响 相对密度d d=0.289----
当d 在0.95到1.05之间时,空气间隙的击穿电压U 与d 成正比U= dU0
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
C
020
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
六. 提高气体间隙绝缘强度的方法
七. 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
(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
(2). 采用高真空
(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。
八. 气体中的沿面放电1000
1.11H k -=α
1. 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. 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
(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
3. 均匀电场中的沿面放电
其放电特点:
(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
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. 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