高电压技术 第一章第三节 自持放电条件
高电压技术第一章
❖ 复合的质点相对速度越大，复合概率越小。 ❖ 复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件下又可
因复合时的光辐射加剧放电的发展。 ❖ 放电过程中绝大多数是正、负离子之间复合，参加
复合的电子绝大多数先形成负离子再与正离子复合。
3 汤逊理论和流注理论
非自持放电和自持放电
低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 3.1 汤逊理论和
碰撞电离 电子碰撞电离－α 正离子碰撞电离－β
光电离 热电离
正离子碰撞阴极－γ 光电效应 强场发射 热电子发射
2.2 带电质 电场作用下气体中带电质点的定向运动 点消失 带电质点的扩散 带电质点的复合
2.1 气体中带电质点的产生
气体原子的激发和游离
施加能量 W > Wi 自由电子
电离
施加能量 施加能量
1.2 气体放电的主要形式
常见放电形式 辉光放电 电晕放电 刷状放电 电弧放电
❖ 注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放 电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同， 这些放电现象可相互转换。
2 气体中带电质点的产生和消失
空间电离
气体放电 发展过程
2.1 带电质 点产生
表面电离
高气压下均匀电场自持放电的 流注理论
流注的形成和发展示意图
高气压下均匀电场自持放电的 流注理论（续1）
a) 起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩；初崩发展到阳极， 正离子作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电 场，放射出大量光子；
高压
1自持放电条件：γ(eαd-1) ≥1 或γeαd≥1 e αd>>1 即一个e经过d后由于碰撞游离所产生的返回阴极时至少能打出一个e，则放电就能自持，而与外界催离素无关。
2气体间隙击穿的全过程：当光子能量hv≧游离能发生光游离产生光电子在强场强下产生二次崩新崩子崩衍生崩一旦形成流注就转为自持放电当流注接近阴极时，由于E特别强游离很强烈大量e流过流注通道流入阳极视电源容量产生火花放电或电弧放电继而间隙击穿完成。
3流注：正负离子的混合质通道4流注阶段：由于电子崩自身的辐射而产生光游离和新崩，新崩不断地产生和汇入初崩，形成高导电的正负离子混合质通道的放电阶段。
5电晕放电的条件：极不均匀电场中电极曲率半径小（电子崩式）电压升高（流注式）6电晕放电的特点：间隙局部击穿，大部分尚未丧失绝缘性能，间隙仍能耐受电压作用，放电电流小，紫色晕光，吱吱放电声电晕起始电压U0<间隙击穿电压U b7电晕放电的危害：1.无线电干扰2.噪声3.腐蚀作用4.电晕损耗8电晕的利用：在限制过电压时利用冲击电晕来降低冲击电压幅值及陡度改善电场分布——提高U b 除尘、电晕合成、电晕漂白等9不均匀的电场中的放电过程：极不均匀电场的针、棒、尖电极附近稳定的电晕放电产生空间电荷的积累增大对U b的影响产生电晕起始电压U=U0针附近空间电荷密度上升辐射出大量光子产生光电子形成新崩新崩汇入初崩形成流注转入自持放电(电晕放电)10极性效应：电晕起始电压正针的起始电压大于负针的击穿电压正针的小于负针的11操作冲击电压标准波形的影响：波前时间在一定的范围内，U50具有最小值，即临界击穿电压。
呈现出U形曲线放电时延和空间电荷这两个因素的影响所造成的。
对应极小值的波前时间随着间隙距离加大而增加，对7米以下的间隙，在50到200微秒之间。
12操作冲击电压的特点：分散性比雷电冲击大，长间隙呈现饱和现象。
13提高气体间隙抗电强度的方法：1、改善电场分布，使之尽量均匀2利用空间电荷畸变电场的作用3极不均匀电场中屏障的采用4高电气强度气体SF6的采用5高气压的采用6高真空的采用。
高电压技术——(一)
《高电压技术》第一讲 30
第一章 气体放电的基本物理过程
第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程
1、非自持放电和自持放电
图1-2 测定气体中电 流的回路示意图
图1-3 气体中电流和电压的关 系——伏安特性曲线
《高电压技术》第一讲 31
第一章 气体放电的基本物理过程
实验分析结果
➢ 当U<Ua
2）定性分析： 气压越低， 温度越高，扩散越快。
结论：电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其 扩散速度比离子快得多。
《高电压技术》第一讲 16
第一章 气体放电的基本物理过程
第一节 带电粒子的产生和消失 1.1.2 带电粒子的产生
(1)原子的电离和激励
(2) 电离的四种形式
——按引起电离的外部能量形式不同，分为： 1）光电离 2）热电离 3）碰撞电离 4）电极表面电离
《高电压技术》第一讲 24
第一章 气体放电的基本物理过程
第一节 带电粒子的产生和消失
1.1.3 负离子的产生
➢ 附 着： 当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产
生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子 相结合形成负离子的情况。 ➢ 负离子产生的作用
负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能 使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。
定义：电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体分子
引起的电离。它是气体中产生带电粒子的最重要的方式，主要是 由电子完成。
条件：电子获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者，
如果动能大于或等于气体分子的电离能Wi，该电子就有足够的能 量完成碰撞电离。碰撞电离时应满足以下条件：
高电压技术复习大纲-2012 (1)
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
• 第三节 极不均匀电场中的沿面放电 o 弱垂直电场分量情况下，提高沿面闪络电压的途径？具 体措施？ o 说明为什么加装均压环后绝缘子柱电压分布可以得到改 善 o 分析线路绝缘子串电压分布的等效电路？均压环如何改 善电压分布？
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
• 第四节 受潮表面的沿面放电 o 名词解释：
• 第五节 脏污绝缘表面的沿面放电 o 名词解释：
o 污闪电压；污层等值附盐密度；单位爬电距离
o 干燥情况下绝缘子表面污层对闪络电压是否有影响？ o 什么情况下绝缘子表面污层对闪络电压有显著影响？为 什么？ o 为什么污闪事故对电力系统的危害特别大？ o 简单描述污闪的发展过程 o 污闪与其他沿面闪络过程的最大不同之处是？ o 污闪发展过程中，局部电弧能否发展成闪络取决于哪些 因素？ o 影响污闪电压的因素有哪些？ o 实验室进行人工污秽试验时，如何确定污闪电压？具体 步骤？对污闪试验所用电源的内阻抗有何要求？
o 湿闪络电压；
o 介质表面发生凝露时，沿面闪络电压降如何变化？是否 发生凝露与什么因素有关？ o 低温下为什么相对湿度增加不会显著降低闪络电压？ o 湿闪络电压与干闪络电压的关系？ o 提高绝缘子湿闪电压的措施？ o 为什么户外绝缘子都有伞裙？ o 为什么伞裙宽度进一步增大并不能提高湿闪电压？
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
o GIS的母线筒和测量电压用的球间隙属于什么类型的电 场？高压输电线路？套管？ o 如何描述电场的不均匀性？以稍不均匀场和极不均匀场 为例予以说明 o 极不均匀场区别于均匀场的放电现象是？ o 同样间隙距离下，稍不均匀场间隙的击穿电压比均匀场 间隙的要高还是低？ o 电晕放电是自持还是非自持放电？ o 极不均匀场间隙中自持放电条件是？ o 电晕放电的危害、降低电晕放电的措施与电晕放电的有 利之处？
高电压技术(第二版)
∵ hx ＝17m，则 1.5（ h0 —17）≥6
∴ h0 ≥23m
设
h≤30m，P＝1，∵
h
0
＝h—
D 7P
∴h＝
h
0
＋
D 7P
≥23＋
18
+5+ 7 ×1
5
＝27（m）
∵
h
xB
＝17m＞
h 2
∴ rxB ＝（h— hxB ）P＝（27—14）×1＝13（m）
连接 XM 则 XM = （3 + 5）2 + 62 ＝10（m）＜ rxB
（2）根据耦合系数的定义，上导线对中导线的耦合系数为
K＝ Z12 ＝ 110.75 ＝0.238 Z11 465.81
8、110kV 单回路架空线，杆塔布置如图所示，图中尺寸单位为 m，导线直径 21.5mm，
2× du 2q
2 ×12
dt
max
5、A、B、C 三个物体的高分别为 17m、14m 和 11m，布置及尺寸如图所示，图中
尺寸单位为米。为保护 A、B、C 三个物体免遭直击雷的侵袭，试设计避雷针的保
护方案（即确定避雷针的安装位置、根数、求出其高度）
解：要使 ABC 内的物体受到保护，必须满足 bx ＝1.5（ h0 — h xA ）≥6
α1
=
2Z0 Z1 + Z0
=
2 × 50 350 + 50
=
1 4
β1
=
Z1 — Z0 Z1 + Z0
=
350 — 50 350 + 50
=
3 4
α2
=
2Z2 Z2 + Z0
高电压技术第一章第五节气体放电的流注理论
⑵放电时间
03
⑶阴极材料的影响
⑴放电外形
01
光子
第五节 气体放电的流注理论
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⑵ 正流注
条件：当外加电压＝击穿电压
二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注
① 正流注体的形成
1：主电子崩； 2：二次电子崩； 3：流注
流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场
第五节 气体放电的流注理论
气体击穿的流注放电理论
对象：工程上感兴趣的压力较高的气体击穿，比如雷电放电并不存在金属电极，因而与阴极上的γ过程和二次电子发射根本无关。 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
均匀电场E0
电子崩头部 电场明显增强，电离过程强烈，有利于发生分子和离子的激励现象，当它们回复到正常状态时，发射出光子。
崩头内部正负电荷区域 电场大大削弱，但电子和正离子浓度却是最大，有助于发生复合过程，发射出光子。
大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场
第一章 气体放电的基本物理过程
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本章主要内容
第一节 带电粒子的产生和消失
第二节 电子崩
第三节 自持放电条件
第四节 起始电压与气压的关系
第五节 气体放电的流注理论电
一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电； 如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。
高电压技术学习总结
高电压技术学期学习总结通过一学期对高电压技术的学习，有一下重点难点总结：第一章气体的绝缘强度1、气体放电的基本物理过程⑴带电粒子的产生气体分子或原子产生的三种状态原态（中性）激发态（激励态）从外界获得能量，电子发生轨道跃迁。
电离态（游离态）当获得足够能量时，电子变带电电子，原来变正离子。
电离种类：A：碰撞电离B：光电离C：热电离D：表面电离⑵带电离子的消失A：扩散，会引起浓度差。
B：复和（中和）正负电荷相遇中和，释放能量。
C：附着效应，部分电负性气体分子对负电荷有较强吸附能力，使之变为负离子。
⑶汤逊理论的使用条件和自持放电条件使用条件：均匀电子，低电压自持放电条件：(1)1seαγ-≥⑷巴申定律的物理意义及应用A：巴申定律的物理意义①p s（s一定）p增大，U f增大。
②p s（s一定）p减小，U f减小。
③p s不变：p增大，密度增大，无效碰撞增加，提高了电量的强度，U f增大。
P减小，密度减小，能碰撞的数量减小，能量提高，U f增大。
P s不变，U f不变。
B：巴申定律的应用通过增加或者减少气体的压力来提高气体的绝缘强度。
如：高压直流二极管（增加气体的压力）减小气体的压力用真空断路器。
⑸流柱理论的使用范围及与汤逊理论的关系流柱理论的使用范围：a、放电时间极短b、放电的细分数通道c、与阴极的材料无关d、当ps增大的时候，U f值与实测值差别大。
流柱理论与汤逊理论的关系：a、流柱理论是对汤逊理论的一个补充b、发生碰撞电离c、有光电离，电场⑹极不均匀电场的2个放电特点（电晕放电，极性效应）电晕放电的特点：a、电晕放电是极不均匀电场所持有的一种自持放电形式，是极不均匀电场的特征之一。
b、电晕放电会引起能量消耗。
c、电晕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。
d、电晕放电还使空气发生化学反应，生成臭氧、氮氧化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。
极性效应的特点：a、棒为正，极为负特点：电晕放电起始电压高。
《高电压技术》辅导资料一
高电压技术辅导资料一主题：绪论和第一章（第1-3节）学习时间：2013年9月30日－10月6日内容：我们这周主要学习绪论和第一章第一、二、三节“气体中带电粒子的产生与消失”、“气体中的放电现象和电子崩的形成”、“自持放电条件”的相关内容。
希望通过下面的内容能使同学们加深对高电压技术的概念和气体放电相关知识的理解。
绪论高电压技术主要内容1.高电压技术，即电力系统中涉及的绝缘、过电压、电气设备试验等问题的技术。
如：雷击变电所、发电厂的过电压及防护；绝缘材料的研制；合闸、分闸、空载运行以及短路引起的过电压；电气设备的耐压试验高压输电的必要性：大容量输电的需求；远距离输电的需求2.研究内容（1）提高绝缘能力电介质理论研究——介质特性放电过程研究——放电机理高电压试验技术——高压产生、测量（2）降低过电压雷击或操作→暂态过程→产生高电压→绝缘破坏→故障→防护破坏→恢复研究过电压的形成及防止措施过电压种类：大气过电压、内部过电压（3）绝缘配合——使相互作用的数值、保护电器的特性和绝缘的电气特性之间相互协调以保证电气设备的可靠经济运行。
第一章电介质在强电场下的特性电介质在强电场下的特性及相关术语：电介质(dielectric)：指通常条件下导电性能极差的物质，在电力系统用作绝缘材料电介质中正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷极少，因此导电性能差。
（电介质—从贮存电能的角度看；绝缘材料—从隔离电流的角度看）。
电介质一般分为气体电介质、液体电介质、固体电介质。
常用高压工程术语：击穿(breakdown)：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道放电(discharge)：气体绝缘的击穿过程闪络(flashover)：沿固体介质表面发展的气体放电（沿面放电）电晕(corona discharge)：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。
U，单位KV）：使绝缘击穿的最低临界电压击穿电压（又称放电电压）（b击穿场强（又称抗电强度，绝缘强度）(b E，单位KV/cm）：发生击穿时在U／Ｓ（Ｓ：极间距离）绝缘中的最小平均电场强度。
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说明：在不均匀电场中各点的电场强度E不一样，所以各处的 α 值也不同。
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第三节 自持放电条件
当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所示的循环不息的状态， 放电就能自己维持下去。
将上式两边乘以电子电荷qe
若γ=0I，则II0＝1I0eαd(e，ed即d 只 1有)α过程；
若
，当I0＝0时，I＝0
若 1 (ed 1) ，0 当I0＝0时，I≠0
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产生的新电子数
每产生一个自由电子的同 时，会产生一个正离子
为：nceαd－nc
正离子沿电场运动，撞击 正离子撞击阴极表
产生的新正离子数 阴极造成二次电子发射 面产生的电子数为
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第一章 气体放电的基本物理过程
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Sichuan University 本章主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节
第三节 自持放电条件
⑵ α过程和γ过程引起的电流
设阴极表面单位时间内发射的电子数为nc
外电离因素产生的电子数—n0
nc
前一秒钟产生出来的正离子在阴 极上造成的二次电子发射所产生 的电子数—γnc(eαd－1达阳极后， 产生总电子数为：na ＝nceαd
提出气隙放电电流和击穿电压的计算公式
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γ过程 ⑴ γ的概念
第三节 自持放电条件
正离子表面电离系数γ——表示一个正离子沿电场方向由阳极向阴极运动，
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第三节 自持放电条件
当电压达到自持放电的起始电压时：
在不均匀电场中，可以出现稳定的电晕放电 在均匀电场或稍不均匀电场中，将发生气隙击穿
d
结论： 若1－γ(eαd－1) ＝0，即使I0=0 （除去外界的电离因素）， 放电能维持下去。
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第三节 自持放电条件
⒊ 汤逊理论的均匀电场中的电压
⑴ 汤逊理论的自持放电条件
γ(eαd－1) ＝1
物理意义：一个电子从阴极到阳极途中因电子崩（α过程）而造成的正离子数为 eαd－1 ，这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数（γ过程）应为γ (eαd－1 ) ， 如果它等于1，就意味着那个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。
撞击阴极表面产生表面电离的电子数。 正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能，在撞击阴极时能引起表面
电离，使阴极释放出自由电子
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γnc(eαd－1)
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α过程＋γ过程的分析
① nc个电子行进d距离产生的电子数na
已知 nc＝n0＋γnc(eαd－1) na＝nceαd
na
n0
1
e d (e d
1)
第三节 自持放电条件
na
② 进入阳极的电流（外回路电流）
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第三节 自持放电条件
4. 汤逊理论的不均匀电场中的电压
⑴ 汤逊理论的自持放电条件
γ(e∫d0 α dx－1) ＝1
带电粒子的产生和消失 电子崩 自持放电条件 起始电压与气压的关系 气体放电的流注理论电 不均匀电场中的放电过程 放电时间和冲击电压下的气隙击穿 沿面放电和污闪事故
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第二节 Sichuan University
Sichuan University 第三节 自持放电条件
一．非自持放电和自持放电
⒈ 非自持放电和自持放电的概念
非自持放电——去掉外电离因素的作用后放电随即停止； 自持放电——不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。
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二 汤逊放电理论
第三节 自持放电条件
20世纪初，汤逊根据大量的试验研究结果，提出了适用 于均匀电场、低气压、短气隙时气体放电理论
理论认为，电子的碰撞电离(α过程，即第二节所说的 电子崩）和正离子撞击阴极造成的表面电离（γ过程） 起主要作用