第3章 气体间隙的击穿强度[1]
《高电压工程基础(第2版)》大纲(40学时)
《高电压工程基础》教学大纲课程学时：40学时（讲授36+实践4）适用专业: 电气工程及其自动化先修课程：电路、发电厂电气主系统等教材:《高电压工程基础》（第二版），施围，邱毓昌，张乔根. 机械工业出版社，2014参考书 1. 《电气工程基础》，（第二版）王锡凡主编，西安交通大学出版社，20092. 《高电压绝缘技术》，严璋，中国电力出版社，20023. 《高电压工程》，梁曦东，清华大学出版社，2004一、课程的性质、目的及任务《高电压工程基础》是电气工程及其自动化专业一门重要的专业课程，该课程理论性和实践性并重，着重强调工程应用中的理论知识。
通过对本课程的学习，使学生掌握气体放电的基本理论、液体和固体电介质的电气特性，掌握电气设备绝缘试验的相关知识，以及电力系统过电压产生机理及抑制措施等基本知识，具有从事绝缘、高电压技术等领域的设计、安装、运行、试验，及研究工作的专业知识基础。
二、教学内容及基本要求第1章绪论（1）教学内容1.1 高压输电的必要性；1.2 我国电力工业的发展；1.3电力工业对高电压技术发展的促进作用；1.4 新材料和新技术在高电压技术中的应用；1.5 高电压技术在其他领域的应用。
（2）基本要求掌握我国输电线路电压等级的划分；掌握高压输电产生的背景及高压输电的必要性；掌握分裂导线的结构及优点；了解高电压技术在其他领域的应用；了解高电压技术中的新技术；了解我国电力工业的发展。
- 1 -第2章气体放电的基本物理过程（1）教学内容2.1 带电质点的产生与消失；2.2 放电的电子崩阶段；2.3 自持放电条件；2.4 不均匀电场中气体放电的特点。
（2）基本要求掌握气体中带电粒子的产生与消失；掌握气体的自持放电现象和流注放电理论、气隙的击穿特性及提高气体间隙抗电强度的方法；pd值较大和pd值较小时放电现象的异同，以及各自的自持放电条件；理解输电线上的电晕放电以及绝缘子表面的气体放电。
第3章气体间隙的击穿强度（1）教学内容3.1 稳态电压下的击穿；3. 2 雷电冲击电压下的击穿；3.3 操作冲击电压下的击穿；3.4大气密度和湿度对击穿的影响；3.5 SF6气体间隙中的击穿；3.6 提高气隙击穿电压的措施。
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3.5 SF6气体间隙中的击穿
高电压工程基础
3.5.1 均匀和稍不均匀电场中的击穿
强电负性气体在均匀电场中的自持放电条件为(-)d=K。研究表明， SF6气体的K=10.5，且其(-)可用下式表示:
(-)/p =c[E/p- (E/p)0] 式中c=28(kV)-1;(E/p)0=88.5kV/(mm Pa)
击穿电压Ub的表达式为：
3.固体介质的影响
沿面放电。
线状自由导电微粒 击穿电压与气压的关系
高电压工程基础
3.5.4 快速暂态过电压下的击穿
GIS中开关操作会产生快速暂态过电压（VFTO）可能导致GIS和临近 设备的绝缘事故。VFTO有以下特点： （1）波前很陡，其上升时间常在5-20ns范围。这一特点是由于SF6 气体击穿特性决定的，因为压缩的强电负性气体的击穿场强很高， 所以击穿瞬间气体间隙由绝缘状态向导通状态的跃迁时间极短， 形成极陡的波前。 （2）由高频电压分量，这是因为GIS的尺寸较常规的敞开式配电装 置小得多，因而过电压行波在GIS中折、反射所需的时间很短， 一般情况下振荡频率在0.1-10MHz范围内。 （3）幅值通常并不高，其值与开关触头间电弧重燃特性有关，也与 被开断母线上残余电荷产生的电压值有关。现场实测和模拟试验 表明，其幅值很少超过最大相电压的2倍。
电压并不总是增大，出现驼峰。
驼峰曲线在压缩空气中也会出现，但
空气中一般在1MPa左右，而SF6气体则出现 在0.1~0.2Mpa的范围，在气体绝缘设备正常
工作气压范围内，需要特别注意。
棒端曲率半径越小，即电场越不均匀 时，驼峰现象越明显。
高电压工程基础
二是：在出现击穿驼峰的气 压范围内，雷电冲击击穿电
球-板间隙中SF6气体击穿电压与气压的关系 考球-板间隙击穿的数据。 实线为正极性，虚线为负极性 1-d=20mm，2-d=15mm，3-d=10mm，4-d=7.5mm， 5-d=5mm，6-d=3mm，7-d=2mm，8-d=1mm，
第1讲 均匀电场气隙击穿
5
（二）非自持放电和自持放电
电流微小， 外施电压小于UA时，电流微小，电流值由空间的游离电荷 的数量和外加电压决定。 游离电荷与光照射（ 的数量和外加电压决定 。 游离电荷与光照射 （ 含宇宙射 的强度有关， 产生在阴极表面和间隙空间， 线 ） 的强度有关 ， 产生在阴极表面和间隙空间 ， 阴极表 面产生的是自由电子， 空间产生的是正负离子， 面产生的是自由电子 ， 空间产生的是正负离子 ， 通常阴 极表面的电子数量大于空间电荷数； 极表面的电子数量大于空间电荷数 ； 电压加高则电荷移 动速度加快，表现出电流加大。 动速度加快，表现出电流加大。
dn = nαdx
将此式积分， 将此式积分，可得电子的增长规律为
n = n0 exp ∫0 αdx
x
9
对于均匀电场， 对于均匀电场，α 不随空间位置而变
n = n0 e
相应的电子电流增长规律为
αx
I = I 0e
αx
得进入阳极的电子电流， 令x＝d，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流
I = I 0 e αd
14
U b = f (δd )
4、汤逊放电理论的适用范围
汤逊放电理论的适用于小于0 26cm。 汤逊放电理论的适用于小于 0.26cm。 但电力工程上经常 cm 接触到的是气压较高的情况（ 接触到的是气压较高的情况 （ 从一个大气压到数十个大气压 ），间隙距离通常也很大 此时有四个不相符合： 此时有四个不相符合： 放电外形：均匀连续，如辉光放电——分枝的明细通 1. 放电外形：均匀连续，如辉光放电 分枝的明细通 道 放电时间： 2. 放电时间：火花放电时间的计算值比实测值要大得 击穿电压： 3. 击穿电压：汤逊自持放电条件求得的击穿电压和实验 值有很大出入 阴极材料的影响： 4. 阴极材料的影响：实测得到的空间电荷畸变外电场
气体击穿理论
一、原子的激励和电离
（一）原子的能级
原子结构： 电子具有确定的能量（位能和动能），通常轨道半 径越小，能量越小；电子的能量只能取一系列不连续的确 定值（量子化）；原子的位能（内能）取决于其中电子的 能量，当各电子具有最小的能量，即位于离原子核最近的 各轨道上时，原子的位能最小；正常状态下原子具有最小 位能。当电子从其轨道跃迁到标志着能量更高的离原子核 较远的轨道上时，原子的位能也相应增加，反之亦然。
（一）原子的能级
能级：根据其中电子的能量状态，原子具有一系列 可取的确定的能量状态，称为原子的能级。
电子伏（eV）：微观系统中的能量单位为电子伏； 1 eV的能量相当于一个电子在电场作用下行经1V电位差 所获得的能量。电子的电荷为1.610-19C。所以：
（二）原子的激励
激励：在外界因素作用下，原子中的电子从较低能 级跃迁到较高能级的过程。
强的外电场使阴极放射出电子，称为场致发射或冷发射。 由于场致发射所需外电场极强，在107 V/cm数量级，
所以在一般气体间隙的击穿过程中不会发生。（高气压、 高真空） （四）热电子放射
热电子放射：阴极达到很高温度时，其中电子可获得 巨大动能而逸出金属，称为热电子放射。
第三节 带电质点的消失
三种方式： 1、带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于
生电荷的传递而互相中和，并还原为原子或分子的过 程称为复合。
带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
均匀电场中气体的击穿：汤逊气体放电理论；流注理 论。这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压力和 极间距离的乘积）范围内气体放电的现象。
气体电介质的击穿 液体电介质的击穿 固体电介质的击穿
第5章电介质的击穿气体电介质的击穿液体电介质的击穿固体电介质的击穿¾电介质的击穿介质发生击穿时，通过介质的电流剧烈地增加，通常以介质伏安特性斜率趋向于∞（即dI/dU=∞）——击穿发生的标志。
¾击穿电压¾击穿场强：电介质的击穿场强是电介质的基本电性能之一，它决定了电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力。
5.1 气体电介质的击穿¾正常气体中的载流子(离子和电子)在外电场作用下迁移，形成电流电流随电压增加而增加电离产生的载流子来不及复合，全部到达电极气体中出现碰撞电离，载流子浓度增大，电流不再保持恒定而迅速上升载流子数剧增，气体中的电流无限增大(dI/dU→∞)——丧失绝缘性能。
气体击穿（气体放电）：气体由绝缘状态变为良导电状态的过程。
击穿场强：均匀电场中击穿电压与气体间隙距离之比.击穿场强反映了气体耐受电场作用的能力，即气体的电气强度。
平均击穿场强：不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比称¾气体发生击穿时除电流剧增外，通常还伴随有发光及发热等现象。
5.1.1 均匀电场中气体击穿的理论1.气体击穿的汤逊（Townsend）理论电子崩形成过程(电子倍增过程)（1）电子崩与电流倍增外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多的电子。
α如电离系数为，则从阴极出发的一个电子，行经单位距离后增加为2α个电子。
类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。
电子崩模型右图所示，在电子崩发展过程中，崩头最前面集中着电子，其后直到崩尾是正离子。
在强电场中出现电子崩α的过程称为过程。
这样的放电依赖于外界条件的，也称为非自持放电.（2）气体的自持放电实验发现，当气隙不太宽时，放电与电极材料有关，因而导致考虑γ过程的作用，由γ过程和过程一起来决定气隙中的电流。
高压电技术1-5 冲击电压下气隙的击穿特性
放电时间构成
第一阶段---升压时间t1
u
（0→Us静态击穿电压）：击穿过程可能并
U
未开始
Us 对于持续电压（直流、工频电压）：此阶
段电压升到Us ，气隙即及被击穿；
t1 ts
tf
t
tlag
非持续电压下（雷电、操作冲击电压）：
tb
由于t1非常短，即使电压升到Us ，气隙也 不一定被击穿。
放电时间构成
对非持续作用的电压来说，一个气隙的耐电压性 能就不能单一地用“击穿电压”值来表达，须用电 压峰值和击穿时间这两者来共同表达，这就是该气 隙在该电压波形下的伏秒特性。
伏秒特性曲线——同一波形、不同幅值的冲击电压作用下，间 隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线。
伏秒特性的制定方法（实验方ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）
保持冲击电压波形不变，逐渐提高冲击电压的峰值
1.5 冲击电压下气隙的击穿特性
• 冲击电压标准波形 • 放电时延 • 伏秒特性
冲击电压标准波形
冲击电压标准波形
作用时间短暂的电压称为冲击电压，在冲击电压作用下空气间隙的击 穿具有新的特性。
雷电在电力系统中造成的过电压是一种冲击电压，这是电力系统发生 事故的重要因素。
为了模拟雷电压，各国规定了试验用雷电冲击电压的标准波形，分为 全波和截波两种。
第二阶段--统计时延ts
u
（Us → 出现第一个有效电子）：击穿过程 U
开始，具有统计性。
由于有效电子的出现是一个随机事件，取 Us
决于很多偶然因素，ts具有分散性。
ts每次都不一样，要确定ts就要记录多个时 间值进行统计，故称为统计时延。
t1 ts
tf
tlag tb
击穿气体间隙实验报告
一、实验目的1. 研究气体间隙的击穿特性，了解气体间隙击穿电压与电极距离、电场分布、气体种类等因素的关系。
2. 掌握气体间隙击穿实验的基本原理和方法。
3. 分析实验数据，得出气体间隙击穿电压与各因素之间的关系。
二、实验原理气体间隙击穿实验是研究气体介质在电场作用下，从绝缘状态转变为导电状态的现象。
实验过程中，通过施加不同电压，观察气体间隙的击穿电压和击穿现象，从而研究气体间隙的击穿特性。
击穿电压是指在电场作用下，气体间隙从绝缘状态转变为导电状态所需的电压。
气体间隙击穿电压与电极距离、电场分布、气体种类等因素有关。
本实验主要研究电极距离和电场分布对气体间隙击穿电压的影响。
三、实验仪器与设备1. 气体间隙击穿实验装置：包括直流高压电源、电极、电极支架、电压表、电流表等。
2. 气体：空气、氮气、氩气等。
3. 温度计、湿度计等。
四、实验步骤1. 将电极安装在电极支架上，调整电极距离。
2. 在气体间隙中充入待测气体，记录气体压力、温度、湿度等参数。
3. 打开直流高压电源，逐渐增加电压，观察气体间隙的击穿现象。
4. 记录气体间隙的击穿电压和击穿现象。
5. 重复步骤1-4，研究不同电极距离、气体种类对气体间隙击穿电压的影响。
五、实验结果与分析1. 不同电极距离对气体间隙击穿电压的影响实验结果表明，随着电极距离的增加，气体间隙击穿电压逐渐增大。
这是因为电极距离增大，电场强度减小，气体间隙的击穿电压相应提高。
2. 不同气体种类对气体间隙击穿电压的影响实验结果表明，在相同电极距离下，不同气体种类的气体间隙击穿电压存在差异。
其中，氩气的击穿电压最高，其次是氮气，空气的击穿电压最低。
这是因为不同气体的电离能不同，电离能越高，气体间隙的击穿电压越高。
3. 电场分布对气体间隙击穿电压的影响实验结果表明，在电极距离不变的情况下，改变电极形状可以改变电场分布，从而影响气体间隙的击穿电压。
例如，将针状电极改为平板电极，可以减小气隙中的最大电场强度，提高气体间隙的击穿电压。
高电压 技术 提高气体间隙击穿电压的措施
屏障用绝缘材料制成，但它本身的绝缘性能 无关紧要，重要的是它的密封性(拦住带电粒子的 能力)。它一般安装在电晕间隙中，其表面与电力 线垂直。
屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同 号的空间电荷，这样就能使电晕电极与屏障之间 的空间电场强度减小，从而使整个气隙的电场分 布均匀化。
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六氟化硫和气体绝缘电气设备
➢六氟化硫的绝缘性能 ➢六氟化硫理化特性方面的若干问题 ➢六氟化硫混合气体 ➢气体绝缘电气设备
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六氟化硫(SF6)气体： ➢20世纪60年代开始作为绝缘媒质和灭弧媒质 使用于某些电气设备(首先是断路器)中； ➢至今已是除空气外应用最广泛的气体介质。
2.导电微粒 设备中的导电微粒有两大类，即固定微粒和自
由微粒，前者的作用与电极表面缺陷相似，而后者 因会在极间跳动而对SF6气体的绝缘性能产生更大的 不利影响。
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(四)六氟化硫理化特性方面的若干问题
气体要作为绝缘媒质应用于工程实际，不但应具
有高电气强度，而且还要具备良好的理化特性。SF6 气体是唯一获得广泛应用的强电负性气体的原因即在
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一、改进电极形状以改善电场分布
电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就 越大。因此，可以通过改进电极形状的方法来减 小气隙中的最大电场强度，以改善电场分布，提 高气隙的击穿电压。如：
➢增大电极的曲率半径(屏蔽) ➢消除电极表面的毛刺 ➢消除电极表面尖角
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利用屏蔽来增大电极的曲率半径是一种常 用的方法。以电气强度最差的“棒一板”气隙 为例，如果在棒极的端部加装一只直径适当的 金属球，就能有效地提高气隙的击穿电压。
高电压 考试集锦
高电压技术总复习第一章气体的放电基本物理过程和电气强度一、气体放电的一般分类：（根据电源容量、气体压力、电极形状不同）•辉光放电：气体压力小，点与昂功率很小，电流密度较小，放电区域占据电极的整个空间。
如节日彩灯等•火花放电:在大气压力下，电源功率较小时，间隙间歇性击穿，放电通道细而明亮。
•电弧放电：大气压力下，电源功率较大时，放电具有明亮、持续的细致通道•电晕放电：极不均匀电场中，高电场强度电极附近出现发光薄层。
二、气体间隙中带电质点的产生（1）碰撞游离：气体中带电质点在电场中获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者引起游离。
自由行程：一个带电质点在两次碰撞之间自由通过的平均距离。
自由行程与分子密度有关，分子密度越大自由行程越长，越容易获得足够的动能发生碰撞游离。
（2）光游离：所谓光游离是指由于光辐射引起的原子或分子游离W=hv=hc/λh ——普朗克常熟v ——光子频率λ——波长通常我们看到的可见光不会发生光游离，只有一些短的才会发生光游离，比如：宇宙射线、γ射线等所谓热游离并不是一种新游离，它实质上是在热状态下发生的碰撞游离和热辐射下引起的光游离。
这两种游离结合起来形成热游离。
（3）热游离：气体在热状态下引起的游离过程称为热游离所谓热游离并不是一种新游离，它实质上是在热状态下发生的碰撞游离和热辐射下引起的光游离。
这两种游离结合起来形成热游离。
第一节汤逊理论和流注理论1、自持放电与非自持放电必须借助外力因素才能维持的放电称为非自持放电不需其他任何加外电离因素而仅由电场的作用就能自行维持的放电称为自持放电2、汤逊理论α过程：（1）电子崩的形成，电子数按几何级数不断增多，像雪崩似的发展，这种急剧增大的空间电子流——电子崩（2）α过程引起的电流：只有α过程，放电不能自持。
β过程：正离子碰撞游离系数β——一个正离子沿着电场方向行径1cm长度，平均发生的碰撞电离次数；也称之为汤逊第二游离系数。
正离子在运动时，不易积累能引起碰撞游离的能量，因而β值极小，在分析时可予忽略 γ过程：正离子表面电离系数γ——表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属释放出的自由电子数。