高電壓技術(shù)

緒論電網(wǎng)發(fā)展歷史

輸電電壓一般分高壓、超高壓和特高壓。高壓（HV）：35?220kV；超高壓（EHV）：330?750kV；特高壓（UHV）：1000kV及以上。高壓直流（HVDC）：±600kV及以下；特高壓直流（UHVDC）：±600kV以上，包括±750kV和±800kV。

1908年，美國建成了世界第一條110kV輸電線路；經(jīng)過15年，于1923年，第一條230kV線路投入運行；1954年建成第一條345kV線路。從230kV電壓等級到345kV電壓等級經(jīng)歷了31年。在345kV投運15年后，1969年建成了765kV線路。

1952年，瑞典建成世界上第一條380kV超高壓線路。

1965年，加拿大建成世界第一條735kV超高壓線路。一、高壓輸電的發(fā)展一、高壓輸電的發(fā)展電網(wǎng)發(fā)展歷史

1952年，前蘇聯(lián)建成第一條330kV線路；1956年建成400kV線路；1967年建成750kV線路。從330kV電壓等級發(fā)展到750kV電壓等級用了15年時間。歐洲和美國，在超高壓輸電方面，主要發(fā)展345kV、380kV和750kV電壓級，500kV線路發(fā)展比較慢。1964年，美國建成第一條500kV線路，從230kV到500kV輸電，時間間隔達(dá)36年。前蘇聯(lián)的500kV電壓等級是在400kV基礎(chǔ)上升級發(fā)展起來的，1964年，建成完善的500kV輸電系統(tǒng)。

1985年，前蘇聯(lián)建成世界上第一條1150kV特高壓輸電線路。從500kV電壓等級到1150kV電壓等級用了20年時間。一、高壓輸電的發(fā)展電網(wǎng)發(fā)展歷史中國，1949年新中國成立后，按電網(wǎng)發(fā)展統(tǒng)一電壓等級，逐漸形成經(jīng)濟(jì)合理的電壓等級系列：

1952年，用自主技術(shù)建設(shè)了110kV輸電線路，逐漸形成京津唐110kV輸電網(wǎng)。

1954年，建成豐滿至李石寨220kV輸電線路，隨后繼續(xù)建設(shè)遼寧電廠至李石寨，阜新電廠至青堆子等220kV線路，迅速形成東北電網(wǎng)220kV骨干網(wǎng)架。

1972年建成330kV劉家峽—關(guān)中輸電線路，全長534km，隨后逐漸形成西北電網(wǎng)330kV骨干網(wǎng)架。

1981年建成500kV姚孟—武昌輸電線路，全長595km。一、高壓輸電的發(fā)展電網(wǎng)發(fā)展歷史水電廠送出工程的需要，1983年又建成葛洲壩-武昌和葛洲壩-雙河兩回500kV線路，開始形成華中電網(wǎng)500kV骨干網(wǎng)架。

1989年建成±500kV葛洲壩-上海高壓直流輸電線，實現(xiàn)了華中-華東兩大區(qū)的直流聯(lián)網(wǎng)。中國，在逐漸形成330kV和500kV區(qū)域輸電骨干網(wǎng)架的同時，于20世紀(jì)80年代初開始了330kV和500kV以上更高電壓等級的論證。1984年，國家明確提出500kV以上的輸電電壓為1000kV特高壓、330kV以上的輸電電壓為750kV。

2005年9月，中國在西北地區(qū)（青海官廳—蘭州東）建成了一條750kV輸電線路，長度為140.7km。輸、變電設(shè)備，除GIS外，全部為國產(chǎn)。一、高壓輸電的發(fā)展電網(wǎng)發(fā)展的歷史表明：相鄰兩個電壓等級的級差，在一倍以上是經(jīng)濟(jì)合理的。新的更高電壓等級的出現(xiàn)時間一般為15—20年。前蘇聯(lián)1150kV輸電線路的運行表明：特高壓輸電技術(shù)和設(shè)備，經(jīng)過20年的研究和開發(fā)，到20世紀(jì)80年代中期，已達(dá)到用于實際的特高壓輸電工程的要求。提高電壓等級的主要原因（2）電力的遠(yuǎn)距離輸送（1）對電力需求的激增不同的輸電電壓等級組成的輸電網(wǎng)有不同的輸電能力。在規(guī)劃未來的電網(wǎng)電壓等級時，通常用自然功率來粗略地比較其的輸電能力。自然功率--在輸電線路末端接上相當(dāng)于的波阻抗負(fù)荷時，線路所輸送的功率。其中L0是輸電線路的單位長度的串聯(lián)電感，C0是線路單位長度的電容。自然功率P0≈U2/ZC。提高電壓的效益降低線路損耗節(jié)省線路走廊降低線路造價長距離輸電可聯(lián)接地域網(wǎng)，有利于電力調(diào)度降低工作電流和系統(tǒng)短路電流，利于系統(tǒng)運行和降低設(shè)備造價例：輸送750萬千伏安容量的電力345kV電壓等級，需要七條雙回線，走廊寬度為221.5m1200kV電壓等級，僅需一條單回線，走廊寬度為91.5m世界各國在選擇345kV和500kV以上的更高電壓等級時，都經(jīng)過了廣泛的調(diào)查和分析比較，并進(jìn)行了大量的計算得出結(jié)論：對于330kV（345kV）電網(wǎng)，選用750kV（765kV），平均輸電距離300km及以上；對于500kV電網(wǎng)，選用1000kV（1100kV），平均輸送距離500km及以上。目前，已經(jīng)形成兩個超高壓-特高壓電網(wǎng)電壓等級系列：330（345）kV--750kV；500kV–1000（1100）kV。新發(fā)展特高壓輸電各國發(fā)展特高壓輸電的原因不盡相同

俄羅斯有可能在2020年左右建設(shè)1800～2000kV線路

直流輸電、緊湊型輸電及靈活輸電直流輸電的優(yōu)越性值得重視我國第一條220kV緊湊型試驗線路從北京安定到河北廊坊，長26公里，于1994年9月投入試運行

其它的輸電方式如超導(dǎo)輸電、低溫輸電、無線輸電、多相輸電等也在研究中向家壩-上海特高壓直流示范工程奉賢站首臺換流變壓器（2009年）二、中國電力工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展電壓等級

已建成交流500kV、330kV、220kV、110kV、35kV及直流

500kV電壓等級，西北正在建設(shè)750kV線路，規(guī)劃建設(shè)百萬伏級交流和±750千伏級直流系統(tǒng)組成的輸電網(wǎng)絡(luò)我國電網(wǎng)基本框架發(fā)展全國聯(lián)網(wǎng)是解決我國能源分布與電力消費矛盾的重要措施

建立特高壓為骨架，新能源為特色的新型國家能源安全網(wǎng)高壓實驗室三、高電壓工程的主要問題19電力工業(yè)與高電壓技術(shù)的密切關(guān)系

絕緣問題絕緣材料研究各種絕緣材料在高電壓下的各種性能、現(xiàn)象以及相應(yīng)的過程、理論

絕緣結(jié)構(gòu)（電場結(jié)構(gòu)）同一種材料在不同的絕緣結(jié)構(gòu)下的外在表現(xiàn)

電壓形式同樣的材料、結(jié)構(gòu)，在不同電壓下，絕緣性能不相同試驗問題各種經(jīng)濟(jì)、靈活的高電壓發(fā)生裝置電氣設(shè)備各種絕緣試驗項目的設(shè)計預(yù)防性試驗在線監(jiān)測、故障診斷狀態(tài)維修高電壓的測量高強量、微弱量、快速量過電壓防護(hù)問題外過電壓（雷電過電壓）內(nèi)過電壓老化、污穢（在運行電壓及過電壓下）保護(hù)裝置分析各類過電壓的特點及形成條件，研究各種保護(hù)裝置及其保護(hù)特性

工頻過電壓諧振過電壓操作過電壓絕緣配合中心問題：解決電力系統(tǒng)中過電壓與絕緣這一對矛盾，將電力系統(tǒng)絕緣確定在既經(jīng)濟(jì)又可靠的水平電磁環(huán)境問題電磁兼容更多的電子及微電子設(shè)備對強電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，其對暫態(tài)干擾具有明顯的敏感性和脆弱性

強電系統(tǒng)電壓高、容量大，對弱電系統(tǒng)產(chǎn)生更加強烈的電磁干擾開展關(guān)于如何限制弱電系統(tǒng)內(nèi)的暫態(tài)干擾電壓的試驗及研究工作

生態(tài)效應(yīng)四、高電壓學(xué)科的特點1與應(yīng)用物理的聯(lián)系緊密2實驗/經(jīng)驗性3理論探索性4瞬變性（Compatibility）5與其他學(xué)科的交叉與滲透性理工結(jié)合的學(xué)科內(nèi)涵四、高電壓學(xué)科的特點五、高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用27高壓靜電除塵已有十分廣泛成熟的應(yīng)用?；陟o電吸引的作用收集灰塵

電火花加工利用火花放電時的放電能量處理加工材料五、高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用體外碎石技術(shù)腎結(jié)石、膽結(jié)石的體外粉碎是利用高壓脈沖產(chǎn)生一定向沖擊波，經(jīng)聚焦后作用于患處將結(jié)石擊碎(上海交大率先開發(fā)成功，由此成果當(dāng)事人成為中國工程院院士)除菌及清鮮空氣利用空氣中電暈放電，控制產(chǎn)生一定濃度臭氧(強氧化劑)，達(dá)到殺菌及清潔空氣的作用(目前空調(diào)中所謂的等離子體空氣清新技術(shù))污水處理利用高頻脈沖高壓產(chǎn)生高濃度臭氧，與污水作用能夠分解污水中的有機物，去除臭氣，實現(xiàn)污水的處理煙氣處理利用高功率脈沖形成高能活性離子，可以實現(xiàn)工廠煙氣的脫硫脫硝，凈化排污（國家863項目）五、高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用五、高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用等離子體隱身利用等離子體與電磁波的作用機制(能夠有效吸收大量的電磁波),產(chǎn)生覆蓋飛行器的等離子體層，能有效吸收雷達(dá)信號，達(dá)到隱身的目的國家自然科學(xué)基金重大研究項目五、高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用等離子體表面處理高壓放電產(chǎn)生活性粒子作用于織物等，增強材料表面活性，不但易于染色和進(jìn)行表面涂覆等，且處理過程對環(huán)境不會有污染。是當(dāng)前印染行業(yè)十分看好的織物處理技術(shù)三次采油技術(shù)將高功率脈沖電源引至油井下進(jìn)行瞬間放電，產(chǎn)生很強的沖擊波，此沖擊波將地下巖層震裂，使得原有的縫隙增大(解堵作用)，原油滲出更容易，能提高油井的產(chǎn)量等離子體推進(jìn)利用高壓放電產(chǎn)生等離子體，通過等離子體間的電磁相互作用(排斥力)推進(jìn)艦艇，具有無聲的優(yōu)點，可有效避免被敵人的聲納探測五、高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用六、高電壓技術(shù)面臨的主要問題提高設(shè)備可靠性的技術(shù)問題設(shè)備緊湊化高場強的技術(shù)問題新型絕緣材料的開發(fā)大功率電力電子器件在高壓中的應(yīng)用架空線及變電所的電磁環(huán)境七、研究機構(gòu)與學(xué)術(shù)刊物大學(xué)、企業(yè)、科研、刊物、會議等美國電力公司（AEP）、邦德維爾（BPA）電力局、通用電力公司和美國電力研究院（EPRI），俄羅斯電氣研究院、列寧格勒直流研究院、全蘇線路設(shè)計院；中央電力研究所（CRIEPI）、東京電力公司（TEPCO）和NGK絕緣子公司，意大利電力公司，加拿大魁北克水電局高壓試驗室；中國電力科學(xué)研究院、武漢高壓研究所，電力建設(shè)研究所 美—MIT、OhioStateUniversity等 英—OxfordUniversity、UMIST、SouthamptonUniv.等 德—MunchenTech.Univ.、Tech.Univ.ofDresden等 加—Univ.ofBritishColumbia等 日：名古屋大學(xué)等刊物： 美國IEEE系列期刊：Trans.onPlasmaScience,onPWRD,onEMC,onEI等 英國IEE系列期刊：Proc.IEE等 日本電氣學(xué)會論文志：Trans.IEEJapan

會議：

InternationalSymposiumonHighVoltageEngineeringInternationalConferenceonGasDischargesandTheirApplicationsInternationalConferenceonPlasmaScienceInternationalConferenceonPulsePowerInternationalConferenceonPropertiesandApplicationsofDielectricMaterials高電壓技術(shù)與工程

第一章

氣體電介質(zhì)的絕緣特性重要知識點清單本章知識要點氣體電介質(zhì)絕緣什么是電介質(zhì)帶電粒子的產(chǎn)生和消失最簡單的情形：均勻電場中的氣體擊穿平行板電極實驗放電電流與電壓的關(guān)系湯遜理論電子崩的形成？α、β和γ過程自持條件？本章知識要點什么是電介質(zhì)？氣體中如何產(chǎn)生帶電粒子？原子的激勵（對應(yīng)）分子的電離幾種電離方式碰撞電離、光電離、熱電離、表面電離注意表面電離有多種方式！存在帶電粒子的氣體為什么呈現(xiàn)絕緣狀態(tài)？幾種帶電粒子的去電離過程定向運動、擴散、復(fù)合、附著附著效應(yīng)與氣體分子電負(fù)性的關(guān)系！本章知識要點均勻電場中氣體擊穿放電的過程平行板電極實驗：低氣壓、均勻場（平行板電極）、短間隙下氣體間隙如何實現(xiàn)自持放電？通過U-I曲線解釋從非自持放電到自持放電的發(fā)展過程注意電流飽和現(xiàn)象，何時轉(zhuǎn)入自持放電？湯遜放電電子崩的發(fā)展原因兩個概念：起始電子，碰撞電離過程（系數(shù)）β過程（系數(shù)）：為何β過程可以忽略？γ過程（系數(shù)）形成自持放電的臨界條件：本章知識要點巴申定律和湯遜理論互為印證巴申曲線為何有最小值？可用物理原理解釋可用數(shù)學(xué)方法推知巴申定律的隱含意義真空和高氣壓都可以實現(xiàn)良好絕緣湯遜理論的核心觀點碰撞電離－》與過程相關(guān)γ過程對自持放電不可或缺本章知識要點流注理論請從和湯遜理論的比較進(jìn)行理解強調(diào)電子與正離子遷移速度不均衡導(dǎo)致的空間電場畸變碰撞電離和光電離并重電子崩－>流注的臨界條件：電子崩頭部足夠“強”注意：正流注和負(fù)流注產(chǎn)生的條件？外施高過電壓時－>負(fù)流注負(fù)流注運動速度快流注理論和湯遜理論的互補關(guān)系？如何解釋放電外形、時間、材料對放電特性的影響本章知識要點不均勻電場中氣體擊穿放電的過程稍不均勻場和極不均勻場的判定從間隙尺寸來判斷從放電現(xiàn)象來判斷電暈放電極不均勻場的特殊性極性效應(yīng)電暈放電電暈放電：一種特殊的自持放電起因：不均勻場中處于相對強電場區(qū)電極表面的電離電暈放電與細(xì)線效應(yīng)電暈放電的后果：電暈損耗、電暈干擾計算電暈起始電壓的基本表達(dá)式本章知識要點極不均勻場中的流注過程典型實例：“棒－板”間隙初始電子－》電子崩－》流注－》熱電離，先導(dǎo)－》貫穿性通道－》間隙擊穿極不均勻場中發(fā)生電暈和流注的區(qū)別外施電壓的高低決定了是發(fā)生電暈還是流注U<Ub，電暈U>Ub，流注本章知識要點極性效應(yīng)不均勻場中才存在明顯的極性效應(yīng)根本原因：電子崩－流注發(fā)展過程中空間電荷分布不均勻造成的電場畸變“正棒－負(fù)板”、“負(fù)棒－正板”復(fù)習(xí)時可以根據(jù)電力線分布來分析說明請注意極性效應(yīng)與后續(xù)其他知識點的聯(lián)系對穩(wěn)態(tài)擊穿電壓的影響等等本章知識要點擊穿電壓：評價電介質(zhì)絕緣性能的量化判據(jù)對于需要利用絕緣性能的場合：越高越好對于需要利用放電特性的場合：越低越好正確理解“提高”或“降低”擊穿電壓的意思均勻電場中的擊穿電壓不會發(fā)生電暈放電稍不均勻場中的擊穿電壓與均勻場類似不對稱電場中有極性效應(yīng)本章知識要點極不均勻場中的擊穿電壓與起暈電壓是兩個概念，注意區(qū)分通常指依據(jù)電子崩－流注發(fā)展進(jìn)程的自持放電過程極性效應(yīng)：以“棒－板”“棒－棒”排序工頻下：總是發(fā)生在。。。。直流下：原因工頻下存在擊穿電壓－間隙距離的“飽和”趨勢，所以。。。。本章知識要點標(biāo)準(zhǔn)雷電波定義沖擊電壓下放電時延的定義什么是統(tǒng)計時延、形成時延減小統(tǒng)計時延的方法——理解定義后可推知減小形成時延的方法——理解定義后可推知50%雷電擊穿電壓極性效應(yīng)：本章知識要點伏秒特性和放電時延有密切聯(lián)系伏秒特性曲線的畫法如何判斷哪種伏秒特性配合正確操作沖擊標(biāo)準(zhǔn)波形250us/2500us50%操作沖擊擊穿電壓總之，不同場下的不同擊穿特性：理解并熟悉四種電壓和三種電場的組合擊穿特性直流、交流工頻、雷電、操作沖擊均勻場、稍不均勻場、極不均勻場本章知識要點大氣條件對間隙擊穿的影響幾個公式的簡單計算提高氣體擊穿電壓的措施列舉幾種措施與“概念”和“理論”部分結(jié)合來解釋原因沿面放電表面電場出現(xiàn)畸變的原因滑閃放電出現(xiàn)在哪種沿面中？改善沿面放電特性的方法列舉課程內(nèi)容1.1氣體中帶電粒子的產(chǎn)生和消失在電場作用下，氣隙中帶電粒子的形成和運動過程氣隙中帶電粒子是如何形成的？氣隙中的導(dǎo)電通道是如何形成的？氣隙中導(dǎo)電通道形成后是如何維持持續(xù)放電的？原子激勵和電離

原子能級以電子伏（eV）為單位

1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J原子激勵

原子在外界因素作用下，其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)，所需能量稱為激勵能We激勵狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時，輻射出相應(yīng)能量的光子，光子（光輻射）的頻率

原子電離——

原子在外界因素作用下，獲得能量，使其一個或幾個電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過程電離過程所需要的能量——電離能Wi（10-15eV），也可用電離電位Ui（V）

1.1.1氣體中帶電粒子的產(chǎn)生（一）氣體分子的電離可由下列因素引起：

（1）電子或正離子與氣體分子的碰撞電離

（2）各種光輻射（光電離）

（3）高溫下氣體中的熱能（熱電離）（二）金屬（陰極）的表面電離（一）碰撞電離自由行程：粒子在兩次碰撞之間的行程電子的平均自由行程要比分子和離子的大得多氣體分子密度越大，其中粒子的平均自由行程越小。對于同一種氣體，其分子密度和該氣體的密度成正比自由行程的分布：具有統(tǒng)計性的規(guī)律。粒子的自由行程大于x的概率為如果起始有n0個粒子（或一個粒子的相繼n0次碰撞），則其中行過距離x后，尚未被碰撞的粒子數(shù)（或次數(shù)）n(x)應(yīng)為粒子的平均自由行程

：一個粒子在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通過的平均行程電子在其自由行程內(nèi)從外電場獲得動能，能量除決定于電場強度外，還和其自由行程有關(guān)（一）碰撞電離氣體放電中，碰撞電離主要是由電子和氣體分子碰撞而引起的在電場作用下，電子被加速而獲得動能。當(dāng)電子的動能滿足如下條件時，將引起碰掩電離

碰撞電離的形成與電場強度和平均自由行程的大小有關(guān)（二）光電離光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光電離自然界、人為照射、氣體放電過程當(dāng)氣體分子受到光輻射作用時，如光子能量滿足下面條件，將引起光電離，分解成電子和正離子光輻射能夠引起光電離的臨界波長（即最大波長）為對所有氣體來說，在可見光（400

750nm）的作用下，一般是不能直接發(fā)生光電離的

(三）熱電離因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程——熱電離（碰撞電離與光電離的綜合）氣體分子的平均動能和氣體溫度的關(guān)系為

在它們相互碰撞時，就可能引起激勵或電離在高溫下，例如發(fā)生電弧放電時，氣體溫度可達(dá)數(shù)千度，氣體分子動能就足以導(dǎo)致發(fā)生明顯的碰撞電離高溫下高能熱輻射光于也能造成氣體的電離（四）金屬（陰極）的表面電離陰極發(fā)射電子的過程逸出功（1－5eV）

：與金屬的微觀結(jié)構(gòu)、金屬表面狀態(tài)有關(guān)金屬表面電離的多種方式（1）正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極時使電子逸出金屬（傳遞的能量要大于逸出功）。逸出的電子有一個和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子。因此正離子必須碰撞出一個以上電子時才能出現(xiàn)自由電子表面電離的形式（2）光電效應(yīng)金屬表面受到光的照射，當(dāng)光子的能量大于選出功時，金屬表面放射出電子（3）強場放射（冷放射）當(dāng)陰極附近所加外電場足夠強時，使陰極放射出電子（4）熱電子放射當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時，其中的電子獲得巨大動能，逸出金屬1.1.2氣體中帶電粒子的運動與消失（一）電場作用下氣體中帶電粒子的運動（定向運動，消失）（二）帶電粒子的擴散（三）帶電粒子的復(fù)合（中和，空間或器壁）（四）附著效應(yīng)（一）

電場作用下氣體中帶電粒子的運動帶電粒子產(chǎn)生以后，在外電場作用下將作定向運動，形成電流

在氣體放電空間，帶電粒子在一定的電場強度下運動達(dá)到某種穩(wěn)定狀態(tài)，保持平均速度，即上述的帶電粒子的驅(qū)引速度

b—遷移率

電子遷移率比離子遷移率大得多，即使在很弱的電場中，電子遷移率也隨場強而變（二）帶電粒子的擴散帶電粒子的擴散和氣體分子的擴散一樣，都是由于熱運動造成，帶電粒子的擴散規(guī)律和氣體的擴散規(guī)律也是相似的氣體中帶電粒子的擴散和氣體狀態(tài)有關(guān)，氣體壓力越高或者溫度越低，擴散過程也就越弱電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運動速度很高，它在熱運動中受到的碰撞也較少，因此，電子的擴散過程比離子的要強得多（三）帶電粒子的復(fù)合

正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過程在帶電粒子的復(fù)合過程中會發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又可能成為導(dǎo)致電離的因素

正、負(fù)離子間的復(fù)合概率要比離子和電子間的復(fù)合概率大得多。通常放電過程中電子先形成負(fù)離子再與正離子復(fù)合一定空間內(nèi)帶電粒子由于復(fù)合而減少的速度決定于其濃度有些氣體分子具有較大的電子親和力電子和這些中性氣體分子碰撞非但不會電離出新電子，反而是碰撞電子附著分子，形成了負(fù)離子有些氣體形成負(fù)離子時可釋放出能量。這類氣體容易形成負(fù)離子，稱為電負(fù)性氣體（如氧、氟、氯，SF6等）負(fù)離子質(zhì)量大、速度小——阻礙放電，絕緣強度較高（四）附著效應(yīng)——負(fù)離子的形成自持放電需要外部電離因素維持一旦撤除外部電離因素，恢復(fù)絕緣非自持放電無需外部電離因素維持撤除外部電離因素，仍可導(dǎo)電1.2均勻電場中氣體的擊穿平行板電極實驗

外施電壓0~Ua時，電流近似線性上升，間隙中的帶電粒子參與導(dǎo)電：電壓上升、速度加快、電流增大平行板電極實驗

外施電壓Ua~Ub時，電流近似飽和，間隙中的帶電粒子全部參與導(dǎo)電非自持放電外施電壓小于Ub時，間隙內(nèi)雖有電流，但其數(shù)值甚小，通常遠(yuǎn)小于微安級，因此氣體本身的絕緣性能尚未被破壞，即間隙還未被擊穿。而且這時電流要依靠外電離因素來維持。如果取消外電離因素，那么電流也將消失（b后出現(xiàn)碰撞電離）自持放電當(dāng)電壓達(dá)到Uc后，氣體中發(fā)生了強烈的電離，電流劇增。同時氣體中電離過程只靠電場的作用已可自行維持，而不再繼續(xù)需要外電離因素了。因此Uc以后的放電形式也稱為自持放電由非自持放電轉(zhuǎn)入自持放電的電壓稱為自持放電起始電壓如電場比較均勻，則間隙將被擊穿，此后根據(jù)氣壓、外回路阻抗等條件形成輝光放電、火花放電或電弧放電，而起始電壓Uc也就是間隙的擊穿電壓UB如電場極不均勻，則當(dāng)放電由非自持轉(zhuǎn)入自持時，在大曲率電極表面電場集中的區(qū)域發(fā)生電暈放電，這時起始電壓是間隙的電暈起始電壓，而擊穿電壓可能比起始電壓高很多

1.2.2湯遜放電理論湯遜放電理論流注放電理論這兩種理論互相補充，可以說明廣闊的pd（壓力和極間距離的乘積）范圍內(nèi)氣體放電的現(xiàn)象湯遜理論認(rèn)為，當(dāng)均勻電場、低氣壓、短間隙（pd較?。l件下，電子的碰撞電離和正離子撞擊陰極造成的表面電離起這主要作用，氣隙的擊穿電壓大體上是pd的函數(shù)（1）電子崩的形成（

過程）

U>Ub后，一個起始電子自電場獲得一定動能后，會碰撞電離出一個第二代電子；這兩個電子作為新的第一代電子，又將電離出新的第二代電子，這時空間已存在四個自由電子；這樣一代一代不斷增加的過程——形成電子崩

系數(shù)——一個電子沿著電場方向行經(jīng)單位長度后，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)（形成電子崩）如設(shè)每次碰撞電離只產(chǎn)生一個電子和一個正離子，

即是一個電子在單位長度行程內(nèi)新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù)β系數(shù)——一個正離子沿著電場方向行經(jīng)單位長度后平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)（離子崩）——可以忽略γ系數(shù)——碰撞陰極表面的正離子，使陰極金屬表面平均釋放出的自由電子數(shù)（陰極發(fā)射電子）77

系數(shù)設(shè)：從陰極發(fā)出一個電子，經(jīng)多次碰撞電離，在經(jīng)過距離陰極x后，產(chǎn)生n個電子這n個電子行過dx之后，又會產(chǎn)生dn個新的電子

對于均勻電場，

不隨空間位置而變新產(chǎn)生的電子數(shù)和正離子數(shù)為

（2）系數(shù)到達(dá)陰極的正離子數(shù)從陰極電離出的電子數(shù)（3）自持放電條件放電由非自持轉(zhuǎn)入自持的條件為

物理意義引起碰撞電離的必要條件只有那些自由行程超過xi＝Ui／E的電子，才能與分子發(fā)生碰撞電離若電子的平均自由行程為，自由行程大于xi的概率為在單位長度內(nèi)，一個電子的平均碰撞次數(shù)為1／

其中是電離碰撞次數(shù)，氣體溫度不變時，1／

＝Ap代入自持放電的臨界條件及得影響擊穿電壓的因素均勻電場中氣體的自持放電的起始電壓，等于氣隙的擊穿電壓U0。 U0＝f(Pd)

1.2.3巴申（Paschen）定律巴申曲線P0＝101.3（kPa)δ—空氣的相對密度1.2.4湯遜放電理論的適用范圍適用于低氣壓、短間隙（Pd比較小）電力工程上經(jīng)常接觸到的是氣壓較高的情況（從一個大氣壓到數(shù)十個大氣壓），間隙距離通常也很大兩者間的主要差異可概述如下（1）放電外形均勻連續(xù)，如輝光放電分枝的明細(xì)通道

輝光放電9091（2）放電時間電子崩的形成需要時間，火花放電時間的計算值比大氣壓下放電的實測值要大得多（3）擊穿電壓Pd較大時，計算值與實驗值有很大出入

（4）

陰極材料的影響實測得到的大氣壓下的擊穿電壓和陰極材料無關(guān)

當(dāng)Pd>26.66kPacm時，湯遜理論不再適用1.2.5流注理論在高氣壓長間隙條件下的氣體放電理論特點：認(rèn)為電子碰撞電離及空間光電離是維持自持放電的主要因素，并強調(diào)了空間電荷畸變電場的作用通過大量的實驗研究（主要在電離室中進(jìn)行的）說明放電發(fā)展的機理電子崩階段空間電荷畸變外電場流注階段光電離形成二次電子崩

（1）電子崩階段（a）初始電子崩陽極側(cè)電子崩數(shù)目多正空間電荷加強了原電場，同時向周圍放射出大量光子（一）流注理論（b）二次電子崩

光子使附近的氣體因光電離而產(chǎn)生二次電子它們在由正空間電荷所引起的畸變和加強了的局部電場作用下，又形成新的電子崩，即二次電子崩（2）流注的形成和發(fā)展二次電子崩中的電子＋初始電子崩的正空間電荷——混合通道（流注）。流注通道＋二次崩留下的正電荷，大大加強了流注發(fā)展方向的電場，產(chǎn)生新電子崩，從而使流注向前發(fā)展97（3）間隙的擊穿流注不斷向陰極推進(jìn)，頭部電場越來越強，因而其發(fā)展也越快流注發(fā)展到陰極，間隙被導(dǎo)電良好的等離子通道所貫通——間隙擊穿電離室電離室結(jié)構(gòu)示意圖

1－照射火花間隙；2－石英窗；3－電極4－玻璃壁；5－橡皮膜；6－絕緣柱研究放電時的電路圖N－電離室；S－火花間隙；L'、L''、K－短路回路在電離室中得到的初始電子崩照片圖a和圖b的時間間隔為1

10-7秒p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/厘米初始電子崩轉(zhuǎn)變?yōu)榱髯⑺查g照片p＝273毫米汞柱E=12千伏/厘米電子崩在空氣中的發(fā)展速度約為1.25107cm/s在電離室中得到的陽極流注發(fā)展過段的照片正流注的發(fā)展速度約為11082108cm/s自持放電條件形成流注——空間光電離維持放電（自持放電）如果電場均勻，間隙就將被擊穿。所以流注形成的條件就是自持放電條件，在均勻電場中也就是導(dǎo)致?lián)舸┑臈l件。流注形成的條件：足夠的空間光游離——較多的初始電子崩（電子崩積累到一定的數(shù)量）（二）流注理論對高氣壓、長間隙（pd很大）放電現(xiàn)象的解釋1．放電外形具有通道形式流注前方隨著其向前發(fā)展而更為增強多流注之間互相抑制發(fā)展二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統(tǒng)計性，所以火花通道常是曲折的，并帶有分枝。電子崩則不然，由于其中電荷密度較小，故電場強度還很大，因而不致影響到鄰近空間內(nèi)的電場，所以不會影響其它電子崩的發(fā)展2．放電時間二次電子崩由光電離形成，所以流注發(fā)展速度極快——放電時間特別短3．陰極材料的影響維持放電靠光電離，而不是陰極表面的電離過程，與材料無關(guān)在Pd值較小時，起始電子不可能在穿越極間距離后完成足夠多的碰撞電離次數(shù)，因而難以聚積到足夠的電子數(shù)，這樣就不可能出現(xiàn)流注，放電的自持只能依靠陰極上的γ過程。1.3不均勻電場中氣體的擊穿不均勻電場比均勻電場更接近自然實際不均勻電場分為兩種稍不均勻場極不均勻場高壓和特高壓線路和設(shè)備中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)“極不均勻場”1

擊穿電壓2

電暈起始電壓3

放電不穩(wěn)定區(qū)d≤2D，電場還比較均勻，其放電特性與均勻電場相似，一旦出現(xiàn)自持放電，立即導(dǎo)致整個氣隙擊穿1.3.1稍不均勻場和極不均勻場的放電特點1.3不均勻電場中氣體的擊穿d≥4D，電場分布極不均勻，存在電暈放電。外加電壓進(jìn)一步增大，表面電暈層擴大，并出現(xiàn)刷狀的細(xì)火花，火花變長，最終導(dǎo)致氣隙完全擊穿。電場越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓間的差別也越大！d＝2D~4D，屬于過渡區(qū)域，不穩(wěn)定電暈，可能轉(zhuǎn)為火花放電，轉(zhuǎn)化分散性大。理論上，以電場中最大場強是否超過電暈起始場強為區(qū)分均勻場和不均勻場的標(biāo)準(zhǔn)！——（靜電場計算法）工程上，定義電場不均勻系數(shù)ff<2時，稍不均勻電場f>4時，極不均勻電場總結(jié)稍不均勻電場達(dá)到自持放電條件即發(fā)生擊穿，擊穿電壓只比均勻電場略低；極不均勻場擊穿電壓明顯低于均勻電場極不均勻電場存在電暈放電現(xiàn)象，起暈電壓低于擊穿電壓電暈放電也是自持放電，所以極不均勻電場自持放電電壓不等于擊穿電壓極不均勻場還有極性效應(yīng)！1.3.2電暈放電現(xiàn)象電暈放電現(xiàn)象——電離區(qū)的放電過程造成。強電場——電子崩——復(fù)合——光輻射 咝咝的聲音，臭氧的氣味，微弱的暈光，回路電流明顯增加(絕對值仍很小)，可以測量到能量損失電暈的特點典型電暈一般在“針－針”、“針－板”、“線－板”等極不均勻電場結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)電暈是一種爆發(fā)脈沖式的放電，電暈電流呈現(xiàn)脈沖形式輸電線路屬于一種“線－板”結(jié)構(gòu)電極系統(tǒng)，存在電暈損耗；相互作用：電暈受電場不均勻程度變化影響，同時自己也會改變電場不均勻程度電暈起始電壓和電暈起始場強既然是一種自持放電形式，起始電壓在原理上可由自持放電條件求得

E0的經(jīng)驗公式m－導(dǎo)線表面的粗糙系數(shù)。光滑導(dǎo)線m=1,一般導(dǎo)線m=0.82~0.9,對絞線局部電暈m=0.72電暈電流與能量(a)時間刻度T=125

s(b)0.7

A電暈電流平均值(c)2

A電暈電流平均值電暈電流比較小，但比泄漏電流要大得多?？臻g電荷的運動需要電源供給能量,——輸電線路電暈損耗的主要部分，而使空氣電離所消耗的能量則比較小。電暈的起始階段——一系列短促的陡脈沖組成。電離產(chǎn)生的與導(dǎo)線同號的電荷,導(dǎo)致電離停止。脈沖電流將產(chǎn)生電磁波傳播到空間——造成無線電干擾，輸電線路的電暈還與導(dǎo)線的表面狀況及天氣狀況有關(guān)。導(dǎo)線表面曲率大小影響。雨、雪、霜等壞天氣時，電暈損耗急劇增加。水滴——電場作用——變成錐形電暈損耗對于500－750kV的超高壓輸電線路，在天氣好時電暈損耗一般不超過幾個W/km，而在壞天氣時，可以達(dá)到100W/km以上。因此在設(shè)計超高壓線路時，需要根據(jù)不同天氣條件下電暈損耗的實測數(shù)據(jù)和線路參數(shù)，以及沿線路各種氣象條件的出現(xiàn)概率等對線路的電暈損耗進(jìn)行估算。隨著輸電電壓的提高，電暈問題也越來越突出。在保持同樣電流密度的條件下，導(dǎo)線截面積導(dǎo)體表面電場輸電線的電暈等效變換導(dǎo)線表面場強將隨著電壓的升高而增大降低導(dǎo)線表面場強的方法：增大線間距離D或增大導(dǎo)線半徑r。一般采取適當(dāng)增大導(dǎo)線直徑的辦法為節(jié)省導(dǎo)線材料，通常采用分裂導(dǎo)線的解決辦法，即每相導(dǎo)線由2根或2根以上的導(dǎo)線組成。使得導(dǎo)線表面場強得以降低。電暈影響的兩面性不利影響：能量損失；放電脈沖引起的高頻電磁波干擾；化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕作用等

有利方面：電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅值及陡度；利用電暈放電改善電場分布，提高擊穿電壓；利用電暈放電除塵與臭氧發(fā)生器等1.3.3極不均勻場中的放電過程一、非自持放電階段電子崩產(chǎn)生陽極積聚正電荷陽極附近電場被削弱隨著電壓升高，形成流注，爆發(fā)電暈二、流注發(fā)展階段頭部電場增強——新電子崩——流注前移三、先導(dǎo)放電階段通道根部的電子最多——流注根部溫度升高——出現(xiàn)熱電離——先導(dǎo)通道（具有熱電離過程的通道）。新的電離過程使電離加強，電導(dǎo)增大，從而加大了其頭部前沿區(qū)域中的場強，引起新的流注，導(dǎo)致先導(dǎo)通道不斷伸長。流注根部溫度升高熱電離過程先導(dǎo)通道電離加強，更為明亮電導(dǎo)增大軸向場強更低發(fā)展速度更快長空氣間隙的平均擊穿場強遠(yuǎn)低于短間隙四、主放電過程先導(dǎo)頭部達(dá)到板極。小間隙中的高場強引起強烈電離，帶電粒子高。強電離區(qū)迅速向陽極傳播——主放電過程。主放電通道貫穿電極間隙——擊穿。特點：由于其頭部場強極大，所以主放電通道發(fā)展速度及電導(dǎo)都遠(yuǎn)大于先導(dǎo)通道。１——主放電通道２——主放電和先導(dǎo)通道的交界區(qū)３——先導(dǎo)通道先導(dǎo)的發(fā)展正棒—負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展（ａ）先導(dǎo)和其頭部的流注ｋｍ；（ｂ）流注頭部電子崩的形成；（ｃ）ｋｍ由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注頭部電子崩的形成；（ｅ）沿著先導(dǎo)和空氣間隙電場強度的分布1.3.4極不均勻場中的極性效應(yīng)正棒－負(fù)板電子運動速度快，迅速進(jìn)入棒極；棒極附近積聚起正空間電荷，削弱了棒極附近的電場強度而加強了正離子群外部空間的電場結(jié)果：（1）使電暈起始電壓提高。（2）外部空間電場加強，有利于流注的發(fā)展，因此擊穿電壓較低。負(fù)棒—正板電子崩中的電子離開強電場區(qū)后，不再能引起電離，向陽極運動的速度也越來越慢。電子崩中的正離子加強了棒極附近的場強，使棒極附近容易形成流注。結(jié)論：（1）電暈起始電壓比正極性時要低。（2）正空間電荷產(chǎn)生的附加電場與原電場方向相反，削弱了外部空間的電場，阻礙了流注的發(fā)展，因此擊穿電壓較高。1.4氣體間隙的穩(wěn)態(tài)擊穿電壓波形持續(xù)作用的穩(wěn)態(tài)電壓——直流工頻沖擊電壓（瞬態(tài)）——雷電沖擊

操作沖擊電場形式均勻場稍不均勻場極不均勻場1.4.1均勻電場分散性小直流擊穿電壓＝工頻擊穿電壓均勻電場中空氣的擊穿電壓經(jīng)驗公式d-間隙距離(cm)-空氣相對密度

均勻電場，標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)條件，穩(wěn)態(tài)電壓作用時，

空氣間隙的擊穿電壓峰值Ub與極間距離的關(guān)系

1.4.2稍不均勻電場分散性小直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓基本相等擊穿電壓與電場的均勻度相關(guān)。越均勻，擊穿電壓越高極性效應(yīng)，在不對稱場中1.4.2稍不均勻電場極性效應(yīng)：（球－球間隙）不接地時，無極性效應(yīng)，但通常會接地，此時有極性效應(yīng)假設(shè)球直徑D

當(dāng)d＜D/4，電場相當(dāng)均勻

，直流電壓、工頻電壓及

沖擊電壓作用下，擊穿電

壓都相同

當(dāng)d＞D/4，大地對電場的

畸變作用使間隙電場分布

不對稱，Ub有極性效應(yīng)

負(fù)極性時的擊穿電壓略低

于正極性時的數(shù)值

同一間隙距離下，球電極直徑越大，由于電場均勻程度增加，擊穿電壓也越高

1.4.3極不均勻電場電壓性質(zhì)影響大，分散性大，極性效應(yīng)明顯極性效應(yīng)：最高：負(fù)棒正板，平均擊穿場強約為10kV/cm次高：棒棒，平均擊穿場強約為4.8~5.0kV/cm最低：正棒負(fù)板，平均擊穿場強約為4.5kV/cm（一）直流擊穿電壓“棒－棒”和“棒－板”空氣氣隙的直流擊穿特性“棒－棒”和“棒－板”長間隙的直流擊穿特性（二）工頻擊穿電壓在棒-板間隙中，擊穿總是在棒為正的半周期內(nèi)，電壓達(dá)到幅值附近時發(fā)生工頻擊穿電壓稍低于直流電壓下的擊穿電壓（這是由于前半周期留下的空間電荷對棒極前方的電場有所加強的緣故）棒-棒間隙的擊穿電壓比棒-板間隙的要高一些（這是由于棒-棒的電場更均勻一些）擊穿電壓具有“飽和現(xiàn)象”?！鞍簦簟焙汀鞍簦濉遍L氣隙的工頻擊穿特性

1——棒－棒2——棒－板

在d<1m內(nèi)，“棒－棒”和“棒－板”氣隙的工頻擊穿電壓幾乎相等，當(dāng)d>2m，擊穿電壓與氣隙距離的關(guān)系出現(xiàn)“飽和”趨勢1.5雷電沖擊電壓作用下氣體的擊穿雷電沖擊電壓波形的特點雷電流是沖擊波形的，故由雷閃放電引起的高電壓也具有沖擊波形，是一種非周期性指數(shù)衰減波一、雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形T1＝1.2

s（

30%）

T2＝50

s（

20%）二、放電時延擊穿條件：足夠幅值的電壓，一定時間的作用觀測到的擊穿電壓值，往往大于直流或工頻的靜態(tài)擊穿電壓Us：靜態(tài)擊穿電壓（近似等于直流或工頻擊穿電壓）t1：達(dá)到靜態(tài)擊穿電壓的時間統(tǒng)計時延ts——有效電子（能引起電離過程并最終導(dǎo)致?lián)舸┑碾娮樱┊a(chǎn)生。不均勻電場內(nèi)，ts小。放電形成時延tf——出現(xiàn)電子崩、形成流注、主放電、間隙擊穿。均勻電場內(nèi)，tf小。放電時延tlag＝ts＋

tf影響tlag的因素：dU/dt增大，tlag減小U增大，tlag減小外界電離因素（紫外照射、激光觸發(fā)）沖擊放電所需的全部時間

三、雷電50%沖擊擊穿電壓（U50%）原因——放電時延的分散性電壓升高到一定程度，100％擊穿U50%——在多次施加電壓時，其中半數(shù)導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷?，工程上以此來反映間隙的耐受沖擊電壓的特性試驗方法：多級法（每級加壓6次，曲線），升降法（10次中4－6次擊穿）三雷電沖擊50%擊穿電壓高于穩(wěn)態(tài)擊穿電壓（直流擊穿電壓或工頻擊穿電壓幅值）。

分散性較大。其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取3%。間隙較長時，擊穿通常發(fā)生在波尾。和間隙距離大致呈線性關(guān)系，即無飽和趨勢。

（因為作用時間短，間隙距離加大后，需要提高先導(dǎo)發(fā)展速度才能完成放電，因此擊穿電壓提高）

極不均勻場中的極性效應(yīng)四.伏秒特性以斜角波電壓為例來說明考慮放電時延的必要性在間隙上緩慢地施加直流電壓，達(dá)到靜態(tài)擊穿電壓U0后，間隙中開始發(fā)展起擊穿過程。但擊穿需一定時間

=tl，在此時間內(nèi)電壓上升擊穿完成時間隙上的電壓應(yīng)為U0+

U

伏秒特性的繪制——實驗方法保持間隙距離不變、保持沖擊電壓波形不變，逐級升高電壓使氣隙發(fā)生擊穿，讀取擊穿電壓值U與擊穿時間t擊穿電壓值視擊穿時刻不同取不同的值：波前？，波尾？連接這些坐標(biāo)點。伏秒特性曲線的形狀與電場分布有關(guān)在均勻電場和稍不均勻電場中，擊穿時平均場強較高，放電發(fā)展較快，放電時延較短，伏秒特性曲線平坦。在極不均勻電場中，平均擊穿場強較低，放電時延較長，放電分散性大，伏秒特性曲線較為陡峭。伏秒特性的分散性放電時間具有分散性，每級電壓下放電時間不同，實際上伏秒特性是以上、下包絡(luò)線為界的一個帶狀區(qū)域伏秒特性的用途156Ｓ２對Ｓ1起保護(hù)作用在高幅值沖擊電壓作用下，Ｓ２不起保護(hù)作用1.6操作沖擊電壓作用下氣體的擊穿一、操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形非周期性指數(shù)衰減波推薦操作沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形為250／2500s

衰減振蕩電壓第一個半波的持續(xù)時間在2000一3000s之間，反極性的第二個半波的幅值達(dá)到第一個半波幅值80％二、操作沖擊50%擊穿電壓均勻電場和稍不均勻電場中間隙的操作沖擊50%擊穿電壓、雷電沖擊50%擊穿電壓和工頻擊穿電壓（峰值）幾乎相同，擊穿幾乎發(fā)生在峰值，擊穿電壓的分散性也較小。極不均勻電場中操作沖擊電壓下的擊穿通常發(fā)生在波頭部分，擊穿電壓與波頭時間有關(guān)而與波尾時間無關(guān)。158（1）極性效應(yīng)極不均勻電場中同樣有極性效應(yīng)。正極性下50％擊穿電壓比負(fù)極性下低，所以也更危險（2）電場分布的影響“鄰近效應(yīng)”：接地物體靠近放電間隙會顯著降低其正極性擊穿電壓，但能多少提高一些負(fù)極性擊穿電壓電極形狀對間隙的擊穿電壓也有很大影響超高壓輸變電設(shè)備中，空氣間隙結(jié)構(gòu)不同，操作沖擊擊穿電壓差別很大（3）波形的影響對應(yīng)于極小值的波前時間隨著間隙距離加大而增加，對7m以下的間隙，大致在50

200

s之間放電時延和空間電荷(形成及遷移)這兩類不同因素的影響所造成的放電時延的作用空間電荷對電場的影響50％擊穿電壓極小值的經(jīng)驗公式式中d—間隙距離，m上式對于１

20m的長間隙和試驗結(jié)果很好地符合

（4）分散性大

由于空間電荷的形成、擴散和放電時延具有很大的統(tǒng)計性，所以操作沖擊電壓下間隙的擊穿電壓和放電時間的分散性比雷電沖擊電壓下大得多對于波前時間在數(shù)十到數(shù)百μs的操作沖擊電壓，極不均勻電場間隙50％擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差

約為5％；波前時間超過1000

s以后，可達(dá)8％左右（工頻及雷電沖擊電壓下均約為3％）在一定的波前時間范圍內(nèi)，U50甚至?xí)裙ゎl擊穿電壓低——U形曲線

（5）“飽和”現(xiàn)象極不均勻電場中操作沖擊50％擊穿電壓和間隙距離的關(guān)系具有明顯的“飽和”特征（雷電沖擊50％擊穿電壓和距離大致呈線性關(guān)系）注意：沖擊放電擊穿和脈沖放電雷電、操作沖擊放電是具有標(biāo)準(zhǔn)波形規(guī)定的特殊脈沖放電；標(biāo)準(zhǔn)波形參數(shù)：幅值、上升時間（波前時間）、下降時間（波尾時間）、脈寬或半脈寬等放電時延、伏秒特性、50%擊穿電壓等指標(biāo)同樣適應(yīng)于一般脈沖放電的表述研究脈沖放電擊穿，必需給出波形特征參數(shù)、間隙特征參數(shù)！1.7大氣條件對氣隙擊穿特性的影響標(biāo)準(zhǔn)大氣條件：

氣壓P0=101.3kPa，溫度t0=20℃絕對濕度f0=11g/m3。非標(biāo)準(zhǔn)大氣條件要換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件反映空氣密度一、空氣相對密度的影響氣壓P增大時，帶電粒子的平均自由行程減小，因此在運動中積累的動能就??；擊穿電壓升高溫度T增大時，空氣相對密度減小，平均自由行程增大，擊穿電壓降低。P：氣壓，kPa；t：溫度，度一、空氣相對密度的影響δ＝0.95~1.05范圍內(nèi)變動時，間隙的擊穿電壓與相對密度成正比，實際試驗或運行條件下當(dāng)δ與1相差較大時，須用空氣密度校正系數(shù)Kd對擊穿電壓U進(jìn)行校正

在大氣條件下，空氣間隙的擊穿電壓隨

的增大而升高二、濕度的影響濕度增加，電離能力下降，對放電過程起到抑制作用——濕度越大，間隙的擊穿電壓也會越高（不均勻電場中更明顯）。

濕度矯正系數(shù)：綜合氣壓、溫度、濕度的影響三、對海拔高度的校正隨著海拔增高，空氣密度減小，λ增大，電離能力增大，間隙的擊穿電壓降低。我國的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：1000m<H<4000m地區(qū)的出廠測試U（或稱設(shè)計耐壓水平）與平原地區(qū)外絕緣的Up的關(guān)系為1.8 提高氣體間隙擊穿電壓的措施兩條基本途徑：一、改善電場分布二、削弱氣體中的電離過程(一）改進(jìn)電極形狀增大電極曲率半徑改善電極邊緣一、改善電場分布(一）改進(jìn)電極形狀使電極具有最佳外形175（二）利用空間電荷畸變電場細(xì)線效應(yīng)（工頻下）

D增大后，局部毛刺點的強烈電離，產(chǎn)生刷狀放電細(xì)線效應(yīng)只對穩(wěn)態(tài)電壓有作用，對雷電波沒有作用（三）極不均勻電場中采用屏障－DC棒電極為正極性時正離子聚集在屏障上，并沿表面均勻分布，削弱了正棒頭部的強電場屏障與負(fù)板之間形成均勻電場（三）極不均勻電場中采用屏障棒電極為負(fù)極性時

當(dāng)屏蔽層離開電極一定距離后，吸附的負(fù)離子將加強板前電場，使擊穿電壓低于無屏蔽的情況。屏蔽層靠近負(fù)棒，強電場作用下電子速度大，可以穿透屏蔽層，正離子集聚在屏蔽層，屏蔽層總體上帶正電荷，削弱屏蔽層前方電場，擊穿電壓略有提高。

（三）極不均勻電場中采用屏障直流電壓作用下尖－板的擊穿電壓和屏障的關(guān)系（三）極不均勻電場中采用屏障-DC:總結(jié)棒電極為正極性時正離子聚集在屏障上，并沿表面均勻分布，削弱了正棒頭部的強電場在x/d=0.2時擊穿電壓的提高最顯著，約為2－3倍。棒電極為負(fù)極性時總趨勢同于正棒下的屏蔽效應(yīng)。

當(dāng)屏蔽層離開電極一定距離后，吸附的負(fù)離子將加強板前電場，使擊穿電壓低于無屏蔽的情況。

最高提高0.2倍在中間一段范圍內(nèi)，帶屏蔽的擊穿電壓（不論極性）與均勻電場下的擊穿電壓接近（三）極不均勻電場中采用屏障－工頻工頻作用下尖－板的擊穿電壓與屏蔽層位置的關(guān)系工頻下，擊穿在正半波發(fā)生，因此，屏蔽層也可顯著提高擊穿電壓（三）極不均勻電場中采用屏障屏蔽層插入電暈電極側(cè)，可提高擊穿電壓。屏蔽層僅對持續(xù)作用電壓（DC，工頻）有效而對雷電波作用很小。二、削弱或抑制電離過程采用高氣壓采用強電負(fù)性氣體采用高真空（一）采用高氣壓基本原理：氣壓提高減小動能減小U提高1－2.8MPa5－0.1MPa當(dāng)氣壓在10個大氣壓下時，擊穿電壓隨氣壓增大線性增加。再提高P，會飽和壓縮空氣可用于內(nèi)絕緣，如斷路器、高壓標(biāo)準(zhǔn)電容等。（二）采用強電負(fù)性氣體鹵化物氣體電氣強度高（二）采用強電負(fù)性氣體鹵化物氣體電氣強度高的原因：1） 具有很強的電負(fù)性，負(fù)離子即削弱電離，又加強復(fù)合；2） 分子量大，分子直徑大，電子的減小。3） 電離過程伴隨離解過程，需要更多能量。

（二）采用強電負(fù)性氣體選用鹵化物的原則：1液化溫度要低，2應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，3經(jīng)濟(jì)上應(yīng)當(dāng)合理，價格便宜，能大量供應(yīng)目前得到工程廣泛應(yīng)用的是SF6及SF6混合氣體（三）采用高真空氣隙擊穿電壓與真空壓力的關(guān)系

接近真空階段：碰撞電離的幾率太小，Ub提高高真空階段：小距離時：強場發(fā)射、金屬氣化大距離時：全電壓效應(yīng)真空中的Ub與電極材料、表面光潔度、清潔度有關(guān)1.9沿面放電含義：沿空氣與固體介質(zhì)表面發(fā)生的氣體放電現(xiàn)象稱為沿面放電。擊穿后俗稱閃絡(luò)。研究意義：一個絕緣裝置的實際耐壓水平由沿面放電電壓決定。研究范圍：表面干燥、清潔時的沿面放電電壓表面潮濕、污穢時的沿面放電電壓1.9沿面放電沿面放電的幾種典型電場分布形式

均勻電場強垂直分量弱垂直分量1.9沿面放電1.9.1均勻電場中的沿面放電在平行平板中放置瓷柱，雖然瓷柱不影響電場分布，但放電總發(fā)生在瓷柱表面，且擊穿電壓比純空氣的低很多。1.9.1均勻電場中的沿面放電機理分析：1）固體介質(zhì)與電極接觸不良，空氣間隙發(fā)生局放，形成的帶電粒子沿介質(zhì)表面移動。

在連接處涂導(dǎo)電粉末或者導(dǎo)電膠2）潮氣形成水膜，其中的離子在電場下運動，造成沿面電壓分布不均，畸變電場。

憎水性材料3）在瓷柱表面的凸凹處，發(fā)生電場畸變，產(chǎn)生空氣間隙擊穿。帶電粒子分布在固體表面，畸變原有電場，降低了閃絡(luò)電壓。4）固體表面電阻不均，造成泄漏電流的壓降分布不均，使電場畸變，降低沿面閃絡(luò)電壓。1.9.1均勻電場中的沿面放電1.9.2極不均勻場具有強垂直分量

的沿面放電沿套管表面的放電電暈放電細(xì)絲狀的輝光放電滑閃放電第一階段：由于接地法蘭附近電力線密集，首先出現(xiàn)電暈。1.9.2極不均勻場具有強垂直分量

的沿面放電沿套管表面的放電電暈放電細(xì)絲狀的輝光放電滑閃放電第二階段：隨著電壓升高，出現(xiàn)平行的許多火花細(xì)線，具有輝光放電的特征。1.9.2極不均勻場具有強垂直分量

的沿面放電沿套管表面的放電電暈放電細(xì)絲狀的輝光放電滑閃放電第三階段：電壓繼續(xù)升高，帶電粒子的運動造成介質(zhì)表面局部發(fā)熱，引起氣體熱電離，出現(xiàn)樹枝狀火花，位置不固定，稱為滑閃放電。1.9.2極不均勻場具有強垂直分量的沿面放電最后，第四階段，電壓再升高，滑閃貫通兩級，形成沿面閃絡(luò)。1.9.2極不均勻場具有強垂直分量的沿面放電滑閃放電在交流和沖擊下表現(xiàn)明顯。隨電壓增加，滑閃長度增長變快，因此單靠加長距離提高閃絡(luò)電壓效果不明顯。玻璃管壁變薄，滑閃電壓降低。1.9.3極不均勻場具有弱垂直分量的沿面放電沒有熱電離和明顯的滑閃放電；介質(zhì)表面電荷聚集對電場畸變影響不大；沿面閃絡(luò)電壓與空氣擊穿電壓差別不大。實驗表明：這種絕緣子的干式閃絡(luò)電壓基本上隨極間距離的增加而增加。三種情況比較：均勻場中的沿面閃絡(luò)電壓最高，有垂直分量的沿面放電電壓低得多；具有強垂直分量的沿面放電電壓很低，因為出現(xiàn)了熱電離和滑閃放電。1.9.4絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電污閃電壓發(fā)展過程：積污受潮電導(dǎo)增加，電流增大烘干，形成干區(qū)干區(qū)電阻大，壓降大，電場強，開始放電輝光（電暈）轉(zhuǎn)為電弧局部電弧烘干周圍，干區(qū)擴大，電弧伸長爬電到一定程度，自動延伸，貫穿兩極防止污閃：1改善環(huán)境，減小污染的可能性2改進(jìn)絕緣子結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低污穢積累的可能1.9.5固體介質(zhì)表面有水膜時的

沿面放電濕閃電壓增大爬電距離改進(jìn)絕緣子結(jié)構(gòu)204提高沿面放電電壓的方法棱緣屏障（傘裙）屏蔽電極改善電場分布提高表面憎水性避免絕緣體與電極間縫隙改善局部區(qū)域電阻率強制表面電位分布206改變局部電阻率的方法分析以套管型結(jié)構(gòu)為例，也即強垂直分量下的沿面放電鏈形等值回路為:略去了介質(zhì)的體積電阻提高沿面放電電壓的方法分析鏈性等值回路的方程：邊界條件：提高沿面放電電壓的方法定性來看，電壓分布的不均勻性在于靠近法蘭處的Rs流過的電流大于遠(yuǎn)離法蘭處的Rs中流過的電流。措施：1減小比電容C0可加大瓷套外徑、壁厚，或減小介電常數(shù)2減小電場較強處的表面電阻?？赏堪雽?dǎo)體釉、半導(dǎo)體漆等，采用電容式套管、充油式套管高電壓技術(shù)與工程

第二章

液體固體電介質(zhì)的絕緣特性重要知識點清單液體、固體電介質(zhì)的絕緣與氣體相比有其相似性電子崩理論在液體固體擊穿過程中的解釋與氣體相比有其獨特性極化、電導(dǎo)、損耗氣體的上述三個特性都可以忽略不計極化、電導(dǎo)、損耗是導(dǎo)致液體、固體絕緣特性差異的主要原因而極化、電導(dǎo)又是導(dǎo)致?lián)p耗的原因本章知識要點本章知識要點列舉：幾種極化的類型及其特點哪些極化需要消耗能量？－》損耗相對介電常數(shù)——有何用處？制作電容器制作交流電纜問：極化和電介質(zhì)的絕緣性能之間有何關(guān)聯(lián)？本章知識要點電導(dǎo)理解：吸收現(xiàn)象形成電介質(zhì)中電導(dǎo)的原因通過電介質(zhì)的電流是如何隨時間變化的？電導(dǎo)大小的物理量——電導(dǎo)率，單位？液體的U-I曲線：飽和現(xiàn)象固體的電導(dǎo)：U-I曲線無飽和表面電導(dǎo)：污穢、潮濕損耗損耗的成因直流下：電導(dǎo)——發(fā)熱交流下：電導(dǎo)＋極化電介質(zhì)可等效為：容阻電路注意和吸收現(xiàn)象中電介質(zhì)等值電路的區(qū)別通過電介質(zhì)等效電路形成——tg

的概念阻容并聯(lián)：阻容串聯(lián)：本章知識要點本章知識要點兩種液體電介質(zhì)擊穿過程純凈：電擊穿工程：氣泡擊穿三種固體的擊穿過程電擊穿熱擊穿電老化三種擊穿方式的擊穿電壓與持續(xù)作用時間的關(guān)系影響固體液體電介質(zhì)強度的因素（提高強度方法）本章知識要點組合絕緣組合介電常數(shù)和介質(zhì)損耗的推導(dǎo)由推導(dǎo)式理解組合絕緣的性能評估方法注意交流、直流應(yīng)用：電纜分階絕緣217本章知識要點電介質(zhì)老化電老化：局放老化熱老化：溫升老化－》損耗導(dǎo)致環(huán)境老化上述老化重點圍繞課本小標(biāo)題學(xué)習(xí)老化機理和影響因素即可課程內(nèi)容液體、固體電介質(zhì)的絕緣特性特點電氣強度高液體兼做滅弧；固體兼做支撐電氣強度不受外界影響不可自恢復(fù)會逐漸老化2.1電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)與損耗極化的概念固體介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷相對介電常數(shù)反映極化、儲能特性極化的基本形式電子式極化離子式極化偶極子極化夾層（界面）極化空間電荷極化極化機理：電子偏離軌道介質(zhì)類型：所有介質(zhì)建立極化時間：極短，10-14

10-15s極化程度影響因素： 電場強度（有關(guān)） 電源頻率（無關(guān)） 溫度（無關(guān)）極化彈性：彈性消耗能量：無 1.電子式極化極化機理：正負(fù)離子位移介質(zhì)類型：離子性介質(zhì)建立極化時間：極短，10-12~10-13s極化程度影響因素： 電場強度（有關(guān)） 電源頻率（無關(guān)） 溫度（隨溫度升高而增加，離子結(jié)合力）極化彈性：彈性消耗能量：無2.離子式極化極化機理：偶極子定向排列介質(zhì)類型：具有永久性偶極子的極性介質(zhì)建立極化時間：需時較長，10-10

10-2s極化程度影響因素：電場強度（有關(guān)）電源頻率（有關(guān)，頻率升高，極化減弱）溫度（低溫段增加，高溫段降低（熱運動））極化彈性：非彈性消耗能量：有3.偶極子極化2264.夾層式（界面）極化當(dāng)t=0:

當(dāng)t=∞:

一般情況下：電荷從t=0到t=∞時會重新分配，在介質(zhì)的交界面處積累電荷。這些電荷形成的極化形式稱夾層式（界面）極化。極化的時間常數(shù)：

高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)G通常都很小，因此夾層極化只有在低頻時才有意義。同樣，去掉外加電壓后，釋放極化電荷的時間也很長。注意安全。4.夾層式（界面）極化極化機理：帶電質(zhì)點移動介質(zhì)類型：不均勻夾層介質(zhì)中建立極化時間：很長，從數(shù)s到數(shù)h極化程度影響因素： 電場強度（有關(guān)） 電源頻率（低頻下存在） 溫度（有關(guān)）極化彈性：非彈性消耗能量：有 4.夾層式（界面）極化極化機理：正負(fù)自由離子移動到電極附近，形成空間電荷介質(zhì)類型：含離子和雜質(zhì)離子的介質(zhì)建立極化時間：很長極化程度影響因素： 電場強度（有關(guān)） 電源頻率（低頻下存在） 溫度（有關(guān)）極化彈性：非彈性消耗能量：有 5.空間電荷極化常用電介質(zhì)的介電常數(shù)討論極化的意義：選擇電容器的介質(zhì)時，希望大；選擇其他絕緣結(jié)構(gòu)的材料，希望小。組合絕緣的配合。如油紙絕緣、氣泡局放。極化形式關(guān)系到介損，即材料的發(fā)熱、劣化。在絕緣預(yù)防性實驗中，夾層極化可用來判斷絕緣受潮情況。2.1.2電介質(zhì)的電導(dǎo)來源：電介質(zhì)不是理想的絕緣體，其內(nèi)部會存在帶電粒子。它們在電場下的定向移動，形成電流（泄漏電流）。電子電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)離子電導(dǎo)（主要）與導(dǎo)體的電導(dǎo)相比，電介質(zhì)電導(dǎo)的特點：1）主要載流子是離子2）電導(dǎo)率隨溫度升高而指數(shù)上升。電介質(zhì)的吸收現(xiàn)象電介質(zhì)中的電流與時間的關(guān)系i=ic+ia+igic:電容電流ia：吸收電流，由各種

極化過程在交變電場中產(chǎn)生ig：電導(dǎo)電流，或泄漏電流電介質(zhì)的絕緣電阻定義：電介質(zhì)中的絕緣電阻一般為M

特點：1）負(fù)溫度系數(shù)2）隨外施電壓上升而下降。3）隨加壓時間延長而增大。液體中極化發(fā)展快，吸收電流衰減快電導(dǎo)構(gòu)成：離子電導(dǎo)、電泳電導(dǎo)

非極性電介質(zhì)的電阻率1018Ω?cm

弱極性電介質(zhì)的電阻率1015Ω?cm

極性電介質(zhì)的電阻率1010Ω?cm~1012Ω?cm，由于損耗太大，實際上不使用

強極性如水、乙醇等實際上已是離子性導(dǎo)電液，不能用作絕緣材料離子性電導(dǎo)隨溫度的升高而增加液體電介質(zhì)的電導(dǎo)分成三個區(qū)域區(qū)域1：液體電介質(zhì)的電導(dǎo)在電場比較小的情況下，遵循歐姆定律區(qū)域2：隨著場強的增大，與氣體相似，有一平坦區(qū)域（飽和）

區(qū)域3：場強繼續(xù)增大超過某一極限——解離、逸出、碰撞電離，最終擊穿液體電介質(zhì)中電壓－電流特性經(jīng)常使用電阻率，即電導(dǎo)的倒數(shù)描述固體電介質(zhì)特性結(jié)構(gòu)緊密，潔凈的離子性電介質(zhì)，電阻率為1017Ω?cm~1019Ω?cm

結(jié)構(gòu)不緊密且含單價小離子的離子性電介質(zhì)的電阻率僅達(dá)1013Ω?cm~1014Ω?cm

非極性或弱極性介質(zhì)主要由雜質(zhì)離子造成電導(dǎo)。純凈介質(zhì)的電阻率可達(dá)1017Ω?cm~1019Ω?cm

偶極性電介質(zhì)，因本身能解離，此外還有雜質(zhì)離子共同決定電導(dǎo)，故電阻率較小，較佳者可達(dá)1015Ω?cm~1016Ω?cm固體電介質(zhì)的電導(dǎo)分三個區(qū)域

區(qū)域1：符合歐姆定律，也稱低場強領(lǐng)域區(qū)域2：電流隨場強非線性增加區(qū)域3：出現(xiàn)破壞先導(dǎo)電流區(qū)域2、3也稱高場強領(lǐng)域。和液體、氣體不同，固體中的電壓－電流特性沒有飽和狀態(tài) 固體電介質(zhì)的電壓－電流特性帶電粒子產(chǎn)生：晶格缺陷，解離，泊爾－弗侖開爾效應(yīng)固體介質(zhì)的表面電導(dǎo)固體介質(zhì)除了體積電阻外，還存在表面電導(dǎo)。干燥清潔的固體介質(zhì)的表面電導(dǎo)很小，表面電導(dǎo)主要由表面吸附的水分和污物引起。介質(zhì)吸附水分的能力與自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以介質(zhì)表面電導(dǎo)也是介質(zhì)本身固有的性質(zhì)液體和固體電介質(zhì)的電導(dǎo)（總結(jié)）中性、純凈液體的電導(dǎo)由雜質(zhì)決定酸堿性液體的電導(dǎo)與離子電導(dǎo)有關(guān)液體導(dǎo)電存在飽和區(qū)，固體無明顯飽和區(qū)固體電導(dǎo)很大程度上取決于表面電導(dǎo)，因此要考慮濕度的影響討論電導(dǎo)的意義：1）在絕緣預(yù)防性實驗中，由絕緣電阻或者泄漏電流判斷絕緣是否受潮或者劣化。2）高壓直流設(shè)備中有多層介質(zhì)時（如直流電纜），其電壓分布與電導(dǎo)成反比，設(shè)計時需考慮。3）設(shè)計絕緣結(jié)構(gòu)時，要考慮到環(huán)境對電導(dǎo)的影響。4）對于某些能量較小的電源，如靜電發(fā)生器，要減小表面的泄漏電流以保證得到高電壓。5）有些情況下要設(shè)法減小絕緣電阻值。如高壓套管附近涂上半導(dǎo)體釉等。2.1.3電介質(zhì)的損耗損耗極化損耗（DC下無）電導(dǎo)損耗（DC、AC都有）一、介質(zhì)損耗角正切（tg)：泄漏電流，由電導(dǎo)引起：吸收電流，也叫極化電流，由極化引起：電容電流介質(zhì)損耗正切角（tg

）－并聯(lián)等值電路介損：損耗功率：定義

為介質(zhì)損失角，是功率因數(shù)角

的余角介質(zhì)損失角正切值tg

，如同

r

一樣，取決于材料的特性，而與材料尺寸無關(guān)，可以方便地表示介質(zhì)的品質(zhì)246串聯(lián)等值電路

氣體介質(zhì)的損耗氣體介質(zhì)極化率小，損耗極?。╰g

<10-8。所以常用氣體（如空氣，N2；CO2，SF6等）作為標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì)當(dāng)外施電壓U超過起始放電電壓U0時，將發(fā)生局部放電，損耗急劇增加二、不同介質(zhì)的損耗中性液體、固體電介質(zhì)中的損耗主要由漏導(dǎo)決定（極化為無損的）介質(zhì)損耗與溫度、電場強度等因素的關(guān)系決定于電導(dǎo)與這些因素之間的關(guān)系液體和固體電介質(zhì)中的損耗中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg

與溫度的關(guān)系中性液體或中性固體電介質(zhì)的tg

與電場的關(guān)系

極性液體介質(zhì)中的損耗主要包括電導(dǎo)式損耗和電偶式損耗兩部分損耗與溫度、頻率等因素有較復(fù)雜的關(guān)系中性固體介質(zhì)如石蠟、聚苯乙烯等，其損耗主要由電導(dǎo)引起，通常很小，在高頻下也可使用極性的纖維材料（紙、纖維板等）和含有極性基的有機材料（聚氯乙烯、有機玻璃、酚醛樹脂、硬橡膠等），tg

值較大，高頻下更為嚴(yán)重。與溫度、頻率的關(guān)系與極性液體相似

介質(zhì)損耗正切角（tg)三、影響tg

的主要因素之一：溫度tg

和溫度的關(guān)系t<t1:極化損耗、電導(dǎo)損耗都上升t1<t<t2:極化減弱，電導(dǎo)上升，極化占主導(dǎo)t>t2:極化減弱，電導(dǎo)上升，電導(dǎo)占主導(dǎo)當(dāng)f增加時，極化程度降低，因此需要提高溫度（減小粘度）才能達(dá)到最大值。不均勻結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)

如：電機絕緣中用的云母制品（是云母和紙或布以及環(huán)氧樹酯所組合的復(fù)合介質(zhì)）和油浸紙、膠紙絕緣等。不均勻結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)的tg

取決于其中各成分的性能和數(shù)量