1、第一章瓦斯氣體絕緣特性與介電質(zhì)電氣強度insulatingpropertiesanddielectricstrengthofgases，1.1瓦斯氣體放電的基本物理過程，高壓電氣設(shè)備中的絕緣介電質(zhì)是瓦斯氣體、液體、固體及其他復(fù)合介電質(zhì)(composite-dielees ) 有的瓦斯氣體絕緣介質(zhì)沒有老化的問題，破壞后也有完全的絕緣自我復(fù)原特性，而且其成本也非常低廉，所以瓦斯氣體成為實用上最常見的絕緣介質(zhì)。 對瓦斯氣體破壞的理論研究是不完整的，但對其他一些絕緣材料是最完整的。 因此，高電壓絕緣的論述一般從瓦斯氣體絕緣開始。 1.1.1帶電質(zhì)點的產(chǎn)生、瓦斯氣體放電(gas discharge )是

2、瓦斯氣體中流通電流的各種形式的總稱。 由于空氣中存在來自空間的輻射，瓦斯氣體產(chǎn)生微弱的電離，產(chǎn)生少量的帶電質(zhì)點。 在正常狀態(tài)下瓦斯氣體的電導(dǎo)小，空氣是性能優(yōu)良的絕緣體，在帶電質(zhì)點大量發(fā)生的情況下，瓦斯氣體就會失去絕緣性能。 1 .氣體中電子和正絡(luò)離子的產(chǎn)生、電離(ionization )是指電子脫離原子核的束縛而與自由電子形成正絡(luò)離子的過程。 電離可以一次完成，也可以是激發(fā)后電離的分級電離方式。 電離方式包括熱電分離光電分離碰撞電離分級電離、電子在電場中的運動軌跡、網(wǎng)絡(luò)視頻網(wǎng)絡(luò)鏈接、(1)熱電分離(thermal ionization )、常溫下瓦斯氣體分子熱電分離的概率極小。 瓦斯氣體中電離

3、的分子數(shù)與總分子數(shù)之比m稱為該瓦斯氣體的電離度。 下圖顯示的是根據(jù)溫度的空氣和氣體的熱電分離程度。 圖1-1的不同溫度下的空氣和氣體的熱電分離的程度、(2)光電分離(photo ionization )如果滿足以下條件，則為光電分離，(1-2)、(3)發(fā)生碰撞的外部電場強度電子移動的距離，(1-4)，高速運動的質(zhì)點與中性的原子或分子碰撞，則得到原子或分子的能量因此，電離條件為，由于碰撞能量產(chǎn)生電離，質(zhì)點在碰撞前必須通過的距離，式中為瓦斯氣體的電離電位，數(shù)值上與eV單位相等，的大小依賴于電場強度e，當(dāng)增大瓦斯氣體中的電場強度時，值減少。 可知提高外加電壓后，碰撞電離的概率和強度增大。 (1-4)

4、、(4)表面電離(surface ionization )是指，如果釋放功的電離能，則陰極表面電離的正絡(luò)離子與陰極表面碰撞，光電子放出強電場發(fā)射熱電子發(fā)射，逸出功根據(jù)金屬而不同，如表1-2所示， 電子從電極表面釋放所需要的能量是，(1)正絡(luò)離子與陰極(2)光電發(fā)射(3)強電場釋放(4)熱電子發(fā)射、3、瓦斯氣體碰撞能夠得到的還原離子的形成雖然不改變瓦斯氣體中的粒子電荷的數(shù)量，但由于能夠減少自由電子數(shù)，因此具有抑制瓦斯氣體放電進展的作用。 電子親合能：獲得電子在基態(tài)瓦斯氣體原子上形成負絡(luò)離子時釋放出的能量，該值越大，越容易形成負絡(luò)離子。 電子親合能沒有考慮分子中原子的耦合作用，為了說明原子在分子中

5、吸引電子的能力，在化學(xué)中導(dǎo)入了陰性的概念。 電負性：無量綱的數(shù)量，其值越大，表示原子在分子中吸引電子的能力越大。表l-3表示鹵族元素的電子親合能和陰性度的數(shù)值，1.1.2帶電質(zhì)點的消失、帶電質(zhì)點的消失，有帶電質(zhì)點受電場力而流入電極的情況，也有帶電質(zhì)點受電場力而流入電極的情況。 帶電質(zhì)點通過擴散而釋放瓦斯氣體放電空間的帶電質(zhì)點的復(fù)合。 復(fù)合：當(dāng)氣體中具有異號電荷的粒子相遇時，可能會發(fā)生電荷的傳遞和中和，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。 復(fù)合物可在電子與正絡(luò)離子之間發(fā)生，被稱為電子復(fù)合物，得到中性分子的復(fù)合物也可以在正絡(luò)離子與負絡(luò)離子之間發(fā)生，被稱為絡(luò)離子復(fù)合物，其結(jié)果產(chǎn)生兩個中性分子。 帶電質(zhì)點復(fù)合涉及1.1

6、.3電子衰變和湯普森理論Electron Avalanche是大還是小。 (1-16 )因此，在高氣壓和高真空下，空氣隙難以發(fā)生放電現(xiàn)象，具有高電氣強度。 在高氣壓的情況下，每單位長度的碰撞次數(shù)多，但引起電離的概率小，在低氣壓和真空時大，總碰撞次數(shù)少，因此比較小。 2、湯姆森理論如上所述，已知只有電子崩潰過程才不會引起自放電。 為了達到自身放電的條件，必須在空氣隙內(nèi)的初始電子衰變消失之前產(chǎn)生新電子(二次電子，secondary electron )，代替外部電離因子產(chǎn)生的初始電子。 實驗現(xiàn)象表明，二次電子的產(chǎn)生反應(yīng)歷程與氣壓和空氣隙長度的乘積()有關(guān)。 值小時的自放電條件可以用湯姆森理論說明，

7、值大時可以用流注理論說明。 (1)工藝和自放電條件是外部光電分離因素在陰極表面產(chǎn)生自由電子，該電子到達陽極表面后，通過工藝，電子總數(shù)增加。 在研究系數(shù)時，因為設(shè)想了每電離一個正絡(luò)離子碰撞，所以電極空間共有(1)個正絡(luò)離子。 根據(jù)系數(shù)的定義，(1)個正絡(luò)離子到達陰極表面時可以碰撞(1)個新的電子，這些個的電子在電極空間中的碰撞電離也能夠產(chǎn)生更多的正絡(luò)離子，并按照此方式繼續(xù)循環(huán)。 該條件的物理概念很清楚，即，一個電子在自己進入陽極之后，以及通過過程可以在陰極上創(chuàng)建新的分身，從而可以繼續(xù)進行而不需要外電離元件放電。 (1-21 )、(2)湯普森放電理論的適用范圍是在湯普森理論為低氣壓、小條件下根據(jù)放

8、電實驗確立的。 過小或過大時，放電反應(yīng)歷程發(fā)生變化，湯普森理論無法適用。 過小，氣壓極低(過小實際上是不可能的)，過小，過大，碰撞電離來不及，破壞電壓好像在上升，但實際上電壓u在某種程度上上升，場致發(fā)射會導(dǎo)致破壞，湯姆森的碰撞電離理論無法適用，破壞電壓不會增加如果、太大的話氣壓變高，距離變大，這時瓦斯氣體破壞的許多實驗現(xiàn)象都不能在湯森理論的范圍內(nèi)說明：放電外形放電時間破壞電壓陰極材料。 因此，通常在0.26 cm(pd200 cm mmHg )的情況下，破壞過程會發(fā)生變化，被認為不能適用湯普森理論的修正計算結(jié)果，但是其碰撞電離的基本原理仍然普遍有效。 因此，1.1.4伯申定律和適用范圍，在湯森

9、理論出現(xiàn)之前，伯申(Paschen )在1889年從大量的實驗中總結(jié)出與擊穿電壓的關(guān)系曲線，稱為伯申定律。 由圖可知，首先，不僅是決定，其次是函數(shù)，不是單調(diào)函數(shù)，而是u形曲線，具有極小值。 使在圖1-7的實驗中求出的按均勻場區(qū)分的瓦斯氣體間隙曲線、按瓦斯氣體區(qū)分的、該伯善曲線上的最低破壞電壓以及的值分別不同。 相對于空氣的極小值是。 如果該最小值出現(xiàn)在cm，即，如果最小值不是在常壓下，而是在低氣壓下，即，空氣的相對密度小，則出現(xiàn)該最小值。圖1-7的實驗求出的均勻場別瓦斯氣體間隙曲線，返回1.1.5不均勻電場(non-uniform field )下的瓦斯氣體放電，在電氣設(shè)備中均勻電場的情況較少

10、。 但是，對于不均勻的電場，有必要區(qū)分稍微不均勻的電場和極不均勻的電場這兩種不同的狀況。 用于在全封閉組合式電氣設(shè)備(GIS )的母線筒和高壓實驗室測量電壓的球隙為典型的稍不均勻的電場高壓輸電線路間的空氣絕緣和實驗室中的高壓發(fā)生器的輸出端到壁的空氣絕緣是極不均勻的電場。 1 .稍微不均勻的電場和極不均勻的電場的特征和區(qū)分，均勻的電場是稀少的特例，在實際的電力設(shè)施中常見的是不均勻的電場。 為了說明各種結(jié)構(gòu)的電場不均勻程度，引入了電場不均勻系數(shù)f，表示：最大電場強度、平均電場強度、f4為不均勻電場。 (1-26 )，2 .電場極不均勻的冠狀病毒放電，(1)冠狀病毒放電，是極不均勻的場所，一旦電壓上

11、升到一定程度，在空氣隙完全被破壞之前，具有大曲率的電極(高電場強度電極)，冠狀病毒放電是極不均勻的場所特有的自保持放電形式開始產(chǎn)生冠狀病毒時的電壓稱為冠狀病毒開始電壓，此時的電極表面的電場強度稱為冠狀病毒開始電場強度。 根據(jù)、冠狀病毒層放電的特點，可以分為電子衰變形式和流注形式兩種形式。 暈電極曲率越大，冠狀病毒層越薄，比較均勻，放電電流比較穩(wěn)定，自放電出現(xiàn)湯姆遜放電的形式，即電子衰變式冠狀病毒。 隨著電壓的上升，冠狀病毒層擴大，各個電子崩潰形成流注，產(chǎn)生放電的脈沖現(xiàn)象，開始向流注形式的冠狀病毒放電轉(zhuǎn)移。 流注(streamer):由一次陷波大頭針和二次陷波大頭針構(gòu)成的導(dǎo)電電路。 電極的曲率半

12、徑變大時，冠狀病毒從一開始就強，出現(xiàn)時就成為流注的形式。 電壓進一步上升，個別流注迅速發(fā)展，出現(xiàn)刷狀放電，放電脈沖更強，最后穿過縫隙，縫隙被完全破壞。 因為在電壓浪涌電壓上升很快，所以冠狀病毒從一開始就呈流注的形式。 冠狀病毒爆炸時能聽到聲音，能看見光，能聞到臭氧殺菌的氣味，能測量電流。 (2)冠狀病毒放電的開始電場強度、冠狀病毒放電的開始電場強度一般根據(jù)實驗總結(jié)的經(jīng)驗方程進行補正，由于冠狀病毒的產(chǎn)生主要依賴于電極表面的電場強度，因此研究冠狀病毒開始電場強度與各種要素的關(guān)系更直接。 對于輸電線路的導(dǎo)線，在標準空氣壓下其冠狀病毒開始電場強度的經(jīng)驗方程為(這里用導(dǎo)線的表面電場強度、交流電壓下用峰值

13、表示):式中的r導(dǎo)線半徑、cm。 引線半徑r越小，(1-28 )、kV/cm、式(1-28 )表示值越大。 這是因為r越小，則電場越不均勻，即，間隙處的電場強度隨著到導(dǎo)線的距離的增加而更快地減小，且碰撞電離系數(shù)隨著到導(dǎo)線的距離的增加而更快地減小。 因此，輸電線路開始冠狀病毒條件為：式中的開始冠狀病毒層的厚度。 可以看出，電場越不均勻，在滿足式(1-29 )時，合十禮層表面的電場強度越高。 式(1-28 )表示在r的情況下=30kV/cm。 對于、(1-29 )、非標準大氣條件，進行了瓦斯氣體密度校正后的公式為公式中的瓦斯氣體相對密度、(1-30 )，實際上由于引導(dǎo)合十禮表面不平滑，因此，對于絞

14、線，不考慮引導(dǎo)合十禮層的表面粗度系數(shù)。 另外雨雪等導(dǎo)線表面偏離理想狀態(tài)的主要原因(雨水的水滴在導(dǎo)線表面形成突起的導(dǎo)電物)可以用系數(shù)考慮。kV/cm、理想平滑導(dǎo)線1、絞線0.80.9，好時可以0.8估計。 如果進行修正，則從電極配置求出冠狀病毒開始電壓并不容易。例如，對于離地面高度為h的一條導(dǎo)線，距離為d的兩條平行導(dǎo)線()可以寫成、(1-32 )、(1-33 )，此時，式(1-30 )是這樣的冠狀病毒損失是在超高壓輸電線路的設(shè)定校正時必須考慮的要素。 在冠狀病毒放電中，電子的崩潰和流注不斷地消失再出現(xiàn)的放電脈沖射頻波產(chǎn)生電磁波，干擾作用給廣播和電視廣播。 冠狀病毒放電還會產(chǎn)生可聽見的噪音，可能會

15、超過環(huán)境保護所允許的標準。 降低冠狀病毒的方法：尋求從根本上限制和降低導(dǎo)線表面電場強度的方法。 選擇導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)和尺寸時，請將良好時的冠狀病毒損失控制在零，將無線電和電視的干擾作用限制在允許水平以下。 在超高壓和特高壓線的分割線中，找到最佳的分割距離，使導(dǎo)線表面的最大電場強度值最小。 (4)極不均勻電場中放電的極性效應(yīng)，在冠狀病毒放電時空間電荷對放電的影響備受矚目。 由于高電場強度電極的極性不同，空間電荷的極性也不同，對放電發(fā)展的影響也不同，導(dǎo)致不同極性的高電場強度電極的冠狀病毒起始電壓不同和間隙破壞電壓不同，稱為極性效應(yīng)(polarity effect )。 在棒板間隙這種典型的極不均勻的情況

16、下，在圖18的正棒負板間隙中，非自持放電階段的空間電荷作用于外部電場變形，外部電場空間電荷電場起作用，當(dāng)棒具有正極性時，出現(xiàn)在間隙中的電子向棒移動，進入強電場區(qū)域，開始發(fā)生電離現(xiàn)象，形成電子衰變，如圖1-8(a )所示。 隨著電壓的逐漸上升，在自保持放電形成爆炸的冠狀病毒之前，間隙中會形成相當(dāng)多的電子衰變。 當(dāng)電子崩潰到達棒極時，其中的電子進入棒極，正絡(luò)離子還留在空間中，相對緩慢地向板極移動。 于是，如圖1-8(b )所示，在棒極附近積蓄正的空間電荷。 因此，密封棒極近處的電場減少，外部空間的電場稍微增強。 因此，棒極附近的電場被減弱，難以形成流注，放電變得難以自立。 如果棒具有負極性，則如圖

17、1-9(a )所示，在陰極表面形成的電子立即進入強電場區(qū)域，電子被散攤子。 電子衰變中的電子離開強電場區(qū)域，電子不發(fā)生電離，面以越來越慢的速度向陽極移動。 一些電子直接消失在陽極上，其侗預(yù)可吸附氧原子形成還原離子。 在圖19的負棒正板間隙中，非自持放電階段的空間電荷因外部電場的變形而作用外部電場空間電荷電場，電子衰變中的正絡(luò)離子逐漸向棒極運動消失為棒極，但由于其運動速度慢，在棒極附近總是存在正空間電荷。 其結(jié)果，在棒極附近出現(xiàn)比較集中的正的空間電荷，之后成為非常分散的負空間電荷，如圖1-9(b )所示。 圖19的負棒正板間隙中的非自持放電階段的空間電荷，外部電場空間電荷電場作用于外部電場的變形，負空間電荷的濃度小，因此外部電場的影響不大，正空間電荷引起電場變形。 棒極附近的電場變強，容易滿足自保持放電條件，容易進入流注，形成冠狀病毒放電。 圖110兩極性的棒板間隙的電場分布圖(a )正棒負板(b )從負棒正板-電場強度棒極到板極的距離，圖1-10是兩極性的棒板間隙的電場分布圖，其中曲線1是外電場分布，曲線2是經(jīng)過空間電荷變形后的電場。 根據(jù)實驗確認，棒板間隙中棒