1、實驗一 氣體、液體、固體放電特性實驗一 實驗目的通過對均勻場和非均勻場條件下氣體擊穿特性的比較，了解氣體放電的基本原理，擊穿發生和發展的基本過程；通過現象，了解液體、固體電介質的擊穿過程。二 基本原理（一）氣體電介質的擊穿過程氣體放電可以分非自持放電和自持放電兩種。20世紀Townsend在均勻電場，低氣壓，短間隙的條件下進行了放電試驗，提出了比較系統的理論和計算公式，解釋了整個間隙的放電過程和擊穿條件。1、湯遜放電理論的適用范圍： 湯遜理論的核心是： (1)電離的主要因素是電子的空間碰撞電離和正離子碰撞陰極產生表面電離； (2)自持放電是氣體間隙擊穿的必要條件。 湯遜理論是在低氣壓、Pd值較

2、小的條件下進行的放電實驗的基礎上建立起來的，這一放電理論能較好的解釋低氣壓短間隙中的放電現象。因此，湯遜理論的適用范圍是低氣壓短間隙(Pd<26 66kPa.cm)。在高氣壓、長氣隙中的放電現象無法用湯遜理論加以解釋，兩者間的主要差異表現在以下幾方面： (1) 放電外形根據湯遜理論，氣體放電應在整個間隙中均勻連續地發展。低氣壓下氣體放電發光區確實占據了整個間隙空間，如輝光放電。但在大氣壓下氣體擊穿時出現的卻是帶有分支的明亮細通道。 (2) 放電時間根據湯遜理論，聞隙完成擊穿，需要好幾次循環：形成電子崩，正離子到達陰極產生二次電子，又形成更多的電子崩。完成擊穿需要一定的時間。但實測到的在大

3、氣壓下氣體的放電時間要短得多。 (3) 擊穿電壓當Pd值較小時，根據湯遜自持放電條件計算的擊穿電壓與實測值比較一致；但當Pd值很大時，擊穿電壓計算值與實測值有很大出入。 (4) 陰極材料的影響根據湯遜理論，陰極材料的性質在擊穿過程中應起一定作用。實驗表明，低氣壓下陰極材料對擊穿電壓有一定影響，但大氣壓下空氣中實測到的擊穿電壓卻與陰極材料無關。 由此可見湯遜理論只適用于一定的Pd范圍，當Pd>26 66kPa. cm后，擊穿過程就將發生改變，不能用湯遜理論來解釋了。2、流注理論利用流注理論可以很好地解釋高氣壓、長間隙情況下出現的一系列放電現象。 (1) 放電外形 流注通道電流密度很大，電導

4、很大，故其中電場強度很小。 因此流注出現后，將減弱其周圍空間內的電場，加強了流注前方的電場，并且這一作用伴隨著其向前發展而更為增強。因而電子崩形成流注后，當某個流注由于偶然原因發展更快時，它就將抑制其它流注的形成和發展，這種作用隨著流注向；前推進將越來越強，開始時流注很短可能有三個，隨后減為兩個，最后只剩下一個流注貫通整個間隙了，所以放電是具有通道形式的。 (2) 放電時間 根據流注理論，二次電子崩的起始電子由光電離形成，而光子的速度遠比電子的大，二次電子崩又是在加強了的電場中，所以流注發展更迅速，擊穿時間比由湯遜理論推算的小的多。 (3) 陰極材料的影響 根據流注理論，大氣條件下氣體放電的發

5、展不是依靠芷離子使陰極表面電離形成的二次電子維持的，而是靠空間光電離產生電子維持的，故陰極材料對氣體擊穿電壓沒有影響。 在Pd值較小的情況下，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，因而難以聚積到108所要求的電子數，這樣就不可能出現流注，放電的自持只能依靠陰極上的過程。因此湯遜理論和流注理論適用于一定條件下的放電過程，不能用一種理論來取代另一種理論，它們互相補充，可以說明廣闊的Pd范圍內的放電現象。 3、不均勻電場中氣體的擊穿稍不均勻電場中放電達到自持條件時發生擊穿現象，此時氣隙中平均電場強度比均勻電場氣隙的要小，因此在同樣極間距離時稍不均勻場氣隙的擊穿電壓比均勻氣隙的要低，

6、在極不均勻場氣隙中自持放電條件即是電暈起始條件，由發生電暈至擊穿的過程還必須增高電壓才能完成。 極不均勻電場有如下特征： (1) 極不均勻電場的擊穿電壓比均勻電場低； (2) 極不均勻電場如果是不對稱電極，則放電有極性效應： (3) 極不均勻電場具有特殊的放電形式電暈放電。 4、極不均勻電場中的電暈放電現象 在極不均勻電場中，氣隙完全被擊穿以前，電極附近會發生電暈放電，產生暗藍色的暈光。這種特殊的暈光是電極表面電離區的放電過程造成的。電離區內的分子，在外電離因素(如光源)和電場的作用下，產生了激發、電離，形成大量的電子崩。與此同時也產生激笈和電離的可逆過程復合。在復合過程中，會產生光輻射，從而

7、形成了暈光。這就是電暈。電暈放電的電流強度取決于外加電壓、電極形狀、極間距離、氣體性質和密度等。電暈放電的起始電壓在理論上可根據自持放電的條件求取，但這種方法計算繁雜且不精確，所以通常都是根據經驗公式來確定的。在某些情況下可以利用電暈放電的空間電荷來改善極不均勻場的電場分布，以提高其擊穿電壓。5、極不均勻電場中的極性效應 圖114表示正極性“棒板”間隙中自持放電前空間電荷對原電場的畸變情況。棒電極附近電場強度高，電離產生的電子在棒電極附近首先形成電子崩，因為棒極為正極性，所以電子崩崩頭的電子迅速進入了棒極，而正離子則向極板運動，但速度很慢，棒極附近積聚起正空間電荷，如圖所示，這些正空間電荷削弱

8、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，有利于流注的發展，因此擊穿電壓較低。圖114 在正極性“棒板”氣隙中自持放電前空間電荷對原電場的畸變負極性“棒板”間隙（圖115中），棒極附近形成了電子崩，由于棒極為負極性，所以電子崩中的電子迅速擴散并向板極運動，離開強電場區后，就不再能引起電離了，向陽極運動的速度也越來越慢，一部分消失于陽極，另一部分為癢原子所吸附而形成為負離子。電子崩中的正離子逐漸向棒極運動，但由于其運動速度較慢，所以在棒極附近總是存在著正空間電荷，這些正空間電荷加強了棒極附近的場強，因此，這種情況下正空間電荷使棒極附近容易形成流注，因而電暈起始電壓比正極性時要低，正空間

9、電荷產生的附加電場與原電場相反，削弱了外部空間的電場，阻礙了流注的發因此擊穿電壓較高。圖115 在負極性“棒板”氣隙中自持放電前空間電荷對原電場的畸變（二）液體電介質擊穿的小橋理論工程實際中使用的液體電介質不可能是純凈的，不可避免地混入氣體（即氣泡）、水分、纖維等雜質，這些雜質極易在電極間構成放電通道，導致介質擊穿。如果液體中含有氣泡，氣體的介電常數小于液體的介電常數，在交流電場作用下，氣泡中的場強與液體介質中的場強按各自的介電常數成反比分配，氣泡中場強較高，且氣泡的擊穿場強低，因此氣體中首先發生放電，放電產生的帶電粒子撞擊液體分子，使液體介質分解，又產生氣體，使氣泡數量增多，逐漸形成易發生放

10、電的氣泡通道，并逐步貫穿兩極，形成“小橋”，最后導致擊穿在此通道中發生。雜質形成的小橋如圖2-18所示：圖218 雜質形成的“小橋”如果液體中含有水分或纖維性雜質，由于水和纖維的介電常數都很大，它們在電場作用下很容易產生極化，并逐漸沿電場方向排列成“小橋”，如果小橋貫穿于兩電極，則由于水分和纖維的電導大，引起泄漏電流增大，溫度升高，使水分氣化，氣泡增多，形成氣泡小橋，最終導致擊穿。（三）固體電介質的沿面放電沿面放電的發展主要取決于沿面放電路徑的電場分布，它直接受到電極形式和表面狀態的影響。在平行板的均勻電場中放入一瓷柱，并使瓷柱的表面與電力線平行，瓷柱的存在并未影響電極間的電場分布。當兩極間的

11、電壓逐漸增加時，放電總是發生在沿瓷柱的表面，即在同樣條件下，沿瓷柱表面的閃絡電壓比空氣間隙的擊穿電壓要低的多，這是因為：（1）固體介質與電極表面沒有完全密合而存在微小氣隙，或者介質表面有裂紋。由于純空氣的介電系數比固體介質的低，這些氣隙中的場強將比平均場強大的多，從而引起微小氣隙的局部放電。放電產生的帶電質點從氣隙中逸出，帶電指點達到介質表面后，畸變原有的電場，從而降低了沿面閃絡電壓，如圖3-2曲線4所示。在實際絕緣結構中常常將電極與介質接觸面仔細研磨，使兩者緊密接觸以消除空氣間隙，或在介質端面上噴涂金屬，將氣隙短路，提高沿面閃絡電壓。（2）介質不可能絕對光滑，總有一定的粗糙性，使介質表面的微

12、觀電場有一定的不均勻，貼近介質表面薄層氣體中的最大場強將比其他部分要大，使沿面閃絡電壓降低。（3）固體介質表面電阻不均勻，使其電場分布不均勻，造成沿面閃絡電壓的降低。（4）固體介質表面的常吸收水分，處在潮濕空氣中的介質表面常吸收潮氣形成一層很薄的水膜。水膜中的離子在電場作用下分別向兩極移動，逐漸在兩電極附近積聚電荷，使介質表面的電場不均勻，電極附近電場增強，因而降低了沿面閃絡電壓。介質表面吸收水分的能力越大，沿面閃絡電壓降低的越多。由圖3-2可見，瓷的沿面閃絡電壓曲線比石蠟的低，這是由于瓷吸附水分的能力比石蠟大的緣故。瓷體經過仔細干燥后，沿面閃絡電壓可以提高。由于介質表面水膜的電阻較大，離子移

13、動積聚電荷導致表面電場畸變需要一定的時間，故沿面閃絡電壓與外加電壓的變化速度有關。水膜對沖擊電壓作用下的閃絡電壓影響小，對工頻和直流作用下的閃絡電壓影響較大，即在變化較慢的工頻或直流電壓作用下的沿面閃絡電壓比變化較快的沖擊電壓作用下的沿面閃絡電壓要低。三、實驗內容 （1）觀察氣體電介質的擊穿過程，記錄數據，分析均勻電場下擊穿電壓與間隙距離的關系；（2）觀察液體電介質的擊穿現象，結合小橋理論分析其擊穿過程（3）觀察固體電介質的沿面放電現象，分析沿面放電過程四、實驗設備（1）200KV工頻試驗變壓器一臺；（2）球球間隙（距離可調）一套（50或60mm）；（3）保護球隙；（4）限流水電阻；（5）接地棒；（6）油杯（7）被試材料（變壓器油，玻璃）五、實驗步驟（1）把球球間隙一端接地，另一端接試驗變壓器。調整球隙間距分別為2cm，2.5cm，3cm，每次調整后擊穿三次，記錄數據。2cm2.5cm3cm第一次第二次第三次2、把油杯兩側分別接變壓器高壓端和接地，觀察試驗現象；3、把玻璃兩側分別接變壓器高壓端和接地，觀察試驗現象。六、