課件：第講氣體電介質(zhì)的絕緣特性二分解.ppt

高電壓技術(shù),第2講回顧,帶電粒子的產(chǎn)生與消失 湯遜理論 巴申定律 湯遜理論的適用范圍,第3講 氣體電介質(zhì)的絕緣特性（二）,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(diǎn)：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(qiáng)調(diào)了空間電荷畸變電場的作用 通過大量的實(shí)驗(yàn)研究（主要在電離室中進(jìn)行的）說明放電發(fā)展的機(jī)理,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(shí)的電路圖 N電離室；S火花間隙； L、L、K短路回路,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，等離子體,（1） 電子崩階段,（a）初始電子崩,電子崩頭部接近陽極時(shí)，崩頭電子和崩尾正離子數(shù)目總數(shù)劇增，崩頭崩尾電場都急劇增強(qiáng)。那么崩頭的強(qiáng)烈電離也伴隨強(qiáng)烈的激勵(lì)和反激勵(lì)，并向周圍放射光子； 崩中部的弱電場也為分子吸附電子及正負(fù)離子復(fù)合提供條件，強(qiáng)烈的復(fù)合也放射出大量光子；,（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 它們崩尾局部增強(qiáng)的電場中，又形成新的電子崩，即二次電子崩,（2）流注的形成和發(fā)展,二次電子崩中頭部的電子向初始電子崩的正空間電荷區(qū)域運(yùn)動(dòng)，并與之匯合成為充滿正負(fù)帶電粒子混合通道，且通道中正負(fù)粒子密度大致相等，這種等離子體流注。 流注是導(dǎo)電良好的等離子體，其頭部又是二次電子崩形成的正電荷，因此流注頭部前方電場大為增加，電離過程更激烈。,（3）間隙的擊穿,流注不斷向陰極方向發(fā)展，流注通道不斷延伸 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 從整個(gè)間隙的放電發(fā)展來看，二次電子崩是逐步由陽極向陰極擴(kuò)展的，這一個(gè)過程稱為正流注，即從正極出發(fā)的流注。,在電離室中得到的初始電子崩照片 圖a和圖b的時(shí)間間隔為110-7秒 p=270毫米汞柱， E=10.5千伏/厘米,初始電子崩轉(zhuǎn)變?yōu)?流注瞬間照片 p273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 通道電荷密度很大、電導(dǎo)率高，故其中電場強(qiáng)度很小。一旦流注出現(xiàn)，將降低流注頭部后方及其周圍空間的電場，加強(qiáng)流注前方的電場，這一作用伴隨著其前方的發(fā)展而更為增強(qiáng)。因而在電子崩轉(zhuǎn)化成流注后，當(dāng)某個(gè)流注由于偶然原因發(fā)展更快時(shí)，就將抑制其他流注的形成和發(fā)展，這個(gè)作用隨著流注向前推進(jìn)將越來越強(qiáng)，開始時(shí)流注很短，可能有三個(gè)，隨后減為兩個(gè)，最后只剩下一個(gè)流注貫通整個(gè)間隙。,樹枝狀放電與放電發(fā)展的抑制,2放電時(shí)間 二次電子崩由光電離形成，光子的運(yùn)動(dòng)速度比電子快得多，二次電子崩又是在加強(qiáng)了的電場中，所以流注發(fā)展速度極快放電時(shí)間特別短 3陰極材料的影響 維持放電依靠空間光電離，而不是陰極表面的電離過程，與材料無關(guān),在Pd值較小時(shí)，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過程。,1.3 不均勻電場中氣體的擊穿,1 擊穿電壓 2 電暈起始電壓 3 放電不穩(wěn)定區(qū),d2D，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(gè)氣隙擊穿放電達(dá)到自持時(shí)，這時(shí)和均勻電場中情況類似,1.3.1 稍不均勻場和極不均勻場的放電特點(diǎn),d4D，電場分布極不均勻，電壓達(dá)到一定臨界值時(shí)，曲率半徑小的電極附近的強(qiáng)電場區(qū)域首先放電，出現(xiàn)碰撞電離和電子崩，甚至產(chǎn)生流注。 靠近兩個(gè)球極的表面出現(xiàn)藍(lán)紫色暈光，并發(fā)出“咝咝”聲電暈放電。,外加電壓進(jìn)一步增大，電極表面的電暈層擴(kuò)大，并出現(xiàn)刷狀的細(xì)火花刷狀放電 電壓繼續(xù)升高，火花變長，最終導(dǎo)致氣隙完全擊穿。,d2D4D，屬于過渡區(qū)域，放電過程極不穩(wěn)定，放電電壓分散性很大。,由實(shí)驗(yàn)可知，隨著電場不均勻程度增加，放電現(xiàn)象不相同。電場越不均勻（兩球隙間距離越大，電場越不均勻），則擊穿電壓和電暈起始電壓之間的差別也越大。,21,從放電的觀點(diǎn)來看，電場的不均勻程度也可以根據(jù)是否存在穩(wěn)定的電暈放電來區(qū)分：,極不均勻電場（ d4D ）：存在穩(wěn)定的電暈放電 稍不均勻電場（ d2D4D ）：雖然電場不均勻，但不存在穩(wěn)定的電暈放電，放電電壓與電暈起始電壓重合。電暈一旦出現(xiàn)間隙就立即被擊穿。,電場不均勻系數(shù) f f4時(shí)，極不均勻電場：自持放電的條件即是電暈起始條件，由發(fā)生電暈擊穿的過程還必須提高擊穿電壓才能完成,23,極不均勻電場中的放電具有如下特征： 1、極不均勻電場的擊穿電壓比均勻電場低； 2、極不均勻電場如果由不對稱電極形成，則放 電有明顯的極性效應(yīng)； 3、極不均勻電場具有特殊的放電形式電暈放電；,1.3.2 電暈放電現(xiàn)象,電暈放電現(xiàn)象電極表面電離區(qū)的放電過程造成。 強(qiáng)電場電子崩復(fù)合光輻射電暈 咝咝的電暈噪聲，臭氧的氣味，藍(lán)紫色的暈光，回路電流明顯增加(絕對值仍很小)，電暈電極周圍的電離區(qū)稱為電暈層，電暈層以外的電場很弱，不發(fā)生強(qiáng)烈的電離。,電暈的起始階段一系列短促的陡脈沖組成。這與電離的間歇性有關(guān)。電暈層中的碰撞電離過程不斷產(chǎn)生正、負(fù)帶電粒子。其中與電極同極性的粒子在電場作用下離開電暈層，逐步走向?qū)γ骐姌O，而異號(hào)電荷則迅速進(jìn)入電極。因?yàn)殡姌O附近存在較多與電極同極性的帶電粒子，導(dǎo)致電極表面場強(qiáng)減小，導(dǎo)致電離停止，等到這些電荷逐漸向外移動(dòng)及擴(kuò)散，電場得以重新增強(qiáng)后，電離才再次爆發(fā) 電暈放電的電流強(qiáng)度外施電壓、電極形狀、極間距離、氣體性質(zhì)和密度等因素。,電暈電流與能量,(a) 時(shí)間刻度T=125s (b) 0.7A電暈電流平均值 (c) 2A電暈電流平均值,電暈放電產(chǎn)生的空間電荷的運(yùn)動(dòng)電暈電流。電暈電流比較小的，但比泄漏電流要大得多?？臻g電荷的運(yùn)動(dòng)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。,輸電線路的電暈放電,導(dǎo)線表面的場強(qiáng)為 電暈起始場強(qiáng),E0的經(jīng)驗(yàn)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=0.820.9,對絞線局部電暈 m=0.72,輸電線路的電暈不僅與導(dǎo)線的表面狀況有關(guān)，還與天氣狀況有關(guān)，即導(dǎo)線表面曲率大小、粗糙不平或污穢都會(huì)使電暈損耗增加。 雨、雪、霜等壞天氣時(shí)，電暈損耗急劇增加。 水滴電場作用表面張力變成錐形,對于500750kV的超高壓輸電線路，在天氣好時(shí)電暈損耗一般不超過幾個(gè)W/km，而在壞天氣時(shí)，可以達(dá)到100 W/km以上。 因此在設(shè)計(jì)超高壓線路時(shí)，需要根據(jù)不同天氣條件下電暈損耗的實(shí)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,減小電暈的方法,降低導(dǎo)線表面場強(qiáng)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(qiáng)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,高場強(qiáng)電離電子崩 陽極積聚正電荷，減小了棒極表面附近的電場，略微加強(qiáng)了外部空間的電場,棒極表面附近電場被削弱，難以造成流注，電暈放電難以形成，放電難以自持,二、流注發(fā)展階段,隨著電壓升高，頭部電場增強(qiáng) 新電子崩 流注及其頭部的正電荷向前移動(dòng)，好像把棒極向前延伸，促進(jìn)流注發(fā)展,三、先導(dǎo)放電階段 條件：間隙距離較長（如大于1m），在流注通道還不足以貫通整個(gè)間隙的電壓作用下，仍可能發(fā)生擊穿。當(dāng)外施電壓一定時(shí)，高電壓使棒極附近電場很高，在棒極前方較大范圍內(nèi)都可能產(chǎn)生強(qiáng)烈電離，形成電子崩和流注。 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(qiáng)，電導(dǎo)增大，從而加大了其頭部前沿區(qū)域中的場強(qiáng)，引起新的流注，導(dǎo)致先導(dǎo)通道不斷伸長。,四、主放電過程 先導(dǎo)頭部發(fā)展到非常接近板極時(shí)，小間隙中的高場強(qiáng)引起強(qiáng)烈電離，帶電粒子濃度高。 新出現(xiàn)的等離子體大致具有極板電位，強(qiáng)電離區(qū)迅速向陽極傳播，強(qiáng)電離通道也迅速向前推進(jìn)主放電過程。 主放電通道貫穿電極間隙擊穿。,特點(diǎn)：由于其頭部場強(qiáng)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。,主放電通道 主放電和先導(dǎo)通道的交界區(qū) 先導(dǎo)通道,1.3.4 極不均勻場中的極性效應(yīng),正棒負(fù)板,電子運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度而加強(qiáng)了正離子群外部空間的電場 結(jié)果： （1）棒極附近的流注難以形成，電暈起始電壓提高。 （2）外部空間電場加強(qiáng)，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(qiáng)電場區(qū)后，不再能引起電離，向陽極運(yùn)動(dòng)的速度也越來越慢。 電子崩中的正離子加強(qiáng)了棒極附近的場強(qiáng)，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(shí)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