第3講 氣體電介質(zhì)的絕緣特性(二)

1、第第2 2講回顧講回顧u帶電粒子的產(chǎn)生與消失u湯遜理論u巴申定律u湯遜理論的適用范圍第第3 3講講 氣體電介質(zhì)的絕緣特性（二）氣體電介質(zhì)的絕緣特性（二）1.2.5 1.2.5 流注理論流注理論n在高氣壓長間隙條件下的氣體放電理論在高氣壓長間隙條件下的氣體放電理論n 特點(diǎn)：認(rèn)為電子碰撞電離及空間光電離是維持特點(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電場的作用 n通過大量的實(shí)驗(yàn)研究（主要在電離室中進(jìn)行的通過大量的實(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）說明放電發(fā)展的機(jī)理 電離室電離室電離室結(jié)構(gòu)示意圖

2、 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 n電子崩階段電子崩階段 空間電荷畸變外電場空間電荷畸變外電場 n流注階段流注階段 光電離形成二次電子崩，等離子體光電離形成二次電子崩，等離子體 （1 1） 電子崩階段電子崩階段（a a）初始電子崩）初始電子崩 電子崩頭部接近陽極時，電子崩頭部接近陽極時，崩頭電子和崩尾正離子數(shù)目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)烈急劇增強(qiáng)。那么崩頭的強(qiáng)烈電離也伴隨強(qiáng)烈的激勵和反電離也伴隨強(qiáng)烈的激勵和反激勵，并向周圍放射光子；激勵

3、，并向周圍放射光子； 崩中部的弱電場也為分子吸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)合也放射出條件，強(qiáng)烈的復(fù)合也放射出大量光子；大量光子；（一）流注理論（一）流注理論（b b）二次電子崩）二次電子崩n 光子使附近的氣體光子使附近的氣體因光電離而產(chǎn)生二次因光電離而產(chǎn)生二次電子電子n 它們崩尾局部增強(qiáng)它們崩尾局部增強(qiáng)的電場中，又形成新的電場中，又形成新的電子崩，即二次電的電子崩，即二次電子崩子崩 （2 2）流注的形成和發(fā)展）流注的形成和發(fā)展n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，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

4、子密度大致相等，這種等離子體流注。n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 3）間隙的擊穿）間隙的擊穿n流注不斷向陰極方向發(fā)流注不斷向陰極方向發(fā)展，流注通道不斷延伸展，流注通道不斷延伸n流注發(fā)展到陰極，間隙流注發(fā)展到陰極，間隙被導(dǎo)電良好的等離子通被導(dǎo)電良好的等離子通道所貫通道所貫通間隙擊穿間隙擊穿n從整個間隙的放電發(fā)展從整個間隙的放電發(fā)展來看，二次電子崩是逐來看，二次電子崩是逐步由陽極向陰極擴(kuò)展的步由陽極向陰極擴(kuò)展的，這一個過程稱為正流，這一個過程稱為正流注，即從正極出發(fā)的流注，即從正極出發(fā)的流注。注。 在電離室中得到的初

5、始電子崩照片圖a和圖b的時間間隔為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)榱髯⑺查g照片p273毫米汞柱E=12千伏/厘米電子崩在空氣中的發(fā)展速度約為電子崩在空氣中的發(fā)展速度約為1.25 107cm/s在電離室中得到的陽極流注發(fā)展過段的照片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)展速度約為正流注的發(fā)展速度約為1 108 2 108cm/s自持放電條件自持放電條件形成流注形成流注空間光電離維持放電（空間光電離維持放電（自持放電自持放電）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

6、也就是導(dǎo)致?lián)舸l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。的條件。流注形成的條件：足夠的空間光游離流注形成的條件：足夠的空間光游離較多的初較多的初始電子崩（電子崩積累到一定的數(shù)量）始電子崩（電子崩積累到一定的數(shù)量）常數(shù)（810de（二）流注理論對高氣壓、長間隙（二）流注理論對高氣壓、長間隙（pdpd很大）放電現(xiàn)象的解釋很大）放電現(xiàn)象的解釋 1放電外形放電外形 具有通道形式具有通道形式 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。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

7、前方的電場，這一作用伴隨著其前的電場，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，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)某個流注由于偶然原因發(fā)展更快時，就將抑制其他當(dāng)某個流注由于偶然原因發(fā)展更快時，就將抑制其他流注的形成和發(fā)展，這個作用隨著流注向前推進(jìn)將越流注的形成和發(fā)展，這個作用隨著流注向前推進(jìn)將越來越強(qiáng)，開始時流注很短，可能有三個，隨后減為兩來越強(qiáng)，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。個，最后只剩下一個流注貫通整個間隙。樹枝狀放電與放電發(fā)展的抑制樹枝狀放電與放電發(fā)展的抑制2放電時間放電時間 二次電子崩由

8、光電離形成，光子的運(yùn)動速度比電子快得多，二次電子崩又是在加強(qiáng)了的電場中，所以流注發(fā)展速度極快放電時間特別短3陰極材料的影響陰極材料的影響 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)u 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過程。1.3 1.3 不均勻電場中氣體的擊穿不均勻電場中氣體的擊穿1 擊穿電壓擊穿電壓2 電暈起始電壓電暈起始電壓3 放電不穩(wěn)定區(qū)放電不穩(wěn)定區(qū)d2D，電場還比較均勻，其放電特性與均，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)勻

9、電場相似，一旦出現(xiàn)自持放電，立即導(dǎo)致整個氣隙擊穿放電達(dá)到自持時，這時和致整個氣隙擊穿放電達(dá)到自持時，這時和均勻電場中情況類似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)稍不均勻場和極不均勻場的放電特點(diǎn)ud4D，電場分布極不均，電場分布極不均勻，電壓達(dá)到一定臨界勻，電壓達(dá)到一定臨界值時，曲率半徑小的電值時，曲率半徑小的電極附近的強(qiáng)電場區(qū)域首極附近的強(qiáng)電場區(qū)域首先放電，出現(xiàn)碰撞電離先放電，出現(xiàn)碰撞電離和電子崩，甚至產(chǎn)生流和電子崩，甚至產(chǎn)生流注。注。u 靠近兩個球極的表面出靠近兩個球極的表面出現(xiàn)藍(lán)紫色暈光，并發(fā)出現(xiàn)藍(lán)紫色暈光，并發(fā)出“咝咝咝咝”聲聲電暈放電暈放電。電。u外加電壓進(jìn)

10、一步增大，電極表面的電暈層擴(kuò)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)火花大，并出現(xiàn)刷狀的細(xì)火花刷狀放電刷狀放電u電壓繼續(xù)升高，火花變長，最終導(dǎo)致氣隙完電壓繼續(xù)升高，火花變長，最終導(dǎo)致氣隙完全擊穿。全擊穿。ud d2 2D D44D D，屬于過渡，屬于過渡區(qū)域，放電過程極不區(qū)域，放電過程極不穩(wěn)定，放電電壓分散穩(wěn)定，放電電壓分散性很大。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)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，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電場越不均勻），則擊穿電壓和電暈

11、起始電壓之間的差別也越大。間的差別也越大。21 從放電的觀點(diǎn)來看，電場的不均從放電的觀點(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：電暈放電來區(qū)分：極不均勻電場（極不均勻電場（ d d44D D ）：存在穩(wěn)定的電暈放電）：存在穩(wěn)定的電暈放電稍不均勻電場（稍不均勻電場（ d d2 2D D44D D ）：雖然電場不均勻，）：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。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)電場不均勻系數(shù) ff4時，極不均勻

12、電場：自持放電的條件即是電暈起始條件時，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，由發(fā)生電暈擊穿的過程還必須提高擊穿電壓才能完成dUEEEfavavmax23極不均勻電場中的放電具有如下特征：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；、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、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)；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、極不均勻電場具有特殊的放電形式電暈電暈放電；放電；1.3.2 1.3.2 電暈放電現(xiàn)

13、象電暈放電現(xiàn)象n電暈放電現(xiàn)象電暈放電現(xiàn)象電極表面電離區(qū)的放電過程造電極表面電離區(qū)的放電過程造成。成。n強(qiáng)電場強(qiáng)電場電子崩電子崩復(fù)合復(fù)合光輻射光輻射電暈電暈咝咝的電暈噪聲，臭氧的氣味，藍(lán)紫色的暈光，咝咝的電暈噪聲，臭氧的氣味，藍(lán)紫色的暈光，回路電流明顯增加回路電流明顯增加(絕對值仍很小絕對值仍很小)，電暈電極周，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。，不發(fā)生強(qiáng)烈的電離。u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，

14、逐步走向?qū)γ骐姌O，而異號電荷則迅速進(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及擴(kuò)散，電場得以重新增強(qiáng)后，電離才再次爆發(fā)u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。線板氣隙中不同直徑導(dǎo)線的工頻擊穿電壓與d的關(guān)系點(diǎn)劃線均勻電場；虛線正尖負(fù)板電場；1D=0.5mm；2D=3mm；3D=16mm；4D=20mm電暈電流與能量電暈電流與能量(a) 時間刻度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)動電暈放電產(chǎn)生的空間電荷的運(yùn)動電暈電流。電暈電流。電暈電流

15、比較小的，但比泄漏電流要大得多。空電暈電流比較小的，但比泄漏電流要大得多?？臻g電荷的運(yùn)動需要電源供給能量間電荷的運(yùn)動需要電源供給能量輸電線路電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暈損耗的主要部分，而使空氣電離所消耗的能量則比較小。則比較小。 輸電線路的電暈放電輸電線路的電暈放電n導(dǎo)線表面的場強(qiáng)為導(dǎo)線表面的場強(qiáng)為n電暈起始場強(qiáng)電暈起始場強(qiáng) E0的經(jīng)驗(yàn)公式kV/cm )3 . 01 (300rmEm導(dǎo)線表面的粗糙系數(shù)。光滑導(dǎo)線導(dǎo)線表面的粗糙系數(shù)。光滑導(dǎo)線m=1, 一般一般導(dǎo)線導(dǎo)線m=0.820.9,對絞線局部電暈對絞線局部電暈 m=0.72 rdrUEln2u輸電線路的電暈不僅與導(dǎo)

16、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使電暈損耗增加。u雨、雪、霜等壞天氣時，電暈損耗急劇增加。水滴電場作用表面張力變成錐形u對于500750kV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100 W/km以上。u因此在設(shè)計(jì)超高壓線路時，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。 2UP UUPI/US Ur UE 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rdrUEln2導(dǎo)體表面電場導(dǎo)體表面電場減小電暈的方法減小

17、電暈的方法u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。u一般采取適當(dāng)增大導(dǎo)線直徑的辦法u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。rdrUEln2電暈影響的兩面性電暈影響的兩面性n不利影響不利影響 ：能量損失；放電脈沖引起的高頻電：能量損失；放電脈沖引起的高頻電磁波干擾；化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕作用等磁波干擾；化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕作用等 n有利方面有利方面：電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓：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，提高擊穿電

18、壓 ；利用電暈放電除塵與臭氧發(fā)；利用電暈放電除塵與臭氧發(fā)生器等生器等 1.3.3 1.3.3 極不均勻場中的放電過程極不均勻場中的放電過程一、非自持放電階段一、非自持放電階段高場強(qiáng)高場強(qiáng)電離電離電子崩電子崩陽極積聚正電荷，減小了陽極積聚正電荷，減小了棒極表面附近的電場，略棒極表面附近的電場，略微加強(qiáng)了外部空間的電場微加強(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，放電難以自持放電難以形成，放電難以自持二、流注發(fā)展階段二、流注發(fā)展階段隨著電壓升高，隨著電壓升高，頭部電場增強(qiáng)頭部電場增強(qiáng)新電子崩新電子崩流注及其頭流注及其頭部的正電荷向前部的正電荷向前移動，好像把棒移動，好像把棒極向前延伸，促極向前延伸，促進(jìn)流注發(fā)展進(jìn)流注發(fā)展三、先導(dǎo)放電階段三、先導(dǎo)放電階段條件：間隙距離較長（如大于條件：間隙距離較長（如大于1m），在流注通道還不足），在流注通道還不足以貫通整個間隙的電壓作用下，仍可能發(fā)生擊穿。當(dāng)以貫通整個間隙的電壓作用下，仍可能發(fā)生擊穿。當(dāng)外施電壓一定時，高電壓使棒極附近電場很高，在棒外施電壓一定時，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