第一章氣體放電的基本物理過程

1、主講人：高宇主講人：高宇高電壓與絕緣技術(shù)實驗室高電壓與絕緣技術(shù)實驗室天津大學電氣與自動化工程學院天津大學電氣與自動化工程學院思考下述問題：思考下述問題：電荷的定向遷移和泄漏電荷的定向遷移和泄漏質(zhì)點的平均自由行程質(zhì)點的平均自由行程 ：一個帶電質(zhì)點在向前行進：一個帶電質(zhì)點在向前行進1 1cm距離內(nèi)，發(fā)生碰撞距離內(nèi)，發(fā)生碰撞次數(shù)的倒數(shù)次數(shù)的倒數(shù) 。質(zhì)點的平均自由行程質(zhì)點的平均自由行程PT電子的電子的 要比分子和離子的大得多要比分子和離子的大得多 的性質(zhì)的性質(zhì)反映了帶電質(zhì)點自由運動的能力反映了帶電質(zhì)點自由運動的能力帶電質(zhì)點的遷移率帶電質(zhì)點的遷移率EV =遷移率激勵、電離和復合激勵、電離和復合激勵、電離

2、和復合激勵、電離和復合氣體氣體電離能電離能N215.5O212.5CO213.7SF615.6H215.4H2O12.7碰撞電離碰撞電離中性原子中性原子電子電子電子動能電子動能221eevm電離能電離能iW熱電離熱電離中性原子中性原子電子電子電子動能電子動能kT23電離能電離能iW在大電弧的情況下發(fā)生光電離光電離中性原子中性原子光子能量光子能量hW =電離能電離能iWX X射線、射線、線線正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極h電子電子正離子的能量與金屬電極的逸出功的關(guān)系正離子的能量與金屬電極的逸出功的關(guān)系一些金屬的逸出功一些金屬的逸出功金屬金屬逸出功（逸出功（eV)鋁鋁4.08銀銀4.73銅銅4.7鐵

3、鐵4.48氧化銅氧化銅5.34光電子發(fā)射光電子發(fā)射光電效應(yīng)光電效應(yīng)tWh 熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射tWmv 212強場發(fā)射強場發(fā)射真空中、高壓氣體中、液體中、固體中真空中、高壓氣體中、液體中、固體中mV /108電場閾值電場閾值氣體分子要有很高的電負性氣體分子要有很高的電負性 tWmv 212電子親和能電子親和能 元素元素電子親合能（電子親合能（eV）電負性值電負性值F4.034.0Cl3.743.0Br3.652.8I3.302.5h復合復合中和中和擴散擴散1.2.11.2.1、電子崩、電子崩1.2.21.2.2、自持放電、自持放電1.2.31.2.3、巴申定律、巴申定律1.2.41.2.4、湯

4、遜理論、湯遜理論1.2.1.1.2.1.電子崩電子崩初始電子初始電子碰撞電離碰撞電離電子倍增電子倍增碰撞電離碰撞電離電子崩電子崩 崩頭崩頭崩尾崩尾1.2.1.1.2.1.電子崩電子崩討論討論與電場及氣壓的關(guān)系與電場及氣壓的關(guān)系N1=EUxii=exp()BpApEa=-電子碰撞電離系數(shù)電子碰撞電離系數(shù)1 cm1 cm， 碰撞電離平均次數(shù)碰撞電離平均次數(shù))exp(1EUi)exp(ixP1.2.1.1.2.1.電子崩電子崩xn0ndxdnd)exp(00 xdxnn1.2.2.1.2.2.自持放電自持放電電荷泄漏完電荷泄漏完畢，放電過畢，放電過程完成程完成電子崩電子崩放電形成放電形成電子倍增電子

5、倍增1.2.2.1.2.2.自持放電自持放電1pdnn=-)exp(0 xddxnpann11)exp(0 xdx1.2.2.1.2.2.自持放電自持放電均勻電場自持放電條件：均勻電場自持放電條件：非自持非自持自持對應(yīng)的電壓自持對應(yīng)的電壓11)exp(0 xdx1.2.2.1.2.2.自持放電自持放電電流隨外施電壓的提電流隨外施電壓的提高而增大，因為帶電高而增大，因為帶電質(zhì)點向電極運動的速質(zhì)點向電極運動的速度加快復合率減小度加快復合率減小 電流飽和，帶電質(zhì)電流飽和，帶電質(zhì)點全部進入電極，點全部進入電極，電流僅取決于外電電流僅取決于外電離因素的強弱（良離因素的強弱（良好的絕緣狀態(tài)）好的絕緣狀態(tài)）

6、 電流開始增電流開始增大，由于電大，由于電子碰撞電離子碰撞電離引起的引起的 電流急劇上升電流急劇上升放電過程進入放電過程進入了一個新的階了一個新的階段（擊穿）段（擊穿） 外施電壓小于外施電壓小于U U0 0時的放電是非自持放電。電壓到達時的放電是非自持放電。電壓到達U U0 0后，后，電流劇增，間隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需電流劇增，間隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素。要外電離因素。 自持放電自持放電起始電壓起始電壓1.2.3.1.2.3.巴申定律巴申定律18891889年，巴年，巴申完成了他申完成了他的著名實驗的著名實驗。1.2.3.1.2.3.巴申定律巴申定

7、律氣壓下降氣壓下降分子間距增大分子間距增大電子累積能量大電子累積能量大電子崩電子崩+ +擊穿擊穿間距過大間距過大難以碰撞電離難以碰撞電離1.2.4.1.2.4.湯遜理論湯遜理論考慮考慮過程：過程：考慮自持放電臨界條件：考慮自持放電臨界條件：考慮平均自由程與氣壓的關(guān)系：考慮平均自由程與氣壓的關(guān)系：)exp(1EUi1 1)exp(dAp=11.2.4.1.2.4.湯遜理論湯遜理論 擊穿電壓擊穿電壓U0表示為：表示為：均勻電場均勻電場)()11ln()(ln)(0pdfpdApdBUcmkPapd66.26放電時間較長放電時間較長放電特征呈絲狀放電特征呈絲狀陰極的作用陰極的作用什么樣的電場是不均勻

8、電場？什么樣的電場是不均勻電場？均勻電場：削弱了邊緣效應(yīng)的平行板電極。均勻電場：削弱了邊緣效應(yīng)的平行板電極。稍不均勻電場：球隙、同軸圓筒狀電極。稍不均勻電場：球隙、同軸圓筒狀電極。極不均勻電場：棒極不均勻電場：棒- -板電極，棒板電極，棒- -棒電極棒電極電場不均勻系數(shù)電場不均勻系數(shù)f favEEfmax=141E2E3EE初始電子崩初始電子崩空間電荷空間電荷光電離光電離二次電子崩二次電子崩注入初崩注入初崩20d空間電荷作用？空間電荷作用？流注流注自持自持湯遜理論的問題湯遜理論的問題（長間隙氣隙）（長間隙氣隙）陰極作用放電時間流注過程放電通道空間電荷+光電離正流注：由正極向負極發(fā)展的流注放電過

9、程。正流注：由正極向負極發(fā)展的流注放電過程。發(fā)展速度：發(fā)展速度：3-410e6 m/s負流注：由負極向正極發(fā)展的流注放電過程負流注：由負極向正極發(fā)展的流注放電過程發(fā)展速度：發(fā)展速度： 7-810e5 m/s正棒負板放電過程E電場加強電場加強，有利正，有利正流注發(fā)展流注發(fā)展電子崩電子崩流注流注場強增大場強增大流注加強流注加強放電放電正棒負板電場分布負棒正板放電過程E E電子崩電子崩流注流注場強不足場強不足流注熄滅流注熄滅棒極前流棒極前流注加強注加強混合質(zhì)通道混合質(zhì)通道場強增大場強增大流注開始流注開始放電負棒正板電場分布極性效應(yīng)不均勻電場氣隙中，正極性放電較不均勻電場氣隙中，正極性放電較負極性放電

10、更容易發(fā)生。負極性放電更容易發(fā)生。間隙過長（間隙過長（），流注不足以貫通時，擊穿如），流注不足以貫通時，擊穿如何發(fā)生？何發(fā)生？熾熱的等離子體通道熾熱的等離子體通道棒極附近熱電離的作用棒極附近熱電離的作用引發(fā)放電的條件：a.強電場 b.種子電子 c放電時間：nss數(shù)量級外施電壓為直流、交流的放電時間。若為沖擊電壓，情況將怎樣？fSbtttt+=0st有效電子有效電子電極材料電極材料外施電壓外施電壓光照情況光照情況電場均勻度電場均勻度ft擊穿過程擊穿過程間隙長度間隙長度電場均勻度電場均勻度外施電壓外施電壓1 1、標準雷電沖擊電壓波、標準雷電沖擊電壓波OCOC為視在波前為視在波前OFOF為視在波前時

11、間為視在波前時間OGOG為視在半峰值時間為視在半峰值時間國標規(guī)定：國標規(guī)定：%2050=sTt%302 . 1=sTf2 2、標準雷電沖擊截波電壓波、標準雷電沖擊截波電壓波sTsTc52=%302 . 1=1波前時間波前時間/ /截斷時間截斷時間3 3、標準操作沖擊電壓波、標準操作沖擊電壓波%602500=%20250=sTsTtf 持續(xù)電壓作用下，氣隙的擊穿特性為一持續(xù)電壓作用下，氣隙的擊穿特性為一。 通常用通常用或或來表征。來表征。沖擊電壓作用下，氣隙的擊穿特性如何表征？沖擊電壓作用下，氣隙的擊穿特性如何表征？ 1. 50% 1. 50%沖擊擊穿電壓沖擊擊穿電壓時的電壓，稱為。工程上采用該

12、值表征氣隙的沖擊擊穿特性，一般認為外施10次沖擊電壓，發(fā)生的電壓就是該值。：U50%與Us之比。均勻或稍不均勻電場： =1；極不均勻電場： 1%50U 2. 2. 伏秒特性（曲線）伏秒特性（曲線）工程上用間隙上出現(xiàn)的和的關(guān)系來表征間隙在沖擊電壓下的擊穿特性，稱為。保持波形不變保持波形不變僅改變幅值僅改變幅值 2. 2. 伏秒特性（帶）伏秒特性（帶）伏秒特性是一個有。工程上通?；虮硎練庀兜膿舸┨匦浴?2. 2. 伏秒特性伏秒特性1 1）極不均勻電場（大間隙）極不均勻電場（大間隙） 平均擊穿場強較低，放平均擊穿場強較低，放電時延較長，只有大大提高電時延較長，只有大大提高電壓，才能縮短放電時延。電壓

13、，才能縮短放電時延。 S S向左上角上翹向左上角上翹2 2）較均勻電場（小間隙）較均勻電場（小間隙） 間隙各處場強相差不大，間隙各處場強相差不大，一但出現(xiàn)電離，很快貫穿整一但出現(xiàn)電離，很快貫穿整個間隙，放電時延短。個間隙，放電時延短。 S S只能在很小的時間內(nèi)只能在很小的時間內(nèi)向上翹向上翹 2. 2. 伏秒特性伏秒特性50%50%沖擊擊穿電壓與伏秒特性曲線比較沖擊擊穿電壓與伏秒特性曲線比較U50%直觀簡單，但粗略伏秒特性曲線精確明晰，但繁瑣 1.5.1 1.5.1 電暈放電電暈放電 1.1.概念概念 2.2.物理過程和效應(yīng)物理過程和效應(yīng) 3.3.直流輸電線上的電暈直流輸電線上的電暈 4.4.交

14、流輸電線上的電暈交流輸電線上的電暈 5.5.輸電線路電暈的抑制方法輸電線路電暈的抑制方法 6.6.電暈的應(yīng)用電暈的應(yīng)用 1.5.2 1.5.2 沿面放電沿面放電 1.1.概念概念 2.2.類型及特點類型及特點 3.3.放電電壓提高方法放電電壓提高方法 4.4.濕閃現(xiàn)象濕閃現(xiàn)象 5.5.污閃放電污閃放電1 1、電暈放電的概念、電暈放電的概念曲率半徑小的曲率半徑小的發(fā)生的發(fā)生的放電。放電。極不均勻場的一種極不均勻場的一種特有的自持放電形特有的自持放電形式。式。1 1、電暈放電的概念、電暈放電的概念2 2、電暈放電的物理過程和效應(yīng)、電暈放電的物理過程和效應(yīng)負極負極正極正極電離電離正空間電荷作用正空間

15、電荷作用電離加強電離加強正電荷正電荷電子電子2 2、電暈放電的物理過程和效應(yīng)、電暈放電的物理過程和效應(yīng)正極正極負極負極電離電離正空間電荷作用正空間電荷作用電離減弱電離減弱正電荷正電荷電子電子2 2、電暈放電的物理過程和效應(yīng)、電暈放電的物理過程和效應(yīng)極性效應(yīng)：負電暈較正電暈容易發(fā)生極性效應(yīng)：負電暈較正電暈容易發(fā)生電暈電流的數(shù)量級：一般為微安級電暈電流的數(shù)量級：一般為微安級2 2、電暈放電的物理過程和效應(yīng)、電暈放電的物理過程和效應(yīng)1)、 吱吱的響聲 藍紫色的暈光 周圍氣體溫度升高2 2、電暈放電的物理過程和效應(yīng)、電暈放電的物理過程和效應(yīng)2)、 電子和離子高速運動與氣體交換能量形成電風空氣對電風的反

16、作用使電暈電極舞動2 2、電暈放電的物理過程和效應(yīng)、電暈放電的物理過程和效應(yīng)3)、 電暈引發(fā)的高頻脈沖是造成無線電干擾的原因之一。2 2、電暈放電的物理過程和效應(yīng)、電暈放電的物理過程和效應(yīng)4)、 形成臭氧、一氧化氮、二氧化氮和氨氣等。 產(chǎn)物會腐蝕金具、有機絕緣材料，使其老化，使用壽命減少。2 2、電暈放電的物理過程和效應(yīng)、電暈放電的物理過程和效應(yīng)5)、能量損耗 電暈損耗是電力管理部門最重視的現(xiàn)象之一。在有些場合，電暈損耗的程度非常可觀。2 2、電暈放電的物理過程和效應(yīng)、電暈放電的物理過程和效應(yīng)6)、環(huán)境效應(yīng) 電暈噪聲影響人類的正常工作。3 3、直流輸電線上的電暈、直流輸電線上的電暈)305.

17、0+1 (5 .31=021rmmEcor)298. 0+1 (3 .30=021rmmEcor4 4、交流輸電線上的電暈、交流輸電線上的電暈)298. 0+1 (4 .21=021rmmEcor5 5、輸電線路電暈的抑制方法、輸電線路電暈的抑制方法對策對策：（限制導線的表面場強：（限制導線的表面場強 ） 采用分裂導線。采用分裂導線。 對對330kV及以上的線路應(yīng)采用分裂導線，例如及以上的線路應(yīng)采用分裂導線，例如330，500和和750kV的線路可分別采用二分裂、四分裂和六分裂導線。的線路可分別采用二分裂、四分裂和六分裂導線。 rhrUE2ln=6 6、電暈的應(yīng)用、電暈的應(yīng)用n 過電壓波過電壓

18、波在傳輸線上行進時，電暈可削弱其幅值及陡度；n 電暈在靜電除塵靜電除塵、臭氧發(fā)生器臭氧發(fā)生器的應(yīng)用。1 1、沿面放電的一般概念、沿面放電的一般概念為什么要討論沿面放電？為什么要討論沿面放電？復合絕緣子上的爬電現(xiàn)象；復合絕緣子上的爬電現(xiàn)象；GISGIS支撐絕緣子上的放電；支撐絕緣子上的放電；開關(guān)柜中的爬電；開關(guān)柜中的爬電；1 1、沿面放電的一般概念、沿面放電的一般概念n 沿固體-氣體發(fā)生的放電現(xiàn)象。的沿面放電稱為。1 1、沿面放電的一般概念、沿面放電的一般概念 沿面閃絡(luò)的基本特性： 無機介質(zhì)（陶瓷、玻璃）：閃絡(luò)后電氣強度可恢復。有機介質(zhì)：電痕破壞。1 1、沿面放電的一般概念、沿面放電的一般概念

19、沿面閃絡(luò)的基本特性：沿面沿面要比等間隙下的擊穿電壓低，因此，設(shè)備絕緣的性能通常由沿面閃絡(luò)電壓決定。沿面閃絡(luò)受絕緣的影響很大，下，閃絡(luò)過程的差別很大。因此有和之分。沿面放電的過程受影響較大。2 2、沿面放電的類型和特點、沿面放電的類型和特點a. 固體介質(zhì)處于均勻電場中，且界面與電力線平行。2 2、沿面放電的類型和特點、沿面放電的類型和特點b. 固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，界面的法向分量遠大于切向分量。2 2、沿面放電的類型和特點、沿面放電的類型和特點c. 固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，且界面處的切向電場遠大于法向電場。2 2、沿面放電的類型和特點、沿面放電的類型和特點沿面放電：沿面放電：均勻電場中

20、，固體介質(zhì)的引入似乎并不影響電極間的電場分布，但放電總是發(fā)生在界面放電總是發(fā)生在界面，且閃絡(luò)電壓比空氣間隙的擊穿電壓要低得閃絡(luò)電壓比空氣間隙的擊穿電壓要低得多多。不同介質(zhì)的沿面閃絡(luò)電壓空氣間隙石蠟瓷與電極接觸不緊密的瓷 特點：特點：（1）沿面閃絡(luò)電壓與固體絕緣材料特性有關(guān)；（2）介質(zhì)表面粗糙，也會使電場分布畸變，從而使閃絡(luò)電壓降低；均勻電場中的沿面放電均勻電場中的沿面放電2 2、沿面放電的類型和特點、沿面放電的類型和特點均勻電場中的沿面放電均勻電場中的沿面放電（3）固體介質(zhì)是否與電極緊密接觸對閃絡(luò)電壓有影響。 充充SFSF6 6氣體的同軸圓柱電極中支撐與電極氣體的同軸圓柱電極中支撐與電極接觸的

21、好壞對沿面閃絡(luò)電壓的影響接觸的好壞對沿面閃絡(luò)電壓的影響 純純SFSF6 6接觸良好接觸良好接觸不良接觸不良 對于支柱絕緣子，內(nèi)屏蔽電極可以提高沿面閃絡(luò)電壓。內(nèi)屏蔽電極有一最佳深度，約10 cm左右。支柱絕緣子的內(nèi)屏蔽電極深度支柱絕緣子的內(nèi)屏蔽電極深度對雷電沖擊閃絡(luò)電壓的影響對雷電沖擊閃絡(luò)電壓的影響 正極性正極性負極性負極性2 2、沿面放電的類型和特點、沿面放電的類型和特點極不均勻電場中的沿面放電極不均勻電場中的沿面放電 表面具有強垂直電場分量表面具有強垂直電場分量沿套管表面放電的示意圖沿套管表面放電的示意圖（a）電暈放電）電暈放電 （b）細線狀輝光放電）細線狀輝光放電（c）滑閃放電）滑閃放電3

22、 3、沿面放電電壓的影響因素和提高方法、沿面放電電壓的影響因素和提高方法 1). 固體介質(zhì)材料種類固體介質(zhì)材料種類: 根據(jù)固體材料的憎水性或親水性，選擇適當?shù)牟牧稀?表面具有強垂直電場分量表面具有強垂直電場分量 提高套管的電暈起始電壓和滑閃放電電壓的方法：2. 改善電場改善電場 （1）減小比電容減小比電容，例如增大固體介質(zhì)的厚度，特別是加大法蘭處套管的外徑；也可采用介電常數(shù)較小的介質(zhì)，例如用瓷油組合絕緣代替純瓷介質(zhì)。 （2）減小絕緣表面電阻減小絕緣表面電阻，即減小介質(zhì)表面電阻率。例如在套管靠近接地法蘭處涂半導體釉；在電機絕緣的出槽口部分涂半導體漆等。等值電路等值電路3 3、沿面放電電壓的影響因

23、素和提高方法、沿面放電電壓的影響因素和提高方法4 4、濕閃現(xiàn)象、濕閃現(xiàn)象輸電線路或變電站的戶外絕緣子，運行條件惡劣，復雜輸電線路或變電站的戶外絕緣子，運行條件惡劣，復雜a. a. 。b. b. 。c. c. d. d. 4 4、濕閃現(xiàn)象、濕閃現(xiàn)象絕緣子表面的沿面閃絡(luò)現(xiàn)象稱為。：沿濕表面AB和干表面BCA。若工業(yè)水導電率很高，濕閃電壓可以下降至干閃電壓的40%-50%。：沿濕表面AB和空氣間隙BA。擊穿特性以氣隙為主，不會比干閃電壓下降太多。：連續(xù)的水柱使得閃絡(luò)電壓大幅下降。n干燥干燥條件下，污染物一般不導電：n大雨滂沱時，污染物會被沖刷掉；n毛毛雨時污染物被潤濕，電導率增大，泄漏電流隨之增大產(chǎn)生最先放電局部電弧繼續(xù)，使放電延續(xù)局部電弧貫穿兩極形成沿面閃絡(luò)。 這個電弧增大的過程，稱為。5. 5. 污閃放電污閃放電積聚污穢受潮干區(qū)形成局部電弧高壓接地E 等值附鹽密度：絕緣子表面每平方厘米面積上沉積等值附鹽密度：絕緣子表面每平方厘米面積上沉積的等效的等效NaClNaCl的質(zhì)量數(shù)的質(zhì)量數(shù)(mg)(mg)。 所謂等效：是在電導率上等效。所謂等效：是在電導率上等效。300 ml300 ml污穢等級污濕特征鹽密(mg/cm2)線路發(fā)電廠變電所0大氣清潔地區(qū)及離海岸鹽場50km以上無明顯污染地區(qū)0.03大