氣體電介質(zhì)絕緣特性

1、關(guān)于氣體電介質(zhì)的絕緣特性第一張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失 一、氣體電介質(zhì)中帶電粒子的產(chǎn)生 氣體中的原子通常處于正常狀態(tài)，原子在外界因素（強(qiáng)電場(chǎng)，高溫等）的作用下，吸收外界能量使其內(nèi)部能量增加，其電子可由低能級(jí)躍遷到能級(jí)較高的軌道運(yùn)行，這個(gè)過程稱為原子激勵(lì)。此時(shí)原子的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。此時(shí)的電子還未擺脫原子核的束縛。激勵(lì)過程所需能量稱為激勵(lì)能。 如果中性原子在外界因素作用下，獲得足夠大的能量，可使原子中的一個(gè)或幾個(gè)電子完全擺脫原子核的束縛，形成自由電子和正離子，這個(gè)過程稱為原子的電離。電離是激發(fā)的極限狀態(tài)，電離后形成的正離子就是原子失去一個(gè)或幾個(gè)電

2、子后形成的帶正電的質(zhì)點(diǎn)。電離過程所需要的能量稱為電離能Wi，一般為1015eV。顯然，發(fā)生電離的條件就是原子從外界獲取的能量大于原子的電離能。 氣體原子的電離可由下列因素引起：電子或正離子與氣體分子的碰撞；各種光輻射；高溫下氣體中的熱能。強(qiáng)電場(chǎng)根據(jù)不同的電離因素，電離有碰撞電離，光電離，熱電離，表面電離幾種形式：第一章 氣體電介質(zhì)的絕緣特性第二張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 1 碰撞電離 處在電場(chǎng)中的帶電粒子，除了經(jīng)常地作不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)、不斷地與其它粒子發(fā)生碰撞外，還受電場(chǎng)力的作用，沿電場(chǎng)方向不斷得到加速并積累動(dòng)能。當(dāng)具有足夠能量的帶電粒子與中性氣體分子碰撞時(shí)，就可能使氣體分子產(chǎn)

3、生電離。這種由碰撞而引起的電離稱為碰撞電離。 電子在強(qiáng)電場(chǎng)中產(chǎn)生的碰撞電離，是氣體中帶電粒子的極重要來源，在氣體放電中起著重要的作用。氣體中的電子、離子及其它質(zhì)點(diǎn)與中性原子的碰撞都可能產(chǎn)生電離，但因?yàn)殡娮拥某叽缂百|(zhì)量比離子的小得多，其平均自由行程（粒子在兩次碰撞之間的行程叫自由行程）遠(yuǎn)大于離子的自由行程，因此容易被電場(chǎng)所加速，并積累起電離所需的能量。而離子或其它質(zhì)點(diǎn)因其本身的體積和質(zhì)量較大，難以在碰撞前積累足夠的能量，且碰撞時(shí)能量交換效率較低，因而產(chǎn)生碰撞電離的可能性很小。電子從電場(chǎng)中獲得的能量為： （11） 式中：m電子的質(zhì)量； v電子的速度； E電場(chǎng)強(qiáng)度； q電子的電量； 電子的平均自由行

4、程。第三張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)電子的動(dòng)能大于或等于氣體分子的電離能時(shí)，就有可能因碰撞引起電離，因此產(chǎn)生電離的條件為： （12） 式中： Wi氣體分子的電離能。 2光電離 由光輻射引起的氣體原子的電離稱為光電離。光輻射的能量與波長有關(guān)，波長越短，能量越大。光輻射的能量為： （13） 式中：h普朗克常數(shù)，h6.629-34焦秒； 光子頻率。 當(dāng)氣體分子受到光輻射作用時(shí)，如果光的能量大于氣體原子的電離能Wi，就有可能引起光電離。因此產(chǎn)生光電離的條件為： （14） 由光電離產(chǎn)生的自由電子稱為光電子。光電離在氣體中起著很重要的作用。對(duì)所有氣體，在可見光作用下，一般不能直接發(fā)生光

5、電離。導(dǎo)致氣體分子光電離的高頻高能光子可由外界提供。各種短波長的高能輻射線例如宇宙射線X射線、射線以及短波長紫外線等都有較強(qiáng)的電離能力。在放電過程中處于較高能級(jí)的激發(fā)態(tài)原子回到正常狀態(tài)，以及異號(hào)離子復(fù)合成中性原子時(shí)都以光的形式放出多余的能量，成為導(dǎo)致電離的因素。第四張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 3熱電離 因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程，稱為熱電離。在常溫下，氣體質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)所具有的平均動(dòng)能遠(yuǎn)低于氣體的電離能，因此不產(chǎn)生熱電離。但是在高溫下氣體質(zhì)點(diǎn)具有的動(dòng)能足以導(dǎo)致氣體原子的碰撞，產(chǎn)生碰撞電離。此外高溫氣體的熱輻射也能導(dǎo)致光電離，因此熱電離的本質(zhì)仍是高速運(yùn)動(dòng)的氣體分子的碰撞電離的與光

6、電離。 氣體溫度是氣體分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志，氣體分子的平均動(dòng)能W和氣體溫度有如下關(guān)系： （15） 式中：K波爾茨曼常數(shù)，K1.389-23J/K； T絕對(duì)溫度，K。 隨著溫度升高，氣體分子動(dòng)能增加，當(dāng)氣體分子的動(dòng)能大于氣體分子電離能時(shí)，就可能引起熱電離。因此產(chǎn)生熱電離的條件為： （16） 在一定熱狀態(tài)下的物質(zhì)都能發(fā)出熱輻射，氣體也不例外。氣體溫度升高時(shí)，其熱輻射光子的能量大，數(shù)量多，這種光子與氣體分子相遇時(shí)就可能產(chǎn)生光電離。 由一切熱電離過程產(chǎn)生的電子也處于熱運(yùn)動(dòng)中。因此高溫下電子也能由于熱運(yùn)動(dòng)靠碰撞作用而造成分子電離。 由此可見，熱電離實(shí)質(zhì)上是熱狀態(tài)產(chǎn)生的碰撞電離和光電離的綜合 。第五張

7、，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 4表面電離 在外界電離因素的作用下，電子可能從電極的表面釋放，稱為表面電離或表面發(fā)射。電極發(fā)射電子所需要的能量叫逸出功。逸出功的大小與電極的材料和氣體表面的狀態(tài)有關(guān)，一般在15eV之間，它小于氣體在空間的電離能，而和金屬的溫度基本無關(guān)。這說明從陰極發(fā)射電子比在空間使氣體分子電離更容易。 表面電離與其它電離形式的區(qū)別在于，發(fā)生其它形式的電離時(shí)，電子和正離子同時(shí)出現(xiàn)，而表面電離只產(chǎn)生電子，沒有正離子出現(xiàn)。 表面電離有多種方式，即用各種不同的方式供給電子能量使其逸出金屬。表面電離的主要形式有：正離子碰撞陰極：正離子在電場(chǎng)中向陰極運(yùn)動(dòng)，碰撞陰極時(shí)將動(dòng)能傳遞給

8、電子使其逸出金屬；光電效應(yīng)：金屬表面受到光的照射時(shí)，放射出電子；強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射：在陰極附近加以很強(qiáng)的外電場(chǎng)使陰極放射出電子，由于強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射所需外電場(chǎng)極強(qiáng)，在103kV/cm數(shù)量級(jí)，所以在一般氣體間隙的擊穿過程中不會(huì)發(fā)生；熱電子放射：將陰極加熱到很高溫度，使其中的電子獲得巨大動(dòng)能，逸出金屬。第六張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 二、氣體介質(zhì)中帶電粒子的消失 氣體中發(fā)生放電時(shí)，除了有不斷形成帶電粒子的電離過程外，還存在著相反的過程，即帶電粒子的消失過程，它們將導(dǎo)致帶電粒子從電離區(qū)域消失，或者削弱其產(chǎn)生電離的作用，這些過程通常叫做去電離過程。帶電離子的運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散、復(fù)合以及電子的附著作用都屬于這樣

9、的作用。當(dāng)導(dǎo)致氣體電離的因素消失后，這些去電離過程將使氣體迅速恢復(fù)到絕緣狀態(tài)。 帶電粒子受電場(chǎng)力的作用流入電極 帶電粒子在與氣體分子碰撞后雖會(huì)發(fā)生散射，但從宏觀看是向電極方向作定向運(yùn)動(dòng)。在一定電場(chǎng)強(qiáng)度E下，帶電質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的平均速度將達(dá)到某個(gè)穩(wěn)定值。這個(gè)平均速度稱為帶電質(zhì)點(diǎn)的驅(qū)引速度 ，式中b稱為帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)中的遷移率，即單位場(chǎng)強(qiáng)下的運(yùn)動(dòng)速度。電子的遷移率比離子的遷移率約大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，同一種氣體的正、負(fù)離子的遷移率相差不大。在標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下，干燥空氣中正、負(fù)離子的遷移率分別為 及 。第七張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 2帶電粒子的擴(kuò)散 氣體中的帶電粒子，經(jīng)常處于不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)之

10、中。如果不同區(qū)域中的帶電粒子存在濃度差，則它們的總的趨勢(shì)是不斷從高濃度區(qū)域移向低濃度區(qū)域，趨向于使各種帶電粒子濃度變得均勻。這種現(xiàn)象稱為帶電粒子的擴(kuò)散。當(dāng)空氣間隙發(fā)生放電，并去掉電源后，放電通道中高濃度的帶電粒子就迅速的向周圍擴(kuò)散，使間隙恢復(fù)原來的絕緣狀態(tài)。 帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散同氣體分子的擴(kuò)散一樣，都是由熱運(yùn)動(dòng)造成的，因?yàn)榧词乖诤艽蟮臐舛认?，離子之間的距離仍較大，靜電相互作用力很小。帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散規(guī)律也同氣體的擴(kuò)散規(guī)律相似。 3帶電粒子的復(fù)合 正離子與負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和，還原為中性分子的過程稱為復(fù)合過程。復(fù)合可在氣體空間進(jìn)行，也可以在容器壁上發(fā)生。若放電空間離容器壁較遠(yuǎn)，則

11、顯然前者是主要的。 在帶電粒子復(fù)合過程中發(fā)生光輻射。如前面所述，這種光輻射在一定條件下又可能成為導(dǎo)致電離的因素。如前所述，離子的電離能力遠(yuǎn)不及電子。電子被分子俘獲而形成質(zhì)量大、速度小的負(fù)離子后，電離能力大為降低。因此，在氣體放電中，附著效應(yīng)起著阻礙放電的作用，電負(fù)性氣體具有較高的絕緣強(qiáng)度。第八張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 4附著效應(yīng) 某些氣體中的中性分子（或原子）具有較大的電子親和力，當(dāng)電子與其碰撞時(shí)，便被其吸附而成為負(fù)離子，同時(shí)放出能量，這個(gè)過程稱為氣體的附著效應(yīng)。容易附著電子形成負(fù)離子的氣體稱為電負(fù)性氣體，如氧氣、氯氣、氟氣、水蒸氣、六氟化硫等都屬于電負(fù)性氣體。 如前所述，

12、離子的電離能力遠(yuǎn)不及電子。電子被分子俘獲而形成質(zhì)量大、速度小的負(fù)離子后，電離能力大為降低。因此，在氣體放電中，附著效應(yīng)起著阻礙放電的作用，電負(fù)性氣體具有較高的絕緣強(qiáng)度。第九張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 湯遜理論和流柱理論 一、湯遜理論 20世紀(jì)初，英國物理學(xué)家湯遜（Townsend）在均勻電場(chǎng)、低氣壓、短間隙的條件下進(jìn)行了放電實(shí)驗(yàn)，提出了比較系統(tǒng)的理論和計(jì)算公式，解釋了整個(gè)間隙的放電過程和擊穿條件。雖然湯遜理論有很多不足，其適用范圍也有很大的局限，但它描述的放電過程是很基本的，具有普遍意義。 1非自持放電和自持放電 氣體放電可分為非自持放電和自持放電兩種。必須借助外加電離

13、因素才能維持的放電則稱之為非自持放電。不需其它任何外加電離因素而僅由電場(chǎng)的作用就能維持的放電稱為自持放電。 圖11所示的是湯遜的實(shí)驗(yàn)裝置。在空氣中放置兩塊平行板電極，用外部光源對(duì)陰極極板進(jìn)行照射，并在兩極間加上直流電壓，則在兩極之間形成均勻電場(chǎng)。當(dāng)極間電壓從零起逐漸升高時(shí)，得到電流和電壓的關(guān)系如圖12所示。 圖11 平行板電極試驗(yàn)裝置 圖12 放電電流和電壓的關(guān)系第十張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 大氣中通常存在著少量的正負(fù)離子，這是由于空間的宇宙線等高能射線作用下不斷產(chǎn)生電離與同時(shí)進(jìn)行的復(fù)合過程相互平衡的結(jié)果。此外，當(dāng)陰極受到照射時(shí)也能發(fā)射電子。在極間加上電壓后，這些帶電粒子分

14、別向兩極移動(dòng)，形成電流。起初，隨著電壓的升高，帶電離子的運(yùn)動(dòng)速度加大，電流也隨之增大，如圖12中0a段曲線所示。到達(dá)a點(diǎn)后，電流不再隨電壓而增大，因?yàn)檫@時(shí)在單位時(shí)間內(nèi)由外界電離因素在極間產(chǎn)生的帶電粒子已全部參加導(dǎo)電，所以電流趨于飽和。這個(gè)飽和電流密度是極小的。一般只有9-19A/cm2的數(shù)量級(jí)。因此，這時(shí)氣體間隙仍處于良好的絕緣狀態(tài)。到達(dá)b點(diǎn)后，電流又隨著電壓增大而增大，這時(shí)，間隙出現(xiàn)了新的電離因素碰撞電離。此后，電流越來越大。最后到達(dá)c點(diǎn)，此時(shí)電流急劇增大，間隙轉(zhuǎn)入良好的導(dǎo)電狀態(tài)。外加電壓到達(dá)c點(diǎn)以前，間隙中的電流很小，且要依靠外界的電離因素來維持，此時(shí)的放電屬于非自持放電；外加電壓到達(dá)c點(diǎn)

15、之后，氣體間隙中發(fā)生了強(qiáng)烈的電離，帶電粒子的數(shù)量急增，此時(shí)間隙中的放電依靠電場(chǎng)的作用就可以維持，c點(diǎn)以后的放電屬于自持放電。第十一張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 湯遜放電理論 在外界電離因素的作用下，陰極產(chǎn)生光電子發(fā)射，使間隙中產(chǎn)生自由電子，這些電子就是放電的起始電子。這些起始電子在電場(chǎng)的作用下，由陰極奔向陽極，在這個(gè)過程中，電子不斷被加速，動(dòng)能不斷積累，同時(shí)與中性粒子發(fā)生碰撞，當(dāng)UUB后，電場(chǎng)很強(qiáng)，電子的動(dòng)能達(dá)到足夠大，有可能產(chǎn)生碰撞電離。如圖12所示，當(dāng)氣體間隙上所加電壓超過UB后，電流迅速增大。電離新產(chǎn)生的電子和原有電子一起又從電場(chǎng)中獲得動(dòng)能，繼續(xù)被加速，從而發(fā)生新的碰撞電

16、離.這樣就出現(xiàn)了一個(gè)連鎖反應(yīng)的局面：一個(gè)起始電子從電場(chǎng)獲得一定的動(dòng)能后，碰撞電離出一個(gè)第二代電子；這兩個(gè)電子作為新的起始電子從電場(chǎng)獲得動(dòng)能，又電離出兩個(gè)新的第二代電子，這時(shí)間隙中已存在四個(gè)自由電子；這四個(gè)自由電子又作為新的起始電子繼續(xù)發(fā)生碰撞電離;，這樣一代一代不斷地發(fā)展下去。間隙中的電子數(shù)目由1變?yōu)?，2變?yōu)?，電子的數(shù)目迅速增加。這種電子數(shù)目迅速增加的過程，猶如高山的雪崩過程，因此被形象地稱為電子崩，見圖13。電子崩過程的出現(xiàn)使間隙中的電流急劇增大。圖12中b點(diǎn)后電流隨電壓迅速增長就是電子碰撞電離引起電子崩的緣故。第十二張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖1-3 電子崩的電荷分

17、布 圖1-4 氣體間隙的示意圖 電子崩中因碰撞電離產(chǎn)生電子的同時(shí)，也產(chǎn)生正離子。電子向陽極運(yùn)動(dòng)，正離子向陰極運(yùn)動(dòng)。正離子向陰極運(yùn)動(dòng)的過程中，一方面可能與中性粒子發(fā)生碰撞產(chǎn)生碰撞電離，另一方面正離子可能撞擊陰極表面使其產(chǎn)生表面電離，逸出電子。從陰極表面逸出的電子作為新的起始電子又重復(fù)上述的電子崩過程。這樣一直發(fā)展下去，使間隙中維持放電狀態(tài)。 為了定量分析氣隙中氣體放電過程，引入三個(gè)系數(shù)： 系數(shù)：它代表一個(gè)電子沿著電場(chǎng)方向行經(jīng)1cm長度后平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。設(shè)每次碰撞電離產(chǎn)生一個(gè)電子和一個(gè)正離子，所以也就是一個(gè)電子在單位長度行程內(nèi)新電離出的電子數(shù)和正離子數(shù)。 系數(shù)：一個(gè)正離子沿著電場(chǎng)方向行經(jīng)1

18、cm長度后平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)； 系數(shù)：表示折合到每個(gè)碰撞陰極表面的正離子，使陰極金屬表面平均釋放出的自由電子數(shù)。第十三張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 由上可知：系數(shù)對(duì)應(yīng)于起始電子形成電子崩的過程，亦稱過程，與電子崩過程類似，在引起電子劇增同時(shí)，系數(shù)對(duì)應(yīng)于離子崩的過程，亦稱過程，系數(shù)描述了離子崩到達(dá)陰極后，引起陰極發(fā)射電子的過程，亦稱過程。由于離子的尺寸和質(zhì)量較大，離子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)獲取動(dòng)能產(chǎn)生碰撞電離的可能性比電子小得多，因此過程可以忽略。 如圖14所示，假設(shè)氣體間隙的距離為d，由于某種外界電離因素，從陰極發(fā)出一個(gè)電子。這個(gè)電子在向陽極運(yùn)動(dòng)過程中不斷引起碰撞電離，電子數(shù)目越來越

19、多，經(jīng)過距離x后數(shù)目達(dá)到n，再經(jīng)過距離dx，增加的電子數(shù)目為dn，則有 dn=ndx 或 （17） 從0到d積分得到達(dá)到陽極時(shí)的電子數(shù)為 （18） 若為一常數(shù)，則有 n=ed （19） 這就是電子崩的發(fā)展規(guī)律。如果x=10，則n=ed=2.2104，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。 第十四張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 n是過程中包括起始電子在內(nèi)的電子數(shù)。一個(gè)電子從陰極出發(fā)向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于碰撞電離形成電子崩，到達(dá)陽極并進(jìn)入陽極ed個(gè)電子。除去起始電子外，新產(chǎn)生了（ed1）個(gè)電子和正離子。這（ed1）個(gè)正離子在電場(chǎng)作用下向陰極運(yùn)動(dòng)，撞擊陰極表面，產(chǎn)生表面電離，一個(gè)正離子可電離出個(gè)電子，則（ed1）正

20、離子就可電離出（ed1）個(gè)電子。即（ed1）表示了這些正離子消失在陰極之前，由過程又在陰極上釋放出二次電子數(shù)。如果（ed1）個(gè)正離子在撞擊陰極表面時(shí)至少能從陰極釋放出一個(gè)有效電子來彌補(bǔ)原來那個(gè)產(chǎn)生電子崩并已進(jìn)入陽極的電子，那么這個(gè)有效電子將在電場(chǎng)的作用下向陽極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生碰撞電離，發(fā)展新的電子崩。這樣，即使沒有外界電離因素存在，放電也能繼續(xù)下去，使放電達(dá)到自持。所以，自持放電的條件為： （ed1）1或 （110） 設(shè)電子在均勻電場(chǎng)E中前進(jìn)距離后，與中性粒子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生碰撞電離，若忽略其初始動(dòng)能，則須滿足 EqxWi 或 （111） 其中q為電子所帶電荷，Wi、Ui分別為氣體分子的電離能和電離電

21、位。第十五張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 式（1-11）的物理意義是，使電子在與氣體分子碰撞時(shí)產(chǎn)生電離的必要條件為電子在運(yùn)動(dòng)中所積聚的動(dòng)能至少應(yīng)等于氣體分子的電離能。電子在場(chǎng)強(qiáng)為E的電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)只有那些自由行程超過 距離的電子，才能與分子發(fā)生碰撞電離。如果電子在與氣體分子發(fā)生兩次碰撞之間的平均自由行程為，則由氣體運(yùn)動(dòng)理論可知，相鄰兩次碰撞之間電子運(yùn)動(dòng)距離大于xi的概率為 ，電子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)1cm距離與氣體分子發(fā)生碰撞的平均次數(shù)為 ，其中只有 ，次是電子的自由行程超過xi的碰撞。根據(jù)電離系數(shù)的定義有如下關(guān)系式： （112） 其中A常數(shù)，P氣壓，是電子的平均自由行程。 因此 其中

22、或 （113） 第十六張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 由（110）式，有 （114） 另外， 根據(jù)上面公式，可以得到自持放電條件下空氣間隙擊穿電壓U0的表達(dá)式為 （115） 式中，A、B是兩個(gè)與氣體種類有關(guān)的常數(shù)。式（115）表明了擊穿電壓與氣體狀態(tài)等因素的關(guān)系。式中，U0為在氣溫不變的條件下，均勻電場(chǎng)中氣體的自持放電的起始電壓，它等于氣隙的擊穿電壓U0。從式中可以看出，U0取決于P與d的乘積。 第十七張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 3巴申（Paschen）定律 式（115）表明的規(guī)律在湯遜（Townsend）之前（1889年）已由巴申(Paschen)從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)

23、出來了，稱為巴申定律。其內(nèi)容是：當(dāng)氣體成分和電極材料一定時(shí)，氣體間隙擊穿電壓（U0）是氣壓（P）和間隙距離（d）乘積的函數(shù)： U0=f（pd） （116） 巴申定律給湯遜理論以實(shí)驗(yàn)支持，而湯遜理論給巴申定律以理論上的解釋，兩者相互映證。巴申曲線如圖15。圖15 某種氣體的巴申曲線第十八張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖16為幾種氣體的擊穿電壓U0與Pd值關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線。由曲線可見，隨Pd的變化，擊穿電壓U0有最小值。這一現(xiàn)象可用湯遜理論加以解釋：因?yàn)樾纬勺猿址烹娦枰_(dá)到一定的電離數(shù)ad，而這又決定于碰撞次數(shù)與電離概率的乘積，如果d固定，則當(dāng)P增大時(shí)，氣體相對(duì)密度增大，電子很容易與

24、氣體的粒子相碰撞，碰撞次數(shù)增加，電子的平均自由行程縮短，不易積累動(dòng)能，引起電離的可能性減小，擊穿電壓升高；當(dāng)P減小時(shí)，氣體相對(duì)密度減小，雖然電子的平均自由行程增大，電子在兩次碰撞間可積累很大的動(dòng)能，但碰撞的幾率減小，引起電離的次數(shù)減少，擊穿電壓升高。因此，在某個(gè)P值下ad有最大值，從而U0最小。另一方面，如果P固定，則當(dāng)d增大時(shí)，碰撞次數(shù)將增加，但由于E=U/d，電場(chǎng)強(qiáng)度降低，電子的動(dòng)能減小，擊穿電壓升高；當(dāng)d減小時(shí)，電子從陰極到陽極的運(yùn)動(dòng)距離縮短，發(fā)生碰撞的次數(shù)減少，電離概率減小，擊穿電壓升高。因此在某個(gè)d值下ad有最大值，從而U0最小。圖16 幾種氣體的擊穿電壓U0與Pd值關(guān)系的試驗(yàn)曲線第

25、十九張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 以上分析是在假定氣體溫度不變的情況下得到的。為了考慮溫度變化的影響，巴申定律更普遍的形式是以氣體的密度（）代替壓力，對(duì)空氣來說可表示為： U0=f（P） （117）其中為空氣的相對(duì)密度。 （118） P0=101.3KPa,t0=20,P氣壓（kPa），t溫度（）. 空氣間隙的U0最小值為327V，相應(yīng)的d=0.759-3cm。可見在大氣壓力或更高的壓力下，氣隙的d值要遠(yuǎn)大于上述數(shù)值。因此，其擊穿電壓都處在巴申曲線的右半部，即U0隨d的增大而升高。 巴申曲線右半部分所示U0（與E0）與d的關(guān)系，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式表示 （119） 擊穿電壓U0的

26、單位為kV（峰值），極間距離d的單位為cm。第二十張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 4湯遜放電理論的適用范圍 湯遜理論是在低氣壓、Pd較小的條件下在放電實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的。Pd過小或過大，放電機(jī)理將出現(xiàn)變化，湯遜理論就不再適用了。 Pd過小時(shí)，氣體極低（d過小實(shí)際是不可能的），電子的平均自由行程遠(yuǎn)大于間隙距離，碰撞電離來不及發(fā)生，擊穿電壓似乎應(yīng)不斷上升，但實(shí)際上電壓U上升到一定程度后，場(chǎng)致發(fā)射將導(dǎo)致?lián)舸?，湯遜的碰撞電離理論不再適用，擊穿電壓將不再增加。 Pd過大時(shí)，氣壓高，或距離大，這時(shí)氣體擊穿的很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法全部在湯遜理論范圍內(nèi)給以解釋。 （1）放電外形：高氣壓時(shí)放電外形具有分

27、支的細(xì)通道，而按照湯遜放電理論，放電應(yīng)在整個(gè)電極空間連續(xù)進(jìn)行，例如輝光放電。 （2）放電時(shí)間：根據(jù)出現(xiàn)電子崩經(jīng)幾個(gè)循環(huán)后完成擊穿的過程，可以計(jì)算出放電時(shí)間，在低氣壓下的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致，高氣壓下的實(shí)測(cè)放電時(shí)間比計(jì)算值小得多。 （3）擊穿電壓：Pd較小時(shí)擊穿電壓計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值一致；Pd大時(shí)不一致。 （4）陰極材料：低氣壓下?lián)舸╇妷号c電極材料有關(guān)；高氣壓下間隙擊穿電壓與電極材料無關(guān)。 因此，通常認(rèn)為，Pd200cmmmHg時(shí)，擊穿過程將發(fā)生變化，湯遜理論的計(jì)算結(jié)果不再適用，但其碰撞電離的基本原理仍是普遍有效的。第二十一張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 二、流注理論1流注的形成

28、在湯遜以后，由洛依布（Loeb）和米克（Meek）等在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了一種新理論流注理論（streamer theory），彌補(bǔ)了湯遜理論的不足，較好地解釋了高氣壓長間隙的氣體放電現(xiàn)象。圖17流注的形成和發(fā)展第二十二張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖1-7表示了外施電壓等于擊穿電壓時(shí)電子崩轉(zhuǎn)入流注，實(shí)現(xiàn)擊穿的過程。流注理論認(rèn)為，在外電離因素（如光源）的作用下，在陰極附近產(chǎn)生起始有效電子。當(dāng)外加電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，這些有效電子在電場(chǎng)作用下，在向陽極運(yùn)動(dòng)的途中不斷與中性原子發(fā)生碰撞電離，而形成初始電子崩。由于電子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于正離子的速度，因此電子集中在朝著陽極的崩頭部，當(dāng)初始電子崩發(fā)

29、展到陽極時(shí),崩頭中電子迅速跑到陽極進(jìn)行中和，暫留的正離子（在電子崩頭部其密度最大）作為正空間電荷與陰極間形成的電場(chǎng)與原有電場(chǎng)方向一致，加強(qiáng)了原電場(chǎng)，同時(shí)向周圍放射出大量光子（如圖17（a）。這些光子使附近的氣體因光電離而產(chǎn)生二次電子，它們?cè)谟烧臻g電荷所引起的畸變和加強(qiáng)了的局部電場(chǎng)作用下，又形成新的電子崩,即二次電子崩（如圖17（b）。二次電子崩頭部的電子跑向初始電子崩的正空間電荷區(qū)域，與之匯合成為充滿正負(fù)帶電粒子的混合通道，這個(gè)電離通道稱為流注。流注通道導(dǎo)電性能良好，其端部（這里流注的發(fā)展方向是從陽極到陰極，與初崩的方向相反）又有二次崩留下的正電荷，因此大大加強(qiáng)了流注發(fā)展方向的電場(chǎng)，促使更多

30、的新電子崩相繼產(chǎn)生并與之匯合，從而使流注向前發(fā)展（如圖17（c）。到流注通道把兩極接通時(shí)（如圖17（d） ，就將導(dǎo)致氣隙完全被擊穿。第二十三張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 綜上所述，流注理論認(rèn)為：形成流注的必要條件是電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷足以使原電場(chǎng)（外施電壓在氣隙中產(chǎn)生的電場(chǎng)）明顯畸變，大大加強(qiáng)了電子崩崩頭和崩尾處的電場(chǎng)。另一方面，電子崩中電荷密度很大，復(fù)合過程頻繁，放射出的光子在這部分強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)很容易成為引發(fā)新的空間光電離的輻射源。因此，流注理論認(rèn)為：二次電子的主要來源是空間的光電離。 2流注形成的條件 氣隙中一旦出現(xiàn)流注，放電就可以由放電本身所產(chǎn)生的空間

31、光電離而自行維持，因此自持放電條件就是流注形成的條件。而形成流注的條件是需要初始電子崩頭部的電荷達(dá)到一定的數(shù)量，使電場(chǎng)得到足夠的畸變和加強(qiáng)，造成足夠的空間光電離，轉(zhuǎn)入流注。所以流注形成的條件為： ed 常數(shù) （1-20） 一般認(rèn)為當(dāng)d20（或ed 108）便可滿足上述條件，使流注得以形成。第二十四張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 3流注理論對(duì)放電現(xiàn)象的解釋 利用流注理論可以很好地解釋高氣壓、長間隙情況下出現(xiàn)的一系列放電現(xiàn)象。 （1）放電外形 流注通道電流密度很大，電導(dǎo)很大，故其中電場(chǎng)強(qiáng)度很小。因此流注出現(xiàn)后，將減弱其周圍空間內(nèi)的電場(chǎng)，加強(qiáng)了流注前方的電場(chǎng)，并且這一作用伴隨著其向前發(fā)

32、展而更為增強(qiáng)。因而電子崩形成流注后，當(dāng)某個(gè)流注由于偶然原因發(fā)展更快時(shí)，它就將抑制其它流注的形成和發(fā)展，這種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)間隙了，所以放電是具有通道形式的。 （2）放電時(shí)間 根據(jù)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(yuǎn)比電子的大，二次電子崩又是在加強(qiáng)了的電場(chǎng)中，所以流注發(fā)展更迅速，擊穿時(shí)間比由湯遜理論推算的小得多。 （3）陰極材料的影響 根據(jù)流注理論，大氣條件下氣體放電的發(fā)展不是依靠正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(chǎn)生電子維持的，故陰極材料對(duì)氣體擊穿電壓沒有影響。第二十

33、五張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 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(shù)，因而難以聚積到ed 108所要求的電子數(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。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(bǔ)充，可以說明廣闊的Pd范圍內(nèi)的放電現(xiàn)象。 必須指出，上述自持放電條件公式適用于非電負(fù)性氣體。而對(duì)強(qiáng)電負(fù)性氣體，還應(yīng)引入系數(shù)描述電子的附著效應(yīng)過程。的定義與相似，即一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向行經(jīng)1cm時(shí)平均發(fā)生的電子附著次數(shù)，由此可知，在電負(fù)性氣體中，有效碰撞電離系數(shù)為 （121） 對(duì)于這種情況

34、，湯遜理論自持條件式（110）中的 不能簡單地用 來代替。這是因?yàn)樵陔娯?fù)性氣體中，正離子數(shù)等于新增的電子數(shù)與負(fù)離子數(shù)之和。 一般強(qiáng)電負(fù)性氣體的工程應(yīng)用屬于流注放電的范疇，因此這里直接探討其流注自持放電條件。參照式（116），均勻電場(chǎng)中電負(fù)性氣體的流注自持放電條件有類似的表達(dá)式 （122） 式中，K為電子崩中電子的臨界值取對(duì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于SF6（六氟化硫）強(qiáng)電負(fù)性氣體，K=10.5。第二十六張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 由于強(qiáng)電負(fù)性氣體的附著效應(yīng)，使得 ，從而導(dǎo)致自持放電場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)比非電負(fù)性氣體高得多。以SF6氣體為例，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，均勻電場(chǎng)中擊穿場(chǎng)強(qiáng)（89kV/cm）約為同

35、樣狀態(tài)的空氣間隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)（30 kV/cm）的3倍。 應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，放電理論，尤其是流注理論還很粗糙。具體絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿電壓目前還無法根據(jù)放電理論來精確計(jì)算。工程上對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)直接依靠實(shí)驗(yàn)方法，或利用各種典型電極的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但上述關(guān)于放電理論的解釋還是很重要的，它提出了放電發(fā)展的前景，闡明了擊穿電壓和各種影響因素間至少是定性的關(guān)系，對(duì)分析絕緣結(jié)構(gòu)的問題是有幫助的。第二十七張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 不均勻電場(chǎng)的放電過程 在均勻電場(chǎng)中，氣體間隙內(nèi)的流注一旦形成，放電達(dá)到自持的程度，氣隙就被擊穿。而在不均勻電場(chǎng)中，情況就更復(fù)雜。 電氣設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)大多是不均

36、勻的。根據(jù)其放電特點(diǎn)，不均勻電場(chǎng)可分為稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)。 一、稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的放電特點(diǎn)圖18 直徑為D的球隙的放電電壓與極間距離d的關(guān)系曲線1擊穿電壓；2電暈起始電壓；3放電不穩(wěn)定區(qū)第二十八張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖18表示直徑為D的球隙的放電電壓與極間距離d的關(guān)系曲線。試驗(yàn)表明：當(dāng)d2D時(shí)，電場(chǎng)還比較均勻，其放電特性與均勻電場(chǎng)相似，一旦出現(xiàn)自持放電，立即導(dǎo)致整個(gè)氣隙擊穿。當(dāng)d4D以后，這時(shí)由于電場(chǎng)強(qiáng)度沿氣隙分布極不均勻，因而當(dāng)所加電壓達(dá)到某一臨界值時(shí)，在靠近兩個(gè)球極的表面出現(xiàn)藍(lán)紫色的暈頭，并發(fā)出“咝咝”的響聲，這種局部放電現(xiàn)象稱為電暈放電，開始出現(xiàn)

37、電暈放電的電壓稱為電暈起始電壓。當(dāng)外加電壓進(jìn)一步增大時(shí)，電極表面電暈層亦隨之?dāng)U大，并出現(xiàn)刷狀的細(xì)火花，火花越來越長，最終導(dǎo)致氣隙完全擊穿。球隙距離在2D4D之間時(shí)，屬于過渡區(qū)域，隨電壓升高會(huì)出現(xiàn)電暈，但不穩(wěn)定，該球隙立刻就轉(zhuǎn)為火花放電。由實(shí)驗(yàn)可知，隨著電場(chǎng)不均勻程度增加，放電現(xiàn)象不相同，電場(chǎng)越不均勻（兩球間距離越大，電場(chǎng)越不均勻），擊穿電壓和電暈起始電壓之間的差別也越大。從放電的觀點(diǎn)看，電場(chǎng)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：如果電場(chǎng)的不均勻程度導(dǎo)致存在穩(wěn)定的電暈放電（如d4D以后），則稱為極不均勻電場(chǎng)；雖然電場(chǎng)不均勻，但還不存在穩(wěn)定的電暈放電，電暈一旦出現(xiàn)，氣隙立刻被擊穿（如

38、2Dd4D時(shí)），則稱為稍不均勻電場(chǎng)。第二十九張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 通常電場(chǎng)的不均勻程度一般可用電場(chǎng)不均勻系數(shù)f來描述： 其中，Emax 為電場(chǎng)中場(chǎng)強(qiáng)最高點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度；Eav為平均電場(chǎng)強(qiáng)度， 其中，U為間隙上施加的電壓；d為電極間最短的絕緣距離。 用電場(chǎng)不均勻系數(shù)可將電場(chǎng)不均勻程度劃分為：均勻電場(chǎng)f=1；稍不均勻電場(chǎng)f4。 由上述可見，在稍不均勻電場(chǎng)中放電達(dá)到自持條件時(shí)發(fā)生擊穿現(xiàn)象，此時(shí)氣隙中平均電場(chǎng)強(qiáng)度比均勻電場(chǎng)氣隙的要小，因此在同樣極間距離時(shí)稍不均勻場(chǎng)氣隙的擊穿電壓比均勻氣隙的要低，在極不均勻場(chǎng)氣隙中自持放電條件即是電暈起始條件，由發(fā)生電暈至擊穿的過程還必須增高電壓才

39、能完成。第三十張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 二、極不均勻電場(chǎng)氣體的電暈放電 在極不均勻電場(chǎng)中，氣隙完全被擊穿以前，電極附近會(huì)發(fā)生電暈放電，產(chǎn)生暗藍(lán)色的暈光。這種特殊的暈光是電極表面電離區(qū)的放電過程造成的。電離區(qū)內(nèi)的分子，在外電離因素（如光源）和電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生了激發(fā)、電離，形成大量的電子崩。與此同時(shí)也產(chǎn)生激發(fā)和電離的可逆過程復(fù)合。在復(fù)合過程中，會(huì)產(chǎn)生光輻射，從而形成了暈光，即所謂電暈。電暈放電的電流強(qiáng)度取決于外加電壓、電極形狀、極間距離、氣體性質(zhì)和密度等。電暈放電的起始電壓在理論上可根據(jù)自持放電的條件求取，但這種方法計(jì)算繁雜且不精確，所以通常都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來確定的。 在某些

40、情況下可以利用電暈放電的空間電荷來改善極不均勻場(chǎng)的電場(chǎng)分布，以提高其擊穿電壓。第三十一張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月圖19 在導(dǎo)線板氣隙中不同直徑D的導(dǎo)線的工頻擊穿電壓（有效值）與極間距離d的關(guān)系點(diǎn)劃線均勻電場(chǎng)；虛線正尖負(fù)板電場(chǎng)；1D=0.5mm；2D=3mm；3D=16mm；4D=20mm第三十二張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 在圖19的導(dǎo)線板氣隙中，給出了不同直徑D的導(dǎo)線的工頻擊穿電壓（有效值）與極間距離d的關(guān)系。由圖可見，導(dǎo)線直徑D在厘米級(jí)時(shí)擊穿電壓與尖板間隙相近；但當(dāng)導(dǎo)線直徑減小到0.5mm時(shí)，擊穿電壓值幾乎接近均勻場(chǎng)時(shí)的情況。這是由于細(xì)線電暈放電時(shí)形成的均

41、勻電暈層，改善了間隙中的電場(chǎng)分布，因而擊穿電壓提高。導(dǎo)線直徑較大時(shí)情況不同，因?yàn)殡姌O表面不可能絕對(duì)光滑，所以在整個(gè)表面發(fā)生電暈之前局部有缺陷處先發(fā)生放電，出現(xiàn)刷狀放電現(xiàn)象，因此擊穿與尖板間隙相近。 在極不均勻電場(chǎng)中，當(dāng)間隙上所加的電壓遠(yuǎn)低于擊穿電壓時(shí)，在曲率大的電極表面附近可能由于場(chǎng)強(qiáng)已經(jīng)達(dá)到自持放電的條件而出現(xiàn)電暈放電。這時(shí)，在黑暗的環(huán)境中，可以看到電暈電極周圍出現(xiàn)微弱的暈光，還可以聽到嘶嘶的電暈噪聲，嗅到由電暈放電產(chǎn)生的臭氧的味道。與此同時(shí)，電路電流也突然增大到可以測(cè)量的數(shù)值。 在平行導(dǎo)線間的距離d遠(yuǎn)大于導(dǎo)線半徑r時(shí)，可求得導(dǎo)線表面的場(chǎng)強(qiáng)為 （123） 式中U導(dǎo)線對(duì)中性平面的電壓。第三十三

42、張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 皮克研究了平行導(dǎo)線間電暈起始電壓的大量數(shù)據(jù)，并通過公式（118）的關(guān)系換算得到平行導(dǎo)線間電暈起始場(chǎng)強(qiáng)E0的經(jīng)驗(yàn)公式如下: （124） 式中m導(dǎo)線表面的粗糙系數(shù)。對(duì)光滑導(dǎo)線m=1,對(duì)于一般導(dǎo)線m=0.820.9,對(duì)絞線上出現(xiàn)局部電暈 m=0.72；空氣相對(duì)密度；r導(dǎo)線直徑（cm）。 上式表明, E0與空氣相對(duì)密度和導(dǎo)線直徑有關(guān)。另外,當(dāng)導(dǎo)線表面粗糙時(shí),電暈起始電壓降低。 由公式（123）可以得到電暈起始電壓U0如下式所示: （125） 對(duì)于三相輸電線路,上式的U0代表相電壓,d為導(dǎo)線的幾何平均距離： （122） 式中d12、d23、d31分別表示三根

43、導(dǎo)線兩兩之間的距離。第三十四張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 電暈層中的碰撞電離過程不斷產(chǎn)生正負(fù)兩種帶電粒子。其中與導(dǎo)線同極性的粒子在電場(chǎng)作用下離開電暈層,逐步走向?qū)γ骐姌O（電子在弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)運(yùn)動(dòng)常會(huì)附著在中性粒子上形成負(fù)離子）。在交流輸電的情況下,這些空間電荷由于速度緩慢在未達(dá)到對(duì)面導(dǎo)線時(shí)就因極性改變而折回?？臻g電荷的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了電暈電流。由于導(dǎo)線大部分空氣間隙仍保持絕緣,這個(gè)電暈電流自然是比較小的，但它比正常情況下的線路絕緣的泄漏電流要大得多。空間電荷的運(yùn)動(dòng)需要電源供給能量,這部分能量構(gòu)成了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。 電暈的起始階段,放電電流通常由

44、一系列短促的陡脈沖組成，一般認(rèn)為這與電離的間歇性質(zhì)有關(guān)。由于爆發(fā)電離后產(chǎn)生與導(dǎo)線同號(hào)的電荷,導(dǎo)致電離停止,待到這些電荷逐漸向外移動(dòng)及擴(kuò)散,電場(chǎng)得以重新增強(qiáng)后,電離才再次爆發(fā)。上述過程不斷重復(fù),就造成了放電的脈沖現(xiàn)象。此外在電壓較高時(shí)流注的不斷形成、熄滅和重新爆發(fā),也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的放電脈沖，這些脈沖電流將產(chǎn)生電磁波傳播到空間。特別是工頻電壓下的電暈，由于每半周期內(nèi)都存在著電暈起始和熄滅階段，因此不斷地發(fā)射出電磁波，造成無線電干擾，最嚴(yán)重的無線電干擾源來自正半周時(shí)的流注放電，特別當(dāng)導(dǎo)線表面粗糙或有水滴附著在其上時(shí)。第三十五張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 隨著輸電電壓的提高，電暈問題也越

45、來越突出。這是因?yàn)榫€路輸電功率 ，而電流 ，在保持同樣電流密度的條件下，導(dǎo)線截面積 ，即導(dǎo)線半徑導(dǎo)線的表面場(chǎng)強(qiáng) （126） 上式說明，導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)將隨著電壓的平方根成比例增大。如果說，對(duì)于220kV及以下的輸電線路，電暈放電及其所引起的損耗和干擾一般還不算突出的話，那么，對(duì)于電壓等級(jí)更高的線路，如果不采取一定的措施，在工作電壓下導(dǎo)線表面的場(chǎng)強(qiáng)就可能超過電暈起始場(chǎng)強(qiáng)，從而引起嚴(yán)重的電暈損耗和無線電干擾。 從上式可以看出，要降低導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)有兩種辦法：增大線間距離D或增大導(dǎo)線半徑r。前一種辦法將導(dǎo)致增加桿塔造價(jià)，并增大線路電抗，因此并不可取。一般采取適當(dāng)增大導(dǎo)線直徑的辦法。但在330kV及其以上的

46、線路，按照電暈要求選擇的導(dǎo)線直徑一般大于按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇的直徑。為了經(jīng)濟(jì)，也為了避免使用直徑太大的導(dǎo)線，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。分裂導(dǎo)線在保持同樣截面的條件下，導(dǎo)線表面積比單導(dǎo)線時(shí)增大，但導(dǎo)線的電容及電荷增加得很少，這就使得導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)得以降低。第三十六張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 我國水電部制訂的架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，在海拔不超過1000m的地區(qū)，如導(dǎo)線直徑不小于表11所列的數(shù)值，一般不必驗(yàn)算電暈。此時(shí)導(dǎo)線表面工作場(chǎng)強(qiáng)已低于電暈起始場(chǎng)強(qiáng)。 輸電線路的電暈損耗除了如上所述與導(dǎo)線直徑所決定的表面工作場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)外，還與導(dǎo)線的表面狀況

47、及天氣狀況有關(guān)。導(dǎo)線表面曲率增大（如絞線）、粗糙不平或污穢都會(huì)使電暈損耗增大。天氣的影響除了空氣密度降低將使電暈起始場(chǎng)強(qiáng)降低外，在出現(xiàn)雨、雪、霜等壞天氣時(shí)，都將使電暈損耗急劇增加，這是由于附著在導(dǎo)線上的水滴在電場(chǎng)作用下將克服本身的表面張力而變成錐形（圖110），從而在其尖端產(chǎn)生強(qiáng)烈的放電。 表11 不必驗(yàn)算電暈的導(dǎo)線最小值額定電壓（kV）60以下110154220330導(dǎo)線直徑（mm）9.613.721.333.2221.3圖110 導(dǎo)線電場(chǎng)對(duì)水滴形狀的影響第三十七張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 近年來各國對(duì)電暈進(jìn)行的大量研究工作表明，對(duì)于500750kV的超高壓輸電線路，在天氣

48、好時(shí)電暈損耗一般不超過幾個(gè)，而在壞天氣時(shí)，可以達(dá)到100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(cè)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(duì)線路的電暈損耗進(jìn)行估算。 對(duì)于500以上的超高壓線路，除了要考慮電暈損耗和無線電及電視干擾外，還要考慮電暈產(chǎn)生的噪聲對(duì)環(huán)境的影響問題。電暈放電還能使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生臭氧和氧化氮等產(chǎn)物，引起對(duì)導(dǎo)體及絕緣材料的腐蝕作用。 總之，電暈放電在電力生產(chǎn)中有許多明顯的害處，電暈放電時(shí)發(fā)光并發(fā)出咝咝聲和引起化學(xué)反應(yīng)（如使大氣中氧變?yōu)槌粞酰?，這些都是需要能量，所以輸電線路發(fā)生電暈時(shí)會(huì)引起功率損耗。其次電暈放電過程中由于流注的不斷消失

49、和重新產(chǎn)生會(huì)出現(xiàn)放電脈沖，形成高頻電磁波對(duì)無線電廣播和電視產(chǎn)生干擾。此外，電暈放電發(fā)出的噪聲有可能超過環(huán)境保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。所以，應(yīng)力求防止或限制電暈放電。例如，對(duì)于輸電線路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮防止電暈的問題，通常采用分裂導(dǎo)線即將每相輸電導(dǎo)線分裂為幾導(dǎo)線，合理選擇分裂導(dǎo)線數(shù)、線徑及間距，以限制導(dǎo)線的表面場(chǎng)強(qiáng)值，減小電暈放電的危害。 當(dāng)然，事物總是一分為二的，電暈放電在某些場(chǎng)合也有對(duì)人類有有利的一面。例如電暈可削弱輸電線路上的雷電沖擊電壓的幅值和陡度，也可以使操作過電壓產(chǎn)生衰減。 電暈放電在工業(yè)部門已獲得廣泛應(yīng)用，例如凈化工業(yè)廢氣的靜電除塵器與凈化水用的臭氧發(fā)生器和靜電噴涂等。第三十八張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)

50、作于2022年6月 三、極不均勻電場(chǎng)中的放電過程 “棒板”間隙是典型的極不均勻電場(chǎng)，以下以正棒負(fù)板的“棒板”間隙為例， 討論極不均勻電場(chǎng)中的放電過程。 1非自持放電階段 當(dāng)棒具有正極性時(shí)，間隙中出現(xiàn)的電子向棒運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，開始引起電離現(xiàn)象而形成電子崩。隨著電壓逐漸上升，到放電達(dá)到自持、爆發(fā)電暈之前，這種電子崩在間隙中已形成相當(dāng)多了。當(dāng)電子崩達(dá)到棒極后，其中的電子就進(jìn)入棒極，而正離子仍留在空間，相對(duì)緩慢地向板極移動(dòng)。于是在棒極附近，積聚起正空間電荷，從而減少了緊貼棒極附近的電場(chǎng)，而加強(qiáng)了外部空間的電場(chǎng)。見圖1-11。圖111 正棒負(fù)板間隙中非自持放電階段第三十九張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作

51、于2022年6月 2流注發(fā)展階段 棒極附近形成流注，由于外電場(chǎng)的特點(diǎn)，流注等離子體頭部具有正電荷，頭部的正電荷減少了等離子體中的電場(chǎng)，而加強(qiáng)了其頭部電場(chǎng)。流注頭部前方電場(chǎng)得到加強(qiáng)，使得此處易于產(chǎn)生新的電子崩。新電子崩的電子被吸引進(jìn)入流注頭部的正電荷區(qū)內(nèi)，加強(qiáng)并延長了流注通道，其尾部的正離子則構(gòu)成了流注頭部的正電荷，流注及其頭部的正電荷使強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)更向前移，好像將棒極向前延伸了似的（當(dāng)然應(yīng)考慮到通道中的壓降），于是促進(jìn)了流注通道進(jìn)一步發(fā)展，逐漸向陰極推進(jìn)。見圖1-12。圖112 正棒負(fù)板間隙中流注的形成和發(fā)展第四十張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 3先導(dǎo)放電階段 間隙距離較長時(shí)，在流注

52、通道還不足以貫通整個(gè)間隙的電壓下，仍可能發(fā)展起擊穿過程。這時(shí)流注通道發(fā)展到足夠的長度后，將有較多的電子沿通道流向電極，通過通道根部的電子最多，于是流注根部溫度升高，出現(xiàn)了熱電離過程。這個(gè)具有熱電離過程的通道稱為先導(dǎo)通道。先導(dǎo)中由于出現(xiàn)了新的電離過程，電離加強(qiáng)，更為明亮，電導(dǎo)增大，軸向場(chǎng)強(qiáng)比流注通道中的場(chǎng)強(qiáng)低得多，從而加大了其頭部前沿區(qū)域中的場(chǎng)強(qiáng)，引起新的流注，導(dǎo)致先導(dǎo)通道不斷伸長。見圖1-13。圖113 正棒負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展 第四十一張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 4主放電階段 先導(dǎo)通道頭部的流注放電區(qū)達(dá)到板極（短間隙時(shí)為流注通道達(dá)到極板）。先導(dǎo)通道導(dǎo)電性很好，場(chǎng)強(qiáng)較小，

53、因而好像將棒極延長了似的，通道頭部的電位接近棒極的電位（當(dāng)然還應(yīng)減去通道中的壓降）。因此，當(dāng)先導(dǎo)通道頭部極為接近極板時(shí)，這一很小間隙中的場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)極大數(shù)值，以致引起強(qiáng)烈的電離，使這一間隙中出現(xiàn)了帶電粒子濃度遠(yuǎn)大于先導(dǎo)通道的等離子體。新出現(xiàn)的通道大致具有極板電位，因此在它和先導(dǎo)通道交界處總保持著極高的電場(chǎng)強(qiáng)度，繼續(xù)引起強(qiáng)烈的電離。于是高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，也即強(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)，這就是主放電過程。由于其頭部場(chǎng)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。主放電通道貫穿電極間隙后，間隙就失去絕緣性能，擊穿過程完成。圖114 正棒負(fù)極板間隙中的主放電過程第四十二張，PPT共一

54、百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 四、極不均勻電場(chǎng)中的極性效應(yīng) 圖115表示正極性“棒板”間隙中自持放電前空間電荷對(duì)原電場(chǎng)的畸變情況。棒電極附近電場(chǎng)強(qiáng)度高，電離產(chǎn)生的電子在棒電極附近首先形成電子崩。因?yàn)榘魳O為正極性，電子崩崩頭的電子迅速進(jìn)入棒極；而正離子則向板極運(yùn)動(dòng)，但速度很慢，棒極附近積聚起正空間電荷，如圖115（b）所示。這些正空間電荷削弱了棒極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度而加強(qiáng)了正離子群外部空間的電場(chǎng)，如圖115（c）所示。因此，棒極附近難以形成流注，使電暈起始電壓提高。正空間電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)與原電場(chǎng)方向一致，加強(qiáng)了外部空間的電場(chǎng)，有利于流注的發(fā)展，因此擊穿電壓較低。圖115 在正極性“棒棒”氣隙中自

55、持放電前空間電荷對(duì)原電場(chǎng)的畸變E0原電場(chǎng)，Eq空間電荷的電場(chǎng)，Ecom合成電場(chǎng)第四十三張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 負(fù)極性“棒板”間隙（圖116）中，棒極附近形成電子崩，由于棒極為負(fù)極性，所以電子崩中的電子迅速擴(kuò)散并向板極運(yùn)動(dòng)，離開強(qiáng)電場(chǎng)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，一部分消失于陽極，另一部分為氧原子所吸附而形成為負(fù)離子。電子崩中的正離子逐漸向棒極運(yùn)動(dòng)，但其運(yùn)動(dòng)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(qiáng)了棒極附近的場(chǎng)強(qiáng)，使棒極附近容易形成流注，因而電暈起始電壓比正極性時(shí)要低。正空間電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)與原電場(chǎng)方向相反，削弱了外部空間的電場(chǎng)

56、，阻礙了流注的發(fā)展，因此擊穿電壓較高。圖116 負(fù)極性“棒板”間隙中自持放電前空間電荷對(duì)原電場(chǎng)的畸變E0原電場(chǎng)，Eq空間電荷的電場(chǎng)，Ecom合成電場(chǎng)第四十四張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 空氣間隙在各種電壓下的擊穿特性 空氣間隙的擊穿電壓和電壓種類有很大關(guān)系。直流電壓和工頻交流電壓統(tǒng)稱持續(xù)作用電壓,這類電壓的變化速度很小,相比之下放電發(fā)展所需時(shí)間可以忽略不計(jì)。雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓持續(xù)時(shí)間極短,以微秒計(jì),在沖擊電壓作用下,放電發(fā)展速度就不能忽略不計(jì)了。 空氣的擊穿電壓和電場(chǎng)分布有很大關(guān)系,間隙距離相同時(shí),通常電場(chǎng)越均勻,擊穿電壓也越高。 一、持續(xù)作用電壓下空氣間隙的擊穿

57、特性 直流和工頻統(tǒng)稱為持續(xù)作用電壓，這類電壓隨時(shí)間的變化速度較小，相比之下放電發(fā)展所需的時(shí)間可忽略不計(jì)。 1均勻電場(chǎng)中空氣的擊穿特性 均勻電場(chǎng)中空氣的擊穿電壓經(jīng)驗(yàn)公式為: KV （127） 式中，d間隙距離，單位為cm； 空氣相對(duì)密度。 第四十五張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 均勻電場(chǎng)中空氣的電氣強(qiáng)度大致等于30kV/cm。圖117給出了均勻電場(chǎng)中標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)條件下（P=101.3kPa，T=293K，H=11g/m3）在穩(wěn)態(tài)電壓作用時(shí)空氣間隙的擊穿電壓峰值U0與極間距離的關(guān)系。圖117 均勻電場(chǎng)中標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)條件下（p=101.3kPa, T=293K, H=11g/m3 ）在

58、穩(wěn)態(tài)電壓作用時(shí)空氣間隙的擊穿電壓峰值Ub與極間距離的關(guān)系第四十六張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 2稍不均勻電場(chǎng)中空氣的擊穿特性 稍不均勻電場(chǎng)中直到擊穿為止不發(fā)生電暈;電場(chǎng)不對(duì)稱時(shí),極性效應(yīng)不很明顯。直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓（幅值）、50%沖擊擊穿電壓實(shí)際也都相同，擊穿電壓的分散性也不大。 稍不均勻電場(chǎng)中,擊穿電壓和電場(chǎng)均勻程度關(guān)系極大,電場(chǎng)越均勻,同樣間隙距離下的擊穿電壓就越高,其極限就是均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓。 稍不均勻電場(chǎng)中也有極性效應(yīng)。以球一球間隙為例, 若兩球?qū)ΨQ布置，其中任何一球都不接地，測(cè)對(duì)地對(duì)稱的直流電壓時(shí)，無極性效應(yīng)；但通常是一球接地使用，如圖118所示，由于大地

59、的影響，電場(chǎng)分布不對(duì)稱，因而有極性效應(yīng)。（a） 球水平放置 （b） 球垂直放置圖118 球隙中一球接地時(shí)的電場(chǎng)分布第四十七張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖119表示一球接地時(shí)，直徑為D的球隙的擊穿電壓Ub與間隙距離d的關(guān)系。由圖119可見，當(dāng)dD/4時(shí)，電場(chǎng)不均勻度增大，大地對(duì)球隙中電場(chǎng)分布的影響加大，因而平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)減小，擊穿電壓的分散性增大。為了保證測(cè)量精度，球隙測(cè)壓器的工作范圍應(yīng)在dD/2內(nèi)。不接地的球?yàn)檎龢O時(shí)擊穿電壓高于負(fù)極性時(shí)的數(shù)值.這種現(xiàn)象的產(chǎn)生也是由于空間電荷的影響。在極不均勻電場(chǎng)中,負(fù)極性下電暈起始電壓比正極性略低。在稍不均勻電場(chǎng)中，不能形成穩(wěn)定的電暈放電,電暈

60、起始電壓就是其擊穿電壓,所以負(fù)極下?lián)舸╇妷郝缘陀谡龢O性下的數(shù)值。圖119一球接地時(shí)，直徑為D的球隙的擊穿電壓Ub與電氣隙距離d的關(guān)系第四十八張，PPT共一百零四頁，創(chuàng)作于2022年6月 3極不均勻電場(chǎng)中空氣的擊穿特性 極不均勻場(chǎng)擊穿電壓的特點(diǎn)是：電場(chǎng)不均勻程度對(duì)擊穿電壓的影響減弱，極間距離對(duì)擊穿電壓的影響增大。 （1）直流擊穿電壓 棒一板間隙,由于極性效應(yīng)，棒電極具有正極性時(shí)擊穿電壓比負(fù)極性時(shí)低得多。棒一棒間隙的擊穿電壓介于極性不同的棒一板間隙之間。這是由于：一方面,棒-棒間隙有正極性尖端,放電容易由此發(fā)展，所以其擊穿電壓應(yīng)比負(fù)棒-正板的低；另一方面,棒-棒間隙有兩個(gè)尖端,即有兩個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，