第一章氣體放電的基本物理過程

高電壓技術主講人：高宇高電壓與絕緣技術實驗室天津大學電氣與自動化工程學院第1章氣體放電的基本物理過程1.1帶電粒子的產生和消失1.2湯遜理論1.3流注放電1.4放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿1.5電暈放電和沿面放電1.6污閃放電氣隙中帶電粒子是如何形成的？氣隙中的導電通道是如何形成的？思考下述問題：第1章氣體放電的基本物理過程電荷的定向遷移和泄漏氣體放電1.1.1帶電粒子在氣體中的運動1.1.2帶電粒子的產生1.1.3負離子的形成1.1.4帶電粒子的消失1.1帶電粒子的產生和消失平均自由行程帶電質點的遷移率激勵電離復合1.1.1帶電粒子在氣體中的運動相關學術術語質點的平均自由行程

：一個帶電質點在向前行進1cm距離內，發(fā)生碰撞次數(shù)的倒數(shù)。1.1.1帶電粒子在氣體中的運動質點的平均自由行程

受溫度和氣壓影響電子的要比分子和離子的大得多的性質反映了帶電質點自由運動的能力1.1.1帶電粒子在氣體中的運動帶電質點的遷移率E負極正極正離子電子遷移率1.1.1帶電粒子在氣體中的運動激勵、電離和復合原子核基態(tài)電子能量激勵電離電離能復合1.1.1帶電粒子在氣體中的運動激勵、電離和復合1.1.1帶電粒子在氣體中的運動氣體電離能N215.5O212.5CO213.7SF615.6H215.4H2O12.71.1.2帶電粒子的產生帶電粒子的來源源于氣體內部源于電極碰撞電離熱電離光電離正離子碰撞光電子發(fā)射熱電子發(fā)射強場發(fā)射1.1.2帶電粒子的產生碰撞電離源于氣體內部中性原子電子E電子動能電離能氣體中產生帶電粒子的最主要原因1.1.2帶電粒子的產生熱電離源于氣體內部中性原子電子電子動能電離能高溫在大電弧的情況下發(fā)生1.1.2帶電粒子的產生光電離源于氣體內部中性原子光子能量電離能光子X射線、γ線1.1.2帶電粒子的產生正離子碰撞陰極源于電極E負極正極正離子電子正離子的能量與金屬電極的逸出功的關系1.1.2帶電粒子的產生源于電極一些金屬的逸出功金屬逸出功（eV)鋁4.08銀4.73銅4.7鐵4.48氧化銅5.341.1.2帶電粒子的產生光電子發(fā)射源于電極E負極正極光電效應1.1.2帶電粒子的產生熱電子發(fā)射源于電極E負極正極加熱1.1.2帶電粒子的產生強場發(fā)射源于電極E負極正極真空中、高壓氣體中、液體中、固體中電場閾值1.1.3負離子的形成氣體分子要有很高的電負性E負極正極1.1.3負離子的形成電子親和能元素電子親合能（eV）電負性值F4.034.0Cl3.743.0Br3.652.8I3.302.51.1.4帶電質點的消失E負極正極帶電粒子消失的三條途徑：復合、擴散和中和復合中和擴散1.2湯遜理論1.2.1、電子崩1.2.2、自持放電1.2.3、巴申定律1.2.4、湯遜理論1.2湯遜理論E負極正極1.2.1.電子崩初始電子碰撞電離電子倍增碰撞電離電子崩崩頭崩尾1.2湯遜理論1.2.1.電子崩討論α與電場及氣壓的關系α的定義E增大，α急劇增大；p很大或很小時，α均很小。電子碰撞電離系數(shù)α1cm，碰撞電離平均次數(shù)1.2湯遜理論1.2.1.電子崩電子數(shù)：1.2湯遜理論E負極正極1.2.2.自持放電電荷泄漏完畢，放電過程完成電子崩放電形成電子倍增正粒子碰撞陰極產生電子1.2湯遜理論1.2.2.自持放電電子數(shù)：正離子數(shù)：新電子數(shù)：γ過程1.2湯遜理論1.2.2.自持放電均勻電場自持放電條件：非自持自持對應的電壓起始放電電壓1.2湯遜理論1.2.2.自持放電電流隨外施電壓的提高而增大，因為帶電質點向電極運動的速度加快復合率減小電流飽和，帶電質點全部進入電極，電流僅取決于外電離因素的強弱（良好的絕緣狀態(tài)）電流開始增大，由于電子碰撞電離引起的電流急劇上升放電過程進入了一個新的階段（擊穿）

外施電壓小于U0時的放電是非自持放電。電壓到達U0后，電流劇增，間隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素。自持放電起始電壓1.2湯遜理論1.2.3.巴申定律1889年，巴申完成了他的著名實驗。1.2湯遜理論1.2.3.巴申定律定性解釋氣壓下降分子間距增大電子累積能量大電子崩+擊穿間距過大難以碰撞電離難！1.2湯遜理論1.2.4.湯遜理論湯遜的理論推導考慮α過程：考慮自持放電臨界條件：考慮平均自由程與氣壓的關系：1.2湯遜理論1.2.4.湯遜理論湯遜的理論推導

擊穿電壓U0表示為：湯遜理論的適用條件：均勻電場無法解釋長間隙放電的物理現(xiàn)象湯遜理論的不足：放電時間較長放電特征呈絲狀陰極的作用1.2湯遜理論1.3流注放電1.3.1均勻電場氣隙中的流注放電1.3.2不均勻電場氣隙中的流注放電1.3.3先導放電（補充知識）什么樣的電場是不均勻電場？均勻電場：削弱了邊緣效應的平行板電極。稍不均勻電場：球隙、同軸圓筒狀電極。極不均勻電場：棒-板電極，棒-棒電極電場不均勻系數(shù)f=1<2>41.3流注放電什么是流注放電E負極正極什么是流注放電初始電子崩空間電荷光電離二次電子崩注入初崩空間電荷作用？流注自持什么是流注放電湯遜理論的問題（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1.3.1均勻電場氣隙中的流注放電E負極正極正流注：由正極向負極發(fā)展的流注放電過程。發(fā)展速度：3-4×10e6m/s1.3.1均勻電場氣隙中的流注放電負流注：由負極向正極發(fā)展的流注放電過程發(fā)展速度：7-8×10e5m/sE負極正極1.3.2不均勻電場氣隙中的流注放電正極負極正棒—負板放電過程電場加強，有利正流注發(fā)展電子崩流注場強增大流注加強放電1.3.2不均勻電場氣隙中的流注放電正棒—負板電場分布1.3.2不均勻電場氣隙中的流注放電負極正極負棒—正板放電過程電子崩流注場強不足流注熄滅棒極前流注加強混合質通道場強增大流注開始放電1.3.2不均勻電場氣隙中的流注放電負棒—正板電場分布1.3.2不均勻電場氣隙中的流注放電極性效應極性：曲率半徑小的電極所帶的極性。不均勻電場氣隙中，正極性放電較負極性放電更容易發(fā)生。1.3.3先導放電間隙過長（超過1m），流注不足以貫通時，擊穿如何發(fā)生？熾熱的等離子體通道熱電離棒極附近熱電離的作用1.4放電時間和沖擊電壓下的放電特性1.4.1放電時間的概念和意義1.4.2標準化沖擊電壓波形1.4.3沖擊電壓下氣隙的擊穿特性1.4.1放電時間的概念和意義引發(fā)放電的條件：a.強電場b.種子電子c.放電時間放電時間：ns~μs數(shù)量級外施電壓為直流、交流——有充足的放電時間。若為沖擊電壓，情況將怎樣？1.4.1放電時間的概念和意義有效電子電極材料外施電壓光照情況電場均勻度擊穿過程間隙長度電場均勻度外施電壓1.4.1放電時間的概念和意義1.4.2標準化的沖擊電壓波形1、標準雷電沖擊電壓波OC為視在波前OF為視在波前時間OG為視在半峰值時間國標規(guī)定：1.4.2標準化的沖擊電壓波形2、標準雷電沖擊截波電壓波波前時間/截斷時間1.4.2標準化的沖擊電壓波形3、標準操作沖擊電壓波1.4.3沖擊電壓下氣隙的擊穿特性

持續(xù)電壓作用下，氣隙的擊穿特性為一確定的數(shù)值。

通常用擊穿電壓或擊穿場強來表征。沖擊電壓作用下，氣隙的擊穿特性如何表征？1.4.3沖擊電壓下氣隙的擊穿特性1.50%沖擊擊穿電壓擊穿百分比為50%時的電壓，稱為~。工程上采用該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4-6次擊穿的電壓就是該值。沖擊系數(shù)β：U50%與Us之比。均勻或稍不均勻電場：β=1；極不均勻電場：β>11.4.3沖擊電壓下氣隙的擊穿特性2.伏秒特性（曲線）工程上用間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時間的關系來表征間隙在沖擊電壓下的擊穿特性，稱為伏秒特性。保持波形不變僅改變幅值1.4.3沖擊電壓下氣隙的擊穿特性2.伏秒特性（帶）伏秒特性是一個有上下包絡線的帶狀區(qū)域。工程上通常取平均伏秒特性或50%伏秒特性表示氣隙的擊穿特性。1.4.3沖擊電壓下氣隙的擊穿特性2.伏秒特性1）極不均勻電場（大間隙）平均擊穿場強較低，放電時延較長，只有大大提高電壓，才能縮短放電時延?！郤向左上角上翹2）較均勻電場（小間隙）間隙各處場強相差不大，一但出現(xiàn)電離，很快貫穿整個間隙，放電時延短。∴S只能在很小的時間內向上翹1.4.3沖擊電壓下氣隙的擊穿特性2.伏秒特性1.4.3沖擊電壓下氣隙的擊穿特性50%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電暈放電和沿面放電1.5.1電暈放電

1.概念

2.物理過程和效應

3.直流輸電線上的電暈

4.交流輸電線上的電暈

5.輸電線路電暈的抑制方法

6.電暈的應用

1.5.2沿面放電

1.概念

2.類型及特點

3.放電電壓提高方法

4.濕閃現(xiàn)象

5.污閃放電1.5.1電暈放電1、電暈放電的概念曲率半徑小的電極尖端發(fā)生的藍紫色暈光狀放電。極不均勻場的一種特有的自持放電形式。1.5.1電暈放電1、電暈放電的概念1.5.1電暈放電2、電暈放電的物理過程和效應負極正極電離正空間電荷作用電離加強正電荷電子1.5.1電暈放電2、電暈放電的物理過程和效應正極負極電離正空間電荷作用電離減弱正電荷電子1.5.1電暈放電2、電暈放電的物理過程和效應極性效應：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1.5.1電暈放電2、電暈放電的物理過程和效應效應：1)、聲、光、熱

吱吱的響聲

藍紫色的暈光

周圍氣體溫度升高1.5.1電暈放電2、電暈放電的物理過程和效應效應：2)、電風的作用

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作用使電暈電極舞動1.5.1電暈放電2、電暈放電的物理過程和效應效應：3)、高頻脈沖作用

電暈引發(fā)的高頻脈沖是造成無線電干擾的原因之一。1.5.1電暈放電2、電暈放電的物理過程和效應效應：4)、化學作用

形成臭氧、一氧化氮、二氧化氮和氨氣等。產物會腐蝕金具、有機絕緣材料，使其老化，使用壽命減少。1.5.1電暈放電2、電暈放電的物理過程和效應效應：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。1.5.1電暈放電2、電暈放電的物理過程和效應效應：6)、環(huán)境效應

電暈噪聲影響人類的正常工作。1.5.1電暈放電3、直流輸電線上的電暈單導線：兩平行導線：4、交流輸電線上的電暈單導線對地：1.5.1電暈放電5、輸電線路電暈的抑制方法對策：（限制導線的表面場強）

采用分裂導線。對330kV及以上的線路應采用分裂導線，例如330，500和750kV的線路可分別采用二分裂、四分裂和六分裂導線。

1.5.1電暈放電6、電暈的應用過電壓波在傳輸線上行進時，電暈可削弱其幅值及陡度；電暈在靜電除塵、臭氧發(fā)生器的應用。1.5.2沿面放電1、沿面放電的一般概念為什么要討論沿面放電？復合絕緣子上的爬電現(xiàn)象；GIS支撐絕緣子上的放電；開關柜中的爬電；1.5.2沿面放電1、沿面放電的一般概念沿固體-氣體交界面發(fā)生的放電現(xiàn)象。貫通兩電極的沿面放電稱為沿面閃絡。1.5.2沿面放電1、沿面放電的一般概念

沿面閃絡的基本特性：無機介質（陶瓷、玻璃）：閃絡后電氣強度可恢復。有機介質：電痕破壞。1.5.2沿面放電1、沿面放電的一般概念

沿面閃絡的基本特性：沿面閃絡電壓要比等間隙下的固體及氣體擊穿電壓低，因此，設備絕緣的性能通常由沿面閃絡電壓決定。沿面閃絡受絕緣表面狀況的影響很大，干燥，潮濕和污穢條件下，閃絡過程的差別很大。因此有干閃絡電壓、濕閃絡電壓和污穢閃絡電壓之分。沿面放電的過程受電場型式影響較大。1.5.2沿面放電2、沿面放電的類型和特點界面處的電場分布：a.固體介質處于均勻電場中，且界面與電力線平行。1.5.2沿面放電2、沿面放電的類型和特點界面處的電場分布：b.固體介質處于極不均勻電場中，界面的法向分量遠大于切向分量。1.5.2沿面放電2、沿面放電的類型和特點界面處的電場分布：c.固體介質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。1.5.2沿面放電2、沿面放電的類型和特點沿面放電：均勻電場中，固體介質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，且閃絡電壓比空氣間隙的擊穿電壓要低得多。不同介質的沿面閃絡電壓空氣間隙石蠟瓷與電極接觸不緊密的瓷

特點：（1）沿面閃絡電壓與固體絕緣材料特性有關；（2）介質表面粗糙，也會使電場分布畸變，從而使閃絡電壓降低；均勻電場中的沿面放電1.5.2沿面放電2、沿面放電的類型和特點均勻電場中的沿面放電（3）固體介質是否與電極緊密接觸對閃絡電壓有影響。充SF6氣體的同軸圓柱電極中支撐與電極接觸的好壞對沿面閃絡電壓的影響純SF6接觸良好接觸不良

對于支柱絕緣子，內屏蔽電極可以提高沿面閃絡電壓。內屏蔽電極有一最佳深度，約10cm左右。支柱絕緣子的內屏蔽電極深度對雷電沖擊閃絡電壓的影響

正極性負極性1.5.2沿面放電2、沿面放電的類型和特點極不均勻電場中的沿面放電

表面具有強垂直電場分量沿套管表面放電的示意圖（a）電暈放電（b）細線狀輝光放電（c）滑閃放電1.5.2沿面放電3、沿面放電電壓的影響因素和提高方法1).固體介質材料種類:根據(jù)固體材料的憎水性或親水性，選擇適當?shù)牟牧稀?.5.2沿面放電

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（1）減小比電容，例如增大固體介質的厚度，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，例如用瓷－油組合絕緣代替純瓷介質。（2）減小絕緣表面電阻，即減小介質表面電阻率。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3、沿面放電電壓的影響因素和提高方法1.5.2沿面放電4、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a.雨：大雨，毛毛雨。b.雪：大雪，雨夾雪。c.冰：冰災，霧凇。d.風：大風，污染，粉塵1.5.2沿面放電4、濕閃現(xiàn)象絕緣子表面被雨水淋濕時的沿面閃絡現(xiàn)象稱為濕閃現(xiàn)象。典型絕緣子濕閃的放電路徑途徑1：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%。途徑2：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。途徑3：連續(xù)的水柱使得閃絡電壓大幅下降。1.5.2沿面放電工業(yè)粉塵、廢氣、自然鹽堿、灰塵、鳥糞等干燥條件下，污染物一般不導電：大雨滂沱時，污染物會被沖刷掉；毛毛雨時污染物被潤濕，電導率增大，泄漏電流隨之增大產生干帶,最先放電局部電弧繼續(xù)烘干污染物，使放電延續(xù)局部電弧貫穿兩極形成沿面閃絡。這個電弧增大的過程，稱為爬電。5.污閃放電1.5.2沿面放電污閃放電過程積聚污穢受潮干區(qū)形成局部電弧高壓接地閃絡1.5.2沿面放電污穢程度的表征

等值附鹽密度：絕緣子表面每平方厘米面積上沉積的等效NaCl的質量數(shù)(mg)。所謂等效：是在電導率上等效。300ml1.5.2沿面放電線路和發(fā)電廠、變電所污穢等級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－Ⅰ大氣輕度污染地區(qū)，工業(yè)區(qū)和人口低密集區(qū)，離海岸鹽場10km～50km地區(qū)，在污閃季節(jié)中干燥少霧（含毛毛雨）或雨量較多時>0.03~0.06≤0.06Ⅱ大氣中等污染地區(qū)，輕鹽堿和爐煙污穢地區(qū)，離海岸鹽場3km～10km地區(qū)，在污閃季節(jié)中潮濕多霧（含毛毛雨）但雨量較少時>0.06~0.10>0.06~0.10Ⅲ大氣污染較嚴重地區(qū)，重霧和重鹽堿地區(qū)，近海岸鹽場1～3km地區(qū)，工業(yè)與人口密度較大地區(qū)，離化學污源和爐煙污穢300m～1500m的較嚴重污穢地區(qū)>0.10~0.25>0.10~0.25Ⅳ大氣特別嚴重污染地區(qū)，離海岸鹽場1km以內，離化學污源和爐煙污穢300m以內的地區(qū)>0.25~0.35>0.25~0.351.5.2沿面放電污閃事故的對策調整爬距爬電比距：外絕緣相對地的爬電距離與系統(tǒng)最高工作線電壓的有效值之比。污穢等級爬電比距（cm/kV）線路發(fā)電廠、變電所220kV及以下330kV及以上220kV及以下330kV及以上01.3