第一章氣體放電的基本物理過程

高電壓技術(shù)主講人：高宇高電壓與絕緣技術(shù)實(shí)驗(yàn)室天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院第1章氣體放電的基本物理過程1.1帶電粒子的產(chǎn)生和消失1.2湯遜理論1.3流注放電1.4放電時(shí)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(dǎo)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(yùn)動(dòng)1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生1.1.3負(fù)離子的形成1.1.4帶電粒子的消失1.1帶電粒子的產(chǎn)生和消失平均自由行程帶電質(zhì)點(diǎn)的遷移率激勵(lì)電離復(fù)合1.1.1帶電粒子在氣體中的運(yùn)動(dòng)相關(guān)學(xué)術(shù)術(shù)語質(zhì)點(diǎn)的平均自由行程

：一個(gè)帶電質(zhì)點(diǎn)在向前行進(jìn)1cm距離內(nèi)，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(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)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(zhì)反映了帶電質(zhì)點(diǎn)自由運(yùn)動(dòng)的能力1.1.1帶電粒子在氣體中的運(yùn)動(dòng)帶電質(zhì)點(diǎn)的遷移率E負(fù)極正極正離子電子遷移率1.1.1帶電粒子在氣體中的運(yùn)動(dòng)激勵(lì)、電離和復(fù)合原子核基態(tài)電子能量激勵(lì)電離電離能復(fù)合1.1.1帶電粒子在氣體中的運(yùn)動(dòng)激勵(lì)、電離和復(fù)合1.1.1帶電粒子在氣體中的運(yùn)動(dòng)氣體電離能N215.5O212.5CO213.7SF615.6H215.4H2O12.71.1.2帶電粒子的產(chǎn)生帶電粒子的來源源于氣體內(nèi)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(qiáng)場發(fā)射1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生碰撞電離源于氣體內(nèi)部中性原子電子E電子動(dòng)能電離能氣體中產(chǎn)生帶電粒子的最主要原因1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生熱電離源于氣體內(nèi)部中性原子電子電子動(dòng)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(chǎn)生光電離源于氣體內(nèi)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(chǎn)生正離子碰撞陰極源于電極E負(fù)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(guān)系1.1.2帶電粒子的產(chǎn)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(chǎn)生光電子發(fā)射源于電極E負(fù)極正極光電效應(yīng)1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生熱電子發(fā)射源于電極E負(fù)極正極加熱1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生強(qiáng)場發(fā)射源于電極E負(fù)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(fù)離子的形成氣體分子要有很高的電負(fù)性E負(fù)極正極1.1.3負(fù)離子的形成電子親和能元素電子親合能（eV）電負(fù)性值F4.034.0Cl3.743.0Br3.652.8I3.302.51.1.4帶電質(zhì)點(diǎn)的消失E負(fù)極正極帶電粒子消失的三條途徑：復(fù)合、擴(kuò)散和中和復(fù)合中和擴(kuò)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(fù)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(guān)系α的定義E增大，α急劇增大；p很大或很小時(shí)，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(fù)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(chǎn)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(duì)應(yīng)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?yàn)閹щ娰|(zhì)點(diǎn)向電極運(yùn)動(dòng)的速度加快復(fù)合率減小電流飽和，帶電質(zhì)點(diǎn)全部進(jìn)入電極，電流僅取決于外電離因素的強(qiáng)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(jìn)入了一個(gè)新的階段（擊穿）

外施電壓小于U0時(shí)的放電是非自持放電。電壓到達(dá)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(shí)驗(yàn)。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(dǎo)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(guān)系：1.2湯遜理論1.2.4.湯遜理論湯遜的理論推導(dǎo)

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(shí)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(dǎo)放電（補(bǔ)充知識(shí)）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。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(fù)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(shí)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(fù)極正極正流注：由正極向負(fù)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(fù)流注：由負(fù)極向正極發(fā)展的流注放電過程發(fā)展速度：7-8×10e5m/sE負(fù)極正極1.3.2不均勻電場氣隙中的流注放電正極負(fù)極正棒—負(fù)板放電過程電場加強(qiáng)，有利正流注發(fā)展電子崩流注場強(qiáng)增大流注加強(qiáng)放電1.3.2不均勻電場氣隙中的流注放電正棒—負(fù)板電場分布1.3.2不均勻電場氣隙中的流注放電負(fù)極正極負(fù)棒—正板放電過程電子崩流注場強(qiáng)不足流注熄滅棒極前流注加強(qiáng)混合質(zhì)通道場強(qiáng)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(fù)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(yīng)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(fù)極性放電更容易發(fā)生。1.3.3先導(dǎo)放電間隙過長（超過1m），流注不足以貫通時(shí)，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(shí)間和沖擊電壓下的放電特性1.4.1放電時(shí)間的概念和意義1.4.2標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間的概念和意義引發(fā)放電的條件：a.強(qiáng)電場b.種子電子c.放電時(shí)間放電時(shí)間：ns~μs數(shù)量級(jí)外施電壓為直流、交流——有充足的放電時(shí)間。若為沖擊電壓，情況將怎樣？1.4.1放電時(shí)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(shí)間的概念和意義1.4.2標(biāo)準(zhǔn)化的沖擊電壓波形1、標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波OC為視在波前OF為視在波前時(shí)間OG為視在半峰值時(shí)間國標(biāo)規(guī)定：1.4.2標(biāo)準(zhǔn)化的沖擊電壓波形2、標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊截波電壓波波前時(shí)間/截?cái)鄷r(shí)間1.4.2標(biāo)準(zhǔn)化的沖擊電壓波形3、標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(shí)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(rèn)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(shí)間的關(guān)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(gè)有上下包絡(luò)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(qiáng)較低，放電時(shí)延較長，只有大大提高電壓，才能縮短放電時(shí)延。∴S向左上角上翹2）較均勻電場（小間隙）間隙各處場強(qiáng)相差不大，一但出現(xiàn)電離，很快貫穿整個(gè)間隙，放電時(shí)延短?！郤只能在很小的時(shí)間內(nèi)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(yīng)

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(yīng)用

1.5.2沿面放電

1.概念

2.類型及特點(diǎn)

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(lán)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(yīng)負(fù)極正極電離正空間電荷作用電離加強(qiáng)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(yīng)正極負(fù)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(yīng)極性效應(yīng)：負(fù)電暈較正電暈容易發(fā)生電暈電流的數(shù)量級(jí)：一般為微安級(jí)1.5.1電暈放電2、電暈放電的物理過程和效應(yīng)效應(yīng)：1)、聲、光、熱

吱吱的響聲

藍(lán)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(yīng)效應(yīng)：2)、電風(fēng)的作用

電子和離子高速運(yùn)動(dòng)與氣體交換能量形成電風(fēng)空氣對(duì)電風(fēng)的反作用使電暈電極舞動(dòng)1.5.1電暈放電2、電暈放電的物理過程和效應(yīng)效應(yīng)：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(yīng)效應(yīng)：4)、化學(xué)作用

形成臭氧、一氧化氮、二氧化氮和氨氣等。產(chǎn)物會(huì)腐蝕金具、有機(jī)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(yīng)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?？捎^。1.5.1電暈放電2、電暈放電的物理過程和效應(yīng)效應(yīng)：6)、環(huán)境效應(yīng)

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(dǎo)線：兩平行導(dǎo)線：4、交流輸電線上的電暈單導(dǎo)線對(duì)地：1.5.1電暈放電5、輸電線路電暈的抑制方法對(duì)策：（限制導(dǎo)線的表面場強(qiáng)）

采用分裂導(dǎo)線。對(duì)330kV及以上的線路應(yīng)采用分裂導(dǎo)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(dǎo)線。

1.5.1電暈放電6、電暈的應(yīng)用過電壓波在傳輸線上行進(jìn)時(shí)，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(yīng)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(fù)合絕緣子上的爬電現(xiàn)象；GIS支撐絕緣子上的放電；開關(guān)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(luò)。1.5.2沿面放電1、沿面放電的一般概念

沿面閃絡(luò)的基本特性：無機(jī)介質(zhì)（陶瓷、玻璃）：閃絡(luò)后電氣強(qiáng)度可恢復(fù)。有機(jī)介質(zhì)：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(luò)的基本特性：沿面閃絡(luò)電壓要比等間隙下的固體及氣體擊穿電壓低，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)受絕緣表面狀況的影響很大，干燥，潮濕和污穢條件下，閃絡(luò)過程的差別很大。因此有干閃絡(luò)電壓、濕閃絡(luò)電壓和污穢閃絡(luò)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(diǎn)界面處的電場分布：a.固體介質(zhì)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(diǎn)界面處的電場分布：b.固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，界面的法向分量遠(yuǎn)大于切向分量。1.5.2沿面放電2、沿面放電的類型和特點(diǎn)界面處的電場分布：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(yuǎn)大于法向電場。1.5.2沿面放電2、沿面放電的類型和特點(diǎn)沿面放電：均勻電場中，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，且閃絡(luò)電壓比空氣間隙的擊穿電壓要低得多。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(diǎn)：（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(huì)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1.5.2沿面放電2、沿面放電的類型和特點(diǎn)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(duì)閃絡(luò)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(duì)沿面閃絡(luò)電壓的影響純SF6接觸良好接觸不良

對(duì)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10cm左右。支柱絕緣子的內(nèi)屏蔽電極深度對(duì)雷電沖擊閃絡(luò)電壓的影響

正極性負(fù)極性1.5.2沿面放電2、沿面放電的類型和特點(diǎn)極不均勻電場中的沿面放電

表面具有強(qiáng)垂直電場分量沿套管表面放電的示意圖（a）電暈放電（b）細(xì)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(zhì)材料種類:根據(jù)固體材料的憎水性或親水性，選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?.5.2沿面放電

表面具有強(qiáng)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(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，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(dǎo)體釉；在電機(jī)絕緣的出槽口部分涂半導(dǎo)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(yùn)行條件惡劣，復(fù)雜a.雨：大雨，毛毛雨。b.雪：大雪，雨夾雪。c.冰：冰災(zāi)，霧凇。d.風(fēng)：大風(fēng)，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(shí)的沿面閃絡(luò)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(dǎo)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(huì)比干閃電壓下降太多。途徑3：連續(xù)的水柱使得閃絡(luò)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(dǎo)電：大雨滂沱時(shí)，污染物會(huì)被沖刷掉；毛毛雨時(shí)污染物被潤濕，電導(dǎo)率增大，泄漏電流隨之增大產(chǎn)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(luò)。這個(gè)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(luò)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(zhì)量數(shù)(mg)。所謂等效：是在電導(dǎo)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(jí)污穢等級(jí)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(shí)>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(shí)>0.06~0.10>0.06~0.10Ⅲ大氣污染較嚴(yán)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(xué)污源和爐煙污穢300m～1500m的較嚴(yán)重污穢地區(qū)>0.10~0.25>0.10~0.25Ⅳ大氣特別嚴(yán)重污染地區(qū)，離海岸鹽場1km以內(nèi)，離化學(xué)污源和爐煙污穢300m以內(nèi)的地區(qū)>0.25~0.35>0.25~0.351.5.2沿面放電污閃事故的對(duì)策調(diào)整爬距爬電比距：外絕緣相對(duì)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(jí)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