高電壓技術(shù)系列-氣體放電的物理過程2

第三節(jié)電暈放電一、概述

123

這種僅發(fā)生在強(qiáng)場區(qū)〔小曲率半徑電極附近空間〕的局部放電稱為電暈放電。特征：環(huán)繞該電極外表的藍(lán)紫色光暈。開始出現(xiàn)電暈放電時的電壓為電暈起始電壓。隨著外加電壓的增大，電暈區(qū)也增大，但氣隙仍保持絕緣狀態(tài)，并未擊穿。二、電暈放電的物理過程和效應(yīng)電暈放電有明顯的極性效應(yīng)。以尖-板電極為例。(不均勻電場的典型代表)4尖極為負(fù)極性時當(dāng)電壓升到一定值，平均電流接近微安級時，出現(xiàn)有規(guī)律的重復(fù)電流脈沖；(圖b)當(dāng)電壓繼續(xù)升高時，電流脈沖幅值根本不變，但頻率增高了，平均電流也相應(yīng)增大；(圖c)當(dāng)電壓再升高時，電暈電流失去了高頻脈沖的性質(zhì)而轉(zhuǎn)成持續(xù)電流，其平均值仍隨電壓而升高；當(dāng)電壓再進(jìn)一步升高時，出現(xiàn)幅值大得多的不規(guī)那么的電流脈沖〔流注型電暈電流〕。5尖極為正極性時電暈電流也具有重復(fù)脈沖的性質(zhì)，但沒有規(guī)那么。當(dāng)電壓和平均電流增大時，電流的脈沖性質(zhì)變得愈來愈不顯著，以至根本上轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)電流。當(dāng)電壓繼續(xù)升高時，就出現(xiàn)幅值大得多的不規(guī)那么的流注型電暈電流脈沖。電暈現(xiàn)象的解釋〔負(fù)電暈〕當(dāng)電壓值相對較低時，氣隙中的電流是由外界電離因素引起的電子和離子形成的，數(shù)量極小，故電流也極小，只能看作是極微小的泄漏電流。6電壓到達(dá)一定值后電離爆發(fā)，電子運(yùn)動速度加快，因而在負(fù)尖處留下正電荷當(dāng)電子運(yùn)動至稍遠(yuǎn)離尖電極處時，形成負(fù)離子，造成負(fù)空間電荷的積累正空間電荷在負(fù)極中和，而負(fù)空間電荷的積累削弱了尖極處的場強(qiáng)，電離停止負(fù)空間電荷向外疏散，尖電極處電場強(qiáng)度重新增大，開始下一次電離電壓增高時，負(fù)離子受電場力作用疏散更快，尖電極處電場迅速恢復(fù)，故電流脈沖頻率上升。電壓更高時，電子迅速向外運(yùn)動，要在離尖電極更遠(yuǎn)的地方才能形成負(fù)離子，因而不能形成足以使電離中止的密集的空間電荷，于是脈沖消失，代之以穩(wěn)定電流。7氣體中的電暈放電效應(yīng)聲、光、熱等效應(yīng)；“電風(fēng)〞；無線電干擾；氣體的化學(xué)反響；可聽噪聲；能量損耗。8三、電暈放電的計(jì)算電暈放電對超高壓和特高壓輸電線路具有特殊的重要性，與線路導(dǎo)線的選擇、電能平衡、環(huán)境影響等均有密切的關(guān)系。電暈起始電壓Uc由于它的影響因素很多，通常利用實(shí)驗(yàn)的方法求取，然后推倒出相應(yīng)計(jì)算電暈起始場強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式。以輸電線路為例，半徑為r，離地高度為h，導(dǎo)線外表電場強(qiáng)度E與對地電壓U的關(guān)系如下：9對輸電線上的電暈現(xiàn)象最早作系統(tǒng)性研究的人是美國工程師皮克〔〕。他總結(jié)了一系列經(jīng)驗(yàn)公式〔如：導(dǎo)線外表的起暈場強(qiáng)、導(dǎo)線起暈電壓、起暈導(dǎo)線的功率損耗等〕。中心導(dǎo)線外表電暈的臨界場強(qiáng)可用經(jīng)驗(yàn)公式表示式中Ecor——臨界場強(qiáng)，kV/cm；r0——起暈導(dǎo)線的半徑，cm；δ——空氣的相對密度。皮克認(rèn)為，如果導(dǎo)線與平面之間的距離H>>r0，那么此式也適用于導(dǎo)線與平行平面電極之間的電暈放電。直流架空輸電線路的電暈10雙極電暈，由靜電場理論可知，這個電場與上述導(dǎo)線——平面〔相距為h〕的情況完全相同〔如果不考慮導(dǎo)線周圍空間電荷對電場的影響〕。在這種情況下，雙導(dǎo)線電暈的伏安特性似應(yīng)為單導(dǎo)線電暈伏安特性的2倍。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，前者遠(yuǎn)大于后者的2倍，前者的起暈電壓也比后者低一些。對于上述平行起暈導(dǎo)線的情況下，皮克得出起暈臨界場強(qiáng)的通用公式為相應(yīng)的起暈臨界電壓那么為11以上各式成立的條件是良好的導(dǎo)線外表狀態(tài)和枯燥潔凈的空氣。如果這個條件不能滿足，那么在Ecor式中應(yīng)乘以相應(yīng)的修正系數(shù)m1和m2。m1為導(dǎo)線外表狀態(tài)系數(shù)，根據(jù)不同情況，約為0.8—1.0；m2為氣象系數(shù)，根據(jù)不同氣象情況，約為0.8—1.0。對直流輸電線的電暈損耗問題，迄今還沒有一個公認(rèn)適當(dāng)?shù)挠?jì)算公式。不過，大多數(shù)的計(jì)算公式具有以下形式式中U——導(dǎo)線對地電壓，kV；

A——系數(shù)，主要由間隙的幾何尺寸決定。12交流輸電線上的電暈皮克從大量的實(shí)驗(yàn)研究中總結(jié)出交流輸電線上導(dǎo)線〔指單導(dǎo)線〕外表起暈場強(qiáng)Ecor為：式中r0——起暈導(dǎo)線的半徑，cm；δ——空氣的相對密度。系數(shù)m1和m2的意義同前。

假設(shè)三相導(dǎo)線對稱排列，那么導(dǎo)線的起暈臨界電壓〔有效值〕為式中S——線間距離，cm；r0——導(dǎo)線半徑，cm；Ucor——起暈臨界電壓，kV〔eff〕〔對地〕13導(dǎo)線水平排列時，那么應(yīng)將式中的S以Sm代替，此處Sm為三相導(dǎo)線的幾何平均距離，即但皮克提出的交流輸電線上電暈損耗功率〔單導(dǎo)線〕的經(jīng)驗(yàn)公式中引入另一個僅有計(jì)算意義的電壓U0。當(dāng)導(dǎo)線電壓〔對地〕U＜U0時，導(dǎo)線電暈功率損耗可忽略不計(jì)；而當(dāng)U＞U0時，導(dǎo)線電暈功率損耗將與(U-U0)2成正比。計(jì)算中可取與U0相應(yīng)的導(dǎo)線外表場強(qiáng)E0為14交流輸電線上電暈損耗功率〔單導(dǎo)線〕的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式如下

式中f——電源頻率，Hz。其他各符號的意義同前。四、電暈的利弊與防護(hù)措施電暈受天氣的影響：在雨、雪、霧等壞天氣時，導(dǎo)線外表的水滴將克服本身的外表張力而被拉成錐形，從而使導(dǎo)線外表電場發(fā)生變化，降低了電暈起始電壓和起始場強(qiáng)。15電暈的危害：〔1〕電暈放電所產(chǎn)生的光、聲、熱等效應(yīng)使空氣發(fā)生化學(xué)反響，會消耗一些能量，電暈損耗是超高壓輸電線路設(shè)計(jì)是必須考慮的因素，壞天氣電暈功率損耗會比好天氣時大得多。(2)電暈會對無線電和電視播送產(chǎn)生干擾，還可能產(chǎn)生超過環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的噪聲。防止和減輕電暈的方法：根本的途徑是設(shè)法限制和降低導(dǎo)線的外表電場強(qiáng)度?？刹捎脭U(kuò)徑導(dǎo)線和空心導(dǎo)線，更加適宜的措施是采用分裂導(dǎo)線。16分裂導(dǎo)線：每相都用假設(shè)干根直徑較小的平行分導(dǎo)線來替換大直徑導(dǎo)線。分裂數(shù)超過兩根時，這些分導(dǎo)線通常被布置在一個圓的內(nèi)接正多邊形頂點(diǎn)上。分裂導(dǎo)線的外表電場強(qiáng)度與分導(dǎo)線的直徑和分導(dǎo)線間的距離d有關(guān)。在某一最正確值d0時，導(dǎo)線外表最大電場強(qiáng)度Emax會出現(xiàn)一極小值。分裂導(dǎo)線外表最大電場強(qiáng)度與分裂距離的關(guān)系17電暈的積極意義：衰減雷電過電壓幅值和降低其陡度；抑制操作過電壓的幅值；廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)施〔靜電除塵器、靜電噴涂裝置、臭氧發(fā)生器〕。在確定d值時并不僅僅以Emax最小作為唯一的準(zhǔn)那么。由于增大d值有利于減小線路的電感、增大線路的電容，從而增加線路的輸送功率，所以在實(shí)際工程中，往往把d值取得比Emax最小對應(yīng)的d0值稍大一些，例如45cm左右，并且此時Emax的變化不大。330—750kv的超高壓線路，分裂數(shù)一般取2—4。1000kv及以上的特高壓線路分裂數(shù)就更多，例如取8或更大。18第四節(jié)不均勻電場氣隙的擊穿在極不均勻電場中，雖然放電一定從曲率半徑較小的那個電極外表(即電場強(qiáng)度最大的地方)開始，而與該電極的極性(電位的正負(fù))無關(guān)，但后來的放電開展過程、氣隙的電氣強(qiáng)度、擊穿電壓等都與該電極的極性有很密切的關(guān)系，即不均勻電場中的放電存在明顯的極性效應(yīng)。決定極性要看外表電場較強(qiáng)的那個電極所具有的電位符號，所以在兩個電極幾何形狀不同的場合，極性取決于曲率半徑較小的那個電極的電位符號〔“棒—板〞氣隙的棒極電位〕，而在兩個電極幾何形狀相同的場合〔“棒—棒〞氣隙〕，那么極性取決于不接地的那個電極上的電位。19一、短氣隙〔S〈1m〕的擊穿以最不均勻的“棒—板〞氣隙為例，從流柱理論的概念出發(fā)，說明放電開展過程的極性效應(yīng)。20E0(c)Ecom=E0+EqE0EEqx(a)(b)正極性1、棒為正極性電子崩是迎向棒極開展的，即從場強(qiáng)較小的區(qū)域向場強(qiáng)較大的區(qū)域開展的，這對電子崩的開展有利；電子進(jìn)入陽極，在棒極前方空間留下正離子，削弱了棒極附近的場強(qiáng)，加強(qiáng)了正離子與板極間場強(qiáng)，造成開展正流注的有利條件。二次電子崩與初崩集合，使通道充滿混合質(zhì)，而通道的頭部仍留下大量的正空間電荷，加強(qiáng)了通道頭部前方的電場，使流注進(jìn)一步向陰極擴(kuò)展，直至氣隙被擊穿。21Ecom=E0+Eq++Eq-(c)E0EEq+x(a)(b)Eq-E0負(fù)極性2、棒為負(fù)極性初崩是由負(fù)棒極向正板極開展的，電子崩的開展比正棒極時不利得多。初崩留下的正電荷增強(qiáng)了負(fù)棒極附近遠(yuǎn)已很強(qiáng)的電場，削弱了前方空間的電場，使流注的向前開展受到抑制。只有再升高外加電壓，并待初崩向后開展的正流注完成，初崩通道中充滿著導(dǎo)電的混合質(zhì)，使前方電場加強(qiáng)以后，才能在前方空間產(chǎn)生新的二次崩，負(fù)流注繼續(xù)向陽極開展。22通過以上分析：〔1〕棒為正極時，由于正流注所造成的空間電荷總是加強(qiáng)流注通道前方的電場，所以正流注的開展是連續(xù)的，其速度很快，與負(fù)棒極相比，擊穿同一間隙所需的電壓要小得多?！?〕棒為負(fù)極時，流注的開展是階段式的，其平均速度比正棒極流注小得多，擊穿同一間隙所需的外電壓要高得多。23無論是正流注還是負(fù)流注，當(dāng)流注通道開展到達(dá)對面電極時，整個間隙就被充滿正、負(fù)離子混合質(zhì)的、具有較大導(dǎo)電性的通道所貫穿，在電源電壓的作用下，通道中的帶電質(zhì)點(diǎn)繼續(xù)從電源電場獲得能量，開展成更強(qiáng)烈的電離，使通道中帶電質(zhì)點(diǎn)的濃度急劇增長，通道的溫度和電導(dǎo)也急劇增長，通道完全失去了絕緣性能，表征氣隙已經(jīng)擊穿。注意：輸電線路和電氣設(shè)備外絕緣的空氣間隙大都屬于不均勻電場的情況，所以在工頻高電壓的作用下，擊穿均發(fā)生在外加電壓為正極性的那半周；在進(jìn)行外絕緣的沖擊高壓試驗(yàn)時，也往往施加正極性沖擊電壓，因?yàn)檫@時的電氣強(qiáng)度較低。24二、長氣隙〔S〉1m〕的擊穿氣隙較長時，存在某種新的、不同性質(zhì)的先導(dǎo)放電過程。棒極的E很大產(chǎn)生很高能量劇烈電離電子崩、流注先導(dǎo)通道熱電離P35圖2-4-41、正先導(dǎo)過程短間隙：整個間隙被流注貫穿后形成炙熱導(dǎo)電通道。長間隙：在放電開展過程中建立起導(dǎo)電通道。結(jié)論：長間隙擊穿的平均場強(qiáng)遠(yuǎn)小于短間隙擊穿的平均場強(qiáng)。252、負(fù)先導(dǎo)過程負(fù)流注（散射）形成負(fù)離子正空間電荷增強(qiáng)棒極附近電場，劇烈電離熱電離遠(yuǎn)離棒極負(fù)先導(dǎo)通道電場屏蔽二級流注負(fù)離子被電場力驅(qū)散特點(diǎn)：負(fù)先導(dǎo)通道的前進(jìn)具有分級的特征，先導(dǎo)電流波形分段出現(xiàn)峰值。負(fù)先導(dǎo)過程速度為正先導(dǎo)過程的1/5~1/3。負(fù)先導(dǎo)過程接近貫穿時，從“板〞極〔陽極〕會發(fā)出迎面放電現(xiàn)象〔迎面先導(dǎo)〕。為什么？263、迎面先導(dǎo)

為負(fù)極性下行先導(dǎo)迎面先導(dǎo)特點(diǎn)：負(fù)下行先導(dǎo)容易產(chǎn)生迎面先導(dǎo)初始階段有多個迎面先導(dǎo)，開展最快地將屏蔽其余迎面先導(dǎo)正下行先導(dǎo)產(chǎn)生迎面先導(dǎo)困難負(fù)下行先導(dǎo)頭部平均場強(qiáng)約13kV/cm正下行先導(dǎo)頭部平均場強(qiáng)約5kV/cm先導(dǎo)通道：高導(dǎo)電性、小軸向場強(qiáng)274、主放電過程與板極異號電荷迅速流入板極與板極同號電荷與通道中的電荷〔與棒極同極性〕中和中和過程向上擴(kuò)展到棒極，稱為主放電階段強(qiáng)烈電離棒極板極先導(dǎo)通道28三、長氣隙的預(yù)放電當(dāng)氣隙距離較長時，即使所加電壓尚遠(yuǎn)缺乏以將整個氣隙擊穿，也會從曲率半徑較小的電極出發(fā)，向氣隙深處空間開展各種形式的放電。電壓增加電子崩式電暈特點(diǎn)：均勻、穩(wěn)定、微光流注式電暈特點(diǎn)：不均勻、不穩(wěn)定、細(xì)線刷狀注意：氣隙沒有被擊穿。29第五節(jié)雷電放電30313233343536373839雷電放電包括雷云對大地、雷云對雷云和雷云內(nèi)部的放電現(xiàn)象。大多數(shù)雷電放電是在雷云與雷云之間進(jìn)行的，只是少數(shù)是對地進(jìn)行的。雷云對大地的放電是造成輸電線路雷害事故的主要因素。雷電的極性是按照從雷云流入大地的電荷極性決定的。廣泛的實(shí)測說明，90%左右是負(fù)極性雷。下行的負(fù)極性雷通常分為三個主要階段：〔1〕先導(dǎo)放電：延續(xù)約幾微秒，以逐級開展的、高電導(dǎo)的、高溫的、具有極高電位的先導(dǎo)通道將雷云到大地之間的氣隙擊穿。〔2〕主放電：在先導(dǎo)放電的同時，先導(dǎo)通道中留下大量與雷云同極性的電荷，當(dāng)下行先導(dǎo)和大地短接時，發(fā)生先導(dǎo)通道放電的過渡過程，這個過程很象充電的長線在前端與地短接的過程稱為主放電過程。40在主放電過程中，通道產(chǎn)生突發(fā)的明亮，發(fā)出巨大的雷響，沿著雷電通道流過幅值很大的、延續(xù)時間為近百微秒的沖擊電