第一章-氣體放電基本物理過程.ppt

1、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,第1章氣體放電的基本物理過程,1.1.1帶電粒子在氣體中的運(yùn)動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,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,質(zhì)點(diǎn)的平均自由行程,電子的要比分子和離子的大得多,的性質(zhì),1.1.1帶電粒子在氣體中的運(yùn)

2、動,帶電質(zhì)點(diǎn)的遷移率,E,負(fù)極,正極,1.1.1帶電粒子在氣體中的運(yùn)動,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,激勵(lì)、電離和復(fù)合,1.1.1帶電粒子在氣體中的運(yùn)動,1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生,帶電粒子的來源,1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生,中性原子,電子,E,1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生,中性原子,電子,1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生,中性原子,1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生,E,負(fù)極,正極,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,1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生,E,負(fù)極,正極,光電效應(yīng),1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生,E,負(fù)極,正極

3、,1.1.2帶電粒子的產(chǎn)生,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,1.1.4帶電質(zhì)點(diǎn)的消失,E,負(fù)極,正極,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,電子崩,崩頭,崩尾,1.2湯遜理論,1.2.1.電子崩,討論,與電場及氣壓的關(guān)系,的定義,E增大，急劇增大；p很大或很小時(shí)，均很小。,電子碰撞電離系數(shù),1cm，碰撞電離平均次數(shù),1.2湯遜理論,1.2

4、.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,1.2湯遜理論,1.2.2.自持放電,電子數(shù)：,新電子數(shù)：,1.2湯遜理論,1.2.2.自持放電,均勻電場自持放電條件：,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

5、持，不再需要外電離因素。,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,電子累積能量大,1.2湯遜理論,1.2.4.湯遜理論,湯遜的理論推導(dǎo),考慮過程：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U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,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）,什么樣的電場是不均勻電場？,均勻電場：

6、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,1.3流注放電,1.3.1均勻電場氣隙中的流注放電,負(fù)極,正極,1.3.1均勻電場氣隙中的流注放電,二次電子崩,注入初崩,空間電荷作用？,流注自持,1.3.1均勻電場氣隙中的流注放電,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,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：3-410e6m/s,1.3.1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：7-810e5m/s,

7、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

8、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,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：nss數(shù)量級外施電壓為直流、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,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

9、,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)：U50%與Us之比。均勻或稍不均勻電場：=1；極不均勻電場：1,1.4.3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)

10、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。S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,

11、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,1.5.1電暈放電,2、電暈放電的物理過

12、程和效應(yīng),正極,負(fù)極,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：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(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)動與氣體交換能量形成電風(fēng)空氣對電風(fēng)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(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

13、氧化氮、二氧化氮和氨氣等。產(chǎn)物會腐蝕金具、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,輸電線路導(dǎo)線：兩平行導(dǎo)線：,4、交流輸電線上的電暈,單導(dǎo)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(dǎo)線的表面場強(qiáng)）,采用分裂導(dǎo)線。對330kV及以上的線路應(yīng)采用分裂導(dǎo)線，例如330，500和750k

14、V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。電暈在駐極體制備上的應(yīng)用。,1.5.2沿面放電,1、沿面放電的一般概念,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

15、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

16、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,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沿面閃絡(luò)電壓的影響,對于支柱絕緣子，內(nèi)屏蔽電極可以提

17、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)屏蔽電極深度對雷電沖擊閃絡(luò)電壓的影響,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?1.5.2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)

18、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,典型絕緣子濕閃的放電路徑,途徑1：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：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(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