流注先導(dǎo)主放電

1、高電壓工程系高電壓工程系何正浩何正浩第2講回顧帶電粒子的產(chǎn)生與消失湯遜理論巴申定律的解釋湯遜理論的適用范圍第第 3 3 講講 氣體電介質(zhì)的絕緣特性（二）氣體電介質(zhì)的絕緣特性（二）1.2.5 流注理論n在高氣壓長(zhǎng)間隙條件下的氣體放電理論在高氣壓長(zhǎng)間隙條件下的氣體放電理論n 特點(diǎn)：認(rèn)為電子碰撞電離及空間特點(diǎn)：認(rèn)為電子碰撞電離及空間光電離光電離是維持自持是維持自持放電的主要因素，并強(qiáng)調(diào)了放電的主要因素，并強(qiáng)調(diào)了空間電荷畸變電場(chǎng)空間電荷畸變電場(chǎng)的作的作用用 n通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究（主要在電離室中進(jìn)行的）說(shuō)通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究（主要在電離室中進(jìn)行的）說(shuō)明放電發(fā)展的機(jī)理明放電發(fā)展的機(jī)理 n電子崩階段電子崩階段

2、 空間電荷畸變外電場(chǎng)空間電荷畸變外電場(chǎng) n流注階段流注階段 光電離形成二次電子崩，等離子體光電離形成二次電子崩，等離子體 （1） 電子崩階段（a a）初始電子崩）初始電子崩陽(yáng)極側(cè)電子崩數(shù)目多陽(yáng)極側(cè)電子崩數(shù)目多正空間電荷加強(qiáng)了原正空間電荷加強(qiáng)了原電場(chǎng)，同時(shí)向周圍放電場(chǎng)，同時(shí)向周圍放射出大量光子射出大量光子 （一）流注理論（一）流注理論（b）二次電子崩n 光子使附近的氣體因光子使附近的氣體因光電離而產(chǎn)生二次電子光電離而產(chǎn)生二次電子n 它們?cè)谟烧臻g電荷它們?cè)谟烧臻g電荷所引起的畸變和加強(qiáng)了所引起的畸變和加強(qiáng)了的局部電場(chǎng)作用下，又的局部電場(chǎng)作用下，又形成新的電子崩，即二形成新的電子崩，即二次電子崩次

3、電子崩 （2）流注的形成和發(fā)展n二次電子崩中的電子初始電子崩的正空間電荷混合通道（流注）。流注通道二次崩留下的正電荷，大大加強(qiáng)了流注發(fā)展方向的電場(chǎng)，產(chǎn)生新電子崩，從而使流注向前發(fā)展 （3）間隙的擊穿n流注不斷向陰極推進(jìn)，頭流注不斷向陰極推進(jìn)，頭部電場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)，因而其部電場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)，因而其發(fā)展也越快發(fā)展也越快n流注發(fā)展到陰極，間隙被流注發(fā)展到陰極，間隙被導(dǎo)電良好的等離子通道所導(dǎo)電良好的等離子通道所貫通貫通間隙擊穿間隙擊穿 在電離室中得到的初始電子崩照片圖a和圖b的時(shí)間間隔為110-7秒 p=270毫米汞柱，e=10.5千伏/厘米 初始電子崩轉(zhuǎn)變?yōu)榱髯⑺查g照片p273毫米汞柱e=12千伏/厘米電子

4、崩在空氣中的發(fā)展速度約為電子崩在空氣中的發(fā)展速度約為1.25 107cm/s在電離室中得到的陽(yáng)極流注發(fā)展過(guò)段的照片在電離室中得到的陽(yáng)極流注發(fā)展過(guò)段的照片正流注的發(fā)展速度約為正流注的發(fā)展速度約為1 108 2 108cm/s自持放電條件形成流注形成流注空間光電離維持放電（空間光電離維持放電（自持放電自持放電）如果電場(chǎng)均勻，間隙就將被擊穿。所以流注形成的如果電場(chǎng)均勻，間隙就將被擊穿。所以流注形成的條件就是自持放電條件，在均勻電場(chǎng)中也就是導(dǎo)致?lián)舸l件就是自持放電條件，在均勻電場(chǎng)中也就是導(dǎo)致?lián)舸┑臈l件。的條件。流注形成的條件：足夠的空間光游離流注形成的條件：足夠的空間光游離較多的初較多的初始電子崩（電

5、子崩積累到一定的數(shù)量）始電子崩（電子崩積累到一定的數(shù)量）常數(shù)（810de（二）流注理論對(duì)高氣壓、長(zhǎng)間隙（pd很大）放電現(xiàn)象的解釋 1放電外形放電外形 具有通道形式具有通道形式 流注前方隨著其向前發(fā)展而更為增強(qiáng)流注前方隨著其向前發(fā)展而更為增強(qiáng)多流注之間互相抑制發(fā)展多流注之間互相抑制發(fā)展二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統(tǒng)計(jì)性，所以火花通道二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統(tǒng)計(jì)性，所以火花通道常是曲折的，并帶有分枝。常是曲折的，并帶有分枝。電子崩則不然，由于其中電荷密度較小，故電場(chǎng)強(qiáng)度還不大，電子崩則不然，由于其中電荷密度較小，故電場(chǎng)強(qiáng)度還不大，因而不致影響到鄰近空間內(nèi)的電場(chǎng)，所以不會(huì)影響其它電子因而

6、不致影響到鄰近空間內(nèi)的電場(chǎng)，所以不會(huì)影響其它電子崩的發(fā)展崩的發(fā)展樹(shù)枝狀放電與放電發(fā)展的抑制樹(shù)枝狀放電與放電發(fā)展的抑制2放電時(shí)間放電時(shí)間 二次電子崩由光電離形成，所以流注發(fā)展速度極快放電時(shí)間特別短3陰極材料的影響陰極材料的影響 維持放電靠光電離，而不是陰極表面的電離過(guò)程，與材料無(wú)關(guān) 在pd值較小時(shí)，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)，因而難以聚積到足夠的電子數(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(guò)程。1.3 不均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿ud2d，電場(chǎng)還比較均，電場(chǎng)還比較均勻，其放電特性與均勻，其放電特性與均勻電場(chǎng)相似，一旦出勻電場(chǎng)相似，一旦出現(xiàn)自持放電，立即導(dǎo)現(xiàn)自持放

7、電，立即導(dǎo)致整個(gè)氣隙擊穿。放致整個(gè)氣隙擊穿。放電達(dá)到自持時(shí)，電達(dá)到自持時(shí)， 在整在整個(gè)間隙中部巳達(dá)到相個(gè)間隙中部巳達(dá)到相當(dāng)數(shù)值。這時(shí)和均勻當(dāng)數(shù)值。這時(shí)和均勻電場(chǎng)中情況類似電場(chǎng)中情況類似 。1.3.1 稍不均勻場(chǎng)和極不均勻場(chǎng)的放電特點(diǎn)稍不均勻場(chǎng)和極不均勻場(chǎng)的放電特點(diǎn)1 擊穿電壓擊穿電壓2 電暈起始電壓電暈起始電壓3 放電不穩(wěn)定區(qū)放電不穩(wěn)定區(qū) d 4d，電場(chǎng)分布極不均勻，存在電暈放電，電暈起始電壓。，電場(chǎng)分布極不均勻，存在電暈放電，電暈起始電壓。 外加電壓進(jìn)一步增大，表面電暈層擴(kuò)大，并出現(xiàn)刷狀的細(xì)外加電壓進(jìn)一步增大，表面電暈層擴(kuò)大，并出現(xiàn)刷狀的細(xì)火花，火花變長(zhǎng)，最終導(dǎo)致氣隙完全擊穿?；鸹ǎ鸹ㄗ冮L(zhǎng)

8、，最終導(dǎo)致氣隙完全擊穿。u當(dāng)大曲率電極附近很小范圍當(dāng)大曲率電極附近很小范圍內(nèi)內(nèi) 已達(dá)相當(dāng)數(shù)值時(shí)，間隙中已達(dá)相當(dāng)數(shù)值時(shí)，間隙中大部分區(qū)域值大部分區(qū)域值 都仍然很小，都仍然很小，放電達(dá)到自持放電后，間隙沒(méi)放電達(dá)到自持放電后，間隙沒(méi)有擊穿。有擊穿。電場(chǎng)越不均勻，擊穿電場(chǎng)越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓間的差別電壓和電暈起始電壓間的差別也越大也越大。d2d 4d，屬于過(guò)渡區(qū)域，不穩(wěn)定電暈，屬于過(guò)渡區(qū)域，不穩(wěn)定電暈，轉(zhuǎn)為火花放電。轉(zhuǎn)為火花放電。當(dāng)大曲率電極附近當(dāng)大曲率電極附近 達(dá)到足夠數(shù)值時(shí)，間隙達(dá)到足夠數(shù)值時(shí)，間隙中很大一部分區(qū)域中很大一部分區(qū)域 也都已達(dá)相當(dāng)數(shù)值，流也都已達(dá)相當(dāng)數(shù)值，流注一經(jīng)產(chǎn)生，隨

9、即發(fā)展至貫通整個(gè)間隙，注一經(jīng)產(chǎn)生，隨即發(fā)展至貫通整個(gè)間隙，導(dǎo)致間隙完全擊穿導(dǎo)致間隙完全擊穿 電場(chǎng)不均勻系數(shù)電場(chǎng)不均勻系數(shù) ff4時(shí)，極不均勻電場(chǎng)時(shí)，極不均勻電場(chǎng)dueeefavavmax1.3.2 電暈放電現(xiàn)象n電暈放電現(xiàn)象電暈放電現(xiàn)象電離區(qū)的放電過(guò)程造成。電離區(qū)的放電過(guò)程造成。n強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)電場(chǎng)電子崩電子崩復(fù)合復(fù)合光輻射光輻射咝咝的聲音，臭氧的氣味，微弱的暈光，回路電咝咝的聲音，臭氧的氣味，微弱的暈光，回路電流明顯增加流明顯增加(絕對(duì)值仍很小絕對(duì)值仍很小)，可以測(cè)量到能量損失，可以測(cè)量到能量損失n電暈起始電壓和電暈起始場(chǎng)強(qiáng)電暈起始電壓和電暈起始場(chǎng)強(qiáng) 是一種自持放電形式，起始電壓在原理上可由是一種

10、自持放電形式，起始電壓在原理上可由自持放電條件求得自持放電條件求得 e0的經(jīng)驗(yàn)公式kv/cm )3 . 01 (300rmem導(dǎo)線表面的粗糙系數(shù)。光滑導(dǎo)線導(dǎo)線表面的粗糙系數(shù)。光滑導(dǎo)線m=1, 一般一般導(dǎo)線導(dǎo)線m=0.820.9,對(duì)絞線局部電暈對(duì)絞線局部電暈 m=0.72 電暈電流與能量(a) 時(shí)間刻度t=125s(b) 0.7a電暈電流平均值(c) 2a電暈電流平均值電暈電流比較小，但比泄漏電流要大得多。空間電荷的電暈電流比較小，但比泄漏電流要大得多?？臻g電荷的運(yùn)動(dòng)需要電源供給能量運(yùn)動(dòng)需要電源供給能量,輸電線路電暈損耗的主要部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。分，而

11、使空氣電離所消耗的能量則比較小。 電暈的起始階段一系列短促的陡脈沖組成。電離產(chǎn)生的與導(dǎo)線同號(hào)的電荷,導(dǎo)致電離停止。 脈沖電流將產(chǎn)生電磁波傳播到空間造成無(wú)線電干擾， 輸電線路的電暈還與導(dǎo)線的表面狀況及天氣狀況有關(guān)。導(dǎo)線表面曲率大小影響。 雨、雪、霜等壞天氣時(shí)，電暈損耗急劇增加。水滴電場(chǎng)作用變成錐形 對(duì)于500750kv的超高壓輸電線路，在天氣好時(shí)電暈損耗一般不超過(guò)幾個(gè)w/km，而在壞天氣時(shí)，可以達(dá)到100 w/km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。 2up 隨著輸電電壓的提高，電暈問(wèn)題也

12、越來(lái)越突出。rdrueln導(dǎo)體表面電場(chǎng)導(dǎo)體表面電場(chǎng)減小電暈的方法降低導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)的方法：增大線間距離d或增大導(dǎo)線半徑r。一般采取適當(dāng)增大導(dǎo)線直徑的辦法為節(jié)省導(dǎo)線材料，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。使得導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)得以降低。rdrueln電暈影響的兩面性u(píng)不利影響不利影響 ：能量損失；能量損失；放電脈沖引起的高頻電磁波干擾；放電脈沖引起的高頻電磁波干擾；化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕作用等化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕作用等 。 u有利方面有利方面：電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅值及陡度；電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅值及陡度；利用電暈放電改善電場(chǎng)分布，提高擊穿電壓利用電

13、暈放電改善電場(chǎng)分布，提高擊穿電壓 ；利用電暈放電除塵與臭氧發(fā)生器等利用電暈放電除塵與臭氧發(fā)生器等 。線板氣隙中不同直徑導(dǎo)線的工頻擊穿電壓與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=20mm1.3.3 極不均勻場(chǎng)中的放電過(guò)程一、非自持放電階段一、非自持放電階段電子崩產(chǎn)生電子崩產(chǎn)生陽(yáng)極積聚正電荷陽(yáng)極積聚正電荷二、流注發(fā)展階段二、流注發(fā)展階段頭部電場(chǎng)增強(qiáng)頭部電場(chǎng)增強(qiáng)新電子崩新電子崩流注前移流注前移三、先導(dǎo)放電階段三、先導(dǎo)放電階段通道根部的電子最多流注根部溫度升高出現(xiàn)熱電離先導(dǎo)通道（具有熱電離過(guò)程的通道）。新的電離過(guò)程使電離加強(qiáng)，電導(dǎo)增大，從而加大

14、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(zhǎng)。 流注根部流注根部溫度升高溫度升高熱電離熱電離過(guò)程過(guò)程先導(dǎo)先導(dǎo)通道通道電離加強(qiáng)，更為明亮電離加強(qiáng)，更為明亮電導(dǎo)增大電導(dǎo)增大軸向場(chǎng)強(qiáng)更低軸向場(chǎng)強(qiáng)更低發(fā)展速度更快發(fā)展速度更快長(zhǎng)空氣間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)低于短間隙長(zhǎng)空氣間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)低于短間隙 四、主放電過(guò)程 先導(dǎo)頭部達(dá)到板極。小間隙中的高場(chǎng)強(qiáng)引起強(qiáng)烈電離，帶電粒子激增。強(qiáng)電離區(qū)迅速向陽(yáng)極傳播主放電過(guò)程。主放電通道貫穿電極間隙擊穿。特點(diǎn)：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。主放電通道主放電通道主放電和先導(dǎo)通道的交界區(qū)主放電和先導(dǎo)通道的交界區(qū)先導(dǎo)通道先導(dǎo)通道 先導(dǎo)的發(fā)展正棒正棒負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展（）先導(dǎo)和其頭部的流注；（）流注頭部電子崩的形成；（）先導(dǎo)和其頭部的流注；（）流注頭部電子崩的形成；（）由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)和形成流注；（）流注頭部電子崩的形成；（）由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)和形成流注；（）流注頭部電子崩的形成；（）沿著先導(dǎo)和空氣間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的分布（）沿著先導(dǎo)和空氣間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的分布 1.3.4 極不均勻場(chǎng)中的極性效應(yīng)正棒負(fù)板電子運(yùn)動(dòng)速度快，迅速進(jìn)入棒極；棒極附近積聚起正空間電