高電壓課件第1章 氣體放電的基本物理過程

1、2022-5-5高電壓技術(shù)第第1 1章章 氣體放電的基本物理過程氣體放電的基本物理過程 1.1 帶電粒子的產(chǎn)生與消失 1.2 氣體放電機(jī)理 1.3 不均勻電場的放電過程 2022-5-5 氣體放電的基本物理過程 高壓電氣設(shè)備中的絕緣介質(zhì)有氣體、液體、固體以及其它復(fù)合介質(zhì)。由于氣體絕緣介質(zhì)不存在老化的問題，在擊穿后也有完全的絕緣自恢復(fù)特性，再加上其成本非常廉價，因此氣體成為了在實(shí)際應(yīng)用中最常見的絕緣介質(zhì)。 氣體擊穿過程的理論研究雖然還不完善，但是相對于其他幾種絕緣材料來說最為完整。因此，高電壓絕緣的論述一般都由氣體絕緣開始。 高電壓技術(shù)2022-5-5質(zhì)點(diǎn)的平均自由行程度：1.1.1 帶電質(zhì)點(diǎn)在

2、氣體中的運(yùn)動帶電質(zhì)點(diǎn)在氣體中的運(yùn)動 自由行程長度自由行程長度 帶電質(zhì)點(diǎn)的遷移率帶電質(zhì)點(diǎn)的遷移率 擴(kuò)散擴(kuò)散 e21=r NrN氣體分子的半徑氣體分子的密度e= /ku E質(zhì)點(diǎn)的自由行程長度等于或大于某一距離 的概率為：e( )=exP xx等于或大于平均自由行程的概率為：e-1e()=e=e =36.8%eP x2022-5-5氣體放電是對氣體中流通電流的各種形式統(tǒng)稱。 由于空氣中存在來自空間的輻射，氣體會發(fā)生微弱的電離而產(chǎn)生少量的帶電質(zhì)點(diǎn)。正常狀態(tài)下氣體的電導(dǎo)很小，空氣還是性能優(yōu)良的絕緣體； 在出現(xiàn)大量帶電質(zhì)點(diǎn)的情況下，氣體才會喪失絕緣性能。 高電壓技術(shù)1.1.2 帶電粒子的產(chǎn)生與消失帶電粒子

3、的產(chǎn)生與消失2022-5-5高電壓技術(shù) 氣體中電子與正離子的產(chǎn)生氣體中電子與正離子的產(chǎn)生 （2）光電離）光電離Wh普朗克常數(shù)6.6310-34Js ihcW條 件 ：電離電離是指電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過程。電離可一次完成，也可以是先激勵再電離的分級電離方式。電離的方式分：（1）碰撞電離）碰撞電離212imveExWiUxE條 件 ： （3）熱電離）熱電離32WkT波爾茨曼常數(shù)1.3810-23J/K 熱力學(xué)溫度 2022-5-5高電壓技術(shù)（4） 表面電離即電極表面的電子逸出表面電離即電極表面的電子逸出 一些金屬的逸出功金屬逸出功鋁1.8銀3.1銅3.9鐵3.9氧化銅5.3

4、熱電子發(fā)射 強(qiáng)場發(fā)射正離子撞擊陰極 光電子發(fā)射2022-5-5高電壓技術(shù) 氣體中負(fù)離子的形成氣體中負(fù)離子的形成 電子與氣體分子或原子碰撞時，也有可能發(fā)生電子附著過程而形成負(fù)離子，并釋放出能量，稱為電子親合能。電子親合能的大小可用來衡量原子捕獲一個電子的難易，越大則越易形成負(fù)離子。 元素電子親合能（eV）電負(fù)性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.361.8I3.061.5 負(fù)離子的形成使自由電子數(shù)減少，因而對放電發(fā)展起抑制作用。SF6氣體含F(xiàn)，其分子俘獲電子的能力很強(qiáng)，屬強(qiáng)電負(fù)性氣體，因而具有很高的電氣強(qiáng)度。 2022-5-5高電壓技術(shù) 帶電質(zhì)點(diǎn)的消失帶電質(zhì)點(diǎn)的消失 （1）流入電極）流入

5、電極 帶電質(zhì)點(diǎn)受電場力的作用流入電極。 （2）帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散）帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散 帶電質(zhì)點(diǎn)從濃度較大的區(qū)域向濃度較小的區(qū)域的移動，從而使?jié)舛茸兊镁鶆虻倪^程，稱為帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散。電子的熱運(yùn)動速度高、自由行程大，所以其擴(kuò)散比離子的擴(kuò)散快得多。（3）帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合）帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合 帶異號電荷的質(zhì)點(diǎn)相遇，發(fā)生電荷的傳遞和中和而還原為中性質(zhì)點(diǎn)的過程，稱為復(fù)合。帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合時會以光輻射的形式將電離時獲得的能量釋放出來，這種光輻射在一定條件下能導(dǎo)致間隙中其他中性原子或分子的電離。帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合率與正、負(fù)電荷的濃度有關(guān)，濃度越大則復(fù)合率越高。2022-5-5 復(fù)合可能發(fā)生在電子和正離子之間，稱為電子復(fù)合，其結(jié)果是

6、產(chǎn)生一個中性分子；復(fù)合也可能發(fā)生在正離子和負(fù)離子之間，稱為離子復(fù)合，其結(jié)果是產(chǎn)生兩個中性分子。高電壓技術(shù)2022-5-5高電壓技術(shù)1.2 氣體放電機(jī)理氣體放電機(jī)理 1.2.1 Townsend 1.2.1 Townsend氣體放電理論氣體放電理論 圖1-1 湯遜實(shí)驗(yàn)裝置原理圖2022-5-5高電壓技術(shù) 非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn)非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn) 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)入了一個新的階段（擊穿

7、） 外施電壓小于U0時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2022-5-5 外界電離因子在陰極附近產(chǎn)生了一個初始電子，如果空間電場強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(yùn)動時就會引起碰撞電離，產(chǎn)生一個新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運(yùn)動，又會引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。依此，電子將按照幾何級數(shù)幾何級數(shù)不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為電子電子崩崩。圖1-3 電子崩的示意圖 視頻鏈接電子崩的演示高電壓技術(shù) 電子崩的形成（電子崩的形成（BC段電流劇增原因）段電流劇增原因） 2022-5-5 湯遜

8、放電理論主要考慮了三種因素，引入三個系數(shù)來定量反映這三種因素的作用。 碰撞系數(shù) ，代表一個電子走向陽極的1cm過程中，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。 系數(shù)，表示一個正離子在走向陰極的1cm過程中與氣體質(zhì)點(diǎn)相碰所產(chǎn)生的電子數(shù)。系數(shù) ，表示一個正離子撞擊到陰極表面時從陰極逸出的電子數(shù)。高電壓工程基礎(chǔ) 湯遜放電的理論解釋湯遜放電的理論解釋2022-5-5 如圖1-1為平板電極氣隙，板內(nèi)電場均勻，設(shè)外界電離因子每秒鐘使陰極表面發(fā)射出來的初始電子數(shù)為n0。 由于碰撞電離和電子崩的結(jié)果，在它們到達(dá)x處時，電子數(shù)已增加為n，這n個電子在dx的距離中又會產(chǎn)生dn個新電子。高電壓技術(shù) 圖1-1 湯遜實(shí)驗(yàn)裝置原理圖20

9、22-5-5根據(jù)碰撞電離系數(shù) 的定義，可得：分離變量并積分之，可得：xdxenn00 對于均勻電場來說，氣隙中各點(diǎn)的電場強(qiáng)度相同， 值不隨x而變化，所以上式可寫成：xenn0 xndnd2022-5-5抵達(dá)陽極的電子數(shù)應(yīng)為：(1) 將式(1)的等號兩側(cè)乘以電子的電荷 ，即得電流關(guān)系式：eq途中新增加的電子數(shù)或正離子數(shù)應(yīng)為：式(2)中，eqnI00(2)00(1)dannnn e 0dann e0dII e2022-5-5 式(2) 表明：在BC段雖然電子崩電流按指數(shù)規(guī)律隨極間距離d而增大，但這時放電還不能自持，因?yàn)橐坏┏ネ饨珉婋x因子(令 )，即 變?yōu)榱恪?0IIdeII0高電壓技術(shù)2022-

10、5-5 設(shè)外界光電離因素在陰極表面產(chǎn)生了一個自由電子，此電子到達(dá)陽極表面時由于 過程，電子總數(shù)增至 個。因在對 系數(shù)進(jìn)行討論時已假設(shè)每次電離撞出一個正離子，故電極空間共有（ 1）個正離子。實(shí)驗(yàn)證明正離子在返回陰極途中造成撞擊電離（即過程）的作用極小，可以忽略不計(jì)。由系數(shù) 的定義，此（ 1）個正離子在到達(dá)陰極表面時可撞出 個新電子，這些電子在電極空間的碰撞電離同樣又能產(chǎn)生更多的正離子，如此循環(huán)下去。dedede高電壓工程基礎(chǔ)1）自持放電條件推導(dǎo)）自持放電條件推導(dǎo)(1)de2022-5-5自持放電條件為1) 1(de ：一個正離子撞擊到陰極表面時產(chǎn)生出來的二次電子數(shù) ：電子碰撞電離系數(shù)：兩極板距離

11、d 此條件物理概念十分清楚，即一個電子在自己進(jìn)入陽極后可以由 及 過程在陰極上又產(chǎn)生一個新的替身，從而無需外電離因素放電即可繼續(xù)進(jìn)行下去。注：對于初始為 個的電子，若 個正離子撞擊陰極產(chǎn)生的電子數(shù)小于 ，在下次返回時撞出的會更少，一直到最后一次為0，即不能自持。0n0n0(1)dne2022-5-5高電壓技術(shù)影響碰撞電離的因素影響碰撞電離的因素iee1eUE1cm長度內(nèi)一個電子的平均碰撞次數(shù)為1/e e：電子平均自由行程碰撞引起電離的概率碰撞電離的條件i/xUEeTpBp EApe電子平均自由行程e與溫度成正比，與壓力成反比。每次碰撞產(chǎn)生的概率：iiee-ii =(/), eexUEx xUE

12、= 碰撞系數(shù)表達(dá)式：2022-5-5 所以，在高氣壓和高真空下，氣隙不易發(fā)生放電現(xiàn)象，具有較高的電氣強(qiáng)度。高氣壓時， 很小，單位長度上的碰撞次數(shù)很多，但能引起電離的概率很??；低氣壓和真空時， 很大，總的碰撞次數(shù)少，所以 也比較小。ee高電壓技術(shù)2022-5-5 早在湯遜理論出現(xiàn)之前，巴申(Paschen)就于1889年從大量的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出了擊穿電壓 與 的關(guān)系曲線，稱為巴申定律，即bupd 1.2.2 1.2.2 巴申定律巴申定律b()Uf pd2022-5-5湯遜理論給巴申定律以理論支持湯遜理論給巴申定律以理論支持bb(1)111=1+ln 1+,1ln 1+ddBp EBpd UeedUA

13、peEdAped根據(jù)自持放電條件則，bln1ln 1+BpdUApd2022-5-5圖1-4給出了空氣間隙的 與 的關(guān)系曲線。從圖中可見，首先， 并不僅僅由 決定，而是 的函數(shù)；其次 不是 的單調(diào)函數(shù)，而是U型曲線，有極小值。bufpdbupdbudpdbupd圖1-4 均勻電場中幾種氣體擊穿電壓Ub與pd的關(guān)系高電壓技術(shù)2022-5-5U形曲線的解釋形曲線的解釋（1）先假設(shè)d保持不變，當(dāng)氣體壓力p增大時，電子的平均自由行程短，相鄰兩次碰撞之間，電子積聚到足夠動能的概率減小，故要求增大擊穿電壓。反之，當(dāng)p過小時，雖然電子在碰撞前積聚到足夠動能的概率增大，但氣體很稀薄，碰撞的總次數(shù)減少，擊穿電壓

14、也需增大。在這兩者之間總存在一個p對造成撞擊電離最有利，此時擊穿電壓最小。（2）同樣，假設(shè)p保持不變，d增大時，電場強(qiáng)度減小，欲達(dá)到擊穿場強(qiáng)，必須提高擊穿電壓。d過小時,雖然場強(qiáng)增加，但電子在走完全程中所遇到的撞擊次數(shù)已經(jīng)很小，要求擊穿電壓增大。在這兩者之間也總有一個d對撞擊最有利，此時擊穿電壓最低。 綜合（綜合（1）和（）和（2），必然存在一個），必然存在一個pd的乘積，此時擊穿電壓最低。的乘積，此時擊穿電壓最低。高電壓技術(shù)2022-5-51.2.3 湯遜放電理論的適用范圍（1 1）放電形式。）放電形式。按湯遜理論，放電路徑是分別在整個電極空間的，而實(shí)際路徑是貫穿在兩極間曲折的細(xì)通道，有時還

15、有明顯的分支。按湯遜理論放電應(yīng)是均勻連續(xù)的發(fā)展，實(shí)際情況是：火花放電、雷電放電都有間歇、分段發(fā)展的性質(zhì)。 湯遜理論是在低氣壓、 較小的條件下在放電實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的。 過小或過大，放電機(jī)理將出現(xiàn)變化，湯遜理論就不再適用了。實(shí)驗(yàn)表明 0.26 cm(pd200 cm mmHg)時，擊穿過程將發(fā)生變化，湯遜理論的計(jì)算結(jié)果不再適用。主要有下列幾點(diǎn)：ddd2022-5-5高電壓技術(shù)（2）陰極材料。）陰極材料。按湯遜理論，陰極的材料性質(zhì)在擊穿過程中起著重要作用，而實(shí)驗(yàn)證明，在大氣壓力下，氣隙的擊穿電壓與陰極材料幾乎無關(guān)。（3）放電時間）放電時間 。按湯遜理論，氣隙完成擊穿，需要這樣的循環(huán)：形成電子崩，正

16、離子到達(dá)陰極造成二次電子，這些電子重又形成更多的電子崩。由電子和正離子的遷移率可見計(jì)算出完成擊穿所需的時間，而實(shí)測的時間比這小得多，在較長的間隙，兩者甚至相差達(dá)幾十倍。 較大時，湯遜理論不適用的原因：較大時，湯遜理論不適用的原因：d（1）湯遜理論沒有考慮電離出來的空間電荷會使電場畸變，從而對放電過程產(chǎn)生影響。（2）湯遜理論沒有考慮光子在放電過程中的作用。2022-5-5高電壓技術(shù)1.2.4 流注理論（流注理論（pd 值較大的情況值較大的情況） 高氣壓長氣隙時，實(shí)測的放電時延遠(yuǎn)小于正離子穿越間隙所需的時間，這表明湯遜理論不適用于pd值較大的情況。 在大氣壓下，由于空氣密度大，電子崩產(chǎn)生后形成的空

17、間電荷不易擴(kuò)散，使原電場發(fā)生畸變，崩內(nèi)電場消弱，而大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾處的電場。電子崩中電荷密度很大，所以復(fù)合過程頻繁，放射出的光子在崩頭或崩尾強(qiáng)電場區(qū)很容易引起光電離，形成二次崩。二次崩與初崩的匯合，組成了充滿正負(fù)帶電粒子的通道，此即流注。 流注的概念流注的概念2022-5-5空間電荷對電場的畸變效應(yīng)空間電荷對電場的畸變效應(yīng) 錐體形電子崩：電子遷移速度快，集中在崩頭，正離子隨后至崩尾。 電子崩中電子數(shù)隨行程呈指數(shù)增長，約60%電子在最后1mm內(nèi)形成。 電離集中于崩頭，空間電荷分布不均，其電場使總電場嚴(yán)重畸變。崩頭與崩尾的電場加強(qiáng)，電子崩內(nèi)即正負(fù)電荷區(qū)域間的電場削弱。 最后的結(jié)果是：崩頭崩尾電

18、場增強(qiáng)，崩內(nèi)電場削弱。2022-5-5正流注的形成正流注的形成 (外施電壓達(dá)到氣隙最低擊穿電壓外施電壓達(dá)到氣隙最低擊穿電壓)崩頭即將到達(dá)陽極時，崩頭（電子多）崩尾外圍局部場強(qiáng)增強(qiáng)，崩中部崩頭即將到達(dá)陽極時，崩頭（電子多）崩尾外圍局部場強(qiáng)增強(qiáng)，崩中部電場大為減弱。崩頭強(qiáng)烈電離伴有強(qiáng)烈激勵和反激勵，會放射出大量光電場大為減弱。崩頭強(qiáng)烈電離伴有強(qiáng)烈激勵和反激勵，會放射出大量光子（子（b b）。）。崩中部的弱電場，會給電子附著在中性質(zhì)點(diǎn)上形成負(fù)離子，進(jìn)而為正負(fù)崩中部的弱電場，會給電子附著在中性質(zhì)點(diǎn)上形成負(fù)離子，進(jìn)而為正負(fù)離子的復(fù)合提供良好條件。強(qiáng)烈的復(fù)合過程也會放射出大量光子。離子的復(fù)合提供良好條件。

19、強(qiáng)烈的復(fù)合過程也會放射出大量光子。光子向四周發(fā)射，因崩頭已接近陽極，射到崩頭前方的光子直接進(jìn)入陽光子向四周發(fā)射，因崩頭已接近陽極，射到崩頭前方的光子直接進(jìn)入陽極（對放電發(fā)展不起作用），射到崩尾空間的光子，引起空間光電離，極（對放電發(fā)展不起作用），射到崩尾空間的光子，引起空間光電離，在強(qiáng)場區(qū)形成二次電子崩在強(qiáng)場區(qū)形成二次電子崩(c)(c)。2022-5-54. 4. 二次電子崩受主崩尾的正空間電荷的吸引，向主崩尾方向發(fā)展，并匯合到主崩尾二次電子崩受主崩尾的正空間電荷的吸引，向主崩尾方向發(fā)展，并匯合到主崩尾的正空間電荷中去。射到左右兩側(cè)的光子也會產(chǎn)生光電子，但因那里不存在局的正空間電荷中去。射到左

20、右兩側(cè)的光子也會產(chǎn)生光電子，但因那里不存在局部場強(qiáng)，不易發(fā)展成二次電子崩。部場強(qiáng)，不易發(fā)展成二次電子崩。5. 5. 二次電子崩頭部匯合到主崩尾正空間電荷區(qū)后，使主崩本體區(qū)域成為正、負(fù)質(zhì)點(diǎn)二次電子崩頭部匯合到主崩尾正空間電荷區(qū)后，使主崩本體區(qū)域成為正、負(fù)質(zhì)點(diǎn)的混合通道，場強(qiáng)較為減弱，電子大多形成負(fù)離子，出現(xiàn)大量正負(fù)電荷交融的的混合通道，場強(qiáng)較為減弱，電子大多形成負(fù)離子，出現(xiàn)大量正負(fù)電荷交融的等離子體，即形成正流注（等離子體，即形成正流注（d d），流注由陽極向陰極發(fā)展。），流注由陽極向陰極發(fā)展。6. 6. 流注頭部聚集有大量由二次電子崩形成的正電荷，電場很強(qiáng)，電離愈加強(qiáng)烈，并流注頭部聚集有大量由

21、二次電子崩形成的正電荷，電場很強(qiáng)，電離愈加強(qiáng)烈，并放射出大量光子，繼續(xù)引起空間光電離。流注前方不斷出現(xiàn)二次電子崩，向陰放射出大量光子，繼續(xù)引起空間光電離。流注前方不斷出現(xiàn)二次電子崩，向陰極發(fā)展極發(fā)展(e)(e)。7. 7. 流注向陰極推進(jìn)，頭部電場加強(qiáng)，發(fā)展加快，最后放電等離子體貫通整個間隙，流注向陰極推進(jìn)，頭部電場加強(qiáng)，發(fā)展加快，最后放電等離子體貫通整個間隙，完成擊穿。完成擊穿。2022-5-5負(fù)流注的形成負(fù)流注的形成 (外施電壓比氣隙最低擊穿電壓高很多外施電壓比氣隙最低擊穿電壓高很多) 當(dāng)外施電壓高于擊穿電壓當(dāng)外施電壓高于擊穿電壓時，電子崩電離加強(qiáng)，則時，電子崩電離加強(qiáng)，則電子崩發(fā)展無需到

22、達(dá)陽極，電子崩發(fā)展無需到達(dá)陽極，在間隙中部其頭部電離在間隙中部其頭部電離（引發(fā)二次電子崩）就可（引發(fā)二次電子崩）就可直接形成由陰極發(fā)展的流直接形成由陰極發(fā)展的流注。注。 發(fā)展速度：發(fā)展速度： 正流注正流注 負(fù)流注負(fù)流注電子崩。電子崩。2022-5-5均勻電場中的流注自持放電條件均勻電場中的流注自持放電條件 流注形成即轉(zhuǎn)入放電自持，所以，均勻電場：流柱形成條流注形成即轉(zhuǎn)入放電自持，所以，均勻電場：流柱形成條件件=自持放電條件間隙擊穿條件。自持放電條件間隙擊穿條件。 流注理論認(rèn)為，要形成流注，崩頭負(fù)電荷數(shù)必須達(dá)到一定流注理論認(rèn)為，要形成流注，崩頭負(fù)電荷數(shù)必須達(dá)到一定數(shù)量。即數(shù)量。即ed 某一常數(shù)，

23、也即某一常數(shù)，也即d 另一常數(shù)。另一常數(shù)。 實(shí)驗(yàn)研究得出：發(fā)展流注需要的實(shí)驗(yàn)研究得出：發(fā)展流注需要的d的最小值為的最小值為20。對應(yīng)。對應(yīng)ed = 常數(shù)（常數(shù)（108）或）或 d=常數(shù)（常數(shù)（20） 流注理論和湯遜理論各適用一定條件的放電過程，互相補(bǔ)流注理論和湯遜理論各適用一定條件的放電過程，互相補(bǔ)充，擊穿電壓皆滿足巴申定律。充，擊穿電壓皆滿足巴申定律。 0.26cm用流注理論。用流注理論。0.26cmddd2022-5-5流注理論對放電現(xiàn)象的解釋流注理論對放電現(xiàn)象的解釋 1.1.放電外形：流注是正負(fù)電荷密度很大的均勻等離放電外形：流注是正負(fù)電荷密度很大的均勻等離子體，其電導(dǎo)大，場強(qiáng)小并抑制周

24、圍電場，但流注子體，其電導(dǎo)大，場強(qiáng)小并抑制周圍電場，但流注前方電場加強(qiáng)（一支獨(dú)秀），快速向前推進(jìn)，形成前方電場加強(qiáng)（一支獨(dú)秀），快速向前推進(jìn)，形成通道式放電通道式放電。湯遜放電四處出擊，呈連續(xù)一片。湯遜放電四處出擊，呈連續(xù)一片。 2. 放電時間：光子以光速傳播，空間光電離發(fā)展迅放電時間：光子以光速傳播，空間光電離發(fā)展迅速，流注放電快于湯遜放電。速，流注放電快于湯遜放電。 3.3.陰極材料影響陰極材料影響：維持流注自持放電的空間光電離，：維持流注自持放電的空間光電離，而非陰極表面電離。大而非陰極表面電離。大pd下的放電基本與陰極材料下的放電基本與陰極材料無關(guān)。無關(guān)。 4.流注理論可較好地定性解釋

25、大流注理論可較好地定性解釋大pd下的氣體放電現(xiàn)下的氣體放電現(xiàn)象，但定量的精確計(jì)算尚顯不足。各種形式的氣體象，但定量的精確計(jì)算尚顯不足。各種形式的氣體放電理論仍是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，多年來不見突破放電理論仍是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，多年來不見突破進(jìn)展。進(jìn)展。2022-5-51.3 不均勻電場中氣體的放電過程 電氣設(shè)備中很少有均勻電場的情況。但對不均勻電場還要區(qū)分兩種不同的情況，即稍不均勻電場和極不均勻電場。全封閉組合電器(GIS)的母線筒和高壓實(shí)驗(yàn)室中測量電壓用的球間隙是典型的稍不均勻電場；高壓輸電線之間的空氣絕緣和實(shí)驗(yàn)室中高壓發(fā)生器的輸出端對墻的空氣絕緣則屬于極不均勻電場。高電壓技術(shù)2022-5-5稍

26、不均勻電場示例球隙2022-5-5稍不均勻電場示例GISGIS2022-5-5稍不均勻電場和極不均勻電場劃分稍不均勻電場和極不均勻電場劃分 均勻電場是一種少有的特例，在實(shí)際電力設(shè)施中常見的卻是不均勻電場。 為了描述各種結(jié)構(gòu)的電場不均勻程度，可引入一個電場不均勻系數(shù)f，表示為：vEEfmax:最大電場強(qiáng)度vE:平均電場強(qiáng)度dUEvf4屬極不均勻電場。maxE高電壓技術(shù)2022-5-5半徑為r的球間隙的放電特性與極間距d的關(guān)系 高電壓技術(shù) 稍不均勻電場和極不均勻電場的不同特點(diǎn)稍不均勻電場和極不均勻電場的不同特點(diǎn)放電具有稍不均勻場間隙的特點(diǎn)擊穿電壓與電暈起始電壓相同 放電具有極不均勻場間隙的特點(diǎn)電暈

27、起始電壓明顯低于擊穿電壓 放電過程不穩(wěn)定，分散屬于過渡區(qū) 2022-5-5（1）電暈放電 在極不均勻場中，當(dāng)電壓升高到一定程度后，在空氣間隙完全擊穿之前，大曲率電極(高場強(qiáng)電極)附近會有薄薄的發(fā)光層，這種放電現(xiàn)象稱為電暈。 電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自持放電形式。開始出現(xiàn)電暈時的電壓稱為電暈起始電壓 ，而此時電極表面的場強(qiáng)稱為電暈起始場強(qiáng) 。cUcE極不均勻電場中的電暈放電極不均勻電場中的電暈放電高電壓技術(shù)2022-5-5 根據(jù)電暈層放電的特點(diǎn)，可分為兩種形式：電子崩形式和流注形式。 當(dāng)起暈電極的曲率大時，電暈層很薄，且比較均勻，放電電流比較穩(wěn)定，自持放電采取湯遜放電的形式，即出現(xiàn)電子

28、崩式的電暈。隨著電壓升高，電暈層不斷擴(kuò)大，個別電子崩形成流注，出現(xiàn)放電的脈沖現(xiàn)象，開始轉(zhuǎn)入流注形式的電暈放電。高電壓技術(shù)2022-5-5 若電極曲率半徑加大，則電暈一開始就很強(qiáng)烈，一出現(xiàn)就形成流注的形式。電壓進(jìn)一步升高，個別流注快速發(fā)展，出現(xiàn)刷狀放電，放電脈沖更強(qiáng)烈，最后貫通間隙，導(dǎo)致間隙完全擊穿。沖擊電壓下，電壓上升極快，因此電暈從一開始就具有流注的形式。爆發(fā)電暈時能聽到聲，看到光，嗅到臭氧味，并能測到電流。高電壓技術(shù)2022-5-5（2）電暈放電的起始場強(qiáng) 對于電暈放電起始場強(qiáng)，美國工程師皮克總結(jié)出一系列經(jīng)驗(yàn)公式，稱為皮克公式。高電壓技術(shù)u直流輸電線路電暈經(jīng)驗(yàn)公式：直流輸電線路電暈經(jīng)驗(yàn)公式

29、：C0CC 0000.29830.3 (1) (kV/cm)2ln (kV)cm2cmErHUE rrrH兩平行導(dǎo)線的臨界起暈場強(qiáng)（有效值）：相應(yīng)的臨界起暈電壓（有效值）：起暈導(dǎo)線的半徑，；空氣的相對密度；兩平行起暈導(dǎo)線的距離，。2022-5-5 理想光滑導(dǎo)線 1，絞線 0.80.9，好天氣時 可按0.8估算。1m1m2m1200.29821.41cEmmru交流輸電線路電暈經(jīng)驗(yàn)公式：交流輸電線路電暈經(jīng)驗(yàn)公式：kV/cm高電壓技術(shù)CC 00ln (kV)cmSUE rrS線間距離，相應(yīng)電暈起始電壓（有效值）為：2022-5-5高電壓技術(shù)（3）電暈放電的危害與對策危害：危害：功率損耗、電磁干擾、

30、噪聲污染對策對策：（：（限制導(dǎo)線的表面場強(qiáng)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750kV的線路可分別采用二分裂、四分裂和六分裂導(dǎo)線。 2022-5-5高電壓技術(shù)（4）電暈放電的利用 在某些情況下可以利用電暈放電產(chǎn)生的空間電荷來改善極不均勻場的電場分布，以提高擊穿電壓。導(dǎo)線板電極的空氣間隙擊穿電壓（有效值）與間隙距離的關(guān)系1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm 虛線尖-板電極間隙 點(diǎn)劃線均勻場間隙2022-5-5高電壓技術(shù) 不均勻電場中放電的極性效應(yīng)不均勻電場中放電的極性效應(yīng)負(fù)極性棒板間隙擊穿電壓比正極性棒板

31、電極高 2022-5-5 極不均勻電場中放電的極性效應(yīng)定義： 在電暈放電時，空間電荷對放電的影響已得到關(guān)注。由于高場強(qiáng)電極極性的不同，空間電荷的極性也不同，對放電發(fā)展的影響也就不同，這就造成了不同極性的高場強(qiáng)電極的電暈起始電壓的不同，以及間隙擊穿電壓的不同，稱為極性效應(yīng)。高電壓技術(shù)2022-5-5棒板間隙這種典型的極不均勻場正棒負(fù)板間隙中非自持放電階段空間電荷對外電場畸變作用 外電場 空間電荷電場exEspE 當(dāng)棒具有正極性時，間隙中出現(xiàn)的電子向棒運(yùn)動，進(jìn)入強(qiáng)電場區(qū)，開始引起電離現(xiàn)象而形成電子崩，如下圖（a）所示。隨著電壓的逐漸上升，到形成自持放電爆發(fā)電暈之前，在間隙中形成相當(dāng)多的電子崩。2022-5-5 當(dāng)電子崩達(dá)到棒極后，其中的電子就進(jìn)入棒極，而正離子仍留在空間，相對來說緩慢地向板極移動。于是在棒極附近，積聚起正