第1章-氣體放電的基本物理過程知識分享

第1章-氣體放電的基本物理過程一、帶電粒子的運(yùn)動當(dāng)氣體中存在電場時，粒子進(jìn)行熱運(yùn)動和沿電場定向運(yùn)動。自由行程長度：一個粒子在每兩次碰撞間自由地通過的距離。平均自由行程長度：眾多粒子自由行程的平均值。p：氣壓 k：波爾茲曼常數(shù)T：氣溫 r：氣體分子半徑大氣壓和常溫下平均自由行程長度數(shù)量級為10-5cm。一、帶電粒子的運(yùn)動帶電粒子的遷移率：帶電粒子在單位場強(qiáng)（1V/m)下沿電場方向的漂移速度。電子的遷移率遠(yuǎn)大于離子的遷移率擴(kuò)散：濃度大區(qū)域向濃度小區(qū)域均勻化擴(kuò)散分布?xì)怏w原子的激發(fā)和電離二、帶電粒子的產(chǎn)生氣體原子的激發(fā)和電離電離外界以某種方式給處于某一能級軌道上的電子施加一定的能量，該電子就可能擺脫原子核的束縛成為自由電子。電離能 產(chǎn)生游離需要的能量。激發(fā) 電子向高一能級軌道的躍遷。分級電離 先經(jīng)過激發(fā)再產(chǎn)生游離的過程。二、帶電粒子的產(chǎn)生二、帶電粒子的產(chǎn)生（1）熱電離波爾茨曼常數(shù)1.38×10-23J/K熱力學(xué)溫度（2）光電離普朗克常數(shù)6.63×10-34J·s（3）碰撞電離W≥Wi(電離能)波爾茨曼常數(shù)1.38×10-23J/K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（1）正離子撞擊陰極（2）光電子發(fā)射（3）強(qiáng)場發(fā)射（4）熱電子發(fā)射（4）電極表面的電離三、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F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5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。四、帶電粒子的消失（1）帶電粒子的擴(kuò)散

帶電粒子從濃度較大的區(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，稱為帶電粒子的擴(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。（2）帶電粒子的復(fù)合

帶異號電荷的粒子相遇，發(fā)生電荷的傳遞和中和而還原為中性粒子的過程，稱為復(fù)合。帶電粒子復(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。帶電粒子的復(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。1.2電子崩非自持放電和自持放電的不同特點電流隨外施電壓的提高而增大，因為帶電粒子向電極運(yùn)動的速度加快復(fù)合率減小電流飽和，帶電粒子全部進(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）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。自持放電起始電壓電子崩的形成（BC段電流劇增原因）電子碰撞電離系數(shù)α：代表一個電子沿電力線方向行經(jīng)1cm時平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。影響碰撞電離的因素1cm長度內(nèi)一個電子的平均碰撞次數(shù)為1/λλ：電子平均自由行程碰撞引起電離的概率碰撞電離的條件正離子消失在陰極前，由γ過程在陰極上釋放出二次電子數(shù)，即表示由γ過程在陰極上重新產(chǎn)生一個電子，此時不再需要外電離因素就能使電離維持發(fā)展，即轉(zhuǎn)入自持放電。γ過程若1.3自持放電條件自持放電條件如自持放電條件滿足時，會形成下圖的閉環(huán)部分1.3自持放電條件電負(fù)性氣體的情況對強(qiáng)電負(fù)性氣體，除考慮α和γ過程外，還應(yīng)考慮η過程（電子附著過程）。η的定義與α相似，即一個電子沿電力線方向行經(jīng)1cm時平均發(fā)生的電子附著次數(shù)?？梢娫陔娯?fù)性氣體中有效的碰撞電離系數(shù)為。由于強(qiáng)電負(fù)性氣體中，所以其自持放電場強(qiáng)比非電負(fù)性氣體高得多。以SF6氣體為例，在101.3kPa，20℃的條件下，均勻電場中擊穿場強(qiáng)為Eb≈89kV/cm，約為同樣條件的空氣間隙的擊穿場強(qiáng)的3倍?？偨Y(jié)：將電子崩和陰極上的γ過程作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。湯遜理論的實質(zhì)是：電子碰撞電離是氣體放電的主要原因，二次電子來源于正離子撞擊陰極表面使陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。陰極逸出電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。1.4起始電壓與氣壓的關(guān)系

pd值較小的情況（湯遜湯遜放電）（1）湯遜自持放電判據(jù)（2）氣體擊穿的巴申定律（3）氣體密度對擊穿的影響

為正離子表面電離系數(shù)氣體放電有多種形式，先舉例如下：

pd值較大的情況（流注）實測的放電時延遠(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。形成流注的必要條件是電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷使原電場明顯畸變，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。二次電子的主要來源是空間的光電離。（1）流注的形成條件1.5流注放電理論（2）流注自持放電條件（即形成流注的條件）流注放電的現(xiàn)象：流注理論解釋pd值大時的放電現(xiàn)象。如放電并不充滿整個電極空間而是細(xì)通道形式，且有時火花通道呈曲折形，放電時延遠(yuǎn)小于離子穿越極間距離的時間，再如為何擊穿電壓與陰極材料無關(guān)。

半徑為r的球間隙的放電特性與極間距d的關(guān)系稍不均勻電場和極不均勻電場的不同特點放電具有稍不均勻場間隙的特點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電暈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)1.6不均勻電場中的放電過程不均勻電場中放電的極性效應(yīng)負(fù)極性棒－板間隙的電暈起始電壓比正極性棒－板電極低負(fù)極性棒－板間隙擊穿電壓比正極性棒－板電極高

1.6不均勻電場中的放電過程極不均勻電場中的電暈放電（1）電暈放電的起始場強(qiáng)δ是氣體相對密度；m1表面粗糙度系數(shù)，理想光滑導(dǎo)線取1，絞線0.8~0.9；好天氣時m2=1，壞天氣時m2可按0.8估算。極不均勻電場中的電暈放電極不均勻電場中的電暈放電（2）電暈放電的危害與對策危害：功率損耗、電磁干擾、噪聲污染對策：（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750kV的線路可分別采用二分裂、四分裂和六分裂導(dǎo)線。（2）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1－D=0.5mm2－D=3mm3－D=16mm4－D=20mm虛線－尖-板電極間隙點劃線－均勻場間隙一、放電時間高電壓技術(shù)1.7放電時間和沖擊電壓下的氣隙擊穿二、沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化三、沖擊電壓下的氣隙擊穿特性一、放電時間高電壓技術(shù)完成氣隙擊穿的三個必備條件：1、足夠大的電場強(qiáng)度或足夠高的電壓；2、在氣隙中存在能引起電子崩并導(dǎo)致流柱和主放電的有效電子；3、需要有一定的時間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿。一、放電時間高電壓技術(shù)統(tǒng)計時延：從外施電壓達(dá)Uo時起，到出現(xiàn)一個能引起擊穿的初始電子崩所需的第一個有效電子所需時間放電形成時延：從出現(xiàn)第一個有效自由電子時起，到放電過程完成所需時間，即電子崩的形成和發(fā)展到流注等所需的時間臨界擊穿電壓

一、放電時間高電壓技術(shù)t0

——升壓時間，電壓從0升到靜態(tài)擊穿電壓U0所需時間；ts——統(tǒng)計時延，指從t0到氣隙中出現(xiàn)第一個有效電子的時間；tf——放電發(fā)展時間，從出現(xiàn)有效電子到最終擊穿的時間。放電的總時間tb由三部分組成，即

tb=tl+ts+tftl=ts+tftl——放電時延二、沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)雷電波的波形：T1=1.2μs±30％，T2=50μs±20％對于不同極性：+1.2/50μs或-1.2/50μs操作沖擊波的波形：T1=250μs±20％，T2=2500μs±60％對于不同極性：+250/2500μs或-250/2500μs高電壓技術(shù)波前時間半峰值時間高電壓技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)雷電截波用來模擬雷電過電壓引起氣隙擊穿或外絕緣閃絡(luò)后出現(xiàn)的截尾沖擊波，如圖。IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：視在波前時間

T1=1.2μs±30%；截斷時間

Tc=2～5μs；可寫成1.2/2～5μs沖擊電壓下氣隙擊穿特性高電壓技術(shù)氣隙的擊穿放電需要一定的時間才能完成。對于長時間持續(xù)作用的電壓來說，氣隙的擊穿電壓有一個確定的值；50％沖擊擊穿電壓及沖擊系數(shù)50％擊穿電壓多次施加電壓時有半數(shù)會導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷褐礥b50。2.沖擊系數(shù)同一間隙的50％沖擊擊穿電壓與穩(wěn)態(tài)擊穿電壓Uss之比

。高電壓技術(shù)伏－秒特性伏－秒特性：在同一沖擊電壓波形下，擊穿電壓值與放電時延（或電壓作用時間）有關(guān)的特性。用實驗確定間隙伏－秒特性的方法：保持沖擊電壓的波形不變，逐漸升高電壓使間隙發(fā)生擊穿，并根據(jù)示波圖記錄擊穿電壓U與擊穿時間t。擊穿發(fā)生在波前或峰值，取此刻值擊穿發(fā)生在波尾，取峰值未擊穿100%伏秒特性0%伏秒特性50%伏秒特性50%沖擊擊穿電壓高電壓技術(shù)電氣設(shè)備絕緣的伏－秒特性和避雷器的伏－秒特性（a）正確配合（b）不正確配合絕緣的伏－秒特性避雷器的伏－秒特性高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)1.8沿面放電一、沿面放電的一般概念二、沿面放電的類型與特點三、沿面放電電壓的影響因素和提高方法四、固體介質(zhì)有水膜時的沿面放電五、絕緣子染污狀態(tài)下的沿面放電六、污染事故的對策高電壓技術(shù)1.8沿面放電沿面放電：沿著固體介質(zhì)表面發(fā)展的氣體放電現(xiàn)象一、沿面放電的一般概念1.沿面放電發(fā)展成電極間貫穿性的擊穿稱為閃絡(luò)，絕緣子的放電是最常見的一種氣體中的沿面放電現(xiàn)象；

2.通常發(fā)生在絕緣子、絕緣子串和一些固體介質(zhì)的表面；3.比純空氣間隙的擊穿電壓低；4.容易受絕緣子表面狀態(tài)、染污程度、氣候條件等影響。固體介質(zhì)與氣體界面的電場分布狀況對沿面放電有很大影響高電壓技術(shù)二、沿面放電的類型和特點典型的界面電場分布沿面放電（一）均勻和稍不均勻電場的沿面放電（二）極不均勻電場且具有強(qiáng)垂直分量時的沿面放電（三）極不均勻電場且具有弱垂直分量時的沿面放電典型界面電場分布（1）固體介質(zhì)處于均勻電場中，且界面與電力線平行，如圖（a）。（2）固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，且電力線垂直于界面的分量比平行于表面的分量要大得多，如圖(b)。（3）固體介質(zhì)處極不均勻電場中，電場強(qiáng)度平行于界面的分量要比垂直分量大，如（c）。高電壓技術(shù)（一）均勻和稍不均勻電場中的沿面放電沿面放電：均勻電場中，固體介質(zhì)的引入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：（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；高電壓技術(shù)（3）上述影響因素在高氣壓時表現(xiàn)得更為明顯。氣壓對氮?dú)庵醒孛骈W絡(luò)電壓的影響氮?dú)忾g隙膠布板塑料瓷高電壓技術(shù)（4）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)電壓的影響純SF6接觸良好接觸不良對于支柱絕緣子，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)屏蔽電極深度對雷電沖擊閃絡(luò)電壓的影響正極性負(fù)極性高電壓技術(shù)（二）極不均勻電場中具有強(qiáng)垂直分量時的沿面放電（d）套管表面電容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）滑閃放電高電壓技術(shù)提高套管的電暈起始電壓和滑閃放電電壓的方法：（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。介質(zhì)表面的電壓分布高電壓技術(shù)沿不同材料圓管表面的工頻閃絡(luò)電壓峰值沿面閃絡(luò)電壓與空氣擊穿電壓的差別比前述兩種電場情況都要小得多。因此這種情況下，為提高沿面放電電壓，主要從改進(jìn)電極形狀以改善電極附近的電場著手.1－空氣隙擊穿2－石蠟3－膠紙4－瓷和玻璃高電壓技術(shù)（三）極不均勻電場中具有弱垂直分量時的沿面放電高電壓技術(shù)三、沿面放電電壓的影響因素和提高方法固體介質(zhì)材料（親水性和憎水性）電場型式提高閃絡(luò)電壓方法對于實心瓷套管，加大法蘭處的瓷套外直徑和壁厚，并涂半導(dǎo)體漆或釉330kV絕緣子柱高電壓技術(shù)對于支柱絕緣子或絕緣子串可采用均壓環(huán)絕緣子串的等效電路及各絕緣子承受的電壓（a）只考慮對地電容CE（b）只考慮對導(dǎo)線電容CL（c）同時考慮CE及CL高電壓技術(shù)四、固體介質(zhì)表面有水膜時的沿面放電表面凝露對沿面放電的影響不同放電距離時清潔的環(huán)氧樹脂支柱絕緣子的交流閃絡(luò)電壓（環(huán)境溫度為30℃）RH超過60%閃絡(luò)電壓下降；原因：表面凝露SF6中工頻沿面閃絡(luò)電壓（氣壓0.35MPa）1－氣溫為-2℃~＋4℃2－氣溫為-29℃~-2℃3－環(huán)氧樹脂絕緣子露（液態(tài)）霜（固態(tài)）高電壓技術(shù)表面淋雨對沿面放電的影響光滑瓷柱的干閃和濕閃電壓干閃濕閃雨中電導(dǎo)率對濕閃電壓的影響（取雨水電導(dǎo)率為0.1S/m時的閃絡(luò)電壓為1）高電壓技術(shù)污閃：戶外絕緣子常會受到工業(yè)污穢或自然界鹽堿、飛塵等污染。干燥情況下，對閃絡(luò)電壓沒多大影響。但當(dāng)絕緣子表面污層被濕潤，其表面電導(dǎo)劇增使絕緣子泄漏電流急劇增加。絕緣子的閃絡(luò)電壓（污閃電壓）大大降低，甚至有可能在工作電壓下發(fā)生閃絡(luò)。絕緣子閃絡(luò)電壓與污染程度（以單位面積的污量表示）的關(guān)系絕緣子工作電壓高電壓技術(shù)五、絕緣子染污狀態(tài)下的沿面放電高電壓技術(shù)污閃的發(fā)展過程（1）污層剛受潮時，介質(zhì)表面有明顯的泄漏電流流過，電壓分布是較均勻；（2）出現(xiàn)高電阻的“干燥帶”，使污層的泄漏電流減小，并在干燥帶形成很大的電壓降；（3）當(dāng)干燥帶的電位梯度超過沿面閃絡(luò)場強(qiáng)時，干燥帶發(fā)生放電，放電具有電弧特性，這就是出現(xiàn)局部電弧的階段。高電壓技術(shù)影響污閃的因素（1）污穢的性質(zhì)和污染程度

污穢的導(dǎo)電率越高和介質(zhì)表面沉積的污穢量越多，則閃絡(luò)電壓越低。這實際上說明表面泄漏電流越大，閃絡(luò)電壓越低。所以在工程中常將污層表面電導(dǎo)率作為監(jiān)測絕緣子臟污嚴(yán)重程度的一個特征參數(shù)。（2）濕潤的方式

最容易發(fā)生污閃的氣象條件是霧、露、融雪和毛毛雨等，這些條件下污層易達(dá)到飽和濕潤的狀態(tài)但不被沖洗掉。（3）泄漏距離

在污層表面電導(dǎo)率一定時，泄漏距離越長，剩余電阻的阻值越大，絕緣子的泄漏距離是影響污閃電壓的重要因素。（4）外施電壓的形式

由于污閃是局部電弧不斷拉長的過程，因此電壓作用時間越短就越不容易導(dǎo)致閃絡(luò)。高電壓技術(shù)污穢等級的劃分污穢等值附鹽密度（mg/cm2）：

與絕緣子表面單位面積上污穢物導(dǎo)電性相當(dāng)?shù)牡戎蝶}(NaCl)量。用一個參數(shù)同時表征污穢性質(zhì)及污穢量，以簡化對污穢嚴(yán)重程度的描述。500kV套管及支柱絕緣子的污穢耐受電壓和泄漏距離的關(guān)系附鹽密度：1－0.03mg/cm2；2－0.05mg/cm2；3－0.1mg/cm2高電壓技術(shù)污穢等級污濕特征鹽密(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>0.03~0.06≤0.06