第3讲 气体电介质绝缘特性(二)

1、第第2 2讲回顾讲回顾u带电粒子的产生与消失u汤逊理论u巴申定律u汤逊理论的适用范围第第3 3讲讲 气体电介质的绝缘特性（二）气体电介质的绝缘特性（二）1.2.5 1.2.5 流注理论流注理论n在高气压长间隙条件下的气体放电理论在高气压长间隙条件下的气体放电理论n 特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用电场的作用 n通过大量的实验研究（主要在电离室中进行的通过大量的实验研究（主要在电离室中进行的）说明放电发展的机理）说明放电发展的机理 电离室电离室电离室结构示意图

2、 1照射火花间隙；2石英窗；3电极 4玻璃壁；5橡皮膜；6绝缘柱 研究放电时的电路图N电离室；S火花间隙；L、L、K短路回路 n电子崩阶段电子崩阶段 空间电荷畸变外电场空间电荷畸变外电场 n流注阶段流注阶段 光电离形成二次电子崩，等离子体光电离形成二次电子崩，等离子体 （1 1） 电子崩阶段电子崩阶段（a a）初始电子崩）初始电子崩 电子崩头部接近阳极时，电子崩头部接近阳极时，崩头电子和崩尾正离子数目崩头电子和崩尾正离子数目总数剧增，崩头崩尾电场都总数剧增，崩头崩尾电场都急剧增强。那么崩头的强烈急剧增强。那么崩头的强烈电离也伴随强烈的激励和反电离也伴随强烈的激励和反激励，并向周围放射光子；激励

3、，并向周围放射光子； 崩中部的弱电场也为分子吸崩中部的弱电场也为分子吸附电子及正负离子复合提供附电子及正负离子复合提供条件，强烈的复合也放射出条件，强烈的复合也放射出大量光子；大量光子；（一）流注理论（一）流注理论（b b）二次电子崩）二次电子崩n 光子使附近的气体光子使附近的气体因光电离而产生二次因光电离而产生二次电子电子n 它们崩尾局部增强它们崩尾局部增强的电场中，又形成新的电场中，又形成新的电子崩，即二次电的电子崩，即二次电子崩子崩 （2 2）流注的形成和发展）流注的形成和发展n二次电子崩中头部的电子向初始电子崩的正空间电荷区域运动，并与之汇合成为充满正负带电粒子混合通道，且通道中正负粒

4、子密度大致相等，这种等离子体流注。n流注是导电良好的等离子体，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方电场大为增加，电离过程更激烈。（3 3）间隙的击穿）间隙的击穿n流注不断向阴极方向发流注不断向阴极方向发展，流注通道不断延伸展，流注通道不断延伸n流注发展到阴极，间隙流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通被导电良好的等离子通道所贯通道所贯通间隙击穿间隙击穿n从整个间隙的放电发展从整个间隙的放电发展来看，二次电子崩是逐来看，二次电子崩是逐步由阳极向阴极扩展的步由阳极向阴极扩展的，这一个过程称为正流，这一个过程称为正流注，即从正极出发的流注，即从正极出发的流注。注。 在电离室中得到的初

5、始电子崩照片图a和图b的时间间隔为110-7秒 p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/厘米 初始电子崩转变为流注瞬间照片p273毫米汞柱E=12千伏/厘米电子崩在空气中的发展速度约为电子崩在空气中的发展速度约为1.25 107cm/s在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片正流注的发展速度约为正流注的发展速度约为1 108 2 108cm/s自持放电条件自持放电条件形成流注形成流注空间光电离维持放电（空间光电离维持放电（自持放电自持放电）如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中

6、也就是导致击穿条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。的条件。流注形成的条件：足够的空间光游离流注形成的条件：足够的空间光游离较多的初较多的初始电子崩（电子崩积累到一定的数量）始电子崩（电子崩积累到一定的数量）常数（810de（二）流注理论对高气压、长间隙（二）流注理论对高气压、长间隙（pdpd很大）放电现象的解释很大）放电现象的解释 1放电外形放电外形 具有通道形式具有通道形式 通道电荷密度很大、电导率高，故其中电场强度很小通道电荷密度很大、电导率高，故其中电场强度很小。一旦流注出现，将降低流注头部后方及其周围空间。一旦流注出现，将降低流注头部后方及其周围空间的电场，加强流注

7、前方的电场，这一作用伴随着其前的电场，加强流注前方的电场，这一作用伴随着其前方的发展而更为增强。因而在电子崩转化成流注后，方的发展而更为增强。因而在电子崩转化成流注后，当某个流注由于偶然原因发展更快时，就将抑制其他当某个流注由于偶然原因发展更快时，就将抑制其他流注的形成和发展，这个作用随着流注向前推进将越流注的形成和发展，这个作用随着流注向前推进将越来越强，开始时流注很短，可能有三个，随后减为两来越强，开始时流注很短，可能有三个，随后减为两个，最后只剩下一个流注贯通整个间隙。个，最后只剩下一个流注贯通整个间隙。树枝状放电与放电发展的抑制树枝状放电与放电发展的抑制2放电时间放电时间 二次电子崩由

8、光电离形成，光子的运动速度比电子快得多，二次电子崩又是在加强了的电场中，所以流注发展速度极快放电时间特别短3阴极材料的影响阴极材料的影响 维持放电依靠空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，与材料无关u 在Pd值较小时，起始电子不可能在穿越极间距离后完成足够多的碰撞电离次数，因而难以聚积到足够的电子数，这样就不可能出现流注，放电的自持只能依靠阴极上的过程。1.3 1.3 不均匀电场中气体的击穿不均匀电场中气体的击穿1 击穿电压击穿电压2 电晕起始电压电晕起始电压3 放电不稳定区放电不稳定区d2D，电场还比较均匀，其放电特性与均，电场还比较均匀，其放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，立即导匀

9、电场相似，一旦出现自持放电，立即导致整个气隙击穿放电达到自持时，这时和致整个气隙击穿放电达到自持时，这时和均匀电场中情况类似均匀电场中情况类似 1.3.1 稍不均匀场和极不均匀场的放电特点稍不均匀场和极不均匀场的放电特点ud4D，电场分布极不均，电场分布极不均匀，电压达到一定临界匀，电压达到一定临界值时，曲率半径小的电值时，曲率半径小的电极附近的强电场区域首极附近的强电场区域首先放电，出现碰撞电离先放电，出现碰撞电离和电子崩，甚至产生流和电子崩，甚至产生流注。注。u 靠近两个球极的表面出靠近两个球极的表面出现蓝紫色晕光，并发出现蓝紫色晕光，并发出“咝咝咝咝”声声电晕放电晕放电。电。u外加电压进

10、一步增大，电极表面的电晕层扩外加电压进一步增大，电极表面的电晕层扩大，并出现刷状的细火花大，并出现刷状的细火花刷状放电刷状放电u电压继续升高，火花变长，最终导致气隙完电压继续升高，火花变长，最终导致气隙完全击穿。全击穿。ud d2 2D D44D D，属于过渡，属于过渡区域，放电过程极不区域，放电过程极不稳定，放电电压分散稳定，放电电压分散性很大。性很大。由实验可知，随着电场不均匀程度增加，放电现由实验可知，随着电场不均匀程度增加，放电现象不相同。电场越不均匀（两球隙间距离越大，象不相同。电场越不均匀（两球隙间距离越大，电场越不均匀），则击穿电压和电晕起始电压之电场越不均匀），则击穿电压和电晕

11、起始电压之间的差别也越大。间的差别也越大。21 从放电的观点来看，电场的不均从放电的观点来看，电场的不均匀程度也可以根据是否存在稳定的匀程度也可以根据是否存在稳定的电晕放电来区分：电晕放电来区分：极不均匀电场（极不均匀电场（ d d44D D ）：存在稳定的电晕放电）：存在稳定的电晕放电稍不均匀电场（稍不均匀电场（ d d2 2D D44D D ）：虽然电场不均匀，）：虽然电场不均匀，但不存在稳定的电晕放电，放电电压与电晕起始电但不存在稳定的电晕放电，放电电压与电晕起始电压重合。电晕一旦出现间隙就立即被击穿。压重合。电晕一旦出现间隙就立即被击穿。电场不均匀系数电场不均匀系数 ff4时，极不均匀

12、电场：自持放电的条件即是电晕起始条件时，极不均匀电场：自持放电的条件即是电晕起始条件，由发生电晕击穿的过程还必须提高击穿电压才能完成，由发生电晕击穿的过程还必须提高击穿电压才能完成dUEEEfavavmax23极不均匀电场中的放电具有如下特征：极不均匀电场中的放电具有如下特征：1、极不均匀电场的击穿电压比均匀电场低；、极不均匀电场的击穿电压比均匀电场低；2、极不均匀电场如果由不对称电极形成，则放、极不均匀电场如果由不对称电极形成，则放 电有明显的极性效应；电有明显的极性效应；3、极不均匀电场具有特殊的放电形式、极不均匀电场具有特殊的放电形式电晕电晕放电；放电；1.3.2 1.3.2 电晕放电现

13、象电晕放电现象n电晕放电现象电晕放电现象电极表面电离区的放电过程造电极表面电离区的放电过程造成。成。n强电场强电场电子崩电子崩复合复合光辐射光辐射电晕电晕咝咝的电晕噪声，臭氧的气味，蓝紫色的晕光，咝咝的电晕噪声，臭氧的气味，蓝紫色的晕光，回路电流明显增加回路电流明显增加(绝对值仍很小绝对值仍很小)，电晕电极周，电晕电极周围的电离区称为电晕层，电晕层以外的电场很弱围的电离区称为电晕层，电晕层以外的电场很弱，不发生强烈的电离。，不发生强烈的电离。u电晕的起始阶段一系列短促的陡脉冲组成。这与电离的间歇性有关。电晕层中的碰撞电离过程不断产生正、负带电粒子。其中与电极同极性的粒子在电场作用下离开电晕层，

14、逐步走向对面电极，而异号电荷则迅速进入电极。因为电极附近存在较多与电极同极性的带电粒子，导致电极表面场强减小，导致电离停止，等到这些电荷逐渐向外移动及扩散，电场得以重新增强后，电离才再次爆发u电晕放电的电流强度外施电压、电极形状、极间距离、气体性质和密度等因素。电晕电流与能量电晕电流与能量(a) 时间刻度T=125s(b) 0.7A电晕电流平均值(c) 2A电晕电流平均值电晕放电产生的空间电荷的运动电晕放电产生的空间电荷的运动电晕电流。电晕电流。电晕电流比较小的，但比泄漏电流要大得多。空电晕电流比较小的，但比泄漏电流要大得多。空间电荷的运动需要电源供给能量间电荷的运动需要电源供给能量输电线路电

15、输电线路电晕损耗的主要部分，而使空气电离所消耗的能量晕损耗的主要部分，而使空气电离所消耗的能量则比较小。则比较小。 输电线路的电晕放电输电线路的电晕放电n导线表面的场强为导线表面的场强为n电晕起始场强电晕起始场强 E0的经验公式kV/cm )3 . 01 (300rmEm导线表面的粗糙系数。光滑导线导线表面的粗糙系数。光滑导线m=1, 一般一般导线导线m=0.820.9,对绞线局部电晕对绞线局部电晕 m=0.72 rdrUEln2u输电线路的电晕不仅与导线的表面状况有关，还与天气状况有关，即导线表面曲率大小、粗糙不平或污秽都会使电晕损耗增加。u雨、雪、霜等坏天气时，电晕损耗急剧增加。水滴电场作

16、用表面张力变成锥形u对于500750kV的超高压输电线路，在天气好时电晕损耗一般不超过几个W/km，而在坏天气时，可以达到100 W/km以上。u因此在设计超高压线路时，需要根据不同天气条件下电晕损耗的实测数据和线路参数，以及沿线路各种气象条件的出现概率等对线路的电晕损耗进行估算。 2UP UUPI/US Ur UE 随着输电电压的提高，电晕问题也越来越突出。在保持同样电流密度的条件下，导线截面积rdrUEln2导体表面电场导体表面电场减小电晕的方法减小电晕的方法u降低导线表面场强的方法：增大线间距离d或增大导线半径r。u一般采取适当增大导线直径的办法u为节省导线材料，通常采用分裂导线的解决办

17、法，即每相导线由2根或2根以上的导线组成。使得导线表面场强得以降低。rdrUEln2电晕影响的两面性电晕影响的两面性n不利影响不利影响 ：能量损失；放电脉冲引起的高频电：能量损失；放电脉冲引起的高频电磁波干扰；化学反应引起的腐蚀作用等磁波干扰；化学反应引起的腐蚀作用等 n有利方面有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度；利用电晕放电改善电场分布波的幅值及陡度；利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电压，提高击穿电压 ；利用电晕放电除尘与臭氧发；利用电晕放电除尘与臭氧发生器等生器等 1.3.3 1.3.3 极不均匀场中的放电过程极不均匀场中的放电过程一、

18、非自持放电阶段一、非自持放电阶段高场强高场强电离电离电子崩电子崩阳极积聚正电荷，减小了阳极积聚正电荷，减小了棒极表面附近的电场，略棒极表面附近的电场，略微加强了外部空间的电场微加强了外部空间的电场棒极表面附近电场被削弱，难以造成流注，电晕棒极表面附近电场被削弱，难以造成流注，电晕放电难以形成，放电难以自持放电难以形成，放电难以自持二、流注发展阶段二、流注发展阶段随着电压升高，随着电压升高，头部电场增强头部电场增强新电子崩新电子崩流注及其头流注及其头部的正电荷向前部的正电荷向前移动，好像把棒移动，好像把棒极向前延伸，促极向前延伸，促进流注发展进流注发展三、先导放电阶段三、先导放电阶段条件：间隙距离较长（如大于条件：间隙距离较长（如大于1m），在流注通道还不足），在流注通道还不足以贯通整个间隙的电压作用下，仍可能发生击穿。当以贯通整个间隙的电压作用下，仍可能发生击穿。当外施电压一定时，高电压使棒极附近电场很高，在棒外施电压一定时，高电压使棒极附近电场很高，在棒极前方较大范围内都可能产生强烈电离，形成电子崩极前方较大