气体放电的基本物理过程(二)

1、Company Logo 福州大学电力系福州大学电力系 134005587451.5 1.5 气体放电的流注理论气体放电的流注理论2流注气体放电理论流注气体放电理论n说明工程上感兴趣的压力较高和气隙间距较长说明工程上感兴趣的压力较高和气隙间距较长气体的击穿，如大气压力下空气的击穿气体的击穿，如大气压力下空气的击穿n特点：认为电子碰控电离及空间光电离是维持特点：认为电子碰控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流注理论的放电原理流注理论的放电原理 3流注理论的发展阶段流注理论的发展阶段n电子崩阶段电子崩阶段

2、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 41. 1. 电子崩阶段电子崩阶段n电子崩外形：电子崩外形：好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀 例如，正常大气条件下，若例如，正常大气条件下，若E30kVcm，则，则 11cm-1，计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数5n空间电荷畸变外电场空间电荷畸变外电场 大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内正、负大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场电荷区域之间的电场 电子

3、崩头部：电子崩头部：电场明显增强电场明显增强，有利于发生分子和离，有利于发生分子和离子的激励现象，当它们子的激励现象，当它们回复到正常状态时，放回复到正常状态时，放射出光子射出光子崩头内部正、负电荷区域：崩头内部正、负电荷区域：电场大大削弱，有助于电场大大削弱，有助于发生复合过程，发射出发生复合过程，发射出光子光子62. 2. 流注阶段流注阶段n当电子崩走完整个间隙当电子崩走完整个间隙后，大密度的头部空间后，大密度的头部空间电荷大大加强了后部的电荷大大加强了后部的电场，并向周围放射出电场，并向周围放射出大量光子大量光子n光子引起空间光电离，光子引起空间光电离，在受到畸变而加强了的在受到畸变而加

4、强了的电场中，造成了新的电电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩子崩，称为二次电子崩 光电离、二次电子崩光电离、二次电子崩1主电子崩 2二次电子崩3流注7正流注的形成正流注的形成n二次电子崩中的电子进二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较间电荷区（电场强度较小），大多形成负离子。小），大多形成负离子。大量的正、负带电质点大量的正、负带电质点构成了构成了等离子体等离子体，这就，这就是是正流注正流注 n流注通道导电性良好，流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强注头部前方出现

5、了很强的电场的电场1主电子崩2二次电子崩3流注8正流注向阴极推进正流注向阴极推进n流注头部的电离放射出大流注头部的电离放射出大量光子，继续引起空间光量光子，继续引起空间光电离。流注前方出现新的电离。流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引二次电子崩，它们被吸引向流注头部，延长了流注向流注头部，延长了流注通道通道n流注不断向阴极报进，且流注不断向阴极报进，且随着流注接近阴极，其头随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其部电场越来越强，因而其发展也越来越快发展也越来越快n流注发展到阴极，间隙被流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成，贯通，间隙的击穿

6、完成，这个电压就是击穿电压这个电压就是击穿电压 9自持放电条件自持放电条件一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电了。如果电场均匀，间隙就将即转入自持放电了。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，在均匀电场中也就是导致击穿的条件件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件自持放电的条件：自持放电的条件：810ade10流注理论对流注理论对pdpd很大时放电现象的解释很大时放电现象的解释 1放电外形放电外形

7、Pd很大时，放电具有通道形式很大时，放电具有通道形式 当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越流注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈强烈 二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝火花通道常是曲折的，并带有分枝2放电时间放电时间 光子以光速传播，所以流注发展速度极光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明快，这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象很大时放电时间特别短的现象3阴极材料的影响阴极材料的影响

8、根据流注理论，维持放电自持的根据流注理论，维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说明为何很大明为何很大Pd下击穿电压和阴极材料基本无关了下击穿电压和阴极材料基本无关了11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复习复习l巴申定律巴申定律气压和温度对于起始电压的影响气压和温度对于起始电压的影响l流注理论流注理论间距较大间距较大电子崩过程中产生的带电粒子电子崩过程中产生的带电粒子畸变外电场畸变外电场电子崩头尾场强增大，内部减弱电

9、子崩头尾场强增大，内部减弱头部附近发生头部附近发生激励激励，内部发生，内部发生复合复合向外界发出向外界发出光子光子发生发生空间光电离空间光电离)(dTpfUCompany Logo 福州大学电力系福州大学电力系 134005587451.6 1.6 不均匀电场中的放电过程不均匀电场中的放电过程14电场不均匀系数电场不均匀系数引入电场不均匀系数引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度表示各种结构的电场的均匀程度 f4后，极不均匀电场后，极不均匀电场dUEEEfavavmax15不同电场均匀程度下的气体击穿特点不同电场均匀程度下的气体击穿特点n电场比较均匀的情况电场比较均匀的情况 放电

10、达到自持时，放电达到自持时， 在整个间隙中部巳达到相当数值。在整个间隙中部巳达到相当数值。这时和均匀电场中情况类似这时和均匀电场中情况类似 n电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况 当大曲率电极附近当大曲率电极附近 达到足够数值时，间隙中很大一达到足够数值时，间隙中很大一部分区域部分区域 也都已达相当数值，流注一经产生，随即发也都已达相当数值，流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿 n电场极不均匀的情况电场极不均匀的情况 当曲率半径较小电极附近当曲率半径较小电极附近 已达相当数值时，间隙中已达相当数值时，间隙中

11、大部分区域值大部分区域值 都仍然很小，放电达到自持放电后，间都仍然很小，放电达到自持放电后，间隙没有击穿。电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电隙没有击穿。电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大压间的差别也越大 16n电晕起始电压和电晕起始场强电晕起始电压和电晕起始场强 是一种自持放电形式，起始电压在原理上可是一种自持放电形式，起始电压在原理上可由自持放电条件求得由自持放电条件求得 )3 . 01 (30rmEc皮克公式：皮克公式：m导线表面粗糙系数导线表面粗糙系数 空气相对密度空气相对密度r导线半径导线半径n对工程实践有重要意义对工程实践有重要意义 不利影响：能量损失；放电脉冲引起的

12、高频电不利影响：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 有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压有利方面：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；利用电晕放电除尘等提高击穿电压；利用电晕放电除尘等18极不均匀电场中的放电过程极不均匀电场中的放电过程1. 非自持放电阶段非自持放电阶段n当棒具有正极性时当棒具有正极性时在棒极附近，积聚起正空间在棒极附近，积聚起正空间电荷，减少了紧贴棒极电荷，减少了紧贴棒极附近的电场，而略微加附近的电场，而略微加强了外

13、部空间的电场，强了外部空间的电场，棒极附近难以造成流注，棒极附近难以造成流注，使得自持放电、即电晕使得自持放电、即电晕放电难以形成放电难以形成 Eex外电场 Esp空间电荷的电场19n当棒具有负极性时当棒具有负极性时 电子崩中电子离开强电场区电子崩中电子离开强电场区后，不再引起电离，正离后，不再引起电离，正离子逐渐向棒极运动，在棒子逐渐向棒极运动，在棒极附近出现了比较集中的极附近出现了比较集中的正空间电荷，使电场畸变正空间电荷，使电场畸变棒极附近的电场得到增强，棒极附近的电场得到增强，因而自待放电条件就易于因而自待放电条件就易于得到满足、易于转入流注得到满足、易于转入流注而形成电晕放电而形成电

14、晕放电 Eex外电场 Esp空间电荷的电场20极性效应极性效应 结论结论: 棒为正极性时电晕起始电压比负极性时高棒为正极性时电晕起始电压比负极性时高21n当棒具有正极性时当棒具有正极性时流注等离子体头部的正电荷减流注等离子体头部的正电荷减少等离子体中的电场，而加少等离子体中的电场，而加强其头部电场强其头部电场电场加强的流注头部前方产生电场加强的流注头部前方产生新电子崩，其电子吸引入流新电子崩，其电子吸引入流注头部正电荷区内，加强并注头部正电荷区内，加强并延长流注通道，其尾部的正延长流注通道，其尾部的正离子构成流注头部的正电荷离子构成流注头部的正电荷 流注及其头部的正电荷使强电流注及其头部的正电

15、荷使强电场区更向前移，促进流注通场区更向前移，促进流注通道进一步发展，逐渐向阴极道进一步发展，逐渐向阴极推进推进22n当棒具有负极性时当棒具有负极性时棒极的强电场区产生大量的电棒极的强电场区产生大量的电子崩，汇入围绕棒极的正空子崩，汇入围绕棒极的正空间电荷，等离子体层呈扩散间电荷，等离子体层呈扩散状分布，削弱前方电场状分布，削弱前方电场在相当一段电压升高的范围内，在相当一段电压升高的范围内，电离只在棒极和等离子体层电离只在棒极和等离子体层外沿之间的空间内发展外沿之间的空间内发展等离子体层前方电场足够强后，等离子体层前方电场足够强后，发展新电子崩，其正电荷加发展新电子崩，其正电荷加强等离子体层前

16、沿的电场，强等离子体层前沿的电场，形成形成了大量二次电子崩，汇二次电子崩，汇集起来后使得等离子体层向集起来后使得等离子体层向阳极推进阳极推进23极性效应极性效应 结论：结论： 棒为负极性时击穿电压比正极性时高棒为负极性时击穿电压比正极性时高24n外电压较低时，流注通道深入间隙一段距外电压较低时，流注通道深入间隙一段距离后，就停止不前了，形成电晕放电或刷离后，就停止不前了，形成电晕放电或刷状放电状放电n外电压足够高时，流注通道将一直达到另外电压足够高时，流注通道将一直达到另一电极，从而导致间隙完全击穿一电极，从而导致间隙完全击穿 Company Logo 福州大学电力系福州大学电力系 13400

17、5587451.7 1.7 放电时间和冲击电压下的击穿放电时间和冲击电压下的击穿26影响空气间隙放电电压的因素主要：影响空气间隙放电电压的因素主要：电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀电压形式：直流电压、交流电压、雷电冲击电压、电压形式：直流电压、交流电压、雷电冲击电压、 操作冲击电压操作冲击电压大气条件：气压、温度、湿度大气条件：气压、温度、湿度电压形式对空气间隙放电电压的影响电压形式对空气间隙放电电压的影响 27气隙的击穿时间气隙的击穿时间 n最低静态击穿电压最低静态击穿电压U0 n击穿时间击穿时间tb 升压时间升压时间t1 、统计时延、统计时延ts 、放电

18、发展时间放电发展时间tf 、放电时延放电时延 tl n短间隙短间隙(1厘米以下厘米以下) tfts ，平均统计时延平均统计时延 n较长的间隙中较长的间隙中 tlog主要决定于主要决定于tfn间隙上外施电压增加，放电间隙上外施电压增加，放电发展时间也会减小发展时间也会减小 fsbtttt1fstttlog冲击电压波性的标准化冲击电压波性的标准化l标准雷电冲击电压波l标准雷电截波标准雷电截波31n持续作用电压持续作用电压 直流电压、工频电压直流电压、工频电压 与电压的变化速度相比，放电发展所需时间可以忽与电压的变化速度相比，放电发展所需时间可以忽略不计略不计 。当气体状态不变时，一定距离的间隙的击

19、穿。当气体状态不变时，一定距离的间隙的击穿电压具有确定的数值，当间隙上的电压升高达到击穿电压具有确定的数值，当间隙上的电压升高达到击穿电压时，间隙击穿电压时，间隙击穿n非持续作用电压非持续作用电压 操作过电压、雷电过电压操作过电压、雷电过电压 持续时间极短（以微秒计），放电发展速度不能忽持续时间极短（以微秒计），放电发展速度不能忽略不计，间隙的击穿特性具有新的特点略不计，间隙的击穿特性具有新的特点 322. 操作冲击操作冲击50击穿电压击穿电压 n均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压 气体间隙的操作冲击气体间隙的操作冲击50击穿电压和雷电冲击击穿电压和雷电冲击50击穿电压以及工频击穿电压（幅值）相同击穿电压以及工频击穿电压（幅值）相同 击穿电压的分散性也较小，击穿同样发生在幅值击穿电压的分散性也较小，击穿同样发生在幅值 33n伏秒特性的制订方法伏秒特性的制订方法 工程上用间隙上出现工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性电压下的击穿特性伏秒特性用实验方法求取伏