气体放电基本物理过程课件

1、思考下述问题：思考下述问题：电荷的定向迁移和泄漏电荷的定向迁移和泄漏质点的平均自由行程质点的平均自由行程 ：一个带电质点在向前行进：一个带电质点在向前行进1 1cm距离内，发生碰撞距离内，发生碰撞次数的倒数次数的倒数 。质点的平均自由行程质点的平均自由行程PT电子的电子的 要比分子和离子的大得多要比分子和离子的大得多 的性质的性质带电质点的迁移率带电质点的迁移率EV =迁移率激励、电离和复合激励、电离和复合激励、电离和复合激励、电离和复合气体气体电离能电离能N215.5O212.5CO213.7SF615.6H215.4H2O12.7碰撞电离碰撞电离中性原子中性原子电子电子电子动能电子动能22

2、1eevm电离能电离能iW热电离热电离中性原子中性原子电子电子电子动能电子动能kT23电离能电离能iW在大电弧的情况下发生光电离光电离中性原子中性原子光子能量光子能量hW =电离能电离能iWX X射线、射线、线线正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极h电子电子正离子的能量与金属电极的逸出功的关系正离子的能量与金属电极的逸出功的关系一些金属的逸出功一些金属的逸出功金属金属逸出功（逸出功（eV)铝铝4.08银银4.73铜铜4.7铁铁4.48氧化铜氧化铜5.34光电子发射光电子发射光电效应光电效应tWh 热电子发射热电子发射tWmv 212强场发射强场发射真空中、高压气体中、液体中、固体中真空中、高压气体中、

3、液体中、固体中mV /108电场阈值电场阈值气体分子要有很高的电负性气体分子要有很高的电负性 tWmv 212电子亲和能电子亲和能 元素元素电子亲合能（电子亲合能（eV）电负性值电负性值F4.034.0Cl3.743.0Br3.652.8I3.302.5h复合复合中和中和扩散扩散1.2.11.2.1、电子崩、电子崩1.2.21.2.2、自持放电、自持放电1.2.31.2.3、巴申定律、巴申定律1.2.41.2.4、汤逊理论、汤逊理论1.2.1.1.2.1.电子崩电子崩初始电子初始电子碰撞电离碰撞电离电子倍增电子倍增碰撞电离碰撞电离电子崩电子崩 崩头崩头崩尾崩尾1.2.1.1.2.1.电子崩电子

4、崩讨论讨论与电场及气压的关系与电场及气压的关系N1=exp()ixPl=-EUxii=1exp()iUEall=-exp()BpApEa=-电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数1 cm1 cm， 碰撞电离平均次数碰撞电离平均次数1.2.1.1.2.1.电子崩电子崩xn0ndxdnd00expxxnndxa轾=犏臌1.2.2.1.2.2.自持放电自持放电电荷泄漏完电荷泄漏完毕，放电过毕，放电过程完成程完成电子崩电子崩放电形成放电形成电子倍增电子倍增1.2.2.1.2.2.自持放电自持放电0expddndxa轾犏=犏臌1pdnn=-apnng=1an 0(exp1)1ddxga轾犏-犏臌1.2.2.1

5、.2.2.自持放电自持放电(exp() 1)1adg-=均匀电场自持放电条件：均匀电场自持放电条件：非自持非自持自持对应的电压自持对应的电压1.2.2.1.2.2.自持放电自持放电电流随外施电压的提电流随外施电压的提高而增大，因为带电高而增大，因为带电质点向电极运动的速质点向电极运动的速度加快复合率减小度加快复合率减小 电流饱和，带电质电流饱和，带电质点全部进入电极，点全部进入电极，电流仅取决于外电电流仅取决于外电离因素的强弱（良离因素的强弱（良好的绝缘状态）好的绝缘状态） 电流开始增电流开始增大，由于电大，由于电子碰撞电离子碰撞电离引起的引起的 电流急剧上升电流急剧上升放电过程进入放电过程进

6、入了一个新的阶了一个新的阶段（击穿）段（击穿） 外施电压小于外施电压小于U U0 0时的放电是非自持放电。电压到达时的放电是非自持放电。电压到达U U0 0后，后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。要外电离因素。 自持放电自持放电起始电压起始电压1.2.3.1.2.3.巴申定律巴申定律18891889年，巴年，巴申完成了他申完成了他的著名实验的著名实验。1.2.3.1.2.3.巴申定律巴申定律气压下降气压下降分子间距增大分子间距增大电子累积能量大电子累积能量大电子崩电子崩+ +击穿击穿间距过大间距过大难以碰撞电

7、离难以碰撞电离1.2.4.1.2.4.汤逊理论汤逊理论考虑考虑过程：过程：考虑自持放电临界条件：考虑自持放电临界条件：考虑平均自由程与气压的关系：考虑平均自由程与气压的关系：)exp(1=EUi1=) 1)(exp(adAp=11.2.4.1.2.4.汤逊理论汤逊理论 击穿电压击穿电压U表示为：表示为：()ln1ln(1)BpdUf pdApdg=轾犏犏犏犏+犏臌26.66pdkPa cm均匀电场均匀电场放电时间较长放电时间较长放电特征呈丝状放电特征呈丝状阴极的作用阴极的作用什么样的电场是不均匀电场？什么样的电场是不均匀电场？均匀电场：削弱了边缘效应的平行板电极。均匀电场：削弱了边缘效应的平行

8、板电极。稍不均匀电场：球隙、同轴圆筒状电极。稍不均匀电场：球隙、同轴圆筒状电极。极不均匀电场：棒极不均匀电场：棒- -板电极，棒板电极，棒- -棒电极棒电极电场不均匀系数电场不均匀系数f favEEfmax=141E2E3EE初始电子崩初始电子崩空间电荷空间电荷光电离光电离二次电子崩二次电子崩注入初崩注入初崩20d空间电荷作用？空间电荷作用？流注流注自持自持汤逊理论的问题汤逊理论的问题（长间隙气隙）（长间隙气隙）阴极作用放电时间流注过程放电通道空间电荷+光电离正流注：由正极向负极发展的流注放电过程。正流注：由正极向负极发展的流注放电过程。发展速度：发展速度：3-410e6 m/s负流注：由负极

9、向正极发展的流注放电过程负流注：由负极向正极发展的流注放电过程发展速度：发展速度： 7-810e5 m/s正棒负板放电过程E电场加强电场加强，有利正，有利正流注发展流注发展电子崩电子崩流注流注场强增大场强增大流注加强流注加强放电放电正棒负板电场分布负棒正板放电过程E E电子崩电子崩流注流注场强不足场强不足流注熄灭流注熄灭棒极前流棒极前流注加强注加强混合质通道混合质通道场强增大场强增大流注开始流注开始放电负棒正板电场分布极性效应不均匀电场气隙中，正极性放电较不均匀电场气隙中，正极性放电较负极性放电更容易发生。负极性放电更容易发生。间隙过长（间隙过长（），流注不足以贯通时，击穿如），流注不足以贯通

10、时，击穿如何发生？何发生？炽热的等离子体通道炽热的等离子体通道棒极附近热电离的作用棒极附近热电离的作用引发放电的条件：a.强电场 b.种子电子 c放电时间：nss数量级外施电压为直流、交流的放电时间。若为冲击电压，情况将怎样？fSbtttt+=0st有效电子有效电子电极材料电极材料外施电压外施电压光照情况光照情况电场均匀度电场均匀度ft击穿过程击穿过程间隙长度间隙长度电场均匀度电场均匀度外施电压外施电压1 1、标准雷电冲击电压波、标准雷电冲击电压波OCOC为视在波前为视在波前OFOF为视在波前时间为视在波前时间OGOG为视在半峰值时间为视在半峰值时间国标规定：国标规定：%2050=sTt%30

11、2 . 1=sTf2 2、标准雷电冲击截波电压波、标准雷电冲击截波电压波sTsTc52=%302 . 1=1波前时间波前时间/ /截断时间截断时间3 3、标准操作冲击电压波、标准操作冲击电压波%602500=%20250=sTsTtf 持续电压作用下，气隙的击穿特性为一持续电压作用下，气隙的击穿特性为一。 通常用通常用或或来表征。来表征。冲击电压作用下，气隙的击穿特性如何表征？冲击电压作用下，气隙的击穿特性如何表征？ 1. 50% 1. 50%冲击击穿电压冲击击穿电压时的电压，称为。工程上采用该值表征气隙的冲击击穿特性，一般认为外施10次冲击电压，发生的电压就是该值。：U50%与Us之比。均匀

12、或稍不均匀电场： =1；极不均匀电场： 1%50U 2. 2. 伏秒特性（曲线）伏秒特性（曲线）工程上用间隙上出现的和的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性，称为。保持波形不变保持波形不变仅改变幅值仅改变幅值 2. 2. 伏秒特性（带）伏秒特性（带）伏秒特性是一个有。工程上通常或表示气隙的击穿特性。 2. 2. 伏秒特性伏秒特性1 1）极不均匀电场（大间隙）极不均匀电场（大间隙） 平均击穿场强较低，放平均击穿场强较低，放电时延较长，只有大大提高电时延较长，只有大大提高电压，才能缩短放电时延。电压，才能缩短放电时延。 S S向左上角上翘向左上角上翘2 2）较均匀电场（小间隙）较均匀电场（小间隙）

13、 间隙各处场强相差不大，间隙各处场强相差不大，一但出现电离，很快贯穿整一但出现电离，很快贯穿整个间隙，放电时延短。个间隙，放电时延短。 S S只能在很小的时间内只能在很小的时间内向上翘向上翘 2. 2. 伏秒特性伏秒特性50%50%冲击击穿电压与伏秒特性曲线比较冲击击穿电压与伏秒特性曲线比较U50%直观简单，但粗略伏秒特性曲线精确明晰，但繁琐 1.5.1 1.5.1 电晕放电电晕放电 1.1.概念概念 2.2.物理过程和效应物理过程和效应 3.3.直流输电线上的电晕直流输电线上的电晕 4.4.交流输电线上的电晕交流输电线上的电晕 5.5.输电线路电晕的抑制方法输电线路电晕的抑制方法 6.6.电

14、晕的应用电晕的应用 1.5.2 1.5.2 沿面放电沿面放电 1.1.概念概念 2.2.类型及特点类型及特点 3.3.放电电压提高方法放电电压提高方法 4.4.湿闪现象湿闪现象 5.5.污闪放电污闪放电1 1、电晕放电的概念、电晕放电的概念曲率半径小的曲率半径小的发生的发生的放电。放电。极不均匀场的一种极不均匀场的一种特有的自持放电形特有的自持放电形式。式。1 1、电晕放电的概念、电晕放电的概念2 2、电晕放电的物理过程和效应、电晕放电的物理过程和效应负极负极正极正极电离电离正空间电荷作用正空间电荷作用电离加强电离加强正电荷正电荷电子电子2 2、电晕放电的物理过程和效应、电晕放电的物理过程和效

15、应正极正极负极负极电离电离正空间电荷作用正空间电荷作用电离减弱电离减弱正电荷正电荷电子电子2 2、电晕放电的物理过程和效应、电晕放电的物理过程和效应极性效应：负电晕较正电晕容易发生极性效应：负电晕较正电晕容易发生电晕电流的数量级：一般为微安级电晕电流的数量级：一般为微安级2 2、电晕放电的物理过程和效应、电晕放电的物理过程和效应1)、 吱吱的响声 蓝紫色的晕光 周围气体温度升高2 2、电晕放电的物理过程和效应、电晕放电的物理过程和效应2)、 电子和离子高速运动与气体交换能量形成电风空气对电风的反作用使电晕电极舞动2 2、电晕放电的物理过程和效应、电晕放电的物理过程和效应3)、 电晕引发的高频脉

16、冲是造成无线电干扰的原因之一。2 2、电晕放电的物理过程和效应、电晕放电的物理过程和效应4)、 形成臭氧、一氧化氮、二氧化氮和氨气等。 产物会腐蚀金具、有机绝缘材料，使其老化，使用寿命减少。2 2、电晕放电的物理过程和效应、电晕放电的物理过程和效应5)、能量损耗 电晕损耗是电力管理部门最重视的现象之一。在有些场合，电晕损耗的程度非常可观。2 2、电晕放电的物理过程和效应、电晕放电的物理过程和效应6)、环境效应 电晕噪声影响人类的正常工作。3 3、直流输电线上的电晕、直流输电线上的电晕)305. 0+1 (5 .31=021rmmEcor)298. 0+1 (3 .30=021rmmEcor4

17、4、交流输电线上的电晕、交流输电线上的电晕)298. 0+1 (4 .21=021rmmEcor5 5、输电线路电晕的抑制方法、输电线路电晕的抑制方法对策对策：（限制导线的表面场强：（限制导线的表面场强 ） 采用分裂导线。采用分裂导线。 对对330kV及以上的线路应采用分裂导线，例如及以上的线路应采用分裂导线，例如330，500和和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。 rhrUE2ln=6 6、电晕的应用、电晕的应用n 过电压波过电压波在传输线上行进时，电晕可削弱其幅值及陡度；n 电晕在静电除尘静电除尘、臭氧发生器臭氧发生器的应用。

18、n 电晕在上的应用。1 1、沿面放电的一般概念、沿面放电的一般概念为什么要讨论沿面放电？为什么要讨论沿面放电？复合绝缘子上的爬电现象；复合绝缘子上的爬电现象；GISGIS支撑绝缘子上的放电；支撑绝缘子上的放电；开关柜中的爬电；开关柜中的爬电；1 1、沿面放电的一般概念、沿面放电的一般概念n 沿固体-气体发生的放电现象。的沿面放电称为。1 1、沿面放电的一般概念、沿面放电的一般概念 沿面闪络的基本特性： 无机介质（陶瓷、玻璃）：闪络后电气强度可恢复。有机介质：电痕破坏。1 1、沿面放电的一般概念、沿面放电的一般概念 沿面闪络的基本特性：沿面沿面要比等间隙下的击穿电压低，因此，设备绝缘的性能通常由

19、沿面闪络电压决定。沿面闪络受绝缘的影响很大，下，闪络过程的差别很大。因此有和之分。沿面放电的过程受影响较大。2 2、沿面放电的类型和特点、沿面放电的类型和特点a. 固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行。2 2、沿面放电的类型和特点、沿面放电的类型和特点b. 固体介质处于极不均匀电场中，界面的法向分量远大于切向分量。2 2、沿面放电的类型和特点、沿面放电的类型和特点c. 固体介质处于极不均匀电场中，且界面处的切向电场远大于法向电场。2 2、沿面放电的类型和特点、沿面放电的类型和特点沿面放电：沿面放电：均匀电场中，固体介质的引入似乎并不影响电极间的电场分布，但放电总是发生在界面放电总是发生在

20、界面，且闪络电压比空气间隙的击穿电压要低得闪络电压比空气间隙的击穿电压要低得多多。不同介质的沿面闪络电压空气间隙石蜡瓷与电极接触不紧密的瓷 特点：特点：（1）沿面闪络电压与固体绝缘材料特性有关；（2）介质表面粗糙，也会使电场分布畸变，从而使闪络电压降低；均匀电场中的沿面放电均匀电场中的沿面放电2 2、沿面放电的类型和特点、沿面放电的类型和特点均匀电场中的沿面放电均匀电场中的沿面放电（3）固体介质是否与电极紧密接触对闪络电压有影响。 充充SFSF6 6气体的同轴圆柱电极中支撑与电极气体的同轴圆柱电极中支撑与电极接触的好坏对沿面闪络电压的影响接触的好坏对沿面闪络电压的影响 纯纯SFSF6 6接触良

21、好接触良好接触不良接触不良 对于支柱绝缘子，内屏蔽电极可以提高沿面闪络电压。内屏蔽电极有一最佳深度，约10 cm左右。支柱绝缘子的内屏蔽电极深度支柱绝缘子的内屏蔽电极深度对雷电冲击闪络电压的影响对雷电冲击闪络电压的影响 正极性正极性负极性负极性2 2、沿面放电的类型和特点、沿面放电的类型和特点极不均匀电场中的沿面放电极不均匀电场中的沿面放电 表面具有强垂直电场分量表面具有强垂直电场分量沿套管表面放电的示意图沿套管表面放电的示意图（a）电晕放电）电晕放电 （b）细线状辉光放电）细线状辉光放电（c）滑闪放电）滑闪放电3 3、沿面放电电压的影响因素和提高方法、沿面放电电压的影响因素和提高方法 1).

22、 固体介质材料种类固体介质材料种类: 根据固体材料的憎水性或亲水性，选择适当的材料。 表面具有强垂直电场分量表面具有强垂直电场分量 提高套管的电晕起始电压和滑闪放电电压的方法：2. 改善电场改善电场 （1）减小比电容减小比电容，例如增大固体介质的厚度，特别是加大法兰处套管的外径；也可采用介电常数较小的介质，例如用瓷油组合绝缘代替纯瓷介质。 （2）减小绝缘表面电阻减小绝缘表面电阻，即减小介质表面电阻率。例如在套管靠近接地法兰处涂半导体釉；在电机绝缘的出槽口部分涂半导体漆等。等值电路等值电路3 3、沿面放电电压的影响因素和提高方法、沿面放电电压的影响因素和提高方法4 4、湿闪现象、湿闪现象输电线路

23、或变电站的户外绝缘子，运行条件恶劣，复杂输电线路或变电站的户外绝缘子，运行条件恶劣，复杂a. a. 。b. b. 。c. c. d. d. 4 4、湿闪现象、湿闪现象绝缘子表面的沿面闪络现象称为。：若工业水导电率很高，湿闪电压可以下降至干闪电压的40%-50%。：击穿特性以气隙为主，不会比干闪电压下降太多。：连续的水柱使得闪络电压大幅下降。n干燥干燥条件下，污染物一般不导电：n大雨滂沱时，污染物会被冲刷掉；n毛毛雨时污染物被润湿，电导率增大，泄漏电流随之增大产生最先放电局部电弧继续，使放电延续局部电弧贯穿两极形成沿面闪络。 这个电弧增大的过程，称为。5. 5. 污闪放电污闪放电积聚污秽受潮干区形成局部电弧高压接地E 等值附盐密度：绝缘子表面每平方厘米面积上沉积等值附盐密度：绝缘子表面每平方厘米面积上沉积的等效的等效NaClNaCl的质量数的质量数(mg)(mg)。 所谓等效：是在电导率上等效。所谓等效：是在电导率上等效。300 ml300 ml污秽等级污湿特征盐密(mg/cm2)线路发电厂变电所0大气清洁地区及离海岸盐场50km以上无明显污染地区0.03大气轻度污染地区