高电压技术2流注理论

1、n工程上感兴趣的是压强较高气体的击穿，工程上感兴趣的是压强较高气体的击穿，如大气压强下空气的击穿如大气压强下空气的击穿n 特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是特点：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，并强调了空间维持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荷畸变电场的作用 n通过大量的实验研究（主要在电离室中进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行的）说明放电发展的机理 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 n电子崩外形电子崩外形： 电

2、子崩中的电子数： nex例如，正常大气条件下，若E30kVcm，则 11cm-1，计算得到随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数目 崩的头部集中了大量的电子，崩尾则是正离子。崩的头部集中了大量的电子，崩尾则是正离子。 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 电子崩头部：电子崩头部：电场明显增强，有利于发生激励或电离激励或电离现象，当它们回复到正常状态时，放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，有助于发生复合过程，发射出光子n当电子崩走完整个间隙后，大密度的头部空间电荷大大加强了外部的电场，并向周围放射出大量光子n光子引起空间光电离，其中的

3、光电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在受到畸变而加强了的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩 光电离、二次崩光电离、二次崩1主电子崩 2二次电子崩3流注n二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体等离子体，这就是正流注正流注 n流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场 1主电子崩2二次电子崩3流注n流注不断向阴极推进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快n流注头部的电离放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向

4、流注头部，延长了流注通道n流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压 在电离室中得到的初始电子崩照片图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 当间隙上所加电压较高，间隙中电场很强时，电子崩在离开阴极不远就已经发展到畸变电场的程度

5、了。这种情况下流注将在阴极附近形成并向阳极推进，最后击穿间隙。我们称之为阴极流注或负流注。一旦形成流注，放电就进入了新的阶一旦形成流注，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段，放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。如果电场自行维持，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，在均匀电场中也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就是导致击穿的条件20经研究认为常数值约为常数常数ded1放电外形放电外形 Pd很大时，放电具有通道很大时，放电具有通道形式形式 流注出现后

6、，对周围空间内的电场有屏蔽作用流注出现后，对周围空间内的电场有屏蔽作用当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制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，并且随着流注向前其它流注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈推进而越来越强烈二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，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，并带有分枝所以火花通道常是曲折的，并带有分枝电子崩不致影响到邻近空间内的电场，不会影电子崩不致影响到邻近空间内的电场，不会影响其它电子崩的发展，因此汤逊放电呈连续响其它电子崩的发展，因此汤逊放电呈连续一片一片-辉光放电辉光放电2放电时间放

7、电时间 光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明pd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 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，这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材料基本无关了。 均匀电场是很少见的情况，工程中遇到的电场大多数是不均匀电场，特别是极不均匀电场。比如，高压输电线路线间的电场或导线对地的电场。另外还存在一些稍不均与电场。 由于极不均匀电场的种类较多，我们不能一一进行讨论，只能选择典型的电场进行研究，然后将结论加以推广。 尖板电场 尖尖电场为了区分各种不同的电场，引入电场不均匀系数为了区分各种不同的电场，引入电场不均匀系

8、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dUEEEfavavmaxn电场比较均匀的情况电场比较均匀的情况 放电达到自持时，放电达到自持时， 在整个间隙中部巳达到相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当数值。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，间隙中达到足够数值时，间隙中很大一部分区域很大一部分区域 也都已达相当数值，流注一也都已达相当数值，流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙经产生，随即发展

9、至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿完全击穿 n电场极不均匀的情况电场极不均匀的情况 当大曲率电极附近很小范围内当大曲率电极附近很小范围内 已达相当数值已达相当数值时，间隙中大部分区域值时，间隙中大部分区域值 都仍然很小，放电都仍然很小，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压间的差别也越大匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大 1.存在有局部放电现象 2.放点存在明显的极性效应 极不均匀电场所特有的一种局部放电现象。它既可能是一种长期存在的局部放电，也可能是间隙击穿的第一阶段。n电晕放电现象电晕放电现象 电离区的放电过程造成

10、。咝咝的声音，臭氧电离区的放电过程造成。咝咝的声音，臭氧的气味，回路电流明显增加的气味，回路电流明显增加(绝对值仍很小绝对值仍很小)，可以测量到能量损失可以测量到能量损失n脉冲现象脉冲现象 (a) 时间刻度时间刻度T=125 s(b) 0.7 A电晕电流平均值电晕电流平均值(c) 2 A电晕电流平均值电晕电流平均值物理效应：光、声、电风、噪声物理效应：光、声、电风、噪声化学反应：产生具有强氧化性和强腐蚀性的物质化学反应：产生具有强氧化性和强腐蚀性的物质电磁脉冲：干扰无线通讯和广播电视信号电磁脉冲：干扰无线通讯和广播电视信号能量损耗：产生能量损耗，降低线路经济效益能量损耗：产生能量损耗，降低线路

11、经济效益 有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅有利方面：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，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 ；利用电晕放电除尘等；利用电晕放电除尘等 基本出发点是增加导线表面的曲率半径，提高电晕起始电压。 采用大直径导线或扩径导线 采用分裂导线 输电线路上的电晕 扩径导线 导线位于正六边形的顶点 导线间距450毫米 二分裂以棒板间隙为例以棒板间隙为例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，积聚起在棒极附近，积聚起正空间电荷，减少了正空间电荷，减少了紧贴棒极附

12、近的电场，紧贴棒极附近的电场，而略微加强了外部空而略微加强了外部空间的电场，棒极附近间的电场，棒极附近难以造成流注，使得难以造成流注，使得自持放电、即电晕放自持放电、即电晕放电难以形成电难以形成 Eex外电场 Esp空间电荷的电场n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电子崩中电子离开强电场区后，不再引起电离，场区后，不再引起电离，正离子逐渐向棒极运动，正离子逐渐向棒极运动，在棒极附近出现了比较在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，使集中的正空间电荷，使电场畸变电场畸变 棒极附近的电场得到增棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件强，因而自持放电条件就易于得到满足、易于就易于得

13、到满足、易于转入流注而形成电晕放转入流注而形成电晕放电电 Eex外电场 Esp空间电荷的电场 实验表明：实验表明： 棒棒板间隙中棒为正极性时电晕起始电压板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高比负极性时略高 U+（电晕）（电晕） U-（电晕）（电晕）2. 流注发展阶段流注发展阶段n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流注等离子体头部的正电荷减弱等离子体中的电荷减弱等离子体中的电场，而加强其头部电场场，而加强其头部电场（曲线（曲线2）电场加强的流注头部前方电场加强的流注头部前方产生新电子崩，其电子产生新电子崩，其电子吸引入流注头部正电荷吸引入流注头部正电荷区内，加强并延长

14、流注区内，加强并延长流注通道，其尾部的正离子通道，其尾部的正离子构成流注头部的正电荷构成流注头部的正电荷 流注及其头部的正电荷使流注及其头部的正电荷使强电场区更向前移（曲强电场区更向前移（曲线线3），促进流注通道进），促进流注通道进一步发展，逐渐向阴极一步发展，逐渐向阴极推进推进n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棒极的强电场区产生大量的电子崩，汇入围绕棒的电子崩，汇入围绕棒极的正空间电荷，等离极的正空间电荷，等离子体层呈扩散状分布，子体层呈扩散状分布，削弱前方电场（曲线削弱前方电场（曲线2）在相当一段电压升高的范在相当一段电压升高的范围内，电离只在棒极和围内，电离只在棒极

15、和等离子体层外沿之间的等离子体层外沿之间的空间内发展空间内发展等离子体层前方电场足够等离子体层前方电场足够强后，发展新电子崩，强后，发展新电子崩，其正电荷加强等离子体其正电荷加强等离子体层前沿的电场，形成层前沿的电场，形成了大量二次电子崩，汇集二次电子崩，汇集起来后使得等离子体层起来后使得等离子体层向阳极推进向阳极推进 实验表明：实验表明： 棒棒板间隙中棒为负极性时击穿电压比正板间隙中棒为负极性时击穿电压比正极性时高极性时高 U+（击穿）（击穿） U-（击穿）（击穿）n非自持放电阶段非自持放电阶段n流注发展阶段流注发展阶段n先导放电先导放电 热电离热电离过程过程n主放电阶段主放电阶段正棒正棒负

16、板间隙中先导通道的发展负板间隙中先导通道的发展（）先导和其头部的流注；（）流注头部电子崩的形成；（）先导和其头部的流注；（）流注头部电子崩的形成；（）由流注转变为先导和形成流注；（）流注头部电子崩的形成；（）由流注转变为先导和形成流注；（）流注头部电子崩的形成；（）沿着先导和空气间隙电场强度的分布（）沿着先导和空气间隙电场强度的分布 流注根部流注根部温度升高温度升高热电离热电离过程过程先导先导通道通道电离加强，更为明亮电离加强，更为明亮电导增大电导增大轴向场强更低轴向场强更低发展速度更快发展速度更快长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙 当先导通道头部极为接近

17、当先导通道头部极为接近板极时，间隙场强可达板极时，间隙场强可达极大数值，引起强烈的极大数值，引起强烈的电离，间隙中出现离子电离，间隙中出现离子浓度远大于先导通道的浓度远大于先导通道的等离子体等离子体 新出现的通道大致具有极新出现的通道大致具有极板的电位，在它与先导板的电位，在它与先导通道交界处保持极高的通道交界处保持极高的电场强度，继续引起强电场强度，继续引起强烈的电离烈的电离高场强区（强电离区）迅高场强区（强电离区）迅速向阳极传播，强电离速向阳极传播，强电离通道也迅速向前推进，通道也迅速向前推进，这就是主放电过程。这就是主放电过程。 主放电通道主放电通道 主放电和先导通道的交界区主放电和先导

18、通道的交界区 先导通道先导通道 主放电发展和通道中轴向电场强度分布图主放电发展和通道中轴向电场强度分布图 1.2.1 持续作用电压下的击穿什么是持续作用电压？1.均匀电场：无极性效应 击穿时间短 不同性质电压作用下击穿电压基本相同，在间隙不太长的情况下约为30 kV/cm。2.稍不均匀电场：情况类似于均匀电场。 3.极不均匀电场：与前两者有很大的不同，电场不均匀度对击穿的影响减弱，极间距离对击穿电压的影响增大。而且电场和电压的形式不同，击穿的形式也不尽相同。 除了前述的持续作用的电压外，电力系统中还会出现另外一种电压，称为冲击电压，其特点是作用时间极短，电压幅值较高。 冲击电压可分为雷电冲击电

19、压和操作冲击电压 雷电是自然界中最宏伟壮观的现象之一，也是间隙最长的空气击穿现象。为了对雷电现象进行科学研究要规定雷电冲击波的标准波形 （ 三）三） 标准雷电冲击电压波标准雷电冲击电压波 用来模拟雷电过电压波，采用非周期性双指数波。T1视在波前时间； T2视在半峰值时间 ；Um冲击电压峰值 国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为：T1=1.2s 30% ；T2=50s20% 通常写成1.2/50s。 （四）（四） 标准雷电截波标准雷电截波用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪落后出现的截尾冲击波，如图。IEC标准和我国国家标准规定为：T1=1.2s 30% ；Tc=25s 。可写成1.

20、2/ 25s .0.30.50.9100T1T2 u / Umt0.900.31 u / Um0T1Tctn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t0 、统计时延、统计时延ts 、放电发展时间、放电发展时间tf 、放放电时延电时延 tl n短间隙短间隙(1厘米以下厘米以下) tfU U （气）气） U U （沿面沿面）在表面潮湿污染的情况下，沿面闪落电压会更低。在表面潮湿污染的情况下，沿面闪落电压会更低。（1）平行：）平行： 固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，此时的沿面放电特性与均匀电场的情况有些相似。E 固体介质与气体介质交界面上的电场分布状

21、况对沿面放电特性有很大影响。界面电场分布可分为典型二种情况。 下面就三种情况分别介绍放电特性。 情况一中，虽界面与电力线平行，但沿面闪落电压仍要比空气间隙的击穿电压低很多。说明电场发生了畸变，主要原因如下： （2）强法线：）强法线：固体介质处于极不均匀电场中，且界面电场的垂直分量 En 比平行于表面的切线分量 Et 大得多。如右上图EtEnE（3）弱法线：）弱法线：固体介质处于极不均匀电场中，但大部分分界面上的电场切线分量 Et 大于垂直分量 En 。右下图。EtEnE （1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。小气隙中的电场强度很大，首先发生放电，所产生的带电粒子沿固体介质表面移动，畸变

22、了原有电场。 （2）大气的湿度影响。大气中的潮气吸附在固体介质表面形成水膜，其中的离子受电场的驱动而沿着介质表面移动，降低了闪落电压。与固体介质吸附水分的性能也有关。 （3）固体介质表面电阻的不均匀和表面的粗糙不平也会造成沿面电场畸变。 当当U升高的过程中：升高的过程中：1 法兰处电晕放电，如右法兰处电晕放电，如右 a 图图2 平行的火花细线组成的光带平行的火花细线组成的光带，如，如b 图图 3 细线突然迅速增长，转为分细线突然迅速增长，转为分叉的树枝状明亮火花通道叉的树枝状明亮火花通道（滑（滑闪放电）闪放电），如，如 c 图图4 完成表面气体的完全击穿，完成表面气体的完全击穿，称为沿面闪络或

23、简称称为沿面闪络或简称 “闪络闪络” 导杆法兰（二）极不均匀电场具有强垂直分量时的（二）极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电。沿面放电。 支柱绝缘子的两个电极之间的距离较长，其间固体介质本支柱绝缘子的两个电极之间的距离较长，其间固体介质本身不可能被击穿，只可能出现沿面闪络。身不可能被击穿，只可能出现沿面闪络。干闪络电压随极间距离的增大而提高，平均闪络场强大于前干闪络电压随极间距离的增大而提高，平均闪络场强大于前一种有滑闪放电时的情况。一种有滑闪放电时的情况。 三、沿面放电电压的影响因素和提高方法三、沿面放电电压的影响因素和提高方法 影响因素：影响因素： （一）固体介质材料主要取决于该材料的亲

24、水性或憎水性。（一）固体介质材料主要取决于该材料的亲水性或憎水性。 （二）电场形式（二）电场形式 同样的表面闪落距离下同样的表面闪落距离下均匀与稍不均匀电场闪落电压最高均匀与稍不均匀电场闪落电压最高弱垂直分量极不均匀电场则低（距离，绝缘子）弱垂直分量极不均匀电场则低（距离，绝缘子）界面电场主要为强垂直分量的极不均匀电场中，闪落电压更低界面电场主要为强垂直分量的极不均匀电场中，闪落电压更低（电场最强处厚度，套管）（电场最强处厚度，套管） 主要是增大极间距离（横向），防止或推迟滑闪放电。主要是增大极间距离（横向），防止或推迟滑闪放电。 以瓷套管为例，加大法兰处瓷套的外直径和壁厚或涂半导体漆或半导体

25、釉，防止滑闪放电过早出现。四、固体表面有水膜时的沿面放电四、固体表面有水膜时的沿面放电 此处讨论的是洁净的瓷表面被雨水淋湿时的沿面放电，相应的电压称为湿闪电压。湿闪电压。绝缘子表面有湿污层时的闪落电压称为污闪电压污闪电压，将在后面再作专门探讨。部分淋湿，绝缘子表面的水膜是不部分淋湿，绝缘子表面的水膜是不连续的（连续的（AB湿湿 BCA干）干）有水膜覆盖的表面电导大，无水膜有水膜覆盖的表面电导大，无水膜处的表面电导小处的表面电导小大多数外加电压将由干表面（图中大多数外加电压将由干表面（图中的的BCA）段来承受。）段来承受。或者空气间隙或者空气间隙BA先击穿或者干表先击穿或者干表面面BCA先闪落，

26、但结果都是形成先闪落，但结果都是形成ABA电弧放电通道电弧放电通道闪络闪络如雨量特别大时，伞间（如雨量特别大时，伞间（BB）被被雨水短接构成电弧通道雨水短接构成电弧通道闪络闪络ABCAB沿湿表面沿湿表面AB和干表面和干表面BCA发展发展沿湿表面沿湿表面AB和空气间隙和空气间隙BA发展发展沿湿表面沿湿表面AB和水流和水流BB发展发展 湿闪只有干闪电压的40%50%，还受雨水电导率的影响。 绝缘子的湿闪电压不会降低太多。 湿闪电压将降低到很低的数值。 在设计时对各级电压的绝缘子应有的伞裙数、伞在设计时对各级电压的绝缘子应有的伞裙数、伞的倾角、伞裙直径应仔细考虑、合理选择。的倾角、伞裙直径应仔细考虑

27、、合理选择。 绝缘子污染通常可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展等四个阶段。 采取措施抑制或阻止其中任何一个阶段的完成就能防止污闪事故的发生。积污：积污：气候条件：气候条件：包括雨、露、霜、雪、风等环境作用：环境作用：和工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘、鸟粪等污秽外绝缘被污染的过程一般是渐进的。染污绝缘子表面上的污层在干燥状态下一般不导电。污层湿润：污层湿润： 遇到雨、雾、露等不利天气时，污层被湿润，电导增大，在工作电压下的泄漏电流大增。干区形成：干区形成：电流所产生的焦耳热，既可能使污层电导增大，又可能使水分蒸发、污层变干而减小其电导。电场畸变：电场畸变：干区的电阻比其余湿区的电阻大的多。整个绝缘子上的电压都集中到干区上，一般干区宽度不大，所以电场强度很大。局部电弧：局部电弧：如果电场强度已足已引起表面空气的电离，开始出现电晕放电或辉光放电，由于此时泄漏电流较大，电晕或辉光放电很容易转为绝缘子局部表面的有明亮通道的电弧击穿：击穿：随着干区的扩大，电弧被拉长。在雾、露天，污层湿润度不断增大，泄漏电流也随之增大，在一定电压下能维持的局部电弧长度也不断增大。自动延伸直至贯穿两极完成沿面闪落 污闪后果严重：污闪后果严重：由于