高电压课件第1章 气体放电的基本物理过程

1、2022-5-5高电压技术第第1 1章章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程 1.1 带电粒子的产生与消失 1.2 气体放电机理 1.3 不均匀电场的放电过程 2022-5-5 气体放电的基本物理过程 高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其它复合介质。由于气体绝缘介质不存在老化的问题，在击穿后也有完全的绝缘自恢复特性，再加上其成本非常廉价，因此气体成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。 气体击穿过程的理论研究虽然还不完善，但是相对于其他几种绝缘材料来说最为完整。因此，高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。 高电压技术2022-5-5质点的平均自由行程度：1.1.1 带电质点在

2、气体中的运动带电质点在气体中的运动 自由行程长度自由行程长度 带电质点的迁移率带电质点的迁移率 扩散扩散 e21=r NrN气体分子的半径气体分子的密度e= /ku E质点的自由行程长度等于或大于某一距离 的概率为：e( )=exP xx等于或大于平均自由行程的概率为：e-1e()=e=e =36.8%eP x2022-5-5气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。 由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量的带电质点。正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体； 在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能。 高电压技术1.1.2 带电粒子的产生与消失带电粒子

3、的产生与消失2022-5-5高电压技术 气体中电子与正离子的产生气体中电子与正离子的产生 （2）光电离）光电离Wh普朗克常数6.6310-34Js ihcW条 件 ：电离电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。电离可一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式。电离的方式分：（1）碰撞电离）碰撞电离212imveExWiUxE条 件 ： （3）热电离）热电离32WkT波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度 2022-5-5高电压技术（4） 表面电离即电极表面的电子逸出表面电离即电极表面的电子逸出 一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3

4、热电子发射 强场发射正离子撞击阴极 光电子发射2022-5-5高电压技术 气体中负离子的形成气体中负离子的形成 电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。 元素电子亲合能（eV）电负性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.361.8I3.061.5 负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。 2022-5-5高电压技术 带电质点的消失带电质点的消失 （1）流入电极）流入

5、电极 带电质点受电场力的作用流入电极。 （2）带电质点的扩散）带电质点的扩散 带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。（3）带电质点的复合）带电质点的复合 带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。2022-5-5 复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是

6、产生一个中性分子；复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。高电压技术2022-5-5高电压技术1.2 气体放电机理气体放电机理 1.2.1 Townsend 1.2.1 Townsend气体放电理论气体放电理论 图1-1 汤逊实验装置原理图2022-5-5高电压技术 非自持放电和自持放电的不同特点非自持放电和自持放电的不同特点 电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小 电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态） 电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的 电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿

7、） 外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。 自持放电起始电压2022-5-5 外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。依此，电子将按照几何级数几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子电子崩崩。图1-3 电子崩的示意图 视频链接电子崩的演示高电压技术 电子崩的形成（电子崩的形成（BC段电流剧增原因）段电流剧增原因） 2022-5-5 汤逊

8、放电理论主要考虑了三种因素，引入三个系数来定量反映这三种因素的作用。 碰撞系数 ，代表一个电子走向阳极的1cm过程中，平均发生的碰撞电离次数。 系数，表示一个正离子在走向阴极的1cm过程中与气体质点相碰所产生的电子数。系数 ，表示一个正离子撞击到阴极表面时从阴极逸出的电子数。高电压工程基础 汤逊放电的理论解释汤逊放电的理论解释2022-5-5 如图1-1为平板电极气隙，板内电场均匀，设外界电离因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数为n0。 由于碰撞电离和电子崩的结果，在它们到达x处时，电子数已增加为n，这n个电子在dx的距离中又会产生dn个新电子。高电压技术 图1-1 汤逊实验装置原理图20

9、22-5-5根据碰撞电离系数 的定义，可得：分离变量并积分之，可得：xdxenn00 对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相同， 值不随x而变化，所以上式可写成：xenn0 xndnd2022-5-5抵达阳极的电子数应为：(1) 将式(1)的等号两侧乘以电子的电荷 ，即得电流关系式：eq途中新增加的电子数或正离子数应为：式(2)中，eqnI00(2)00(1)dannnn e 0dann e0dII e2022-5-5 式(2) 表明：在BC段虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子(令 )，即 变为零。00IIdeII0高电压技术2022-

10、5-5 设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于 过程，电子总数增至 个。因在对 系数进行讨论时已假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（ 1）个正离子。实验证明正离子在返回阴极途中造成撞击电离（即过程）的作用极小，可以忽略不计。由系数 的定义，此（ 1）个正离子在到达阴极表面时可撞出 个新电子，这些电子在电极空间的碰撞电离同样又能产生更多的正离子，如此循环下去。dedede高电压工程基础1）自持放电条件推导）自持放电条件推导(1)de2022-5-5自持放电条件为1) 1(de ：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数 ：电子碰撞电离系数：两极板距离

11、d 此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进入阳极后可以由 及 过程在阴极上又产生一个新的替身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。注：对于初始为 个的电子，若 个正离子撞击阴极产生的电子数小于 ，在下次返回时撞出的会更少，一直到最后一次为0，即不能自持。0n0n0(1)dne2022-5-5高电压技术影响碰撞电离的因素影响碰撞电离的因素iee1eUE1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为1/e e：电子平均自由行程碰撞引起电离的概率碰撞电离的条件i/xUEeTpBp EApe电子平均自由行程e与温度成正比，与压力成反比。每次碰撞产生的概率：iiee-ii =(/), eexUEx xUE

12、= 碰撞系数表达式：2022-5-5 所以，在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。高气压时， 很小，单位长度上的碰撞次数很多，但能引起电离的概率很小；低气压和真空时， 很大，总的碰撞次数少，所以 也比较小。ee高电压技术2022-5-5 早在汤逊理论出现之前，巴申(Paschen)就于1889年从大量的实验中总结出了击穿电压 与 的关系曲线，称为巴申定律，即bupd 1.2.2 1.2.2 巴申定律巴申定律b()Uf pd2022-5-5汤逊理论给巴申定律以理论支持汤逊理论给巴申定律以理论支持bb(1)111=1+ln 1+,1ln 1+ddBp EBpd UeedUA

13、peEdAped根据自持放电条件则，bln1ln 1+BpdUApd2022-5-5图1-4给出了空气间隙的 与 的关系曲线。从图中可见，首先， 并不仅仅由 决定，而是 的函数；其次 不是 的单调函数，而是U型曲线，有极小值。bufpdbupdbudpdbupd图1-4 均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系高电压技术2022-5-5U形曲线的解释形曲线的解释（1）先假设d保持不变，当气体压力p增大时，电子的平均自由行程短，相邻两次碰撞之间，电子积聚到足够动能的概率减小，故要求增大击穿电压。反之，当p过小时，虽然电子在碰撞前积聚到足够动能的概率增大，但气体很稀薄，碰撞的总次数减少，击穿电压

14、也需增大。在这两者之间总存在一个p对造成撞击电离最有利，此时击穿电压最小。（2）同样，假设p保持不变，d增大时，电场强度减小，欲达到击穿场强，必须提高击穿电压。d过小时,虽然场强增加，但电子在走完全程中所遇到的撞击次数已经很小，要求击穿电压增大。在这两者之间也总有一个d对撞击最有利，此时击穿电压最低。 综合（综合（1）和（）和（2），必然存在一个），必然存在一个pd的乘积，此时击穿电压最低。的乘积，此时击穿电压最低。高电压技术2022-5-51.2.3 汤逊放电理论的适用范围（1 1）放电形式。）放电形式。按汤逊理论，放电路径是分别在整个电极空间的，而实际路径是贯穿在两极间曲折的细通道，有时还

15、有明显的分支。按汤逊理论放电应是均匀连续的发展，实际情况是：火花放电、雷电放电都有间歇、分段发展的性质。 汤逊理论是在低气压、 较小的条件下在放电实验的基础上建立的。 过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了。实验表明 0.26 cm(pd200 cm mmHg)时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结果不再适用。主要有下列几点：ddd2022-5-5高电压技术（2）阴极材料。）阴极材料。按汤逊理论，阴极的材料性质在击穿过程中起着重要作用，而实验证明，在大气压力下，气隙的击穿电压与阴极材料几乎无关。（3）放电时间）放电时间 。按汤逊理论，气隙完成击穿，需要这样的循环：形成电子崩，正

16、离子到达阴极造成二次电子，这些电子重又形成更多的电子崩。由电子和正离子的迁移率可见计算出完成击穿所需的时间，而实测的时间比这小得多，在较长的间隙，两者甚至相差达几十倍。 较大时，汤逊理论不适用的原因：较大时，汤逊理论不适用的原因：d（1）汤逊理论没有考虑电离出来的空间电荷会使电场畸变，从而对放电过程产生影响。（2）汤逊理论没有考虑光子在放电过程中的作用。2022-5-5高电压技术1.2.4 流注理论（流注理论（pd 值较大的情况值较大的情况） 高气压长气隙时，实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。 在大气压下，由于空气密度大，电子崩产生后形成的空

17、间电荷不易扩散，使原电场发生畸变，崩内电场消弱，而大大加强了崩头及崩尾处的电场。电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离，形成二次崩。二次崩与初崩的汇合，组成了充满正负带电粒子的通道，此即流注。 流注的概念流注的概念2022-5-5空间电荷对电场的畸变效应空间电荷对电场的畸变效应 锥体形电子崩：电子迁移速度快，集中在崩头，正离子随后至崩尾。 电子崩中电子数随行程呈指数增长，约60%电子在最后1mm内形成。 电离集中于崩头，空间电荷分布不均，其电场使总电场严重畸变。崩头与崩尾的电场加强，电子崩内即正负电荷区域间的电场削弱。 最后的结果是：崩头崩尾电

18、场增强，崩内电场削弱。2022-5-5正流注的形成正流注的形成 (外施电压达到气隙最低击穿电压外施电压达到气隙最低击穿电压)崩头即将到达阳极时，崩头（电子多）崩尾外围局部场强增强，崩中部崩头即将到达阳极时，崩头（电子多）崩尾外围局部场强增强，崩中部电场大为减弱。崩头强烈电离伴有强烈激励和反激励，会放射出大量光电场大为减弱。崩头强烈电离伴有强烈激励和反激励，会放射出大量光子（子（b b）。）。崩中部的弱电场，会给电子附着在中性质点上形成负离子，进而为正负崩中部的弱电场，会给电子附着在中性质点上形成负离子，进而为正负离子的复合提供良好条件。强烈的复合过程也会放射出大量光子。离子的复合提供良好条件。

19、强烈的复合过程也会放射出大量光子。光子向四周发射，因崩头已接近阳极，射到崩头前方的光子直接进入阳光子向四周发射，因崩头已接近阳极，射到崩头前方的光子直接进入阳极（对放电发展不起作用），射到崩尾空间的光子，引起空间光电离，极（对放电发展不起作用），射到崩尾空间的光子，引起空间光电离，在强场区形成二次电子崩在强场区形成二次电子崩(c)(c)。2022-5-54. 4. 二次电子崩受主崩尾的正空间电荷的吸引，向主崩尾方向发展，并汇合到主崩尾二次电子崩受主崩尾的正空间电荷的吸引，向主崩尾方向发展，并汇合到主崩尾的正空间电荷中去。射到左右两侧的光子也会产生光电子，但因那里不存在局的正空间电荷中去。射到左

20、右两侧的光子也会产生光电子，但因那里不存在局部场强，不易发展成二次电子崩。部场强，不易发展成二次电子崩。5. 5. 二次电子崩头部汇合到主崩尾正空间电荷区后，使主崩本体区域成为正、负质点二次电子崩头部汇合到主崩尾正空间电荷区后，使主崩本体区域成为正、负质点的混合通道，场强较为减弱，电子大多形成负离子，出现大量正负电荷交融的的混合通道，场强较为减弱，电子大多形成负离子，出现大量正负电荷交融的等离子体，即形成正流注（等离子体，即形成正流注（d d），流注由阳极向阴极发展。），流注由阳极向阴极发展。6. 6. 流注头部聚集有大量由二次电子崩形成的正电荷，电场很强，电离愈加强烈，并流注头部聚集有大量由

21、二次电子崩形成的正电荷，电场很强，电离愈加强烈，并放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注前方不断出现二次电子崩，向阴放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注前方不断出现二次电子崩，向阴极发展极发展(e)(e)。7. 7. 流注向阴极推进，头部电场加强，发展加快，最后放电等离子体贯通整个间隙，流注向阴极推进，头部电场加强，发展加快，最后放电等离子体贯通整个间隙，完成击穿。完成击穿。2022-5-5负流注的形成负流注的形成 (外施电压比气隙最低击穿电压高很多外施电压比气隙最低击穿电压高很多) 当外施电压高于击穿电压当外施电压高于击穿电压时，电子崩电离加强，则时，电子崩电离加强，则电子崩发展无需到

22、达阳极，电子崩发展无需到达阳极，在间隙中部其头部电离在间隙中部其头部电离（引发二次电子崩）就可（引发二次电子崩）就可直接形成由阴极发展的流直接形成由阴极发展的流注。注。 发展速度：发展速度： 正流注正流注 负流注负流注电子崩。电子崩。2022-5-5均匀电场中的流注自持放电条件均匀电场中的流注自持放电条件 流注形成即转入放电自持，所以，均匀电场：流柱形成条流注形成即转入放电自持，所以，均匀电场：流柱形成条件件=自持放电条件间隙击穿条件。自持放电条件间隙击穿条件。 流注理论认为，要形成流注，崩头负电荷数必须达到一定流注理论认为，要形成流注，崩头负电荷数必须达到一定数量。即数量。即ed 某一常数，

23、也即某一常数，也即d 另一常数。另一常数。 实验研究得出：发展流注需要的实验研究得出：发展流注需要的d的最小值为的最小值为20。对应。对应ed = 常数（常数（108）或）或 d=常数（常数（20） 流注理论和汤逊理论各适用一定条件的放电过程，互相补流注理论和汤逊理论各适用一定条件的放电过程，互相补充，击穿电压皆满足巴申定律。充，击穿电压皆满足巴申定律。 0.26cm用流注理论。用流注理论。0.26cmddd2022-5-5流注理论对放电现象的解释流注理论对放电现象的解释 1.1.放电外形：流注是正负电荷密度很大的均匀等离放电外形：流注是正负电荷密度很大的均匀等离子体，其电导大，场强小并抑制周

24、围电场，但流注子体，其电导大，场强小并抑制周围电场，但流注前方电场加强（一支独秀），快速向前推进，形成前方电场加强（一支独秀），快速向前推进，形成通道式放电通道式放电。汤逊放电四处出击，呈连续一片。汤逊放电四处出击，呈连续一片。 2. 放电时间：光子以光速传播，空间光电离发展迅放电时间：光子以光速传播，空间光电离发展迅速，流注放电快于汤逊放电。速，流注放电快于汤逊放电。 3.3.阴极材料影响阴极材料影响：维持流注自持放电的空间光电离，：维持流注自持放电的空间光电离，而非阴极表面电离。大而非阴极表面电离。大pd下的放电基本与阴极材料下的放电基本与阴极材料无关。无关。 4.流注理论可较好地定性解释

25、大流注理论可较好地定性解释大pd下的气体放电现下的气体放电现象，但定量的精确计算尚显不足。各种形式的气体象，但定量的精确计算尚显不足。各种形式的气体放电理论仍是研究的热点和难点，多年来不见突破放电理论仍是研究的热点和难点，多年来不见突破进展。进展。2022-5-51.3 不均匀电场中气体的放电过程 电气设备中很少有均匀电场的情况。但对不均匀电场还要区分两种不同的情况，即稍不均匀电场和极不均匀电场。全封闭组合电器(GIS)的母线筒和高压实验室中测量电压用的球间隙是典型的稍不均匀电场；高压输电线之间的空气绝缘和实验室中高压发生器的输出端对墙的空气绝缘则属于极不均匀电场。高电压技术2022-5-5稍

26、不均匀电场示例球隙2022-5-5稍不均匀电场示例GISGIS2022-5-5稍不均匀电场和极不均匀电场划分稍不均匀电场和极不均匀电场划分 均匀电场是一种少有的特例，在实际电力设施中常见的却是不均匀电场。 为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数f，表示为：vEEfmax:最大电场强度vE:平均电场强度dUEvf4属极不均匀电场。maxE高电压技术2022-5-5半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系 高电压技术 稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同 放电具有极不均匀场间隙的特点电晕

27、起始电压明显低于击穿电压 放电过程不稳定，分散属于过渡区 2022-5-5（1）电晕放电 在极不均匀场中，当电压升高到一定程度后，在空气间隙完全击穿之前，大曲率电极(高场强电极)附近会有薄薄的发光层，这种放电现象称为电晕。 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压 ，而此时电极表面的场强称为电晕起始场强 。cUcE极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的电晕放电高电压技术2022-5-5 根据电晕层放电的特点，可分为两种形式：电子崩形式和流注形式。 当起晕电极的曲率大时，电晕层很薄，且比较均匀，放电电流比较稳定，自持放电采取汤逊放电的形式，即出现电子

28、崩式的电晕。随着电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现放电的脉冲现象，开始转入流注形式的电晕放电。高电压技术2022-5-5 若电极曲率半径加大，则电晕一开始就很强烈，一出现就形成流注的形式。电压进一步升高，个别流注快速发展，出现刷状放电，放电脉冲更强烈，最后贯通间隙，导致间隙完全击穿。冲击电压下，电压上升极快，因此电晕从一开始就具有流注的形式。爆发电晕时能听到声，看到光，嗅到臭氧味，并能测到电流。高电压技术2022-5-5（2）电晕放电的起始场强 对于电晕放电起始场强，美国工程师皮克总结出一系列经验公式，称为皮克公式。高电压技术u直流输电线路电晕经验公式：直流输电线路电晕经验公式

29、：C0CC 0000.29830.3 (1) (kV/cm)2ln (kV)cm2cmErHUE rrrH两平行导线的临界起晕场强（有效值）：相应的临界起晕电压（有效值）：起晕导线的半径，；空气的相对密度；两平行起晕导线的距离，。2022-5-5 理想光滑导线 1，绞线 0.80.9，好天气时 可按0.8估算。1m1m2m1200.29821.41cEmmru交流输电线路电晕经验公式：交流输电线路电晕经验公式：kV/cm高电压技术CC 00ln (kV)cmSUE rrS线间距离，相应电晕起始电压（有效值）为：2022-5-5高电压技术（3）电晕放电的危害与对策危害：危害：功率损耗、电磁干扰、

30、噪声污染对策对策：（：（限制导线的表面场强限制导线的表面场强 ） 采用分裂导线。 对330kV及以上的线路应采用分裂导线，例如330，500和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。 2022-5-5高电压技术（4）电晕放电的利用 在某些情况下可以利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电压。导线板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm 虚线尖-板电极间隙 点划线均匀场间隙2022-5-5高电压技术 不均匀电场中放电的极性效应不均匀电场中放电的极性效应负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板

31、电极高 2022-5-5 极不均匀电场中放电的极性效应定义： 在电晕放电时，空间电荷对放电的影响已得到关注。由于高场强电极极性的不同，空间电荷的极性也不同，对放电发展的影响也就不同，这就造成了不同极性的高场强电极的电晕起始电压的不同，以及间隙击穿电压的不同，称为极性效应。高电压技术2022-5-5棒板间隙这种典型的极不均匀场正棒负板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场畸变作用 外电场 空间电荷电场exEspE 当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩，如下图（a）所示。随着电压的逐渐上升，到形成自持放电爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。2022-5-5 当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。于是在棒极附近，积聚起正