第一章气体放电的基本物理过程

高电压技术主讲人：高宇高电压与绝缘技术实验室天津大学电气与自动化工程学院第1章气体放电的基本物理过程1.1带电粒子的产生和消失1.2汤逊理论1.3流注放电1.4放电时间和冲击电压下的气隙击穿1.5电晕放电和沿面放电1.6污闪放电气隙中带电粒子是如何形成的？气隙中的导电通道是如何形成的？思考下述问题：第1章气体放电的基本物理过程电荷的定向迁移和泄漏气体放电1.1.1带电粒子在气体中的运动1.1.2带电粒子的产生1.1.3负离子的形成1.1.4带电粒子的消失1.1带电粒子的产生和消失平均自由行程带电质点的迁移率激励电离复合1.1.1带电粒子在气体中的运动相关学术术语质点的平均自由行程

：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞次数的倒数。1.1.1带电粒子在气体中的运动质点的平均自由行程

受温度和气压影响电子的要比分子和离子的大得多的性质反映了带电质点自由运动的能力1.1.1带电粒子在气体中的运动带电质点的迁移率E负极正极正离子电子迁移率1.1.1带电粒子在气体中的运动激励、电离和复合原子核基态电子能量激励电离电离能复合1.1.1带电粒子在气体中的运动激励、电离和复合1.1.1带电粒子在气体中的运动气体电离能N215.5O212.5CO213.7SF615.6H215.4H2O12.71.1.2带电粒子的产生带电粒子的来源源于气体内部源于电极碰撞电离热电离光电离正离子碰撞光电子发射热电子发射强场发射1.1.2带电粒子的产生碰撞电离源于气体内部中性原子电子E电子动能电离能气体中产生带电粒子的最主要原因1.1.2带电粒子的产生热电离源于气体内部中性原子电子电子动能电离能高温在大电弧的情况下发生1.1.2带电粒子的产生光电离源于气体内部中性原子光子能量电离能光子X射线、γ线1.1.2带电粒子的产生正离子碰撞阴极源于电极E负极正极正离子电子正离子的能量与金属电极的逸出功的关系1.1.2带电粒子的产生源于电极一些金属的逸出功金属逸出功（eV)铝4.08银4.73铜4.7铁4.48氧化铜5.341.1.2带电粒子的产生光电子发射源于电极E负极正极光电效应1.1.2带电粒子的产生热电子发射源于电极E负极正极加热1.1.2带电粒子的产生强场发射源于电极E负极正极真空中、高压气体中、液体中、固体中电场阈值1.1.3负离子的形成气体分子要有很高的电负性E负极正极1.1.3负离子的形成电子亲和能元素电子亲合能（eV）电负性值F4.034.0Cl3.743.0Br3.652.8I3.302.51.1.4带电质点的消失E负极正极带电粒子消失的三条途径：复合、扩散和中和复合中和扩散1.2汤逊理论1.2.1、电子崩1.2.2、自持放电1.2.3、巴申定律1.2.4、汤逊理论1.2汤逊理论E负极正极1.2.1.电子崩初始电子碰撞电离电子倍增碰撞电离电子崩崩头崩尾1.2汤逊理论1.2.1.电子崩讨论α与电场及气压的关系α的定义E增大，α急剧增大；p很大或很小时，α均很小。电子碰撞电离系数α1cm，碰撞电离平均次数1.2汤逊理论1.2.1.电子崩电子数：1.2汤逊理论E负极正极1.2.2.自持放电电荷泄漏完毕，放电过程完成电子崩放电形成电子倍增正粒子碰撞阴极产生电子1.2汤逊理论1.2.2.自持放电电子数：正离子数：新电子数：γ过程1.2汤逊理论1.2.2.自持放电均匀电场自持放电条件：非自持自持对应的电压起始放电电压1.2汤逊理论1.2.2.自持放电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）

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1.2汤逊理论1.2.3.巴申定律1889年，巴申完成了他的著名实验。1.2汤逊理论1.2.3.巴申定律定性解释气压下降分子间距增大电子累积能量大电子崩+击穿间距过大难以碰撞电离难！1.2汤逊理论1.2.4.汤逊理论汤逊的理论推导考虑α过程：考虑自持放电临界条件：考虑平均自由程与气压的关系：1.2汤逊理论1.2.4.汤逊理论汤逊的理论推导

击穿电压U0表示为：汤逊理论的适用条件：均匀电场无法解释长间隙放电的物理现象汤逊理论的不足：放电时间较长放电特征呈丝状阴极的作用1.2汤逊理论1.3流注放电1.3.1均匀电场气隙中的流注放电1.3.2不均匀电场气隙中的流注放电1.3.3先导放电（补充知识）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。稍不均匀电场：球隙、同轴圆筒状电极。极不均匀电场：棒-板电极，棒-棒电极电场不均匀系数f=1<2>41.3流注放电什么是流注放电E负极正极什么是流注放电初始电子崩空间电荷光电离二次电子崩注入初崩空间电荷作用？流注自持什么是流注放电汤逊理论的问题（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1.3.1均匀电场气隙中的流注放电E负极正极正流注：由正极向负极发展的流注放电过程。发展速度：3-4×10e6m/s1.3.1均匀电场气隙中的流注放电负流注：由负极向正极发展的流注放电过程发展速度：7-8×10e5m/sE负极正极1.3.2不均匀电场气隙中的流注放电正极负极正棒—负板放电过程电场加强，有利正流注发展电子崩流注场强增大流注加强放电1.3.2不均匀电场气隙中的流注放电正棒—负板电场分布1.3.2不均匀电场气隙中的流注放电负极正极负棒—正板放电过程电子崩流注场强不足流注熄灭棒极前流注加强混合质通道场强增大流注开始放电1.3.2不均匀电场气隙中的流注放电负棒—正板电场分布1.3.2不均匀电场气隙中的流注放电极性效应极性：曲率半径小的电极所带的极性。不均匀电场气隙中，正极性放电较负极性放电更容易发生。1.3.3先导放电间隙过长（超过1m），流注不足以贯通时，击穿如何发生？炽热的等离子体通道热电离棒极附近热电离的作用1.4放电时间和冲击电压下的放电特性1.4.1放电时间的概念和意义1.4.2标准化冲击电压波形1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性1.4.1放电时间的概念和意义引发放电的条件：a.强电场b.种子电子c.放电时间放电时间：ns~μs数量级外施电压为直流、交流——有充足的放电时间。若为冲击电压，情况将怎样？1.4.1放电时间的概念和意义有效电子电极材料外施电压光照情况电场均匀度击穿过程间隙长度电场均匀度外施电压1.4.1放电时间的概念和意义1.4.2标准化的冲击电压波形1、标准雷电冲击电压波OC为视在波前OF为视在波前时间OG为视在半峰值时间国标规定：1.4.2标准化的冲击电压波形2、标准雷电冲击截波电压波波前时间/截断时间1.4.2标准化的冲击电压波形3、标准操作冲击电压波1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性

持续电压作用下，气隙的击穿特性为一确定的数值。

通常用击穿电压或击穿场强来表征。冲击电压作用下，气隙的击穿特性如何表征？1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性1.50%冲击击穿电压击穿百分比为50%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4-6次击穿的电压就是该值。冲击系数β：U50%与Us之比。均匀或稍不均匀电场：β=1；极不均匀电场：β>11.4.3冲击电压下气隙的击穿特性2.伏秒特性（曲线）工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。保持波形不变仅改变幅值1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性2.伏秒特性（带）伏秒特性是一个有上下包络线的带状区域。工程上通常取平均伏秒特性或50%伏秒特性表示气隙的击穿特性。1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性2.伏秒特性1）极不均匀电场（大间隙）平均击穿场强较低，放电时延较长，只有大大提高电压，才能缩短放电时延。∴S向左上角上翘2）较均匀电场（小间隙）间隙各处场强相差不大，一但出现电离，很快贯穿整个间隙，放电时延短。∴S只能在很小的时间内向上翘1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性2.伏秒特性1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性50%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电晕放电和沿面放电1.5.1电晕放电

1.概念

2.物理过程和效应

3.直流输电线上的电晕

4.交流输电线上的电晕

5.输电线路电晕的抑制方法

6.电晕的应用

1.5.2沿面放电

1.概念

2.类型及特点

3.放电电压提高方法

4.湿闪现象

5.污闪放电1.5.1电晕放电1、电晕放电的概念曲率半径小的电极尖端发生的蓝紫色晕光状放电。极不均匀场的一种特有的自持放电形式。1.5.1电晕放电1、电晕放电的概念1.5.1电晕放电2、电晕放电的物理过程和效应负极正极电离正空间电荷作用电离加强正电荷电子1.5.1电晕放电2、电晕放电的物理过程和效应正极负极电离正空间电荷作用电离减弱正电荷电子1.5.1电晕放电2、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电晕电流的数量级：一般为微安级1.5.1电晕放电2、电晕放电的物理过程和效应效应：1)、声、光、热

吱吱的响声

蓝紫色的晕光

周围气体温度升高1.5.1电晕放电2、电晕放电的物理过程和效应效应：2)、电风的作用

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1.5.1电晕放电2、电晕放电的物理过程和效应效应：3)、高频脉冲作用

电晕引发的高频脉冲是造成无线电干扰的原因之一。1.5.1电晕放电2、电晕放电的物理过程和效应效应：4)、化学作用

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。1.5.1电晕放电2、电晕放电的物理过程和效应效应：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。1.5.1电晕放电2、电晕放电的物理过程和效应效应：6)、环境效应

电晕噪声影响人类的正常工作。1.5.1电晕放电3、直流输电线上的电晕单导线：两平行导线：4、交流输电线上的电晕单导线对地：1.5.1电晕放电5、输电线路电晕的抑制方法对策：（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。

1.5.1电晕放电6、电晕的应用过电压波在传输线上行进时，电晕可削弱其幅值及陡度；电晕在静电除尘、臭氧发生器的应用。1.5.2沿面放电1、沿面放电的一般概念为什么要讨论沿面放电？复合绝缘子上的爬电现象；GIS支撑绝缘子上的放电；开关柜中的爬电；1.5.2沿面放电1、沿面放电的一般概念沿固体-气体交界面发生的放电现象。贯通两电极的沿面放电称为沿面闪络。1.5.2沿面放电1、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。1.5.2沿面放电1、沿面放电的一般概念

沿面闪络的基本特性：沿面闪络电压要比等间隙下的固体及气体击穿电压低，因此，设备绝缘的性能通常由沿面闪络电压决定。沿面闪络受绝缘表面状况的影响很大，干燥，潮湿和污秽条件下，闪络过程的差别很大。因此有干闪络电压、湿闪络电压和污秽闪络电压之分。沿面放电的过程受电场型式影响较大。1.5.2沿面放电2、沿面放电的类型和特点界面处的电场分布：a.固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行。1.5.2沿面放电2、沿面放电的类型和特点界面处的电场分布：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。1.5.2沿面放电2、沿面放电的类型和特点界面处的电场分布：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。1.5.2沿面放电2、沿面放电的类型和特点沿面放电：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，且闪络电压比空气间隙的击穿电压要低得多。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：（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1.5.2沿面放电2、沿面放电的类型和特点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SF6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纯SF6接触良好接触不良

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10cm左右。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

正极性负极性1.5.2沿面放电2、沿面放电的类型和特点极不均匀电场中的沿面放电

表面具有强垂直电场分量沿套管表面放电的示意图（a）电晕放电（b）细线状辉光放电（c）滑闪放电1.5.2沿面放电3、沿面放电电压的影响因素和提高方法1).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。1.5.2沿面放电

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（1）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，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3、沿面放电电压的影响因素和提高方法1.5.2沿面放电4、湿闪现象输电线路或变电站的户外绝缘子，运行条件恶劣，复杂a.雨：大雨，毛毛雨。b.雪：大雪，雨夹雪。c.冰：冰灾，雾凇。d.风：大风，污染，粉尘1.5.2沿面放电4、湿闪现象绝缘子表面被雨水淋湿时的沿面闪络现象称为湿闪现象。典型绝缘子湿闪的放电路径途径1：沿湿表面AB和干表面BCA’。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%。途径2：沿湿表面AB和空气间隙BA’。击穿特性以气隙为主，不会比干闪电压下降太多。途径3：连续的水柱使得闪络电压大幅下降。1.5.2沿面放电工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘、鸟粪等干燥条件下，污染物一般不导电：大雨滂沱时，污染物会被冲刷掉；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干带,最先放电局部电弧继续烘干污染物，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，称为爬电。5.污闪放电1.5.2沿面放电污闪放电过程积聚污秽受潮干区形成局部电弧高压接地闪络1.5.2沿面放电污秽程度的表征

等值附盐密度：绝缘子表面每平方厘米面积上沉积的等效NaCl的质量数(mg)。所谓等效：是在电导率上等效。300ml1.5.2沿面放电线路和发电厂、变电所污秽等级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－Ⅰ大气轻度污染地区，工业区和人口低密集区，离海岸盐场10km～50km地区，在污闪季节中干燥少雾（含毛毛雨）或雨量较多时>0.03~0.06≤0.06Ⅱ大气中等污染地区，轻盐碱和炉烟污秽地区，离海岸盐场3km～10km地区，在污闪季节中潮湿多雾（含毛毛雨）但雨量较少时>0.06~0.10>0.06~0.10Ⅲ大气污染较严重地区，重雾和重盐碱地区，近海岸盐场1～3km地区，工业与人口密度较大地区，离化学污源和炉烟污秽300m～1500m的较严重污秽地区>0.10~0.25>0.10~0.25Ⅳ大气特别严重污染地区，离海岸盐场1km以内，离化学污源和炉烟污秽300m以内的地区>0.25~0.35>0.25~0.351.5.2沿面放电污闪事故的对策调整爬距爬电比距：外绝缘相对地的爬电距离与系统最高工作线电压的有效值之比。污秽等级爬电比距（cm/kV）线路发电厂、变电所220kV及以下330kV及以上220kV及以下330kV及以上01.3