高电压工程-第二章-气体放电的基本理论-

2.1气体中带电粒子的产生与消失2.2汤逊气体放电理论2.3流注放电理沦2.4不均匀电场中气隙的放电特性2.5电晕放电2.6沿面放电与污秽闪络

第二章气体放电的基本理论气体放电：当作用在气体上的电场强度超过某一临界值时，气体就会突然失去绝缘性能而发生放电现象。气隙的击穿：放电导致气体间隙短路气体放电种类：（电源的容量、气压、电场类型等因素决定）辉光放电：电源容量较小时，气隙间的放电则表现为充满整个间隙辉光放电；火花放电：在大气压下或者更高气压下，放电则表现为跳跃性的火花电弧放电：当电源容量较大且内阻较小时，放电电流较大，并出现高温的电弧局部放电（电晕）：在极不均匀场中，还会在间隙击穿之前，只在局部电场很强的地方出现放电，但整个间隙并未发生击穿沿面放电：气体介质与固体介质的交界面上沿着固体介质的表面而发生在气体介质中的放电；当沿面放电发展到使整个极间发生沿面击穿时称为沿面闪络。

火花放电、电晕放电沿面放电电弧放电1、带电粒子的产生第一节气体中带电粒子的产生与消失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。电离方式可分为：碰撞电离光电离热电离表面电离气体中负离子的形成

附着：电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，也可能发生电子附着过程而形成负离子。

负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。2、带电质点的消失带电质点的消失（气体去电离）可能有以下几种情况：带电质点受电场力的作用流入电极

；带电质点因扩散而逸出气体放电空间；带电质点的复合；吸附效应。电子崩（α过程）

电子崩及其电荷分布示意图（a）电子崩的形成（b）电子崩中的电荷分布（1）碰撞电离

气体放电现象与规律因气体的种类、气压和间隙中电场的均匀度而异。

但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到电子崩阶段。

第二节汤逊气体放电理论汤逊理论

只有电子崩过程是不会发生自持放电的。要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。

实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和气隙长度的乘积（

）有关。

值较小时自持放电的条件可用汤逊理论来说明；

值较大时则要用流注理论来解释。（1）

过程与自持放电条件

由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电子。此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起阴极表面电离，统称为

过程。

为此引入系数。

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。由系数

的定义，此（

－1）个正离子在到达阴极表面时可撞出（

－1）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。自持放电条件为

：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（2）汤逊放电理论的适用范围

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。（3）巴申定律与适用范围

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

(1-23)巴申定律巴申定律（均匀场中气隙的实验曲线）济南段义和爆炸案

2007年7月9日下午5时30分左右，济南“7·9”爆炸案现场。女性车主当场死亡

济南7.9爆炸案现场

发生爆炸的车辆是一辆私家车，女性车主已确认死亡，另一辆车是出租车，司机受伤。31岁的柳玲(柳海平)，是济南市国土资源局的女干部，她另一个身份就是段义和的情妇（13年）。山东省济南市人大常委会主任、党组书记段义和（61岁），爆炸案主谋。被双开、被执行死刑。子弹穿透西瓜视频截图D54动车组山东出事撞死一人致车头裂开

2009年3月28日，青岛—北京南D54次动车途经山东潍坊，列车撞上了一男性铁路工人（当场死亡），导致车头部分裂开，留有暗红色血迹。列车暂停约20分钟，最终晚点15分到达北京。当时D54路过潍坊站后，正处于加速阶段，时速在200公里以上。第三节流注放电理论

汤逊理论的局限性：对于高气压长间隙和不均匀场中的气体放电及击穿电压无法解释。流注理论与汤逊理论的不同之处：流注理论认为:电子的碰撞电离和空间光电离是形成自持放电的主要因素；而汤逊理论则没考虑放电本身引发的空间光电离对放电过程的重要作用。同时，流注理论特别强调空间电荷对电场的畸变作用。1.电子崩

图2-6电子崩中的空间电荷对均匀电场的畸变

2.流注放电的形成图2-7流注的形成及发展—P25a）初始电子崩；b）二次电子崩；c）流注的发展；d）完全击穿长间隙的平均击穿场强比短间隙的低

间隙较长（d＞1m）时，出现先导通道（具有热电离过程）。电子崩→流注→先导→击穿

间隙愈长,先导过程和主放电过程发展愈充分，间隙愈长，其平均击穿场强就愈低。长间隙击穿过程

在间隙距离较长时，存在某种新的、不同性质的放电过程，称为先导放电。长间隙放电电压的饱和现象可由先导放电现象作出解释。

长间隙的放电大致可分为先导放电和主放电两个阶段，在先导放电阶段中包括电子崩和流注的形成及发展过程。不太长间隙的放电没有先导放电阶段、只分为电子崩、流注和主放电阶段。1）电晕的含义极不均匀电场中，当电压及平均场强较低时电极曲率较大处附近空间的局部场强已很大，在这局部强场区中，产生强烈的电离，离电极稍远处场强大为减弱，电离只局限在电极附近的强场范围内。伴随着电离而存在的复合和反激励，辐射出大量光子，使在黑暗中可看到在电极附近空间有蓝色的晕光，这就是电晕。第5节电晕放电2）电晕放电的效应电晕过程有声、光、热等效应，发出“咝咝”的声音、蓝色的晕光以及使周围温度升高等。电极突出处，电子和离子在局部强场驱动下高速运动，与气体分子交换动量，形成“电风”。产生高频脉冲电流，含许多高次谐波，干扰无线电。产生化学反应,在空气中形成O3、NO和NO2。可听噪声，对人造成生理、心理上的影响。特高压系统尤甚。产生能量损耗，在某些情况下，会达到可观的程度。3）电晕放电的对策对策：（限制导线的表面场强）增大线间距离；增大导线半径（采用分裂导线）。330，500和750kV线路分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。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。电晕造成的损耗可削弱输电线上的雷电冲击电压波的幅值和陡度；利用电晕制造除尘器、消毒柜和对废气、废水进行处理及对水果、蔬菜进行保鲜等。

极不均匀电场中气隙放电的极性效应对于“棒—板”间隙，将“棒”的极性定义为间隙的极性1）正极性--棒起晕电压高击穿电压低2）负极性--棒起晕电压低击穿电压高1）定义—当绝缘承受的电压超过一定值时，在固体介质和空气交界面上出现的放电现象，叫沿面放电。当沿面放电发展成为贯穿性的空气击穿时，叫沿面闪络。沿面放电是气体放电，由于交界面上电压分布不均匀，沿面闪络电压比气体单独存在时的击穿电压低输电线路遭受雷击时绝缘子的闪络，处于大气脏污地区的瓷瓶在雷雾天发生闪络，均属沿面放电。为避免绝缘子发生不可恢复的击穿，在设计中让其击穿电压高出闪络电压约50%2）影响因素—绝缘表面状态、污秽程度、气候条件等因素影响很大。第6节沿面放电与污秽闪络沿面闪络的几种形式

工频电压作用下沿平板玻璃表面滑闪放电照片污闪实例辽沈地区2001年2月22日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区停电面积超过70%。辽沈停电事故是从输电线路污闪开始的。辽沈为重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电弧沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙1、沿面电场分布的典型情况（1）固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，如图（a）。（2）固体介质处于极不均匀电场中，且电力线垂直于界面的分量比平行于表面的分量要大得多，如图(b)。（3）固体介质处极不均匀电场中，电场强度平行于界面的分量要比垂直分量大，如（c）。2均匀电场中的沿面放电沿面放电：均匀场中，固体的引入不影响极间的电场分布，但放电总是发生在界面，且闪络电压比纯气隙击穿电压低得多。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原因：1）固体表面粗糙，局部场强大；2）固体表面吸收水分，改变电场分布；3）固体与电极接触不紧密，小气隙，易局放。3极不均匀电场中的沿面放电

具有强垂直分量时的沿面放电（d）套管表面电容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

具有弱垂直分量时的沿面放电

沿面闪络电压与空气击穿电压的差别比前述两种电场情况都要小得多。因此这种情况下，为提高沿面放电电压，主要从改进电极形状以改善电极附近的电场着手.1－空气隙击穿2－石蜡3－胶纸4－瓷和玻璃沿不同材料圆管表面的工频闪络电压峰值

表面凝露对沿面放电的影响不同放电距离时清洁的环氧树脂支柱绝缘子的交流闪络电压（环境温度为30℃）RH超过60%闪络电压下降；原因：表面凝露SF6中工频沿面闪络电压（气压0.35MPa）1－气温为-2℃~＋4℃2－气温为-29℃~-2℃3－环氧树脂绝缘子露（液态）霜（固态）

表面淋雨对沿面放电的影响光滑瓷柱的干闪和湿闪电压干闪湿闪雨中电导率对湿闪电压的影响（取雨水电导率为0.1S/m时的闪络电压为1）脏污绝缘表面的沿面放电污闪：户外绝缘子常会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污染干燥情况下，对闪络电压没多大影响。当绝缘子表面污层被湿润，表面电导剧增使绝缘子泄漏电流急剧增加。绝缘子的污闪电压大大降低，甚至可能在工作电压下闪络。

影响污闪的因素（1）污秽的性质和污染程度

污秽的导电率越高和介质表面沉积的污秽量越多，则闪络电压越低。在工程中常将污层表面电导率作为监测绝缘子脏污严重程度的一个特征参数。（2）湿润的方式

最容易发生污闪的气象条件是雾、露、融雪和毛毛雨等，这些条件下污层易达到饱和湿润的状态但不被冲洗掉。（3）泄漏距离

在污层表面电导率一定时，泄漏距离越长，剩余电阻的阻值越大，绝缘子的泄漏距离是影响污闪电压的重要因素。（4）外施电压的形式

由于污闪是局部电弧不断拉长的过程，因此电压作用时间越短就越不容易导致闪络。（1）定期或不定期的清扫

（2）使用防污闪涂料或进行表面处理（3）加强绝缘和采用耐污绝缘子（4）使用其他材质的绝缘子

防止污闪的措施悬式绝缘子串片数标称电压（kV）1035661