课件：第讲气体电介质的绝缘特性二分解.ppt

高电压技术,第2讲回顾,带电粒子的产生与消失 汤逊理论 巴申定律 汤逊理论的适用范围,第3讲 气体电介质的绝缘特性（二）,1.2.5 流注理论,在高气压长间隙条件下的气体放电理论 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，并强调了空间电荷畸变电场的作用 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,电离室,电离室结构示意图 1照射火花间隙；2石英窗；3电极 4玻璃壁；5橡皮膜；6绝缘柱,研究放电时的电路图 N电离室；S火花间隙； L、L、K短路回路,电子崩阶段 空间电荷畸变外电场 流注阶段 光电离形成二次电子崩，等离子体,（1） 电子崩阶段,（a）初始电子崩,电子崩头部接近阳极时，崩头电子和崩尾正离子数目总数剧增，崩头崩尾电场都急剧增强。那么崩头的强烈电离也伴随强烈的激励和反激励，并向周围放射光子； 崩中部的弱电场也为分子吸附电子及正负离子复合提供条件，强烈的复合也放射出大量光子；,（一）流注理论,（b）二次电子崩,光子使附近的气体因光电离而产生二次电子 它们崩尾局部增强的电场中，又形成新的电子崩，即二次电子崩,（2）流注的形成和发展,二次电子崩中头部的电子向初始电子崩的正空间电荷区域运动，并与之汇合成为充满正负带电粒子混合通道，且通道中正负粒子密度大致相等，这种等离子体流注。 流注是导电良好的等离子体，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方电场大为增加，电离过程更激烈。,（3）间隙的击穿,流注不断向阴极方向发展，流注通道不断延伸 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击穿 从整个间隙的放电发展来看，二次电子崩是逐步由阳极向阴极扩展的，这一个过程称为正流注，即从正极出发的流注。,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1.25107cm/s,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11082108cm/s,自持放电条件,形成流注空间光电离维持放电（自持放电） 如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。 流注形成的条件：足够的空间光游离较多的初始电子崩（电子崩积累到一定的数量）,（二）流注理论对高气压、长间隙（pd很大）放电现象的解释,1放电外形 具有通道形式 通道电荷密度很大、电导率高，故其中电场强度很小。一旦流注出现，将降低流注头部后方及其周围空间的电场，加强流注前方的电场，这一作用伴随着其前方的发展而更为增强。因而在电子崩转化成流注后，当某个流注由于偶然原因发展更快时，就将抑制其他流注的形成和发展，这个作用随着流注向前推进将越来越强，开始时流注很短，可能有三个，随后减为两个，最后只剩下一个流注贯通整个间隙。,树枝状放电与放电发展的抑制,2放电时间 二次电子崩由光电离形成，光子的运动速度比电子快得多，二次电子崩又是在加强了的电场中，所以流注发展速度极快放电时间特别短 3阴极材料的影响 维持放电依靠空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，与材料无关,在Pd值较小时，起始电子不可能在穿越极间距离后完成足够多的碰撞电离次数，因而难以聚积到足够的电子数，这样就不可能出现流注，放电的自持只能依靠阴极上的过程。,1.3 不均匀电场中气体的击穿,1 击穿电压 2 电晕起始电压 3 放电不稳定区,d2D，电场还比较均匀，其放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，立即导致整个气隙击穿放电达到自持时，这时和均匀电场中情况类似,1.3.1 稍不均匀场和极不均匀场的放电特点,d4D，电场分布极不均匀，电压达到一定临界值时，曲率半径小的电极附近的强电场区域首先放电，出现碰撞电离和电子崩，甚至产生流注。 靠近两个球极的表面出现蓝紫色晕光，并发出“咝咝”声电晕放电。,外加电压进一步增大，电极表面的电晕层扩大，并出现刷状的细火花刷状放电 电压继续升高，火花变长，最终导致气隙完全击穿。,d2D4D，属于过渡区域，放电过程极不稳定，放电电压分散性很大。,由实验可知，随着电场不均匀程度增加，放电现象不相同。电场越不均匀（两球隙间距离越大，电场越不均匀），则击穿电压和电晕起始电压之间的差别也越大。,21,从放电的观点来看，电场的不均匀程度也可以根据是否存在稳定的电晕放电来区分：,极不均匀电场（ d4D ）：存在稳定的电晕放电 稍不均匀电场（ d2D4D ）：虽然电场不均匀，但不存在稳定的电晕放电，放电电压与电晕起始电压重合。电晕一旦出现间隙就立即被击穿。,电场不均匀系数 f f4时，极不均匀电场：自持放电的条件即是电晕起始条件，由发生电晕击穿的过程还必须提高击穿电压才能完成,23,极不均匀电场中的放电具有如下特征： 1、极不均匀电场的击穿电压比均匀电场低； 2、极不均匀电场如果由不对称电极形成，则放 电有明显的极性效应； 3、极不均匀电场具有特殊的放电形式电晕放电；,1.3.2 电晕放电现象,电晕放电现象电极表面电离区的放电过程造成。 强电场电子崩复合光辐射电晕 咝咝的电晕噪声，臭氧的气味，蓝紫色的晕光，回路电流明显增加(绝对值仍很小)，电晕电极周围的电离区称为电晕层，电晕层以外的电场很弱，不发生强烈的电离。,电晕的起始阶段一系列短促的陡脉冲组成。这与电离的间歇性有关。电晕层中的碰撞电离过程不断产生正、负带电粒子。其中与电极同极性的粒子在电场作用下离开电晕层，逐步走向对面电极，而异号电荷则迅速进入电极。因为电极附近存在较多与电极同极性的带电粒子，导致电极表面场强减小，导致电离停止，等到这些电荷逐渐向外移动及扩散，电场得以重新增强后，电离才再次爆发 电晕放电的电流强度外施电压、电极形状、极间距离、气体性质和密度等因素。,电晕电流与能量,(a) 时间刻度T=125s (b) 0.7A电晕电流平均值 (c) 2A电晕电流平均值,电晕放电产生的空间电荷的运动电晕电流。电晕电流比较小的，但比泄漏电流要大得多。空间电荷的运动需要电源供给能量输电线路电晕损耗的主要部分，而使空气电离所消耗的能量则比较小。,输电线路的电晕放电,导线表面的场强为 电晕起始场强,E0的经验公式,m导线表面的粗糙系数。光滑导线m=1, 一般导线m=0.820.9,对绞线局部电晕 m=0.72,输电线路的电晕不仅与导线的表面状况有关，还与天气状况有关，即导线表面曲率大小、粗糙不平或污秽都会使电晕损耗增加。 雨、雪、霜等坏天气时，电晕损耗急剧增加。 水滴电场作用表面张力变成锥形,对于500750kV的超高压输电线路，在天气好时电晕损耗一般不超过几个W/km，而在坏天气时，可以达到100 W/km以上。 因此在设计超高压线路时，需要根据不同天气条件下电晕损耗的实测数据和线路参数，以及沿线路各种气象条件的出现概率等对线路的电晕损耗进行估算。,随着输电电压的提高，电晕问题也越来越突出。,在保持同样电流密度的条件下，导线截面积,导体表面电场,减小电晕的方法,降低导线表面场强的方法：增大线间距离d或增大导线半径r。 一般采取适当增大导线直径的办法 为节省导线材料，通常采用分裂导线的解决办法，即每相导线由2根或2根以上的导线组成。使得导线表面场强得以降低。,电晕影响的两面性,不利影响 ：能量损失；放电脉冲引起的高频电磁波干扰；化学反应引起的腐蚀作用等 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，提高击穿电压 ；利用电晕放电除尘与臭氧发生器等,1.3.3 极不均匀场中的放电过程,一、非自持放电阶段,高场强电离电子崩 阳极积聚正电荷，减小了棒极表面附近的电场，略微加强了外部空间的电场,棒极表面附近电场被削弱，难以造成流注，电晕放电难以形成，放电难以自持,二、流注发展阶段,随着电压升高，头部电场增强 新电子崩 流注及其头部的正电荷向前移动，好像把棒极向前延伸，促进流注发展,三、先导放电阶段 条件：间隙距离较长（如大于1m），在流注通道还不足以贯通整个间隙的电压作用下，仍可能发生击穿。当外施电压一定时，高电压使棒极附近电场很高，在棒极前方较大范围内都可能产生强烈电离，形成电子崩和流注。 通道根部的电子最多流注根部温度升高出现热电离先导通道（具有热电离过程的通道）。 新的电离过程使电离加强，电导增大，从而加大了其头部前沿区域中的场强，引起新的流注，导致先导通道不断伸长。,四、主放电过程 先导头部发展到非常接近板极时，小间隙中的高场强引起强烈电离，带电粒子浓度高。 新出现的等离子体大致具有极板电位，强电离区迅速向阳极传播，强电离通道也迅速向前推进主放电过程。 主放电通道贯穿电极间隙击穿。,特点：由于其头部场强极大，所以主放电通道发展速度及电导都远大于先导通道。,主放电通道 主放电和先导通道的交界区 先导通道,1.3.4 极不均匀场中的极性效应,正棒负板,电子运动速度快，迅速进入棒极； 棒极附近积聚起正空间电荷，削弱了棒极附近的电场强度而加强了正离子群外部空间的电场 结果： （1）棒极附近的流注难以形成，电晕起始电压提高。 （2）外部空间电场加强，有利于流注的发展，因此击穿电压较低。,负棒正板,电子崩中的电子离开强电场区后，不再能引起电离，向阳极运动的速度也越来越慢。 电子崩中的正离子加强了棒极附近的场强，使棒极附近容易形成流注。 结论： （1）电晕起始电压比正极性时要低。 （2）正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，削弱了外部空间的电场，阻