华科高电压3-气体电介质的绝缘特性(二)完整版

1、气体间隙中的电流与电压的关系气体间隙中的电流与电压的关系(a)有气体间隙的直流电路；（b）气体放电的特性 第第2 2讲回顾讲回顾u带电粒子的产生与消失u汤逊理论u巴申定律的解释u汤逊理论的适用范围第第3 3讲讲 气体电介质的绝缘特性（二）气体电介质的绝缘特性（二） 1.2.5 1.2.5 流注理论流注理论n在高气压长间隙条件下的气体放电理论在高气压长间隙条件下的气体放电理论n 特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持特点：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场的作用 流注理流注理论论n电子崩阶段电子崩阶段

2、 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光电离形成二次电子崩 两个阶段两个阶段（1 1） 电子崩阶段电子崩阶段（a a）初始电子崩）初始电子崩阳极侧电子崩数目多阳极侧电子崩数目多正空间电荷加强了原电场，正空间电荷加强了原电场，同时向周围放射出大量光子同时向周围放射出大量光子 （一）流注理论（一）流注理论（b b）二次电子崩）二次电子崩n光子使附近的气体因光光子使附近的气体因光电离而产生二次电子电离而产生二次电子n它们在由正空间电荷所它们在由正空间电荷所引起的畸变和加强了的引起的畸变和加强了的局部电场作用下，又形局部电场作用下，又形成新的电子崩，即二次成新

3、的电子崩，即二次电子崩电子崩 （2 2）流注的形成和发展）流注的形成和发展n二次电子崩中的电子初始电子崩的正空间电荷混合通道（流注）。流注通道和二次崩留下的正电荷，大大加强了流注发展方向的电场，产生新电子崩，从而使流注向前发展 （3 3）间隙的击穿）间隙的击穿n流注不断向阴极报进，流注不断向阴极报进，头部电场越来越强，因头部电场越来越强，因而其发展也越快而其发展也越快n流注发展到阴极，间隙流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通被导电良好的等离子通道所贯通道所贯通间隙击穿间隙击穿 电离室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

4、电离室；S火花间隙；L、L、K短路回路 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自持放电条件自持放电条件形成流注形成流注空间光电离维持放电（空间光电离维持放电（自持放电自持放电）如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的如果电场均匀，间隙

5、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。的条件。流注形成的条件：足够的空间光游离流注形成的条件：足够的空间光游离较多的初较多的初始电子崩（电子崩积累到一定的数量）始电子崩（电子崩积累到一定的数量）常数（810de（二）流注理论对高气压、长间隙（二）流注理论对高气压、长间隙（pdpd很大）放电现象的解释很大）放电现象的解释 1放电外形放电外形 具有通道形式具有通道形式 流注前方随着其向前发展而更为增强流注前方随着其向前发展而更为增强多流注之间互相抑制发展多流注之间互相抑制发展二次电子崩在空间的形成和发展带有

6、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。电子崩则不然，由于其中电荷密度较小，故电电子崩则不然，由于其中电荷密度较小，故电场强度还很大，因而不致影响到邻近空间内的场强度还很大，因而不致影响到邻近空间内的电场，所以不会影响其它电子崩的发展电场，所以不会影响其它电子崩的发展树枝状放电与放电发展的抑制树枝状放电与放电发展的抑制2放电时间短放电时间短 二次电子崩由光电离形成，所以流注发展速度极快放电时间特别短3放电不受阴极材料的影响放电不受阴极材料的影响 维持放电靠光电离，而不是阴极表面的电离过程，与材料无关u 在Pd值较小

7、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。电场不均匀系数电场不均匀系数 f 的定义的定义f4时，极不均匀电场时，极不均匀电场dUEEEfavavmax1.3 1.3 不均匀电场中气体的击穿不均匀电场中气体的击穿1 击穿电压击穿电压2 电晕起始电压电晕起始电压3 放电不稳定区放电不稳定区d2D，电场还比较均匀，其放电特性与均，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，致整个气隙击穿放电达到自持时， 在整在整个

8、间隙中部巳达到相当数值。这时和均匀个间隙中部巳达到相当数值。这时和均匀电场中情况类似电场中情况类似 1.3.1 稍不均匀场和极不均匀场的放电特点稍不均匀场和极不均匀场的放电特点ud4D，电场分布极不，电场分布极不均匀，存在电晕放电和均匀，存在电晕放电和电晕起始电压。电晕起始电压。u 外加电压进一步增大外加电压进一步增大，表面电晕层扩大，并，表面电晕层扩大，并出现刷状的细火花，火出现刷状的细火花，火花变长，最终导致气隙花变长，最终导致气隙完全击穿。完全击穿。u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

9、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ud2D4D，属于过渡区域，不稳定电晕，转为，属于过渡区域，不稳定电晕，转为火花放电。火花放电。当大曲率电极附近当大曲率电极附近 达到足够数值时，间隙中很大达到足够数值时，间隙中很大一部分区域一部分区域 也都已达相当数值，流注一经产生也都已达相当数值，流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿 1.3.2 1.3.2 电晕放电现象电晕放电现象n电晕放电现象电晕放电现

10、象电离区的放电过程造成。电离区的放电过程造成。n强电场强电场电子崩电子崩复合复合光辐射光辐射咝咝的声音咝咝的声音 臭氧的气味臭氧的气味 微弱的晕光微弱的晕光 回路电流明显增加回路电流明显增加(绝对值仍很小绝对值仍很小)，可以测量，可以测量到能量损失到能量损失线板气隙中不同直径导线的工频击穿电压与d的关系点划线均匀电场；虚线正尖负板电场；1D=0.5mm；2D=3mm；3D=16mm；4D=20mmn电晕起始电压和电晕起始场强电晕起始电压和电晕起始场强 是一种自持放电形式，起始电压在原理上可由是一种自持放电形式，起始电压在原理上可由自持放电条件求得自持放电条件求得 E0的经验公式kV/cm )3

11、 . 01 (300rmEm导线表面的粗糙系数。光滑导线导线表面的粗糙系数。光滑导线m=1, 一般一般导线导线m=0.820.9,对绞线局部电晕对绞线局部电晕 m=0.72 电晕电流与能量电晕电流与能量(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电流比较小的，但比泄漏电流要大得多。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空间电荷的运动需要电源供给能量,输电线输电线路电晕损耗的主要部分，而使空气电离所消耗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。的能量则比较小。 u电晕的起始阶段一系列短促的陡脉冲组成。电离产

12、生的与导线同号的电荷,导致电离停止。u脉冲电流将产生电磁波传播到空间造成无线电干扰，u输电线路的电晕还与导线的表面状况及天气状况有关。导线表面曲率大小影响。u雨、雪、霜等坏天气时，电晕损耗急剧增加。水滴电场作用变成锥形u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。u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。 2UP UUPI/US Ur UE 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

13、rdrUEln降低导体表面电场降低导体表面电场减小电晕的方法减小电晕的方法u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。u一般采取适当增大导线直径的办法u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。rdrUEln电晕影响的两面性电晕影响的两面性n不利影响不利影响 ：能量损失；放电脉冲引起的高频电：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磁波干扰；化学反应引起的腐蚀作用等 有利方面有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电：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压波的幅值

14、及陡度；利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电压布，提高击穿电压 ； 利用电晕放电除尘与臭氧发生器等利用电晕放电除尘与臭氧发生器等 1.3.3 1.3.3 极不均匀场中的放电过程极不均匀场中的放电过程一、非自持放电阶段一、非自持放电阶段电子崩产生电子崩产生阳极积聚正电荷阳极积聚正电荷二、流注发展阶段二、流注发展阶段头部电场增强头部电场增强新电子崩新电子崩流注前移流注前移三、先导放电阶段三、先导放电阶段u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）。u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。 流注根部流

15、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 u放电过程u四、主放电过程u 先导头部达到板极。小间隙中的高场强引起强烈电离，带电粒子高。u强电离区迅速向阳极传播主放电过程。u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。主放电通道主放电通道主放电和先导通道的交界区主放电和先导通道的交界区先导通道先导通道 先导的发展先导的发展正棒正棒负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 1.3.4 1.3.4 极不均匀场中的极性效应极不均匀场中的极性效应u正棒负板u电子运动速度