高电压技术4课件

第二章气体放电的物理过程1

研究气体放电的主要目的：

1、在高电压强电场作用下，由电介质向导体演变的过程。

2、了解电介质的电气强度及提高方法。学习重点：气体放电理论、巴申定律、伏秒特性、电晕、污闪2

一、带电粒子在气体中的运动（一）、平均自由行程

第一节带电质点的产生和消失自由行程长度单位行程中的碰撞次数Z的倒数λ即为该粒子的平均自由行程。3

（二）带电粒子的迁移率带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞，但在电场力的驱动下，仍将沿着电场方向漂移，其速度u与场强E其比例系数k=u/E，称为迁移率。它表示该带电粒子单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。

由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。带电粒子的迁移率5

(三)扩散在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程叫扩散。气压越低，则扩散进行的越快。电子的热运动速度大、自由行程大，所以其扩散速度也要比离子快得多。二、带电粒子的产生产生带电带电离子的过程称为电离，它是气体放电的首要前提。

扩散、带电粒子的产生

激励电离6当电子获得外加能量时，由低能轨道转移到离核较远的高能轨道上去，这种现象叫激励。电子发生激励所需要的能量叫激励能。当电子获得较多的外加能量，摆脱原子核的束缚，成为自由电子，这个过程叫电离。电子发生电力所需要的能量叫电离能。表1-1列出了某些常见气体的激励能和电离能之值，通常一电子伏(eV)表示由于电子电荷qe恒等于，所以有时也可采用激励电位Ue(V)和电离电位Ui(V)来代替激励能和电离能，以便在计算中排除qe值。率电离能7气体激励能We(eV)电离能Wi(eV)气体激励能We(eV)电离能Wi(eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6表1-1某些气体的激励能和电离能

引起电离所需的能量可通过不同的形式传递给气体分子，诸如光能、热能、机械能（动）能，对应的电离过程称为光电离、热电离、碰撞电离。子的迁移率某些气体的激励能和电离能8各种可见光都不可能使气体直接发生光电离，紫外线也只能使少数几种电离能特别小的金属蒸汽发生光电离，只有那些波长更短的高能辐射线（例如X射线、γ射线等）才能使气体发生光电离。应该指出：在气体放电中，能导致气体光电离的光源不仅有外界的高能辐射线，而且还可能是气体放电本身，例如后面将要介绍的带电粒子复合的过程中，就会放出辐射能而引起新的光电离。

（二）热电离在常温下，气体分子发生热电离的概率级小。气体中已发生电离的分子数与总分子的比值m称为该气体的电离度。（二）热电离10

电子在电场强度为E的电场中移过x的距离时所获得的动能为式中m——电子的质量；

qe——电子的电荷量。

（三）碰撞电离碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。应该强调的是，主要的碰撞电离均有电子完成，离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。12(1)正离子撞击阴极表面：通常正离子动能不大，可忽略，只有在它的势能等于或大于阴极材料逸出功两倍时，才能引起阴极表面电离，这个条件可满足。(2)光电子发射：高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。(3)热电子发射：金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。阴极表面电离随着外加能量形式的不同，阴极表面电离可在下列情况下发生：(4)强场发射（冷发射）：当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），也能时阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响；在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。14

三、负离子的形成当电子与气体与分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程成为附着。易于产生负离子的气体称为电负性气体。

四、带电粒子的消失

气体中带电粒子的消失有可有下述几种情况：(1)带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；电离能三、负离子的形成

四、带电粒子的消失和(2)带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。(3)带电粒子的复合。气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，是与电离相反的一种过程。15第一章作业P12页，1-1，1-4，1-6补充：1、画出电介质的等效电路（非简化的）及其向量图，说明电路中各元件的含义，指出介质损失角。16原始电子在电场的加速下因为碰撞电离，产生出更多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展,这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。（α过程）激励能第二节电子崩一、电子崩§2.2气体放电机理17电子碰撞电离系数α，表示一个电子沿电场方向运动1cm，的行程所完成的碰撞电离次数平均值。根据碰撞电离系数α的定义，可得分离变数并积分，可得均匀电场，α不随x变化ddxxn0nna电子碰撞电离系数18二、汤逊气体放电理论自持放电：放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子就能维持下去，这就是自持放电。正离子表面电离系数γ：

表示一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数。第三节自持放电条件γ值与阴极材料、气体种类有关。阴极的表面状况（光洁度、污染程度等）对γ也有一定影响。

汤逊放电理论要点：（1）电子碰撞电离和正离子撞击阴极表面所造成的阴极表面电离是气体间隙中带电质点激增并导致击穿的主要因素。（2）认为气体的击穿电压Ub大体上是气压和间隙距离的乘积（pd）的函数。（3）只适用于低气压、小间隙的情况。一般在pd<26.66kPa.cm时使用。20第三节自持放电条件图1-6低气压、短气隙情况下气体的放电过程21三、巴申定律利用汤逊理论的自持放电条件，以及碰撞电离系数α

于气压p、电场强度E的关系式，并考虑均匀电场中自持放电起始场强，可得到下面的关系式（1-16）由于均匀电场气隙的击穿电压Ub等于它的自持放电起始电压U0,所以上式表明：U0或Ub是气压和极间距离的乘积（pd)的函数，即

Ub=f(pd)(1-17)第三节自持放电条件第四节起始电压与气压的关系23击穿电压Ub具有极小值，提高气压或降低气压到真空都能提高气隙的击穿电压上式即为巴申定律，Ub=f(pd)曲线称为巴申曲线。它表明：如果改变极间距离d的同时，也相应的改变气压p，而是pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙的击穿电压却彼此相等。

上述巴申定律是在温度T不变的条件下得出的。在气温T并非恒定的情况下，式（1-17—）应改写成Ub=F(δd)式中δ——气体的相对密度。第三电条件巴申定律24S2S1气压调节装置U如图,一密闭容器，气压可调节，已知S1<S2，问两间隙击穿电压哪个大？26第五节气体放电的流柱理论高电压技术面对的往往是高气压长气隙的情况。汤逊理论并不适用，比如雷电放电并不存在金属电极，因而与阴极上的γ过程和二次电子发射根本无关。因此在实验的基础上，人们得出了流柱理论，流柱理论的要点如下：（1）认为电子碰撞电离和空间光电是使气隙中带电粒子激增并导致气隙击穿的主要因素。（2）流柱理论强调了空间电荷对外电场的畸变作用。流柱理论影响因素主要有以下几方面：(一)空间电荷对原有电场的影响x(a)(b)EE0dE0第三节第五节气体放电的流柱理论（一）空间电荷对原有电场的影响27上面所说的辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离。如果光子位于强场区，二次电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展，或汇入崩尾。(二)空间光电离的作用

流柱：这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流柱。

流柱理论认为：在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这是放电即转入新的流柱阶段。第三节（自持放电条件（二）空间光电离的作用流柱理论28

实验研究所得的常数值为

(1-21)或（1-22）可见初崩头部的电子数要达到108时，放电才能转为自持（出现流柱）。如果电极见所加电压正好等于自持放电起始电压U0，那就意味着初崩要跑完整个气隙，头部才能积聚到足够的电子数而引起流柱。如果所加电压超过自持放电电压U0，流柱将提前出现和以更快的速度发展。流柱理论能够说明汤逊理论无法解释的一系列高气压、长气隙下出现的放电现象。注意：这两种理论各适用一定条件下的放电过程，不能用一种理论来代替另一种理论。第三节持放电条件自持放电条件30§2.3电晕放电

一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征均匀电场是一种少有的特例，在实际电力设施中常见的是不均匀电场。按照电场的不均匀程度分为稍不均匀电场和极不均匀电场。

稍不均匀电场：放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电便一定立即导致整个气隙击穿。例如：高压实验中用来测高电压的球隙、全封闭组合电器中的分相母线筒。

极不均匀电场：电场强度沿气隙分布极不均匀，当所加电压达到某一临界值时曲率半径小的电极附近空间电场强度首先达到起始场强值E0，在此区域先出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流柱。第三节自放电条件第六节不均匀电场中的放电过程一、稍不均匀电场和极不均匀电场中的放电过程31

这种仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电。电晕放电是极不均匀电场下特有的一种自持放电形式。

特征：环绕该电极表面的蓝紫色光晕。开始出现电晕放电的电压为电晕起始电压。随着外加电压的增大，电晕区也增大，但气隙并未击穿。

电场不均匀系数式中Emax最大电场强度

Eav平均电场强度。

U——电极间的电压d——极间距离

f<2时为稍不均匀电场

f>4以上时明显地属于极不均匀电场第电晕放电电场不均匀系数32

二、电晕放电电晕放电可以是极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段，也可以是长期存在的稳定放电形式。这种放电是极不均匀电场所特有的一种放电形式。电晕起始电压Uc由于它的影响因素很多，通常利用实验的方法求取，然后推倒出相应计算电晕起始场强的经验公式（如皮克公式）。

以输电线路为例，半径为r，单根导线，离地高度为h，导线表面电场强度E与对地电压U的关系如下（1-24）二、电晕放电33电晕受天气的影响：在雨、雪、雾等坏天气时，导线表面的水滴使导线表面电场发生变化，降低了电晕起始电压和起始场强。电晕的危害：（1）电晕放电所产生的光、声、热等效应使空气发生化学反应，会消耗一些能量，电晕损耗是超高压输电线路设计是必须考虑的因素，坏天气电晕功率损耗会比好天气时大得多。(2)电晕会对无线电和电视广播产生干扰，还可能产生超过环保标准的噪声。防止和减轻电晕的方法：

根本的途径是设法限制和降低导线的表面电场强度。可采用扩径导线和空心导线，更加合适的措施是采用分裂导线。电晕的危害防晕方法34分裂导线：每相都用若干根直径较小的平行分导线来替换大直径导线。分裂数超过两根时，这些分导线通常被布置在一个圆的内接正多边形顶点上。分裂导线的电场强度与分导线的直径和分导线间的距离d有关。在某一最佳值d0时最大电场强度会产生一极小值。330—750kv的超高压线路，分裂数一般取2—41000kv及以上的特高压线路分裂数就更多，例如取8或更大。电晕的积极意义：衰减雷电过电压幅值和降低其陡度；抑制操作过电压的幅值；广泛应用于工业设施（静电除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器）。电晕的积极意义35一、短间隙的击穿

极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应。极性效应：曲率半径较小的电极的电位符号不同时，气隙的击穿电压存在明显差异的现象。下面以最不均匀的“棒——板”气隙为例，从流柱理论的概念出发，说明放电发展过程的极性效应。

（一）正极性棒极带正电位时，棒极附近强场区域的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子，这些空间电荷削弱的棒极附近的电场强度，抑制了电晕但加强了正离子群外部空间的电场。因此随着电压提高电晕的扩展，强场区也将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的直至气隙被击穿。三、极不均匀电场的放电过程极性效应正极性§2.4不均匀电场气隙的击穿36E0(c)Ecom=E0+EqE0EEqx(a)(b)正极性Ecom=E0+Eq++Eq-(c)E0EEq+x(a)(b)Eq-E0负极性极性效应示意图37（二）负极性棒极带负电位时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，留在棒极附近的也是大批正离子它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间电场，容易起晕但电晕区不易向外扩展，整个气隙的击穿是不顺利的，气隙的击穿电压要比正极性时高很多，完成击穿所需时间也比正极性时间长得多。在进行外绝缘的冲击高压试验时往往加正极性冲击电压，因为这时电气强度较低。在工频高压作用下，击穿均发生在外加电压为正极性的那半周内。负极性38结论：（1）

（2）二、长气隙的击穿气隙较长时，流注往往不能一次贯穿整个气隙，而出现逐级推进的先导放电现象。长间隙的放电过程：电晕放电——先导放电——主放电——整个气隙被击穿。

电离形式：热电离

雷电放电是自然界的超长间隙放电，其先导过程和主放电过程发展的最充分。39

沿气体和固体绝缘或气体和液体绝缘表面发生的气体放电现象叫沿面闪络（或沿面击穿）。实验表明：沿固体表面的闪落电压不但比固体介质本身的击穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少。可见一个固体绝缘装置的实际耐压能力取决与沿面闪落电压。在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平时，沿面闪落电压其者决定性作用。§2.6沿面放电和污闪事故

一、沿面放电的一般概念40

二、沿面放电的类型与特点（1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。小气隙中的电场强度很大，首先发生放电，所产生的带电粒子眼固体介质表面移动，畸变了原有电场。可采用在固体介质表面喷吐导电粉末的办法消除。（2）大气的湿度影响。大气中的潮气吸附在固体介质表面形成水膜，其中的离子受电场的驱动而沿着介质表面移动，降低了闪落电压。与固体介质吸附水分的性能也有关。（3）固体介质表面电阻的不均匀和表面的粗糙不平也会造成沿面电场畸变。沿面放电电压低的原因：41下面就三种情况分别介绍起放电特性。

情况一中，虽界面与电力线平行，但沿面闪落电压仍要比空气间隙的击穿电压低很多。说明电场发生了畸变，主要原因如下：（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电。EEtEnE（二）极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电。

42在电压还不高时，如右a图法兰附近先出现电晕放电，随着电压升高放电区变成许多平行的火花细线组成的光带（b图），当电压超过某一临界值后个别细线突然迅速增长，转为分叉的树枝状明亮火花通道，如c图。导杆法兰这种树枝火花在不同的位置上交替出现，成为滑闪放电。电压再升高一些火花就到达另一电极，完成表面气体的完全击穿，称为沿面闪落或简称“闪落”。43

这种绝缘子的两个电极之间的距离较长，其间固体介质本身不可能被击穿，只可能出现沿面闪落。与前两种相比平均闪落场强比均匀电场时低得多。不出现热电离和滑闪放电。干闪落电压随极间距离的增大而提高，平均闪络场强大于前一种有滑闪放电时的情况。

三、沿面放电电压的影响因素和提高方法。影响因素：（一）固体介质材料主要取决于该材料的亲水性或憎水性。（二）电场形式同样的表面闪落距离下均匀与稍不均匀电场闪落电压最高。（三）极不均匀电场垂直分量很弱时的沿面放电。EtEnE44主要是增大极间距离，防止或推迟滑闪放电。以瓷套管为例，要在瓷套的内壁上喷铝，消除内壁消除内壁两侧的电位差。加大法兰处瓷套的外直径和壁厚或涂半导体漆或半导体釉，防止滑闪放电过早出现。对35K以上的高压陶管要采用电容式套管和充油式套管。四、固体表面有水膜时的沿面放电此处讨论的是洁净的瓷表面被雨水淋湿时的沿面放电，相应的电压称为湿闪电压。绝缘子表面有湿污层时的闪落电压称为污闪电压，将在后面再作专门探讨。

提高方法：45ABCAB四、固体表面有水膜时的沿面放电

46绝缘子污染通常可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展等四个阶段。采取措施抑制或阻止其中任何一个阶段的完成就能防止污闪事故的发生。五、绝缘子污染状态下的沿面放电污闪造成的后果很严重，由于一个区域内绝缘子积污受潮情况差不多，所以容易发生大面积污闪事故。自动重合闸成功率远低于雷击闪落时，造成事故的扩大和长时间停电。就经济损失而言，污闪在各类事故中居首位。污秽度除了与积污量有关还与污秽的化学成分有关。通常采用“等值附盐密度”（简称“等值盐密”）来表征绝缘子表面的污秽度，它指的是每平方厘米表面所沉积的等效氯化钠（NaCl）毫克数。47（一）调整爬距（增大泄露距离）一定要遵循规定的爬电比距来选择绝缘子串的总爬电距离和片数