第1章-气体放电的基本物理过程知识分享

第1章-气体放电的基本物理过程一、带电粒子的运动当气体中存在电场时，粒子进行热运动和沿电场定向运动。自由行程长度：一个粒子在每两次碰撞间自由地通过的距离。平均自由行程长度：众多粒子自由行程的平均值。p：气压 k：波尔兹曼常数T：气温 r：气体分子半径大气压和常温下平均自由行程长度数量级为10-5cm。一、带电粒子的运动带电粒子的迁移率：带电粒子在单位场强（1V/m)下沿电场方向的漂移速度。电子的迁移率远大于离子的迁移率扩散：浓度大区域向浓度小区域均匀化扩散分布气体原子的激发和电离二、带电粒子的产生气体原子的激发和电离电离外界以某种方式给处于某一能级轨道上的电子施加一定的能量，该电子就可能摆脱原子核的束缚成为自由电子。电离能 产生游离需要的能量。激发 电子向高一能级轨道的跃迁。分级电离 先经过激发再产生游离的过程。二、带电粒子的产生二、带电粒子的产生（1）热电离波尔茨曼常数1.38×10-23J/K热力学温度（2）光电离普朗克常数6.63×10-34J·s（3）碰撞电离W≥Wi(电离能)波尔茨曼常数1.38×10-23J/K一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3（1）正离子撞击阴极（2）光电子发射（3）强场发射（4）热电子发射（4）电极表面的电离三、气体中负离子的形成电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。元素电子亲合能（eV）电负性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。四、带电粒子的消失（1）带电粒子的扩散

带电粒子从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电粒子的扩散。电子的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。（2）带电粒子的复合

带异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性粒子的过程，称为复合。带电粒子复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电粒子的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。1.2电子崩非自持放电和自持放电的不同特点电流随外施电压的提高而增大，因为带电粒子向电极运动的速度加快复合率减小电流饱和，带电粒子全部进入电极，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。自持放电起始电压电子崩的形成（BC段电流剧增原因）电子碰撞电离系数α：代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。影响碰撞电离的因素1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为1/λλ：电子平均自由行程碰撞引起电离的概率碰撞电离的条件正离子消失在阴极前，由γ过程在阴极上释放出二次电子数，即表示由γ过程在阴极上重新产生一个电子，此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展，即转入自持放电。γ过程若1.3自持放电条件自持放电条件如自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分1.3自持放电条件电负性气体的情况对强电负性气体，除考虑α和γ过程外，还应考虑η过程（电子附着过程）。η的定义与α相似，即一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的电子附着次数。可见在电负性气体中有效的碰撞电离系数为。由于强电负性气体中，所以其自持放电场强比非电负性气体高得多。以SF6气体为例，在101.3kPa，20℃的条件下，均匀电场中击穿场强为Eb≈89kV/cm，约为同样条件的空气间隙的击穿场强的3倍。总结：将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。汤逊理论的实质是：电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。1.4起始电压与气压的关系

pd值较小的情况（汤逊汤逊放电）（1）汤逊自持放电判据（2）气体击穿的巴申定律（3）气体密度对击穿的影响

为正离子表面电离系数气体放电有多种形式，先举例如下：

pd值较大的情况（流注）实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷使原电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾处的电场。电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。二次电子的主要来源是空间的光电离。（1）流注的形成条件1.5流注放电理论（2）流注自持放电条件（即形成流注的条件）流注放电的现象：流注理论解释pd值大时的放电现象。如放电并不充满整个电极空间而是细通道形式，且有时火花通道呈曲折形，放电时延远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。

半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同

放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压

放电过程不稳定，分散属于过渡区1.6不均匀电场中的放电过程不均匀电场中放电的极性效应负极性棒－板间隙的电晕起始电压比正极性棒－板电极低负极性棒－板间隙击穿电压比正极性棒－板电极高

1.6不均匀电场中的放电过程极不均匀电场中的电晕放电（1）电晕放电的起始场强δ是气体相对密度；m1表面粗糙度系数，理想光滑导线取1，绞线0.8~0.9；好天气时m2=1，坏天气时m2可按0.8估算。极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的电晕放电（2）电晕放电的危害与对策危害：功率损耗、电磁干扰、噪声污染对策：（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。（2）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。导线－板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系1－D=0.5mm2－D=3mm3－D=16mm4－D=20mm虚线－尖-板电极间隙点划线－均匀场间隙一、放电时间高电压技术1.7放电时间和冲击电压下的气隙击穿二、冲击电压波形的标准化三、冲击电压下的气隙击穿特性一、放电时间高电压技术完成气隙击穿的三个必备条件：1、足够大的电场强度或足够高的电压；2、在气隙中存在能引起电子崩并导致流柱和主放电的有效电子；3、需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。一、放电时间高电压技术统计时延：从外施电压达Uo时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子所需时间放电形成时延：从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间临界击穿电压

一、放电时间高电压技术t0

——升压时间，电压从0升到静态击穿电压U0所需时间；ts——统计时延，指从t0到气隙中出现第一个有效电子的时间；tf——放电发展时间，从出现有效电子到最终击穿的时间。放电的总时间tb由三部分组成，即

tb=tl+ts+tftl=ts+tftl——放电时延二、冲击电压波形的标准化标准雷电波的波形：T1=1.2μs±30％，T2=50μs±20％对于不同极性：+1.2/50μs或-1.2/50μs操作冲击波的波形：T1=250μs±20％，T2=2500μs±60％对于不同极性：+250/2500μs或-250/2500μs高电压技术波前时间半峰值时间高电压技术标准雷电截波用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后出现的截尾冲击波，如图。IEC标准和我国国家标准规定为：视在波前时间

T1=1.2μs±30%；截断时间

Tc=2～5μs；可写成1.2/2～5μs冲击电压下气隙击穿特性高电压技术气隙的击穿放电需要一定的时间才能完成。对于长时间持续作用的电压来说，气隙的击穿电压有一个确定的值；50％冲击击穿电压及冲击系数50％击穿电压多次施加电压时有半数会导致击穿的电压值Ub50。2.冲击系数同一间隙的50％冲击击穿电压与稳态击穿电压Uss之比

。高电压技术伏－秒特性伏－秒特性：在同一冲击电压波形下，击穿电压值与放电时延（或电压作用时间）有关的特性。用实验确定间隙伏－秒特性的方法：保持冲击电压的波形不变，逐渐升高电压使间隙发生击穿，并根据示波图记录击穿电压U与击穿时间t。击穿发生在波前或峰值，取此刻值击穿发生在波尾，取峰值未击穿100%伏秒特性0%伏秒特性50%伏秒特性50%冲击击穿电压高电压技术电气设备绝缘的伏－秒特性和避雷器的伏－秒特性（a）正确配合（b）不正确配合绝缘的伏－秒特性避雷器的伏－秒特性高电压技术高电压技术1.8沿面放电一、沿面放电的一般概念二、沿面放电的类型与特点三、沿面放电电压的影响因素和提高方法四、固体介质有水膜时的沿面放电五、绝缘子染污状态下的沿面放电六、污染事故的对策高电压技术1.8沿面放电沿面放电：沿着固体介质表面发展的气体放电现象一、沿面放电的一般概念1.沿面放电发展成电极间贯穿性的击穿称为闪络，绝缘子的放电是最常见的一种气体中的沿面放电现象；

2.通常发生在绝缘子、绝缘子串和一些固体介质的表面；3.比纯空气间隙的击穿电压低；4.容易受绝缘子表面状态、染污程度、气候条件等影响。固体介质与气体界面的电场分布状况对沿面放电有很大影响高电压技术二、沿面放电的类型和特点典型的界面电场分布沿面放电（一）均匀和稍不均匀电场的沿面放电（二）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电（三）极不均匀电场且具有弱垂直分量时的沿面放电典型界面电场分布（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）。高电压技术（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电沿面放电：均匀电场中，固体介质的引入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；高电压技术（3）上述影响因素在高气压时表现得更为明显。气压对氮气中沿面闪络电压的影响氮气间隙胶布板塑料瓷高电压技术（4）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高电压技术（二）极不均匀电场中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）滑闪放电高电压技术提高套管的电晕起始电压和滑闪放电电压的方法：（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。介质表面的电压分布高电压技术沿不同材料圆管表面的工频闪络电压峰值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－瓷和玻璃高电压技术（三）极不均匀电场中具有弱垂直分量时的沿面放电高电压技术三、沿面放电电压的影响因素和提高方法固体介质材料（亲水性和憎水性）电场型式提高闪络电压方法对于实心瓷套管，加大法兰处的瓷套外直径和壁厚，并涂半导体漆或釉330kV绝缘子柱高电压技术对于支柱绝缘子或绝缘子串可采用均压环绝缘子串的等效电路及各绝缘子承受的电压（a）只考虑对地电容CE（b）只考虑对导线电容CL（c）同时考虑CE及CL高电压技术四、固体介质表面有水膜时的沿面放电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）高电压技术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）高电压技术污闪：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。但当绝缘子表面污层被湿润，其表面电导剧增使绝缘子泄漏电流急剧增加。绝缘子的闪络电压（污闪电压）大大降低，甚至有可能在工作电压下发生闪络。绝缘子闪络电压与污染程度（以单位面积的污量表示）的关系绝缘子工作电压高电压技术五、绝缘子染污状态下的沿面放电高电压技术污闪的发展过程（1）污层刚受潮时，介质表面有明显的泄漏电流流过，电压分布是较均匀；（2）出现高电阻的“干燥带”，使污层的泄漏电流减小，并在干燥带形成很大的电压降；（3）当干燥带的电位梯度超过沿面闪络场强时，干燥带发生放电，放电具有电弧特性，这就是出现局部电弧的阶段。高电压技术影响污闪的因素（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。这实际上说明表面泄漏电流越大，闪络电压越低。所以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。高电压技术污秽等级的划分污秽等值附盐密度（mg/cm2）：

与绝缘子表面单位面积上污秽物导电性相当的等值盐(NaCl)量。用一个参数同时表征污秽性质及污秽量，以简化对污秽严重程度的描述。500kV套管及支柱绝缘子的污秽耐受电压和泄漏距离的关系附盐密度：1－0.03mg/cm2；2－0.05mg/cm2；3－0.1mg/cm2高电压技术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≤0.06