高电压技术26318课件

继电保护与高电压气体放电的物理过程高电压技术研究气体放电的目的：

了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程

掌握气体介质的电气强度

学会如何选择合适的绝缘距离以及如何提高气体间隙的击穿电压

了解气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状态的关系电气设备中常用气体作为绝缘介质，常用的气体介质：空气、SF6及其混合气体气体放电过程：在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程。问题的提出：1、气隙中带电粒子是如何形成的？2、气隙中的导电通道是如何形成的？3、气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？一、带电粒子在气体中的运动电子平均自由行程公式

由气体动力学可知，电子平均自由行程长度：：气体分子半径：大气压力：气温：波尔兹曼常数2.激励

原子在外界因素作用下，其电子从处在距原子核较近的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态的轨道，这个过程称为激励。如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆脱原子核的约束而成为自由电子。

原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱原子核的约束而成为自由电子，这一现象称为电离。原子被分解成两种带电粒子—电子和正离子。使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。3.电离当气体分子受到光辐射时，如光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子：

h—普朗克常数h＝6.62×10-27尔格·秒。

—频率（光是频率不同的电磁辐射，也具有粒子性，称为光子）

电离形式二：光电离导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、x射线等）提供，也可以由气体放电过程本身产生。光子的产生一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。包括：随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离；高温下高能热辐射光子引起的光电离。电离形式三：热电离c、强场放射（冷放射）当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子d、热电子放射当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属。电离形式四：金属(阴极)的表面电离（续）正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程称为复合过程。在带电质点的复合过程会以光子的形式释放能量，产生光辐射。这种光辐射在一定条件下有可能成为导致电离的因素（如流柱理论中二次电子崩的起因）。4.带电质点的复合二、气体放电过程的一般描述:电子崩理论

在外电离因素作用下，从阴极产生的第一个起始电子，从电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子，这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自由电子，这样一代一代不断增加的过程，会使带电质点迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样。这一剧增的电子流称为电子崩。为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数：

系数：代表一个电子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生的碰撞电离次数；

系数：代表一个正离子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生的碰撞电离次数；

系数：表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属表面平均释放出的自由电子数。电子崩理论

一个电子从阴极到阳极产生的电子数N：

一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为：电子崩中电子数目的计算气体放电的主要形式

辉光放电：整个空间发光，电流密度小；低气压、电源功率小；霓虹灯

火花放电：有收细的发光放电通道、贯穿两极的断续的明亮火花；大气压下、电源功率小

电晕放电：紧贴尖电极周围有一层晕光；极不均匀场

外施电压小于U0时，间隙内电流数值很小，间隙还未被击穿，这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，电流将消失。这类放电称为非自持放电。非自持放电

当电压达到U0后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增，其中的电离只靠电场的作用自行维持，不再需要外电离因素。这种放电形式称为自持放电。自持放电放电的发展过程

均匀电场：任意位置的自持放电将迅速引起气体间隙击穿，放电的起始电压U0为击穿电压；

非均匀电场：当电压达到U0后，出现电晕，U0为电晕起始电压，电压继续升高，相继出现刷状放电、火化放电（或电弧放电）。一个电子从阴极到阳极产生的电子数N：

过程：对应于起始电子形成电子崩的过程；汤森德机理

过程和过程

过程：描述了离子崩到达阴极后，将引起阴极发射二次电子的过程。一个正离子从阴极轰出的自由电子个数：击穿过程：上述两个过程交替重复进行，自由电子数目越来越多，最终导致击穿。电子崩——气隙击穿汤森德机理（续）28

第一章气体放电的基本物理过程（续）

巴申定律击穿电压是气压P

与极间距离d

的乘积（或气体相对密度与极间距离d

的乘积）的函数物理学家巴申在汤森德理论提出之前从实验中得出30击穿电压有最小值巴申/帕邢定律形成自持放电需要达到一定的电离数，而这又决定于碰撞次数与电离概率的乘积，如果d固定，则当p增大时，碰撞次数将增加，而电离概率将减小。因此在某个p值下有最大值，从而击穿电压达到最小；击穿电压有最小值的解释另一方面，如果p固定，则当d增大时，碰撞次数将增加，而E=U/d减小，电离概率减小，因此在某个d值下有最大值，从而击穿电压达到最小值巴申定律巴申定律与汤逊机理在Pd

较小时相一致根据巴申定律可知，由于在P很大或P很小时，击穿电压都较高，可采用提高气压或降低气压到高度真空来提高气隙的击穿电压汤逊机理的适用范围适用范围：低气压，短气隙，pd<200cm.mmHg工程上pd较大：实际与理论的差别：放电外形：放电在整个间隙中均匀连续（辉光），而火花放电带有分支的明亮细通道放电时间：由正离子迁移率计算出的放电时间比实际火花放电时间长得多阴极材料：理论上有关，实际中无关流注机理

电子碰撞电离：形成电子崩，是维持自持放电的主要因素空间光电离：形成衍生电子崩，是维持自持放电的主要因素空间电荷畸变电场的作用：为衍生崩创造了条件流注：由大量正负离子混合形成的等离子体通道（导电性能良好）击穿过程：电子崩——流注发展延伸——击穿35电子崩空间电荷对电场的畸变:外加电场:正空间电荷与负极板产生的电场：正空间电荷与负空间电荷产生的电场：负空间电荷与正极板产生的电场：空间电荷产生的电场与外加电场叠加后的实际电场电子崩前方和尾部处的电场增强，强场区的中间部分场强小，复合产生光电离正流注的产生初崩头部放出的光子在崩头前方和崩尾后方引起空间光电离并形成二次崩，以及它们和初崩汇合的过程

当外施电压为气隙最低击穿电压时，光子在崩尾引发衍生子崩，从正极板出发。电极间所加电压等于自持放电起始电压，初崩跑完这个气隙，其头部才能积聚到足够的电子数而引起流注(a)初崩跑完整个气隙后引发流注（b）出现流注的区域从阳极向阴极方向推移（c）流注放电所产生的等离子通道短接了两个电极，气隙被击穿。从电子崩到流注的转换流注机理的结论自持放电条件：起始电子崩头部电荷数量足以畸变电场造成足够的空间光电离

是一常数，工程上一般认为：巴申定律与流注机理在Pd

较大时相一致流注理论对Pd很大空间时放电现象的解释放电外形：衍生电子崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可能均匀，随机性使其曲折分支；放电时间：光子以光速传播，衍生崩跳跃式发展，因此放电发展时间很短；阴极材料的影响：维持放电的是光电离而不是表面电离，因而与阴极材料无关。极不均匀电场中气体击穿的发展过程——现实和工程中常见的气体放电40均匀电场和极不均匀电场示意图a、显著的极性效应：施加电压的极性对放电过程和击穿电压影响很大b、较长的放电时延：需要足够的发展时间（电压要持续一定时间才可击穿）c、短间隙、长间隙、超长间隙各不相同d、可能出现各种放电形式：电晕、刷状、火花、弧光放电等e、只能用流注机理来解释1、极不均匀电场击穿的特点随着加在间隙上电压的提高，间隙中的放电过程为：电子崩—

流注—

主放电（击穿）2、短间隙的击穿过程（以棒—板间隙为例）正极性电晕起始电压高；负极性电晕起始电压低正棒难以形成流注负棒容易形成流注棒—板间隙极性效应1棒—

板间隙极性效应2：正极性击穿电压低；负极性击穿电压高正棒：流注顺利持续发展负棒流注逐步顿挫发展3、长间隙中的先导放电在长间隙放电中，流注汇集，形成通道状且不断发展，称为先导放电先导通道中由于电流较大，温度很高，出现热电离，因而电导更大，可以将电极的电位传到先导通道的端部（棒—板间隙距离大于1米）先导发展的速度和回路中电阻有很大关系，发展越来越快3、长间隙中的先导放电（续）先导形成：a、电场极不均匀、施加电压很高b、棒极周围产生大量流注并向棒极汇聚c、汇聚的流注通道电流很大，发热，产生热电离先导通道：在棒极前方造成的炽热的等离子体通道，具有相当高的电导和很小的轴向电场电子崩—

流注—

先导—

主放电（击穿）4、长间隙的击穿过程a、极性效应：正先导顺利持续发展；负先导逐级顿挫发展—正棒击穿电压低b、先导的实质是继流注发展起来的二次过程，在放电发展过程中建立了炽热的导电通道，使得长间隙的平均击穿场强远低于短间隙c、击穿电压随间隙的增长而趋于饱和5、长间隙击穿的特点6、极不均匀电场中的主放电过程当先导头部流注即将到达板极时，立刻有一个放电过程从板极向棒极发展，称为主放电主放电发展速度比先导快得多主放电通道温度更高，明亮得多，电导更大，回路具有短路性质6、极不均匀电场中的主放电过程a、电晕放电现象：尖极周围有发光层，可听到咝咝声，闻到臭氧气味b、空间电荷的作用：外层的空间电荷与尖极极性相同，使得电晕层中的场强基本不变，使放电趋于稳定c、两种形式：电子崩形式（电极很尖）和流注形式7、极不均匀电场中的电晕放电d、脉冲现象：外层空间电荷阻止放电发展，形成有规律的脉冲；进入刷状放电后，形成随机脉冲e、发展过程：无规律小电流—〉有规律重复脉冲—〉脉冲频率增大—〉转入持续电晕，无脉冲现象—〉进入刷状放电，出现随机脉冲极不均匀电场中的电晕放电（续）思考题1、简述流注机理和结论。2、流注理论和汤逊理论各自适用的条件比较。3、极不均匀电场击穿有哪些特点？4、简述长间隙的放电过程和特点。5、简述极不均匀电场中的主放电过程。本节完第一章气体放电的基本物理过程55第八节沿面放电及防污对策沿面放电的概念沿面放电界面电场分布与特点沿面放电电压的影响因素固体表面有水膜时的沿面放电（湿闪放电）绝缘子污染状态下的沿面放电（污闪放电）污闪事故的对策一、沿面放电概念沿面放电：气体中沿着固体绝缘表面放电的形式有：沿面滑闪：尚未发生击穿的放电形式沿面闪络：沿面击穿的放电现象

指沿气体介质与固体介质的交界面上发展的一种特殊的气体放电现象

电力系统中绝缘子、套管等固体绝缘在机械上对高压导体起固定作用，又在电气上起绝缘作用，其绝缘状况关系到整个电力系统的可靠运行。可能发生沿面放电的电气设备1、绝缘子：导体与地之间绝缘和连接支柱绝缘子悬式绝缘子2、瓷套：用作电气内绝缘的容器电流互感器氧化锌避雷器3、套管：用作穿过电器外壳和墙体变压器套管613、套管：用作穿过电器外壳和墙体电容式穿墙套管

固体介质击穿：一旦发生击穿，即意味着不可逆转地丧失绝缘功能。

沿介质表面发生闪络：由于大多数绝缘子以电瓷、玻璃等硅酸盐材料组成，所以沿着它们的表面发生放电或闪络时，一般不会导致绝缘子的永久性损坏。电力系统的外绝缘，一般均为自恢复绝缘，因为绝缘子闪络或空气间隙击穿后，只要切除电源，它们的绝缘性能都能很快地自动彻底恢复。绝缘功能的丧失可以分为以下两种情况

沿固体介质表面的闪络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。输电线路和变电所外绝缘的实际绝缘水平取决于它的沿面闪络电压。它与设备表面的干燥、潮湿或清洁、污染有较大关系。沿面放电的实验现象

干闪放电气体沿面放电的主要类型

湿闪放电

污闪放电

冰闪放电沿面闪络电压很低，闪络可能在工作电压下发生二、沿面放电界面电场分布与特点界面电场分布可分为3种典型情况，见下图

(a)固体介质处于均匀电场中，界面与电力线平行，这种情况工程实际中少见，但实际中会遇到不少固体介质处于稍不均匀电场的情况。放电现象与均匀场相似均匀电场中的固体介质

(b)固体介质处于极不均匀电场中，且界面电场的垂直分量En比平行于表面的切线分量Et要大得多（套管）极不均匀电场中的固体介质

(c)固体介质处于极不均匀电场中，但大部分界面上的电场切线分量Et大于垂直分量En（支柱绝缘子）极不均匀电场中的固体介质（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电

图(a)平板电场电极间插入一块固体介质，沿面闪络电压比纯空气时下降很多，原因如下：

大气中的潮气吸附到固体介质的表面形成薄水膜，电极表面集聚了电荷，沿面电压变得不均匀，降低了闪络电压。

固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙

固体表面电阻的不均匀和粗糙不平造成电场畸变。（二）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电电晕放电辉光放电滑闪放电沿面闪络外施电压升高电压超过某一值电压再升高一些滑闪机理：带电离子撞击介质表面，使局部温度升高，导致热电离（套管）（二）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电——理论分析等值电路：由固体介质表面电阻，比电容和体积电阻构成表面电阻Rs：介质单位面积的表面电阻比电容C0：介质表面单位面积对另一电极（导杆）的电容体积电阻G1：与C0并联的介质体积电阻（一般略去）（二）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电——理论分析介质表面电压不均匀分布：由于靠近法兰处的Rs中流过的电流大于远离法兰处的Rs中的电流；在法兰附近，电场强度大，其垂直分量也大，此处容易发生滑闪放电x0U虚线为C0→0时的电压分布（二）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电放电特点

滑闪放电在交流和冲击电压下很明显随着电压的增加，滑闪长度增加得很快，单靠加长沿面距离来提高闪络电压的效果很差法兰处套管的外径和壁厚越大，滑闪放电电压越大（二）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电提高措施

减小比电容C0：加大法兰处套管的外径和壁厚，也可采用介电常数较小的介质，以改善介质表面电压分布的不均匀程度，如用瓷—油组合绝缘代替瓷介质等

减小绝缘表面电阻Rs：通过减小介质表面电阻率实现，如在套管靠近接地法兰处涂半导体釉等，以使此处压降逐渐减小，防止滑闪放电过早出现（三）极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电

平均闪络场强比均匀电场时低得多；另一方面，由于界面上电场垂直分量很弱，因此不会出现热电离和滑闪放电

这种绝缘子的干闪络电压（表面干燥、清洁时），基本上随极间距离的增大而提高

支柱绝缘子（四）三种典型界面电场分布对沿面放电特性的影响沿面平均闪络场强：情况（a）〉（c）〉（b）情况（c），其沿面闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压略有减小；而情况（b），其沿面闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压低很多，主要是由于强垂直分量的作用易引起热电离，出现了滑闪放电的缘故。如右图，取决于材料的亲水性或憎水性三、沿面放电电压的影响因素（一）固体介质材料（二）电场型式放电电压与电场型式有很大关系（三）大气条件

气压增大时，闪络电压增加不多温度的影响与纯空气间隙相似，但不如纯空气间隙显著湿度小于40％时无影响，大于40％时由水分在介质表面的凝结状况确定（四）固体介质表面状况淋雨、污秽、覆冰等情况下，沿面放电的特点三、沿面放电电压的影响因素四、固体表面有水膜时的沿面放电

由于雨淋时，绝缘子表面上的水膜大都是不均匀和不连续的，因而造成有水膜覆盖的表面电导大，无水膜处的表面电导小，绝大部分外加电压由干表面来承受（湿闪放电）（2）沿湿表面AB和空气间隙BA’发展，空气间隙BA’中只有分散的雨滴，绝缘子湿闪电压不会下降很多（1）沿湿表面AB和干表面BCA’发展,绝缘子湿闪电压为干闪时的40～50％绝缘子在雨中可能的闪络途径（3）沿湿表面AB和水流BB’发展，伞裙间的气隙被连续的水流所短接，湿闪电压降低到很低的数值五、绝缘子污染状态下的沿面放电闪络形成过程：（1）绝缘子表面上的污层在毛毛雨、雾、露等不利天气时，被水分湿润，电导大增，工作电压下泄漏电流大增，有些污层被烘干，出现干区。（2）干区电阻比其余湿污层电阻大很多，此时整个绝缘子上的电压几乎都集中在干区上；干区间隙不大，场强很大，首先出现电晕或辉光放电；（3）由于此时泄漏电流较大，电晕或辉光放电很容易转变为局部电弧；绝缘子表面上不断延伸发展局部电弧（称为爬电），一旦达到某一临界长度时，自动贯穿两极，形成沿面闪络，此时相应的电压称为污闪电压。闪络形成过程污闪过程：积污受潮干区形成局部电弧出现沿面闪络电晕放电污层受潮条件：多雾；常下毛毛雨；易凝露地区；长期干旱积污地点：城市>