第一章-气体放电基本物理过程.ppt

1、第1章气体放电的基本物理过程,1.1带电粒子的产生和消失1.2汤逊理论1.3流注放电1.4放电时间和冲击电压下的气隙击穿1.5电晕放电和沿面放电1.6污闪放电,第1章气体放电的基本物理过程,1.1.1带电粒子在气体中的运动1.1.2带电粒子的产生1.1.3负离子的形成1.1.4带电粒子的消失,1.1带电粒子的产生和消失,平均自由行程带电质点的迁移率激励电离复合,1.1.1带电粒子在气体中的运动,质点的平均自由行程,：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞次数的倒数。,1.1.1带电粒子在气体中的运动,质点的平均自由行程,电子的要比分子和离子的大得多,的性质,1.1.1带电粒子在气体中的运

2、动,带电质点的迁移率,E,负极,正极,1.1.1带电粒子在气体中的运动,激励、电离和复合,原子核,基态电子,能量,激励,电离,电离能,复合,1.1.1带电粒子在气体中的运动,激励、电离和复合,1.1.1带电粒子在气体中的运动,1.1.2带电粒子的产生,带电粒子的来源,1.1.2带电粒子的产生,中性原子,电子,E,1.1.2带电粒子的产生,中性原子,电子,1.1.2带电粒子的产生,中性原子,1.1.2带电粒子的产生,E,负极,正极,正离子的能量与金属电极的逸出功的关系,1.1.2带电粒子的产生,源于电极,1.1.2带电粒子的产生,E,负极,正极,光电效应,1.1.2带电粒子的产生,E,负极,正极

3、,1.1.2带电粒子的产生,E,负极,正极,真空中、高压气体中、液体中、固体中,电场阈值,1.1.3负离子的形成,气体分子要有很高的电负性,E,负极,正极,1.1.3负离子的形成,电子亲和能,1.1.4带电质点的消失,E,负极,正极,复合,中和,扩散,1.2汤逊理论,1.2.1、电子崩1.2.2、自持放电1.2.3、巴申定律1.2.4、汤逊理论,1.2汤逊理论,E,负极,正极,1.2.1.电子崩,电子崩,崩头,崩尾,1.2汤逊理论,1.2.1.电子崩,讨论,与电场及气压的关系,的定义,E增大，急剧增大；p很大或很小时，均很小。,电子碰撞电离系数,1cm，碰撞电离平均次数,1.2汤逊理论,1.2

4、.1.电子崩,电子数：,1.2汤逊理论,E,负极,正极,1.2.2.自持放电,电荷泄漏完毕，放电过程完成,1.2汤逊理论,1.2.2.自持放电,电子数：,新电子数：,1.2汤逊理论,1.2.2.自持放电,均匀电场自持放电条件：,1.2汤逊理论,1.2.2.自持放电,电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小,电流饱和，带电质点全部进入电极，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

5、持，不再需要外电离因素。,1.2汤逊理论,1.2.3.巴申定律,1889年，巴申完成了他的著名实验。,1.2汤逊理论,1.2.3.巴申定律,定性解释,气压下降,电子累积能量大,1.2汤逊理论,1.2.4.汤逊理论,汤逊的理论推导,考虑过程：考虑自持放电临界条件：考虑平均自由程与气压的关系：,1.2汤逊理论,1.2.4.汤逊理论,汤逊的理论推导,击穿电压U表示为：,汤逊理论的适用条件：,均匀电场,无法解释长间隙放电的物理现象,1.2汤逊理论,1.3流注放电,1.3.1均匀电场气隙中的流注放电1.3.2不均匀电场气隙中的流注放电1.3.3先导放电（补充知识）,什么样的电场是不均匀电场？,均匀电场：

6、削弱了边缘效应的平行板电极。稍不均匀电场：球隙、同轴圆筒状电极。极不均匀电场：棒-板电极，棒-棒电极,1.3流注放电,1.3.1均匀电场气隙中的流注放电,负极,正极,1.3.1均匀电场气隙中的流注放电,二次电子崩,注入初崩,空间电荷作用？,流注自持,1.3.1均匀电场气隙中的流注放电,汤逊理论的问题（长间隙气隙）,阴极作用,放电时间,流注过程,放电通道,空间电荷+光电离,1.3.1均匀电场气隙中的流注放电,负极,正极,正流注：由正极向负极发展的流注放电过程。发展速度：3-410e6m/s,1.3.1均匀电场气隙中的流注放电,负流注：由负极向正极发展的流注放电过程发展速度：7-810e5m/s,

7、负极,正极,1.3.2不均匀电场气隙中的流注放电,正极,负极,正棒负板放电过程,电场加强，有利正流注发展,电子崩,流注,场强增大,流注加强,放电,1.3.2不均匀电场气隙中的流注放电,正棒负板电场分布,1.3.2不均匀电场气隙中的流注放电,负极,正极,负棒正板放电过程,电子崩,流注,场强不足,流注熄灭,棒极前流注加强,混合质通道,场强增大,流注开始,放电,1.3.2不均匀电场气隙中的流注放电,负棒正板电场分布,1.3.2不均匀电场气隙中的流注放电,极性效应,极性：曲率半径小的电极所带的极性。,不均匀电场气隙中，正极性放电较负极性放电更容易发生。,1.3.3先导放电,间隙过长（超过1m），流注不

8、足以贯通时，击穿如何发生？,炽热的等离子体通道,热电离,1.4放电时间和冲击电压下的放电特性,1.4.1放电时间的概念和意义1.4.2标准化冲击电压波形1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性,1.4.1放电时间的概念和意义,引发放电的条件：a.强电场b.种子电子c.放电时间放电时间：nss数量级外施电压为直流、交流有充足的放电时间。若为冲击电压，情况将怎样？,1.4.1放电时间的概念和意义,1.4.1放电时间的概念和意义,1.4.2标准化的冲击电压波形,1、标准雷电冲击电压波,OC为视在波前OF为视在波前时间OG为视在半峰值时间国标规定：,1.4.2标准化的冲击电压波形,2、标准雷电冲击截波电压波

9、,波前时间/截断时间,1.4.2标准化的冲击电压波形,3、标准操作冲击电压波,1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性,持续电压作用下，气隙的击穿特性为一确定的数值。通常用击穿电压或击穿场强来表征。,冲击电压作用下，气隙的击穿特性如何表征？,1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性,1.50%冲击击穿电压,击穿百分比为50%时的电压，称为。工程上采用该值表征气隙的冲击击穿特性，一般认为外施10次冲击电压，发生4-6次击穿的电压就是该值。,冲击系数：U50%与Us之比。均匀或稍不均匀电场：=1；极不均匀电场：1,1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性,2.伏秒特性（曲线）,工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时

10、间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。,保持波形不变仅改变幅值,1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性,2.伏秒特性（带）,伏秒特性是一个有上下包络线的带状区域。工程上通常取平均伏秒特性或50%伏秒特性表示气隙的击穿特性。,1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性,2.伏秒特性,1）极不均匀电场（大间隙）平均击穿场强较低，放电时延较长，只有大大提高电压，才能缩短放电时延。S向左上角上翘2）较均匀电场（小间隙）间隙各处场强相差不大，一但出现电离，很快贯穿整个间隙，放电时延短。S只能在很小的时间内向上翘,1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性,2.伏秒特性,1.4.3冲击电压下气隙的击穿特性,

11、50%冲击击穿电压与伏秒特性曲线比较,U50%直观简单，但粗略,伏秒特性曲线精确明晰，但繁琐,1.5电晕放电和沿面放电,1.5.1电晕放电1.概念2.物理过程和效应3.直流输电线上的电晕4.交流输电线上的电晕5.输电线路电晕的抑制方法6.电晕的应用1.5.2沿面放电1.概念2.类型及特点3.放电电压提高方法4.湿闪现象5.污闪放电,1.5.1电晕放电,1、电晕放电的概念,曲率半径小的电极尖端发生的蓝紫色晕光状放电。,极不均匀场的一种特有的自持放电形式。,1.5.1电晕放电,1、电晕放电的概念,1.5.1电晕放电,2、电晕放电的物理过程和效应,负极,正极,1.5.1电晕放电,2、电晕放电的物理过

12、程和效应,正极,负极,1.5.1电晕放电,2、电晕放电的物理过程和效应,极性效应：负电晕较正电晕容易发生,电晕电流的数量级：一般为微安级,1.5.1电晕放电,2、电晕放电的物理过程和效应,效应：1)、声、光、热吱吱的响声蓝紫色的晕光周围气体温度升高,1.5.1电晕放电,2、电晕放电的物理过程和效应,效应：2)、电风的作用电子和离子高速运动与气体交换能量形成电风空气对电风的反作用使电晕电极舞动,1.5.1电晕放电,2、电晕放电的物理过程和效应,效应：3)、高频脉冲作用电晕引发的高频脉冲是造成无线电干扰的原因之一。,1.5.1电晕放电,2、电晕放电的物理过程和效应,效应：4)、化学作用形成臭氧、一

13、氧化氮、二氧化氮和氨气等。产物会腐蚀金具、有机绝缘材料，使其老化，使用寿命减少。,1.5.1电晕放电,2、电晕放电的物理过程和效应,效应：5)、能量损耗电晕损耗是电力管理部门最重视的现象之一。在有些场合，电晕损耗的程度非常可观。,1.5.1电晕放电,2、电晕放电的物理过程和效应,效应：6)、环境效应电晕噪声影响人类的正常工作。,1.5.1电晕放电,3、直流输电线上的电晕,输电线路导线：两平行导线：,4、交流输电线上的电晕,单导线对地：,1.5.1电晕放电,5、输电线路电晕的抑制方法,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750k

14、V的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。,1.5.1电晕放电,6、电晕的应用,过电压波在传输线上行进时，电晕可削弱其幅值及陡度；电晕在静电除尘、臭氧发生器的应用。电晕在驻极体制备上的应用。,1.5.2沿面放电,1、沿面放电的一般概念,复合绝缘子上的爬电现象；GIS支撑绝缘子上的放电；开关柜中的爬电；,1.5.2沿面放电,1、沿面放电的一般概念,沿固体-气体交界面发生的放电现象。贯通两电极的沿面放电称为沿面闪络。,1.5.2沿面放电,1、沿面放电的一般概念,沿面闪络的基本特性：无机介质（陶瓷、玻璃）：闪络后电气强度可恢复。有机介质：电痕破坏。,1.5.2沿面放电,1、沿面放电的一般概念,沿

15、面闪络的基本特性：沿面闪络电压要比等间隙下的固体及气体击穿电压低，因此，设备绝缘的性能通常由沿面闪络电压决定。沿面闪络受绝缘表面状况的影响很大，干燥，潮湿和污秽条件下，闪络过程的差别很大。因此有干闪络电压、湿闪络电压和污秽闪络电压之分。沿面放电的过程受电场型式影响较大。,1.5.2沿面放电,2、沿面放电的类型和特点,界面处的电场分布：a.固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行。,1.5.2沿面放电,2、沿面放电的类型和特点,界面处的电场分布：b.固体介质处于极不均匀电场中，界面的法向分量远大于切向分量。,1.5.2沿面放电,2、沿面放电的类型和特点,界面处的电场分布：c.固体介质处于极不均

16、匀电场中，且界面处的切向电场远大于法向电场。,1.5.2沿面放电,2、沿面放电的类型和特点,沿面放电：均匀电场中，固体介质的引入似乎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,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；,均匀电场中的沿面放电,1.5.2沿面放电,2、沿面放电的类型和特点,均匀电场中的沿面放电,（3）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,对于支柱绝缘子，内屏蔽电极可以提

17、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,1.5.2沿面放电,2、沿面放电的类型和特点,极不均匀电场中的沿面放电,表面具有强垂直电场分量,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,1.5.2沿面放电,3、沿面放电电压的影响因素和提高方法,1).固体介质材料种类:根据固体材料的憎水性或亲水性，选择适当的材料。,1.5.2沿面放电,表面具有强垂直电场分量,提高套管的电晕起始电压和滑闪放电电压的方法：2.改善电场（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

18、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。,等值电路,3、沿面放电电压的影响因素和提高方法,1.5.2沿面放电,4、湿闪现象,输电线路或变电站的户外绝缘子，运行条件恶劣，复杂,a.雨：大雨，毛毛雨。b.雪：大雪，雨夹雪。c.冰：冰灾，雾凇。d.风：大风，污染，粉尘,1.5.2沿面放电,4、湿闪现象,典型绝缘子湿闪的放电路径,途径1：若工业水导电率很高，湿闪电压可以下降至干闪电压的40%-50%。途径2：击穿特性以气隙为主，不会比干闪电压下降太多。途径3：连续的水柱使得闪络电压大幅下降。,1.5.2沿面放电,工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘、鸟粪等,干燥条件下，污染物一般不导电：大雨滂沱时，污染物会被冲刷掉；毛毛雨时污染物被润湿，电导率增大，泄漏电流随之增大产生干带,最先放电局部电弧继续烘干污染物，使放电延续局部电弧贯穿两极形成沿面闪络。这个电弧增大的过程，称为爬电。,5.污闪放电,1.5