气体放电理论二

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1、1 气体放电理论 二 2 主要内容 气体中带电质点的产生和消失气体放电的一般描述均匀电场中气体击穿的发展过程不均匀电场中气体击穿的发展过程 3 三 均匀电场中气体击穿的发展过程 二 流注气体放电理论工程上感兴趣的是压强较高气体的击穿 如大气压强下空气的击穿特点 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电场的作用通过大量的实验研究 主要在电离室中进行的 说明放电发展的机理 4 电子崩阶段空间电荷畸变外电场流注阶段光电离形成二次电子崩 等离子体 5 1 电子崩阶段 电子崩外形 电子崩中的电子数 n e x例如 正常大气条件下 若E 30kV cm 则 11cm 1

2、 计算得到随着电子崩向阳极推进 崩头中的电子数 6 空间电荷畸变外电场大大加强了崩头及崩尾的电场 削弱了崩头内正 负电荷区域之间的电场 电子崩头部 电场明显增强 有利于发生激励或电离现象 当它们回复到正常状态时 放射出光子崩头内部正 负电荷区域 电场大大削弱 有助于发生复合过程 发射出光子 7 2 流注阶段 当电子崩走完整个间隙后 大密度的头部空间电荷大大加强了外部的电场 并向周围放射出大量光子光子引起空间光电离 其中的光电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引 在受到畸变而加强了的电场中 造成了新的电子崩 称为二次电子崩 光电离 二次崩 1 主电子崩2 二次电子崩3 流注 8 正流注的形成 二次

3、电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区 电场强度较小 大多形成负离子 大量的正 负带电质点构成了等离子体 这就是正流注流注通道导电性良好 其头部又是二次电子崩形成的正电荷 因此流注头部前方出现了很强的电场 1 主电子崩2 二次电子崩3 流注 9 正流注向阴极推进 流注头部的电离放射出大量光子 继续引起空间光电离 流注前方出现新的二次电子崩 它们被吸引向流注头部 延长了流注通道流注不断向阴极推进 且随着流注接近阴极 其头部电场越来越强 因而其发展也越来越快流注发展到阴极 间隙被导电良好的等离子通道所贯通 间隙的击穿完成 这个电压就是击穿电压 10 在电离室中得到的初始电子崩照片图a和图b的

4、时间间隔为1 10 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p 273毫米汞柱E 12千伏 厘米 电子崩在空气中的发展速度约为1 25 107cm s 11 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1 108 2 108cm s 12 自持放电条件 一旦形成流注 放电就进入了新的阶段 放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持 即转入自持放电了 如果电场均匀 间隙就将被击穿 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的条件 13 3 流注理论对pd很大时放电现象的解释 1 放电外形Pd很大时 放电具有通道形式流注出现后 对

5、周围空间内的电场有屏蔽作用当某个流注由于偶然原因发展更快时 将抑制其它流注的形成和发展 并且随着流注向前推进而越来越强烈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 并带有分枝电子崩不致影响到邻近空间内的电场 不会影响其它电子崩的发展 因此汤逊放电呈连续一片 辉光放电 14 2 放电时间光子以光速传播 所以流注发展速度极快 这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象 3 阴极材料的影响根据流注理论 维持放电自持的是空间光电离 而不是阴极表面的电离过程 这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材料基本无关了 15 四 不均匀电场中气体击穿的发展过程 球间隙的工频放电电压的变动情况

6、1 击穿电压2 电晕起始电压3 刷状放电电压4 过渡区域d0 2D d0 4D 当dd0时 电场已不均匀 当电场还明显低于击穿电压时 出现电晕放电 刷状放电 d0和d0 之间 过渡区域 放电过程不很稳定 击穿电压分散性很大当d d0 时 电晕起始电压己开始变得低于击穿电压了 16 根据电场均匀程度和气体状态 可出现不同情况 电场比较均匀的情况放电达到自持时 在整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不均匀程度增加但仍比较均匀的情况当大曲率电极附近 达到足够数值时 间隙中很大一部分区域 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 导致间隙完全击穿电场极不均匀的情况当大

7、曲率电极附近很小范围内 已达相当数值时 间隙中大部分区域值 都仍然很小 放电达到自持放电后 间隙没有击穿 电场越不均匀 击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大 17 引入电场不均匀系数f表示各种结构的电场的均匀程度f4后 极不均匀电场 18 特殊放电现象 电晕放电 电晕放电现象电离区的放电过程造成 咝咝的声音 臭氧的气味 回路电流明显增加 绝对值仍很小 可以测量到能量损失脉冲现象 a 时间刻度T 125 s b 0 7 A电晕电流平均值 c 2 A电晕电流平均值 19 电晕起始电压和电晕起始场强是不均匀电场特有的自持放电形式 起始电压在原理上可由自持放电条件求得对工程实践有重要意义不利影响 能量

8、损失 放电脉冲引起的高频电磁波干扰 噪声 生化学反应引起的腐蚀作用等有利方面 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布 提高击穿电压 利用电晕放电除尘等 20 极不均匀电场中的放电过程 短间隙 以棒 板间隙为例1 非自持放电阶段当棒具有正极性时在棒极附近 积聚起正空间电荷 减少了紧贴棒极附近的电场 而略微加强了外部空间的电场 棒极附近难以造成流注 使得自持放电 即电晕放电难以形成 Eex 外电场Esp 空间电荷的电场 21 当棒具有负极性时电子崩中电子离开强电场区后 不再引起电离 正离子逐渐向棒极运动 在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷 使电场畸变棒极附近的电场

9、得到增强 因而自持放电条件就易于得到满足 易于转入流注而形成电晕放电 Eex 外电场Esp 空间电荷的电场 22 极性效应 实验表明 1棒 板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高U 电晕 U 电晕 2工频电压U升高 电晕现象 23 2 流注发展阶段当棒具有正极性时流注等离子体头部的正电荷减弱等离子体中的电场 而加强其头部电场 曲线2 电场加强的流注头部前方产生新电子崩 其电子吸引入流注头部正电荷区内 加强并延长流注通道 其尾部的正离子构成流注头部的正电荷流注及其头部的正电荷使强电场区更向前移 曲线3 促进流注通道进一步发展 逐渐向阴极推进 24 当棒具有负极性时棒极的强电场区产生大量的

10、电子崩 汇入围绕棒极的正空间电荷 等离子体层呈扩散状分布 削弱前方电场 曲线2 在相当一段电压升高的范围内 电离只在棒极和等离子体层外沿之间的空间内发展等离子体层前方电场足够强后 发展新电子崩 其正电荷加强等离子体层前沿的电场 形成了大量二次电子崩 汇集起来后使得等离子体层向阳极推进 25 极性效应 实验表明 1棒 板间隙中棒为负极性时击穿电压比正极性时高U 击穿 U 击穿 2工频电压U升高 击穿现象 26 极不均匀电场中的放电过程 长间隙 非自持放电阶段流注发展阶段先导放电 热电离过程主放电阶段 27 3 先导放电 正棒 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 由

11、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 28 流注根部温度升高 热电离过程 先导通道 电离加强 更为明亮 电导增大 轴向场强更低 发展速度更快 长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙 29 4 主放电 当先导通道头部极为接近板极时 间隙场强可达极大数值 引起强烈的电离 间隙中出现离子浓度远大于先导通道的等离子体新出现的通道大致具有极板的电位 在它与先导通道交界处保持极高的电场强度 继续引起强烈的电离高场强区 强电离区 迅速向阳极传播 强电离通道也迅速向前推进 这就是主放电过程 主放电通道 主放电和先导通道的交界区 先导通道 主放电发展和通道中轴向电场强度

12、分布图 30 一 沿面放电的一般概念固 气绝缘击穿 一固体介质本身的击穿二气体间隙击穿二沿着固体介质表面发生闪落 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 一般 U 固 U 气 U 沿面 在表面潮湿污染的情况下 沿面闪落电压会更低 2 6沿面放电和污闪事故 31 1 平行 固体介质处于均匀电场中 且界面与电力线平行 此时的沿面放电特性与均匀电场的情况有些相似 固体介质与气体介质交界面上的电场分布状况对沿面放电特性有很大影响 界面电场分布可分为典型二种情况 二 沿面放电的类型与特点 32 下面就三种情况分别介绍放电特性 情况一

13、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 33 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 所产生的带电粒子沿固体介质表面移动 畸变了原有电场 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 34 当U升高的过程中 1法兰处电晕放电 如右a图2平行的火花细线组成的光带 如b图3细线突然迅速增长

14、转为分叉的树枝状明亮火花通道 滑闪放电 如c图4完成表面气体的完全击穿 称为沿面闪络或简称 闪络 二 极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电 35 支柱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 干闪落电压随极间距离的增大而提高 平均闪落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弱垂直分量极不均匀电场则低 距离 绝缘子 界面电场主要为强垂直分量的极不均匀电场中 闪落电压更低 电场最强处厚度 套管 三 极不均

15、匀电场垂直分量很弱时的沿面放电 36 主要是增大极间距离 横向 防止或推迟滑闪放电 以瓷套管为例 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 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 强垂直分量的极不均匀电场 37 部分淋湿 绝缘子表面的水膜是不连续的 AB湿BCA 干 有水膜覆盖的表面电导大 无水膜处的表面电导小大多数外加电压将由干表面 图中的BCA 段来承受 或者空气间隙BA 先击穿或者干表面BCA 先闪落 但结果都是形成A

16、BA 电弧放电通道 闪络如雨量特别大时 伞间 BB 被雨水短接构成电弧通道 闪络 沿湿表面AB和干表面BCA 发展 沿湿表面AB和空气间隙BA 发展 沿湿表面AB和水流BB 发展 38 湿闪只有干闪电压的40 50 还受雨水电导率的影响 绝缘子的湿闪电压不会降低太多 湿闪电压将降低到很低的数值 在设计时对各级电压的绝缘子应有的伞裙数 伞的倾角 伞裙直径应仔细考虑 合理选择 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 39 积污 气候条件 包括雨 露 霜 雪 风等环境作用 和工业粉尘 废气 自然盐碱 灰尘 鸟粪等污秽外绝缘被污染的过程一般是渐进的 染污绝缘子表面上的污层在干燥状态下一般不导电 污层湿润 遇到雨 雾 露等不利天气时 污层被湿润 电导增大 在工作电压下的泄漏电流大增 干区形成 电流所产生的焦耳热 既可能使污层电导增大 又可能使水分蒸发 污层变干而减小其电导 电场畸变 干区的电阻比其余湿区的电阻大的多 整个绝缘子上的电压都集中到干区上 一般干区宽度不大