高电压技术2流注理论

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1、1,气体放电的流注理论,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,2,流注理论的要点,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,3,1. 电子崩阶段,电子崩外形： 电子崩中的电子数： nex 例如，正常大气条件下，若E30kVcm，则 11cm-1，计算得到随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数目,4,空间电荷的分布及电场的变化,崩的头部集中了大量的电子，崩尾则是正离子。 大大加强了崩头及崩尾的

2、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,5,2. 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,6,正流注的形成,二次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、

3、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,7,正流注向阴极推进,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,8,在电离室中得到的初始电子崩照片 图a和图b的时间间隔为110-7秒 p=270毫米汞柱， E=10.5千伏/厘米,初始电子崩转

4、变为 流注瞬间照片 p273毫米汞柱 E=12千伏/厘米,电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s,9,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11082108cm/s,10,负流注,当间隙上所加电压较高，间隙中电场很强时，电子崩在离开阴极不远就已经发展到畸变电场的程度了。这种情况下流注将在阴极附近形成并向阳极推进，最后击穿间隙。我们称之为阴极流注或负流注。,11,一旦形成流注，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,12,

5、流注理论的自持放电条件,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

6、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。,15,1.1.5 不均匀电场中的气体放电,均匀电场是很少见的情况，工程中遇到的电场大多数是不均匀电场，特别是极不均匀电场。比如，高压输电线路线间的电场或导线对地的电场。另外还存在一些稍不均与电场。 由于极不均匀电场的种类较多，我们不能一一进行讨论，只能选择典型的电场进行研究，然后将结论加以推广。,16,最典型的极不均匀电场,尖板电场 尖尖电场,17,1.稍不均匀电场和极不均匀电场的划分,为了区分各种不同的电场，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,根据电场均匀程度和气体状态，可出现不同情况

7、,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,19,极不均匀电场的放电特征,1.存在有局部放电现象 2.放点存在明显的极性效应,20,1.局部放电现象电晕,极不均匀电场所特有的一种局部放电现象。它既可能是一种长

8、期存在的局部放电，也可能是间隙击穿的第一阶段。,21,实验室内观察到的电晕,22,电晕放电现象及危害,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=125s (b) 0.7A电晕电流平均值 (c) 2A电晕电流平均值,23,电晕放电会引起线路周围的物理效应和化学反应,物理效应：光、声、电风、噪声 化学反应：产生具有强氧化性和强腐蚀性的物质 电磁脉冲：干扰无线通讯和广播电视信号 能量损耗：产生能量损耗，降低线路经济效益 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

9、布， 提高击穿电压 ；利用电晕放电除尘等,24,降低电晕危害的措施,基本出发点是增加导线表面的曲率半径，提高电晕起始电压。 采用大直径导线或扩径导线 采用分裂导线,25,分裂导线,输电线路上的电晕,26,扩径导线,27,六分裂导线,导线位于正六边形的顶点,28,四分裂导线,导线间距450毫米,29,三分裂导线,30,二分裂,31,2. 极性效应,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,32,当棒具有负极性

10、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,33,极性效应,实验表明： 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）,34,2. 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

11、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,35,当棒具有负极性时 棒极的强电场区产生大量的电子崩，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,36,极性效应,实验表明： 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）,37,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

12、离过程 主放电阶段,38,3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,39,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,40,4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

13、）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分布图,41,1.2 气体介质的电气强度,1.2.1 持续作用电压下的击穿 什么是持续作用电压？ 1.均匀电场：无极性效应 击穿时间短 不同性质电压作用下击穿电压基本相同，在间隙不太长的情况下约为30 kV/cm。 2.稍不均匀电场：情况类似于均匀电场。,42,3.极不均匀电场：与前两者有很大的不同，电场不均匀度对击穿的影响减弱，极间距离对击穿电压的影响增大。而且电场和电压的形式不同，击穿的形式也不尽相同。,43,1.2.2 雷电冲击电压下的击穿,除了前

14、述的持续作用的电压外，电力系统中还会出现另外一种电压，称为冲击电压，其特点是作用时间极短，电压幅值较高。 冲击电压可分为雷电冲击电压和操作冲击电压,44,1. 雷电冲击电压的标准波形,雷电是自然界中最宏伟壮观的现象之一，也是间隙最长的空气击穿现象。为了对雷电现象进行科学研究要规定雷电冲击波的标准波形,45,（ 三） 标准雷电冲击电压波 用来模拟雷电过电压波，采用非周期性双指数波。T1视在波前时间； T2视在半峰值时间 ；Um冲击电压峰值,国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为： T1=1.2s 30% ；T2=50s20% 通常写成1.2/50s。,（四） 标准雷电截波 用来模拟雷电过电

15、压引起气隙击穿或外绝缘闪落后出现的截尾冲击波，如图。IEC标准和我国国家标准规定为：T1=1.2s 30% ；Tc=25s 。可写成1.2/ 25s .,46,2.放电时延,最低静态击穿电压U0 击穿时间tb 升压时间t0 、统计时延ts 、放电发展时间tf 、放电时延 tl 短间隙(1厘米以下) tfts ，平均统计时延 较长的间隙中 tl主要决定于tf 间隙上外施电压增加，放电发展时间也会减小,47,3. 50%击穿电压,50%冲击击穿电压 （U50% )指某气隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。,48,4. 伏秒特性,气隙的伏秒特性在同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，气隙上出现的电压

16、最大值和放电时间的关系，称为该气隙的伏秒特性。,49,（一）伏秒特性曲线的制作,保持一定的冲击电压波形不变，而逐级升高电压，以电压为纵坐标，时间为横坐标 电压较低时，击穿一般发生在波尾，取该电压的峰值与击穿时刻，得到相应的点 电压较高时，击穿一般发生在波头，取击穿时刻的电压值及该时刻，得到相应的点,50,实际上伏秒特性具有统计分散性，是一个以上下包线为界的带状区域。工程上，通常取“50%伏秒特性曲线”来表征一个气隙的冲击击穿特性。,3-U0% 2-U50% 1-U100%,51,（二）伏秒特性的用途,间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布 伏秒特性对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性具有重要意义,3-2-6 对1 起保护作用,3-2-7在高幅值冲击电压作用下， 不起保护作用,52,各种间隙的伏秒特性形状,由于间