第二章 气体放电的物理过程

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1、 高电压技术高电压技术第二章气体放电的物理过程2.1 气体中带电质点的产生和消失2.2 气体放电机理2.3 电晕放电2.4 不均匀电场气隙的击穿2.5 雷电放电2.6 沿面放电 高电压技术高电压技术气体放电研究概述 从对气体放电现象的最初认识到开始认真研究气体放电现象几乎伴随着电学的整个发展历史。用于研究气体放电的实验装置气体放电管的发明使人们认识到了阴极射线，并由此发现了电子，解开了原子结构的秘密，促进了原子物理的发展。对气体放电的研究不仅在理论上推动了物理学的发展，而且在工程上推动了电力，照明，环境，光学，电子等多种工程应用的发展。因此对气体放电物理的研究具有重要的理论和工程应用意义。 高

2、电压技术高电压技术气体放电研究概述18361836年，年， 法拉第法拉第 （1791-18671791-1867）注意到低压气体中的放电现象，）注意到低压气体中的放电现象，将其称之为将其称之为“辉光放电辉光放电”（glow dischargeglow discharge），并预言这种放电），并预言这种放电现象将给以后的电学研究带来很大影响。现象将给以后的电学研究带来很大影响。 18551855年，德国的玻璃技工盖斯勒（年，德国的玻璃技工盖斯勒（1815-18791815-1879）利用托里拆利真）利用托里拆利真空原理制成了简易的水银真空泵空原理制成了简易的水银真空泵盖斯勒泵，并制成了低压气盖斯

3、勒泵，并制成了低压气体放电管体放电管盖斯勒管，为人们进一步研究低压气体中的放电现盖斯勒管，为人们进一步研究低压气体中的放电现象及其本质创造了条件。象及其本质创造了条件。1919世纪是电磁学大发展的时期世纪是电磁学大发展的时期, , 到七、八十年代电气工业开始到七、八十年代电气工业开始有了发展有了发展, , 发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用，然而，漏电和放电损耗非常严重，成了亟待解决的问题。同用，然而，漏电和放电损耗非常严重，成了亟待解决的问题。同时，电气照明也吸引了许多科学家的注意。这些问题都涉及低压时，电气照明也吸引了许多科学家的

4、注意。这些问题都涉及低压气体放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的气体放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题。问题。 高电压技术高电压技术气体放电研究概述英国物理学家、剑桥著名的卡文迪许实验室的负责人英国物理学家、剑桥著名的卡文迪许实验室的负责人 J JJ J汤姆汤姆 逊逊 （1856-19401856-1940）从）从18811881年开始利用气体放年开始利用气体放 电管研究阴极射线并并于电管研究阴极射线并并于18971897年发现电子，推动了原子年发现电子，推动了原子 物理，粒子物理，量子物理等现代物理学的发展。物理，粒子物理，量子物理等现代物理学的发展。1

5、8971897年电子发现之后，对气体放电的研究走向了微观粒子之间相互作用的年电子发现之后，对气体放电的研究走向了微观粒子之间相互作用的层面，并由此发展了气体放电物理学。对此作出开创性研究工作的重要人物层面，并由此发展了气体放电物理学。对此作出开创性研究工作的重要人物是汤姆逊的学生是汤姆逊的学生英国科学家英国科学家 J. S. Townsend (1868-1957J. S. Townsend (1868-1957）。TownsendTownsend借助理论假设和大量的实验系统地研究了气体放电过程中电子、借助理论假设和大量的实验系统地研究了气体放电过程中电子、离子等基本粒子的特性，提出了离子等基

6、本粒子的特性，提出了“平均电子平均电子”，“平均粒子平均粒子”，“电离系数电离系数”，“电子崩电子崩”等概念，并利用这些概念成功地解释了在低气压下均匀电等概念，并利用这些概念成功地解释了在低气压下均匀电场气隙间的击穿现象，这就是著名的汤生气体放电理论。后人在汤生气体放场气隙间的击穿现象，这就是著名的汤生气体放电理论。后人在汤生气体放电理论的基础上，继续发展了流注放电理论。汤生气体放电理论和流注放电电理论的基础上，继续发展了流注放电理论。汤生气体放电理论和流注放电理论互为补充，构成了目前的气体放电物理学的基本理论。理论互为补充，构成了目前的气体放电物理学的基本理论。 高电压技术高电压技术气体放电

7、研究概述 高电压技术高电压技术气体放电研究概述TownsendTownsend利用气体放电管观察并描述了在低气压（约低气压（约10104 4帕以下）均匀电场帕以下）均匀电场的间隙中通过间隙的电流随着间隙两端的电压的增加的变化曲线如图所示。汤汤生生放放电电区区域域的的伏伏安安特特性性 高电压技术高电压技术气体放电的主要形式式1、辉光放电（击穿状态） （1）条件：低气压，均匀电场（2）特点：电流密度小，放电 区域占据整个电极空间。2、火花放电、火花放电 （击穿状态）（击穿状态）（1）条件：高气压（2）特点：明亮的火花，火花 向对面电极伸展或贯通两 级，发光放电通道收细。 火花会瞬时熄灭后又突然 发

8、生，放电过程不稳定 高电压技术高电压技术3、电晕放电（气隙没有击穿，局部自持放电） 4、刷状放电 负负极极性性电电晕晕下下，如如电电压压继继续续升升高高，从从电电晕晕电电极极伸伸展展出出许许多多较较明明亮亮的细放电通道，称为刷状放电的细放电通道，称为刷状放电 ； 电电压压再再升升高高，根根据据电电源源功功率率而而转转入入火火花花放放电电或或电电弧弧放放电电，最最后后整整个间隙被击穿个间隙被击穿 如如电电场场稍稍不不均均匀匀，则则可可能能不不出出现现刷刷状状放放电电，而而由由电电晕晕放放电电直直接接转转入击穿入击穿 气体放电的主要形式式 高电压技术高电压技术5、电弧放电（1）条件：电源功率足够大

9、（2）现象：气体发生火花放电之后，便立即发展至对面电极，火花放电之后，便立即发展至对面电极， 出现非常明亮的连续弧光出现非常明亮的连续弧光。形成电弧放电。发生电弧放 电时，电弧的温度极高。气体放电的主要形式式 高电压技术高电压技术原子的结构原子是由带正电的原子核和绕核旋转的电子组成。电子在原子核外是分层排布的，各层具有不同的轨道半径。电子运动的轨道半径不同，其能量也不同。2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术高电压技术u动能：取决于原子的质量和运动速度。u 位能：取决于其中电子的能量。当电子从其正常轨道上跃迁到能量更高的轨道上时，原子的位能也相应增加。u 能级：根据原子中电子的能量状态，原子

10、具有一系列可取的确定的位能，称为原子的能级。u原子的正常状态相当于最低的能级。原子的能量2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术高电压技术原子的激励与电离激励（轨道跃迁） 原子的一个或若干个电子转移到离核较远的轨道上去，所需能量称为激励能We电离 电子跃迁到最外层轨道之外，脱离原子核的束缚，成为自由电子。所需能量称为激励能Wi2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术高电压技术u 碰撞电离u 光电离u 热电离u 阴极表面电离2.1 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生方式带电粒子的产生方式 高电压技术高电压技术 撞 击 电 离撞击质点：电子、正负离子、中性分子、原子等撞击电离的首要条件： 撞击质点

11、总能量（动能+势能） 被撞击质点当前状态时的电离能撞击是复杂的电磁力作用需要一定时间才能完成主要因素是电子的撞击电离动能需要积累2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术高电压技术光子的能量：产生光电离的必要条件：式中 h普朗克常数式中 光的波长 C光速 Wi气体的电离能 光 电 离或 光子的来源： 可来源于外界，也可由气体放电过程本身产生2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术高电压技术空气的电离度m 与温度的关系 热 电 离实质：由热状态引起，热状态下碰撞游离和光游 离的综合。T10000K，才考虑热电离T20000K，几乎所有分子都处于热电离状态2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术高电

12、压技术逸出功：从金属电极表面发射电子需要的能量。 当逸出功电离能时，阴极表面可在下列情况下发生：正离子撞击阴极表面光电子发射（短波光照射）热电子发射强电场发射 表 面 电 离2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术高电压技术附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。 负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减小。 负 离 子 的形成对气体放电的发展起抑制作用2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术高电压技术带电粒子消失的三种途径u带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达电极时，消失于电

13、极上形成外电路中的电流u带电粒子因扩散而逸出气体放电空间u带电粒子的复合异号电荷粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和。电子复合：电子和正离子复合，产生一个中性分子离子复合: 正离子和负离子复合，产生两个中性分子2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术高电压技术2.2 气体放电机理Townsend气体放电理论流注放电理论解释放电如何发展解释放电如何发展 高电压技术高电压技术Townsend气体放电理论Townsend观察到的现象观察到的现象：1.T0区域：电极两端的电压很低，通区域：电极两端的电压很低，通过间隙的电流也很小，电流值从零过间隙的电流也很小，电流值从零开始随着电压增加，但最后区域某

14、开始随着电压增加，但最后区域某一饱和值一饱和值 i0， i0的数量级约为的数量级约为 10-12。2.T1区域：通过间隙的电流随着间隙区域：通过间隙的电流随着间隙两端电压的增加从饱和值两端电压的增加从饱和值 i0继续增继续增加，增加的趋势为指数规律。加，增加的趋势为指数规律。3.T2区域：通过间隙的电流随着间隙两端电压的增加进一步区域：通过间隙的电流随着间隙两端电压的增加进一步增加，但增加的趋势较增加，但增加的趋势较T1 阶段的指数规律更快。阶段的指数规律更快。4.Vs 处：通过气体间隙的电流较处：通过气体间隙的电流较T2 阶段的上升趋势更加急剧阶段的上升趋势更加急剧上升。上升。 高电压技术高

15、电压技术Townsend气体放电理论Townsend还观察到还观察到：5.5.在在T1，T2两阶段，如果去掉外界两阶段，如果去掉外界的电离源，放电会终止，即为非的电离源，放电会终止，即为非自持放电；自持放电；6.在电压在电压Vs 之后，去掉外界电离源，之后，去掉外界电离源，放电仍然维持，即为自持放电。放电仍然维持，即为自持放电。TownsendTownsend为了解释如上的放电过程，引入了三为了解释如上的放电过程，引入了三个电离系数个电离系数 ，分别称之为汤生第一电离系数、，分别称之为汤生第一电离系数、第二电离系数和第三电离系数。第二电离系数和第三电离系数。 高电压技术高电压技术Townsen

16、d气体放电理论、 与放电气体的性质、压强和给定放电点的电场强度有关Townsend引入的三个电离系数引入的三个电离系数 汤生第一电离系数 定义为电子沿电场方向运动，在单位长度上定义为电子沿电场方向运动，在单位长度上 引起的碰撞电离次数引起的碰撞电离次数； 汤生第三电离系数汤生第三电离系数 定义为一个正离子撞击阴极表面时平均从定义为一个正离子撞击阴极表面时平均从 阴极表面逸出的电子数（二次电子发射）。阴极表面逸出的电子数（二次电子发射）。 汤生第二电离系数 定义为正离子沿电场方向运动，在单位长单位长 度度上引起的碰撞电离次数； 与电极材料和离子能量有关 高电压技术高电压技术Townsend气体放

17、电理论1.在在 T0 区域，三个系数均为零，电流仅是由外界电离区域，三个系数均为零，电流仅是由外界电离因素引起的。因素引起的。2.在在T1 区域，出现了区域，出现了 过程，过程， 过程使电流按照指数规过程使电流按照指数规律增长，电流按指数规律增长后形成的高密度电子区律增长，电流按指数规律增长后形成的高密度电子区域称为电子崩（域称为电子崩（electron avalanche）。）。3.在在T2 区域，汤生早期认为是由区域，汤生早期认为是由过程引起，但后来的过程引起，但后来的研究发现研究发现过程实际上几乎没起作用，而是过程实际上几乎没起作用，而是 过程对过程对放电电流的贡献很大放电电流的贡献很大

18、。原因是正离子只有当它获得相原因是正离子只有当它获得相当于几千电子伏能量时，它才能有效地电离原子，而当于几千电子伏能量时，它才能有效地电离原子，而这种几率实际上是很小的。这种几率实际上是很小的。 过程是与阴极材料的性过程是与阴极材料的性质有关的，实验也证实了这一点。质有关的，实验也证实了这一点。Townsend对放电管放电伏安特性对放电管放电伏安特性的解释的解释 高电压技术高电压技术Townsend气体放电理论 n0 ： 外电离因素（如紫外线、X射线、 射线等）射在阴极上在阴极 上产生的初始电子数目；ne(x)：电子从阴极（ x=0）处开始，在外加电场作用下定向运动，到达距离 阴极 x 处由于

19、碰撞电离的作用而产生的总的电子数目.从从 x到到 x+dx处，新增加的电子数目为处，新增加的电子数目为dn=n dx ，改写为，改写为dn/n= dx ，将，将 认为是常数，并将此式左端从认为是常数，并将此式左端从n0 到到 ne(x) ，右端从，右端从0到到 x距离距离进行积分后即得如上公式。进行积分后即得如上公式。 高电压技术高电压技术Townsend气体放电理论自持放电条件自持放电条件 利用高速示波器可以测出放电发展过程中的电流变化。电流的周期性变化说明间隙中电离、阴极发射电子等一次次的循环。不满足自持条件时的放电，电流逐步减为零，此时间隙中气体未击穿，仍保持绝缘状态。新增加的电子数为：

20、 即为正离子数目设 n0 =1，则抵达阳极的电子数应为： 高电压技术高电压技术Townsend气体放电理论u1880年年W.德拉路和德拉路和H.W.米勒首先通过实验研究米勒首先通过实验研究了空气气压对放电的影响，得到了巴申曲线了空气气压对放电的影响，得到了巴申曲线。u1889年年F巴申对平行板电极间的气体放电进行巴申对平行板电极间的气体放电进行了大量实验，完善了巴申曲线了大量实验，完善了巴申曲线。u巴申从试验中得出：当气体和电极材料一定时，巴申从试验中得出：当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压是气体的相对密度气隙的击穿电压是气体的相对密度和气隙距离和气隙距离d乘积的函数，即乘积的函数，即巴申

21、曲线和巴申定律巴申曲线和巴申定律 高电压技术高电压技术Townsend气体放电理论 高电压技术高电压技术Townsend气体放电理论Townsend气体放气体放电理理论对巴申定律的解巴申定律的解释自持放电条件下空气间隙击穿电压为由巴申曲由巴申曲线可知，当极可知，当极间距离距离d不不变时提高气压或或降低气压到真空，都可以，都可以提高气隙的击穿电压，即高气，即高气压和真空都可以提高和真空都可以提高击穿穿电压，如：，如：压缩空气开关、真空开关等空气开关、真空开关等 高电压技术高电压技术只能解释低气压下短间隙(即d0.26)且均匀电场的放电现象，对于高气压或者长间隙或者不均匀电场的放电现象解释不了，如

22、：1.放电外形2.放电时间3.阴极材料的影响Townsend气体放电理论Townsend气体放气体放电理理论的局限 高电压技术高电压技术Townsend气体放电理论u按汤逊理论，气体间隙的放电是均匀连续发展的，但在大气中的气体击穿时，会出现有分枝的明亮通道（发光）。u实际测得的大气击穿过程所需的时间比按汤逊理论计算的时间小得多(要小10100倍)。u按汤逊理论，气体间隙的放电与阴极材料有很大关系。而实测的情况表明，大气压力下的气体放电几乎与阴极材料无关。Townsend气体放气体放电理理论的局限 高电压技术高电压技术u1937年，H.Raether 与 J.M.Meek 采用采用雾室室试验装置

23、，根据大量的装置，根据大量的试验观察，在察，在TownsendTownsend气气体放体放电理理论的基的基础上上提出了流注放电理论。提出了流注放电理论。u实际上，流注放电广泛存在于不同形式的气体放电中，探索流注放电的发展规律对于研究气体放电的物理机理和指导高电压与绝缘的工程设计具有非常重要的意义。流注气体放电理论 高电压技术高电压技术流注气体放电理论空间电荷对电场的畸变 空间电荷电场的不均匀分布空间电荷电场的不均匀分布 空间电荷的合成场强空间电荷的合成场强 空间电荷浓度的不均匀分布空间电荷浓度的不均匀分布 高电压技术高电压技术流注气体放电理论 正流注的形成和发展+-1：初始电子崩初始电子崩 2

24、：二次电子崩：二次电子崩 3：流注：流注 高电压技术高电压技术当外加电当外加电压比击穿压比击穿电压还高电压还高时，电子时，电子崩不需经崩不需经过整个间过整个间隙，其头隙，其头部电离程部电离程度已足以度已足以形成流注。形成流注。+-+-1：初始电子崩：初始电子崩2：二次电子崩：二次电子崩3：流注：流注 负流注的形成和发展流注气体放电理论 高电压技术高电压技术流注气体放电理论u在外施电场作用下，电子崩由阴极向阳极发展，由于气体原子（或分子）的激励、电离、复合等过程产生光电离，在电子崩附近由光电子引起新的子电子崩,电子崩接近阳极时，电离最强,光辐射也强。u光电子产生的子电子崩汇集到由阳极生长的放电通

25、道，并帮助它的发展，形成由阳极向阴极前进的流注（正流注），流注的速度比碰撞电离快。同时，光辐射是指向各个方向的，光电子产生的地点也是随机的，这说明放电通道是曲折进行的。 u正流注达到阴极时,正负电极之间形成一导电的通道，可以通过大的电流，使间隙击穿。u如果所加电压超过临界击穿电压（过电压），电子崩电离加强，虽然电子崩还没有发展到阳极附近，但在间隙中部就可能产生许多光电子及子电子崩,它们汇集到主电子崩,加速放电的发展，增加放电通道的电导率，形成由阴极发展的流注（负流注）。 流注理论对放电过程的描述 高电压技术高电压技术u电子崩子崩发展到足展到足够的程度后，的程度后，电子崩中的空子崩中的空间电荷足

26、以使原荷足以使原电场明明显畸畸变，大大加，大大加强电子崩崩子崩崩头和和崩尾崩尾处的的电场；u电子崩中子崩中电荷密度很大，所以复合荷密度很大，所以复合频繁，放射出繁，放射出的光子在的光子在这部分很部分很强，电场区很容易成区很容易成为引引发新的新的空空间光光电离的离的辐射源，二次射源，二次电子主要来源于空子主要来源于空间光光电离；离；u气隙中一旦形成流注，放气隙中一旦形成流注，放电就可由空就可由空间光光电离自离自行行维持。持。流注气体放电理论流注放电的形成条件 高电压技术高电压技术d 0.26cm，流注放电。，流注放电。Townsend理理论：1.1.电子碰撞子碰撞电离是气体放离是气体放电的主要原

27、因。的主要原因。2.2.二次二次电子来源于正离子撞子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出阴极表面使阴极表面逸出电子，阴子，阴极表面极表面电子子发射是射是维持气体放持气体放电的必要条件。的必要条件。3.3.阴极表面阴极表面电子子发射代替起始射代替起始电子的作用是自持放子的作用是自持放电的判据。的判据。流注理流注理论：1.1.仍以碰撞仍以碰撞电离离为基基础，但，但强调空空间电荷荷对电场的畸的畸变作用，着作用，着重于用气体空重于用气体空间光光电离来解离来解释气体放气体放电通道的通道的发展展过程；程；2.2.放放电从起始到从起始到击穿并非碰撞穿并非碰撞电离离连续量量变的的过程，当初始程，当初始电子子

28、崩中离子数达崩中离子数达108以上以上时，引起空，引起空间光光电离离质变，电子崩子崩汇合成合成流注；流注；3.3.流注一旦形成，放流注一旦形成，放电转入自持。入自持。气体放电理论总结 高电压技术高电压技术2.3 电晕放电电场的均匀性或对称性电场的均匀性或对称性 高电压技术高电压技术f4为极不均匀极不均匀电场v稍稍不不均匀均匀电场：测量用放量用放电球球间隙隙v极极不均匀不均匀电场:输电线路路电场不均匀系数不均匀系数f电场的均匀性或对称性电场的均匀性或对称性2.3 电晕放电 高电压技术高电压技术u极不均匀电场中，当间隙上的电压升高时，在间隙中的平均场强远未极不均匀电场中，当间隙上的电压升高时，在间

29、隙中的平均场强远未达到平均击穿场强的情况下，曲率较大的电极附近空间的局部场强将首达到平均击穿场强的情况下，曲率较大的电极附近空间的局部场强将首先达到足以引起强烈游离的数值，在这一局部区域内形成自持放电，产先达到足以引起强烈游离的数值，在这一局部区域内形成自持放电，产生薄薄的淡紫色发光层，称发光层为电晕层。生薄薄的淡紫色发光层，称发光层为电晕层。u电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。u通常把能否出现稳定的电晕放电作为区分极不均匀电场和稍不均匀电场的标志。u只有当极间距离对起晕电极表面最小曲率半径的比值大于一定值时，电晕放电才能发生u发生

30、电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用小，间隙仍能耐受电压的作用u电晕放电的电流强度并不取决于电源电路中的阻抗，而取决于电极外气体空间的电导。电晕现象概述：电晕现象概述：2.3 电晕放电 高电压技术高电压技术电晕放电形式：电晕放电形式：电子崩形式子崩形式 外施电压较低，起晕电极的曲率半径很大，电晕层很薄，外施电压较低，起晕电极的曲率半径很大，电晕层很薄，电晕放电均匀、稳定，属于电子崩性质的自持放电。电晕放电均匀、稳定，属于电子崩性质的自持放电。流注形式流注形式 随着电压升高，电晕层不断扩大，

31、个别电子崩形成流随着电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现脉冲放电现象，转变为不均匀、不稳定的流注性质注，出现脉冲放电现象，转变为不均匀、不稳定的流注性质的自持放电。的自持放电。2.3 电晕放电 高电压技术高电压技术2.3 电晕放电电晕电流波形：电晕电流波形： 高电压技术高电压技术2.3 电晕放电u对于电极形状不对称的不均匀电场气隙，如棒一对于电极形状不对称的不均匀电场气隙，如棒一板间隙，棒的极性不同时，间隙的起晕电压和击穿板间隙，棒的极性不同时，间隙的起晕电压和击穿电压各不相同，这种现象称为极性效应。电压各不相同，这种现象称为极性效应。u极性效应是不对称的不均匀电场所具有的特性之

32、极性效应是不对称的不均匀电场所具有的特性之一。一。u极性效应是由于棒的极性不同时间隙中的空间电极性效应是由于棒的极性不同时间隙中的空间电荷对外电场的畸变作用不同而引起的。荷对外电场的畸变作用不同而引起的。电晕放电的极性效应电晕放电的极性效应 高电压技术高电压技术电晕放电的极性效应电晕放电的极性效应2.3 电晕放电正棒负板负棒正板 高电压技术高电压技术起起晕电压比比较正尖正尖负板：正空板：正空间电荷削弱棒极附近荷削弱棒极附近场强而加而加强外部外部电场，阻止棒极附近流注形成使起阻止棒极附近流注形成使起晕电压提高；提高；负尖正板：正空尖正板：正空间电荷加荷加强棒极附近棒极附近场强而削弱外部而削弱外部

33、电场，促促进棒极附近流注形成使起棒极附近流注形成使起晕电压降低。降低。电晕放电的极性效应电晕放电的极性效应击穿穿电压比比较u正尖正尖负板：空板：空间电荷加荷加强放放电区外部空区外部空间的的电场，一旦起，一旦起晕会迅速会迅速击穿，故穿，故击穿穿电压低低。u负尖正板：空尖正板：空间电荷削弱放荷削弱放电区外部空区外部空间的的电场，因此当，因此当电压进一步提高一步提高时，电晕区不易向外区不易向外扩展，气隙展，气隙击穿将不穿将不顺利，利，因此因此击穿穿电压比正极性高很多，完成比正极性高很多，完成击穿所需穿所需时间也也长得多。得多。2.3 电晕放电正棒负板负棒正板负棒正板正棒负板 高电压技术高电压技术起晕

34、电压高；起晕电压高；一旦起晕会迅速击穿，故击穿电压低一旦起晕会迅速击穿，故击穿电压低电晕放电的极性效应电晕放电的极性效应u起晕电压低起晕电压低u起晕后不易击穿，击穿电压高起晕后不易击穿，击穿电压高2.3 电晕放电正棒负板负棒正板 高电压技术高电压技术电晕放电的危害u电晕电流具有高频脉冲性质，且含有许多高次谐波， 会对无线电通信产生干扰。u电晕电流会引起有功损耗 输电线路上出现电晕后，在电晕导线和大地之间形 成电晕电流，消耗电场能量。u电晕使空气发生化学反应，形成臭氧和氧化氮等有 害气体，对金属和有机绝缘物有氧化和腐蚀作用。 2.3 电晕放电 高电压技术高电压技术2.3 电晕放电 高电压技术高电

35、压技术消除电晕的方法u改进电极的形状，减小电极的曲率。改进电极的形状，减小电极的曲率。u变压器、断路器等许多电气设备的出线电极都采变压器、断路器等许多电气设备的出线电极都采用空心、扩大尺寸的球面或旋转椭圆面等形式的用空心、扩大尺寸的球面或旋转椭圆面等形式的电极，超高压输电线路采用分裂导线等电极，超高压输电线路采用分裂导线等。2.3 电晕放电 高电压技术高电压技术电气除尘、污水处理等电晕放电的利用2.3 电晕放电 高电压技术高电压技术电晕损耗功率02.3 电晕放电 高电压技术高电压技术短间隙的击穿短间隙的击穿u正棒负板击穿电压低于负棒正板的击穿电压。u工程中不对称不均匀电场气隙的绝缘距离应根据棒

36、板间隙在棒为正极性电压下的击穿特性来确定。2.4 不均匀电场气隙的击穿 高电压技术高电压技术先导通道-炽热的等离子体通道，高电导 高 温 高 电 位2.4 不均匀电场气隙的击穿长间隙的击穿长间隙的击穿正先导过程的形成与发展正先导过程的形成与发展大密度流注大密度流注大密度电流气体通道温度上升到104K，形成热电离 高电压技术高电压技术2.4 不均匀电场气隙的击穿2米间隙正棒负板先导发展图片米间隙正棒负板先导发展图片 高电压技术高电压技术2.4 不均匀电场气隙的击穿2米间隙棒棒气隙迎面先导图片米间隙棒棒气隙迎面先导图片 高电压技术高电压技术2.4 不均匀电场气隙的击穿正先导的迎面先导正先导的迎面先

37、导正正先先导导不不易易发发展展迎迎面面先先导导，要要发发展展迎迎面面先先导导，对对面面电电极极必必须须具具有有突突出出的的尖尖端端 高电压技术高电压技术2.4 不均匀电场气隙的击穿负先导的迎面先导负先导的迎面先导不不 论论 对对 面面电电 极极 几几 何何结结构构如如何何，迎迎 面面 先先 导导都都 会会 发发 生生 高电压技术高电压技术2.4 不均匀电场气隙的击穿主放电过程主放电过程 高电压技术高电压技术发展方向：上行雷、下行雷放电电荷：负极性雷、正极性雷2.5 雷电放电分类放电阶段1.先导阶段2.主放电3.余光放电：剩余电荷沿着雷电通道的泄放 高电压技术高电压技术2.5 雷电放电迎雷先导

38、高电压技术高电压技术2.5 雷电放电迎雷先导 高电压技术高电压技术2.5 雷电放电迎雷先导 高电压技术高电压技术 高电压技术高电压技术 高电压技术高电压技术 高电压技术高电压技术 高电压技术高电压技术2.5 雷电放电先导避雷针先导避雷针针尖会产生可控幅度和频率的脉冲，使避雷针产针尖会产生可控幅度和频率的脉冲，使避雷针产生一个上行先导并向上传播，从而截获雷云里发出的下行先导生一个上行先导并向上传播，从而截获雷云里发出的下行先导 高电压技术高电压技术2.5 雷电放电 高电压技术高电压技术2.6 气隙的沿面放电 高电压技术高电压技术沿面放电沿面放电： 沿着沿着气体与固体气体与固体(液体液体)介质表面

39、发展介质表面发展的的 气体放电气体放电现象。现象。沿面闪络沿面闪络： 沿沿面放电发展到对面面放电发展到对面电极。电极。 2.6 气隙的沿面放电u沿面放电沿面放电或或闪络，闪络，一般不会导致绝缘子的一般不会导致绝缘子的永久损坏。具有自永久损坏。具有自恢复绝缘特性。恢复绝缘特性。u沿面闪络电压比气体或固体介质单独存在时的击穿电压都低，沿面闪络电压比气体或固体介质单独存在时的击穿电压都低，绝缘的实际水平取决于沿面闪络电压。它与设备表面的干燥、绝缘的实际水平取决于沿面闪络电压。它与设备表面的干燥、潮湿、清洁、污染有较大关系潮湿、清洁、污染有较大关系。 高电压技术高电压技术2.6 气隙的沿面放电 高电压

40、技术高电压技术弱弱垂直分量分界面气隙场强垂直分量分界面气隙场强2.6 气隙的沿面放电 高电压技术高电压技术弱弱垂直分量分界面气隙场强垂直分量分界面气隙场强2.6 气隙的沿面放电放电现象放电现象u放电总是沿着固体介质表面进行u闪络电压显著低于纯气隙的击穿电压原因分析原因分析u固体介质表面不够光滑，电场不均匀u固体介质表面吸收水分子u固体介质与电极接触不良 高电压技术高电压技术强强垂直分量分界面气隙场强垂直分量分界面气隙场强2.6 气隙的沿面放电 高电压技术高电压技术强强垂直分量分界面气隙场强垂直分量分界面气隙场强2.6 气隙的沿面放电电晕电晕放电放电刷状刷状放电放电滑闪滑闪放电放电滑闪放电是强垂

41、直分量绝缘结构的特有放电形式滑闪放电是强垂直分量绝缘结构的特有放电形式 高电压技术高电压技术1.1.增加电压，在增加电压，在法兰边缘出现电晕放电法兰边缘出现电晕放电; ;2.2.进一步升高电压，进一步升高电压，出现刷状放电，其放电长度随着电压升高而增长；出现刷状放电，其放电长度随着电压升高而增长；3.3.继续增加电压，继续增加电压，某些细线长度迅速增长转变为树枝状火花某些细线长度迅速增长转变为树枝状火花，火花放，火花放电电很不稳定很不稳定，会迅速，会迅速改变放电路径改变放电路径, ,并有爆裂声并有爆裂声，此为，此为滑闪放电滑闪放电。4.4.出现出现滑闪后，电压再增加一点，放电火花就能延伸到另一

42、电极，形滑闪后，电压再增加一点，放电火花就能延伸到另一电极，形成闪络成闪络。2.6 气隙的沿面放电放电过程描述放电过程描述强强垂直分量分界面气隙场强垂直分量分界面气隙场强1.1.法兰法兰附近电流密度大，电位梯度也大，促进电离，形成初始放电。附近电流密度大，电位梯度也大，促进电离，形成初始放电。2.2.受受电场垂直分量作用，带电质点撞击介质表面，引起局部温度升高，电场垂直分量作用，带电质点撞击介质表面，引起局部温度升高，导致热电离，带电质点数剧增，放电通道头部场强增加，通道迅速发导致热电离，带电质点数剧增，放电通道头部场强增加，通道迅速发展，形成展，形成“滑闪放电滑闪放电”。形成滑闪放电的物理过

43、程形成滑闪放电的物理过程先导性质放电先导性质放电 高电压技术高电压技术强强垂直分量分界面气隙场强垂直分量分界面气隙场强2.6 气隙的沿面放电提高套管的电晕起始电压提高套管的电晕起始电压和滑闪放电电压的方法：和滑闪放电电压的方法：（1）减小比电容减小比电容，例如增，例如增大固体介质的厚度，特别大固体介质的厚度，特别是加大法兰处套管的外径；是加大法兰处套管的外径；也可采用介电常数较小的也可采用介电常数较小的介质，例如用瓷油组合介质，例如用瓷油组合绝缘代替纯瓷介质。绝缘代替纯瓷介质。（2）减小绝缘表面电阻减小绝缘表面电阻，即减小介质表面电阻率。即减小介质表面电阻率。例如在套管靠近接地法兰例如在套管靠近接地法兰处涂半导体釉；在电机绝处涂半导体釉；在电机绝缘的出槽口部分涂半导体缘的出槽口部分涂半导体漆等。漆等。 高电压技术高电压技术