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1、 张张张张 宁宁宁宁 福州大学电力系福州大学电力系 134005587451.5 1.5 气体放电的流注理论气体放电的流注理论2流注气体放电理论流注气体放电理论n说说明明工工程程上上感感兴兴趣趣的的压压力力较较高高和和气气隙隙间间距距较较长长气气体的击穿，如大气压力下空气的击穿体的击穿，如大气压力下空气的击穿n特特点点：认认为为电电子子碰碰控控电电离离及及空空间间光光电电离离是是维维持持自自持持放放电电的的主主要要因因素素，并并强强调调了了空空间间电电荷荷畸畸变变电电场场的作用的作用 n流注理论的放电原理流注理论的放电原理 3流注理论的发展阶段流注理论的发展阶段n电子崩阶段电子崩阶段 空间电荷
2、畸变外电场空间电荷畸变外电场 n流注阶段流注阶段 光电离形成二次电子崩，等离子体光电离形成二次电子崩，等离子体 41. 1. 电子崩阶段电子崩阶段n电子崩外形：电子崩外形：好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀 例例如如，正正常常大大气气条条件件下下，若若E30kVcm，则则 11cm-1，计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数，计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数5n空间电荷畸变外电场空间电荷畸变外电场 大大大大加加强强了了崩崩头头及及崩崩尾尾的的电电场场，削削弱弱了了崩崩头头内内正正、负负电荷区域之间的电场电荷区域之间的电场 电电子子崩崩头头部部
3、：电电场场明明显显增增强强，有有利利于于发发生生分分子子和和离离子子的的激激励励现现象象，当当它它们们回回复复到到正正常常状状态态时时，放放射射出光子出光子崩崩头头内内部部正正、负负电电荷荷区区域域：电电场场大大大大削削弱弱，有有助助于于发发生生复复合合过过程程，发发射射出出光子光子62. 2. 流注阶段流注阶段n当当电电子子崩崩走走完完整整个个间间隙隙后后，大大密密度度的的头头部部空空间间电电荷荷大大大大加加强强了了后后部部的的电电场场，并并向向周周围围放放射射出出大量光子大量光子n光光子子引引起起空空间间光光电电离离，在在受受到到畸畸变变而而加加强强了了的的电电场场中中，造造成成了了新新的
4、的电电子崩，称为二次电子崩子崩，称为二次电子崩 光电离、二次电子崩光电离、二次电子崩1主电子崩 2二次电子崩3流注7正流注的形成正流注的形成n二二次次电电子子崩崩中中的的电电子子进进入入主主电电子子崩崩头头部部的的正正空空间间电电荷荷区区（电电场场强强度度较较小小），大大多多形形成成负负离离子子。大大量量的的正正、负负带带电电质质点点构构成成了了等等离离子子体体，这这就就是是正流注正流注 n流流注注通通道道导导电电性性良良好好，其其头头部部又又是是二二次次电电子子崩崩形形成成的的正正电电荷荷，因因此此流流注注头头部部前前方方出出现现了了很很强强的电场的电场1主电子崩2二次电子崩3流注8正流注向
5、阴极推进正流注向阴极推进n流流注注头头部部的的电电离离放放射射出出大大量量光光子子，继继续续引引起起空空间间光光电电离离。流流注注前前方方出出现现新新的的二二次次电电子子崩崩，它它们们被被吸吸引引向向流流注注头头部部，延延长长了了流流注注通通道道n流流注注不不断断向向阴阴极极报报进进，且且随随着着流流注注接接近近阴阴极极，其其头头部部电电场场越越来来越越强强，因因而而其其发发展也越来越快展也越来越快n流流注注发发展展到到阴阴极极，间间隙隙被被导导电电良良好好的的等等离离子子通通道道所所贯贯通通，间间隙隙的的击击穿穿完完成成，这这个电压就是击穿电压个电压就是击穿电压 9自持放电条件自持放电条件一
6、一旦旦形形成成流流注注，放放电电就就进进入入了了新新的的阶阶段段，放放电电可可以以由由本本身身产产生生的的空空间间光光电电离离而而自自行行维维持持，即即转转入入自自持持放放电电了了。如如果果电电场场均均匀匀，间间隙隙就就将将被被击击穿穿。所所以以流流注注形形成成的的条条件件就就是是自自持持放放电电条条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件自持放电的条件：自持放电的条件：10流注理论对流注理论对pdpd很大时放电现象的解释很大时放电现象的解释 1放电外形放电外形 Pd很大时，放电具有通道形式很大时，放电具有通道形式 当当某某个个流流注注由由于于偶偶然然原原因因发
7、发展展更更快快时时，将将抑抑制制其其它它流流注注的的形形成成和和发发展展，并并且且随随着着流流注注向向前前推推进进而而越越来来越越强烈强烈 二二次次电电子子崩崩在在空空间间的的形形成成和和发发展展带带有有统统计计性性，所所以以火花通道常是曲折的，并带有分枝火花通道常是曲折的，并带有分枝2放放电电时时间间 光光子子以以光光速速传传播播，所所以以流流注注发发展展速速度度极极快快，这就可以说明这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象很大时放电时间特别短的现象3阴阴极极材材料料的的影影响响 根根据据流流注注理理论论，维维持持放放电电自自持持的的是是空空间间光光电电离离，而而不不是是阴阴极极表表面面的
8、的电电离离过过程程，这这可可说说明明为何很大为何很大Pd下击穿电压和阴极材料基本无关了下击穿电压和阴极材料基本无关了11在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片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正流注的发展速度约为1 108 2 108cm/s复习复习l巴申定律巴申定律气压和温度对于起始电压的影响气压和温度对于起始电压的影响l流注理论流注理论间距较大间距较大电子崩过程中产生的带电粒子电子崩过程中产生的带电粒子畸变外电场畸变外电场电子崩头尾场强增大，内部减弱电子崩头尾场强增大，内部减弱头部附近发生头部附近发生激励激励，内部发生，内部发生复合复合向外界发出向外界发出光子光子发
9、生发生空间光电离空间光电离Company Logo 张张张张 宁宁宁宁 福州大学电力系福州大学电力系 134005587451.6 1.6 不均匀电场中的放电过程不均匀电场中的放电过程14电场不均匀系数电场不均匀系数引入电场不均匀系数引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度表示各种结构的电场的均匀程度 f4后，极不均匀电场后，极不均匀电场15不同电场均匀程度下的气体击穿特点不同电场均匀程度下的气体击穿特点n电场比较均匀的情况电场比较均匀的情况 放放电电达达到到自自持持时时， 在在整整个个间间隙隙中中部部巳巳达达到到相相当当数数值值。这时和均匀电场中情况类似这时和均匀电场中情况类似
10、n电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况 当当大大曲曲率率电电极极附附近近 达达到到足足够够数数值值时时，间间隙隙中中很很大大一一部部分分区区域域 也也都都已已达达相相当当数数值值，流流注注一一经经产产生生，随随即即发发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿 n电场极不均匀的情况电场极不均匀的情况 当当曲曲率率半半径径较较小小电电极极附附近近 已已达达相相当当数数值值时时，间间隙隙中中大大部部分分区区域域值值 都都仍仍然然很很小小，放放电电达达到到自自持持放放电电后后，间间隙隙没没有有击击穿穿。电电场场越越不不均均匀匀，击击穿穿电
11、电压压和和电电晕晕起起始始电电压间的差别也越大压间的差别也越大 16n电晕起始电压和电晕起始场强电晕起始电压和电晕起始场强 是是一一种种自自持持放放电电形形式式，起起始始电电压压在在原原理理上上可可由自持放电条件求得由自持放电条件求得 皮克公式：皮克公式：m导线表面粗糙系数导线表面粗糙系数 空气相对密度空气相对密度r导线半径导线半径n对工程实践有重要意义对工程实践有重要意义 不不利利影影响响：能能量量损损失失；放放电电脉脉冲冲引引起起的的高高频频电电磁波干扰；化学反应引起的腐蚀作用等磁波干扰；化学反应引起的腐蚀作用等 有有利利方方面面：电电晕晕可可削削弱弱输输电电线线上上雷雷电电冲冲击击电电压
12、压波波 的的 幅幅 值值 及及 陡陡 度度 ； 利利 用用 电电 晕晕 放放 电电 改改 善善 电电 场场 分分 布布 ， 提高击穿电压；利用电晕放电除尘等提高击穿电压；利用电晕放电除尘等18极不均匀电场中的放电过程极不均匀电场中的放电过程1. 非自持放电阶段非自持放电阶段n当棒具有正极性时当棒具有正极性时在在棒棒极极附附近近，积积聚聚起起正正空空间间电电荷荷，减减少少了了紧紧贴贴棒棒极极附附近近的的电电场场，而而略略微微加加强强了了外外部部空空间间的的电电场场，棒棒极极附附近近难难以以造造成成流流注注，使使得得自自持持放放电电、即即电电晕晕放放电电难难以以形成形成 Eex外电场 Esp空间电
13、荷的电场19n当棒具有负极性时当棒具有负极性时 电电子子崩崩中中电电子子离离开开强强电电场场区区后后，不不再再引引起起电电离离，正正离离子子逐逐渐渐向向棒棒极极运运动动，在在棒棒极极附附近近出出现现了了比比较较集集中中的的正空间电荷，使电场畸变正空间电荷，使电场畸变棒棒极极附附近近的的电电场场得得到到增增强强，因因而而自自待待放放电电条条件件就就易易于于得得到到满满足足、易易于于转转入入流流注注而形成电晕放电而形成电晕放电 Eex外电场 Esp空间电荷的电场20极性效应极性效应 结论结论: 棒为正极性时电晕起始电压比负极性时高棒为正极性时电晕起始电压比负极性时高21n当棒具有正极性时当棒具有正
14、极性时流流注注等等离离子子体体头头部部的的正正电电荷荷减减少少等等离离子子体体中中的的电电场场，而而加加强其头部电场强其头部电场电电场场加加强强的的流流注注头头部部前前方方产产生生新新电电子子崩崩，其其电电子子吸吸引引入入流流注注头头部部正正电电荷荷区区内内，加加强强并并延延长长流流注注通通道道，其其尾尾部部的的正正离子构成流注头部的正电荷离子构成流注头部的正电荷 流流注注及及其其头头部部的的正正电电荷荷使使强强电电场场区区更更向向前前移移，促促进进流流注注通通道道进进一一步步发发展展，逐逐渐渐向向阴阴极极推进推进22n当棒具有负极性时当棒具有负极性时棒棒极极的的强强电电场场区区产产生生大大量
15、量的的电电子子崩崩，汇汇入入围围绕绕棒棒极极的的正正空空间间电电荷荷，等等离离子子体体层层呈呈扩扩散散状分布，削弱前方电场状分布，削弱前方电场在在相相当当一一段段电电压压升升高高的的范范围围内内，电电离离只只在在棒棒极极和和等等离离子子体体层层外沿之间的空间内发展外沿之间的空间内发展等等离离子子体体层层前前方方电电场场足足够够强强后后，发发展展新新电电子子崩崩，其其正正电电荷荷加加强强等等离离子子体体层层前前沿沿的的电电场场，形形成成了大量二二次次电电子子崩崩，汇汇集集起起来来后后使使得得等等离离子子体体层层向向阳极推进阳极推进23极性效应极性效应 结论：结论： 棒为负极性时击穿电压比正极性时
16、高棒为负极性时击穿电压比正极性时高24n外外电电压压较较低低时时，流流注注通通道道深深入入间间隙隙一一段段距距离离后后，就就停停止止不不前前了了，形形成成电电晕晕放放电电或或刷刷状放电状放电n外外电电压压足足够够高高时时，流流注注通通道道将将一一直直达达到到另另一电极，从而导致间隙完全击穿一电极，从而导致间隙完全击穿 Company Logo 张张张张 宁宁宁宁 福州大学电力系福州大学电力系 134005587451.7 1.7 放电时间和冲击电压下的击穿放电时间和冲击电压下的击穿26影响空气间隙放电电压的因素主要：影响空气间隙放电电压的因素主要：电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀电场情况：均
17、匀、稍不均匀、极不均匀电压形式：直流电压、交流电压、雷电冲击电压、电压形式：直流电压、交流电压、雷电冲击电压、 操作冲击电压操作冲击电压大气条件：气压、温度、湿度大气条件：气压、温度、湿度电压形式对空气间隙放电电压的影响电压形式对空气间隙放电电压的影响 27气隙的击穿时间气隙的击穿时间 n最低静态击穿电压最低静态击穿电压U0 n击穿时间击穿时间tb 升升压压时时间间t1 、统统计计时时延延ts 、放放电电发发展展时时间间tf 、放放电电时时延延 tl n短间隙短间隙(1厘米以下厘米以下) tfts ，平均统计时延平均统计时延 n较长的间隙中较长的间隙中 tlog主要决定于主要决定于tfn间间隙
18、隙上上外外施施电电压压增增加加，放放电电发展时间也会减小发展时间也会减小 冲击电压波性的标准化冲击电压波性的标准化l标准雷电冲击电压波l标准雷电截波标准雷电截波31n持续作用电压持续作用电压 直流电压、工频电压直流电压、工频电压 与与电电压压的的变变化化速速度度相相比比，放放电电发发展展所所需需时时间间可可以以忽忽略略不不计计 。当当气气体体状状态态不不变变时时，一一定定距距离离的的间间隙隙的的击击穿穿电电压压具具有有确确定定的的数数值值，当当间间隙隙上上的的电电压压升升高高达达到到击击穿穿电压时，间隙击穿电压时，间隙击穿n非持续作用电压非持续作用电压 操作过电压、雷电过电压操作过电压、雷电过
19、电压 持持续续时时间间极极短短（以以微微秒秒计计），放放电电发发展展速速度度不不能能忽忽略不计，间隙的击穿特性具有新的特点略不计，间隙的击穿特性具有新的特点 322. 操作冲击操作冲击50击穿电压击穿电压 n均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压 气气体体间间隙隙的的操操作作冲冲击击50击击穿穿电电压压和和雷雷电电冲冲击击50击穿电压以及工频击穿电压（幅值）相同击穿电压以及工频击穿电压（幅值）相同 击穿电压的分散性也较小，击穿同样发生在幅值击穿电压的分散性也较小，击穿同样发生在幅值 33n伏秒特性的制订方法伏秒特性的制订方法 工工程程上上用用间间隙隙上上出出现现的
20、的电电压压最最大大值值和和放放电电时时间间的的关关系系来来表表征征间间隙隙在在冲冲击击电压下的击穿特性电压下的击穿特性伏秒特性用实验方法求取伏秒特性用实验方法求取 放放电电时时间间具具有有分分散散性性，实实际际上上伏伏秒秒特特性性是是以以上上、下下包包线为界的一个带状区域线为界的一个带状区域 小结小结l放电时间的组成放电时间的组成l冲击电压波形的标准化冲击电压波形的标准化标准雷电冲击电压波标准雷电冲击电压波标准雷电截波标准雷电截波标准操作冲击电压波标准操作冲击电压波l冲击电压下气隙的击穿特性冲击电压下气隙的击穿特性采用击穿特性为采用击穿特性为50%时的电压来表征气隙的击穿特性时的电压来表征气隙
21、的击穿特性伏秒特性表征气隙的冲击电压与放电时间的关系伏秒特性表征气隙的冲击电压与放电时间的关系本章重点内容本章重点内容l带电粒子的产生带电粒子的产生平均自由行程长度（内部因素、外界因素）平均自由行程长度（内部因素、外界因素）碰撞电离（主导因素）碰撞电离（主导因素）负离子的消失和复合负离子的消失和复合l汤逊放电理论汤逊放电理论电子碰撞电离系数（影响因素）和巴申定律电子碰撞电离系数（影响因素）和巴申定律电子崩过程的特点（产生的带电粒子数及其分布）电子崩过程的特点（产生的带电粒子数及其分布）自持放电条件自持放电条件放电过程的一般描述放电过程的一般描述l流注放电理论流注放电理论为何气隙间距较大时，会发生流注放电理论为何气隙间距较大时，会发生流注放电理论l不均匀电场的放电特征不均匀电场的放电特征均匀电场与不均匀电场击穿电压的区别均匀电场与不均匀电场击穿电压的区别极性效应（电晕起始电压和击穿电压）极性效应（电晕起始电压和击穿电压）
