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1、气体电介质的绝缘特性二气体电介质的绝缘特性二1本讲稿第一页，共四十四页气体间隙中的电流与电压的关系气体间隙中的电流与电压的关系(a)有气体间隙的直流电路；（b）气体放电的特性 2本讲稿第二页，共四十四页第第2 2讲回顾讲回顾u带电粒子的产生与消失u汤逊理论u巴申定律的解释u汤逊理论的适用范围3本讲稿第三页，共四十四页第第3 3讲讲 气体电介质的绝缘特性（二）气体电介质的绝缘特性（二）1.2.5 1.2.5 流注理论流注理论n在高气压长间隙条件下的气体放电理论在高气压长间隙条件下的气体放电理论n 特特点点：认认为为电电子子碰碰撞撞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
2、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的作用场的作用 流注理论流注理论4本讲稿第四页，共四十四页n电子崩阶段电子崩阶段 空间电荷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光电离形成二次电子崩 两个阶段两个阶段5本讲稿第五页，共四十四页（1 1）电子崩阶段电子崩阶段（a a）初始电子崩）初始电子崩阳极侧电子崩数目多阳极侧电子崩数目多正空间电荷加强了原电场，同正空间电荷加强了原电场，同时向周围放射出大量光子时向周围放射出大量光子（一）流注理论（一）流注理论6本讲稿第六页，共四十四页（b b）二次电子崩）二次电子崩n光光子子使使附附近近的的气气体体
3、因因光光电离而产生二次电子电离而产生二次电子n它它们们在在由由正正空空间间电电荷荷所所引引起起的的畸畸变变和和加加强强了了的的局局部部电电场场作作用用下下，又又形形成成新新的的电子崩，即二次电子崩电子崩，即二次电子崩 7本讲稿第七页，共四十四页（2 2）流注的形成和发展）流注的形成和发展n二次电子崩中的电子初始电子崩的正空间电荷混合通道（流注）。流注通道和二次崩留下的正电荷，大大加强了流注发展方向的电场，产生新电子崩，从而使流注向前发展 8本讲稿第八页，共四十四页（3 3）间隙的击穿）间隙的击穿n流流注注不不断断向向阴阴极极报报进进，头头部部电电场场越越来来越越强强，因因而其发展也越快而其发展
4、也越快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通贯通间隙击穿间隙击穿 9本讲稿第九页，共四十四页电离室电离室电离室结构示意图 1照射火花间隙；2石英窗；3电极 4玻璃壁；5橡皮膜；6绝缘柱 研究放电时的电路图N电离室；S火花间隙；L、L、K短路回路 10本讲稿第十页，共四十四页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电子崩在空气中的发展速度约为1.25 107cm/s11本讲稿第十一页
5、，共四十四页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/s12本讲稿第十二页，共四十四页自持放电条件自持放电条件形成流注形成流注空间光电离维持放电（空间光电离维持放电（自持放电自持放电）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件，在在均均匀匀电电场场中中也也就就是是导导致致击击穿穿的条件。的条件。流流注注形形成成的的条条件件：足足够够的的空空间间光光游游离离较较多多的的初初始电子崩（电子崩积累到一定的数量）始电子崩
6、（电子崩积累到一定的数量）13本讲稿第十三页，共四十四页（二）流注理论对高气压、长间隙（二）流注理论对高气压、长间隙（pdpd很很大）放电现象的解释大）放电现象的解释 1放电外形放电外形 具有通道形式具有通道形式 流注前方随着其向前发展而更为增强流注前方随着其向前发展而更为增强多流注之间互相抑制发展多流注之间互相抑制发展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，所所以以火火花通道常是曲折的，并带有分枝。花通道常是曲折的，并带有分枝。电电子子崩崩则则不不然然，由由于于其其中中电电荷荷密密度度较较小小，故故电电场场强强度度还还很很大大，因因而而不不致致影影响响到
7、到邻邻近近空空间间内内的的电电场场，所以不会影响其它电子崩的发展，所以不会影响其它电子崩的发展14本讲稿第十四页，共四十四页树枝状放电与放电发展的抑制树枝状放电与放电发展的抑制15本讲稿第十五页，共四十四页2放放电电时时间间短短 二次电子崩由光电离形成，所以流注发展速度极快放电时间特别短3放放电电不不受受阴阴极极材材料料的的影影响响 维持放电靠光电离，而不是阴极表面的电离过程，与材料无关16本讲稿第十六页，共四十四页u 在Pd值较小时，起始电子不可能在穿越极间距离后完成足够多的碰撞电离次数，因而难以聚积到足够的电子数，这样就不可能出现流注，放电的自持只能依靠阴极上的过程。17本讲稿第十七页，共
8、四十四页电场不均匀系数电场不均匀系数 f 的定义的定义f4时，极不均匀电场时，极不均匀电场18本讲稿第十八页，共四十四页上次课回顾上次课回顾u气体的放电形式（5种）u非自持放电和自持放电（IU曲线四段0-a-b-c-）u均匀和极不均匀电场中的自持放电u汤逊放电理论（过程，过程）（巴申曲线）u流注放电理论（电子崩，流注）u适用范围（Pd）和区别（四个方面：放电形式、放电时间、击穿电压计算、阴极材料影响）u巴申定律的解释19本讲稿第十九页，共四十四页1.3 1.3 不均匀电场中气体的击穿不均匀电场中气体的击穿1 击穿电压击穿电压2 电晕起始电压电晕起始电压3 放电不稳定区放电不稳定区d2D，电场还
9、，电场还比较均匀比较均匀，放电特性与均匀电场相似。即，放电特性与均匀电场相似。即：一一旦出现自持放电，立即导致整个气隙击穿旦出现自持放电，立即导致整个气隙击穿。1.3.1 稍不均匀场和极不均匀场的放电特点稍不均匀场和极不均匀场的放电特点20本讲稿第二十页，共四十四页ud4D，电场，电场极不均匀极不均匀，存在电晕放电（电晕起存在电晕放电（电晕起始电压）。始电压）。u 外加电压进一步增大，外加电压进一步增大，表面电晕层扩大，并出表面电晕层扩大，并出现刷状的细火花，火花现刷状的细火花，火花变长，最终导致气隙完变长，最终导致气隙完全击穿。全击穿。u放电放电达到自持放电后，间隙没有击穿达到自持放电后，间
10、隙没有击穿。u电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大差别也越大21本讲稿第二十一页，共四十四页u2D d 4D，属于过渡区域，随电压升高出现，属于过渡区域，随电压升高出现不稳定的电晕不稳定的电晕，立即转为火花放电。，立即转为火花放电。u是否存在是否存在电晕放电来区分电场均匀程度电晕放电来区分电场均匀程度：u1、稳定的电晕放电、稳定的电晕放电-极不均匀电场；极不均匀电场；u2、不存在稳定的电晕放电，电晕一旦出现，间、不存在稳定的电晕放电，电晕一旦出现，间隙立即被击穿。隙立即被击穿。-稍不均匀电场稍不均匀电场u极间距离相等时极间距离相等时，稍不均
11、匀场间隙的击穿电压比，稍不均匀场间隙的击穿电压比均匀间隙的低；极不均匀电场的击穿电压也比均均匀间隙的低；极不均匀电场的击穿电压也比均匀电场要低，但要继续增加电压才能由电晕放电匀电场要低，但要继续增加电压才能由电晕放电到击穿。到击穿。22本讲稿第二十二页，共四十四页电晕放电现象电晕放电现象n电晕放电现象电晕放电现象电离区的放电过程造成。电离区的放电过程造成。n强电场强电场电子崩电子崩复合复合光辐射光辐射咝咝的声音咝咝的声音 臭氧的气味臭氧的气味 微弱的晕光微弱的晕光 回回路路电电流流明明显显增增加加(绝绝对对值值仍仍很很小小)，可可以以测测量量到到能能量量损损失失n电电晕晕放放电电的的空空间间电
12、电荷荷，可可以以改改善善极极不不均均匀匀电电场场分分布布，提提高高击穿电压。击穿电压。23本讲稿第二十三页，共四十四页线板气隙中不同直径导线的工频击穿电压与d的关系点划线均匀电场；虚线正尖负板电场；1D=0.5mm；2D=3mm；3D=16mm；4D=20mm正尖负板电场，随着d的增大，逐渐趋向于均匀24本讲稿第二十四页，共四十四页n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由自持放电条件求得自持放电条件求得 E0的经验公式m导线表面的粗糙系数。光滑导线导线表面的粗糙系数。光滑导线m=1,一般导线一般导线m
13、=0.820.9,对绞线局部电晕对绞线局部电晕 m=0.72 25本讲稿第二十五页，共四十四页电晕电流与能量电晕电流与能量(a)时间刻度时间刻度T=125 s (b)0.7 A电晕电流平均值电晕电流平均值 (c)2 A电晕电流平均值电晕电流平均值电晕电流比较小的，但比泄漏电流要大得多。空间电荷的电晕电流比较小的，但比泄漏电流要大得多。空间电荷的运动需要电源供给能量运动需要电源供给能量,输电线路电晕损耗的主要部分，输电线路电晕损耗的主要部分，而使空气电离所消耗的能量则比较小。而使空气电离所消耗的能量则比较小。26本讲稿第二十六页，共四十四页u电晕的起始阶段一系列短促的陡脉冲组成。电离产生的与导线
14、同号的电荷，导致电离停止。u脉冲电流将产生电磁波传播到空间造成无线电干扰，u降低导线表面场强方法：增大线间距离d；增大导线半径r。(如：分裂导线)27本讲稿第二十七页，共四十四页u输电线路的电晕还与导线的表面状况及天气状况有关。导线表面曲率大小影响。u雨、雪、霜等坏天气时，电晕损耗急剧增加。水滴电场作用变成锥形28本讲稿第二十八页，共四十四页u对于500750kV的超高压输电线路，在天气好时电晕损耗一般不超过几个W/km，而在坏天气时，可以达到100 W/km以上。u因此在设计超高压线路时，需要根据不同天气条件下电晕损耗的实测数据和线路参数，以及沿线路各种气象条件的出现概率等对线路的电晕损耗进
15、行估算。29本讲稿第二十九页，共四十四页随着输电电压的提高，电晕问题也越来越突出。在保持同样电流密度的条件下，导线截面积降低导体表面电场降低导体表面电场减小电晕的方法减小电晕的方法30本讲稿第三十页，共四十四页u降低导线表面场强的方法：增大线间距离d或增大导线半径r。u一般采取适当增大导线直径的办法u为节省导线材料，通常采用分裂导线的解决办法，即每相导线由2根或2根以上的导线组成。使得导线表面场强得以降低。31本讲稿第三十一页，共四十四页电晕影响的两面性电晕影响的两面性n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
16、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，提高击穿电压提高击穿电压；利用电晕放电除尘与臭氧发生器等利用电晕放电除尘与臭氧发生器等 32本讲稿第三十二页，共四十四页1.3.3 1.3.3 极不均匀场中的放电过程极不均匀场中的放电过程一、非自持放电阶段一、非自持放电阶段电子崩产生电子崩产生阳极积聚正电荷阳极积聚正电荷33本讲稿第三十三页，共四十四页二、流注发展阶段二、流注发展阶段头部电场增强头部电场增强新电子崩新电子崩流注前移流注前移34本讲稿第三十四页，共四十
17、四页三、先导放电阶段三、先导放电阶段u通道根部的电子最多流注根部温度升高出现热电离先导通道（具有热电离过程的通道）。u新的电离过程使电离加强，电导增大，从而加大了其头部前沿区域中的场强，引起新的流注，导致先导通道不断伸长。35本讲稿第三十五页，共四十四页流注根部温流注根部温度升高度升高热电离热电离过程过程先导先导通道通道电离加强，更为明亮电离加强，更为明亮电导增大电导增大轴向场强更低轴向场强更低发展速度更快发展速度更快长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙 u放电过程36本讲稿第三十六页，共四十四页u四、主放电过程u 先导头部达到板极。小间隙中的高场强引起强烈
18、电离，带电粒子高。u强电离区迅速向阳极传播主放电过程。u主放电通道贯穿电极间隙击穿。特点：由于其头部场强极大，所以主放电通道发展速度及电导都远大于先导通道。37本讲稿第三十七页，共四十四页主放电通道主放电通道主放电和先导通道的交界区主放电和先导通道的交界区先导通道先导通道 38本讲稿第三十八页，共四十四页先导的发展先导的发展正棒正棒负板间隙中先导通道的发展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；（）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；（）由流注转变为先导和形成流注；（）流注头部电子崩的形成；（
19、）沿着先导和空气间隙电场强度的分布（）沿着先导和空气间隙电场强度的分布 39本讲稿第三十九页，共四十四页1.3.4 1.3.4 极不均匀场中的极性效应极不均匀场中的极性效应u正棒负板40本讲稿第四十页，共四十四页u电子运动速度快，迅速进入棒极；u棒极附近积聚起正空间电荷，削弱了棒极附近的电场强度而加强了正离子群外部空间的电场u结果：（1）使电晕起始电压提高。（2）外部空间电场加强，有利于流注的发展，因此击穿电压较低。41本讲稿第四十一页，共四十四页u负棒正板42本讲稿第四十二页，共四十四页u电子崩中的电子离开强电场区后，不再能引起电离，向阳极运动的速度也越来越慢。u电子崩中的正离子加强了棒极附近的场强，使棒极附近容易形成流注。u结论：（1）电晕起始电压比正极性时要低。（2）正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，削弱了外部空间的电场，阻碍了流注的发展，因此击穿电压较高。43本讲稿第四十三页，共四十四页44本讲稿第四十四页，共四十四页