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1、第2章气体放电的基本物理过程第1页，本讲稿共31页输电线路遭受雷击输电线路遭受雷击第2页，本讲稿共31页美国俄克拉荷马州塔尔萨市上空出现的闪电奇观第3页，本讲稿共31页第4页，本讲稿共31页第5页，本讲稿共31页第6页，本讲稿共31页第7页，本讲稿共31页辉光放电：充溢电极空间，电流密度小辉光放电：充溢电极空间，电流密度小1-5mA/cm2,正伏正伏 安特性，绝缘状态；安特性，绝缘状态；电晕放电：高场强附近出现发光薄层，通道仍是绝缘状态；电晕放电：高场强附近出现发光薄层，通道仍是绝缘状态；刷状放电：电晕极伸出细亮断续放电通道，通道未击穿；刷状放电：电晕极伸出细亮断续放电通道，通道未击穿；火花放
2、电：贯通两极细亮断续放电通道，间歇击穿；火花放电：贯通两极细亮断续放电通道，间歇击穿；电弧放电：持续贯通两极细亮放电通道，完全击穿；电弧放电：持续贯通两极细亮放电通道，完全击穿；气体放电的主要形式气体放电的主要形式第8页，本讲稿共31页电介质：不导电或导电率极小的物质。例如：空气、橡胶、纯净水。击穿：电介质变为导电通道的现象。放电：气体电介质的击穿现象。空气是最廉价的绝缘材料，用之不尽；影响因素的多样性、随机性，难以精确 计算气体放电过程 气体击穿理论相对完整；分析气体击穿仍是绝缘分析的基础。第9页，本讲稿共31页高电压工程基础2.1 带电粒子的产生与消失带电粒子的产生与消失 气体中电子与正离
3、子的产生气体中电子与正离子的产生 （1）热电离）热电离波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度（2）光电离）光电离普朗克常数6.6310-34Js （3）碰撞电离）碰撞电离第10页，本讲稿共31页高电压工程基础（4）分级电离）分级电离 原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励，所需的能量称为激励能。气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6 若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则会出现潘宁效应，可使混合气体的击穿强度低于这两种气体各自的击穿强度。第11页，本讲稿共31页高电
4、压工程基础 电极表面的电子逸出电极表面的电子逸出 一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3（1）正离子撞击阴极 （2）光电子发射（3）强场发射 （4）热电子发射第12页，本讲稿共31页高电压工程基础 气体中负离子的形成气体中负离子的形成 电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。元素电子亲合能（eV）电负性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5 负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气
5、体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。第13页，本讲稿共31页高电压工程基础 带电质点的消失带电质点的消失 （1）带电质点的扩散）带电质点的扩散 带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。（2）带电质点的复合）带电质点的复合 带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光辐射的带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐
6、射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。第14页，本讲稿共31页电离过程吸收能量，产生电子等带电质点，促进放电离过程吸收能量，产生电子等带电质点，促进放电过程发展，电气强度降低，不利于绝缘；电过程发展，电气强度降低，不利于绝缘；复合过程释放能量，使带电质点减少消失，阻碍复合过程释放能量，使带电质点减少消失，阻碍 放放电过程的发展，有利于保持绝缘强度。电过程的发展，有利于保持绝缘强度。两种过程在气体放电过程中同时存在，条件不同，强弱程两种过程在气体放电过程中同时存在，条件不同，强弱程度不同
7、。电离主要发生在强电场、高能量区；复合主要发度不同。电离主要发生在强电场、高能量区；复合主要发生在低电场、低能量区。生在低电场、低能量区。带电质点复合过程的光辐射效应，在一定条件下带电质点复合过程的光辐射效应，在一定条件下也会成为二次电离的条件。也会成为二次电离的条件。电离与复合作用的关系电离与复合作用的关系第15页，本讲稿共31页低气压下均匀电场的自持放电低气压下均匀电场的自持放电Townsend理论与巴申定律理论与巴申定律 汤逊电子崩理论汤逊电子崩理论：1903年英国物理学家提出气体放电理论，尽年英国物理学家提出气体放电理论，尽管适用范围有限，但对放电机理的阐述具有普遍意义，至今管适用范围
8、有限，但对放电机理的阐述具有普遍意义，至今仍是放电物理的基础理论。仍是放电物理的基础理论。外加电压很小时，气隙中的电流是由外界光电离因素造成。外加电压很小时，气隙中的电流是由外界光电离因素造成。OA段线性，段线性，AB段饱和，良好绝缘状态，电流很小。段饱和，良好绝缘状态，电流很小。BC段急段急剧上升。剧上升。第16页，本讲稿共31页高电压工程基础2.2 放电的电子崩阶段放电的电子崩阶段 非自持放电和自持放电的不同特点非自持放电和自持放电的不同特点 电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小 电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态
9、）电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的 电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。自持放电起始电压第17页，本讲稿共31页非自持、自持放电，非自持、自持放电，、过程过程非自持放电：电压小于非自持放电：电压小于U0时，取消外电离因素，间隙电流消失。时，取消外电离因素，间隙电流消失。自持放电：电压大于自持放电：电压大于U0时，取消外电离因素，间隙电流靠电场作时，取消外电离因素，间隙电流靠电场作用能自行维持。用能自行维持。电子崩：场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，如雪
10、崩电子崩：场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，如雪崩状状发展发展过程过程，电流急剧增加。，电流急剧增加。U0为击穿电压。为击穿电压。电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数：一个电子由阴极到阳极行程中，每：一个电子由阴极到阳极行程中，每cm路程与路程与气体质点发生碰撞电离平均次数。即：单位行程内因碰撞电离而产气体质点发生碰撞电离平均次数。即：单位行程内因碰撞电离而产生的自由电子数。生的自由电子数。正离子碰撞电离正离子碰撞电离系数系数：可忽略。：可忽略。阴极表面阴极表面碰撞电离碰撞电离系数系数：单个正离子撞击阴极平均发射出的自：单个正离子撞击阴极平均发射出的自由电子数由电子数第18页，本讲稿共3
11、1页高电压工程基础 电子崩的形成（电子崩的形成（BC段电流剧增原因）段电流剧增原因）电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数：代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。第19页，本讲稿共31页过程与自持放电条件过程与自持放电条件一个电子从阴极到阳极因电子崩形成正离子数一个电子从阴极到阳极因电子崩形成正离子数为为 ead-1，正离子撞击阴极形成二次自由电子数正离子撞击阴极形成二次自由电子数为为(ead-1)，若它等于，若它等于1，意味着阴极产生原电子，意味着阴极产生原电子的一个后继电子替身，使放电得以自持。的一个后继电子替身，使放电得以自持。第20页，本讲稿共31页高电压工程基础2.3
12、 自持放电条件自持放电条件 pd 值较小的情况（汤逊）值较小的情况（汤逊）（1）汤逊自持放电判据（2）气体击穿的巴申定律（3）气体密度对击穿的影响 第21页，本讲稿共31页汤逊自持放电理论汤逊自持放电理论第22页，本讲稿共31页 汤逊放电理论的适用范围汤逊放电理论的适用范围研究表明研究表明：汤逊理论能解释低气压、：汤逊理论能解释低气压、PdPd较小时的放电较小时的放电现象；当现象；当PdPd过小或过大时，放电机理变化，不适用。过小或过大时，放电机理变化，不适用。PdPd过大时，汤逊理论无法解释许多实验现象。过大时，汤逊理论无法解释许多实验现象。PdPd过大时（大气压下）过大时（大气压下）难以假
13、释的现象难以假释的现象：放电外形：出现放电分支细通道，非充满放电空间。放电外形：出现放电分支细通道，非充满放电空间。放电时间：低气压下汤逊理论的计算值与实验符合，高气压放电时间：低气压下汤逊理论的计算值与实验符合，高气压下计算值远大于实测值。下计算值远大于实测值。击穿电压：击穿电压：PdPd大时，计算值与实验值差别大。大时，计算值与实验值差别大。阴极材料的影响：汤逊放电及击穿电压与阴极材料有关，阴极材料的影响：汤逊放电及击穿电压与阴极材料有关，而高气压下间隙击穿电压基本与电极材料无关而高气压下间隙击穿电压基本与电极材料无关第23页，本讲稿共31页高电压工程基础 pd 值较大的情况（流注）值较大
14、的情况（流注）实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷使原电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾处的电场。电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。二次电子的主要来源是空间的光电离。（1）流注的形成条件第24页，本讲稿共31页流注放电理论要点流注放电理论要点在高气压下（在高气压下（Pd大），当外施电压等于击穿电压时，光电大），当外施电压等于击穿电压时，光电离强烈，电子崩（汤逊放电）转入流注放电。离强烈，电子崩（汤逊放电）转入流注放电。流注理论
15、认为：电子崩发展到足够的程度后，其空间电流注理论认为：电子崩发展到足够的程度后，其空间电荷足以使原电场严重畸变，大大加强崩头和崩尾电场，荷足以使原电场严重畸变，大大加强崩头和崩尾电场，引发强场光子发射。另外，电子崩中电荷密度非常大，引发强场光子发射。另外，电子崩中电荷密度非常大，弱场区复合过程频繁，放射出的光子重新引起光电离。弱场区复合过程频繁，放射出的光子重新引起光电离。流注理论强调：不均匀的空间电荷分布对电场畸变的作流注理论强调：不均匀的空间电荷分布对电场畸变的作用；空间碰撞电离和光电离是形成自持放电的主要原因用；空间碰撞电离和光电离是形成自持放电的主要原因。适用范围：高气压、均匀、不均匀
16、电场中的放电过程。还较为适用范围：高气压、均匀、不均匀电场中的放电过程。还较为粗糙，存在假说成分。粗糙，存在假说成分。第25页，本讲稿共31页高电压工程基础（2）流注自持放电条件（即形成流注的条件）汤逊放电理论与流注放电理论的比较：汤逊放电理论与流注放电理论的比较：流注理论可以解释汤逊理论无法说明的pd值大时的放电现象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。第26页，本讲稿共31页半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的
17、关系 高电压工程基础2.4 不均匀电场中气体放电的特点不均匀电场中气体放电的特点 稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同 放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压 放电过程不稳定，分散属于过渡区 第27页，本讲稿共31页高电压工程基础极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的电晕放电（1）电晕放电的起始场强是气体相对密度；m1表面粗糙度系数，理想光滑导线取1，绞线0.80.9；好天气时m2=1，坏天气时m2可按0.8估算。第28页，本讲稿共31页高电压工程基础（2）电晕放电的危害与对策危害：危
18、害：功率损耗、电磁干扰、噪声污染对策对策：（：（限制导线的表面场强限制导线的表面场强）采用分裂导线。对330kV及以上的线路应采用分裂导线，例如330，500和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。第29页，本讲稿共31页高电压工程基础（2）电晕放电的利用 在某些情况下可以利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电压。导线板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm 虚线尖-板电极间隙 点划线均匀场间隙第30页，本讲稿共31页高电压工程基础 不均匀电场中放电的极性效应不均匀电场中放电的极性效应负极性棒板间隙的电晕起始电压比正极性棒板电极低负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板电极高 第31页，本讲稿共31页