高电压技术,高电压工程系 刘春 13871018672,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,第2讲回顾,带电粒子的产生与消失 汤逊理论 巴申定律的解释 汤逊理论的适用范围,第3讲 气体电介质的绝缘特性（二） 1.2.5 流注理论,在高气压长间隙条件下的气体放电理论 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,流注理论,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,两个阶段,（1） 电子崩阶段,（a）初始电子崩,阳极侧电子崩数目多 正空间电荷加强了原电场，同时向周围放射出大量光子,（一）流注理论,（b）二次电子崩,光子使附近的气体因光电离而产生二次电子 它们在由正空间电荷所引起的畸变和加强了的局部电场作用下，又形成新的电子崩，即二次电子崩,（2）流注的形成和发展,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,（3）间隙的击穿,流注不断向阴极报进，头部电场越来越强，因而其发展也越快 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击穿,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,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1.25107cm/s,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,自持放电条件,形成流注空间光电离维持放电（自持放电） 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。 流注形成的条件：足够的空间光游离较多的初始电子崩（电子崩积累到一定的数量）,（二）流注理论对高气压、长间隙（pd很大）放电现象的解释,1放电外形 具有通道形式 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 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。 电子崩则不然，由于其中电荷密度较小，故电场强度还很大，因而不致影响到邻近空间内的电场，所以不会影响其它电子崩的发展,树枝状放电与放电发展的抑制,2放电时间短 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放电不受阴极材料的影响 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,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。,电场不均匀系数 f 的定义 f4时，极不均匀电场,1.3 不均匀电场中气体的击穿,1 击穿电压 2 电晕起始电压 3 放电不稳定区,d2D，电场还比较均匀，其放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，立即导致整个气隙击穿放电达到自持时，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,1.3.1 稍不均匀场和极不均匀场的放电特点,d4D，电场分布极不均匀，存在电晕放电和电晕起始电压。 外加电压进一步增大，表面电晕层扩大，并出现刷状的细火花，火花变长，最终导致气隙完全击穿。,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,d2D4D，属于过渡区域，不稳定电晕，转为火花放电。 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,1.3.2 电晕放电现象,电晕放电现象电离区的放电过程造成。 强电场电子崩复合光辐射 咝咝的声音 臭氧的气味 微弱的晕光 回路电流明显增加(绝对值仍很小)，可以测量到能量损失,电晕起始电压和电晕起始场强 是一种自持放电形式，起始电压在原理上可由自持放电条件求得,E0的经验公式,m导线表面的粗糙系数。光滑导线m=1, 一般导线m=0.820.9,对绞线局部电晕 m=0.72,电晕电流与能量,(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,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,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。,电晕的起始阶段一系列短促的陡脉冲组成。电离产生的与导线同号的电荷,导致电离停止。 脉冲电流将产生电磁波传播到空间造成无线电干扰，,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。 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,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。 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行估算。,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,减小电晕的方法,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。 一般采取适当增大导线直径的办法 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。,电晕影响的两面性,不利影响 ：能量损失；放电脉冲引起的高频电磁波干扰；化学反应引起的腐蚀作用等 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布，提高击穿电压 ； 利用电晕放电除尘与臭氧发生器等,1.3.3 极不均匀场中的放电过程,一、非自持放电阶段,电子崩产生 阳极积聚正电荷,二、流注发展阶段,头部电场增强 新电子崩 流注前移,三、先导放电阶段 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）。 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。,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,放电过程,四、主放电过程 先导头部达到板极。小间隙中的高场强引起强烈电离，带电粒子高。 强电离区迅速向阳极传播主放电过程。 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。,主放电通道 主放电和先导通道的交界区 先导通道,先导的发展,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,1.3.4 极不均匀场中的极性效应,正棒负板,电子运动速度快，迅速进入棒极； 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 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。,负棒正板,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。 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。 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。,Thank you!,