主讲教师：李 丹 13872606770 三峡大学电气与新能源学院输电线路系,高电压技术,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,1、非自持放电和自持放电 2、汤逊气体放电理论 3、气体放电的流注理论,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,气体放电流注理论仍以电子的碰撞电离过程为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下两方面: 空间电荷对原有电场的影响 空间光电离的作用,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（1）二次电子崩,电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变； 在电场很小的区域，电子和正离子浓度最大，有利于完成复合； 强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离辐射源。 辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离。如果光子位于强场区，二次电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展，或汇入崩尾。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（2）流注的形成,a)起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩； b)初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，在电场削弱的区域复合增加，放射出大量光子； c)光电离产生光电子，在加强的局部电场（正离子与阴极间电场）作用下形成二次崩； d)二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部又有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使其发展； e) 流注头部前方电场很强，电离迅速发展，放射出大量光子，继续引起空间光电离，于是流注前方出现新的二次崩，延长流注通道； f)流注通道贯通，气隙击穿,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（2）流注的形成,这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流注。,流注理论认为：在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这时放电即转入新的流注阶段。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（2）流注的形成,流注的特点是电离强度很大， 传播速度很快（超过初崩发展速 度10倍以上）。 出现流注后放电便获得独立继 续发展的能力，而不再依赖外界 电离因子的作用可见出现流注的 条件也就是自持放电条件。 二次崩的电子进入初崩通道 后，便与正离子群构成了导电的 等离子通道，一旦等离子通道短 接了两个电极，放电即转为火花 放电或电弧放电。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（2）流注的形成,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（2）流注的形成,流注形成条件：初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值。,实验研究所得的常数值为,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、气体放电的流注理论,（3）流注理论对pd很大时放电现象的解释,流注理论能够说明汤逊理论无法解释的一系列高气压、长气隙下出现的放电现象：,放电时间 二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播，所以流注发展非常快。 放电外形 二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可能均匀，而且具有分支。 阴极材料 大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,小 结,汤逊理论适用于 均匀电场、低气压、短间隙（pd值较小）气体的击穿； 流注理论适用于 均匀电场、大气压、长空气间隙（pd值较大）气体的击穿。 以pd=26.66kPacm作为分界参考；,注意：这两种理论各适用一定条件下的放电过程，不能用一种理论来代替另一种理论。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,小 结,(1)汤逊理论的基本观点： 电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。 (2)流注理论的基本观点： 以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程； 放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达108以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注； 流注一旦形成，放电转入自持。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,本节重点,汤逊放电理论和流注理论的适用范围； 汤逊理论描述的电子崩发展过程； 电子碰撞游离系数； 汤逊理论的自持放电条件及其物理解释； 巴申定律及其在实际中的应用； 流注理论与汤逊理论在考虑放电发展因素上的不同； 流注及其放电的发展过程； 流注及自持放电的形成条件。,练习题 教材P300： 1-2、1-3,第三节 不均匀电场中的放电过程,1、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征 2、电晕放电 3、极性效应 4、长气隙放电,电力系统中大多数的带电设备都处在长间隙不均匀电场中，如，变压器高压套管引出线对低压套管及壳；高压输电线对地；实验室的试验变压器高压端对墙等。那么，关于长间隙不均匀电场气体放电的物理过程又是如何发展的呢？,第三节 不均匀电场中的放电过程,1、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征,电场如何区分 均匀电场 放电达到自持，间隙即被击穿，击穿前看不到放电迹象 稍不均匀电场 与均匀电场相似 极不均匀电场 场强高的空间先发生电晕放电,第三节 不均匀电场中的放电过程,2、电晕放电,（1）电晕放电的一般描述 极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段。极不均匀电场的自持放电现象，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。 （2）电晕起始电压和电晕起始场强 由于影响因素多，常利用实验方法求取，再利用表面电场强度和所加电压的关系推导出计算电晕起始场强Ec的经验公式。 以输电线路导线为例：（皮克公式）,第三节 不均匀电场中的放电过程,2、电晕放电,在雨、雪、雾天气时，导线表面会出现许多水滴，它们在强电场和重力的作用下，将克服本身的表面张力而被拉成锥形，从而使导线表面的电场发生变化，结果在较低的电压和电场强度下就会出现电晕放电。,第三节 不均匀电场中的放电过程,2、电晕放电,（3）电晕放电的利弊,弊： 电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。 电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。 电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。,第三节 不均匀电场中的放电过程,2、电晕放电,（3）电晕放电的利弊,利： 在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度。 操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。 电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。,第三节 不均匀电场中的放电过程,2、电晕放电,（4）防止和减轻电晕的方法,根本的途径是设法限制和降低导线的表面电场强度。 可采用扩径导线和空心导线，更加合适的措施是采用分裂导线。 分裂导线的电场强度与分导线的直径和分导线间的距离 d 有关。在某一最佳值d0 时最大电场强度会产生一极小值。,330-750kV的超高压线路，分裂数一般取2-4； 1000kV及以上的特高压线路分裂数就更多，例如取8或更大。,分裂导线：每相都用若干根直径较小的平行分导线来替换大直径导线。分裂数超过两根时，这些分导线通常被布置在一个圆的内接正多边形顶点上。,第三节 不均匀电场中的放电过程,3、极性效应,在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。但放电的发展过程、气隙的电气强度、放电电压等都与该电极的极性有密切的关系。极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。,第三节 不均匀电场中的放电过程,3、极性效应,决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电位符号： 在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如“棒-板”气隙。 在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的那个电极上的电位，如“棒-棒”气隙。,下面以典型的极不均匀电场-“棒-板”气隙为例，从流注的概念出发，说明放电的： 发展过程 极性效应,第三节 不均匀电场中的放电过程,3、极性效应,（1）正极性,空间电荷,削弱了棒极附近的电场强度阻止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高,加强了正离子群外部空间的电场当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区亦将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的。,正极性,棒极为正极性时，不容易发生电晕放电，但是起晕后到完全击穿电压低。,第三节 不均匀电场中的放电过程,3、极性效应,（2）负极性,空间电荷,削弱了朝向板极方向的电场强度当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整个气隙击穿将是不顺利的。,加强了朝向棒极端的电场强度促进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低。,负极性,棒极为负极性时，容易发生电晕放电，但起晕后，受空间电荷影响，使完全击穿电压升高。,第三节 不均匀电场中的放电过程,3、极性效应,在进行外绝缘的冲击高压试验时往往加正极性冲击电压，因为这时电气强度较低。在工频高压作用下，击穿均发生在外加电压为正极性的那半周内。,工程实际中，输电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生在正半波。,第三节 不均匀电场中的放电过程,4、长间隙放电,流注往往不能一次贯穿整个气隙，而出现逐级推进的先导放电现象。 流注发展到足够长度后，会出现新的强电离过程，通道的电导大增，形成先导通道，引起新的流注，导致先导进一步伸展。 所加电压达到或超过该气隙的击穿电压时，先导贯通整个气隙，使气隙击穿。 热电离在先导放电和主放电阶段均有重要的作用。,第三节 不均匀电场中的放电过程,本 节 重 点,稍不均匀电场和极不均匀电场的划分； 极不均匀电场的放电特征； 电晕放电的概念和导线起晕场强的计算； 极不均匀电场中的放电发展过程； 极性定义和极性效应。 习题：P300 1-5,第四节 冲击电压下的气隙击穿,1、放电时间 2、冲击电压波形的标准化 3、冲击电压下的气隙击穿特性,第四节 冲击电压下的气隙击穿,1、放电时间,（1）气隙击穿必备条件 足够大的电场强度或足够高的电压； 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子； 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。,第四节 冲击电压下的气隙击穿,1、放电时间,（2）放电时间的组成 放电的总时间 tb 由三部分组成：,tb = tl + ts + tf t1 所加电压从0上升到Us的时间； ts 统计时延，指从 tl 到气隙中出现第一个有效电子； tf放电形成时延，从出现有效电子到最终击穿。,tlag = ts + tf tlag放电时延,U越高，放电过程发展越快， tb和tlag越短,Us-间隙在工频或直流电压作用下的击穿电压称为静态击穿电压,第四节 冲击电压下的气隙击穿,2、冲击电压波形的标准化,（1）标准雷电冲击电压波 用来模拟电力系统中的雷电过电压波，采用非周期性双指数波。,国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为： T1=1.2s，容许偏差30% ； T2=50s，容许偏差20%； 通常写成1.2/50s，可在前面加上正、负号表示极性。,第四节 冲击电压下的气隙击穿,2、冲击电压波形的标准化,（2）标准雷电截波 用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后出现的截尾冲击波 。,国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为： T1=1.2s，容许偏差30% ； Tc=25s，容许偏差20%； 通常写成1.2/25s，可在前面加上正、负号表示极性。,第四节 冲击电压下的气隙击穿,2、冲击电压波形的标准化,（3）标准操作冲击电压波 用来等效模拟电力系统中操作过电