高電壓工程-第二章-氣體放電的基本理論-

2.1氣體中帶電粒子的產(chǎn)生與消失2.2湯遜氣體放電理論2.3流注放電理淪2.4不均勻電場中氣隙的放電特性2.5電暈放電2.6沿面放電與污穢閃絡(luò)

第二章氣體放電的基本理論氣體放電：當(dāng)作用在氣體上的電場強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，氣體就會(huì)突然失去絕緣性能而發(fā)生放電現(xiàn)象。氣隙的擊穿：放電導(dǎo)致氣體間隙短路氣體放電種類：（電源的容量、氣壓、電場類型等因素決定）輝光放電：電源容量較小時(shí)，氣隙間的放電則表現(xiàn)為充滿整個(gè)間隙輝光放電；火花放電：在大氣壓下或者更高氣壓下，放電則表現(xiàn)為跳躍性的火花電弧放電：當(dāng)電源容量較大且內(nèi)阻較小時(shí)，放電電流較大，并出現(xiàn)高溫的電弧局部放電（電暈）：在極不均勻場中，還會(huì)在間隙擊穿之前，只在局部電場很強(qiáng)的地方出現(xiàn)放電，但整個(gè)間隙并未發(fā)生擊穿沿面放電：氣體介質(zhì)與固體介質(zhì)的交界面上沿著固體介質(zhì)的表面而發(fā)生在氣體介質(zhì)中的放電；當(dāng)沿面放電發(fā)展到使整個(gè)極間發(fā)生沿面擊穿時(shí)稱為沿面閃絡(luò)。

火花放電、電暈放電沿面放電電弧放電1、帶電粒子的產(chǎn)生第一節(jié)氣體中帶電粒子的產(chǎn)生與消失電離是指電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過程。電離方式可分為：碰撞電離光電離熱電離表面電離氣體中負(fù)離子的形成

附著：電子與氣體分子碰撞時(shí)，不但有可能引起碰撞電離而產(chǎn)生出正離子和新電子，也可能發(fā)生電子附著過程而形成負(fù)離子。

負(fù)離子的形成并未使氣體中帶電粒子的數(shù)目改變，但卻能使自由電子數(shù)減少，因而對(duì)氣體放電的發(fā)展起抑制作用。2、帶電質(zhì)點(diǎn)的消失帶電質(zhì)點(diǎn)的消失（氣體去電離）可能有以下幾種情況：帶電質(zhì)點(diǎn)受電場力的作用流入電極

；帶電質(zhì)點(diǎn)因擴(kuò)散而逸出氣體放電空間；帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合；吸附效應(yīng)。電子崩（α過程）

電子崩及其電荷分布示意圖（a）電子崩的形成（b）電子崩中的電荷分布（1）碰撞電離

氣體放電現(xiàn)象與規(guī)律因氣體的種類、氣壓和間隙中電場的均勻度而異。

但氣體放電都有從電子碰撞電離開始發(fā)展到電子崩階段。

第二節(jié)湯遜氣體放電理論湯遜理論

只有電子崩過程是不會(huì)發(fā)生自持放電的。要達(dá)到自持放電的條件，必須在氣隙內(nèi)初始電子崩消失前產(chǎn)生新的電子（二次電子）來取代外電離因素產(chǎn)生的初始電子。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，二次電子的產(chǎn)生機(jī)制與氣壓和氣隙長度的乘積（

）有關(guān)。

值較小時(shí)自持放電的條件可用湯遜理論來說明；

值較大時(shí)則要用流注理論來解釋。（1）

過程與自持放電條件

由于陰極材料的表面逸出功比氣體分子的電離能小很多，因而正離子碰撞陰極較易使陰極釋放出電子。此外正負(fù)離子復(fù)合時(shí)，以及分子由激勵(lì)態(tài)躍遷回正常態(tài)時(shí)，所產(chǎn)生的光子到達(dá)陰極表面都將引起陰極表面電離，統(tǒng)稱為

過程。

為此引入系數(shù)。

設(shè)外界光電離因素在陰極表面產(chǎn)生了一個(gè)自由電子，此電子到達(dá)陽極表面時(shí)由于

過程，電子總數(shù)增至

個(gè)。因在對(duì)

系數(shù)進(jìn)行討論時(shí)已假設(shè)每次電離撞出一個(gè)正離子，故電極空間共有（

－1）個(gè)正離子。由系數(shù)

的定義，此（

－1）個(gè)正離子在到達(dá)陰極表面時(shí)可撞出（

－1）個(gè)新電子，這些電子在電極空間的碰撞電離同樣又能產(chǎn)生更多的正離子，如此循環(huán)下去。自持放電條件為

：一個(gè)正離子撞擊到陰極表面時(shí)產(chǎn)生出來的二次電子數(shù)

：電子碰撞電離系數(shù)：兩極板距離（2）湯遜放電理論的適用范圍

湯遜理論是在低氣壓、

較小的條件下在放電實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的。

過小或過大，放電機(jī)理將出現(xiàn)變化，湯遜理論就不再適用了。（3）巴申定律與適用范圍

早在湯遜理論出現(xiàn)之前，巴申(Paschen)就于1889年從大量的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出了擊穿電壓與的關(guān)系曲線，稱為巴申定律，即

(1-23)巴申定律巴申定律（均勻場中氣隙的實(shí)驗(yàn)曲線）濟(jì)南段義和爆炸案

2007年7月9日下午5時(shí)30分左右，濟(jì)南“7·9”爆炸案現(xiàn)場。女性車主當(dāng)場死亡

濟(jì)南7.9爆炸案現(xiàn)場

發(fā)生爆炸的車輛是一輛私家車，女性車主已確認(rèn)死亡，另一輛車是出租車，司機(jī)受傷。31歲的柳玲(柳海平)，是濟(jì)南市國土資源局的女干部，她另一個(gè)身份就是段義和的情婦（13年）。山東省濟(jì)南市人大常委會(huì)主任、黨組書記段義和（61歲），爆炸案主謀。被雙開、被執(zhí)行死刑。子彈穿透西瓜視頻截圖D54動(dòng)車組山東出事撞死一人致車頭裂開

2009年3月28日，青島—北京南D54次動(dòng)車途經(jīng)山東濰坊，列車撞上了一男性鐵路工人（當(dāng)場死亡），導(dǎo)致車頭部分裂開，留有暗紅色血跡。列車暫停約20分鐘，最終晚點(diǎn)15分到達(dá)北京。當(dāng)時(shí)D54路過濰坊站后，正處于加速階段，時(shí)速在200公里以上。第三節(jié)流注放電理論

湯遜理論的局限性：對(duì)于高氣壓長間隙和不均勻場中的氣體放電及擊穿電壓無法解釋。流注理論與湯遜理論的不同之處：流注理論認(rèn)為:電子的碰撞電離和空間光電離是形成自持放電的主要因素；而湯遜理論則沒考慮放電本身引發(fā)的空間光電離對(duì)放電過程的重要作用。同時(shí)，流注理論特別強(qiáng)調(diào)空間電荷對(duì)電場的畸變作用。1.電子崩

圖2-6電子崩中的空間電荷對(duì)均勻電場的畸變

2.流注放電的形成圖2-7流注的形成及發(fā)展—P25a）初始電子崩；b）二次電子崩；c）流注的發(fā)展；d）完全擊穿長間隙的平均擊穿場強(qiáng)比短間隙的低

間隙較長（d＞1m）時(shí)，出現(xiàn)先導(dǎo)通道（具有熱電離過程）。電子崩→流注→先導(dǎo)→擊穿

間隙愈長,先導(dǎo)過程和主放電過程發(fā)展愈充分，間隙愈長，其平均擊穿場強(qiáng)就愈低。長間隙擊穿過程

在間隙距離較長時(shí)，存在某種新的、不同性質(zhì)的放電過程，稱為先導(dǎo)放電。長間隙放電電壓的飽和現(xiàn)象可由先導(dǎo)放電現(xiàn)象作出解釋。

長間隙的放電大致可分為先導(dǎo)放電和主放電兩個(gè)階段，在先導(dǎo)放電階段中包括電子崩和流注的形成及發(fā)展過程。不太長間隙的放電沒有先導(dǎo)放電階段、只分為電子崩、流注和主放電階段。1）電暈的含義極不均勻電場中，當(dāng)電壓及平均場強(qiáng)較低時(shí)電極曲率較大處附近空間的局部場強(qiáng)已很大，在這局部強(qiáng)場區(qū)中，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離，離電極稍遠(yuǎn)處場強(qiáng)大為減弱，電離只局限在電極附近的強(qiáng)場范圍內(nèi)。伴隨著電離而存在的復(fù)合和反激勵(lì)，輻射出大量光子，使在黑暗中可看到在電極附近空間有藍(lán)色的暈光，這就是電暈。第5節(jié)電暈放電2）電暈放電的效應(yīng)電暈過程有聲、光、熱等效應(yīng)，發(fā)出“咝咝”的聲音、藍(lán)色的暈光以及使周圍溫度升高等。電極突出處，電子和離子在局部強(qiáng)場驅(qū)動(dòng)下高速運(yùn)動(dòng)，與氣體分子交換動(dòng)量，形成“電風(fēng)”。產(chǎn)生高頻脈沖電流，含許多高次諧波，干擾無線電。產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),在空氣中形成O3、NO和NO2?？陕犜肼暎瑢?duì)人造成生理、心理上的影響。特高壓系統(tǒng)尤甚。產(chǎn)生能量損耗，在某些情況下，會(huì)達(dá)到可觀的程度。3）電暈放電的對(duì)策對(duì)策：（限制導(dǎo)線的表面場強(qiáng)）增大線間距離；增大導(dǎo)線半徑（采用分裂導(dǎo)線）。330，500和750kV線路分別采用二分裂、四分裂和六分裂導(dǎo)線。4）電暈放電的利用在某些情況下可以利用電暈放電產(chǎn)生的空間電荷來改善極不均勻場的電場分布，以提高擊穿電壓。電暈造成的損耗可削弱輸電線上的雷電沖擊電壓波的幅值和陡度；利用電暈制造除塵器、消毒柜和對(duì)廢氣、廢水進(jìn)行處理及對(duì)水果、蔬菜進(jìn)行保鮮等。

極不均勻電場中氣隙放電的極性效應(yīng)對(duì)于“棒—板”間隙，將“棒”的極性定義為間隙的極性1）正極性--棒起暈電壓高擊穿電壓低2）負(fù)極性--棒起暈電壓低擊穿電壓高1）定義—當(dāng)絕緣承受的電壓超過一定值時(shí)，在固體介質(zhì)和空氣交界面上出現(xiàn)的放電現(xiàn)象，叫沿面放電。當(dāng)沿面放電發(fā)展成為貫穿性的空氣擊穿時(shí)，叫沿面閃絡(luò)。沿面放電是氣體放電，由于交界面上電壓分布不均勻，沿面閃絡(luò)電壓比氣體單獨(dú)存在時(shí)的擊穿電壓低輸電線路遭受雷擊時(shí)絕緣子的閃絡(luò)，處于大氣臟污地區(qū)的瓷瓶在雷霧天發(fā)生閃絡(luò)，均屬沿面放電。為避免絕緣子發(fā)生不可恢復(fù)的擊穿，在設(shè)計(jì)中讓其擊穿電壓高出閃絡(luò)電壓約50%2）影響因素—絕緣表面狀態(tài)、污穢程度、氣候條件等因素影響很大。第6節(jié)沿面放電與污穢閃絡(luò)沿面閃絡(luò)的幾種形式

工頻電壓作用下沿平板玻璃表面滑閃放電照片污閃實(shí)例遼沈地區(qū)2001年2月22日遭遇最嚴(yán)重大面積停電事故，沈陽市區(qū)停電面積超過70%。遼沈停電事故是從輸電線路污閃開始的。遼沈?yàn)橹毓I(yè)區(qū)，含鹽的空氣污染物附著在絕緣瓷瓶上，大霧濕氣使瓷瓶絕緣能力降低，電弧沿著瓷瓶表面爬升，出現(xiàn)閃烙1、沿面電場分布的典型情況（1）固體介質(zhì)處于均勻電場中，且界面與電力線平行，如圖（a）。（2）固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，且電力線垂直于界面的分量比平行于表面的分量要大得多，如圖(b)。（3）固體介質(zhì)處極不均勻電場中，電場強(qiáng)度平行于界面的分量要比垂直分量大，如（c）。2均勻電場中的沿面放電沿面放電：均勻場中，固體的引入不影響極間的電場分布，但放電總是發(fā)生在界面，且閃絡(luò)電壓比純氣隙擊穿電壓低得多。不同介質(zhì)的沿面閃絡(luò)電壓空氣間隙石蠟瓷與電極接觸不緊密的瓷原因：1）固體表面粗糙，局部場強(qiáng)大；2）固體表面吸收水分，改變電場分布；3）固體與電極接觸不緊密，小氣隙，易局放。3極不均勻電場中的沿面放電

具有強(qiáng)垂直分量時(shí)的沿面放電（d）套管表面電容沿套管表面放電的示意圖（a）電暈放電（b）細(xì)線狀輝光放電（c）滑閃放電

具有弱垂直分量時(shí)的沿面放電

沿面閃絡(luò)電壓與空氣擊穿電壓的差別比前述兩種電場情況都要小得多。因此這種情況下，為提高沿面放電電壓，主要從改進(jìn)電極形狀以改善電極附近的電場著手.1－空氣隙擊穿2－石蠟3－膠紙4－瓷和玻璃沿不同材料圓管表面的工頻閃絡(luò)電壓峰值

表面凝露對(duì)沿面放電的影響不同放電距離時(shí)清潔的環(huán)氧樹脂支柱絕緣子的交流閃絡(luò)電壓（環(huán)境溫度為30℃）RH超過60%閃絡(luò)電壓下降；原因：表面凝露SF6中工頻沿面閃絡(luò)電壓（氣壓0.35MPa）1－氣溫為-2℃~＋4℃2－氣溫為-29℃~-2℃3－環(huán)氧樹脂絕緣子露（液態(tài)）霜（固態(tài)）

表面淋雨對(duì)沿面放電的影響光滑瓷柱的干閃和濕閃電壓干閃濕閃雨中電導(dǎo)率對(duì)濕閃電壓的影響（取雨水電導(dǎo)率為0.1S/m時(shí)的閃絡(luò)電壓為1）臟污絕緣表面的沿面放電污閃：戶外絕緣子常會(huì)受到工業(yè)污穢或自然界鹽堿、飛塵等污染干燥情況下，對(duì)閃絡(luò)電壓沒多大影響。當(dāng)絕緣子表面污層被濕潤，表面電導(dǎo)劇增使絕緣子泄漏電流急劇增加。絕緣子的污閃電壓大大降低，甚至可能在工作電壓下閃絡(luò)。

影響污閃的因素（1）污穢的性質(zhì)和污染程度

污穢的導(dǎo)電率越高和介質(zhì)表面沉積的污穢量越多，則閃絡(luò)電壓越低。在工程中常將污層表面電導(dǎo)率作為監(jiān)測(cè)絕緣子臟污嚴(yán)重程度的一個(gè)特征參數(shù)。（2）濕潤的方式

最容易發(fā)生污閃的氣象條件是霧、露、融雪和毛毛雨等，這些條件下污層易達(dá)到飽和濕潤的狀態(tài)但不被沖洗掉。（3）泄漏距離

在污層表面電導(dǎo)率一定時(shí)，泄漏距離越長，剩余電阻的阻值越大，絕緣子的泄漏距離是影響污閃電壓的重要因素。（4）外施電壓的形式

由于污閃是局部電弧不斷拉長的過程，因此電壓作用時(shí)間越短就越不容易導(dǎo)致閃絡(luò)。（1）定期或不定期的清掃

（2）使用防污閃涂料或進(jìn)行表面處理（3）加強(qiáng)絕緣和采用耐污絕緣子（4）使用其他材質(zhì)的絕緣子

防止污閃的措施懸式絕緣子串片數(shù)標(biāo)稱電壓（kV）1035661