繼電保護與高電壓氣體放電的物理過程高電壓技術(shù)研究氣體放電的目的：

了解氣體在高電壓（強電場）作用下逐步由電介質(zhì)演變成導(dǎo)體的物理過程

掌握氣體介質(zhì)的電氣強度

學(xué)會如何選擇合適的絕緣距離以及如何提高氣體間隙的擊穿電壓

了解氣體擊穿電壓與電場分布、電壓種類、氣體狀態(tài)的關(guān)系電氣設(shè)備中常用氣體作為絕緣介質(zhì)，常用的氣體介質(zhì)：空氣、SF6及其混合氣體氣體放電過程：在電場作用下，氣隙中帶電粒子的形成和運動過程。問題的提出：1、氣隙中帶電粒子是如何形成的？2、氣隙中的導(dǎo)電通道是如何形成的？3、氣隙中導(dǎo)電通道形成后是如何維持持續(xù)放電的？一、帶電粒子在氣體中的運動電子平均自由行程公式

由氣體動力學(xué)可知，電子平均自由行程長度：：氣體分子半徑：大氣壓力：氣溫：波爾茲曼常數(shù)2.激勵

原子在外界因素作用下，其電子從處在距原子核較近的低能態(tài)軌道躍遷到離核較遠的較高能態(tài)的軌道，這個過程稱為激勵。如果原子獲得的外加能量足夠大，其電子將擺脫原子核的約束而成為自由電子。

原子在外界因素作用下，其電子受到激勵擺脫原子核的約束而成為自由電子，這一現(xiàn)象稱為電離。原子被分解成兩種帶電粒子—電子和正離子。使電子電離出來所需的最小能量稱為電離能。3.電離當氣體分子受到光輻射時，如光子能量滿足下面條件，將引起光電離，分解成電子和正離子：

h—普朗克常數(shù)h＝6.62×10-27爾格·秒。

—頻率（光是頻率不同的電磁輻射，也具有粒子性，稱為光子）

電離形式二：光電離導(dǎo)致氣體光電離的光子可以由自然界（如空中的紫外線、宇宙射線等）或人為照射（如紫外線、x射線等）提供，也可以由氣體放電過程本身產(chǎn)生。光子的產(chǎn)生一切因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離。包括：隨著溫度升高氣體分子動能增加引起的碰撞電離；高溫下高能熱輻射光子引起的光電離。電離形式三：熱電離c、強場放射（冷放射）當陰極附近所加外電場足夠強時，使陰極放射出電子d、熱電子放射當陰極被加熱到很高溫度時，其中的電子獲得巨大動能，逸出金屬。電離形式四：金屬(陰極)的表面電離（續(xù)）正離子和負離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過程稱為復(fù)合過程。在帶電質(zhì)點的復(fù)合過程會以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生光輻射。這種光輻射在一定條件下有可能成為導(dǎo)致電離的因素（如流柱理論中二次電子崩的起因）。4.帶電質(zhì)點的復(fù)合二、氣體放電過程的一般描述:電子崩理論

在外電離因素作用下，從陰極產(chǎn)生的第一個起始電子，從電場獲得一定動能后，會碰撞電離出一個第二代電子，這兩個電子作為新的第一代電子，又將電離出新的第二代電子，這時空間已存在四個自由電子，這樣一代一代不斷增加的過程，會使帶電質(zhì)點迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣。這一劇增的電子流稱為電子崩。為了定量分析氣隙中氣體放電過程，引入三個系數(shù)：

系數(shù)：代表一個電子沿著電場方向行經(jīng)1cm長度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)；

系數(shù)：代表一個正離子沿著電場方向行經(jīng)1cm長度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)；

系數(shù)：表示折合到每個碰撞陰極表面的正離子，使陰極金屬表面平均釋放出的自由電子數(shù)。電子崩理論

一個電子從陰極到陽極產(chǎn)生的電子數(shù)N：

一個電子從陰極到陽極產(chǎn)生的正離子數(shù)為：電子崩中電子數(shù)目的計算氣體放電的主要形式

輝光放電：整個空間發(fā)光，電流密度?。坏蜌鈮骸㈦娫垂β市?；霓虹燈

火花放電：有收細的發(fā)光放電通道、貫穿兩極的斷續(xù)的明亮火花；大氣壓下、電源功率小

電暈放電：緊貼尖電極周圍有一層暈光；極不均勻場

外施電壓小于U0時，間隙內(nèi)電流數(shù)值很小，間隙還未被擊穿，這時電流要依靠外電離因素來維持，如果取消外電離因素，電流將消失。這類放電稱為非自持放電。非自持放電

當電壓達到U0后，氣體中發(fā)生了強烈的電離，電流劇增，其中的電離只靠電場的作用自行維持，不再需要外電離因素。這種放電形式稱為自持放電。自持放電放電的發(fā)展過程

均勻電場：任意位置的自持放電將迅速引起氣體間隙擊穿，放電的起始電壓U0為擊穿電壓；

非均勻電場：當電壓達到U0后，出現(xiàn)電暈，U0為電暈起始電壓，電壓繼續(xù)升高，相繼出現(xiàn)刷狀放電、火化放電（或電弧放電）。一個電子從陰極到陽極產(chǎn)生的電子數(shù)N：

過程：對應(yīng)于起始電子形成電子崩的過程；湯森德機理

過程和過程

過程：描述了離子崩到達陰極后，將引起陰極發(fā)射二次電子的過程。一個正離子從陰極轟出的自由電子個數(shù)：擊穿過程：上述兩個過程交替重復(fù)進行，自由電子數(shù)目越來越多，最終導(dǎo)致?lián)舸?。電子崩——氣隙擊穿湯森德機理（續(xù)）28

第一章氣體放電的基本物理過程（續(xù)）

巴申定律擊穿電壓是氣壓P

與極間距離d

的乘積（或氣體相對密度與極間距離d

的乘積）的函數(shù)物理學(xué)家巴申在湯森德理論提出之前從實驗中得出30擊穿電壓有最小值巴申/帕邢定律形成自持放電需要達到一定的電離數(shù)，而這又決定于碰撞次數(shù)與電離概率的乘積，如果d固定，則當p增大時，碰撞次數(shù)將增加，而電離概率將減小。因此在某個p值下有最大值，從而擊穿電壓達到最小；擊穿電壓有最小值的解釋另一方面，如果p固定，則當d增大時，碰撞次數(shù)將增加，而E=U/d減小，電離概率減小，因此在某個d值下有最大值，從而擊穿電壓達到最小值巴申定律巴申定律與湯遜機理在Pd

較小時相一致根據(jù)巴申定律可知，由于在P很大或P很小時，擊穿電壓都較高，可采用提高氣壓或降低氣壓到高度真空來提高氣隙的擊穿電壓湯遜機理的適用范圍適用范圍：低氣壓，短氣隙，pd<200cm.mmHg工程上pd較大：實際與理論的差別：放電外形：放電在整個間隙中均勻連續(xù)（輝光），而火花放電帶有分支的明亮細通道放電時間：由正離子遷移率計算出的放電時間比實際火花放電時間長得多陰極材料：理論上有關(guān)，實際中無關(guān)流注機理

電子碰撞電離：形成電子崩，是維持自持放電的主要因素空間光電離：形成衍生電子崩，是維持自持放電的主要因素空間電荷畸變電場的作用：為衍生崩創(chuàng)造了條件流注：由大量正負離子混合形成的等離子體通道（導(dǎo)電性能良好）擊穿過程：電子崩——流注發(fā)展延伸——擊穿35電子崩空間電荷對電場的畸變:外加電場:正空間電荷與負極板產(chǎn)生的電場：正空間電荷與負空間電荷產(chǎn)生的電場：負空間電荷與正極板產(chǎn)生的電場：空間電荷產(chǎn)生的電場與外加電場疊加后的實際電場電子崩前方和尾部處的電場增強，強場區(qū)的中間部分場強小，復(fù)合產(chǎn)生光電離正流注的產(chǎn)生初崩頭部放出的光子在崩頭前方和崩尾后方引起空間光電離并形成二次崩，以及它們和初崩匯合的過程

當外施電壓為氣隙最低擊穿電壓時，光子在崩尾引發(fā)衍生子崩，從正極板出發(fā)。電極間所加電壓等于自持放電起始電壓，初崩跑完這個氣隙，其頭部才能積聚到足夠的電子數(shù)而引起流注(a)初崩跑完整個氣隙后引發(fā)流注（b）出現(xiàn)流注的區(qū)域從陽極向陰極方向推移（c）流注放電所產(chǎn)生的等離子通道短接了兩個電極，氣隙被擊穿。從電子崩到流注的轉(zhuǎn)換流注機理的結(jié)論自持放電條件：起始電子崩頭部電荷數(shù)量足以畸變電場造成足夠的空間光電離

是一常數(shù)，工程上一般認為：巴申定律與流注機理在Pd

較大時相一致流注理論對Pd很大空間時放電現(xiàn)象的解釋放電外形：衍生電子崩的發(fā)展具有不同的方位，所以流注的推進不可能均勻，隨機性使其曲折分支；放電時間：光子以光速傳播，衍生崩跳躍式發(fā)展，因此放電發(fā)展時間很短；陰極材料的影響：維持放電的是光電離而不是表面電離，因而與陰極材料無關(guān)。極不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程——現(xiàn)實和工程中常見的氣體放電40均勻電場和極不均勻電場示意圖a、顯著的極性效應(yīng)：施加電壓的極性對放電過程和擊穿電壓影響很大b、較長的放電時延：需要足夠的發(fā)展時間（電壓要持續(xù)一定時間才可擊穿）c、短間隙、長間隙、超長間隙各不相同d、可能出現(xiàn)各種放電形式：電暈、刷狀、火花、弧光放電等e、只能用流注機理來解釋1、極不均勻電場擊穿的特點隨著加在間隙上電壓的提高，間隙中的放電過程為：電子崩—

流注—

主放電（擊穿）2、短間隙的擊穿過程（以棒—板間隙為例）正極性電暈起始電壓高；負極性電暈起始電壓低正棒難以形成流注負棒容易形成流注棒—板間隙極性效應(yīng)1棒—

板間隙極性效應(yīng)2：正極性擊穿電壓低；負極性擊穿電壓高正棒：流注順利持續(xù)發(fā)展負棒流注逐步頓挫發(fā)展3、長間隙中的先導(dǎo)放電在長間隙放電中，流注匯集，形成通道狀且不斷發(fā)展，稱為先導(dǎo)放電先導(dǎo)通道中由于電流較大，溫度很高，出現(xiàn)熱電離，因而電導(dǎo)更大，可以將電極的電位傳到先導(dǎo)通道的端部（棒—板間隙距離大于1米）先導(dǎo)發(fā)展的速度和回路中電阻有很大關(guān)系，發(fā)展越來越快3、長間隙中的先導(dǎo)放電（續(xù)）先導(dǎo)形成：a、電場極不均勻、施加電壓很高b、棒極周圍產(chǎn)生大量流注并向棒極匯聚c、匯聚的流注通道電流很大，發(fā)熱，產(chǎn)生熱電離先導(dǎo)通道：在棒極前方造成的熾熱的等離子體通道，具有相當高的電導(dǎo)和很小的軸向電場電子崩—

流注—

先導(dǎo)—

主放電（擊穿）4、長間隙的擊穿過程a、極性效應(yīng)：正先導(dǎo)順利持續(xù)發(fā)展；負先導(dǎo)逐級頓挫發(fā)展—正棒擊穿電壓低b、先導(dǎo)的實質(zhì)是繼流注發(fā)展起來的二次過程，在放電發(fā)展過程中建立了熾熱的導(dǎo)電通道，使得長間隙的平均擊穿場強遠低于短間隙c、擊穿電壓隨間隙的增長而趨于飽和5、長間隙擊穿的特點6、極不均勻電場中的主放電過程當先導(dǎo)頭部流注即將到達板極時，立刻有一個放電過程從板極向棒極發(fā)展，稱為主放電主放電發(fā)展速度比先導(dǎo)快得多主放電通道溫度更高，明亮得多，電導(dǎo)更大，回路具有短路性質(zhì)6、極不均勻電場中的主放電過程a、電暈放電現(xiàn)象：尖極周圍有發(fā)光層，可聽到咝咝聲，聞到臭氧氣味b、空間電荷的作用：外層的空間電荷與尖極極性相同，使得電暈層中的場強基本不變，使放電趨于穩(wěn)定c、兩種形式：電子崩形式（電極很尖）和流注形式7、極不均勻電場中的電暈放電d、脈沖現(xiàn)象：外層空間電荷阻止放電發(fā)展，形成有規(guī)律的脈沖；進入刷狀放電后，形成隨機脈沖e、發(fā)展過程：無規(guī)律小電流—〉有規(guī)律重復(fù)脈沖—〉脈沖頻率增大—〉轉(zhuǎn)入持續(xù)電暈，無脈沖現(xiàn)象—〉進入刷狀放電，出現(xiàn)隨機脈沖極不均勻電場中的電暈放電（續(xù)）思考題1、簡述流注機理和結(jié)論。2、流注理論和湯遜理論各自適用的條件比較。3、極不均勻電場擊穿有哪些特點？4、簡述長間隙的放電過程和特點。5、簡述極不均勻電場中的主放電過程。本節(jié)完第一章氣體放電的基本物理過程55第八節(jié)沿面放電及防污對策沿面放電的概念沿面放電界面電場分布與特點沿面放電電壓的影響因素固體表面有水膜時的沿面放電（濕閃放電）絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電（污閃放電）污閃事故的對策一、沿面放電概念沿面放電：氣體中沿著固體絕緣表面放電的形式有：沿面滑閃：尚未發(fā)生擊穿的放電形式沿面閃絡(luò)：沿面擊穿的放電現(xiàn)象

指沿氣體介質(zhì)與固體介質(zhì)的交界面上發(fā)展的一種特殊的氣體放電現(xiàn)象

電力系統(tǒng)中絕緣子、套管等固體絕緣在機械上對高壓導(dǎo)體起固定作用，又在電氣上起絕緣作用，其絕緣狀況關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的可靠運行。可能發(fā)生沿面放電的電氣設(shè)備1、絕緣子：導(dǎo)體與地之間絕緣和連接支柱絕緣子懸式絕緣子2、瓷套：用作電氣內(nèi)絕緣的容器電流互感器氧化鋅避雷器3、套管：用作穿過電器外殼和墻體變壓器套管613、套管：用作穿過電器外殼和墻體電容式穿墻套管

固體介質(zhì)擊穿：一旦發(fā)生擊穿，即意味著不可逆轉(zhuǎn)地喪失絕緣功能。

沿介質(zhì)表面發(fā)生閃絡(luò)：由于大多數(shù)絕緣子以電瓷、玻璃等硅酸鹽材料組成，所以沿著它們的表面發(fā)生放電或閃絡(luò)時，一般不會導(dǎo)致絕緣子的永久性損壞。電力系統(tǒng)的外絕緣，一般均為自恢復(fù)絕緣，因為絕緣子閃絡(luò)或空氣間隙擊穿后，只要切除電源，它們的絕緣性能都能很快地自動徹底恢復(fù)。絕緣功能的喪失可以分為以下兩種情況

沿固體介質(zhì)表面的閃絡(luò)電壓不但比固體介質(zhì)本身的擊穿電壓低得多，而且也比極間距離相同的純氣隙的擊穿電壓低不少。輸電線路和變電所外絕緣的實際絕緣水平取決于它的沿面閃絡(luò)電壓。它與設(shè)備表面的干燥、潮濕或清潔、污染有較大關(guān)系。沿面放電的實驗現(xiàn)象

干閃放電氣體沿面放電的主要類型

濕閃放電

污閃放電

冰閃放電沿面閃絡(luò)電壓很低，閃絡(luò)可能在工作電壓下發(fā)生二、沿面放電界面電場分布與特點界面電場分布可分為3種典型情況，見下圖

(a)固體介質(zhì)處于均勻電場中，界面與電力線平行，這種情況工程實際中少見，但實際中會遇到不少固體介質(zhì)處于稍不均勻電場的情況。放電現(xiàn)象與均勻場相似均勻電場中的固體介質(zhì)

(b)固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，且界面電場的垂直分量En比平行于表面的切線分量Et要大得多（套管）極不均勻電場中的固體介質(zhì)

(c)固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，但大部分界面上的電場切線分量Et大于垂直分量En（支柱絕緣子）極不均勻電場中的固體介質(zhì)（一）均勻和稍不均勻電場中的沿面放電

圖(a)平板電場電極間插入一塊固體介質(zhì)，沿面閃絡(luò)電壓比純空氣時下降很多，原因如下：

大氣中的潮氣吸附到固體介質(zhì)的表面形成薄水膜，電極表面集聚了電荷，沿面電壓變得不均勻，降低了閃絡(luò)電壓。

固體介質(zhì)與電極表面接觸不良，存在小氣隙

固體表面電阻的不均勻和粗糙不平造成電場畸變。（二）極不均勻電場且具有強垂直分量時的沿面放電電暈放電輝光放電滑閃放電沿面閃絡(luò)外施電壓升高電壓超過某一值電壓再升高一些滑閃機理：帶電離子撞擊介質(zhì)表面，使局部溫度升高，導(dǎo)致熱電離（套管）（二）極不均勻電場且具有強垂直分量時的沿面放電——理論分析等值電路：由固體介質(zhì)表面電阻，比電容和體積電阻構(gòu)成表面電阻Rs：介質(zhì)單位面積的表面電阻比電容C0：介質(zhì)表面單位面積對另一電極（導(dǎo)桿）的電容體積電阻G1：與C0并聯(lián)的介質(zhì)體積電阻（一般略去）（二）極不均勻電場且具有強垂直分量時的沿面放電——理論分析介質(zhì)表面電壓不均勻分布：由于靠近法蘭處的Rs中流過的電流大于遠離法蘭處的Rs中的電流；在法蘭附近，電場強度大，其垂直分量也大，此處容易發(fā)生滑閃放電x0U虛線為C0→0時的電壓分布（二）極不均勻電場且具有強垂直分量時的沿面放電放電特點

滑閃放電在交流和沖擊電壓下很明顯隨著電壓的增加，滑閃長度增加得很快，單靠加長沿面距離來提高閃絡(luò)電壓的效果很差法蘭處套管的外徑和壁厚越大，滑閃放電電壓越大（二）極不均勻電場且具有強垂直分量時的沿面放電提高措施

減小比電容C0：加大法蘭處套管的外徑和壁厚，也可采用介電常數(shù)較小的介質(zhì)，以改善介質(zhì)表面電壓分布的不均勻程度，如用瓷—油組合絕緣代替瓷介質(zhì)等

減小絕緣表面電阻Rs：通過減小介質(zhì)表面電阻率實現(xiàn)，如在套管靠近接地法蘭處涂半導(dǎo)體釉等，以使此處壓降逐漸減小，防止滑閃放電過早出現(xiàn)（三）極不均勻電場中垂直分量很弱時的沿面放電

平均閃絡(luò)場強比均勻電場時低得多；另一方面，由于界面上電場垂直分量很弱，因此不會出現(xiàn)熱電離和滑閃放電

這種絕緣子的干閃絡(luò)電壓（表面干燥、清潔時），基本上隨極間距離的增大而提高

支柱絕緣子（四）三種典型界面電場分布對沿面放電特性的影響沿面平均閃絡(luò)場強：情況（a）〉（c）〉（b）情況（c），其沿面閃絡(luò)電壓比同樣距離的純空氣間隙的擊穿電壓略有減??；而情況（b），其沿面閃絡(luò)電壓比同樣距離的純空氣間隙的擊穿電壓低很多，主要是由于強垂直分量的作用易引起熱電離，出現(xiàn)了滑閃放電的緣故。如右圖，取決于材料的親水性或憎水性三、沿面放電電壓的影響因素（一）固體介質(zhì)材料（二）電場型式放電電壓與電場型式有很大關(guān)系（三）大氣條件

氣壓增大時，閃絡(luò)電壓增加不多溫度的影響與純空氣間隙相似，但不如純空氣間隙顯著濕度小于40％時無影響，大于40％時由水分在介質(zhì)表面的凝結(jié)狀況確定（四）固體介質(zhì)表面狀況淋雨、污穢、覆冰等情況下，沿面放電的特點三、沿面放電電壓的影響因素四、固體表面有水膜時的沿面放電

由于雨淋時，絕緣子表面上的水膜大都是不均勻和不連續(xù)的，因而造成有水膜覆蓋的表面電導(dǎo)大，無水膜處的表面電導(dǎo)小，絕大部分外加電壓由干表面來承受（濕閃放電）（2）沿濕表面AB和空氣間隙BA’發(fā)展，空氣間隙BA’中只有分散的雨滴，絕緣子濕閃電壓不會下降很多（1）沿濕表面AB和干表面BCA’發(fā)展,絕緣子濕閃電壓為干閃時的40～50％絕緣子在雨中可能的閃絡(luò)途徑（3）沿濕表面AB和水流BB’發(fā)展，傘裙間的氣隙被連續(xù)的水流所短接，濕閃電壓降低到很低的數(shù)值五、絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電閃絡(luò)形成過程：（1）絕緣子表面上的污層在毛毛雨、霧、露等不利天氣時，被水分濕潤，電導(dǎo)大增，工作電壓下泄漏電流大增，有些污層被烘干，出現(xiàn)干區(qū)。（2）干區(qū)電阻比其余濕污層電阻大很多，此時整個絕緣子上的電壓幾乎都集中在干區(qū)上；干區(qū)間隙不大，場強很大，首先出現(xiàn)電暈或輝光放電；（3）由于此時泄漏電流較大，電暈或輝光放電很容易轉(zhuǎn)變?yōu)榫植侩娀?；絕緣子表面上不斷延伸發(fā)展局部電?。ǚQ為爬電），一旦達到某一臨界長度時，自動貫穿兩極，形成沿面閃絡(luò)，此時相應(yīng)的電壓稱為污閃電壓。閃絡(luò)形成過程污閃過程：積污受潮干區(qū)形成局部電弧出現(xiàn)沿面閃絡(luò)電暈放電污層受潮條件：多霧；常下毛毛雨；易凝露地區(qū)；長期干旱積污地點：城市>