高電壓工程基礎(chǔ)-施圍-邱毓昌第2章-氣體放電的基本物理過(guò)程第一頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)第2章氣體放電的基本物理過(guò)程2.1帶電粒子的產(chǎn)生與消失2.2放電的電子崩階段2.3自持放電條件2.4不均勻電場(chǎng)中放電的極性效應(yīng)第二頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)2.1帶電粒子的產(chǎn)生與消失氣體中電子與正離子的產(chǎn)生（1）熱電離波爾茨曼常數(shù)1.38×10-23J/K熱力學(xué)溫度（2）光電離普朗克常數(shù)6.63×10-34J·s（3）碰撞電離第三頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)（4）分級(jí)電離原子中電子在外界因素的作用下可躍遷到能級(jí)較高的外層軌道，稱之為激勵(lì)，所需的能量稱為激勵(lì)能。氣體電離能激勵(lì)能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6若混合氣體中甲氣體的亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)能高于乙氣體的電離能，則會(huì)出現(xiàn)潘寧效應(yīng)，可使混合氣體的擊穿強(qiáng)度低于這兩種氣體各自的擊穿強(qiáng)度。第四頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)電極表面的電子逸出一些金屬的逸出功金屬逸出功鋁1.8銀3.1銅3.9鐵3.9氧化銅5.3（1）正離子撞擊陰極（2）光電子發(fā)射（3）強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射（4）熱電子發(fā)射第五頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)氣體中負(fù)離子的形成電子與氣體分子或原子碰撞時(shí)，也有可能發(fā)生電子附著過(guò)程而形成負(fù)離子，并釋放出能量，稱為電子親合能。電子親合能的大小可用來(lái)衡量原子捕獲一個(gè)電子的難易，越大則越易形成負(fù)離子。元素電子親合能（eV）電負(fù)性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5負(fù)離子的形成使自由電子數(shù)減少，因而對(duì)放電發(fā)展起抑制作用。SF6氣體含F(xiàn)，其分子俘獲電子的能力很強(qiáng)，屬?gòu)?qiáng)電負(fù)性氣體，因而具有很高的電氣強(qiáng)度。第六頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)帶電質(zhì)點(diǎn)的消失（1）帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散

帶電質(zhì)點(diǎn)從濃度較大的區(qū)域向濃度較小的區(qū)域的移動(dòng)，從而使?jié)舛茸兊镁鶆虻倪^(guò)程，稱為帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散。電子的熱運(yùn)動(dòng)速度高、自由行程大，所以其擴(kuò)散比離子的擴(kuò)散快得多。（2）帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合

帶異號(hào)電荷的質(zhì)點(diǎn)相遇，發(fā)生電荷的傳遞和中和而還原為中性質(zhì)點(diǎn)的過(guò)程，稱為復(fù)合。帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合時(shí)會(huì)以光輻射的形式將電離時(shí)獲得的能量釋放出來(lái)，這種光輻射在一定條件下能導(dǎo)致間隙中其他中性原子或分子的電離。帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合率與正、負(fù)電荷的濃度有關(guān)，濃度越大則復(fù)合率越高。第七頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)2.2放電的電子崩階段非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn)電流隨外施電壓的提高而增大，因?yàn)閹щ娰|(zhì)點(diǎn)向電極運(yùn)動(dòng)的速度加快復(fù)合率減小電流飽和，帶電質(zhì)點(diǎn)全部進(jìn)入電極，電流僅取決于外電離因素的強(qiáng)弱（良好的絕緣狀態(tài)）電流開(kāi)始增大，由于電子碰撞電離引起的電流急劇上升放電過(guò)程進(jìn)入了一個(gè)新的階段（擊穿）外施電壓小于U0時(shí)的放電是非自持放電。電壓到達(dá)U0后，電流劇增，間隙中電離過(guò)程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素。自持放電起始電壓第八頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)電子崩的形成（BC段電流劇增原因）電子碰撞電離系數(shù)α：代表一個(gè)電子沿電力線方向行經(jīng)1cm時(shí)平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。第九頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)影響碰撞電離的因素1cm長(zhǎng)度內(nèi)一個(gè)電子的平均碰撞次數(shù)為1/λλ：電子平均自由行程碰撞引起電離的概率碰撞電離的條件第十頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)2.3自持放電條件

pd值較小的情況（湯遜）（1）湯遜自持放電判據(jù)（2）氣體擊穿的巴申定律（3）氣體密度對(duì)擊穿的影響第十一頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)

pd值較大的情況（流注）實(shí)測(cè)的放電時(shí)延遠(yuǎn)小于正離子穿越間隙所需的時(shí)間，這表明湯遜理論不適用于pd值較大的情況。形成流注的必要條件是電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷使原電場(chǎng)明顯畸變，大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾處的電場(chǎng)。電子崩中電荷密度很大，所以復(fù)合過(guò)程頻繁，放射出的光子在崩頭或崩尾強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)很容易引起光電離。二次電子的主要來(lái)源是空間的光電離。（1）流注的形成條件第十二頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)（2）流注自持放電條件（即形成流注的條件）湯遜放電理論與流注放電理論的比較：流注理論可以解釋湯遜理論無(wú)法說(shuō)明的pd值大時(shí)的放電現(xiàn)象。如放電為何并不充滿整個(gè)電極空間而是細(xì)通道形式，且有時(shí)火花通道呈曲折形，又如放電時(shí)延為什么遠(yuǎn)小于離子穿越極間距離的時(shí)間，再如為何擊穿電壓與陰極材料無(wú)關(guān)。兩種理論各適用于一定條件的放電過(guò)程，不能用一種理論取代另一種理論。第十三頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)電負(fù)性氣體的情況對(duì)強(qiáng)電負(fù)性氣體，除考慮α和γ過(guò)程外，還應(yīng)考慮η過(guò)程（電子附著過(guò)程）。η的定義與α相似，即一個(gè)電子沿電力線方向行經(jīng)1cm時(shí)平均發(fā)生的電子附著次數(shù)?？梢?jiàn)在電負(fù)性氣體中有效的碰撞電離系數(shù)為。由于強(qiáng)電負(fù)性氣體中，所以其自持放電場(chǎng)強(qiáng)比非電負(fù)性氣體高得多。以SF6氣體為例，在101.3kPa，20℃的條件下，均勻電場(chǎng)中擊穿場(chǎng)強(qiáng)為Eb≈89kV/cm，約為同樣條件的空氣間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的3倍。第十四頁(yè)，共19頁(yè)。半徑為r的球間隙的放電特性與極間距d的關(guān)系高電壓工程基礎(chǔ)2.4不均勻電場(chǎng)中氣體放電的特點(diǎn)稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的不同特點(diǎn)放電具有稍不均勻場(chǎng)間隙的特點(diǎn)擊穿電壓與電暈起始電壓相同

放電具有極不均勻場(chǎng)間隙的特點(diǎn)電暈起始電壓明顯低于擊穿電壓

放電過(guò)程不穩(wěn)定，分散屬于過(guò)渡區(qū)第十五頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)極不均勻電場(chǎng)中的電暈放電（1）電暈放電的起始場(chǎng)強(qiáng)δ是氣體相對(duì)密度；m1表面粗糙度系數(shù)，理想光滑導(dǎo)線取1，絞線0.8~0.9；好天氣時(shí)m2=1，壞天氣時(shí)m2可按0.8估算。第十六頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)（2）電暈放電的危害與對(duì)策危害：功率損耗、電磁干擾、噪聲污染對(duì)策：（限制導(dǎo)線的表面場(chǎng)強(qiáng)

）采用分裂導(dǎo)線。對(duì)330kV及以上的線路應(yīng)采用分裂導(dǎo)線，例如330，500和750kV的線路可分別采用二分裂、四分裂和六分裂導(dǎo)線。第十七頁(yè)，共19頁(yè)。高電壓工程基礎(chǔ)（2）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(lái)改善極不均勻場(chǎng)的電場(chǎng)分布，以提高擊穿電壓。導(dǎo)線