1、高電壓工程基礎(chǔ),第二章 氣體放電 的基本物理過程,任課教師：趙 彤,山東大學(xué)電氣工程學(xué)院,氣體電介質(zhì) 液體電介質(zhì) 固體電介質(zhì),電介質(zhì)在電氣設(shè)備中作為絕緣材料使用，按其物質(zhì)形態(tài)，可分為三類：,高電壓工程基礎(chǔ),外絕緣 一般由氣體電介質(zhì)(空氣)和固體介質(zhì)(絕緣子)聯(lián)合構(gòu)成,在電氣設(shè)備中：,高電壓工程基礎(chǔ),內(nèi)絕緣 一般由固體電介質(zhì)和液體電介質(zhì)聯(lián)合構(gòu)成,了解氣體在強(qiáng)電場(chǎng)(高電壓)作用下逐步由電介質(zhì)演變成導(dǎo)體的物理過程。,研究氣體放電的目的：,高電壓工程基礎(chǔ),電氣設(shè)備中常用的氣體介質(zhì)： 空氣、壓縮的高電氣強(qiáng)度氣體(如SF6),掌握氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度及其提高方法。,輸電線路以空氣作為絕緣材料,高電壓工程基礎(chǔ)

2、,變壓器相間絕緣以氣體作為絕緣材料,高電壓工程基礎(chǔ),高電壓工程基礎(chǔ),空氣在正常情況下導(dǎo)電率很小，為良絕緣體。但氣體間隙上的電壓過高時(shí)，氣體會(huì)由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱紝?dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為氣體擊穿。,一旦電壓解除后,氣體電介質(zhì)能自動(dòng)恢復(fù)絕緣狀態(tài)，且不存在老化現(xiàn)象。,高電壓工程基礎(chǔ),擊穿電壓：氣體間隙擊穿時(shí)的最低臨界電壓。,擊穿場(chǎng)強(qiáng)是表征氣體間隙絕緣性能的重要參數(shù)。,擊穿場(chǎng)強(qiáng)：均勻電場(chǎng)中擊穿電壓與間隙距離之比。,平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)：不均勻電場(chǎng)中擊穿電壓與間隙距離之比。,高電壓工程基礎(chǔ),氣體放電: 氣體中流通電流的各種形式。 因氣體壓力、電源功率、電極形狀等因素的影響，放電具有多種形式：,輝光放電：氣壓較低(遠(yuǎn)小于

3、1大氣壓)，電源功率很小時(shí)，放電充滿整個(gè)間隙。,火花放電：大氣壓下，電源功率很小時(shí)，間隙間歇性擊穿，放電通道細(xì)而明亮?xí)r斷時(shí)續(xù)。,電弧放電：大氣壓下，電源功率較大時(shí)，放電具有明亮、持續(xù)的細(xì)致通道。,電暈放電：極不均勻電場(chǎng)中，高電場(chǎng)強(qiáng)度電極附近出現(xiàn)發(fā)光薄層。,刷狀放電：由電暈電極伸出的明亮而細(xì)的斷續(xù)的放電通道。,高電壓工程基礎(chǔ),電暈放電,高電壓工程基礎(chǔ),高電壓工程基礎(chǔ),一、帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失 二、放電的電子崩階段 三、自持放電條件 四、不均勻電場(chǎng)中氣體放電的特點(diǎn),高電壓工程基礎(chǔ),第二章 氣體放電的基本物理過程,高電壓工程基礎(chǔ),激勵(lì)(激發(fā))：當(dāng)原子獲得外部能量，一個(gè)或若干個(gè)外層電子躍遷到離原子核較

4、遠(yuǎn)的軌道上去的現(xiàn)象。 激勵(lì)需要外界給原子一定的能量，稱為激勵(lì)能。,產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的物理過程稱為電離(游離)，是氣體放電的首要前提。,2.1 帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失,電離(游離)：若原子從外界獲得的能量足夠大，以致使一個(gè)或幾個(gè)電子擺脫原子核的束縛形成自由電子和正離子，這一過程稱為電離。電離所需的能量稱為電離能Wi，通常用電子伏(eV)表示，有時(shí)也用電離電位Ui表示， Ui = Wi /e (e為電子的電荷量)。,高電壓工程基礎(chǔ),電離的方式：,（空間電離）,1、氣體中電子與正離子的產(chǎn)生 （空間電離）,（1）碰撞電離,高電壓工程基礎(chǔ),電子或離子在電場(chǎng)作用下加速所獲得的動(dòng)能與質(zhì)點(diǎn)的電荷(e)、電場(chǎng)強(qiáng)度(E

5、)以及碰撞前的行程(x)有關(guān)，即：,高速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)與中性的原子或分子碰撞時(shí)，如原子或分子獲得的能量等于或大于其電離能，則會(huì)發(fā)生電離，這種由碰撞而引起的電離稱為碰撞電離。,（1）碰撞電離,高電壓工程基礎(chǔ),即使?jié)M足碰撞電離條件,也不一定每次碰撞都引起電離引入“自由行程”概念。,自由行程：一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在每?jī)纱闻鲎查g自由通過的平均距離。,碰撞電離是氣體放電過程中產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的最重要的方式，由電子引起的電離占主要地位。,電子：自由行程大，獲取的動(dòng)能大；質(zhì)量小，彈性碰撞時(shí)幾乎不損失動(dòng)能。 離子：自由行程短，碰撞間獲得的動(dòng)能少；碰撞時(shí)損失動(dòng)能。,（2）光電離,高電壓工程基礎(chǔ),由光輻射引起的氣體分子的電離過程，稱

6、為光電離。,即當(dāng)氣體分子受到光輻射時(shí)，若光子能量大于氣體分子電離能，則可能引起氣體分子的光電離。,頻率為v的光子能量：,因?yàn)榇髿鈱拥淖钃?，?yáng)光到達(dá)地面的波長(zhǎng) 290nm（可見光波長(zhǎng)為380780nm），因此，普通陽(yáng)光照射不足以引起氣體分子的光電離。,例如波長(zhǎng)為300nm的紫外線，其光波能量為：,（3）熱電離,高電壓工程基礎(chǔ),氣體在熱狀態(tài)下引起的電離過程稱為熱電離。,熱電離本質(zhì)：高速運(yùn)動(dòng)的氣體分子的碰撞電離和光電離，只不過能量不是來(lái)自電場(chǎng)而是氣體分子本身的熱能。,氣體分子平均動(dòng)能與分子溫度的關(guān)系：,常溫下(T=300K)，不足以引起空氣的熱電離；當(dāng)發(fā)生電弧放電時(shí)，氣體溫度達(dá)到數(shù)千度以上，可能導(dǎo)致

7、熱電離。,熱電離實(shí)質(zhì)上是熱狀態(tài)產(chǎn)生的碰撞電離和光電離的綜合。,（4）分級(jí)電離,高電壓工程基礎(chǔ),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We 。,激勵(lì)能比電離能小，原子或分子有可能在外界給予的能量小于Wi但大于We時(shí)發(fā)生激勵(lì)。,原子或分子在激勵(lì)態(tài)再獲得能量而發(fā)生電離稱為分級(jí)電離，此時(shí)所需要能量為Wi-We。,激勵(lì)態(tài)不穩(wěn)定，經(jīng)過約10-8s就會(huì)回復(fù)到基態(tài)。分級(jí)電離概率小。,某些原子具有亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)，其平均壽命較長(zhǎng)，可達(dá)10-410-5s 。只有亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)才會(huì)引起分級(jí)電離。,（4）分級(jí)電離,高電壓工程基礎(chǔ),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

8、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。,從絕緣的觀點(diǎn)看，潘寧效應(yīng)是很不利的；但在氣體放電應(yīng)用中，如在電光源和激光技術(shù)中，則常常利用潘寧效應(yīng)。,2、電極表面的電子逸出,高電壓工程基礎(chǔ),電子從金屬電極(陰極)表面逸出來(lái)的過程稱為電極表面電離。 使陰極釋放電子需要的能量: 逸出功。 逸出功與金屬的微觀結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)有關(guān), 與金屬溫度無(wú)關(guān)。 金屬表面逸出功比氣體電離能小很多，因此電極表面電離在氣體放電過程中有相當(dāng)重要的作用。,2、電極表面的電子逸出,高電壓工程基礎(chǔ),正離子撞擊陰極：正離子能量傳遞給陰極，不小于2倍金屬表面逸出功時(shí)發(fā)生電離。 光電子發(fā)射：金屬表面受到短

9、波長(zhǎng)光照時(shí)，光子能量金屬表面逸出功時(shí)，可造成電離。 強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射：在陰極附近施加強(qiáng)電場(chǎng)可使陰極釋放電子。對(duì)于高氣壓強(qiáng)電負(fù)氣體的擊穿過程起一定作用；在真空的擊穿過程中，具有決定性的作用。 熱電子發(fā)射：加熱陰極，使電子獲取足夠動(dòng)能，克服金屬表面逸出功。僅對(duì)電弧放電有意義。,3、氣體中負(fù)離子的形成,電子與中性氣體分子或原子碰撞時(shí)，也有可能發(fā)生電子附著過程而形成負(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。為了說(shuō)明原子在分子中吸引電子的能力，引入電負(fù)性概念，是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)，其值越大，表明原子在分子中吸引電子的能力越大。,高電壓工程基礎(chǔ),負(fù)離

10、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。,高電壓工程基礎(chǔ),電負(fù)性氣體分子捕獲電子的能力除與氣體性質(zhì)有關(guān)外，還與電子的動(dòng)能有關(guān)，電子速度高時(shí)不容易被捕獲，因此電場(chǎng)強(qiáng)度很高時(shí)電子附著率很低。,4、帶電質(zhì)點(diǎn)的消失,與兩電極的電量中和 帶電質(zhì)點(diǎn)受電場(chǎng)力的作用定向運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)電極時(shí)，消失于電極上而形成外電路中的電流。 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)域移動(dòng)，從而使?jié)舛茸兊镁鶆虻倪^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，其擴(kuò)散比離子擴(kuò)散快得多。 帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合 帶異號(hào)電荷的質(zhì)

11、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。,高電壓工程基礎(chǔ),2.2 放電的電子崩階段,氣體放電的現(xiàn)象與發(fā)展規(guī)律與氣體種類、氣壓大小、氣隙中的電場(chǎng)形式、電源容量等一系列因素有關(guān)。 但無(wú)論何種氣體放電都一定有一個(gè)電子碰撞電離導(dǎo)致電子崩的階段，它在所加電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)出現(xiàn)。,高電壓工程基礎(chǔ),2.2 放電的電子崩階段,1、非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn),各種高能輻射射線（外界電離因素）引起： 陰極表面光

12、電離 氣體中的空間光電離 因此：氣體空間中存在一定濃度的帶電質(zhì)點(diǎn)。 在氣隙的電極間施加電壓時(shí)，可檢測(cè)到很微小的電流。,高電壓工程基礎(chǔ),1、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)）,電流開始增大，由于電子碰撞電離引起的,電流急劇上升放電過程進(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，間隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素，此時(shí)的放電為自持放電。,高電壓工程基礎(chǔ),2、電子崩的形成（BC段電流劇增

13、原因）,高電壓工程基礎(chǔ),放電由非自持向自持轉(zhuǎn)化的機(jī)制與氣體的壓強(qiáng)和氣隙長(zhǎng)度的乘積(pd)有關(guān)： 湯遜理論(pd值較小) 流注理論(pd值較大) 共同理論基礎(chǔ)：電子碰撞電離形成電子崩。,2、電子崩的形成,高電壓工程基礎(chǔ),外界電離因素在陰極附近產(chǎn)生了一個(gè)初始電子，如果空間電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引起碰撞電離，產(chǎn)生一個(gè)新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。,依此，電子將按照幾何級(jí)數(shù)不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流稱為電子崩。,電子崩,高電壓工程基礎(chǔ),2、電子崩的形成,高電壓工程基礎(chǔ),均勻電場(chǎng) 不隨x變化,新增電子數(shù),回路電流

14、,I0：外電離因素引起的初始光電流,2.3 自持放電條件,高電壓工程基礎(chǔ),湯遜理論 (pd值較小) 流注理論 (pd值較大),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(lái)取代外電離因素產(chǎn)生的初始電子。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，二次電子產(chǎn)生的機(jī)制與氣壓和氣隙長(zhǎng)度的乘積（pd）有關(guān)：,1、pd 值較小的情況（湯遜理論）,高電壓工程基礎(chǔ),1903年，由英國(guó)人湯遜(J.S.Townsend)根據(jù)試驗(yàn)事實(shí)，提出了比較系統(tǒng)的氣體放電理論，闡述了氣體放電過程，并確定出放電電流和擊穿電壓之間的函數(shù)關(guān)系。湯遜氣體放電理論最早定量地解釋了氣體放電理論。,適用條件：均勻電場(chǎng)，低氣壓，短間隙。,

15、1、pd 值較小的情況（湯遜理論）,（1）湯遜自持放電判據(jù),高電壓工程基礎(chǔ),在電場(chǎng)作用下，正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，由于它的平均自由行程長(zhǎng)度較短，不易積累動(dòng)能，所以很難使氣體分子發(fā)生碰撞電離。 但當(dāng)正離子撞擊陰極表面時(shí)卻有可能引起表面電離而拉出電子，部分電子和正離子復(fù)合，其余部分則向著陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)形成新的電子崩。,電子碰撞電離系數(shù) ：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)。 陰極表面電離系數(shù) ：一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)從陰極表面平均逸出的自由電子數(shù)。,1、pd 值較小的情況（湯遜理論）,（1）湯遜自持放電判據(jù),高電壓工程基礎(chǔ),如果電壓足夠大，初始電子崩中的正離子在陰極上產(chǎn)生出來(lái)的新電子等于

16、或大于n0，即使除去外界電離因子的作用，放電也不會(huì)停止，這就變成了自持放電。 均勻電場(chǎng)中自持放電的條件：,將電子崩和陰極上的過程作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。,高電壓工程基礎(chǔ),湯遜理論的實(shí)質(zhì)：,氣體間隙中發(fā)生的電子碰撞電離是氣體放電的主要原因(電子崩)。 二次電子來(lái)源于正離子撞擊陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。 所逸出的電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。,（2）氣體擊穿的巴申定律,高電壓工程基礎(chǔ),1889年，巴申（Paschen）從大量實(shí)驗(yàn)中總結(jié)了擊穿電壓Ub與pd的關(guān)系，稱為巴申定律。,當(dāng)氣體和電極材料一定時(shí)，氣隙的擊穿電壓是氣體壓力p和氣隙距離d

17、乘積的函數(shù)，即：,高電壓工程基礎(chǔ),（2）氣體擊穿的巴申定律,對(duì)應(yīng)于某一pd值，空氣間隙的擊穿電壓最低。即Ub有極小值。,原因：為使放電達(dá)到自持，電子從陰極到陽(yáng)極的整個(gè)行程中需完成足夠多次數(shù)的碰撞電離。,高電壓工程基礎(chǔ),（2）氣體擊穿的巴申定律,d值一定時(shí)：,p自由行程碰撞次數(shù)減少 Ub,p自由行程碰撞電離可能 Ub,因此，一定存在一個(gè)p值對(duì)碰撞電離最有利，此時(shí)Ub最小。,高電壓工程基礎(chǔ),（2）氣體擊穿的巴申定律,p值一定時(shí)：,d當(dāng)d值過小時(shí)，碰撞次數(shù)已減到很少 Ub,dE須增加外加電壓以維持放電所需電場(chǎng)強(qiáng)度 Ub,因此，一定存在一個(gè)d值對(duì)碰撞電離最有利，此時(shí)Ub最小。,高電壓工程基礎(chǔ),（2）氣

18、體擊穿的巴申定律,由巴申定律可知，當(dāng)極間距離d不變時(shí)，提高氣壓或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓，這一概念具有十分重要的實(shí)用意義。,巴申定律與湯遜理論的關(guān)系 前者為后者提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持；后者為前者提供理論依據(jù)。,（3）氣體密度對(duì)擊穿的影響,高電壓工程基礎(chǔ),（4）湯遜理論的不足,湯遜理論是在pd較小時(shí)在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的，當(dāng)pd較大時(shí)，此理論就不再適用，一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無(wú)法解釋。,放電外形：按湯遜理論，氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展，例如輝光放電，但在大氣壓下?lián)舸?huì)出現(xiàn)有分支的明亮細(xì)通道。,放電時(shí)間：高氣壓下?lián)舸┻^程所需時(shí)間，實(shí)測(cè)值比理論值小10100倍。,陰極材料：按湯遜理論，擊穿過

19、程與陰極材料有關(guān)，然而在大氣壓力下的空氣隙中擊穿電壓與陰極材料無(wú)關(guān)。,高電壓工程基礎(chǔ),主要原因：,湯遜理論沒有考慮電離出來(lái)的空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用。,湯遜理論沒有考慮光子在放電過程中的作用（空間光電離和陰極表面光電離）。,高電壓工程基礎(chǔ),在pd較小時(shí)這兩個(gè)因素影響不顯著的原因：,空間電荷是電子崩過程中氣體分子電離的產(chǎn)物。pd越大，電離總數(shù)越多，空間電荷數(shù)越多，電荷數(shù)按指數(shù)規(guī)律增加。,pd大時(shí)，因電離總數(shù)劇增，電子及正離子的濃度很大，所以必然伴隨著強(qiáng)烈的復(fù)合和激勵(lì)過程，放出的光子數(shù)量急劇的增加。,大量空間電荷造成局部強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，而碰撞電離系數(shù) 對(duì)電場(chǎng)很敏感。在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，由光子電離出來(lái)的電子容易形成二

20、次電子崩。,2、pd 值較大的情況（流注理論）,（1）電子崩中空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用,高電壓工程基礎(chǔ),a圖：電子崩發(fā)展過程中，電子移動(dòng)速度快，正離子相對(duì)于電子可看成靜止的，崩頭集中電子，后部為正離子；由于電子的擴(kuò)散作用，電子崩橫向半徑逐漸擴(kuò)大形成半球頭的錐體。 b圖：電子崩過程中，電子數(shù) N 呈指數(shù)增加。電子崩的電離過程集中在頭部，空間電荷分布極不均勻。 c圖：當(dāng)電子崩發(fā)展到一定程度，其形成的空間電荷的電場(chǎng)大大增強(qiáng)。 d圖：崩頭和崩尾的電場(chǎng)增強(qiáng)，電子崩內(nèi)正負(fù)電荷區(qū)域間電場(chǎng)削弱，合成電場(chǎng)發(fā)生明顯的畸變。,高電壓工程基礎(chǔ),電子崩頭部電荷密度大，電離過程強(qiáng)烈，且電場(chǎng)分布畸變，導(dǎo)致崩頭放射大量光子；

21、 崩頭前后電場(chǎng)增強(qiáng)，有利于分子離子發(fā)生激勵(lì)現(xiàn)象，其從激勵(lì)狀態(tài)恢復(fù)正常狀態(tài)時(shí)，放射出光子； 電子崩內(nèi)部正負(fù)電荷區(qū)域間電場(chǎng)削弱，有利于發(fā)生復(fù)合過程，同樣發(fā)射出光子。 光子的數(shù)量和能量取決于電場(chǎng)畸變的程度。當(dāng)外電場(chǎng)較弱時(shí)，上述過程并不強(qiáng)烈，沒有發(fā)生新的現(xiàn)象；當(dāng)外電場(chǎng)達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，上述過程十分強(qiáng)烈，空間電荷數(shù)量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，放射出的光子數(shù)量和能量足以引起空間光電離，電子崩頭部形成流注。,（1）電子崩中空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用,（2）流注的形成,高電壓工程基礎(chǔ),正流注的形成,1初始電子崩(主電子崩)；2二次電子崩；3流注,高電壓工程基礎(chǔ),正流注的形成,外電場(chǎng)因素使得從陰極釋放的電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，形成電

22、子崩。 電子崩的過程中頭部電離愈加強(qiáng)烈，走完整個(gè)間隙后，頭部空間電荷密度非常大，大大加強(qiáng)了崩頭尾部電場(chǎng)，放射大量光子。 光子引起空間光電離，新形成的光電子被主電子崩頭部的正離子所吸引，在受到畸變而加強(qiáng)了的電場(chǎng)中，引起新的強(qiáng)烈的電子崩 (二次電子崩)。,（2）流注的形成,高電壓工程基礎(chǔ),正流注的形成,二次電子崩頭部的電子進(jìn)入主電子崩頭部的正空間電荷區(qū)（電場(chǎng)強(qiáng)度較?。?，電子大多形成負(fù)離子。大量的正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成了等離子體，這就是所謂的正流注。 流注通道導(dǎo)電性良好，其頭部又是由二次電子崩形成的正電荷，因此流注頭部前方出現(xiàn)了很強(qiáng)的電場(chǎng)。,（2）流注的形成,高電壓工程基礎(chǔ),正流注的形成,流注頭部的電離

23、放射出大量光子，繼續(xù)引起空間光電離。流注前方出現(xiàn)新的二次電子崩，它們被吸引向流注頭部，從而延長(zhǎng)了流注通道。 流注不斷向陰極推進(jìn)，且隨著流注接近陰極，其頭部電場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)，因而其發(fā)展越來(lái)越快。 流注發(fā)展到陰極，整個(gè)間隙被導(dǎo)電良好的等離子體通道所貫通，間隙的擊穿完成，這個(gè)電壓就是擊穿電壓。,（2）流注的形成,高電壓工程基礎(chǔ),負(fù)流注的形成,外施電壓較低（擊穿電壓）時(shí)，電子崩需經(jīng)過整個(gè)間隙方能形成流注；電壓較高時(shí)，電子崩不需經(jīng)過整個(gè)間隙，其頭部電離程度已足以形成流注。 主電子崩頭部的電離很強(qiáng)烈，光子射向頭部前方，在前方產(chǎn)生新的電子崩，主崩頭部的電子和二次崩尾的正離子形成混合通道，形成向陽(yáng)極推進(jìn)的流注，稱

24、為負(fù)流注。 主電子崩頭部射向其后方的光子，引起光電離后形成向陰極推進(jìn)的正流注。間隙中正、負(fù)流注可以同時(shí)向兩極發(fā)展。,（2）流注的形成,高電壓工程基礎(chǔ),電離室中得到的正流注發(fā)展過程的照片,（3）流注自持放電條件,高電壓工程基礎(chǔ),流注的特點(diǎn)是電離強(qiáng)度很大和傳播速度很快。流注一旦形成，放電可由自身產(chǎn)生的空間光電離自行維持，進(jìn)入自持放電階段，即均勻電場(chǎng)間隙被擊穿。因此，均勻電場(chǎng)間隙擊穿條件，即自持放電條件，即流注形成條件。 流注形成的主要因素是電子碰撞電離及空間光電離。只有電子崩頭部電荷達(dá)到一定數(shù)量，空間電荷畸變電場(chǎng)達(dá)到一定程度，造成足夠的空間光電離，才能轉(zhuǎn)入流注。,（4）流注理論對(duì)放電現(xiàn)象的解釋,高

25、電壓工程基礎(chǔ),放電外形 pd很大時(shí)，適用流注理論。流注中電荷密度大，電導(dǎo)很大，故其中的電場(chǎng)強(qiáng)度小。隨著流注的發(fā)展，周圍空間電場(chǎng)被減弱，抑制其他流注形成發(fā)展。流注放電具有細(xì)通道。 pd較小時(shí)，適用湯遜理論。電子崩電荷密度小，電場(chǎng)強(qiáng)度大，不影響周圍空間電場(chǎng)，不影響其他電子崩的產(chǎn)生。湯遜放電呈連續(xù)一片。 放電時(shí)間 流注理論：光子以光速傳播，流注發(fā)展速度快，放電時(shí)間特別短。,（4）流注理論對(duì)放電現(xiàn)象的解釋,高電壓工程基礎(chǔ),陰極材料的影響 流注理論：維持自持放電是空間光電離，不是陰極表面的電離，所以擊穿電壓與陰極材料基本無(wú)關(guān)。 湯遜理論：自持放電與陰極表面電離有關(guān)，擊穿電壓與陰極材料有關(guān)。 結(jié)論： 湯遜

26、理論與流注理論相互補(bǔ)充，說(shuō)明不同的放電現(xiàn)象。 兩個(gè)理論都還很粗糙，無(wú)法精確計(jì)算具體絕緣材料的擊穿電壓，要通過實(shí)驗(yàn)方法獲取。,高電壓工程基礎(chǔ),1、稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的不同特點(diǎn),稍不均勻電場(chǎng)中放電的特點(diǎn)與均勻電場(chǎng)中相似，在間隙擊穿前看不到放電的跡象。 極不均勻電場(chǎng)中間隙擊穿前在高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)(曲率半徑較小的電極表面附近)會(huì)出現(xiàn)藍(lán)紫色暈光，稱為電暈放電。剛出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓稱為電暈起始電壓。,2.4 不均勻電場(chǎng)中氣體放電的特點(diǎn),半徑為r的球間隙的放電特性與極間距d的關(guān)系,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,放電過程不穩(wěn)定，

27、分散 屬于過渡區(qū),高電壓工程基礎(chǔ),1、稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的不同特點(diǎn),任何電極形狀隨著極間距離的增大都會(huì)從稍不均勻電場(chǎng)變?yōu)闃O不均勻電場(chǎng)。,1 擊穿電壓 2 電暈起始電壓 3 放電不穩(wěn)定區(qū),高電壓工程基礎(chǔ),為了描述各種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)不均勻程度，可引入一個(gè)電場(chǎng)不均勻系數(shù) f，表示為：,f4屬極不均勻電場(chǎng)。,Emax ：最大電場(chǎng)強(qiáng)度,Ea ：平均電場(chǎng)強(qiáng)度,1、稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的不同特點(diǎn),高電壓工程基礎(chǔ),極不均勻電場(chǎng)氣隙中，因間隙距離大，擊穿電壓主要取決于間隙距離，而與電極形狀關(guān)系不大，所以常以棒棒電極或棒板電極作為研究極不均勻電場(chǎng)放電特性的典型電極。,棒棒電極代表對(duì)稱的不均勻電場(chǎng) 棒板電

28、極代表不對(duì)稱的不均勻電場(chǎng),高電壓工程基礎(chǔ),2、極不均勻電場(chǎng)中的電暈放電,電暈放電是極不均勻電場(chǎng)特有的一種自持放電形式。,極不均勻電場(chǎng)中，間隙中的最大場(chǎng)強(qiáng)比平均場(chǎng)強(qiáng)大的多。外加電壓較低時(shí)，曲率大的電極附近電場(chǎng)強(qiáng)度已足夠大，可引起強(qiáng)烈的電離，在這局部的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)形成放電。這種僅僅發(fā)生在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的局部放電稱為電暈放電。 大曲率電極附近很小的區(qū)域內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)足夠高，會(huì)發(fā)生電離。電離區(qū)中的復(fù)合過程和從激勵(lì)恢復(fù)正常態(tài)等過程，會(huì)產(chǎn)生大量光輻射，形成電暈。而其他電極空間場(chǎng)強(qiáng)太小，電離無(wú)法發(fā)生。,高電壓工程基礎(chǔ),電暈起始電壓開始出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓； 電暈起始場(chǎng)強(qiáng)開始出現(xiàn)電暈時(shí)電極表面的場(chǎng)強(qiáng)。,輸電線路起暈場(chǎng)強(qiáng)Ec與導(dǎo)線半徑及

29、空氣密度有關(guān)，可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：,（1）電暈放電的起始電壓和起始場(chǎng)強(qiáng),式中m1 表面粗糙系數(shù)，根據(jù)不同情況，約為0.81； m2 氣象系數(shù)，根據(jù)天氣不同約為0.81； r 導(dǎo)線半徑，cm； 氣體的相對(duì)密度。,（皮克公式）,高電壓工程基礎(chǔ),電暈起始電壓可由Ec求得。對(duì)于離地高度為h的單向?qū)Ь€可寫出,對(duì)于三相輸電導(dǎo)線，上式中的Uc代表相電壓，d為導(dǎo)線的幾何均距。,對(duì)于距離為d的兩根平行導(dǎo)線（d 遠(yuǎn)大于 r）則可寫出,（2）電暈放電的效應(yīng),高電壓工程基礎(chǔ),電暈電流具有高頻脈沖性質(zhì)，對(duì)無(wú)線電通訊產(chǎn)生干擾。隨著輸電電壓的提高，延伸范圍的擴(kuò)大，線路電暈造成的信號(hào)干擾成為很嚴(yán)重的問題。 電暈使空氣發(fā)生化學(xué)反

30、應(yīng)，產(chǎn)生O3 、NO、 NO2 。臭氧、氮氧化物等是強(qiáng)氧化劑和腐蝕劑，對(duì)氣體中的固體介質(zhì)和金屬電極造成損傷和腐蝕。 伴隨電離、復(fù)合、激勵(lì)和恢復(fù)等過程，有聲、光、熱等效應(yīng)，產(chǎn)生能量損耗?！八凰弧甭暎{(lán)紫色光，周圍空氣溫度升高。,高電壓工程基礎(chǔ),改進(jìn)電極形狀，增大電極曲率半徑，如采用均壓環(huán)，屏蔽環(huán)；采用擴(kuò)徑導(dǎo)線，載流量不大的場(chǎng)合，采用空心薄殼擴(kuò)大尺寸的球面和旋轉(zhuǎn)橢圓等形式電極。 在選擇導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)和尺寸時(shí)，應(yīng)使好天氣時(shí)電暈損耗接近于零，對(duì)無(wú)線電和電視的干擾應(yīng)限制到容許水平以下。 對(duì)于超高壓和特高壓線路的分裂導(dǎo)線來(lái)說(shuō)，找到最佳的分裂距，使導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度值最小。,降低電暈的方法：,從根本上設(shè)法限制和降低導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度。,高電壓工程基礎(chǔ),對(duì)330kV及以上的線路應(yīng)采用分裂導(dǎo)線，例