高电压技术系列--气体放电的物理过程2

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,气体放电的物理过程,第三节 电晕放电,一、概述,1,2,电晕：1、在极不均匀电场中，电极曲率较大处附近空间，伴随着电离而存在的复合和反鼓励，辐射出大量光子，使在黑暗中可以看到蓝紫色的晕光，这就是电晕。2、导体外表的局部场强大于空气的击穿场强时外表空气被击穿发生咝咝声伴随闪光的现象。,电晕的存在形式：1、存在于极不均匀电场气隙击穿过程初期；2、以稳定形式长期存在,电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式，它与其它形式的放电有本质的区别。,电晕放电的电流强度取决于：外施电压的大小，电极形状，极间距离，气体的性质和密度等。,3,这种仅发生在强场区小曲率半径电极附近空间的局部放电称为电晕放电。,特征：环绕该电极外表的蓝紫色光晕。,开始出现电晕放电时的电压为电晕起始电压。随着外加电压的增大，电晕区也增大，但气隙仍保持绝缘状态，并未击穿。,二、电晕放电的物理过程和效应,电晕放电有明显的极性效应。,以尖,-,板电极为例。,(,不均匀电场的典型代表,),4,尖极为负极性时,当电压升到一定值，平均电流接近微安级时，出现有规律的重复电流脉冲；(图b),当电压继续升高时，电流脉冲幅值根本不变，但频率增高了，平均电流也相应增大；(图c),当电压再升高时，电晕电流失去了高频脉冲的性质而转成持续电流，其平均值仍随电压而升高；,当电压再进一步升高时，出现幅值大得多的不规那么的电流脉冲流注型电晕电流。,5,尖极为正极性时,电晕电流也具有重复脉冲的性质，但没有规那么。,当电压和平均电流增大时，电流的脉冲性质变得愈来愈不显著，以至根本上转变为持续电流。,当电压继续升高时，就出现幅值大得多的不规那么的流注型电晕电流脉冲。,电晕现象的解释 负电晕,当电压值相对较低时，气隙中的电流是由外界电离因素引起的电子和离子形成的，数量极小，故电流也极小，只能看作是极微小的泄漏电流。,6,电压到达一定值后,电离爆发，电子运动速度加快，因而在负尖处留下正电荷,当电子运动至稍远离尖电极处时，形成负离子，造成负空间电荷的积累,正空间电荷在负极中和，而负空间电荷的积累削弱了尖极处的场强，电离停止,负空间电荷向外疏散，尖电极处电场强度重新增大，开始下一次电离,电压增高时，负离子受电场力作用疏散更快，尖电极处电场迅速恢复，故电流脉冲频率上升。,电压更高时，电子迅速向外运动，要在离尖电极更远的地方才能形成负离子，因而不能形成足以使电离中止的密集的空间电荷，于是脉冲消失，代之以稳定电流。,7,气体中的电晕放电效应,声、光、热等效应；,“电风；,无线电干扰；,气体的化学反响；,可听噪声；,能量损耗。,8,三、,电晕放电的计算,电晕放电对超高压和特高压输电线路具有特殊的重要性，与线路导线的选择、电能平衡、环境影响等均有密切的关系。,电晕起始电压,U,c,由于它的影响因素很多，通常利用实验的方法求取，然后推倒出相应计算电晕起始场强的经验公式。,以输电线路为例，半径为 r，离地高度为 h，导线外表电场强度 E 与对地电压 U 的关系如下：,9,对输电线上的电晕现象最早作系统性研究的人是美国工程师皮克。他总结了一系列经验公式如：导线外表的起晕场强、导线起晕电压、起晕导线的功率损耗等。,中心导线外表电晕的临界场强可用经验公式表示,式中Ecor临界场强，kV/cm；,r0起晕导线的半径，cm；,空气的相对密度。,皮克认为，如果导线与平面之间的距离Hr0，那么此式也适用于导线与平行平面电极之间的电晕放电。,直流架空输电线路的电晕,10,双极电晕，由静电场理论可知，这个电场与上述导线平面相距为h的情况完全相同如果不考虑导线周围空间电荷对电场的影响。在这种情况下，双导线电晕的伏安特性似应为单导线电晕伏安特性的2倍。但实验结果指出，前者远大于后者的2倍，前者的起晕电压也比后者低一些。,对于上述平行起晕导线的情况下，皮克得出起晕临界场强的通用公式为,相应的起晕临界电压那么为,11,以上各式成立的条件是良好的导线外表状态和枯燥洁净的空 气。如果这个条件不能满足，那么在Ecor式中应乘以相应的修正系数m1和m2。m1为导线外表状态系数，根据不同情况，约为0.81.0；m2为气象系数，根据不同气象情况，约为0.81.0。,对直流输电线的电晕损耗问题，迄今还没有一个公认适当的计算公式。不过，大多数的计算公式具有以下形式,式中,U,导线对地电压，,kV,；,A,系数，主要由间隙的几何尺寸决定。,12,交流输电线上的电晕,皮克从大量的实验研究中总结出交流输电线上导线指单导线外表起晕场强Ecor为：,式中r0起晕导线的半径，cm；,空气的相对密度。系数m1和m2的意义同前。,假设三相导线对称排列，那么导线的起晕临界电压有效值为,式中S线间距离，cm；,r0导线半径，cm；,Ucor起晕临界电压，kVeff对地,13,导线水平排列时，那么应将式中的S以Sm代替，此处Sm为三相导线的几何平均距离，即,但皮克提出的交流输电线上电晕损耗功率单导线的经验公式中引入另一个仅有计算意义的电压U0。当导线电压对地UU0时，导线电晕功率损耗可忽略不计；而当UU0时，导线电晕功率损耗将与(U-U0)2成正比。,计算中可取与U0相应的导线外表场强E0为,14,交流输电线上电晕损耗功率单导线的经验计算式如下,式中f电源频率，Hz。,其他各符号的意义同前。,四、电晕的利弊与防护措施,电晕受天气的影响：在雨、雪、雾等坏天气时，导线外表的水滴将克服本身的外表张力而被拉成锥形，从而使导线外表电场发生变化，降低了电晕起始电压和起始场强。,15,电晕的危害：,1电晕放电所产生的光、声、热等效应使空气发生化学反响，会消耗一些能量，电晕损耗是超高压输电线路设计是必须考虑的因素，坏天气电晕功率损耗会比好天气时大得多。,(2)电晕会对无线电和电视播送产生干扰，还可能产生超过环保标准的噪声。,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外表电场强度。,可采用扩径导线和空心导线，更加适宜的措施是采用分裂导线。,16,分裂导线：每相都用假设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。,分裂导线的外表电场强度与分导线的直径和分导线间的距离 d 有关。在某一最正确值d0时，导线外表最大电场强度Emax会出现一极小值。,分裂导线外表最大电场强度与分裂距离的关系,17,电晕的积极意义：衰减雷电过电压幅值和降低其陡度；抑制操作过电压的幅值；广泛应用于工业设施静电除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器。,在确定d值时并不仅仅以Emax最小作为唯一的准那么。由于增大d值有利于减小线路的电感、增大线路的电容，从而增加线路的输送功率，所以在实际工程中，往往把d值取得比Emax最小对应的d0值稍大一些，例如45cm左右，并且此时Emax的变化不大。,330750kv的超高压线路，分裂数一般取24。1000kv及以上的特高压线路分裂数就更多，例如取8或更大。,18,第四节 不均匀电场气隙的击穿,在极不均匀电场中，虽然放电一定从曲率半径较小的那个电极外表(即电场强度最大的地方)开始，而与该电极的极性(电位的正负)无关，但后来的放电开展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与该电极的极性有很密切的关系，即不均匀电场中的放电存在明显的极性效应。,决定极性要看外表电场较强的那个电极所具有的电位符号，所以在两个电极几何形状不同的场合，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号“棒板气隙的棒极电位，而在两个电极几何形状相同的场合“棒棒气隙，那么极性取决于不接地的那个电极上的电位。,19,一、短气隙S 1m的击穿,以最不均匀的“棒板气隙为例，从流柱理论的概念出发，说明放电开展过程的极性效应。,20,E,0,(c),E,com,=,E,0,+,E,q,E,0,E,E,q,x,(a),(b),正极性,1、棒为正极性,电子崩是迎向棒极开展的，即从场强较小的区域向场强较大的区域开展的，这对电子崩的开展有利；电子进入阳极，在棒极前方空间留下正离子，削弱了棒极附近的场强，加强了正离子与板极间场强，造成开展正流注的有利条件。二次电子崩与初崩集合，使通道充满混合质，而通道的头部仍留下大量的正空间电荷，加强了通道头部前方的电场，使流注进一步向阴极扩展，直至气隙被击穿。,21,E,com,=,E,0,+,E,q+,+,E,q-,(c),E,0,E,E,q+,x,(a),(b),E,q,-,E,0,负极性,2、棒为负极性,初崩是由负棒极向正板极开展的，电子崩的开展比正棒极时不利得多。初崩留下的正电荷增强了负棒极附近远已很强的电场，削弱了前方空间的电场，使流注的向前开展受到抑制。只有再升高外加电压，并待初崩向后开展的正流注完成，初崩通道中充满着导电的混合质，使前方电场加强以后，才能在前方空间产生新的二次崩，负流注继续向阳极开展。,22,通过以上分析：,1棒为正极时，由于正流注所造成的空间电荷总是加强流注通道前方的电场，所以正流注的开展是连续的，其速度很快，与负棒极相比，击穿同一间隙所需的电压要小得多。,2棒为负极时，流注的开展是阶段式的，其平均速度比正棒极流注小得多，击穿同一间隙所需的外电压要高得多。,23,无论是正流注还是负流注，当流注通道开展到达对面电极时，整个间隙就被充满正、负离子混合质的、具有较大导电性的通道所贯穿，在电源电压的作用下，通道中的带电质点继续从电源电场获得能量，开展成更强烈的电离，使通道中带电质点的浓度急剧增长，通道的温度和电导也急剧增长，通道完全失去了绝缘性能，表征气隙已经击穿。,注意,：,输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于不均匀电场的情况，所以在工频高电压的作用下，击穿均发生在外加电压为,正极性的那半周,；在进行外绝缘的冲击高压试验时，也往往施加,正极性冲击电压,，因为这时的电气强度较低。,24,二、长气隙S 1m的击穿,气隙较长时，存在某种新的、不同,性质的,先导放电,过程。,棒极的E很大,产生很高能量,剧烈电离,电子崩、流注,先导通道,热电离,P35图2-4-4,1、正先导过程,短间隙：整个间隙被流注贯穿后形成炙热导电通道。,长间隙：在放电开展过程中建立起导电通道。,结论：长间隙击穿的平均场强远小于短间隙击穿的平均场强。,25,2、负先导过程,负流注（散射）,形成负离子,正空间电荷增强棒极附近电场，剧烈电离,热电离,远离棒极,负先导通道,电场屏蔽,二级流注,负离子被电场力驱散,特点：,负先导通道的前进具有分级的特征，先导电流波形分段出现峰值。,负先导过程速度为正先导过程的1/51/3。,负先导过程接近贯穿时，从“板极阳极会发出迎面放电现象迎面先导。,为什么？,26,3、迎面先导,为负极性,下行先导,迎面先导,特点：,负下行先导容易产生迎面先导,初始阶段有多个迎面先导，开展最快地将屏蔽其余迎面先导,正下行先导产生迎面先导困难,负下行先导头部平均场强约13kV/cm,正下行先导头部平均场强约5kV/cm,先导通道：高导电性、小轴向场强,27,4、主放电过程,与板极异号电荷迅速流入板极,与板极同号电荷与通道中的电荷与棒极同极性中和,中和过程向上扩展到棒极，称为主放电阶段,强烈电离,棒极,板极,先导通道,贯穿两极的通道变为：温度很高，电导很大，轴向场强很小的等离子体火花通道如电源功率足够，那么转为电弧通道。,28,三、长气隙的预放电,当气隙距离较长时，即使所加电压尚远缺乏以将整个气隙击穿，也会从曲率半径较小的电极出发，向气隙深处空间开展各种形式的放电。,电 压 增 加,电子崩式电晕,特点：,均匀、稳定、微光,流注式电晕,特点：,不均匀、不稳定、细线刷状,先导火花放电,特点：,出现曲折、带分支且不断改变位置的火花通道,先导火花放电加剧,特点：,火花通道变长、变亮、有爆裂声,注意,：,气隙没有被击穿,。,29,第五节 雷电放电,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,雷电放电包括雷云对大地、雷云对雷云和雷云内部