高电压-气体放电的基本物理过程课件.ppt

高高高高电压电压工程基工程基工程基工程基础础第二章第二章第二章第二章 气体放气体放气体放气体放电电的基本物理的基本物理的基本物理的基本物理过过程程程程任任课教教师：赵 彤彤山山东大学大学电气工程学院气工程学院 气体气体电介介质 液体液体电介介质 固体固体电介介质电介介质在在电气气设备中作中作为绝缘材料使用，按其材料使用，按其物物质形形态，可分，可分为三三类：高电压工程基础2-外外绝缘一般由气体一般由气体电介介质(空气空气)和固体介和固体介质(绝缘子子)联合构成合构成在在电气气设备中：中：高电压工程基础 内内绝缘一般由固体一般由固体电介介质和液体和液体电介介质联合构成合构成3-了解气体在了解气体在强电场(高高电压)作用下逐步由作用下逐步由电介介质演演变成成导体的物理体的物理过程。程。研究气体放研究气体放电的目的：的目的：高电压工程基础电气气设备中常用的气体介中常用的气体介质：空气、空气、压缩的高的高电气气强度气体度气体(如如SF6)掌握气体介掌握气体介质的的电气气强度及其提高方法。度及其提高方法。4-输电线路以空气路以空气作作为绝缘材料材料高电压工程基础5-变压器相器相间绝缘以以气体作气体作为绝缘材料材料高电压工程基础6-高电压工程基础空气在正常情况下空气在正常情况下导电率很小，率很小，为良良绝缘体。体。但气体但气体间隙上的隙上的电压过高高时，气体会由，气体会由绝缘状状态转变为良良导体，体，这种种现象称象称为气体气体击穿穿。一旦一旦电压解除后解除后,气体气体电介介质能能自自动恢复恢复绝缘状状态，且不存在老化，且不存在老化现象。象。7-高电压工程基础击穿穿电压：气体：气体间隙隙击穿穿时的最低的最低临界界电压。击穿穿场强是表征气体是表征气体间隙隙绝缘性能的重要参数。性能的重要参数。击穿穿场强：均匀：均匀电场中中击穿穿电压与与间隙距离之比。隙距离之比。平均平均击穿穿场强：不均匀：不均匀电场中中击穿穿电压与与间隙距隙距离之比。离之比。8-高电压工程基础气体放气体放电:气体中流通气体中流通电流的各种形式。流的各种形式。因气体因气体压力、力、电源功率、源功率、电极形状等因素的影响，极形状等因素的影响，放放电具有多种形式：具有多种形式：辉光放光放电：气气压较低低(远小于小于1大气大气压)，电源源功率很小功率很小时，放，放电充充满整个整个间隙。隙。火花放火花放电：大气大气压下，下，电源功率很小源功率很小时，间隙隙间歇性歇性击穿，放穿，放电通道通道细而明亮而明亮时断断时续。电弧放弧放电：大气大气压下，下，电源功率源功率较大大时，放，放电具有明亮、持具有明亮、持续的的细致通道。致通道。电晕放放电：极不均匀极不均匀电场中，高中，高电场强度度电极附近出极附近出现发光薄光薄层。刷状放刷状放电：由由电晕电极伸出的明亮而极伸出的明亮而细的断的断续的放的放电通道。通道。9-高电压工程基础10电晕放放电高电压工程基础11-高电压工程基础12-一、一、带电质点的点的产生与消失生与消失二、放二、放电的的电子崩子崩阶段段三、自持放三、自持放电条件条件四、不均匀四、不均匀电场中气体放中气体放电的特点的特点高电压工程基础第二章第二章 气体放气体放电的基本物理的基本物理过程程13-高电压工程基础激励激励(激激发)：当原子当原子获得外部能量，一个或若干个外得外部能量，一个或若干个外层电子子跃迁到离原子核迁到离原子核较远的的轨道上去的道上去的现象。象。激励需要外界激励需要外界给原子一定的能量，称原子一定的能量，称为激励能。激励能。产生生带电质点的物理点的物理过程称程称为电离离(游离游离)，是气，是气体放体放电的首要前提。的首要前提。2.1 带电质点的点的产生与消失生与消失电离离(游离游离)：若原子从外界若原子从外界获得的能量足得的能量足够大，以致使一个大，以致使一个或几个或几个电子子摆脱原子核的束脱原子核的束缚形成自由形成自由电子和正离子，子和正离子，这一一过程称程称为电离。离。电离所需的能量称离所需的能量称为电离能离能Wi，通常用，通常用电子伏子伏(eV)表示，有表示，有时也用也用电离离电位位Ui表示，表示，Ui=Wi/e(e为电子的子的电荷量荷量)。14-高电压工程基础电离的方式：离的方式：碰撞碰撞电离离光光电离离热电离离分分级电离离金属表面金属表面电离离 电极表面极表面带电质点的点的产生生电极空极空间带电质点的点的产生生（空（空间电离）离）15-1、气体中、气体中电子与正离子的子与正离子的产生生（空（空间电离）离）（1）碰撞）碰撞电离离高电压工程基础电子或离子在子或离子在电场作用下加速所作用下加速所获得的得的动能与能与质点的点的电荷荷(e)、电场强度度(E)以及碰撞前的行程以及碰撞前的行程(x)有关，即：有关，即：高速运高速运动的的质点与中性的原子或分子碰撞点与中性的原子或分子碰撞时，如原子或分子，如原子或分子获得的能量等于或大于其得的能量等于或大于其电离能，离能，则会会发生生电离，离，这种由碰种由碰撞而引起的撞而引起的电离称离称为碰撞碰撞电离离。16-（1）碰撞）碰撞电离离高电压工程基础即使即使满足碰撞足碰撞电离条件离条件,也不一定每次碰撞都引起也不一定每次碰撞都引起电离离引引入入“自由行程自由行程”概念。概念。自由行程：自由行程：一个一个质点在每两次碰撞点在每两次碰撞间自由通自由通过的平均距离。的平均距离。碰撞碰撞电离是气体放离是气体放电过程中程中产生生带电质点的最重要的方式，点的最重要的方式，由由电子引起的子引起的电离占主要地位。离占主要地位。电子：自由行程大，子：自由行程大，获取的取的动能大；能大；质量小，量小，弹性碰撞性碰撞时几乎几乎不不损失失动能。能。离子：自由行程短，碰撞离子：自由行程短，碰撞间获得的得的动能少；碰撞能少；碰撞时损失失动能。能。17-（2）光）光电离离高电压工程基础由光由光辐射引起的气体分子的射引起的气体分子的电离离过程，称程，称为光光电离。离。即当气体分子受到光即当气体分子受到光辐射射时，若光子能量大于气体分子，若光子能量大于气体分子电离离能，能，则可能引起气体分子的光可能引起气体分子的光电离。离。普朗克常数6.6310-34Js 频率率为v的光子能量：的光子能量：因因为大气大气层的阻的阻挡，阳光到达地面的波，阳光到达地面的波长 290nm（可（可见光波光波长为380780nm），因此，普通阳光照射不足以引起），因此，普通阳光照射不足以引起气体分子的光气体分子的光电离。离。例如波例如波长为300nm的紫外的紫外线，其光波能量，其光波能量为：18-（3）热电离离高电压工程基础气体在气体在热状状态下引起的下引起的电离离过程称程称为热电离。离。热电离本离本质：高速运高速运动的气体分子的碰撞的气体分子的碰撞电离和光离和光电离，只离，只不不过能量不是来自能量不是来自电场而是气体分子本身的而是气体分子本身的热能。能。气体分子平均气体分子平均动能与分子温度的关系：能与分子温度的关系：常温下常温下(T=300K)，不足以引起空气的，不足以引起空气的热电离；当离；当发生生电弧放弧放电时，气体温度达到数千度以上，可能，气体温度达到数千度以上，可能导致致热电离。离。波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度 热电离离实质上是上是热状状态产生的碰撞生的碰撞电离和光离和光电离的离的综合。合。19-（4）分）分级电离离高电压工程基础原子中原子中电子在外界因素的作用下可子在外界因素的作用下可跃迁到能迁到能级较高的外高的外层轨道，称之道，称之为激励，所需的能量称激励，所需的能量称为激励能激励能We。激励能比激励能比电离能小，原子或分子有可能在外界离能小，原子或分子有可能在外界给予的能量小予的能量小于于Wi但大于但大于We时发生激励。生激励。气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6原子或分子在激励原子或分子在激励态再再获得能量而得能量而发生生电离称离称为分分级电离，离，此此时所需要能量所需要能量为Wi-We。激励激励态不不稳定，定，经过约10-8s就会回就会回复到基复到基态。分。分级电离概率小。离概率小。某些原子具有某些原子具有亚稳激励激励态，其平均，其平均寿命寿命较长，可达，可达10-410-5s。只有。只有亚稳激励激励态才会引起分才会引起分级电离。离。20-（4）分）分级电离离高电压工程基础若混合气体中甲气体的若混合气体中甲气体的亚稳激励激励态能高于乙气体的能高于乙气体的电离能，离能，则会出会出现潘宁效潘宁效应，可使混合气体的，可使混合气体的击穿穿强度低于度低于这两种气两种气体各自的体各自的击穿穿强度。度。从从绝缘的的观点看，潘宁效点看，潘宁效应是很不利的；但在气体放是很不利的；但在气体放电应用用中，如在中，如在电光源和激光技光源和激光技术中，中，则常常利用潘宁效常常利用潘宁效应。21-2、电极表面的极表面的电子逸出子逸出 一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3高电压工程基础电子从金属子从金属电极极(阴极阴极)表面逸出来的表面逸出来的过程称程称为电极表面极表面电离。离。使阴极使阴极释放放电子需要的能量子需要的能量:逸出功逸出功。逸出功与金属的微逸出功与金属的微观结构和表面状构和表面状态有关有关,与金属温度无关。与金属温度无关。金属表面逸出功比气体金属表面逸出功比气体电离能小很多，因此离能小很多，因此电极表面极表面电离在气离在气体放体放电过程中有相当重要的作用。程中有相当重要的作用。22-2、电极表面的极表面的电子逸出子逸出 高电压工程基础正离子撞正离子撞击阴极：正离子能量阴极：正离子能量传递给阴极，不小阴极，不小于于2倍金属表面逸出功倍金属表面逸出功时发生生电离。离。光光电子子发射：金属表面受到短波射：金属表面受到短波长光照光照时，光子，光子能量能量金属表面逸出功金属表面逸出功时，可造成，可造成电离。离。强场发射：在阴极附近施加射：在阴极附近施加强电场可使阴极可使阴极释放放电子。子。对于高气于高气压强电负气体的气体的击穿穿过程起一定程起一定作用；在真空的作用；在真空的击穿穿过程中，具有决定性的作用。程中，具有决定性的作用。热电子子发射：加射：加热阴极，使阴极，使电子子获取足取足够动能，能，克服金属表面逸出功。克服金属表面逸出功。仅对电弧放弧放电有意有意义。23-3、气体中、气体中负离子的形成离子的形成 电子与中性气体分子或原子碰撞子与中性气体分子或原子碰撞时，也有可能，也有可能发生生电子子附着附着过程而形成程而形成负离子，并离子，并释放出能量，称放出能量，称为电子子亲合能合能。电子子亲合能的大小可用来衡量原子捕合能的大小可用来衡量原子捕获一个一个电子的子的难易，越易，越大大则越易形成越易形成负离子。离子。为了了说明原子在分子中吸引明原子在分子中吸引电子的能子的能力，引入力，引入电负性性概念，是一个无量概念，是一个无量纲的数，其的数，其值越大，表明越大，表明原子在分子中吸引原子在分子中吸引电子的能力越大。子的能力越大。元素电子亲合能（eV）电负性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5高电压工程基础24-负离子的形成使自由离子的形成使自由电子数减少，因而子数减少，因而对放放电发展起抑制作用展起抑制作用。SF6气体含气体含F，其分子俘，其分子俘获电子的能力很子的能力很强，属，属强电负性气体，因而具有很高性气体，因而具有很高的的电气气强度。度。高电压工程基础电负性气体分子捕性气体分子捕获电子的能力除与气体性子的能力除与气体性质有关外，有关外，还与与电子的子的动能有关，能有关，电子速度高子速度高时不容易被捕不容易被捕获，因此，因此电场强度很高度很高时电子附着率子附着率很低。很低。25-4、带电质点的消失点的消失 与两与两电极的极的电量中和量中和带电质点受点受电场力的作用定向运力的作用定向运动，在到达，在到达电极极时，消失，消失于于电极上而形成外极上而形成外电路中的路中的电流。流。带电质点的点的扩散散 带电质点从点从浓度度较大的区域向大的区域向浓度度较小的区域移小的区域移动，从而使从而使浓度度变得均匀的得均匀的过程，称程，称为带电质点的点的扩散散。电子的子的热运运动速度高、自由行程大，其速度高、自由行程大，其扩散比离子散比离子扩散快散快得多。得多。带电质点的复合点的复合 带异号异号电荷的荷的质点相遇，点相遇，发生生电荷的荷的传递和中和而和中和而还原原为中性中性质点的点的过程，称程，称为复合复合。带电质点复合点复合时会以会以光光辐射射的形式将的形式将电离离时获得的能量得的能量释放出来，放出来，这种光种光辐射在射在一定条件下能一定条件下能导致致间隙中其他中性原子或分子的隙中其他中性原子或分子的电离。离。带电质点的复合率与正、点的复合率与正、负电荷的荷的浓度有关，度有关，浓度越大度越大则复合率越高。复合率越高。高电压工程基础26-2.2 放放电的的电子崩子崩阶段段气体放气体放电的的现象与象与发展展规律与气体种律与气体种类、气、气压大小、气隙中的大小、气隙中的电场形式、形式、电源容量等一系列源容量等一系列因素有关。因素有关。但无但无论何种气体放何种气体放电都一定有一个都一定有一个电子碰撞子碰撞电离离导致致电子崩的子崩的阶段，它在所加段，它在所加电压达到一定达到一定数数值时出出现。高电压工程基础27-2.2 放放电的的电子崩子崩阶段段1、非自持放、非自持放电和自持放和自持放电的不同特点的不同特点 各种高能各种高能辐射射射射线（外界（外界电离因素）引起：离因素）引起：阴极阴极表面表面光光电离离气体中的空气体中的空间光光电离离因此：气体空因此：气体空间中存在一定中存在一定浓度的度的带电质点。点。在在气隙的气隙的电极极间施加施加电压时，可，可检测到很微小的到很微小的电流。流。高电压工程基础28-1、非自持放、非自持放电和自持放和自持放电的不同特点的不同特点 电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小 电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的 电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）外施外施电压小于小于U0时的放的放电是是非自持放非自持放电。电压到达到达U0后，后，电流流剧增，增，间隙中隙中电离离过程只靠外施程只靠外施电压已能已能维持，不再需持，不再需要外要外电离因素，此离因素，此时的放的放电为自持放自持放电。自持放电起始电压高电压工程基础29-2、电子崩的形成（子崩的形成（BC段段电流流剧增原因）增原因）高电压工程基础放放电由非自持向自持由非自持向自持转化的机制与气体的化的机制与气体的压强和和气隙气隙长度的乘度的乘积(pd)有关：有关：汤逊理理论(pd值较小小)流注理流注理论(pd值较大大)共同理共同理论基基础：电子碰撞子碰撞电离形成离形成电子崩子崩。30-2、电子崩的形成子崩的形成高电压工程基础外界外界电离因素在阴极附近离因素在阴极附近产生了一个初始生了一个初始电子，如子，如果空果空间电场强度足度足够大，大，该电子在向阳极运子在向阳极运动时就会引就会引起碰撞起碰撞电离，离，产生一个新的生一个新的电子，初始子，初始电子和新子和新电子子继续向阳极运向阳极运动，又会引起新的碰撞，又会引起新的碰撞电离，离，产生更多生更多电子。子。依此，依此，电子将按照几何子将按照几何级数不断增多，数不断增多，类似雪崩似似雪崩似地地发展，展，这种急种急剧增大的空增大的空间电子流称子流称为电子崩子崩。31-电子崩子崩高电压工程基础32-2、电子崩的形成子崩的形成电子碰撞子碰撞电离系数离系数：代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。高电压工程基础均匀电场 不随x变化新增电子数回路电流I0：外：外电离因素引离因素引起的初始光起的初始光电流流33-2.3 自持放自持放电条件条件高电压工程基础汤逊理理论(pd值较小小)流注理流注理论(pd值较大大)要达到自持放要达到自持放电的条件，必的条件，必须在气隙内初始在气隙内初始电子崩消失子崩消失前前产生新的生新的电子（二次子（二次电子）来取代外子）来取代外电离因素离因素产生的生的初始初始电子。子。实验现象表明，二次象表明，二次电子子产生的机制与气生的机制与气压和气隙和气隙长度度的乘的乘积（pd）有关：）有关：34-1、pd 值较小的情况（小的情况（汤逊理理论）高电压工程基础1903年，由英国人年，由英国人汤逊(J.S.Townsend)根据根据试验事事实，提出了比，提出了比较系系统的气体放的气体放电理理论，阐述了述了气体放气体放电过程，并确定出放程，并确定出放电电流和流和击穿穿电压之之间的函数关系。的函数关系。汤逊气体放气体放电理理论最早定量地解最早定量地解释了了气体放气体放电理理论。适用条件：均匀适用条件：均匀电场，低气，低气压，短，短间隙。隙。35-1、pd 值较小的情况（小的情况（汤逊理理论）（1）汤逊自持放自持放电判据判据高电压工程基础在在电场作用下，正离子向阴极运作用下，正离子向阴极运动，由于它的平均自由，由于它的平均自由行程行程长度度较短，不易短，不易积累累动能，所以很能，所以很难使气体分子使气体分子发生碰生碰撞撞电离。离。但当正离子撞但当正离子撞击阴极表面阴极表面时却有可能引起表面却有可能引起表面电离而拉离而拉出出电子，部分子，部分电子和正离子复合，其余部分子和正离子复合，其余部分则向着阳极运向着阳极运动形成新的形成新的电子崩。子崩。电子碰撞子碰撞电离系数离系数：一个：一个电子沿子沿电力力线方向行方向行经1cm时平均平均发生的碰撞生的碰撞电离次数。离次数。阴极表面阴极表面电离系数离系数：一个正离子撞：一个正离子撞击阴极表面阴极表面时从阴从阴极表面平均逸出的自由极表面平均逸出的自由电子数。子数。36-1、pd 值较小的情况（小的情况（汤逊理理论）（1）汤逊自持放自持放电判据判据高电压工程基础如果如果电压足足够大，初始大，初始电子崩中的正离子在阴极上子崩中的正离子在阴极上产生生出来的新出来的新电子等于或大于子等于或大于n0，即使除去外界，即使除去外界电离因子的作用，离因子的作用，放放电也不会停止，也不会停止，这就就变成了自持放成了自持放电。均匀均匀电场中自持放中自持放电的条件：的条件：将将电子崩和阴极上的子崩和阴极上的过程作程作为气体自持放气体自持放电的决定因素是的决定因素是汤逊理理论的基的基础。37-高电压工程基础汤逊理理论的的实质：气体气体间隙中隙中发生的生的电子碰撞子碰撞电离是气体放离是气体放电的主的主要原因要原因(电子崩子崩)。二次二次电子来源于子来源于正离子撞正离子撞击阴极表面逸出阴极表面逸出电子子，逸出逸出电子是子是维持气体放持气体放电的必要条件。的必要条件。所逸出的所逸出的电子能否接替起始子能否接替起始电子的作用是自持放子的作用是自持放电的判据。的判据。38-（2）气体）气体击穿的巴申定律穿的巴申定律 高电压工程基础 1889年，巴申（年，巴申（Paschen）从大量）从大量实验中中总结了了击穿穿电压Ub与与pd的关系，称的关系，称为巴申定律。巴申定律。当气体和当气体和电极材料一定极材料一定时，气隙的，气隙的击穿穿电压是气体是气体压力力p和气隙距离和气隙距离d乘乘积的函数，即：的函数，即：39-高电压工程基础（2）气体）气体击穿的巴申定律穿的巴申定律 对应于某一于某一pd值，空气，空气间隙的隙的击穿穿电压最低。即最低。即Ub有有极小极小值。原因：原因：为使放使放电达到自持，达到自持，电子从阴极到阳极的整个子从阴极到阳极的整个行程中需完成足行程中需完成足够多次数的碰撞多次数的碰撞电离。离。40-高电压工程基础（2）气体）气体击穿的巴申定律穿的巴申定律 d值一定一定时：p自由行程自由行程碰撞次数减少碰撞次数减少 Ubp自由行程自由行程碰撞碰撞电离可能离可能 Ub因此，一定存在一个因此，一定存在一个p值对碰撞碰撞电离最有利，离最有利，此此时Ub最小。最小。41-高电压工程基础（2）气体）气体击穿的巴申定律穿的巴申定律 p值一定一定时：d当当d值过小小时，碰撞次数已减到很少，碰撞次数已减到很少 UbdE须增加外加增加外加电压以以维持放持放电所需所需电场强度度 Ub因此，一定存在一个因此，一定存在一个d值对碰撞碰撞电离最有利，离最有利，此此时Ub最小。最小。42-高电压工程基础（2）气体）气体击穿的巴申定律穿的巴申定律 由巴申定律可知，当极由巴申定律可知，当极间距离距离d不不变时，提高气，提高气压或降低或降低气气压到真空，都可以提高气隙的到真空，都可以提高气隙的击穿穿电压，这一概念具一概念具有十分重要的有十分重要的实用意用意义。巴申定律与巴申定律与汤逊理理论的关系的关系前者前者为后者提供后者提供实验结果支持；后者果支持；后者为前者提供理前者提供理论依据依据。（3）气体密度）气体密度对击穿的影响穿的影响 43-高电压工程基础（4）汤逊理理论的不足的不足汤逊理理论是在是在pd较小小时在在实验的基的基础上建立的，当上建立的，当pd较大大时，此理此理论就不再适用，一些就不再适用，一些实验现象无法解象无法解释。放放电外形：外形：按按汤逊理理论，气体放，气体放电应在整个在整个间隙中均隙中均匀匀连续地地发展，例如展，例如辉光放光放电，但在大气，但在大气压下下击穿会穿会出出现有分支的明亮有分支的明亮细通道。通道。放放电时间：高气高气压下下击穿穿过程所需程所需时间，实测值比理比理论值小小10100倍。倍。阴极材料：阴极材料：按按汤逊理理论，击穿穿过程与阴极材料有关，然程与阴极材料有关，然而在大气而在大气压力下的空气隙中力下的空气隙中击穿穿电压与阴极材料无关。与阴极材料无关。44-高电压工程基础主要原因：主要原因：汤逊理理论没有考没有考虑电离出来的空离出来的空间电荷荷对电场的畸的畸变作用。作用。汤逊理理论没有考没有考虑光子在放光子在放电过程中的作用程中的作用（空（空间光光电离和阴极表面光离和阴极表面光电离）。离）。45-高电压工程基础在在pd较小小时这两个因素影响不两个因素影响不显著的原因：著的原因：空空间电荷是荷是电子崩子崩过程中气体分子程中气体分子电离的离的产物。物。pd越大，越大，电离离总数越多，空数越多，空间电荷数越多，荷数越多，电荷数按指数荷数按指数规律增加。律增加。pd大大时，因，因电离离总数数剧增，增，电子及正离子的子及正离子的浓度很大，所以必然伴随着度很大，所以必然伴随着强烈的复合和激励烈的复合和激励过程，放出的光子数量急程，放出的光子数量急剧的增加。的增加。大量空大量空间电荷造成局部荷造成局部强场区，而碰撞区，而碰撞电离系离系数数 对电场很敏感。在很敏感。在强场区，由光子区，由光子电离出离出来的来的电子容易形成二次子容易形成二次电子崩。子崩。46-2、pd 值较大的情况（流注理大的情况（流注理论）（1）电子崩中空子崩中空间电荷荷对电场的畸的畸变作用作用高电压工程基础a图：电子崩子崩发展展过程中，程中，电子移子移动速度速度快，正离子相快，正离子相对于于电子可看成静止的，子可看成静止的，崩崩头集中集中电子，后部子，后部为正离子；由于正离子；由于电子的子的扩散作用，散作用，电子崩横向半径逐子崩横向半径逐渐扩大大形成半球形成半球头的的锥体。体。b图：电子崩子崩过程中，程中，电子数子数 N 呈指数增呈指数增加。加。电子崩的子崩的电离离过程集中在程集中在头部，空部，空间电荷分布极不均匀。荷分布极不均匀。c图：当：当电子崩子崩发展到一定程度，其形成展到一定程度，其形成的空的空间电荷的荷的电场大大增大大增强。d图：崩：崩头和崩尾的和崩尾的电场增增强，电子崩内子崩内正正负电荷区域荷区域间电场削弱，合成削弱，合成电场发生明生明显的畸的畸变。47-高电压工程基础电子崩子崩头部部电荷密度大，荷密度大，电离离过程程强烈烈，且且电场分布畸分布畸变，导致崩致崩头放射大量光子；放射大量光子；崩崩头前后前后电场增增强，有利于分子离子，有利于分子离子发生激励生激励现象，其从象，其从激励状激励状态恢复正常状恢复正常状态时，放射出光子，放射出光子；电子崩内部正子崩内部正负电荷区域荷区域间电场削弱，有利于削弱，有利于发生复合生复合过程程，同同样发射出光子。射出光子。光子的数量和能量取决于光子的数量和能量取决于电场畸畸变的程度。当外的程度。当外电场较弱弱时，上述上述过程并不程并不强烈，没有烈，没有发生新的生新的现象；当外象；当外电场达到达到击穿穿场强时，上述，上述过程十分程十分强烈，空烈，空间电荷数量达到一定数荷数量达到一定数值时放射出的光子数量和能量足以引起空，放射出的光子数量和能量足以引起空间光光电离，离，电子崩子崩头部形成部形成流注流注。（1）电子崩中空子崩中空间电荷荷对电场的畸的畸变作用作用48-（2）流注的形成）流注的形成高电压工程基础正流注的形成正流注的形成1初始初始电子崩子崩(主主电子崩子崩)；2二次二次电子崩；子崩；3流注流注49-高电压工程基础正流注的形成正流注的形成外外电场因素使得从阴极因素使得从阴极释放的放的电子子向阳极运向阳极运动，形成，形成电子崩。子崩。电子崩的子崩的过程中程中头部部电离愈加离愈加强烈，烈，走完整个走完整个间隙后，隙后，头部空部空间电荷密荷密度非常大，大大加度非常大，大大加强了崩了崩头尾部尾部电场，放射大量光子。，放射大量光子。光子引起空光子引起空间光光电离，新形成的光离，新形成的光电子被主子被主电子崩子崩头部的正离子所吸部的正离子所吸引，在受到畸引，在受到畸变而加而加强了的了的电场中，中，引起新的引起新的强烈的烈的电子崩子崩 (二二次次电子崩子崩)。（2）流注的形成）流注的形成50-高电压工程基础正流注的形成正流注的形成二次二次电子崩子崩头部的部的电子子进入主入主电子崩子崩头部的正空部的正空间电荷区（荷区（电场强度度较小）小），电子大多形成子大多形成负离子。离子。大量的正、大量的正、负带电质点构成了等离子体，点构成了等离子体，这就是就是所所谓的正流注。的正流注。流注通道流注通道导电性良好，其性良好，其头部又是由部又是由二次二次电子崩形成的正子崩形成的正电荷，因此流注荷，因此流注头部前方出部前方出现了很了很强的的电场。（2）流注的形成）流注的形成51-高电压工程基础正流注的形成正流注的形成流注流注头部的部的电离放射出大量光子，离放射出大量光子，继续引起空引起空间光光电离。流注前方出离。流注前方出现新的二新的二次次电子崩，它子崩，它们被吸引向流注被吸引向流注头部，从部，从而延而延长了流注通道。了流注通道。流注不断向阴极推流注不断向阴极推进，且随着流注接近，且随着流注接近阴极，其阴极，其头部部电场越来越越来越强，因而其，因而其发展越来越快。展越来越快。流注流注发展到阴极，整个展到阴极，整个间隙被隙被导电良好良好的等离子体通道所的等离子体通道所贯通，通，间隙的隙的击穿完穿完成，成，这个个电压就是就是击穿穿电压。（2）流注的形成）流注的形成52-高电压工程基础负流注的形成流注的形成外施外施电压较低（低（击穿穿电压）时，电子崩子崩需需经过整个整个间隙方能形成流注；隙方能形成流注；电压较高高时，电子崩不需子崩不需经过整个整个间隙，其隙，其头部部电离程度已足以形成流注。离程度已足以形成流注。主主电子崩子崩头部的部的电离很离很强烈，光子射向烈，光子射向头部前方，在前方部前方，在前方产生新的生新的电子崩，主子崩，主崩崩头部的部的电子和二次崩尾的正离子形成子和二次崩尾的正离子形成混合通道，形成向阳极推混合通道，形成向阳极推进的流注，称的流注，称为负流注。流注。主主电子崩子崩头部射向其后方的光子，引起部射向其后方的光子，引起光光电离后形成向阴极推离后形成向阴极推进的正流注。的正流注。间隙中正、隙中正、负流注可以同流注可以同时向两极向两极发展。展。（2）流注的形成）流注的形成53-高电压工程基础电离室中得到的正流注离室中得到的正流注发展展过程的照片程的照片54-（3）流注自持放）流注自持放电条件条件高电压工程基础流注的特点是流注的特点是电离离强度很大和度很大和传播速度很快。流注一播速度很快。流注一旦形成，放旦形成，放电可由自身可由自身产生的空生的空间光光电离自行离自行维持，持，进入入自持放自持放电阶段，即均匀段，即均匀电场间隙被隙被击穿。因此，均匀穿。因此，均匀电场间隙隙击穿条件，即自持放穿条件，即自持放电条件，即流注形成条件。条件，即流注形成条件。流注形成的主要因素是流注形成的主要因素是电子碰撞子碰撞电离及空离及空间光光电离。离。只有只有电子崩子崩头部部电荷达到一定数量荷达到一定数量，空，空间电荷畸荷畸变电场达达到一定程度，造成足到一定程度，造成足够的空的空间光光电离，才能离，才能转入流注。入流注。55-（4）流注理）流注理论对放放电现象的解象的解释高电压工程基础 放放电外形外形pd很大很大时，适用流注理，适用流注理论。流注中。流注中电荷密度大，荷密度大，电导很大，很大，故其中的故其中的电场强度小。随着流注的度小。随着流注的发展，周展，周围空空间电场被被减弱，抑制其他流注形成减弱，抑制其他流注形成发展。流注放展。流注放电具有具有细通道。通道。pd较小小时，适用，适用汤逊理理论。电子崩子崩电荷密度小，荷密度小，电场强度大，度大，不影响周不影响周围空空间电场，不影响其他，不影响其他电子崩的子崩的产生。生。汤逊放放电呈呈连续一片。一片。放放电时间流注理流注理论：光子以光速：光子以光速传播，流注播，流注发展速度快，放展速度快，放电时间特特别短。短。56-（4）流注理）流注理论对放放电现象的解象的解释高电压工程基础 阴极材料的影响阴极材料的影响流注理流注理论：维持自持放持自持放电是空是空间光光电离，不是阴极表面的离，不是阴极表面的电离，所以离，所以击穿穿电压与阴极材料基本无关。与阴极材料基本无关。汤逊理理论：自持放：自持放电与阴极表面与阴极表面电离有关，离有关，击穿穿电压与阴极与阴极材料有关。材料有关。结论：汤逊理理论与流注理与流注理论相互相互补充，充，说明不同的放明不同的放电现象。象。两个理两个理论都都还很粗糙，无法精确很粗糙，无法精确计算具体算具体绝缘材料的材料的击穿穿电压，要通，要通过实验方法方法获取。取。57-高电压工程基础1、稍不均匀、稍不均匀电场和极不均匀和极不均匀电场的不同特点的不同特点稍不均匀稍不均匀电场中放中放电的特点与均匀的特点与均匀电场中相似，中相似，在在间隙隙击穿前看不到放穿前看不到放电的迹象。的迹象。极不均匀极不均匀电场中中间隙隙击穿前在高穿前在高场强区区(曲率半曲率半径径较小的小的电极表面附近极表面附近)会出会出现蓝紫色紫色晕光，称光，称为电晕放放电。刚出出现电晕时的的电压称称为电晕起始起始电压。2.4 不均匀不均匀电场中气体放中气体放电的特点的特点58-半径半径为r的球的球间隙的放隙的放电特性与极特性与极间距距d的关系的关系 放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同 放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压 放电过程不稳定，分散属于过渡区 高电压工程基础1、稍不均匀、稍不均匀电场和极不均匀和极不均匀电场的不同特点的不同特点任何任何电极形状随着极极形状随着极间距离的增大都会从稍不均匀距离的增大都会从稍不均匀电场变为极不均匀极不均匀电场。1 击穿穿电压2 电晕起始起始电压3 放放电不不稳定区定区59-高电压工程基础为了描述各种了描述各种结构的构的电场不均匀程度，可引入一个不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数不均匀系数 f，表示，表示为：f4属极不均匀属极不均匀电场。Emax：最大最大电场强度度Ea：平均平均电场强度度1、稍不均匀、稍不均匀电场和极不均匀和极不均匀电场的不同特点的不同特点60-高电压工程基础极不均匀极不均匀电场气隙中，因气隙中，因间隙距离大，隙距离大，击穿穿电压主要取决于主要取决于间隙距离隙距离，而与，而与电极形状关系不大，所以极形状关系不大，所以常以棒常以棒棒棒电极或棒极或棒板板电极作极作为研究极不均匀研究极不均匀电场放放电特性的典型特性的典型电极。极。棒棒棒棒电极代表极代表对称的不均匀称的不均匀电场棒棒板板电极代表不极代表不对称的不均匀称的不均匀电场61-高电压工程基础2、极不均匀、极不均匀电场中的中的电晕放放电电晕放放电是极不均匀是极不均匀电场特有的一种自持放特有的一种自持放电形式。形式。极不均匀极不均匀电场中，中，间隙中的最大隙中的最大场强比平均比平均场强大的多。外加大的多。外加电压较低低时，曲率大的，曲率大的电极附近极附近电场强度已足度已足够大，可引起大，可引起强烈的烈的电离，在离，在这局部的局部的强场区形成放区形成放电。这种种仅仅发生在生在强场区的局部放区的局部放电称称为电晕放放电。大曲率大曲率电极附近很小的区域内极附近很小的区域内场强足足够高，会高，会发生生电离。离。电离区中的复合离区中的复合过程和从激励恢复正常程和从激励恢复正常态等等过程，会程，会产生大量光生大量光辐射，形成射，形成电晕。而其他。而其他电极空极空间场强太小，太小，电离无法离无法发生。生。62-高电压工程基础电晕起始起始电压开始出开始出现电晕时的的电压；电晕起始起始场强开始出开始出现电晕时电极表面的极表面的场强。输电线路起路起晕场强Ec与与导线半径及空气密度有关，可由半径及空气密度有关，可由经验公式公式计算：算：（1）电晕放放电的起始的起始电压和起始和起始场强式中式中m1 表面粗糙系数，根据不同情况，表面粗糙系数，根据不同情况，约为0.81；m2 气象系数，根据天气不同气象系数，根据天气不同约为0.81；r 导线半径，半径，cm；气体的相气体的相对密度。密度。（皮克公式）（皮克公式）63-高电压工程基础电晕起始起始电压可由可由Ec求得。求得。对于离地高度于离地高度为h的的单向向导线可写出可写出对于三相于三相输电导线，上式中的，上式中的Uc代表相代表相电压，d为导线的几何均距。的几何均距。对于距离于距离为d的两根平行的两根平行导线（d 远大于大于 r）则可写出可写出64-（2）电晕放放电的效的效应高电压工程基础电晕电流具有高流具有高频脉冲性脉冲性质，对无无线电通通讯产生干生干扰。随。随着着输电电压的提高，延伸范的提高，延伸范围的的扩大，大，线路路电晕造成的信造成的信号干号干扰成成为很很严重的重的问题。电晕使空气使空气发生化学反生化学反应，产生生O3、NO、NO2。臭氧、。臭氧、氮氧化物等是氮氧化物等是强氧化氧化剂和腐和腐蚀剂，对气体中的固体介气体中的固体介质和和金属金属电极造成极造成损伤和腐和腐蚀。伴随伴随电离、复合、激励和恢复等离、复合、激励和恢复等过程，有声、光、程，有声、光、热等效等效应，产生能量生能量损耗。耗。“嘶嘶嘶嘶”声，声，蓝紫色光，周紫色光，周围空气温空气温度升高。度升高。65-高电压工程基础改改进电极形状，增大极形状，增大电极曲率半径，如采用均极曲率半径，如采用均压环，屏蔽，屏蔽环；采用；采用扩径径导线，载流量不大的流量不大的场合，采用空心薄壳合，采用空心薄壳扩大尺寸的球面和旋大尺寸的球面和旋转椭圆等形式等形式电极。极。在在选择导线的的结构和尺寸构和尺寸时，应使好天气使好天气时电晕损耗接近耗接近于零，于零，对无无线电和和电视的干的干扰应限制到容限制到容许水平以下。水平以下。对于超高于超高压和特高和特高压线路的分裂路的分裂导线来来说，找到最佳的分，找到最佳的分裂距，使裂距，使导线表面最大表面最大电场强度度值最小。最小。降低降低电晕的方法：的方法：从根本上从根本上设法限制和降低法限制和降低导线的表面的表面电场强度。度。66-高电压工程基础对330kV及以上的及以上的线路路应采用分裂采用分裂导线，例如，例如330，500和和750kV的的线路可分路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂采用二分裂、四分裂和六分裂导线。67-（3）电晕放放电的利用的利用高电压工程基础在在输电线上上传播的雷播的雷电电压波因波因电晕放放电而衰减，而衰减，其幅其幅值和波前陡度降低。和波前陡度降低。操作操作过电压的幅的幅值也会受到也会受到电晕的抑制。的抑制。在某些情况下可以利用在某些情况下可以利用电晕放放