高电压技术2流注理论

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2. 流注阶段
光电离、二次崩

当电子崩走完整个间 隙后，大密度的头部 空间电荷大大加强了 外部的电场，并向周 围放射出大量光子 光子引起空间光电离， 其中的光电子被主电 子崩头部的正空间电 荷所吸引，在受到畸 变而加强了的电场中， 造成了新的电子崩，

1—主电子崩 2—二次电子崩 3—流注
5
正流注的形成
U50% t
1-U100%
实际上伏秒特性具有统计分散性，是一个以上下 包线为界的带状区域。工程上，通常取“50%伏秒特 性曲线”来表征一个气隙的冲击击穿特性。
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负流注
• 当间隙上所加电压较高，间隙中电场很强 时，电子崩在离开阴极不远就已经发展到 畸变电场的程度了。这种情况下流注将在 阴极附近形成并向阳极推进，最后击穿间 隙。我们称之为阴极流注或负流注。
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一旦形成流注，放电就进入了新的阶 段，放电可以由本身产生的空间光电离而 自行维持，即转入自持放电了。如果电场 均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的 条件就是自持放电条件，在均匀电场中也 就是导致击穿的条件
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极不均匀电场的放电特征
• 1.存在有局部放电现象 • 2.放点存在明显的极性效应
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1.局部放电现象—电晕
• 极不均匀电场所特有的一种局部放电现象。 它既可能是一种长期存在的局部放电，也 可能是间隙击穿的第一阶段。
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实验室内观察到的电晕
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电晕放电现象及危害

电晕放电现象
电离区的放电过程造成。咝咝的声音，臭氧 的气味，回路电流明显增加(绝对值仍很小)， 可以测量到能量损失
u / Um
1 0.9 0.5 0.3 0
0’ T1
T2
t
国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为： T1=1.2μs ±30% ；T2=50μs±20% 通常写成1.2/50μs。
（四） 标准雷电截波 用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或 外绝缘闪落后出现的截尾冲击波，如 图。IEC标准和我国国家标准规定为： T1=1.2μs ±30% ；Tc=2～5μs 。可写成 1.2/ 2～5μs .
(a) 时间刻度T=125s

脉冲现象
(b) 0.7A电晕电流平均值
(c) 2A电晕电流平均值
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电晕放电会引起线路周围的物理效应和化学 反应
物理效应：光、声、电风、噪声
化学反应：产生具有强氧化性和强腐蚀性的物质
电磁脉冲：干扰无线通讯和广播电视信号
能量损耗：产生能量损耗，降低线路经济效益
有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅 值及陡度；利用电晕放电改善电场分布， 提高击穿电压 ；利用电晕放电除尘等
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极性效应
实验表明： 棒—板间隙中棒为负极性时击穿电压比正 极性时高 U+（击穿）< U-（击穿）
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极不均匀电场中的放电过程（长间隙）

非自持放电阶段 流注发展阶段 先导放电 热电离
过程
主放电阶段
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3．先导放电
正棒—负板间隙中先导通道的发展 （ａ）先导和其头部的流注ｋｍ；（ｂ）流注头部电子崩的形成； （ｃ）ｋｍ由流注转变为先导和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注头部电子崩的形成； 38 （ｅ）沿着先导和空气间隙电场强度的分布
Eex—外电场 Esp—空间电荷的电场
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极性效应
实验表明： 棒—板间隙中棒为正极性时电晕起始电压 比负极性时略高 U+（电晕）> U-（电晕）
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2. 流注发展阶段

当棒具有正极性时
流注等离子体头部的正电 荷减弱等离子体中的电 场，而加强其头部电场 （曲线2）
电场加强的流注头部前方 产生新电子崩 ，其电子 吸引入流注头部正电荷 区内，加强并延长流注 通道，其尾部的正离子 构成流注头部的正电荷
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• 3.极不均匀电场：与前两者有很大的不同， 电场不均匀度对击穿的影响减弱，极间距 离对击穿电压的影响增大。而且电场和电 压的形式不同，击穿的形式也不尽相同。
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1.2.2 雷电冲击电压下的击穿
• 除了前述的持续作用的电压外，电力系统 中还会出现另外一种电压，称为冲击电压， 其特点是作用时间极短，电压幅值较高。 • 冲击电压可分为雷电冲击电压和操作冲击 电压
电离加强，更为明亮 电导增大 轴向场强更低 发展速度更快
流注根部 温度升高
热电离 过程
先导 通道
长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙
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4．主放电
主放电发展和通道中轴向电场强度分布图
当先导通道头部极为接近 板极时，间隙场强可达 极大数值，引起强烈的 电离，间隙中出现离子 浓度远大于先导通道的 等离子体 新出现的通道大致具有极 板的电位，在它与先导 通道交界处保持极高的 电场强度，继续引起强 烈的电离 高场强区（强电离区）迅

电场比较均匀的情况
放电达到自持时，在整个间隙中部巳达到相 当数值。这时和均匀电场中情况类似

电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况
当大曲率电极附近达到足够数值时，间隙中 很大一部分区域也都已达相当数值，流注一 经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙 完全击穿

电场极不均匀的情况
当大曲率电极附近很小范围内已达相当数值 时，间隙中大部分区域值都仍然很小，放电 达到自持放电后，间隙没有击穿。电场越不均

流注不断向阴极推进 ，且 随着流注接近阴极 ，其头 部电场越来越强 ， 因而其 发展也越来越快 流注头部的电离放射出大 量光子 ，继续引起空间光 电离。流注前方出现新的 二次电子崩，它们被吸引 向流注头部，延长了流注 通道 流注发展到阴极 ， 间隙被 导电良好的等离子通道所 贯通，间隙的击穿完成 ， 这个电压就是击穿电压
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2．放电时间 光子以光速传播，所以流注发 展速度极快，这就可以说明pd很大时放电 时间特别短的现象。 3．阴极材料的影响 根据流注理论，维持放 电自持的是空间光电离，而不是阴极表面 的电离过程，这可说明为何很大Pd下击穿 电压和阴极材料基本无关了。
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1.1.5 不均匀电场中的气体放电
• 均匀电场是很少见的情况，工程中遇到的 电场大多数是不均匀电场，特别是极不均 匀电场。比如，高压输电线路线间的电场 或导线对地的电场。另外还存在一些稍不 均与电场。 • 由于极不均匀电场的种类较多，我们不能 一一进行讨论，只能选择典型的电场进行 研究，然后将结论加以推广。
保持一定的冲击电压波 形不变，而逐级升高电
u
3
压，以电压为纵坐标， 时间为横坐标 电压较低时，击穿一般 发生在波尾，取该电压 的峰值与击穿时刻，得 到相应的点 电压较高时，击穿一般 发生在波头，取击穿时 刻的电压值及该时刻， 得到相应的点
2
1
0
t
49
u
1 2
3-U0% 2-U50%
3
0
7


在电离室中得到的初始电子崩照片 图a和图b的时间间隔为110-7秒 p=270毫米汞柱， E=10.5千伏/厘米
初始电子崩转变为 流注瞬间照片 p＝273毫米汞柱 E=12千伏/厘米
电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s
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在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片 正流注的发展速度约为11082108cm/s
１——主放电通道
２——主放电和先导通道的交界区 ３——先导通道
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1.2 气体介质的电气强度
• 1.2.1 持续作用电压下的击穿 什么是持续作用电压？ 1.均匀电场：无极性效应 击穿时间短 不同 性质电压作用下击穿电压基本相同，在间 隙不太长的情况下约为30 kV/cm。 2.稍不均匀电场：情况类似于均匀电场。
u / Um 1 0.9 0.3 0 0’ T1
Tc
45
t
2.放电时延

最低静态击穿电压U0
击穿时间tb
升压时间t0 、统计时延 ts 、放电发展时间tf 、放 电时延 tl

短间隙(1厘米以下) tf<<ts ，平均统计时延 较长的间隙中 tl主要决定于tf

tl t s t f
tb t 0 t s t f
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当棒具有负极性时
棒极的强电场区产生大量 的电子崩，汇入围绕棒 极的正空间电荷，等离 子体层呈扩散状分布， 削弱前方电场 （曲线2） 在相当一段电压升高的范 围内，电离只在棒极和 等离子体层外沿之间的 空间内发展 等离子体层前方电场足够 强后，发展新电子崩， 其正电荷加强等离子体 层前沿的电场，形成了
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最典型的极不均匀电场
• 尖板电场 尖尖电场
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1.稍不均匀电场和极不均匀电场的划分
为了区分各种不同的电场，引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度
E max f E av E av U d
f<2时，稍不均匀电场 f>4后，极不均匀电场
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根据电场均匀程度和气体状态，可出现不同 情况
光电离形成二次电子崩，等离子体
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1. 电子崩阶段

电子崩外形：
电子崩中的电子数： n＝ex
例如，正常大气条件下，若E＝30kV／cm，则 11cm-1，计算得到随着电子崩向阳极推进，崩 头中的电子数目
x /cm n 0.2 9 0.3 27 0.4 81 0.5 245 0.6 735 0.7 2208 0.8 0.9 1.0 6634 19930 59874
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1. 雷电冲击电压的标准波形 • 雷电是自然界中最宏伟壮观的现象之一， 也是间隙最长的空气击穿现象。为了对雷 电现象进行科学研究要规定雷电冲击波的 标准波形
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（ 三） 标准雷电冲击电压波 用来模拟雷电过电压波，采用非 周期性双指数波。T1——视在波前时 间； T2——视在半峰值时间 ；Um— —冲击电压峰值