高电压技术2流注理论

• 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
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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
（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
u / Um 1 0.9
图。IEC标准和我国国家标准规定为：
0.3
T1=1.2μs ±30% ；Tc=2～5μs 。可写成 1.2/ 2～5μs .
0 0’ T1
Tc
t
45
2.放电时延
最低静态击穿电压U0 击穿时间tb
26
六分裂导线
• 导线位于正六边形的顶点
27
四分裂导线
• 导线间距450毫米
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三分裂导线
29
• 二分裂
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2. 极性效应
以棒－板间隙为例
1. 非自持放电阶段
当棒具有正极性时
在棒极附近，积聚起 正空间电荷，减少了 紧贴棒极附近的电场， 而略微加强了外部空 间的电场，棒极附近 难以造成流注，使得 自持放电、即电晕放
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 18
4
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
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
23
降低电晕危害的措施
• 基本出发点是增加导线表面的曲率半径， 提高电晕起始电压。
• 采用大直径导线或扩径导线 • 采用分裂导线
24
分裂导线
• 输电线路上的电晕
25
• 扩径导线
（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；
（ｅ）沿着先导和空气间隙电场强度的分布
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流注根部 温度升高
热电离 过程
电离加强，更为明亮
先导 通道
电导增大 轴向场强更低 发展速度更快
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
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。
41
• 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。
42
1.2.2 雷电冲击电压下的击穿
50
（二）伏秒特性的用途
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
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
19
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
21
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
14
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。
击穿的概率为50%的冲击电压峰值。
47
4. 伏秒特性 气隙的伏秒特性——在同一波形，不同幅值
的冲击电压作用下，气隙上出现的电压最 大值和放电时间的关系，称为该气隙的伏 秒特性。
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（一）伏秒特性曲线的制作
保持一定的冲击电压波 u
3
形不变，而逐级升高电
压，以电压为纵坐标，
时间为横坐标
2
电压较低时，击穿一般
11
流注理论的自持放电条件
ed 常数
d 常数
经研究认为常数值约为20
12
3.流注理论对pd很大时放电现象的 解释
1．放电外形 Pd很大时，放电具有通道 形式
流注出现后，对周围空间内的电场有屏蔽作用
当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制 其它流注的形成和发展，并且随着流注向前 推进而越来越强烈
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 间隙上外施电压增加，
tb t0 ts t f
tl ts t f
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3. 50%击穿电压 50%冲击击穿电压 （U50% )——指某气隙被
二次电子崩中的电子进 入主电子崩头部的正空 间电荷区（电场强度较 小），大多形成负离子。 大量的正、负带电质点 构成了等离子体，这就 是正流注
流注通道导电性良好， 其头部又是二次电子崩 形成的正电荷，因此流 注头部前方出现了很强 的电场
1—主电子崩 2—二次电子崩 3—流注
6
正流注向阴极推进
Eex—外电场
Esp—空间电荷的电场
31
当棒具有负极性时
电子崩中电子离开强电 场区后，不再引起电离， 正离子逐渐向棒极运动， 在棒极附近出现了比较 集中的正空间电荷，使 电场畸变
棒极附近的电场得到增 强，因而自持放电条件 就易于得到满足、易于
Eex—外电场 Esp—空间电荷的电场 32
极性效应
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 0
发生在波头，取击穿时
刻的电压值及该时刻，
得到相应的点
1
t
49
u
1 2
3
0
3-U0% 2-U50% U50% 1-U100%
t
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。
34
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
35
极性效应
44
（ 三） 标准雷电冲击电压波
u / Um
用来模拟雷电过电压波，采用非
源自文库1 0.9
周期性双指数波。T1——视在波前时 0.5
间；
T2——视在半峰值时间 ；Um—
0.3 0
—冲击电压峰值
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。
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；
光电离形成二次电子崩，等离子体
2
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 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 n 9 27 81 245 735 2208 6634 19930 59874
9
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。
10
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
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）
33
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
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
１——主放电通道 ２——主放电和先导通道的交界区 ３——先导通道
40
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
15
最典型的极不均匀电场
• 尖板电场
尖尖电场
16
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
f Emax Eav
Eav
U d
f<2时，稍不均匀电场 f>4后，极不均匀电场
17
根据电场均匀程度和气体状态，可出现不同 电场比较均匀的情况情况
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
气体放电的流注理论
工程上感兴趣的是压强较高气体的击穿， 如大气压强下空气的击穿
特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是 维持自持放电的主要因素，并强调了空间 电荷畸变电场的作用
通过大量的实验研究（主要在电离室中进 行的）说明放电发展的机理
1
流注理论的要点
电子崩阶段
空间电荷畸变外电场
流注阶段
二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性， 所以火花通道常是曲折的，并带有分枝
电子崩不致影响到邻近空间内的电场，不会影 响其它电子崩的发展，因此汤逊放电呈连续 13
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。
脉冲现象
(a) 时间刻度T=125s (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
3
空间电荷的分布及电场的变化
崩的头部集中了大量的电子，崩尾则是正离子。
大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内 正、负电荷区域之间的电场
电子崩头部：电场明显增强，有 利于发生激励或电离现象， 当它们回复到正常状态时，放 射出光子
崩头内部正、负电荷区域：电场 大大削弱，有助于发生复合过 程，发射出光子