高电压技术2流注理论.ppt
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1、气体放电的流注理论n工工程程上上感感兴兴趣趣的的是是压压强强较较高高气气体体的的击击穿穿,如大气压强下空气的击穿如大气压强下空气的击穿n 特特点点:认认为为电电子子碰碰撞撞电电离离及及空空间间光光电电离离是是维维持持自自持持放放电电的的主主要要因因素素,并并强强调调了了空空间间电荷畸变电场的作用电荷畸变电场的作用 n通通过过大大量量的的实实验验研研究究(主主要要在在电电离离室室中中进进行的)说明放电发展的机理行的)说明放电发展的机理 流注理论的要点n电子崩阶段电子崩阶段 空间电荷畸变外电场空间电荷畸变外电场 n流注阶段流注阶段 光电离形成二次电子崩,等离子体光电离形成二次电子崩,等离子体 1.
2、电子崩阶段n电子崩外形电子崩外形:电子崩中的电子数:nex例如,正常大气条件下,若E30kVcm,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。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 电电子子崩崩头头部部:电场明显增强,有利于发生激激励励或或电电离离现象,当它们回复到正常状态时,放射出光子崩崩头头内内部部正正、负负电电荷荷区区域域:电场大大削弱,有助于发生复合过程,发射出光子2.流注阶段n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
3、了外部的电场,并向周围放射出大量光子n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,称为二次电子崩 光电离、二次崩光电离、二次崩1主电子崩 2二次电子崩3流注正流注的形成n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等离离子子体体,这就是正流注正流注 n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流注正流注向阴极推进n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
4、n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n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 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p273毫米汞柱E=12千伏/厘米电子崩在空气中的发展速度约为电子崩在空气中的发展速度约为1.25 107cm/s在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片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正流注的发展速度约为1 108 2 108cm
5、/s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。一一旦旦形形成成流流注注,放放电电就就进进入入了了新新的的阶阶段段,放放电电可可以以由由本本身身产产生生的的空空间间光光电电离离而而自自行行维维持持,即即转转入入自自持持放放电电了了。如如果果电电场场均均匀匀,间间隙隙就就将将被被击击穿穿。所所以以流流注注形形成成的的条条件件就就是是自自持持放放电电条条件件,在在均均匀匀电电场场中中也也就就是是导导致击穿的条件致击穿的条件流注理论的自持放电条件3.流注理论对pd
6、很大时放电现象的解释 1放放电电外外形形 Pd很很大大时时,放放电电具具有有通通道道形式形式 流注出现后,对周围空间内的电场有屏蔽作用流注出现后,对周围空间内的电场有屏蔽作用当当某某个个流流注注由由于于偶偶然然原原因因发发展展更更快快时时,将将抑抑制制其其它它流流注注的的形形成成和和发发展展,并并且且随随着着流流注注向向前前推进而越来越强烈推进而越来越强烈二二次次电电子子崩崩在在空空间间的的形形成成和和发发展展带带有有统统计计性性,所以火花通道常是曲折的,并带有分枝所以火花通道常是曲折的,并带有分枝电电子子崩崩不不致致影影响响到到邻邻近近空空间间内内的的电电场场,不不会会影影响响其其它它电电子
7、子崩崩的的发发展展,因因此此汤汤逊逊放放电电呈呈连连续续一片一片-辉光放电辉光放电2放放电电时时间间 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阴阴极极材材料料的的影影响响 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。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
8、,然后将结论加以推广。最典型的极不均匀电场尖板电场 尖尖电场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表示各种结构的电场的均匀程度 f4后,极不均匀电场后,极不均匀电场根据电场均匀程度和气体状态,可出现不同情况n电场比较均匀的情况电场比较均匀的情况 放放电电达达到到自自持持时时,在在整整个个间间隙隙中中部部巳巳达达到到相相当数值。这时和均匀电场中情况类似当数值。这时和均匀电场中情况类似 n电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况 当当大大曲曲率率电电极
9、极附附近近 达达到到足足够够数数值值时时,间间隙隙中中很很大大一一部部分分区区域域 也也都都已已达达相相当当数数值值,流流注注一一经经产产生生,随随即即发发展展至至贯贯通通整整个个间间隙隙,导导致致间间隙隙完全击穿完全击穿 n电场极不均匀的情况电场极不均匀的情况 当当大大曲曲率率电电极极附附近近很很小小范范围围内内 已已达达相相当当数数值值时时,间间隙隙中中大大部部分分区区域域值值 都都仍仍然然很很小小,放放电电达达到到自自持持放放电电后后,间间隙隙没没有有击击穿穿。电电场场越越不不均均匀,击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大匀,击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大 极不均匀电场的放电特征1.
10、存在有局部放电现象2.放点存在明显的极性效应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。实验室内观察到的电晕电晕放电现象及危害n电晕放电现象电晕放电现象 电电离离区区的的放放电电过过程程造造成成。咝咝咝咝的的声声音音,臭臭氧氧的的气气味味,回回路路电电流流明明显显增增加加(绝绝对对值值仍仍很很小小),可以测量到能量损失可以测量到能量损失n脉冲现象脉冲现象 (a)时间刻度时间刻度T=125 s(b)0.7 A电晕电流平均值电晕电流平均值(c)2 A电晕电流平均值电晕电流平均值电晕放电会引起线路周围的物理效应和化学反应物理
11、效应:光、声、电风、噪声物理效应: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,值及陡度;利用电晕放电改善电场分布,提高击穿电压提高击穿电压;利用电晕放电除尘等;利用电晕放电除尘等 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
12、直径导线或扩径导线采用分裂导线分裂导线输电线路上的电晕扩径导线六分裂导线导线位于正六边形的顶点四分裂导线导线间距450毫米三分裂导线二分裂2.极性效应极性效应以棒板间隙为例以棒板间隙为例1.非自持放电阶段非自持放电阶段n当棒具有正极性时当棒具有正极性时 在在棒棒极极附附近近,积积聚聚起起正正空空间间电电荷荷,减减少少了了紧紧贴贴棒棒极极附附近近的的电电场场,而而略略微微加加强强了了外外部部空空间间的的电电场场,棒棒极极附附近近难难以以造造成成流流注注,使使得得自自持持放放电电、即即电电晕晕放放电难以形成电难以形成 Eex外电场 Esp空间电荷的电场n当棒具有负极性时当棒具有负极性时 电电子子崩
13、崩中中电电子子离离开开强强电电场场区区后后,不不再再引引起起电电离离,正正离离子子逐逐渐渐向向棒棒极极运运动动,在在棒棒极极附附近近出出现现了了比比较较集集中中的的正正空空间间电电荷荷,使使电场畸变电场畸变 棒棒极极附附近近的的电电场场得得到到增增强强,因因而而自自持持放放电电条条件件就就易易于于得得到到满满足足、易易于于转转入入流流注注而而形形成成电电晕晕放放电电 Eex外电场 Esp空间电荷的电场极性效应 实验表明:实验表明:棒棒板板间间隙隙中中棒棒为为正正极极性性时时电电晕晕起起始始电电压压比负极性时略高比负极性时略高 U+(电晕)(电晕)U-(电晕)(电晕)2.流注发展阶段流注发展阶段
14、n当棒具有正极性时当棒具有正极性时流流注注等等离离子子体体头头部部的的正正电电荷荷减减弱弱等等离离子子体体中中的的电电场场,而而加加强强其其头头部部电电场场(曲线(曲线2)电电场场加加强强的的流流注注头头部部前前方方产产生生新新电电子子崩崩,其其电电子子吸吸引引入入流流注注头头部部正正电电荷荷区区内内,加加强强并并延延长长流流注注通通道道,其其尾尾部部的的正正离离子子构成流注头部的正电荷构成流注头部的正电荷 流流注注及及其其头头部部的的正正电电荷荷使使强强电电场场区区更更向向前前移移(曲曲线线3),促促进进流流注注通通道道进进一一步步发发展展,逐逐渐渐向向阴阴极极推进推进n当棒具有负极性时当棒
15、具有负极性时棒棒极极的的强强电电场场区区产产生生大大量量的的电电子子崩崩,汇汇入入围围绕绕棒棒极极的的正正空空间间电电荷荷,等等离离子子体体层层呈呈扩扩散散状状分分布布,削削弱弱前前方方电电场场(曲曲线线2)在在相相当当一一段段电电压压升升高高的的范范围围内内,电电离离只只在在棒棒极极和和等等离离子子体体层层外外沿沿之之间间的的空间内发展空间内发展等等离离子子体体层层前前方方电电场场足足够够强强后后,发发展展新新电电子子崩崩,其其正正电电荷荷加加强强等等离离子子体体层层前前沿沿的的电电场场,形形成成了大量二二次次电电子子崩崩,汇汇集集起起来来后后使使得得等等离离子子体体层层向阳极推进向阳极推进
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