第二章 气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘

气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘主讲人：高宇高电压与绝缘技术实验室天津大学电气与自动化工程学院主要内容2.1气体放电主要形式简介2.2带电质点的产生2.3带电质点的消失2.4均匀电场中气体击穿的发展过程2.5不均匀电场中气体击穿的发展过程2.6持续作用电压下空气的击穿电压2.7雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性2.8操作冲击电压下空气间隙的击穿电压2.9提高气体间隙击穿电压的措施空气中存在带电粒子（宇宙射线等辐射电离作用）。击穿：气体由绝缘态变为良导电态的过程。沿面闪络：气体-液体，气体-固体界面的击穿过程。击穿电压：发生击穿的临界电压。击穿场强：击穿电压与间隙距离的比（介电强度）。第一节气体放电主要形式简介气体中流通电流的各种形式气体放电第一节气体放电主要形式简介辉光放电电弧放电火花放电电弧放电第一节气体放电主要形式简介第一节气体放电主要形式简介电晕放电刷形放电火花/电弧放电不均匀电场下第一节气体放电主要形式简介第二节带电质点的产生带电质点的产生是形成放电的基础。一、原子的激励和电离(一)原子的能级能级：根据原子中电子的能量状态，原子具有一系列可取的确定能量状态，称为能级。第二节带电质点的产生(二)原子的激励和电离原子核基态电子激励电离电离能复合一次电离：中性原子失去最外层电子。第二节带电质点的产生(二)原子的激励和电离气体电离能N215.5O212.5CO213.7SF615.6H215.4H2O12.7第二节带电质点的产生二、气体中质点的自由行程：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞次数的倒数。第二节带电质点的产生二、气体中质点的自由行程PTλ∝受温度和气压影响电子的要比分子和离子的大得多的性质反映了带电质点自由运动的能力空气中电子平均自由行程0.1微米第二节带电质点的产生三、气体中带电质点的产生带电粒子的来源源于气体内部源于电极碰撞电离热电离光电离正离子碰撞光电子发射热电子发射强场发射第二节带电质点的产生三、气体中带电质点的产生(一)碰撞电离中性原子电子E电子动能221eevm电离能iW气体中产生带电粒子的最主要原因第二节带电质点的产生三、气体中带电质点的产生(二)光电离中性原子光子能量υhW=电离能iW光子X射线、γ线第二节带电质点的产生三、气体中带电质点的产生(三)热电离—本质上与碰撞电离、光电离一致中性原子电子电子动能kT23电离能iW高温在大电弧的情况下发生第二节带电质点的产生三、气体中带电质点的产生(四)负离子的形成E负极正极tWmv212气体分子要有很高的电负性第二节带电质点的产生三、气体中带电质点的产生(四)负离子的形成电子亲和能元素电子亲合能（eV）电负性值F4.034.0Cl3.743.0Br3.652.8I3.302.5第二节带电质点的产生四、金属表面电离(一)正离子碰撞阴极E负极正极正离子υh电子正离子的能量与金属电极的逸出功的关系第二节带电质点的产生四、金属表面电离(一)正离子碰撞阴极一些金属的逸出功金属逸出功（eV)铝4.08银4.73铜4.7铁4.48氧化铜5.34正离子从金属中释放自由电子的概率为0.01数量级第二节带电质点的产生四、金属表面电离(二)光电效应光子也可能被反射、吸收(热能)，仅一小部分使电子逸出E负极正极tWυh≥第二节带电质点的产生四、金属表面电离(三)场致发射一般气隙中不会发生，在高气压、高真空条件下可能存在E负极正极mV/108电场阈值第二节带电质点的产生四、金属表面电离(三)热电子发射E负极正极tWmv≥212加热第三节带电质点的消失E负极正极带电粒子消失的三条途径：复合、扩散和中和νh复合中和扩散第四节均匀电场中气体击穿的发展过程一、非自持放电和自持放电非自持放电：去掉外电离因素后放电随即停止。自持放电：仅由电场的作用而维持的放电自持放电起始电压第四节均匀电场中气体击穿的发展过程二、汤逊气体放电理论(一)过程引起的电流1、电子崩的形成E负极正极初始电子碰撞电离电子倍增碰撞电离电子崩崩头崩尾第四节均匀电场中气体击穿的发展过程2、过程引起的电流电子碰撞电离系数α1cm，碰撞电离平均次数xn0ndxdn电子数：)exp(00xdxnn电流：)exp(00xdxII第四节均匀电场中气体击穿的发展过程3、的分析1NEUxii=α的定义E增大，α急剧增大；p很大或很小时，α均很小。exp()BpApEa=-)exp(1EUi)exp(ixPpEfp第四节均匀电场中气体击穿的发展过程3、的分析第四节均匀电场中气体击穿的发展过程3、的分析第四节均匀电场中气体击穿的发展过程(二)、及过程同时引起的电流1.过程过程:正离子沿电场方向行经1cm时，平均发生的碰撞电离次数。过程:正离子碰撞阴极，气体空间形成的光子引发的电极表面光电离。第四节均匀电场中气体击穿的发展过程2、及过程同时引起的电流单位时间内阴极单位面积产生电子总数：nnnc0到达阳极后的电子总数为：dcaenn于是可建立关系式：)(cannn)1(10ddaeenn)1(10ddeeII第四节均匀电场中气体击穿的发展过程3、系数的大致数值)1(10ddeeIIddeeII10于是可得：IIed0第四节均匀电场中气体击穿的发展过程(三)、均匀电场中的击穿电压1.自持放电条件)1(10ddeeII1)1(de在均匀电场下，就是击穿的条件2.击穿电压、巴申定律/1lnlnApdBpdUb温度不变时，均匀电场中气体击穿电压Ub是pd的函数。第四节均匀电场中气体击穿的发展过程(三)、均匀电场中的击穿电压1.自持放电条件对于空气，击穿电压极小值对应(pd)min=0.57(cm·133Pa)第四节均匀电场中气体击穿的发展过程(四)、汤逊理论的适用范围气压很低时(真空），场致发射起作用，机理改变。气压很高时，很多击穿现象无法在汤逊理论范围内解释。1.放电外形：带有分支的明亮细通道。2.放电时间：放电时间较长（理论值）3.击穿电压：在pd较大时，计算值与实测值的差别较大。4.阴极材料：在大气压下空气中实测得到的击穿电压与阴极材料无关。适用于pd200(cm·133Pa)的条件第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(一)、在电离室中进行放电发展的实验研究电离室：利用饱和蒸汽束缚气体放电形成的带电粒子，使放电轨迹得以记录和显示。第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展负极正极1E2E3EEE第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(一)、在电离室中进行放电发展的实验研究电子崩的特征：从阴极向阳极发展，呈锥形；电子崩发展速度1.25×10E7cm/s;电子崩可互不影响的向前发展。流注的特征：电离特强的放电区；发展形式受偶然原因影响，通道呈现一定随机性；发展速度明显高于电子崩，有正、负流注之分。第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(二)、电子崩电子数目呈几何级数迅速增多，xen第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(三)、流注的形成E负极正极正流注：由正极向负极发展的流注放电过程。发展速度：1-2×10E6m/s第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(三)、流注的形成负流注：由负极向正极发展的流注放电过程发展速度：7-8×10E5m/sE负极正极第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(四)、均匀电场中的击穿电压1、自持放电条件流注形成，则出现新的电离因子，放电进入自持。常数de常温常压下，此常数为10E8数量级。第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(四)、均匀电场中的击穿电压2、击穿电压Consted击穿电压表达式与汤逊理论相同，但物理过程差异很大。1de3、系数第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(五)、流注理论对pd很大时放电现象的解释1、放电外形流注通道曲折，带有分支。2、放电时间光子以光速传播，二次电子崩跳跃式发展，故速度快。3、阴极材料由于光电离的作用，使击穿电压与阴极材料基本无关。第四节均匀电场中气体击穿的发展过程三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展(六)、pd不同时，放电过程发生变化的解释1、pd较小时电子崩释放的光子容易被电极吸收，形成电极光电离。由于气压低，带电质点容易移动，不足以形成空间电荷效应。2、pd较大时电子崩释放的光子容易被空气吸收，高气压也使得空间电荷容易大量积累。第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程一、稍不均匀电场和极不均匀电场的特征电晕放电刷形放电气隙击穿电场均匀程度不同，放电发展过程也不同第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程以同轴圆筒电极说明电场均匀程度对放电机理的影响电场越不均匀，衰减的越快第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程以同轴圆筒电极说明电场均匀程度对放电机理的影响主要特征：电场比较均匀：在整个间隙的数值都很大。电场不均匀程度变大：在间隙中大部分区域的数值都很大。电子崩主要贴近内电极产生。电场极不均匀：的分布极不均匀。易在内电极附近形成蓝紫色晕光(电晕)。电压继续提高，间隙才能击穿。可以用能否形成稳定的电晕放电来划分电场的不均匀程度第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程二、稍不均匀电场中的自持放电条件和击穿稍不均匀电场中，是空间的函数201ln0ddx将的表达式带入其中，并以同轴圆筒状电极为例：1ln)/ln(exp)/ln(expln000prrRUrRBprUrRBrRUBA第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程二、稍不均匀电场中的自持放电条件和击穿可见，起始电压可写成：0U),,(10lRplfU放电相似定律：不均匀电场中，温度不变时，对于几何相似间隙，其起始电压是气体压力和决定间隙形状的某个几何尺寸间乘积的函数。气体压力和间隙尺寸反比变化，则起始电压可以不变。第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述曲率半径小的电极尖端发生的蓝紫色晕光状放电。极不均匀场的一种特有的自持放电形式。电晕现象第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述电晕现象第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述起始电压/场强外界电压很小，间隙放电取决于外电离因素，放电非自持，电流极小，一般仪器难以测量。电晕爆发后，电流突增，变为自持放电。电晕起始电压Uc电晕起始场强Ec第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述外区空间电荷作用无论内电极正、负，外区空间电荷与内电极同号。施加电压提高，电晕层电离加强，电流增大；但外区电荷密度增加，削弱电晕层电场，使放电过程重回平衡。第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述两种形式电子崩式：曲率半径小，电晕层薄，放电电流稳定，自持放电为汤逊放电形式流注式：电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现放电脉冲。若电极的曲率半径极小，电晕开始时就很强烈，一旦出现就以流注形式存在。第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述电晕特征效应：1)、声、光、热吱吱的响声蓝紫色的晕光周围气体温度升高第五节不均匀电场中气体击穿的发展过程三、极不均匀电场中的电晕放电(一)、电晕放电的一般描述电晕特征效应：2)、电风的作用电子和离子高速运动与气体交换能量形成