高电压-气体放电的基本物理过程课件

高电压工程基础第二章气体放电的基本物理过程任课教师：赵彤山东大学电气工程学院气体电介质液体电介质固体电介质电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为三类：高电压工程基础外绝缘一般由气体电介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成在电气设备中：高电压工程基础内绝缘一般由固体电介质和液体电介质联合构成了解气体在强电场(高电压)作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程。研究气体放电的目的：高电压工程基础电气设备中常用的气体介质：空气、压缩的高电气强度气体(如SF6)掌握气体介质的电气强度及其提高方法。输电线路以空气作为绝缘材料高电压工程基础变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料高电压工程基础高电压工程基础空气在正常情况下导电率很小，为良绝缘体。但气体间隙上的电压过高时，气体会由绝缘状态转变为良导体，这种现象称为气体击穿。一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态，且不存在老化现象。高电压工程基础击穿电压：气体间隙击穿时的最低临界电压。击穿场强是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。击穿场强：均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。平均击穿场强：不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。高电压工程基础气体放电:气体中流通电流的各种形式。因气体压力、电源功率、电极形状等因素的影响，放电具有多种形式：辉光放电：气压较低(远小于1大气压)，电源功率很小时，放电充满整个间隙。火花放电：大气压下，电源功率很小时，间隙间歇性击穿，放电通道细而明亮时断时续。电弧放电：大气压下，电源功率较大时，放电具有明亮、持续的细致通道。电晕放电：极不均匀电场中，高电场强度电极附近出现发光薄层。刷状放电：由电晕电极伸出的明亮而细的断续的放电通道。高电压工程基础电晕放电高电压工程基础高电压工程基础一、带电质点的产生与消失二、放电的电子崩阶段三、自持放电条件四、不均匀电场中气体放电的特点高电压工程基础第二章气体放电的基本物理过程高电压工程基础激励(激发)：当原子获得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象。激励需要外界给原子一定的能量，称为激励能。产生带电质点的物理过程称为电离(游离)，是气体放电的首要前提。2.1带电质点的产生与消失电离(游离)：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几个电子摆脱原子核的束缚形成自由电子和正离子，这一过程称为电离。电离所需的能量称为电离能Wi，通常用电子伏(eV)表示，有时也用电离电位Ui表示，Ui=Wi/e(e为电子的电荷量)。J106.1C106.1V1eV11919高电压工程基础电离的方式：碰撞电离光电离热电离分级电离金属表面电离电极表面带电质点的产生电极空间带电质点的产生（空间电离）1、气体中电子与正离子的产生（空间电离）（1）碰撞电离212imveExWiUxE条件：高电压工程基础电子或离子在电场作用下加速所获得的动能与质点的电荷(e)、电场强度(E)以及碰撞前的行程(x)有关，即：高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时，如原子或分子获得的能量等于或大于其电离能，则会发生电离，这种由碰撞而引起的电离称为碰撞电离。（1）碰撞电离高电压工程基础即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离——引入“自由行程”概念。自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由通过的平均距离。碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的最重要的方式，由电子引起的电离占主要地位。电子：自由行程大，获取的动能大；质量小，弹性碰撞时几乎不损失动能。离子：自由行程短，碰撞间获得的动能少；碰撞时损失动能。（2）光电离高电压工程基础由光辐射引起的气体分子的电离过程，称为光电离。即当气体分子受到光辐射时，若光子能量大于气体分子电离能，则可能引起气体分子的光电离。Wh普朗克常数6.63×10-34J·sihcW条件：频率为v的光子能量：因为大气层的阻挡，阳光到达地面的波长λ≥290nm（可见光波长为380~780nm），因此，普通阳光照射不足以引起气体分子的光电离。例如波长为300nm的紫外线，其光波能量为：eV14.4)10300/(1031062.6/9834hcW（3）热电离高电压工程基础气体在热状态下引起的电离过程称为热电离。热电离本质：高速运动的气体分子的碰撞电离和光电离，只不过能量不是来自电场而是气体分子本身的热能。气体分子平均动能与分子温度的关系：常温下(T=300K)，不足以引起空气的热电离；当发生电弧放电时，气体温度达到数千度以上，可能导致热电离。32WkT波尔茨曼常数1.38×10-23J/K热力学温度热电离实质上是热状态产生的碰撞电离和光电离的综合。（4）分级电离高电压工程基础原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励，所需的能量称为激励能We。激励能比电离能小，原子或分子有可能在外界给予的能量小于Wi但大于We时发生激励。气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离，此时所需要能量为Wi-We。激励态不稳定，经过约10-8s就会回复到基态。分级电离概率小。某些原子具有亚稳激励态，其平均寿命较长，可达10-4~10-5s。只有亚稳激励态才会引起分级电离。（4）分级电离高电压工程基础若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则会出现潘宁效应，可使混合气体的击穿强度低于这两种气体各自的击穿强度。从绝缘的观点看，潘宁效应是很不利的；但在气体放电应用中，如在电光源和激光技术中，则常常利用潘宁效应。2、电极表面的电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电极(阴极)表面逸出来的过程称为电极表面电离。使阴极释放电子需要的能量:逸出功。逸出功与金属的微观结构和表面状态有关,与金属温度无关。金属表面逸出功比气体电离能小很多，因此电极表面电离在气体放电过程中有相当重要的作用。2、电极表面的电子逸出高电压工程基础正离子撞击阴极：正离子能量传递给阴极，不小于2倍金属表面逸出功时发生电离。光电子发射：金属表面受到短波长光照时，光子能量金属表面逸出功时，可造成电离。强场发射：在阴极附近施加强电场可使阴极释放电子。对于高气压强电负气体的击穿过程起一定作用；在真空的击穿过程中，具有决定性的作用。热电子发射：加热阴极，使电子获取足够动能，克服金属表面逸出功。仅对电弧放电有意义。3、气体中负离子的形成电子与中性气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。为了说明原子在分子中吸引电子的能力，引入电负性概念，是一个无量纲的数，其值越大，表明原子在分子中吸引电子的能力越大。元素电子亲合能（eV）电负性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5高电压工程基础负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。高电压工程基础电负性气体分子捕获电子的能力除与气体性质有关外，还与电子的动能有关，电子速度高时不容易被捕获，因此电场强度很高时电子附着率很低。4、带电质点的消失与两电极的电量中和带电质点受电场力的作用定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流。带电质点的扩散带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的热运动速度高、自由行程大，其扩散比离子扩散快得多。带电质点的复合带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。高电压工程基础2.2放电的电子崩阶段气体放电的现象与发展规律与气体种类、气压大小、气隙中的电场形式、电源容量等一系列因素有关。但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。高电压工程基础2.2放电的电子崩阶段1、非自持放电和自持放电的不同特点各种高能辐射射线（外界电离因素）引起：阴极表面光电离气体中的空间光电离因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。高电压工程基础1、非自持放电和自持放电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）外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素，此时的放电为自持放电。自持放电起始电压高电压工程基础2、电子崩的形成（BC段电流剧增原因）高电压工程基础放电由非自持向自持转化的机制与气体的压强和气隙长度的乘积(pd)有关：汤逊理论(pd值较小)流注理论(pd值较大)共同理论基础：电子碰撞电离形成电子崩。2、电子崩的形成高电压工程基础外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流称为电子崩。电子崩高电压工程基础2、电子崩的形成ddnnx0d0exxnnddnxn0ednn00(e1)dnnnn电子碰撞电离系数α：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。0exnn高电压工程基础均匀电场α不随x变化dIIe0新增电子数回路电流I0：外电离因素引起的初始光电流2.3自持放电条件高电压工程基础汤逊理论(pd值较小)流注理论(pd值较大)要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。实验现象表明，二次电子产生的机制与气压和气隙长度的乘积（pd）有关：1、pd值较小的情况（汤逊理论）高电压工程基础1903年，由英国人汤逊(J.S.Townsend)根据试验事实，提出了比较系统的气体放电理论，阐述了气体放电过程，并确定出放电电流和击穿电压之间的函数关系。汤逊气体放电理论最早定量地解释了气体放电理论。适用条件：均匀电场，低气压，短间隙。1、pd值较小的情况（汤逊理论）（1）汤逊自持放电判据高电压工程基础在电场作用下，正离子向阴极运动，由于它的平均自由行程长度较短，不易积累动能，所以很难使气体分子发生碰撞电离。但当正离子撞击阴极表面时却有可能引起表面电离而拉出电子，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动形成新的电子崩。电子碰撞电离系数α：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。阴极表面电离系数γ：一个正离子撞击阴极表面时从阴极表面平均逸出的自由电子数。1、pd值较小的情况（汤逊理论）（1）汤逊自持放电判据高电压工程基础如果电压足够大，初始电子崩中的正离子在阴极上产生出来的新电子等于或大于n0，即使除去外界电离因子的作用，放电也不会停止，这就变成了自持放电。均匀电场中自持放电的条件：(e1)1de1d1lnd将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。高电压工程基础汤逊理论的实质：气体间隙中发生的电子碰撞电离是气体放电的主要原因(电子崩)。二次电子来源于正离子撞击阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。