高电压技术-第1章气体放电的物理过程

1第一章气体电解质的电气强度绝大多数电气设备都在不同程度上以不同的形式利用气体介质作为绝缘材料。架空输电线路各相导线之间、导线与地线之间、导线与杆塔之间的绝缘都利用了空气；高压电气设备的外绝缘也利用着空气。在真空断路器中，压缩空气被用作绝缘媒质和灭弧媒质。在某些类型的高压电缆（充气电缆）和高压电容器中，特别是在现代的气体绝缘组合电器（GIS）中，更采用压缩的高电气强度气体（如SF6）作为绝缘。2研究气体放电的主要目的：1.了解气体在高电压（强电场）的作用下逐渐由电介质演变成导体的物理过程；2.掌握气体介质的电气强度及提高方法。3第一章气体电解质的电气强度1.1气体中带电质点的产生和消失1.2均匀电场小气隙的放电1.3均匀电场大气隙的放电1.4电晕放电1.5不均匀电场气隙的击穿1.6冲击电压下空气的击穿特性1.7大气条件对空气间隙击穿电压的影响1.8提高气隙抗电强度的措施1.9沿面放电4第一节气体中带电质点的产生与消失一．带电质点的产生碰撞游离光游离热游离表面游离(气体中的金属)二.带电质点的消失质点的扩散质点的复合（气体本身）5波尔量子理论+低能级高能级电子分布使原子的总能量趋向最小。高能级→低能级：发出单色光。低能级→高能级：需要外部激励。激励状态不稳定。6游离（电离）：电子获得足够的能量跳出最外层轨道，成为自由电子。产生带电离子的过程称为游离。这时原来中性的原子发生了电离，分解成两种带电粒子——电子和正离子。质点游离所需的最小能量称为游离能。(1ev=1.602×10-19J)激励：当质点吸收的能量小于质点的游离能时，不能发生电离，但可以使电子跃迁到较高的能级的现象称为质点的激励。处于激励状态的质点易游离。反激励：处于激励状态的质点，恢复到原来的中性状态的现象称为质点的反激励。反激励将把激励时所吸收的能量以光的状态释放出来。7气体激励能We(eV)游离能Wi(eV)气体激励能We(eV)游离能Wi(eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6表1-1某些气体的激励能和游离能引起游离所需的能量可通过不同的形式传递给气体分子，诸如：光能、热能、机械能（动）能，对应的游离过程称为光游离、热游离、碰撞游离等。81碰撞游离运动的质点（可以是带电的，也可以是中性质点）撞击另一个中性质点，且使其分解成为两个带电质点（正离子和自由电子）的现象称为碰撞游离。发生碰撞游离的条件：撞击质点的总能量（动能＋位能）大于被撞击质点的游离能；有一定的相互作用时间。特点：可以一次完成，也可以分级完成。9碰撞游离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。应该强调的是，主要的碰撞电离均由电子完成，离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。102.光游离短波射线的光子具有很大的能量，它以光的速度运动，当它射到中性介质的分子或原子上时，所产生的游离称为光游离。光子的能量：紫外线，X射线，是引起光游离的主要因素。）－光的频率（普朗克常数，等于式中Hzs.106260755.634JhhW113.热游离在高温下，气体的质点热运动加剧，相互碰撞而产生的游离称为热游离。只有在5000～10000K的高温下才能产生热游离。124表面游离电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。各种金属的逸出功是不同的，如表1-2所示。金属逸出功(eV）金属逸出功(eV）金属逸出功(eV）铝(Al)银(Ag)1.83.1铁(Fe)铜(Cu)3.93.9氧化铜(CuO)铯(Cs)5.30.7表1-2各种金属的逸出功13比较表1-2与表1-1，可知金属的逸出功比气体分子的游离能小得多，表明金属表面电离比气体空间游离更易发生。随着外加能量形式的不同，表面游离可在下列情况下发生：①二次发射：通常正离子进入阴极的过程中其能量等于或大于阴极材料逸出功，引起阴极表面游离。②光电子发射：高能辐射线照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。③热电子发射：金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。14④强电场发射：当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），也能使阴极发射电子。常态下气隙击穿完全不受强场发射影响；在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。15二、带电质点的消失去游离：带电质点从游离区消失或游离的作用被削弱的现象称为去游离。当电子与气体与分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程称为附着。易于产生负离子的气体称为负电性气体。离子的游离能力比电子小得多，并且俘获自由电子而成负离子的过程将使自由电子数减少，因此负离子的形成对气体放电的发展起抑制作用（有助于提高气体的耐电强度）。例如SF6气体对电子具有很强的亲合性，因此其电气强度远大于一般气体，因而被称为高电气强度气体。带电质点的消失是由于游离作用小于去游离的作用。16气体中带电粒子的消失有可有下述几种情况：1.带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；2.带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。3.气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，是与游离相反的一种过程。17一．气隙放电的伏安特性曲线二．气隙击穿电压的理论计算三．巴申曲线第二节均匀电场小气隙的放电18一、气隙放电的伏安特性曲线：十九世纪九十年代，英国物理学家汤深德（Townsend）采用图1的实验装置测出了气体小间隙的伏安特性曲线如图2所示。19o～a段：电压较低，有微弱电流流过，存在少量带电质点，电压升高，质点运动加快，电流也随之上升。a~b段：外界因素产生的带电质点全部参与导电，且带电质点与中性质点碰撞损失能量，从而使带电质点移动速度随外界电压升高而趋于不变，所以电流也基本不变，电流密度较小10-19A/cm2，气隙仍处于绝缘状态。20b~c段：带电质点（主要为电子）在外界强电场的作用下，获得很大的加速度，与中性质点碰撞后致使中性质点产生碰撞游离，游离产生的新的电子在强电场的加速下又将产生新的碰撞游离→形成电子崩，所以电流随外加电压的增高而急剧增大。C～：由于电压升高产生的电子崩使空间气隙电荷数量急剧增加，电流急剧增大，到c点已达到必须依靠外电路电阻来限制的地步，此时气隙已经击穿。（自持放电）0-c段：必须依靠外界游离因素（宇宙射线）维持。称非自持放电阶段。C点之后：不需要依赖于外界游离因素，放电也能持续，称自持放电阶段212、电子崩的形成初始电子更多电子碰撞电离形成电流电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展，这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。22二、气隙击穿电压Ub的计算1、汤深德放电理论①汤深德第一游离系数α。一个电子逆外电场方向行进单位距离产生的碰撞游离数。23②汤深德第二游离系数：一个正离子沿外电场方向行进单位距离所产生的碰撞游离数称为～。因为正离子质量大，体积也大，所以在外电场作用下，不易加速，且自由行程小。所以不易产生碰撞游离，即在分析气隙击穿的过程中，可以不考虑正离子产生的碰撞游离作用。24③汤深德第三游离系数：一个正离子撞击阴极表面时期表面游离释放出的净电子数。与阴极材料及气体种类有关。252自持放电的条件阴极的逸出功远小于气体的游离能，所以在外界射线的作用下，阴极表面的自由电子密度高，这些电子产生的碰撞游离数远高于其它部分的电子。放电能否自持取决于阴极表面能否连续不断释放出电子。如果碰撞游离产生的正离子使阴极表面游离出的电子数不少于外界射线使阴极表面游离出的电子数时，若取消了外界光游离的条件，放电也可继续下去，所以此时气隙达到了击穿。26外界射线使阴极表面释放出个电子，这些电子在外电场作用下逆外电场方向行进距离后，由于碰撞游离作用，使电子增加到个，再行进距离，电子增加到个，显然：两端积分：27当，所以进入阳极的电子数为:气隙中正电荷数为:只要个正离子使阴极表面游离净放的电子数不少于个电子，则放电就能在没有外界射线的作用下，仅靠外加电压自己维持放电。即放电自持。所以气隙击穿的条件为：xdxcen028293击穿电压Ub的计算放电自持的条件也即击穿的条件：因为而所以推导出结论：1.击穿电压与阴极材料和气体性质有关。2.与有关。30三、巴申定律内容：气隙的击穿电压不仅与气隙的大小有关，还与气隙的中性质点的密度有关，且是二者乘积的函数，这个规律称为巴申定律。巴申曲线31第三节均匀电场大气隙的放电一、汤深德理论的不足1.实验表明，时，气隙击穿电压与按汤森德理论计算出的值差异很大，汤森德理论存在以下几个方面不足：（1）放电形式：放电路径、放电发展过程不符。（2）放电时间：实际放电的发展速度比单纯的碰撞电离快。（3）阴极材料：击穿电压值与阴极材料无关。322.原因：①汤深德没有考虑电离出来的电荷对空间电场有畸变作用。②没有考虑光子在放电过程中的作用。高电压技术面对的往往是高气压长气隙的情况。汤森德理论并不适用，比如雷电放电并不存在金属电极，因而与阴极上的γ值和二次电子发射根本无关。33二、流注放电理论空间电荷对气隙电场的畸变+-342.正流注的形成如果外施电压为气隙的最低击穿电压，当初崩发展到阳极时，正负电荷复合和反激励发出光子。由于受空间电荷的畸变作用，崩尾的电场较高，光子到达这里时，形成二次电子崩。二次电子崩头部的电子与初崩的正空间电荷汇合成为充满正负带电质点的混合通道。这个正电荷多于负电荷的混合通道称为流注通道，简称为流注。由正极向负极发展，所以称为正流注。353.负流注电压较低时，电子崩需经过整个间隙才形成流注，电压较高时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注。主崩头部的电离很强烈，光子射到主崩前方，在前方产生新的电子崩，主崩头部的电子和二次崩尾的正离子形成混合通道，形成向阳极推进的流注，称为负流注。(a)(b)(c)364.流注的概念及特点流注：初崩中辐射出来的光子照射到崩头崩尾，产生二次电子崩并逐渐会合到主崩当中来形成带点质点的混合通道，称为流注。特点：电离强度很大，传播速度很快（超过初崩发展速度10倍以上）。出现流注后放电便获得独立继续发展的能力，而不在依赖外界电离因子的作用，可见这时出现流注的条件也就是自持放电条件。注意：这两种理论各适用一定条件下的放电过程，不能用一种理论来代替另一种理论。37第四节不均匀电场的击穿一、不均匀电场的模拟不均匀电场的分类电极的不同导致电场的分布有所不同，但可以分为两类：对称电场和不对称电场两种。对称电场棒—棒电极来模拟;不对称电场棒—板电极来模拟。38以“棒—板”气隙为例，从流柱理论的概念出发，说明放电发展过程的极性效应。二、短间隙（S＜1m）的击穿1、棒为正极性时，电子崩是从场强低的区域向场强高的区域发展。此外，初崩的电子很快进入棒极，在棒极前方留下的正离子大大加强了气隙深处的电场，极易使气隙深处的电子产生二次电子崩而形成正流注。由于流注所产生的空间电荷总是加强前方的电场，所以它的发展是连续的，速度很快，与棒为负极性时相比，击穿同一间隙所需电压要低得多。---------------392、当棒为负极性时，初崩直接由棒极向外发展。先经过强场区，后来的路程中场强愈来愈弱，这就使电子崩的发展比棒为正极性时不利得多。初崩留下的正空间电荷显然增强了负棒极附近的电场，却削弱了气隙深处的空间电场，使负流注的向前发展受到抑制。击穿同一间隙所需的电压要高得多。++++++++++++40棒—板电极的极性效应1.棒为正极时，由于正流注所造成的空间电荷总是加强流注通道前方的电场，所以正流注的发展是连续的，其速度很快，与负棒极相比，击穿同一间隙所需的电压要小得多。2.棒为负极时，流注的发