均匀电场中的气体击穿课件.pptx

1 1 气体电介质的绝缘特性气体电介质的绝缘特性1.1 1.1 气体中带电粒子的产生和消失气体中带电粒子的产生和消失1.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.3 1.3 不均匀电场中气体的击穿不均匀电场中气体的击穿1.4 1.4 气体间隙的稳态击穿电压气体间隙的稳态击穿电压1.5 1.5 雷电冲击作用下气体间隙的击穿雷电冲击作用下气体间隙的击穿1.6 1.6 操作冲击作用下气体间隙的击穿操作冲击作用下气体间隙的击穿1.7 1.7 大气条件对间隙击穿电压的影响大气条件对间隙击穿电压的影响1.8 1.8 提高气体间隙击穿电压的措施提高气体间隙击穿电压的措施1.9 1.9 沿面放电沿面放电1课程回顾课程回顾21.1 1.1 气体中带电粒子的产生和消失气体中带电粒子的产生和消失p气体电离的条件？种类？气体电离的条件？种类？ WWi, 碰撞电离；碰撞电离； 光电离；光电离； 热电离；表面电离热电离；表面电离p电极表面逸出电子的条件？途径？电极表面逸出电子的条件？途径？ WWi，正离子撞击阴极，光电子发射，强场发射，正离子撞击阴极，光电子发射，强场发射，热电子发射热电子发射p电负性气体？电负性与电气强度的关系？电负性气体？电负性与电气强度的关系？ 电负性表征电负性表征分子吸引电子的能力分子吸引电子的能力，分子吸附电子成为，分子吸附电子成为负离子；电负性越好，吸引电子能力越好，电子越少，负离子；电负性越好，吸引电子能力越好，电子越少，对放电越不利，所以电气强度好，即绝缘性能好。

对放电越不利，所以电气强度好，即绝缘性能好课程回顾课程回顾p气体放电的主要形式气体放电的主要形式 1.1.辉光放电辉光放电2.2.电晕放电电晕放电3.3.刷状放电刷状放电4.4.电弧放电电弧放电5.5.火花放电火花放电注：注：辉光放电、电晕放电、刷状放电时间隙未击穿，火花放电和电弧放电均是间隙击穿后的放电现象1 1 气体电介质的绝缘特性气体电介质的绝缘特性1.1 1.1 气体中带电粒子的产生和消失气体中带电粒子的产生和消失1.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.3 1.3 不均匀电场中气体的击穿不均匀电场中气体的击穿1.4 1.4 气体间隙的稳态击穿电压气体间隙的稳态击穿电压1.5 1.5 雷电冲击作用下气体间隙的击穿雷电冲击作用下气体间隙的击穿1.6 1.6 操作冲击作用下气体间隙的击穿操作冲击作用下气体间隙的击穿1.7 1.7 大气条件对间隙击穿电压的影响大气条件对间隙击穿电压的影响1.8 1.8 提高气体间隙击穿电压的措施提高气体间隙击穿电压的措施1.9 1.9 沿面放电沿面放电41.2 1.2 均匀电场中气体的均匀电场中气体的击穿击穿51.2.1 1.2.1 非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电外电离因素：天然辐外电离因素：天然辐射或人工光源射或人工光源电场电场作用作用气体中的电压和电流关系气体中的电压和电流关系n非自持放电非自持放电去掉外电离因素的作用后放电随即停止；去掉外电离因素的作用后放电随即停止；n自持放电自持放电不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。

不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程61.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.2.1 1.2.1 非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电试验分析：试验分析：当当UUUU0 0（非自持放电阶段非自持放电阶段）n0101段：电流随电压的升高而升段：电流随电压的升高而升高；高；n1212段：电流仅取决于外电离因段：电流仅取决于外电离因素，而与电压无关；素，而与电压无关；n2323段：电压升高电流增强，但段：电压升高电流增强，但仍然靠外电离维持放电过程仍然靠外电离维持放电过程当当U UU U0 0 （自持放电阶段自持放电阶段）n3 3点后：电流急剧突增，气体间点后：电流急剧突增，气体间隙击穿，只靠外电压就能维持隙击穿，只靠外电压就能维持自持放电起始电压自持放电起始电压n电场均匀：间隙击穿电压电场均匀：间隙击穿电压Ubn电场极不均匀：电晕放电起电场极不均匀：电晕放电起始电压始电压71.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.2.2 1.2.2 汤逊放电理论汤逊放电理论- -低气压低气压短间隙短间隙均匀电场均匀电场E阴极阴极阴极阴极阳极阳极阳极阳极崩头大、崩尾小崩头大、崩尾小初始电子初始电子碰撞电离碰撞电离电子倍增电子倍增碰撞电离碰撞电离电子崩电子崩 崩头崩头崩尾崩尾光照射光照射光照射光照射一一、电电子子崩崩的的形形成成8系数系数电子沿电场方向行进单位长度，发生的平均电子沿电场方向行进单位长度，发生的平均碰撞电离次数碰撞电离次数系数系数系数系数正离子碰撞阴极表面，逸出的自由电子平均正离子碰撞阴极表面，逸出的自由电子平均数数正离子沿电场方向行进单位长度，发生的平正离子沿电场方向行进单位长度，发生的平均碰撞电离次数均碰撞电离次数电子崩电子崩离子崩离子崩阴极发射电子阴极发射电子离子体积、质量大，平均自由行程短，离子体积、质量大，平均自由行程短，发生碰撞电离可能性比电子小得多，可发生碰撞电离可能性比电子小得多，可忽略该过程。

忽略该过程对应单位长度内新电离的对应单位长度内新电离的自由电子数自由电子数1.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.2.2 1.2.2 汤逊放电理论汤逊放电理论- -电子崩的形成电子崩的形成一一、电电子子崩崩的的形形成成91.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.2.2 1.2.2 汤逊放电理论汤逊放电理论- -过程过程n个电子行过个电子行过dx之后，会产生之后，会产生dn个新的电子个新的电子 对于均匀电场，对于均匀电场， 不随空间位置而变不随空间位置而变 新产生的新产生的电子数和正离子数为电子数和正离子数为 放电可否自持放电可否自持放电可否自持放电可否自持 ？101.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.2.2 1.2.2 汤逊放电理论汤逊放电理论- - 过程过程新产生电子数：新产生电子数：新产生电子数：新产生电子数： 过程过程到达阴极的正离子数到达阴极的正离子数从阴极电离出的电子数从阴极电离出的电子数111.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.2.2 1.2.2 汤逊放电理论汤逊放电理论- -自持放电的条件自持放电的条件 汤逊理论的自持放电条件汤逊理论的自持放电条件p物理意义：物理意义：一个电子一个电子从阴极到阳极途中因从阴极到阳极途中因碰撞电离（碰撞电离（过程）过程）而产生的正离子数为而产生的正离子数为 ed1 ，这批正离子在阴极，这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数上造成的二次自由电子数（过程）过程）应为应为 (ed1 ) ，如，如果它等于果它等于1，就意味着那个初始电子有了一个后继电子，就意味着那个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。

从而使放电得以自持ed1) 1121.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.2.2 1.2.2 汤逊放电理论汤逊放电理论- -自持放电的条件自持放电的条件不够直观，不适合不够直观，不适合工程直接应用工程直接应用外界电离因子外界电离因子阴极表面电离阴极表面电离气体空间电离气体空间电离碰撞电离碰撞电离电子崩电子崩过程过程气体中的自由电子气体中的自由电子在电场中加速在电场中加速 阴极表面二次发射阴极表面二次发射 (过程）过程）正离子正离子13物理意义物理意义 引起碰撞电离的必要条件引起碰撞电离的必要条件 只只有有那那些些自自由由行行程程超超过过xiUi /E的的电电子子，才才能能与与分分子子发发生碰撞电离生碰撞电离 自由行程大于自由行程大于xi的概率为的概率为 电离碰撞次数电离碰撞次数Wi、Ui 分别为气体分子的分别为气体分子的电离能和电离电位电离能和电离电位 若若电电子子的的平平均均自自由由行行程程为为 ，在在单单位位长长度度内内，一一个个电电子子的的平平均均碰碰撞撞次次数数为为1/ x=0处处，n0个个电电子子沿沿电电力力线线运运动动，前前进进x后后，剩剩余余n个个电电子子未未发发生生碰碰撞撞，则则在在（x, x+dx）内内发发生生碰碰撞的电子数为撞的电子数为自由行程分布自由行程分布14气体温度不变时，气体温度不变时，1/ AP代入自持放电的临界条件 式中，15由于对由于对 取了两次对数，取了两次对数，Ub对对 的变化不敏感，因此的变化不敏感，因此Ub取决于取决于P与与d的乘积。

的乘积u结论：结论：均匀电场中气体的击穿电压均匀电场中气体的击穿电压Ub是气压和电极间距是气压和电极间距离的乘积（离的乘积（pd）的函数u击穿电压与击穿电压与Pd的规律在汤逊碰撞电离学说提出之前，巴申已从实的规律在汤逊碰撞电离学说提出之前，巴申已从实验中总结出来了，汤逊理论从理论上解释了试验结果验中总结出来了，汤逊理论从理论上解释了试验结果u从曲线可以看出，存在一个从曲线可以看出，存在一个最小值最小值，此时击穿电压最低此时击穿电压最低18891889年，巴申完成了他年，巴申完成了他的著名实验的著名实验1.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.2.21.2.2巴申定律巴申定律- -巴申曲线巴申曲线171.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.2.21.2.2巴申定律巴申定律- -定性解释定性解释P 电子累积动能电子累积动能间距过大间距过大难以碰撞电离难以碰撞电离气体密度气体密度碰撞电离碰撞电离UbP 电子累积动能电子累积动能气体密度气体密度碰撞电离碰撞电离UbdE电子累积动能电子累积动能碰撞次数碰撞次数电离概率电离概率UbdE电离次数电离次数碰撞次数碰撞次数电子崩电子崩Ub难形成电子崩难形成电子崩1. d固定固定2. P固定固定碰撞次数碰撞次数电离概率电离概率18191.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.2.4 1.2.4 汤逊放电理论的适用范围汤逊放电理论的适用范围 适用范围适用范围均匀场、低气压、短气隙均匀场、低气压、短气隙 (pd27kPa cm) 局限性局限性pd较大时，解释现象与实际不符较大时，解释现象与实际不符放电外形放电外形 汤逊理论解释：汤逊理论解释：放电外形均匀，如辉光放电；放电外形均匀，如辉光放电； pd大时的实际现象：大时的实际现象：外形不均匀，有细小分支；外形不均匀，有细小分支；放电时间：放电时间：Tpd大大T汤逊汤逊击穿电压：击穿电压：Ubpd大大4D，电场分布极不均匀，电压增加到某一临界值，存在电晕放电。

外加电压进一步增大，表面电晕层扩大，并出现刷状的细火花，火花变长，最终导致气隙完全击穿2D4D，过渡区域，放电过程不稳定，放电电压分散性大电场的均匀程度可以根据是否产生稳定的电晕来划分电场的均匀程度可以根据是否产生稳定的电晕来划分39式中：式中：Emax最大电场强度；最大电场强度； Eav 平均电场强度；平均电场强度；电场不均匀系数电场不均匀系数 fu引入电场引入电场不均匀系数不均匀系数 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u在在稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿现象稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿现象，此时间隙中平均电场强，此时间隙中平均电场强度比均匀电场间隙的略小，因此在同样极间距离时稍不均匀场间隙的击穿电压度比均匀电场间隙的略小，因此在同样极间距离时稍不均匀场间隙的击穿电压较均匀场间隙的要低；较均匀场间隙的要低；在极不均匀场间隙中自持放电条件即是电晕起始条件在极不均匀场间隙中自持放电条件即是电晕起始条件，由发生电晕至击穿的过程还必须提高电压才能完成由发生电晕至击穿的过程还必须提高电压才能完成1.2 1.2 不不均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿1.2.11.2.1稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点40Axial (left) and radial (righ。