第一章气体电解质的绝缘特性课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 气体电介质的绝缘特性,第一节 气体中带电质点的产生与消失,一、气体电介质中带电粒子的产生,原子在外界因素作用下，获得足够大的能量，可使原子中的一个或几个电子完全摆脱原子核的束缚，形成自由电子和正离子，这个过程称为原子的电离气体原子的电离可由下列因素引起：电子或正离子与气体分子的碰撞；各种光辐射；高温下气体中的热能强电场根据不同的电离因素，电离有以下几种形式：,1 碰撞电离,处在电场中的带电粒子，除了经常地作不规则的热运动、不断地与其它粒子发生碰撞外,还受电场力的作用，沿电场方向不断得到加速并积累动能当具有足够能量的带电粒子与中性气体分子碰撞时，就可能使气体分子产生电离这种由碰撞而引起的电离称为碰撞电离2光电离,由光辐射引起的气体原子的电离称为光电离光辐射的能量与波长有关，波长越短，能量越大3热电离,因气体热状态引起的电离过程，称为热电离在常温下，气体质点的热运动所具有的平均动能远低于气体的电离能，因此不产生热电离但是在高温下气体质点具有的动能足以导致气体原子的碰撞，产生碰撞电离此外高温气体的热辐射也能导致光电离，因此热电离的本质仍是高速运动的气体分子的碰撞电离的与光电离。

4表面电离,在外界电离因素的作用下，电子可能从电极的表面释放，称为表面电离或表面发射电极发射电子所需要的能量叫逸出功逸出功的大小与电极的材料和气体表面的状态有关，一般在15eV之间，它小于气体在空间的电离能，而和金属的温度基本无关这说明从阴极发射电子比在空间使气体分子电离更容易二、气体介质中带电粒子的消失,气体中发生放电时，除了有不断形成带电粒子的电离过程外，还存在着相反的过程，即带电粒子的消失过程，它们将导致带电粒子从电离区域消失，或者削弱其产生电离的作用，这些过程通常叫做去电离过程1带电粒子受电场力的作用流入电极,带电粒子在与气体分子碰撞后虽会发生散射，但从宏观看是向电极方向作定向运动在一定电场强度E下，带电质点运动的平均速度将达到某个稳定值2带电粒子的扩散,气体中的带电粒子，经常处于不规则的热运动之中如果不同区域中的带电粒子存在浓度差，则它们总的趋势是不断从高浓度区域移向低浓度区域，趋向于使各种带电粒子浓度变得均匀这种现象称为带电粒子的扩散3带电粒子的复合,正离子与负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和，还原为中性分子的过程称为复合过程复合可在气体空间进行，也可以在容器壁上发生。

若放电空间离容器壁较远，则显然前者是主要的4附着效应,某些气体中的中性分子（或原子）具有较大的电子亲和力，当电子与其碰撞时，便被其吸附而成为负离子，同时放出能量，这个过程称为气体的附着效应容易附着电子形成负离子的气体称为电负性气体，如氧气、氯气、氟气、水蒸气、六氟化硫等都属于电负性气体第二节 汤逊理论和流柱理论,一、汤逊理论,20世纪初，英国物理学家汤逊（Townsend）在均匀电场、低气压、短间隙的条件下进行了放电实验，提出了比较系统的理论和计算公式，解释了整个间隙的放电过程和击穿条件虽然汤逊理论有很多不足，其适用范围也有很大的局限，但它描述的放电过程是很基本的，具有普遍意义1非自持放电和自持放电,气体放电可分为非自持放电和自持放电两种必须借助外加电离因素才能维持的放电则称之为非自持放电不需其它任何外加电离因素而仅由电场的作用就能维持的放电称为自持放电图11 平行板电极试验装置,图12 放电电流和电压的关系,图11所示的是汤逊的实验装置在空气中放置两块平行板电极，用外部光源对阴极极板进行照射，并在两极间加上直流电压，则在两极之间形成均匀电场当极间电压从零起逐渐升高时，得到电流和电压的关系如图12所示。

外加电压到达,c,点以前，间隙中的电流很小，且要依靠外界的电离因素来维持，此时的放电属于非自持放电；外加电压到达,c,点之后，气体间隙中发生了强烈的电离，带电粒子的数量急增，此时间隙中的放电依靠电场的作用就可以维持，,c,点以后的放电属于自持放电汤逊放电理论,在外界电离因素的作用下，阴极产生光电子发射，使间隙中产生自由电子，这些电子就是放电的起始电子这些起始电子在电场的作用下，由阴极奔向阳极，在这个过程中，电子不断被加速，动能不断积累，同时与中性粒子发生碰撞，当,UU,b,后，电场很强，电子的动能达到足够大，有可能产生碰撞电离如图12所示，当气体间隙上所加电压超过,U,b,后，电流迅速增大电离新产生的电子和原有电子一起又从电场中获得动能，继续被加速，从而发生新的碰撞电离这样就出现了一个连锁反应的局面：一个起始电子从电场获得一定的动能后,碰撞电离出一个第二代电子；这两个电子作为新的起始电子从电场获得动能，又电离出两个新的第二代电子，这时间隙中已存在四个自由电子；这四个自由电子又作为新的起始电子继续发生碰撞电离；,这样一代一代不断地发展下去间隙中的电子数目由1变为2，2变为4,，电子的数目迅速增加。

这种电子数目迅速增加的过程，犹如高山的雪崩过程，因此被形象地称为电子崩，见图13图1-3 电子崩的电荷分布 图1-4 气体间隙的示意图,如图14所示，假设气体间隙的距离为,d,，由于某种外界电离因素，从阴极发出一个电子这个电子在向阳极运动过程中不断引起碰撞电离，电子数目越来越多，经过距离,x,后数目达到,n,，再经过距离,dx,，增加的电子数目为,dn,通过数学积分得,n=e,d,（11）,n是过程中包括起始电子在内的电子数所以，自持放电的条件为：,（e,d,1）1或 （12）,3巴申（Paschen）定律,当气体成分和电极材料一定时，气体间隙击穿电压（U,0,）是气压,（P）和间隙距离（d）乘积的函数：,U,0,=f（Pd）（13）巴申定律给汤逊理论以实验支持，而汤逊理论给巴申定律以理论上的解释，两者相互映证巴申曲线如图15图15 某种气体的巴申曲线,4汤逊放电理论的适用范围,汤逊理论是在低气压、Pd较小的条件下在放电实验的基础上建立的Pd过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了Pd过小时，气体极低（d过小实际是不可能的），电子的平均自由行程远大于间隙距离，碰撞电离来不及发生，击穿电压似乎应不断上升，但实际上电压U上升到一定程度后，场致发射将导致击穿，汤逊的碰撞电离理论不再适用，击穿电压将不再增加。

Pd过大时，气压高，或距离大，这时气体击穿的很多实验现象无法全部在汤逊理论范围内给以解释1）放电外形：高气压时放电外形具有分支的细通道，而按照汤逊放电理论，放电应在整个电极空间连续进行，例如辉光放电2）放电时间：根据出现电子崩经几个循环后完成击穿的过程，可以计算出放电时间，在低气压下的计算结果与实验结果比较一致，高气压下的实测放电时间比计算值小得多3）击穿电压：Pd较小时击穿电压计算值与实验值一致；Pd大时不一致4）阴极材料：低气压下击穿电压与电极材料有关；高气压下间隙击穿电压与电极材料无关因此，通常认为，Pd200cmmmHg时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结果不再适用，但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有效的二、流注理论,1流注的形成,在汤逊以后，由洛依布（Loeb）和米克（Meek）等在实验的基础上建立了一种新理论流注理论（streamer theory），弥补了汤逊理论的不足，较好地解释了高气压长间隙的气体放电现象图16 流注的形成和发展,2流注形成的条件,气隙中一旦出现流注，放电就可以由放电本身所产生的空间光电离而自行维持，因此自持放电条件就是流注形成的条件而形成流注的条件是需要初始电子崩头部的电荷达到一定的数量，使电场得到足够的畸变和加强，造成足够的空间光电离，转入流注。

所以流注形成的条件为：,e,d,常数 （14）,一般认为当,d,20（或,e,d,10,8,）便可满足上述条件，使流注得以形成3流注理论对放电现象的解释,利用流注理论可以很好地解释高气压、长间隙情况下出现的一系列放电现象1）放电外形 流注通道电流密度很大，电导很大，故其中电场强度很小因此流注出现后，将减弱其周围空间内的电场，加强了流注前方的电场，并且这一作用伴随着其向前发展而更为增强因而电子崩形成流注后，当某个流注由于偶然原因发展更快时，它就将抑制其它流注的形成和发展，这种作用随着流注向前推进将越来越强，开始时流注很短可能有三个，随后减为两个，最后只剩下一个流注贯通整个间隙了，所以放电是具有通道形式的2）放电时间 根据流注理论，二次电子崩的起始电子由光电离形成，而光子的速度远比电子的大，二次电子崩又是在加强了的电场中，所以流注发展更迅速，击穿时间比由汤逊理论推算的小得多3）阴极材料的影响 根据流注理论，大气条件下气体放电的发展不是依靠正离子使阴极表面电离形成的二次电子维持的，而是靠空间光电离产生电子维持的，故阴极材料对气体击穿电压没有影响第三节 不均匀电场的放电过程,电气设备绝缘结构中的电场大多是不均匀的。

根据其放电特点，不均匀电场可分为稍不均匀电场和极不均匀电场一、,稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点,图17 直径为D的球隙的放电电压与极间距离d的关系曲线,1击穿电压；2电晕起始电压；3放电不稳定区,图17表示直径为,D,的球隙的放电电压与极间距离,d,的关系曲线试验表明：当,d,2,D,时，电场还比较均匀，其放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，立即导致整个气隙击穿当,d,4,D,以后，这时由于电场强度沿气隙分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，在靠近两个球极的表面出现蓝紫色的晕头，并发出“咝咝”的响声，这种局部放电现象称为电晕放电，开始出现电晕放电的电压称为电晕起始电压当外加电压进一步增大时，电极表面电晕层亦随之扩大，并出现刷状的细火花，火花越来越长，最终导致气隙完全击穿球隙距离在2,D,4,D,之间时，属于过渡区域，随电压升高会出现电晕，但不稳定，该球隙立刻就转为火花放电由实验可知，随着电场不均匀程度增加，放电现象不相同，电场越不均匀（两球间距离越大，电场越不均匀），击穿电压和电晕起始电压之间的差别也越大从放电的观点看，电场的不均匀程度也可以根据是否存在稳定的电晕放电来区分：如果电场的不均匀程度导致存在稳定的电晕放电（如,d,4,D,以后），则称为极不均匀电场；虽然电场不均匀，但还不存在稳定的电晕放电，电晕一旦出现，气隙立刻被击穿（如2,D,d,4,D,时），则称为稍不均匀电场。

我国国家标准规定的波形参数与IEC相同图113 在正极性“棒棒”气隙中自持放电前空间电荷对原电场的畸变,图112 正棒负极板间隙中的主放电过程,图111 正棒负板间隙中先导通道的发展,很明显，这时如果再增大“棒板”气隙的长度，对于提高其工频击穿电压是无效的当距离超过2m，击穿电压与气隙距离的关系出现“饱和”趋势，特别是“棒板”气隙，其饱和趋势尤甚棒电极为负极性时的平均击穿场强10 kV/cm2）利用空间电荷改善电场分布,图115“棒棒”和“棒板”空气间隙的直流击穿特性,4伏秒特性,1SF6气体的击穿特点,皮克研究了平行导线间电晕起始电压的大量数据，并通过公式(1-8)的关系换算得到平行导线间电晕起始场强E0的经验公式如下:,从放电的观点看，电场的不均匀程度也可以根据是否存在稳定的电晕放电来区分：如果电场的不均匀程度导致存在稳定的电晕放电（如d4D以后），则称为极不均匀电场；,直流和工频统称为持续作用电压，这类电压随时间的变化速度较小，相比之下放电发展所需的时间可忽略不计Pd过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了其中，U为间隙上施加的电压；,电场分布越均匀，间隙的平均击穿场强越高。

4主放电阶段,图118 标准雷电冲击电压波形,虽然汤逊理论有很多不足，其适用范围也有很大的局限，但它描述的放电过程是很基本的，具有普遍意义通常电场的不均匀程度一般。