重庆大学高电压1 气体的绝缘强度.ppt

第一章 气体的绝缘强度,第一篇 高电压绝缘与试验,主要内容,1 气体放电的主要形式 2 气体中带电质点的产生和消失 3 汤逊理论和流注理论 4 不均匀电场长空气间隙的放电 5 冲击电压下气隙的击穿特性 6 影响气体放电电压的因素 7 提高气体介质电气强度的方法 8 沿面放电,,,,,1 气体放电的主要形式,1.1 气体放电的基本概念,1.2 气体放电的主要形式,1.1 气体放电的基本概念,1.1.1 气体放电 1.1.2 气体的绝缘特性 1.1.3 气体的电气强度,1.1 气体放电的基本概念,气体放电(discharge)：气体中流通电流的各种形式；,气体击穿(breakdown)：气体由绝缘状态突变为良导体状态的过程；,沿面闪络(flashover)：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象；,工程上将击穿和闪络统称为放电这里所研究的气体是指高压电气设备中常用的空气、N2、SF6以及高强度混合气体等气态绝缘介质 空气：架空线路、变压器外绝缘； SF6： SF6断路器和SF6全封闭组合电器空气是最廉价、应用最广、具有自动恢复绝缘特性的气体，因此我们主要研究空气的放电气体具有绝缘的自恢复特性,气体的电气强度：表征气体耐受电压作用的能力。

均匀电场中击穿电压Ub与间隙距离之比称为击穿场强Eb我们把均匀电场中气隙的击穿场强Eb称为气体的电气强度 空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm;,注意：不能把不均匀电场中气隙Ub与间隙距离之比称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强1.2 气体放电的主要形式,注意：电晕放电、刷状放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件变化，这些放电现象可相互转换常见放电形式 辉光放电(glow ~) 电晕放电(corona ~) 刷状放电(brush ~) 火花放电(spark ~) 电弧放电(arc ~),9,电场极不均匀情况下，如电压升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状放电 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿 如均匀内部电场，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转入击穿 如降低气压，放电转为为辉光放电10,电晕放电,电晕放电,火花及电弧放电,人工模拟雷电冲击下空气间隙的击穿,放电通道就是导电通道，也是具有大量带电粒子（质点）的通道，具有很高的电导率 介质从绝缘到良导体的发展过程就是大量带点粒子（质点）产生的过程。

2 气体中带电质点的产生和消失,2.1 气体中带电质点的产生,气体原子的激发和电离,激发(excitation) 电子(electron)向高一能级轨道的跃迁 电离(ionization) 如果气体原子(atom)从外部获得足够大的能量，使外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子失去电子的原子就成带正电的离子，称为正离子此过程就称为电离 分级电离： 先经过激发再产生电离的过程 电离能 产生电离需要的能量电子、正离子、负离子,气体原子的激发和电离,电子要脱离原子核的束缚成为自由电子,则必须给予其能量能量来源的不同，带电质点产生的方式就不同 因此，根据电子获得能量方式的不同，带电带电质点产生的方式可分为以下几种一）碰撞电离(collision ~),电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体分子引起电离的过程影响因素： ① 外电场强弱（E）； ② 能量的积累（移动距离的大小x）电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为:,m:电子的质量 V:电子运动速度 E:外电场强度 x:电子移动距离,带电质点产生的方式,18,质点的平均自由行程,,：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程 电子在其自由行程内从外电场获得动能，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关,,Wi为气体分子的电离能,碰撞电离条件 当电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的电离能时，就可能使气体分子分裂为电子和正离子，即,自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离。

平均自由行程：众多质点自由行程的平均值电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多 气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越小对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比,由光辐射引起气体分子电离的过程，称为光电离 光电离产生的电子称为光电子 光辐射来源： 紫外线、宇宙射线、x射线等； 异号带电质点复合成中性质点释放出的光子； 激励态分子回复到正常态释放出的光子 光电离条件：,（二）光电离(Photoionization ~),,h：普朗克常数； C：光速 υ：光频率； λ：光波长,或,（三）热电离(Thermal ~) 气体分子高热状态引起的碰撞电离过程，称为热电离 热电离条件：,常温下，气体分子发生热电离概率极小气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度当t10000 K时才需考虑热电离； 当t20000 K时，几乎全部的分子都处于热电离状态空气电离度m和温度T的关系,表面电离形式： 正离子碰撞阴极表面(Electron emission by positive ion impact on cathode)； 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。

光电效应(Photoelectric emission)； 当光子的能量大于逸出功时，金属表面放射出电子 强场发射(Field emission)； 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子 热电子发射(Thermionic emission) 阴极温度很高时，其中的电子具有巨大动能，逸出金属表面四）表面电离(surface ~),逸出功 ：电子克服原子核的束缚，从材料表面逸出所需的最小能量与金属的微观结构 、金属表面状态有关五）负离子的形成,附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新的电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合，形成负离子电子附着系数η ：电子行经单位距离时附着于中性原子的电子数目负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用2.1 气体中带电质点的产生 2.2 气体中带电质点的消失,2.2 气体中带电质点的消失,（一）气体中带电质点在电场力作用下流入电极,带电质点一旦产生，在外电场作用下作定向运动，流入电极形成电导电流二）带电质点的扩散,带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。

扩散的原因：带电质点的热运动 电子比离子的扩散速度高3个数量级,含义：正离子与负离子或电子相遇时，发生电荷的传递而相互中和还原为分子的过程 对放电的影响：电荷复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展 放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之间的复合，参加复合的电子绝大多数是先形成负离子再与正离子复合三）带电质点的复合,小 结,气体间隙中带电质点的产生和消失是气体放电的一对基本矛盾，气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位 强电场下，气体中带电质点的产生形式可以分为空间电离和表面电离它们都与外界供给的能量方式有关，能量来源的形式主要是电场能、光辐射能和热能，而能量的传递靠电子、光子或气体分子的热运动，其传递的过程主要是碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程气体放电发展过程,碰撞电离,光电离,热电离,空间电离,表面电离,负离子的形成－η,正离子碰撞阴极 光电效应 强场发射 热电子发射,电场作用下气体中带电质点的定向运动 带电质点的扩散 带电质点的复合,,,2.1 带电质点产生,2.2 带电质点消失,,,,,3 汤逊理论和流注理论,3.1 低气压均匀电场下 的汤逊理论和巴申定律,,3.1.1 低气压均匀电场下的汤逊理论,一、气体放电实验及伏安特性曲线,气体中电流和电压的关系 伏安特性曲线,测定气体中电流的回路示意图,,作用在气体介质上的能量,,,外电离因素,外电场因素,气体放电伏安特性,3.1.1 低气压均匀电场下的汤逊理论,试验分析 当UU0 OA段：电流随电压升高而升高 AB段：电流仅取决于外电离因素，与电压无关 BC段：电压升高电流增强，但仍靠外电离维持放电过程 (非自持放电阶段) 当UU0 C点后：电流急剧突增，气体间隙击穿，只靠外加电压就能维持(自持放电阶段),非自持放电：如果取消外电离因素，气体的放电过程就会停止，那么电流也将消失。

这类依靠外电离因素和外电场因素共同作用而维持的放电自持放电：气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非自持放电与自持放电的分界点,二、电子崩（electron avalanche）的形成,(a) 电子崩的形成 (b) 带电离子在电子崩中的分布,为什么？,电子数目将按2、4、8…2n 的指数规律增长,电子崩的发展过程也称为α过程,α ----电子碰撞电离系数： 一个电子在电场力作用下，沿电场方向行经单位距离（1cm）平均发生碰撞电离的次数，汤逊第一电离系数反映了电子碰撞气体分子发生电离的能力,均匀电场中的电子崩计算模型,α过程,d,n0,x,n,dx,N-,dn,根据碰撞电离系数的定义：,分离变量并积分，可得：,从而可得n0个电子，从阴极出发在电场的作用下，经距离d，到达阳极时由碰撞电离产生的电子数（用N－表示）,研究表明：对均匀电场而言，α为常数，电子数N－：,上式等号两侧乘以电子的电荷qe，即得电流关系式：,表明：电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大 因为一旦除去外界电离因素(令 )，放电就会停止非自持放电阶段,,仅有α过程不能维持放电的自持β过程,β过程在气体电离过程中起的作用很小。

电子碰撞电离是电离的主要因素β ----正离子碰撞电离系数 一个正离子沿电场方向行经单位距离（1cm）时平均发生的碰撞电离次数汤逊第二电离系数γ --表面电离系数 折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面释放出的自由电子数汤逊第三电离系数γ过程,空间电离,,表面电离,,正离子能量的来源是在外电场作用下获得的！,由外电离因素从阴极产生的一个电子消失在阳极前，由α过程形成的正离子数即,n0个电子消失在阳极前，由α过程形成的正离子数正离子（获得足够能量的正离子）消失在阴极时，由γ过程（表面电离）在阴极上释放出二次电子数，即,表示由γ过程在阴极上重新产生一个(或更多)电子，此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展，即转入自持放电当存在,自持放电条件（击穿条件）,如自持放电条件满足时，放电过程就如下图所示,循环,,电极空间及气体间隙中碰撞电离发展过程,电子碰撞电离是气体电离的主要原因；正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件 阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据汤逊理论的主要内容,气体放电伏安特性,在外部光源的照射下，气体中的微观过程有： 由于电离而不断产生带电质点； 正、负点点质点又不断复合。

当电压小于UA时： 随着电压的升高，带电质点的运动速度增加，复合导致带电质点的数目减少消失于电极的数目增大，因此，外回路电流增加当电压小于UB大于UA时： 这是由于因电离产生的带电质点全部消失于电极电流只取决于外电离因素而与电压无关当电压大于UB时： 随着电压的升高，又出现了电流的增长，这必然是出现了新的电离方式—电子的碰撞电离在这个电压下，电场足够强，电子能够在电场的作用下积累足够的能量发生碰撞电离均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系,巴申定律：描述了气体的击穿电压Ub与pd的关系曲线(亦即Ub与pd的关系曲线)－－实验结果,(1)击穿电压不仅由间隙距离d决定，而且也是pd的函数；,(2)击穿电压不是pd的单调函数，而是U曲线，存在击穿电压的极小值；,(3)不同气体，其巴申曲线上的最低。