1绪论;带电质点的产生.ppt

绪 论,一、本门学科的形成、任务,1、我国电力发展的概况,(1) 装机容量、发电量迅速增长,建国前电力工业极端落后；建国后到1960年，装机容量突破1000万kW，居世界第9位；1987年突破1亿kW，居世界第4位；1996年装机容量达到2.37亿kW，跃居世界第2位，实现了全国电力供需基本平衡；2000年突破3亿kW，仍居世界第2位。,到2001年，已投产和在建百万kW及以上的电厂已达113座；已投产最大凝汽式火电厂为浙江北仑电厂（5600 MW），最大热电厂山西太原第一热电厂（131.2万kW） ，最大水电厂四川雅砻江二滩电厂（6550MW）；已投产最大火电机组为100万kW，最大水电机组70万kW（三峡）；60万kW及以上机组正广泛应用，正成为主力机组。,(2) 用电量迅速增长,2004年全国用电量是1981年的7.08倍，其间用电量年均增长8.88，20002004年用电量年均增长12。根据预测，20042020年我国用电需求仍将保持较高的增长率，20052010年年均用电增长率在6以上，20112020年年均用电增长率5。,(3) 电网的建设有较大发展,建国后，1952年建设了110kV输电线路，逐渐形成京津唐110kV输电网； 1954年建成丰满李石寨220kV输电线，逐渐形成东北电网220kV骨干网架； 1972年建成330kV刘家峡关中输电线路，以后逐渐形成西北电网330kV骨干网架； 1981年建成500kV姚孟武昌输电线路，1983年又建成葛洲坝武昌和葛洲坝双河两回500kV线路，开始形成华中电网500kV骨干网架。1989年建成500kV葛洲坝上海超高压直流输电线路，实现了华中华东两大区的直流联网。,我国上世纪80年代开始了更高电压等级的论证、研究、试验等，并于2005年9月在西北网建成投产了750kV输电线路（官亭兰州）。,2、电力发展为何需要越来越高的电压？,理论上输电线路的输电能力与输电电压的平方成正比，电压 提高1倍，输送功率将提高4倍；,大容量输电的需求：,高效率的大型、特大型发电机组的建造投运，以其为基础建设的特大容量规模发电基地，需要更高电压的输电网。,经济性好：资源中心在西部，能源负荷中心在东部，特高压 输电实现更大范围的资源优化配置。,3、高压的分类及世界、我国最高电压等级,国际上，高压（HV）通常指35220kV的电压； 超高压（EHV）通常指330kV及以上、750kV及以下电压； 特高压（UHV）指1000kV及以上的电压。 高压直流（HVDC）通常指的是600kV及以下的直流 输电电压； 600kV以上的电压称为特高压直流（UHVDC）。,输电电压一般分高压、超高压和特高压。,前苏联1150kV输电线于1985年建成两段，到1992年经过了 6年的商业运行考验；,日本于上世纪80年代建设东西和南北两条1000V输电主干线， 将位于东太平洋沿岸的福岛核电站和柏崎核电站的电力输送 到东京。这两条线目前降压至500kV运行。,我国：西北网750kV的 “官兰”线已建成并试运近三年。,国家电网公司已启动特高压电网示范工程：,800KV云广特高压直流输电工程09年投产。,陕北晋东南南阳荆门武汉； 淮南皖南浙北上海。,我省：首条500KV线路； 1000KV项目规划在我省建两个特高压变电站,4、高压输电带来什么问题？,绝缘材料及结构、过电压及防护、试验技术及设备,二、本门学科的研究对象及特点,1、三大对象：,绝缘技术；,绝缘的试验技术及设备；,过电压及防护技术,（1）绝缘又称为电介质，分气体、液体和固体三类。 它的作用是将不同电位的导体分开；绝缘在运行中要承受 各种电压的作用，电压较低时会发生极化、电导和损耗现 象，电压超出临界值时会发生击穿现象。 在设计、生产、试验、运行时要研究各种电介质在电压下 的电气物理性能，特别是在高压下的击穿特性。,（2）研究击穿特性需要做高压试验，涉及到试验电源、测 量仪器、手段方法（在线、离线、智能化）等。,（3）电力系统在运行时不但要承受工作电压的作用，还会 受到大气过电压和内部过电压的作用，所以要研究其产生原 因、特点以及防护措施（结合计算机技术、模拟、仿真）。,2、本学科及课程的特点：,多学科性、边缘性、不完善性； 抽象、理论性、作业少、思考题多,本次课程的目的要求:,1、能说出带电质点产生、消失的方式、特点和作用,2、能说明P、d对击穿电压的影响，会解释巴申曲线,3、会说明均匀电场中气隙的击穿特性,第一章 气体电介质的击穿特性,1.1 带电质点的产生和消失,带电质点：,正离子、负离子、电子,一、带电质点的产生,原因：各种游离（电离）,作用：促进放电发展,气体原子的 激发和游离,带电粒子的运动,当气体中存在电场时，粒子同时进行热运动和沿电场定向运动。,游离（电离）：外界以某种方式给处于某一能级轨道上的电子施加一定的能量，该电子就可能摆脱原子核的束缚成为自由电子。,激发：电子向高一能级轨道的跃迁。,游离能 ：产生游离需要的能量。,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。,1、碰撞游离,电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体分子 引起游离的过程。,碰撞游离条件：当电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的游离能时，就可能使气体分子分裂为电子或正离子,碰撞游离主要由电子和气体分子碰撞所引起。,气体中，电子和离子的自由行程是它们和气体分子发生碰 撞的行程。由于电子尺寸和质量比分子小得多，不易发生 碰撞，故电子的平均自由行程比离子的大得多，在电场作 用下加速运动易积聚足够的动能。,Wi为气体分子的游离能,2、光游离,由光辐射引起气体分子游离的过程,光游离产生的电子称为光电子,来源：,x射线、射线、宇宙射线、紫外线等,异号带电质点复合成中性质点释放出光子,条件：,激励态分子回复到正常态释放出光子,3、热游离,本质：气体分子热状态引起的碰撞游离和光游离的综合。,常温下，气体分子发生热游离概率极小。,当t10000K时，才需考虑热游离； 当t20000K时，几乎全部的分子都处于热游离状态,以上三种游离发生在气体空间中，故也称为空间游离,4、气体中金属表面游离,含义：,形式：,金属阴极表面发射电子的过程。,气体中的主要游离形式为碰撞游离,正离子碰撞阴极表面； 光电子发射； 强场发射； 热电子发射；,二、带电质点的消失,作用：既促进又阻碍放电的进行,都以光子的形式放出多余的能量。一定条件下会导致其他气体分子产生光游离，使气体放电阶跃式发展。,电子复合和离子复合：,作用：阻碍放电发生,1、复合,2、扩散,正离子和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。,3、进入电极,作用：阻碍放电发展,带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域的性质,在外电场作用下，气隙中的正、负电荷分别向两电极定向 移动的现象,1.2 均匀电场中气体的击穿过程,一、非自持放电和自持放电,气体放电实验的伏安特性曲线,气体放电伏安特性,左图表示实验所得平板电极(均匀电场)气体中的电流I与所加电压U的关系，即伏安特性。,在曲线OA段，I随U的提高而增大，这是由于电极空间的带电质点向电极运动加速而导致复合数的减少所致。,当电压接近Ua时，电流I0趋向于饱和值，因为这时外界游离因子所产生的带电质点几乎能全部抵达电极，所以电流值仅取决于游离因子的强弱而与所加电压无关。,实验分析 oa段：电流随电压升高而升高 ab段：电流仅取决于外游离因素与电压无关 bs段：电压升高碰撞游离增强但仍靠外游离维持(非自持) s点后：只靠外加电压就能维持(自持),如果取消外游离因素，电流也将消失，这类依靠外游离因素的作用而维持的放电叫非自持放电。,外施电压到达U0后，气隙中游离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外游离因素的放电称为自持放电，U0称为起始放电电压。,二、低气压下均匀场自持放电的汤逊理论,（一）电子崩,(a) 电子崩的形成 (b) 带电离子在电子 崩中的分布,外界游离因子在阴极附近产生一个初始电子，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游离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞游离，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被称为电子崩。,（二）电子崩发展到阳极后的新游离,电子崩发展到阳极，其崩头的电子进入阳极中和，崩体内 的正离子在电场作用下向阴极运动。若气隙上的电压较低， 场强较小，则正离子撞击阴极板时从阴极逸出的电子将全 部和正离子复合，阴极表面游离不出自由电子。此时若取 消外界游离因素，气隙中将没有产生新电子崩的电子，放 电会停止。,此即是非自持放电。,若气隙上的电压达到其临界击穿电压，则由于正离子的动能大，撞击阴极表面时就能使其逸出自由电子，此时即使取消外界游离因素，阴极表面游离出的电子可弥补原来发展电子崩的那个电子，产生新的电子崩，使放电继续进行下去。,此即是自持放电。,自持放电条件：,物理意义：,一个从阴极出发的起始电子发展电子崩到阳极 后，崩中的 个正离子向阴极碰撞时 ，只要至少能从阴极撞击出一个自由电子来， 放电就可转入自持。,如自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分：,1. 将电子崩和阴极上的过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。 2. 汤逊理论的实质是：电子碰撞游离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。 3. 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。,总结：,（三）巴申定律,当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压(Ub)是气压(p) (或气密 ）和气隙距离(d)乘积的函数，即Ub= f (pd)。,1、巴申曲线,巴申曲线表明，改变极间距离d的同时，也相应改变气压p而使pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等。,2、定性分析,(1) d一定时：,a、P较小时：P碰撞次数进一步有效碰撞次数 Ub,由此分析可知：当极间距离d不变时提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压。这一概念具有十分重要的实用意义。,工程应用：压缩空气开关、真空开关等,(2) P一定时,a、d较小时：进一步d（与,差不多）碰撞次数少,无足够的碰撞次数Ub,b、d较大时：dE不易游离Ub,意义：减小或增大d，都能使击穿电压提高。,P平均自由行程,碰撞次数，不,易积累足够游离能(只碰撞不游离)有效碰撞次数Ub,b、P较大时：,（四）汤逊理论的适用范围,汤逊理论是在低气压pd 较小条件下建立起来的，pd 过大，汤逊理论就不再适用； pd过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释： 放电时间：很短 放电外形：具有分支的细通道 击穿电压：与理论计算不一致 阴极材料：无关 汤逊理论适用于pd26.66kPacm,三、高气压下均匀场自持放电的流注理论,以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的过程和二次电子发射根本无关。 气体放电流注理论以实验为基础，考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下方面： 空间电荷对原有电场的影响 空间光游离的作用,1、空间电荷对原有电场的影响,电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变； 崩头前方和后方处电场增强，崩头内部正、负电荷交界处出现一弱电场区，此处电子和离子浓度最大，有利于完成复合； 强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光游离辐射源。 电场加强区域（崩头前方附近）利于分子的激发，易放出光子。,2、空间光游离的作用,考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射光子而引起光游离。,如图所示：如果这时产生的光子位于崩头前方和崩尾附近的强场强区，则造成的二次电子崩将以更大的游离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中。 这些游离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注。,流注形成过程示意图,3、流注的形成和发展示意图,a、起始电子发生碰撞游离形成初始电子崩； b、初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，放射出大量光子； c、光游离产生二次电子，在加强的局部电场作用下形成二次崩；,d、二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部又有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使其发展； e、流注头部游离迅速发展，放射出大量光子，引起空间光游离，流注前方出现新的二次崩，延长流注通道； f、流注通道贯通，气隙击穿。,流注发展过程概述,4、形成流注的条件,电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，大大加强电子崩崩头和崩尾处的电场； 电子崩中电荷密度很大，所以复合频繁，放射出的光子在这部分很