课件：第章-.气体放电的基本物理过程.ppt

第1章 气体的绝缘强度,1.1 气体放电的基本物理过程 （用微观概念来解释宏观现象） 1.2 影响气体放电的因素 1.3 沿面放电,第1章 气体的绝缘强度,气体绝缘耐受电压的能力 气体放电,第1.1节 气体放电的基本物理过程,1.1.1 带电粒子的产生与消失 1.1.2 汤逊理论和巴申定律 1.1.3 流注理论 1.1.4 不均匀电场中放电的极性效应,（用微观概念来解释宏观现象）,第1章 气体的绝缘强度,2,概念 电介质：电阻率极高、不导电的物质，又称为绝缘体。（电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着，因此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下，这些电荷也只能在微观范围内移动，产生极化。在静电场中，电介质内部可以存在电场，这是电介质与导体的基本区别。常见的电介质，如空气、玻璃、橡胶、云母片、胶木、植物油等。）,高压电气设备中的绝缘介质，按物质形态分为： 气体电介质、液体电介质、固体电介质。,电气设备的绝缘分为内绝缘和外绝缘,概念 击穿：电介质（绝缘体）在电场的作用下发生剧烈放电或导电的现象叫击穿。 绝缘强度：绝缘本身耐受电压的能力，一般用绝缘发生击穿时作用在绝缘材料上的临界电压值来表示。电力设备的绝缘强度用击穿电压表示；而绝缘材料的绝缘强度则用平均击穿电场强度。 气体放电：气体电介质的击穿现象。干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。这时如果在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。,气体放电问题的基本现状 空气是最廉价的绝缘材料，用之不尽； 影响因素的多样性、随机性，难以精确计算气体放电过程； 气体击穿理论相对完整； 分析气体击穿仍是绝缘分析的基础。,辉光放电：充溢电极空间，电流密度小1-5mA/cm2, 正伏 安特性，绝缘状态；（节日的彩灯） 电晕放电：高场强附近出现发光薄层，通道仍是绝缘状态； 刷状放电：电晕极伸出细亮断续放电通道，通道未击穿； 火花放电：贯通两极细亮断续放电通道，间歇击穿； 电弧放电：持续贯通两极细亮放电通道，完全击穿；（闪电）,气体放电的主要形式,气体放电的起因？,气体是由气体分子组成的，气体中气体分子是由正电的原子核和围绕原子核高速旋转的外层电子组成。由于原子所带正、负电荷相等，故正常情况呈中性。 正常情况下，气体中自由电荷个数极少，气体是良好绝缘体（但其中仍有少量的带电质点）。 在电场作用下，这些带电质点作定向运动而形成电导电流。 因此，气体不是理想的绝缘体，不过，当电场较弱时，带电质点数极少，电流极小，气体仍是良好的绝缘体。,气体放电：气体电介质的击穿现象。如果在气体中安置两个电极并加上电压，当气体中存在一定的自由带电粒子时，就有电流通过气体，它就变为带电的导体，这个现象称为气体放电。,概念：游离(电离)与激励,激励：当外界给予原子一定的能量使内层电子获得能量不能脱离原子核的束缚，只能跃迁到标志着能量更高的、离原子核较远的轨道上去时，该原子就处于激励状态，原子的位能也增加，这一过程叫激励，所需的能量称为激励能。 游离：电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为游离（电离），原子从中性质点成为游离状态须吸收能量。 电离可一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式。处于激励状态的原子，也可再获得能量发生游离，称为分级游离，其所需能量小于直接游离所需的能量。,1.1.1 带电粒子的产生与消失,1.1.1 气体中带电粒子的产生与消失,(一) 气体中带电粒子的产生 1、气体中电子与正离子的产生,仅考虑当T10 000K时的热电离,2、金属电极表面游离电子逸出,（1）正离子撞击阴极 （2）光电子发射 （3）强电场发射 （4）热电子发射,3、气体中负离子的形成,电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。,负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。,1、带电质点的中和 带电质点在电场作用下作定向运动，流入电极，中和电荷 2、带电质点的扩散 带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。 3、带电质点的复合 带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。,(二) 气体中带电质点的消失,电离与复合作用的关系,带电质点的产生：电离过程吸收能量，产生电子等带电质点，促进放电过程发展，电气强度降低，不利于绝缘； 带电质点的消失：复合过程释放能量，使带电质点减少消失，阻碍放电过程的发展，有利于保持绝缘强度。 两种过程在气体放电过程中同时存在，条件不同，强弱程度不同： 电离主要发生在强电场、高能量区；复合主要发生在低电场、低能量区。 带电质点复合过程的光辐射效应，在一定条件下也会成为二次电离的条件。,1.1.2 低气压下均匀电场的自持放电的汤逊理论与巴申定律,汤逊电子崩理论：1903年英国物理学家提出气体放电理论，尽管适用范围有限，但对放电机理的阐述具有普遍意义，至今仍是放电物理的基础理论。 外加电压很小时，气隙中的电流是由外界光电离因素造成。OA段线性，AB段饱和，良好绝缘状态，电流很小。BC段急剧上升。,放电的电子崩阶段,非自持放电和自持放电的不同特点,电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小,电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）,电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的,电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿） ?原因,外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间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。,非自持放电和自持放电的不同特点,电流随外施电压的提高而增大原因：带电质点向电极运动的速度加快，复合减弱，电流增加,电流饱和原因：带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）,电流开始增大原因：形成电子崩，是由于电子碰撞电离引起的,电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）原因：形成自持放电,外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间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(撤掉光照射)。,重要概念,非自持放电：电压小于U0时，取消外电离因素，间隙电流消失。 自持放电：电压大于U0时，取消外电离因素，间隙电流靠电场作用能自行维持。 电子崩：场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，如雪崩状发展过程，电流急剧增加。U0为击穿电压。 电子碰撞电离系数：一个电子由阴极到阳极行程中，每cm路程与气体质点发生碰撞电离平均次数。即：单位行程内因碰撞电离而产生的自由电子数。 正离子碰撞电离系数：可忽略。 阴极表面碰撞电离系数：单个正离子撞击阴极平均发射出的自由电子数。,电子崩的形成（BC段电流剧增原因）,电子崩内电子数的计算,过程与自持放电条件,一个电子从阴极到阳极因电子崩形成正离子数为 ead-1 正离子撞击阴极形成二次自由电子数为(ead-1) ，若它等于1，意味着阴极产生原电子的一个后继电子替身，使放电得以自持。,自持放电条件,pd 值较小的情况（汤逊）,（1）汤逊自持放电判据,（2）气体击穿的巴申定律,（3）气体密度对击穿的影响,汤逊放电理论的适用范围,研究表明：汤逊理论能解释低气压、pd较小时的放电现象；当pd过小或过大时，放电机理变化，不适用。 pd过大时，汤逊理论无法解释许多实验现象。,pd过大时（大气压下）难以假释的现象： 放电外形：出现放电分支细通道，非充满放电空间。 放电时间：低气压下汤逊理论的计算值与实验符合，高气压下计算值远大于实测值。 击穿电压： pd大时，计算值与实验值差别大。 阴极材料的影响：汤逊放电及击穿电压与阴极材料有关，而高气压下间隙击穿电压基本与电极材料无关,pd 值较大的情况（流注）,实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。,形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷使原电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾处的电场。,电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。二次电子的主要来源是空间的光电离。,（1）流注的形成条件,1.1.3 流注理论,流注放电理论要点,适用范围：在高气压下（Pd大），当外施电压等于击穿电压时，光电离强烈，电子崩（汤逊放电）转入流注放电。 发展过程：电子崩发展到足够的程度后，其空间电荷足以使原电场严重畸变，大大加强崩头和崩尾电场，引发强场光子发射。另外，电子崩中电荷密度非常大，弱场区复合过程频繁，放射出的光子重新引起光电离。 有效电子(经碰撞游离)-电子崩(畸变电场)-发射光子(在强电场作用下)-产生新的电子崩(二次崩)-形成混质通道(流注)-由阳极向阴极(阳极流注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿. 强调：不均匀的空间电荷分布对电场畸变的作用,空间碰撞电离和光电离是形成自持放电的主要原因。 适用范围：高气压、均匀、不均匀电场中的放电过程。还较为粗糙，存在假说成分。,（2）流注自持放电条件（即形成流注的条件）,汤逊放电理论与流注放电理论的比较：,流注理论可以解释汤逊理论无法说明的pd值大时的放电现象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。 两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。,半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系,1.1.4 不均匀电场中气体放电的特点,稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点,放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同,放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压,放电过程不稳定，分散 属于过渡区,1.1.4 不均匀电场中的放电过程,28,电场的不均匀系数：,Ke4，极不均匀电场 （输电线）,几种典型电极结构示意图 1、同心球 2、球平板 3、球球 4、同轴圆柱 5、圆柱平板 6、圆柱圆柱 7、曲面平面 8、曲面曲面,下面给出几种典型的电极结构:,30,电晕放电： 在电场极不均匀时，随间隙上所加电压的升高，在大曲率电极附近很薄一层空气中将具备自持放电条件，放电仅局限在大曲率电极周围很小范围内，而整个间隙尚未击穿，这种放电称为电晕放电 。,电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式,电晕起始场强 开始出现电晕时电极表面的场强,电晕起始电压 开始出现电晕时的电压,1. 极不均匀电场中的电晕放电,31,电晕放电的起晕场强 三相对称时，起晕场强 电晕损耗功率计算,是气体相对密度；m1表面粗糙度系数，理想光滑导线取1，绞线0.80.9； 好天气时m2=1，坏天气时m2可按0.8估算。,32,电晕放电的危害： 能量损耗 高频电磁波 使空气发生化学反应 噪声污染 电晕放电也有其有利的一面：电晕可削弱输电线上雷电冲击或操作冲击电压波的幅值及陡度,使操作过电压产生衰减；电晕放电可改善电场分布，利用电晕原理已制成了静电除尘器、臭氧发生器及静电喷涂等设备。,33,表1.3 不必校验电晕的导线最小直径,电晕放电的对策：（限制导线的表面场强 ） 改变电极形状，增加电极曲率半径 采用分裂导线,220kV 2分裂或不分裂 330kV 2分裂 500kV 4分裂 750kV 6分裂,电晕放电的利用,在某些情况下可以利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电压。,导线板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系 1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm 点划线均匀场间隙 虚线尖-板电极间隙,35,2.极性效应,原则： 决定极性要看表面场强较强的那个电极所具有的极性。 在两个电极几何形状不同的场合(如棒.板间隙)，极性取决于大曲率的那个电极的极性； 而在两个电极几何形状相同的场合(如棒.棒间隙)，则极性取决于不接地的那个电极的极性。,36,负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板电极高 ， 完成击穿时间比正极性时间长。,正棒 负板,负棒 正板,37,A 正棒-负板,a.由于棒极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离，使电晕放电难以形成，造成电晕起始电压提高。,b.由于棒极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故降低了击穿电压。,38,B 负棒-正板,a.棒附近正空间电荷产生附加电场加强了朝向棒端的电场强度，容易形成自持放电，所以其电晕起始电压较低。,b.在间隙深处，正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，使放电的发展比较困难，因而击穿电压较高。,39,在相同间隙下,结论：,负极性棒板间隙的电晕起始电压比正极性棒板电极低 负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板电极高,40,极不均匀电场的放电特点： 气隙较小时，间隙放电大致可分为电子崩、流注和主放电阶段。 长间隙的放电则可分为电子崩、流注、先导和主放电阶段。间隙越长，先导过程就发展得越充分。,41,1.1.5 冲击电压下气体间隙的击穿特性,1.标准波形 a.雷电冲击电压,标准雷电波的波形：非周期性指数衰减波 T1=1.230s， T2=5020s 对于不同极性：+1.2/50s或-1.2/50s,42,图1.9 标准雷电冲击电压全波及截波波形,T1波前时间；T2半峰值时间；Tc截波时间； Tj截波视在持续时间,43,b.操作冲击电压,长波头冲击波的波形： T1=250s20， T2=2500s60 对于不同极性：+250/2500s或-250/2500s,44,衰减振荡电压波,第一个半波的持续时间在20003 000之间，反极性的第二半波的峰值约为第一个半波峰值的80 。,衰减振荡操作冲击波,45,2.放电时延,放电时间的形成,1)升压时间t0 2)统计时延ts 3)放电发展时间 tf,临界 击穿电压,统计时延：从外施电压达Uo时起，到出现一个能引起击穿的初始