课件：高电压气体放电的基本物理过程课件.ppt

高电压工程基础,第二章 气体放电 的基本物理过程,任课教师：赵 彤,山东大学电气工程学院,气体电介质 液体电介质 固体电介质,电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为三类：,高电压工程基础,外绝缘 一般由气体电介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成,在电气设备中：,高电压工程基础,内绝缘 一般由固体电介质和液体电介质联合构成,了解气体在强电场(高电压)作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程。,研究气体放电的目的：,高电压工程基础,电气设备中常用的气体介质： 空气、压缩的高电气强度气体(如SF6),掌握气体介质的电气强度及其提高方法。,输电线路以空气作为绝缘材料,高电压工程基础,变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料,高电压工程基础,高电压工程基础,空气在正常情况下导电率很小，为良绝缘体。但气体间隙上的电压过高时，气体会由绝缘状态转变为良导体，这种现象称为气体击穿。,一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态，且不存在老化现象。,高电压工程基础,击穿电压：气体间隙击穿时的最低临界电压。,击穿场强是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。,击穿场强：均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。,平均击穿场强：不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。,高电压工程基础,气体放电: 气体中流通电流的各种形式。 因气体压力、电源功率、电极形状等因素的影响，放电具有多种形式：,辉光放电：气压较低(远小于1大气压)，电源功率很小时，放电充满整个间隙。,火花放电：大气压下，电源功率很小时，间隙间歇性击穿，放电通道细而明亮时断时续。,电弧放电：大气压下，电源功率较大时，放电具有明亮、持续的细致通道。,电晕放电：极不均匀电场中，高电场强度电极附近出现发光薄层。,刷状放电：由电晕电极伸出的明亮而细的断续的放电通道。,高电压工程基础,电晕放电,高电压工程基础,高电压工程基础,一、带电质点的产生与消失 二、放电的电子崩阶段 三、自持放电条件 四、不均匀电场中气体放电的特点,高电压工程基础,第二章 气体放电的基本物理过程,高电压工程基础,激励(激发)：当原子获得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象。 激励需要外界给原子一定的能量，称为激励能。,产生带电质点的物理过程称为电离(游离)，是气体放电的首要前提。,2.1 带电质点的产生与消失,电离(游离)：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几个电子摆脱原子核的束缚形成自由电子和正离子，这一过程称为电离。电离所需的能量称为电离能Wi，通常用电子伏(eV)表示，有时也用电离电位Ui表示， Ui = Wi /e (e为电子的电荷量)。,高电压工程基础,电离的方式：,（空间电离）,1、气体中电子与正离子的产生 （空间电离）,（1）碰撞电离,高电压工程基础,电子或离子在电场作用下加速所获得的动能与质点的电荷(e)、电场强度(E)以及碰撞前的行程(x)有关，即：,高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时，如原子或分子获得的能量等于或大于其电离能，则会发生电离，这种由碰撞而引起的电离称为碰撞电离。,（1）碰撞电离,高电压工程基础,即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离引入“自由行程”概念。,自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由通过的平均距离。,碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的最重要的方式，由电子引起的电离占主要地位。,电子：自由行程大，获取的动能大；质量小，弹性碰撞时几乎不损失动能。 离子：自由行程短，碰撞间获得的动能少；碰撞时损失动能。,（2）光电离,高电压工程基础,由光辐射引起的气体分子的电离过程，称为光电离。,即当气体分子受到光辐射时，若光子能量大于气体分子电离能，则可能引起气体分子的光电离。,频率为v的光子能量：,因为大气层的阻挡，阳光到达地面的波长 290nm（可见光波长为380780nm），因此，普通阳光照射不足以引起气体分子的光电离。,例如波长为300nm的紫外线，其光波能量为：,（3）热电离,高电压工程基础,气体在热状态下引起的电离过程称为热电离。,热电离本质：高速运动的气体分子的碰撞电离和光电离，只不过能量不是来自电场而是气体分子本身的热能。,气体分子平均动能与分子温度的关系：,常温下(T=300K)，不足以引起空气的热电离；当发生电弧放电时，气体温度达到数千度以上，可能导致热电离。,热电离实质上是热状态产生的碰撞电离和光电离的综合。,（4）分级电离,高电压工程基础,原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励，所需的能量称为激励能We 。,激励能比电离能小，原子或分子有可能在外界给予的能量小于Wi但大于We时发生激励。,原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离，此时所需要能量为Wi-We。,激励态不稳定，经过约10-8s就会回复到基态。分级电离概率小。,某些原子具有亚稳激励态，其平均寿命较长，可达10-410-5s 。只有亚稳激励态才会引起分级电离。,（4）分级电离,高电压工程基础,若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则会出现潘宁效应，可使混合气体的击穿强度低于这两种气体各自的击穿强度。,从绝缘的观点看，潘宁效应是很不利的；但在气体放电应用中，如在电光源和激光技术中，则常常利用潘宁效应。,2、电极表面的电子逸出,高电压工程基础,电子从金属电极(阴极)表面逸出来的过程称为电极表面电离。 使阴极释放电子需要的能量: 逸出功。 逸出功与金属的微观结构和表面状态有关, 与金属温度无关。 金属表面逸出功比气体电离能小很多，因此电极表面电离在气体放电过程中有相当重要的作用。,2、电极表面的电子逸出,高电压工程基础,正离子撞击阴极：正离子能量传递给阴极，不小于2倍金属表面逸出功时发生电离。 光电子发射：金属表面受到短波长光照时，光子能量金属表面逸出功时，可造成电离。 强场发射：在阴极附近施加强电场可使阴极释放电子。对于高气压强电负气体的击穿过程起一定作用；在真空的击穿过程中，具有决定性的作用。 热电子发射：加热阴极，使电子获取足够动能，克服金属表面逸出功。仅对电弧放电有意义。,3、气体中负离子的形成,电子与中性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。为了说明原子在分子中吸引电子的能力，引入电负性概念，是一个无量纲的数，其值越大，表明原子在分子中吸引电子的能力越大。,高电压工程基础,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。,高电压工程基础,电负性气体分子捕获电子的能力除与气体性质有关外，还与电子的动能有关，电子速度高时不容易被捕获，因此电场强度很高时电子附着率很低。,4、带电质点的消失,与两电极的电量中和 带电质点受电场力的作用定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流。 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，其扩散比离子扩散快得多。 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。,高电压工程基础,2.2 放电的电子崩阶段,气体放电的现象与发展规律与气体种类、气压大小、气隙中的电场形式、电源容量等一系列因素有关。 但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。,高电压工程基础,2.2 放电的电子崩阶段,1、非自持放电和自持放电的不同特点,各种高能辐射射线（外界电离因素）引起： 阴极表面光电离 气体中的空间光电离 因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。 在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。,高电压工程基础,1、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）,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，此时的放电为自持放电。,高电压工程基础,2、电子崩的形成（BC段电流剧增原因）,高电压工程基础,放电由非自持向自持转化的机制与气体的压强和气隙长度的乘积(pd)有关： 汤逊理论(pd值较小) 流注理论(pd值较大) 共同理论基础：电子碰撞电离形成电子崩。,2、电子崩的形成,高电压工程基础,外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，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电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，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称为电子崩。,电子崩,高电压工程基础,2、电子崩的形成,高电压工程基础,均匀电场 不随x变化,新增电子数,回路电流,I0：外电离因素引起的初始光电流,2.3 自持放电条件,高电压工程基础,汤逊理论 (pd值较小) 流注理论 (pd值较大),要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。 实验现象表明，二次电子产生的机制与气压和气隙长度的乘积（pd）有关：,1、pd 值较小的情况（汤逊理论）,高电压工程基础,1903年，由英国人汤逊(J.S.Townsend)根据试验事实，提出了比较系统的气体放电理论，阐述了气体放电过程，并确定出放电电流和击穿电压之间的函数关系。汤逊气体放电理论最早定量地解释了气体放电理论。,适用条件：均匀电场，低气压，短间隙。,1、pd 值较小的情况（汤逊理论）,（1）汤逊自持放电判据,高电压工程基础,在电场作用下，正离子向阴极运动，由于它的平均自由行程长度较短，不易积累动能，所以很难使气体分子发生碰撞电离。 但当正离子撞击阴极表面时却有可能引起表面电离而拉出电子，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动形成新的电子崩。,电子碰撞电离系数 ：一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。 阴极表面电离系数 ：一个正离子撞击阴极表面时从阴极表面平均逸出的自由电子数。,1、pd 值较小的情况（汤逊理论）,（1）汤逊自持放电判据,高电压工程基础,如果电压足够大，初始电子崩中的正离子在阴极上产生出来的新电子等于或大于n0，即使除去外界电离因子的作用，放电也不会停止，这就变成了自持放电。 均匀电场中自持放电的条件：,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。,高电压工程基础,汤逊理论的实质：,气体间隙中发生的电子碰撞电离是气体放电的主要原因(电子崩)。 二次电子来源于正离子撞击阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。 所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。,（2）气体击穿的巴申定律,高电压工程基础,1889年，巴申（Paschen）从大量实验中总结了击穿电压Ub与pd的关系，称为巴申定律。,当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压是气体压力p和气隙距离d乘积的函数，即：,高电压工程基础,（2）气体击穿的巴申定律,对应于某一pd值，空气间隙的击穿电压最低。即Ub有极小值。,原因：为使放电达到自持，电子从阴极到阳极的整个行程中需完成足够多次数的碰撞电离。,高电压工程基础,（2）气体击穿的巴申定律,d值一定时：,p自由行程碰撞次数减少 Ub,p自由行程碰撞电离可能 Ub,因此，一定存在一个p值对碰撞电离最有利，此时Ub最小。,高电压工程基础,（2）气体击穿的巴申定律,p值一定时：,d当d值过小时，碰撞次数已减到很少 Ub,dE须增加外加电压以维持放电所需电场强度 Ub,因此，一定存在一个d值对碰撞电离最有利，此时Ub最小。,高电压工程基础,（2）气体击穿的巴申定律,由巴申定律可知，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。,巴申定律与汤逊理论的关系 前者为后者提供实验结果支持；后者为前者提供理论依据。,（3）气体密度对击穿的影响,高电压工程基础,（4）汤逊理论的不足,汤逊理论是在pd较小时在实验的基础上建立的，当pd较大时，此理论就不再适用，一些实验现象无法解释。,放电外形：按汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展，例如辉光放电，但在大气压下击穿会出现有分支的明亮细通道。,放电时间：高气压下击穿过程所需时间，实测值比理论值小10100倍。,阴极材料：按汤逊理论，击穿过程与阴极材料有关，然而在大气压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关。,高电压工程基础,主要原因：,汤逊理论没有考虑电离出来的空间电荷对电场的畸变作用。,汤逊理论没有考虑光子在放电过程中的作用（空间光电离和阴极表面光电离）。,高电压工程基础,在pd较小时这两个因素影响不显著的原因：,空间电荷是电子崩过程中气体分子电离的产物。pd越大，电离总数越多，空间电荷数越多，电荷数按指数规律增加。,pd大时，因电离总数剧增，电子及正离子的浓度很大，所以必然伴随着强烈的复合和激励过程，放出的光子数量急剧的增加。,大量空间电荷造成局部强场区，而碰撞电离系数 对电场很敏感。在强场区，由光子电离出来的电子容易形成二次电子崩。,2、pd 值较大的情况（流注理论）,（1）电子崩中空间电荷对电场的畸变作用,高电压工程基础,a图：电子崩发展过程中，电子移动速度快，正离子相对于电子可看成静止的，崩头集中电子，后部为正离子；由于电子的扩散作用，电子崩横向半径逐渐扩大形成半球头的锥体。 b图：电子崩过程中，电子数 N 呈指数增加。电子崩的电离过程集中在头部，空间电荷分布极不均匀。 c图：当电子崩发展到一定程度，其形成的空间电荷的电场大大增强。 d图：崩头和崩尾的电场增强，电子崩内正负电荷区域间电场削弱，合成电场发生明显的畸变。,高电压工程基础,电子崩头部电荷密度大，电离过程强烈，且电场分布畸变，导致崩头放射大量光子； 崩头前后电场增强，有利于分子离子发生激励现象，其从激励状态恢复正常状态时，放射出光子； 电子崩内部正负电荷区域间电场削弱，有利于发生复合过程，同样发射出光子。 光子的数量和能量取决于电场畸变的程度。当外电场较弱时，上述过程并不强烈，没有发生新的现象；当外电场达到击穿场强时，上述过程十分强烈，空间电荷数量达到一定数值时，放射出的光子数量和能量足以引起空间光电离，电子崩头部形成流注。,（1）电子崩中空间电荷对电场的畸变作用,（2）流注的形成,高电压工程基础,正流注的形成,1初始电子崩(主电子崩)；2二次电子崩；3流注,高电压工程基础,正流注的形成,外电场因素使得从阴极释放的电子向阳极运动，形成电子崩。 电子崩的过程中头部电离愈加强烈，走完整个间隙后，头部空间电荷密度非常大，大大加强了崩头尾部电场，放射大量光子。 光子引起空间光电离，新形成的光电子被主电子崩头部的正离子所吸引，在受到畸变而加强了的电场中，引起新的强烈的电子崩 (二次电子崩)。,（2）流注的形成,高电压工程基础,正流注的形成,二次电子崩头部的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），电子大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是所谓的正流注。 流注通道导电性良好，其头部又是由二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场。,（2）流注的形成,高电压工程基础,正流注的形成,流注头部的电离放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，从而延长了流注通道。 流注不断向阴极推进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展越来越快。 流注发展到阴极，整个间隙被导电良好的等离子体通道所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压。,（2）流注的形成,高电压工程基础,负流注的形成,外施电压较低（击穿电压）时，电子崩需经过整个间隙方能形成流注；电压较高时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注。 主电子崩头部的电离很强烈，光子射向头部前方，在前方产生新的电子崩，主崩头部的电子和二次崩尾的正离子形成混合通道，形成向阳极推进的流注，称为负流注。 主电子崩头部射向其后方的光子，引起光电离后形成向阴极推进的正流注。间隙中正、负流注可以同时向两极发展。,（2）流注的形成,高电压工程基础,电离室中得到的正流注发展过程的照片,（3）流注自持放电条件,高电压工程基础,流注的特点是电离强度很大和传播速度很快。流注一旦形成，放电可由自身产生的空间光电离自行维持，进入自持放电阶段，即均匀电场间隙被击穿。因此，均匀电场间隙击穿条件，即自持放电条件，即流注形成条件。 流注形成的主要因素是电子碰撞电离及空间光电离。只有电子崩头部电荷达到一定数量，空间电荷畸变电场达到一定程度，造成足够的空间光电离，才能转入流注。,（4）流注理论对放电现象的解释,高电压工程基础,放电外形 pd很大时，适用流注理论。流注中电荷密度大，电导很大，故其中的电场强度小。随着流注的发展，周围空间电场被减弱，抑制其他流注形成发展。流注放电具有细通道。 pd较小时，适用汤逊理论。电子崩电荷密度小，电场强度大，不影响周围空间电场，不影响其他电子崩的产生。汤逊放电呈连续一片。 放电时间 流注理论：光子以光速传播，流注发展速度快，放电时间特别短。,（4）流注理论对放电现象的解释,高电压工程基础,阴极材料的影响 流注理论：维持自持放电是空间光电离，不是阴极表面的电离，所以击穿电压与阴极材料基本无关。 汤逊理论：自持放电与阴极表面电离有关，击穿电压与阴极材料有关。 结论： 汤逊理论与流注理论相互补充，说明不同的放电现象。 两个理论都还很粗糙，无法精确计算具体绝缘材料的击穿电压，要通过实验方法获取。,高电压工程基础,1、稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点,稍不均匀电场中放电的特点与均匀电场中相似，在间隙击穿前看不到放电的迹象。 极不均匀电场中间隙击穿前在高场强区(曲率半径较小的电极表面附近)会出现蓝紫色晕光，称为电晕放电。刚出现电晕时的电压称为电晕起始电压。,2.4 不均匀电场中气体放电的特点,半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系,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,高电压工程基础,1、稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点,任何电极形状随着极间距离的增大都会从稍不均匀电场变为极不均匀电场。,1 击穿电压 2 电晕起始电压 3 放电不稳定区,高电压工程基础,为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数 f，表示为：,f4属极不均匀电场。,Emax ：最大电场强度,Ea ：平均电场强度,1、稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点,高电压工程基础,极不均匀电场气隙中，因间隙距离大，击穿电压主要取决于间隙距离，而与电极形状关系不大，所以常以棒棒电极或棒板电极作为研究极不均匀电场放电特性的典型电极。,棒棒电极代表对称的不均匀电场 棒板电极代表不对称的不均匀电场,高电压工程基础,2、极不均匀电场中的电晕放电,电晕放电是极不均匀电场特有的一种自持放电形式。,极不均匀电场中，间隙中的最大场强比平均场强大的多。外加电压较低时，曲率大的电极附近电场强度已足够大，可引起强烈的电离，在这局部的强场区形成放电。这种仅仅发生在强场区的局部放电称为电晕放电。 大曲率电极附近很小的区域内场强足够高，会发生电离。电离区中的复合过程和从激励恢复正常态等过程，会产生大量光辐射，形成电晕。而其他电极空间场强太小，电离无法发生。,高电压工程基础,电晕起始电压开始出现电晕时的电压； 电晕起始场强开始出现电晕时电极表面的场强。,输电线路起晕场强Ec与导线半径及空气密度有关，可由经验公式计算：,（1）电晕放电的起始电压和起始场强,式中m1 表面粗糙系数，根据不同情况，约为0.81； m2 气象系数，根据天气不同约为0.81； r 导线半径，cm； 气体的相对密度。,（皮克公式）,高电压工程基础,电晕起始电压可由Ec求得。对于离地高度为h的单向导线可写出,对于三相输电导线，上式中的Uc代表相电压，d为导线的几何均距。,对于距离为d的两根平行导线（d 远大于 r）则可写出,（2）电晕放电的效应,高电压工程基础,电晕电流具有高频脉冲性质，对无线电通讯产生干扰。随着输电电压的提高，延伸范围的扩大，线路电晕造成的信号干扰成为很严重的问题。 电晕使空气发生化学反应，产生O3 、NO、 NO2 。臭氧、氮氧化物等是强氧化剂和腐蚀剂，对气体中的固体介质和金属电极造成损伤和腐蚀。 伴随电离、复合、激励和恢复等过程，有声、光、热等效应，产生能量损耗。“嘶嘶”声，蓝紫色光，周围空气温度升高。,高电压工程基础,改进电极形状，增大电极曲率半径，如采用均压环，屏蔽环；采用扩径导线，载流量不大的场合，采用空心薄壳扩大尺寸的球面和旋转椭圆等形式电极。 在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。 对于超高压和特高压线路的分裂导线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。,降低电晕的方法：,从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。,高电压工程基础,对330kV及以上的线路应采用分裂导线，例如330，500和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。,（3）电晕放电的利用,高电压工程基础,在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减，其幅值和波前陡度降低。 操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。 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。 电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭