高电压技术_第1-2章_气体击穿理论分析和气体间隙绝缘.ppt

高电压技术 第一 二章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘 第一节气体放电的主要形式简介第二节带电粒子的产生和消失第三节均匀电场中气体击穿的发展过程第四节不均匀电场中的气体击穿的发展过程第五节持续电压作用下气体的击穿特性第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性第七节操作冲击电压下气体的击穿特性第八节SF6和气体绝缘电气设备第九节大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正第十节提高气体介质电气强度的方法第十一节沿面放电和污闪事故 本章主要内容 第一节气体放电的主要形式简介 气体放电的概念 气体放电 气体中流通电流的各种形式 正常状态 优良的绝缘体 在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子 但这些带电粒子并不影响气体的绝缘 空气的利用 架空输电线路个相导线之间 导线与地线之间 导线与杆塔之间的绝缘 变压器相间的绝缘等 输电线路以气体作为绝缘材料 第一节气体放电的主要形式简介 变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料 第一节气体放电的主要形式简介 第一节气体放电的主要形式简介 高电压状态 电压升高 达到一定数值 气体中的带电粒子大量增加 电流增大 达到一定数值 气体失去绝缘 击穿 或闪络 击穿 纯空气隙之间 架空线相间的空气放电 闪络 气体沿着固体表面击穿 气体沿着悬挂架空线的绝缘子串放电 第一节气体放电的主要形式简介 气体放电的相关概念 击穿电压Ub或闪络电压Uf 发生击穿或闪络的最低临界电压 击穿场强Eb 均匀电场中的击穿电压 间隙距离平均击穿场强 不均匀电场中的击穿电压 间隙距离 第一节气体放电的主要形式简介 根据气体压力 电源功率 电极形状等因素的不同 击穿后气体放电可具有多种不同形式 利用放电管可以观察放电现象的变化 击穿后气体的放电形式 第一节气体放电的主要形式简介 当气体压力不大 电源功率很小 放电回路中串入很大阻抗 时 外施电压增到一定值后 回路中电流突增至明显数值 管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象 特点 放电电流密度较小 放电区域通常占据了整个电极间的空间 霓虹管中的放电就是辉光放电的例子 管中所充气体不同 发光颜色也不同 辉光放电 第一节气体放电的主要形式简介 减小外回路中的阻抗 则电流增大 电流增大到一定值后 放电通道收细 且越来越明亮 管端电压则更加降低 说明通道的电导越来越大特点 电弧通道和电极的温度都很高 电流密度极大 电路具有短路的特征 电弧放电 第一节气体放电的主要形式简介 当外回路中阻抗很大 限制了放电电流时 电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花 大气条件下 特点 具有收细的通道形式 并且放电过程不稳定 火花放电 返回 第二节带电粒子的产生和消失 带电粒子的产生和消失是气体放电的根本根源 是分析气体击穿的理论基础 正常时气体中有正负粒子存在 但对气体的绝缘状态没有影响 随着电压升高气体间隙中的带电粒子数量会迅速增加 带电粒子的运动会产生电流 掌握气体放电时 带电粒子如何产生 放电结束后 带电粒子又如何消失 第二节带电粒子的产生和消失 原子的激励和电离 原子的能级 原子的结构可用行星系模型描述 原子能量大小的衡量 原子的激励 激励 激发 原子在外界因素 电场 高温等 的作用下 吸收外界能量使其内部能量增加 原子核外的电子将从离原子核较近的轨道上跳到离原子核较远的轨道上去的过程 激励能 We 产生激励所需的能量 等于该轨道和常态轨道的能级差 注意激励状态存在的时间很短 10 7 10 8s 电子将自动返回到常态轨道上去 原子的激励过程不会产生带电粒子 第二节带电粒子的产生和消失 原子的电离 电离 在外界因素作用下 其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程 电离能 Wi 使稳态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需要的最小能量 电子伏eV 1eV 1V 1 6 10 19C 1 6 10 19J 焦耳 1V电压 qe 电子的电荷 库伦 注意原子的电离过程产生带电粒子 第二节带电粒子的产生和消失 表1 1某些气体的激励能和电离能 第二节带电粒子的产生和消失 原子的激励与电离的关系 原子发生电离产生带电粒子的两种情况 原子吸收了一定的能量 但能量不太高 发生激励 跳到更远的轨道 再次吸收能量 发生电离 产生带电粒子 原子吸收直接吸收了足够的能量 发生电离 产生带电粒子 原子的激励过程不产生带电粒子 原子的电离过程产生带电粒子 激励过程可能是电离过程的基础 激励 电离 直接电离 第二节带电粒子的产生和消失 气体中带电粒子的产生 电离所获能量形式不同 带电粒子产生的形式不同 光电离 光电离 光辐射引起的气体分子的电离过程 发生光电离的条件式中 h 普郎克常数 光子的频率 Wi 气体的电离能 eV c 光速 3 108m s 光的波长 m 光子能量W h 注意可见光都不可能使气体直接发生光电离 只有波长短的高能辐射线 例如X射线 射线等 才能使气体发生光电离 第二节带电粒子的产生和消失 碰撞电离 碰撞电离 由于质点碰撞所引起的电离过程 主要是电子碰撞电离 电子在电场强度为E的电场中移过x距离时所获得的动能为 式中 m 电子的质量 qe 电子的电荷量 若W等于或大于气体分子的电离能Wi 该电子就有足够的能量去完成碰撞电离 发生碰撞电离的条件 第二节带电粒子的产生和消失 电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离 式中 Ui为气体的电离电位 在数值上与以eV为单位的Wi相等 xi的大小取决与场强E 增大气体中的场强将使xi值减小 可见提高外加电场将使碰撞电离的概率和强度增大 注意碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式 主要的碰撞电离均有电子完成 离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多 所以在分析气体放电发展过程时 往往只考虑电子所引起的碰撞电离 第二节带电粒子的产生和消失 热电离 热电离 因气体热状态引起的电离过程 发生热电离的条件式中 k 波尔茨曼常数 k 1 38 10 23J K Wi 气体的电离能 eV T 绝对温度 K 注意分子热运动所固有的动能不足以产生碰撞电离 20oC时 气体分子平均动能约0 038eV 热电离起始温度为103K 727oC 在一定热状态下物质会发出辐射 热辐射光子能量大 会引起光电离 绝对温度和摄氏温度的关系 T绝对 273 T摄氏 第二节带电粒子的产生和消失 热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合例如 发生电弧放电时 气体温度可达数千度 气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离 第二节带电粒子的产生和消失 电极表面电离 阴极表面电离 电极表面电离 电子从金属电极 阴极 表面逸出的过程 逸出功 电子从金属表面逸出所需的能量 逸出功 与表1 1相比较 可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得多 表明金属表面电离比气体空间电离更易发生 阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用 第二节带电粒子的产生和消失 电极表面电离按外加能量形式的不同 可分为四种形式 正离子碰撞阴极时把能量 主要是势能 传递给金属极板中的电子 使其逸出金属正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子逸出的电子有一个和正离子结合成为原子 其余成为自由电子 高能辐射先照射阴极时 会引起光电子发射 其条件是光子的能量应大于金属的逸出功 同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多 正离子撞击阴极表面 光电子发射 光电效应 第二节带电粒子的产生和消失 当阴极被加热到很高温度时 其中的电子获得巨大动能 逸出金属表面在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射 当阴极表面附近空间存在很强的电场时 106V cm数量级 能使阴极发射电子 常态下作用气隙击穿完全不受影响 在高气压 压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用 真空中更起着决定性作用 热电子发射 强场发射 冷发射 第二节带电粒子的产生和消失 负离子的形成 自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果 电子碰撞中性的分子或原子 发生电离 产生自由电子 情况一 电子碰撞中性的分子或原子 能量不足 撞击后反弹回来 未产生自由电子 情况二 电子碰撞中性的分子或原子 没发生电离 也没被反弹回来 被中性的分子捕捉 成为自己的束缚电子 情况三 形成了负离子 第二节带电粒子的产生和消失 附着 自由电子与气体分子碰撞时 发生电子与中性分子相结合而形成负离子的过程 形成负离子时可释放出能量有些气体容易形成负离子 称为电负性气体 如氧 氟 氯等 SF6 绝缘性是空气的3倍 灭弧性是空气的100倍 负离子的形成起着阻碍放电的作用 负离子形成过程的特点 第二节带电粒子的产生和消失 带电粒子在气体中的运动 自由行程长度 带电粒子的运动轨迹 当气体中存在电场时 带电粒子将具有复杂的运动轨迹 混乱热运动 沿着电场作定向漂移 自由行程长度 带电粒子与气体分子发生第一次碰撞到第二次碰撞所移动的距离 两次碰撞中未再发生任何碰撞 第二节带电粒子的产生和消失 平均自由行程长度 平均自由行程长度 带电粒子单位行程中的碰撞次数Z的倒数 实际的自由行程长度是随机量 有很大的分散性 任意带电粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与分子的半径和密度有关 粒子的实际自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为 注意 由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多 所以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多 第二节带电粒子的产生和消失 又由式中 p 气压 Pa T 气温 K k 波尔茨曼常数 k 1 38 10 23J K 由气体动力学可知 电子的平均自由行程长度式中 r 气体分子半径 N 气体分子密度 平均自由行程长度与温度成正比 温度越高气体发散 粒子间距离较远 e越大平均自由行程长度与气压成反比 气压越高 气体分子被得越紧 粒子间距离较近 e越小 第二节带电粒子的产生和消失 带电粒子的迁移率 带电粒子的迁移率k 带电粒子在单位场强 1V m 下沿电场方向的漂移速度 式中 v 带电粒子的速度 E 电场强度 注意由于电子的平均自由行程长度比离子大得多 而电子的质量比离子小得多 更易加速 所以电子的迁移率远大于离子 一般电子迁移率比离子迁移率大两个数量级 第二节带电粒子的产生和消失 扩散 扩散 在热运动的过程中 粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域 从而使每种粒子的浓度分布均匀化的物理过程 气压越低 温度越高 扩散进行的越快 电子的热运动速度大 自由行程长度大 其扩散速度也要比离子快得多 扩散的特点 第二节带电粒子的产生和消失 带电粒子消失 带电粒子产生和消失的关系 带电粒子产生和消失是同时发生的过程 若产生的带电粒子大于消失的带电粒子 则会促进气体放电过程 若产生的带电粒子等于消失的带电粒子 则会促进气体就处于稳定状态 若产生的带电粒子小于消失的带电粒子 则会阻碍气体放电过程 第二节带电粒子的产生和消失 带电粒子消失的形式 带电粒子在电场的驱动下作定向运动 在到达电极时 消失于电极上而形成外电路中的电流 带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间 扩散的实质 某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域 扩散到浓度比较低的区域 使得原区域的带电粒子数减少 带电粒子的扩散是由于热运动造成 带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律相似气体中带电粒子的扩散和气体状态有关 气体压力越高或者温度越低 扩散过程也就越弱电子质量远小于离子 所以电子的热运动速度高 它在热运动中受到的碰撞也少 因此 电子的扩散过程比离子的要强 第二节带电粒子的产生和消失 带电粒子的复合 复合 气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的传递与中和 还原为分子的过程 是与电离相反的一种过程 电子复合 电子和正离子发生复合 产生一个中性分子离子复合 正离子和负离子发生复合 产生两个中性分子带电粒子的复合过程中会发生光辐射 这种光辐射在一定条件下又成为导致电离的因素参与复合的粒子的相对速度越大 复合概率越小 通常放电过程中离子间的复合更为重要带电粒子浓度越大 复合速度越大 强烈的电离区也是强烈的复合区 第二节带电粒子的产生和消失 返回 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 掌握非自持放电过程和自持放电过程的概念 汤逊气体放电理论的要点和适用范围 流注气体放电理论的要点和适用范围 气体的击穿过程与电场分布有很大关系 均匀电场和不均匀电场下气体的击穿过程有很大的不同 均匀电场 电场中任一点的电场强度均相同 不均匀电场 电场中任一点的电场强度均不相同 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 非自持放电和自持放电 非自持放电 去掉外电离因素的作用后放电随即停止 自持放电 不需要外界因素 仅由电场作用而维持的放电过程 非自持放电和自持放电的概念 非自持放电和自持放电的过程 测定气体间隙中电流变化的实验装置通过调节电阻 测量回路电流随电压变化的情况 气体间隙中电流的变化反映放电过程 加电场前 外电离因素 光照射 在极板间产生带电粒子 但带电粒子制作杂乱无章的热运动 不产生电流 加电场后 带电粒子沿电场方向定向移动 形成电流 随着电压升高 带电粒子运动速度加快 使到达极板的带电粒子数量和速度不断增大 电流也随之增大 oa段随着电压升高 电流增大 到达极板的带电粒子数量和速度也随之增大 均匀电场中气体的伏安特性 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析 I0 Ua Ub Uc U I 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 均匀电场中气体的伏安特性 ab段电流趋于饱和 由外电离因素产生的带电粒子已全部进入电极 电流I0大小取决于外电离因素与电压无关 外电离因素 光照射 的强度一定的情况下 单位时间内产生的带电粒子数量是一定的 由此产生的电流也是一定 I0 饱和电流 I0 Ua Ub Uc U I 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 均匀电场中气体的伏安特性 bc段电流又再随电压的增大而增大 发生电子碰撞电离 I0 Ua Ub Uc U I 电压升高 气体间的带电粒子运动速度加快 带电粒子能量 动能 增加 当能量大于极板间空气中原子的电离能 电子碰撞电离 产生大量带电粒子 电流急速增加 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 均匀电场中气体的伏安特性 c点U Uc 电流急剧增大 气体间隙被击穿进入导电状态 自持放电 不再需要任何外界因素 光照射 外加电源 c点处的临界电压Uc就是击穿电压Ub 当电压达到Uc后气体即被击穿 由原来的绝缘体变成了导体 I0 Ua Ub Uc U I 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 均匀电场中气体的伏安特性 I0 Ua Ub Uc U I 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析 当产生的电流I Ic 非自持放电区 当产生的电流I Ic 自持放电区 当施加的电压U Uc 气体保持绝缘 当施加的电压U Uc 气体被击穿 Ic 自持放电区 非自持放电区 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 二 汤逊放电理论 20世纪初 汤逊根据大量的试验研究结果 提出了适用于均匀电场 低气压 短气隙时气体放电理论理论认为 电子的碰撞电离 过程 和正离子撞击阴极造成的表面电离 过程 起主要作用提出气隙放电电流和击穿电压的计算公式 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 过程 电子崩过程 电子崩的形成过程 由外电离因素产生一个初始电子 电子数目迅速增加 如同冰山上发生雪崩一样 形成了电子崩 产生正离子和自由电子 原来的电子和新产生的电子继续移动 不断发生电子碰撞电离 电场力作用下 电子沿电场做定向移动 与中性粒子发生电子碰撞 中性粒子发生电离 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 电子崩的形状 崩头大 崩尾小 电子发生电子碰撞后 电子的速度快 所以会大量的集中在崩头 正离子移动速度较慢 所以缓慢的移向崩尾 电子崩 电子数按几何级数不断增多 像雪崩似的发展 从而形成的急剧增大的空间电子流 崩头 崩尾 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 过程引起的电流 电子碰撞电离系数 表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数平均值 即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数 注意 必须是电子发生碰撞且电离的次数 若电子只发生了碰撞没有导致电离则不能计入 中 的定义 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 电子增长规律 n0个电子行进x距离产生的电子数n 令x d 抵达阳极电子数na 过程的分析 电子崩的计算 设 在外电离因素光辐射的作用下 单位时间内阴极单位面积产生n0个电子 由于碰撞电离和电子崩得作用下 在距离阴极x处 电子数增至n个 在dx段上产生的新电子dndn n dx 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 令x d 进入阳极的电流 外回路电流 若I0 0 则I 0 既若去掉外界电离因素 气隙中电流为0 气体放电停止 过程的分析 电子崩的计算 途中新增的电子数或正离子数 n 电子电流增长规律将式两边乘以电子电荷qe式中 I0 初始电子引起的初始电流 结论 若只有 过程 气体放电是不能自持的 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 的分析 假设电子的平均自由行程为 e 运动1cm碰撞次数为1 e 但并不是每次碰撞都引起电离 碰撞引起电离的概率为 xi为电子造成碰撞电离而必须飞跃的最小距离 根据 定义有 式中 A B 与气体种类有关的常数 E 电场强度 P 气体压力 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 由式 可得结论 电场强度E增大 则 增大 气体压力P很大 电子的平均自由行程 e很小 或者气体压力P很小 电子的平均自由行程 e很大 时 值都很小 既在高气压或高真空的条件下 气体间隙不易发生放电现象 具有较高的电气强度 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 过程 正离子表面电离系数 表示一个正离子沿电场方向由阳极向阴极运动 撞击阴极表面产生表面电离的电子数 正离子向阴极移动 依靠它所具有的动能及位能 在撞击阴极时能引起表面电离 使阴极释放出自由电子 的概念 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 过程和 过程引起的电流 设阴极表面单位时间内发射的电子数为nc nc 外电离因素产生的电子数 n0 前一秒钟产生出来的正离子在阴极上造成的二次电子发射所产生的电子数 nc e d 1 nc个电子到达阳极后 产生总电子数为 na nce d 产生的新正离子数为 nce d nc 正离子撞击阴极表面产生的电子数为 nc e d 1 每产生一个自由电子的同时 会产生一个正离子 产生的新电子数为 nce d nc 正离子沿电场运动 撞击阴极造成二次电子发射 二次电子发射的形成过程 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 进入阳极的电流 外回路电流 将上式两边乘以电子电荷qe若 0 则I I0e d 即只有 过程 若 当I0 0时 I 0若 当I0 0时 I 0 nc个电子行进d距离产生的电子数na已知nc n0 nc e d 1 na nce d 过程 过程的分析 结论 若1 e d 1 0 即使I0 0 除去外界的电离因素 放电能维持下去 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 汤逊理论的均匀电场中的电压 汤逊理论的自持放电条件 物理意义 一个电子从阴极到阳极途中因电子崩 过程 而造成的正离子数为e d 1 这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数 过程 应为 e d 1 如果它等于1 就意味着那个初始电子有了一个后继电子 从而使放电得以自持 e d 1 1 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 当自持放电条件得到满足时 就会形成图解中闭环部分所示的循环不息的状态 放电就能自己维持下去 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 击穿电压 巴申定律 起始电压U0 放电由非自持转为自持时的电压 均匀电场中 起始电压U0 击穿电压Ub 将 计算式代入自持放电条件 并且考虑均匀电场中自持放电的起始场强得 结论 均匀电场中气体的击穿电压Ub是气压和电极间距离的乘积 pd 的函数 均匀电场击穿电压的推导 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 巴申定律 巴申实验曲线 击穿电压与pd的规律在汤逊碰撞电离学说提出之前 巴申已从实验中总结出来了 汤逊理论从理论上解释了试验结果 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 巴申定律 从曲线可以看出 存在一个最小值 此时击穿电压最低假设d不变 当气压很小时 气体稀薄 虽然电子自由程大 可以得到足够的动能 但碰撞总数小 所以击穿电压升高当气体增大时 电子自由程变小 得到的动能减小 所以击穿电压升高 总有一个气压对碰撞电离最有利 此时击穿电压最小 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 汤逊理论的适用范围 适用范围 均匀场 低气压 短气隙 pd 36 66kPa cm 20mmHg cm 局限性 pd较大时 解释现象与实际不符 放电外形汤逊理论解释 放电外形均匀 如辉光放电 pd大时的实际现象 外形不均匀 有细小分支 放电时间 Tpd大 T汤逊击穿电压 Ub pd大 Ub 汤逊阴极材料影响汤逊理论解释 阴极材料对放电有影响 过程 pd大时的实际现象 阴极材料对放电无影响 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 三 气体击穿的流注放电理论 对象 工程上感兴趣的压力较高的气体击穿 比如雷电放电并不存在金属电极 因而与阴极上的 过程和二次电子发射根本无关 特点 认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素 并强调了空间电荷畸变电场 使原来均匀的电场变成了不均匀电场 的作用放电过程 电子崩阶段 流注阶段 气体击穿 电离形成二次电子崩 等离子体 空间电荷畸变外电场 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 流注理论中的电子崩过程 电子崩外形 电子崩外形好似球头的锥体 空间电荷分布极不均匀 电子崩中的电子数 n e x 例如 正常大气条件下 若E 30kV cm 则 11cm 1 计算随着电子崩向阳极推进 崩头中的电子数 电子崩中空间电荷的浓度分布 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 空间电荷对原有电场的影响 x 空间电荷的电场 合成电场 电子崩 均匀电场E0 电子崩头部电场明显增强 电离过程强烈 有利于发生分子和离子的激励现象 当它们回复到正常状态时 发射出光子 崩头内部正负电荷区域电场大大削弱 但电子和正离子浓度却是最大 有助于发生复合过程 发射出光子 大大加强了崩头及崩尾的电场 削弱了崩头内正 负电荷区域之间的电场 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 流注的形成 流注 电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区 二次电子崩 以及它们不断汇入初崩通道的过程 1 主电子崩2 二次电子崩 二次电子崩的形成 主崩走完整个间隙后 大密度的头部正离子空间电荷大大加强了后部的电场 并向周围放射出大量光子光子引起空间光电离 其中电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引 在畸变而加强了的电场中 造成了新的电子崩 称为二次电子崩 光子 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 正流注 条件 当外加电压 击穿电压 二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区 电场强度较小 大多形成负离子 大量的正 负带电质点构成了等离子体 这就是正流注 正流注体的形成 1 主电子崩 2 二次电子崩 3 流注 流注通道导电性良好 其头部又是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 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 正流注向阴极推进 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 延长了流注通道流注不断向阴极挺进 且随着流注接近阴极 其头部电场越来越强 因而其发展也越来越快流注发展到阴极 间隙被导电良好的等离子通道所贯通 间隙的击穿完成 这个电压就是击穿电压 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 负流注 1 主电子崩 2 二次电子崩 3 流注 条件 当外加电压 击穿电压 电压较低时 电子崩需经过整个间隙才能积聚到足够的电子数形成流注 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 光子射到主崩前方 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 称为负流注间隙中的正 负流注可以同时向两极发展 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 试验测量结果 电子崩 在电离室中得到的初始电子崩照片图a和图b的时间间隔为1 10 7秒 初始电子崩转变为流注瞬间照片 电子崩在空气中的发展速度约为1 25 107cm s 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 试验测量结果 正流注 在电离室中得到的阳极流注发展过程的照片正流注的发展速度约为1 108 2 108cm s 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 试验测量结果表明 电子崩是沿着电力线直线发展 流注会出现曲折的分支电子崩可以同时有多个互不影响地向前发展汤逊放电是弥散的一片 流注放电有明亮的细通道 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 流注理论击穿过程的总结 由阳极向阴极 正流注 或由阴极向阳极 负流注 击穿 强电场作用下 发生碰撞电离 畸变电场 发射光子 流注高速的向电极挺进 电子崩 气隙间有效电子 形成等离子通道 流注 产生新电子崩 二次崩 二次崩不断汇入主崩 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 流注理论在均匀电场中的自持放电条件 流注形成的条件就是自持放电条件 初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值既 e d 常数或 d 常数 e d为电子崩头部的电子数 实验所得初崩头部的电子数要达到108时 放电才能转为自持 一旦形成流注 放电就进入了新的阶段 放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持 即转入自持放电 如果电场均匀 间隙就将被击穿 所以流注形成的条件就是自持放电条件 在均匀电场中也就是导致击穿的条件 流注形成的条件 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 流注理论对pd较大时放电现象的解释 放电外形 现象 pd较大时 放电不均匀 有分支 有细小的通道解释 二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性 所以火花通道常是曲折的 并带有分枝 放电时间 现象 放电时间极短解释 光子以光速传播 所以流注发展速度极快 这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象 阴极材料的影响 现象 放电与阴极材料无关解释 pd很大时 维持放电自持的是空间光电离 而不是阴极表面的电离过程 第三节均匀电场中气体击穿的发展过程 返回 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 教材P14 一 稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征 均匀电场 放电达到自持 间隙立即被击穿 击穿前看不到放电迹象平板电极 稍不均匀电场 放电特性与均匀电场相似 一旦出现自持放电便一定立即导致整个气隙击穿 测高电压的球隙 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 极不均匀电场 特有两大特征电晕放电 极不均匀电场所特有的一种自持放电形式 极性效应 放电过程与电极的极性有关 典型的极不均与电场棒 棒 针 针 棒 板 针 板 式中 Emax 最大电场强度 Eav 平均电场强度 电场不均匀系数f 引入电场不均匀系数f表示各种结构的电场的均匀程度 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 二 极不均匀电场中的电晕放电 电晕放电的一般描述 电晕放电 极不均匀电场所特有的一种自持放电现象 电晕放电的概念 发生电晕放电现象的条件 电场极不均匀时 曲率大的电极附近很小范围内 已达相当数值时 间隙中大部分区域值 都仍然很小 放电达到自持放电后 间隙没有击穿电场越不均匀 击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大电晕放电由于局部强场区的放电过程造成 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 电晕放电的效应 电晕放电的表现 咝咝的声音 臭氧的气味 电极附近空间蓝色的晕光 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 化学反应产生新物质 O3 NO NO2 回路电流明显增加 绝对值仍很小 可以测量到能量损失 产生高频脉冲电流 电压达到一定值 电晕电流为无规律的重复电流脉冲电压升高 脉冲特性愈来愈不显著 电晕电流转变为持续电流电压继续升高 出现幅值大得多的不规则的流注型电晕电流脉冲 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 电晕起始电压和电晕起始场强 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 电晕起始电压由于它的影响因素很多 通常利用实验的方法求取 然后推倒出相应计算电晕起始场强的经验公式 电晕起始场强的求取 皮克公式 以输电线路为例式中m 导线表面粗糙系数 光滑导线的m 1 绞线的m 0 8 0 9 空气相对密度 r 导线半径 cm 注意 在雨 雪 雾等坏天气时 导线表面的水滴使导线表面电场发生变化 降低了电晕起始电压和起始场强 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 电晕放电的两种形式 电子崩形式起晕电极曲率很大时 放电初期 电晕层很薄且比较均匀 放电电流稳定 自持放电采用汤逊放电形式 放电达到自持时 在整个间隙中部巳达到相当数值 这时和均匀电场中情况类似 流注形式升高电压 电晕层扩大 个别电子崩 流注再电压升高 个别流注强烈发展 出现刷状放电继续升高电压 流注贯穿间隙 击穿 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 电晕放电的利弊 不利影响 发光 发热 损失能量 使空气发生化学反应 产生O3 NO NO2等 引起腐蚀作用 O3是强氧化剂 NO NO2遇到水气会形成硝酸和亚硝酸 从而会对电力设备引起腐蚀作用脉冲现象产生高频电磁波 干扰通讯和测量 还可能产生超过环保标准的噪声 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 有利方面 电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度 雷击线路 引起线路上发生电晕 电晕导致发光 发热 损失雷电冲击电压的能量 减小设备上的雷电过电压 有利于保护设备绝缘 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 工业应用除菌及清鲜空气利用空气中电晕放电 控制产生一定浓度臭氧 强氧化剂 达到杀菌及清洁空气的作用 目前消毒柜和空调中所谓的等离子体空气清新技术 污水处理利用电晕放电的高频脉冲高压产生高浓度臭氧 与污水作用能够分解污水中的有机物 去除臭气 实现污水的处理烟气处理利用电晕放电的高功率脉冲形成高能活性离子 可以实现工厂烟气的脱硫脱硝 净化排污 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 三 极不均匀电场的放电过程 极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应 既放电的发展过程 气息的电气强度 击穿电压等都与电极的极性有关 极性的确定极性由表面电场较强的电极所决定两个电极几何形状不同的场合极性取决于曲率半径较小的电极的电位符号 棒 板 间隙取决于棒电极电位 几何形状相同 棒 棒 间隙 取决于不接地的那个电极上的电位 理论基础短间隙 流注理论长间隙 先导放电 雷电放电 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 短间隙极不均匀电场中的放电过程 棒 板间隙 正极性 正棒 负板 非自持放电阶段棒极附近强场区域内形成电子崩 电子崩头部的电子被棒极中和 在棒极附近空间留下许多正离子 积聚起的正空间电荷 减少了紧贴棒极附近的电场 而略微加强了外部空间的电场 棒极附近难以造成流注 使得自持放电 即电晕放电难以形成 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 流注发展阶段电子崩进入棒电极 正电荷留在棒尖加强了前方 板极方向 的电场 电场的加强对形成流注发展有利 头部前方产生新电子崩 吸引入流注头部正电荷区内 加强并延长流注通道 流注及其头部的正电荷使强电场区向前移 促进流注通道进一步发展 逐渐向阴极推进 形成正流注 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 正空间电荷 正极性 削弱棒极附近电场 棒极附近难以形成流注 起始电晕电压高 加强了正空间电荷外部朝向板极的电场 有利于流注向间隙深处发展 故其击穿电压低 正空间电荷积聚 削弱了电离 积聚的正空间电荷在间隙深处加强电场 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 负极性 负棒 正板 非自持放电阶段电子崩中电子离开强电场区后 难以再引起电离 正离子逐渐向棒极运动 在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷 使电场畸变棒极附近的电场得到增强 因而自待放电条件就易于得到满足 易于转入流注而形成电晕放电 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 流注发展阶段电子崩由强场区向弱场区发展 对电子崩发展不利 棒极前的正电荷区消弱了前方 阳极方向 空间的电场 使流注发展不利等离子体层前方电场足够强后 发展新电子崩 形成了大量二次电子崩 汇集起来后使得等离子体层向阳极推进 形成负流注 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 正空间电荷 负极性 加强棒极附近电场 棒极附近易于形成流注 起始电晕电压低 削弱了正空间电荷外部朝向板极的电场 不利于流注向间隙深处发展 放电发展困难 故其击穿电压高 正空间电荷积聚 加强了电离 积聚的正空间电荷在间隙深处减弱电场 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 结论 在相同气隙下 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 放电进一步发展 外电压较低时 流注通道深入间隙一段距离后 就停止不前了 形成电晕放电或刷状放电外电压足够高时 流注通道将一直达到另一电极 从而导致间隙完全击穿 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 长间隙极不均匀电场中的放电过程 棒 板间隙 正棒 负板间隙中先导通道的发展 先导和其头部的流注 流注头部电子崩的形成 由流注转变为先导和形成流注 流注头部电子崩的形成 间隙距离较长时 如棒 板间隙远离大于1米时 在流注通道还不足于贯通整个间隙的电压下 仍可能发展起击穿过程 流注通道发展到足够的长度后 将有较多的电子循通道流向电极 通过通道根部的电子最多 于是流注根部温度升高 出现热电离过程 这个具有热电离过程的通道称为先导通道 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 正先导 流注根部温度升高 热电离过程 先导通道 电离加强 更为明亮 电导增大 轴向场强更低 发展速度更快 长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 负棒 正板 正空间电荷大大加强棒极附近原已很强的电场 该区域发生强烈的电离 高场强和大电流密度 使棒极附近产生热电离 形成负先导负空间电荷在通道前端形成反向电场 电场屏蔽 屏蔽减弱后 又发展新负流注 新负先导 接着 重复第一阶段的过程 使先导通道又向前推进一段 在长间隙中 这样的过程可能重复多次 使负先导通道的前进具有分级的特性 前伸的平均速度是正先导的1 5 1 3 负先导 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 主放电过程 当先导通道头部发展到接近对面电极时 将发生十分强烈的放电过程 这个过程将沿着先导通道以一定速度向反方向扩展到棒极 这个过程称为主放电过程 主放电过程使贯穿两极间的通道成为温度很高 电导很大 轴向场强很小的等离子体火花通道 如电源功率足够 则转为电弧通道 从而使气隙完全失去了绝缘性能 气隙被击穿 1 主放电通道2 主放电和先导通道的交界区3 先导通道 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 返回 第五节持续电压作用下气体的击穿特性 教材P31 气体击穿电压与电场分布有关均匀 稍不均匀 极不均匀气体击穿电压与电压形式有关直流 交流 雷电冲击 操作冲击气体击穿电压与气体种类有关空气 电负性气体气体击穿电压与气体状态有关气体的气压 温度 湿度 海拔高度 影响气体间隙击穿电压的主要因素 第五节持续电压作用下气体的击穿特性 一 均匀电场中的击穿电压 特点 通常只有间隙不大时的击穿电压实验数据 间隙过大 距离过长 电场便不再是均匀电场击穿电压和电极极性无关 无极性效应 直流 工频击穿电压 峰值 以及50 冲击击穿电压都相同 分散性很小 经验公式 击穿电压峰值平均击穿场强式中 d 极间距离 空气相对密度 Ub随着d的增大而显著增加 Eb基本不变 但随着d过大 电场的均匀强度减弱 则Eb会稍稍下降 在d 1 10cm的范围内 其击穿场强约30kV cm 击穿电压与极间距离的关系 第五节持续电压作用下气体的击穿特性 二 稍不均匀电场中的击穿电压 特点 击穿前不能形成稳定的电晕放电 电场不对称时 有极性效应 不很明显 直流 工频下的击穿电压 幅值 以及50 冲击击穿电压相同 分散性不大 击穿电压和电场均匀程度关系极大 电场越均匀 同样间隙距离下的击穿电压就越高 典型电极球 球间隙 球 板间隙 圆柱 板 同轴圆柱间隙 第五节持续电压作用下气体的击穿特性 球 球间隙 击穿电压影响因数 极性效应d D 4 电场均匀 击穿电压分散性小 无极性效应 D D 4 大地对电场的畸变作用使间隙电场分布不对称 击穿电压分散性大 电场最强的电极为负极性时的击穿电压略低于正极性时的数值 电场均匀程度影响 同一间隙距离下 球电极直径越大 击穿电压也越高 第五节持续电压作用下气体的击穿特性 三 极不均匀电场中的击穿电压 特点 影响击穿电压的主要因素是间隙距离短气隙 流注理论 长气隙 先导放电选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究棒 尖 板 电场分布不对称棒 尖 棒 尖 电场分布对称根据典型电极的击穿电压数据来估计绝缘距离直流 工频及冲击击穿电压间的差别比较明显 分散性较大 第五节持续电压作用下气体的击穿特性 直流电压下的击穿电压 具有明显的极性效应负极性的击穿电压 正极性的击穿电压棒 棒电极间的击穿电压介于极性不同的棒 板电极之间极间距离不大时的击穿场强正棒 负板 7 5kV cm负棒 正板 20kV cm极间距离很大时的击穿场强正棒 负板 4 5kV cm负棒 正板 10kV cm 第五节持续电压作用下气体的击穿特性 工频电压下的击穿电压 击穿在棒的极性为正 电压达到幅值时发生间隙距离小于2 5cm 击穿电压和距离近似直线关系平均击穿场强 幅值 棒 棒间隙为5 36kV cm 棒 板间隙为4 8kV cm 饱和现象 距离加大 平均击穿场强明显降低 棒 板间隙尤为严重 第五节持续电压作用下气体的击穿特性 返回 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 教材P18 P35 一 雷电冲击电压的标准波形 非周期性双指数衰减波 参数 波前时间 T1 1 2 s 30 反应上升速度 半峰值时间 T2 50 s 20 反应下降速度 标准波形通用写法 1 2 50 s 标准雷电冲击电压波 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 标准雷电截波 参数 波前时间 T1 1 2 s 30 反应上升速度 半峰值时间 T2 2 5 s 反应下降速度 标准波形通用写法 1 2 2 5 s 注意 雷电电压具有冲击性 上升速度和下降速度都非常快 二 放电时间 教材P18 气隙击穿的必备条件 足够大的电场强度或足够高的电压 在气隙中存在有效电子 有效电子 引起电子崩并导致流柱和主放电需要有一定的时间 让放电得以逐步发展并完成击穿 持续电压 直流 工频电压 电压的变化速度很小 相比之下放电发展所需时间可以忽略不计 当气体状态不变时 一定距离的间隙的击穿电压具有确定的数值 非持续电压下 雷电 操作冲击电压 因为电压波来去速度很快 放电发展速度就不能忽略不计了 间隙的击穿电压与作用电压的波形 即作用时间 有很大关系 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 气隙放电时间的构成 概念 静态击穿电压 长时间作用在气隙上能使气隙击穿的电压 仅为必要条件 要使间隙击穿 必须使该电压持续作用一段时间击穿时间 放电时间 从开始加压的瞬间起到气隙完全被击穿的时间 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 构成 第一阶段升压时间t1 0 Us静态击穿电压 击穿过程可能并未开始对于持续电压 直流 工频电压 此阶段电压升到Us 气隙即及被击穿 非持续电压下 雷电 操作冲击电压 由于t1非常短 即使电压升到Us 气隙也不一定被击穿 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 第二阶段统计时延ts Us 出现第一个有效电子 击穿过程开始 具有统计性由于有效电子的出现是一个随机事件 取决于很多偶然因素 所以ts具有分散性 ts每次都不一样 要确定ts就要记录多个时间值进行统计 故称为统计时延 ts 平均值 的影响因数 电极材料 外加电压 短波光照射 电场情况 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 第三阶段放电形成时延tf 出现第一个有效电子 气隙被击穿 具有统计性对于汤逊理论 过程 过程 气隙被击穿 对于流注理论 电子碰撞电离 流注的形成 气隙被击穿tf的影响因数 间隙长度 电场均匀度 外加电压 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 放电时间构成的总结 总放电时间tbtb t1 ts tf 统计性 放电时延tlagtlag ts tf 统计性 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 三 雷电冲击50 击穿电压 U50 50 冲击击穿电压 击穿百分比为50 的击穿电压 由于放电时延和放电时间均具有统计分散性 多次重复施加电压时可能有几次击穿而另几次没击穿 随着电压的提高 发生击穿的百分比将越来越大 直到每次施加电压都击穿 工程实际中广泛采用击穿百分比为50 时的电压U50 来表征气隙的冲击击穿特性 在实际中施加10次电压有4 6次击穿 就可认为这一电压为气隙的U50 冲击击穿电压 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 雷电冲击电压下均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 击穿电压分散性小 U50 和Us相差很小 冲击系数 均匀电场 稍不均匀电场 1 雷电冲击电压下极不均匀电场的击穿特性 放电时延tlag比较长 击穿电压分散性大 U50 和Us相差很大 极不均匀电场 1 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 四 伏秒特性 伏秒特性曲线 同一波形 不同幅值的冲击电压作用下 间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线 概念 由于气隙的击穿存在时延现象 所以其冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示 这种在 电压 时间 平面上形成的曲线 通常成为伏秒特性 它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 伏秒特性的制定方法 用实验方法求取 保持冲击电压波形不变 逐渐提高冲击电压的峰值 电压较低 放电时间长 击穿发生在波尾 图中1 2 电压较高 放电时间短 击穿发生在波头 图中3 将1 2 3点连接完成伏秒特性曲线 纵坐标 冲击电压幅值 横坐标 放电时间 纵坐标 冲击电压瞬时值 横坐标 放电时间 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 实际曲线由于放电时间具有分散性 于是每一级电压下可得一系列放电时间 所以实际上伏秒特性是以上 下包线为界的带状区域 注意 工程上 常采用将平均放电时间各点相连所得的平均伏秒特性或50 伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿电压 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 电场均匀程度对曲线的影响 均匀或稍不均匀电场形状 曲线较为平坦 原因 由于击穿时平均场强较高 流注发展较快 放电时延很短 极不均匀电场形状 曲线较陡 原因 由于击穿时平均场强较低 而且流注总是从强场区向弱场区发展 放电速度受到电场分布影响 所以放电时延长 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 伏秒特性的用途 主要用于比较不同设备绝缘的冲击特性 即用于绝缘配合 S1 被保护设备的伏秒特性曲线S2 保护设备的伏秒特性曲线 总结 为了使被保护设备得到可靠的保护 被保护设备绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线 问题 S1是 伏秒特性曲线 S2是 伏秒特性曲线 A保护设备 B被保护设备 这二者无法进行有效的绝缘配合 第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 极不均匀电场中U50 雷电冲击电压的击穿特性 教材P35 棒 板间隙有明显的极性效应