《高电压技术》(主编刘吉来黄瑞梅)教案1-气体绝缘.ppt

高电压技术,气体的绝缘性能,目标,掌握气体带电质点的四种电离；掌握汤逊德理论的要点和适用范围；掌握流注理论的要点和适用范围；掌握不均匀电场气隙击穿原理；了解电晕放电机理。,重点,1.四种电离型式的机理；2.汤逊德理论和流注理论的要点和各自的适用范围；3.不均匀电场气隙击穿中的极性效应原理。,难点,1.电离和气体放电机理全是微观电子运动产生的现象，传统的教学方法很难表达清楚；2.不均匀电场气隙击穿中的极性效应主要是空间电荷畸变电场的作用，比较抽象，很难理解。,带电粒子的产生,产生带电粒子的物理过程称为电离，是气体放电的首要前提。四种电离型式：碰撞电离光电离热电离表面电离,碰撞电离,电子获得加速后和气体分子碰撞，把动能传给后者，气体分子就有可能因碰撞而分裂为电子和正离子。碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关,光电离,光当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足条件即可产生光电离。导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、x射线等）提供，也可以由气体放电过程本身产生。,热电离,一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。常温下，气体分子发生热电离的概率极小。热电离可包括：随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离，高温下高能热辐射光子引起的光电离。,表面电离,阴极发射电子的过程，称为表面电离。表面电离可在下列情况下发生：a、正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极时使电子逸出金属。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。b、光电效应金属表面受到光的照射。c、强场放射（冷放射）当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。d、热电子放射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。,汤逊放电理论,气体放电伏安特性电子崩自持放电汤逊放电理论的适用范围,气体放电伏安特性,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。,电子崩,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。,电子崩,外界电离因子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。,电子崩,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。,自持放电,自持放电的形成在电场作用下，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和形成新的电子崩。,自持放电,自持放电的形成如果电压足够大，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，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。,自持放电,自持放电的条件,自持放电,自持放电示意图,汤逊放电理论的适用范围,汤逊理论是在气压较低、pd值较小条件下进行的放电实验的基础上建立起来的，是一种辉光放电现象。pd过小或过大，即在高气压（101.3kPa或更高）、长气隙的情况pd26.66kPa(200mmHg.cm下，汤逊理论将不适用。,巴申定律,巴申定律的推导巴申曲线,巴申定律,巴申定律的推导,巴申定律,巴申定律的推导由于均匀电场气隙的击穿电压Ub等于它的自持放电起始电压，上式表明均匀电场气隙的击穿电压满足下式：上式所示规律在汤逊理论提出之前就由物理学家巴申从实验中得出，称为巴申定律。,巴申定律,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。,巴申定律,巴申曲线由巴申曲线可知，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。,流注理论,流注的形成过程流注的条件流注理论的适用范围,流注的形成过程,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；在电场很小的区域，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电离辐射源。,流注的形成过程,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电离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中。,流注的形成过程,这些电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。,流注的条件,流注的特点是电离强度很大和传播速度很快，出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见这时出现流注的条件也就是自持放电的条件。流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界值。对均匀电场来说，自持放电条件为：,流注的条件,实验研究所得出的常数值为：可见初崩头部的电子数要达到108时，放电才能转为自持，出现流注。,流注理论的适用范围,流注理论可以解释场逊理论不能说明的Pd很大时的放电现象。a、放电外形：Pd很大时，放电具有通道形式。b、放电时间：pd很大时，光子以光速传播，流注发展速度极快，放电时间特别短。c、阴极材料的影响：Pd很大时，击穿电压和阴极材料基本无关，维持自持放电的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程。,局部放电,极不均匀电场的放电过程电晕放电,极不均匀电场的放电过程,极性效应在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。但后来的发展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与该电极的极性有密切的关系。极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电位符号：在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如“棒-板”气隙。在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的那个电极上的电位，如“棒-棒”气隙。,极不均匀电场的放电过程,（一）正极性如图所示，棒极带正电位时，电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和，棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子。,这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢而暂留在棒极附近。,极不均匀电场的放电过程,这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，而加强了正离子群外部空间的电场，因此当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区亦将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的。,极不均匀电场的放电过程,（二）负极性如图（a）所示：棒极负极性时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区后，虽不能再引起碰撞电离，但仍继续往板极运动。,极不均匀电场的放电过程,在图（b）中：留在棒极附近的也是大批正离子，这时它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间的电场，电场情况如图（c）所示。,极不均匀电场的放电过程,所以，当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整个气隙击穿将是不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多，完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多。,极不均匀电场的放电过程,电晕放电,电晕放电由于电场强度沿气隙的分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近空间的电场强度首先达到了起始场强E0，因而在这个局部区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电。,电晕放电,常出现的原因在雨、雪、雾天气时，导线表面会出现许多水滴，它们在强电场和重力的作用下，将克服本身的表面张力而被拉成锥形，从而使导线表面的电场发生变化，结果在较低的电压和电场强度下就会出现电晕放电。,电晕放电,电晕的现象在黑暗中可以看到该电极周围有薄薄的发光层，有些象“月晕”，电晕电极周围的电离层称为电晕层，电晕层以外电场很弱，因而不发生电离过程的空间称为外区。爆发电晕放电时，还可听到咝咝的声音，嗅到臭氧的气味，回路中电流明显增加(但绝对值仍很小)，可以测量到能量损失。,电晕放电,电晕放电的危害电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。,电晕放电,降低电晕的方法：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