第2-3讲 气体电介质的绝缘特性(一)

1、高电压工程系 李黎 2 第第2 2讲讲 1 1 气体电介质的绝缘特性（一）气体电介质的绝缘特性（一） 3 1.1 1.1 气体中带电粒子的产生和消失气体中带电粒子的产生和消失 在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程 n气隙中带电粒子是如何形成的？气隙中带电粒子是如何形成的？ n气隙中的导电通道是如何形成的？气隙中的导电通道是如何形成的？ n气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？ 4 原子激励和电离原子激励和电离 原子能级原子能级 以电子伏（以电子伏（eV）为单位为单位 1eV1V1. 610-19C

2、1.610-19J 原子激励原子激励 原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态， 所需能量称为激励能所需能量称为激励能We 激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光 子（光辐射）的频率子（光辐射）的频率 hW 5 原子电离原子电离 原子在外界因素作用下，获得能量，使其一个或几个电原子在外界因素作用下，获得能量，使其一个或几个电 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 电离过程所需要的能量电离过程所需要的能量电离能电离能Wi（

3、10-15 eV），也），也 可用电离电位可用电离电位Ui（V） 6 1.1.1 1.1.1 气体中带电粒子的产生气体中带电粒子的产生 （一）气体分子的电离可由下列因素引起：（一）气体分子的电离可由下列因素引起： （1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （2）各种光辐射（光电离）各种光辐射（光电离） （3）高温下气体中的热能（热电离）高温下气体中的热能（热电离） （二）（二） 金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离 7 （一）碰撞电离（一）碰撞电离 n自由行程：粒子在两次碰撞之间的行程 n电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多 n气体分子密度越大，其中

4、粒子的平均自由行程越 小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密 度成正比 p T 8 n自由行程的分布：自由行程的分布： 具有统计性的规律。粒子的具有统计性的规律。粒子的 自由行程大于自由行程大于x的概率为的概率为 如果起始有如果起始有n0个粒子（或一个粒子的相继个粒子（或一个粒子的相继n0次次 碰撞），则其中行过距离碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的后，尚未被碰撞的 粒子数（或次数）粒子数（或次数）n(x)应为应为 x exf )( x enxn 0 )( 9 粒子的平均自由行程粒子的平均自由行程 ：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自

5、由地通 过的平均行程过的平均行程 电子在其自由行程内从外电场获得动能电子在其自由行程内从外电场获得动能 ，能量除决定，能量除决定 于电场强度外，还和其自由行程有关于电场强度外，还和其自由行程有关 10 （一）碰撞电离（一）碰撞电离 n气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分 子碰撞而引起的子碰撞而引起的 n在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电 子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离 n碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的 大小有关

6、大小有关 i WmEq 2 2 1 11 （二）光电离（二）光电离 n光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离 自然界、人为照射、自然界、人为照射、气体放电过程气体放电过程 n当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条 件，将引起光电离，分解成电子和正离子件，将引起光电离，分解成电子和正离子 n光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为 n对所有气体来说，在可见光（对所有气体来说，在可见光（400 750nm）的作用下，）的作用下， 一般是不能直接发生

7、光电离的一般是不能直接发生光电离的 i Wh nm 1229 0 ii UqU hc 12 ( (三）热电离三）热电离 n因气体热状态引起的电离过程因气体热状态引起的电离过程热电离（碰撞电离热电离（碰撞电离 与光电离的综合）与光电离的综合） 气体分子的平均动能和气体温度的关系为气体分子的平均动能和气体温度的关系为 在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 n在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千在高温下，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度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 n高温下高能热辐射光

8、于也能造成气体的电离高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离 KTWm 2 3 13 （四）金属（阴极）的表面电离（四）金属（阴极）的表面电离 n阴极发射电子的过程阴极发射电子的过程 逸出功（逸出功（15eV） ：与金属的微观结构：与金属的微观结构 、金属表面、金属表面 状态有关状态有关 n金属表面电离的多种方式金属表面电离的多种方式 （1）正离子碰撞阴极）正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要 大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为大于逸出功）。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。因此正离子必须碰

9、撞出原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出 一个以上电子时才能出现自由电子一个以上电子时才能出现自由电子 14 表面电离的形式表面电离的形式 （2）光电效应）光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功 时，金属表面放射出电子时，金属表面放射出电子 （3）强场放射（冷放射）强场放射（冷放射） 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电 子子 （4）热电子放射）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，逸出金属动能，逸出金属

10、 15 1.1.2 1.1.2 气体中带电粒子的运动与消失气体中带电粒子的运动与消失 n（一）电场作用下气体中带电粒子的运动（一）电场作用下气体中带电粒子的运动 （定向运动，消失） （二）带电粒子的扩散（二）带电粒子的扩散 （三）带电粒子的复合（三）带电粒子的复合 （中和，空间或器壁） （四）附着效应（四）附着效应 16 （ 一）一） 电场作用下气体中带电粒子的运动电场作用下气体中带电粒子的运动 n带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形 成电流成电流 n在气体放电空间在气体放电空间 ，带电粒子在一定的电场强度下运动达，带电粒子在一定的电

11、场强度下运动达 到某种稳定状态到某种稳定状态 ，保持平均速度，即上述的带电粒子的，保持平均速度，即上述的带电粒子的 驱引速度驱引速度 b 迁移率迁移率 u电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中 ，电子迁移率也随场强而变，电子迁移率也随场强而变 bEvd d qnvj 17 （二）带电粒子的扩散（二）带电粒子的扩散 n带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热 运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也 是相似的是相似的 n气体中带电粒子的

12、扩散和气体状态有关，气体压力越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，扩散过程也就越弱高或者温度越低，扩散过程也就越弱 n电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高 ，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩 散过程比离子的要强得多散过程比离子的要强得多 18 （三）带电粒子的复合（三）带电粒子的复合 n正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相 中和、还原为分子的过程中和、还原为分子的过程 n在带电粒子的复合过程中会发生

13、光辐射，这种光辐射在带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素在一定条件下又可能成为导致电离的因素 n正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概 率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要 n一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决定于其一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决定于其 浓度浓度 19 n有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反 而是碰撞电子附着分子，形成了负离子而是碰撞电子附着分子，形成了负离

14、子 n有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易 形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯，形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯，SF6 等）等） n质量大、速度小质量大、速度小阻碍放电，绝缘强度较高阻碍放电，绝缘强度较高 （四）附着效应（四）附着效应负离子的形成负离子的形成 20 1.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿 气体放电的主要形式气体放电的主要形式 根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同根据气体压力、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，击穿后气体放电可具有多种不同形

15、式。利用放电 管可以观察放电现象的变化管可以观察放电现象的变化 n辉光放电辉光放电 n电弧放电电弧放电 n火花放电火花放电 n电晕放电电晕放电 n刷状放电刷状放电 21 辉光放电辉光放电 n当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串当气体压力不大，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空间忽然出现发光现象 n特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了 整个电极间的空间。霓虹

16、管中的放电就是辉光放整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放 电的例子。管中所充气体本同，发光颜色也不同电的例子。管中所充气体本同，发光颜色也不同 22 电弧放电电弧放电 n减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大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，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管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越 大大 n电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大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，电路具有短路的特征 23 火花放电火花放电 n在较高气压（例如大气

17、压力）下，击穿后总是形在较高气压（例如大气压力）下，击穿后总是形 成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的 整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电整个空间。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流时，电极间出现贯通两极的的明亮细火花的明亮细火花 n火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放 电过程不稳定电过程不稳定 n火花间断的原因火花间断的原因 24 电晕放电电晕放电 n电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极 不均匀，则当电压升高到一定

18、值后，首先紧贴电不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧贴电 极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一般极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一般 仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩 大，放电电流也逐渐增大大，放电电流也逐渐增大 n发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝 缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作 用用 25 刷状放电刷状放电 n电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕 电极伸展出许多较明亮的细放电通

19、道，称为刷状电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状 放电放电 n电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电 弧放电，最后整个间隙被击穿弧放电，最后整个间隙被击穿 n如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由 电晕放电直接转入击穿电晕放电直接转入击穿 26 1.2.1 非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电 27 非自持放电非自持放电 n外施电压小于外施电压小于Ub时，间隙内时，间隙内 虽有电流，但其数值甚小，虽有电流，但其数值甚小， 通常远小于微安级，因此气通常远小于微安级，因此气 体本身的绝缘性能尚未被

20、波体本身的绝缘性能尚未被波 破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要 依靠外电离因素来维持。如果取消外电离因依靠外电离因素来维持。如果取消外电离因 家，那么电流也将消失（家，那么电流也将消失（b后出现碰撞电离后出现碰撞电离 ） 28 自持放电自持放电 n当电压达到当电压达到Uc后，气体后，气体 中发生了强烈的电离，中发生了强烈的电离， 电流剧增。同时气体中电流剧增。同时气体中 电离过程只靠电场的作电离过程只靠电场的作 用已可自行维持，而不用已可自行维持，而不 再继续需要外电离因素再继续需要外电离因素 了。因此了。因此Uc以后的放电以后的放电 形式也称为自持放

21、电形式也称为自持放电 29 n由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压 n如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据 气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花 放电或电弧放电，而起始电压放电或电弧放电，而起始电压Uc也就是间隙的也就是间隙的 击穿电压击穿电压UB n如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持 时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电 晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压晕放电，这时

22、起始电压是间隙的电晕起始电压 ，而击穿电压可能比起始电压高很多，而击穿电压可能比起始电压高很多 30 1.2.2 1.2.2 汤逊放电理论汤逊放电理论 n汤逊放电理论汤逊放电理论 n流注放电理论流注放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压（压 力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象 31 n汤逊理论认为，当均匀电场、低气压、短间汤逊理论认为，当均匀电场、低气压、短间 隙（隙（pd较小）条件下，电子的碰撞电离和正较小）条件下，电子的碰撞电离和正 离子撞击阴极造成的表面电离起这主要作用离子撞击阴极造成的表面电离

23、起这主要作用 ，气隙的击穿电压大体上是，气隙的击穿电压大体上是pd的函数的函数 32 （1 1）电子崩的形成电子崩的形成 （ 过程过程 ） UUb后，一个起始电后，一个起始电 子自电场获得一定动能子自电场获得一定动能 后，会碰撞电离出一个后，会碰撞电离出一个 第二代电子；这两个电第二代电子；这两个电 子作为新的第一代电子子作为新的第一代电子 ，又将电离出新的第二，又将电离出新的第二 代电子，这时空间已存代电子，这时空间已存 在四个自由电子；这样在四个自由电子；这样 一代一代不断增加的过一代一代不断增加的过 程程形成形成电子崩电子崩 33 系数系数一个电子沿着电场方向行经单位长度后，平一个电子沿

24、着电场方向行经单位长度后，平 均发生的碰撞电离次数均发生的碰撞电离次数（形成电子崩） 如设每次碰撞电离只产生一个电子和一个正离如设每次碰撞电离只产生一个电子和一个正离 子，子， 即即是一个电子在单位长度行程内新电离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出的电子数或正离子数 系数系数一个正离子沿着电场方向行经单位长度后平一个正离子沿着电场方向行经单位长度后平 均发生的碰撞电离次数均发生的碰撞电离次数 （离子崩）可以忽略 系数系数碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属表面平碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属表面平 均释放出的自由电子数均释放出的自由电子数 （阴极发射电子） 34 系数系数

25、设：从阴极发出一个电子，经多次设：从阴极发出一个电子，经多次 碰撞电离，在经过距离阴极碰撞电离，在经过距离阴极x后，产后，产 生生n个电子个电子 这这n个电子行过个电子行过dx之后，又会产生之后，又会产生 dn个新的电子个新的电子 dxndn d dxn 0 exp 处dx 35 对于均匀电场，对于均匀电场， 不随空间位置而变不随空间位置而变 新产生的电子数和正离子数为新产生的电子数和正离子数为 d en 1 d e 36 （2 2） 系数系数 到达阴极的正离子数到达阴极的正离子数 从阴极电离出的电子数从阴极电离出的电子数 1 d en ) 1( d e 37 （3 3）自持放电条件）自持放电条件 放电由非自持转入自持的条件为放电由非自持转入自持的条件为 11 d e 38 物理意义物理意义 n引起碰撞电离的必要条件引起碰撞电离的必要条件 只有那些自由行程超过只有那些自由行程超过xiUiE的电子，才能与分的电子，才能与分 子发生碰撞电离子发生碰撞电离 若电子的平均自由行程为若电子的平均自由行程为 ，自由行程大于自由行程大于xi的概率的概率 为为 ii UExWEqx 或 / i x e 39 在单位长度内，一个电子的平均碰撞次数为在单位长度内，一个电子的平均碰撞次数为1 其中其中 是电离碰撞次数，是电离碰撞次数， 气