高电压气体放电的基本物理过程

1、会计学1高电压气体放电的基本物理过程高电压气体放电的基本物理过程第1页/共92页2高电压工程基础第2页/共92页3高电压工程基础第3页/共92页4n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？n气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？ 高电压工程基础第4页/共92页5hWe2.1 带电质点的产生与消失第5页/共92页6气体气体激励能激励能We (eV)电离能电离能Wi (eV)气体气体激励能激励能We (eV)电离能电离能Wi (eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6第6页/共92页7第7页

2、/共92页832WkT波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度 第8页/共92页9;iWhnm 1234;0iiUeUhcvc普朗克常数6.6310-34Js 第9页/共92页10ieeWvm221EUxWeExii/第10页/共92页11表2-1几种气体的电离能和激励能（eV）高电压工程基础分级电离气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6u潘宁电离电光源第11页/共92页12表2-2 一些金属的逸出功（eV） 一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3第12页/共92页13（1）正离

3、子撞击阴极 （2）光电子发射（3）强场发射 （4）热电子发射第13页/共92页14高电压工程基础 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。 元素电子亲合能（eV）电负性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5 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，空气的三倍。 第14页/共92页15第15页/共92页16denvj 第16页/共92页17第

4、17页/共92页18第18页/共92页19n辉光放电n电弧放电n火花放电n电晕放电第19页/共92页20第20页/共92页21第21页/共92页22第22页/共92页23第23页/共92页24第24页/共92页25第25页/共92页26第26页/共92页27第27页/共92页28第28页/共92页29第29页/共92页30第30页/共92页31高电压工程基础 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

5、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。此时气隙转入良好的导电状态，即气体发生击穿了。 自持放电起始电压第31页/共92页32第32页/共92页33第33页/共92页34高电压工程基础第34页/共92页35第35页/共92页361.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2.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

6、的空间电子流被称为电子崩。第36页/共92页37高电压工程基础ddnnx0d0exxnnddnxn0ednn00(e1)dnnnn 电子碰撞电离系数：代表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。 0exnn第37页/共92页38deII0式中，eqnI00高电压工程基础第38页/共92页39质点的平均自由行程 ：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程电子在其自由行程内从外电场获得动能，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关 高电压工程基础三 碰撞电离系数 第39页/共92页40pT高电压工程基础质点的平均自由行程三 碰撞电离系数 第40页/共92页41xe

7、xf)(xenxn0)(高电压工程基础三 碰撞电离系数 质点的平均自由行程第41页/共92页42三 碰撞电离系数 1.设电子平均自由行程为，电子运动1cm距离内将与气体分子发生1/次碰撞。 2.设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离，必须满足条件3.只有那些自由行程超过xi的电子，才能与分子发生碰撞电离 ：EUEqWxieiiiiUExWeEx 或第42页/共92页43实际自由行程长度等于或大于xi的概率为根据碰撞电离系数 的定义，即可得出：eixei1eUE1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为1/ ：电子平均自由行程碰撞引起电离

8、的概率碰撞电离的条件i/xUExenxn0)(第43页/共92页44当气温 不变时，1 Ap，并令AUiB，有：T式中A、B是两个与气体种类有关的常数。EBpApe由上式不难看出： 电场强度E增大时， 急剧增大; 很大或很小时， 都比较小。ppTi1eUE第44页/共92页45 所以，在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。高气压时， 很小，单位长度上的碰撞次数很多，但能引起电离的概率很小； 低气压和真空时， 很大，总的碰撞次数少，所以 也比较小。ee第45页/共92页46第46页/共92页47第47页/共92页48denn0) 1(0denn) 1(0denn第48页/

9、共92页4911 dee1d1lnd第49页/共92页50自持放电的物理含义 一个初始电子有一个后继电子，放电得以自持： 一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正离子数为：1de正离子在阴极造成的二次自由电子数为：) 1(de第50页/共92页51 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 高电压工程基础第51页/共92页52 利用汤逊理论的自持放电条件 以及碰撞电离系数 与气压 、电场强度 的关系式(当气温 不变时)，并考虑均匀电场中自持放电起始场强1) 1(depEdUE TEBpApe第52页/共92页531lnbUBpdApde/1l

10、nlnApdBpdUbpdfUb第53页/共92页54b()Uf pd高电压工程基础第54页/共92页55第55页/共92页56 应当指出，上述巴申定律是在气温T保持不变时得出的。在气温T并非恒定的情况下，式-应改为：)( dFUb式中 ：气体的相对密度，即实际气体密度与标准大气条件下的密度之比，可见：TppTTpss9 . 2sp=101.3kPasT=293K标准大气条件：第56页/共92页57第57页/共92页58原因： 忽略了带电质点改变电场分布及光电离第58页/共92页59 气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下两方面

11、：空间电荷对原有电场的影响 空间光电离的作用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的作用第59页/共92页60高电压工程基础第60页/共92页61（一）空间电荷对原有电场的影响 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； 电子崩中电场弱，电荷密度很大，所以复合过程频繁 ； 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。如图所示：第61页/共92页62（二）空间光电离的作用 考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射光子而引起光电离。 汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象，而这一因素在高气压、长气隙的击穿过程中起着重

12、要的作用。 第62页/共92页63 如图所示：如果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。 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。 第63页/共92页64流注条件 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，而不再依赖外界电离因子的作用，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。 初始电子崩头部电荷必须达到一定数量才能使原电场畸变和造成足够的空间光电离 。对均匀电场来说，自持放电条件

13、为： de常数d常数或第64页/共92页65实验研究所得出的常数值为：20d或810de 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。第65页/共92页66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。1.放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，有时火花通道曲折形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;电子崩不致影响到邻近空间内的电场，不会影响其它电子崩的发展，因此汤逊放电呈连续一片2. 如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间光子以光速传播，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。3. 再如为

14、何击穿电压与阴极材料无关等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，这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材料基本无关了必须指出，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。第66页/共92页67高压电器绝缘结构中的不均匀电场还要区分两种不同的情况，即稍不均匀电场和极不均匀电场 :1. 稍不均匀电场: 全封闭组合电器（GIS）的母线筒和高压实验室中测量电压用的球间隙2. 极不均匀电场: 高压输电线之间的空气绝缘和实验室中高压发生器的输出端对墙的空气绝缘 一、稍不均匀场和极不均匀场的的不同特点 第67页/共92页68第68页/共92页69高电压工程基础第69页/共

15、92页70间隙距离d 在很大范围内变动时，球间隙的工频放电电压的变动情况 1 击穿电压2 电晕起始电压3 过渡区域d0 4r；d0 8r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 第70页/共92页71稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征 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：vEEfmaxEmax：最大电场强度 vE:平均电场强度 dUEvf4属不均匀电场。第71页/共92页72二、电晕放电的特点 由于电场强度沿气隙

16、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。第72页/共92页73第73页/共92页74电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，流传最广的是皮克公式，电晕起始场强近似为：电晕放电的起始场强c0.330(1)/EkV cmrc120.330(1)/Em mkV cmr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。 cc2lnhUE rr高度

17、为h的单根导线：cc2lnddUE rr距离为 的两根平行线：第74页/共92页75 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。电晕放电的危害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。第75页/共92页76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

18、。对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。对330kV及以上的线路应采用分裂导线，例如对330，500和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。 第76页/共92页77电晕的利用： 第77页/共92页78三、极不均匀电场的放电过程 极性效应在不均匀电场中，放电总是从曲率半径较小的电极表面，即间隙中场强最大的地方开始，而与该电极的电位和电压的极性无关。但曲率半径较小的电极的电压极性不同，放电产生的空间电荷对原电场的畸变不同，因此同一间隙在不同电压极性下的电晕起始电压不同，击穿电压也不同，这就是放电的极性效应。第78页/共92页791原电场

19、分布2有空间电荷时的电场分布 第79页/共92页801原电场分布2有空间电荷时的电场分布 第80页/共92页811原电场分布2,3有空间电荷时的电场分布 第81页/共92页821原电场分布2,3有空间电荷时的电场分布 第82页/共92页83输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电压的作用下，击穿发生在外加电压为正极性的那半周内。在进行外绝缘的冲击电压实验时，也往往施加正极性冲击电压，因为此时电气强度较低。尽管负极性棒板间隙的电晕起始电压比正极性时略低，但其击穿电压却比正极性棒板电极要高得多:U+（击穿） U-（电晕）第83页/共92页84第84页/共92页85第85页/共92页86高电压工程基础第86页/共92页87表2-2 一些金属的逸出功（eV） 一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3第87页/共92页88denn0) 1(0denn) 1(0denn第88页/共92页89流注条件 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，而不再依赖外界电离因子的作用，如果电场均匀，间