高电压技术：第2章_气体放电的基本物理过程

1、 电介质(dielectric)电绝缘体或不良导体，包括气体、固体、液体。外绝缘由气体和固体组成,内绝缘由液体和固体组成。第1篇 电介质的电气强度 在电场作用下，电介质的电气现象为： 弱电场下的极化、电导和介质损耗； 强电场下的放电、闪络和击穿。 液体和固体介质的电气特性基本相似又各有特点，但与气体介质的差别很大，主要是气体的极化、电导和损耗都很弱，且具有自恢复能力，无老化现象。 气体的放电过程、电气强度、及沿面放电；液体和固体介质主要介绍其极化、电导和介损。高电压工程基础第2章 气体放电的基本物理过程 2.1 带电粒子的产生与消失 2.2 放电的电子崩阶段 2.3 自持放电及其条件 2.4

2、不均匀电场中放电的极性效应 通常，干燥气体是良好的绝缘体。 但在强电场、光辐射、粒子轰击和高温等条件下，气体分子发生电离（Ionization,指电子脱离原子的束缚而形成自由电子 正离子的过程），产生可自由移动的带电粒子(500-1000对/cm3)，并在电场下移动形成电流，使绝缘气体成为良好的导体。这种电流通过气体的现象就被称为气体放电过程。生活中的气体放电现象？为了研究气体放电发光的现象，我们可将一根两端装有电极的玻璃管抽成真空，并充入不同的惰性气体，当两电极间施加一定电压时，玻璃管就会发出五颜六色的光。霓虹灯。 霓虹灯是英国化学家拉姆赛在实验中偶然发现的。把一种稀有气体注射在真空玻璃管里

3、，再把封闭在真空管中的两个金属电极连接在高压电源上，观察这种气体能否导电。 突然，意外现象发生了：注入真空管的稀有气体不但开始导电且还发出了极其美丽的红光。把这种能够导电并且发出红色光的稀有气体命名为氖气。后来，他继续对其他一些气体导电和发出有色光的特性进行实验，相继发现了氩气能发出蓝色光，氦气能发出黄色光，氪气能发出深蓝色光不同的气体能发出不同的色光，五颜六色，犹如天空美丽的彩虹。霓虹灯由此得名。2.1 带电粒子的产生与消失 2.1.1 气体中电子与正离子的产生 （1）热电离波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度 电离是需要能量的，需要气体分子的能量大于电离能。室温下的热电离的概率

4、很低，只有在局部电弧的高温10000K下才有明显的热电离。电离是指电子脱离原子的束缚而形成自由电子、正离子的过程电离是需要能量的，所需能量称为电离能Wi(用电子伏eV表示，也可用电离电位Ui=Wi/e表示)气体分子动能（2）光电离普朗克常数6.6310-34Js 发生光电离需要光子能量h需大于气体电离能Wi，因而：光子频率 光子的能量 正负离子复合时以光子的形式释放能量，可能使其它分子发生光电离。光电离是重要的电离形式。可见光不能；少数紫外线可以；波长短的X射线、Y射线才能使气体光电离。（3）碰撞电离 最重要的带电质点的产生方式：电子碰撞电离。初速度为的电子(或离子)在电场E下加速，经过距离x

5、后的动能：碰撞引起电离需要的能量：电子体积小（不容易碰撞，积累能量大）质量轻（弹性碰撞，几乎不损失能量）速度快，容易积累能量，因而电子的碰撞电离比离子碰撞引起电离的概率大的多不是每次碰撞都会发生电离，需要离子动能满足一定的条件；即使满足碰撞电离条件，也不是每次都发生电离，有个概率（4）分级电离 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。 气体电离能 eV激励能 eVN215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6 由于激励能We比电离能Wi小，因此分子或原子吸收的能量大于激励能We而小于电离能

6、Wi时发生激励。若在激励态下获得足够的能量，则会发生分级电离。 一般原子或分子在激励态不稳定，持续时间短（10-8s）发生分级电离的概率很小。通常只有亚稳态激励态（10-4 -10-5s ）的气体才能发生分级电离。 若混合气体中甲气体(如氖Ne ) 的亚稳激励态能高于乙气体(如氩Ar) 的电离能，出现潘宁效应：混合气体的击穿强度低于两气体各自的击穿强度。 2.1.2 阴极表面的电子逸出 一些金属的逸出功金属逸出功 eV铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3（1）正离子撞击阴极：正离子位能大于2倍金属表面逸出功。 一般金属的逸出功比气体的电离能小得多，电极表面的电子发射在气体放电过程中有相

7、当重要的作用。（2）光电子发射：用能量大于金属逸出功的光照射阴极板。光子的能量大于金属逸出功。（3）强场发射：阴极表面场强达到106V/cm（一般气隙场强远小于改值）。高真空中决定性（4）热电子发射：阴极高温 金属表面的电子逸出需要能量，称之为逸出功。 2.1.3 气体中负离子的形成 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（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）电负性值氟F3.454.0氯Cl3.613.0溴Br3.362.8碘I3.062.5 负离子的形成使自由电子数减少（没有减少带

8、电粒子），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。 2.1.4 带电质点的消失 （1）带电质点在电场作用下定向运动，消失于电极（3）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光电离。因而复合并不一定意味着抑制放电。浓度越大越容易复合。（2）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的移动，使带电质点浓度变得均匀。电子的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散

9、比离子的扩散快得多。2.2 放电的电子崩阶段 2.2.1 非自持放电和自持放电的不同特点 典型的气体放电试验：在外光源（天然辐射或人工紫外光）的照射下，两平行极板间外加电压。随着外加电压的提高，回路中出现电流。气体放电现象和形式因气体的种类、气压、电场均匀度而异。但都有一个从电子碰撞电离到电子崩（ electron avalanche）过程。均匀电场气体放电试验的伏安特性第一阶段：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 第二阶段：电流饱和，带电质点浓度不变且全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态） 第三阶段：电流开始增大，由于电子碰撞电离引起

10、的电子崩 ，带电粒子浓度增加第四阶段自持放电：电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿） 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。自持放电自持放电起始电压外施电压小于U0时的放电是非自持放电。气体自持放电形式极不均匀电场均匀及稍不均匀电场低气压：常压及高气压外回路阻抗小：电弧放电外回路阻抗大：火化放电 气体放电的形式 随外加电压提高: 电晕放电刷状放电辉光放电（日光灯）火化或电弧放电击穿2.2.2 电子崩（非自持）的形成（BC段电流剧增） 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。 I00，I0非自持。电子崩：

11、指数规律影响碰撞电离的因素电子平均自由行程：两次碰撞之间电子行经的平均距离。一个电子行经1cm发生的碰撞次数为1/，若能算出碰撞引起电离的概率，即可求出碰撞电离系数。经dx后，有dn个电子发生碰撞，即未碰撞电子数为-dn。经x后有n个电子仍未发生碰撞(这些电子的自由行程大于x )，即未碰撞（自由行程大于x ）的概率为：(温度T一定)A 与气体性质有关的常数；B与气体电离电位有关的常数；p气压；E场强；一个电子行经1cm的碰撞电离次数为：而碰撞引起电离的条件是：1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为1/p很大（很小）p很小（很大）可见 时， 均较小因而碰撞电离概率是：2.3 自持放电及其条件只有电

12、子崩过程放电不会自持。自持放电的条件： 必须在气隙内初始电子崩消失之前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。实验表明：二次电子的产生与气压气隙长度的乘积（pd）有关：（空气的pd界线为260KPa mm，大气压101.3KPa ） （细管径节能灯的充气压在260到400pa）Pd较小，自持放电可由汤逊理论(和巴申定律) 解释；Pd较大，自持放电可由流注理论解释。 2.3.1 pd 值较小的情况（汤逊理论） 汤逊自持放电判据(二次电子)汤逊理论认为二次电子的来源是正离子（ ）碰撞阴极表面发生的电子逸出。系数表示每个正离子从阴极表面平均释放的自由电子数。汤逊自持放电的条件:汤逊理

13、论：气体间隙中发生的碰撞电离以及阴极上的二次 电子发射过程是气体间隙击穿的主要机制。 将 带入 ，有气体击穿的巴申定律 气体密度对击穿的影响 0.7kPa mm有极小值。航天低气压空气绝缘处于巴申曲线极小值巴申定律是在气温恒定条件得到的,考虑温度变化,应为：巴申定律：2.3.2 pd 值较大的情况（流注）放电时延：汤逊理论，放电延迟至少应为正离子穿过间隙 时间；但实测大气条件下放电时延远小于该值阴极材料：实测表明大气条件下气体放电与阴极材料无关放电通道：带有分支的明亮的细通道（而不是充满整个空间）汤逊理论不适合pd较大的情况。经过研究表明：pd值较大时，放电也是从电子崩开始的，但当电子崩发展到

14、一定阶段后，会产生电离特强、发展速度更快的空间的光电离，形成流注（等离子体）。流注的发展速度比电子崩的快一个数量级，且出现曲折分支。 形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷使原电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾处的电场。 电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。二次电子的主要来源是空间的光电离。 （1）流注的形成条件流注理论：气体间隙中的碰撞电离以及空间的光电离 是气体间隙击穿的主要机制。 （2）流注自持放电条件（即形成流注的条件）一旦出现流注，放电就可以由空间光电离自持维持；若电场均匀，间隙将被击穿。初始电子崩头部电

15、荷必须达到一定数量才足以使原电场畸变并造成空间光电离，均匀电场的自持放电条件为：系数表示带电质点平均释放的二次电子数,上式可改写为:汤逊放电理论与流注放电理论的比较： 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。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。 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。 两种理论的自持放电条件具有完全相同的形式，但两者维持放电的过程不同。 2.3.3 电负性气体的情况 对强电负性气体，除考虑电子碰撞电离的过程和二次电子产生的

16、过程外，还应考虑电子附着过程。系数：一个电子沿电力线方向行经1 cm平均发生的附着次数。在电负性气体中有效碰撞电离系数为 。 由于强电负性气体中 ，所以其自持放电场强比非电负性气体高得多。 SF6气体在101.3kPa、20条件下，均匀电场中击穿场强为Eb89kV/cm，约为同样条件的空气间隙的击穿场强的3倍。 半径r的球间隙的击穿电压Ub与极间距d的关系 2.4 不均匀电场中气体放电的特点 2.4.1 稍不均匀电场和极不均匀电场的划分稍不均匀电场：无明显的电晕放电，与均匀电场相似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 f4 极不均匀，自持的

17、电晕放电电压小于其击穿电压。电场的平均场强：与间隙距离、电极的最小曲率半径有关2.4.2 极不均匀电场中的电晕放电（独有）（1）电晕放电 极不均匀电场中，电场强度分布极不均匀，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，在这个局部区域出现蓝紫色的晕光，并伴随有“滋滋” 声、电磁辐射和能量损耗。这种仅仅发生在强场区的电晕放电是一种自持放电。 电晕的放电与天气湿度以及空气的流动速度有关。在雨、雪、雾天气，在较低电压（如工作电压）下就会出现电晕放电。（2）电晕放电起始场强是气体相对密度；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=

18、1，坏天气时m2可按0.8估算。 标准大气条件下输电线的电晕起始场强（导线表面场强kV/cm）：非标准大气条件下输电线电晕起始场强（3）电晕放电的危害、对策及利用危害：功率损耗、电磁干扰、噪声污染。电晕是电力系统中重要的电能损耗原因之一。D工程上D一般取4050cm对330kV及以上的线路用分裂导线，例如330，500和750kV线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。 对策：限制导线的表面场强，采用分裂导线。 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。导线板电极的空气间隙击穿电压Ub与间隙距离d 的关系1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16

19、mm 4D=20mm利用：尖-板电极间隙均匀电场导线很细时，电晕层改善电场分布，提高击穿电压一般情况下，相同极间距离，电场越不均匀放电电压越低。均匀电场的放电电压最高，尖板电极的放电电压最低。导线直径cm级时导线越细击穿电压越低，但当导线直径0.5mm其击穿电压接近均匀电场的值。 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。2.4.3 不均匀电场中放电的极性效应（棒板电极） 电极极性的确定：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。（1）极不均匀电场电晕放电的极性效应正极性(棒)电晕放电棒极带正电位时，电子崩头部的电子到达棒极后即被中和，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。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。电晕在棒极产生，正空间电荷消弱了棒极附近的电场强度，不利于电晕的形成。因而正棒极的电晕起始电压有所提高。负极性(棒)电晕放电棒为负极性时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，棒极附近留有大批正离子（