气体放电基础知识

气体放电基础知识关于气体击穿常用气体绝缘介质：空气、SF6、CO2、N2、混合气体（SF6+CO2、SF6+N2）等。气体击穿：正常情况下气体是良好的绝缘介质，但当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力（气体击穿）。气体击穿是气体绝缘失败的最后表现形式，深入了解气体击穿的发展过程，对于提高分析问题、解决问题的能力更有意义。平均电场强度与最大电场强度尖端效应或边缘效应电极表面的电场强度与其表面电荷密度成正比。在电极尖端或边缘的曲率半径小，表面电荷密度大，电力线密集，电场强度高，容易发生局部放电。这种现象称为尖端效应或边缘效应。尖端效应或边缘效应是极不均匀电场的重要标志。工程上常需改善电极形状，避免电极表面曲率过大或出现尖锐边缘。分析绝缘结构的击穿电压时，不仅要考虑绝缘距离，而且还要考虑电场不均匀程度的影响。对于同样距离的间隙，电场愈不均匀，通常击穿电压愈低。茹柯夫斯基电极任一等位面上电场强度最大值：12211222CUUCC静电感应现象电容分压导体受邻近带电体的影响，在其表面不同部位出现正负电荷的现象称为静电感应。气体放电的几个概念：气体放电：气体中出现电流的各种形式统称为气体放电。气体击穿：由于外施电压升高，电流突然剧增，气体失去绝缘性能。气体由绝缘状态突变为良导电态的过程，称为击穿。沿面闪络：当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络。气体击穿后的放电形式受气体压力、电源功率、电极形状等因素的影响。包括：1、电晕放电（局部放电）；2、辉光放电；3、电弧放电；4、火花放电。1、电晕放电：随着电压升高，在电极附近电场最强处出现发光层。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用。气体放电的基本形式辉光放电的特点：电流密度较小，放电区域通常占据整个空间；管端电压较高，不具有短路的特性。2、辉光放电：当气体压力不大、电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗），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出现发光现象。这种放电形式称为辉光放电。3、电弧放电：外回路阻抗很小，电流密度大，通道电导大，端电压很低，这时的放电形式称为电弧放电。电弧放电特点：电流密度大，端电压低，具有短路特性。4、火花放电：在较高气压下，气体击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不扩散于整个空间。火花放电的发展分两种情况：（1）外回路阻抗较大：电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花。出现断续火花的原因：回路阻抗大，间隙击穿后回路电流大，外回路阻抗压降增大，导致放电间隙上电压降低，以致火花不能维持而熄灭；火花熄灭后，回路电流减小，阻抗上压降降低，放电间隙上电压重新建立，间隙再次击穿，形成断续的火花放电。（2）外回路阻抗很小、电源功率足够大：间隙击穿后可立即转入电弧放电，形成明亮而电导极大的放电通道。气体空间带电质点的产生两种因素：气体分子电离和金属表面电离1、气体分子的电离：碰撞电离；光电离；热电离碰撞电离：在电场作用下，电子被加速而获得动能，当电子从电场获得的动能等于或大于气体分子的电离能时，就有可能因碰撞而使气体分子发生电离，分裂为电子和正离子。光电离：热电离：（1）正离子碰撞阴极：金属表面逸出电子，其中一个和正离子结合为原子，其余为自由电子。（2）光电效应：金属表面受光照射放射出电子，称为光电效应。（3）场致发射：阴极表面的强电场迫使阴极放射出电子，称为场致发射（冷发射）。场致发射所需外电场在107V/cm数量级，所以在一般气体间隙的击穿过程中不会发生。（高气压、高真空）（4）热电子放射：阴极高温使电子获得巨大动能而逸出金属表面，称为热电子放射。2、金属表面电离：电子从金属表面逸出称为金属表面电离。主要形式：正离子碰撞阴极；光电效应；场致发射；热电子放射负离子：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于分子，形成了负离子。电负性气体：能够在电子碰撞过程中形成负离子的气体，称为电负性气体。已发现的负离子有：负离子的形成起着阻碍放电的作用负离子与电负性气体带电质点的消失气体间隙中带电质点的消失主要有三种方式：1、带电质点在电场作用下作定向运动，消失于电极两端（即带电质点的定向运动形成回路电流）；2、带电质点的扩散：带电质点从浓度高的地方向浓度低的地方移动，趋向是使带电质点的浓度变得均匀。3、带电质点的复合：正离子与负离子、或电子相遇，还原为原子或分子，称为复合。（复合过程释放能量，能量以光子的形式存在）。气体击穿的发展过程气体放电过程中的电子崩1、正离子碰撞阴极表面；2、气体空间由于激励状态跃迁回正常状态及复合过程而释出的光子也能在阴极表面引起光电离；气体放电过程中的金属表面电离巴申定律图中数据显示，随着pd的变化，击穿电压将出现极小值。均匀电场中的击穿电压Ub是pd的函数，这个规律称为巴申定律。不均匀电场中的气体放电1、如何描述电场不均匀程度引入电场不均匀系数f划分电场不均匀程度，它是最大场强Emax和平均场强Eav的比值。f2：电场性质为稍不均匀电场；f4：电场性质为极不均匀电场；2f4：稍不均匀到极不均匀的过渡区域。电子崩引起的空间电荷分布极不均匀，如图b所示，崩头狭小区域聚集大量电子，崩尾主要分布正离子。当电子崩发展到足够程度，空间电荷将使外电场明显畸变，大大加强了崩头的电场，也加强了崩尾的电场，而削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场，如图c、d所示。2、空间电荷引起的电场畸变（一）电晕放电的一般描述1、电晕放电现象极不均匀电场中，在空气间隙完全击穿之前，大曲率电极附近会产生薄薄的发光层，称为“电晕”放电。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，这个空间区域称为外区。爆发电晕放电时，还可听到咝咝的声音，闻到臭氧的气味，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。2、电晕起始电压和电晕起始场强电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式，电晕开始时的电压称为电晕起始电压Uc，电极表面的场强称为电晕起始场强Ec4、极不均匀电场中的电晕放电（二）电晕放电的脉冲现象1、实验现象实验装置：尖一板电极放电现象：（1）电压很低时，放电电流极小（平均值小于0.1A），电流波形不规则。（2）当电压升高到一定数值（与极性有关），电流显著增加，电流具有规律性的重复脉冲波形，如图b。尖一板间隙中的电晕电流波形（3）电压继续升高，电流脉冲幅值不变，但频率增高，脉冲更密集，甚至前后交叠，平均电流不断加大（极性不同时，脉冲波形有些不同，同一电压下的频率也不同）。（4）电压继续升高到一定程度（与极性有关），高频脉冲突然消失，转入持续电晕阶段。（5）电压再进一步增加，临近击穿时出现刷状放电，这时又出现不规则的强烈电流脉冲，这种现象在正极性下更为明显。（6）最后发生击穿。2、脉冲现象的解释利用空间电荷的影响解释电晕起始阶段的电流脉冲现象。以负极性为例（1）电压很低时，针尖附近电子崩的形成带有偶然性，且电离很弱，所以电流没有规律性，平均值也极小。（2）随着电压提高，电离逐渐加强。电离产生的正离子向针尖运动，不断在电极上发生中和而失去电荷，同时在紧贴针尖附近形成了正空间电荷。（3）电离产生的电子向外运动，由于电场衰减很快，所以速度变慢，大多形成了负离子。电子形成为负离子后，速度又显著下降，从而在针尖外围积聚起了显著的负空间电荷。（4）负空间电荷积聚到一定数量后，严重削弱针尖附近电场，使电离停止。（5）电离停止后，负离子继续向外流散（正离子也不断消失于电极），于是针尖附近场强重又增强。当场强恢复到一定程度后，电离又重新爆发。（6）上述过程不断重复，造成了放电的脉冲现象。（7）电压增高，负离子能更快地向外流散，因此针尖附近电场更迅速地得到恢复，因而脉冲频率上升。（8）电压甚高时，电子迅速向外运动，要在离针尖更远的地方才能成为负离子，故不能形成足以使电离中止的密集的负空间电荷，于是脉冲现象消失，电晕转入持续阶段。（9）间隙击穿前，电压很高引起刷状放电，不断形成强烈的流注，因而造成了强烈的电流脉冲。由于流注的形成带有统计性，所以电流脉冲没有规律性。工程上常见的极不均匀电场：高压输电线的绝缘；高压实验室高压设备对墙壁或天花板的绝缘；5、极不均匀电场中的极性效应极不均匀电场中，尖电极附近（电场最强处）首先发展起电离现象。大量空间电荷使电场发生畸变，对放电发展过程产生很大影响。极性不同时，空间电荷的作用不同，因此在极不均匀放电中出现极性效应。（1）、棒为正极性1、放电起始阶段（以棒-板间隙为例）棒极附近的电离被削弱，电晕放电难以形成。（2）、棒为负极性棒-板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高。随着电压升高，紧贴棒极附近放电加强、形成电晕；在此之后，不同极性下空间电荷对放电的发展所起的影响与放电起始阶段完全不同。（1）棒为正极性2、放电发展阶段（2）棒为负极性根据上述分析，负极性下通道的发展要困难得多，因此负极性下的击穿电压应较正极性下为高。不同电场条件下气体的击穿电压作用电压：直流电压、工频电压、冲击电压一、均匀电场中的气体击穿电压均匀电场中：直流、工频、50%冲击，击穿电压相同；击穿电压的分散性较小。稍不均匀电场击穿的实验规律：（1）电场越趋于均匀，间隙击穿前不发生电晕，极性效应不很明显，直流、工频、冲击击穿电压基本相同，击穿电压的分散性不大。（2）电场背离均匀状态（尚属于稍不均匀电场），间隙击穿前同样不发生电晕，直流、工频、冲击击穿电压也基本相同，但极性效应开始显现，正极性击穿电压略高于负极性击穿电压。二、稍不均匀电场中的气体击穿电压极性效应与极不均匀电场极性效应相反三、极不均匀电场中的击穿电压特点：直流、工频、冲击击穿电压间的差别比较明显，分散性也较大，且极性效应显著。（1）尖-板电极：尖为正极性时击穿电压低；尖为负极性时击穿电压高。（2）尖-尖电极：没有极性效应，击穿电压介乎极性不同的尖一板电极之间。1、雷电冲击电压标准波形：1.2/50s四、雷电冲击电压2、雷电冲击50%击穿电压（U50）多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，称为50%冲击击穿电压（U50），以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性。冲击系数：50%冲击击穿电压和持续作用电压下击穿电压之比（均取峰值）称为冲击系数。3、放电时延如图所示，当时间经过t0，电压升高到持续作用电压下的击穿电压U0时，间隙并不立刻击穿，而需经过td后，才能完成击穿。统计时延ts：从t0开始，到间隙中出现一个有效电子所需的时间称为统计时延。放电形成时延tf：从出现有效电子引起强烈的电离过程，到间隙完全击穿需要的时间，称为放电形成时延。一、改进电极形状以改善电场分布（1）增大电极曲率半径；（2）改善电极边缘（毛刺、棱角）；（3）使电极具有最佳外形（对称电场棒-棒类型）。二、利用空间电荷畸变电场的作用极不均匀电场中击穿前先发生电晕放电，所以在一定条件下，可以利用放电自身产生的空间电荷来改善电场分布，提高击穿电压。细线效应提高气体间隙击穿电压的措施三、极不均匀电场中屏障的作用在电场极不均匀的空气间隙中，放入薄片固体绝缘材料（例如纸或纸板），在一定条件下，可以显著提高间隙的击穿电压。屏障一般采用很薄的固体绝缘材料，其本身的击穿电压很低，所以屏障效应不是由于屏障分担电压的作用而造成的。以尖电极正极性为例：直流电压下尖一板空气间隙的击穿电压和屏障位置的关系四、高气压的采用提高气压可以减小电子的平均自由行程，削弱电离过程，从而提高气体的介电强度。五、高介电强度气体的采用六、高真空的采用结束