高电压技术(第一章)

第一篇各类电介质在高电场下的特性第一章气体的放电基本物理过程和电气强度1、气体放电概念及其主要形式气体放电气体击穿沿面闪络气体放电气体的绝缘特性气体的电气强度辉光放电电晕放电火花放电电弧放电气体放电的基本概念气体放电的主要形式气体放电主要形式1.1气体放电的基本概念1.1.1气体放电1.1.2气体的绝缘特性1.1.3气体的电气强度1.1.1气体放电气体放电：气体中流通电流的各种形式；气体击穿：气体电绝缘状态突变为良导电状态的过程；沿面闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象；工程上将击穿和闪络统称为放电。1.1.2气体的绝缘特性气体指高压电气设备中常用的空气、SF6、以及高强度混合气体等气态绝缘介质。空气：架空线路、变压器外绝缘；SF6：SF6断路器和SF6全封闭组合电器；气体失去绝缘后，虽然可以自动恢复，但其放电所造成的事故已经发生，因此我们要研究气体的电气强度。空气是最廉价、应用最广、自动恢复绝缘的气体，因此我们主要研究空气的放电。1.1.3气体的电气强度气体的电气强度表征气体耐受电压作用的能力。均匀电场中击穿电压Ub与间隙距离之比称为击穿场强Eb。我们把均匀电场中气隙的击穿场强Eb称为气体的电气强度。空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm;注意：不能把不均匀场中气隙Ub与间隙距离之比称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。1.2气体放电的主要形式注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同，这些放电现象可相互转换。常见放电形式辉光放电电晕放电刷状放电电弧放电2气体中带电质点的产生和消失电子碰撞电离－α正离子碰撞电离－β碰撞电离光电离热电离空间电离表面电离正离子碰撞阴极－γ光电效应强场发射热电子发射电场作用下气体中带电质点的定向运动带电质点的扩散带电质点的复合2.1带电质点产生2.2带电质点消失气体放电发展过程2.1气体中带电质点的产生气体原子的激发和游离施加能量施加能量自由电子分级电离激励施加能量激励施加能量WWi自由电子光子电离2.1气体中带电质点的产生气体原子的激发和游离激励：原子外层电子跃迁到较远的轨道上去的现象。激励能：产生激励需要的能量。电离：使原来的一个中性原子变成一个自由电子和一个带正电荷的离子的现象。电离能：电离所需的最小能量（Wi）。分级电离：先经过激励再产生电离的过程。2.2气体中带电质点的消失（一）电场作用下气体中带电质点的定向运动带电质点一旦产生，在外电场作用下作定向运动，形成电导电流。（二）带电质点的扩散带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域。（热运动）电子扩散比离子扩散高3个数量级2.2气体中带电质点的消失正离子和负离子或电子相遇时，发生电荷的传递而相互中和还原为分子的过程，复合放出能量。复合的质点相对速度越大，复合概率越小。复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展。放电过程中绝大多数是正、负离子之间复合，参加复合的电子绝大多数先形成负离子再与正离子复合。（三）带电质点的复合3汤逊理论和流注理论3.1.1非自持放电和自持放电3.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论3.1.3巴申定律3.2.1空间电荷对电场的畸变3.2.2高气压下均匀电场自持放电的流注理论3.2.3流注理论对放电现象的解释3.1汤逊理论和巴申定律3.2流注理论汤逊理论和流注理论3.1.4汤逊理论的适用范围3.1汤逊理论和巴申定律3.1.1非自持放电和自持放电3.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论3.1.3巴申定律3.1.4汤逊理论的适用范围3.1.1非自持放电和自持放电非自持放电与自持放电的分界点气体放电实验的伏安特性曲线3.1.1非自持放电和自持放电气体放电实验的伏安特性曲线图表示实验所得平板电极(均匀电场)气体中的电流I与所加电压的关系：即伏安特性气体放电伏安特性3.1.1非自持放电和自持放电实验分析OA段：电流随电压升高而升高。这是由于电极空间的带电粒子向电极运动加速而导致复合数的减少所致(非自持)。AB段：电流仅取决于外电离因素与电压无关。电流趋向于饱和值，因为这时外界电离因子所产生的带电粒子几乎能全部抵达电极，所以电流值与所加电压无关(非自持)。BC段：当电压提高到时，电流又开始随电压的升高而增大，这是由于气隙中出现碰撞电离和电子崩。电压升高碰撞电离增强但仍靠外电离维持(非自持)C点后：当所加电压大于U0时，只靠外加电压就能维持(自持)3.1.1非自持放电和自持放电如果取消外电离因素，那么电流也将消失，这类依靠外电离因素的作用而维持的放电叫非自持放电。气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。外施电压到达U0后的放电称为自持放电。U0称为起始放电电压。3.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论（一）电子崩(a)电子崩的形成(b)带电离子在电子崩中的分布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。依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩一样地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。3.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论dxndnddxeenx0n是包括起始电子在内的电子崩中的电子数，它表征一个起始电子在向阳极运动过程到达阳极时产生的电子数。汤逊理论中的α过程设外电离因素在阴极表面产生的起始电子数为n0，当起始电子到达离阴极x处时，电子数为n，这n个电子行经dx后，又会产生dn个新电子,即3.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论α对E值敏感，当E/δ不变时，系数α与气体相对密度成正比；汤逊理论中的α过程经推导，得A,B常数δ：空气相对密度，δ∝pE：场强)()/exp(EfEBA3.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论汤逊理论中的β过程气隙中碰撞电离而产生的正离子，即从阴极产生的一个电子消失在阳极前，由α过程形成的正离子数。即1de3.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论正离子消失在阴极前，由γ过程在阴极上释放出二次电子数，即)1(de1)1(de表示由γ过程在阴极上重新产生一个电子，此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展，即转入自持放电。汤逊理论中的γ过程3.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论自持放电条件1ln1)1(ded如自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分3.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论总结：1.将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。2.汤逊理论的实质是电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。3.阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。3.1.3巴申定律根据自持放电条件，导出击穿电压的表达式)(])11ln()(ln[)(pdfpdApdBubA、B是与气体种类有关的常数，ub为气温不变的条件下，均匀电场中气体的自持放电起始电压等于气隙击穿电压。巴申定律：当气体成份和电极材料一定时，气体间隙击穿电压(ub)是气压(p)和极间距离(d)乘积的函数。3.1.3巴申定律均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系巴申曲线表明，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。3.1.3巴申定律原因：形成自持放电需要达到一定的电离数αd，而这又取决于碰撞次数与电离概率的乘积。高气压、高真空都可以提高击穿电压，工程上已得到广泛应用（如：压缩空气开关、真空开关等）3.1.4汤逊理论的适用范围汤逊理论是在低气压pd较小条件下建立起来的，pd过大，汤逊理论就不再适用。pd过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释：放电时间：很短；放电外形：具有分支的细通道；击穿电压：与理论计算不一致；阴极材料：无关；汤逊理论适用于pd26.66kPa·cm。3.2流注理论3.2.1空间电荷对电场的畸变3.2.2高气压下均匀电场自持放电的流注理论3.2.3流注理论对放电现象的解释3.2流注理论汤逊放电理论所讨论的是低气压、短气隙的情况，但在高气压（101.3kPa或更高）、长气隙的情况[pd26.66kPa·cm]，汤逊理论将不适用。以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的γ过程和二次电子发射根本无关。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空间电荷对原有电场的影响；空间光电离的作用。3.2.1空间电荷对电场的畸变(d)这些光子将导致空间光电离。(a)电子崩崩头集中着电子，其后是正离子，形状似半球形锥体；(b)空间电荷分布极不均匀，大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了电子崩内部的电场；(c)崩头电场明显增强，有利于分子和离子的激励现象，当它们从激励态恢复到正常态时将放射出光子；电子崩内部电场削弱，有助于复合将放射出光子；3.2.2高气压下均匀电场自持放电的流注理论流注的形成和发展示意图3.2.2高气压下均匀电场自持放电的流注理论（续1）a)起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩；初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，放射出大量光子；b)光电离产生二次电子，在加强的局部电场下形成二次崩；c)二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使其发展；流注头部电离迅速发展，放射出大量光子，引起空间光电离，流注前方出现新的二次崩，延长流注通道；d)流注通道贯通，气隙击穿。注：流注速度为108～109cm/s，而电子崩速度为107cm/s。3.2.2高气压下均匀电场自持放电的流注理论（续2）流注条件：必要条件是电子崩发展到足够的程度，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，加强电子崩崩头和崩尾处的电场；另一方面电子崩中电荷密度很大，所以复合频繁，放射出的光子在这部分很强，电场区很容易成为引发新的空间光电离的辐射源，二次电子主要来源于空间光电离；气隙中一旦形成流注，放电就可由空间光电离自行维持。201lnd流注自持放电条件：初崩头部电子数要达到108时，放电才能转为自持，出现流注。810de或3.2.3流注理论对放电现象的解释放电时间二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播，所以流注发展非常快。击穿时间比汤逊理论推算的小得多放电外形二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可能均匀，而且具有分支。阴极材料大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。小结1.汤逊理论只适用于pd值较小的范围，流注理论只适用于pd值较大的范围，二者过渡值为pd=26.66kPa·cm；(1)汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。(2)流注理论的基本观点：①以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程；②放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达108以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注；③流注一旦形成，放电转入自持。小结2.引起气体放电的外部原因有两个，其一是电场作用，其二是外电离因素。把去掉外界因素作用后，放电立即停止的放电形式称为非自持放电；把由电场作用就能维持的放电称为自持放电。3.汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较(1)汤逊理论：自持放电由阴极过程来维持；流注理论：依赖于空间光电离。(2)γ系数的物理意义不同。流注发展过程初始电子崩（电子崩头部电子数达到一定数量）→电场畸变和加强；→电子崩头部正负空间电荷