气体击穿理论分析和气体间隙绝缘

高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘2/190第一节气体放电的主要形式简介第二节带电粒子的产生和消失第三节均匀电场中气体击穿的发展过程第四节不均匀电场中的气体击穿的发展过程第五节持续电压作用下气体的击穿特性第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性第七节操作冲击电压下气体的击穿特性第八节SF6和气体绝缘电气设备第九节大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正第十节提高气体介质电气强度的方法第十一节沿面放电和污闪事故本章主要内容高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘3/190第一节气体放电的主要形式简介一．气体放电的概念气体放电——气体中流通电流的各种形式。1.正常状态：优良的绝缘体。在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但这些带电粒子并不影响气体的绝缘。空气的利用：架空输电线路个相导线之间、导线与地线之间、导线与杆塔之间的绝缘；变压器相间的绝缘等。高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘4/190输电线路以气体作为绝缘材料第一节气体放电的主要形式简介高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘5/190变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料第一节气体放电的主要形式简介高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘6/190第一节气体放电的主要形式简介2.高电压状态电压升高达到一定数值气体中的带电粒子大量增加电流增大达到一定数值气体失去绝缘击穿（或闪络）击穿——纯空气隙之间。（架空线相间的空气放电）闪络——气体沿着固体表面击穿。（气体沿着悬挂架空线的绝缘子串放电）高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘7/190第一节气体放电的主要形式简介3.气体放电的相关概念击穿电压Ub或闪络电压Uf——发生击穿或闪络的最低临界电压；击穿场强Eb——（均匀电场中的击穿电压）/间隙距离平均击穿场强——（不均匀电场中的击穿电压）/间隙距离bE高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘8/190第一节气体放电的主要形式简介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。利用放电管可以观察放电现象的变化二．击穿后气体的放电形式高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘9/190第一节气体放电的主要形式简介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。特点：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。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子，管中所充气体不同，发光颜色也不同1.辉光放电高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘10/190第一节气体放电的主要形式简介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，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大特点：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2.电弧放电高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘11/190第一节气体放电的主要形式简介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断续的明亮细火花。（大气条件下）特点：具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定3.火花放电返回高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘12/190第二节带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失是气体放电的根本根源，是分析气体击穿的理论基础；正常时气体中有正负粒子存在，但对气体的绝缘状态没有影响；随着电压升高气体间隙中的带电粒子数量会迅速增加，带电粒子的运动会产生电流。掌握气体放电时，带电粒子如何产生？放电结束后，带电粒子又如何消失？高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘13/190第二节带电粒子的产生和消失一．原子的激励和电离⒈原子的能级原子的结构可用行星系模型描述。原子核（正电）电子云（负电）能级——根据原子核外电子的能量状态，原子具有一系列可取得确定的能量状态。外围电子能量高原子能量就高能级就高；外围电子能量低原子能量就低能级就低；原子能量大小的衡量高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘14/190⒉原子的激励激励(激发)——原子在外界因素（电场、高温等）的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，原子核外的电子将从离原子核较近的轨道上跳到离原子核较远的轨道上去的过程。激励能（We）——产生激励所需的能量。等于该轨道和常态轨道的能级差。注意激励状态存在的时间很短（10-7—10-8s），电子将自动返回到常态轨道上去。原子的激励过程不会产生带电粒子。第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘15/190⒊原子的电离电离——在外界因素作用下，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。电离能（Wi）——使稳态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需要的最小能量。（电子伏eV）1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J（焦耳）1V电压qe：电子的电荷（库伦）注意原子的电离过程产生带电粒子。第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘16/190气体激励能We(eV)电离能Wi(eV)气体激励能We(eV)电离能Wi(eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6表1-1某些气体的激励能和电离能第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘17/1904.原子的激励与电离的关系原子发生电离产生带电粒子的两种情况：原子吸收了一定的能量，但能量不太高发生激励，跳到更远的轨道再次吸收能量发生电离，产生带电粒子原子吸收直接吸收了足够的能量发生电离，产生带电粒子原子的激励过程不产生带电粒子；原子的电离过程产生带电粒子；激励过程可能是电离过程的基础。⑴激励+电离⑵直接电离第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘18/190二．气体中带电粒子的产生电离所获能量形式不同，带电粒子产生的形式不同⒈光电离光电离——光辐射引起的气体分子的电离过程。发生光电离的条件式中：h—普郎克常数；ν—光子的频率；Wi—气体的电离能，eV；c—光速=3×108m/s；λ—光的波长，m。iihchWW≥或≤光子能量W＝hν注意可见光都不可能使气体直接发生光电离，只有波长短的高能辐射线（例如X射线、γ射线等）才能使气体发生光电离。第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘19/190⒉碰撞电离碰撞电离——由于质点碰撞所引起的电离过程。（主要是电子碰撞电离）电子在电场强度为E的电场中移过x距离时所获得的动能为：式中:m—电子的质量；qe—电子的电荷量212eWmvqEx若W等于或大于气体分子的电离能Wi，该电子就有足够的能量去完成碰撞电离发生碰撞电离的条件eiqExW≥第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘20/190电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离：式中：Ui为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的Wi相等。xi的大小取决与场强E，增大气体中的场强将使xi值减小，可见提高外加电场将使碰撞电离的概率和强度增大。iiieWUxgEE注意碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。主要的碰撞电离均有电子完成，离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘21/190⒊热电离热电离——因气体热状态引起的电离过程。发生热电离的条件式中：k—波尔茨曼常数；（k=1.38×10-23J/K）Wi—气体的电离能，eV；T—绝对温度，K；mi32WkTW≥注意分子热运动所固有的动能不足以产生碰撞电离，20oC时，气体分子平均动能约0.038eV。热电离起始温度为103K（727oC）在一定热状态下物质会发出辐射，热辐射光子能量大，会引起光电离绝对温度和摄氏温度的关系：T绝对=273+T摄氏第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘22/190热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合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，高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘23/190⒋电极表面电离（阴极表面电离）电极表面电离——电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。逸出功——电子从金属表面逸出所需的能量。金属逸出功(eV)金属逸出功(eV)金属逸出功(eV)铝(Al)银(Ag)1.83.1铁(Fe)铜(Cu)3.93.9氧化铜(CuO)铯(Cs)5.30.7逸出功与表1-1相比较，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘24/190电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电子，使其逸出金属正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多①正离子撞击阴极表面②光电子发射（光电效应）第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘25/190当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属表面在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），能使阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响；在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。③热电子发射④强场发射（冷发射）第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘26/190⒌负离子的形成自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果电子碰撞中性的分子或原子发生电离产生自由电子情况一电子碰撞中性的分子或原子能量不足，撞击后反弹回来未产生自由电子情况二电子碰撞中性的分子或原子没发生电离，也没被反弹回来被中性的分子捕捉，成为自己的束缚电子情况三形成了负离子第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘27/190附着——自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子相结合而形成负离子的过程。形成负离子时可释放出能量有些气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等），SF6（绝缘性是空气的3倍，灭弧性是空气的100倍）负离子的形成起着阻碍放电的作用负离子形成过程的特点第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第一章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘28/190三．带电粒子在气体中的运动⒈自由行程长度①带电粒子的运动轨迹当气体中存在电场时，带电粒子将具有复杂的运动轨迹“混乱热运动＋沿着电场作定向漂移”E自由行程长度——带电粒子与气体分子发生第一次碰撞到第二次碰撞所移动的距离。（两次碰撞中未再发生任何碰撞）第二节带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术第