高电压技术课件

第一篇高电压绝缘与试验第一章气体的绝缘强度主要内容1气体放电的主要形式2气体中带电质点的产生和消失3汤逊理论和流注理论4不均匀电场中的放电过程5冲击电压下气隙的击穿特性6影响气体放电电压的因素7提高气体介质电气强度的方法8沿面放电1气体放电的主要形式1.1气体放电的基本概念1.2气体放电的主要形式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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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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常见放电形式辉光放电电晕放电火花放电电弧放电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。2气体中带电质点的产生和消失2.1气体中带电质点的产生2.2气体中带电质点的消失2.1气体中带电质点的产生碰撞电离含义：电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体分子引起电离的过程因素：①外电场强弱；②能量的积累（行经距离x）自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离平均自由行程：众多质点自由行程的平均值比较电子与离子的碰撞电离qExmV221pT/2.1气体中带电质点的产生（续1）条件：Wi为气体分子的电离能注意：即使满足上述条件，不是每次碰撞都能引起电离电子碰撞电离系数：α一个电子在电场力作用下，沿电场方向行经单位距离平均发生碰撞电离的次数，汤逊第一电离系数。离子碰撞电离系数：β一个正离子沿电场方向行经单位距离时平均发生的碰撞电离次数，汤逊第二电离系数。ieeWVm2212.1气体中带电质点的产生（续2）光电离含义：由光辐射引起气体分子电离的过程，光电离产生的电子称为光电子。来源：紫外线、宇宙射线、x射线等；异号带电质点复合成中性质点释放出光子；激励态分子回复到正常态释放出光子条件：热电离本质：气体分子热状态引起的碰撞电离和光电离的综合条件：iWhvimWKTW322.1气体中带电质点的产生（续3）表面电离含义：金属阴极表面发射电子的过程。形式：正离子碰撞阴极光电效应强场发射热电子发射表面电离系数：γ折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面释放出的自由电子数，汤逊第三电离系数。负离子的形成（电子附着系数：η）电子行经单位距离时附着于中性原子的电子数目。2.2气体中带电质点的消失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。带电质点的运动速度b为带电质点在电场中的迁移率电子的迁移率比离子大2个数量级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的性质电子扩散比离子扩散高3个数量级bEvd2.2气体中带电质点的消失（续1）带电质点的复合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。放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之间的复合，参加复合的电子绝大多数是先形成负离子再与正离子复合小结1.气体间隙中带电质点的产生和消失是气体放电的一对基本矛盾，气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位。2.强电场下，气体中带电质点的产生形式可以分为空间电离和表面电离。它们都与外界供给的能量有关，能量的形式主要是电场能、光辐射和热能，而能量的传递靠电子、光子或气体分子的热运动，其传递的过程主要是碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程。小结电子碰撞电离－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负离子的形成－η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带电质点产生带电质点消失气体放电发展过程3汤逊理论和流注理论3.1汤逊理论和巴申定律3.2流注理论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气体放电实验的伏安特性曲线非自持放电与自持放电的分界点3.1.1非自持放电和自持放电（续1）实验分析OA段：电流随电压升高而升高AB段：电流仅取决于外电离因素与电压无关BC段：电压升高碰撞电离增强但仍靠外电离维持(非自持)C点后：只靠外加电压就能维持(自持)注意：起始电压U0（非自持→自持）均匀场：击穿电压Ub不均匀场：电晕起始电压，气隙仍绝缘，UbU03.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论电子崩光电离→初始电子→电子个数2－4－8…2n→电子崩→产生的正离子撞击阴极发生表面电离→新的电子→(如果去掉外电离因素)仍有后继电子→放电自持3.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论α、β、γ过程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个新电子即这就是包括起始电子在内的电子崩中的电子数，即为电子崩发展规律，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。dxndndenn03.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论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γ过程这些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，即若表示由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。1de)1(de1)1(de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)逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据1ln1)1(ded3.1.3巴申定律根据自持放电条件，导出击穿电压的表达式A、B是与气体种类有关的常数，u0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。)(])11ln()(ln[)(pdfpdApdBub3.1.3巴申定律巴申定律的U型曲线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）bpUd电离概率电子自由行程碰撞次数一定bdUdUEp电离概率碰撞次数一定)/(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·cm3.2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3.2.1空间电荷对电场的畸变(1)电子崩崩头集中着电子，其后是正离子，形状似半球形锥体；(2)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；(3)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；(4)这些光子将导致空间光电离。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(b)初崩发展到阳极，电子中和，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(c)光电离产生二次电子，在加强的局部电场作用下形成二次崩(d)二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部又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(e)流注头部电离过程迅速发展，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(f)流注通道贯通，气隙击穿注意：流注速度为108~109cm/s，而电子崩速度为107cm/s3.2.2高气压下均匀电场自持放电的流注理论（续2）流注理论认为：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足以使原电场明显畸变，大大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。自持放电条件：201lnd3.2.3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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。因此，我们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4不均匀电场中的放电过程4.1电场不均匀程度的划分4.2稍不均匀电场中的击穿过程4.3极不均匀电场中的击穿过程4.1电场不均匀程度的划分球隙的放电特性与极间距离的关系1-击穿电压2-电晕起始电压3-放电不稳定区4.1电场不均匀程度的划分（续1）电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压之间的差别越大从放电观点看：电场的不均匀程度可以根据是否存在稳定的电晕放电来区分；从电场均匀程度看：可用电场的不均匀系数划分，f2时为稍不均匀电场；f4时为极不均匀电场。avEEfmax4.2稍不均匀电场中的击穿过程稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场相似，属于流注击穿，击穿条件就是自持放电条件，无电晕产生但稍不均匀电场中场强并非处处相等，