1-气体击穿理论

高压电气设备绝缘预防试验及电气设备状态检修参考教材：电力系统状态检修技术气体击穿理论气体介质是电力系统和电气设备中常用的绝缘介质。如：空气、CO2、N2、SF6、混合气体等。当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力，从而造成事故。为了能正确构成气体绝缘，就需要了解气体中的放电过程。本章着重介绍气体击穿的一些理论分析，如：带电质点的产生、运动和消失的规律；气体击穿过程的发展等。气体绝缘要解决的主要问题：如何选择合适的绝缘距离；如何提高气体间隙的击穿电压。影响气体击穿的主要因素：电场分布电压种类气体状态第一节气体放电主要形式什么是气体放电：气体中出现电流的各种形式统称为气体放电。处于正常状态并隔绝各种外电离因素作用的气体是完全不导电的。气体中存在少量带电质点（紫外线、宇宙射线作用，500-1000对/立方厘米正、负离子），在电场作用下，带电质点沿电场方向运动，形成电流，所以气体通常并不是理想绝缘介质。由于带电质点极少，气体的电导也极小，仍为优良的绝缘体。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。击穿电压：气体击穿的最低临界电压称为击穿电压。击穿场强：气体发生击穿时的电场强度称为击穿场强。击穿：当提高气体间隙上的外施电压而达一定数值后，电流突然剧增，从而气体失去绝缘性能。气体这种由绝缘状态突变为良导电态的过程，称为击穿。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：1、辉光放电2、电弧放电3、火花放电4、电晕放电气体放电形式当气体压力不大、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出现发光现象。这种放电形式称为辉光放电。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。1、辉光放电注意：辉光放电仅仅发生在气压较低的情况下随着外回路中的阻抗减小，电流增大。当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，这时的放电形式称为电弧放电。电弧放电的特点：电流密度很大，管端电压很低，具有短路的特性。2、电弧放电在较高气压（例如大气压力）下，气体击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间，称为火花放电。3、火花放电两种情况：（1）当外回路中阻抗很大：（2）当外回路阻抗很小、电源功率足够大：（1）当外回路中阻抗很大：电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花。火花间断的原因，回路阻抗很大，限制了放电电流，间隙击穿后形成火花，电流突增，结果外回路中阻抗上压降增加，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，回路中电流减小，阻抗上压降又降低，放电间隙上电压重又增加，使间隙重又击穿而再形成火花。如此周而复始，形成断续的火花放电。（2）当外回路阻抗很小、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。随着电压升高，在电极附近电场最强处出现发光层；随着电压继续升高，发光层逐渐扩大，放电电流也逐渐增大。这种放电称为电晕放电。4、电晕放电发生电晕放电时，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。如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状放电；电压再升高，最后整个间隙才被击穿，根据电源功率的大小而转为电弧放电或火花放电。第二节带电质点的产生气体分子的电离和金属的表面电离在电场作用下气体间隙中能发生放电现象，说明其中存在大量带电质点。这些带电质点的产生及消失决定了气体中的放电现象。因此在分析气体击穿的规律前，首先讨论在气体空间和从金属电极产生带电质点的一般规律。一、原子的激励和电离二、气体中质点的自由行程三、气体中带电质点的产生四、金属的表面电离一、原子的激励和电离（一）原子的能级原子结构：电子具有确定的能量（位能和动能），通常轨道半径越小，能量越小；电子的能量只能取一系列不连续的确定值（量子化）；原子的位能（内能）取决于其中电子的能量，当各电子具有最小的能量，即位于离原子核最近的各轨道上时，原子的位能最小；正常状态下原子具有最小位能。当电子从其轨道跃迁到标志着能量更高的离原子核较远的轨道上时，原子的位能也相应增加，反之亦然。（一）原子的能级能级：根据其中电子的能量状态，原子具有一系列可取的确定的能量状态，称为原子的能级。电子伏（eV）：微观系统中的能量单位为电子伏；1eV的能量相当于一个电子在电场作用下行经1V电位差所获得的能量。电子的电荷为1.610-19C。所以：激励：在外界因素作用下，原子中的电子从较低能级跃迁到较高能级的过程。激励能We：发生激励过程所需要的能量称为激励能。激励电位Ue：以电子伏表示的激励能（二）原子的激励原子处在激励状态的平均“寿命”通常大致只有10-7—10-8s数量级，然后就自发地迅速恢复到正常状态。原子由较高激励能级跃迁至较低激励能级时将以光子的形式释放出能量。光子（光辐射）的频率由下式决定，即：亚稳激励状态：原子处于亚稳激励状态时极不容易直接恢复到正常状态（直接跃迁的概率极小），一般必须先从外界获得能量跃迁到更高能级后，才能恢复到正常状态。原子处于亚稳状态的平均寿命较长，可达10-4—10-2s数量级。h：普朗克常数：辐射电磁波的频率（三）原子的电离原子的电离：原子在外界因素作用下，使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称为原子的电离。电离能Wi：电离过程所需要的能量称为电离能。同样，电离能也可以用电离电位Ui来表示分级电离：原子先经过激励阶段（通常是亚稳激励状态），然后接着发生电离的情况称为分级电离。显然这时所需外来能量小于使原子直接电离所需的能量。（一）平均自由行程质点的自由行程：一个质点在相继两次碰撞之间自由地通过的距离称为自由行程。平均自由行程：质点自由行程的平均值。在气体放电中碰撞过程是产生带电质点极重要的来源。电子在其自由行程内从外电场获得动能，如外电场足够强，则电子的动能可达甚大数值，以致在和分子碰撞时能使后者分裂出自由电子。这样能不断引起电子增殖，从而导致气体间隙击穿。显然，电子从电场中获得的能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关。二、气体中质点的自由行程气体中电子和离子的自由行程是指它们和气体分子发生碰撞时的行程，带电质点自身相互间的碰撞可以忽略不计。电子的尺寸及质量比分子和离子小得多，运动中不易发生碰撞，所以电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多。质点的平均自由行程同气体分子的数密度成反比，而气体的分子数密度和该气体的密度成正比，于是可得：即质点的平均自由行程和气体的压力p成反比，和气体的绝对温度T成正比。关于自由行程需要注意的两个问题（二）自由行程的分布规律质点的自由行程大于x的概率，也就是质点行过x距离后尚未发生碰撞的概率为：可见自由行程越长的质点出现的机会越小，并按指数规律衰减。（一）碰撞电离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。气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分子碰撞而引起的。（不考虑离子）引起碰撞电离的必要条件：三、气体中带电质点的产生气体分子的电离：碰撞电离；光电离；热电离（二）光电离光电离：光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离。光子的能量决定于光的频率：引起光电离的必要条件：光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为：0;iicWeU（）在各种气体或金属蒸气中，铯的电离电位最低，等于3.88V，它的光电离临界波长为318nm，相当于紫外线的范围。因此对所有气体来说，在可见光（400-750nm）作用下，一般是不能直接发生光电离的。光电离产生方式：紫外线、宇宙射线照射；带电质点的复合；（三）热电离热电离：由分子热运动引起的气体分子的电离。气体分子的平均动能和气体温度的关系为：从本质上说，热电离和前述碰撞电离及光电离是一致的，都是能量超过临界数值的质点或光子碰撞分子，使之发生电离，只是直接的能量来源不同罢了。负离子的形成：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。能够在电子碰撞过程中形成负离子气体，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（四）负离子的形成四、金属的表面电离表面电离：电子从金属表面逸出的过程称为表面电离。逸出功：使金属释放出电子同样也需消耗一定能量，称为逸出功（逸出功和金属的微观结构、表面状态有关，不同金属的逸出功也各异）。（一）正离子碰撞阴极逸出的电子中有一个和正离子结合成为原子，其余的就成为自由电子。所以正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子。（二）光电效应光电效应：金属表面受到光的照射放射出电子，这种现象称为光电效应。金属表面电离的主要形式：正离子碰撞阴极；光电效应；场致发射；热电子放射（三）场致发射热电子放射场致发射（冷发射）：在阴极附近加以很强的外电场使阴极放射出电子，称为场致发射或冷发射。由于场致发射所需外电场极强，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）（四）热电子放射热电子放射：阴极达到很高温度时，其中电子可获得巨大动能而逸出金属，称为热电子放射。第三节带电质点的消失三种方式：1、带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于电极（造成电流）；2、带电质点的扩散；气体的扩散：造成扩散的原因是气体分子的热运动。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。气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱3、带电质点的复合带电质点的复合：正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和，并还原为原子或分子的过程称为复合。带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素第四节均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体的击穿：汤逊气体放电理论；流注理论。这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象。一、非自持放电和自持放电非自持放电：去掉外电离因素的作用后放电随即停止，则这种放电称为非自持放电。自持放电：能仅由电场的作用而维持的放电称为自持放电。图2-5气体放电试验电路示意图图2-6气体放电过程中电流与电压的关系图2-5气体放电试验电路示意图图2-6气体放电过程中电流与电压的关系OA段：随着电压升高，带电质点运动速度加大，电流增大；AB段：当电压升高到UA附近，电流趋于饱和。电离产生的带电质点已全部落入电极，故电流便取决于外电离因素而和电压无关。饱和电流密度数值极小（在10-19A/cm2数量级），气体间隙仍处于良好绝缘状态。放电过程：紫外线照射下，两平行平板电极间产生带电质点；电压作用下，带电质点沿电场方向运动，回路中出现电流。BC段：当电压增加到UB附近，又出现电流的增长。间隙中出现电子的碰撞电离，产生电子崩。电压升高到某临界值U0，电流急剧增加，气体间隙转入良好的导电状态，并伴随着明显的外部特征：发光、发声等。间隙击穿。电压小于U0：非自持放电。间隙内虽有电流，但其数值甚小，通常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚未被破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，电流也将消失。电压大于U0：自持放电。气体中电离过程只靠电场的作用已可自行维持，而不再继续需要外电离因素了。U0称为放电起始电压。二、汤逊气体放电理论20世纪初汤逊根据大量实验事实，提出了比较系统的气体放电理论，阐述了放电中的过程。实验表明，汤逊理论虽然只是对pd较小时的放电比较适用，但其中描述的基本过程具有普遍意义。（一）过程引起的电流1、电子崩的形成电子蹦2、过程引起的电流：电子电离系数，代表一个电子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。设每