气体的绝缘强度

第一篇高电压绝缘与试验第一章气体的绝缘强度2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不均匀电场长空气间隙的放电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31气体放电的主要形式41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51.1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61.1气体放电的基本概念气体放电：气体中流通电流的各种形式；气体击穿：气体由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。71.1气体放电的基本概念这里所研究的气体是指高压电气设备中常用的空气、N2、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。气体具有自恢复特性81.1气体放电的基本概念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。91.2气体放电的主要形式注意：电晕放电、刷状放电时气隙未击穿，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火花放电电弧放电2气体中带电质点的产生和消失112.1气体中带电质点的产生2.2气体中带电质点的消失122.1气体中带电质点的产生气体原子的激发和电离激发电子向高一能级轨道的跃迁。电离如果气体原子从外部获得足够大的能量，使外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。失去电子的原子就成带正电的离子，称为正离子。此过程就称为电离。分级电离：先经过激发再产生电离的过程。电离能产生电离需要的能量。132.1气体中带电质点的产生施加能量施加能量自由电子分级游离激发施加能量激发施加能量WWi自由电子光子气体原子的激发和电离142.1气体中带电质点的产生电子要脱离原子核的束缚成为自由电子,则必须给予其能量。能量来源的不同带电质点产生的方式就不同。因此，根据电子获得能量方式的不同，带电带电质点产生的方式可分为以下几种。152.1气体中带电质点的产生（一）碰撞电离–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（移动距离的大小）。qExmV221电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为:m:电子的质量V:电子运动速度E:外电场强度x:电子移动距离带电质点产生的方式162.1气体中带电质点的产生即使满足上述条件，不是每次碰撞都能引起电离。ieeWVm221Wi为气体分子的电离能碰撞电离条件当电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的电离能时，就可能使气体分子分裂为电子或正离子，即172.1气体中带电质点的产生–由光辐射引起气体分子电离的过程，称为光电离。–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：iWhv（二）光电离iWhch：普朗克常数；C：光速υ：光频率；λ：光波长；或182.1气体中带电质点的产生（三）热电离气体分子高热状态引起的碰撞电离过程，称为热电离。条件：imWKTW32常温下，气体分子发生热电离概率极小。气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度。当T10000K时才需考虑热电离；当T20000K时，几乎全部的分子都处于热电离状态空气电离度m和温度T的关系192.1气体中带电质点的产生–金属阴极表面发射电子的过程。–形式：•正离子碰撞阴极表面；•光电效应；•强场发射；•热电子发射；（四）表面电离202.1气体中带电质点的产生（五）负离子的形成附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。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。负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。212.1气体中带电质点的产生2.2气体中带电质点的消失222.2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的过程，称为带电质点的扩散。电子扩散比离子扩散高3个数量级232.2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。（三）带电质点的复合24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。25气体放电发展过程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3汤逊理论和流注理论273.1低气压均匀电场下的汤逊理论和巴申定律283.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论一、气体放电实验及伏安特性曲线气体中电流和电压的关系伏安特性曲线测定气体中电流的回路示意图293.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论在曲线OA段，I随U的提高而增大。而且电流随电压按正比增长。气体放电伏安特性303.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论在曲线AB段，当电压UBUUA时，电流I0趋向于饱和。电流的大小仅取决于电离因素的强弱（光照射）而与所加电压无关。气体放电伏安特性313.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论在BC段:当电压提高到U0UUB时，电流又开始随电压的升高而增大。电流随电压的增加按指数规律增长。气体放电伏安特性323.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论在C点以后:电压UU0时，电流急剧增加。气体间隙击穿。而且无需外电离因素（光照射）就能维持间隙的放电过程气体放电伏安特性333.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论实验分析当UU0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：电压升高电流增强但仍靠外电离维持(非自持放电阶段)当UU0C点后：电流急剧增加，只靠外加电压就能维持(自持放电阶段)343.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论非自持放电：如果取消外电离因素，气体的放电过程就会停止，那么电流也将消失。这类依靠外电离因素和外电场因素共同作用而维持的放电。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。非自持放电与自持放电的分界点353.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论二、电子崩的形成(a)电子崩的形成(b)带电离子在电子崩中的分布为什么？电子数目将按2、4、8…2n的指数规律增长363.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论电子崩的发展过程也称为α过程α----电子碰撞电离系数：一个电子在电场力作用下，沿电场方向行经单位距离（1cm）平均发生碰撞电离的次数，汤逊第一电离系数。373.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论均匀电场中的电子崩计算模型α过程dn0xndxN-dn383.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论从而可得n0个电子，从阴极出发在电场的作用下，经距离d，到达阳极时由碰撞电离产生的电子数（用N－表示）00ddxNne研究表明：对均匀电场而言，α为常数，电子数N－：000xdxdNnene根据碰撞电离系数的定义：dxndn分离变量并积分之，可得：00xdxnne393.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论上式等号两侧乘以电子的电荷qe，即得电流关系式：表明：电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大。因为一旦除去外界电离因素(令)，放电就会停止。---非自持放电阶段仅有α过程不能维持放电的自持。403.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论β过程β过程在气体电离过程中起的作用很小。造成碰撞电离的主要因素是电子。β----正离子碰撞电离系数一个正离子沿电场方向行经单位距离（1cm）时平均发生的碰撞电离次数。汤逊第二电离系数。413.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论γ--表面电离系数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。γ过程空间电离表面电离423.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论由外电离因素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n0个电子消失在阳极前，由α过程形成的正离子数。0(1)dne433.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论正离子消失在阴极时，由γ过程（表面电离）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(或更多)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。如果443.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论自持放电条件（击穿条件）1(1)1lnded如自持放电条件满足时，放电过程就如下图所示循环453.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论表电极空间及气体间隙中碰撞电离发展过程阴极表面气体间隙中阳极表面第1周期第2周期第3周期：：1个电子逸出个电子逸出个电子逸出：：形成个正离子形成个正离子形成个正离子：：个电子进入个电子进入个电子进入：：(1)dede)1(de2(1)de(1)ddee22(1)de23(1)de22(1)ddee463.1.1低气压均匀电场下的汤逊理论电子碰撞电离是气体电离的主要原因；正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件。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。汤逊理论的主要内容473.1.2低气压均匀电场下巴申定律均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系巴申定律：描述了气体的击穿电压Ub与pd的关系曲线（亦即Ub与的关系曲线）d（1）击穿电压不仅由间隙距离d决定，而且也是pd的函数；（２）击穿电压不是pd的单调函数，而是U曲线，存在击穿电压的极小值；（3）不同气体，其巴申曲线上的最低击穿电压不同，对应的pd值也不同；48)(])11ln()(ln[)(pdfpdApdBub式中，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=气隙击穿电压。3.1.2低气压均匀电场下巴申定律1lndexp()BAE击穿电压汤逊理论的自持放电条件电子碰撞电离系数的表达式493.1.2低气压均匀电场下巴申定律巴申定律汤逊理论503.1.2低气压均匀电场下巴申定律巴申曲线的右半支：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)/(巴申曲线的左半支bpUd电离概率电子自由行程碰撞次数一定513.1.2低气压均匀电场下巴申定律•由巴申曲线可知，当极间距离d不变时提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压，这一结论已被工程广泛使用．•高气压、高真空都可以提高击穿电压，工程上已得