第1章-1.1气体放电的基本物理过程

高电压工程第1章气体的绝缘强度1.1气体放电的基本物理过程（用微观概念来解释宏观现象）1.2影响气体放电的因素1.3沿面放电第1章气体的绝缘强度气体绝缘耐受电压的能力气体放电高电压工程第1.1节气体放电的基本物理过程1.1.1带电粒子的产生与消失1.1.2汤逊理论和巴申定律1.1.3流注理论1.1.4不均匀电场中放电的极性效应（用微观概念来解释宏观现象）第1章气体的绝缘强度2概念电介质：电阻率极高、不导电的物质，又称为绝缘体。（电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着，因此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下，这些电荷也只能在微观范围内移动，产生极化。在静电场中，电介质内部可以存在电场，这是电介质与导体的基本区别。常见的电介质，如空气、玻璃、橡胶、云母片、胶木、植物油等。）高压电气设备中的绝缘介质，按物质形态分为：气体电介质、液体电介质、固体电介质。电气设备的绝缘分为内绝缘和外绝缘概念击穿：电介质（绝缘体）在电场的作用下发生剧烈放电或导电的现象叫击穿。绝缘强度：绝缘本身耐受电压的能力，一般用绝缘发生击穿时作用在绝缘材料上的临界电压值来表示。电力设备的绝缘强度用击穿电压表示；而绝缘材料的绝缘强度则用平均击穿电场强度。气体放电：气体电介质的击穿现象。干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。这时如果在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。研究气体放电的目的：了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程掌握气体介质的电气强度及其提高方法气体放电问题的基本现状•空气是最廉价的绝缘材料，用之不尽；•影响因素的多样性、随机性，难以精确计算气体放电过程；•气体击穿理论相对完整；•分析气体击穿仍是绝缘分析的基础。•辉光放电：充溢电极空间，电流密度小1-5mA/cm2,正伏安特性，绝缘状态；（节日的彩灯）•电晕放电：高场强附近出现发光薄层，通道仍是绝缘状态；•刷状放电：电晕极伸出细亮断续放电通道，通道未击穿；•火花放电：贯通两极细亮断续放电通道，间歇击穿；•电弧放电：持续贯通两极细亮放电通道，完全击穿；（闪电）气体放电的主要形式气体放电的起因？气体是由气体分子组成的，气体中气体分子是由正电的原子核和围绕原子核高速旋转的外层电子组成。由于原子所带正、负电荷相等，故正常情况呈中性。正常情况下，气体中自由电荷个数极少，气体是良好绝缘体（但其中仍有少量的带电质点）。在电场作用下，这些带电质点作定向运动而形成电导电流。因此，气体不是理想的绝缘体，不过，当电场较弱时，带电质点数极少，电流极小，气体仍是良好的绝缘体。气体放电：气体电介质的击穿现象。如果在气体中安置两个电极并加上电压，当气体中存在一定的自由带电粒子时，就有电流通过气体，它就变为带电的导体，这个现象称为气体放电。概念：游离(电离)与激励•激励：当外界给予原子一定的能量使内层电子获得能量不能脱离原子核的束缚，只能跃迁到标志着能量更高的、离原子核较远的轨道上去时，该原子就处于激励状态，原子的位能也增加，这一过程叫激励，所需的能量称为激励能。•游离：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游离（电离），原子从中性质点成为游离状态须吸收能量。电离可一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式。处于激励状态的原子，也可再获得能量发生游离，称为分级游离，其所需能量小于直接游离所需的能量。气体激励能(V)电离能(V)N26.115.5O27.912.5CO210.013.7SF66.815.6H2O7.612.71.1.1带电粒子的产生与消失1.1.1气体中带电粒子的产生与消失(一)气体中带电粒子的产生1、气体中电子与正离子的产生（3）热电离32WkT波尔茨曼常数1.38×10-23J/K热力学温度（1）碰撞电离212imveExWiUxE条件：（2）光电离Wh普朗克常数6.63×10-34J·sihcW条件：光子的频率仅考虑当T10000K时的热电离2、金属电极表面游离——电子逸出一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3（1）正离子撞击阴极（2）光电子发射（3）强电场发射（4）热电子发射3、气体中负离子的形成电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。元素电子亲合能（eV）电负性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。1、带电质点的中和带电质点在电场作用下作定向运动，流入电极，中和电荷2、带电质点的扩散带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。3、带电质点的复合带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。(二)气体中带电质点的消失电离与复合作用的关系带电质点的产生：电离过程吸收能量，产生电子等带电质点，促进放电过程发展，电气强度降低，不利于绝缘；带电质点的消失：复合过程释放能量，使带电质点减少消失，阻碍放电过程的发展，有利于保持绝缘强度。两种过程在气体放电过程中同时存在，条件不同，强弱程度不同：电离主要发生在强电场、高能量区；复合主要发生在低电场、低能量区。带电质点复合过程的光辐射效应，在一定条件下也会成为二次电离的条件。1.1.2低气压下均匀电场的自持放电的汤逊理论与巴申定律汤逊电子崩理论：1903年英国物理学家提出气体放电理论，尽管适用范围有限，但对放电机理的阐述具有普遍意义，至今仍是放电物理的基础理论。外加电压很小时，气隙中的电流是由外界光电离因素造成。OA段线性，AB段饱和，良好绝缘状态，电流很小。BC段急剧上升。放电的电子崩阶段非自持放电和自持放电的不同特点电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）??原因外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间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。自持放电起始电压非自持放电和自持放电的不同特点电流随外施电压的提高而增大原因：带电质点向电极运动的速度加快，复合减弱，电流增加电流饱和原因：带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）电流开始增大原因：形成电子崩，是由于电子碰撞电离引起的电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）原因：形成自持放电外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间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(撤掉光照射)。自持放电起始电压重要概念非自持放电：电压小于U0时，取消外电离因素，间隙电流消失。自持放电：电压大于U0时，取消外电离因素，间隙电流靠电场作用能自行维持。电子崩：场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，如雪崩状发展过程，电流急剧增加。U0为击穿电压。电子碰撞电离系数α：一个电子由阴极到阳极行程中，每１cm路程与气体质点发生碰撞电离平均次数。即：单位行程内因碰撞电离而产生的自由电子数。正离子碰撞电离系数β：可忽略。阴极表面碰撞电离系数γ：单个正离子撞击阴极平均发射出的自由电子数。电子崩的形成（BC段电流剧增原因）ddnnx0d0exxnnddnxn0ednn00(e1)dnnnn电子碰撞电离系数α：代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。0exnn电子崩内电子数的计算γ过程与自持放电条件一个电子从阴极到阳极因电子崩形成正离子数为ead-1正离子撞击阴极形成二次自由电子数为γ(ead-1)，若它等于1，意味着阴极产生原电子的一个后继电子替身，使放电得以自持。自持放电条件pd值较小的情况（汤逊）（1）汤逊自持放电判据(e1)1de1d1lnd（2）气体击穿的巴申定律b1elnBpdUApdbln1lnBpdUApdb()Ufpd（3）气体密度对击穿的影响b()UFdss2.9TpppTT汤逊放电理论的适用范围研究表明：汤逊理论能解释低气压、pd较小时的放电现象；当pd过小或过大时，放电机理变化，不适用。pd过大时，汤逊理论无法解释许多实验现象。pd过大时（大气压下）难以假释的现象：•放电外形：出现放电分支细通道，非充满放电空间。•放电时间：低气压下汤逊理论的计算值与实验符合，高气压下计算值远大于实测值。•击穿电压：pd大时，计算值与实验值差别大。•阴极材料的影响：汤逊放电及击穿电压与阴极材料有关，而高气压下间隙击穿电压基本与电极材料无关pd值较大的情况（流注）实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。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使原电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾处的电场。电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。二次电子的主要来源是空间的光电离。（1）流注的形成条件1.1.3流注理论流注放电理论要点•适用范围：在高气压下（Pd大），当外施电压等于击穿电压时，光电离强烈，电子崩（汤逊放电）转入流注放电。•发展过程：电子崩发展到足够的程度后，其空间电荷足以使原电场严重畸变，大大加强崩头和崩尾电场，引发强场光子发射。另外，电子崩中电荷密度非常大，弱场区复合过程频繁，放射出的光子重新引起光电离。有效电子(经碰撞游离)-----电子崩(畸变电场)-----发射光子(在强电场作用下)-----产生新的电子崩(二次崩)-----形成混质通道(流注)-----由阳极向阴极(阳极流注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿.•强调：不均匀的空间电荷分布对电场畸变的作用,空间碰撞电离和光电离是形成自持放电的主要原因。•适用范围：高气压、均匀、不均匀电场中的放电过程。还较为粗糙，存在假说成分。（2）流注自持放电条件（即形成流注的条件）e1d1lnd1ln20d对于空气间隙：汤逊放电理论与流注放电理论的比较：流注理论可以解释汤逊理论无法说明的pd值大时的放电现象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系1.1.4不均匀电场中气体放电的特点稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压放电过程不稳定，分散属于过渡区maxaEfE电场不均匀系数：aUEd1.1.4不均匀电场中的放电过程28电场的不均匀系数：maxaveEEkKe2，稍不均匀电场（GIS）Ke4，极不均匀电场（输电线）几种典型电极结构示意图1、同心球2、球－平板3、球－球4、同轴圆柱5、圆柱－平板6、圆柱－圆柱7、曲面－平面8、曲面－曲面下面给出几种典型的电极结构:30电晕放电：在电场极不均匀时，随间隙上所加电压的升高，在大曲率电极附近很薄一层空气中将具备自持放电条件，放电仅局限在大曲率电极