22均勻電場中其他的擊穿過程簡ppt課件

1、 高壓電氣絕緣與測試高壓電氣絕緣與測試電氣電氣0929-0931班班任課教師任課教師 羅旖旎羅旖旎第二節(jié)第二節(jié) 均勻電場中氣體的擊穿過程均勻電場中氣體的擊穿過程電子崩的形成過程電子崩的形成過程湯遜理論湯遜理論流注理論流注理論所謂均勻電場，就是在電場中，電場強度處處相所謂均勻電場，就是在電場中，電場強度處處相等，如兩個平行平板電極的電場當然還要考慮等，如兩個平行平板電極的電場當然還要考慮邊緣效應），如下圖。邊緣效應），如下圖。平行平板電極的電場平行平板電極的電場氣體放電的現(xiàn)象與發(fā)展規(guī)律與氣體種類、氣壓大氣體放電的現(xiàn)象與發(fā)展規(guī)律與氣體種類、氣壓大小、氣隙中的電場形式、電源容量等一系列因素小、氣隙中

2、的電場形式、電源容量等一系列因素有關。有關。但無論何種氣體放電都一定有一個電子碰撞游離但無論何種氣體放電都一定有一個電子碰撞游離導致電子崩的階段，它在所加電壓達到一定數(shù)值導致電子崩的階段，它在所加電壓達到一定數(shù)值時出現(xiàn)。時出現(xiàn)。一、一、 較小時的氣體放電過程較小時的氣體放電過程*氣體放電的湯遜理論氣體放電的湯遜理論*1、電子崩的形成及發(fā)展規(guī)律、電子崩的形成及發(fā)展規(guī)律各種高能輻射線外界游離因素引起：各種高能輻射線外界游離因素引起：陰極表面光電離陰極表面光電離氣體的空間光電離氣體的空間光電離 因此，空氣中存在一定濃度的帶電質點。因此，空氣中存在一定濃度的帶電質點。d電子崩的產生電子崩的產生 外界游

3、離因素在陰極附近外界游離因素在陰極附近產生了一個初始電子，如產生了一個初始電子，如果空間電場強度足夠大，果空間電場強度足夠大，該電子在向陽極運動時就該電子在向陽極運動時就會引起碰撞游離，產生一會引起碰撞游離，產生一個新的電子，初始電子和個新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運動，新電子繼續(xù)向陽極運動，又會引起新的碰撞電離，又會引起新的碰撞電離，產生更多電子。產生更多電子。 依此，電子將按照幾何級數(shù)不斷增多，類似雪崩依此，電子將按照幾何級數(shù)不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為電似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為電子崩。子崩。 （1 1碰撞游離系數(shù)碰撞游離系數(shù) ：一個電

4、子沿著電場方向走向：一個電子沿著電場方向走向陽極陽極1cm1cm路程中所發(fā)生的平均碰撞游離次數(shù)。路程中所發(fā)生的平均碰撞游離次數(shù)。 與氣體的種類、相對密度和電場強度有關。與氣體的種類、相對密度和電場強度有關。 （2 2陰極表面游離系數(shù)陰極表面游離系數(shù) (gama) (gama)：一個正離子撞擊：一個正離子撞擊陰極表面時從陰極平均逸出的自由電子數(shù)。陰極表面時從陰極平均逸出的自由電子數(shù)。 （3 3正離子碰撞游離系數(shù)正離子碰撞游離系數(shù) ：一個正離子沿電場方：一個正離子沿電場方向行進的過程中，在向行進的過程中，在1cm1cm路程中發(fā)生的平均碰撞游離的次路程中發(fā)生的平均碰撞游離的次數(shù)。數(shù)。值極小，在分析時

5、可予忽略。在電場作用下，正離值極小，在分析時可予忽略。在電場作用下，正離子向陰極運動，由于它的平均自由行程較短，不易積累動子向陰極運動，由于它的平均自由行程較短，不易積累動能，所以很難使氣體分子發(fā)生碰撞游離。能，所以很難使氣體分子發(fā)生碰撞游離。初始電子數(shù)為初始電子數(shù)為n0 x處時，電子數(shù)已增加到為處時，電子數(shù)已增加到為n，n個電子在個電子在dx的距離中又會產生的距離中又會產生dn個新電子個新電子兩邊積分，考慮兩邊積分，考慮x=0，n=n0，得，得均勻電場中，均勻電場中，a值不隨值不隨x變化變化n0=1，x=d得：到達陽極的電子數(shù)為：得：到達陽極的電子數(shù)為：deden即一個電子走完全程后到達陽極

6、時電子數(shù)為即一個電子走完全程后到達陽極時電子數(shù)為 個。新增電子數(shù)為個。新增電子數(shù)為1de正離子數(shù)正離子數(shù)2、表面游離過程及自持放電、表面游離過程及自持放電電子崩進入陽極中和，正離子撞擊陰極表面出來的電子崩進入陽極中和，正離子撞擊陰極表面出來的電子與正離子中和，表面未游離出新電子來發(fā)展電子與正離子中和，表面未游離出新電子來發(fā)展電子崩，如果此時去掉外界游離因素，放電停止。電子崩，如果此時去掉外界游離因素，放電停止。須依賴外界游離因素才能維持的放電為非自持放電。須依賴外界游離因素才能維持的放電為非自持放電。外界游離因素消失，放電會停止。外界游離因素消失，放電會停止。若氣隙上電場足夠大，初始電子崩中的

7、正離子在陰若氣隙上電場足夠大，初始電子崩中的正離子在陰極上產生出來的新電子可以彌補原來發(fā)展電子崩極上產生出來的新電子可以彌補原來發(fā)展電子崩的電子，即使沒有外界游離因素的作用，放電也的電子，即使沒有外界游離因素的作用，放電也不會停止，這就變成了自持放電。電子崩可僅由不會停止，這就變成了自持放電。電子崩可僅由外電場的作用而自行維持和發(fā)展。外電場的作用而自行維持和發(fā)展。自持放電的條件：只要至少撞擊出一個自由電子，自持放電的條件：只要至少撞擊出一個自由電子，放電便可轉入自持。放電便可轉入自持。11 de起始電壓U0（非自持自持）均勻場：擊穿電壓Ub不均勻場：電暈起始電壓，氣隙仍絕緣，UbU0如果自持放

8、電條件滿足時，會形成下圖的閉環(huán)部分：如果自持放電條件滿足時，會形成下圖的閉環(huán)部分：3、巴申定律、巴申定律當氣體和電極材料一定時，氣隙的擊穿電壓是氣當氣體和電極材料一定時，氣隙的擊穿電壓是氣體的相對密度體的相對密度和氣隙距離和氣隙距離 d 乘積的函數(shù)，即：乘積的函數(shù)，即：上式所示規(guī)律在湯遜理論提出之前就由物理學家上式所示規(guī)律在湯遜理論提出之前就由物理學家巴申從實驗中得出，稱為巴申定律。巴申從實驗中得出，稱為巴申定律。dfUb即對應于某一即對應于某一 d d ，空氣間隙的擊穿電壓最低。，空氣間隙的擊穿電壓最低。即即UbUb具有極小值。具有極小值。圖1-7均勻電場中空氣的巴申曲線由巴申曲線可知，當極

9、間距離由巴申曲線可知，當極間距離d d不變時，提高氣壓不變時，提高氣壓或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓，或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓，這一概念具有十分重要的實用意義。這一概念具有十分重要的實用意義。圖1-7均勻電場中空氣的巴申曲線SF6斷路器斷路器真空斷路器真空斷路器4、湯遜理論的不足、湯遜理論的不足 湯遜理論湯遜理論 d較小時在實驗的基礎上建立的，當較小時在實驗的基礎上建立的，當 d 較大時（較大時（ d 0.26cm此理論不適用了，此理論不適用了，一些實驗現(xiàn)象無法解釋：一些實驗現(xiàn)象無法解釋：低氣壓：輝光放電低氣壓：輝光放電大氣壓：看見放電通道：細、亮堂、分支大氣壓：

10、看見放電通道：細、亮堂、分支放電時間放電時間大氣壓下放電時間比湯遜計算的更短大氣壓下放電時間比湯遜計算的更短陰極材料陰極材料湯遜：靠電子碰撞金屬表面來自持放電，金屬不同逸湯遜：靠電子碰撞金屬表面來自持放電，金屬不同逸出功不同，電場能量不同，放電電壓與材料有關。出功不同，電場能量不同，放電電壓與材料有關。大氣壓：擊穿電壓與陰極材料無關。大氣壓：擊穿電壓與陰極材料無關。二、二、 較大時的氣體放電過程較大時的氣體放電過程*氣體放電的流注理論氣體放電的流注理論*流注的形成過程流注的形成過程流注的條件流注的條件（自持放電的條件（自持放電的條件/間隙擊穿的條件）間隙擊穿的條件）d空間電荷對電場的畸變空間電

11、荷對電場的畸變(a)(a)電子崩形狀似圓形錐體。電子崩形狀似圓形錐體。(b)(b)空間電荷濃度分布極不均勻，空間電荷濃度分布極不均勻，電子崩頭部聚集大部分正離子和全電子崩頭部聚集大部分正離子和全部自由電子；電子崩內部的電場削部自由電子；電子崩內部的電場削弱了；弱了；(c)(c)空間電荷形成的電場。正離子空間電荷形成的電場。正離子與自由電子接觸地方電場急劇降低。與自由電子接觸地方電場急劇降低。(d) (d) 電子崩頭部電場急劇增大，正電子崩頭部電場急劇增大，正離子與電子接觸部分的電場被減弱，離子與電子接觸部分的電場被減弱，電子崩尾部電場略微加強。電場加電子崩尾部電場略微加強。電場加強的地方容易發(fā)

12、生激發(fā)現(xiàn)象，反激強的地方容易發(fā)生激發(fā)現(xiàn)象，反激發(fā)時釋放大量光子；減弱的部分易發(fā)時釋放大量光子；減弱的部分易發(fā)生復合，釋放光子，引發(fā)新的空發(fā)生復合，釋放光子，引發(fā)新的空間光游離輻射源。間光游離輻射源。1、電子崩空間電荷對電場的、電子崩空間電荷對電場的畸變作用畸變作用電子崩頭部聚集大部分正離電子崩頭部聚集大部分正離子和全部電子，產生了電子和全部電子，產生了電場畸變；場畸變； 在電場很小的區(qū)域，電子和在電場很小的區(qū)域，電子和離子濃度最大，有利于完離子濃度最大，有利于完成復合；成復合； 強烈的復合輻射出許多光子，強烈的復合輻射出許多光子，成為引發(fā)新的空間光電離成為引發(fā)新的空間光電離輻射源。輻射源。光子

13、的數(shù)量和能量取決于電場畸變的程度。當空間電荷數(shù)光子的數(shù)量和能量取決于電場畸變的程度。當空間電荷數(shù)量達到一定數(shù)值時，放射出的光子數(shù)量和能量足以引起空量達到一定數(shù)值時，放射出的光子數(shù)量和能量足以引起空間光游離。間光游離。（1當外加電壓當外加電壓UUb時，可發(fā)展起負流注。時，可發(fā)展起負流注。2、流注的形成和發(fā)展、流注的形成和發(fā)展起始電子發(fā)生碰撞電起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩；離形成初始電子崩；初崩發(fā)展到陽極，正離初崩發(fā)展到陽極，正離子作為空間電荷畸變原子作為空間電荷畸變原電場，加強正離子與陰電場，加強正離子與陰極間電場，放射出大量極間電場，放射出大量光子；光子；光電離產生二次電光電離產生二次電

14、子，在加強的局部子，在加強的局部電場下形成二次崩；電場下形成二次崩；二次崩電子與正空間電二次崩電子與正空間電荷匯合成流注通道，其荷匯合成流注通道，其端部有二次崩留下的正端部有二次崩留下的正電荷，加強局部電場產電荷，加強局部電場產生新電子崩使其發(fā)展；生新電子崩使其發(fā)展；流注頭部電離迅速發(fā)展，流注頭部電離迅速發(fā)展，放射出大量光子，引起放射出大量光子，引起空間光電離，流注前方空間光電離，流注前方出現(xiàn)新的二次崩，延長出現(xiàn)新的二次崩，延長流注通道；流注通道；流注通道貫通，流注通道貫通，氣隙擊穿。氣隙擊穿。-+3、自持放電的條件、自持放電的條件 流注的特點是電離強度很大和傳播速度很快，出流注的特點是電離強

15、度很大和傳播速度很快，出現(xiàn)流注后，放電便獲得獨立繼續(xù)發(fā)展的能力，而現(xiàn)流注后，放電便獲得獨立繼續(xù)發(fā)展的能力，而不再依賴外界電離因子的作用，可見出現(xiàn)流注的不再依賴外界電離因子的作用，可見出現(xiàn)流注的條件也就是自持放電的條件。即：條件也就是自持放電的條件。即： 主崩中的空間電荷數(shù)須達到一定的數(shù)值。主崩中的空間電荷數(shù)須達到一定的數(shù)值。小小 結結湯遜理論：電子碰撞電離是氣體放電時電流倍增湯遜理論：電子碰撞電離是氣體放電時電流倍增的主要過程，而陰極表面的電子發(fā)射是維持放電的主要過程，而陰極表面的電子發(fā)射是維持放電的必要條件。的必要條件。巴申定律：巴申定律： 提高氣壓或降低氣壓到高度提高氣壓或降低氣壓到高度真

16、空，都能提高氣隙的擊穿電壓。真空，都能提高氣隙的擊穿電壓。dfUb非自持放電非自持放電自持放電自持放電把去掉外界因素作用后，放電立即停止的放電形把去掉外界因素作用后，放電立即停止的放電形式稱為非自持放電；把僅由電場作用就能維持的式稱為非自持放電；把僅由電場作用就能維持的放電稱為自持放電。放電稱為自持放電。流注理論流注理論以湯遜理論的碰撞電離為基礎，強調空間電荷對以湯遜理論的碰撞電離為基礎，強調空間電荷對電場的畸變作用，著重于用氣體空間光電離來解電場的畸變作用，著重于用氣體空間光電離來解釋氣體放電通道的發(fā)展過程；釋氣體放電通道的發(fā)展過程；放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過程，放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過程，當初始電子崩中離子數(shù)達當初始電子崩中離子數(shù)達108以上時，引起空間以上時，引起空間光電離質變，電子崩匯合成流注；光電離質變，電子崩匯合成流注；流注一旦形成，放電轉入自持。流注一旦形成，放電轉入自持。放電時間放電時間二次崩的起