《高電壓技術(shù)》(主編劉吉來黃瑞梅)教案1-氣體絕緣課件

高電壓技術(shù)氣體的絕緣性能目標掌握氣體帶電質(zhì)點的四種電離；掌握湯遜德理論的要點和適用范圍；掌握流注理論的要點和適用范圍；掌握不均勻電場氣隙擊穿原理；了解電暈放電機理。

重點1.

四種電離型式的機理；2.

湯遜德理論和流注理論的要點和各自的適用范圍；3.

不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng)原理。帶電粒子的產(chǎn)生產(chǎn)生帶電粒子的物理過程稱為電離，是氣體放電的首要前提。四種電離型式：碰撞電離光電離熱電離表面電離碰撞電離電子獲得加速后和氣體分子碰撞，把動能傳給后者，氣體分子就有可能因碰撞而分裂為電子和正離子。碰撞電離的形成與電場強度和平均自由行程的大小有關(guān)光電離光當氣體分子受到光輻射作用時，如光子能量滿足條件即可產(chǎn)生光電離。導(dǎo)致氣體光電離的光子可以由自然界（如空中的紫外線、宇宙射線等）或人為照射（如紫外線、x射線等）提供，也可以由氣體放電過程本身產(chǎn)生。熱電離一切因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離。常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的概率極小。熱電離可包括：隨著溫度升高氣體分子動能增加引起的碰撞電離，高溫下高能熱輻射光子引起的光電離。

湯遜放電理論氣體放電伏安特性電子崩自持放電湯遜放電理論的適用范圍電子崩無論何種氣體放電都一定有一個電子碰撞電離導(dǎo)致電子崩的階段，它在所加電壓達到一定數(shù)值時出現(xiàn)。電子崩依此，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子崩。自持放電自持放電的形成在電場作用下，正離子向陰極運動，由于它的平均自由行程長度較短，不易積累動能，所以很難使氣體分子發(fā)生碰撞電離。 但當正離子撞擊陰極表面時卻有可能引起表面電離而拉出電子，部分電子和正離子復(fù)合，其余部分則向著陽極運動和形成新的電子崩。自持放電自持放電的形成如果電壓足夠大，初始電子崩中的正離子在陰極上產(chǎn)生出來的新電子等于或大于，即使除去外界電離因子的作用，放電也不會停止。這就變成了自持放電。自持放電自持放電的條件自持放電自持放電示意圖巴申定律巴申定律的推導(dǎo)巴申曲線巴申定律巴申定律的推導(dǎo)巴申定律巴申曲線巴申曲線表明，改變極間距離d的同時，也相應(yīng)改變氣壓p而使pd的乘積不變，則極間距離不等的氣隙擊穿電壓卻彼此相等。巴申定律巴申曲線由巴申曲線可知，當極間距離d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，這一概念具有十分重要的實用意義。流注的形成過程電子崩頭部聚集大部分正離子和全部電子，產(chǎn)生了電場畸變；在電場很小的區(qū)域，電子和離子濃度最大，有利于完成復(fù)合；強烈的復(fù)合輻射出許多光子，成為引發(fā)新的空間光電離輻射源。流注的形成過程這時產(chǎn)生的光子位于崩頭前方和崩尾附近的強場強區(qū)，則造成的二次電子崩將以更大的電離強度向陽極發(fā)展或匯入崩尾的正離子群中。流注的形成過程這些電離強度和發(fā)展速度遠大于初始電子崩的二次電子崩不斷匯入初崩通道的過程稱為流注。流注的條件實驗研究所得出的常數(shù)值為： 可見初崩頭部的電子數(shù)要達到108時，放電才能轉(zhuǎn)為自持，出現(xiàn)流注。流注理論的適用范圍

流注理論可以解釋場遜理論不能說明的Pd很大時的放電現(xiàn)象。

a、

放電外形：Pd很大時，放電具有通道形式。

b、

放電時間：pd很大時，光子以光速傳播，流注發(fā)展速度極快，放電時間特別短。

c、

陰極材料的影響：Pd很大時，擊穿電壓和陰極材料基本無關(guān)，維持自持放電的是空間光電離，而不是陰極表面的電離過程。局部放電極不均勻電場的放電過程電暈放電極不均勻電場的放電過程極性效應(yīng) 在極不均勻電場中，放電一定從曲率半徑較小的那個電極表面開始，與該電極極性無關(guān)。但后來的發(fā)展過程、氣隙的電氣強度、擊穿電壓等都與該電極的極性有密切的關(guān)系。極不均勻電場中的放電存在著明顯的極性效應(yīng)。決定極性要看表面電場較強的那個電極所具有的電位符號：在兩個電極幾何形狀不同時，極性取決于曲率半徑較小的那個電極的電位符號，如“棒-板”氣隙。在兩個電極幾何形狀相同時，極性取決于不接地的那個電極上的電位，如“棒-棒”氣隙。極不均勻電場的放電過程（一）正極性如圖所示，棒極帶正電位時，電子崩頭部的電子到達棒極后即將被中和，棒極附近強場區(qū)內(nèi)的電暈放電將在棒極附近空間留下許多正離子。這些正離子雖朝板極移動，但速度很慢而暫留在棒極附近。極不均勻電場的放電過程這些正空間電荷削弱了棒極附近的電場強度，而加強了正離子群外部空間的電場，因此當電壓進一步提高，隨著電暈放電區(qū)的擴展，強場區(qū)亦將逐漸向板極方向推進，因而放電的發(fā)展是順利的。極不均勻電場的放電過程（二）負極性如圖（a）所示：棒極負極性時，電子崩將由棒極表面出發(fā)向外發(fā)展，崩頭的電子在離開強場（電暈）區(qū)后，雖不能再引起碰撞電離，但仍繼續(xù)往板極運動。極不均勻電場的放電過程在圖（b）中：留在棒極附近的也是大批正離子，這時它們將加強棒極表面附近的電場而削弱外圍空間的電場，電場情況如圖（c）所示。極不均勻電場的放電過程所以，當電壓進一步提高時，電暈區(qū)不易向外擴展，整個氣隙擊穿將是不順利的，因而這時氣隙的擊穿電壓要比正極性時高得多，完成擊穿過程所需的時間也要比正極性時長得多。極不均勻電場的放電過程電暈放電電暈放電由于電場強度沿氣隙的分布極不均勻，因而當所加電壓達到某一臨界值時，曲率半徑較小的電極附近空間的電場強度首先達到了起始場強E0，因而在這個局部區(qū)域出現(xiàn)碰撞電離和電子崩，甚至出現(xiàn)流注，這種僅僅發(fā)生在強場區(qū)（小曲率半徑電極附近空間）的局部放電稱為電暈放電。電暈放電常出現(xiàn)的原因在雨、雪、霧天氣時，導(dǎo)線表面會出現(xiàn)許多水滴，它們在強電場和重力的作用下，將克服本身的表面張力而被拉成錐形，從而使導(dǎo)線表面的電場發(fā)生變化，結(jié)果在較低的電壓和電場強度下就會出現(xiàn)電暈放電。電暈放電電暈的現(xiàn)象在黑暗中可以看到該電極周圍有薄薄的發(fā)光層，有些象“月暈”，電暈電極周圍的電離層稱為電暈層，電暈層以外電場很弱，因而不發(fā)生電離過程的空間稱為外區(qū)。爆發(fā)電暈放電時，還可聽到咝咝的聲音，嗅到臭氧的氣味，回路中電流明顯增加(但絕對值仍很小)，可以測量到能量損失。電暈放電電暈放電的危害電暈放電引起的光、聲、熱等效應(yīng)使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，都會消耗一定的能量。電暈損耗是超高壓輸電線路設(shè)計時必須考慮的因素，壞天氣時電暈損耗要比好天氣時大得多。電暈放電中，由于電子崩和流注不斷消失和重新出現(xiàn)所造成的放電脈沖會產(chǎn)生高頻電磁波，從而對無線電和電視廣播產(chǎn)生干擾。電暈放電還會產(chǎn)生可聞噪聲，并有可能超出環(huán)境保護所容許的標準。電暈放電降低電暈的方法：在選擇導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)和尺寸時，應(yīng)使好天氣時電暈損耗接近于零，對無線電和電視的干擾應(yīng)限制到容許水平以下。對于超高壓和特高壓線路的分裂線來說，找到最佳的分裂距