氣體電介質(zhì)的絕緣特性一.ppt

1、高電壓技術(shù),高電壓工程系 李黎 ,2,第2講 1 氣體電介質(zhì)的絕緣特性（一）,3,1.1 氣體中帶電粒子的產(chǎn)生和消失,在電場作用下，氣隙中帶電粒子的形成和運動過程,氣隙中帶電粒子是如何形成的？ 氣隙中的導(dǎo)電通道是如何形成的？ 氣隙中導(dǎo)電通道形成后是如何維持持續(xù)放電的？,4,原子激勵和電離,原子能級 以電子伏（eV）為單位 1eV1V1. 610-19C1.610-19J 原子激勵 原子在外界因素作用下，其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)，所需能量稱為激勵能We 激勵狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時，輻射出相應(yīng)能量的光子，光子（光輻射）的頻率,5,原子電離 原子在外界因素作用下，獲得能量，使其一個或幾個電子脫離原子

2、核的束縛而形成自由電子和正離子的過程 電離過程所需要的能量電離能Wi（10-15 eV），也可用電離電位Ui（V）,6,1.1.1 氣體中帶電粒子的產(chǎn)生,（一）氣體分子的電離可由下列因素引起： （1）電子或正離子與氣體分子的碰撞電離 （2）各種光輻射（光電離） （3）高溫下氣體中的熱能（熱電離） （二） 金屬（陰極）的表面電離,7,（一）碰撞電離,自由行程：粒子在兩次碰撞之間的行程 電子的平均自由行程要比分子和離子的大得多 氣體分子密度越大，其中粒子的平均自由行程越小。對于同一種氣體，其分子密度和該氣體的密度成正比,8,自由行程的分布： 具有統(tǒng)計性的規(guī)律。粒子的自由行程大于x的概率為 如果起始

3、有n0個粒子（或一個粒子的相繼n0次碰撞），則其中行過距離x后，尚未被碰撞的粒子數(shù)（或次數(shù)）n(x)應(yīng)為,9,粒子的平均自由行程,：一個粒子在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通過的平均行程 電子在其自由行程內(nèi)從外電場獲得動能 ，能量除決定于電場強度外，還和其自由行程有關(guān),10,（一）碰撞電離,氣體放電中，碰撞電離主要是由電子和氣體分子碰撞而引起的 在電場作用下，電子被加速而獲得動能。當(dāng)電子的動能滿足如下條件時，將引起碰掩電離 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),11,（二）光電離,光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光電離 自然界、人為照射、氣體放電過程 當(dāng)氣體分子受到光輻射作用時

4、，如光子能量滿足下面條件，將引起光電離，分解成電子和正離子 光輻射能夠引起光電離的臨界波長（即最大波長）為 對所有氣體來說，在可見光（400750nm）的作用下，一般是不能直接發(fā)生光電離的,12,(三）熱電離,因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程熱電離（碰撞電離與光電離的綜合） 氣體分子的平均動能和氣體溫度的關(guān)系為 在它們相互碰撞時，就可能引起激勵或電離 在高溫下，例如發(fā)生電弧放電時，氣體溫度可達數(shù)千度，氣體分子動能就足以導(dǎo)致發(fā)生明顯的碰撞電離 高溫下高能熱輻射光于也能造成氣體的電離,13,（四）金屬（陰極）的表面電離,陰極發(fā)射電子的過程 逸出功（15eV） ：與金屬的微觀結(jié)構(gòu) 、金屬表面狀態(tài)有關(guān) 金屬

5、表面電離的多種方式 （1）正離子碰撞陰極 正離子碰撞陰極時使電子逸出金屬（傳遞的能量要大于逸出功）。逸出的電子有一個和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子。因此正離子必須碰撞出一個以上電子時才能出現(xiàn)自由電子,14,表面電離的形式,（2）光電效應(yīng) 金屬表面受到光的照射，當(dāng)光子的能量大于選出功時，金屬表面放射出電子 （3）強場放射（冷放射） 當(dāng)陰極附近所加外電場足夠強時，使陰極放射出電子 （4）熱電子放射 當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時，其中的電子獲得巨大動能，逸出金屬,15,1.1.2 氣體中帶電粒子的運動與消失,（一）電場作用下氣體中帶電粒子的運動 （定向運動，消失） （二）帶電粒子的擴散 （三）

6、帶電粒子的復(fù)合 （中和，空間或器壁） （四）附著效應(yīng),16,（ 一） 電場作用下氣體中帶電粒子的運動,帶電粒子產(chǎn)生以后，在外電場作用下將作定向運動，形成電流 在氣體放電空間 ，帶電粒子在一定的電場強度下運動達到某種穩(wěn)定狀態(tài) ，保持平均速度，即上述的帶電粒子的驅(qū)引速度 b 遷移率 電子遷移率比離子遷移率大得多，即使在很弱的電場中，電子遷移率也隨場強而變,17,（二）帶電粒子的擴散,帶電粒子的擴散和氣體分子的擴散一樣，都是由于熱運動造成，帶電粒子的擴散規(guī)律和氣體的擴散規(guī)律也是相似的 氣體中帶電粒子的擴散和氣體狀態(tài)有關(guān)，氣體壓力越高或者溫度越低，擴散過程也就越弱 電子的質(zhì)量遠小于離子，所以電子的熱運

7、動速度很高，它在熱運動中受到的碰撞也較少，因此，電子的擴散過程比離子的要強得多,18,（三）帶電粒子的復(fù)合,正離子和負離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過程 在帶電粒子的復(fù)合過程中會發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又可能成為導(dǎo)致電離的因素 正、負離子間的復(fù)合概率要比離子和電子間的復(fù)合概率大得多。通常放電過程中離子間的復(fù)合更為重要 一定空間內(nèi)帶電粒子由于復(fù)合而減少的速度決定于其濃度,19,有時電子和氣體分子碰撞非但沒有電離出新電子，反而是碰撞電子附著分子，形成了負離子 有些氣體形成負離子時可釋放出能量。這類氣體容易形成負離子，稱為電負性氣體（如氧、氟、氯，SF6等） 質(zhì)量大

8、、速度小阻礙放電，絕緣強度較高,（四）附著效應(yīng)負離子的形成,20,1.2 均勻電場中氣體的擊穿,氣體放電的主要形式 根據(jù)氣體壓力、電源功率、電極形狀等因素的不同，擊穿后氣體放電可具有多種不同形式。利用放電管可以觀察放電現(xiàn)象的變化,輝光放電 電弧放電 火花放電 電暈放電 刷狀放電,21,輝光放電,當(dāng)氣體壓力不大，電源功率很?。ǚ烹娀芈分写牒艽笞杩梗r，外施電壓增到一定值后，回路中電流突增至明顯數(shù)值，管內(nèi)陰極和陽極間整個空間忽然出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象 特點是放電電流密度較小，放電區(qū)域通常占據(jù)了整個電極間的空間。霓虹管中的放電就是輝光放電的例子。管中所充氣體本同，發(fā)光顏色也不同,22,電弧放電,減小外回路中

9、的阻抗，則電流增大，電流增大到一定值后，放電通道收細，且越來越明亮，管端電壓則更加降低，說明通道的電導(dǎo)越來越大 電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度極大，電路具有短路的特征,23,火花放電,在較高氣壓（例如大氣壓力）下，擊穿后總是形成收細的發(fā)光放電通道，而不再擴散于間隙中的整個空間。當(dāng)外回路中阻抗很大，限制了放電電流時，電極間出現(xiàn)貫通兩極的斷續(xù)的明亮細火花 火花放電的特征是具有收細的通道形式，并且放電過程不穩(wěn)定 火花間斷的原因,24,電暈放電,電極曲率半徑很小或電極間距離很遠，即電場極不均勻，則當(dāng)電壓升高到一定值后，首先緊貼電極在電場最強處出現(xiàn)發(fā)光層，回路中出現(xiàn)用一般儀表即可察覺的電流。隨著電

10、壓升高，發(fā)光層擴大，放電電流也逐漸增大 發(fā)生電暈放電時，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小，間隙仍能耐受電壓的作用,25,刷狀放電,電場極不均勻情況下，如電壓繼續(xù)升高，從電暈電極伸展出許多較明亮的細放電通道，稱為刷狀放電 電壓再升高，根據(jù)電源功率而轉(zhuǎn)入火花放電或電弧放電，最后整個間隙被擊穿 如電場稍不均勻，則可能不出現(xiàn)刷狀放電，而由電暈放電直接轉(zhuǎn)入擊穿,26,1.2.1 非自持放電和自持放電,27,非自持放電,外施電壓小于Ub時，間隙內(nèi)雖有電流，但其數(shù)值甚小，通常遠小于微安級，因此氣體本身的絕緣性能尚未被波,破壞，即間隙還未被擊穿。而且這時電流要依靠外電離因素來維持。如果取消外電離

11、因家，那么電流也將消失（b后出現(xiàn)碰撞電離）,28,自持放電,當(dāng)電壓達到Uc后，氣體中發(fā)生了強烈的電離，電流劇增。同時氣體中電離過程只靠電場的作用已可自行維持，而不再繼續(xù)需要外電離因素了。因此Uc以后的放電形式也稱為自持放電,29,由非持放電轉(zhuǎn)入自持放電的電壓稱為起始電壓 如電場比較均勻，則間隙將被擊穿，此后根據(jù)氣壓、外回路阻抗等條件形成輝光放電、火花放電或電弧放電，而起始電壓Uc也就是間隙的擊穿電壓UB 如電場極不均勻，則當(dāng)放電由非自持轉(zhuǎn)入自持時，在大曲率電極表面電場集中的區(qū)域發(fā)生電暈放電，這時起始電壓是間隙的電暈起始電壓，而擊穿電壓可能比起始電壓高很多,30,1.2.2 湯遜放電理論,湯遜放

12、電理論 流注放電理論 這兩種理論互相補充，可以說明廣闊的pd（壓 力和極間距離的乘積）范圍內(nèi)氣體放電的現(xiàn)象,31,湯遜理論認為，當(dāng)均勻電場、低氣壓、短間隙（pd較小）條件下，電子的碰撞電離和正離子撞擊陰極造成的表面電離起這主要作用，氣隙的擊穿電壓大體上是pd的函數(shù),32,（1）電子崩的形成 （ 過程 ）,UUb后，一個起始電子自電場獲得一定動能后，會碰撞電離出一個第二代電子；這兩個電子作為新的第一代電子，又將電離出新的第二代電子，這時空間已存在四個自由電子；這樣一代一代不斷增加的過程形成電子崩,33, 系數(shù)一個電子沿著電場方向行經(jīng)單位長度后，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)（形成電子崩） 如設(shè)每次碰撞電

13、離只產(chǎn)生一個電子和一個正離子， 即是一個電子在單位長度行程內(nèi)新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù) 系數(shù)一個正離子沿著電場方向行經(jīng)單位長度后平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù) （離子崩）可以忽略 系數(shù)碰撞陰極表面的正離子，使陰極金屬表面平均釋放出的自由電子數(shù) （陰極發(fā)射電子）,34,系數(shù),設(shè)：從陰極發(fā)出一個電子，經(jīng)多次碰撞電離，在經(jīng)過距離陰極x后，產(chǎn)生n個電子 這n個電子行過dx之后，又會產(chǎn)生dn個新的電子,35,對于均勻電場， 不隨空間位置而變 新產(chǎn)生的電子數(shù)和正離子數(shù)為,36,（2）系數(shù),到達陰極的正離子數(shù) 從陰極電離出的電子數(shù),37,（3）自持放電條件,放電由非自持轉(zhuǎn)入自持的條件為,38,物理意義,引起碰撞電離的必要條件 只有那些自由行程超過xiUiE的電子，才能與分子發(fā)生碰撞電離 若電子的平均自由行程為，自由行程大于xi的概率為,39,在單位長度內(nèi)，一個電子的平均碰撞次數(shù)為1 其中 是電離碰撞次數(shù)， 氣體溫度不變時，1 Ap,40,代入自持放電的臨界條件,及,得,41,影響擊穿電壓的因素,均勻電場中氣體的自持放電的起始電壓， 等于氣隙的擊穿電壓U0。 U0f(Pd),42,1.2.3 巴申（Paschen）定律,巴申曲線,43,P0101.3（kPa),空氣的相對密度,44,1.2.4 湯遜放電理論的適用范圍,適用于低氣壓、短間隙（Pd比較?。?電力工程上經(jīng)常接觸到的是氣壓較高