高电压-气体放电的基本物理过程课件

第第2章章气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压工程基础1第2章气体放电的基本物理过程高电压工程基础1第第2 2章章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程 u高压电气设备绝缘的介质介质-气体、液体、固体及其复合介质 u气体绝缘介质的优点优点:1.1.不存在不存在老化老化问题问题 2.2.击穿后具有完全的击穿后具有完全的绝缘自恢复绝缘自恢复特性特性 3.3.气体放电理论比液体与固体介质的气体放电理论比液体与固体介质的击穿理击穿理 论要完整得多论要完整得多 高电压工程基础2第2章 气体放电的基本物理过程 高压电气设备绝缘的介质-主要内容主要内容n气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失n气体放电的两种理论气体放电的两种理论n 两种理论自持放电的条件两种理论自持放电的条件 n不均匀电场中气体放电的特点不均匀电场中气体放电的特点高电压工程基础3主要内容气体中带电质点的产生和消失高电压工程基础3气体放电气体放电在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程n气隙中带电粒子是如何形成的？气隙中带电粒子是如何形成的？n气隙中的导电通道是如何形成的？气隙中的导电通道是如何形成的？n气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？高电压工程基础4气体放电在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程气隙中带原子原子激励激励和和电离电离 原子原子能级能级 以电子伏为单位以电子伏为单位 1eV1V1.610-19C1.610-19J原子原子激励激励 原原子子在在外外界界因因素素作作用用下下，其其电电子子跃跃迁迁到到能能量量较较高高的的状状态态，所需能量称为所需能量称为激励能激励能We 激激励励状状态态恢恢复复到到正正常常状状态态时时，辐辐射射出出相相应应能能量量的的光光子子，光光子（光辐射）的频率子（光辐射）的频率 2.1 2.1 带电质点的产生与消失带电质点的产生与消失5原子激励和电离 原子能级 以电子伏为单位 2.1 带 原子原子电离电离：原原子子在在外外界界因因素素作作用用下下，使使其其一一个个或或几几个个电电子子脱脱离离原原子子核核的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离原子的电离 电电离离过过程程所所需需要要的的能能量量称称为为电电离离能能Wi（ev），也也可可用用电电离离电位电位Ui（v）Ui=Wi/e 几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位 气体气体激励能激励能We(eV)电离能电离能Wi(eV)气体气体激励能激励能We(eV)电离能电离能Wi(eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.66 原子电离：气体激励能We(eV)电离能Wi(eV)气体一、气体中带电质点的产生和消失一、气体中带电质点的产生和消失 n气体中带电质点的气体中带电质点的产生产生 （一）气体分子的电离可由下列因素引起：（一）气体分子的电离可由下列因素引起：（1）高温下气体中的热能（）高温下气体中的热能（热电离热电离）（2）各种光辐射（）各种光辐射（光电离光电离）（3）电子或正离子与气体分子的）电子或正离子与气体分子的碰撞电离碰撞电离（二）金属（二）金属（阴极阴极）的表面电离）的表面电离（三）（三）负离子负离子的形成的形成 7一、气体中带电质点的产生和消失 气体中带电质点的产生 7热电离热电离 n因气体热状态引起的电离过程称为因气体热状态引起的电离过程称为热电离热电离 气体分子的平均动能和气体温度的关系为气体分子的平均动能和气体温度的关系为 在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 n室温下室温下,气体分子平均动能十分小气体分子平均动能十分小,热电离概率低热电离概率低n在高温下在高温下(大于大于10000K时时)，例如发生电弧放电时，气，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离显的碰撞电离波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度 8热电离 因气体热状态引起的电离过程称为热电离 波尔茨曼常数1光电离光电离 n光辐射引起的气体分子的电离过程称为光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离光电离 自然界、人为照射、自然界、人为照射、气体放电过程气体放电过程n当当气气体体分分子子受受到到光光辐辐射射作作用用时时，如如光光子子能能量量满满足足下下面面条条件，将引起光电离，分解成电子和正离子件，将引起光电离，分解成电子和正离子n光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为n对对所所有有气气体体来来说说，在在可可见见光光（400 750nm）的的作作用用下下，一一般般是是不不能能直直接接发发生生光光电电离离的的;紫紫外外线线也也只只能能使使少少数数低低电电离离电电位位的的金金属属蒸蒸气气发发生生光光电电离离;只只有有波波长长更更短短的的X射射线线、射线射线才能使气体发生光电离才能使气体发生光电离 普朗克常数6.6310-34Js 9光电离 光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离普朗克常数6碰撞电离碰撞电离 n气体放电中，碰撞电离主要是气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子电子和气体分子碰撞而引起的碰撞而引起的 n在在电电场场作作用用下下，电电子子被被加加速速而而获获得得动动能能。当当电电子子的的动动能能满满足足如如下下条条件件时时，将将引起引起碰掩电离碰掩电离 me电子的质量；电子的质量；ve 电子的速度；电子的速度；Wi气体分子的电离能。气体分子的电离能。n碰撞电离的形成与电场强度和碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程平均自由行程的大小有关的大小有关n碰撞电离主要以碰撞电离主要以电子为主电子为主10碰撞电离 气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起u原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励，所需的能量称为激励能u原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离，此时所需能量为Wi-We u通常分级电离的概率很小，因为激励态是不稳定的 表2-1几种气体的电离能和激励能（eV）高电压工程基础分级电离分级电离气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6u潘宁电离潘宁电离电光源电光源11原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之电极（阴极）表面电子逸出电极（阴极）表面电子逸出 n阴极发射电子阴极发射电子的过程的过程 逸出功逸出功：使电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸：使电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功出功(与金属的微观结构与金属的微观结构 、金属表面状态有关、金属表面状态有关)n金属表面电离有多种方式，即可以有多种方法供给电子以金属表面电离有多种方式，即可以有多种方法供给电子以逸出金属所需的能量逸出金属所需的能量 表2-2 一些金属的逸出功（eV）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5.312电极（阴极）表面电子逸出 阴极发射电子的过程 表2-2 一些电极（阴极）表面电子逸出电极（阴极）表面电子逸出 （1 1）正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出两个及以上电子时才能出现自由电子因此正离子必须碰撞出两个及以上电子时才能出现自由电子 （2 2）光电子发射光电子发射 金金属属表表面面受受到到光光的的照照射射，当当光光子子的的能能量量大大于于逸逸出出功功时时，金金属属表表面面放放射出电子（紫外光照射电极射出电子（紫外光照射电极）（3 3）强场发射（冷发射）强场发射（冷发射）阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子（阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子（10106 6V/cmV/cm）（4 4）热电子发射）热电子发射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属（1 1）正离子撞击阴极）正离子撞击阴极 （2 2）光电子发射）光电子发射（3 3）强场发射）强场发射 （4 4）热电子发射）热电子发射13电极（阴极）表面电子逸出 （1）正离子碰撞阴极（1）正离气体中负离子的形成气体中负离子的形成 高电压工程基础 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。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，空气的三倍。14气体中负离子的形成 高电压工程基础 电子与气体分气体中带电质点的气体中带电质点的消失消失n气体中带电质点的气体中带电质点的消失消失 （一）电场作用下气体中带电质点的运动（一）电场作用下气体中带电质点的运动 （二）带电质点的（二）带电质点的扩散扩散 （三）带电质点的（三）带电质点的复合复合 15气体中带电质点的消失气体中带电质点的消失15电场作用下气体中带电质点的运动电场作用下气体中带电质点的运动n带带电电质质点点产产生生以以后后，在在外外电电场场作作用用下下将将作作定定向向运运动动，消消失于电极失于电极n形成外回路电流形成外回路电流 16电场作用下气体中带电质点的运动带电质点产生以后，在外电场作用带电质点的扩散带电质点的扩散 n带带电电质质点点从从浓浓度度较较大大的的区区域域向向浓浓度度较较小小的的区区域域的的移移动动，从而使浓度变得均匀的过程，称为从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散带电质点的扩散 n带带电电质质点点的的扩扩散散和和气气体体分分子子的的扩扩散散一一样样，都都是是由由于于热热运运动动造造成成，带带电电质质点点的的扩扩散散规规律律和和气气体体的的扩扩散散规规律律也也是相似的是相似的 n气气体体中中带带电电质质点点的的扩扩散散和和气气体体状状态态有有关关，气气体体压压力力越越高或者温度越低，扩散过程也就越弱高或者温度越低，扩散过程也就越弱n电电子子的的质质量量远远小小于于离离子子，所所以以电电子子的的热热运运动动速速度度很很高高，它它在在热热运运动动中中受受到到的的碰碰撞撞也也较较少少，因因此此，电电子子的的扩扩散散过程比离子的要强得多过程比离子的要强得多 17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带电质点的带电质点的复合复合 n带带异异号号电电荷荷的的质质点点相相遇遇，发发生生电电荷荷的的传传递递和和中中和而还原为中性质点的过程，称为和而还原为中性质点的过程，称为复合复合 n在在带带电电质质点点的的复复合合过过程程中中会会发发生生光光辐辐射射，这这种种光光辐辐射射在在一一定定条条件件下下又又可可能能成成为为导导致致电电离离的的因因素素 n带带电电质质点点的的复复合合率率与与正正、负负电电荷荷的的浓浓度度有有关关，浓度越大则复合率越高浓度越大则复合率越高18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二、气体放电的一般描述二、气体放电的一般描述 （一）气体放电的主要形式（一）气体放电的主要形式 根根据据气气体体压压强强、气气体体种种类类、间间隙隙中中电电场场均均匀匀程程度度、电电极极形形状状等等因因素素的的不不同同，击击穿穿后后气气体体放放电电可可具具有有多多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化 n辉光放电辉光放电n电弧放电电弧放电n火花放电火花放电n电晕放电电晕放电19二、气体放电的一般描述（一）气体放电的主要形式 辉光放电1辉光放电辉光放电 n当当气气体体压压强强不不大大，电电源源功功率率很很小小（放放电电回回路路中中串串入入很很大大阻阻抗抗）时时，外外施施电电压压增增到到一一定定值值后后，回回路路中中电电流流突突增增至至明明显显数数值值，管管内内阴阴极极和和阳阳极极间间整整个个空间忽然出现发光现象空间忽然出现发光现象 n特特点点是是放放电电电电流流密密度度较较小小，放放电电区区域域通通常常占占据据了了整整个个电电极极间间的的空空间间。霓霓虹虹管管中中的的放放电电就就是是辉辉光光放放电的例子电的例子。管中所充气体不同，发光颜色也不同。管中所充气体不同，发光颜色也不同 20辉光放电 当气体压强不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻2121电弧放电电弧放电 n减减小小外外回回路路中中的的阻阻抗抗，则则电电流流增增大大，电电流流增增大大到到一一定定值值后后，放放电电通通道道收收细细，且且越越来来越越明明亮亮，管管端端电电压压则则更更加加降降低低，说说明明通通道道的的电电导导越越来来越越大大n电电弧弧通通道道和和电电极极的的温温度度都都很很高高，电电流流密密度度极极大大，电路具有短路的特征电路具有短路的特征 22电弧放电 减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后2323火花放电火花放电u在较高气压（例如大气压强）下在较高气压（例如大气压强）下，击穿后总是形，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的流时，电极间出现贯通两极的断续断续断续断续的明亮细火花的明亮细火花 u火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定电过程不稳定 24火花放电在较高气压（例如大气压强）下，击穿后总是形成收细的发2525电晕放电电晕放电 n电电极极曲曲率率半半径径很很小小或或电电极极间间距距离离很很远远，即即电电场场极极不不均均匀匀，则则当当电电压压升升高高到到一一定定值值后后，首首先先紧紧贴贴电电极极在在电电场场最最强强处处出出现现发发光光层层，回回路路中中出出现现用用一一般般仪仪表表即即可可察察觉觉的的电电流流。随随着着电电压压升升高高，发发光光层层扩扩大，放电电流也逐渐增大大，放电电流也逐渐增大n发发生生电电晕晕放放电电时时，气气体体间间隙隙的的大大部部分分尚尚未未丧丧失失绝绝缘缘性性能能，放放电电电电流流很很小小，间间隙隙仍仍能能耐耐受受电电压压的的作作用用 26电晕放电 电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极不均匀，27272828气体放电的一般规律气体放电的一般规律u根据根据气体压强、气体种类、间隙中电场均匀程气体压强、气体种类、间隙中电场均匀程度、电极形状度、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。可具有多种不同形式。u无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致导致电子崩的阶段电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数，它在所加电压达到一定数值时出现。值时出现。29气体放电的一般规律根据气体压强、气体种类、间隙中电场均匀程度2.2 2.2 放电的电子崩阶段放电的电子崩阶段（一）非自持放电和自持放电的不同特点（一）非自持放电和自持放电的不同特点 302.2 放电的电子崩阶段（一）非自持放电和自持放电的不同特点高电压工程基础 非自持放电和自持放电的不同特点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）外施电压小于U0时的放电是非自持放电非自持放电。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。此时气隙转入良好的导电状态，即气体发生击穿了气体发生击穿了。自持放电起始电压31高电压工程基础 非自持放电和自持放电的不同特点 电流随外施电非自持放电非自持放电n外外施施电电压压小小于于U0时时，间间隙隙内内虽虽有有电电流流，但但其其数数值值甚甚小小，通通常常远远小小于于微微安安级级，因因此此气气体体本本身身的的绝绝缘缘性性能能尚尚未未被被破破坏坏，即即间间隙隙还还未未被被击击穿穿。而而且且这这时时电电流流要要依依靠靠外外电电离离因因素素来来维维持持，如如果果取取消消外外电电离离因因素素，那那么么电电流流也将消失。也将消失。32非自持放电外施电压小于U0时，间隙内虽有电流，但其数值甚小，自持放电自持放电n当当电电压压达达到到U0后后，气气体体中中发发生生了了强强烈烈的的电电离离，电电流流剧剧增增。同同时时气气体体中中电电离离过过程程只只靠靠电电场场的的作作用用已已可可自自行行维维持持，而而不不再再继继续续需需要要外外电电离离因因素素了了。因因此此U0以以后后的的放放电电形式也称为形式也称为自持放电自持放电 33自持放电当电压达到U0后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增。n由非持放电转入自持放电的电压称为由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压起始电压U0n如如电电场场比比较较均均匀匀，则则间间隙隙将将被被击击穿穿，此此后后根根据据气气压压、外外回回路路阻阻抗抗等等条条件件形形成成辉辉光光放放电电、火火花花放放电电或或电电弧弧放电放电，而起始电压，而起始电压U0也就是也就是间隙的击穿电压间隙的击穿电压Ubn如如电电场场极极不不均均匀匀，则则当当放放电电由由非非自自持持转转入入自自持持时时，在在大大曲曲率率电电极极表表面面电电场场集集中中的的区区域域发发生生电电晕晕放放电电，这这时时起起始始电电压压是是间间隙隙的的电电晕晕起起始始电电压压，而而击击穿穿电电压压可能比起始电压高很多可能比起始电压高很多高电压工程基础34由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压U0高电压工程基础3 二、二、电子崩的形成 n汤逊放电理论汤逊放电理论(pd较小较小)n流注放电理论流注放电理论(pd较大较大)这两种理论互相补充，可以说明广阔的这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压强（压强和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象n两种理论有一个共同的基础，即图两种理论有一个共同的基础，即图2-3中中I-U曲线的曲线的BC段的电流增长是由电子段的电流增长是由电子碰撞电离形成电子崩碰撞电离形成电子崩的的结果。结果。35 二、电子崩的形成 汤逊放电理论(pd较小)351 1、电子崩的形成、电子崩的形成 （过程过程 ）1.外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子2.依此，电子将按照几几何何级级数数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩电子崩。361、电子崩的形成（过程）外界电离因子在阴极附近产生了高电压工程基础电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数：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。37高电压工程基础电子碰撞电离系数：代表一个电子沿电力线方向行乘以电子的电荷 ，即得电流关系式：上式表明：虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子(令因为I0=0时I=0)，即I变为零。式中，高电压工程基础38乘以电子的电荷 ，即得电流关系式：式中，高电压工程基础38质点的平均自由行程质点的平均自由行程 ：一一个个质质点点在在与与气气体体分分子子相相邻邻两两次次碰碰撞撞之之间间自自由由地地通通过的过的平均行程平均行程电电子子在在其其自自由由行行程程内内从从外外电电场场获获得得动动能能，能能量量除除决决定定于于电场强度电场强度外，还和其外，还和其自由行程自由行程有关有关 高电压工程基础三 碰撞电离系数 39质点的平均自由行程 ：一个质点在与气体分子相邻两n气气体体中中电电子子和和离离子子的的自自由由行行程程是是它它们们和和气气体体分分子子发生碰撞时的行程发生碰撞时的行程n电子电子的平均自由行程要的平均自由行程要比分子和离子的大比分子和离子的大得多得多n气气体体分分子子密密度度越越大大，其其中中质质点点的的平平均均自自由由行行程程越越小小。对对于于同同一一种种气气体体，其其分分子子密密度度和和该该气气体体的的密密度成正比度成正比高电压工程基础质点的平均自由行程质点的平均自由行程 三 碰撞电离系数 40气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分子发生碰撞时的行程高n自自由由行行程程的的分分布布：具具有有统统计计性性的的规规律律。质质点点的的自由行程大于自由行程大于x的概率为的概率为 如如果果起起始始有有n0个个质质点点（或或一一个个质质点点的的相相继继n0次次碰碰撞撞），则则其其中中行行过过距距离离x后后，尚尚未未被被碰碰撞撞的的质点数（或次数）质点数（或次数）n(x)应为应为 高电压工程基础三 碰撞电离系数 质点的平均自由行程质点的平均自由行程 41自由行程的分布：具有统计性的规律。质点的自由行程大于x的概三 碰撞电离系数 1.设电子平均电子平均自由行程为自由行程为，电子运动1cm距离内将与气体分子发生1/次碰撞。2.设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离，必须满足条件3.只有那些自由行程超过只有那些自由行程超过xi的电子，才能与分子发生碰的电子，才能与分子发生碰撞电离撞电离：42三 碰撞电离系数 1.设电子平均自由行程为，电子运动1cm实际自由行程长度等于或大于xi的概率为根据碰撞电离系数 的定义，即可得出：1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为1/：电子平均自由行程碰撞引起电离的概率碰撞电离的条件43实际自由行程长度等于或大于xi的概率为1cm长度内一个电子的当气温 不变时，1 Ap，并令，并令AUiB，有，有：式中A、B是两个与气体种类有关的常数。由上式不难看出：电场强度E增大时，急剧增大;很大或很小时，都比较小。44当气温 不变时，1 Ap，并令AUiB，有：式中A 所以，在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。高气压时，很小，单位长度上的碰撞次数很多，但能引起电离的概率很小；低气压和真空时，很大，总的碰撞次数少，所以 也比较小。45 所以，在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象，具有2.32.3、自持放电的条件、自持放电的条件n只只有有电电子子崩崩过过程程是是不不会会发发生生自自持持放放电电的的。要要达达到到自自持持放放电电的的条条件件，必必须须在在气气隙隙内内初初始始电电子子崩崩消消失失前前产产生生新新的的电电子子（二二次次电电子子）来来取取代代外外电电离因素产生的初始电子。离因素产生的初始电子。n实实验验现现象象表表明明，二二次次电电子子的的产产生生机机制制与与气气压压和和气气隙隙长长度度的的乘乘积积（pd）有有关关。pd值值较较小小时时自自持持放放电电的的条条件件可可用用汤汤逊逊理理论论来来说说明明；pd值值较较大大时时则则要要用用流流注注理理论论来来解解释释。对对于于空空气气来来说说，这这一一pd值的分界线大约为值的分界线大约为26kPacm。462.3、自持放电的条件只有电子崩过程是不会发生自持放电的。要PdPd值较小时的情况值较小时的情况n汤逊理论认为，当汤逊理论认为，当pd较小时，电子的较小时，电子的碰撞电离碰撞电离和和正正离子撞击阴极离子撞击阴极造成的表面电离起着主要作用，气隙造成的表面电离起着主要作用，气隙的击穿电压大体上是的击穿电压大体上是pd的函数的函数n 电离系数电离系数 正正离离子子向向阴阴极极移移动动，依依靠靠它它所所具具有有的的动动能能及及位位能能，在在撞撞击击阴阴极极时时能能引引起起表表面面电电离离，使使阴阴极极释释放放出出自自由由电子来电子来 表表示示表表示示每每个个正正离离子子从从阴阴极极表表面面平平均均释释放放的的自自由由电子数电子数 47Pd值较小时的情况汤逊理论认为，当pd较小时，电子的碰撞电离汤逊放电判剧汤逊放电判剧从阴极飞出从阴极飞出n0个电子，到达阳极后，电子数将增加为个电子，到达阳极后，电子数将增加为 正离子数正离子数正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数48汤逊放电判剧从阴极飞出n0个电子，到达阳极后，电子数将增加为 设设 n01 放电有非自持转入自持的条件为放电有非自持转入自持的条件为 在在均均匀匀电电场场中中，这这也也就就是是间间隙隙击击穿穿的的条条件件，上上式具有清楚的物理意义式具有清楚的物理意义 49 设 n0149自持放电的物理含义物理含义 一个初始电子有一个后继电子，放电得以自持：一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正离子数为：正离子在阴极造成的二次自由电子数为：50自持放电的物理含义 一个初始电子有一个后继电子，放电得以自持 当当自自持持放放电电条条件件得得到到满满足足时时，就就会会形形成成图图解解中中闭闭环环部部分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去 高电压工程基础51 当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所示 利用汤逊理论的自持放电条件 以及碰撞电离系数 与气压 、电场强度 的关系式(当气温 不变时)，并考虑均匀电场中自持放电起始场强气体击穿的巴申定律气体击穿的巴申定律52 利用汤逊理论的自持放电条件 以及碰撞电离系数 气体击穿的巴申定律气体击穿的巴申定律n将将 的计算式代入自持放电条件的计算式代入自持放电条件 击穿电压击穿电压Ub 温温度度不不变变时时，均均匀匀电电场场中中气气体体的的击击穿穿电电压压Ub是是气气体体压压强强和电极间距离的乘积和电极间距离的乘积pd的函数的函数 53气体击穿的巴申定律将 的计算式代入自持放电条件 53n巴申（巴申（Paschen）定律）定律.上式所示规律在汤逊理论提出之前就由物理学家巴申从实验中得出，称为巴申定律巴申定律。（U形，应用）形，应用）.巴申曲线表明，改变极间距离d的同时，也相应改变气压p而使pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等高电压工程基础54巴申（Paschen）定律 高电压工程基础54物理解释物理解释：u假设d保持不变，当当P增大时增大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之间，电子积聚到足够动能的几率减小了。反之；当当P减小时减小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小，Ub所也会增大。uU形曲线形曲线55物理解释：假设d保持不变，当P增大时，电子的平均自由行程缩短 应当指出，上述巴申定律是在气温T保持不变时得出的。在气温T并非恒定的情况下，式-应改为：式中 ：气体的相对密度，即实际气体密度与标准大气条件下的密度之比，可见：=101.3kPa=293K标准大气条件：56 应当指出，上述巴申定律是在气温T保持不变时得出的。在汤逊放电理论的适用范围汤逊放电理论的适用范围n电电力力工工程程上上经经常常接接触触到到的的是是气气压压较较高高的的情情况况（从从一一个个大大气气压压到数十个大气压），间隙距离通常也很大到数十个大气压），间隙距离通常也很大 n和和pd小时候放电主要差异可概述如下小时候放电主要差异可概述如下 1.放电外形放电外形 均匀连续，如辉光放电均匀连续，如辉光放电 分枝的明细通道分枝的明细通道 2.放电时间放电时间 火花放电时间的计算值比实测值要大得多火花放电时间的计算值比实测值要大得多 3.击穿电压击穿电压 汤逊自持放电条件求得的击穿电压和实验值有很大出入汤逊自持放电条件求得的击穿电压和实验值有很大出入 4.阴极材料的影响阴极材料的影响 实测得到的击穿电压和阴极材料无关实测得到的击穿电压和阴极材料无关 57汤逊放电理论的适用范围电力工程上经常接触到的是气压较高的情况汤逊放电理论的适用范围汤逊放电理论的适用范围u汤森德放电机理的不足汤森德放电机理的不足u(1)前面汤逊放电理论所讨论的是低气压、短气隙的情况,只是在一定的范围内有效(pd26kPacm)以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的过程和二次电子发射根本无关。u(2)不均匀的电场中，该理论不适用.原因：原因：忽略了带电质点改变电场分布及光电离忽略了带电质点改变电场分布及光电离58汤逊放电理论的适用范围汤森德放电机理的不足原因：忽略了带电 气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下两方面：空间电荷对原有电场的影响 空间光电离的作用pdpd值较大时的惰况值较大时的惰况(流注理论)认为认为电子碰撞电离电子碰撞电离及及空间光电离空间光电离是维持自持放电的主要因是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用素，并强调了空间电荷畸变电场的作用59 气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情 pdpd值较大时放电过程也是从值较大时放电过程也是从电子崩开始电子崩开始的，但是当电的，但是当电子崩发展到一定阶段后会产生电离特强、发展速度更子崩发展到一定阶段后会产生电离特强、发展速度更快的新的放电区，这种过程称为快的新的放电区，这种过程称为流注放电流注放电u电子崩阶段电子崩阶段 空间电荷畸变外电场空间电荷畸变外电场 u流注阶段流注阶段 光电离形成二次电子崩，等离子体光电离形成二次电子崩，等离子体 高电压工程基础60 pd值较大时放电过程也是从电子崩开始的，但是当（一）空间电荷对原有电场的影响 电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变；电子崩中电场弱，电荷密度很大，所以复合过程频繁；强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离辐射源。如图所示：61（一）空间电荷对原有电场的影响 电子崩头部聚集大部分正离子和（二）空间光电离的作用 考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射光子而引起光电离。汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象，而这一因素在高气压、长气隙的击穿过程中起着重要的作用。62（二）空间光电离的作用 考虑初始电子崩头部成为辐射源 如图所示：如果这时产生的光子位于崩头前方和崩尾附近的强场强区，则造成的二次电子崩将以更大的电离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中。这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注。63 如图所示：如果这时产生的光子位于崩头前方和崩尾附近的流注条件 一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，而不再依赖外界电离因子的作用，如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。初始电子崩头部电荷必须达到一定数量才能使原电场畸变和造成足够的空间光电离。对均匀电场来说，自持放电条件为：常数常数或64流注条件 一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身实验研究所得出的常数值为：或 可见初崩头部的电子数要达到108时，放电才能转为自持，出现流注。65实验研究所得出的常数值为：或 可见初崩头部的电子数要达到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。1.放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，有时火花通道曲折形二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝分枝;电子崩不致影响到邻近空间内的电场，不会影响其它电子崩的发展，因此汤电子崩不致影响到邻近空间内的电场，不会影响其它电子崩的发展，因此汤逊放电呈连续一片逊放电呈连续一片2.如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象。3.再如为何击穿电压与阴极材料无关等维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材料基本无关了必须指出，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必须指出，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。另一种理论。66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。66四、不均匀电场中气体放电的特点四、不均匀电场中气体放电的特点高高压压电电器器绝绝缘缘结结构构中中的的不不均均匀匀电电场场还还要要区区分分两两种种不不同同的的情情况，即况，即稍不均匀电场稍不均匀电场和和极不均匀电场极不均匀电场:1.稍稍不不均均匀匀电电场场:全全封封闭闭组组合合电电器器（GIS）的的母母线线筒筒和和高高压压实验室中测量电压用的球间隙实验室中测量电压用的球间隙2.极极不不均均匀匀电电场场:高高压压输输电电线线之之间间的的空空气气绝绝缘缘和和实实验验室室中中高压发生器的输出端对墙的空气绝缘高压发生器的输出端对墙的空气绝缘 一、稍不均匀场和极不均匀场的的不同特点 67四、不均匀电场中气体放电的特点高压电器绝缘结构中的不均匀电场根据电场均匀程度和气体状态，可出现不同情况根据电场均匀程度和气体状态，可出现不同情况u电场比较均匀的情况电场比较均匀的情况 放电达到自持时，在整个间隙中部巳达到相当数值。这时和均匀电场中情况类似 u电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况 当大曲率电极附近达到足够数值时，间隙中很大一部分区域也都已达相当数值，流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿 68根据电场均匀程度和气体状态，可出现不同情况电场比较均匀的情况u电场极不均匀的情况电场极不均匀的情况 当大曲率电极附近很小范围内当大曲率电极附近很小范围内 已达相当数值已达相当数值时，间隙中大部分区域值时，间隙中大部分区域值 都仍然很小，放电都仍然很小，放电达到自持放电后，间隙没有击穿。达到自持放电后，间隙没有击穿。间隙击穿前在高场强区（曲率半径较小的电极间隙击穿前在高场强区（曲率半径较小的电极表面附近）会出现表面附近）会出现蓝紫色的晕光蓝紫色的晕光，称为电晕放，称为电晕放电。电。电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大间的差别也越大高电压工程基础69电场极不均匀的情况 高电压工程基础692.42.4、不均匀电场中气体放电的特点、不均匀电场中气体放电的特点间隙距离间隙距离d 在很大范围内变动时，球间隙的工频放电电压的变动情况在很大范围内变动时，球间隙的工频放电电压的变动情况 1 击穿电压击穿电压2 电晕起始电压电晕起始电压3 过渡区域过渡区域d0 4r；d0 8r半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系 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 702.4、不均匀电场中气体放电的特点间隙距离d 在很大范围内变稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征 为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数f，表示为：Emax：最大电场强度:平均电场强度 f4属不均匀电场。71稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征 为了描述各二、电晕放电的特点 由于电场强度沿气隙的分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近空间的电场强度首先达到了起始场强E0，因而在这个局部区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电。72二、电晕放电的特点 727373电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，流传最广的是皮克公式，电晕起始场强近似为：电晕放电的起始场强电晕放电的起始场强是气体相对密度；m1表面粗糙度系数，理想光滑导线取1，绞线0.80.9；好天气时m2=1，坏天气时m2可按0.8估算。74电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，流传最广的是皮克公式 电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反化学反应应，都会消耗一定的能量。电晕损耗电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。电晕放电的危害电晕放电还会产生可闻噪声可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。75 电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗降低电晕的方法：从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。对330kV及以上的线路应采用分裂导线，例如对330，500和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。76降低电晕的方法：在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕u电晕放电有利的一面有利的一面，例如：u在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度。u操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。u电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。电晕的利用：77电晕的利用：77三、极不均匀电场的放电过程 极性效应在不均匀电场中，放电总是从曲率半径较小的电极表面，即间放电总是从曲率半径较小的电极表面，即间隙中场强最大的地方开始隙中场强最大的地方开始，而与该电极的电位和电压的极性无关。但曲率半径较小的电极的电压极性不同，放电产生的空间电荷对原电场的畸变不同，因此同一间隙在不同电压极性下的同一间隙在不同电压极性下的电晕起始电压不同，击穿电压也不同，这就是放电的极性效应电晕起始电压不同，击穿电压也不同，这就是放电的极性效应。u 在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如“棒-板”气隙。78三、极不均匀电场的放电过程 极性效应在不均匀电场中，放电总是自持放电前的情况以棒板间隙为例以棒板间隙为例u当棒具有正极性时当棒具有正极性时 1.1.因棒电极为正极性，所以电因棒电极为正极性，所以电子崩中电子迅速进入棒电极子崩中电子迅速进入棒电极 2.2.在棒极附近，积聚起正空间在棒极附近，积聚起正空间电荷，减少了紧贴棒极附近的电荷，减少了紧贴棒极附近的电场，电场，而略微加强了外部空间而略微加强了外部空间的电场的电场，棒极附近难以造成流，棒极附近难以造成流注，使得自持放电、即电晕放注，使得自持放电、即电晕放电难以形成电难以形成 1原电场分布2有空间电荷时的电场分布 79自持放电前的情况以棒板间隙为例1原电场分布79自持放电前的情况以棒板间隙为例以棒板间隙为例u当棒具有负极性时当棒具有负极性时 1.1.电子崩中的电子迅速扩散并向板电子崩中的电子迅速扩散并向板电极运动，因而在间隙中浓度很小，电极运动，因而在间隙中浓度很小，而正离子则缓慢地向棒电极移动，而正离子则缓慢地向棒电极移动，在棒电极附近的空间正电荷的浓度在棒电极附近的空间正电荷的浓度很大。很大。2.2.正空间电荷正空间电荷加强了棒电极附近的加强了棒电极附近的场强场强而而削弱了空间电荷的外部空间削弱了空间电荷的外部空间的电场的电场。因此这种情况下空间电荷。因此这种情况下空间电荷使棒极附近容易形成流注，也就是使棒极附近容易形成流注，也就是使自持放电的条件易于满足使自持放电的条件易于满足.1原电场分布2有空间电荷时的电场分布 80自持放电前的情况以棒板间隙为例1原电场分布80自持放电阶段当棒具有正极性时当棒具有正极性时 1.1.随着放电区的扩大，随着放电区的扩大，强电强电场区将逐渐向板电极方向推进场区将逐渐向板电极方向推进。这说明一旦满足自持放电条件这说明一旦满足自持放电条件后，随着外施电压的增大，电后，随着外施电压的增大，电晕层很容易扩展而导致间隙的晕层很容易扩展而导致间隙的最终击穿。最终击穿。1原电场分布2,3有空间电荷时的电场分布 81自持放电阶段当棒具有正极性时1原电场分布81自持放电阶段当棒具有负极性时当棒具有负极性时 1.1.空间电荷使放电区的外部空间电荷使放电区的外部空间的电场削弱，这样电晕层空间的电场削弱，这样电晕层不容易扩展而导致整个间隙的不容易扩展而导致整个间隙的击穿击穿。1原电场分布2,3有空间电荷时的电场分布 82自持放电阶段当棒具有负极性时1原电场分布82输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电压的作用下，击穿发生在外加电压为正极性的那半周内。在进行外绝缘的冲击电压实验时，也往往施加正极性冲击电压，因为此时电气强度较低。尽管负极性棒板间隙的电晕起始电压比正极性尽管负极性棒板间隙的电晕起始电压比正极性时略低，但其击穿电压却比正极性棒板电极要高时略低，但其击穿电压却比正极性棒板电极要高得多得多:U+（击穿）（击穿）U-（电晕）（电晕）83输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于极不均匀电场的情况84848585