第1章11气体放电的基本物理过程课件

高电压工程第第1 1章章 气体的绝缘强度气体的绝缘强度1.1 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程 （用微观概念来解释宏观现象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 第第1章章 气体的绝缘强度气体的绝缘强度气体绝缘耐受电压的能力 气体放电气体放电高电压工程第第1.11.1节节 气体放电的基本物理过程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用微观概念来解释宏观现象）第第1章章 气体的绝缘强度气体的绝缘强度2概念概念电介介质：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内绝缘和外绝缘外绝缘概念概念击穿穿：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穿电压表示；而绝缘材料的绝缘强度则用平均平均击穿穿电场强度度。气体放气体放电：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，电流密度小辉光放电：充溢电极空间，电流密度小1-5mA/cm2,正伏正伏 安特性，绝缘状态；（节日的彩灯）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；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；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；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）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：游离概念：游离(电离电离)与激励与激励激激励励：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，这一过程叫激激励励，所需的能量称为激励能激励能。游游离离：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游离离（电离离），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，称为分分级游游离离，其所需能量小于直直接接游离游离所需的能量。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气体中带电粒子的产生与消失(一一)气体中带电粒子的产生气体中带电粒子的产生1 1、气体中电子与正离子的产生、气体中电子与正离子的产生 （3）热电离）热电离波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度（1）碰撞电离）碰撞电离（2）光电离）光电离普朗克常数6.6310-34Js 光子的频率 仅考虑当T10 000K时的热电离2 2、金属电极表面游离、金属电极表面游离电子逸出电子逸出 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 3、气体中负离子的形成、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。(二二)气体中带电质点的消失气体中带电质点的消失 电离与复合作用的关系电离与复合作用的关系u带电质点点的的产生生：电离离过程程吸吸收收能能量量，产生生电子子等等带电质点点，促促进放放电过程程发展展，电气气强度度降降低低，不不利于利于绝缘；u带电质点点的的消消失失：复复合合过程程释放放能能量量，使使带电质点点减减少少消消失失，阻阻碍碍放放电过程程的的发展展，有有利利于于保保持持绝缘强度。度。两两种种过程程在在气气体体放放电过程程中中同同时存存在在，条条件件不不同同，强弱弱程程度不同：度不同：电离离主主要要发生生在在强电场、高高能能量量区区；复复合合主主要要发生生在在低低电场、低能量区。、低能量区。带电质点点复复合合过程程的的光光辐射射效效应，在在一一定定条条件件下下也也会会成成为二次二次电离的条件。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低气压下均匀电场的自持放电的汤逊理论与巴申定律巴申定律 汤逊电子崩理子崩理论：1903年英国物理学家提出气体放年英国物理学家提出气体放电理理论，尽，尽管适用范管适用范围有限，但有限，但对放放电机理的机理的阐述具有普遍意述具有普遍意义，至今，至今仍是放仍是放电物理的基物理的基础理理论。外加外加电压很小很小时，气隙中的，气隙中的电流是由外界光流是由外界光电离因素造成。离因素造成。OA段段线性，性，AB段段饱和，良好和，良好绝缘状状态，电流很小。流很小。BC段急段急剧上升。上升。放电的电子崩阶段放电的电子崩阶段 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）?原因原因 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：形成形成自持放电自持放电 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重要概念非非自自持持放放电：电压小于U0时，取消外电离因素，间隙电流消失。自自持持放放电：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。电子子崩崩：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。电子子碰碰撞撞电离离系系数数：一个电子由阴极到阳极行程中，每cm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。正离子碰撞正离子碰撞电离离系数系数：可忽略。阴阴极极表表面面碰碰撞撞电离离系系数数：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（电子崩的形成（BC段电流剧增原因）段电流剧增原因）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。电子崩内电子数的计算电子崩内电子数的计算过程与自持放程与自持放电条件条件一个电子从阴极到阳极因电子崩形成正离子数一个电子从阴极到阳极因电子崩形成正离子数为为 ead-1正离子撞击阴极形成二次自由电子数为正离子撞击阴极形成二次自由电子数为(ead-1)，若它等于，若它等于1，意味着阴极产生原电子的一个后，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。继电子替身，使放电得以自持。自持放电条件自持放电条件 pd 值较小的情况（汤逊）值较小的情况（汤逊）（1）汤逊自持放电判据（2）气体击穿的巴申定律（3）气体密度对击穿的影响 汤逊放放电理理论的适用范的适用范围研究表明：研究表明：汤逊理理论能解能解释低气低气压、pd较小小时的放的放电现象；当象；当pd过小或小或过大大时，放，放电机理机理变化，不适用。化，不适用。pd过大大时，汤逊理理论无法解无法解释许多多实验现象。象。pd过大时（大气压下）难以假释的现象：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）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 流注理论流注理论流注放流注放电理理论要点要点适用范适用范围：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。发展展过程：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。有效有效电子子(经碰撞游离碰撞游离)-)-电子崩子崩(畸畸变电场)-)-发射光子射光子(在在强电场作用下作用下)-)-产生新的生新的电子崩子崩(二次崩二次崩)-)-形成混形成混质通道通道(流注流注)-)-由阳极向阴极由阳极向阴极(阳极流注阳极流注)或由阴极向阳极或由阴极向阳极(阴极流注阴极流注)击穿穿.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）汤逊放电理论与流注放电理论的比较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 1.1.4 不均匀不均匀电场中的放中的放电过程程电场的不均匀系数：电场的不均匀系数：Ke4，极不均匀电场，极不均匀电场（输电线）28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: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周围很小范围内，而整个间隙尚未击穿，这种放电称为电晕放电。电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式 电晕起始场强 开始出现电晕时电极表面的场强电晕起始电压 开始出现电晕时的电压1.极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的电晕放电30电晕放电的起晕场强电晕放电的起晕场强三相对称时，起晕场强三相对称时，起晕场强电晕损耗功率计算电晕损耗功率计算是气体相对密度；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。31电晕放电的危害：电晕放电的危害：能量损耗能量损耗高频电磁波高频电磁波使空气发生化学反应使空气发生化学反应噪声污染噪声污染电晕放电也有其有有利利的一面：电晕可削弱输电线上雷电冲击或操作冲击电压波的幅值及陡度,使操作过电压产生衰减；电晕放电可改善电场分布，利用电晕原理已制成了静电除尘器、臭氧发生器及静电喷涂等设备。32表1.3 不必校验电晕的导线最小直径额定电压(kV)60以下110154220330导线直径(mm)9.613.721.3221.3电晕放电的对策：电晕放电的对策：（限制导线的表面场强（限制导线的表面场强）改变电极形状，增加电极曲率半径改变电极形状，增加电极曲率半径采用分裂导线采用分裂导线220kV 2分裂或不分裂330kV 2分裂500kV 4分裂750kV 6分裂33电晕放电的利用电晕放电的利用在某些情况下可以利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电压。导线板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm点划线均匀场间隙 虚线尖-板电极间隙 2.极性效应极性效应 原则：原则：决定极性要看表面场强较强的那个电极所具有的极性。在两个电极几何形状不同的场合(如棒.板间隙)，极性取决于大曲率的那个电极的极性；而在两个电极几何形状相同的场合(如棒.棒间隙)，则极性取决于不接地的那个电极的极性。35负极性棒板间隙负极性棒板间隙击穿电压击穿电压比正极性棒板电极比正极性棒板电极高高，完成击穿时间比正极性时间完成击穿时间比正极性时间长。长。正棒正棒负板负板负棒负棒正板正板36A 正棒正棒-负板负板a.由于棒极附近积聚起正空间由于棒极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离，使电晕放电荷，削弱了电离，使电晕放电难以形成，造成电晕起始电电难以形成，造成电晕起始电压提高。压提高。b.由于棒极附近积聚起正空间由于棒极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电场加强电荷在间隙深处产生电场加强了朝向板极的电场，有利于流了朝向板极的电场，有利于流注发展，故降低了击穿电压。注发展，故降低了击穿电压。37B 负棒负棒-正板正板a.棒附近正空间电荷产生棒附近正空间电荷产生附加电场加强了朝向棒端附加电场加强了朝向棒端的电场强度，容易形成自的电场强度，容易形成自持放电，所以其电晕起始持放电，所以其电晕起始电压较低。电压较低。b.在间隙深处，正空间电在间隙深处，正空间电荷产生的附加电场与原电荷产生的附加电场与原电场方向相反，使放电的发场方向相反，使放电的发展比较困难，因而击穿电展比较困难，因而击穿电压较高。压较高。38在相同间隙下在相同间隙下结论：结论：负极性棒板间隙的电晕起始电压电晕起始电压电晕起始电压电晕起始电压比正极性棒板电极低低低低负极性棒板间隙击穿电压击穿电压击穿电压击穿电压比正极性棒板电极高高高高 正棒正棒-负板负板负棒负棒-正板正板电晕起始电压电晕起始电压高高低低间隙击穿电压间隙击穿电压低低高高39极不均匀电场的放电特点：气隙较小时，间隙放电大致可分为电子崩、流注和主放电阶段。长间隙的放电则可分为电子崩、流注、先导和主放电阶段。间隙越长，先导过程就发展得越充分。401.1.5 冲击电压下气体间隙的击穿特性冲击电压下气体间隙的击穿特性1.1.标准波形标准波形 a.a.雷电冲击电压雷电冲击电压 标准雷电波的波形：非周期性指数衰减波 T1=1.230s，T2=5020s对于不同极性：+1.2/50s或-1.2/50s41 图1.9 标准雷电冲击电压全波及截波波形 T1波前时间；T2半峰值时间；Tc截波时间；Tj截波视在持续时间42b.b.操作冲击电压操作冲击电压长波头冲击波长波头冲击波的波形：T1=250s20，T2=2500s60对于不同极性：+250/2500s或-250/2500s 43衰减振荡电压波衰减振荡电压波 第一个半波的持续时间在20003 000之间，反极性的第二半波的峰值约为第一个半波峰值的80。衰减振荡操作冲击波衰减振荡操作冲击波44 2.放电时延放电时延 放电时间的形成放电时间的形成 1)升压时间升压时间t0 2)统计时延统计时延ts 3)放电发展时间放电发展时间 tf临界击穿电压 统计时延：从外施电压达Uo时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子所需时间放电形成时延：从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间45 3.3.伏秒特性伏秒特性 工程上用气隙上出现的电压最大值与放电时间的工程上用气隙上出现的电压最大值与放电时间的关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性，称为关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性，称为气隙的伏秒特性气隙的伏秒特性。伏秒特性的绘制（方法见下页）伏秒特性的绘制（方法见下页）1,2-波尾击穿3-波头击穿46击穿发生在波前或峰值，取此刻值击穿发生在波尾，取峰值未击穿47用用实验确定确定间隙伏秒特性的方法：隙伏秒特性的方法：对同一间隙，施加一系列标准波形的冲击电压，使间隙击穿，用示波器记录击穿电压U与击穿时间t。l0伏秒特性；2100伏秒特性；350伏秒特性；450冲击击穿电压；50冲击击穿电压(即静态击穿电压)伏秒特性实际分散情况伏秒特性实际分散情况 4850击穿电压击穿电压 指在该电压下进行多次试验，气隙击穿概率指在该电压下进行多次试验，气隙击穿概率为为50%.2us冲击击穿电压冲击击穿电压 指气隙在该电压下发生击穿放电，其击穿时指气隙在该电压下发生击穿放电，其击穿时间大于或小于间大于或小于2us的概率各为的概率各为50%。49极不均匀场间隙极不均匀场间隙(s1)和均匀及稍不均和均匀及稍不均匀场间隙匀场间隙(s2)的伏秒特性的伏秒特性 两个间隙伏秒特性交叉的情况两个间隙伏秒特性交叉的情况 50结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日