《青大高电压》PPT课件.ppt

第一篇,电介质的电气强度,强电场电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强,放电、闪络、击穿等,一切电介质的电气强度都是有限的，超过某种限度，电介质就会丧失其原有的绝缘性能，甚至演变成导体,本篇内容,第一章 气体的绝缘特性与介质的电气强度 第二章 液体的绝缘特性与介质的电气强度 第三章 固体的绝缘特性与介质的电气强度,气体放电的基本物理过程气体介质的电气强度和沿面放电固、液体的击穿机理,第一章 气体的绝缘特性与介质的电气强度,1.1 气体放电的基本物理过程 1.2 气体介质的电气强度 1.3 固体绝缘表面的气体沿面放电 习题与思考题,本章内容,返回,1.1 气体放电的基本物理过程,本节内容：,1.1.1 带电质点的产生1.1.2 带电质点的消失1.1.3 电子崩与汤逊理论1.1.4 巴申定律与适用范围1.1.5 不均匀电场中的气体放电,气体放电的基本理论：汤逊理论 流注理论,气体放电：气体中流通电流的各种形式的统称；,气体击穿：气体电绝缘状态突变为良导电状态的过程；,沿面闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象；,工程上将击穿和闪络统称为放电。,什么是气体放电,常用的高压工程术语及基本概念,气体的电气强度表征气体耐受电压作用的能力。,均匀电场中击穿电压Ub与间隙距离d之比称为击穿场强Eb。我们把均匀电场中气隙的击穿场强Eb称为气体的电气强度。空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm;,注意：不能把不均匀场中气隙Ub与间隙距离之比称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。,什么是气体的电气强度(抗电强度、绝缘强度),电离（游离）与激励（激发）,1eV（电子伏）1V1.610-19C1.610-19J,电子的电荷量,电离可一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式一般情况下，气体放电中主要只涉及一次电离的过程,气体原子的分级电离：先激发（激励），再产生电离的过程,激励：在外界因素作用下，电子从处在距原子核较近的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态的轨道上去的现象。激励能：产生激励所需能量称为激励能We 激励状态存在的时间很短(大致为10-8s)，电子将自动返回常态轨道上，这时产生激励时所吸收的外加能量将以辐射能(光子)的形式放出，光子（光辐射）的频率f,普朗克常量6.6310-34Js,光子：,光是频率不同的电磁辐射，也具有 粒子性，称为光子；光线中携带能量的粒子；原始称呼是光量子（light quantum），是传递电磁相互作用的基本粒子 不带电荷，具有能量、动量和质量 其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，E=hf，,几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位,当气体中存在电场时，粒子进行热运动和沿电场定向运动。,带电粒子的运动,视频链接,自由行程：一个质点在相邻次碰撞间自由地通过的距离。,平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。,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气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越小。（对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比）,p：气压k：波尔兹曼常数T：气温r：气体分子半径,常温常压下空气中电子平均自由行程在10-5cm数量级。,1.1.1 带电质点的产生（电离的过程）,由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量的带电质点。,正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体；在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能。,气体中带电质点的来源：,气体分子本身发生电离（空间电离）；气体中的固体或液体金属发生表面电离。,1、气体中电子与正离子的产生,电离方式可分为：,热电离 光电离 碰撞电离 分级电离,根据引起电离所需的能量来源不同，对应如下几种电离形式,实质：碰撞电离和光电离，能量来自气体分子本身的热能。,分子动能碰撞电离 热辐射发出的光子的能量、数量光电离 热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合,温度超过10000K时（如电弧放电）才需要考虑热电离，在温度达到20000K左右，几乎全部空气分子都已经处于热电离状态,（1）热电离：气体的热状态引起的电离,常温下，气体分子发生热电离的概率极小。,气体的电离度,图1-1 不同温度下空气和SF6气体的热电离程度,在光照射下,光子能量传给气体粒子，游出自由电子由光电离而产生的自由电子称为光电子必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能,（2）光电离：由光辐射引起气体分子电离的过程,h：普朗克常数；C：光速f：光频率；：光波长；,波长较短的X射线，射线能产生光电离可见光（400750nm）不能使气体直接发生光电离紫外线能使少数电离能很小的金属蒸汽发生光电离,紫外线、伦琴射线、射线、宇宙射线自然界、人为照射,异号粒子复合成中性质点时释放出一定能量的光子反激励：已经激励的分子或原子回到常态,气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离 撞击质点可能是电子，正、负离子，中性分子或原子,是气体中产生带电粒子的最重要的形式,（3）碰撞电离（撞击电离）,撞击粒子的能量被撞粒子的电离能,发生碰撞电离的条件：,电子或离子在电场作用下加速所获得的动能（）与质点电荷量(e)、电场强度（）以及碰撞前的行程()有关即,即为了造成碰撞电离，质点在碰撞前必须经过的最小距离,碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关增大气体中的场强将使x值减少。提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大,撞击质点可能是电子，正、负离子，中性分子或原子气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起的，离子碰撞电离率比电子小得多电子体积小，自由行程比离子的大，获得的动能大电子的质量远小于分子或原子,1-1气体放电过程中产生带电质点最重要的方式是什么，为什么？P49,答:碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点最重要的方式。气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起的，离子碰撞电离率比电子小得多。这是因为电子体积小，其自由行程(两次碰撞间质点经过的距离)比离子大得多，所以在电场中获得的动能比离子大得多。其次由于电子的质量远小于原子或分子，因此当电子的动能不足以使中性质点电离时，电子会遭到弹射而几乎不损失其动能；而离子因其质量与被碰撞的中性质点相近，每次碰撞都会使其速度减小，影响其动能的积累。,（4）分级电离,分子或原子在激励态再获得能量而发生电离。条件：所需能量Wi-We。特点：通常分级电离的概率很小。激励态是不稳定的，一般经过10-8s恢复到基态某些原子具有亚稳激励态，使分级电离的概率增加,-气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。-逸出功：使电子从金属表面逸出需要的能量。小于气体分子的电离能-表明金属表面电离比气体空间电离更易发生,2、电极表面的电子逸出（表面电离）,电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途径获得：,正离子撞击阴极表面光电子发射：高能辐射线照射电极表面热电子发射：金属电极加热强场发射：电极表面附近存在强电场,（1）正离子碰撞阴极（二次发射）,某些具有足够能量的正离子碰撞阴极表面，产生表面电离，使电子逸出（传递的能量要大于逸出功）。条件：正离子的能量 2倍金属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。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并不是所有满足上述条件的撞击都会造成表面电离,（2）光电子发射(光电效应),用短波光（高能量辐射线）照射金属表面，产生表面电离，条件：光子的能量逸出功注意：并不是所有满足条件的光子都产生光电发射一部分光子被金属表面反射被金属吸收的光能中，大部分转化为金属的热能，小部分使电子逸出逸出功电离能，同样的光辐射引起的表面电离比引起的空间光电离强烈很多,（3）强场发射（冷发射、场致发射）,当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子条件：需要极强的外电场，108V/m数量级一般的气隙击穿过程中不会出现对高真空下的气体击穿；或对某些高电强气体在高压强下的气隙击穿具有重要意义,（4）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，逸出金属条件：因高温而获得的动能逸出功常温下不存在热电子发射现象热电子发射对某些电弧放电过程具有重要意义,电子附着:中性分子或原子与电子相结合，形成负离子分子或原子对电子的亲合能：附着过程中放出能量电负性气体：具有明显捕捉自由电子而形成负离子的气体 亲和能大,易形成负离子强电负性气体，如氧、氟、SF6负离子的形成使自由电子数减少，对气体放电的发展起抑制作用,3、气体中负离子的形成,表l-3列出了卤族元素的电子亲合能与电负性数值,电负性：一个无量纲的数，其值越大表明原子在分子中吸引电子的能力越大,1.1.2 带电质点的消失（去电离、消电离）,带电质点的消失可能有以下几种情况：带电质点受电场力的作用流入电极（中和）；带电质点因扩散而逸出气体放电空间；带电质点的复合。,在气体放电空间，带电质点在一定的电场强度下运动达到某种稳定状态，保持平均速度，即上述的带电质点的驱引速度（迁移速度）：,1、带电质点受电场力的作用流入电极,中和在电场作用下作定向运动，流入电极中和电量,电子迁移率比离子迁移率大两个数量级，即使在很弱的电场中，电子迁移率也随场强而变 同一种气体的正负离子的迁移率相差不大 标准大气条件干燥空气正负离子：b=1.36、1.87cm/（V.m）,b 迁移率,2、带电质点的扩散,扩散：带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。原因：热运动扩散规律：与气体的扩散规律也是相似的 气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱电子扩散比离子扩散高3个数量级电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，自由行程大，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多,3、带电质点的复合,复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和，还原为分子的过程。是带电质点在接近时通过电磁力的相互作用完成。复合时把电离时吸取的电离能通过光辐射（光子）形式放出，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致光电离的因素 复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展。,与电离相反的物理过程,复合率：一定空间内带电质点由于复合而减少的速度正负电荷的浓度 越大，复合率越大参加复合的质点的相对速度 越大，相互作用时间越短，复合率越小分类电子复合：发生在电子和正离子之间，产生一个中性分子；离子复合：发生在正离子和负离子之间，产生两个中性分子。放电过程中绝大多数是正、负离子之间复合，参加复合的电子绝大多数先形成负离子再与正离子复合。,小结：气体中带电质点的产生和消失,气体间隙中带电质点的产生和消失是气体放电的一对基本矛盾，气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位。强电场下，气体中带电质点的产生形式可以分为空间电离和表面电离。它们都与外界供给的能量有关，能量的形式主要是电场能、光辐射和热能，而能量的传递靠电子、光子或气体分子的热运动，其传递的过程主要是碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程。,常用高压工程术语 击穿：在电场的作用下，由电介质形成的绝缘间隙，丧失绝缘 性能，形成导电通道的过程，放电：气体绝缘的击穿过程 闪络：沿固体介质表面发展的气体放电（亦称沿面放电）电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部电离放电 击穿（放电）电压b（）：使绝缘击穿的最低临界电压 击穿场强（抗电强度，绝缘强度）b（）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。Eb bd（d：极间距离）,均匀电场和极不均匀电场示意图,1.1.3 电子崩与汤逊理论,气体放电现象与规律因气体的种类、气压和间隙中电场的均匀度而异。,但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到电子崩的阶段。,空气中电流和电压的关系,自持放电区,非自持放电区,（1）非自持放电和自持放电的不同特点,1、放电的电子崩阶段,随着E增大，气隙中的初始带电粒子向电极运动的速度加快而导致复合数减少，表现为I随U的提高而增大。,图13 气体间隙中电流与外施电压的关系,（1）在I-U曲线的OA段：,外界电离因子产生的带电粒子几乎能全部抵达电极，电流趋于饱和，饱和电流值很小，气体仍处于良好的绝缘状态，这时，电流值仅取决于外电离因素的强弱而与电压无关,（2）在I-U曲线的AB段：,I随着U的提高而增大，表明此时电场E足够大，使电子积累足够的动能造成碰撞电离的发生，出现电子崩，随着E增大，碰撞电离愈激烈，带电粒子数目呈指数增长，电流增大更快；,（3）在I-U曲线的BC段：,电子崩的形成：,虽然电流增长很快，但电流值仍很小，一般在微安级，且此时气体中的电流仍要靠外电离因素来维持，一旦去除外电离因素，气隙电流将消失。,（4）在I-U曲线的C点之后：,当电压增大到U0后，电流急剧上升，此时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了，即转为自持放电阶段，气隙击穿，表现为电流急剧增大，并伴有发光、发声等现象，气隙转入良好的导电状态,放电起始电压（临界电压）：非自持放电转入自持放电的电压,外施电压U0时间隙内电流，数值甚小，通常远小于微安级，气体本身的绝缘性能尚未被破坏，间隙未被击穿必须依靠外界电离因素的作用提供自由电子作为电子崩的初始电子，一旦外界电离因素停止发生作用，则放电中止,非自持放电,自持放电,外施电压U0时间隙内电流剧增，气体绝缘性被破坏，间隙击穿撤除外界电离因素后，能仅由电场的作用而维持的放电,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。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。,气体自持放电的主要形式,注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同，这些放电现象可相互转换。,辉光放电电晕放电刷形放电火花放电电弧放电,随气压、电极形状、电源功率、外电路阻抗不同而不同,利用放电管可以观察放电现象的变化,辉光放电电弧放电火花放电电晕放电刷状放电,补充：气体放电的主要形式,当气体压强不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象 特点:压力小（真空中），放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子。管中所充气体不同，发光颜色也不同,辉光放电：低压气体中显示出辉光的放电现象。,部分气体的辉光放电实例,氢气的辉光放电,电弧放电：在电源能持续提供大电流的条件下，因热电离在间隙中形成明亮、高电导、高温通道的一种强烈自持放电。,在较高气压（例如大气压强）下，减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，不再扩散于间隙中的整个空间，且越来越明亮，说明通道的电导越来越大特点：压力增大-1个大气压以上电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，弧道电阻小，电路具有短路的特征,电弧视频链接,火花放电：大气压或高气压下的一种气体放电形式，因发电通道似火花而得名,在较高气压（例如大气压强）下，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断续的明亮细火花 特征：有收细的通道形式放电回路阻抗大，放电时断时续不稳定，间隙多次被击穿,电晕放电：局部自持放电现象,电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧贴电极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用,刷状放电,电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状放电 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转入击穿,一把锤子敲击钉子的时候产生的电晕放电瞬间,总结：气体放电的不同形式,气体压力、电极形状、电场强度有关,辉光放电,电弧放电,火花放电,压力小-真空中放电电流密度小，放电区域占放电管电极间整个空间,压力增大-1个大气压以上放电电流密度大，温度高，亮而细长放电弧道，弧道电阻小，似短路,放电回路阻抗大，放电时断时续外电路阻抗大，压降大，间隙多次被击穿,电晕放电,刷状放电,极不均匀电场环境中空气间隙电场极不均匀，在电极附近强电场处出现的局部空气游离发光现象，电流小，整个空气间隙并未击穿，仍能耐受电压作用,电晕放电后压力增大，产生刷状放电从电晕电极间产生许多明亮的细小放电通道压力再大，整个间隙击穿，形成电弧放电或火花放电,电力线路和设备外绝缘只能出现电晕放电、刷状放电、火花放电、电弧放电,自持放电的进一步发展和转变取决于电场情况,均匀电场（大体均匀电场）间隙将被击穿，此后根据气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电，而起始电压U0也就是间隙的击穿电压Ub极不均匀电场当放电由非自持转入自持时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多,起始电压U0（非自持自持）,均匀场：击穿电压Ub,不均匀场：电晕起始电压，气隙仍绝缘，UbU0,极不均匀电场的放电发展情况,电压比较低棒电极处场强超过临界值，出现自持放电，棒极远处场强小，自持放电局限在棒极附近，不能扩展离子复合时辐射出光子，有均匀稳定的发光层笼罩电极电压提高电极距离不大：电晕放电整个气隙的火花击穿电极距离大：电晕放电刷形放电，气隙的不完全击穿电压再提高刷形放电增长到对面电极火花击穿当电源功率总够大时：火花击穿电弧放电,解释气隙的击穿过程的放电理论,均匀电场气隙击穿,汤逊理论,流柱理论,不均匀电场大气压下气隙击穿,短气隙,长气隙击穿的三个阶段,雷云放电的三个阶段,电晕放电,（2）电子崩的形成,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。电子将按照几何级数不断增多，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,图14 电子崩的示意图,视频链接,带电粒子在电子崩中的分布：,电子崩的形成：,带电粒子在电子崩中的分布：,电子崩,65,电子崩外形：好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀 例如，正常大气条件下，若E30kVcm，计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数,引入：电子碰撞电离系数,电子崩中电子数目增长过程分析：,定义：一个电子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。,设每次碰撞电离只能产生一个电子和一个正离子，则 就是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数。,与气体的种类、相对密度和电场强度有关。,设：初始电子数为n0,均匀电场中气隙中各点的电场强度相同，值不随x而变化，,抵达阳极的电子数：,途中新增加的电子数：,在强电场中出现电子崩的过程也称过程,在整个过程中产生的正离子数为：,一个初始电子走过x距离后，由本身碰撞电离产生的电子数是：计及新产生的子也参加电离过程，则电子数增加到：若x=10，则总电子数：,抵达阳极的电子数应为：,将上式的等号两侧乘以电子的电荷，即得电流关系式：,式中，,是外电离因素引起的初始电流,只有电子崩的过程（过程）发电不能自持,电子崩的形成（BC段电流剧增原因）,影响碰撞电离的因素,（3）影响碰撞电离系数的因素 气体的压强、温度、场强、电极材料、表面状态,目的：求碰撞电离系数碰撞引起的电离概率 自由行程的分布规律（具有统计性规律）为了便于分析，做以下简化假定：电子能量气体电离能，每次碰撞都产生电离每次碰撞后，不论是否发生电离，电子都失去全部动能。以0的速度从新开始行程电子总是沿着电场方向前进，不考虑碰撞引起的曲折轨迹,若电子的平均自由行程为，则在1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为。,设在x=0处有n0个电子沿电力线方向运动，行经x距离时还剩下n个电子未发生过碰撞，再经过dx距离，从未发生碰撞过的电子数又将减少dn个，则在到这一距离中发生碰撞的电子数应为,由上式积分得：,x=时，e-1=0.368，即电子的的自由行程大于的概率为36.8%x=3时，e-3=0.05，即电子的的自由行程大于3的概率为5%x=5时，e-5=0.007，即电子的的自由行程大于5的概率为0.7%,即为了造成碰撞电离，质点在碰撞前必须经过的最小距离,电子如欲产生碰撞电离，必须满足,根据碰撞电离系数的定义，即可得出：,当气温 不变时，,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;p很大或很小时，都比较小。,Thank You,