均匀电场中的气体击穿.ppt

高电压技术,李 化,第1篇 电介质的电气特性,1 气体电介质的绝缘特性,2,课程回顾,3,气体电离的条件？种类？WWi,碰撞电离；光电离；热电离；表面电离电极表面逸出电子的条件？途径？WWi，正离子撞击阴极，光电子发射，强场发射，热电子发射电负性气体？电负性与电气强度的关系？电负性表征分子吸引电子的能力，分子吸附电子成为负离子；电负性越好，吸引电子能力越好，电子越少，对放电越不利，所以电气强度好，即绝缘性能好。,课程回顾,气体放电的主要形式,辉光放电电晕放电刷状放电电弧放电火花放电,注：辉光放电、电晕放电、刷状放电时间隙未击穿，火花放电和电弧放电均是间隙击穿后的放电现象,1 气体电介质的绝缘特性,5,1.2 均匀电场中气体的击穿,6,1.2.1 非自持放电和自持放电,外电离因素：天然辐射或人工光源,电场作用,气体中的电压和电流关系,非自持放电去掉外电离因素的作用后放电随即停止；自持放电不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。,7,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.1 非自持放电和自持放电,试验分析：,当UU0（非自持放电阶段）01段：电流随电压的升高而升高；12段：电流仅取决于外电离因素，而与电压无关；23段：电压升高电流增强，但仍然靠外电离维持放电过程当UU0（自持放电阶段）3点后：电流急剧突增，气体间隙击穿，只靠外电压就能维持,自持放电起始电压,电场均匀：间隙击穿电压Ub电场极不均匀：电晕放电起始电压,8,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.2 汤逊放电理论-低气压短间隙均匀电场,E,阴极,阳极,崩头大、崩尾小,电子崩,崩头,崩尾,一、电子崩的形成,9,系数,电子沿电场方向行进单位长度，发生的平均碰撞电离次数,系数,系数,正离子碰撞阴极表面，逸出的自由电子平均数,正离子沿电场方向行进单位长度，发生的平均碰撞电离次数,电子崩,离子崩,阴极发射电子,离子体积、质量大，平均自由行程短，发生碰撞电离可能性比电子小得多，可忽略该过程。,对应单位长度内新电离的自由电子数,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.2 汤逊放电理论-电子崩的形成,一、电子崩的形成,10,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.2 汤逊放电理论-过程,n个电子行过dx之后，会产生dn个新的电子,对于均匀电场，不随空间位置而变,新产生的电子数和正离子数为,放电可否自持？,11,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.2 汤逊放电理论-过程,新产生电子数：,到达阴极的正离子数,从阴极电离出的电子数,12,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.2 汤逊放电理论-自持放电的条件,汤逊理论的自持放电条件,物理意义：一个电子从阴极到阳极途中因碰撞电离（过程）而产生的正离子数为 ed1，这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数（过程）应为(ed1)，如果它等于1，就意味着那个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。,(ed1)1,13,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.2 汤逊放电理论-自持放电的条件,不够直观，不适合工程直接应用,外界电离因子,碰撞电离,电子崩过程,气体中的自由电子,14,物理意义,引起碰撞电离的必要条件,只有那些自由行程超过xiUi/E的电子，才能与分子发生碰撞电离。,自由行程大于xi的概率为,电离碰撞次数,Wi、Ui 分别为气体分子的电离能和电离电位,若电子的平均自由行程为，在单位长度内，一个电子的平均碰撞次数为1/。x=0处，n0个电子沿电力线运动，前进x后，剩余n个电子未发生碰撞，则在（x,x+dx）内发生碰撞的电子数为,自由行程分布,15,气体温度不变时，1/AP,代入自持放电的临界条件,式中，,16,由于对取了两次对数，Ub对的变化不敏感，因此Ub取决于P与d的乘积。,结论：均匀电场中气体的击穿电压Ub是气压和电极间距离的乘积（pd）的函数。,击穿电压与Pd的规律在汤逊碰撞电离学说提出之前，巴申已从实验中总结出来了，汤逊理论从理论上解释了试验结果。从曲线可以看出，存在一个最小值，此时击穿电压最低。,1889年，巴申完成了他的著名实验。,1.2 均匀电场中气体的击穿,巴申定律-巴申曲线,18,1.2 均匀电场中气体的击穿,巴申定律-定性解释,P,电子累积动能,间距过大,难以碰撞电离,气体密度,碰撞电离,Ub,P,电子累积动能,气体密度,碰撞电离,Ub,d,E,电子累积动能,碰撞次数,电离概率,Ub,d,E,电离次数,碰撞次数,电子崩,Ub,难形成电子崩,1.d固定,2.P固定,碰撞次数,电离概率,19,20,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 汤逊放电理论的适用范围,适用范围,均匀场、低气压、短气隙(pd27kPa cm),局限性,pd较大时，解释现象与实际不符,放电外形 汤逊理论解释：放电外形均匀，如辉光放电；pd大时的实际现象：外形不均匀，有细小分支；放电时间：Tpd大T汤逊击穿电压：Ubpd大Ub汤逊阴极材料影响 汤逊理论解释：阴极材料对放电有影响(过程）；pd大时的实际现象：阴极材料对放电无影响；,21,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论,对象：工程上感兴趣的压力较高的气体击穿，比如雷电放电并不存在金属电极，因而与阴极上的过程和二次电子发射根本无关。特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场（使原来均匀的电场变成了不均匀电场）的作用放电过程,电子崩阶段,流注阶段,气体击穿,电离形成二次电子崩，等离子体,空间电荷畸变外电场,通过大量的实验研究（主要在电离室中进行）说明放电发展的机理。,22,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-电子崩过程,起始电子崩（主电子崩）,崩头前后：加强了原电场，出现激励和反激励；崩头内部：削弱了原电场，复合过程产生光子。,空间电荷对原有电场的影响,大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩内正、负电荷区域之间的电场,电子崩头部 电场明显增强，电离过程强烈，有利于发生分子和离子的激励现象，当它们回复到正常状态时（反激励），发射出光子,崩头内部正负电荷区域 电场大大削弱，电子和正离子浓度却最大，有助于发生复合过程，发射出光子。,23,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-二次电子崩,光子引起空间光电离，其中电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在畸变而加强了的电场中，形成了新的电子崩，称为二次电子崩。,主崩头部接近正电极时，电场大幅度增强，发生强烈的电离，并向周围放射出大量光子。,主崩中部电场被削弱，发生强烈复合发出大量光子。,条件：当外加电压=击穿电压,1起始电子崩；2二次电子崩,24,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-正流注的形成,流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场。流注向阴极发展，发展到阴极后，间隙击穿。,二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注。,此时的电压就是击穿电压Ub,条件：当外加电压=击穿电压,正流注发展方向：从阳极到阴极初始电子崩需走完整个间隙,25,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-负流注的形成,条件：当外加电压击穿电压,1起始电子崩；2二次电子崩；3流注,电压较低时，电子崩需经过整个间隙才能积聚到足够的电子数形成流注；电压较高时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注主电子崩头部的电离很强烈，光子射到主崩前方，在前方产生新的电子崩，主崩头部的电子和二次崩尾的正离子形成混合通道，形成向阳极推进的流注，称为负流注间隙中的正、负流注可以同时向两极发展。,26,试验测量结果：电子崩,在电离室中得到的初始电子崩照片图a和图b的时间间隔为110-7秒,初始电子崩转变为流注瞬间照片,电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论,27,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论,试验测量结果：正流注,在电离室中得到的阳极流注发展过程的照片正流注的发展速度约为11082108cm/s,28,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论,电子崩是沿着电力线直线发展，流注会出现曲折的分支电子崩可以同时有多个互不影响地向前发展汤逊放电是弥散的一片，流注放电有明亮的细通道,29,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-总结,由阳极向阴极(正流注)或由阴极向阳极(负流注)击穿,强电场作用下,发生碰撞电离,畸变电场,发射光子,流注高速的向电极发展,电子崩,气隙间有效电子,形成等离子通道（流注）,产生新电子崩（二次崩）,二次崩不断汇入主崩,30,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-在均匀电场中的自持放电条件,流注形成的条件就是自持放电条件,初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值既:ed常数 或d常数（ed为电子崩头部的电子数）实验所得初崩头部的电子数要达到108时(dmin20)，放电才能转为自持存在Pd最小值：27kPacm。,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，即转入自持放电；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。,流注形成的条件,31,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-对pd 较大时放电现象的解释,现象：pd 较大时，放电不均匀，有分支，有细小的通道解释：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,放电时间,现象：放电时间极短解释：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,阴极材料的影响,现象：放电与阴极材料无关解释：pd很大时，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,放电外形,32,树枝状放电与放电发展的抑制,互相补充说明广阔的Pd范围内的放电现象,33,1.2 均匀电场中气体的击穿,在Pd值较小时，起始电子不可能在穿越极间距离后完成足够多的碰撞电离次数，因而难以聚积到足够的电子数，这样就不可能出现流注，放电的自持只能依靠阴极上的过程。,汤逊理论：低气压、短间隙（Pd值较小）流注理论：高气压、长间隙（Pd值较大）临界值：27kPacm,汤逊理论的基本观点：电离的主要因素是空间碰撞电离；而正离子碰撞阴极导致的表面电离是自持放电的必要条件。流注理论的基本观点：以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷的电场畸变作用，着重于空间光电离来解释放电的发展过程。当电子崩的离子数达到108时，引起空间光电离，流注一旦形成，放电转入自持。,34,1.2 均匀电场中气体的击穿,35,35,引起气体放电的因素有两个：一是电场作用；二是外电离因素非自持放电去掉外电离因素的作用后，放电随即停止；自持放电不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。,36,1.2 均匀电场中气体的击穿-总结,汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较：汤逊理论：自持放电由阴极表面电离来维持流注理论：依赖于空间的光电离,1 气体电介质的绝缘特性,37,38,均匀电场,放电达到自持，间隙立即被击穿，击穿前看不到放电迹象平板电极,稍不均匀电场,放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电便一定立即导致整个气隙击穿，击穿电压取决于极间距离。测高电压的球隙,极不均匀电场,特有的两大特征电晕放电：极不均匀电场所特有的一种自持放电形式；极性效应：放电过程与电极的极性有关；典型的极不均电场棒棒（针针）：棒板（针板）：,1.3 不均匀电场中气体的击穿,稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点,39,d2D，电场较均匀，其放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，立即导致整个气隙击穿。,d4D，电场分布极不均匀，电压增加到某一临界值，存在电晕放电。外加电压进一步增大，表面电晕层扩大，并出现刷状的细火花，火花变长，最终导致气隙完全击穿。,2D4D，过渡区域，放电过程不稳定，放电电压分散性大。,电场的均匀程度可以根据是否产生稳定的电晕来划分。,40,式中：Emax最大电场强度；Eav 平均电场强度；,电场不均匀系数 f,引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度,在稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿现象，此时间隙中平均电场强度比均匀电场间隙的略小，因此在同样极间距离时稍不均匀场间隙的击穿电压较均匀场间隙的要低；在极不均匀场间隙中自持放电条件即是电晕起始条件，由发生电晕至击穿的过程还必须提高电压才能完成。,1.2 不均匀电场中气体的击穿,稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点,41,Axial(left)and radial(right)views of discharge with rod electrode,紫外成像拍摄的电晕,42,电晕放电极不均匀电场所特有的一种自持放电现象；,电晕放电的概念,发生电晕放电现象的条件,电场极不均匀时，曲率大的电极附近很小范围内已达相当数值时，间隙中大部分区域值都仍然很小，放电达到自持放电后，间隙没有击穿电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大电晕放电由于局部强场区的放电过程造成。,1.2 不均匀电场中气体的击穿,1.3.2 极不均匀电场中的电晕放电现象,43,一、电晕放电的特点,电晕放电的表现：咝咝的声音、臭氧的气味、电极附近空间蓝色的晕光；化学反应产生新物质，O3、NO、NO2；回路电流明显增加(绝对值仍很小)，可以测量到能量损失；产生高频脉冲电流。,电晕起始场强Ec开始出现电晕时电极表面的场强；电晕起始电压Uc开始出现电晕时的电压；,1.3 不均匀电场中气体的击穿,1.3.2 极不均匀电场中的电晕放电现象,44,电晕放电的两种形式,电子崩形式,流注形式,电极曲率大，电晕层薄，且比较均匀，放电电流比较稳定，自持放电采用汤逊放电形式，即出现电子崩式的电晕。随着电压升高，电晕层不断扩大个别电子崩形成流注，出现放电脉冲现象，开始转入流注形脉冲放电。电极曲率小，则电晕一开始就很强烈，一旦出现就采取流注形式。电压进一步升高，个别流注强烈发展，出现刷状放电，放电的脉冲现象更加强烈，最后贯穿间隙，导致间隙完全击穿。冲击电压下，电压上升快，来不及出现分散的大量电子崩，因此电晕一开始也是流注形式,45,电晕放电的脉冲现象,试验装置,（1）电压很低时，放电电流极小，电流波形不规则。（2）当电压升高到一定数值（与极性有关）后，突然出现比较显著的电流，电流具有规律性的重复脉冲波形。（3）电压继续升高，电流脉冲幅值不变，但频率增高，脉冲更形密集，甚至前后交叠，平均电流不断加大（极性不同时，脉冲波形有些不同，同一电压下的频率也不同）。（4）电压继续升高到一定程度（与极性有关）后，高频脉冲突然消失，转入持续电晕阶段，但电流仍继续随电压增高而加大。（5）电压再进一步增加，临近击穿时出现刷状放电，这时又出现不规则的强烈电流脉冲，这种现象在正极性下更为明显。（6）最后发生击穿。,46,48,原因：空间电荷的影响,工程问题：电晕的产生伴随着高频脉冲将产生电磁波并传播到空间。特别是工频电压下的电晕，由于每半周内都存在起始及熄灭阶段，总能辐射出大量电磁波。所以，交流输电线路发生电晕后，将造成电磁波干扰（无线电干扰）,49,二、输电线路的电晕放电,50,利用电晕提高间隙的击穿电压-空间电荷的作用,51,电晕起始场强的求取（皮克公式）以输电线路为例 式中 m导线表面粗糙系数，光滑导线的m1,绞线的m 0.820.9，局部电晕0.72,空气相对密度；r 导线半径，cm。,注意：在雨、雪、雾等坏天气时，导线表面的水滴使导线表面电场发生变化，降低了电晕起始电压和起始场强。,水滴电场作用变成锥形,52,能量损失：空间电荷运动构成电晕电流，空气间隙保持绝缘，虽然电晕电流不大，但比线路绝缘的泄露电流大得多。空间电荷的运动需要电源供给能量，这部分能量成为输电线路电晕损耗的主要部分，而使空气电离所消耗的能量较小。无线电干扰：脉冲现象产生高频电磁波，干扰通讯和测量，还可能产生超过环保标准的噪声。,电晕放电的不利影响,对于500750kV的超高压输电线路，在天气好时电晕损耗一般不超过几个W/km，而在坏天气时，可以达到100 W/km以上。因此在设计超高压线路时，需要根据不同天气条件下电晕损耗的实测数据和线路参数，以及沿线路各种气象条件的出现概率等对线路的电晕损耗进行估算。,1000kV 水平距离最边相导线20m、频率为0.5MHz的无线电干扰值,输电电压等级的提高，电晕问题也越来越突出,减小电晕的方法,导线表面场强将随着电压的升高而增大，在工作电压下，导线的工作场强就有可能超过电晕起始场强，引起电晕损耗和无线电干扰,增大线间距离d 或增大导线半径 r。一般采取适当增大导线直径的办法为节省导线材料，通常采用分裂导线的解决办法，即每相导线由2根或2根以上的导线组成。使得导线表面场强得以降低。,降低导线表面场强的方法：,发光、发热，损失能量；使空气发生化学反应，产生O3、NO、NO2等，引起腐蚀作用；脉冲现象产生高频电磁波，干扰通讯和测量，还可能产生超过环保标准的噪声。,电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度；利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电压材料表面处理、水处理、静电除尘、静电喷涂、臭氧发生器等,雷击线路,引起线路上发生电晕,电晕导致发光、发热,损失雷电冲击电压的能量,减小设备上的雷电过电压,有利于保护设备绝缘,56,材料表面处理,臭氧发生器,污水处理,极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应。,短间隙极不均匀电场中的放电过程（棒板间隙）,正极性（正棒负板）,非自持放电阶段棒极附近强场区域内形成电子崩，电子崩头部的电子被棒极中和，在棒极附近空间留下许多正离子，积聚起的正空间电荷，减少了紧贴棒极附近的电场，而略微加强了外部空间的电场，棒极附近难以造成流注，使得自持放电、即电晕放电难以形成,1.2 不均匀电场中气体的击穿,1.3.3 极不均匀电场中的放电过程,流注发展阶段电子崩进入棒电极，正电荷留在棒尖加强了前方（板极方向）的电场；电场的加强对形成流注发展有利。头部前方产生新电子崩，吸引入流注头部正电荷区内，加强并延长流注通道；流注及其头部的正电荷使强电场区向前移，促进流注通道进一步发展，逐渐向阴极推进，形成正流注,正极性（正棒负板）,正空间电荷（正极性）,削弱棒极附近电场,棒极附近难以形成流注，起始电晕电压高,加强了正空间电荷外部朝向板极的电场,有利于流注向间隙深处发展，故其击穿电压低,正空间电荷积聚，削弱了电离,积聚的正空间电荷在间隙深处加强电场,正极性（正棒负板）,负极性（负棒正板）,非自持放电阶段电子崩中电子离开强电场区后，难以再引起电离，正离子逐渐向棒极运动，在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，使电场畸变棒极附近的电场得到增强，因而自待放电条件就易于得到满足，易于转入流注而形成电晕放电,流注发展阶段电子崩由强场区向弱场区发展，对电子崩发展不利。棒极前的正电荷区消弱了前方（阳极方向）空间的电场，使流注发展不利等离子体层前方电场足够强后，发展新电子崩，形成了大量二次电子崩，汇集起来后使得等离子体层向阳极推进，形成负流注,负极性（负棒正板）,正空间电荷（负极性）,加强棒极附近电场,棒极附近易于形成流注，起始电晕电压低,削弱了正空间电荷外部朝向板极的电场,不利于流注向间隙深处发展，放电发展困难，故其击穿电压高,正空间电荷积聚，加强了电离,积聚的正空间电荷在间隙深处减弱电场,负极性（负棒正板）,结论,在相同气隙下,放电进一步发展,外电压较低时，流注通道深入间隙一段距离后，就停止不前了，形成电晕放电或刷状放电外电压足够高时，流注通道将一直达到另一电极，从而导致间隙完全击穿,（3）间隙距离较长-先导的形成与发展,通道根部的电子最多流注根部温度升高出现热电离先导通道（具有热电离过程的通道）。新的电离过程使电离加强，电导增大，从而加大了其头部前沿区域中的场强，引起新的流注，导致先导通道不断伸长。,66,流注根部温度升高,热电离过程,先导通道,电离加强，更为明亮,电导增大,轴向场强更低,发展速度更快,长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙,（4）间隙距离较长-主放电过程,先导头部达到板极。小间隙中的高场强引起强烈电离，带电粒子浓度高。强电离区迅速向阳极传播主放电过程。主放电通道贯穿电极间隙击穿。,特点：由于头部场强极大，所以主放电通道发展速度及电导都远大于先导通道。,长间隙放电：电晕放电、先导放电、主放电。,68,主放电通道主放电和先导通道的交界区先导通道,69,负地闪发展过程,70,Development of a leader(1-10)and main discharge,71,谢 谢！,课程回顾,气体放电的主要形式,辉光放电,气体压力不大，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：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。如霓虹管中的放电。,课程回顾,气体放电的主要形式,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，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特点：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,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,74,课程回顾,气体放电的主要形式,74,74,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，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大特点：电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征,75,火花放电,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。（大气条件下）特点：具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定,课程回顾,气体放电的主要形式,