高电压 气体放电的基本物理过程课件.ppt
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1、1,第2章气体放电的基本物理过程,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-气体、液体、固体及其复合介质 气体绝缘介质的优点:1.不存在老化问题 2.击穿后具有完全的绝缘自恢复特性 3.气体放电理论比液体与固体介质的击穿理 论要完整得多,3,主要内容,气体中带电质点的产生和消失气体放电的两种理论 两种理论自持放电的条件 不均匀电场中气体放电的特点,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,气隙中带电粒子是如何形成的?气隙中的导电通道是如何形成的?气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的?,5,原子激励和电离,原子能级 以电子伏为单位 1eV1V1.610-1
2、9C1.610-19J原子激励 原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态,所需能量称为激励能We 激励状态恢复到正常状态时,辐射出相应能量的光子,光子(光辐射)的频率,2.1 带电质点的产生与消失,6,原子电离:原子在外界因素作用下,使其一个或几个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原子的电离 电离过程所需要的能量称为电离能Wi(ev),也可用电离电位Ui(v)Ui=Wi/e 几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位,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(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(热电离)(2)各种光辐射(光电离)(
3、3)电子或正离子与气体分子的碰撞电离(二)金属(阴极)的表面电离(三)负离子的形成,8,热电离,因气体热状态引起的电离过程称为热电离 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 室温下,气体分子平均动能十分小,热电离概率低在高温下(大于10000K时),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显的碰撞电离,9,光电离,光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离 自然界、人为照射、气体放电过程当气体分子受到光辐射作用时,如光子能量满足下面条件,将引起光电离,分解成电子和正离子光辐射能够引起光电离的临界波长(即最大波长)为对所有气体来说,
4、在可见光(400750nm)的作用下,一般是不能直接发生光电离的;紫外线也只能使少数低电离电位的金属蒸气发生光电离;只有波长更短的X射线、射线才能使气体发生光电离,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的 在电场作用下,电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时,将引起碰掩电离 me电子的质量;ve 电子的速度;Wi气体分子的电离能。碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关碰撞电离主要以电子为主,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,称之为激励,所需的能量称为激励能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
5、为Wi-We 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),分级电离,潘宁电离电光源,12,电极(阴极)表面电子逸出,阴极发射电子的过程 逸出功:使电子从金属表面逸出需要一定的能量,称为逸出功(与金属的微观结构、金属表面状态有关)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,表2-2 一些金属的逸出功(eV),13,电极(阴极)表面电子逸出,(1)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)。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
6、(2)光电子发射 金属表面受到光的照射,当光子的能量大于逸出功时,金属表面放射出电子(紫外光照射电极)(3)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(106V/cm)(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,(1)正离子撞击阴极(2)光电子发射(3)强场发射(4)热电子发射,14,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。,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
7、,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。,15,气体中带电质点的消失,气体中带电质点的消失(一)电场作用下气体中带电质点的运动(二)带电质点的扩散(三)带电质点的复合,16,电场作用下气体中带电质点的运动,带电质点产生以后,在外电场作用下将作定向运动,消失于电极形成外回路电流,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动,从而使浓度变得均匀的过程,称为带电质点的扩散 带电质点的扩散和气体分子的扩散一样,都是由于热运动造成,带电质点的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的 气体中带电质点的扩散和气体状态有关,气体压力越高或者温度越低,扩
8、散过程也就越弱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,因此,电子的扩散过程比离子的要强得多,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还原为中性质点的过程,称为复合 在带电质点的复合过程中会发生光辐射,这种光辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素 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,19,二、气体放电的一般描述,(一)气体放电的主要形式 根据气体压强、气体种类、间隙中电场均匀程度、电极形状等因素的不同,击穿后气体放电可具有多种不同形式。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,2
9、0,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 特点是放电电流密度较小,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,21,22,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,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,23,24,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光放电通道,而不再扩散于间隙中
10、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 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,25,26,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,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,27,28,29,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、电极形状等因素的不同,击穿后气体放电可具有多种不同形式。无论何种气体放电都
11、一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段,它在所加电压达到一定数值时出现。,30,2.2 放电的电子崩阶段,(一)非自持放电和自持放电的不同特点,31,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。此时气隙转入良好的导电状态,即气体发生击穿了。,32,非自持
12、放电,外施电压小于U0时,间隙内虽有电流,但其数值甚小,通常远小于微安级,因此气体本身的绝缘性能尚未被破坏,即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电离因素来维持,如果取消外电离因素,那么电流也将消失。,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。同时气体中电离过程只靠电场的作用已可自行维持,而不再继续需要外电离因素了。因此U0以后的放电形式也称为自持放电,34,由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压U0如电场比较均匀,则间隙将被击穿,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如电场极不均匀,则当放电由非自持转
13、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,35,二、电子崩的形成,汤逊放电理论(pd较小)流注放电理论(pd较大)这两种理论互相补充,可以说明广阔的pd(压强和极间距离的乘积)范围内气体放电的现象两种理论有一个共同的基础,即图2-3中I-U曲线的BC段的电流增长是由电子碰撞电离形成电子崩的结果。,36,1、电子崩的形成(过程),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,产生更多电子依此
14、,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。,37,38,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。,39,质点的平均自由行程,:一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程电子在其自由行程内从外电场获得动能,能量除决定于电场强度外,还和其自由行程有关,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电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多气体分子密度越大,其中质点的平均自由行程
15、越小。对于同一种气体,其分子密度和该气体的密度成正比,质点的平均自由行程,三 碰撞电离系数,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的概率为 如果起始有n0个质点(或一个质点的相继n0次碰撞),则其中行过距离x后,尚未被碰撞的质点数(或次数)n(x)应为,三 碰撞电离系数,质点的平均自由行程,42,三 碰撞电离系数,1.设电子平均自由行程为,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xi的电子,才能与分子发生碰撞电离:,43,
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