修改版气体击穿理论.pptx

单击此处编辑母版标题样式,HV&EMC Laboratory,North China Electric Power University,概述,1,：电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质,2,：气体绝缘要解决的问题主要是如何选择合适的绝缘距离以及如何提高气体间隙的击穿电压,3,：气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状态有关,4,：理论至今很不完善，工程设计问题常借助于各种实验规律分析解决或直接由试验决定,常见的电场结构,问题的提出,气体中的电流：,在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程形成电流。,1,、气隙中带电粒子是如何形成的？,2,、气隙中的导电通道是如何形成的？,3,、气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？,定义：,一个电子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程。,与气体分子的大小和密度有关。,电子在行进中加速、积累动能，,在与分子碰撞时将能量传给分子，,使分子热运动加剧，甚至发生电离,名词解释,1,：,电子平均自由行程,定义：,原子在外界因素作用下，其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，这个过程称为激励,。,该原子称为激励状态的原子。高于正常状态的能级均称为激励能级。,激励状态存在的时间很短,(,大致为,10,-8,s),，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。,如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆脱原子核的约束而成为,自由电子,。,名词解释,2,：,激励,名词解释,3,：,电离（游离）,原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱原子核的约束而成为自由电子，这一现象称为电离,原子被分解成两种带电粒子,电子和正离子,使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。,第一节：气体中带电质点的产生和消失,产生：,1,）撞击游离,2,）光游离,3,）热游离,4,）金属表面游离：加热、强电场、撞击、光照,5,）气体分子俘获自由电子形成负离子,消失：,1,）流入电极,2,）扩散,3,）复合,1,：撞击游离,在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足气体电离能时，将引起碰掩电离：,碰撞电离的形成与电场强度和电子的平均自由行程的大小有关,2,：,光游离,当气体分子受到光辐射时，如光子能量满足气体分子电离能条件将引起光电离，分解成电子和正离子。,导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、,x,射线,等）提供，也可以由气体放电过程本身产生。,3,：,热游离,一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。,包括,：,随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离，,高温下高能热辐射光子引起的光电离。,4,：,表面游离,a,、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一个以上电子时才能出现自由电子。,b,、光电效应：,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。,c,、强场发射：,当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。,d,、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。,5,：,带电质点的复合,1,）正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程称为复合过程。,2,）在带电质点的复合过程会以光子的形式释放能量，产生,光辐射,。这种光辐射在一定条件下有可能成为导致电离的因素（如流柱理论中二次电子崩的起因）。,第二节：气体放电过程一般描述,1:,电子崩,从阴极产生的第一个起始电子，从电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子，这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自由电子，这样一代一代不断增加的过程，会使带电质点迅速增加，如同发生雪崩一样。,电子崩具显圆锥形，电子集中在崩头，尾部为正离子,电子崩中电子数目：,电子电离系数 ：一个电子沿着屯场方向行经,1,厘米长度，平均发,生的碰撞电离次数（由电离产生的自由电子数）。,设：一个电子从阴极行走,x,距离产,生的自由电子数为,n,n,个电子前进,dx,产生的新电子数为,：,所以：一个电子从阴极到阳极产生,的电子数为：,一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为：,1:,电子崩,第二节：气体放电过程一般描述,2,：,气体放电主要形式,辉光放电：,整个空间发光，电流密度小；,低气压、电源功率小；,霓虹灯,火花放电：,有收细的发光放电通道、贯穿两极的断续的明亮火花；,大气压下、电源功率小,电晕放电：,紧贴尖电极周围有一层晕光；,极不均匀场,刷状放电：,从电晕放电电极中伸出许多较明亮的细放电通道；,极不均匀场,电弧放电：,放电通道和电极的温度都很高，电流密度大，电路有短路特征；,电源功率大,第二节：气体放电过程一般描述,3,：,非自持放电和自持放电,非自持放电：,外施电压小于,U,0,时，间隙内电流数值很小，间隙还未被击穿，这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，电流将消失,自持放电：,当电压达到,U,0,后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增，其中的电离只靠电场的作用自行维持，不再需要外电离因素,。,第二节：气体放电过程一般描述,4,：,放电的发展过程,均匀电场,：任意位置的,自持放电,将迅速引起气体间隙击穿，,U,0,为临界电压（击穿电压），相应场强为临界场强,非均匀电场,：,当电压达到,U,0,后，出现电晕，,U,0,为,电晕起始电压，,电压继续升高，相继出现刷状放电、火花放电（或电弧放电）,过程：,电子在运动中碰撞电离：,是一个电子沿电场方向运动,1cm,平均发生的碰撞电离次数,第三节 均匀电场气隙的击穿,1,：汤逊机理,过程：,正离子轰击阴极产生表面电离：,是,一个正离子从阴极轰击出的自由电子个数,击穿,过程：,上述两个过程交替重复进行，自由电子数目越来越多，最终导致击穿,该过程具有普遍意义,自持放电条件：,2.,汤逊机理的结论,击穿电压：,1,：电子加速到气体分子电离能,U,y,所需连续迁移距离,：,2,：电子连续迁移,x,y,而不碰撞的概率,：,3,：电子迁移,1cm,与气体分子平均碰撞次数,：,4,：一电子迁移,1cm,平均发生碰撞电离次数,5,：气体相对密度与电子平均自由程成反比,6,：间隙电压,U,Ed,3.,巴申定律,巴申定律,：,1,）,击穿电压是,气压,p,与距离,d,的乘积,pd,（或相对密度,与距离,S,的乘积,S,）,的函数,2,）,击穿电压有最小值,巴申定理与汤逊机理在,pd,较小时相一致,4.,汤逊机理的适用范围,适用范围：气压较低，,pd200 cm.mmHg,或,S0.26cm,工程上,pd,较大,：实际与理论的差别：,放电外形：,放电在整个间隙中均匀连续（辉光）而火花放电带有分支的明亮细通道,放电时间：,由正离子迁移率计算出的放电时间比实际火花放电时间长得多,击穿电压：,理论上,不变，,但计算结果与实际不符,阴极材料：,理论上有关，实际中无关,超长间隙放电,5.,流注机理,电子碰撞电离：,形成电子崩，是维持自持放电的主要因素,空间光电离：,形成衍生电子崩，是维持自持放电的主要因素,空间电荷畸变电场的作用：,为衍生崩创造了条件,流注：,由大量正负离子混合形成的等离子体通道（导电性能良好）,击穿过程：,电子崩,流注发展延伸,击穿,5.1,电子崩空间电荷对电场的畸变,崩头和崩尾电场被加强,崩中电场减弱：复合发光,5.2,正流注的产生,当外施电压为气隙最低击穿电压时：,光子在崩尾引发衍生崩,从正极板出发,5.3,负流注的产生,当外施电压比气隙最低击穿电压高出许多时：,光子在崩头引发衍生崩,正负流注同时在极板中间出现,5.4,流注机理的结论与巴申定律,自持放电条件：,起始电子崩头部电荷数量足以畸变电场造成足够的空间光电离,击穿电压：,两者在,pd,较大时相一致,是一常数，工程上,5.5,流注理论对,pd,很大时放电现象的解释,放电外形：,流注电导很大，其中电场强度很小，对周围其他流注有“屏蔽”作用，因此最终只有一条通道；,衍生崩随机性使其曲折分支。,放电时间：,光子以光速传播，衍生崩跳跃式发展，因此放电发展时间很短（,书上有数值,）,阴极材料的影响：,维持放电的是光电离而不是表面电离，因而与阴极材料无关。,第四节：不均匀电场中气体间隙的击穿,1.,不均匀电场击穿的特点,1,：显著的极性效应：,施加电压的极性对放电过程和击穿电压影响很大。,2,：较长的放电时延：,需要足够的发展时间（电压要持续一定时间才可击穿）,3,：短间隙、长间隙、超长间隙各不相同,4,：可能出现各种放电形式：,电晕、刷状放电,5,：只能用流注机理来解释,2.,短间隙的击穿过程,流注,到达对面电极,主放电（击穿）,2.,短间隙的击穿过程,极性效应,1,：正极性起晕电压,高,；负极性起晕电压,低,正棒：,难以形成流注,负棒：,容易形成流注,原因,：非自持放电阶段，空间电荷对电场畸变不同,2.,短间隙的击穿过程,极性效应,2,：正极性击穿电压,低,；负极性击穿电压,高,正棒：,流注顺利持续发展,负棒：,流注逐步顿挫发展,原因,：自持放电阶段，空间电荷对电场畸变不同,3,长间隙中的,先导放电,在长间隙放电中，流注汇集，形成通道状且不断发展，称为先导放电,先导通道中由于电流较大，温度很高，出现热电离，因而电导更大，可以将电极的电位传到先导通道的端部。,先导发展的速度和回路中电阻有很大关系，发展越来越快,4.,长间隙的击穿过程,流注,先导,到达对面电极,主放电（击穿）,先导形成：,1.,电场极不均匀、施加电压很高,2.,棒极周围产生大量流注并向棒极汇聚,3,。汇聚的流注通道电流很大，发热，产生热电离,先导通道,：在棒极前方造成的炽热的等离子体通道，具有相当高的电导和很小的轴向电场,5.,长间隙击穿的特点,1,。极性效应：,正先导顺利持续发展；负先导逐级顿挫发展,正棒击穿电压低,2,：,先导的实质是继流注发展起来的二次过程，在放电发展过程中建立了炽热的导电通道，,使得长间隙的平均击穿场强远低于短间隙,3,：击穿电压随间隙的增长而趋于饱和,6.,极不均匀电场中的主放电,当先导头部流注即将到达板极时，立刻有一个放电过程从板极向棒极发展，称为主放电。,主放电发展速度比先导快得多。,主放电通道温度更高，明亮得多，电导更大，回路具有短路性质。,6.,极不均匀电场中的,电晕放电,电晕放电现象：尖极周围有发光层，可听到咝咝声，闻到臭氧气味。,空间电荷的作用：外层的空间电荷与尖极极性相同，使得电晕层中的场强基本不变，使放电趋于稳定。,两种形式：电子崩形式（电极很尖）和流注形式,脉冲现象：外层空间电荷阻止放电发展，形成有规律的脉冲；进入刷状放电后，形成随机脉冲。,发展过程：无规律小电流,=,有规律重复脉冲,=,脉冲频率增大,=,转入持续电晕，无脉冲现象,=,进入刷状放电，出现随机脉冲,6.,极不均匀电场中的电晕放电,课堂作业,1.,汤逊机理和流注机理的区别,2.,长间隙的平均击穿场强为何远低于短间隙,