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1、高电压技术,第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘,第一节 气体放电的主要形式简介 第二节 带电粒子的产生和消失 第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程 第四节 不均匀电场中的气体击穿的发展过程 第五节 持续电压作用下气体的击穿特性 第六节 雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 第七节 操作冲击电压下气体的击穿特性 第八节 SF6和气体绝缘电气设备 第九节 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正 第十节 提高气体介质电气强度的方法 第十一节 沿面放电和污闪事故,本章主要内容,第一节 气体放电的主要形式简介,气体放电的概念,气体放电气体中流通电流的各种形式。,正常状态：优良的绝缘体。,在一个立方厘
2、米体积内仅含几千个带电粒子,但这些带电粒子并不影响气体的绝缘。 空气的利用：架空输电线路个相导线之间、导线与地线之间、导线与杆塔之间的绝缘；变压器相间的绝缘等。,输电线路以气体作为绝缘材料,第一节 气体放电的主要形式简介,第一节 气体放电的主要形式简介,高电压状态,电压升高,达到一定数值,气体中的带电粒子大量增加,电流增大,达到一定数值,气体失去绝缘,击穿（或闪络）,击穿纯空气隙之间。（架空线相间的空气放电） 闪络气体沿着固体表面击穿。（气体沿着悬挂架空线的绝缘子串放电）,第一节 气体放电的主要形式简介,气体放电的相关概念,击穿电压Ub或闪络电压Uf发生击穿或闪络的最低临界电压； 击穿场强Eb
3、（均匀电场中的击穿电压）/间隙距离 平均击穿场强 （不均匀电场中的击穿电压）/间隙距离,第一节 气体放电的主要形式简介,根据气体压力、电源功率、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,击穿后气体的放电形式,第一节 气体放电的主要形式简介,当气体压力不大，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。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,第一节 气体放电的主要形
4、式简介,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,电弧放电,第一节 气体放电的主要形式简介,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,火花放电,返回,第二节 带电粒子的产生和消失,带电粒子的产生和消失是气体放电的根本根源，是分析气体击穿的理论基础； 正常时气体中有正负粒子存在，但对气体的绝缘状态没有影响； 随着电压升高气体间隙中的带电粒子数量会迅速增加
5、，带电粒子的运动会产生电流。,掌握 气体放电时，带电粒子如何产生？ 放电结束后，带电粒子又如何消失？,第二节 带电粒子的产生和消失,原子的激励和电离, 原子的能级,原子的结构可用行星系模型描述。,原子能量大小的衡量, 原子的激励,激励(激发)原子在外界因素（电场、高温等）的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，原子核外的电子将从离原子核较近的轨道上跳到离原子核较远的轨道上去的过程。,激励能（We）产生激励所需的能量。等于该轨道和常态轨道的能级差。,注意 激励状态存在的时间很短（ 10-7 10-8 s），电子将自动返回到常态轨道上去。 原子的激励过程不会产生带电粒子。,第二节 带电粒子的产生和
6、消失, 原子的电离,电离在外界因素作用下，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。,电离能（Wi）使稳态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需要的最小能量。（电子伏 eV）,1eV1V1.610-19C1.610-19J（焦耳）,1V电压,qe：电子的电荷（库伦）,注意 原子的电离过程产生带电粒子。,第二节 带电粒子的产生和消失,表 1-1 某些气体的激励能和电离能,第二节 带电粒子的产生和消失,原子的激励与电离的关系,原子发生电离产生带电粒子的两种情况：,原子吸收了一定的能量，但能量不太高,发生激励，跳到更远的轨道,再次吸收能量,发生电离，产生带电粒子,原子吸收直
7、接吸收了足够的能量,发生电离，产生带电粒子,原子的激励过程不产生带电粒子； 原子的电离过程产生带电粒子； 激励过程可能是电离过程的基础。, 激励+电离, 直接电离,第二节 带电粒子的产生和消失,气体中带电粒子的产生,电离所获能量形式不同，带电粒子产生的形式不同, 光电离,光电离光辐射引起的气体分子的电离过程。,发生光电离的条件 式中：h普郎克常数； 光子的频率； Wi气体的电离能，eV； c光速=3108m/s； 光的波长，m。,光子能量Wh,注意 可见光都不可能使气体直接发生光电离，只有波长短的高能辐射线 （ 例如X 射线、射线等）才能使气体发生光电离。,第二节 带电粒子的产生和消失, 碰撞
8、电离,碰撞电离由于质点碰撞所引起的电离过程。（主要是电子碰撞电离）,电子在电场强度为 E 的电场中移过x 距离时所获得的动能为： 式中:m电子的质量； qe电子的电荷量,若W等于或大于气体分子的电离能Wi，该电子就有足够的能量去完成碰撞电离,发生碰撞电离的条件,第二节 带电粒子的产生和消失,电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离： 式中：Ui为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的Wi相等。 xi 的大小取决与场强 E ，增大气体中的场强将使 xi 值减小，可见提高外加电场将使碰撞电离的概率和强度增大。,注意 碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。 主要的碰撞电离均有电子完成，离子碰撞
9、中性分子并使之电离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。,第二节 带电粒子的产生和消失, 热电离,热电离因气体热状态引起的电离过程。,发生热电离的条件 式中：k波尔茨曼常数； （k=1.3810-23J/K） Wi气体的电离能，eV； T绝对温度，K；,注意 分子热运动所固有的动能不足以产生碰撞电离，20oC时，气体分子平均动能约0.038eV。热电离起始温度为103K（727oC） 在一定热状态下物质会发出辐射，热辐射光子能量大，会引起光电离,绝对温度和摄氏温度的关系： T绝对=273+T摄氏,第二节 带电粒子的产生和消失,热电离实质上是热状态下
10、碰撞电离和光电离的综合 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，高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离,第二节 带电粒子的产生和消失, 电极表面电离（阴极表面电离）,电极表面电离电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。,逸出功电子从金属表面逸出所需的能量。,逸出功,与表1-1相比较，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。 阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。,第二节 带电粒子的产生和消失,电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式,正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电子，
11、使其逸出金属 正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子 逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。,高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。 同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多,正离子撞击阴极表面,光电子发射（光电效应）,第二节 带电粒子的产生和消失,当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属表面 在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。,当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），能使阴极发射电子。 常态下作用气隙击穿完全不受影响； 在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起
12、一定的作用；真空中更起着决定性作用。,热电子发射,强场发射（冷发射）,第二节 带电粒子的产生和消失, 负离子的形成,自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果,电子碰撞中性的分子或原子,发生电离,产生自由电子,情况一,电子碰撞中性的分子或原子,能量不足，撞击后反弹回来,未产生自由电子,情况二,电子碰撞中性的分子或原子,没发生电离，也没被反弹回来,被中性的分子捕捉，成为自己的束缚电子,情况三,形成了负离子,第二节 带电粒子的产生和消失,附着自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子相结合而形成负离子的过程。,形成负离子时可释放出能量 有些气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等）
13、，SF6（绝缘性是空气的3倍，灭弧性是空气的100倍） 负离子的形成起着阻碍放电的作用,负离子形成过程的特点,第二节 带电粒子的产生和消失,带电粒子在气体中的运动, 自由行程长度, 带电粒子的运动轨迹,当气体中存在电场时，带电粒子将具有复杂的运动轨迹 “混乱热运动沿着电场作定向漂移”,自由行程长度带电粒子与气体分子发生第一次碰撞到第二次碰撞所移动的距离。（两次碰撞中未再发生任何碰撞）,第二节 带电粒子的产生和消失, 平均自由行程长度,平均自由行程长度带电粒子单位行程中的碰撞次数Z的倒数。,实际的自由行程长度是随机量，有很大的分散性，任意带电粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与分子的半径和密度
14、有关,粒子的实际自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为,注意：由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。,第二节 带电粒子的产生和消失,又由 式中：p气压，Pa； T气温，K； k波尔茨曼常数， （k =1.3810-23J/K）。,由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度 式中：r气体分子半径； N气体分子密度。,平均自由行程长度与温度成正比，温度越高气体发散，粒子间距离较远， e越大 平均自由行程长度与气压成反比，气压越高，气体分子被得越紧，粒子间距离较近， e越小。,第二节 带电粒子的产生和消失, 带电粒子的迁移率,带电粒子的迁移率
15、k带电粒子在单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。 式中：v带电粒子的速度； E电场强度。,注意 由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。一般电子迁移率比离子迁移率大两个数量级,第二节 带电粒子的产生和消失, 扩散,扩散在热运动的过程中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化的物理过程。,气压越低，温度越高，扩散进行的越快。 电子的热运动速度大、自由行程长度大，其扩散速度也要比离子快得多。,扩散的特点,第二节 带电粒子的产生和消失,带电粒子消失, 带电粒子产生和消失的关系,带电粒子产生和消失
16、是同时发生的过程； 若产生的带电粒子大于消失的带电粒子，则会促进气体放电过程； 若产生的带电粒子等于消失的带电粒子，则会促进气体就处于稳定状态； 若产生的带电粒子小于消失的带电粒子，则会阻碍气体放电过程；,第二节 带电粒子的产生和消失, 带电粒子消失的形式,带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流。,带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。,扩散的实质某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数减少。 带电粒子的扩散是由于热运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律相似 气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱 电子质量远小于离子，所以电子的热运动速度高，它在热运动中受到的碰撞也少，因此，电子的扩散过程比离子的要强,第二节 带电粒子的产生和消失,带电粒子的复合,复合气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的传递与中和，还原为分子
