高电压技术26318知识课件

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1、继电保护与高电压,气体放电的物理过程,高电压技术,研究气体放电的目的：,了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程,掌握气体介质的电气强度,学会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,了解气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状态的关系,电气设备中常用气体作为绝缘介质，常用的气体介质：空气、SF6及其混合气体,气体放电过程：在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程。,问题的提出： 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？,一、带电粒子在气体中的运动,电子平均自由行程公式,由气体动

2、力学可知，电子平均自由行程长度：,：气体分子半径,：大气压力,：气温,：波尔兹曼常数,2.激励,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。 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。,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。,3.电离,在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰撞电离： me电子的质量；ve电子的速度； Wi气体分子的电离能。 碰撞

3、电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关,电离形式一：碰撞电离,当气体分子受到光辐射时，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： h 普朗克常数 h6.6210-27尔格秒。 频率（光是频率不同的电磁辐射，也具有粒子性，称为光子）,电离形式二：光电离,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。,光子的产生,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。,电离形式三：热电离,a、正离子碰撞阴极 正离子

4、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。,电离形式四：金属(阴极)的表面电离,c、强场放射（冷放射） 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子 d、热电子放射 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。,电离形式四：金属(阴极)的表面电离（续）,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。 在带电质点的复合过程会以光子的形式释放能

5、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）。,4.带电质点的复合,二、气体放电过程的一般描述:电子崩理论,在外电离因素作用下，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，如同冰山上发生雪崩一样。这一剧增的电子流称为电子崩。,电子崩具显圆锥形，电子集中在崩头，尾部为正离子,电子崩理论,为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数：,系数：代表一个电子沿着电场方向行经1cm长度，平

6、均发生的碰撞电离次数；,系数：代表一个正离子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生的碰撞电离次数；,系数：表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属表面平均释放出的自由电子数。,电子崩理论,一个电子从阴极到阳极产生的电子数N ：,一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为：,电子崩中电子数目的计算,气体放电的主要形式,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

7、温度都很高，电流密度大，电路有短路特征；电源功率大,气体放电的主要形式（续）,外施电压小于U0 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。这类放电称为非自持放电。,非自持放电,当电压达到U0 后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增，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。这种放电形式称为自持放电。,自持放电,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，放电的起始电压U0为击穿电压；,非均匀电场：当电压达到U0后，出现电晕，U0为电晕起始电压，电压继续升高，相继出现刷状放电、火化放电（或电弧放电）。

8、,均匀电场气隙的击穿,气体击穿的两个基本理论： 汤森德理论 流注理论,一个电子从阴极到阳极产生的电子数N ：,过程：对应于起始电子形成电子崩的过程；,汤森德机理,过程和 过程,过程： 描述了离子崩到达阴极后，将引起阴极发射二次电子的过程。,一个正离子从阴极轰出的自由电子个数：,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。 电子崩气隙击穿,汤森德机理（续）,汤森德机理的结论,自持放电条件：,表示由 过程在阴极上重新发射一个电子，这时不再需要外电离因素，就能使电离维持发展了，即转入自持放电。,汤森德理论的实质：电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴

9、极表面，使阴极表面溢出电子，溢出电子是维持气体放电的必要条件。,1、简述电子崩理论。 2、什么是自持放电和非自持放电？ 3、简述汤逊机理和结论。,思考题,本节完,28,第一章 气体放电的基本物理过程（续）,巴申定律,击穿电压是气压 P 与极间距离 d 的乘积（或气体相对密度 与极间距离 d 的乘积）的函数,物理学家巴申在汤森德理论提出之前从实验中得出,30,击穿电压有最小值,巴申/帕邢定律,形成自持放电需要达到一定的电离数 ，而这又决定于碰撞次数与电离概率的乘积，如果d固定，则当p增大时，碰撞次数将增加，而电离概率将减小。因此在某个p值下 有最大值，从而击穿电压达到最小；,击穿电压有最小值的解

10、释,另一方面，如果p固定，则当d增大时，碰撞次数将增加，而E=U/d减小，电离概率减小，因此在某个d值下 有最大值，从而击穿电压达到最小值,巴申定律,巴申定律与汤逊机理在 Pd 较小时相一致,根据巴申定律可知，由于在P很大或P很小时，击穿电压都较高，可采用提高气压或降低气压到高度真空来提高气隙的击穿电压,汤逊机理的适用范围,适用范围：低气压，短气隙，pd 200 cm.mmHg,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 阴极材料：理论上有关，实际中无关,流注

11、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,35,电子崩空间电荷对电场的畸变,: 外加电场 : 正空间电荷与负极板产生的电场 ：正空间电荷与负空间电荷产生的电场 ：负空间电荷与正极板产生的电场 ：空间电荷产生的电场与外加电场叠加 后的实际电场,电子崩前方和尾部处的电场增强，强场区的中间部分场强小，复合产生光电离,正流注的产生,初崩头部放出的光子在崩头前方和崩尾后方引起空间光电离并形成二次崩，

12、以及它们和初崩汇合的过程,当外施电压为气隙最低击穿电压时，光子在崩尾引发衍生子崩，从正极板出发。,电极间所加电压等于自持放电起始电压，初崩跑完这个气隙，其头部才能积聚到足够的电子数而引起流注,(a) 初崩跑完整个气隙后引发流注,（b）出现流注的区域从阳极向阴极方向推移,（c）流注放电所产生的等离子通道短接了两个电极，气隙被击穿。,从电子崩到流注的转换,流注机理的结论,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,是一常数，工程上一般认为：,巴申定律与流注机理在 Pd 较大时相一致,流注理论对 Pd 很大空间时放电现象的解释,放电外形：衍生电子崩的发展具有不同的方位，所以

13、流注的推进不可能均匀，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； 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。,极不均匀电场中气体击穿 的发展过程 现实和工程中常见的气体放电,40,均匀电场和极不均匀电场示意图,a、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 b、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） c、短间隙、长间隙、超长间隙各不相同 d、可能出现各种放电形式：电晕、刷状、火花、弧光放电等 e、只能用流注机理来解释,1、极不均匀电场击穿的特点,随着加在间隙上电压的提高，间隙中的

14、放电过程为：,电子崩 流注 主放电（击穿）,2、短间隙的击穿过程（以棒 板间隙为例）,正极性电晕起始电压高；负极性电晕起始电压低,正棒难以形成流注,负棒容易形成流注,棒 板间隙极性效应1,棒 板间隙极性效应 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,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,（棒 板间隙距离大于1米）,先导发展的速度和回路中电阻有很大关系，发展越来越快,3、长间隙中的先导放电（续）,先导形成：

15、a、电场极不均匀、施加电压很高 b、棒极周围产生大量流注并向棒极汇聚 c、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,电子崩 流注 先导 主放电（击穿）,4、长间隙的击穿过程,a、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 b、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 c、击穿电压随间隙的增长而趋于饱和,5、长间隙击穿的特点,6、极不均匀电场中的主放电过程,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

16、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、极不均匀电场中的主放电过程,a、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 b、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 c、两种形式：电子崩形式（电极很尖）和流注形式,7、极不均匀电场中的电晕放电,d、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 e、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,极不均匀电场中的电晕放电（续）,思考题,1、简述流注机理和结论。 2、流注理论和汤逊理论各自适用的条件比较。 3、极不均匀电场击穿有哪些特点？ 4、简述长间隙的放电过程和特点。 5、简述极不均匀电场中的主放电过程。,本节完,第一章 气体放电的基本物理过程,55,第八节 沿面放电及防污对策,沿面放电的概念 沿面放电界面电场分布与特点