《青大高电压》ppt课件

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1、第一篇,电介质的电气强度,强电场电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强,放电、闪络、击穿等,一切电介质的电气强度都是有限的，超过某种限度，电介质就会丧失其原有的绝缘性能，甚至演变成导体,本篇内容,第一章 气体的绝缘特性与介质的电气强度 第二章 液体的绝缘特性与介质的电气强度 第三章 固体的绝缘特性与介质的电气强度,气体放电的基本物理过程 气体介质的电气强度和沿面放电 固、液体的击穿机理,第一章 气体的绝缘特性与介质的电气强度,1.1 气体放电的基本物理过程 1.2 气体介质的电气强度 1.3 固体绝缘表面的气体沿面放电 习题与思考题,本章内容,返回,1.1 气体放电的基本物理过程,本节内容：

2、,1.1.1 带电质点的产生 1.1.2 带电质点的消失 1.1.3 电子崩与汤逊理论 1.1.4 巴申定律与适用范围 1.1.5 不均匀电场中的气体放电,气体放电的基本理论： 汤逊理论 流注理论,气体放电：气体中流通电流的各种形式的统称；,气体击穿：气体电绝缘状态突变为良导电状态的过程；,沿面闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象；,工程上将击穿和闪络统称为放电。,什么是气体放电,常用的高压工程术语及基本概念,气体的电气强度表征气体耐受电压作用的能力。,均匀电场中击穿电压Ub与间隙距离d之比称为击穿场强Eb。我们把均匀电场中气隙的击穿场强Eb称为气体的电气强度。 空气在标准

3、状态下的电气强度为30kV/cm;,注意：不能把不均匀场中气隙Ub与间隙距离之比称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。,什么是气体的电气强度(抗电强度、绝缘强度),电离（游离）与激励（激发）,1eV（电子伏）1V1. 610-19C1.610-19J,电子的电荷量,电离可一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式 一般情况下，气体放电中主要只涉及一次电离的过程,气体原子的分级电离： 先激发（激励），再产生电离的过程,激励 ： 在外界因素作用下，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上去的现象。 激励能：产生激励所需能量称为激励能We 激励状态存在的时间很短(大

4、致为10-8s)，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，光子（光辐射）的频率f,普朗克常量 6.6310-34Js,光子：,光是频率不同的电磁辐射，也具有 粒子性，称为光子； 光线中携带能量的粒子； 原始称呼是光量子（light quantum）， 是传递电磁相互作用的基本粒子 不带电荷，具有能量、动量和质量 其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，E=hf，,几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位,当气体中存在电场时，粒子进行热运动和沿电场定向运动。,带电粒子的运动,视频链接,自由行程 ：一个质点在相邻次碰撞间自由地通过的距离。,平均自由行程：

5、众多质点自由行程的平均值。,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 气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越小。（对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比）,p：气压 k：波尔兹曼常数 T：气温 r：气体分子半径,常温常压下空气中电子平均自由行程在10-5cm数量级 。,1.1.1 带电质点的产生（电离的过程）,由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量的带电质点。,正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体； 在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能。,气体中带电质点的来源：,气体分子本身发生电离（空间电离）； 气体中的固体或液体

6、金属发生表面电离。,1、气体中电子与正离子的产生,电离方式可分为 ：,热电离 光电离 碰撞电离 分级电离,根据引起电离所需的能量来源不同，对应如下几种电离形式,实质：碰撞电离和光电离， 能量来自气体分子本身的热能。,分子动能碰撞电离 热辐射发出的光子的能量、数量光电离 热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合,温度超过10000K时（如电弧放电）才需要考虑热电离，在温度达到20000K左右，几乎全部空气分子都已经处于热电离状态,（1）热电离：气体的热状态引起的电离,常温下，气体分子发生热电离的概率极小。,气体的电离度,图1-1 不同温度下空气和SF6气体的热电离程度,在光照射下,光子能量传给气体

7、粒子，游出自由电子 由光电离而产生的自由电子称为光电子 必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能,（2）光电离：由光辐射引起气体分子电离的过程,h：普朗克常数； C：光速 f：光频率； ：光波长；,波长较短的X射线，射线能产生光电离 可见光（400750nm）不能使气体直接发生光电离 紫外线能使少数电离能很小的金属蒸汽发生光电离,紫外线、伦琴射线、射线、宇宙射线 自然界、人为照射,异号粒子复合成中性质点时释放出一定能量的光子 反激励：已经激励的分子或原子回到常态,气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离 撞击质点可能是电子，正、负离子，中性分子或原子,是气体中产生带电粒子的最重要

8、的形式,（3）碰撞电离（撞击电离）,撞击粒子的能量被撞粒子的电离能,发生碰撞电离的条件：,电子或离子在电场作用下加速所获得的动能（ ）与质点电荷量(e)、电场强度（ ）以及碰撞前的行程( )有关即,即为了造成碰撞电离，质点在碰撞前必须经过的最小距离,碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关 增大气体中的场强将使x值减少。 提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大,撞击质点可能是电子，正、负离子，中性分子或原子 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 ，离子碰撞电离率比电子小得多 电子体积小，自由行程比离子的大，获得的动能大 电子的质量远小于分子或原子,1-1气体放电过程中

9、产生带电质点最重要的方式是什么，为什么？P49,答: 碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点最重要的方式。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 ，离子碰撞电离率比电子小得多。 这是因为电子体积小，其自由行程(两次碰撞间质点经过的距离)比离子大得多，所以在电场中获得的动能比离子大得多。 其次由于电子的质量远小于原子或分子，因此当电子的动能不足以使中性质点电离时，电子会遭到弹射而几乎不损失其动能；而离子因其质量与被碰撞的中性质点相近，每次碰撞都会使其速度减小，影响其动能的积累。,（4）分级电离,分子或原子在激励态再获得能量而发生电离。 条件：所需能量Wi-We。 特点：通常分级电离的

10、概率很小。 激励态是不稳定的，一般经过10-8s恢复到基态 某些原子具有亚稳激励态，使分级电离的概率增加,-气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。 -逸出功：使电子从金属表面逸出需要的能量。 小于气体分子的电离能 -表明金属表面电离比气体空间电离更易发生,2、电极表面的电子逸出（表面电离）,电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途径获得 ：, 正离子撞击阴极表面 光电子发射：高能辐射线照射电极表面 热电子发射：金属电极加热 强场发射：电极表面附近存在强电场,（1）正离子碰撞阴极（二次发射）,某些具有足够能量的正离子碰撞阴极表面，产生表面电离，使电子逸出（传递的能量要大于逸出功）。 条件：正离

11、子的能量 2倍金属逸出功 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 并不是所有满足上述条件的撞击都会造成表面电离,（2）光电子发射 (光电效应),用短波光（高能量辐射线）照射金属表面，产生表面电离， 条件：光子的能量逸出功 注意：并不是所有满足条件的光子都产生光电发射 一部分光子被金属表面反射 被金属吸收的光能中，大部分转化为金属的热能， 小部分使电子逸出 逸出功电离能， 同样的光辐射引起的表面电离比引起的空间光电离强烈很多,（3）强场发射（冷发射、场致发射）,当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子 条件：需要极强的

12、外电场，108V/m数量级 一般的气隙击穿过程中不会出现 对高真空下的气体击穿；或对某些高电强气体在高压强下的气隙击穿具有重要意义,（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 条件：因高温而获得的动能逸出功 常温下不存在热电子发射现象 热电子发射对某些电弧放电过程具有重要意义,电子附着: 中性分子或原子与电子相结合，形成负离子 分子或原子对电子的亲合能： 附着过程中放出能量 电负性气体： 具有明显捕捉自由电子而形成负离子的气体 亲和能大 , 易形成负离子强电负性气体，如氧、氟、SF6 负离子的形成使自由电子数减少，对气体放电的发展起抑制作用,3、气体中负离子的

13、形成,表l-3列出了卤族元素的电子亲合能与电负性数值,电负性：一个无量纲的数，其值越大表明原子在分子中吸引电子的能力越大,1.1.2 带电质点的消失（去电离、消电离）,带电质点的消失可能有以下几种情况： 带电质点受电场力的作用流入电极 （中和）； 带电质点因扩散而逸出气体放电空间； 带电质点的复合。,在气体放电空间 ，带电质点在一定的电场强度下运动达到某种稳定状态 ，保持平均速度，即上述的带电质点的驱引速度（迁移速度）：,1、带电质点受电场力的作用流入电极,中和在电场作用下作定向运动，流入电极中和电量,电子迁移率比离子迁移率大两个数量级，即使在很弱的电场中，电子迁移率也随场强而变 同一种气体的

14、正负离子的迁移率相差不大 标准大气条件干燥空气正负离子：b=1.36、1.87cm/（V.m）,b 迁移率,2、带电质点的扩散,扩散：带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。 原因：热运动 扩散规律：与气体的扩散规律也是相似的 气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱 电子扩散比离子扩散高3个数量级 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，自由行程大，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多,3、带电质点的复合,复合： 当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和，还原为分子的过程。 是带电质点在

15、接近时通过电磁力的相互作用完成。 复合时把电离时吸取的电离能通过光辐射（光子）形式放出，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致光电离的因素 复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展。,与电离相反的 物理过程,复合率：一定空间内带电质点由于复合而减少的速度 正负电荷的浓度 越大，复合率越大 参加复合的质点的相对速度 越大，相互作用时间越短，复合率越小 分类 电子复合： 发生在电子和正离子之间，产生一个中性分子； 离子复合： 发生在正离子和负离子之间，产生两个中性分子。 放电过程中绝大多数是正、负离子之间复合，参加复合的电子绝大多数先形成负离子再与正离子复合。,小结

16、：气体中带电质点的产生和消失,气体间隙中带电质点的产生和消失是气体放电的一对基本矛盾，气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位。 强电场下，气体中带电质点的产生形式可以分为空间电离和表面电离。它们都与外界供给的能量有关，能量的形式主要是电场能、光辐射和热能，而能量的传递靠电子、光子或气体分子的热运动，其传递的过程主要是碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程。,常用高压工程术语 击穿：在电场的作用下，由电介质形成的绝缘间隙，丧失绝缘 性能，形成导电通道的过程， 放电：气体绝缘的击穿过程 闪络：沿固体介质表面发展的气体放电（亦称沿面放电） 电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部电离放电 击穿（放电）电压b（）：使绝缘击穿的最低临界电压 击穿场强（抗电强度，绝缘强度）b（）： 发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。 Eb bd（d：极间距离）,均匀电场和极不均匀电场示意图,1.1.3 电子崩与汤逊