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1、高电压技术,李 化 ,第1篇 电介质的电气特性,1 气体电介质的绝缘特性,2,课程回顾,3,1.1 气体中带电粒子的产生和消失,气体电离的条件？种类？ WWi, 碰撞电离； 光电离； 热电离；表面电离 电极表面逸出电子的条件？途径？ WWi，正离子撞击阴极，光电子发射，强场发射，热电子发射 电负性气体？电负性与电气强度的关系？ 电负性表征分子吸引电子的能力，分子吸附电子成为负离子；电负性越好，吸引电子能力越好，电子越少，对放电越不利，所以电气强度好，即绝缘性能好。,课程回顾,气体放电的主要形式,辉光放电 电晕放电 刷状放电 电弧放电 火花放电,注：辉光放电、电晕放电、刷状放电时间隙未击穿，火花
2、放电和电弧放电均是间隙击穿后的放电现象,1 气体电介质的绝缘特性,5,1.2 均匀电场中气体的击穿,6,1.2.1 非自持放电和自持放电,外电离因素：天然辐射或人工光源,电场 作用,气体中的电压和电流关系,非自持放电去掉外电离因素的作用后放电随即停止； 自持放电不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。,7,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.1 非自持放电和自持放电,试验分析：,当UU0（非自持放电阶段） 01段：电流随电压的升高而升高； 12段：电流仅取决于外电离因素，而与电压无关； 23段：电压升高电流增强，但仍然靠外电离维持放电过程 当UU0 （自持放电阶段） 3点后：电流急剧突
3、增，气体间隙击穿，只靠外电压就能维持,自持放电起始电压,电场均匀：间隙击穿电压Ub 电场极不均匀：电晕放电起始电压,8,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.2 汤逊放电理论-低气压短间隙均匀电场,E,阴极,阳极,崩头大、崩尾小,电子崩,崩头,崩尾,一、电子崩的形成,9,系数,电子沿电场方向行进单位长度，发生的平均碰撞电离次数,系数,系数,正离子碰撞阴极表面，逸出的自由电子平均 数,正离子沿电场方向行进单位长度，发生的平均碰撞电离次数,电子崩,离子崩,阴极发射电子,离子体积、质量大，平均自由行程短， 发生碰撞电离可能性比电子小得多，可 忽略该过程。,对应单位长度内新电离的自由电子数,1.2 均
4、匀电场中气体的击穿,1.2.2 汤逊放电理论-电子崩的形成,一、电子崩的形成,10,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.2 汤逊放电理论-过程,n个电子行过dx之后，会产生 dn个新的电子,对于均匀电场， 不随空间位置而变,新产生的电子数和正离子数为,放电可否自持 ？,11,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.2 汤逊放电理论-过程,新产生电子数：,到达阴极的正离子数,从阴极电离出的电子数,12,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.2 汤逊放电理论-自持放电的条件, 汤逊理论的自持放电条件,物理意义：一个电子从阴极到阳极途中因碰撞电离（过程）而产生的正离子数为 ed1 ，这批正离子在阴极
5、上造成的二次自由电子数（过程）应为 (ed1 ) ，如果它等于1，就意味着那个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。,(ed1) 1,13,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.2 汤逊放电理论-自持放电的条件,不够直观，不适合 工程直接应用,外界电离因子,碰撞电离,电子崩 过程,气体中的自由电子,14,物理意义,引起碰撞电离的必要条件,只有那些自由行程超过xiUi /E的电子，才能与分子发生碰撞电离。,自由行程大于xi的概率为,电离碰撞次数,Wi、Ui 分别为气体分子的 电离能和电离电位,若电子的平均自由行程为，在单位长度内，一个电子的平均碰撞次数为1/ 。 x=0处，n0个电子沿电
6、力线运动，前进x后，剩余n个电子未发生碰撞，则在（x, x+dx）内发生碰撞的电子数为,自由行程分布,15,气体温度不变时，1/ AP,代入自持放电的临界条件,式中，,16,由于对取了两次对数，Ub对的变化不敏感，因此Ub取决于P与d的乘积。,结论：均匀电场中气体的击穿电压Ub是气压和电极间距离的乘积（pd）的函数。,击穿电压与Pd的规律在汤逊碰撞电离学说提出之前，巴申已从实验中总结出来了，汤逊理论从理论上解释了试验结果。 从曲线可以看出，存在一个最小值，此时击穿电压最低。,1889年，巴申完成了他的著名实验。,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.2巴申定律-巴申曲线,18,1.2 均匀电场
7、中气体的击穿,1.2.2巴申定律-定性解释,P,电子累积动能,间距过大,难以碰撞电离,气体密度,碰撞电离,Ub,P,电子累积动能,气体密度,碰撞电离,Ub,d,E,电子累积动能,碰撞次数,电离概率,Ub,d,E,电离次数,碰撞次数,电子崩,Ub,难形成电子崩,1. d固定,2. P固定,碰撞次数,电离概率,19,20,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 汤逊放电理论的适用范围, 适用范围,均匀场、低气压、短气隙 (pd27kPa cm), 局限性,pd较大时，解释现象与实际不符,放电外形 汤逊理论解释：放电外形均匀，如辉光放电； pd大时的实际现象：外形不均匀，有细小分支； 放电时间：T
8、pd大T汤逊 击穿电压：Ubpd大Ub汤逊 阴极材料影响 汤逊理论解释：阴极材料对放电有影响(过程）； pd大时的实际现象：阴极材料对放电无影响；,21,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论,对象：工程上感兴趣的压力较高的气体击穿，比如雷电放电并不存在金属电极，因而与阴极上的过程和二次电子发射根本无关。 特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场（使原来均匀的电场变成了不均匀电场）的作用 放电过程,电子崩阶段,流注阶段,气体击穿,电离形成二次电子崩，等离子体,空间电荷畸变外电场,通过大量的实验研究（主要在电离室中进行）说明放电发展的机理
9、。,22,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-电子崩过程, 起始电子崩（主电子崩）,崩头前后：加强了原电场，出现激励和反激励； 崩头内部：削弱了原电场，复合过程产生光子。, 空间电荷对原有电场的影响,大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩内正、负电荷区域之间的电场,电子崩头部 电场明显增强，电离过程强烈，有利于发生分子和离子的激励现象，当它们回复到正常状态时（反激励），发射出光子,崩头内部正负电荷区域 电场大大削弱，电子和正离子浓度却最大，有助于发生复合过程，发射出光子。,23,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-二次电子崩,光子引起空间光电离，其中电子被主电子崩
10、头部的正空间电荷所吸引，在畸变而加强了的电场中，形成了新的电子崩，称为二次电子崩。,主崩头部接近正电极时，电场大幅度增强，发生强烈的电离，并向周围放射出大量光子。,主崩中部电场被削弱，发生强烈复合发出大量光子。,条件：当外加电压=击穿电压,1起始电子崩；2二次电子崩,24,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-正流注的形成,流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场。 流注向阴极发展，发展到阴极后，间隙击穿。,二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注。,此时的电压就是击穿电压Ub
11、,条件：当外加电压=击穿电压,正流注发展方向：从阳极到阴极 初始电子崩需走完整个间隙,25,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-负流注的形成,条件：当外加电压击穿电压,1起始电子崩；2二次电子崩； 3流注,电压较低时，电子崩需经过整个间隙才能积聚到足够的电子数形成流注；电压较高时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注 主电子崩头部的电离很强烈，光子射到主崩前方，在前方产生新的电子崩，主崩头部的电子和二次崩尾的正离子形成混合通道，形成向阳极推进的流注，称为负流注 间隙中的正、负流注可以同时向两极发展。,26,试验测量结果：电子崩,在电离室中得到的初始电子崩照片 图
12、a和图b的时间间隔为110-7秒,初始电子崩转变为 流注瞬间照片,电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论,27,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论,试验测量结果：正流注,在电离室中得到的阳极流注发展过程的照片 正流注的发展速度约为11082108cm/s,28,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论,电子崩是沿着电力线直线发展，流注会出现曲折的分支 电子崩可以同时有多个互不影响地向前发展 汤逊放电是弥散的一片，流注放电有明亮的细通道,29,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-总结,由阳极
13、向阴极(正流注)或由阴极向阳极(负流注)击穿,强电场作用下,发生碰撞电离,畸变电场,发射光子,流注高速的向 电极发展,电子崩,气隙间有效电子,形成等离子通道（流注）,产生新电子崩（二次崩）,二次崩不断汇入主崩,30,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-在均匀电场中的自持放电条件,流注形成的条件就是自持放电条件,初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值 既: ed常数 或d常数（ed为电子崩头部的电子数） 实验所得初崩头部的电子数要达到108时(dmin20)，放电才能转为自持 存在Pd最小值：27kPacm。,一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行
14、维持，即转入自持放电； 如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。,流注形成的条件,31,1.2 均匀电场中气体的击穿,1.2.4 流注理论-对pd 较大时放电现象的解释,现象： pd 较大时，放电不均匀，有分支，有细小的通道 解释：二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝, 放电时间,现象： 放电时间极短 解释：光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象, 阴极材料的影响,现象： 放电与阴极材料无关 解释： pd很大时，维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的
15、电离过程, 放电外形,32,树枝状放电与放电发展的抑制,互相补充说明广阔的Pd范围内的放电现象,33,1.2 均匀电场中气体的击穿,在Pd值较小时，起始电子不可能在穿越极间距离后完成足够多的碰撞电离次数，因而难以聚积到足够的电子数，这样就不可能出现流注，放电的自持只能依靠阴极上的过程。,汤逊理论：低气压、短间隙（Pd值较小） 流注理论：高气压、长间隙（Pd值较大） 临界值： 27kPacm,汤逊理论的基本观点：电离的主要因素是空间碰撞电离；而正离子碰撞阴极导致的表面电离是自持放电的必要条件。 流注理论的基本观点：以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷的电场畸变作用，着重于空间光电离来解释放电
16、的发展过程。当电子崩的离子数达到108时，引起空间光电离，流注一旦形成，放电转入自持。,34,1.2 均匀电场中气体的击穿,35,35,引起气体放电的因素有两个：一是电场作用；二是外电离因素 非自持放电去掉外电离因素的作用后，放电随即停止； 自持放电不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。,36,1.2 均匀电场中气体的击穿-总结,汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较： 汤逊理论：自持放电由阴极表面电离来维持 流注理论：依赖于空间的光电离,1 气体电介质的绝缘特性,37,38, 均匀电场,放电达到自持，间隙立即被击穿，击穿前看不到放电迹象 平板电极, 稍不均匀电场,放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电便一定立即
