高电压技术课件_第一_二_三章

1.2 气体放电的主要形式
常见放电形式 z 辉光放电 z 电晕放电 z 火花放电 z 电弧放电
注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放 电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不 同，这些放电现象可相互转换。
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2 气体中带电质点的产生和消失
2.1 气体中带电质点的产生 2. 2 气体中带电质点的消失
形式：
① 正离子碰撞阴极表面；（正离子能量大于2倍金属 逸出功）
② 光电效应； （光子能量大于金属逸出功） ③ 强场发射； （场强在103kV/cm数量级） ④ 热电子发射； （金属电子动能大于逸出功）
2.1 气体中带电质点的产生（续3）
（四）表面电离
表面电离系数：γ 折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面
1.1.2 气体的绝缘特性
¾ 气体指高压电气设备中常用的空气、SF6、以及 高强度混合气体等气态绝缘介质。
空气：架空线路、电气设备外绝缘； SF6： SF6断路器和全封闭组合电器外绝缘；
¾ 空气是最廉价、应用最广、自动恢复绝缘的气 体，因此我们主要研究空气的放电。
气体具有绝缘自恢复特性
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1.1.3 气体的电气强度
hv ≥ Wi
或
λ ≤ hc Wi
h：普朗克常数； C：光速 υ：光频率； λ：光波长；
2.1 气体中带电质点的产生（续2）
（三）热电离
本质：气体分子热状态引起电离，是碰撞电离（热运动）和光电
离（热辐射）的综合。
气体分子平均动能：
Wm
=
3 2
KT
热电离条件： 2W m = 3 KT ≥ W i
电离度：气体中发生电离的分子数与总分子数比值。
3.1.1 非自持放电和自持放电 3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 3.1.3 巴申定律 3.1.4 汤逊理论的适用范围
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3.1.1 非自持放电和自持放电
气体放电实验的伏安特性曲线
非自持 放电与 自持放 电的分 界点
3.1.1 非自持放电和自持放电
气体放电实验的伏安特性曲线
图表示实验所得平板电 极(均匀电场)气体中的 电流I与所加电压的关 系：即伏安特性
气体放电 发展过程
空间电离
2.1 带电质 点产生 表面电离
碰撞电离
电子碰撞电离－α 正离子碰撞电离－β
光电离
热电离
正离子碰撞阴极－γ 光电效应 强场发射 热电子发射
负离子的形成－η
2.2 带电质 电场作用下气体中带电质点的定向运动 点消失 带电质点的扩散 带电质点的复合
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本节要点
1. 激励、激励能、电离、电离能、分级电离的概念； 2. 带电质点的产生方式； 3. 电离的主要方式、电离的原因及其条件； 4. 自由行程和平均自由行程的概念； 5. 异号带电质点复合成中性原子（分子）时，光电子
气隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电
离因素。电压到达U0后的放电称为自持放电(sustained discharge)。U0称为起始放电电压(Initial ～)。
起始电压U0 （非自持→自持）
均匀场：击穿电压Ub
不均匀场：电晕起始电压，气隙仍绝 缘，Ub>U0
3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的
的产生过程； 6. 表面电离比空间电离更容易的原因； 7. 带电质点消失的各种方式及其特点； 8. 电子亲和能和电负性对气体分子附着效应的影响。
3 汤逊理论和流注理论
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3.1 汤逊理论和巴申定律 3.2 流注理论
3 汤逊理论和流注理论
3.1.1 非自持放电和自持放电
汤逊理 论和流 注理论
3.1 汤逊理论和 巴申定律
1.1 气体放电的基本概念
1.1.1 气体放电 1.1.2 气体的绝缘特性 1.1.3 气体的电气强度
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1.1.1 气体放电
¾ 气体放电：气体中流通电流的各种形式； ¾ 气体击穿：气体电绝缘状态突变为良导电状态
的过程； ¾ 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。
BC段： 当电压提高到时，电流又开始随电压的升高而增大，这 是由于气隙中出现碰撞电离和电子崩。电压升高碰撞电 离增强但仍靠外电离维持(非自持)
C点后：只靠外加电压就能维持(自持)
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3.1.1 非自持放电和自持放电（续1）
如果取消外电离因素，那么电流也将消失，这类依 靠外电离因素的作用而维持的放电叫非自持放电。
2.1 气体中带电质点的产生
（一）碰撞电离
电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体 分子引起电离的过程。
电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为:
1 mV 2 = qEx 2
m:电子的质量 V:电子运动速度 E:外电场强度 x:电子移动距离
因素： ①外电场强弱；
②能量的积累（移动距离的大小）。
2.1 气体中带电质点的产生 2.2 气体中带电质点的消失
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2.2 气体中带电质点的消失
（一）电场作用下气体中带电质点的定向运动
带电质点一旦产生，在外电场作用下作定向运动， 形成电导电流。
带电质点的运动速度 vd = bE b为带电质点在电场中的迁移率
电子的迁移率比离子大2个数量级。
（二）带电质点的扩散
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2.1 气体中带电质点的产生
带电粒子的运动
在存在电场的气体中，粒子进 行热运动和沿电场定向运动。
自由行程：一个质点在每两次碰 撞间自由地通过的距离。
平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。
λe
=
kT πr 2 p
p：气压 T：气温
k：波尔兹曼常数 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。
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3.1.1 非自持放电和自持放电
当电压提高到时 Ub，电流又开始随 电压的升高而增 大，这是由于气隙 中出现碰撞电离和 电子崩。
气体放电伏安特性
3.1.1 非自持放电和自持放电（续1）
实验分析
OA段： 电流随电压升高而升高。这是由于电极空间的带电粒子 向电极运动加速而导致复合数的减少所致。
AB段： 电流仅取决于外电离因素与电压无关。电流趋向于饱和 值，因为这时外界电离因子所产生的带电粒子几乎能全 部抵达电极，所以电流值与所加电压无关。
带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域。（热运动）
电子扩散比离子扩散高3个数量级。
2.2 气体中带电质点的消失（续1）
（三）带电质点的复合
正离子和负离子或电子相遇时，发生电荷的传递而相 互中和还原为分子的过程，复合放出能量。
复合的质点相对速度越大，复合概率越小。 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。 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。
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小结
1. 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。
2. 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。
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3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的 汤逊理论
（二）电子崩中形成的电流
汤逊理论中的α、β、γ过程
为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流， 引入：电子碰撞电离系数α 。
α表示一个电子沿电场方向运动1cm的行 程所完成的碰撞电离次数平均值。
3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的 汤逊理论
¾ 气体的电气强度表征气体耐受电压作用的能力。 ¾ 均匀电场中击穿电压Ub与间隙距离之比称为击穿场强
Eb。把均匀电场中气隙的击穿场强Eb称为气体的电气 强度。
空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm; ¾ 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。
汤逊理论
（一）电子崩
外界电离因子在阴极附近产
生了一个初始电子，如果空间电
场强度足够大，该电子在向阳极
运动时就会引起碰撞电离，产生
一个新的电子，初始电子和新电
子继续向阳极运动，又会引起新
的碰撞电离，产生更多电子。
依此，电子将按照几何级数
(a) 电子崩的形成 (b) 带电离子在电子崩中的分布
不断增多，类似雪崩似地发展， 这种急剧增大的空间电子流被称 为电子崩（avalanche ）。
本书内容分成两篇
第一篇 高电压绝缘及试验 第二篇 电力系统过电压及其防护
第一章 气体的绝缘特性主要内容
1. 气体放电的主要形式 2. 气体中带电质点的产生和消失 3. 汤逊理论和流注理论 4. 不均匀电场中的放电过程 5. 冲击电压下气隙的击穿特性 6. 影响气体放电电压的因素 7. 提高气体介质电气强度的方法 8. 沿面放电
气体放电伏安特性
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3.1.1 非自持放电和自持放电
气体放电伏安特性
在曲线0a段，I随U的 提高而增大，这是由 于电极空间的带电粒 子随外施电压增加向 电极运动加速所致。
3.1.1 非自持放电和自持放电
气体放电伏安特性
当电压接近Ua时，电 流I0趋向于饱和值， 因为这时外界电离因 子所产生的带电粒子 几乎能全部抵达电 极，所以电流值仅取 决于电离因子的强弱 而与所加电压无关。
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1 气体放电的主要形式
1 气体放电的主要形式
1.1 气体放电的基本概念
气体放电
1.1.1气体放电 气体击穿 沿面闪络