高电压技术第二章-气体放电

击穿是指纯气隙放电; 闪络是沿着固体表面的气 体放电; 击穿和闪络统称为放电.
根据绝缘所处的环境可分为
沿面放电 污秽放电
第二章 气体放电的基本物理过程
C. 原子的激励 定义：气体原子在外界因素的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，这
时气体原子核外的电子将从离原子核较近的轨道跳到离原子核较远的轨道上，此 过程称为原子的激励。或者说：当原子获得外部能量，一个或若干个电子有可能 转移到离核较远的轨道上去，该现象称为激励。
第二章 气体放电的基本物理过程
三、热游离：
由图所示： 当T > 104K时，才需考虑热电离；[摄氏度=开氏度-273.15 ] 当T > 2*104K 时，几乎全部的分子都处于热电离状态
第二章 气体放电的基本物理过程
四、金属电极表面游离[Secondary Ionization Processes]:
第二章 气体放电的基本物理过程
6 空气间隙击穿的类型 1. 当u>u0气体介质击穿 2. 由于击穿时的条件不同而出现各 种放电形式 3. 击穿时最低临界电压称为击穿电 压
1. 当u>u0沿固体介质表面的气体放 电称为沿面放电（闪络） 2. 闪络时最低临界电压称为闪络电 压
第二章 气体放电的基本物理过程
第二章 气体放电的基本物理过程
5 电弧放电[arc discharge ] 定义：在电源能持续提供大电流的条件下，因热电离在间隙中形成明亮、高
电导、高温通道的一种强烈自持放电。
电弧放电（arc discharge）是气体放电中最强烈的一种自持放电。当电源提供 较大功率的电能时，若极间电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中可 持续通过较强的电流（几安至几十安）,并发出强烈的光辉,产生高温（几千至上 万度），这就是电弧放电。电弧是一种常见的热等离子体（见等离子体应用）。
第二章 气体放电的基本物理过程
2.1.5 带电粒子在气体中的运动 1 粒子的自由行程长度
当气体中存在电场时，粒子进行热运动和沿电场定向运动（如 图所示）
第二章 气体放电的基本物理过程
1 粒子的自由行程 一个粒子(质点)在每两次碰撞之间自由通过的距离叫 自由行程。
第二章 气体放电的基本物理过程
2 粒子的平均自由行程
电离能（Wi，单位：电子伏eV）： 使基态原子或分子中最松弛的那个电子电 离出来所需要的最小能量称为电离（游离）能。
游离是激励的极限状态，气体分子或原子游离所需要的能量称为游离（电离）能， 游离能随气体种类而不同，一般约在10~15eV之间。
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision]：
第二章 气体放电的基本物理过程
主要内容
第二章 气体放电的基本物理过程
第一节 带电质点的产生与消失
2.1.1 气体放电形式
气体中没有电流流通时为绝缘介质（起绝缘作用） 气体中流通电流的各种形式统称为气体放电
纯气体间隙的放电主要有以下几种类型：
1.辉光放电（气压低、电源功率小、电流密度小1－5mA/cm2 ） 2.电晕放电（极不均匀电场中，局部电场最强处） 3.刷状放电（明亮且细断续放电通道，间隙仍未被击穿） 4.火花放电（贯串两极明亮而细、断续的放电通道） 5.电弧放电
A.电介质[dielectric]
外绝缘和内绝缘 在电气设备的绝缘结构中， 我们主要分为: 外绝缘[external insulation ]:
暴露在大气环境中的空气间隙及设备固体绝缘的外露表面的绝缘。其 绝缘耐受强度随大气环境条件(如气压、温度、湿度、淋雨、污秽、覆冰等) 的变化而变化。一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成。
第二章 气体放电的基本物理过程
纯净的、中性状态的气体是不导电的，只有气体中出现了带电 质点（电子、正离子、负离子）后，才可能导电，并在电场作用下 发展成各种形式的气体放电现象。 在自然界中，气体放电[gas discharge ]是一种很普遍的自然现 象，比如大气层中的闪电和极光；在日常生活中，利用气体放电原 理制成的电光源器具也是琳琅满目，比如荧光灯、钠灯、气体放电 管等；在电力工业中，气体放电更是经常要涉及和研究的课题。
金属表面发射电子的过程，称为金属电极表面游离。


由于逸出功<<电离能，因此阴极表面电离可在下列情况下发生： 正离子撞击阴极表面 光电子发射 热电子发射 强场发射 逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。
第二章 气体放电的基本物理过程
第一节 带电质点的产生与消失
2.1.3 负离子的形成
第二章 气体放电的基本物理Baidu Nhomakorabea程
2 电晕放电[corona discharge] 定义：导线或电极表面的电场强度超过碰撞游离阈值时发生的气体局部自持
放电现象。因在黑暗中会看到蓝色的晕光形同月晕一样，因而得名。
电力系统中的高压及超高压输电线路导线上发生电晕（见图），会引起电晕功率 损失、无线电干扰、电视干扰以及噪声干扰。进行线路设计时，应选择足够的导 线截面积，或采用分裂导线降低导线表面电场的方式,以避免发生电晕。对于高 电压电气设备,发生电晕放电会逐渐破坏设备绝缘性能。
第一节 带电质点的产生与消失
2.1.2 带电粒子的产生 气体中产生带电粒子的物理过程称为电离，是气体放 电的首要前提。在介绍本节内容之前，首先大家要掌握几 个重要的名词。
第二章 气体放电的基本物理过程
第一节 带电质点的产生与消失
常用名词
第二章 气体放电的基本物理过程
A.电介质[dielectric] 定义：电工中一般认为电阻率超过10欧/厘米的物质便归于电介质。一般情
电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态， 可分为：
气体电介质有：空气、氢、六氟化硫 (SF6)， 液体电介质有：变压器油、石油、纯水， 固体电介质有：云母、瓷、橡胶、纸、聚苯乙烯。
其中气体最常见。气体绝缘介质同其它介质相比，具有在击穿 后完全的绝缘自恢复特性，故应用十分广泛。
第二章 气体放电的基本物理过程
第二章 气体放电的基本物理过程
2.1.4 带电粒子的消失[去游离] 带电粒子的消失可能有以下几种情况：
1. 带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成 外电路中的电流； 2. 3. 带电粒子因扩散而逸出气体放电空间； 带电粒子的复合。
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，这种现象称为复合。 复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一个中性分子； 复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。
如果W大于或等于气体分子的电离能Wi，该电子就有足够的能量完成碰撞电 离。由此可得碰撞电离时应满足以下条件：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离为：
第二章 气体放电的基本物理过程
二、光游离[photo-ionization]：
内绝缘[internal insulation ]:
设备内部绝缘的固体、液体、气体部分，基本不受大气、污秽、潮湿、 异物等外界条件影响。一般由固体介质、液体介质和（或）气体介质联合构 成。
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A.电介质[dielectric]
在电气作用下，电介质中出现的电气现象可分为两大类: 1. 弱电场—电场强度比击穿场强小得多，会出现：极化、电导、 介质损耗等电气现象 2. 强电场—电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强，这会 出现：放电、闪络、击穿等电气现象
况下，电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着，因 此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下，这些电荷也只能在微观范围 内移动，产生极化。在静电场中，电介质内部可以存在电场，这是电介质与导 体的基本区别。不导电的物质，如空气、玻璃、云母片、胶木等。一切绝缘体 统称为电介质；或者是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响 外电场的物质。
当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离产生出 正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负 离子的情况(又称为：吸附效应[attachment])。 容易吸附电子形成负离子的 气体称为电负性气体，如氧、氯、 氟、水蒸气和六氟化硫气体等。 负离子的形成并未使气体 中带电粒子的数目改变，但却能 使自由电子数减少，因而对气体 放电的发展起抑制作用。
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
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3 刷状放电[corona discharge] 定义：在电晕放电的条件下，当电压进一步升高，则在电晕电极上延伸出许
多类似刷状的放电火花，放电电流虽比电晕电流大的多，但电流仍局限在电极附 近的区域内，没有贯穿两极，间隙也能承受电压的作用，这种放电形式称为刷状 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
第二章 气体放电的基本物理过程
原子的激励状态是不稳定状态，经过极短时间就会回复到正常状态， 激励原子回到正常状态时将以光的形式放出能量。
第二章 气体放电的基本物理过程
D. 原子的电离 [游离(ionization)] 定义：如果中性原子由外界获得足够的能量，以致使原子中的一个或几个电
子完全脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子（即带电质点），此过程称为 原子的电离。 也可以表述为：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太 大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内， 只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘 体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待 电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
放电根据其放电时产生的现象特 征可以区分为一下几种：
辉光放电 电晕放电 局部放电 火花放电 沿面放电 等等
根据放电强度和放电阶段可分为
非自持放电； 自持放电
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的 行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。 单位行程中的碰撞次数n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
在低气压下的一种气体放电，放电电流密度较低，放电区域呈现辉光。
第二章 气体放电的基本物理过程
1 辉光放电[glow discharge ] 定义：在低气压下的一种气体放电，放电电流密度较低，放电区域呈现辉光。
在置有板状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱） 气体或蒸气，当两极间电压较高（约1000伏）时，稀薄气 体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极， 产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体 导电。辉光放电的特征是电流强度较小（约几毫安），温 度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光 现象。因正离子的漂移速度远小于电子，故正离子空间电 荷区的电荷密度比电子空间电荷区大得多，使得整个极间 电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内。这是辉光放 电的显著特征，而且在正常辉光放电时，两极间电压不随 电流变化。
由光辐射引起原子或分子电离的现象称为光游[电]离。当满足以下条件时， 产生光电离：
第二章 气体放电的基本物理过程
三、热游离：
气体在热状态下引起的游离过程称为热游离。常温下，气体分子发生热电 离的概率极小。 气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度。
下图为空气的电离度m与温度T的关系：