第2-3讲 气体电介质的绝缘特性(一)

1

xi

e


1

Wi qE

e
APe
Wi 1 qE AP
39

P

Ae
Wi 1 qE AP
Ae

Wi AP qE
Ae

BP E
f( ) P
E
其中 B
AWi q
ed 1 1 及 E U 0 / d 代入自持放电的临界条件
得
BPd U0 APd ln 1 ln(1 )
16
（二）带电粒子的扩散

带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热 运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也 是相似的
气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体压力越 高或者温度越低，扩散过程也就越弱 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，因此，电子的扩 散过程比离子的要强得多
0
hc qU i 1229 Ui nm

对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下， 一般是不能直接发生光电离的
11
(三）热电离

因气体热状态引起的电离过程——热电离（碰撞电离 与光电离的综合） 气体分子的平均动能和气体温度的关系为
Wm 3 2 KT
在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离
15
（ 一） 电场作用下气体中带电粒子的运动

带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形 成电流
j qnvd


在气体放电空间 ，带电粒子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，即上述的带电粒子的 驱引速度 vd bE b ——迁移率 电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中 ，电子迁移率也随场强而变
0
34
d
对于均匀电场， 不随空间位置而变
n ed
新产生的电子数和正离子数为
e d 1
35
（2）系数
到达阴极的正离子数
n ed 1
从阴极电离出的电子数
(ed 1)
36
（3）自持放电条件
放电由非自持转入自持的条件为
e
d
1 1

37
物理意义

引起碰撞电离的必要条件
电离过程所需要的能量——电离能Wi（10-15 eV），也 可用电离电位Ui（V）
5
1.1.1 气体中带电粒子的产生
（一）气体分子的电离可由下列因素引起：
（1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离
（2）各种光辐射（光电离） （3）高温下气体中的热能（热电离） （二） 金属（阴极）的表面电离
6
（一）碰撞电离

如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持 时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电 晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压 ，而击穿电压可能比起始电压高很多
29
1.2.2 汤逊放电理论


汤逊放电理论
流注放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压
力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象
18
（四）附着效应——负离子的形成

有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反 而是碰撞电子附着分子，形成了负离子 有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易 形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯，SF6 等） 质量大、速度小——阻碍放电，绝缘强度较高

19
1.2 均匀电场中气体的击穿
Eq

1 2
m 2 Wi
碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的 大小有关
10
（二）光电离

光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离
自然界、人为照射、气体放电过程

当气体分子受到光辐射作用时，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 Wi

光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为
γ系数——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 （阴极发射电子）
33
系数
光照射
设：从阴极发出一个电子，经多次 碰撞电离，在经过距离阴极x后，产 生n个电子 这n个电子行过dx之后，又会产生 dx ＋ dn个新的电子
－
x
d
dn ndx
x d处
n exp dx
Eqx Wi 或 Ex U i
只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分 子发生碰撞电离 若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率 为
e
xi /
38
在单位长度内，一个电子的平均碰撞次数为1／ 其中
1

e xi /
是电离碰撞次数， 气体温度不变时，1／ ＝Ap
原子能级
以电子伏（eV）为单位 1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J
原子激励
原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态， 所需能量称为激励能We
激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光
子（光辐射）的频率
W h
4
原子电离——
原子在外界因素作用下，获得能量，使其一个或几个电 子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程
SF6
U 0 f ( Pd )
pd /( Pa cm)
0.5
巴申曲线
pd / 133. 3 P cm a
42
U 0 f Pd
U 0 f (d )
PT0
δ—空气的相对密度
P 273 20 2.89 P P0T P0 273 t 273 t

自由行程：粒子在两次碰撞之间的行程 电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多
气体分子密度越大，其中粒子的平均自由行程越 小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密 度成正比

T p
7

自由行程的分布： 具有统计性的规律。粒子的 自由行程大于x的概率为
f ( x) e

x

如果起始有n0个粒子（或一个粒子的相继n0次 碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的 粒子数（或次数）n(x)应为

24
刷状放电

电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕 电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状 放电 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电 弧放电，最后整个间隙被击穿 如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由 电晕放电直接转入击穿

25
1.2.1 非自持放电和自持放电
光照射
I
高电压技术
高电压工程系
李黎
leeli@
第2讲
1 气体电介质的绝缘特性（一）
2
1.1 气体中带电粒子的产生和消失
在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程

气隙中带电粒子是如何形成的？


气隙中的导电通道是如何形成的？
气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？
3
原子激励和电离

在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千 度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离
12
（四）金属（阴极）的表面电离

阴极发射电子的过程
逸出功（1－5eV） ：与金属的微观结构 、金属表面 状态有关

金属表面电离的多种方式
（1）正离子碰撞阴极
正离子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

40
影响击穿电压的因素
均匀电场中气体的自持放电的起始电压， 等于气隙的击穿电压U0。
U0＝f(Pd)
41
1.2.3 巴申（Paschen）定律
U 0 / kV
50 30 20 10 5 3 2 1 氢 氦 0.3 0.2 0.1 0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 3 5 10 20 30 50 100 300 1000 空气
13
表面电离的形式
（2）光电效应
金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功 时，金属表面放射出电子
（3）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
（4）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
14
1.1.2 气体中带电粒子的运动与消失

（一）电场作用下气体中带电粒子的运动 （定向运动，消失） （二）带电粒子的扩散 （三）带电粒子的复合 （中和，空间或器壁） （四）附着效应

21
电弧放电

减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大 到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮， 管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越 大

电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大 ，电路具有短路的特征
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火花放电

在较高气压（例如大气压力）下，击穿后总是形 成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的 整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电 流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花 火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放 电过程不稳定 火花间断的原因
P0＝101.3（kPa)
43
1.2.4 汤逊放电理论的适用范围

适用于低气压、短间隙（Pd比较小）

电力工程上经常接触到的是气压较高的情况（从一 个大气压到数十个大气压），间隙距离通常也很大
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