高电压技术 吴广宁2课件讲解

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。
本节内容:
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
返回
1.1.1 带电质点的产生
气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。
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。
(2)空间光电离的作用
上述处于崩头前方和崩尾附近的强场区内的光电子 由光电离造成的二次电子崩以更大的电离强度向阳极 发展或汇入崩尾的正离子群中。其电离强度和发展速 度远大于初始电子崩。其不断的汇入初崩通道的过程 成为流注。
效的。
3、流注理论
前已述及:长气隙、高气压下放电现象不能用 汤逊理论来解释。要考虑以下几个方面因素对气体
放电过程的影响:
(1)空间电荷对原有电场的影响 (2)空间光电离的作用
(1)空间电荷对原有电场的 影响
电子崩前方和尾部处的电场都增 强了,两个强场强区之间出现了一 个电场强度很小的区域,但此处的 电子和正离子的浓度最大,因而是 一个十分有利于复合的区域,结果 就产生强烈的复合并辐射出许多光 子,成为引发新的空间光电离的辐 射源。
间隙中电离过程只靠外施电压已能维持,不再
需要外电离因素了。外施电压达到 U 0后的放电 称为自持放电,U 0 称为放电的起始电压。
(2)电子崩的形成
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。
视频链接
电子崩的演示
图1-4 电子崩的示意图
依此,电子将按照几何级数不断增多,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。 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 。
:
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。
如图1-5为平板电极气 隙,板内电场均匀,设外 界电离因子每秒钟使阴极 表面发射出来的初始电子 数为n0。 由于碰撞电离和电子 崩的结果,在它们到达x处 时,电子数已增加为n,这 n个电子在dx的距离中又会 产生dn个新电子。
(2)汤逊放电理论的适用范围
汤逊理论是在低气压、 d 较小的条件下在放电 实验的基础上建立的。 d 过小或过大,放电机理将
出现变化,汤逊理论就不再适用了。
d 过小时,气压极低( 过小在实际上是不可能
远大于 d ,碰撞电离来不及发生, 的), d / 过小,
击穿电压似乎应不断上升,但实际上电压U上升到一 定程度后,场致发射将导致击穿,汤逊的碰撞电离

由上式积分得:
n n0 e
x /
(1-13)
由第一节公式,实际自由行程长度等于或大于xi的
概率为 e ,所以也就是碰撞电离的概率。
e

xi
根据碰撞电离系数 的定义,即可得出:

1
e
e

e
xi

1
e
e

Ui e E
(1-14)
kT 由第一节公式 e 内容可知,电子 2 r p 的平均自由长度 与气温 T 成正比、与气压 p 成
为使碰撞能导致电离,质点在碰撞前必须
经过的距离为:
Wi U i xi qe E E
(1-4)
式中 U i 为气体的电离电位,在数值上与以eV为
单位的Wi 相等
xi 的大小取决于场强E,增大气体中的场
强将使 xi 值减少。可见提高外加电压将使碰撞 电离的概率和强度增大。
(4)分级电离
原子或分子在激励态再获得能量而发生电 离为分级电离 激励能比电离能小,所以电子可能在外界 因素下先发生激励,然后再在激励态发生电离。
1.1 气体放电的基本物理过程
高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、 固体以及其它复合介质。由于气体绝缘介质不存 在老化的问题,在击穿后也有完全的绝缘自恢复 特性,再加上其成本非常廉价,因此气体成为了 在实际应用中最常见的绝缘介质。 气体击穿过程的理论研究虽然还不完善,但 是相对于其他几种绝缘材料来说最为完整。因此,
(2)在I-U曲线的B、C点: 电压升高至 U B 时,电流又开始 增大,这是由于电子碰撞电离 引起的,因为此时电子在电场 作用下已积累起足以引起碰撞 电离的动能。电压继续升高至 U 0 时,电流急剧上升,说明放 电过程又进入了一个新的阶段。 此时气隙转入良好的导电状态, 即气体发生了击穿。
图1-3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
由图1-3可见, (1)在I-U曲线的OA段: 气隙电流随外施电压的提高而 增大,这是因为带电质点向电 极运动的速度加快导致复合率 减小。当电压接近 U A 时,电流 趋于饱和,因为此时由外电离 因素产生的带电质点全部进入 电极,所以电流值仅取决于外 电离因素的强弱而与电压无关
图1-3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
e
反比,即:
T e p
(1-15)
当气温 T 不变时,式(1-14)即可改写为:
Ape

Bp E
(1-16)
式中A、B是两个与气体种类有关的常数。
由上式不难看出:
急剧增大; 电场强度E增大时,

p 很大或很小时, 都比较小。
高气压时, e 很小,单位长度上的碰撞次数很多,
在到达阴极表面时可撞出 (ed -1)个新电子,这
些电子在电极空间的碰撞电离同样又能产生更多的
正离子,如此循环下去。
自持放电条件为
(e 1) 1
d
(1-21)
:一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的
二次电子数
:电子碰撞电离系数
d :两极板距离
此条件物理概念十分清楚,即一个电子在自己进 入阳极后可以由及 过程在阴极上又产生一个新的替 身,从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。
但能引起电离的概率很小;
低气压和真空时, e 很大,总的碰撞次数少,所
以 也比较小。
所以,在高气压和高真空下,气隙不易发生放 电现象,具有较高的电气强度。
2、汤逊理论
前述已知,只有电子崩过程是不会发生自持放 电的。要达到自持放电的条件,必须在气隙内初始
电子崩消失前产生新的电子(二次电子)来取代外
图1-5 计算间隙中电子数增长的示意图
根据碰撞电离系数 的定义,可得:
d n nd x
分离变量并积分之,可得:
dx 0 nn e
0
x
(1-7)
(1-8)
对于均匀电场来说,气隙中各点的电场强度相 同, 值不随x而变化,所以上式可写成:
n n0e
x
(1-9)
抵达阳极的电子数应为:
电子或离子在电场作用下加速所获得的动能
1 2 mv eEx 2
(1-3)
高速运动的质点与中性的原子或分子碰 撞时,如原子或分子获得的能量等于或大于 其电离能,则会发生电离。 因此,电离条件为
eEx Wi
式中:
e :电子的电荷量; E :外电场强度; x :电子移动的距离
(1-4)
(3)在I-U曲线的BC段: 虽然电流增长很快,但电 流值仍很小,一般在微安 级,且此时气体中的电流 仍要靠外电离因素来维持, 一旦去除外电离因素,气 隙电流将消失。
U0
图1-3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
因此,外施电压小于 U 0 时的放电是非自
持放电。电压达到 U 0 后,电流剧增,且此时
2、电极表面的电子逸出
逸出功——使电子从金属表面逸出需要的能量。
不同金属的逸出功不同,如表1-2所示:
电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途 径获得 : (1)正离子撞击阴极 (2)光电子发射 (3)强场发射 (4)热电子发射
3、气体中负离子的形成
附着:电子与气体分子碰撞时,不但有可
能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子,也
可能发生电子附着过程而形成负离子。 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。
电子亲合能:使基态的气体原子获得一个电子 形成负离子时所放出的能量,其值越大则越易 形成负离子。 电子亲合能未考虑原子在分子中的成键作 用,为了说明原子在分子中吸引电子的能力, 在化学中引入电负性概念。 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、气体中电子与正离子的产生
电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和 正离子的过程。电离可一次完成,也可以是先激励 再电离的分级电离方式。 电离方式可分为 : 热电离
光电离
碰撞电离
视频链接
电子在电场中的运动轨迹
分级电离
(1)热电离
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。
表l-3列出了卤族元素的电子亲合能与电负性数值
返回
1.1.2 带电质点的消失
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

带电质点因扩散而逸出气体放电空间; 带电质点的复合。
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,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。
理论不再适用,击穿电压将不再增加。
d 过大时,气压高,或距离大,这时气体击穿
的很多实验现象无法全部在汤逊理论范围内给以解 释:放电外形;放电时间;击穿电压;阴极材料。 因此,通常认为,d >0.26 cm(pd>200 cm •
mmHg)时,击穿过程将发生变化,汤逊理论的计算结
果不再适用,但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有
持,因为一旦除去外界电离因子(令 I 0 0 ),即 I
变为零。
(3)影响碰撞电离系数的因素
若电子的平均自由行程为 ,则在1cm长度内一个 电子的平均碰撞次数为 1 。 设在x=0处有n0个电子沿电力线方向运动,行经距离 x时还剩下n个电子未发生过碰撞,则在到这一距离 中发生碰撞的电子数应为 dx dn n
下图为不同温度下空气和 SF6 气体的热电离程度。
图1-1 不同温度下空气和气体的热电离程度
(2)光电离
当满足以下条件时,产生光电离
hc Wi
(1-2)
式中:
:光Байду номын сангаас波长;
c :光速;
光子来源

Wi :气体的电离能 外界高能辐射线 气体放电本身
(3)碰撞电离
1 2 ( mv )与质点电荷量(e)、电场强度( E )以 2 及碰撞前的行程( x )有关.即
电离因素产生的初始电子。 实验现象表明,二次电子的产生机制与气压和 气隙长度的乘积(pd )有关。 pd 值较小时自持放电 的条件可用汤逊理论来说明; pd 值较大时则要用流 注理论来解释。
(1) 过程与自持放电条件
由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能 小很多,因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电 子。此外正负离子复合时,以及分子由激励态跃迁 回正常态时,所产生的光子到达阴极表面都将引起
na n0e
d
(1-10)
途中新增加的电子数或正离子数应为:
n na n0 n0 (e 1)
即得电流关系式:
d
(1-11)
将式(1-8)的等号两侧乘以电子的电荷 qe,
I I 0e
I0 式(1-12)中, n0 qe
d
(1-12)
式(1-12) I I 0ed 表明:虽然电子崩电流按指 数规律随极间距离d而增大,但这时放电还不能自
返回
1.1.3 电子崩与汤逊理论
气体放电现象与规律因气体的种类、气压和 间隙中电场的均匀度而异。
但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到 电子崩的阶段。
1、放电的电子崩阶段 (1)非自持放电和自持放电的不同特点
宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生 微弱的电离而产生少量带电质点;另一方面、负 带电质点又在不断复合,使气体空间存在一定浓 度的带电质点。因此,在气隙的电极间施加电压 时,可检测到微小的电流。
为此引入系数。 阴极表面电离,统称为 过程。
设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电
子,此电子到达阳极表面时由于 过程,电子总数
增至 ed 个。因在对 系数进行讨论时已假设每次电
离撞出一个正离子,故电极空间共有( ed -1)个
d 正离子。由系数 的定义,此( e- 1)个正离子
相关文档
最新文档