第二章 气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘

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修改版-气体击穿理论

修改版-气体击穿理论
高电压技术
第二章—气体放电的物理过程
概述
1:电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质 2:气体绝缘要解决的问题主要是如何选择合适的 绝缘距离以及如何提高气体间隙的击穿电压
3:气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状 态有关
4:理论至今很不完善,工程设计问题常借助于各 种实验规律分析解决或直接由试验决定
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University



5.1电子崩空间电荷对电场的畸变
崩头和崩尾电场被加强 崩中电场减弱:复合发光
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
放电时间:光子以光速传播,衍生崩跳跃式发 展,因此放电发展时间很短(书上有数值) 阴极材料的影响:维持放电的是光电离而不是 表面电离,因而与阴极材料无关。
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
常见的电场结构
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
问题的提出
气体中的电流:在电场作用下,气隙中带电粒子 的形成和运动过程形成电流。 1、气隙中带电粒子是如何形成的?
自持放电:当电压达到U0 后,气体中发生了强烈的 电离,电流剧增,其中的电离只靠电场的作用自行 维持,不再需要外电离因素。
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University

改第2章-气体击穿理论

改第2章-气体击穿理论

山东省特高压输变电技术与气体放电重点实验室
2、电极表面带电质点的产生 (2)光电效应
光电效应:光照射金属表面而发射出自由电子。 光电子发射条件:光子能量大于金属表面逸出功。 实际上,一部分入射光子被反射,电极吸收的光能大部
分化为金属的热能,平均每100个光子入射才能放射出一 个有效自由电子。
0 x
nd n0 e Id I0 e
d
d
n n0 e x
山东省特高压输变电技术与气体放电重点实验室
碰撞电离系数的数学描述
碰撞电离条件:qExi Wi (x xi时,碰撞才发生电离) 自由行程x x ( i xi内不发生碰撞)的概率:f ( xi ) dx 其后dxi内发生碰撞的概率为: i
W hf hc / Wi
阳光照射形成地球大气电离层,但由于大气层的阻挡作用,到达地面的
0 hc / Wi
最短波长大于290nm,不足以引起光电离。 导致光电离的高频高能光子由外界供:人为X光照射
山东省特高压输变电技术与气体放电重点实验室
2 带电质点的产生 1、电极空间带电质点的产生 (3)热电离:热运动引起气体分子发生电 离。
山东省特高压输变电技术与气体放电重点实验室
4.1汤逊机理
碰撞电离与电子崩


电子崩:连续多次碰撞电离使得电子数按几何级数增长,如雪 崩状发展,电流急剧增加。 电子碰撞电离系数α:单个电子由阴极到阳极每经1cm路程, 与气体质点相撞发生的碰撞电离次数,也即:单位行程内因碰 撞电离产生的自由电子数。 电子崩过程称α过程(忽略β过程:正离子碰撞) 电子平均自由行程λ∝T/P:每两次碰撞之间电子自由通过的距 离。单位长度内电子的平均碰撞次数:1/λ

气体间隙的击穿强度PPT课件

气体间隙的击穿强度PPT课件

U

b
Em
d f
精选ppt
12
3、极不均匀电场中的击穿
高电压工程基础
➢ 由于存在局部强场区,故间隙击穿前有稳定的 电晕放电,间隙的起始放电电压小于击穿电压。
➢ 对电极形状不对称的极不均匀电场,有明显的 极性效应。
➢ 因间隙距离长,放电发展所需时间长,故外加 电压的波形对击穿电压的影响大,击穿电压的 分散性大。
精选ppt
6
1、均匀电场中的击穿
高电压工程基础
均匀电场中空气间隙的击穿电压(峰值)可根据下面 经验公式求得:
U b = 24.22 d+ 6.08d(kV )
式中 d —间隙距离,cm;δ —空气相对密度。
Ub/kV
400 100
10
10.01 0.1
1
均匀电场中空气 的击穿场强(峰 值)为30kV/cm。
➢ 间隙距离一般不是很大,放电发展所需时间短。直流击
穿电压、工频击穿电压峰值及50%冲击击穿电压几乎一
致,且分散性不大。
精选ppt
8
2、稍不均匀电场中的击穿
高电压工程基础
稍不均匀电场的击穿电压与电场均匀度关系 极大,没有能够概括各种电极结构的统一的经验公 式。通常是对一些典型的电极结构做出一批实验数 据,实际的电极结构只能从典型电极中选取类似的 进行结构估算。(补充)
在电气设备上,应尽量采用 棒-棒类对称型的电极结构, 而避免棒-板类不对称的电极 结构。
精选ppt
棒-棒和棒-板空气间隙的工频
击穿电压(有效值)
16
高电压工程基础
小 结:
1、均匀电场的击穿特点
击穿前无电晕、无极性效应、各种电压作用时其击穿电压 (峰值)都相同。

气体间隙的击穿

气体间隙的击穿
颗粒大小与分布的影响
颗粒的大小和分布对击穿电压有显著 影响。大而密集的颗粒会导致局部电 场增强,从而降低整体的击穿电压。
04
气体间隙击穿的预防与控制
提高气体纯度与压力
总结词
提高气体纯度与压力可以有效降低气体间隙的击穿概率。
详细描述
气体纯度越高,气体间隙中的杂质和污染物就越少,从而降低了气体间隙的击穿概率。同时,提高气体的压力也 可以增加气体分子的密度,进一步降低击穿的可能性。
击穿过程具有瞬时性、随机性和复杂 性,与气体压力、温度、气体类型、 电极形状和电压波形等因素有关。
气体间隙击穿的物理过程
电场增强
在强电场的作用下,气体分子中 的电子被激发,形成传导电流。
电离与雪崩效应
随着电场的增强,气体分子中的 电子被加速并获得足够的能量, 与气体分子碰撞产生电离,形成 更多的电子和正离子,导致电流
迅速增加。
放电通道的形成
当电流达到一定阈值时,放电通 道形成,气体间隙由绝缘状态变
为导电状态。
气体间隙击穿的应用领域
01
02
03
高压设备
气体间隙击穿在高压设备 中有着广泛的应用,如高 压变压器、断路器、绝缘 子等。
电子设备
气体间隙击穿在电子设备 中也有着重要的应用,如 电容器、电子管、晶体管 等。
水平和击穿阈值。
详细描述
新型气体介质如氩气、氦气等惰性气体,以及混合气体如SF6、CF4等,由于其高电负 性和不活泼的化学性质,具有很好的绝缘性能和耐电弧侵蚀能力。这些新型气体介质在 高压电气设备中广泛应用,如GIS、变压器、断路器等,以提高设备的绝缘水平和运行
可靠性。
高电压气体间隙的击穿特性研究
在高温下,气体分子 会吸收热量并获得足 够的能量,从而发生 热电离。

2 带电质点的产生和消失

2 带电质点的产生和消失

1.原子的激励 原子的激励 激励:在常态下,电子受外界因素影响由低能量级轨道上跃 在常态下,
迁到高能量级轨道的现象称为激励。 迁到高能量级轨道的现象称为激励。 激励 原子能级 以电子伏为单位 1eV=1V×1. 6×10-19C=1.6×10-19J = × × = × 激励能:原子在外界因素作用下, 激励能:原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的态 所需能量。 所需能量。 激励状态恢复到正常状态时,辐射出相应能量的光子。 激励状态恢复到正常状态时,辐射出相应能量的光子。
光的来源:自然界、人为照射、 光的来源:自然界、人为照射、气体放电过程
3.电离的几种形式 电离的几种形式
(2)撞击电离 撞击电离 主要是电子碰撞电子。 主要是电子碰撞电子。 原因: 电子体积小 自由程长,可以加速到很大的速度。 电子体积小, 原因:1.电子体积小,自由程长,可以加速到很大的速度。 2.电子的质量小,易产生弹性碰撞,积累动能。 电子的质量小,易产生弹性碰撞,积累动能。 电子的质量小 产生条件 :
放 电 主 要 形 式
电弧 放电 火花 放电 电晕 放电 刷状 放电
贯穿于两级的细长明亮通道。 贯穿于两级的细长明亮通道。 特点:较高气压下,电导很大,电压降低。 特点:较高气压下,电导很大,电压降低。
贯通两级的断续明亮的细火花。 贯通两级的断续明亮的细火花。 原因:电流突增,导致外回路阻抗上压降增大, 原因:电流突增,导致外回路阻抗上压降增大,放电间隙电压 降低,火花熄灭;外回路电压降低, 降低,火花熄灭;外回路电压降低,放电间隙再形成火花
气体绝缘要解决的问题
如何选择合适 绝缘距离 如何提高气体 间隙击穿电压
气体放电: 气体放电:气体中流通电流的各种形式。 击穿:当提高气体间隙上的外施电压而大到一定数值后, 击穿: 电流突然剧增,从而气体失去绝缘性能,气体由绝缘突变 为良导体。 沿面闪络: 沿面闪络:击穿过程发生在气体和液体或气体与固体的交 界面上。

国家电网高压电培训 第二章 气体放电过程及其击穿特性

国家电网高压电培训 第二章 气体放电过程及其击穿特性

(三) 影响空气间隙击穿场强的主要因素?
※影响空气间隙击穿场强的主要因素? 3.气体的状态等因素有关(温度、气压、湿度)
●标准大气条件
大气压力 P0=101.3kpa 温度 湿度
200 C
h0=11g/m3
(三) 影响空气间隙击穿场强的主要因素?
①相对密度的影响
p
相对密度δ
δ=0.289---T
学习内容:
(一) 击穿?击穿电压?击穿场强? (二) 击穿过程?(放电机理) (三) 影响空气间隙击穿场强的主要因素? (四) 提高气体间隙击穿场强的方法?
(五) 沿面放电
(六) SF6气体的特性
(一) 击穿? 击穿电压? 击穿场强?
击穿:当施加于电介质的电压达到某临界值时,通过介质的 电流会急剧增加,电介质完全失去绝缘性能,这种现 象称为电介质的击穿。 击穿电压:导致电介质击穿的最低临界电压称为击穿电压。

50%冲击放电电压U50%
反映间隙的耐受冲击电压的特性。
即在多次施加某一冲击电压时, 击穿概率为50%时的电压。 同一波形、不同幅值的冲击电 压下,间隙上出现的电压最大 值和放电时间的关系曲线

伏秒特性
比较不同设备绝缘的冲击击穿特性
(三) 影响空气间隙击穿场强的主要因素?
S1被保护设备的伏秒特性曲线,S2保护设备的伏秒特性曲线
δd值较大时则要用流注理论来解释。
(三) 影响空气间隙击穿场强的主要因素?
※影响空气间隙击穿场强的主要因素? 1.电场的均匀程度 2.外加电压的种类
3.气体的状态等因素有关
(三) 影响空气间隙击穿场强的主要因素?
※影响空气间隙击穿场强的主要因素? 1.电场的均匀程度(均匀、稍不均匀、极不均匀) 2.外加电压的种类(交流、直流、冲击电压)

第二章 气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘

第二章 气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘
2.击穿电压、巴申定律
温度不变时,均匀电场
中气体击穿电压Ub是pd 的函数。
d
(e 1) 1
d
在均匀电场下,就是击穿的条件
Bpd Ub Apd ln ln 1 /
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
(三)、均匀电场中的击穿电压
1.自持放电条件
对于空气,击穿电压极小值对应(pd)min=0.57(cm· 133Pa)
二、汤逊气体放电理论 (一) 过程引起的电流 1、电子崩的形成 崩头
崩尾
负极
正极
E
初始电子
碰撞电离
电子倍增
碰撞电离
电子崩
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
2、 过程引起的电流
电子碰撞电离系数α 1 cm, 碰撞电离平均次数
dn
n0
n x
dx
I 0 exp( dx)
0 x
n n0 exp( 电子数:
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(三)、流注的形成
E
正极
负极
负流注:由负极向正极发展的流注放电过程 发展速度: 7-8×10E5 m/s
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(四)、均匀电场中的击穿电压 1、自持放电条件
电场比较均匀: 在整个间隙的数值都很大。 电场不均匀程度变大: 在间隙中大部分区域的 数值都很大。电子崩主要贴近内电极产生。 电场极不均匀: 的分布极不均匀。易在内电极 附近形成蓝紫色晕光(电晕)。电压继续提高,间 隙才能击穿。
可以用能否形成稳定的电晕放电来划分电场的不均匀程度

第二章 气体电介质的击穿特性

第二章 气体电介质的击穿特性

分析:
a.由于捧极附近积聚起正空间电荷,削弱了电离, 使电晕放电难以形成,造成电晕起始电压提高。
b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生 电场加强了朝向板极的电场,有利于流注发展,故 降低了击穿电压。
(2).负棒---正板
分析: a.捧附近正空间电荷产生附加电场加强了朝向棒端 的电场强度,容易形成自持放电,所以其电晕起 始电压较低。
分析: oa段: 随着电压升高,到达 阳极的带电质点数量 和速度也随之增大 ab段:
电流不再随电压的 增大而增大
bc段: 电流又再随电压 的增大而增大 c点:电流急剧突增
均匀电场中气体的 伏安特性
(1).电子崩 在电场作用下电子从阴极向阳极推进而形成的一群电子
(2).非自持放电 去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止
电子从金属电极表面逸出来的过程 称为表面游离
(4)去游离 a.扩散 b.复合 子 c.附着效应 带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动. 正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原 电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子
二.气体放电的两个理论
1.汤逊放电理论. 适用条件:均匀电场,低气压,短间隙 实验装置
b.介质表面不可能绝对光滑,使表面电场不均 匀.
c.介质表面电阻不均匀使电场分布不均匀
d.介质表面易吸收水分,形成一层很薄的膜, 水膜中的离子在电场作用下向两极移动,易 在电极附近积聚电荷,使电场不均匀
4. 极不均匀电场具有强法线分量时的沿面放电 (套管型) (1) 放电发展特点:
a. 电晕放电
6. 绝缘子串的电压分布
分析结果:
a.绝缘子片数越多,电压分布越不均匀 b.靠近导线端第一个绝缘子电压降最高,易 产生电晕放电。在工作电压下不允许产生电 晕,故对330kv及以上电压等级考虑使用均 压环
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第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(二)、电子崩 电子数目呈几何级数迅速增多,
ne
x
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(三)、流注的形成
E
正极
负极
正流注:由正极向负极发展的流注放电过程。 发展速度:1-2×10E6 m/s
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(六)、pd不同时,放电过程发生变化的解释 1、pd较小时
电子崩释放的光子容易被电极吸收,形成电极光电离。
由于气压低,带电质点容易移动,不足以形成空间电荷效应。
2、pd较大时
电子崩释放的光子容易被空气吸收,高气压也使得空间电
荷容易大量积累。
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
负极
正极
E
气体分子要有很高的电负性
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (四) 负离子的形成
电子亲和能
元素
F Cl Br I
电子亲合能(eV)
4.03 3.74 3.65 3.30
电负性值
4.0 3.0 2.8 2.5
第二节 带电质点的产生
四、金属表面电离 (一) 正离子碰撞阴极
正离子
光子能量W
= hυ
光子 中性原子
>
电离能
Wi
X射线、γ线
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (三) 热电离—本质上与碰撞电离、光电离一致
中性原子
电子
高温
电子动能
3 kT 2
>
电离能
Wi
在大电弧的情况下发生
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (四) 负离子的形成
1 2 mv < Wt 2
二、汤逊气体放电理论 (一) 过程引起的电流 1、电子崩的形成 崩头
崩尾
负极
正极
E
初始电子
碰撞电离
电子倍增
碰撞电离
电子崩
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
2、 过程引起的电流
电子碰撞电离系数α 1 cm, 碰撞电离平均次数
dn
n0
n x
dx
I 0 exp( dx)
0 x
n n0 exp( 电子数:
一、稍不均匀电场和极不均匀电场的特征
电晕放电
刷形放电
气隙击穿
电场均匀程度不同,放电发展过程也不同
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
以同轴圆筒电极说明电场均匀程度对放电机理的影响
电场越不均匀, 衰减的越快
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
以同轴圆筒电极说明电场均匀程度对放电机理的影响 主要特征:
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
二、稍不均匀电场中的自持放电条件和击穿
可见,起始电压 U 0 可写成:
R1 U 0 f ( pl , , ) l
放电相似定律:不均匀电场中,温度不变时,对于几何相
似间隙,其起始电压是气体压力和决定间隙形状的某个几 何尺寸间乘积的函数。
气体压力和间隙尺寸反比变化,则起始电压可以不变。
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
(四)、汤逊理论的适用范围
气压很低时(真空),场致发射起作用,机理改变。 气压很高时,很多击穿现象无法在汤逊理论范围内解释。
1. 放电外形:带有分支的明亮细通道。 2. 放电时间:放电时间较长(理论值) 3. 击穿电压:在pd较大时,计算值与实测值的差别较大。 4. 阴极材料:在大气压下空气中实测得到的击穿电压与 阴极材料无关。
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
三、极不均匀电场中的电晕放电
(一)、电晕放电的一般描述 电晕现象 曲率半径小的电极 尖端发生的蓝紫色 晕光状放电。 极不均匀场的一种 特有的自持放电形 式。
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
三、极不均匀电场中的电晕放电
(一)、电晕放电的一般描述 电晕现象
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
3、 的分析
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
3、 的分析
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程 (二)、 及 过程同时引起的电流
1.

过程
过程:正离子沿电场方向行经1cm时,平均发生
的碰撞电离次数。 过程:正离子碰撞阴极,气体空间形成的光子引 发的电极表面光电离。
2.击穿电压、巴申定律
温度不变时,均匀电场
中气体击穿电压Ub是pd 的函数。
d
(e 1) 1
d
在均匀电场下,就是击穿的条件
Bpd Ub Apd ln ln 1 /
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
(三)、均匀电场中的击穿电压
1.自持放电条件
对于空气,击穿电压极小值对应(pd)min=0.57(cm· 133Pa)
第一节 气体放电主要形式简介
辉光放电 电弧放电 火花放电 电弧放电
第一节 气体放电主要形式简介
第一节 气体放电主要形式简介
不均匀电场下 电晕放电 刷形放电 火花/电弧放电
第一节 气体放电主要形式简介
第二节 带电质点的产生
带电质点的产生是形成放电的基础。
一、原子的激励和电离 (一) 原子的能级 能级:根据原子中电 子的能量状态,原子 具有一系列可取的确 定能量状态,称为能 级。
EБайду номын сангаас
负极
E3
E1
E2
E
正极
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(一)、在电离室中进行放电发展的实验研究 电子崩的特征:从阴极向阳极发展,呈锥形;电子 崩发展速度1.25×10E7cm/s;电子崩可互不影响的向 前发展。
流注的特征:电离特强的放电区;发展形式受偶然 原因影响,通道呈现一定随机性;发展速度明显高 于电子崩,有正、负流注之分。
二、气体中质点的自由行程
:一个带电质点在向前行进 1cm 距离内,发生碰撞 次数的倒数 。
第二节 带电质点的产生
二、气体中质点的自由行程
T λ∝ P
受温度和气压影响
的性质
电子的要比分子和离子的大得多 反映了带电质点自由运动的能力
空气中电子平均自由行程0.1微米
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生

第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程 2、 及 过程同时引起的电流
单位时间内阴极单位面积产生电子总数:nc
n0 n
d n n e 到达阳极后的电子总数为: a c
于是可建立关系式: n (na
nc )
e na n0 1 (ed 1)
d
ed I I0 1 (ed 1)
适用于pd<200 (cm· 133 Pa)的条件
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展 (一)、在电离室中进行放电发展的实验研究 电离室:利用 饱和蒸汽束缚 气体放电形成 的带电粒子, 使放电轨迹得 以记录和显示。
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
负极
hυ ≥ Wt
正极
E
光子也可能被反射、吸收(热能),仅一小部分使电子逸出
第二节 带电质点的产生
四、金属表面电离 (三) 场致发射
E
负极
电场阈值
正极
108V / m
一般气隙中不会发生,在高气压、高真空条件下可能存在
第二节 带电质点的产生
四、金属表面电离 (三) 热电子发射
加热
1 2 mv ≥ Wt 2
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(五)、流注理论对pd很大时放电现象的解释 1、放电外形 流注通道曲折,带有分支。
2、放电时间
3、阴极材料
光子以光速传播,二次电子崩跳跃式发展,故速度快。
由于光电离的作用,使击穿电压与阴极材料基本无关。
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
碰撞电离
源于气体内部
热电离 光电离
带电粒子的来源
正离子碰撞
光电子发射
源于电极
热电子发射 强场发射
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (一) 碰撞电离 E
电子 中性原子
1 2 电子动能 me ve 2
>
电离能
Wi
气体中产生带电粒子的最主要原因
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (二) 光电离
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(三)、流注的形成
E
正极
负极
负流注:由负极向正极发展的流注放电过程 发展速度: 7-8×10E5 m/s
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(四)、均匀电场中的击穿电压 1、自持放电条件
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程 3、系数 的大致数值
e I I0 d 1 (e 1)
于是可得:
d
e I I0 1 ed
d
d
e
I0 I
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
(三)、均匀电场中的击穿电压
1.自持放电条件
e I I0 d 1 (e 1)
电场比较均匀: 在整个间隙的数值都很大。 电场不均匀程度变大: 在间隙中大部分区域的 数值都很大。电子崩主要贴近内电极产生。 电场极不均匀: 的分布极不均匀。易在内电极 附近形成蓝紫色晕光(电晕)。电压继续提高,间 隙才能击穿。
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