高电压课件第1章 气体放电的基本物理过程

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b
单调函数,而是U型曲线, 有极小值。
图1-4 均匀电场中几种气体击穿电压Ub与 pd的关系 ub f pd
2015-2-11
高电压技术
U形曲线的解释
(1)先假设d保持不变,当气体压力p增大时,电子的平均自由行程短, 相邻两次碰撞之间,电子积聚到足够动能的概率减小,故要求增大击 穿电压。反之,当p过小时,虽然电子在碰撞前积聚到足够动能的概率 增大,但气体很稀薄,碰撞的总次数减少,击穿电压也需增大。在这 两者之间总存在一个p对造成撞击电离最有利,此时击穿电压最小。 (2)同样,假设p保持不变,d增大时,电场强度减小,欲达到击穿场强, 必须提高击穿电压。d过小时,虽然场强增加,但电子在走完全程中所遇 到的撞击次数已经很小,要求击穿电压增大。在这两者之间也总有一 个d对撞击最有利,此时击穿电压最低。 综合(1)和(2),必然存在一个pd的乘积,此时击穿电压最低。
空间的,而实际路径是贯穿在两极间曲折的细通道,有时还
有明显的分支。按汤逊理论放电应是均匀连续的发展,实际 情况是:火花放电、雷电放电都有间歇、分段发展的性质。
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(2)阴极材料。按汤逊理论,阴极的材料性质在击穿过 程中起着重要作用,而实验证明,在大气压力下,气隙的 击穿电压与阴极材料几乎无关。 (3)放电时间 。按汤逊理论,气隙完成击穿,需要这样 的循环:形成电子崩,正离子到达阴极造成二次电子,这 些电子重又形成更多的电子崩。由电子和正离子的迁移率 可见计算出完成击穿所需的时间,而实测的时间比这小得 多,在较长的间隙,两者甚至相差达几十倍。
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1.2.2 巴申定律
早在汤逊理论出现之前,巴申(Paschen)就于
1889年从大量的实验中总结出了击穿电压 ub 与 pd
的关系曲线,称为巴申定律,即
U b f ( pd )
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汤逊理论给巴申定律以理论支持
根据自持放电条件 (e d 1) 1 1 则e =1+ , d ln 1+ Ub Bp E Ape ,E d 1 Bpd U b Ape d ln 1+
高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。
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1.1.1 带电质点在气体中的运动
自由行程长度
质点的平均自由行程度:
e =
1 r2N r 气体分子的半径 N 气体分子的密度
质点的自由行程长度等于或大于某一距离 x的概率为:
x
P( x)=e e
等于或大于平均自由行程的概率为:
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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。
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1.2 气体放电机理
1.2.1 Townsend气体放电理论
图1-1 汤逊实验装置原理图
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③系数 ,表示一个正离子撞击到阴极表面时从阴极逸出的
电子数。
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如图1-1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。
自持,因为一旦除去外界电离因子(令I 0 0 ),即 I
变为零。
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高电压工程基础
1)自持放电条件推导
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)个正离子。实验证明正离子在返回 阴极途中造成撞击电离(即β过程)的作用极小,可以忽略
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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。电离的方式分:
(1)碰撞电离
1 2 mv eEx Wi 2
普朗克常数 6.63×10-34J· s
条件:x
Ui E
(2)光电离
d 较大时,汤逊理论不适用的原因:
(1)汤逊理论没有考虑电离出来的空间电荷会使电场畸变, 从而对放电过程产生影响。 (2)汤逊理论没有考虑光子在放电过程中的作用。
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1.2.4 流注理论(pd 值较大的情况)
高气压长气隙时,实测的放电时延远小于正离子穿越间隙 所需的时间,这表明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。 流注的概念
电负性值
4.0 3.0 1.8 1.5
负离子的形成使自由电子数减少,因而对放电发展起 抑制作用。SF6气体含F,其分子俘获电子的能力很强,属 强电负性气体,因而具有很高的电气强度。 2015-2-11
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带电质点的消失
(1)流入电极 带电质点受电场力的作用流入电极。 (2)带电质点的扩散 带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动, 从而使浓度变得均匀的过程,称为带电质点的扩散。电子 的热运动速度高、自由行程大,所以其扩散比离子的扩散 快得多。 (3)带电质点的复合 带异号电荷的质点相遇,发生电荷的传递和中和而还 原为中性质点的过程,称为复合。带电质点复合时会以光 辐射的形式将电离时获得的能量释放出来,这种光辐射在 一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带 电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关,浓度越大则复 2015-2-11 合率越高。
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非自持放电和自持放电的不同特点
电流随外施电压的提 高而增大,因为带电 质点向电极运动的速 度加快复合率减小 电流饱和,带电质 点全部进入电极, 电流仅取决于外电 离因素的强弱(良 好的绝缘状态) 电流开始增 大,由于电 子碰撞电离 引起的 电流急剧上升 放电过程进入 了一个新的阶 段(击穿)
W h
(3)热电离
W
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条件:
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K 热力学温度
hc Wi
3 kT 2
高电压技术 (4) 表面电离即电极表面的电子逸出
一些金属的逸出功 金属 铝 银 逸出功 1.8 3.1

铁 氧化铜 ①热电子发射 ③正离子撞击阴极
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视频链接
电子崩的演示
图1-3 电子崩的示意图
高电压工程基础
汤逊放电的理论解释
汤逊放电理论主要考虑了三种因素,引入三个系数来定
量反映这三种因素的作用。
①碰撞系数 ,代表一个电子走向阳极的1cm过程中,平 均发生的碰撞电离次数。 ②系数β ,表示一个正离子在走向阴极的1cm过程中与气体 质点相碰所产生的电子数。
不计。由系数 的定义,此(ed -1)个正离子在到达阴极
表面时可撞出 (e d 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。
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自持放电Leabharlann Baidu件为
(e 1) 1
d
: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
个正离子撞击阴极产生
不能自持。
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影响碰撞电离的因素
每次碰撞产生的概率:
x>xi =(Ui / E),
e e = e
-
xi
-
Ui e E
碰撞系数表达式:

1
e
eUi
E e
1cm长度内一个电子的 平均碰撞次数为1/λe λe: 电子平均自由行程
碰撞引起电离的概率
碰撞电离的条件 x Ui / E
e
T p
Ape Bp E
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电子平均自由行程λe与温度成正比,与压力成反比。
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高气压时, e 很小,单位长度上的碰撞次数很多,
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。
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1.2.3 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。实验表明 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。主要有下列几点: (1)放电形式。按汤逊理论,放电路径是分别在整个电极
3.9
3.9 5.3 ②强场发射 ④光电子发射
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气体中负离子的形成
电子与气体分子或原子碰撞时,也有可能发生电子附着 过程而形成负离子,并释放出能量,称为电子亲合能。电子 亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易,越大则 越易形成负离子。
元素
F Cl Br I
电子亲合能(eV)
3.45 3.61 3.36 3.06
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第1章 气体放电的基本物理过程
1.1 带电粒子的产生与消失 1.2 气体放电机理 1.3 不均匀电场的放电过程
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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,
-
P( x e )=e =e-1 =36.8%
e e
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带电质点的迁移率 扩散
ke =u/E
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1.1.2 带电粒子的产生与消失
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。
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。
注:对于初始为
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的电子数小于 n ,在下次返回时撞出的会更少,一直到最后一次为0,即
0
n0个的电子,若 n0 (e d 1)
d
1
U b
Bpd Apd ln 1 ln 1+
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图1-4给出了空气间隙的 ub 与 pd 的关系曲线。从图 中可见,首先, ub并不仅
仅由 d 决定,而是 pd 的 函数;其次 u 不是 pd 的
在大气压下,由于空气密度大,电子崩产 生后形成的空间电荷不易扩散,使原电场发生畸 变,崩内电场消弱,而大大加强了崩头及崩尾处 的电场。电子崩中电荷密度很大,所以复合过程 频繁,放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容 易引起光电离,形成二次崩。二次崩与初崩的汇 合,组成了充满正负带电粒子的通道,此即流注。
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图1-1 汤逊实验装置原理图
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
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
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x
抵达阳极的电子数应为:
自持放电 起始电压
外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后, 电流剧增,间隙中电离过程只靠外施电压已能维持,不再需 2015-2-11 要外电离因素。
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电子崩的形成(BC段电流剧增原因)
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。
na n0e
d
(1)
途中新增加的电子数或正离子数应为:
n na n0 n0 (e 1)
将式(1)的等号两侧乘以电子的电荷 qe,即 得电流关系式:
d
I I 0e
式(2)中,
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d
(2)
I 0 n0 qe
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式(2) I I ed 表明:在BC段虽然电子崩电流按 0 指数规律随极间距离d而增大,但这时放电还不能
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