高电压技术ppt课件

2.1 气体中带电质点的产生（续3）
表面电离
含义：金属阴极表面发射电子的过程。 形式：正离子碰撞阴极
光电效应 强场发射 热电子发射 表面电离系数：γ
折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面释 放出的自由电子数，汤逊第三电离系数。
负离子的形成（电子附着系数：η ）
电子行经单位距离时附着于中性原子的电子数目。
1.1 气体放电的基本概念
1.1.1 气体放电 1.1.2 气体的绝缘特性 1.1.3 气体的电气强度
1.1.1 气体放电
气体放电：气体中流通电流的各种形式
气体击穿：气体电绝缘状态突变为良导电
状态的过程 沿面闪络：击穿发生在气体与液体、气体 与固体交界面上 工程上将击穿和闪络统称为放电
3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的 汤逊理论
光电离→初始电子→电子个数2－4－8…2n→电子 崩→产生的正离子撞击阴极发生表面电离→新的 电子→(如果去掉外电离因素)仍有后继电子→放电 自持
3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的 汤逊理论

α 、 β 、γ过程
α过程
设外电离因素在阴极表面产生的起 始电子数为n0，当起始电子到达离 阴极x处时，电子数为n，这n个电子 行经dx后，又会产生dn个新电子即
3.1 汤逊理论和巴申定律
3.1.1 非自持放电和自持放电 3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 3.1.3 巴申定律 3.1.4 汤逊理论的适用范围
3.1.1 非自持放电和自持放电
气体放电实验的伏安特性曲线
非自持 放电与 自持放 电的分 界点
3.1.1 非自持放电和自持放电（续1）
小 结
2. 引起气体放电的外部原因有两个，其一是电场 作用，其二是外电离因素。因此，我们把去掉 外界因素作用后，放电立即停止的放电形式称 为非自持放电；把由电场作用就能维持的放电 称为自持放电。 3. 汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较 (1)汤逊理论：自持放电由阴极过程来维持 流注理论：依赖于空间光电离 (2) γ系数的物理意义不同
ed 1
γ过程
这些正离子消失在阴极前，由γ过程在阴极上释放出二次 电子数，即 (ed 1) 若
(ed 1) 1
表示由γ过程在阴极上重新产生一个电子，此时不再需要 外电离因素就能使电离维持发展，即转入自持放电。
3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的 汤逊理论
自持放电条件
击穿电压：与理论计算不一致
阴极材料：无关
汤逊理论适用于pd<26.66kPa
· cm
3.2 流注理论
3.2.1 空间电荷对电场的畸变 3.2.2 高气压下均匀电场自持放电的流注理论 3.2.3 流注理论对放电现象的解释
3.2.1空间电荷对电场的畸变
(1)电子崩崩头集中着电子，其后是 正离子，形状似半球形锥体； (2)空间电荷分布极不均匀，大大加 强了崩头及崩尾的电场，削弱了电 子崩内部的电场； (3)崩头电场明显增强，有利于分子 和离子的激励现象，当它们从激励 态恢复到正常态时将放射出光子； 电子崩内部电场削弱，有助于复合 将放射出光子； (4)这些光子将导致空间光电离。
3.1.3 巴申定律
根据自持放电条件，导出击穿电压的表达式
B( pd ) ub f ( pd ) A( pd ) ln[ ] 1 ln( ) 1
A、B是与气体种类有关的常数，u0为气温不变的 条件下，均匀电场中气体的自持放电起始电压等 于气隙击穿电压。 巴申定律：当气体成份和电极材料一定时，气体 间隙击穿电压(ub)是气压(p)和极间距离(d)乘积的 函数。
1.2 气体放电的主要形式
常见放电形式
辉光放电 电晕放电 火花放电
电弧放电
注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、
火花放电、电弧放电均指击穿后的放电现象， 且随条件不同，这些放电现象可相互转换。
2 气体中带电质点的产生和消失
2.1 气体中带电质点的产生 2.2 气体中带电质点的消失
(e
d
1) 1 d ln
1

总结：
(1)将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电的决定因 素是汤逊理论的基础 (2)汤逊理论的实质是：电子碰撞电离是气体放电的主要 原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表 面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件 (3)逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据

3.2.3 流注理论对放电现象的解释
放电时间
二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光 速传播，所以流注发展非常快 放电外形 二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推 进不可能均匀，而且具有分支 阴极材料 大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离， 而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材 料无关
1.1.2 气体的绝缘特性
以及高强度混合气体等气态绝缘介质
空气：架空线路、变压器外绝缘 SF6：
气体指高压电气设备中常用的空气、SF6 、
SF6断路器和SF6全封闭组合电器
空气是最廉价、应用最广、自动恢复绝缘
的气体，因此我们主要研究空气的放电 气体失去绝缘后，虽然可以自动恢复，但 其放电所造成的事故已经发生，因此我们 要研究气体的电气强度
小 结
1. 气体间隙中带电质点的产生和消失是气体 放电的一对基本矛盾，气体放电的发展和 终止取决于这两个过程谁占主导地位。 2. 强电场下，气体中带电质点的产生形式可 以分为空间电离和表面电离。它们都与外 界供给的能量有关，能量的形式主要是电 场能、光辐射和热能，而能量的传递靠电 子、光子或气体分子的热运动，其传递的 过程主要是碰撞，它是造成气体分子电离 的有效过程。
2.2 气体中带电质点的消失
电场作用下气体中带电质点的定向运动
带电质点一旦产生，在外电场作用下作定向
运动，形成电导电流。 带电质点的运动速度
vd bE
b为带电质点在电场中的迁移率
电子的迁移率比离子大2个数量级
带电质点的扩散
带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区
域的性质 电子扩散比离子扩散高3个数量级
2.1 气体中带电质点的产生（续2）


光电离 含义：由光辐射引起气体分子电离的过程， 光电离产生的电子称为光电子。 来源：紫外线、宇宙射线、x射线等；异号带 电质点复合成中性质点释放出光子；激励态 分子回复到正常态释放出光子 条件： hv Wi 热电离 本质：气体分子热状态引起的碰撞电离和光 电离的综合 条件： 2Wm 3KT Wi
3.2.2 高气压下均匀电场自持放电的 流注理论
流注的形成和发展示意图
3.2.2 高气压下均匀电场自持放电的 流注理论（续1）
(a)起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩 (b)初崩发展到阳极，电子中和，正离子作为空间电荷畸 变原电场，加强正离子与阴极间电场，放射出大量光子 (c)光电离产生二次电子，在加强的局部电场作用下形成 二次崩 (d)二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部又 有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使 其发展 (e)流注头部电离过程迅速发展，放射出大量光子，引起 空间光电离，流注前方出现新的二次崩，延长流注通道 (f)流注通道贯通，气隙击穿 注意：流注速度为108~109cm/s，而电子崩速度为107cm/s
2.1 气体中带电质点的产生（续1）
条件：
1 meVe2 Wi 2
Wi为气体分子的电离能 注意：即使满足上述条件，不是每次碰撞都能引起电离
电子碰撞电离系数：α
一个电子在电场力作用下，沿电场方向行经单位距离 平均发生碰撞电离的次数，汤逊第一电离系数。
离子碰撞电离系数：β
一个正离子沿电场方向行经单位距离时平均发生的碰 撞电离次数，汤逊第二电离系数。
小 结
1.汤逊理论只适用于pd值较小的范围，流注理论 只 适 用 于 pd 值 较 大 的 范 围 ， 二 者 过 渡 值 为 pd=26.66kPa· cm； (1)汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气体放电时
电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持 放电的必要条件 (2)流注理论的基本观点：①以汤逊理论的碰撞电离为 基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气 体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程；②放 电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初 始电子崩中离子数达108以上时，引起空间光电离质变， 电子崩汇合成流注；③流注一旦形成，放电转入自持
1.1.3 气体的电气强度
气体的电气强度表征气体耐受电压作用的
能力 均匀电场中击穿电压Ub与间隙距离之比称 为击穿场强Eb。我们把均匀电场中气隙的 击穿场强Eb称为气体的电气强度
空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm

注意：不能把不均匀场中气隙Ub 与间隙距离之 比称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿 场强
2.2 气体中带电质点的消失（续1）
带电质点的复合
正离子和负离子或电子相遇时，发生电荷的
传递而相互中和还原为分子的过程。 复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件 下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展。 放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之 间的复合，参加复合的电子绝大多数是先形 成负离子再与正离子复合
dn n dx
n n0 ed
这就是包括起始电子在内的电子崩中的电子数，即为电 子崩发展规律，它表征一个起始电子在向阳极运动过程 到达阳极时产生的电子数。
β 过程
3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的 汤逊理论
气隙中碰撞电离而产生的正离子，即从阴极产生的一个 电子消失在阳极前，由α过程形成的正离子数。即
2.1 气体中带电质点的产生
碰撞电离
含义：电子或离子与气体分子碰撞，将电场
能传递给气体分子引起电离的过程 因素： 1 2