高电压技术吴广宁课件分解PPT课件
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15
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。
16
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；
Wi
➢ ：光的波长；
➢ c：光速；
➢W i ：气体的电离能
外界高能辐射线
光子来源 气体放电本身
6
(1-2)
（3）碰撞电离
电子或离子在电场作用下加速所获得的动能
（ 1 mv 2）与质点电荷量(e)、电场强度（ E ）以
及碰2 撞前的行程( x )有关．即
1 mv2 eEx 2
(1-3)
7
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。
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
图1－3 气体间隙中电流与外施电
电极，所以电流值仅取决于外
压的关系
电离因素的强弱而与电压无关
20
（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
21
（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，
U0
一旦去除外电离因素，气
隙电流将消失。
图1－3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
22
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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 间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再
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， 高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。
9
（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。
10
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：
11
电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途 径获得 ：
➢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。
返回
17
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。
18
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
➢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。
3
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 ➢ 分级电离
需要外电离因素了。外施电压达到U
后的放电
0
称为自持放电，U
称为放电的起始电压。
0
23
（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
电子在电场中的运动轨迹
4
（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。 下图为不同温度下空气和SF 6 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
5
（2）光电离
当满足以下条件时，产生光电离
式中：
hc
1
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
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2
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。
因此，电离条件为
eEx Wi
(1-4)
式中：
➢ e ：电子的电荷量；
➢E：外电场强度； ➢x：电子移动的距离
8
为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前必须
经过的距离为：
x
Wi
Ui
i qeE E
(1-4)
式中
U
为气体的电离电位，在数值上与以eV为
i
单位的W
相等
i
x i 的大小取决于场强E，增大气体中的场强 将使 值x i 减少。可见提高外加电压将使碰撞电 离的概率和强度增大。
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。
19
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
（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
12
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。
13
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 。
14
表l-3列出了卤族元素的电子亲合能与电负性数值
15
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。
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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；
Wi
➢ ：光的波长；
➢ c：光速；
➢W i ：气体的电离能
外界高能辐射线
光子来源 气体放电本身
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(1-2)
（3）碰撞电离
电子或离子在电场作用下加速所获得的动能
（ 1 mv 2）与质点电荷量(e)、电场强度（ E ）以
及碰2 撞前的行程( x )有关．即
1 mv2 eEx 2
(1-3)
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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。
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
图1－3 气体间隙中电流与外施电
电极，所以电流值仅取决于外
压的关系
电离因素的强弱而与电压无关
20
（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
21
（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，
U0
一旦去除外电离因素，气
隙电流将消失。
图1－3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
22
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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 间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再
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， 高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。
9
（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。
10
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：
11
电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途 径获得 ：
➢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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1.1.3 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。
18
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
➢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。
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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 ➢ 分级电离
需要外电离因素了。外施电压达到U
后的放电
0
称为自持放电，U
称为放电的起始电压。
0
23
（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
电子在电场中的运动轨迹
4
（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。 下图为不同温度下空气和SF 6 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
5
（2）光电离
当满足以下条件时，产生光电离
式中：
hc
1
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
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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。
因此，电离条件为
eEx Wi
(1-4)
式中：
➢ e ：电子的电荷量；
➢E：外电场强度； ➢x：电子移动的距离
8
为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前必须
经过的距离为：
x
Wi
Ui
i qeE E
(1-4)
式中
U
为气体的电离电位，在数值上与以eV为
i
单位的W
相等
i
x i 的大小取决于场强E，增大气体中的场强 将使 值x i 减少。可见提高外加电压将使碰撞电 离的概率和强度增大。
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。
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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
（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
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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。
13
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 。
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表l-3列出了卤族元素的电子亲合能与电负性数值