第2讲-气体电介质的绝缘特性(一.pptx

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1、1第2讲 1 气体电介质的绝缘特性（一）第1页/共49页21.1 气体中带电粒子的产生和消失在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程n气隙中带电粒子是如何形成的？n气隙中的导电通道是如何形成的？n气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？第2页/共49页3原子激励和电离 原子能级原子能级 以电子伏（以电子伏（eV）为单位为单位 1eV1V1.610-19C1.610-19J原子激励原子激励 原原子子在在外外界界因因素素作作用用下下，其其电电子子跃跃迁迁到到能能量量较较高高的的状状态态，所需能量称为激励能所需能量称为激励能We 激激励励状状态态恢恢

2、复复到到正正常常状状态态时时，辐辐射射出出相相应应能能量量的的光光子子，光子（光辐射）的频率光子（光辐射）的频率 第3页/共49页4 原子电离原子电离 原原子子在在外外界界因因素素作作用用下下，获获得得能能量量，使使其其一一个个或或几几个个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子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程 电电离离过过程程所所需需要要的的能能量量电电离离能能Wi（10-15 eV），也可用电离电位），也可用电离电位Ui（V）第4页/共49页5气体中带电粒子的产生（一）气体分子的电离可由下列因素引起：（一）气体分子的电离可由下列因素引起：（1）电子或正离子与气体分子

3、的碰撞电离）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （2）各种光辐射（光电离）各种光辐射（光电离）（3）高温下气体中的热能（热电离）高温下气体中的热能（热电离）（二）（二）金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离第5页/共49页6（一）碰撞电离n自由行程：粒子在两次碰撞之间的行程n电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多n气体分子密度越大，其中粒子的平均自由行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比第6页/共49页7n自由行程的分布：自由行程的分布：具有统计性的规律。粒子的自由行程大于具有统计性的规律。粒子的自由行程大于x的概率为的概率为 如如果果起起始始有有n0个个粒粒子子（或或

4、一一个个粒粒子子的的相相继继n0次次碰碰撞撞），则则其其中中行行过过距距离离x后，尚未被碰撞的粒子数（或次数）后，尚未被碰撞的粒子数（或次数）n(x)应为应为 第7页/共49页8粒子的平均自由行程 ：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程电子在其自由行程内从外电场获得动能，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关 第8页/共49页9（一）碰撞电离 n气气体体放放电电中中，碰碰撞撞电电离离主主要要是是由由电电子子和和气气体体分子碰撞而引起的分子碰撞而引起的 n在在电电场场作作用用下下，电电子子被被加加速速而而获获得得动动能能。当当电电子子的的动动能能满满足足如如下下条条件件时

5、时，将将引引起起碰碰撞撞电电离离 n碰碰撞撞电电离离的的形形成成与与电电场场强强度度和和平平均均自自由由行行程程的大小有关的大小有关第9页/共49页10（二）光电离 n光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离 自然界、人为照射、自然界、人为照射、气体放电过程气体放电过程n当当气气体体分分子子受受到到光光辐辐射射作作用用时时，如如光光子子能能量量满满足足下下面面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子条件，将引起光电离，分解成电子和正离子n光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为n对对所所有有气气体体来来说

6、说，在在可可见见光光（400 750nm）的的作作用下，一般是不能直接发生光电离的用下，一般是不能直接发生光电离的 第10页/共49页11(三）热电离 n因气体热状态引起的电离过程因气体热状态引起的电离过程热电离（碰撞热电离（碰撞电离与光电离的综合）电离与光电离的综合）气体分子的平均动能和气体温度的关系为气体分子的平均动能和气体温度的关系为 在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 n在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电

7、离离 n高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离 第11页/共49页12（四）金属（阴极）的表面电离 n阴极发射电子的过程阴极发射电子的过程 逸出功（逸出功（15eV）：与金属的微观结构：与金属的微观结构、金属、金属表面状态有关表面状态有关 n金属表面电离的多种方式金属表面电离的多种方式 （1）正离子碰撞阴极）正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必合成为原子，其余的成为自

8、由电子。因此正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子须碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子第12页/共49页13表面电离的形式 （2）光电效应）光电效应 金金属属表表面面受受到到光光的的照照射射，当当光光子子的的能能量量大大于于选选出功时，金属表面放射出电子出功时，金属表面放射出电子 （3）强场放射（冷放射）强场放射（冷放射）当当阴阴极极附附近近所所加加外外电电场场足足够够强强时时，使使阴阴极极放放射射出电子出电子 （4）热电子放射）热电子放射 当当阴阴极极被被加加热热到到很很高高温温度度时时，其其中中的的电电子子获获得得巨大动能，逸出金属巨大动能，逸出金属第13页/共49页14气体中带

9、电粒子的运动与消失n（一）电场作用下气体中带电粒子的运动（一）电场作用下气体中带电粒子的运动 （定向运动，消失）（二）带电粒子的扩散（二）带电粒子的扩散 （三）带电粒子的复合（三）带电粒子的复合（中和，空间或器壁）（四）附着效应（四）附着效应第14页/共49页15（一）一）电场作用下气体中带电粒子的运动电场作用下气体中带电粒子的运动n带带电电粒粒子子产产生生以以后后，在在外外电电场场作作用用下下将将作作定定向向运运动动，形成电流形成电流 n在在气气体体放放电电空空间间，带带电电粒粒子子在在一一定定的的电电场场强强度度下下运运动动达达到到某某种种稳稳定定状状态态，保保持持平平均均速速度度，即即上

10、上述述的的带带电电粒粒子的驱引速度子的驱引速度 b 迁移率迁移率 电电子子迁迁移移率率比比离离子子迁迁移移率率大大得得多多，即即使使在在很很弱弱的的电电场场中，电子迁移率也随场强而变中，电子迁移率也随场强而变 第15页/共49页16（二）带电粒子的扩散（二）带电粒子的扩散 n带带电电粒粒子子的的扩扩散散和和气气体体分分子子的的扩扩散散一一样样，都都是是由由于于热热运运动动造造成成，带带电电粒粒子子的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的 n气气体体中中带带电电粒粒子子的的扩扩散散和和气气体体状状态态有有关关，气气体体压压力力越越高高或或者者温温度度越越低低，扩扩

11、散过程也就越弱散过程也就越弱n电电子子的的质质量量远远小小于于离离子子，所所以以电电子子的的热热运运动动速速度度很很高高，它它在在热热运运动动中中受受到到的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多 第16页/共49页17（三）带电粒子的复合（三）带电粒子的复合 n正正离离子子和和负负离离子子或或电电子子相相遇遇，发发生生电电荷荷的的传传递递而而互互相相中中和和、还还原原为为分分子子的的过程过程n在在带带电电粒粒子子的的复复合合过过程程中中会会发发生生光光辐辐射射，这这种种光光辐辐射射在在一一定定条条件件下下又又可可能能成为导致电离的因素

12、成为导致电离的因素 n正正、负负离离子子间间的的复复合合概概率率要要比比离离子子和和电电子子间间的的复复合合概概率率大大得得多多。通通常常放放电电过程中离子间的复合更为重要过程中离子间的复合更为重要 n一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决定于其浓度一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决定于其浓度 第17页/共49页18n有有时时电电子子和和气气体体分分子子碰碰撞撞非非但但没没有有电电离离出出新新电电子子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子 n有有些些气气体体形形成成负负离离子子时时可可释释放放出出能能量量。这这类类气气体体容容易易形形成成负负离离子子

13、，称称为为电电负负性性气气体体（如如氧氧、氟氟、氯，氯，SF6等）等）n质量大、速度小质量大、速度小阻碍放电，绝缘强度较高阻碍放电，绝缘强度较高（四）附着效应负离子的形成第18页/共49页19第二节 均匀电场中气体的击穿一、汤逊理论1、实验结果及理论（1）定性分析（2）定量分析-自持放电条件、汤逊理论（3）汤逊理论的中心思想2、巴申定律3、汤逊理论的弱点二、流注理论1、流注理论（1）电子崩阶段 空间电荷影响 光游离（2）流注阶段（3）主放电阶段2、流注理论的中心思想3、流注理论对放电现象的解释第19页/共49页201.2 均匀电场中气体的击穿 气体放电的主要形式气体放电的主要形式 根根据据气气

14、体体压压力力、电电源源功功率率、电电极极形形状状等等因因素素的的不不同同，击击穿穿后后气气体体放放电电可可具具有有多多种种不不同同形形式式。利利用放电管可以观察放电现象的变化用放电管可以观察放电现象的变化 n辉光放电n电弧放电n火花放电n电晕放电n刷状放电第20页/共49页21辉光放电 n当当气气体体压压力力不不大大，电电源源功功率率很很小小（放放电电回回路路中中串串入入很很大大阻阻抗抗）时时，外外施施电电压压增增到到一一定定值值后后，回回路路中中电电流流突突增增至至明明显显数数值值，管管内内阴阴极极和和阳阳极极间整个空间忽然出现发光现象间整个空间忽然出现发光现象 n特特点点是是放放电电电电流

15、流密密度度较较小小，放放电电区区域域通通常常占占据据了了整整个个电电极极间间的的空空间间。霓霓虹虹管管中中的的放放电电就就是是辉辉光光放放电电的的例例子子。管管中中所所充充气气体体本本同同，发发光光颜颜色色也不同也不同 第21页/共49页22电弧放电 n减减小小外外回回路路中中的的阻阻抗抗，则则电电流流增增大大，电电流流增增大大到到一一定定值值后后，放放电电通通道道收收细细，且且越越来来越越明明亮亮，管管端端电电压压则则更更加加降降低低，说说明明通通道道的的电电导导越来越大越来越大n电电弧弧通通道道和和电电极极的的温温度度都都很很高高，电电流流密密度度极极大，电路具有短路的特征大，电路具有短路

16、的特征 第22页/共49页23火花放电n在在较较高高气气压压（例例如如大大气气压压力力）下下，击击穿穿后后总总是是形形成成收收细细的的发发光光放放电电通通道道，而而不不再再扩扩散散于于间间隙隙中中的的整整个个空空间间。当当外外回回路路中中阻阻抗抗很很大大，限限制制了了放放电电电电流流时时，电电极极间间出出现现贯贯通通两两极极的的断断断断续续续续的的明明亮细火花亮细火花 n火火花花放放电电的的特特征征是是具具有有收收细细的的通通道道形形式式，并并且且放电过程不稳定放电过程不稳定 n火花间断的原因火花间断的原因 第23页/共49页24电晕放电 n电电极极曲曲率率半半径径很很小小或或电电极极间间距距

17、离离很很远远，即即电电场场极极不不均均匀匀，则则当当电电压压升升高高到到一一定定值值后后，首首先先紧紧贴贴电电极极在在电电场场最最强强处处出出现现发发光光层层，回回路路中中出出现现用用一一般般仪仪表表即即可可察察觉觉的的电电流流。随随着着电电压压升升高高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大发光层扩大，放电电流也逐渐增大n发发生生电电晕晕放放电电时时，气气体体间间隙隙的的大大部部分分尚尚未未丧丧失失绝绝缘缘性性能能，放放电电电电流流很很小小，间间隙隙仍仍能能耐耐受受电电压压的作用的作用 第24页/共49页25刷状放电 n电电场场极极不不均均匀匀情情况况下下，如如电电压压继继续续升升高高，从从电电晕晕

18、电电极极伸伸展展出出许许多多较较明明亮亮的的细细放放电电通通道道，称称为为刷状放电刷状放电 n电电压压再再升升高高，根根据据电电源源功功率率而而转转入入火火花花放放电电或或电弧放电，最后整个间隙被击穿电弧放电，最后整个间隙被击穿n如如电电场场稍稍不不均均匀匀，则则可可能能不不出出现现刷刷状状放放电电，而而由电晕放电直接转入击穿由电晕放电直接转入击穿 第25页/共49页26非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电 第26页/共49页27非自持放电n外外施施电电压压小小于于Ub时时，间间隙隙内内虽虽有有电电流流，但但其其数数值值甚甚小小，通通常常远远小小于于微微安安级级，因因此此气气体体本本身的绝

19、缘性能尚未被波身的绝缘性能尚未被波破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电离因素来维持。如果取消外电离因家，那么电流也将消失（b后出现碰撞电离）第27页/共49页28自持放电n当当电电压压达达到到Uc后后，气气体体中中发发生生了了强强烈烈的的电电离离，电电流流剧剧增增。同同时时气气体体中中电电离离过过程程只只靠靠电电场场的的作作用用已已可可自自行行维维持持，而而不不再再继继续续需需要要外外电电离离因因素素了了。因因此此Uc以后的放电形式也称为自持放电以后的放电形式也称为自持放电 第28页/共49页29n由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压n如如

20、电电场场比比较较均均匀匀，则则间间隙隙将将被被击击穿穿，此此后后根根据据气气压压、外外回回路路阻阻抗抗等等条条件件形形成成辉光放电、火花放电或电弧放电，而起始电压辉光放电、火花放电或电弧放电，而起始电压Uc也就是间隙的击穿电压也就是间隙的击穿电压UBn如如电电场场极极不不均均匀匀，则则当当放放电电由由非非自自持持转转入入自自持持时时，在在大大曲曲率率电电极极表表面面电电场场集集中中的的区区域域发发生生电电晕晕放放电电，这这时时起起始始电电压压是是间间隙隙的的电电晕晕起起始始电电压压，而而击击穿穿电电压压可能比起始电压高很多可能比起始电压高很多第29页/共49页30 汤逊放电理论 n汤逊放电理论

21、汤逊放电理论n流注放电理论流注放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压（压力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象 第30页/共49页31n汤汤逊逊理理论论认认为为，当当均均匀匀电电场场、低低气气压压、短短间间隙隙（pd较较小小）条条件件下下，电电子子的的碰碰撞撞电电离离和和正正离离子子撞撞击击阴阴极极造造成成的的表表面面电电离离起起这这主主要要作作用用，气气隙隙的击穿电压大体上是的击穿电压大体上是pd的函数的函数第31页/共49页32（1 1）电子崩的形成（过程）UUb后，一个起始电子自电场获得一定动能后，

22、会碰撞电离出一个第二代电子；这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自由电子；这样一代一代不断增加的过程形成电子崩 第32页/共49页33 系系数数一一个个电电子子沿沿着着电电场场方方向向行行经经单单位位长长度度后后，平平均发生的碰撞电离次数均发生的碰撞电离次数（形成电子崩）如如设设每每次次碰碰撞撞电电离离只只产产生生一一个个电电子子和和一一个个正正离离子子，即即是是一一个个电电子子在在单单位位长度行程内新电离出的电子数或正离子数长度行程内新电离出的电子数或正离子数 系系数数一一个个正正离离子子沿沿着着电电场场方方向向行行经经单单位位长长度度后后平平均均发生的

23、碰撞电离次数发生的碰撞电离次数（离子崩）可以忽略系系数数碰碰撞撞阴阴极极表表面面的的正正离离子子，使使阴阴极极金金属属表表面面平平均均释放出的自由电子数释放出的自由电子数（阴极发射电子）第33页/共49页34 系数系数设：从阴极发出一个电子，经多次碰撞电离，在经过距离阴极x后，产生n个电子 这n个电子行过dx之后，又会产生dn个新的电子 第34页/共49页35对于均匀电场，对于均匀电场，不随空间位置而变不随空间位置而变 新产生的电子数和正离子数为新产生的电子数和正离子数为 第35页/共49页36（2 2）系数系数到达阴极的正离子数到达阴极的正离子数从阴极电离出的电子数从阴极电离出的电子数第36

24、页/共49页37（3 3）自持放电条件）自持放电条件放电由非自持转入自持的条件为放电由非自持转入自持的条件为 第37页/共49页38物理意义 n引起碰撞电离的必要条件引起碰撞电离的必要条件 只有那些自由行程超过只有那些自由行程超过xiUiE的电子，才能与分子发生碰撞电离的电子，才能与分子发生碰撞电离 若电子的平均自由行程为若电子的平均自由行程为，自由行程大于自由行程大于xi的概率为的概率为 第38页/共49页39在单位长度内，一个电子的平均碰撞次数为在单位长度内，一个电子的平均碰撞次数为1 其中其中是电离碰撞次数，是电离碰撞次数，气体温度不变时，气体温度不变时，1 Ap第39页/共49页40代

25、入自持放电的临界条件 及得第40页/共49页41影响击穿电压的因素均匀电场中气体的自持放电的起始电压，等于气隙的击穿电压U0。U0f(Pd)第41页/共49页42巴申（Paschen）定律 巴申曲线第42页/共49页43P0101.3（kPa)空气的相对密度第43页/共49页44汤逊放电理论的适用范围n适用于低气压、短间隙（适用于低气压、短间隙（Pd比较小）比较小）n电电力力工工程程上上经经常常接接触触到到的的是是气气压压较较高高的的情情况况（从从一一个个大大气气压压到到数数十十个个大大气气压压），间隙距离通常也很大间隙距离通常也很大 n两者间的主要差异可概述如下两者间的主要差异可概述如下 （

26、1）放电外形放电外形 均匀连续，如辉光放电均匀连续，如辉光放电 分枝的明细通道分枝的明细通道 第44页/共49页45辉光放电第45页/共49页46第46页/共49页47第47页/共49页48（2）放放电电时时间间 电子崩的形成需要时间，火火花花放放电电时时间间的的计计算算值值比比大大气气压压下下放放电的实测值要大得多电的实测值要大得多（3）击穿电压击穿电压 Pd较大时，计算值与实验值有很大出入较大时，计算值与实验值有很大出入 （4）阴极材料的影响阴极材料的影响 实测得到的大气压下的击穿电压和阴极材料无关实测得到的大气压下的击穿电压和阴极材料无关 当当Pd26.66kPacmPd26.66kPacm时，汤逊理论不再适用时，汤逊理论不再适用第48页/共49页49感谢您的观看！第49页/共49页