高电压技术应用第一章

（四）电极表面的电离
• 当逸出功<<电离能时，阴极表面电离可 在下列情况下发生：
• 正离子撞击阴极表面 • 光电子发射 • 热电子发射 • 强场发射
三、负离子的形成
• 附着：当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，而且也可能会发生电子与中性 分子相结合形成负离子的情况。
• 当t>10000K时，才需考虑热电离；
• 当t>20000K时，几乎全部的分子都处于热电离 状态
（三）碰撞电离
• 电子获得加速后和气体分子碰撞时，把 动能传给后者引起碰撞电离。
• 电子在场强为E的电场中移过x距离时获
得的动能为：
– m电子的质量：
W

1 2
mv2

qe Ex
– qe电子的电荷量
• 单位行程中的碰撞次数Z 的倒数λ
–即为该粒子的平均自由行 程长度。
二、带电粒子的产生
• 产生带电粒子的物理过程称为电离，是气体 放电的首要前提。
• 激励当原子获得外部能量，一个或若干个电 子有可能转移到离核较远的轨道上去，该现 象称为激励。
• 电离能使基态原子或分子中结合最松弛的那 个电子电离出来所需要的最小能量称为电离 能。
一 汤逊气体放电理论
1. 电子崩
• 电子崩的形成过程 • 碰撞电离和电子崩引起的电流 • 碰撞电离系数
• 气体放电的现象与发展规律与气体种类、气 压大小、气隙中的电场型式、电源容量等一 系列因素有关。
• 但无论何种气体放电都一定有一个电子碰 撞电离导致电子崩的阶段，它在所加电压达 到一定数值时出现。
——提高气压或降低气压到高度真空，都 能提高气隙的击穿电压。
三 流注理论
前面汤逊放电理论所讨论的是低气压、短气隙的情况，但在高
气压(101.3kPa或更高)、长气隙的情况[pd26.66kPa
(200mmHgcm)]，汤逊理论将不适用。 以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之
气隙中电流将消失。 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， 外施电压到达U0后的放电称为自持放电， U0
称为放电的起始电压。
自持放电的形成
• 在电场作用下，正离子向阴极运动，由于它 的平均自由行程长度较短，不易积累动能， 所以很难使气体分子发生碰撞电离。
• 但当正离子撞击阴极表面时却有可能引起表 面电离而拉出电子，部分电子和正离子复合， 其余部分则向着阳极运动和形成新的电子崩。
• 电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超 出环境保护所容许的标准。
降低电晕的方法：
• 从根本上设法限制和降低导线的表面电 场强度。
• 在选择导线的结构和尺寸时，应使好天 气时电晕损耗接近于零，对无线电和电 视的干扰应限制到容许水平以下。
• 对于超高压和特高压线路的分裂线来说， 找到最佳的分裂距，使导线表面最大电 场强度值最小。
• 电介质在电气设备中作为绝缘材料使用， 按其物质形态，可分为：
–气体介质 –液体介质 –固体介质
• 在电气设备中:
• 外绝缘: 一般由气体介质(空气)和固体 介质(绝缘子)联合构成
• 内绝缘:较多由固体介质和液体介质联合 构成,也有由气体介质构成
• 在电场作用下，电介质中出现的电气现 象可分为两大类:
二 巴申定律
巴申定律 在温度不变的情况下，均匀电场中气隙的击穿电 压 是气体压力p和极间距离d乘积的pd函数
Ub f pd
• 利用汤逊理论的自持放电条件
• 以及碰撞电离系数 与气压 、电场强度 的关系 式(当气温 不变时)，
• 并考虑均匀电场中自持放电起始场强（式中U0为起 始电压，可得以下关系：
—空气相对密度；
电晕放电的危害
• 电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发 生化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损 耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素， 坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。
• 电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和 重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁 波，从而对无线电和电视广播产生干扰。
• 如果电压足够大，初始电子崩中的正离子 在阴极上产生出来的新电子等于或大于1， 即使除去外界电离因子的作用，放电也不 会停止。这就变成了自持放电。
自持放电的条件
• 由自持放电的概念出发，可推出当满足 以下条件时，会发生自持放电：
自持放电的条件 (ed 1) 1
• ：一个正离子撞击到阴极表面时产生 出来的二次电子数
• 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。
四、带电粒子的消失
• 带电粒子的消失可能有以下几种情况： 带电粒子在电场的驱动下做定向运动， 在到达 电极时，消失于电极上而形成外 电路中的电流；
• 带电粒子因扩散而逸出气体放电空间； • 带电粒子的复合。
• 各种高能辐射线（外界电离因子）引起： • 阴极表面光电离 • 气体中的空间光电离
• 因此：空气中存在一定浓度的带电离子
• 在曲线oa段， I随U的提高而增大，这是由于电极空 间的带电粒子向电极运动加速而导致复合数的减少 所致。
• 当电压接近Ua时，电 流趋于饱和值；
• 当电压提高到Ub时，电 流又开始随电压的升高 而增大；气隙中出现碰 撞电离和电子崩。
dn ndx
x
n

n0
e
dx
0
n n0ed
• 途中新增加的电子数或正离子数应为：
n na n0 n0 (ed 1)
• 将等号两侧乘以电子的电荷qe ，即得 电流关系式：：
I I0ed I0 n0qe
一旦除去外界电离因子?
(三)自持放电与非自持放电
在I-U曲线的BC段 一旦去除外电离因素，
• 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；
• 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。
气体放电的基本理论
• 汤逊理论 • 流注理论 • 巴申定律
一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征
均匀电场是一种少有的特例，在实际电力设施中 常见的却是不均匀电场。
为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入 一个电场不均匀系数f，表示为：
f Emax Eav
Emax：最大电场强度 Eav :平均电场强度
f<2时为稍不均匀电场， f>4属不均匀电场。
二、电晕放电
• 在电场很小的区域， 电子和离子浓度最大， 有利于完成复合；
• 强烈的复合辐射出 许多光子，成为引发 新的空间光电离辐射 源。
（二）空间光电离的作用
• 汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空 间光电离现象，而这一因素在高气压、 长气隙的击穿过程中起着重要的作用。
• 考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向 气隙空间各处发射光子而引起光电离。
的高电气强度气体（如SF6）
气体介质中带电质点的产生与消失
带电粒子在气体中的运动 带电粒子的产生 负离子的形成 带电粒子的消失
一、带电粒子在气体中的运动
（一）自由行程长度
气体中存在电场时， 粒子进行 热运动和 沿电场定向运动
• 各种粒子在气体中运动时 不断地互相碰撞，任一粒 子在1cm的行程中所遭遇 的碰撞次数与气体分子的 半径和密度有关。
• 弱电场—电场强度比击穿场强小得多,极 化、电导、介质损耗等
• 强电场—电场强度等于或大于放电起始 场强或击穿场强,放电、闪络、击穿等
第一章 气体放电的基本物理过程
• 研究气体放电的目的
–了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由 电介质演变成导体的物理过程
–掌握气体介质的电气强度及其提高方法 – 了解电气设备中常用气体介质: 空气、压缩
U0

B( pd)
ln
A( pd)


f ( pd)

ln(1

1

)பைடு நூலகம்

由物理学家巴申从实验中得出，所以通常称为巴申定律。
• 巴申曲线表明，改变极间距离d的同时，也 相应改变气压p而使pd的乘积不变，则极间 距离不等的气隙击穿电压却彼此相等。
在p很大或p很小时，碰撞电离系数都较小， 可见击穿电压都较高。
• ：电子碰撞电离系数
• d ：两极板距离
自持放电的物理含义
• 一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成
的正离子数为： (ed 1)
(ed 1)
• 正离子在阴极造成的二次自由电子数为：
• 如果它等于1，就意味着那个初始电子有一 个后继电子，放电得以自持。
• 如果自持放电条件满足时，会形成下图的闭 环部分：
• 流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界 值。对均匀电场来说，自持放电条件为：
ed 常数 或 d 常数
• 实验研究所得出的常数值为：
ed 108 或 d 20
•可见初崩头部的电子数要达到108时，放 电才能转为自持，出现流注。
不均匀电场中气隙的放电特性
稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征 电晕放电 极不均匀电场的放电过程
• 由于电场强度沿气隙的分布极不均匀， 因而当所加电压达到某一临界值时，曲 率半径较小的电极附近空间的电场强度 首先达到了起始场强E0，因而在这个局 部区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出 现流注，这种仅仅发生在强场区（小曲 率半径电极附近空间）的局部放电称为 电晕放电。
• 电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，
• 如图所示：如果这 时产生的光子位于 崩头前方和崩尾附 近的强场强区，则 造成的二次电子崩 将以更大的电离强 度向阳极发展或汇 入崩尾的正离子群 中