第二章气体击穿理论课件

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1、HV&EMC Laboratory North China Electric Power University概述概述1 1：电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质：电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质2 2：气体绝缘要解决的问题主要是如何选择合适的：气体绝缘要解决的问题主要是如何选择合适的绝缘距离以及如何提高气体间隙的击穿电压绝缘距离以及如何提高气体间隙的击穿电压3 3：气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状：气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状态有关态有关4 4：理论至今很不完善，工程设计问题常借助于各：理论至今很不完善，工程设计问题常借助于各种实验规律分析解决或直接由试验决定

2、种实验规律分析解决或直接由试验决定HV&EMC Laboratory North China Electric Power University名词解释名词解释气体放电气体放电：气体中流通电流的各种形式的统称：气体中流通电流的各种形式的统称击穿：击穿：气体由绝缘状态突变为良导电状态的过程气体由绝缘状态突变为良导电状态的过程沿面闪络：沿面闪络：发生在气体与液体或气体与固体的交界发生在气体与液体或气体与固体的交界面上的击穿过程面上的击穿过程（击穿和沿面闪络统称放电）（击穿和沿面闪络统称放电）击穿电压（闪络电压）击穿电压（闪络电压）：发生击穿（或闪络）的最：发生击穿（或闪络）的最低临界电压低临界电压

3、（击穿电压与闪络电压统称放电电压）（击穿电压与闪络电压统称放电电压）击穿场强：击穿场强：均匀电场中击穿电压与间隙距离之比：均匀电场中击穿电压与间隙距离之比：反映了气体耐受电场作用的能力：介电强度反映了气体耐受电场作用的能力：介电强度自持放电：自持放电：去掉外电离因素的作用后放电随即停止去掉外电离因素的作用后放电随即停止非自持放电：非自持放电：仅靠电场的作用而维持的放电。仅靠电场的作用而维持的放电。HV&EMC Laboratory North China Electric Power University第一节：气体放电主要形式第一节：气体放电主要形式辉光放电：辉光放电：整个空间发光，电流密度

4、小；整个空间发光，电流密度小；低气压、电低气压、电源功率小；源功率小；霓虹灯霓虹灯火花放电：火花放电：有收细的发光放电通道、贯穿两极的断续有收细的发光放电通道、贯穿两极的断续的明亮火花；的明亮火花；大气压下、电源功率小大气压下、电源功率小电晕放电：电晕放电：紧贴尖电极周围有一层晕光；紧贴尖电极周围有一层晕光；极不均匀场极不均匀场刷状放电：刷状放电：从电晕放电电极中伸出许多较明亮的细放从电晕放电电极中伸出许多较明亮的细放电通道；电通道；极不均匀场极不均匀场电弧放电：电弧放电：放电通道和电极的温度都很高，电流密度放电通道和电极的温度都很高，电流密度大，电路有短路特征；大，电路有短路特征；电源功率大

5、电源功率大HV&EMC Laboratory North China Electric Power University第四节：均匀电场中气体击穿的发展过程第四节：均匀电场中气体击穿的发展过程非自持放电：非自持放电：外施电压小于外施电压小于U0 时，间隙内电流数值很小，时，间隙内电流数值很小，间隙还未被击穿；间隙还未被击穿；自持放电：自持放电：当电压达到当电压达到U0 后，气体中发生了强烈的电离，后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增电流剧增（辉光放电、火花放电或电弧放电）（辉光放电、火花放电或电弧放电）放电发展过程：放电发展过程：从从UB 到到 U0电流发展过程电流发展过程起始电压：起始电压：

6、U0，在均匀电场中为击穿电压，在均匀电场中为击穿电压HV&EMC Laboratory North China Electric Power University 过程：过程：电子在运动中碰撞电离：电子在运动中碰撞电离：是一个电子是一个电子沿电场方向运动沿电场方向运动1cm平均发生的碰撞电离次数平均发生的碰撞电离次数4.1汤逊机理汤逊机理xdxeeNx0 过程：过程：正离子轰击阴极产生表面电离：正离子轰击阴极产生表面电离：是是一个一个正离子从阴极轰击出的自由电子个数正离子从阴极轰击出的自由电子个数xeII0ddddeeIeeII1)1(100击穿击穿过程：过程：上述两个过程交替重复进行，自由电

7、上述两个过程交替重复进行，自由电子数目越来越多，最终导致击穿子数目越来越多，最终导致击穿该过程具有该过程具有普遍意义普遍意义HV&EMC Laboratory North China Electric Power University自持放电条件：自持放电条件：4.2汤逊机理的结论与巴申定律汤逊机理的结论与巴申定律巴申定律巴申定律：击穿电击穿电压是压是pdpd的函数：的函数：击击穿电压有最小值穿电压有最小值1)1(de击穿电压：击穿电压：两者在两者在pdpd较小时相较小时相一致一致HV&EMC Laboratory North China Electric Power University4.

8、3汤逊机理的适用范围汤逊机理的适用范围适用范围：气压较低，适用范围：气压较低，pdpd较小；较小；200200（cm.133pa)cm.133pa)工程上工程上pdpd较大较大：实际与理论的差别：实际与理论的差别：放电外形：放电外形：放电在整个间隙中均匀连续（辉光）放电在整个间隙中均匀连续（辉光）而火花放电带有分支的明亮细通道而火花放电带有分支的明亮细通道 放电时间：放电时间：由正离子迁移率计算出的放电时间比由正离子迁移率计算出的放电时间比实际火花放电时间长得多实际火花放电时间长得多 击穿电压：击穿电压：pdpd较大时计算结果与实际不符较大时计算结果与实际不符 阴极材料：阴极材料：理论上有关，

9、实际中无关理论上有关，实际中无关HV&EMC Laboratory North China Electric Power University4.4流注机理流注机理电子碰撞电离：电子碰撞电离：形成电子崩，是维持自持放电的形成电子崩，是维持自持放电的主要因素主要因素空间光电离：空间光电离：形成衍生电子崩，是维持自持放电形成衍生电子崩，是维持自持放电的主要因素的主要因素空间电荷畸变电场的作用：空间电荷畸变电场的作用：为衍生崩创造了条件为衍生崩创造了条件流注：流注：由大量正负离子混合形成的等离子体通道由大量正负离子混合形成的等离子体通道（导电性能良好）（导电性能良好）击穿过程：击穿过程：电子崩电子崩

10、流注发展延伸流注发展延伸击穿击穿HV&EMC Laboratory North China Electric Power University4.5电子崩空间电子崩空间电荷对电场的畸电荷对电场的畸变变HV&EMC Laboratory North China Electric Power University4.6正流注的产正流注的产生生HV&EMC Laboratory North China Electric Power University4.7负流注的负流注的产生产生HV&EMC Laboratory North China Electric Power University4.8流注

11、机理的结论与巴申定律流注机理的结论与巴申定律自持放电条件：自持放电条件：起始电子崩头部电荷数量足以畸起始电子崩头部电荷数量足以畸变电场造成足够的空间光电离变电场造成足够的空间光电离1de1lnd击穿电压：击穿电压：两者在两者在pdpd较大时相一致较大时相一致 是一常数，工程上是一常数，工程上201lnHV&EMC Laboratory North China Electric Power University4.9流注理论对流注理论对pd很大时放电现象的解释很大时放电现象的解释l放电外形：放电外形：流注电导很大，其中电场强流注电导很大，其中电场强度很小，对周围其他流注有度很小，对周围其他流注有

12、“屏蔽屏蔽”作作用，因此最终只有一条通道；用，因此最终只有一条通道；衍生崩随衍生崩随机性使其曲折分支。机性使其曲折分支。l放电时间：放电时间：光子以光速传播，衍生崩跳光子以光速传播，衍生崩跳跃式发展，因此放电发展时间很短。跃式发展，因此放电发展时间很短。l阴极材料的影响：阴极材料的影响：维持放电的是光电离维持放电的是光电离而不是表面电离，因而与阴极材料无关。而不是表面电离，因而与阴极材料无关。HV&EMC Laboratory North China Electric Power University第五节：不均匀电场中气体击穿的发展过程第五节：不均匀电场中气体击穿的发展过程HV&EMC La

13、boratory North China Electric Power University5.1电场是否均匀的划分标准电场是否均匀的划分标准l电场不均匀系数电场不均匀系数f f：最大场强荷平均场强之比：最大场强荷平均场强之比：f2 f4f4为极不均匀场为极不均匀场l若能够维持稳定的电晕放电，则为极不均匀场，若能够维持稳定的电晕放电，则为极不均匀场，否则为稍不均匀场否则为稍不均匀场HV&EMC Laboratory North China Electric Power University5.2稍不均匀电场的自持放电和击穿稍不均匀电场的自持放电和击穿l与均匀电场类似：流注一旦形成就发生击穿；与

14、均匀电场类似：流注一旦形成就发生击穿；自持放电条件就是击穿条件自持放电条件就是击穿条件201ln0ddxl 不再是常数，而不再是常数，而是空间坐标的函是空间坐标的函数数l击穿电压：联立求解三个公式：击穿电压：联立求解三个公式：201ln0ddxEBpApe/)(/xfUE HV&EMC Laboratory North China Electric Power University5.3极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的电晕放电l电晕放电现象：尖极周围有发光层，可听到咝咝声，电晕放电现象：尖极周围有发光层，可听到咝咝声，闻到臭氧气味。闻到臭氧气味。l空间电荷的作用：外层的空间电荷与尖极极

15、性相同，空间电荷的作用：外层的空间电荷与尖极极性相同，使得电晕层中的场强基本不变，使放电趋于稳定。使得电晕层中的场强基本不变，使放电趋于稳定。l两种形式：电子崩形式（电极很尖）和流注形式两种形式：电子崩形式（电极很尖）和流注形式l脉冲现象：外层空间电荷阻止放电发展，形成有规律脉冲现象：外层空间电荷阻止放电发展，形成有规律的脉冲；进入刷状放电后，形成随机脉冲。的脉冲；进入刷状放电后，形成随机脉冲。l发展过程：无规律小电流发展过程：无规律小电流=有规律重复脉冲有规律重复脉冲=脉冲脉冲频率增大频率增大=转入持续电晕，无脉冲现象转入持续电晕，无脉冲现象=进入刷状进入刷状放电，出现随机脉冲放电，出现随机

16、脉冲HV&EMC Laboratory North China Electric Power University5.3极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的电晕放电HV&EMC Laboratory North China Electric Power University5.4极不均匀电场中的先导放电极不均匀电场中的先导放电l在长间隙放电中，流注汇集，在长间隙放电中，流注汇集，形成通道状且不断发展，称为形成通道状且不断发展，称为先导放电先导放电l先导通道中由于电流较大，温先导通道中由于电流较大，温度很高，出现热电离，因而电度很高，出现热电离，因而电导更大，可以将电极的电位传导更大，可以将

17、电极的电位传到先导通道的端部。到先导通道的端部。l先导发展的速度和回路中电阻先导发展的速度和回路中电阻有很大关系，发展越来越快有很大关系，发展越来越快l长间隙的平均击穿场强低于短长间隙的平均击穿场强低于短间隙间隙HV&EMC Laboratory North China Electric Power University5.5极不均匀电场中的主放电极不均匀电场中的主放电HV&EMC Laboratory North China Electric Power University5.6极不均匀电场中的击穿过程及极性效应极不均匀电场中的击穿过程及极性效应l5.6.1流注形成阶段流注形成阶段正正棒：

18、棒：难难以以造造成成流流注注负负棒：棒：容容易易造造成成流流注注HV&EMC Laboratory North China Electric Power University5.6极不均匀电场中的击穿过程及极性效应极不均匀电场中的击穿过程及极性效应l5.6.2流注发展阶段流注发展阶段正正棒：棒：持持续续顺顺利利发发展展负负棒：棒：流流注注发发展展困困难难精品课件精品课件！精品课件精品课件！HV&EMC Laboratory North China Electric Power University5.6极不均匀电场中的击穿过程及极性效极不均匀电场中的击穿过程及极性效应应l正棒负板的电晕起始电压高，而击穿电压低正棒负板的电晕起始电压高，而击穿电压低l负棒正板的电晕起始电压低，而击穿电压高负棒正板的电晕起始电压低，而击穿电压高l5.6.3极性效应极性效应