气体放电的基本物理过程市公开课金奖市赛课一等奖课件

高电压工程基础任课教师：赵彤山东大学电气工程学院第二章气体放电基本物理过程第1页第1页

气体电介质液体电介质固体电介质电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为三类：高电压工程基础第2页第2页外绝缘普通由气体电介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成在电气设备中：高电压工程基础内绝缘普通由固体电介质和液体电介质联合构成第3页第3页理解气体在高电压(强电场)作用下逐步由电介质演变成导体物理过程。研究气体放电目的：高电压工程基础电气设备中惯用气体介质：空气、压缩高电气强度气体(如SF6)掌握气体介质电气强度及其提升办法。第4页第4页输电线路以空气作为绝缘材料第5页第5页变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料第6页第6页高电压工程基础空气在正常情况下导电率很小，为良绝缘体。但气体间隙上电压过高时，气体会由绝缘状态转变为良导体，这种现象称为气体击穿。一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态，且不存在老化现象。第7页第7页高电压工程基础气体放电:气体中流通电流各种形式。因气体压力、电源功率、电极形状等原因影响，放电含有各种形式：

辉光放电：气压较低(远小于1大气压)，电源功率很小时，放电充斥整个间隙。火花放电：大气压下，电源功率很小时，间隙间歇性击穿，放电通道细而明亮时断时续。电弧放电：大气压下，电源功率较大时，放电含有明亮、连续细致通道。电晕放电：极不均匀电场中，高电场强度电极附近出现发光薄层。刷状放电：由电晕电极伸出明亮而细断续放电通道。第8页第8页高电压工程基础第9页第9页电晕放电高电压工程基础第10页第10页高电压工程基础第11页第11页一、带电质点产生与消失二、放电电子崩阶段三、自持放电条件四、不均匀电场中气体放电特点高电压工程基础第二章气体放电基本物理过程第12页第12页高电压工程基础激励(激发)：当原子取得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远轨道上去现象。激励需要外界给原子一定能量，称为激励能。产生带电质点物理过程称为电离(游离)，是气体放电首要前提。一、带电质点产生与消失电离(游离)：若原子从外界取得能量足够大，以致使一个或几种电子挣脱原子核束缚形成自由电子和正离子，这一过程称为电离。电离所需能量称为电离能Wi，通惯用电子伏(eV)表示。第13页第13页高电压工程基础电离方式：碰撞电离光电离热电离分级电离金属表面电离电极表面带电质点产生电极空间带电质点产生第14页第14页1、气体中电子与正离子产生（1）碰撞电离高电压工程基础电子或离子在电场作用下加速所取得动能与质点电荷(e)、电场强度(E)以及碰撞前行程(x)相关，即：高速运动质点与中性原子或分子碰撞时，如原子或分子取得能量等于或不小于其电离能，则会发生电离，这种由碰撞而引起电离称为碰撞电离。第15页第15页（1）碰撞电离高电压工程基础即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离——引入“自由行程”概念。自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由通过平均距离。碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点最主要方式，由电子引起电离占主要地位。电子：自由行程大，获取动能大；质量小，弹性碰撞时几乎不损失动能。离子：自由行程短，碰撞间取得动能少；碰撞时损失动能。第16页第16页（2）光电离高电压工程基础由光辐射引起气体分子电离过程，称为光电离。即当气体分子受到光辐射时，若光子能量不小于气体分子电离能，则也许引起气体分子光电离。普朗克常数6.63×10-34J·s光波能量：由于大气层阻挡，阳光到达地面波长λ≥290nm，因此，普通阳光照射不足以引起气体分子光电离。比如波长为300nm紫外线，其光波能量为：第17页第17页（3）热电离高电压工程基础气体在热状态下引起电离过程称为热电离。热电离本质：高速运动气体分子碰撞电离和光电离，只但是能量不是来自电场而是气体分子本身热能。气体分子平均动能与分子温度关系：常温下(T=300K)，不足以引起空气热电离；当发生电弧放电时，气体温度达到数千度以上，能够造成碰撞电离。波尔茨曼常数1.38×10-23J/K热力学温度热电离实质上是热状态产生碰撞电离和光电离综合。第18页第18页（4）分级电离高电压工程基础原子中电子在外界原因作用下可跃迁到能级较高外层轨道，称之为激励，所需能量称为激励能We。激励能比电离能小，原子或分子有也许在外界予以能量小于Wi但不小于We时发生激励。气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6原子或分子在激励态再取得能量而发生电离称为分级电离，此时所需要能量为Wi-We。激励态不稳定，分级电离概率小。只有亚稳激励态才会引起分级电离。第19页第19页（4）分级电离高电压工程基础若混合气体中甲气体亚稳激励态能高于乙气体电离能，则会出现潘宁效应，可使混合气体击穿强度低于这两种气体各自击穿强度。从绝缘观点看，潘宁效应是很不利；但在气体放电应用中，如在电光源和激光技术中，则经常利用潘宁效应。第20页第20页2、电极表面电子逸出一些金属逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3高电压工程基础电子从金属电极(阴极)表面逸出来过程称为电极表面电离。使阴极释放电子需要能量:逸出功。逸出功与金属微观结构和表面状态相关,与金属温度无关。金属表面逸出功比气体电离能小诸多，因此电极表面电离在气体放电过程中有相称主要作用。第21页第21页2、电极表面电子逸出高电压工程基础正离子撞击阴极：正离子能量传递给阴极,≥2金属表面逸出功时发生电离。光电子发射：金属表面受到短波长光照时,光子能量>金属表面逸出功时,可造成电离。强场发射：在阴极附近施加强电场可使阴极释放电子。高气压强电负气体击穿过程起一定作用；在真空击穿过程中，含有决定性作用。热电子发射：加热阴极，使电子获取足够动能，克服金属表面逸出功。仅对电弧放电故意义。第22页第22页3、气体中负离子形成

电子与中性气体分子或原子碰撞时，也有也许发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合能大小可用来衡量原子捕获一个电子难易，越大则越易形成负离子。元素电子亲合能（eV）电负性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5

负离子形成使自由电子数减少，因而对放电发展起克制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子能力很强，属强电负性气体，因而含有很高电气强度。高电压工程基础第23页第23页4、带电质点消失与两电极电量中和带电质点受电场力作用定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中电流。带电质点扩散带电质点从浓度较大区域向浓度较小区域移动，从而使浓度变得均匀过程，称为带电质点扩散。电子热运动速度高、自由行程大，其扩散比离子扩散快得多。带电质点复合带异号电荷质点相遇，发生电荷传递和中和而还原为中性质点过程，称为复合。带电质点复合时会以光辐射形式将电离时取得能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能造成间隙中其它中性原子或分子电离。带电质点复合率与正、负电荷浓度相关，浓度越大则复合率越高。高电压工程基础第24页第24页二、放电电子崩阶段气体放电现象与发展规律与气体种类、气压大小、气隙中电场形式、电源容量等一系列原因相关。但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离造成电子崩阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。高电压工程基础第25页第25页二、放电电子崩阶段1、非自持放电和自持放电不同特点各种高能辐射射线（外界电离原因）引起：阴极表面光电离气体中空间光电离因此：气体空间中存在一定浓度带电质点。高电压工程基础第26页第26页1、非自持放电和自持放电不同特点电流随外施电压提升而增大，由于带电质点向电极运动速度加快复合率减小电流饱和，带电质点所有进入电极，电流仅取决于外电离原因强弱（良好绝缘状态）电流开始增大，由于电子碰撞电离引起电流急剧上升放电过程进入了一个新阶段（击穿）

外施电压小于U0时放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离原因。自持放电起始电压高电压工程基础第27页第27页2、电子崩形成（BC段电流剧增原因）高电压工程基础放电由非自持向自持转化机制与气体压强和气隙长度乘积(pd)相关：汤逊理论(pd值较小)流注理论(pd值较大)共同理论基础：电子碰撞电离形成电子崩。第28页第28页2、电子崩形成高电压工程基础外界电离原因在阴极附近产生了一个初始电子，假如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，产生一个新电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新碰撞电离，产生更多电子。第29页第29页2、电子崩形成高电压工程基础依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大空间电子流称为电子崩。电子崩形成示意图第30页第30页电子崩高电压工程基础第31页第31页2、电子崩形成电子碰撞电离系数α：代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生碰撞电离次数。高电压工程基础均匀电场α不随x改变新增电子数回路电流第32页第32页三、自持放电条件高电压工程基础汤逊理论(pd值较小)流注理论(pd值较大)要达到自持放电条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新电子（二次电子）来取代外电离原因产生初始电子。试验现象表明，二次电子产生机制与气压和气隙长度乘积(pd)相关：第33页第33页1、pd值较小情况（汤逊理论）高电压工程基础19,由英国人汤逊(J.S.Townsend)依据试验事实，提出了比较系统气体放电理论，阐述了气体放电过程，并拟定出放电电流和击穿电压之间函数关系。汤逊气体放电理论最早定量地解释了气体放电理论。合用条件：均匀电场，低气压，短间隙。第34页第34页1、pd值较小情况（汤逊理论）（1）汤逊自持放电判据高电压工程基础在电场作用下，正离子向阴极运动，由于它平均自由行程长度较短，不易积累动能，因此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也许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形成新电子崩。电子碰撞电离系数α：一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生碰撞电离次数。阴极表面电离系数γ：一个正离子撞击阴极表明时从阴极表面平均逸出自由电子数。第35页第35页1、pd值较小情况（汤逊理论）（1）汤逊自持放电判据高电压工程基础假如电压足够大，初始电子崩中正离子在阴极上产生出来新电子等于或不小于n0，即使除去外界电离因子作用，放电也不会停止，这就变成了自持放电。均匀电场中自持放电条件：将电子崩和阴极上γ过程作为气体自持放电决定原因是汤逊理论基础。第36页第36页高电压工程基础汤逊理论实质：气体间隙中发生电子碰撞电离是气体放电主要原因(电子崩)。二次电子起源于正离子撞击阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电必要条件。所逸出电子能否接替起始电子作用是自持放电判据。第37页第37页（2）气体击穿巴申定律高电压工程基础1889年,巴申（Paschen）从大量试验中总结了击穿电压Ub与pd关系，称为巴申定律。当气体和电极材料一定期，气隙击穿电压是气体压力p和气隙距离d乘积函数，即：第38页第38页高电压工程基础（2）气体击穿巴申定律相应于某一pd值，空气间隙击穿电压最低。即Ub有极小值。原因：为使放电达到自持，电子从阴极到阳极整个行程中需完毕足够多次数碰撞电离。第39页第39页高电压工程基础（2）气体击穿巴申定律d值一定期：p↓→自由行程↑→碰撞次数减少→Ub↑p↑→自由行程↓→碰撞电离也许↓→Ub↑因此，一定存在一个p值对碰撞电离最有利，此时Ub最小。第40页第40页高电压工程基础（2）气体击穿巴申定律p值一定期：d↓→当d值过小时，碰撞次数已减到很少→Ub↑d↑→E↓→须增长外加电压以维持放电所需电场强度→Ub↑因此，一定存在一个d值对碰撞电离最有利，此时Ub最小。第41页第41页高电压工程基础（2）气体击穿巴申定律由巴申定律可知，当极间距离d不变时，提升气压或减少气压到真空，都能够提升气隙击穿电压，这一概念含有十分主要实用意义。巴申定律与汤逊理论关系前者为后者提供试验结果支持；后者为前者提供理论依据.（3）气体密度对击穿影响第42页第42页高电压工程基础（4）汤逊理论不足汤逊理论是在pd较小时在试验基础上建立，当pd较大时，此理论就不再合用，一些试验现象无法解释。放电外形：按汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展，比如辉光放电，但在大气压下击穿会出既有分支明亮细通道。放电时间：高气压下击穿过程所需时间，实测值比理论值小10—100倍。阴极材料：按汤逊理论，击穿过程与阴极材料相关，然而在大气压力下空气隙中击穿电压与阴极材料无关。第43页第43页高电压工程基础主要原因：汤逊理论没有考虑电离出来空间电荷对电场畸变作用。汤逊理论没有考虑光子在放电过程中作用（空间光电离和阴极表明光电离）。第44页第44页高电压工程基础在pd较小时这两个原因影响不明显原因：空间电荷是电子崩过程中气体分子电离产物。pd越大，电离总数越多，空间电荷数越多，电荷数按指数规律增长。pd大时，因电离总数剧增，电子及正离子浓度很大，因此必定伴伴随强烈复合和激发过程，放出光子数量急剧增长。大量空间电荷造成局部强场区，而碰撞电离系数α对电场很敏感。在强场区，由光子电离出来电子容易形成二次电子崩。第45页第45页2、pd值较大情况（流注理论）（1）电子崩中空间电荷对电场畸变作用高电压工程基础a图：电子崩发展过程中，电子移动速度快，正离子相对于电子可当作静止，崩头集中电子，后部为正离子；由于电子扩散作用，电子崩横向半径逐步扩大——形成半球头锥体。b图：电子崩过程中，电子数N呈指数增长。电子崩电离过程集中在头部，空间电荷分布极不均匀。c图：当电子崩发展到一定程度，其形成空间电荷电场大大增强。d图：崩头和崩尾电场增强，电子崩内正负电荷区域间电场削弱，合成电场发生明显畸变。第46页第46页高电压工程基础电子崩头部电荷密度大，电离过程强烈，且电场分布畸变，造成崩头放射大量光子；崩头前后电场增强，有助于分子离子发生激励现象，其从激励状态恢复正常状态时，放射出光子；电子崩内部正负电荷区域间电场削弱，有助于发生复合过程，同样发射出光子。

光子数量和能量取决于电场畸变程度。当外电场较弱时，上述过程并不强烈，没有发生新现象；当外电场达到击穿场强时，上述过程十分强烈，空间电荷数量达到一定数值时，放射出光子数量和能量足以引起空间光电离，电子崩头部形成流注。（1）电子崩中空间电荷对电场畸变作用第47页第47页（2）流注形成高电压工程基础正流注形成1—初始电子崩(主电子崩)；2—二次电子崩；3—流注第48页第48页高电压工程基础正流注形成外电场原因使得从阴极释放电子向阳极运动，形成电子崩。电子崩过程中头部电离愈加强烈，走完整个间隙后，头部空间电荷密度非常大，大大加强了崩头尾部电场，放射大量光子。光子引起空间光电离，新形成光电子被主电子崩头部正离子所吸引，在受到畸变而加强了电场中，引起新强烈电子崩(二次电子崩)。（2）流注形成第49页第49页高电压工程基础正流注形成二次电子崩头部电子进入主电子崩头部正空间电荷区（电场强度较小），电子大多形成负离子。大量正、负带电质点构成了等离子体，这就是所谓正流注。流注通道导电性良好，其头部又是由二次电子崩形成正电荷，因此流注头部前方出现了很强电场。（2）流注形成第50页第50页高电压工程基础正流注形成流注头部电离放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注前方出现新二次电子崩，它们被吸引向流注头部，从而延长了流注通道。流注不断向阴极推动，且伴随流注靠近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展越来越快。流注发展到阴极，整个间隙被导电良好等离子体通道所贯穿，间隙击穿完毕，这个电压就是击穿电压。（2）流注形成第51页第51页高电压工程基础负流注形成外施电压较低（击穿电压）时，电子崩需通过整个间隙方能形成流注；电压较高时，电子崩不需通过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注。主电子崩头部电离很强烈，光子射向头部前方，在前方产生新电子崩，主崩头部电子和二次崩尾正离子形成混合通道，形成向阳极推动流注，称为负流注。主电子崩头部射向其后方光子，引起光电离后形成向阴极推动正流注。间隙中正、负流注能够同时向两极发展。（2）流注形成第52页第52页高电压工程基础电离室中得到正流注发展过程照片第53页第53页（3）流注自持放电条件高电压工程基础流注特点是电离强度很大和传播速度不久。流注一旦形成，放电可由本身产生空间光电离自行维持，进入自持放电阶段，即均匀电场间隙被击穿。因此，均匀电场间隙击穿条件，即自持放电条件，即流注形成条件。流注形成主要原因是电子碰撞电离及空间光电离。只有电子崩头部电荷达到一定数量，空间电荷畸变电场达到一定程度，造成足够空间光电离，才干转入流注。第54页第54页（4）流注理论对放电现象解释高电压工程基础放电外形pd很大时，合用流注理论。流注中电荷密度大，电导很大，故其中电场强度小。伴随流注发展，周围空间电场被削弱，克制其它流注形成发展。流注放电含有细通道。pd较小时，合用汤逊理论。电子崩电荷密度小，电场强度大，不影响周围空间电场，不影响其它电子崩产生。汤逊放电呈连续一片。放电时间流注理论：光子以光速传播，流注发展速度快，放电时间尤其短。第55页第55页（4）流注理论对放电现