气体放电-气体中带电质点的产生与消失（高电压技术）

1-4不同电压形式下空气间隙的击穿1-2均匀电场中的放电1-3不均匀电场中的放电1-1气体中带电质点的产生与消失1-5大气条件对空气击穿电压的影响1-6提高气隙击穿电压的措施1-7沿面放电与污秽放电1-8SF6气体的绝缘特性第一章气体放电1-1气体中带电质点的产生与消失学习目标1了解气体放电的类型、熟记电气强度的概念2了解原子的结构及电离的概念3熟知带电质点产生的形式及影响因素4熟知带电质点消失的形式及影响因素5领悟绝缘体与导体的辩证关系气体绝缘？概述一、何谓绝缘（作用）？隔离电位（相当于水库的大坝）

二、绝缘的一般分类二、绝缘的一般分类二、绝缘的一般分类二、绝缘的一般分类对变压器绝缘对有绕组设备二、绝缘的一般分类1.气体放电——气体由绝缘状态突变为良好导电状态的过程2.击穿电压——击穿时最低临界电压（kV）三、气体放电及相关概念3.击穿场强（电气强度）——均匀电场中击穿电压与间隙距离之比(kV/cm)如:空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm,SF6气体约为75-90kV/cm四、气体放电的类型

气体放电

统称为放电（discharge)

1-1气体中带电质点的产生与消失１、碰撞游离２、光游离３、热游离４、表面游离一、气体中带电质点的产生原子、原子核、激发、电离示意图能量能量中性原子激发游离原子核外的电子从离原子核较近的轨道跳到离原子核较远的轨道上去原子中的一个或几个电子完全脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子（即带电质点）1.碰撞游离自由行程λ:质点两次碰撞之间的距离。平均自由行程越大，越容易发生碰撞游离。平均自由行程与气体间的压力P成反比，与绝对温度T成正比。碰撞电离动画各种短波长的高能辐射线，如各种宇宙射线，紫外线、贝塔射线、X线等才有使气体产生光游离的能力。由光游离产生的自由电子称为光电子。超新星爆发宇宙射线2、光游离电磁波与高能射线3.热游离高温下，气体质点热运动所具有的动能大于气体的游离能，在互相碰撞中引起气体质点的游离。热游离是在热状态下产生碰撞游离和光游离的综合。4.表面游离金属电极加热（热电子发射）正离子撞击阴极短波光照射电极（光电效应）强电场发射4.表面电离：气体中的金属电极表面游离出自由电子的现象短波光照射正离子撞击阴极强场发射强电场（106V/cm数量级）一、气体中带电质点的产生二、气体中带电质点的消失1.漂移(定向运动消失于电极)从浓度较大的区域转移到浓度较小的区域影响因素：气体的压力越高或温度越低，扩散过程也就越弱。2.扩散

强烈的游离区总是强烈的复合区光辐射在一定条件下又可能成为导致光游离的因素3.复合正、负电荷的质点相遇，发生电荷的传递、中和而还原成中性质点的过程容易附着电子形成负离子的气体称为电负性气体，如氧气、氯气、氟气、水蒸气、六氟化硫等都属于电负性气体4.吸附效应（负离子的形成，阻碍放电发展）在电场作用下，气体中放电是不断发展以致击穿，还是气体尚能保持其电气强度而起绝缘作用，就取决于上述两种过程的发展情况。讨论本节的意义高电压技术—气体中带电质点的产生与消失气体中带电质点的产生与消失

气体中带电质点的产生2

气体中带电质点的消失3气气体放电概述1了解原子的结构及电离的概念学习目标了解带电质点产生的形式及影响因素了解原子的结构及电离的概念了解带电质点消失的形式及影响因素了解气体放电的相关概念、类型01气体放电相关知识1、气体放电—气体由绝缘状态突变为良好导电状态的过程2、击穿电压（Ub）—击穿时的最低临界电压（kV）3、击穿场强或电气强度（Eb）——在均匀电场中击穿电压与间隙距离之比(kV/cm)一.气体放电的相关知识

空气：在标准状态下的电气强度为30kV/cm

SF6气体：75-90kV/cm1.气体放电的相关概念2.气体放电的类型辉光放电电晕放电火花放电电弧放电一.气体放电的相关知识1.辉光放电2.火花放电3.电弧放电4.电晕放电5.刷状放电气体放电类型各种放电类型的特点：电源容量？气体压力？放电外形？温度高低？一.气体放电的相关知识3.气体放电的两种表现形式1.击穿（breakdown）2.闪络(flashover)一.气体放电的相关知识02气体中带电质点的产生与消失几个名词解释‹

激励‹

电离‹

电子平均自由行程‹

复合‹

电子崩5原子激励原子能级

以电子伏为单位1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J原子激励原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，所需能量称为激励能We，原子处于激励态激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子（光辐射）的频率υ，h普朗克常数We

=

hυ6原子电离原子电离在外界因素作用下，其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子电离过程所需要的能量称为电离能Wi

(ev)，也可用电离电位Ui（v）8二.气体中带电质点的产生知识准备：原子结构；原子的激发与电离绝缘配合能量能量中性原子激发电离激发：电子从离原子核较近的轨道跳到离原子核较远的轨道上去电离：一个或几个电子完全脱离原子核的束缚成为自由电子和正离子（即带电质点）知识准备：原子结构；原子的激发与电离二.气体中带电质点的产生气体中带电质点的产生形式１、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）３、高温下气体中的热能（热电离）４、气体中的固体或液体金属的表面电离二.气体中带电质点的产生1.碰撞电离必要条件：撞击质点所具有的能量不小于被撞击质点在该种状态下所需的电离能m——电子的质量ν——电子的运动速度Wi——气体原子或分子的电离能二.气体中带电质点的产生1.碰撞电离m——电子的质量ν——电子的运动速度Wi——气体原子或分子的电离能影响碰撞电离能力的因素：1.平均自由行程越大，越容易发生碰撞游离。自由行程λ——质点两次碰撞之间的距离。2.平均自由行程又与气体间的压力P成反比，与绝对温度T成正比。一个重要概念：λ

∝二.气体中带电质点的产生超新星爆发宇宙射线2.光电离h——普朗克常数，4.14×10-15evsv——光的频率各种短波长的高能辐射线，如宇宙射线、贝塔射线、X线、紫外线等才有使气体产生光游离的能力。由光游离产生的自由电子称为光电子。在气体放电过程中，当处于激励状态的原子回到常态，以及异号带电质点复合时，都以光子的形式放出多余的能量。光电离产生的自由电子称为光电子。超新星爆发二.气体中带电质点的产生3.热游离气体在热状态下引起的电离过程称为热电离。在高温下的气体，由于气体分子运动加剧，可能发生电离现象。气体温度升高时，其热辐射光子的能量及数量也随着增大，光子与气体分子碰撞也可能发生光电离。因此，热电离实质上是在热状态下产生碰撞电离和光电离的综合。

K——玻尔茨曼常数1.38×10-23J/KT——热力学温度，K二.气体中带电质点的产生4.表面电离

4.正离子撞击阴极表面（二次发射）金属电极的表面电离出电子的过程。逸出功—从金属表面电离出电子所需要的最小能量。1.强电场发射（冷发射）2.金属电极加热（热电子发射）3.短波光照射电极（光电效应）二.气体中带电质点的产生1.漂移(定向运动消失于电极)二、气体中带电质点的消失电场力作用下，带电质点作定向运动，流入电极后被中和。带电质点在电场中作定向移动的平均速度称为驱引速度，驱引速度与电场强度、迁移率成正比。由于电子的质量和半径远小于离子，在定向移动过程中，电子的迁移率比离子大两个数量级，驱引速度也大两个数量级。03气体中带电质点的消失2.扩散2.电子的质量和直径远小于离子，使得电子热运动过程中所受到的碰撞的概率小得多，故电子的扩散作用比离子要强得多。影响因素1.气体的压力越高或温度越低，扩散过程也就越弱。带电质点在空间各处有趋于均匀的过程，带电质点总是从浓度较大的区域向浓度较小的区域扩散。扩散与气体热运动有关。三.气体中带电质点的消失3.复合1.异号电荷的浓度越大，复合的过程也越快速越强烈，强烈的电离区也是强烈的复合区。2.异号电荷的相对速度越小，相互作用的时间就越长，复合的可能性也就越大。3.气体中电子的运动速度比离子要大得多，故电子与正离子发生复合的概率很小，通常是先形成负离子，再发生正负离子的复合。气体中异号电荷的粒子相遇时，由带电质点还原为中性质点的过程称为复合。复合的过程是带电质点在接近时通过电磁力相互作用完成的（异号电荷间的静电力）。复合过程总是释放能量的。影响复合的因素三.气体中带电质点的消失4.吸附效应有些电子和气体原子或分子碰撞时，非但没有电离出新电子，碰撞电子反而被气体分子吸附而形成了负离子，称为吸附效应。容易吸附电子形成负离子的气体称为电负性气体，如氧、氯、氟、水蒸气和六氟化硫气体等。（负离子的形成，阻碍放电发展）三.气体中带电质点的消失气体中带电质点的产生与消失总结在电场作用下，气体中放电是不断发展以致击穿，还是气体尚能保持其电气强度而起绝缘作用，就取决于上述两种过程的发展情况。环保型C4F7N混合气体由于SF6气体具有优良的绝缘特性及稳定的化学性能，在电力设备中获得了广泛的应用。随着社会的发展，自然环境面临的压力越来越高，人们需要把环境保护作为一个更加优先的事项来处理，我国也提出了2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的目标。而SF6的温室效应潜在值（GWP）是CO2的23500倍，SF6的大规模应用，将会加剧全球变暖趋势，因此，寻找一种能代替SF6的气体显得非常必要，在探索的过程中，一种名为全氟异丁腈（C4F7N）的气体引起了人们的关注。C4F7N的分子量为195，沸点-4.7℃，凝固点-118℃，不可燃，化学性能稳定。纯净的C4F7N绝缘性能为SF6的2倍以上，GWP值为2100。当与CO2，N2等气体混合应用时，C4F7N的浓度为20%，即可达到与SF6相当的绝缘性能，而GWP值仅为SF6的2%。目前，国内外都已经开展了C4F7N在电力设备中的实践应用。拓展

C4F7N的分子结构普朗克常数普朗克被誉为量子力学之父，于1918年获得诺贝尔物理学奖，和爱因斯坦并称为20世纪最重要的两位物理学家。普朗克在研究热体辐射时，发现在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，每一份能量值只能取某个最小能量元的整数倍，这份能量值等于hν，ν为辐射电磁波的频率，h为一常量，这个常量h被称为普朗克常数。普朗克常数大小为6.63×10-34

J·s。除了普朗克常数外，还有一系列的普朗克常量，如普朗克时间、普朗克长度等。普朗克长度和普朗克时间，它们是指我们这个宇宙中存在的最小的尺度。其中普朗克长度的大小为