气体击穿理论分析和气体间隙绝缘.ppt

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1、高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘2/190第一节第一节第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介第二节第二节第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第三节第三节第三节第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程第四节第四节第四节第四节

2、 不均匀电场中的气体不均匀电场中的气体不均匀电场中的气体不均匀电场中的气体击穿的发展击穿的发展击穿的发展击穿的发展过程过程过程过程第五节第五节第五节第五节 持续电压作用下气体的击穿特性持续电压作用下气体的击穿特性持续电压作用下气体的击穿特性持续电压作用下气体的击穿特性第六节第六节第六节第六节 雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性第七节第七节第七节第七节 操作冲击电压下气体的击穿特性操作冲击电压下气体的击穿特性操作冲击电压下气体的击穿特性操作冲击电压下气体的击穿特性第八节第八节第八

3、节第八节 SFSF6 6和气体绝缘电气设备和气体绝缘电气设备和气体绝缘电气设备和气体绝缘电气设备第九节第九节第九节第九节 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正第十节第十节第十节第十节 提高气体介质电气强度的方法提高气体介质电气强度的方法提高气体介质电气强度的方法提高气体介质电气强度的方法第十一节第十一节第十一节第十一节 沿面放电和污闪事故沿面放电和污闪事故沿面放电和污闪事故沿面放电和污闪事故本章主要内容本章主要内容高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气

4、体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘3/190第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介1 1气体放电的概念气体放电的概念n气体放电气体放电气体中流通电流的各种形式。气体中流通电流的各种形式。1.正常状态：优良的绝缘体。正常状态：优良的绝缘体。l在一个立方厘米体在一个立方厘米体积内内仅含几千个含几千个带电粒子粒子,但但这些些带电粒子并不影响气体的粒子并不影响气体的绝缘。l空气的利用：架空空气的利用：架空输电线路个相路个相导线之之间、导线与地与地线之之间、导线与杆塔之与杆塔之间的的绝缘；变压器相器相间的的绝缘等。等。高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击

5、穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘4/190 输电线路以气体作为绝缘材料输电线路以气体作为绝缘材料第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘5/190 变压器相间绝缘以气变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料体作为绝缘材料第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘6/190第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形

6、式简介2.高电压状态高电压状态电压升高升高达到一定数达到一定数值气体中的气体中的带电粒粒子大量增加子大量增加电流增大流增大达到一定达到一定数数值气体失去气体失去绝缘击穿（或穿（或闪络）n击穿击穿纯空气隙之间纯空气隙之间。（架空（架空线相相间的空气放的空气放电）n闪络闪络气体沿着固体表面击穿。气体沿着固体表面击穿。（气体沿着（气体沿着悬挂架空挂架空线的的绝缘子串放子串放电）高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘7/190第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介3.气体放电的相关概念气体放电的相关概念n击

7、穿电压击穿电压Ub或闪络电压或闪络电压Uf发生击穿或闪络的最低临界电压；发生击穿或闪络的最低临界电压；n击穿场强击穿场强Eb（均匀电场中的击穿电压）（均匀电场中的击穿电压）/间隙距离间隙距离n平均击穿场强平均击穿场强 （不均匀电场中的击穿电压）（不均匀电场中的击穿电压）/间隙距离间隙距离高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘8/190第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介u根据根据气体压力、电源功率、电极形状气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形

8、式。利用放电管可以观察放电现气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化象的变化2 2击穿后气体的放电形式击穿后气体的放电形式高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘9/190第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介u当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象。管内阴极和阳极间整个

9、空间忽然出现发光现象。u特点：特点：放放电电流密度流密度较小，放小，放电区域通常占据了整个区域通常占据了整个电极极间的空的空间。霓虹管中的放霓虹管中的放电就是就是辉光放光放电的例子，管中所充气的例子，管中所充气体不同，体不同，发光光颜色也不同色也不同1.1.辉光放电辉光放电高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘10/190第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介u减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压

10、则更加降低，说明放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大通道的电导越来越大u特点：特点：电弧通道和弧通道和电极的温度都很高，极的温度都很高，电流密度极大流密度极大，电路路具有短路的特征具有短路的特征2.2.电弧放电电弧放电高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘11/190第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介u当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花两极的断续的明亮细火花。（大气条件下

11、）。（大气条件下）u特点：特点：具有收具有收细的通道形式，并且放的通道形式，并且放电过程不程不稳定定3.3.火花放电火花放电返回返回高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘12/190第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失n带电粒子的产生和消失是气体放电的根本根源，是分带电粒子的产生和消失是气体放电的根本根源，是分析气体击穿的理论基础；析气体击穿的理论基础；n正常时气体中有正负粒子存在，但对气体的绝缘状态正常时气体中有正负粒子存在，但对气体的绝缘状态没有影响；没有影响；n随着电压升高气体间隙中的带电粒子数

12、量会迅速增加，随着电压升高气体间隙中的带电粒子数量会迅速增加，带电粒子的运动会产生电流。带电粒子的运动会产生电流。掌握掌握n气体放电时，带电粒子如何产生？气体放电时，带电粒子如何产生？n放电结束后，带电粒子又如何消失？放电结束后，带电粒子又如何消失？高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘13/190第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失1 1原子的激励和电离原子的激励和电离 原子的能级原子的能级n原子的结构可用行星系模型描述。原子的结构可用行星系模型描述。原子核（正电）原子核（正电）电子云（负电）电子云

13、（负电）n能级能级根据原子核外电子的能量状态，原子具有一系列可根据原子核外电子的能量状态，原子具有一系列可取得确定的能量状态。取得确定的能量状态。p外外围电子能量高子能量高 原子能量就高原子能量就高 能能级就高；就高；p外外围电子能量低子能量低 原子能量就低原子能量就低 能能级就低；就低；原子能量大小的衡量原子能量大小的衡量高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘14/190 原子的激励原子的激励n激励激励(激发激发)原子在外界因素（电场、高温等）的作用下，原子在外界因素（电场、高温等）的作用下，吸收外界能量使其内部能量

14、增加，原子核外的电子将从离原吸收外界能量使其内部能量增加，原子核外的电子将从离原子核较近的轨道上跳到离原子核较远的轨道上去的过程。子核较近的轨道上跳到离原子核较远的轨道上去的过程。n激励能（激励能（We）产生激励所需的能量。等于该轨道和常态产生激励所需的能量。等于该轨道和常态轨道的能级差。轨道的能级差。i注意注意p激励状态存在的时间很短（激励状态存在的时间很短（10-7 10-8 s），电子将自动返），电子将自动返回到常态轨道上去。回到常态轨道上去。p原子的激励过程不会产生带电粒子。原子的激励过程不会产生带电粒子。第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压

15、技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘15/190 原子的电离原子的电离n电离电离在外界因素作用下，其一个或几个电子脱离原子核在外界因素作用下，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的过程。的束缚而形成自由电子和正离子的过程。n电离能（电离能（Wi）使稳态原子或分子中结合最松弛的那个电使稳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。（电子伏子电离出来所需要的最小能量。（电子伏 eV）1eV1V1.610-19C1.610-19J（焦耳）（焦耳）1V电压电压qe：电子的电荷（库伦）：电子的电荷（库伦）i注意注意 原

16、子的电离过程产生带电粒子。原子的电离过程产生带电粒子。第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘16/190气体气体激励能激励能We(eV)电离能电离能Wi(eV)气体气体激励能激励能We(eV)电离能电离能Wi(eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6 表表 1-1 某些气体的激励能和电离能某些气体的激励能和电离能第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技

17、术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘17/1904.原子的激励与电离的关系原子的激励与电离的关系原子发生电离产生带电粒子的两种情况：原子发生电离产生带电粒子的两种情况：原子吸收了一定的能量，原子吸收了一定的能量，但能量不太高但能量不太高发生激励，跳到发生激励，跳到更远的轨道更远的轨道再次吸收能量再次吸收能量发生电离，产生带电粒子发生电离，产生带电粒子原子吸收直接吸收了足够的能量原子吸收直接吸收了足够的能量发生电离，产生带电粒子发生电离，产生带电粒子n原子的激励过程不产生带电粒子；原子的激励过程不产生带电粒子；n原子的电离过程产生带电粒

18、子；原子的电离过程产生带电粒子；n激励过程可能是电离过程的基础。激励过程可能是电离过程的基础。激励激励+电离电离 直接电离直接电离 第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘18/1902 2气体中带电粒子的产生气体中带电粒子的产生电离所获能量形式不同，带电粒子产生的形式不同电离所获能量形式不同，带电粒子产生的形式不同 光电离光电离u光电离光电离光辐射引起的气体分子的电离过程。光辐射引起的气体分子的电离过程。u发生光电离的条件发生光电离的条件式中：式中：h普郎克常数；普

19、郎克常数；光子的光子的频率；率；Wi气体的气体的电离能，离能，eV；c光速光速=3108m/s；光的波光的波长，m。光子能量光子能量Whi注意注意 可见光都不可能使气体可见光都不可能使气体直接发生光电离，只有波直接发生光电离，只有波长短的高能辐射线长短的高能辐射线 （例例如如X 射线、射线、射线等）才能射线等）才能使气体发生光电离。使气体发生光电离。第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘19/190 碰撞电离碰撞电离u碰撞电离碰撞电离由于质点碰撞所引起的电离过程。（

20、主要是电由于质点碰撞所引起的电离过程。（主要是电子碰撞电离）子碰撞电离）u电子在电场强度为电子在电场强度为 E 的电场中移过的电场中移过x 距离时所获得的动距离时所获得的动能为：能为：式中式中:m电子的子的质量；量；qe电子的子的电荷量荷量若若W等于或大于等于或大于气体分子的气体分子的电离离能能Wi，该电子就子就有足有足够的能量去的能量去完成碰撞完成碰撞电离离u发生碰撞电离的条件发生碰撞电离的条件第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘20/190u电子为造成碰撞电离

21、而必须飞越的最小距离：电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离：式中：式中：Ui为气体的气体的电离离电位，在数位，在数值上与以上与以eV为单位的位的Wi相等。相等。uxi 的大小取决与场强的大小取决与场强 E，增大气体中的场强将使，增大气体中的场强将使 xi 值减小，值减小，可见提高外加电场将使碰撞电离的概率和强度增大。可见提高外加电场将使碰撞电离的概率和强度增大。i注意注意n碰撞碰撞电离是气体中离是气体中产生生带电粒子的最重要的方式。粒子的最重要的方式。n主要的碰撞主要的碰撞电离均有离均有电子完成，离子碰撞中性分子并使之子完成，离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比离的概率要比电子小得多，所以在

22、分析气体放子小得多，所以在分析气体放电发展展过程程时，往往只考往往只考虑电子所引起的碰撞子所引起的碰撞电离。离。第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘21/190 热电离热电离u热电离热电离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。u发生热电离的条件发生热电离的条件式中：式中：k波波尔茨曼茨曼常数；常数；（k=1.3810-23J/K）Wi气体的气体的电离能，离能，eV；T绝对温度，温度，K；i注意注意p分子分子热运动热运动所固有的动能不足所固有的动能

23、不足以产生以产生碰撞电离碰撞电离，20oC时，气时，气体分子平均动能约体分子平均动能约0.038eV。热。热电离起始温度为电离起始温度为103K（727oC）p在一定热状态下物质会发出辐在一定热状态下物质会发出辐射，射，热辐射光子热辐射光子能量大，会引能量大，会引起起光电离光电离i绝对温度和摄氏温度的关系：绝对温度和摄氏温度的关系：T绝对绝对=273+T摄氏摄氏第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘22/190u热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合热电离实质

24、上是热状态下碰撞电离和光电离的综合p例如：例如：发生生电弧放弧放电时，气体温度可达数千度，气体温度可达数千度，气体分子气体分子动能就足以能就足以导致致发生明生明显的碰撞的碰撞电离，离，高温下高温下高能高能热辐射光子射光子也能造成气体的也能造成气体的电离离第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘23/190 电极表面电离（阴极表面电离）电极表面电离（阴极表面电离）u电极表面电离电极表面电离电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。u逸出

25、功逸出功电子从金属表面逸出所需的能量。电子从金属表面逸出所需的能量。金属金属逸出功逸出功(eV)金属金属逸出功逸出功(eV)金属金属逸出功逸出功(eV)铝铝(Al)银银(Ag)1.83.1铁铁(Fe)铜铜(Cu)3.93.9氧化铜氧化铜(CuO)铯铯(Cs)5.30.7n逸出功逸出功n与表与表1-11-1相比相比较，可知金属的逸出功比气体分子的，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得离能小得多，表明金属表面多，表明金属表面电离比气体空离比气体空间电离更易离更易发生。生。n阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。第二节第二节 带电粒子的产生

26、和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘24/190u电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式p正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极时把能量（主要是把能量（主要是势能）能）传递给金属极板中的金属极板中的电子，子，使其逸出金属使其逸出金属p正离子必正离子必须碰撞出一个以上碰撞出一个以上电子子时才能才能产生自由生自由电子子p逸出的逸出的电子有一个和正离子子有一个和正离子结合成合成为原子，其余成原子，其余成为自由自由电子子。p高能高能辐射先照射阴极射先照

27、射阴极时，会引起光，会引起光电子子发射，其条件是光子的能量射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。大于金属的逸出功。p同同样的光的光辐射引起的射引起的电极表面极表面电离要比引起空离要比引起空间光光电离离强烈得多烈得多正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面光电子发射（光电效应）光电子发射（光电效应）第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘25/190p当阴极被加当阴极被加热到很高温度到很高温度时，其中的，其中的电子子获得巨大得巨大动能，逸能，逸出金属表面出金属表面p在在

28、许多多电子器件中常利用加子器件中常利用加热阴极来阴极来实现电子子发射。射。p当阴极表面附近空当阴极表面附近空间存在很存在很强的的电场时（106V/cm数量数量级），），能使阴极能使阴极发射射电子。子。p常常态下作用气隙下作用气隙击穿完全不受影响；穿完全不受影响；p在高气在高气压、压缩的高的高强度气体的度气体的击穿穿过程中会起一定的作程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。用；真空中更起着决定性作用。热电子发射热电子发射强场发射（冷发射）强场发射（冷发射）第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘

29、气体击穿理论分析和气体间隙绝缘26/190 负离子的形成负离子的形成u自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子发生电离发生电离产生自由电子产生自由电子l情况一情况一电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子能量不足，撞能量不足，撞击后反弹回来击后反弹回来未产生自由电子未产生自由电子l情况二情况二电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子没发生电离，没发生电离，也没被反弹也没被反弹回来回来被中性的分子捕捉，被中性的分子捕捉，成为自己的束缚电成为自己的束缚电子子l情况三情况三形成了负离子

30、形成了负离子第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘27/190u附着附着自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子相结合而形成负离子的过程。相结合而形成负离子的过程。p形成形成负离子离子时可可释放出能量放出能量p有些气体容易形成有些气体容易形成负离子，称离子，称为电负性气体性气体（如氧、氟、（如氧、氟、氯等），等），SF6（绝缘性是空气的性是空气的3倍，倍，灭弧性是空气的弧性是空气的100倍）倍）p负离子的形成起着阻碍放

31、离子的形成起着阻碍放电的作用的作用u负离子形成过程的特点负离子形成过程的特点第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘28/1903 3带电粒子在气体中的运动带电粒子在气体中的运动 自由行程长度自由行程长度 带电粒子的运动轨迹带电粒子的运动轨迹u当气体中存在电场时，带电粒子将具当气体中存在电场时，带电粒子将具有复杂的运动轨迹有复杂的运动轨迹 “混乱热运动沿着电场作定向漂移混乱热运动沿着电场作定向漂移”u自由行程长度自由行程长度带电粒子与气体分子发生第一次碰撞到第带电粒子

32、与气体分子发生第一次碰撞到第二次碰撞所移动的距离。二次碰撞所移动的距离。（两次碰撞中未再（两次碰撞中未再发生任何碰撞）生任何碰撞）第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘29/190 平均自由行程长度平均自由行程长度u平均自由行程长度平均自由行程长度带电粒子单位行程中的碰撞次数带电粒子单位行程中的碰撞次数Z的的倒数。倒数。u实际的自由行程的自由行程长度是度是随机量随机量，有很大的分散性，任意，有很大的分散性，任意带电粒子在粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与分子的半

33、径和密度的行程中所遭遇的碰撞次数与分子的半径和密度有关有关u粒子的实际自由行程长度等于或大于某一距离粒子的实际自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为的概率为 i注意：注意：由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘30/190u又由又由式中：式中：p气气压，Pa；T气温，气温，K

34、；k波波尔茨曼常数，茨曼常数，（k =1.3810-23J/K）。）。u由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度式中：式中：r气体分子半径；气体分子半径；N气体分子密度。气体分子密度。p平均自由行程长度与温度成正比平均自由行程长度与温度成正比，温度越高气体发散，粒子间距离温度越高气体发散，粒子间距离较远，较远，e越大越大p平均自由行程长度与气压成反比平均自由行程长度与气压成反比，气压越高，气体分子被得越紧，气压越高，气体分子被得越紧，粒子间距离较近粒子间距离较近，e越小。越小。第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电

35、压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘31/190 带电粒子的迁移率带电粒子的迁移率u带电粒子的迁移率带电粒子的迁移率k带电粒子在单位场强带电粒子在单位场强（1V/m）下沿下沿电场方向的漂移速度。电场方向的漂移速度。式中：式中：v带电粒子的速度；粒子的速度；E电场强度度。i注意注意 由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。一比离子小得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。一般电子迁移率比离子迁移率大两个数量级般电子迁移率比离

36、子迁移率大两个数量级第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘32/190 扩散扩散u扩散扩散在热运动的过程中，粒子从浓度较大的区域运动到在热运动的过程中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化的物理浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化的物理过程。过程。p气压越低，温度越高，扩散进行的越快。气压越低，温度越高，扩散进行的越快。p电子的热运动速度大、自由行程长度大，其扩散速度也要比电子的热运动速度大、自由行程长度大，其扩散速度也

37、要比离子快得多。离子快得多。u扩散的特点扩散的特点第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘33/1904 4带电粒子消失带电粒子消失 带电粒子产生和消失的关系带电粒子产生和消失的关系u带电粒子产生和消失是同时发生的过程；带电粒子产生和消失是同时发生的过程；u若产生的带电粒子若产生的带电粒子大于大于消失的带电粒子，则会消失的带电粒子，则会促进促进气体放气体放电过程；电过程；u若产生的带电粒子若产生的带电粒子等于等于消失的带电粒子，则会促进气体就消失的带电粒子，则会促进气

38、体就处于处于稳定状态稳定状态；u若产生的带电粒子若产生的带电粒子小于小于消失的带电粒子，则会消失的带电粒子，则会阻碍阻碍气体放气体放电过程；电过程；第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘34/190 带电粒子消失的形式带电粒子消失的形式带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流。于电极上而形成外电路中的电流。带电粒子因带电粒子因扩散现象扩散现象而逸出气体放电空间。而逸出气体放电

39、空间。u扩散的实质扩散的实质某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数减少减少。p带电粒子的粒子的扩散是由于散是由于热运运动造成，造成，带电粒子的粒子的扩散散规律和律和气体的气体的扩散散规律相似律相似p气体中气体中带电粒子的粒子的扩散和散和气体状气体状态有关有关，气体，气体压力越高或者力越高或者温度越低，温度越低，扩散散过程也就越弱程也就越弱p电子子质量量远小于离子，所以小于离子，所以电子的子的热运运动速度高，它在速度高，它在热运运动中受到的碰撞也少，因此，中受到的碰撞

40、也少，因此，电子的子的扩散散过程比离子的要程比离子的要强第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘35/190带电粒子的带电粒子的复合复合u复合复合气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的传递与传递与中和，中和，还原为分子还原为分子的过程的过程。（是与电离相反的一种过程）。（是与电离相反的一种过程）u电子复合电子复合电子和正离子子和正离子发生复合，生复合，产生生一个中性分子一个中性分子 离子复合离子复合正离子和正离子和负离子离子发生复

41、合，生复合，产生生两个中性分子两个中性分子p带电粒子的复合粒子的复合过程中会程中会发生光生光辐射，射，这种光种光辐射在一定射在一定条件下又成条件下又成为导致致电离的因素离的因素p参与复合的粒子的相参与复合的粒子的相对速度速度越大越大，复合概率，复合概率越小越小。通常放。通常放电过程中程中离子离子间的复合更的复合更为重要重要p带电粒子粒子浓度越大，复合速度越大，度越大，复合速度越大，强烈的烈的电离区也是离区也是强烈的复合区烈的复合区第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失返回返回高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气

42、体间隙绝缘36/190第三节第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程掌握掌握n非自持放电过程和自持放电过程的概念；非自持放电过程和自持放电过程的概念；n汤逊气体放电理论的要点和适用范围；汤逊气体放电理论的要点和适用范围；n流注气体放电理论的要点和适用范围；流注气体放电理论的要点和适用范围；u气体的击穿过程与气体的击穿过程与电场分布电场分布有很大关系，均匀电场和不均匀有很大关系，均匀电场和不均匀电场下气体的击穿过程有很大的不同；电场下气体的击穿过程有很大的不同；p均匀电场均匀电场电场中任一点的电场强度均相同；电场中任一点的电场强度均相同；p不均匀电场不均匀电场电场中任一点

43、的电场强度均不相同；电场中任一点的电场强度均不相同；高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘37/190第三节第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程1 1非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电u非自持放电非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；u自持放电自持放电不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。过程。非自持放电和自持放电的概念非自持放电和自持放电的概念 非自持放电和自持放电的非自持放电和自持放电的过程

44、过程u测定气体间隙中电流变化的实验装置测定气体间隙中电流变化的实验装置p通通过调节电阻，阻，测量回路量回路电流随流随电压变化的情况化的情况u气体间隙中气体间隙中电流的变化电流的变化反映放电过程反映放电过程高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘38/190u加加电场前，外前，外电离因素（光照射）离因素（光照射）在极板在极板间产生生带电粒子，但粒子，但带电粒粒子制作子制作杂乱无章的乱无章的热运运动，不，不产生生电流；流；u加加电场后，后，带电粒子沿粒子沿电场方向定方向定向移向移动，形成，形成电流。随着流。随着电压升高，升高

45、，带电粒子运粒子运动速度加快，使到达速度加快，使到达极极板的板的带电粒子数量和速度不断增大，粒子数量和速度不断增大，电流也随之增大。流也随之增大。oa段段 随着电压升高，电流增大，随着电压升高，电流增大，到达极板的带电粒子数量和速到达极板的带电粒子数量和速度也随之增大。度也随之增大。均匀均匀电场中气体的伏安特性中气体的伏安特性均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析I0UaUbUcUI第三节第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和

46、气体间隙绝缘39/190均匀均匀电场中气体的伏安特性中气体的伏安特性ab段段 电流趋于饱和，由外电离因素电流趋于饱和，由外电离因素产生的带电粒子已全部进入电产生的带电粒子已全部进入电极，电流极，电流I0大小取决于外电离因大小取决于外电离因素与电压无关。素与电压无关。u外外电离因素（光照射）的离因素（光照射）的强度度一定的情况下，一定的情况下，单位位时间内内产生的生的带电粒子数量是一定的，粒子数量是一定的，由此由此产生的生的电流也是一定。流也是一定。uI0饱和电流。饱和电流。I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析第三节第三节 均匀电场

47、中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘40/190均匀均匀电场中气体的伏安特性中气体的伏安特性bc段段 电流又再随电压的增大而增大。电流又再随电压的增大而增大。发生电子发生电子碰撞电离碰撞电离。I0UaUbUcUI电压升高电压升高气体间的带电粒气体间的带电粒子运动速度加快子运动速度加快带电粒子能量带电粒子能量（动能）增加（动能）增加当能量大于极板间空当能量大于极板间空气中原子的电离能气中原子的电离能电子碰撞电离，产电子碰撞电离，产生大量带电粒子生大量带电粒子电流急速电流急

48、速增加增加均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析第三节第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘41/190均匀均匀电场中气体的伏安特性中气体的伏安特性c点点 U=Uc，电流急剧增大。气体间，电流急剧增大。气体间隙隙被击穿被击穿进入导电状态（进入导电状态（自持自持放电放电），不再需要任何外界因），不再需要任何外界因素（光照射、外加电源）。素（光照射、外加电源）。uc点处的临界电压点处的临界电压Uc就是就是击穿电击穿电压

49、压Ub，当电压达到，当电压达到Uc后气体即后气体即被击穿被击穿，由原来的绝缘体变成，由原来的绝缘体变成了了导体导体。I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析第三节第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘42/190均匀均匀电场中气体的伏安特性中气体的伏安特性I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析u当产生的电流当产生的电流IIc：非自持放电

50、非自持放电区；区；u当产生的电流当产生的电流IIc：自持放电区自持放电区；u当施加的电压当施加的电压UUc：气体保持气体保持绝缘；绝缘；u当施加的电压当施加的电压UUc：气体被击穿。气体被击穿。Ic自持放电区自持放电区非自持放电区非自持放电区第三节第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术第一章第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘气体击穿理论分析和气体间隙绝缘43/190（二）汤逊放电理论（二）汤逊放电理论2020世纪初，汤逊根据大量的试验研究结果，提出了适用世纪初，汤逊根据大量的试验研究结果，提出了适用于均匀电场、低气压、短气隙