气体放电基本物理过程PPT学习教案

1、会计学1气体气体(qt)放电基本物理过程放电基本物理过程第一页，共99页。思考下述问题：思考下述问题：电荷的定向迁移和泄漏电荷的定向迁移和泄漏第1页/共99页第二页，共99页。第2页/共99页第三页，共99页。第3页/共99页第四页，共99页。质点的平均自由质点的平均自由(zyu)(zyu)行程行程 ：一个带电质点在向前行进：一个带电质点在向前行进(xngjn)1cm(xngjn)1cm距离内，距离内，发生碰撞次数的倒数发生碰撞次数的倒数 。第4页/共99页第五页，共99页。质点的平均质点的平均(pngjn)(pngjn)自由自由行程行程 PT电子的电子的要比分子要比分子(fnz)(fnz)和

2、离子的大得多和离子的大得多 的 性 质的 性 质(xngzh)(xngzh)第5页/共99页第六页，共99页。带电带电(di din)(di din)质质点的迁移率点的迁移率EV =迁移率第6页/共99页第七页，共99页。激励激励(jl)(jl)、电离和、电离和复合复合第7页/共99页第八页，共99页。激励、电离激励、电离(dinl)(dinl)和复合和复合气体气体电离能电离能N215.5O212.5CO213.7SF615.6H215.4H2O12.7第8页/共99页第九页，共99页。第9页/共99页第十页，共99页。碰撞电离碰撞电离中性中性(zhngxng)原子原子电子电子(dinz)电子

3、动能电子动能221eevm电离能电离能iW第10页/共99页第十一页，共99页。热电离热电离中性中性(zhngxng)原子原子电子电子(dinz)电子动能电子动能kT23电离能电离能iW在大电弧的情况下发生第11页/共99页第十二页，共99页。光电离光电离中性中性(zhngxng)原子原子光子能量光子能量hW =电离能电离能iWX X射线、射线、线线第12页/共99页第十三页，共99页。正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极h电子电子正离子的能量与金属电极的逸出功的关系正离子的能量与金属电极的逸出功的关系第13页/共99页第十四页，共99页。一些金属的逸出功一些金属的逸出功金属金属逸出功（逸出功（eV)

4、铝铝4.08银银4.73铜铜4.7铁铁4.48氧化铜氧化铜5.34第14页/共99页第十五页，共99页。光电子发射光电子发射光电效应光电效应tWh 第15页/共99页第十六页，共99页。热电子发射热电子发射tWmv 212第16页/共99页第十七页，共99页。强场发射强场发射真空中、高压气体中、液体中、固体中真空中、高压气体中、液体中、固体中mV /108电场阈值电场阈值第17页/共99页第十八页，共99页。气体气体(qt)分子要有很高的电负性分子要有很高的电负性 tWmv 212第18页/共99页第十九页，共99页。电子电子(dinz)亲和能亲和能 元素元素电子亲合能（电子亲合能（eV）电负

5、性值电负性值F4.034.0Cl3.743.0Br3.652.8I3.302.5第19页/共99页第二十页，共99页。h复合复合中和中和扩散扩散第20页/共99页第二十一页，共99页。、电子崩、电子崩、自持放电、自持放电(fng din)(fng din)、巴申定律、巴申定律、汤逊理论、汤逊理论第21页/共99页第二十二页，共99页。电子崩电子崩初始电子初始电子碰撞电离碰撞电离电子倍增电子倍增碰撞电离碰撞电离电子崩电子崩 崩头崩头崩尾崩尾第22页/共99页第二十三页，共99页。电子电子(dinz)(dinz)崩崩讨论讨论(toln)(toln)与电场及气压的关系与电场及气压的关系N1=exp(

6、)ixPl=-EUxii=1exp()iUEall=-exp()BpApEa=-电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数1 cm1 cm， 碰撞电离平均次数碰撞电离平均次数第23页/共99页第二十四页，共99页。电子电子(dinz)(dinz)崩崩xn0ndxdnd00expxxnndxa轾=犏臌第24页/共99页第二十五页，共99页。自持放电自持放电电荷泄漏完电荷泄漏完毕，放电过毕，放电过程完成程完成电子崩电子崩放电形成放电形成电子倍增电子倍增第25页/共99页第二十六页，共99页。自持自持(zch)(zch)放电放电0expddndxa轾犏=犏臌1pdnn=-apnng=1an 0(exp1)1d

7、dxga轾犏-犏臌第26页/共99页第二十七页，共99页。自持自持(zch)(zch)放电放电(exp() 1)1adg-=均匀电场自持均匀电场自持(zch)放电条件：放电条件：非自持非自持自持对应的电压自持对应的电压第27页/共99页第二十八页，共99页。自持自持(zch)(zch)放电放电电流随外施电压的提高而增大，因为带电电流随外施电压的提高而增大，因为带电(di din)(di din)质点向电极运动的速度加快复合率减小质点向电极运动的速度加快复合率减小 电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素

8、的强弱（良好的绝缘状态） 电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的 电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿） 外施电压小于外施电压小于U U0 0时的放电是非自持放电。电压到达时的放电是非自持放电。电压到达U U0 0后，电后，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，不再需要外电离因素。电离因素。 自持放电自持放电起始电压起始电压第28页/共99页第二十九页，共99页。巴申定律巴申定律(dngl)(dngl)18891889年，巴申完成年，巴申完成(w

9、n chng)(wn chng)了他的著名实验。了他的著名实验。第29页/共99页第三十页，共99页。巴申定律巴申定律(dngl)(dngl)气压下降气压下降分子间距增大分子间距增大电子累积能量大电子累积能量大电子崩电子崩+ +击穿击穿间距过大间距过大难以碰撞电离难以碰撞电离第30页/共99页第三十一页，共99页。汤逊理论汤逊理论(lln)(lln)考虑考虑过程：过程：考虑自持放电临界条件：考虑自持放电临界条件：考虑平均自由程与气压的关系：考虑平均自由程与气压的关系：)exp(1=EUi1=) 1)(exp(adAp=1第31页/共99页第三十二页，共99页。汤逊理论汤逊理论(lln)(lln

10、) 击穿电压击穿电压U表示为：表示为：()ln1ln(1)BpdUf pdApdg=轾犏犏犏犏+犏臌26.66pdkPa cm均匀电场均匀电场第32页/共99页第三十三页，共99页。放电时间较长放电时间较长放电特征呈丝状放电特征呈丝状阴极的作用阴极的作用第33页/共99页第三十四页，共99页。第34页/共99页第三十五页，共99页。什么样的电场什么样的电场(din chng)是不均匀电场是不均匀电场(din chng)？均匀均匀(jnyn)(jnyn)电场：削弱了边缘效应的平行板电极。电场：削弱了边缘效应的平行板电极。稍不均匀稍不均匀(jnyn)(jnyn)电场：球隙、同轴圆筒状电极。电场：球

11、隙、同轴圆筒状电极。极不均匀极不均匀(jnyn)(jnyn)电场：棒电场：棒- -板电极，棒板电极，棒- -棒电极棒电极电场不均匀系数电场不均匀系数f favEEfmax=14第35页/共99页第三十六页，共99页。1E2E3EE第36页/共99页第三十七页，共99页。初始电子崩初始电子崩空间电荷空间电荷光电离光电离二次电子崩二次电子崩注入注入(zh r)初崩初崩20d空间电荷作用空间电荷作用(zuyng)？流注流注自持自持第37页/共99页第三十八页，共99页。汤逊理论汤逊理论(lln)的问题的问题（长间隙气隙）（长间隙气隙）阴极(ynj)作用放电时间流注过程放电通道空间电荷+光电离第38页

12、/共99页第三十九页，共99页。正流注：由正极向负极发展的流注放电过程。正流注：由正极向负极发展的流注放电过程。发展速度：发展速度：3-410e6 m/s第39页/共99页第四十页，共99页。负流注：由负极向正极负流注：由负极向正极(zhngj)发展的流注放电过程发展的流注放电过程发展速度：发展速度： 7-810e5 m/s第40页/共99页第四十一页，共99页。正棒负板放电过程E电场加强电场加强，有利正，有利正流注发展流注发展电子崩电子崩流注流注场强增大场强增大流注加强流注加强放电放电第41页/共99页第四十二页，共99页。正棒负板电场(din chng)分布第42页/共99页第四十三页，共

13、99页。负棒正板放电过程E E电子崩电子崩流注流注场强不足场强不足流注熄灭流注熄灭棒极前流棒极前流注加强注加强混合质通道混合质通道场强增大场强增大流注开始流注开始放电第43页/共99页第四十四页，共99页。负棒正板电场(din chng)分布第44页/共99页第四十五页，共99页。极性效应(xioyng)不均匀电场气隙中，正极性放电较负极不均匀电场气隙中，正极性放电较负极性放电更容易发生。性放电更容易发生。第45页/共99页第四十六页，共99页。间隙过长（超过间隙过长（超过(chogu)1 m(chogu)1 m），流注不足以贯通时，），流注不足以贯通时，击穿如何发生？击穿如何发生？炽热炽热(

14、chr)的等离子体通道的等离子体通道棒极附近热电离的作用棒极附近热电离的作用第46页/共99页第四十七页，共99页。第47页/共99页第四十八页，共99页。引发放电的条件：a.强电场 b.种子电子 c.放电时间(shjin)放电时间(shjin)：nss数量级外施电压为直流、交流有充足的放电时间(shjin)。若为冲击电压，情况将怎样？第48页/共99页第四十九页，共99页。第49页/共99页第五十页，共99页。fSbtttt+=0st有效电子有效电子电极材料电极材料外施电压外施电压光照情况光照情况电场均匀度电场均匀度ft击穿过程击穿过程间隙长度间隙长度电场均匀度电场均匀度外施电压外施电压第5

15、0页/共99页第五十一页，共99页。1 1、标准雷电冲击、标准雷电冲击(chngj)(chngj)电压波电压波OCOC为视在波前为视在波前OFOF为视在波前时间为视在波前时间OGOG为视在半峰值为视在半峰值(fn(fn zh) zh)时间时间国标规定：国标规定：%2050=sTt%302 . 1=sTf第51页/共99页第五十二页，共99页。2 2、标准雷电冲击、标准雷电冲击(chngj)(chngj)截波电压波截波电压波sTsTc52=%302 . 1=1波前时间波前时间(shjin)/(shjin)/截断时间截断时间(shjin)(shjin)第52页/共99页第五十三页，共99页。3 3

16、、标准、标准(biozhn)(biozhn)操作冲击电压波操作冲击电压波%602500=%20250=sTsTtf第53页/共99页第五十四页，共99页。 持续电压作用持续电压作用(zuyng)(zuyng)下，气隙的击穿特性为下，气隙的击穿特性为一确定的数值。一确定的数值。 通常用击穿电压或击穿场强来表征。通常用击穿电压或击穿场强来表征。冲击电压作用下，气隙的击穿特性冲击电压作用下，气隙的击穿特性(txng)如何表如何表征？征？第54页/共99页第五十五页，共99页。 1. 50% 1. 50%冲击冲击(chngj)(chngj)击穿电压击穿电压：U50%与Us之比。均匀或稍不均匀电场： =

17、1；极不均匀电场： 1%50U第55页/共99页第五十六页，共99页。 2. 2. 伏秒特性伏秒特性(txng)(txng)（曲线）（曲线）工程上用间隙上出现的电压最大值和放电(fng din)时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。保持波形不变仅保持波形不变仅改变幅值改变幅值第56页/共99页第五十七页，共99页。 2. 2. 伏秒特性伏秒特性(txng)(txng)（带）（带）伏秒特性(txng)是一个有上下包络线的带状区域。工程上通常取平均伏秒特性(txng)或50%伏秒特性(txng)表示气隙的击穿特性(txng)。第57页/共99页第五十八页，共99页。 2. 2.

18、 伏秒特性伏秒特性(txng)(txng)1 1）极不均匀电场（大间隙）极不均匀电场（大间隙） 平均击穿场强较低，放电平均击穿场强较低，放电时延较长，只有大大提高电压，时延较长，只有大大提高电压，才能才能(cinng)(cinng)缩短放电时缩短放电时延。延。 S S向左上角上翘向左上角上翘2 2）较均匀电场（小间隙）较均匀电场（小间隙） 间隙各处场强相差不大，间隙各处场强相差不大，一但出现电离，很快贯穿整个一但出现电离，很快贯穿整个间隙，放电时延短。间隙，放电时延短。 S S只能在很小的时间内向只能在很小的时间内向上翘上翘 第58页/共99页第五十九页，共99页。 2. 2. 伏秒特性伏秒特

19、性(txng)(txng)第59页/共99页第六十页，共99页。50%50%冲击冲击(chngj)(chngj)击穿电压与伏秒特性击穿电压与伏秒特性曲线比较曲线比较U50%直观简单(jindn)，但粗略伏秒特性曲线精确明晰，但繁琐第60页/共99页第六十一页，共99页。电晕放电电晕放电 1. 1.概念概念 2. 2.物理过程和效应物理过程和效应 3. 3.直流输电线上的电晕直流输电线上的电晕 4. 4.交流输电线上的电晕交流输电线上的电晕 5. 5.输电线路电晕的抑制方法输电线路电晕的抑制方法 6. 6.电晕的应用电晕的应用 沿面放电沿面放电 1. 1.概念概念 2. 2.类型类型(lixng

20、)(lixng)及特点及特点 3. 3.放电电压提高方法放电电压提高方法 4. 4.湿闪现象湿闪现象 5. 5.污闪放电污闪放电第61页/共99页第六十二页，共99页。1 1、电晕放电、电晕放电(fng (fng din)din)的概念的概念曲率半径小的电极曲率半径小的电极(dinj)尖端发生的蓝尖端发生的蓝紫色晕光状放电。紫色晕光状放电。极不均匀场的一种极不均匀场的一种特有的自持放电形特有的自持放电形式。式。第62页/共99页第六十三页，共99页。1 1、电晕放电、电晕放电(fng (fng din)din)的概念的概念第63页/共99页第六十四页，共99页。2 2、电晕放电的物理、电晕放电

21、的物理(wl)(wl)过程和过程和效应效应负极负极(fj)正极正极电离电离正空间电荷作用正空间电荷作用电离加强电离加强正电荷正电荷电子电子第64页/共99页第六十五页，共99页。2 2、电晕放电的物理、电晕放电的物理(wl)(wl)过程和效应过程和效应正极正极(zhngj)负极负极电离电离正空间电荷作用正空间电荷作用电离减弱电离减弱正电荷正电荷电子电子第65页/共99页第六十六页，共99页。2 2、电晕、电晕(din yn)(din yn)放电的物理过放电的物理过程和效应程和效应极性效应：负电晕较正电晕容易极性效应：负电晕较正电晕容易(rngy)发生发生电晕电流的数量级：一般为微安级电晕电流的

22、数量级：一般为微安级第66页/共99页第六十七页，共99页。2 2、电晕放电的物理、电晕放电的物理(wl)(wl)过程和效过程和效应应第67页/共99页第六十八页，共99页。2 2、电晕放电的物理、电晕放电的物理(wl)(wl)过程过程和效应和效应第68页/共99页第六十九页，共99页。2 2、电晕、电晕(din yn)(din yn)放电的物理过程放电的物理过程和效应和效应第69页/共99页第七十页，共99页。2 2、电晕、电晕(din yn)(din yn)放电的物理放电的物理过程和效应过程和效应第70页/共99页第七十一页，共99页。2 2、电晕放电、电晕放电(fng din)(fng

23、din)的物理的物理过程和效应过程和效应第71页/共99页第七十二页，共99页。2 2、电晕放电的物理过程、电晕放电的物理过程(guchng)(guchng)和效应和效应第72页/共99页第七十三页，共99页。3 3、直流输电线上的电晕、直流输电线上的电晕(din yn)(din yn)305. 0+1 (5 .31=021rmmEcor)298. 0+1 (3 .30=021rmmEcor4 4、交流输电线上的电晕、交流输电线上的电晕)298. 0+1 (4 .21=021rmmEcor第73页/共99页第七十四页，共99页。5 5、输电线路电晕的抑制、输电线路电晕的抑制(yzh)(yzh)

24、方方法法对策对策(duc)(duc)：（限制导线的表面：（限制导线的表面场强场强 ） 采用分裂导线。采用分裂导线。 对对330kV及以上的线路应采用分裂导线，例如及以上的线路应采用分裂导线，例如330，500和和750kV的线路可分的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。 rhrUE2ln=第74页/共99页第七十五页，共99页。6 6、电晕、电晕(din yn)(din yn)的应用的应用n过电压波在传输线上行进时，电晕可削弱其幅值过电压波在传输线上行进时，电晕可削弱其幅值及陡度及陡度(du d)(du d)；n电晕在静电除尘、臭氧发生器的应用。电晕在静

25、电除尘、臭氧发生器的应用。n电晕在驻极体制备上的应用。电晕在驻极体制备上的应用。第75页/共99页第七十六页，共99页。1 1、沿面放电、沿面放电(fng din)(fng din)的一般概念的一般概念为什么要讨论沿面放电？为什么要讨论沿面放电？复合绝缘子上的爬电现象复合绝缘子上的爬电现象(xinxing)(xinxing)；GISGIS支撑绝缘子上的放电；支撑绝缘子上的放电；开关柜中的爬电；开关柜中的爬电；第76页/共99页第七十七页，共99页。1 1、沿面放电、沿面放电(fng din)(fng din)的一般概的一般概念念n沿固体-气体交界面发生的放电现象。n贯通两电极(dinj)的沿面

26、放电称为沿面闪络。第77页/共99页第七十八页，共99页。1 1、沿面放电、沿面放电(fng din)(fng din)的一般概的一般概念念 沿面闪络的基本特性： 无机介质（陶瓷、玻璃）：闪络后电气(dinq)强度可恢复。有机介质：电痕破坏。第78页/共99页第七十九页，共99页。1 1、沿面放电、沿面放电(fng din)(fng din)的一般概的一般概念念 沿面闪络的基本特性(txng)：沿面闪络电压要比等间隙下的固体及气体击穿电压低，因此，设备绝缘的性能通常由沿面闪络电压决定。沿面闪络受绝缘表面状况的影响很大，干燥，潮湿和污秽条件下，闪络过程的差别很大。因此有干闪络电压、湿闪络电压和污

27、秽闪络电压之分。沿面放电的过程受电场型式影响较大。第79页/共99页第八十页，共99页。2 2、沿面放电的类型、沿面放电的类型(lixng)(lixng)和和特点特点第80页/共99页第八十一页，共99页。2 2、沿面放电的类型、沿面放电的类型(lixng)(lixng)和和特点特点第81页/共99页第八十二页，共99页。2 2、沿面放电的类型、沿面放电的类型(lixng)(lixng)和和特点特点第82页/共99页第八十三页，共99页。2 2、沿面放电的类型、沿面放电的类型(lixng)(lixng)和特和特点点沿面放电：均匀电场中，固体介质的引入似乎并不影响电极间的电场分沿面放电：均匀电场

28、中，固体介质的引入似乎并不影响电极间的电场分布，但放电总是布，但放电总是(zn sh)发生在界面，且闪络电压比空气间隙的击发生在界面，且闪络电压比空气间隙的击穿电压要低得多。穿电压要低得多。不同介质的沿面闪络电压空气间隙石蜡瓷与电极接触不紧密的瓷 特点：特点：（1）沿面闪络电压与固体绝缘材料特性有关；（2）介质表面粗糙，也会使电场分布畸变，从而使闪络电压降低；均匀电场中的沿面放电均匀电场中的沿面放电第83页/共99页第八十四页，共99页。2 2、沿面放电、沿面放电(fng din)(fng din)的类型和特的类型和特点点均匀均匀(jnyn)电场中的沿面电场中的沿面放电放电（3）固体介质是否与

29、电极紧密接触对闪络电压有影响。 充充SFSF6 6气体的同轴圆柱电极中支撑与电极气体的同轴圆柱电极中支撑与电极接触的好坏对沿面闪络电压的影响接触的好坏对沿面闪络电压的影响 纯纯SFSF6 6接触良接触良好好接触不接触不良良 对于支柱绝缘子，内屏蔽电极可以提高沿面闪络电压。内屏蔽电极有一最佳深度，约10 cm左右。支柱绝缘子的内屏蔽电极深度支柱绝缘子的内屏蔽电极深度对雷电冲击闪络电压的影响对雷电冲击闪络电压的影响 正极性正极性负极性负极性第84页/共99页第八十五页，共99页。2 2、沿面放电、沿面放电(fng din)(fng din)的类型的类型和特点和特点极不均匀电场极不均匀电场(din

30、chng)中的沿中的沿面放电面放电 表面具有强垂直电场分量表面具有强垂直电场分量沿套管表面放电的示意图沿套管表面放电的示意图（a）电晕放电）电晕放电（b）细线状辉光放电）细线状辉光放电（c）滑闪放电）滑闪放电第85页/共99页第八十六页，共99页。3 3、沿面放电电压的影响、沿面放电电压的影响(yngxing)(yngxing)因素和因素和提高方法提高方法 1). 固体介质材料种类: 根据(gnj)固体材料的憎水性或亲水性，选择适当的材料。第86页/共99页第八十七页，共99页。 表面具有表面具有(jyu)强垂直电场分量强垂直电场分量 提高套管的电晕起始电压和滑闪放电电压的方法：2. 改善电场

31、 （1）减小比电容，例如增大固体介质的厚度，特别是加大法兰处套管的外径；也可采用介电常数较小的介质，例如用瓷油组合绝缘代替纯瓷介质。 （2）减小绝缘表面(biomin)电阻，即减小介质表面(biomin)电阻率。例如在套管靠近接地法兰处涂半导体釉；在电机绝缘的出槽口部分涂半导体漆等。等值电路等值电路3 3、沿面放电电压的影响因素和提高方法、沿面放电电压的影响因素和提高方法第87页/共99页第八十八页，共99页。4 4、湿闪现象、湿闪现象(xinxing)(xinxing)输电输电(shdin)线路或变电站的户外绝缘子，运行条件恶劣，线路或变电站的户外绝缘子，运行条件恶劣，复杂复杂a. a. 。

32、b. b. 。c. c. d. d. 第88页/共99页第八十九页，共99页。4 4、湿闪现象、湿闪现象(xinxing)(xinxing)绝缘子表面的沿面闪络现象称为。：若工业水导电率很高，湿闪电压可以下降至干闪电压的40%-50%。：击穿特性以气隙为主，不会比干闪电压下降太多。：连续的水柱使得闪络电压大幅下降。第89页/共99页第九十页，共99页。n干燥条件下，污染物一般不导电：干燥条件下，污染物一般不导电：n大雨滂沱时，污染物会被冲刷掉；大雨滂沱时，污染物会被冲刷掉；n毛毛雨时毛毛雨时污染物被润湿，电导率增大，泄漏电流随之污染物被润湿，电导率增大，泄漏电流随之增大增大产生干带产生干带,最先放电最先放电局部电弧局部电弧继续烘干污染物，继续烘干污染物，使放电延续使放电延续局部电弧贯穿两极局部电弧贯穿两极(lingj)形成沿面闪络。形成沿面闪络。n 这个电弧增大的过程，称为爬电。这个电弧增大的过程，称为爬电。5. 5. 污闪放电污闪放电第90页/共99页第九十一页，共99页。积聚(jj)污秽受潮干区形成局部电弧高压接地E第91页/共99页第九十二页，共99页。 等值附盐密度：绝缘子表面每平方厘米面积上沉积的等效等值附盐密度：绝缘子表面每平方厘米面积上沉积的等效(dn(dn xio)NaCl xio)NaC