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第二章 气体放电物理过程

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气体放电物理 第二章气体放电 第二章 气体放电
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高电压技术 第二章 气体放电 的 物理过程 2.1 气体中带电质点的产生和消失 2.2 气体放电机理 2.3 电晕放电 2.4 不均匀电场气隙的击穿 2.5 雷电放电 2.6 沿面放电 高电压技术 气体放电研究概述 ※ 从对气体放电现象的最初认识到开始认真研究气体 放电现象几乎伴随着电学的整个发展历史。 ※ 用于研究气体放电的实验装置气体放电管的发明使 人们认识到了阴极射线,并由此发现了电子,解开 了原子结构的秘密,促进了原子物理的发展。 ※ 对气体放电的研究不仅在理论上推动了物理学的发 展,而且在工程上推动了电力,照明,环境,光学 , 电子等多种工程应用的发展。因此对气体放电物理 的研究具有重要的理论和工程应用意义。 高电压技术 气体放电研究概述 Ø 1836年, 法拉第 (1791-1867)注意到低压气体中的放电现象, 将其称之为“辉光放电”(glow discharge),并预言这种放电现 象将给以后的电学研究带来很大影响。 Ø 1855年,德国的玻璃技工盖斯勒(1815-1879)利用托里拆利真空 原理制成了简易的水银真空泵——盖斯勒泵,并制成了低压气体 放电管——盖斯勒管,为人们进一步研究低压气体中的放电现象 及其本质创造了条件。 Ø 19世纪是电磁学大发展的时期, 到七、八十年代电气工业开始有 了发展, 发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用, 然而,漏电和放电损耗非常严重,成了亟待解决的问题。同时, 电气照明也吸引了许多科学家的注意。这些问题都涉及低压气体 放电现象,于是,人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题 。 高电压技术 气体放电研究概述 Ø 英国物理学家、剑桥著名的卡文迪许实验室的负责人 J.J.汤姆 逊 (1856-1940)从1881年开始利用气体放 电管研究阴极射线并并于1897年发现电子,推动了原子 物理,粒子物理,量子物理等现代物理学的发展。 Ø 1897年电子发现之后,对气体放电的研究走向了微观粒子之间相互作用的 层面,并由此发展了气体放电物理学。对此作出开创性研究工作的重要人物 是汤姆逊的学生英国科学家 J. S. Townsend (1868-1957)。 Ø Townsend借助理论假设和大量的实验系统地研究了气体放电过程中电子、 离子等基本粒子的特性,提出了“平均电子”,“平均粒子”,“电离系数 α”,“电子崩”等概念,并利用这些概念成功地解释了在低气压下均匀电 场气隙间的击穿现象,这就是著名的汤生气体放电理论。后人在汤生气体放 电理论的基础上,继续发展了流注放电理论。汤生气体放电理论和流注放电 理论互为补充,构成了目前的气体放电物理学的基本理论。 高电压技术 气体放电研究概述 高电压技术 气体放电研究概述 Townsend利用气体放电管观察并描述了在低气压(约104帕以下)均匀电场 的间隙中通过间隙的电流随着间隙两端的电压的增加的变化曲线如图所示 。 汤 生 放 电 区 域 的 伏 安 特 性 高电压技术 气体放电的主要形式 1、辉光放电(击穿状态) (1)条件:低气压,均匀电场 (2)特点:电流密度小,放电 区域占据整个电极空间。 2、火花放电 (击穿状态) (1)条件:高气压 (2)特点:明亮的火花,火花 向对面电极伸展或贯通两 级,发光放电通道收细。 火花会瞬时熄灭后又突然 发生,放电过程不稳定 高电压技术 3、电晕放电(气隙没有击穿,局部自持放电) 4、刷状放电 负极性电晕下,如电压继续升高,从电晕电极伸展出许多较明 亮的细放电通道,称为刷状放电 ; 电压再升高,根据电源功率而转入火花放电或电弧放电,最后 整个间隙被击穿 如电场稍不均匀,则可能不出现刷状放电,而由电晕放电直接转 入击穿 气体放电的主要形式 高电压技术 5、电弧放电 (1)条件:电源功率足够大 (2)现象:气体发生火花放电之后,便立即发展至对面电极 , 出现非常明亮的连续弧光。形成电弧放电。发生电弧放 电时,电弧的温度极高。 气体放电的主要形式 高电压技术 原子的结构 原子是由带正电的原子核和绕核旋转 的电子组成。电子在原子核外是分层 排布的,各层具有不同的轨道半径。 电子运动的轨道半径不同,其能量也 不同。 2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术 u动能:取决于原子的质量和运动速度 。 u 位能:取决于其中电子的能量。当 电子从其正常轨道上跃迁到能量更高 的轨道上时,原子的位能也相应增加 。 u 能级:根据原子中电子的能量状态 ,原子具有一系列可取的确定的位能 ,称为原子的能级。 u原子的正常状态相当于最低的能级。 原子的能量 2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术 原子的激励与电离 激励(轨道跃迁) 原子的一个或若干个电子 转移到离核较远的轨道上去, 所需能量称为激励能We 电离 电子跃迁到最外层轨道之外 ,脱离原子核的束缚,成为自 由电子。所需能量称为激励能 Wi 2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术 u 碰撞电离 u 光电离 u 热电离 u 阴极表面电离 2.1 带电粒子的产生和消失 带电粒子的产生方式 高电压技术 撞撞 击击 电电 离离 撞击质点:电子、正负离子、中性分子、原子等 撞击电离的首要条件: 撞击质点总能量(动能+势能) 被撞击质点当前状态时的电离能 ① 撞击是复杂的电磁力作用 ② 需要一定时间才能完成 ③ 主要因素是电子的撞击电离 ④ 动能需要积累 2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术 光子的能量 : 产生光电离的必要条件: 式中 h—普朗克常数 式中 λ—光的波长 C—光速 Wi—气体的电离能 光光 电电 离离 或 光子的来源:: 可来源于外界,也可由气体放电过程本身产生 2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术 空气的电离度m 与温度的关系 热热 电电 离离 实质:由热状态引起,热状态下碰撞游离和光游 离的综合。 T10000K,才考虑热电离 T20000K,几乎所有分子都处于热电离状态 2.1 带电粒子的产生和消失 高电压技术 逸出功:从金属电极表面发射电子需要的能量 。 当逸出功 0.26cm,流注放电。 Townsend理论: 1.电子碰撞电离是气体放电的主要原因。 2.二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子,阴 极表面电子发射是维持气体放电的必要条件。 3.阴极表面电子发射代替起始电子的作用是自持放电的判据。 流注理论: 1.仍以碰撞电离为基础,但强调空间电荷对电场的畸变作用,着 重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程; 2.放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程,当初始电子 崩中离子数达108以上时,引起空间光电离质变,电子崩汇合成 流注; 3.流注一旦形成,放电转入自持。 气体放电理论总结 高电压技术 2.3 电晕放电 电场的均匀性或对称性 高电压技术 f4为极不均匀电场 v稍不均匀电场:测量用放电球间隙 v极不均匀电场:输电线路 电场不均匀系数f 电场的均匀性或对称性 2.3 电晕放电 高电压技术 u极不均匀电场中,当间隙上的电压升高时,在间隙中的平均场强远未 达到平均击穿场强的情况下,曲率较大的电极附近空间的局部场强将首 先达到足以引起强烈游离的数值,在这一局部区域内形成自持放电,产 生薄薄的淡紫色发光层,称发光层为电晕层。 u电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。 u通常把能否出现稳定的电晕放电作为区分极不均匀电场和稍不均匀电 场的标志。 u只有当极间距离对起晕电极表面最小曲率半径的比值大于一定值时, 电晕放电才能发生 u发生电晕放电时,气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能,放电电流很 小,间隙仍能耐受电压的作用 u电晕放电的电流强度并不取决于电源电路中的阻抗,而取决于电极外 气体空间的电导。 电晕现象概述 : 2.3 电晕放电 高电压技术 电晕放电形式 :电子崩形式 外施电压较低,起晕电极的曲率半径很大,电晕层很薄 ,电晕放电均匀、稳定,属于电子崩性质的自持放电。 流注形式 随着电压升高,电晕层不断扩大,个别电子崩形成流 注,出现脉冲放电现象,转变为不均匀、不稳定的流注性质 的自持放电。 2.3 电晕放电 高电压技术 2.3 电晕放电 电晕电流波形 : 高电压技术 2.3 电晕放电 u对于电极形状不对称的不均匀电场气隙,如棒一 板间隙,棒的极性不同时,间隙的起晕电压和击穿 电压各不相同,这种现象称为极性效应。 u极性效应是不对称的不均匀电场所具有的特性之 一。 u极性效应是由于棒的极性不同时间隙中的空间电 荷对外电场的畸变作用不同而引起的。 电晕放电的极性效应 高电压技术 电晕放电的极性效应 2.3 电晕放电 正棒负板负棒正板 高电压技术 起晕电压比较 Ø 正尖负板:正空间电荷削弱棒极附近场强而加强外部电场, 阻止棒极附近流注形成使起晕电压提高; Ø 负尖正板:正空间电荷加强棒极附近场强而削弱外部电场, 促进棒极附近流注形成使起晕电压降低。 电晕放电的极性效应 击穿电压比较 u 正尖负板:空间电荷加强放电区外部空间的电场,一旦起晕 会迅速击穿,故击穿电压低。 u 负尖正板:空间电荷削弱放电区外部空间的电场,因此当电 压进一步提高时,电晕区不易向外扩展,气隙击穿将不顺利 ,因此击穿电压比正极性高很多,完成击穿所需时间也长得 多。 2.3 电晕放电 正棒负板 负棒正板 负棒正板 正棒负板 高电压技术 Ø起晕电压高; Ø一旦起晕会迅速击穿,故击穿电压低 电晕放电的极性效应 u起晕电压低 u起晕后不易击穿,击穿电压高 2.3 电晕放电 正棒负板 负棒正板 高电压技术 电晕放电的危害 u电晕电流具有高频脉冲性质,且含有许多高次谐波 , 会对无线电通信产生干扰。 u电晕电流会引起有功损耗 输电线路上出现电晕后,在电晕导线和大地之间形 成电晕电流,消耗电场能量。 u电晕使空气发生化学反应,形成臭氧和氧化氮等有 害气体,对金属和有机绝缘物有氧化和腐蚀作用。 2.3 电晕放电 高电压技术 2.3 电晕放电 高电压技术 消除电晕的方法 u改进电极的形状,减小电极的曲率。 u变压器、断路器等许多电气设备的出线电极都采 用空心、扩大尺寸的球面或旋转椭圆面等形式的 电极,超高压输电线路采用分裂导线等。 2.3 电晕放电 高电压技术 电气除尘、污水处理等 电晕放电的利用 2.3 电晕放电 高电压技术 电晕损耗功率 0 2.3 电晕放电 高电压技术 短间隙的击穿 u正棒负板击穿电压低于负棒正板的击穿电压。 u工程中不对称不均匀电场气隙的绝缘距离应根 据棒—板间隙在棒为正极性电压下的击穿特性来 确定。 2.4 不均匀电场气隙的击穿 高电压技术 先导通道-炽热的等 离子体通道,高电 导高温高电位 2.4 不均匀电场气隙的击穿 长间隙的击穿—正先导过程的形成与发展 大密度流注 大密度电流 气体通道温度上升到 104K,形成热电离 高电压技术 2.4 不均匀电场气隙的击穿 2米间隙正棒负板先导发展图片 高电压技术 2.4 不均匀电场气隙的击穿 2米间隙棒棒气隙迎面先导图片 高电压技术 2.4 不均匀电场气隙的击穿 正先导的迎面先导 正先导不易 发展迎面先 导,要发展 迎面先导, 对面电极必 须具有突出 的尖端 高电压技术 2.4 不均匀电场气隙的击穿 负先导的迎面先导 不论对面 电极几何 结构如何 ,迎面先 导都会发 生 高电压技术 2.4 不均匀电场气隙的击穿 主放电过程 高电压技术 发展方向:上行雷、下行雷 放电电荷:负极性雷、正极性雷 2.5 雷电放电 分类 放电阶段 1.先导阶段 2.主放电 3.余光放电:剩余电荷沿着雷电通道的泄放 高电压技术 2.5 雷电放电 迎 雷 先 导 高电压技术 2.5 雷电放电 迎 雷 先 导 高电压技术 2.5 雷电放电 迎雷先导 高电压技术 高电压技术 高电压技术 高电压技术 高电压技术 2.5 雷电放电 先导避雷针——针尖会产生可控幅度和频率的脉冲,使避雷针产 生一个上行先导并向上传播,从而截获雷云里发出的下行先导 高电压技术 2.5 雷电放电 高电压技术 2.6 气隙的沿面放电 高电压技术 沿面放电: 沿着气体与固体(液体)介质表面发展的 气体放电现象。 沿面闪络: 沿面放电发展到对面电极。 2.6 气隙的沿面放电 u沿面放电或闪络,一般不会导致绝缘子的永久损坏。具有自 恢复绝缘特性。 u沿面闪络电压比气体或固体介质单独存在时的击穿电压都低 ,绝缘的实际水平取决于沿面闪络电压。它与设备表面的干燥 、潮湿、清洁、污染有较大关系。 高电压技术 2.6 气隙的沿面放电 高电压技术 弱垂直分量分界面气隙场强 2.6 气隙的沿面放电 高电压技术 弱垂直分量分界面气隙场强 2.6 气隙的沿面放电 放电现象 u放电总是沿着固体介质表面进行 u闪络电压显著低于纯气隙的击穿电压 原因分析 u固体介质表面不够光滑,电场不均匀 u固体介质表面吸收水分子 u固体介质与电极接触不良 高电压技术 强垂直分量分界面气隙场强 2.6 气隙的沿面放电 高电压技术 强垂直分量分界面气隙场强 2.6 气隙的沿面放电 电晕 放电 刷状 放电 滑闪 放电 滑闪放电是强垂直分量绝缘结构的特有放电形式 高电压技术 1.增加电压,在法兰边缘出现电晕放电; 2.进一步升高电压,出现刷状放电,其放电长度随着电压升高而增长 ; 3.继续增加电压,某些细线长度迅速增长转变为树枝状火花,火花放 电很不稳定,会迅速改变放电路径,并有爆裂声,此为滑闪放电。 4.出现滑闪后,电压再增加一点,放电火花就能延伸到另一电极,形 成闪络。 2.6 气隙的沿面放电 放电过程描述 强垂直分量分界面气隙场强 1. 法兰附近电流密度大,电位梯度也大,促进电离,形成初始放电。 2. 受电场垂直分量作用,带电质点撞击介质表面,引起局部温度升高, 导致热电离,带电质点数剧增,放电通道头部场强增加,通道迅速发 展,形成“滑闪放电”。 形成滑闪放电的物理过程 先导性质放电 高电压技术 强垂直分量分界面气隙场强 2.6 气隙的沿面放电 提高套管的电晕起始电压 和滑闪放电电压的方法: (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)减小绝缘表面电阻, 即减小介质表面电阻率。 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。 高电压技术
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