第2讲 气体电介质的绝缘特性(一).ppt
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1、高电压技术高电压工程系林福昌第第2 2讲讲 1 1 气体电介质的绝缘特性(一)气体电介质的绝缘特性(一)21.1 1.1 气体中带电粒子的产生和消失气体中带电粒子的产生和消失在电场作用下,气隙中带电粒子的形成和运动过程在电场作用下,气隙中带电粒子的形成和运动过程n气隙中带电粒子是如何形成的?气隙中带电粒子是如何形成的?n气隙中的导电通道是如何形成的?气隙中的导电通道是如何形成的?n气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的?气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的?3原子激励和电离原子激励和电离 原子能级原子能级 以电子伏(以电子伏(eV)为单位为单位 1eV1V1.610-19C1.610-1
2、9J原子激励原子激励 原原子子在在外外界界因因素素作作用用下下,其其电电子子跃跃迁迁到到能能量量较较高高的的状状态态,所需能量称为激励能所需能量称为激励能We 激激励励状状态态恢恢复复到到正正常常状状态态时时,辐辐射射出出相相应应能能量量的的光光子子,光光子(光辐射)的频率子(光辐射)的频率 4 原子电离原子电离 原原子子在在外外界界因因素素作作用用下下,获获得得能能量量,使使其其一一个个或或几几个个电电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程 电电离离过过程程所所需需要要的的能能量量电电离离能能Wi(10-15 eV),也也可用电离电位可用
3、电离电位Ui(V)51.1.1 1.1.1 气体中带电粒子的产生气体中带电粒子的产生(一)气体分子的电离可由下列因素引起:(一)气体分子的电离可由下列因素引起:(1)电子或正离子与气体分子的碰撞电离)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)各种光辐射(光电离)(3)高温下气体中的热能(热电离)高温下气体中的热能(热电离)(二)(二)金属(阴极)的表面电离金属(阴极)的表面电离6(一)碰撞电离(一)碰撞电离n自由行程:粒子在两次碰撞之间的行程n电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多n气体分子密度越大,其中粒子的平均自由行程越小。对于同一种气体,其分子密度和该气体的密度成正比
4、7n自自由由行行程程的的分分布布:具具有有统统计计性性的的规规律律。粒粒子子的的自由行程大于自由行程大于x的概率为的概率为 如如果果起起始始有有n0个个粒粒子子(或或一一个个粒粒子子的的相相继继n0次次碰碰撞撞),则则其其中中行行过过距距离离x后后,尚尚未未被被碰碰撞撞的的粒子数(或次数)粒子数(或次数)n(x)应为应为 8粒子的平均自由行程粒子的平均自由行程 :一一个个粒粒子子在在与与气气体体分分子子相相邻邻两两次次碰碰撞撞之之间间自自由由地地通通过的平均行程过的平均行程电电子子在在其其自自由由行行程程内内从从外外电电场场获获得得动动能能 ,能能量量除除决决定定于电场强度外,还和其自由行程有
5、关于电场强度外,还和其自由行程有关 9(一)碰撞电离(一)碰撞电离 n气气体体放放电电中中,碰碰撞撞电电离离主主要要是是由由电电子子和和气气体体分分子碰撞而引起的子碰撞而引起的 n在在电电场场作作用用下下,电电子子被被加加速速而而获获得得动动能能。当当电电子的动能满足如下条件时,将引起碰掩电离子的动能满足如下条件时,将引起碰掩电离 n碰碰撞撞电电离离的的形形成成与与电电场场强强度度和和平平均均自自由由行行程程的的大小有关大小有关10(二)光电离(二)光电离 n光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离 自然界、人为照射、自然界、人为照射、气体放电过程气体放
6、电过程n当当气气体体分分子子受受到到光光辐辐射射作作用用时时,如如光光子子能能量量满满足足下下面面条条件,将引起光电离,分解成电子和正离子件,将引起光电离,分解成电子和正离子n光辐射能够引起光电离的临界波长(即最大波长)为光辐射能够引起光电离的临界波长(即最大波长)为n对对所所有有气气体体来来说说,在在可可见见光光(400 750nm)的的作作用用下下,一般是不能直接发生光电离的一般是不能直接发生光电离的 11(三)热电离三)热电离 n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热电离(碰撞电离热电离(碰撞电离与光电离的综合)与光电离的综合)气体分子的平均动能和气体温度的关系为气体分子
7、的平均动能和气体温度的关系为 在它们相互碰撞时,就可能引起激励或电离在它们相互碰撞时,就可能引起激励或电离 n在高温下,例如发生电弧放电时,气体温度可达数千在高温下,例如发生电弧放电时,气体温度可达数千度,气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离度,气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 n高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离 12(四)金属(阴极)的表面电离(四)金属(阴极)的表面电离 n阴极发射电子的过程阴极发射电子的过程 逸出功(逸出功(15eV):与金属的微观结构:与金属的微观结构、金属表面、金属表面状态有关状态有关 n金属表面电离的多种方式金
8、属表面电离的多种方式 (1)正离子碰撞阴极)正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属(传递的能量要正离子碰撞阴极时使电子逸出金属(传递的能量要大于逸出功)。逸出的电子有一个和正离子结合成为大于逸出功)。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子,其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出原子,其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子一个以上电子时才能出现自由电子13表面电离的形式表面电离的形式 (2)光电效应)光电效应 金金属属表表面面受受到到光光的的照照射射,当当光光子子的的能能量量大大于于选选出出功功时,金属表面放射出电子时,金属表面放射出电子 (3)强场放射(
9、冷放射)强场放射(冷放射)当当阴阴极极附附近近所所加加外外电电场场足足够够强强时时,使使阴阴极极放放射射出出电电子子 (4)热电子放射)热电子放射 当当阴阴极极被被加加热热到到很很高高温温度度时时,其其中中的的电电子子获获得得巨巨大大动能,逸出金属动能,逸出金属141.1.2 1.1.2 气体中带电粒子的运动与消失气体中带电粒子的运动与消失n(一)电场作用下气体中带电粒子的运动(一)电场作用下气体中带电粒子的运动 (定向运动,消失)(二)带电粒子的扩散(二)带电粒子的扩散 (三)带电粒子的复合(三)带电粒子的复合(中和,空间或器壁)(四)附着效应(四)附着效应15(一)一)电场作用下气体中带电
10、粒子的运动电场作用下气体中带电粒子的运动n带带电电粒粒子子产产生生以以后后,在在外外电电场场作作用用下下将将作作定定向向运运动动,形形成电流成电流 n在在气气体体放放电电空空间间,带带电电粒粒子子在在一一定定的的电电场场强强度度下下运运动动达达到到某某种种稳稳定定状状态态,保保持持平平均均速速度度,即即上上述述的的带带电电粒粒子子的的驱引速度驱引速度 b 迁移率迁移率 u电电子子迁迁移移率率比比离离子子迁迁移移率率大大得得多多,即即使使在在很很弱弱的的电电场场中中,电子迁移率也随场强而变电子迁移率也随场强而变 16(二)带电粒子的扩散(二)带电粒子的扩散 n带带电电粒粒子子的的扩扩散散和和气气
11、体体分分子子的的扩扩散散一一样样,都都是是由由于于热热运运动动造造成成,带带电电粒粒子子的的扩扩散散规规律律和和气气体体的的扩扩散散规规律律也也是相似的是相似的 n气气体体中中带带电电粒粒子子的的扩扩散散和和气气体体状状态态有有关关,气气体体压压力力越越高或者温度越低,扩散过程也就越弱高或者温度越低,扩散过程也就越弱n电电子子的的质质量量远远小小于于离离子子,所所以以电电子子的的热热运运动动速速度度很很高高,它它在在热热运运动动中中受受到到的的碰碰撞撞也也较较少少,因因此此,电电子子的的扩扩散散过程比离子的要强得多过程比离子的要强得多 17(三)带电粒子的复合(三)带电粒子的复合 n正正离离子
12、子和和负负离离子子或或电电子子相相遇遇,发发生生电电荷荷的的传传递递而而互互相相中和、还原为分子的过程中和、还原为分子的过程n在在带带电电粒粒子子的的复复合合过过程程中中会会发发生生光光辐辐射射,这这种种光光辐辐射射在一定条件下又可能成为导致电离的因素在一定条件下又可能成为导致电离的因素 n正正、负负离离子子间间的的复复合合概概率率要要比比离离子子和和电电子子间间的的复复合合概概率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要 n一一定定空空间间内内带带电电粒粒子子由由于于复复合合而而减减少少的的速速度度决决定定于于其其浓度浓度 18n有有时时电电子子和
13、和气气体体分分子子碰碰撞撞非非但但没没有有电电离离出出新新电电子子,反反而是碰撞电子附着分子,形成了负离子而是碰撞电子附着分子,形成了负离子 n有有些些气气体体形形成成负负离离子子时时可可释释放放出出能能量量。这这类类气气体体容容易易形形成成负负离离子子,称称为为电电负负性性气气体体(如如氧氧、氟氟、氯氯,SF6等)等)n质量大、速度小质量大、速度小阻碍放电,绝缘强度较高阻碍放电,绝缘强度较高(四)附着效应(四)附着效应负离子的形成负离子的形成191.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿 气体放电的主要形式气体放电的主要形式 根根据据气气体体压压力力、电电源源功功率率、电电极极
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- 第2讲 气体电介质的绝缘特性一 气体 电介质 绝缘 特性
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