第一章气体放电理论(一).

高电压技术何俊佳2第一章气体放电理论（一）气体中带电质点的产生和消失气体放电的一般描述均匀电场中气体击穿的发展过程不均匀电场中气体击穿的发展过程3气体放电在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程气隙中带电粒子是如何形成的？气隙中的导电通道是如何形成的？气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？4名词解释电子平均自由行程激励电离复合电子崩5原子激励和电离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hWe6原子电离：原子在外界因素作用下，使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称为原子的电离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）几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位7质点的平均自由行程：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程电子在其自由行程内从外电场获得动能，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关8气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分子发生碰撞时的行程电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多气体分子密度越大，其中质点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pT9自由行程的分布：具有统计性的规律。质点的自由行程大于x的概率为如果起始有n0个质点（或一个质点的相继n0次碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的质点数（或次数）n(x)应为xexf)(xenxn0)(10一、气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生（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（2）各种光辐射（光电离）（3）高温下气体中的热能（热电离）（4）负离子的形成（二）金属（阴极）的表面电离11碰撞电离气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起的在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离me——电子的质量；ve——电子的速度；Wi——气体分子的电离能。碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关ieeWvm22112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、气体放电过程当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下，一般是不能直接发生光电离的iWhnm12340iiUeUhc13热电离因气体热状态引起的电离过程称为热电离气体分子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高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离KTWm2314负离子的形成有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等）负离子的形成起着阻碍放电的作用15金属（阴极）的表面电离阴极发射电子的过程逸出功：金属的微观结构、金属表面状态金属表面电离有多种方式，即可以有多种方法供给电子以逸出金属所需的能量（1）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一个以上电子时才能出现自由电子16（2）光电效应金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时，金属表面放射出电子（3）强场放射（冷放射）当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电（4）热电子放射当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属17一、气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的消失（一）电场作用下气体中带电质点的运动（二）带电质点的扩散（三）带电质点的复合18电场作用下气体中带电质点的运动带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形成电流在气体放电空间，带电质点在一定的电场强度下运动达到某种稳定状态，保持平均速度，即上述的带电质点的驱引速度b——迁移率电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中，电子迁移率也随场强而变bEvddenvj19带电质点的扩散带电质点的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热运动造成，带电质点的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多20带电质点的复合正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其浓度21二、气体放电的一般描述（一）气体放电的主要形式根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后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辉光放电电弧放电火花放电电晕放电刷状放电22辉光放电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，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子。管中所充气体本同，发光颜色也不同23电弧放电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，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征24火花放电在较高气压（例如大气压力）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。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火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定火花间断的原因25电晕放电电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧贴电极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大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26刷状放电电场极不均匀情况下，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27（二）非自持放电和自持放电28非自持放电外施电压小于U0时，间隙内虽有电流，但其数值甚小，通常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚未被波破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电离因素来维持。如果取消外电离因家，那么电流也将消失29自持放电当电压达到U0后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增。同时气体中电离过程只靠电场的作用已可自行维持，而不再继续需要外电离因素了。因此U0以后的放电形式也称为自持放电30由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电，而起始电压U0也就是间隙的击穿电压Ub如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多31三、均匀电场中气体击穿的发展过程汤逊放电理论流注放电理论这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象32（一）汤逊气体放电理论汤逊理论认为，当pd较小时，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起这主要作用，气隙的击穿电压大体上是pd的函数331、电子崩的形成（过程）一个起始电子自电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子；这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自由电子；这样一代一代不断增加的过程，会使电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样34电离系数一个电子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生的碰撞电离次数如设每次碰撞电离只产生一个电子和一个正离子，即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数35设：在外电离因素光辐射的作用下，单位时间内阴极单位面积产生n0个电子在距离阴极为x的横截面上，单位时间内单位面积有n个电子飞过这n个电子行过dx之后，又会产生dn个新的电子dxndn将此式积分，可得电子的增长规律为xdxnn00exp36对于均匀电场，不随空间位置而变相应的电子电流增长规律为令x＝d，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流xenn0xeII0deII0372、过程电离系数正离子在间隙中造成的空间电离过程不可能具有显著的作用正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能，在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自由电子来表示折算到每个碰撞阴极表面的正离子，阴极金属平均释放出的自由电子数38从阴极飞出n0个电子，到达阳极后，电子数将增加为正离子数正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数denn0)1(0denn)1(0denn393、自持放电条件设n0＝1放电有非自持转入自持的条件为在均匀电场中，这也就是间隙击穿的条件，上式具有清楚的物理意义11de40当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去414、击穿电压、巴申定律根据自持放电条件推导击穿电压，先推导的计算式设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离，必须满足条件只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分子发生碰撞电离若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为iiUexWeEx或/ixe42在lcm长度内，一个电子的平均碰撞次数为l／其中是电子自由行程超过xi而发生的碰撞，即电离碰撞次数气体温度不变时，1／＝Ap，并令AUi＝B，可得/1ixeEUxiiee11EBpApe43将的计算式代入自持放电条件击穿电压Ub温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压力和电极间距离的乘积pd的函数)11ln(bUBpdApde/1lnlnApdBpdUbpdfUb144巴申（Paschen）定律击穿电压与pd的规律在碰撞电离学说提出之前，就已从实验中总结出来了45实际上的系数A及B和温度有关。系数A和绝对温度成反比比值p／T和气体密度成正比式中p以兆帕计，T以绝对温度表示巴申定律更普遍的形式TpdfUb2TpTppT289200dfUb3465、汤逊放电理论的适用范围电力工程上经常接触到的是气压较高的情况（从一个大气压到数十个大气压），间隙距离通常也很大两者问的主要差异可概述如下1.放电外形均匀连续，如辉光放电分枝的明细通道2.放电时间火花放电时间的计算值比实测值要大得3.击穿电压汤逊自持放电条件求得的击穿电压和实验值有很大出入4.阴极材料的影响实测得到的击穿电压和阴极材料无关4748