哈工大高电压技术-2、气体放电的基本物理过程

第一章气体放电的物理过程和电气强度研究气体放电的目的：了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程掌握气体介质的电气强度学会如何选择合适的绝缘距离以及如何提高气体间隙的击穿电压了解气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状态的关系电气设备中常用气体作为绝缘介质，常用的气体介质：空气、SF6及其混合气体气体放电过程：在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程。问题的提出：1、气隙中带电粒子是如何形成的？2、气隙中的导电通道是如何形成的？3、气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？一、名词解释1、电子平均自由行程2、激励3、电离4、带电质点的复合1.电子平均自由行程当气体中存在电场时，粒子进行热运动和沿电场定向运动（如图2-4所示）。1.电子平均自由行程各种粒子在气体中运动时不断地相互碰撞，任一粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。单位行程中的碰撞次数的倒数即为该粒子的平均自由行程长度。1.电子平均自由行程由气体动力学可知，电子平均自由行程长度：：气体分子半径：大气压力：气温：波尔兹曼常数PrkT2rPTk2、激励原子在外界因素作用下，其电子从处在距原子核较近的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态的轨道，这个过程称为激励。该原子称为激励状态的原子。高于正常状态的能级均称为激励能级。激励状态存在的时间很短(大致为10-8s)，电子将自动返回常态轨道上，这时产生激励时所吸收的外加能量将以辐射能(光子)的形式放出。如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆脱原子核的约束而成为自由电子。原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱原子核的约束而成为自由电子，这一现象称为电离。原子被分解成两种带电粒子—电子和正离子。使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。3、电离电离形式：1）碰撞电离在电场作用下，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2212）光电离当气体分子受到光辐射时，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：h—普朗克常数h＝6.62×10-27尔格·秒。v—频率（光是频率不同的电磁辐射，也具有粒子性，称为光子）导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、x射线等）提供，也可以由气体放电过程本身产生。iWh3）热电离一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。包括：随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离；高温下高能热辐射光子引起的光电离。4）金属(阴极)的表面电离：a、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。b、光电效应金属表面受到光的照射，当光子的能量大逸出功时，金属表面放射出电子。c、强场放射（冷放射）当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。d、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。4、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、还原为分子的过程称为复合过程。在带电质点的复合过程会以光子的形式释放能量，产生光辐射。这种光辐射在一定条件下有可能成为导致电离的因素（如流柱理论中二次电子崩的起因）。1、电子崩在外电离因素作用下，从阴极产生的第一个起始电子，从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，会使带电质点迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样。这一剧增的电子流称为电子崩。二、气体放电过程的一般描述电子崩具显圆锥形，电子集中在崩头，尾部为正离子1、电子崩正离子在电场的作用下向阴极移动，当到达阴极附近时，或者由于加强了阴极的场强，或者由于正离子撞击阴极表面而使阴极表面发生电离，产生电子发射。新发射的电子从电场中获得动能参与了气体中的碰撞电离，使得“雪崩”现象加剧，并在去除外电离因素的情况下仍有后继电子，使得放电得以自持。为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数：代表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；对应于起始电子形成电子崩的过程系数：代表一个正离子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生的碰撞电离次数；在引起电子剧增的同时，对应于造成离子崩的过程系数：表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属表面平均释放出的自由电子数。描述了离子崩到达阴极后，引起阴极发射二次电子的过程系数：电子崩中电子数目：一个电子从阴极到阳极产生的电子数N：设一个电子从阴极行走x距离产生的自由电子数为n，n个电子前进dx产生的新电子数为：d一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为：dxndndxndn或,ddxeeNd01de2、气体放电的主要形式辉光放电：整个空间发光，电流密度小；低气压、电源功率小；霓虹灯火花放电：有收细的发光放电通道、贯穿两极的断续的明亮火花；大气压下、电源功率小电晕放电：紧贴尖电极周围有一层晕光；极不均匀场刷状放电：从电晕放电电极中伸出许多较明亮的细放电通道；极不均匀场电弧放电：放电通道和电极的温度都很高，电流密度大，电路有短路特征；电源功率大3、非自持放电与自持放电外施电压小于U0时，间隙内电流数值很小，间隙还未被击穿，这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，电流将消失。这类放电称为非自持放电。当电压达到U0后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增，其中的电离只靠电场的作用自行维持，不再需要外电离因素。这种放电形式称为自持放电。4、放电的发展过程均匀电场：任意位置的自持放电将迅速引起气体间隙击穿，放电的起始电压U0为击穿电压；非均匀电场：当电压达到U0后，出现电晕，U0为电晕起始电压，电压继续升高，相继出现刷状放电、火化放电（或电弧放电）。三、均匀电场气隙的击穿气体击穿的两个基本理论：汤逊理论流注理论1、汤逊机理一个电子从阴极到阳极产生的电子数N：过程：系数对应于起始电子形成电子崩的过程；过程所形成的正离子从阴极轰出的自由电子个数：过程：系数描述了过程所形成的正离子到达阴极后，将引起阴极发射二次电子的过程。击穿过程：上述两个过程交替重复进行，自由电子数目越来越多，最终导致击穿。电子崩——气隙击穿ddxeeNd0)1(de2、汤逊机理的结论自持放电条件：表示由过程在阴极上重新发射一个电子，这时不再需要外电离因素，就能使电离维持发展了，即转入自持放电。汤逊理论的实质：电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面，使阴极表面溢出电子，溢出电子是维持气体放电的必要条件。1)1(de3、巴申定律：击穿电压是气压P与极间距离d的乘积（或气体相对密度与极间距离d的乘积）的函数击穿电压有最小值巴申定律与汤逊机理在Pd较小时相一致击击大，，小于小，一定：UdUdd击击小，大，小，碰撞机会少，一定：UUd4、汤逊机理的适用范围适用范围：低气压，短气隙，pd200cm.mmHg汤逊理论在解释高气压、长气隙时，实际与理论的差别：放电外形：发生气体击穿时，会出现带有分支的明亮细通道，不像低气压短气隙时的均匀连续发展；放电时间：由正离子迁移率计算出的放电时间比实际放电时间长得多；阴极材料：理论上有关，实际中几乎与阴极材料无关5、流注机理电子碰撞电离：形成初始电子崩空间电荷畸变电场的作用：为衍生崩创造了条件空间光电离：形成衍生电子崩，是维持自持放电的主要因素流注：由大量正负离子混合形成的等离子体通道（导电性能良好）击穿过程：电子崩——流注发展延伸——击穿Eex:外加电场E’:正空间电荷与负极板产生的电场E’’：正空间电荷与负空间电荷产生的电场E’’’：负空间电荷与正极板产生的电场E：空间电荷产生的电场与外加电场叠加后的实际电场5.1、电子崩空间电荷对电场的畸变5.2、正流注的产生当外施电压为气隙最低击穿电压时，光子在崩尾引发衍生子崩，从正极板出发6、流注机理的结论自持放电条件：起始电子崩头部电荷数量足以畸变电场造成足够的空间光电离是一常数，工程上一般认为：巴申定律与流注机理在Pd较大时相一致1de20d流注理论实质：二次电子的主要来源是空间光电离；气隙中一旦出现流注，放电就可以由本身产生的空间光电离自行维持。7、流注理论对Pd很大空间时放电现象的解释放电外形：衍生电子崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可能均匀，随机性使其曲折分支；放电时间：光子以光速传播，衍生崩跳跃式发展，因此放电发展时间很短；阴极材料的影响：维持放电的是光电离而不是表面电离，因而与阴极材料无关。