氣體放電理論(二)

1、2第一章第一章 氣體放電理論（二）氣體放電理論（二）n氣體中帶電質(zhì)點的產(chǎn)生和消失氣體中帶電質(zhì)點的產(chǎn)生和消失n氣體放電的一般描述氣體放電的一般描述n 均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程 n不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程3三、均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程三、均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程（二）流注氣體放電理論（二）流注氣體放電理論n說明工程上感興趣的壓力較高氣體的擊穿，如說明工程上感興趣的壓力較高氣體的擊穿，如大氣壓力下空氣的擊穿大氣壓力下空氣的擊穿n 特點：認(rèn)為電子碰控電離及空間光電離是維持特點：認(rèn)為電子碰控電離及空間光電離是維持自持放電的主要因

2、素，并強調(diào)了空間電荷畸變自持放電的主要因素，并強調(diào)了空間電荷畸變電場的作用電場的作用 n通過大量的實驗研究（主要在電離室中進行的通過大量的實驗研究（主要在電離室中進行的）說明放電發(fā)展的機理）說明放電發(fā)展的機理 4電離室電離室電離室結(jié)構(gòu)示意圖 1照射火花間隙；2石英窗；3電極 4玻璃壁；5橡皮膜；6絕緣柱 研究放電時的電路圖N電離室；S火花間隙；L、L、K短路回路 5n電子崩階段電子崩階段 空間電荷畸變外電場空間電荷畸變外電場 n流注階段流注階段 光電離形成二次電子崩，等離子體光電離形成二次電子崩，等離子體 61. 1. 電子崩階段電子崩階段n電子崩外形電子崩外形：好似球頭的錐體，空間電荷分布極

3、不均勻 電子崩中的電子數(shù)： nex例如，正常大氣條件下，若E30kVcm，則 11cm-1，計算得隨著電子崩向陽極推進，崩頭中的電子數(shù)7n空間電荷畸變外電場空間電荷畸變外電場 大大加強了崩頭及崩尾的電場，削弱了崩頭內(nèi)正、負(fù)電荷區(qū)域之間的電場 電子崩頭部：電子崩頭部：電場明顯增強，有利于發(fā)生分子和離子的激勵現(xiàn)象，當(dāng)它們回復(fù)到正常狀態(tài)時，放射出光子崩頭內(nèi)部正、負(fù)電荷區(qū)域：崩頭內(nèi)部正、負(fù)電荷區(qū)域：電場大大削弱，有助于發(fā)生復(fù)合過程，發(fā)射出光子82. 2. 流注階段流注階段n當(dāng)電子崩走完整個間隙后，大密度的頭部空間電荷大大加強了后部的電場，并向周圍放射出大量光子n光子引起空間光電離，其中的光電子被主電子

4、崩頭部的正空間電荷所吸引，在受到畸變而加強了的電場中，造成了新的電子崩，稱為二次電子崩 光電離、二次崩光電離、二次崩1主電子崩 2二次電子崩3流注9正流注的形成正流注的形成n二次電子崩中的電子進入主電子崩頭部的正空間電荷區(qū)（電場強度較?。?，大多形成負(fù)離子。大量的正、負(fù)帶電質(zhì)點構(gòu)成了等離子體等離子體，這就是正流注正流注 n流注通道導(dǎo)電性良好，其頭部又是二次電子崩形成的正電荷，因此流注頭部前方出現(xiàn)了很強的電場 1主電子崩2二次電子崩3流注10正流注向陰極推進正流注向陰極推進n流注頭部的電離放射出大量光子，繼續(xù)引起空間光電離。流注前方出現(xiàn)新的二次電子崩，它們被吸引向流注頭部，延長了流注通道n流注不斷

5、向陰極報進，且隨著流注接近陰極，其頭部電場越來越強，因而其發(fā)展也越來越快n流注發(fā)展到陰極，間隙被導(dǎo)電良好的等離子通道所貫通，間隙的擊穿完成，這個電壓就是擊穿電壓 11在電離室中得到的初始電子崩照片圖a和圖b的時間間隔為110-7秒 p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/厘米 初始電子崩轉(zhuǎn)變?yōu)榱髯⑺查g照片p273毫米汞柱E=12千伏/厘米電子崩在空氣中的發(fā)展速度約為電子崩在空氣中的發(fā)展速度約為1.25 107cm/s12在電離室中得到的陽極流注發(fā)展過段的照片在電離室中得到的陽極流注發(fā)展過段的照片正流注的發(fā)展速度約為正流注的發(fā)展速度約為1 108 2 108cm/s13自持放電條件自持放電條件一旦

6、形成流注，放電就進入了新的階段，放一旦形成流注，放電就進入了新的階段，放電可以由本身產(chǎn)生的空間光電離而自行維持，電可以由本身產(chǎn)生的空間光電離而自行維持，即轉(zhuǎn)入自持放電了。如果電場均勻，間隙就將即轉(zhuǎn)入自持放電了。如果電場均勻，間隙就將被擊穿。所以流注形成的條件就是自持放電條被擊穿。所以流注形成的條件就是自持放電條件，在均勻電場中也就是導(dǎo)致?lián)舸┑臈l件件，在均勻電場中也就是導(dǎo)致?lián)舸┑臈l件143.3.流注理論對流注理論對pdpd很大時放電現(xiàn)象的解釋很大時放電現(xiàn)象的解釋 1放電外形放電外形 Pd很大時，放電具有通道形式很大時，放電具有通道形式 流注中電荷密度很大，電導(dǎo)很大，其中電場強度很小。流注中電荷密

7、度很大，電導(dǎo)很大，其中電場強度很小。因此流注出現(xiàn)后，對周圍空間內(nèi)的電場有屏蔽作用，因此流注出現(xiàn)后，對周圍空間內(nèi)的電場有屏蔽作用，并且隨著其向前發(fā)展而更為增強并且隨著其向前發(fā)展而更為增強當(dāng)某個流注由于偶然原因發(fā)展更快時，將抑制其它流注當(dāng)某個流注由于偶然原因發(fā)展更快時，將抑制其它流注的形成和發(fā)展，并且隨著流注向前推進而越來越強烈的形成和發(fā)展，并且隨著流注向前推進而越來越強烈二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統(tǒng)計性，所以火花二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統(tǒng)計性，所以火花通道常是曲折的，并帶有分枝。通道常是曲折的，并帶有分枝。電子崩則不然，由于其中電荷密度較小，故電場強度還電子崩則不然，由于其中電荷密

8、度較小，故電場強度還很大，因而不致影響到鄰近空間內(nèi)的電場，所以不會很大，因而不致影響到鄰近空間內(nèi)的電場，所以不會影響其它電子崩的發(fā)展，如圖影響其它電子崩的發(fā)展，如圖215所示。這就可以所示。這就可以說明，湯遜放電呈連續(xù)一片說明，湯遜放電呈連續(xù)一片 152放電時間放電時間 光子以光速傳播，所以流注發(fā)展速度極快，這就可以說明pd很大時放電時間特別短的現(xiàn)象。3陰極材料的影響陰極材料的影響 根據(jù)流注理論，維持放電自持的是空間光電離，而不是陰極表面的電離過程，這可說明為何很大Pd下?lián)舸╇妷汉完帢O材料基本無關(guān)了。16四、不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過四、不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程程間隙距離間隙距離d 在

9、很大范圍內(nèi)變動時，球間隙的工頻放電電壓的變動情在很大范圍內(nèi)變動時，球間隙的工頻放電電壓的變動情況況 1 擊穿電壓擊穿電壓2 電暈起始電壓電暈起始電壓3 刷狀放電電壓刷狀放電電壓4 過渡區(qū)域過渡區(qū)域d0 2D；d0 4D當(dāng)當(dāng)dd0時；電場已不均勻，當(dāng)電場還明顯低于擊穿電壓時，出現(xiàn)電暈時；電場已不均勻，當(dāng)電場還明顯低于擊穿電壓時，出現(xiàn)電暈 放電、刷狀放電放電、刷狀放電 ；d0和和d0 之間；過渡區(qū)域，放電過程不很穩(wěn)定，擊穿電壓分散性很大之間；過渡區(qū)域，放電過程不很穩(wěn)定，擊穿電壓分散性很大 當(dāng)當(dāng)dd0 時；電暈起始電壓己開始變得低于擊穿電壓了時；電暈起始電壓己開始變得低于擊穿電壓了 17根據(jù)電場均勻

10、程度和氣體狀態(tài)，可以出現(xiàn)不同情況根據(jù)電場均勻程度和氣體狀態(tài)，可以出現(xiàn)不同情況n電場比較均勻的情況電場比較均勻的情況 放電達到自持時，放電達到自持時， 在整個間隙中部巳達到相當(dāng)數(shù)值在整個間隙中部巳達到相當(dāng)數(shù)值。這時和均勻電場中情況類似。這時和均勻電場中情況類似 n電場不均勻程度增加但仍比較均勻的情況電場不均勻程度增加但仍比較均勻的情況 當(dāng)大曲率電極附近當(dāng)大曲率電極附近 達到足夠數(shù)值時，間隙中很大一達到足夠數(shù)值時，間隙中很大一部分區(qū)域部分區(qū)域 也都已達相當(dāng)數(shù)值，流注一經(jīng)產(chǎn)生，隨即發(fā)也都已達相當(dāng)數(shù)值，流注一經(jīng)產(chǎn)生，隨即發(fā)展至貫通整個間隙，導(dǎo)致間隙完全擊穿展至貫通整個間隙，導(dǎo)致間隙完全擊穿 n電場極不

11、均勻的情況電場極不均勻的情況 當(dāng)大曲率電極附近很小范圍內(nèi)當(dāng)大曲率電極附近很小范圍內(nèi) 已達相當(dāng)數(shù)值時，間隙已達相當(dāng)數(shù)值時，間隙中大部分區(qū)域值中大部分區(qū)域值 都仍然很小，放電達到自持放電后，都仍然很小，放電達到自持放電后，間隙沒有擊穿。電場越不均勻，擊穿電壓和電暈起始間隙沒有擊穿。電場越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓間的差別也越大電壓間的差別也越大 18引入電場不均勻系數(shù)引入電場不均勻系數(shù) f 表示各種結(jié)構(gòu)的電場的均勻程度表示各種結(jié)構(gòu)的電場的均勻程度 f4后，極不均勻電場后，極不均勻電場dUEEEfavavmax19特殊放電現(xiàn)象特殊放電現(xiàn)象電暈放電電暈放電n電暈放電現(xiàn)象電暈放電現(xiàn)象 電離區(qū)的放電過

12、程造成。咝咝的聲音，臭氧的氣味，電離區(qū)的放電過程造成。咝咝的聲音，臭氧的氣味，回路電流明顯增加回路電流明顯增加(絕對值仍很小絕對值仍很小)，可以測量到能量，可以測量到能量損失損失n脈沖現(xiàn)象脈沖現(xiàn)象 (a) 時間刻度T=125s(b) 0.7A電暈電流平均值(c) 2A電暈電流平均值20n電暈起始電壓和電暈起始場強電暈起始電壓和電暈起始場強 是一種自持放電形式，起始電壓在原理上可由自持放是一種自持放電形式，起始電壓在原理上可由自持放電條件求得電條件求得 n對工程實踐有重要意義對工程實踐有重要意義 不利影響不利影響 ：能量損失；放電脈沖引起的高頻電磁波干：能量損失；放電脈沖引起的高頻電磁波干 擾；

13、化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕作用等擾；化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕作用等 有利方面：電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅有利方面：電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅 值及陡度；利用電暈放電改善電場分布，值及陡度；利用電暈放電改善電場分布， 提高擊穿電壓提高擊穿電壓 ；利用電暈放電除塵等；利用電暈放電除塵等 21極不均勻電場中的放電過程（短間隙）極不均勻電場中的放電過程（短間隙）以棒板間隙為例以棒板間隙為例1. 非自持放電階段非自持放電階段n當(dāng)棒具有正極性時當(dāng)棒具有正極性時在棒極附近，積聚起正空間在棒極附近，積聚起正空間電荷，減少了緊貼棒極電荷，減少了緊貼棒極附近的電場，而略微加附近的電場，而略微加強了外部空間的

14、電場，強了外部空間的電場，棒極附近難以造成流注棒極附近難以造成流注，使得自持放電、即電，使得自持放電、即電暈放電難以形成暈放電難以形成 Eex外電場 Esp空間電荷的電場22n當(dāng)棒具有負(fù)極性時當(dāng)棒具有負(fù)極性時 電子崩中電子離開強電場區(qū)電子崩中電子離開強電場區(qū)后，不再引起電離，正離后，不再引起電離，正離子逐漸向棒極運動，在棒子逐漸向棒極運動，在棒極附近出現(xiàn)了比較集中的極附近出現(xiàn)了比較集中的正空間電荷，使電場畸變正空間電荷，使電場畸變棒極附近的電場得到增強，棒極附近的電場得到增強，因而自待放電條件就易于因而自待放電條件就易于得到滿足、易于轉(zhuǎn)入流注得到滿足、易于轉(zhuǎn)入流注而形成電暈放電而形成電暈放電

15、Eex外電場 Esp空間電荷的電場23極性效應(yīng)極性效應(yīng) 實驗表明：實驗表明： 棒棒板間隙中棒為正極性時電暈起始電壓比板間隙中棒為正極性時電暈起始電壓比負(fù)極性時略高負(fù)極性時略高242. 流注發(fā)展階段流注發(fā)展階段n當(dāng)棒具有正極性時當(dāng)棒具有正極性時流注等離子體頭部的正電荷減流注等離子體頭部的正電荷減少等離子體中的電場，而加少等離子體中的電場，而加強其頭部電場（曲線強其頭部電場（曲線2）電場加強的流注頭部前方產(chǎn)生電場加強的流注頭部前方產(chǎn)生新電子崩，其電子吸引入流新電子崩，其電子吸引入流注頭部正電荷區(qū)內(nèi)，加強并注頭部正電荷區(qū)內(nèi)，加強并延長流注通道，其尾部的正延長流注通道，其尾部的正離子構(gòu)成流注頭部的正電

16、荷離子構(gòu)成流注頭部的正電荷 流注及其頭部的正電荷使強電流注及其頭部的正電荷使強電場區(qū)更向前移（曲線場區(qū)更向前移（曲線3），促），促進流注通道進一步發(fā)展，逐進流注通道進一步發(fā)展，逐漸向陰極推進漸向陰極推進25n當(dāng)棒具有負(fù)極性時當(dāng)棒具有負(fù)極性時棒極的強電場區(qū)產(chǎn)生大量的電棒極的強電場區(qū)產(chǎn)生大量的電子崩，匯入圍繞棒極的正空子崩，匯入圍繞棒極的正空間電荷，等離子體層呈擴散間電荷，等離子體層呈擴散狀分布，削弱前方電場（曲狀分布，削弱前方電場（曲線線2）在相當(dāng)一段電壓升高的范圍內(nèi)在相當(dāng)一段電壓升高的范圍內(nèi)，電離只在棒極和等離子體，電離只在棒極和等離子體層外沿之間的空間內(nèi)發(fā)展層外沿之間的空間內(nèi)發(fā)展等離子體層前

17、方電場足夠強后等離子體層前方電場足夠強后，發(fā)展新電子崩，其正電荷，發(fā)展新電子崩，其正電荷加強等離子體層前沿的電場加強等離子體層前沿的電場，形成，形成了大量二次電子崩，二次電子崩，匯集起來后使得等離子體層匯集起來后使得等離子體層向陽極推進向陽極推進26極性效應(yīng)極性效應(yīng) 實驗表明：實驗表明： 棒棒板間隙中棒為負(fù)極性時擊穿電壓比正極板間隙中棒為負(fù)極性時擊穿電壓比正極性時高性時高27n外電壓較低時，流注通道深入間隙一段距外電壓較低時，流注通道深入間隙一段距離后，就停止不前了，形成電暈放電或刷離后，就停止不前了，形成電暈放電或刷狀放電狀放電n外電壓足夠高時，流注通道將一直達到另外電壓足夠高時，流注通道將

18、一直達到另一電極，從而導(dǎo)致間隙完全擊穿一電極，從而導(dǎo)致間隙完全擊穿 28極不均勻電場中的放電過程（長間隙）極不均勻電場中的放電過程（長間隙）n非自持放電階段非自持放電階段n流注發(fā)展階段流注發(fā)展階段n先導(dǎo)放電先導(dǎo)放電 熱電離過程熱電離過程n主放電階段主放電階段293 3先導(dǎo)放電先導(dǎo)放電 正棒正棒負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展（）先導(dǎo)和其頭部的流注；（）流注頭部電子崩的形成；（）先導(dǎo)和其頭部的流注；（）流注頭部電子崩的形成；（）由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)和形成流注；（）流注頭部電子崩的形成；（）由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)和形成流注；（）流注頭部電子崩的形成；（）沿著先導(dǎo)和空氣間隙電場強度的分布（）沿著先導(dǎo)和空氣間隙電場強度的分布 30流注根部流注根部溫度升高溫度升高熱電離熱電離過程過程先導(dǎo)先導(dǎo)通道通道電離加強，更為明亮電離加強，更為明亮電導(dǎo)增大電導(dǎo)增大軸向場強更低軸向場強更低發(fā)展速度更快發(fā)展速度更快長空氣間隙的平均擊穿場強遠低于短間隙長空氣間隙的平均擊穿場強遠低于短間隙 314 4主放電主放電當(dāng)先導(dǎo)通道頭部極為接近板當(dāng)先導(dǎo)通道頭部極為接近板極時，間隙場強可達極極時，間隙場強可達極大數(shù)值，引起強烈的電大數(shù)值，引起強烈的電離，間隙