氣體放電的基本物理過(guò)程

1、氣體放電的基本物理過(guò)程氣體放電氣體中流通電流的各種形式。正常狀態(tài)：優(yōu)良的絕緣體。在一個(gè)立方厘米體積內(nèi)僅含幾千個(gè)帶電粒子,但這些帶電粒子并不影響氣體的絕緣?？諝獾睦茫杭芸蛰旊娋€路個(gè)相導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與地線之間、導(dǎo)線與桿塔之間的絕緣；變壓器相間的絕緣等。 輸電線路以氣體作為絕緣材料 變壓器相間絕緣以氣體作為絕緣材料返回氣體絕緣的優(yōu)點(diǎn)：氣體絕緣的優(yōu)點(diǎn)：不存在老化問(wèn)題不存在老化問(wèn)題理論體系較完善理論體系較完善完全的絕緣自恢復(fù)特性完全的絕緣自恢復(fù)特性 在電氣設(shè)備中在電氣設(shè)備中: :外絕緣外絕緣: :一般由氣體介質(zhì)一般由氣體介質(zhì)( (空氣空氣) )和固體介質(zhì)和固體介質(zhì)( (絕緣子絕緣子) )聯(lián)合構(gòu)成聯(lián)合構(gòu)

2、成內(nèi)絕緣內(nèi)絕緣: :一般由固體介質(zhì)和液體介質(zhì)聯(lián)合構(gòu)成一般由固體介質(zhì)和液體介質(zhì)聯(lián)合構(gòu)成2.1 帶電粒子的產(chǎn)生與消失帶電粒子的產(chǎn)生與消失 氣體中電子與正離子的產(chǎn)生氣體中電子與正離子的產(chǎn)生 電離：電離： 電子脫離原子核電子脫離原子核 自由電子、正離子自由電子、正離子此過(guò)程需要能量此過(guò)程需要能量電離能電離能 Wi電離電位電離電位 Ui=Wi/e發(fā)生電離的條件？發(fā)生電離的條件？根據(jù)外界給予原子或分子的能量形式的不同，電離可分為熱電離、光電離和碰撞電離。此根據(jù)外界給予原子或分子的能量形式的不同，電離可分為熱電離、光電離和碰撞電離。此外，電離過(guò)程可以一次完成，也可以是先激勵(lì)再電離的分級(jí)電離方式。外，電離過(guò)程

3、可以一次完成，也可以是先激勵(lì)再電離的分級(jí)電離方式。外界能量（1）熱電離）熱電離32WkT波爾茨曼常數(shù)1.3810-23J/K 熱力學(xué)溫度 氣體分子的平均動(dòng)能與溫度的關(guān)系氣體分子的平均動(dòng)能與溫度的關(guān)系室溫下：氣體分子的平均動(dòng)室溫下：氣體分子的平均動(dòng)能能1010-2-2eV eV 數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)只有在電弧放電產(chǎn)生的高溫條只有在電弧放電產(chǎn)生的高溫條件下才會(huì)有明顯的熱電離件下才會(huì)有明顯的熱電離！熱游離實(shí)質(zhì)上并不是另外一種獨(dú)立的形式，實(shí)質(zhì)上仍熱游離實(shí)質(zhì)上并不是另外一種獨(dú)立的形式，實(shí)質(zhì)上仍是撞擊游離與光游離，只是其能量來(lái)源于氣體分子本是撞擊游離與光游離，只是其能量來(lái)源于氣體分子本身的熱能。身的熱能。產(chǎn)生熱游

4、離的條件：產(chǎn)生熱游離的條件：iWKT 23iW：氣體分子的電離能（2）光電離）光電離Wh普朗克常數(shù)6.6310-34Js 光輻射引起氣體分子的電離；光子能量光輻射引起氣體分子的電離；光子能量:hvWi 或或hc/Wi式中式中 光的波長(zhǎng)，光的波長(zhǎng)，m； c光速光速 Wi 氣體的電離能，氣體的電離能，eV。光電離條件：光電離條件：光電離在氣體介質(zhì)放電過(guò)程中很重要！光電離在氣體介質(zhì)放電過(guò)程中很重要！( (正負(fù)離正負(fù)離子的復(fù)合產(chǎn)生光子子的復(fù)合產(chǎn)生光子流注放電）流注放電）可見光不能使氣體直接發(fā)生光電離！可見光不能使氣體直接發(fā)生光電離！x,x,射線才能使其射線才能使其發(fā)生光電離。發(fā)生光電離。光的來(lái)源：自然

5、界、人為照射、光的來(lái)源：自然界、人為照射、氣體放電過(guò)程氣體放電過(guò)程v 為頻率為頻率 （3）碰撞電離）碰撞電離212imveExWiUxE條 件 ：帶電粒子在電場(chǎng)中獲得動(dòng)能帶電粒子在電場(chǎng)中獲得動(dòng)能:一個(gè)重要概念：自由行程一個(gè)重要概念：自由行程-兩次碰撞間質(zhì)點(diǎn)行經(jīng)的距離，兩次碰撞間質(zhì)點(diǎn)行經(jīng)的距離， 一般用一般用表示。平均自由行程用表示。平均自由行程用 表示。表示。 需要注意的兩點(diǎn)需要注意的兩點(diǎn)!碰撞電離是氣體放電過(guò)程中產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的最重要的方式。碰撞電離是氣體放電過(guò)程中產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的最重要的方式。碰撞電離主要是由電子引起的，離子引起的碰撞電離概率要比電子碰撞電離主要是由電子引起的，離子引起的碰撞電

6、離概率要比電子引起的小得多。引起的小得多。 原因有兩個(gè)，請(qǐng)同學(xué)們自己分析！原因有兩個(gè)，請(qǐng)同學(xué)們自己分析！1）電子自由行程大，在電場(chǎng)中獲得的能量大。）電子自由行程大，在電場(chǎng)中獲得的能量大。2）電子質(zhì)量比離子小的多，易產(chǎn)生彈性碰撞）電子質(zhì)量比離子小的多，易產(chǎn)生彈性碰撞,發(fā)生非電離碰撞發(fā)生非電離碰撞后幾乎不損失能量，更容易積累能量。后幾乎不損失能量，更容易積累能量。因此，在分析氣體放電發(fā)展時(shí)，只考慮電子引起的碰撞電離。因此，在分析氣體放電發(fā)展時(shí)，只考慮電子引起的碰撞電離。（4）分級(jí)電離）分級(jí)電離 原子中電子在外界因素的作用下可躍遷到能級(jí)較高的外層軌道，稱之為激勵(lì)，所需的能量稱為激勵(lì)能。 更高能級(jí)的外

7、層軌道更高能級(jí)的外層軌道一個(gè)概念一個(gè)概念-激勵(lì)激勵(lì)：原子中的電子原子中的電子外界因素外界因素躍遷躍遷激勵(lì)能激勵(lì)能WeWiWWe可能發(fā)生激勵(lì)的條件：可能發(fā)生激勵(lì)的條件：激勵(lì)態(tài)不穩(wěn)定：激勵(lì)態(tài)不穩(wěn)定：10-8s亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)：亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)：10-410-5s氣體電離能激勵(lì)能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6 若混合氣體中甲氣體的亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)能高于乙氣體的電離能，則會(huì)出現(xiàn)潘寧效應(yīng)，可使混合氣體的擊穿強(qiáng)度低于這兩種氣體各自的擊穿強(qiáng)度。 對(duì)絕緣不利，但可有其他應(yīng)用！對(duì)絕緣不利，但可有其他應(yīng)用！原子的激勵(lì)與電離的關(guān)系原子發(fā)生電離產(chǎn)生帶電粒子的兩種情況：

8、原子吸收了一定的能量，但能量不太高發(fā)生激勵(lì)，跳到更遠(yuǎn)的軌道再次吸收能量發(fā)生電離，產(chǎn)生帶電粒子原子吸收直接吸收了足夠的能量發(fā)生電離，產(chǎn)生帶電粒子原子的激勵(lì)過(guò)程不產(chǎn)生帶電粒子；原子的電離過(guò)程產(chǎn)生帶電粒子；激勵(lì)過(guò)程可能是電離過(guò)程的基礎(chǔ)。 激勵(lì)+電離 直接電離 電極表面電離電極表面電離電子從金屬電極（陰極）表面逸出的過(guò)程。電子從金屬電極（陰極）表面逸出的過(guò)程。逸出功逸出功電子從金屬表面逸出所需的能量。電子從金屬表面逸出所需的能量。金屬金屬逸出功逸出功 (eV)金屬金屬逸出功逸出功 (eV)金屬金屬逸出功逸出功 (eV)鋁鋁 (Al )銀銀 (Ag)1.83.1鐵鐵 (Fe)銅銅 (Cu)3.93.9氧

9、化銅氧化銅 (CuO)銫銫 (Cs)5.30.7 逸出功逸出功與表與表1-11-1相比較，可知金屬的逸出功比氣體分子的電離能小得多，表明金相比較，可知金屬的逸出功比氣體分子的電離能小得多，表明金屬表面電離比氣體空間電離更易發(fā)生。屬表面電離比氣體空間電離更易發(fā)生。 陰極表面電離在氣體放電過(guò)程中起著相當(dāng)重要的作用。陰極表面電離在氣體放電過(guò)程中起著相當(dāng)重要的作用。 電極表面的電子逸出電極表面的電子逸出 電極表面電離按外加能量形式的不同，可分為四種形式電極表面電離按外加能量形式的不同，可分為四種形式正離子碰撞陰極時(shí)把能量（主要是勢(shì)能）傳遞給金屬極板中的電子，使正離子碰撞陰極時(shí)把能量（主要是勢(shì)能）傳遞給

10、金屬極板中的電子，使其逸出金屬其逸出金屬正離子必須碰撞出一個(gè)以上電子時(shí)才能產(chǎn)生自由電子正離子必須碰撞出一個(gè)以上電子時(shí)才能產(chǎn)生自由電子逸出的電子有一個(gè)和正離子結(jié)合成為原子，其余成為自由電子逸出的電子有一個(gè)和正離子結(jié)合成為原子，其余成為自由電子。高能輻射先照射陰極時(shí)，會(huì)引起光電子發(fā)射，其條件是光子的能量應(yīng)大于高能輻射先照射陰極時(shí)，會(huì)引起光電子發(fā)射，其條件是光子的能量應(yīng)大于金屬的逸出功。金屬的逸出功。同樣的光輻射引起的電極表面電離要比引起空間光電離強(qiáng)烈得多同樣的光輻射引起的電極表面電離要比引起空間光電離強(qiáng)烈得多正離子撞擊陰極表面正離子撞擊陰極表面光電子發(fā)射（光電效應(yīng)）光電子發(fā)射（光電效應(yīng)）當(dāng)陰極被加

11、熱到很高溫度時(shí)，其中的電子獲得巨大動(dòng)能，逸出金屬當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時(shí)，其中的電子獲得巨大動(dòng)能，逸出金屬表面表面在許多電子器件中常利用加熱陰極來(lái)實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射。在許多電子器件中常利用加熱陰極來(lái)實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射。 當(dāng)陰極表面附近空間存在很強(qiáng)的電場(chǎng)時(shí)（當(dāng)陰極表面附近空間存在很強(qiáng)的電場(chǎng)時(shí)（106V/cm數(shù)量級(jí)），能數(shù)量級(jí)），能使陰極發(fā)射電子。使陰極發(fā)射電子。常態(tài)下作用氣隙擊穿完全不受影響；常態(tài)下作用氣隙擊穿完全不受影響；在高氣壓、壓縮的高強(qiáng)度氣體的擊穿過(guò)程中會(huì)起一定的作用；真空中在高氣壓、壓縮的高強(qiáng)度氣體的擊穿過(guò)程中會(huì)起一定的作用；真空中更起著決定性作用。更起著決定性作用。熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射（

12、冷發(fā)射）強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射（冷發(fā)射）自由電子碰撞中性的分子或原子可能產(chǎn)生的三種結(jié)果自由電子碰撞中性的分子或原子可能產(chǎn)生的三種結(jié)果電子碰撞中性的分子或原子電子碰撞中性的分子或原子發(fā)生電離發(fā)生電離產(chǎn)生自由電子產(chǎn)生自由電子情況一情況一電子碰撞中性的分子或原子電子碰撞中性的分子或原子能量不足，撞擊能量不足，撞擊后反彈回來(lái)后反彈回來(lái)未產(chǎn)生自由電子未產(chǎn)生自由電子情況二情況二電子碰撞中性的分子或原子電子碰撞中性的分子或原子沒(méi)發(fā)生電離，沒(méi)發(fā)生電離，也沒(méi)被反彈回也沒(méi)被反彈回來(lái)來(lái)被中性的分子捕捉，成為被中性的分子捕捉，成為自己的束縛電子自己的束縛電子情況三情況三形成了負(fù)離子形成了負(fù)離子 氣體中負(fù)離子的形成氣體中負(fù)離子的形成

13、 附著附著自由電子與氣體分子碰撞時(shí)，發(fā)生電子與中性分子相結(jié)合而自由電子與氣體分子碰撞時(shí)，發(fā)生電子與中性分子相結(jié)合而形成負(fù)離子的過(guò)程。形成負(fù)離子的過(guò)程。負(fù)離子形成過(guò)程的特點(diǎn)負(fù)離子形成過(guò)程的特點(diǎn) 形成負(fù)離子時(shí)可釋放出能量形成負(fù)離子時(shí)可釋放出能量, ,稱為電子親合能。電子親合能的大小可用來(lái)衡量原子捕獲一個(gè)電子的難易，越大則越易形成負(fù)離子。 有些氣體容易形成負(fù)離子，稱為電負(fù)性氣體（如氧、氟、氯等有些氣體容易形成負(fù)離子，稱為電負(fù)性氣體（如氧、氟、氯等），），SF6（絕緣性是空氣的（絕緣性是空氣的3倍，滅弧性是空氣的倍，滅弧性是空氣的100倍）倍）.電負(fù)性是元素的原子在化合物中吸引電子的能力的標(biāo)度。元素的

14、電負(fù)性越大，表示其原子在化合物中吸引電子的能力越強(qiáng)。 負(fù)離子的形成使自由電子數(shù)減少，因而對(duì)放電發(fā)展起抑制作用。SF6氣體含F(xiàn)，其分子俘獲電子的能力很強(qiáng)，屬?gòu)?qiáng)電負(fù)性氣體，因而具有很高的電氣強(qiáng)度?？諝庵械难鯕猓ㄈ酰?；空氣中的氧氣（弱）；GIS中的中的SF6（強(qiáng)）（強(qiáng)）SF6+eSF6-SF6+eSF5-+FSF6-在電子能量為在電子能量為0.050.1eV； SF5-在在0.10.3eV時(shí)最易形成。超過(guò)時(shí)最易形成。超過(guò)1eV很難形成負(fù)離子。很難形成負(fù)離子。帶電粒子的產(chǎn)生與消失是平衡的帶電粒子的產(chǎn)生與消失是平衡的！那么會(huì)有什么樣的逆過(guò)程呢？！那么會(huì)有什么樣的逆過(guò)程呢？帶電粒子在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下作定向運(yùn)動(dòng)

15、，在到達(dá)電極時(shí)，消失于帶電粒子在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下作定向運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)電極時(shí)，消失于電極上而形成外電路中的電流。電極上而形成外電路中的電流。帶電粒子因擴(kuò)散現(xiàn)象而逸出氣體放電空間。帶電粒子因擴(kuò)散現(xiàn)象而逸出氣體放電空間。擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)某一局部的帶電粒子從濃度比較高的區(qū)域，擴(kuò)散到濃度某一局部的帶電粒子從濃度比較高的區(qū)域，擴(kuò)散到濃度比較低的區(qū)域，使得原區(qū)域的帶電粒子數(shù)減少。比較低的區(qū)域，使得原區(qū)域的帶電粒子數(shù)減少。帶電粒子的擴(kuò)散是由于熱運(yùn)動(dòng)造成，帶電粒子的擴(kuò)散規(guī)律和氣體的擴(kuò)散規(guī)律帶電粒子的擴(kuò)散是由于熱運(yùn)動(dòng)造成，帶電粒子的擴(kuò)散規(guī)律和氣體的擴(kuò)散規(guī)律相似相似 氣體中帶電粒子的擴(kuò)散和氣體狀態(tài)有關(guān)，氣體壓力越高或

16、者溫度氣體中帶電粒子的擴(kuò)散和氣體狀態(tài)有關(guān)，氣體壓力越高或者溫度越低，擴(kuò)散過(guò)程也就越弱越低，擴(kuò)散過(guò)程也就越弱 電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運(yùn)動(dòng)速度高，它在熱運(yùn)動(dòng)中受到電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運(yùn)動(dòng)速度高，它在熱運(yùn)動(dòng)中受到的碰撞也少，因此，電子的擴(kuò)散過(guò)程比離子的要強(qiáng)的碰撞也少，因此，電子的擴(kuò)散過(guò)程比離子的要強(qiáng) 帶電質(zhì)點(diǎn)的消失帶電質(zhì)點(diǎn)的消失 帶電粒子的復(fù)合帶電粒子的復(fù)合 復(fù)合復(fù)合氣體中帶異號(hào)電荷的粒子相遇而發(fā)生電荷的傳遞與中和，氣體中帶異號(hào)電荷的粒子相遇而發(fā)生電荷的傳遞與中和，還原還原為分子的過(guò)程為分子的過(guò)程。（是與電離相反的一種過(guò)程）。（是與電離相反的一種過(guò)程） 電子復(fù)合電子復(fù)合電子和正

17、離子發(fā)生復(fù)合，產(chǎn)生一個(gè)中性分子電子和正離子發(fā)生復(fù)合，產(chǎn)生一個(gè)中性分子 離子復(fù)合離子復(fù)合正離子和負(fù)離子發(fā)生復(fù)合，產(chǎn)生兩個(gè)中性分子正離子和負(fù)離子發(fā)生復(fù)合，產(chǎn)生兩個(gè)中性分子 帶電粒子的復(fù)合過(guò)程中會(huì)發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下帶電粒子的復(fù)合過(guò)程中會(huì)發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又成為導(dǎo)致電離的因素又成為導(dǎo)致電離的因素 參與復(fù)合的粒子的相對(duì)速度越大，復(fù)合概率越小。通常放電參與復(fù)合的粒子的相對(duì)速度越大，復(fù)合概率越小。通常放電過(guò)程中離子間的復(fù)合更為重要過(guò)程中離子間的復(fù)合更為重要 帶電粒子濃度越大，復(fù)合速度越大，強(qiáng)烈的電離區(qū)也是強(qiáng)烈的復(fù)合區(qū)帶電粒子濃度越大，復(fù)合速度越大，強(qiáng)烈的電離區(qū)也是強(qiáng)烈的復(fù)合區(qū)

18、帶電粒子產(chǎn)生和消失的關(guān)系帶電粒子產(chǎn)生和消失的關(guān)系 帶電粒子產(chǎn)生和消失是同時(shí)發(fā)生的過(guò)程；帶電粒子產(chǎn)生和消失是同時(shí)發(fā)生的過(guò)程； 若產(chǎn)生的帶電粒子大于消失的帶電粒子，則會(huì)促進(jìn)氣體放電若產(chǎn)生的帶電粒子大于消失的帶電粒子，則會(huì)促進(jìn)氣體放電過(guò)程；過(guò)程； 若產(chǎn)生的帶電粒子等于消失的帶電粒子，則會(huì)促進(jìn)氣體就處若產(chǎn)生的帶電粒子等于消失的帶電粒子，則會(huì)促進(jìn)氣體就處于穩(wěn)定狀態(tài)；于穩(wěn)定狀態(tài)；若產(chǎn)生的帶電粒子小于消失的帶電粒子，則會(huì)阻礙氣體放電過(guò)程；若產(chǎn)生的帶電粒子小于消失的帶電粒子，則會(huì)阻礙氣體放電過(guò)程； 非自持放電非自持放電去掉外電離因素的作用后放電隨即停止；去掉外電離因素的作用后放電隨即停止； 自持放電自持放電不

19、需要外界因素，僅由電場(chǎng)作用而維持的放電過(guò)程。不需要外界因素，僅由電場(chǎng)作用而維持的放電過(guò)程。 非自持放電和自持放電的概念非自持放電和自持放電的概念 非自持放電和自持放電的非自持放電和自持放電的過(guò)程過(guò)程測(cè)定氣體間隙中電流變化的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定氣體間隙中電流變化的實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)調(diào)節(jié)電阻，測(cè)量回路電流隨電壓變化通過(guò)調(diào)節(jié)電阻，測(cè)量回路電流隨電壓變化的情況的情況氣體間隙中電流的變化反映放電過(guò)程氣體間隙中電流的變化反映放電過(guò)程2.2 放電的電子崩階段放電的電子崩階段 非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn)非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn) 加電場(chǎng)前，外電離因素（光照射）在極板間加電場(chǎng)前，外電離因素（光照射）在極板間產(chǎn)生帶電粒

20、子，但帶電粒子制作雜亂無(wú)章的產(chǎn)生帶電粒子，但帶電粒子制作雜亂無(wú)章的熱運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生電流；熱運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生電流；加電場(chǎng)后，帶電粒子沿電場(chǎng)方向定向移動(dòng)，形加電場(chǎng)后，帶電粒子沿電場(chǎng)方向定向移動(dòng)，形成電流。隨著電壓升高，帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度加成電流。隨著電壓升高，帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度加快，使到達(dá)快，使到達(dá)極板的極板的帶電粒子數(shù)量和速度不斷帶電粒子數(shù)量和速度不斷增大，電流也隨之增大。增大，電流也隨之增大。oa段段 隨著電壓升高，電流增大，到達(dá)極隨著電壓升高，電流增大，到達(dá)極板的帶電粒子數(shù)量和速度也隨之增板的帶電粒子數(shù)量和速度也隨之增大。大。均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電

21、壓變化的分析均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析I0UaUbUcUI均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性ab段段 電流趨于飽和，由外電離因素產(chǎn)電流趨于飽和，由外電離因素產(chǎn)生的帶電粒子已全部進(jìn)入電極，生的帶電粒子已全部進(jìn)入電極，電流電流I0大小取決于外電離因素與電大小取決于外電離因素與電壓無(wú)關(guān)。壓無(wú)關(guān)。 外電離因素（光照射）的強(qiáng)度一外電離因素（光照射）的強(qiáng)度一定的情況下，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的定的情況下，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的帶電粒子數(shù)量是一定的，由此產(chǎn)帶電粒子數(shù)量是一定的，由此產(chǎn)生的電流也是一定。生的電流也是一定。I0飽和電流。飽和電流。I0UaUbUcUI均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變

22、化的分析均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性bc段段 電流又再隨電壓的增大而增大。發(fā)生電流又再隨電壓的增大而增大。發(fā)生電子碰撞電離。電子碰撞電離。I0UaUbUcUI電壓升高電壓升高氣體間的帶電粒子氣體間的帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度加快運(yùn)動(dòng)速度加快帶電粒子能量（帶電粒子能量（動(dòng)能）增加動(dòng)能）增加當(dāng)能量大于極板間空氣當(dāng)能量大于極板間空氣中原子的電離能中原子的電離能電子碰撞電離，產(chǎn)生電子碰撞電離，產(chǎn)生大量帶電粒子大量帶電粒子電流急速增電流急速增加加均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性均勻電

23、場(chǎng)中氣體的伏安特性c點(diǎn)點(diǎn) U=Uc，電流急劇增大。氣體間隙被，電流急劇增大。氣體間隙被擊穿進(jìn)入導(dǎo)電狀態(tài)（自持放電），擊穿進(jìn)入導(dǎo)電狀態(tài)（自持放電），不再需要任何外界因素（光照射、不再需要任何外界因素（光照射、外加電源）。外加電源）。 c點(diǎn)處的臨界電壓點(diǎn)處的臨界電壓Uc就是擊穿電就是擊穿電壓壓Ub，當(dāng)電壓達(dá)到，當(dāng)電壓達(dá)到Uc后氣體即被擊后氣體即被擊穿，由原來(lái)的絕緣體變成了導(dǎo)體。穿，由原來(lái)的絕緣體變成了導(dǎo)體。I0UaUbUcUI均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析自持放電起始電壓2.2 放電的電子崩階段放電的電子崩階段 非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn)非自持

24、放電和自持放電的不同特點(diǎn) 電流隨外施電壓的提高而增大，因?yàn)閹щ娰|(zhì)點(diǎn)向電極運(yùn)動(dòng)的速度加快復(fù)合率減小 電流飽和，帶電質(zhì)點(diǎn)全部進(jìn)入電極，電流僅取決于外電離因素的強(qiáng)弱（良好的絕緣狀態(tài)） 電流開始增大，由于電子碰撞電離引起的 電流急劇上升放電過(guò)程進(jìn)入了一個(gè)新的階段（擊穿） 外施電壓小于Uo時(shí)的放電是非自持放電。電壓到達(dá)U0后，電流劇增，間隙中電離過(guò)程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素。 自持放電起始電壓什么是電子崩？不僅僅什么是電子崩？不僅僅是一個(gè)概念！是一個(gè)概念！由一個(gè)電子通過(guò)碰撞由一個(gè)電子通過(guò)碰撞電離引起的劇增的電電離引起的劇增的電子流稱為電子崩。子流稱為電子崩。 電子崩的形成（電子崩的形成（

25、BC段電流劇增原因）段電流劇增原因） 過(guò)程（電子崩過(guò)程） 電子崩的形成過(guò)程 由外電離因素產(chǎn)生一個(gè)初始電子電子數(shù)目迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣，形成了電子崩產(chǎn)生正離子和自由電子原來(lái)的電子和新產(chǎn)生的電子繼續(xù)移動(dòng)，不斷發(fā)生電子碰撞電離電場(chǎng)力作用下，電子沿電場(chǎng)做定向移動(dòng)與中性粒子發(fā)生電子碰撞中性粒子發(fā)生電離返回電子崩的形狀：“崩頭大、崩尾小。”電子發(fā)生電子碰撞后，電子的速度快，所以會(huì)大量的集中在崩頭；正離子移動(dòng)速度較慢，所以緩慢的移向崩尾。電子崩電子數(shù)按幾何級(jí)數(shù)不斷增多，像雪崩似的發(fā)展。從而形成的急劇增大的空間電子流。崩頭崩尾返回一個(gè)重要的概念！一個(gè)重要的概念！碰撞電離碰撞電離系系 數(shù)數(shù)一個(gè)電子沿

26、電力線方向行經(jīng)一個(gè)電子沿電力線方向行經(jīng)1cm1cm時(shí)平均發(fā)生的碰撞電離次時(shí)平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)，一般用數(shù)，一般用表示表示！問(wèn)題問(wèn)題：若平均自由行程：若平均自由行程為為 ，碰撞電離概率為，碰撞電離概率為p, 怎么求怎么求？電子碰撞電離系數(shù)表示一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)1cm 的行程中所完成的碰撞電離次數(shù)平均值。即是一個(gè)電子在單位長(zhǎng)度行程內(nèi)新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù)。注意： 必須是電子發(fā)生碰撞且電離的次數(shù)，若電子只發(fā)生了碰撞沒(méi)有導(dǎo)致電離則不能計(jì)入中。的定義假設(shè)電子的平均自由行程為e，運(yùn)動(dòng)1cm碰撞次數(shù)為1/e ，但并不是每次碰撞都引起電離；碰撞引起電離的概率為 ，xi 為電子造成碰撞電離而必須飛躍的

27、最小距離。iex-eddnnx0d0exxnnddnxn0ednn00(e1)dnnnn 電子碰撞電離系數(shù)電子碰撞電離系數(shù)：代表一個(gè)電子沿電力線方向行經(jīng)1cm時(shí)平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。 0exnnnad令x=d，進(jìn)入陽(yáng)極的電流（外回路電流）若I0=0，則I=0，既若去掉外界電離因素，氣隙中電流為0，氣體放電停止。過(guò)程的分析（電子崩的計(jì)算）途中新增的電子數(shù)或正離子數(shù)n()a001dnnnn e 電子電流增長(zhǎng)規(guī)律 將式 兩邊乘以電子電荷qe式中：I0初始電子引起的初始電流0 xnn e0 xII e0dx=dII e結(jié)論：若只有過(guò)程，氣體放電是不能自持的。dxxn0nn0為為x x=0處電子個(gè)數(shù)，

28、行經(jīng)處電子個(gè)數(shù)，行經(jīng)x后還剩下后還剩下n個(gè)電子未發(fā)生過(guò)碰撞個(gè)電子未發(fā)生過(guò)碰撞。dn為在為在x x與與x+d+dx這一距離中發(fā)生碰撞的電子數(shù)這一距離中發(fā)生碰撞的電子數(shù)dndxndn/0 xenn表示行經(jīng)表示行經(jīng)x時(shí)還沒(méi)有發(fā)生碰撞的電子的個(gè)數(shù)時(shí)還沒(méi)有發(fā)生碰撞的電子的個(gè)數(shù)，即自由行程大于，即自由行程大于x的電子個(gè)數(shù)。那么對(duì)于的電子個(gè)數(shù)。那么對(duì)于1個(gè)電子而言個(gè)電子而言 就是表示為自由行程大于就是表示為自由行程大于x的的概率！概率！ /xe 影響碰撞電離的因素影響碰撞電離的因素假設(shè)電子的平均自由行程為e，運(yùn)動(dòng)1cm碰撞次數(shù)為1/e ，但并不是每次碰撞都引起電離；碰撞引起電離的條件是？碰撞引起電離的條件是

29、？EUxi/EUiep/那么行經(jīng)距離大于那么行經(jīng)距離大于Ui/E的概率為？的概率為？因此：因此：EUie/1212imveExWiUxE條 件 ：因此碰撞電離概率為？因此碰撞電離概率為？根據(jù)定義有：式中：A、B與氣體種類有關(guān)的常數(shù)； E電場(chǎng)強(qiáng)度； P氣體壓力。BPEAPe ee,11 iiiieeixuuTBPxEEPEAP AuBeeeeAPe 1 1當(dāng)當(dāng)氣氣溫溫不不變變時(shí)時(shí)， 影響碰撞電離的因素影響碰撞電離的因素i1eUE1cm長(zhǎng)度內(nèi)一個(gè)電子的平均碰撞次數(shù)為1/ ：電子平均自由行程碰撞引起電離的概率碰撞電離的條件i/xUE由式 ， 可得結(jié)論： BPEAPe 電場(chǎng)強(qiáng)度E增大，則增大；氣體壓力

30、P很大（電子的平均自由行程e很?。┗蛘邭怏w壓力P很?。娮拥钠骄杂尚谐蘣很大）時(shí)，值都很小。 既在高氣壓或高真空的條件下，氣體間隙不易發(fā)生放電現(xiàn)象，具有較高的電氣強(qiáng)度。返回2.3 2.3 自持放電條件自持放電條件電子崩過(guò)程不是自持放電！電子崩過(guò)程不是自持放電！自持放電的條件是自持放電的條件是：在氣隙內(nèi)初始電子崩消失前產(chǎn)生新的電子來(lái)取代外電離因素產(chǎn)生的初始電子！-即二次電離。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明二次電子產(chǎn)生機(jī)制與氣壓和氣隙長(zhǎng)度的乘積Pd有關(guān)！ pd值較小時(shí)的情況值較小時(shí)的情況1. 1. 湯遜自持放電判據(jù)湯遜自持放電判據(jù) 湯遜機(jī)理認(rèn)為二次電子的來(lái)源是正離子撞擊陰湯遜機(jī)理認(rèn)為二次電子的來(lái)源是正離子撞擊陰極

31、，使陰極表面發(fā)生電子逸出。極，使陰極表面發(fā)生電子逸出。外界電離因子外界電離因子陰極表面電離陰極表面電離氣體空間電離氣體空間電離氣體中的氣體中的自由電子自由電子在電場(chǎng)中加速在電場(chǎng)中加速碰撞電離碰撞電離 電子崩電子崩（）過(guò)程）過(guò)程陰極表面陰極表面二次發(fā)射二次發(fā)射 (過(guò)程）過(guò)程）正離子正離子圖圖 2-1 低氣壓、短氣隙情況下氣體的放電過(guò)程低氣壓、短氣隙情況下氣體的放電過(guò)程 自持放電條件圖解分析自持放電條件圖解分析因此均勻場(chǎng)中自持放因此均勻場(chǎng)中自持放電的條件為：電的條件為：1) 1(de1ln1ded2. 氣體擊穿的巴申定律氣體擊穿的巴申定律 巴申定律是通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出巴申定律是通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的規(guī)律，比

32、湯遜放電機(jī)理提的規(guī)律，比湯遜放電機(jī)理提出的要早！出的要早！本質(zhì)就是間隙擊穿電壓是氣本質(zhì)就是間隙擊穿電壓是氣壓與間隙長(zhǎng)度乘積的函數(shù)壓與間隙長(zhǎng)度乘積的函數(shù)：Ub=f(pd)3.氣體密度對(duì)擊穿的影響氣體密度對(duì)擊穿的影響TPTPPTdFUssb9 . 2)(1de電子崩中正離子數(shù)為：電子崩中正離子數(shù)為：1.假設(shè)假設(shè)d保持不變，保持不變， 當(dāng)當(dāng)p很大時(shí)，電子的平均自由行程縮短了，相鄰兩次碰撞之間很大時(shí)，電子的平均自由行程縮短了，相鄰兩次碰撞之間電子積聚到足夠動(dòng)能的幾率減小了，故電子積聚到足夠動(dòng)能的幾率減小了，故 Ub 必然增大。必然增大。當(dāng)當(dāng)p很小時(shí)，電子在碰撞前積聚到足夠動(dòng)能的幾率雖然增大了，但氣很小

33、時(shí)，電子在碰撞前積聚到足夠動(dòng)能的幾率雖然增大了，但氣體很稀薄，電子在走完全程中與氣體分子相撞的總次數(shù)卻減到很小體很稀薄，電子在走完全程中與氣體分子相撞的總次數(shù)卻減到很小 ，所，所以以 Ub也會(huì)增大。也會(huì)增大。應(yīng)用：采用高真空和高氣壓可提高間隙的擊穿電壓。應(yīng)用：采用高真空和高氣壓可提高間隙的擊穿電壓。巴申曲線的解釋：巴申曲線的解釋：真空滅弧室GIS 站1、放電外形放電外形 根據(jù)湯遜理論，氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展根據(jù)湯遜理論，氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展.低氣壓低氣壓下氣體放電發(fā)光區(qū)確實(shí)占據(jù)了整個(gè)電極空間，如輝光放電。但大氣壓力下氣體放電發(fā)光區(qū)確實(shí)占據(jù)了整個(gè)電極空間，如輝光放電

34、。但大氣壓力下氣體擊穿時(shí)出現(xiàn)的卻是下氣體擊穿時(shí)出現(xiàn)的卻是帶有分枝的明亮細(xì)通道帶有分枝的明亮細(xì)通道。2、放電時(shí)間放電時(shí)間 根據(jù)湯遜理論，間隙完成擊穿，需要好幾次這樣的循環(huán)根據(jù)湯遜理論，間隙完成擊穿，需要好幾次這樣的循環(huán):形成電形成電子崩，崩中正離子到達(dá)陰極造成二次電子，這些電子重又形成更多的電子崩，崩中正離子到達(dá)陰極造成二次電子，這些電子重又形成更多的電子崩。由正離子的遷移率可以計(jì)算出完成擊穿所需的時(shí)間，即所謂放電子崩。由正離子的遷移率可以計(jì)算出完成擊穿所需的時(shí)間，即所謂放電時(shí)間。這樣計(jì)算得到的放電時(shí)間和低氣壓下的放電時(shí)間比較一致，時(shí)間。這樣計(jì)算得到的放電時(shí)間和低氣壓下的放電時(shí)間比較一致，但比但

35、比火花放電時(shí)的放電時(shí)間實(shí)側(cè)值要大得多?；鸹ǚ烹姇r(shí)的放電時(shí)間實(shí)側(cè)值要大得多。湯遜放電理論的適用范圍湯遜放電理論的適用范圍 低氣壓、低氣壓、 短間隙的電場(chǎng)中短間隙的電場(chǎng)中湯遜放電理論不能解釋的放電現(xiàn)象湯遜放電理論不能解釋的放電現(xiàn)象 3、擊穿電壓擊穿電壓 pd值較小時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)南轮?，根?jù)湯遜自持放電條件求得的擊穿值較小時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)南轮?，根?jù)湯遜自持放電條件求得的擊穿壓和實(shí)驗(yàn)值比較一致。壓和實(shí)驗(yàn)值比較一致。 pd值很大時(shí)，如仍采用原來(lái)的值很大時(shí)，如仍采用原來(lái)的 值，值，則擊穿電壓計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值則擊穿電壓計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值將有很大出入將有很大出入。4、陰極材料的影響陰極材料的影響 根據(jù)湯遜理論，陰極材料

36、的性質(zhì)在擊穿過(guò)程中應(yīng)起一定作用。實(shí)根據(jù)湯遜理論，陰極材料的性質(zhì)在擊穿過(guò)程中應(yīng)起一定作用。實(shí)驗(yàn)表明，低氣壓下陰極材料對(duì)擊穿電壓有一定影響，驗(yàn)表明，低氣壓下陰極材料對(duì)擊穿電壓有一定影響，但大氣壓力下但大氣壓力下空氣中實(shí)測(cè)得到的擊穿電壓卻和陰極材料無(wú)關(guān)空氣中實(shí)測(cè)得到的擊穿電壓卻和陰極材料無(wú)關(guān)。以自然界的雷電以自然界的雷電為例，它發(fā)生在兩塊雷云之間或雷云與大地之間，這時(shí)不存在金屬為例，它發(fā)生在兩塊雷云之間或雷云與大地之間，這時(shí)不存在金屬陰極陰極 。湯遜放電理論不能解釋的放電現(xiàn)象湯遜放電理論不能解釋的放電現(xiàn)象 基于以上的原因提出了流注放電理論基于以上的原因提出了流注放電理論。 2.3.2 pd值較大時(shí)的

37、情況值較大時(shí)的情況特點(diǎn)：特點(diǎn)：由電子崩形成由電子崩形成-會(huì)產(chǎn)生電離特會(huì)產(chǎn)生電離特強(qiáng)，發(fā)展速度更快的新放電區(qū)：流注放強(qiáng)，發(fā)展速度更快的新放電區(qū)：流注放電；快一個(gè)數(shù)量級(jí)；有分支電；快一個(gè)數(shù)量級(jí)；有分支形成條件：空間電荷到達(dá)一定數(shù)量引起電形成條件：空間電荷到達(dá)一定數(shù)量引起電場(chǎng)畸變；復(fù)合產(chǎn)生光電離場(chǎng)畸變；復(fù)合產(chǎn)生光電離流注理論中的電子崩過(guò)程 電子崩外形x-+電子崩外形 好似球頭的錐體，空間電荷分布極不均勻，電子崩中的電子數(shù)：nexx(cm)0.20.30.40.50.60.70.80.91.0n92781245735220866341993059874例如，正常大氣條件下，若E30kVcm，則11cm

38、-1，計(jì)算隨著電子崩向陽(yáng)極推進(jìn)，崩頭中的電子數(shù)電子崩中空間電荷的濃度分布 返回空間電荷對(duì)原有電場(chǎng)的影響-+xx空間電荷的電場(chǎng) 合成電場(chǎng) 電子崩 均勻電場(chǎng)E0電子崩頭部 電場(chǎng)明顯增強(qiáng)，電離過(guò)程強(qiáng)烈，有利于發(fā)生分子和離子的激勵(lì)現(xiàn)象，當(dāng)它們回復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，發(fā)射出光子。崩頭內(nèi)部正負(fù)電荷區(qū)域 電場(chǎng)大大削弱，但電子和正離子濃度卻是最大，有助于發(fā)生復(fù)合過(guò)程，發(fā)射出光子。大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾的電場(chǎng)，削弱了崩頭內(nèi)正、負(fù)電荷區(qū)域之間的電場(chǎng) 流注的形成流注的形成流注流注電離強(qiáng)度和發(fā)展速度遠(yuǎn)大于電離強(qiáng)度和發(fā)展速度遠(yuǎn)大于初始電子崩的新放電區(qū)（二次電子崩初始電子崩的新放電區(qū)（二次電子崩）以及它們不斷匯入初崩通道的過(guò)程）

39、以及它們不斷匯入初崩通道的過(guò)程。 1 1：主電子崩：主電子崩 2 2：二次電子崩：二次電子崩 二次電子崩的形成二次電子崩的形成主崩走完整個(gè)間隙后，大密度的頭部正離子主崩走完整個(gè)間隙后，大密度的頭部正離子空間電荷大大加強(qiáng)了后部的電場(chǎng)，并向周圍空間電荷大大加強(qiáng)了后部的電場(chǎng)，并向周圍放射出大量光子放射出大量光子光子引起空間光電離，其中電子被主電子崩光子引起空間光電離，其中電子被主電子崩頭部的正空間電荷所吸引，在畸變而加強(qiáng)了頭部的正空間電荷所吸引，在畸變而加強(qiáng)了的電場(chǎng)中，造成了新的電子崩，稱為二次電的電場(chǎng)中，造成了新的電子崩，稱為二次電子崩子崩光子光子 正流注正流注 條件：當(dāng)外加電壓擊穿電壓條件：當(dāng)外

40、加電壓擊穿電壓二次電子崩中的電子進(jìn)入主電子二次電子崩中的電子進(jìn)入主電子崩頭部的正空間電荷區(qū)（電場(chǎng)強(qiáng)崩頭部的正空間電荷區(qū)（電場(chǎng)強(qiáng)度較?。蠖嘈纬韶?fù)離子。大度較?。?，大多形成負(fù)離子。大量的正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成了等離量的正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成了等離子體，這就是正流注子體，這就是正流注 正流注體的形成正流注體的形成1 1：主電子崩主電子崩； 2 2：二次電子崩二次電子崩； 3 3：流注流注流注通道導(dǎo)電性良好，其頭部又流注通道導(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(qiáng)的電此流注頭部前方出現(xiàn)了很強(qiáng)的電場(chǎng)場(chǎng) 正流注向陰極推進(jìn)正流注向陰極推進(jìn)流注頭部的電離

41、，放射出大量光子，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)繼續(xù)引起空間光電離。流注前方出現(xiàn)新的二次電子崩，它們被吸引向流注新的二次電子崩，它們被吸引向流注頭部，延長(zhǎng)了流注通道頭部，延長(zhǎng)了流注通道流注不斷向陰極挺進(jìn)，且隨著流注接近流注不斷向陰極挺進(jìn)，且隨著流注接近陰極，其頭部電場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)，因而其發(fā)陰極，其頭部電場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)，因而其發(fā)展也越來(lái)越快展也越來(lái)越快 流注發(fā)展到陰極，間隙被導(dǎo)電良流注發(fā)展到陰極，間隙被導(dǎo)電良好的等離子通道所貫通，間隙的好的等離子通道所貫通，間隙的擊穿完成，這個(gè)電壓就是擊穿電擊穿完成，這個(gè)電壓就是擊穿電壓壓 負(fù)流注負(fù)流注1 1：主電子崩主電子崩； 2 2

42、：二次電子崩二次電子崩； 3 3：流注流注 條件：當(dāng)外加電壓擊穿電壓條件：當(dāng)外加電壓擊穿電壓電壓較低時(shí)，電子崩需經(jīng)過(guò)整個(gè)間隙才能電壓較低時(shí)，電子崩需經(jīng)過(guò)整個(gè)間隙才能積聚到足夠的電子數(shù)形成流注；電壓較高積聚到足夠的電子數(shù)形成流注；電壓較高時(shí)，電子崩不需經(jīng)過(guò)整個(gè)間隙，其頭部電時(shí)，電子崩不需經(jīng)過(guò)整個(gè)間隙，其頭部電離程度已足以形成流注離程度已足以形成流注主電子崩頭部的電離很強(qiáng)烈，光子射到主電子崩頭部的電離很強(qiáng)烈，光子射到主崩前方，在前方產(chǎn)生新的電子崩，主主崩前方，在前方產(chǎn)生新的電子崩，主崩頭部的電子和二次崩尾的正離子形成崩頭部的電子和二次崩尾的正離子形成混合通道，形成向陽(yáng)極推進(jìn)的流注，稱混合通道，形成

43、向陽(yáng)極推進(jìn)的流注，稱為負(fù)流注為負(fù)流注間隙中的正、負(fù)流注可以同時(shí)向兩極發(fā)展間隙中的正、負(fù)流注可以同時(shí)向兩極發(fā)展。試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果：電子崩試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果：電子崩在電離室中得到的初始電子崩照片在電離室中得到的初始電子崩照片圖圖a a和圖和圖b b的時(shí)間間隔為的時(shí)間間隔為110-7秒秒初始電子崩轉(zhuǎn)變?yōu)槌跏茧娮颖擂D(zhuǎn)變?yōu)榱髯⑺查g照片流注瞬間照片 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1.25107cm/s試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果：正流注試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果：正流注在電離室中得到的陽(yáng)極流注發(fā)展過(guò)程的照片在電離室中得到的陽(yáng)極流注發(fā)展過(guò)程的照片正流注的發(fā)展速度約為正流注的發(fā)展速度約為11082108cm/s流注自持放電

44、條件流注自持放電條件就是流注形成條件就是流注形成條件-空間電荷達(dá)到一定數(shù)量，即空間電荷達(dá)到一定數(shù)量，即常數(shù)de5 .10:206dSFd空氣：以湯遜放電條件的形式來(lái)表達(dá)：以湯遜放電條件的形式來(lái)表達(dá)：1ln1ded或湯遜放電理論與流注放電理論的比較：湯遜放電理論與流注放電理論的比較： 流注理論可以解釋湯遜理論無(wú)法說(shuō)明的pd值大時(shí)的放電現(xiàn)象。如放電為何并不充滿整個(gè)電極空間而是細(xì)通道形式，且有時(shí)火花通道呈曲折形，又如放電時(shí)延為什么遠(yuǎn)小于離子穿越極間距離的時(shí)間，再如為何擊穿電壓與陰極材料無(wú)關(guān)。 兩種理論各適用于一定條件的放電過(guò)程，不能用一種理論取代另一種理論。流注理論擊穿過(guò)程的總結(jié)由陽(yáng)極向陰極(正流注

45、)或由陰極向陽(yáng)極(負(fù)流注)擊穿強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)生碰撞電離畸變電場(chǎng)發(fā)射光子流注高速的向電極挺進(jìn)電子崩氣隙間有效電子形成等離子通道（流注）產(chǎn)生新電子崩（二次崩）二次崩不斷匯入主崩返回流注理論對(duì)pd 較大時(shí)放電現(xiàn)象的解釋 放電外形現(xiàn)象： pd 較大時(shí)，放電不均勻，有分支，有細(xì)小的通道解釋：二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統(tǒng)計(jì)性，所以火花通道常是曲折的，并帶有分枝 放電時(shí)間現(xiàn)象： 放電時(shí)間極短解釋：光子以光速傳播，所以流注發(fā)展速度極快，這就可以說(shuō)明pd很大時(shí)放電時(shí)間特別短的現(xiàn)象 陰極材料的影響現(xiàn)象： 放電與陰極材料無(wú)關(guān)解釋： pd很大時(shí)，維持放電自持的是空間光電離，而不是陰極表面的電離過(guò)程返回電負(fù)性氣體

46、的情況電負(fù)性氣體的情況 對(duì)強(qiáng)電負(fù)性氣體，除考慮和過(guò)程外，還應(yīng)考慮過(guò)程（電子附著過(guò)程）。的定義與相似，即一個(gè)電子沿電力線方向行經(jīng)1 cm時(shí)平均發(fā)生的電子附著次數(shù)?？梢娫陔娯?fù)性氣體中有效的碰撞電離系數(shù)為 。()0ednn ()dK對(duì)于均勻場(chǎng)： ()dxK對(duì)于非均勻場(chǎng)： 由于強(qiáng)電負(fù)性氣體中 ，所以其自持放電場(chǎng)強(qiáng)比非電負(fù)性氣體高得多。以SF6氣體為例，在101.3kPa，20的條件下，均勻電場(chǎng)中擊穿場(chǎng)強(qiáng)為Eb89kV/cm，約為同樣條件的空氣間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的3倍。 K K：電子崩中電子的臨界值取對(duì)數(shù)，對(duì)于：電子崩中電子的臨界值取對(duì)數(shù)，對(duì)于SFSF6 6，K=10.5K=10.5。 BPEAPe 氣體放

47、電現(xiàn)象與規(guī)律因氣體的種類、氣壓、和間隙中電場(chǎng)的均勻度而異。2.4 不均勻電場(chǎng)中氣體放電的特點(diǎn)不均勻電場(chǎng)中氣體放電的特點(diǎn)64 均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)放電達(dá)到自持，間隙立即被擊穿，擊穿前看不到放電跡象放電達(dá)到自持，間隙立即被擊穿，擊穿前看不到放電跡象平板電極平板電極 稍不均勻電場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng)放電特性與均勻電場(chǎng)相似，一旦出現(xiàn)自持放電便一定立即導(dǎo)致整個(gè)氣隙擊穿，擊穿放電特性與均勻電場(chǎng)相似，一旦出現(xiàn)自持放電便一定立即導(dǎo)致整個(gè)氣隙擊穿，擊穿電壓取決于極間距離。電壓取決于極間距離。測(cè)高電壓的球隙測(cè)高電壓的球隙 極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)特有的兩大特征特有的兩大特征電暈放電：電暈放電：極不均勻電場(chǎng)所特有的一種自持放電

48、形式；極不均勻電場(chǎng)所特有的一種自持放電形式；極性效應(yīng)：放電過(guò)程與電極的極性有關(guān)；極性效應(yīng)：放電過(guò)程與電極的極性有關(guān)；典型的極不均電場(chǎng)典型的極不均電場(chǎng)棒棒棒（針棒（針針）：針）：棒棒板（針板（針板）：板）：稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的放電特點(diǎn)稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的放電特點(diǎn)曲率半徑小的曲率半徑小的發(fā)生的發(fā)生的放電。放電。極不均勻場(chǎng)的一種特極不均勻場(chǎng)的一種特有的自持放電形式。有的自持放電形式。66d2D，電場(chǎng)較均勻，其放電特性與均勻電場(chǎng)相似，一旦出現(xiàn)自持放電，立即導(dǎo)致整個(gè)氣隙擊穿，擊穿電壓取決于極間距離。d4D，電場(chǎng)分布極不均勻，電壓增加到某一臨界值，存在電暈放電。外加電壓進(jìn)一步增大，表面電暈

49、層擴(kuò)大，并出現(xiàn)刷狀的細(xì)火花，火花變長(zhǎng)，最終導(dǎo)致氣隙完全擊穿。2D4D，過(guò)渡區(qū)域，放電過(guò)程不穩(wěn)定，放電電壓分散性大。電場(chǎng)的均勻程度可以根據(jù)是否產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈來(lái)劃分電場(chǎng)的均勻程度可以根據(jù)是否產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈來(lái)劃分。1擊穿電壓；擊穿電壓；2電暈起始電壓；電暈起始電壓；3放電不穩(wěn)定區(qū)放電不穩(wěn)定區(qū)67式中：式中：Emax最大電場(chǎng)強(qiáng)度；最大電場(chǎng)強(qiáng)度； Eav 平均電場(chǎng)強(qiáng)度；平均電場(chǎng)強(qiáng)度；電場(chǎng)不均勻系數(shù)電場(chǎng)不均勻系數(shù) f引入電場(chǎng)不均勻系數(shù)引入電場(chǎng)不均勻系數(shù) f 表示各種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)的均勻程度表示各種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)的均勻程度max124，avfffEfE 均均勻勻電電場(chǎng)場(chǎng)稍稍不不均均勻勻電電場(chǎng)場(chǎng)極極不不均均勻勻電電場(chǎng)

50、場(chǎng)在稍不均勻電場(chǎng)中放電達(dá)到自持條件時(shí)發(fā)生擊穿現(xiàn)象，此時(shí)間隙中平均電場(chǎng)強(qiáng)度比均勻電在稍不均勻電場(chǎng)中放電達(dá)到自持條件時(shí)發(fā)生擊穿現(xiàn)象，此時(shí)間隙中平均電場(chǎng)強(qiáng)度比均勻電場(chǎng)間隙的略小，因此在同樣極間距離時(shí)稍不均勻場(chǎng)間隙的擊穿電壓較均勻場(chǎng)間隙的要低；場(chǎng)間隙的略小，因此在同樣極間距離時(shí)稍不均勻場(chǎng)間隙的擊穿電壓較均勻場(chǎng)間隙的要低；在極不均勻場(chǎng)間隙中自持放電條件即是電暈起始條件，由發(fā)生電暈至擊穿的過(guò)程還必須提在極不均勻場(chǎng)間隙中自持放電條件即是電暈起始條件，由發(fā)生電暈至擊穿的過(guò)程還必須提高電壓才能完成。高電壓才能完成。稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的放電特點(diǎn)稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的放電特點(diǎn)68紫外成像拍攝的電暈紫外

51、成像拍攝的電暈半徑為r的球間隙的放電特性與極間距d的關(guān)系 稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的不同特點(diǎn)稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的不同特點(diǎn)放電具有稍不均勻場(chǎng)間隙的特點(diǎn)擊穿電壓與電暈起始電壓相同 放電具有極不均勻場(chǎng)間隙的特點(diǎn)電暈起始電壓明顯低于擊穿電壓 放電過(guò)程不穩(wěn)定，分散屬于過(guò)渡區(qū) maxaEfE電場(chǎng)不均勻系數(shù)：aUEd式中，U為極間電壓；d為極間距離。 電暈放電的一般描述電暈放電的一般描述 電暈放電電暈放電極不均勻電場(chǎng)所特有的一種自持放電現(xiàn)象；極不均勻電場(chǎng)所特有的一種自持放電現(xiàn)象； 電暈放電的概念電暈放電的概念 發(fā)生電暈放電現(xiàn)象的條件發(fā)生電暈放電現(xiàn)象的條件 電場(chǎng)極不均勻時(shí)，曲率大的電極附近很小范圍內(nèi)

52、電場(chǎng)極不均勻時(shí)，曲率大的電極附近很小范圍內(nèi)已達(dá)相當(dāng)數(shù)已達(dá)相當(dāng)數(shù)值時(shí)，間隙中大部分區(qū)域值值時(shí)，間隙中大部分區(qū)域值都仍然很小，放電達(dá)到自持放電后，都仍然很小，放電達(dá)到自持放電后，間隙沒(méi)有擊穿間隙沒(méi)有擊穿 電場(chǎng)越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓間的差別也越大電場(chǎng)越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓間的差別也越大電暈放電由于局部強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的放電過(guò)程造成。電暈放電由于局部強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的放電過(guò)程造成。2.4.2 2.4.2 極不均勻電場(chǎng)中的電暈放電極不均勻電場(chǎng)中的電暈放電 電暈放電的效應(yīng)電暈放電的效應(yīng)電暈放電的表現(xiàn)：咝咝的聲音、臭氧的氣味、電極附近空間藍(lán)色的暈光；電暈放電的表現(xiàn)：咝咝的聲音、臭氧的氣味、電極附近空間藍(lán)色的

53、暈光；化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新物質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新物質(zhì)，O3、NO、NO2；回路電流明顯增加回路電流明顯增加(絕對(duì)值仍很小絕對(duì)值仍很小)，可以測(cè)量到能量損失；，可以測(cè)量到能量損失；產(chǎn)生高頻脈沖電流；產(chǎn)生高頻脈沖電流； 電壓達(dá)到一定值，電暈電流為無(wú)規(guī)律的重復(fù)電流脈沖電壓達(dá)到一定值，電暈電流為無(wú)規(guī)律的重復(fù)電流脈沖 電壓升高，脈沖特性愈來(lái)愈不顯著，電暈電流轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)電電壓升高，脈沖特性愈來(lái)愈不顯著，電暈電流轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)電流流（1）電暈放電的起始場(chǎng)強(qiáng)c0.330(1)/EkV cmrc120.330(1)/Em mkV cmr是氣體相對(duì)密度；m1表面粗糙度系數(shù)，理想光滑導(dǎo)線取1，絞線0.80.9；好天氣時(shí)m2=1

54、，壞天氣時(shí)m2可按0.8估算。 cc2lnhUE rr高度為h的單根導(dǎo)線：cc2lnddUE rr距離為 的兩根平行線：注意：在雨、注意：在雨、雪、霧等壞天雪、霧等壞天氣時(shí)，導(dǎo)線表氣時(shí)，導(dǎo)線表面的水滴使導(dǎo)面的水滴使導(dǎo)線表面電場(chǎng)發(fā)線表面電場(chǎng)發(fā)生變化，降低生變化，降低了電暈起始電了電暈起始電壓和起始場(chǎng)強(qiáng)壓和起始場(chǎng)強(qiáng)。危害：損耗、電磁干擾、噪音等。危害：損耗、電磁干擾、噪音等。對(duì)策：限制導(dǎo)線的表面場(chǎng)強(qiáng)；天氣晴好時(shí)電暈損耗應(yīng)為零；采用分裂導(dǎo)線的辦法對(duì)策：限制導(dǎo)線的表面場(chǎng)強(qiáng)；天氣晴好時(shí)電暈損耗應(yīng)為零；采用分裂導(dǎo)線的辦法。使用分裂導(dǎo)線的益處：使用分裂導(dǎo)線的益處：（）降低導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)（）降低導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)（）

55、增大線路電容、減小線路電感，（）增大線路電容、減小線路電感，從而使輸電線路傳輸能力增加。從而使輸電線路傳輸能力增加。330kV,500kV,750kV,1000kV: 二、四、二、四、六、八分裂導(dǎo)線。六、八分裂導(dǎo)線。（2）電暈放電的危害與對(duì)策高電壓工程基礎(chǔ)（3）電暈放電的利用 在某些情況下可以利用電暈放電產(chǎn)生的空間電荷來(lái)改善極不均勻場(chǎng)的電場(chǎng)分布，以提高擊穿電壓。導(dǎo)線板電極的空氣間隙擊穿電壓（有效值）與間隙距離的關(guān)系1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm 虛線尖-板電極間隙 點(diǎn)劃線均勻場(chǎng)間隙電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅值及陡度；電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅

56、值及陡度；雷擊線路雷擊線路引起線路上發(fā)引起線路上發(fā)生電暈生電暈電暈導(dǎo)致發(fā)電暈導(dǎo)致發(fā)光、發(fā)熱光、發(fā)熱損失雷電沖擊電壓損失雷電沖擊電壓的能量的能量減小設(shè)備上的雷減小設(shè)備上的雷電過(guò)電壓電過(guò)電壓有利于保護(hù)設(shè)備有利于保護(hù)設(shè)備絕緣絕緣電暈放電的有利之處： 在輸電線上傳播的雷電電壓波因電暈放電而衰減其幅值和降低其波前陡度。 電暈放電還在除塵器、靜電噴涂裝置、臭氧發(fā)生器等工業(yè)設(shè)施中得到廣泛應(yīng)用。 操作過(guò)電壓的幅值也會(huì)受到電暈的抑制負(fù)極性棒板間隙的電暈起始電壓比正極性棒板電極低負(fù)極性棒板間隙擊穿電壓比正極性棒板電極高 不均勻電場(chǎng)中放電的極性效應(yīng)不均勻電場(chǎng)中放電的極性效應(yīng)極性效應(yīng) 在極不均勻電場(chǎng)中，放電一定從曲率

57、半徑較小的那個(gè)電極表面開始，與該電極極性無(wú)關(guān)。但后來(lái)的發(fā)展過(guò)程、氣隙的電氣強(qiáng)度、擊穿電壓等都與該電極的極性有密切的關(guān)系。極不均勻電場(chǎng)中的放電存在著明顯的極性效應(yīng) 極不均勻電場(chǎng)中的放電存在明顯的極性效應(yīng)。既放電的發(fā)展過(guò)程、氣隙的極不均勻電場(chǎng)中的放電存在明顯的極性效應(yīng)。既放電的發(fā)展過(guò)程、氣隙的電氣強(qiáng)度、擊穿電壓等都與電極的極性有關(guān)；電氣強(qiáng)度、擊穿電壓等都與電極的極性有關(guān)；極性的確定極性的確定 極性由表面電場(chǎng)較強(qiáng)的電極所決定極性由表面電場(chǎng)較強(qiáng)的電極所決定兩個(gè)電極幾何形狀不同的場(chǎng)合極性取決于曲率半徑較小的電極的電位符兩個(gè)電極幾何形狀不同的場(chǎng)合極性取決于曲率半徑較小的電極的電位符號(hào)（號(hào)（“棒棒板板”間隙

58、取決于棒電極電位）；間隙取決于棒電極電位）；幾何形狀相同（幾何形狀相同（“棒棒棒棒”間隙）取決于不接地的那個(gè)電極上的電位。間隙）取決于不接地的那個(gè)電極上的電位。理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)短間隙短間隙流注理論流注理論 長(zhǎng)間隙長(zhǎng)間隙先導(dǎo)放電（雷電放電）先導(dǎo)放電（雷電放電）極不均勻電場(chǎng)中的放電存在明顯的極性效應(yīng)。極不均勻電場(chǎng)中的放電存在明顯的極性效應(yīng)。短間隙極不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程（棒板間隙）短間隙極不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程（棒板間隙） 正極性（正棒正極性（正棒負(fù)板）負(fù)板）非自持放電階段非自持放電階段棒極附近強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)形成電子崩，電子崩頭棒極附近強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)形成電子崩，電子崩頭部的電子被棒極中和，在棒極附近空間留

59、下部的電子被棒極中和，在棒極附近空間留下許多正離子，許多正離子，積聚起的正空間電荷，減少了緊貼棒極附近積聚起的正空間電荷，減少了緊貼棒極附近的電場(chǎng)，而略微加強(qiáng)了外部空間的電場(chǎng)，棒的電場(chǎng)，而略微加強(qiáng)了外部空間的電場(chǎng)，棒極附近難以造成流注，使得自持放電、即電極附近難以造成流注，使得自持放電、即電暈放電難以形成暈放電難以形成E0原電場(chǎng)；原電場(chǎng)；Eq空間電荷電場(chǎng)；空間電荷電場(chǎng)；Ecom合成電場(chǎng)合成電場(chǎng)E0(c)Ecom=E0+EqE0EEqx(a)(b)EqEq流注發(fā)展階段流注發(fā)展階段電子崩進(jìn)入棒電極，正電荷留在棒電子崩進(jìn)入棒電極，正電荷留在棒尖加強(qiáng)了前方（板極方向）的電場(chǎng)尖加強(qiáng)了前方（板極方向）的電場(chǎng)； 電場(chǎng)的加強(qiáng)對(duì)形成流注發(fā)展有利電場(chǎng)的加強(qiáng)對(duì)形成流注發(fā)展有利。頭部前方產(chǎn)生新電子崩，吸引。頭部前方產(chǎn)生新電子崩，吸引入流注頭部正電荷區(qū)內(nèi)，加強(qiáng)并入流注頭部正電荷區(qū)內(nèi)，加強(qiáng)并延長(zhǎng)流注通道；延長(zhǎng)流注通道； 流注及其頭部的正電荷使強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)流注及其頭部的正電荷使強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)向前移，促進(jìn)流注通道進(jìn)一步發(fā)展向前移，促進(jìn)流注通道進(jìn)一步發(fā)展，逐漸向陰極推進(jìn)，形成正流注，逐漸向陰極推進(jìn)，形成正流注E0原電場(chǎng)；原電場(chǎng)；Eq空間電荷電場(chǎng)；空間電荷電場(chǎng)；Ecom合成電場(chǎng)合成電場(chǎng)E0(c)Ecom=E0+EqE0EEqx(a)(b)EqEq 正極性（正棒正極性（正棒負(fù)板）負(fù)板）正空間電荷