氣體擊穿理論分析和氣體間隙絕緣

第二章氣體擊穿理論分析和氣體間隙絕緣1現(xiàn)在是1頁\一共有191頁\編輯于星期六第一節(jié)氣體放電的主要形式簡介第二節(jié)

帶電粒子的產生和消失第三節(jié)

均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程第四節(jié)不均勻電場中的氣體擊穿的發(fā)展過程第五節(jié)持續(xù)電壓作用下氣體的擊穿特性第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性第七節(jié)操作沖擊電壓下氣體的擊穿特性第八節(jié)SF6和氣體絕緣電氣設備第九節(jié)大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正第十節(jié)提高氣體介質電氣強度的方法第十一節(jié)沿面放電和污閃事故本章主要內容2現(xiàn)在是2頁\一共有191頁\編輯于星期六第一節(jié)氣體放電的主要形式簡介氣體放電的概念氣體放電——氣體中流通電流的各種形式。正常狀態(tài)：優(yōu)良的絕緣體。在一個立方厘米體積內僅含幾千個帶電粒子,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€路個相導線之間、導線與地線之間、導線與桿塔之間的絕緣；變壓器相間的絕緣等。3現(xiàn)在是3頁\一共有191頁\編輯于星期六輸電線路以氣體作為絕緣材料4現(xiàn)在是4頁\一共有191頁\編輯于星期六變壓器相間絕緣以氣體作為絕緣材料5現(xiàn)在是5頁\一共有191頁\編輯于星期六高電壓狀態(tài)電壓升高達到一定數(shù)值氣體中的帶電粒子大量增加電流增大達到一定數(shù)值氣體失去絕緣擊穿（或閃絡）擊穿——純空氣隙之間。（架空線相間的空氣放電）閃絡——氣體沿著固體表面擊穿。（氣體沿著懸掛架空線的絕緣子串放電）6現(xiàn)在是6頁\一共有191頁\編輯于星期六氣體放電的相關概念擊穿電壓Ub或閃絡電壓Uf——發(fā)生擊穿或閃絡的最低臨界電壓；擊穿場強Eb——（均勻電場中的擊穿電壓）/間隙距離平均擊穿場強——（不均勻電場中的擊穿電壓）/間隙距離7現(xiàn)在是7頁\一共有191頁\編輯于星期六根據(jù)氣體壓力、電源功率、電極形狀等因素的不同，擊穿后氣體放電可具有多種不同形式。利用放電管可以觀察放電現(xiàn)象的變化氣體的放電形式8現(xiàn)在是8頁\一共有191頁\編輯于星期六當氣體壓力不大，電源功率很小（放電回路中串入很大阻抗）時，外施電壓增到一定值后，回路中電流突增至明顯數(shù)值，管內陰極和陽極間整個空間忽然出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象。特點：放電電流密度較小，放電區(qū)域通常占據(jù)了整個電極間的空間。霓虹管中的放電就是輝光放電的例子，管中所充氣體不同，發(fā)光顏色也不同輝光放電9現(xiàn)在是9頁\一共有191頁\編輯于星期六減小外回路中的阻抗，則電流增大，電流增大到一定值后，放電通道收細，且越來越明亮，管端電壓則更加降低，說明通道的電導越來越大特點：電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度極大，電路具有短路的特征電弧放電10現(xiàn)在是10頁\一共有191頁\編輯于星期六當外回路中阻抗很大，限制了放電電流時，電極間出現(xiàn)貫通兩極的斷續(xù)的明亮細火花。（大氣條件下）特點：具有收細的通道形式，并且放電過程不穩(wěn)定火花放電返回11現(xiàn)在是11頁\一共有191頁\編輯于星期六第二節(jié)帶電粒子的產生和消失帶電粒子的產生和消失是氣體放電的根本根源，是分析氣體擊穿的理論基礎；正常時氣體中有正負粒子存在，但對氣體的絕緣狀態(tài)沒有影響；隨著電壓升高氣體間隙中的帶電粒子數(shù)量會迅速增加，帶電粒子的運動會產生電流。掌握氣體放電時，帶電粒子如何產生？放電結束后，帶電粒子又如何消失？12現(xiàn)在是12頁\一共有191頁\編輯于星期六原子的激勵和電離⒈原子的能級原子的結構可用行星系模型描述。原子核（正電）電子云（負電）能級——根據(jù)原子核外電子的能量狀態(tài)，原子具有一系列可取得確定的能量狀態(tài)。外圍電子能量高

原子能量就高

能級就高；外圍電子能量低

原子能量就低

能級就低；原子能量大小的衡量13現(xiàn)在是13頁\一共有191頁\編輯于星期六⒉原子的激勵激勵(激發(fā))——原子在外界因素（電場、高溫等）的作用下，吸收外界能量使其內部能量增加，原子核外的電子將從離原子核較近的軌道上跳到離原子核較遠的軌道上去的過程。激勵能（We）——產生激勵所需的能量。等于該軌道和常態(tài)軌道的能級差。注意激勵狀態(tài)存在的時間很短（10-7—10-8s），電子將自動返回到常態(tài)軌道上去。原子的激勵過程不會產生帶電粒子。14現(xiàn)在是14頁\一共有191頁\編輯于星期六⒊原子的電離電離——在外界因素作用下，其一個或幾個電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過程。電離能（Wi）——使穩(wěn)態(tài)原子或分子中結合最松弛的那個電子電離出來所需要的最小能量。（電子伏eV）1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J（焦耳）1V電壓qe：電子的電荷（庫倫）注意原子的電離過程產生帶電粒子。15現(xiàn)在是15頁\一共有191頁\編輯于星期六氣體激勵能We(eV)電離能Wi(eV)氣體激勵能We(eV)電離能Wi(eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6表1-1某些氣體的激勵能和電離能16現(xiàn)在是16頁\一共有191頁\編輯于星期六原子的激勵與電離的關系原子發(fā)生電離產生帶電粒子的兩種情況：原子吸收了一定的能量，但能量不太高發(fā)生激勵，跳到更遠的軌道再次吸收能量發(fā)生電離，產生帶電粒子原子吸收直接吸收了足夠的能量發(fā)生電離，產生帶電粒子原子的激勵過程不產生帶電粒子；原子的電離過程產生帶電粒子；激勵過程可能是電離過程的基礎。⑴激勵+電離⑵直接電離17現(xiàn)在是17頁\一共有191頁\編輯于星期六氣體中帶電粒子的產生電離所獲能量形式不同，帶電粒子產生的形式不同⒈光電離⒉碰撞電離⒊熱電離⒋電極表面電離（陰極表面電離）⒌負離子的形成18現(xiàn)在是18頁\一共有191頁\編輯于星期六氣體中帶電粒子的產生電離所獲能量形式不同，帶電粒子產生的形式不同⒈光電離光電離——光輻射引起的氣體分子的電離過程。發(fā)生光電離的條件式中：h—普郎克常數(shù)；

ν—光子的頻率；

Wi—氣體的電離能，eV；c—光速=3×108m/s；

λ—光的波長，m。光子能量W＝hν注意可見光都不可能使氣體直接發(fā)生光電離，只有波長短的高能輻射線（例如X射線、γ射線等）才能使氣體發(fā)生光電離。19現(xiàn)在是19頁\一共有191頁\編輯于星期六⒉碰撞電離碰撞電離——由于質點碰撞所引起的電離過程。（主要是電子碰撞電離）電子在電場強度為E

的電場中移過x

距離時所獲得的動能為：式中:m—電子的質量；

qe—電子的電荷量若W等于或大于氣體分子的電離能Wi，該電子就有足夠的能量去完成碰撞電離發(fā)生碰撞電離的條件20現(xiàn)在是20頁\一共有191頁\編輯于星期六電子為造成碰撞電離而必須飛越的最小距離：

式中：Ui為氣體的電離電位，在數(shù)值上與以eV為單位的Wi相等。

xi

的大小取決與場強E，增大氣體中的場強將使xi

值減小，可見提高外加電場將使碰撞電離的概率和強度增大。注意碰撞電離是氣體中產生帶電粒子的最重要的方式。主要的碰撞電離均有電子完成，離子碰撞中性分子并使之電離的概率要比電子小得多，所以在分析氣體放電發(fā)展過程時，往往只考慮電子所引起的碰撞電離。21現(xiàn)在是21頁\一共有191頁\編輯于星期六⒊熱電離熱電離——因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程。發(fā)生熱電離的條件式中：k—波爾茨曼常數(shù)；（k=1.38×10-23J/K）

Wi—氣體的電離能，eV；T—絕對溫度，K；注意分子熱運動所固有的動能不足以產生碰撞電離，20oC時，氣體分子平均動能約0.038eV。熱電離起始溫度為103K（727oC）在一定熱狀態(tài)下物質會發(fā)出輻射，熱輻射光子能量大，會引起光電離絕對溫度和攝氏溫度的關系：T絕對=273+T攝氏22現(xiàn)在是22頁\一共有191頁\編輯于星期六熱電離實質上是熱狀態(tài)下碰撞電離和光電離的綜合例如：發(fā)生電弧放電時，氣體溫度可達數(shù)千度，氣體分子動能就足以導致發(fā)生明顯的碰撞電離，高溫下高能熱輻射光子也能造成氣體的電離23現(xiàn)在是23頁\一共有191頁\編輯于星期六⒋電極表面電離（陰極表面電離）電極表面電離——電子從金屬電極（陰極）表面逸出的過程。逸出功——電子從金屬表面逸出所需的能量。金屬逸出功(eV)金屬逸出功(eV)金屬逸出功(eV)鋁(Al)銀(Ag)1.83.1鐵(Fe)銅(Cu)3.93.9氧化銅(CuO)銫(Cs)5.30.7逸出功與表1-1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程中起著相當重要的作用。24現(xiàn)在是24頁\一共有191頁\編輯于星期六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把能量傳遞給金屬極板中的電子，使其逸出金屬正離子必須碰撞出一個以上電子時才能產生自由電子逸出的電子有一個和正離子結合成為原子，其余成為自由電子。高能輻射先照射陰極時，會引起光電子發(fā)射，其條件是光子的能量應大于金屬的逸出功。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烈得多正離子撞擊陰極表面光電子發(fā)射（光電效應）25現(xiàn)在是25頁\一共有191頁\編輯于星期六當陰極被加熱到很高溫度時，其中的電子獲得巨大動能，逸出金屬表面在許多電子器件中常利用加熱陰極來實現(xiàn)電子發(fā)射。當陰極表面附近空間存在很強的電場時（106V/cm數(shù)量級），能使陰極發(fā)射電子。常態(tài)下作用氣隙擊穿完全不受影響；在高氣壓、壓縮的高強度氣體的擊穿過程中會起一定的作用；真空中更起著決定性作用。熱電子發(fā)射強場發(fā)射（冷發(fā)射）26現(xiàn)在是26頁\一共有191頁\編輯于星期六⒌負離子的形成自由電子碰撞中性的分子或原子可能產生的三種結果電子碰撞中性的分子或原子發(fā)生電離產生自由電子情況一電子碰撞中性的分子或原子能量不足，撞擊后反彈回來未產生自由電子情況二電子碰撞中性的分子或原子沒發(fā)生電離，也沒被反彈回來被中性的分子捕捉，成為自己的束縛電子情況三形成了負離子27現(xiàn)在是27頁\一共有191頁\編輯于星期六附著——自由電子與氣體分子碰撞時，發(fā)生電子與中性分子相結合而形成負離子的過程。形成負離子時可釋放出能量有些氣體容易形成負離子，稱為電負性氣體（如氧、氟、氯等），SF6（絕緣性是空氣的3倍，滅弧性是空氣的100倍）負離子的形成起著阻礙放電的作用負離子形成過程的特點28現(xiàn)在是28頁\一共有191頁\編輯于星期六帶電粒子在氣體中的運動⒈自由行程長度①帶電粒子的運動軌跡當氣體中存在電場時，帶電粒子將具有復雜的運動軌跡

“混亂熱運動＋沿著電場作定向漂移”自由行程長度——帶電粒子與氣體分子發(fā)生第一次碰撞到第二次碰撞所移動的距離。（兩次碰撞中未再發(fā)生任何碰撞）29現(xiàn)在是29頁\一共有191頁\編輯于星期六②平均自由行程長度平均自由行程長度λ——帶電粒子單位行程中的碰撞次數(shù)Z的倒數(shù)。實際的自由行程長度是隨機量，有很大的分散性，任意帶電粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次數(shù)與分子的半徑和密度有關粒子的實際自由行程長度等于或大于某一距離x的概率為注意：由于電子的半徑或體積比離子或氣體分子小得多，所以電子的平均自由行程長度要比離子或氣體分子大得多。30現(xiàn)在是30頁\一共有191頁\編輯于星期六又由式中：p—氣壓，Pa；

T—氣溫，K；

k—波爾茨曼常數(shù)，

（k

=1.38×10-23J/K）。由氣體動力學可知，電子的平均自由行程長度式中：r—氣體分子半徑；

N—氣體分子密度。平均自由行程長度與溫度成正比，溫度越高氣體發(fā)散，粒子間距離較遠，λe越大平均自由行程長度與氣壓成反比，氣壓越高，氣體分子被得越緊，粒子間距離較近，λe越小。31現(xiàn)在是31頁\一共有191頁\編輯于星期六⒉帶電粒子的遷移率帶電粒子的遷移率k——帶電粒子在單位場強（1V/m）下沿電場方向的漂移速度。

式中：v—帶電粒子的速度；

E—電場強度。注意由于電子的平均自由行程長度比離子大得多，而電子的質量比離子小得多。更易加速，所以電子的遷移率遠大于離子。一般電子遷移率比離子遷移率大兩個數(shù)量級32現(xiàn)在是32頁\一共有191頁\編輯于星期六⒊擴散擴散——在熱運動的過程中，粒子從濃度較大的區(qū)域運動到濃度較小的區(qū)域，從而使每種粒子的濃度分布均勻化的物理過程。氣壓越低，溫度越高，擴散進行的越快。電子的熱運動速度大、自由行程長度大，其擴散速度也要比離子快得多。擴散的特點33現(xiàn)在是33頁\一共有191頁\編輯于星期六帶電粒子消失⒈帶電粒子產生和消失的關系帶電粒子產生和消失是同時發(fā)生的過程；若產生的帶電粒子大于消失的帶電粒子，則會促進氣體放電過程；若產生的帶電粒子等于消失的帶電粒子，則會促進氣體就處于穩(wěn)定狀態(tài)；若產生的帶電粒子小于消失的帶電粒子，則會阻礙氣體放電過程；34現(xiàn)在是34頁\一共有191頁\編輯于星期六⒉帶電粒子消失的形式帶電粒子在電場的驅動下作定向運動，在到達電極時，消失于電極上而形成外電路中的電流。帶電粒子因擴散現(xiàn)象而逸出氣體放電空間。擴散的實質——某一局部的帶電粒子從濃度比較高的區(qū)域，擴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。帶電粒子的擴散是由于熱運動造成，帶電粒子的擴散規(guī)律和氣體的擴散規(guī)律相似氣體中帶電粒子的擴散和氣體狀態(tài)有關，氣體壓力越高或者溫度越低，擴散過程也就越弱電子質量遠小于離子，所以電子的熱運動速度高，它在熱運動中受到的碰撞也少，因此，電子的擴散過程比離子的要強35現(xiàn)在是35頁\一共有191頁\編輯于星期六帶電粒子的復合復合——氣體中帶異號電荷的粒子相遇而發(fā)生電荷的傳遞與中和，還原為分子的過程。（是與電離相反的一種過程）電子復合—電子和正離子發(fā)生復合，產生一個中性分子

離子復合—正離子和負離子發(fā)生復合，產生兩個中性分子帶電粒子的復合過程中會發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又成為導致電離的因素參與復合的粒子的相對速度越大，復合概率越小。通常放電過程中離子間的復合更為重要帶電粒子濃度越大，復合速度越大，強烈的電離區(qū)也是強烈的復合區(qū)36現(xiàn)在是36頁\一共有191頁\編輯于星期六第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程掌握非自持放電過程和自持放電過程的概念；湯遜氣體放電理論的要點和適用范圍；流注氣體放電理論的要點和適用范圍；氣體的擊穿過程與電場分布有很大關系，均勻電場和不均勻電場下氣體的擊穿過程有很大的不同；均勻電場——電場中任一點的電場強度均相同；不均勻電場——電場中任一點的電場強度均不相同；37現(xiàn)在是37頁\一共有191頁\編輯于星期六第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程非自持放電和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；自持放電——不需要外界因素，僅由電場作用而維持的放電過程。⒈非自持放電和自持放電的概念⒉非自持放電和自持放電的過程測定氣體間隙中電流變化的實驗裝置通過調節(jié)電阻，測量回路電流隨電壓變化的情況氣體間隙中電流的變化反映放電過程38現(xiàn)在是38頁\一共有191頁\編輯于星期六加電場前，外電離因素（光照射）在極板間產生帶電粒子，但帶電粒子制作雜亂無章的熱運動，不產生電流；加電場后，帶電粒子沿電場方向定向移動，形成電流。隨著電壓升高，帶電粒子運動速度加快，使到達極板的帶電粒子數(shù)量和速度不斷增大，電流也隨之增大。oa段

隨著電壓升高，電流增大，到達極板的帶電粒子數(shù)量和速度也隨之增大。均勻電場中氣體的伏安特性均勻電場下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析I0UaUbUcUI第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程39現(xiàn)在是39頁\一共有191頁\編輯于星期六均勻電場中氣體的伏安特性ab段

電流趨于飽和，由外電離因素產生的帶電粒子已全部進入電極，電流I0大小取決于外電離因素與電壓無關。外電離因素（光照射）的強度一定的情況下，單位時間內產生的帶電粒子數(shù)量是一定的，由此產生的電流也是一定。I0——飽和電流。I0UaUbUcUI均勻電場下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程40現(xiàn)在是40頁\一共有191頁\編輯于星期六均勻電場中氣體的伏安特性bc段

電流又再隨電壓的增大而增大。發(fā)生電子碰撞電離。I0UaUbUcUI電壓升高氣體間的帶電粒子運動速度加快帶電粒子能量（動能）增加當能量大于極板間空氣中原子的電離能電子碰撞電離，產生大量帶電粒子電流急速增加均勻電場下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程41現(xiàn)在是41頁\一共有191頁\編輯于星期六均勻電場中氣體的伏安特性c點

U=Uc，電流急劇增大。氣體間隙被擊穿進入導電狀態(tài)（自持放電），不再需要任何外界因素（光照射、外加電源）。c點處的臨界電壓Uc就是擊穿電壓Ub，當電壓達到Uc后氣體即被擊穿，由原來的絕緣體變成了導體。I0UaUbUcUI均勻電場下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程42現(xiàn)在是42頁\一共有191頁\編輯于星期六均勻電場中氣體的伏安特性I0UaUbUcUI均勻電場下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析當產生的電流I＜Ic：非自持放電區(qū)；當產生的電流I≥Ic：自持放電區(qū)；當施加的電壓U＜Uc：氣體保持絕緣；當施加的電壓U≥Uc：氣體被擊穿。Ic自持放電區(qū)非自持放電區(qū)第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程43現(xiàn)在是43頁\一共有191頁\編輯于星期六（二）湯遜放電理論20世紀初，湯遜根據(jù)大量的試驗研究結果，提出了適用于均勻電場、低氣壓、短氣隙時氣體放電理論理論認為，電子的碰撞電離(α過程）和正離子撞擊陰極造成的表面電離（γ過程）起主要作用提出氣隙放電電流和擊穿電壓的計算公式第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程44現(xiàn)在是44頁\一共有191頁\編輯于星期六⒈α過程（電子崩過程）⑴電子崩的形成過程由外電離因素產生一個初始電子電子數(shù)目迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣，形成了電子崩產生正離子和自由電子原來的電子和新產生的電子繼續(xù)移動，不斷發(fā)生電子碰撞電離電場力作用下，電子沿電場做定向移動與中性粒子發(fā)生電子碰撞中性粒子發(fā)生電離第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程45現(xiàn)在是45頁\一共有191頁\編輯于星期六電子崩的形狀：“崩頭大、崩尾小?！彪娮影l(fā)生電子碰撞后，電子的速度快，所以會大量的集中在崩頭；正離子移動速度較慢，所以緩慢的移向崩尾。電子崩——電子數(shù)按幾何級數(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。崩頭崩尾第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程46現(xiàn)在是46頁\一共有191頁\編輯于星期六⑵α過程引起的電流電子碰撞電離系數(shù)α——表示一個電子沿電場方向運動1cm

的行程中所完成的碰撞電離次數(shù)平均值。即是一個電子在單位長度行程內新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù)。注意：

α必須是電子發(fā)生碰撞且電離的次數(shù)，若電子只發(fā)生了碰撞沒有導致電離則不能計入α中。α的定義第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程47現(xiàn)在是47頁\一共有191頁\編輯于星期六nad電子增長規(guī)律（n0個電子行進x距離產生的電子數(shù)n）令x=d，抵達陽極電子數(shù)naα過程的分析（電子崩的計算）設：在外電離因素光輻射的作用下，單位時間內陰極單位面積產生n0個電子，由于碰撞電離和電子崩得作用下，在距離陰極x處，電子數(shù)增至n個。在dx段上產生的新電子dndn＝nαdx第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程48現(xiàn)在是48頁\一共有191頁\編輯于星期六nad令x=d，進入陽極的電流（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。α過程的分析（電子崩的計算）途中新增的電子數(shù)或正離子數(shù)△n電子電流增長規(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結論：若只有α過程，氣體放電是不能自持的。第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程49現(xiàn)在是49頁\一共有191頁\編輯于星期六⑶α的分析假設電子的平均自由行程為λe，運動1cm碰撞次數(shù)為1/λe

，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最小距離。根據(jù)α定義有：式中：A、B—與氣體種類有關的常數(shù)；

E—電場強度；

P—氣體壓力。第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程50現(xiàn)在是50頁\一共有191頁\編輯于星期六由式，可得結論：電場強度E增大，則α增大；氣體壓力P很大（電子的平均自由行程λe很小）或者氣體壓力P很?。娮拥钠骄杂尚谐苔薳很大）時，α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，具有較高的電氣強度。第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程51現(xiàn)在是51頁\一共有191頁\編輯于星期六⒉γ過程正離子表面電離系數(shù)γ——表示一個正離子沿電場方向由陽極向陰極運動，撞擊陰極表面產生表面電離的電子數(shù)。正離子向陰極移動，依靠它所具有的動能及位能，在撞擊陰極時能引起表面電離，使陰極釋放出自由電子⑴γ的概念第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程52現(xiàn)在是52頁\一共有191頁\編輯于星期六nadnc⑵α過程和γ過程引起的電流設陰極表面單位時間內發(fā)射的電子數(shù)為ncnc外電離因素產生的電子數(shù)—n0前一秒鐘產生出來的正離子在陰極上造成的二次電子發(fā)射所產生的電子數(shù)—γnc(eαd－1)nc個電子到達陽極后，產生總電子數(shù)為：na＝nceαd產生的新正離子數(shù)為：nceαd－nc正離子撞擊陰極表面產生的電子數(shù)為γnc(eαd－1)每產生一個自由電子的同時，會產生一個正離子產生的新電子數(shù)為：nceαd－nc正離子沿電場運動，撞擊陰極造成二次電子發(fā)射二次電子發(fā)射的形成過程第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程53現(xiàn)在是53頁\一共有191頁\編輯于星期六進入陽極的電流（外回路電流）將上式兩邊乘以電子電荷qe若γ=0，則I＝I0eαd，即只有α過程；若，當I0＝0時，I＝0若，當I0＝0時，I≠0

nc個電子行進d距離產生的電子數(shù)na已知nc＝n0＋γnc(eαd－1)

na＝nceαd

α過程＋γ過程的分析nad結論：若1－γ(eαd－1)＝0，即使I0=0（除去外界的電離因素），放電能維持下去。第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程54現(xiàn)在是54頁\一共有191頁\編輯于星期六⒊湯遜理論的均勻電場中的電壓⑴湯遜理論的自持放電條件物理意義：一個電子從陰極到陽極途中因電子崩（α過程）而造成的正離子數(shù)為eαd－1，這批正離子在陰極上造成的二次自由電子數(shù)（γ過程）應為γ(eαd－1)，如果它等于1，就意味著那個初始電子有了一個后繼電子，從而使放電得以自持。γ(eαd－1)＝1第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程55現(xiàn)在是55頁\一共有191頁\編輯于星期六當自持放電條件得到滿足時，就會形成圖解中閉環(huán)部分所示的循環(huán)不息的狀態(tài)，放電就能自己維持下去。第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程56現(xiàn)在是56頁\一共有191頁\編輯于星期六⑵擊穿電壓、巴申定律起始電壓U0——放電由非自持轉為自持時的電壓。均勻電場中：起始電壓U0＝擊穿電壓Ub將α計算式代入自持放電條件，并且考慮均勻電場中自持放電的起始場強得：結論：均勻電場中氣體的擊穿電壓Ub是氣壓和電極間距離的乘積（pd）的函數(shù)。①均勻電場擊穿電壓的推導第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程57現(xiàn)在是57頁\一共有191頁\編輯于星期六②巴申定律——巴申實驗曲線擊穿電壓與pd的規(guī)律在湯遜碰撞電離學說提出之前，巴申已從實驗中總結出來了，湯遜理論從理論上解釋了試驗結果。第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程58現(xiàn)在是58頁\一共有191頁\編輯于星期六巴申定律從曲線可以看出，存在一個最小值，此時擊穿電壓最低假設d不變：當氣壓很小時，氣體稀薄，雖然電子自由程大，可以得到足夠的動能，但碰撞總數(shù)小，所以擊穿電壓升高當氣體增大時，電子自由程變小，得到的動能減小，所以擊穿電壓升高?？傆幸粋€氣壓對碰撞電離最有利，此時擊穿電壓最小第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程59現(xiàn)在是59頁\一共有191頁\編輯于星期六⒋湯遜理論的適用范圍⑴適用范圍均勻場、低氣壓、短氣隙［pd<36.66kPa·cm(20mmHg·cm)］⑵局限性pd較大時，解釋現(xiàn)象與實際不符放電外形湯遜理論解釋：放電外形均勻，如輝光放電；

pd大時的實際現(xiàn)象：外形不均勻，有細小分支；放電時間：Tpd大<<T湯遜擊穿電壓：Ub·pd大<<Ub·湯遜陰極材料影響湯遜理論解釋：陰極材料對放電有影響(γ過程）；

pd大時的實際現(xiàn)象：陰極材料對放電無影響；第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程60現(xiàn)在是60頁\一共有191頁\編輯于星期六（三）氣體擊穿的流注放電理論對象：工程上感興趣的壓力較高的氣體擊穿，比如雷電放電并不存在金屬電極，因而與陰極上的γ過程和二次電子發(fā)射根本無關。特點：認為電子碰撞電離及空間光電離是維持自持放電的主要因素，并強調了空間電荷畸變電場（使原來均勻的電場變成了不均勻電場）的作用放電過程

電子崩階段流注階段氣體擊穿電離形成二次電子崩，等離子體空間電荷畸變外電場第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程61現(xiàn)在是61頁\一共有191頁\編輯于星期六⒈流注理論中的電子崩過程⑴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)：n＝eαxx(cm)0.20.30.40.50.60.70.80.91.0n92781245735220866341993059874例如，正常大氣條件下，若E＝30kV／cm，則α≈11cm-1，計算隨著電子崩向陽極推進，崩頭中的電子數(shù)電子崩中空間電荷的濃度分布第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程62現(xiàn)在是62頁\一共有191頁\編輯于星期六⑵空間電荷對原有電場的影響-+xx空間電荷的電場合成電場電子崩均勻電場E0電子崩頭部電場明顯增強，電離過程強烈，有利于發(fā)生分子和離子的激勵現(xiàn)象，當它們回復到正常狀態(tài)時，發(fā)射出光子。崩頭內部正負電荷區(qū)域電場大大削弱，但電子和正離子濃度卻是最大，有助于發(fā)生復合過程，發(fā)射出光子。大大加強了崩頭及崩尾的電場，削弱了崩頭內正、負電荷區(qū)域之間的電場第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程63現(xiàn)在是63頁\一共有191頁\編輯于星期六⒉流注的形成流注—電離強度和發(fā)展速度遠大于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程。1：主電子崩2：二次電子崩⑴二次電子崩的形成主崩走完整個間隙后，大密度的頭部正離子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，在畸變而加強了的電場中，造成了新的電子崩，稱為二次電子崩光子第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程64現(xiàn)在是64頁\一共有191頁\編輯于星期六⑵正流注條件：當外加電壓＝擊穿電壓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?。蠖嘈纬韶撾x子。大量的正、負帶電質點構成了等離子體，這就是正流注①正流注體的形成1：主電子崩；2：二次電子崩；3：流注流注通道導電性良好，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)了很強的電場第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程65現(xiàn)在是65頁\一共有191頁\編輯于星期六②正流注向陰極推進流注頭部的電離，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，延長了流注通道流注不斷向陰極挺進，且隨著流注接近陰極，其頭部電場越來越強，因而其發(fā)展也越來越快流注發(fā)展到陰極，間隙被導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第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程66現(xiàn)在是66頁\一共有191頁\編輯于星期六⑶負流注1：主電子崩；2：二次電子崩；3：流注條件：當外加電壓＞擊穿電壓電壓較低時，電子崩需經過整個間隙才能積聚到足夠的電子數(shù)形成流注；電壓較高時，電子崩不需經過整個間隙，其頭部電離程度已足以形成流注主電子崩頭部的電離很強烈，光子射到主崩前方，在前方產生新的電子崩，主崩頭部的電子和二次崩尾的正離子形成混合通道，形成向陽極推進的流注，稱為負流注間隙中的正、負流注可以同時向兩極發(fā)展。第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程67現(xiàn)在是67頁\一共有191頁\編輯于星期六試驗測量結果：電子崩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1×10-7秒初始電子崩轉變?yōu)榱髯⑺查g照片電子崩在空氣中的發(fā)展速度約為1.25×107cm/s第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程68現(xiàn)在是68頁\一共有191頁\編輯于星期六試驗測量結果：正流注在電離室中得到的陽極流注發(fā)展過程的照片正流注的發(fā)展速度約為1×108～2×108cm/s第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程69現(xiàn)在是69頁\一共有191頁\編輯于星期六試驗測量結果表明電子崩是沿著電力線直線發(fā)展，流注會出現(xiàn)曲折的分支電子崩可以同時有多個互不影響地向前發(fā)展湯遜放電是彌散的一片，流注放電有明亮的細通道第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程70現(xiàn)在是70頁\一共有191頁\編輯于星期六⒊流注理論擊穿過程的總結由陽極向陰極(正流注)或由陰極向陽極(負流注)擊穿強電場作用下發(fā)生碰撞電離畸變電場發(fā)射光子流注高速的向電極挺進電子崩氣隙間有效電子形成等離子通道（流注）產生新電子崩（二次崩）二次崩不斷匯入主崩第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程71現(xiàn)在是71頁\一共有191頁\編輯于星期六⒋流注理論在均勻電場中的自持放電條件流注形成的條件就是自持放電條件初崩頭部空間電荷數(shù)必須達到某一臨界值既:eαd＝常數(shù)或αd＝常數(shù)（eαd為電子崩頭部的電子數(shù)）實驗所得初崩頭部的電子數(shù)要達到108時，放電才能轉為自持。一旦形成流注，放電就進入了新的階段，放電可以由本身產生的空間光電離而自行維持，即轉入自持放電；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件，在均勻電場中也就是導致?lián)舸┑臈l件。流注形成的條件第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程72現(xiàn)在是72頁\一共有191頁\編輯于星期六⒌流注理論對pd較大時放電現(xiàn)象的解釋⑴放電外形現(xiàn)象：

pd較大時，放電不均勻，有分支，有細小的通道解釋：二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統(tǒng)計性，所以火花通道常是曲折的，并帶有分枝⑵放電時間現(xiàn)象：

放電時間極短解釋：光子以光速傳播，所以流注發(fā)展速度極快，這就可以說明pd很大時放電時間特別短的現(xiàn)象⑶陰極材料的影響現(xiàn)象：

放電與陰極材料無關解釋：pd很大時，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第三節(jié)均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程返回73現(xiàn)在是73頁\一共有191頁\編輯于星期六第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程

（教材P14）（一）稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特征⒈均勻電場放電達到自持，間隙立即被擊穿，擊穿前看不到放電跡象平板電極⒉稍不均勻電場放電特性與均勻電場相似，一旦出現(xiàn)自持放電便一定立即導致整個氣隙擊穿。測高電壓的球隙74現(xiàn)在是74頁\一共有191頁\編輯于星期六第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程⒊極不均勻電場特有兩大特征電暈放電：極不均勻電場所特有的一種自持放電形式；極性效應：放電過程與電極的極性有關；典型的極不均與電場棒—棒（針—針）：棒—板（針—板）：75現(xiàn)在是75頁\一共有191頁\編輯于星期六式中：Emax——最大電場強度；

Eav

——平均電場強度；⒋電場不均勻系數(shù)f引入電場不均勻系數(shù)f

表示各種結構的電場的均勻程度第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程76現(xiàn)在是76頁\一共有191頁\編輯于星期六（二）極不均勻電場中的電暈放電⒈電暈放電的一般描述電暈放電——極不均勻電場所特有的一種自持放電現(xiàn)象；⑴電暈放電的概念⑵發(fā)生電暈放電現(xiàn)象的條件電場極不均勻時，曲率大的電極附近很小范圍內α已達相當數(shù)值時，間隙中大部分區(qū)域值α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電壓間的差別也越大電暈放電由于局部強場區(qū)的放電過程造成。第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程77現(xiàn)在是77頁\一共有191頁\編輯于星期六⑶電暈放電的效應電暈放電的表現(xiàn)：咝咝的聲音、臭氧的氣味、電極附近空間藍色的暈光；第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程78現(xiàn)在是78頁\一共有191頁\編輯于星期六化學反應產生新物質，O3、NO、NO2；回路電流明顯增加(絕對值仍很小)，可以測量到能量損失；產生高頻脈沖電流；電壓達到一定值，電暈電流為無規(guī)律的重復電流脈沖電壓升高，脈沖特性愈來愈不顯著，電暈電流轉變?yōu)槌掷m(xù)電流電壓繼續(xù)升高，出現(xiàn)幅值大得多的不規(guī)則的流注型電暈電流脈沖第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程79現(xiàn)在是79頁\一共有191頁\編輯于星期六⑷電暈起始電壓和電暈起始場強電暈起始場強——開始出現(xiàn)電暈時電極表面的場強；電暈起始電壓——開始出現(xiàn)電暈時的電壓；電暈起始電壓由于它的影響因素很多，通常利用實驗的方法求取，然后推倒出相應計算電暈起始場強的經驗公式。電暈起始場強的求?。ㄆた斯剑┮暂旊娋€路為例

式中

m—導線表面粗糙系數(shù)，光滑導線的m≈1,絞線的m≈0.8～0.9；

δ—空氣相對密度；

r—導線半徑，cm。注意：在雨、雪、霧等壞天氣時，導線表面的水滴使導線表面電場發(fā)生變化，降低了電暈起始電壓和起始場強。第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程80現(xiàn)在是80頁\一共有191頁\編輯于星期六⒉電暈放電的兩種形式電子崩形式起暈電極曲率很大時，放電初期，電暈層很薄且比較均勻，放電電流穩(wěn)定，自持放電采用湯遜放電形式。放電達到自持時，α在整個間隙中部巳達到相當數(shù)值。這時和均勻電場中情況類似流注形式升高電壓：電暈層擴大，個別電子崩→流注再電壓升高：個別流注強烈發(fā)展→出現(xiàn)刷狀放電繼續(xù)升高電壓：流注貫穿間隙→擊穿第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程81現(xiàn)在是81頁\一共有191頁\編輯于星期六⒊電暈放電的利弊⑴不利影響發(fā)光、發(fā)熱，損失能量；使空氣發(fā)生化學反應，產生O3、NO、NO2等，引起腐蝕作用；O3是強氧化劑，NO、NO2遇到水氣會形成硝酸和亞硝酸，從而會對電力設備引起腐蝕作用脈沖現(xiàn)象產生高頻電磁波，干擾通訊和測量，還可能產生超過環(huán)保標準的噪聲。第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程82現(xiàn)在是82頁\一共有191頁\編輯于星期六⑵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；雷擊線路引起線路上發(fā)生電暈電暈導致發(fā)光、發(fā)熱損失雷電沖擊電壓的能量減小設備上的雷電過電壓有利于保護設備絕緣第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程83現(xiàn)在是83頁\一共有191頁\編輯于星期六工業(yè)應用除菌及清鮮空氣

利用空氣中電暈放電，控制產生一定濃度臭氧(強氧化劑)，達到殺菌及清潔空氣的作用(目前消毒柜和空調中所謂的等離子體空氣清新技術)污水處理

利用電暈放電的高頻脈沖高壓產生高濃度臭氧，與污水作用能夠分解污水中的有機物，去除臭氣，實現(xiàn)污水的處理煙氣處理

利用電暈放電的高功率脈沖形成高能活性離子，可以實現(xiàn)工廠煙氣的脫硫脫硝，凈化排污第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程84現(xiàn)在是84頁\一共有191頁\編輯于星期六（三）極不均勻電場的放電過程極不均勻電場中的放電存在明顯的極性效應。既放電的發(fā)展過程、氣息的電氣強度、擊穿電壓等都與電極的極性有關；極性的確定極性由表面電場較強的電極所決定兩個電極幾何形狀不同的場合極性取決于曲率半徑較小的電極的電位符號（“棒—板”間隙取決于棒電極電位）；幾何形狀相同（“棒—棒”間隙）取決于不接地的那個電極上的電位。理論基礎短間隙——流注理論長間隙——先導放電（雷電放電）第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程85現(xiàn)在是85頁\一共有191頁\編輯于星期六⒈短間隙極不均勻電場中的放電過程（棒－板間隙）⑴正極性（正棒—負板）非自持放電階段棒極附近強場區(qū)域內形成電子崩，電子崩頭部的電子被棒極中和，在棒極附近空間留下許多正離子，積聚起的正空間電荷，減少了緊貼棒極附近的電場，而略微加強了外部空間的電場，棒極附近難以造成流注，使得自持放電、即電暈放電難以形成E0—原電場；Eq—空間電荷電場；Ecom—合成電場E0(c)Ecom=E0+EqE0EEqx(a)(b)EqEq－－第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程86現(xiàn)在是86頁\一共有191頁\編輯于星期六流注發(fā)展階段電子崩進入棒電極，正電荷留在棒尖加強了前方（板極方向）的電場；電場的加強對形成流注發(fā)展有利。頭部前方產生新電子崩，吸引入流注頭部正電荷區(qū)內，加強并延長流注通道；流注及其頭部的正電荷使強電場區(qū)向前移，促進流注通道進一步發(fā)展，逐漸向陰極推進，形成正流注E0—原電場；Eq—空間電荷電場；Ecom—合成電場E0(c)Ecom=E0+EqE0EEqx(a)(b)EqEq－－第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程87現(xiàn)在是87頁\一共有191頁\編輯于星期六正空間電荷（正極性）削弱棒極附近電場棒極附近難以形成流注，起始電暈電壓高加強了正空間電荷外部朝向板極的電場有利于流注向間隙深處發(fā)展，故其擊穿電壓低正空間電荷積聚，削弱了電離積聚的正空間電荷在間隙深處加強電場第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程88現(xiàn)在是88頁\一共有191頁\編輯于星期六⑵負極性（負棒—正板）非自持放電階段電子崩中電子離開強電場區(qū)后，難以再引起電離，正離子逐漸向棒極運動，在棒極附近出現(xiàn)了比較集中的正空間電荷，使電場畸變棒極附近的電場得到增強，因而自待放電條件就易于得到滿足，易于轉入流注而形成電暈放電E0—原電場；Eq—空間電荷電場；Ecom—合成電場Ecom=E0+Eq(c)

E0EEqx(a)(b)

E0＋＋EqEq第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程89現(xiàn)在是89頁\一共有191頁\編輯于星期六流注發(fā)展階段電子崩由強場區(qū)向弱場區(qū)發(fā)展，對電子崩發(fā)展不利。棒極前的正電荷區(qū)消弱了前方（陽極方向）空間的電場，使流注發(fā)展不利等離子體層前方電場足夠強后，發(fā)展新電子崩，形成了大量二次電子崩，匯集起來后使得等離子體層向陽極推進，形成負流注E0—原電場；Eq—空間電荷電場；Ecom—合成電場Ecom=E0+Eq(c)

E0EEqx(a)(b)

E0＋＋EqEq第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程90現(xiàn)在是90頁\一共有191頁\編輯于星期六正空間電荷（負極性）加強棒極附近電場棒極附近易于形成流注，起始電暈電壓低削弱了正空間電荷外部朝向板極的電場不利于流注向間隙深處發(fā)展，放電發(fā)展困難，故其擊穿電壓高正空間電荷積聚，加強了電離積聚的正空間電荷在間隙深處減弱電場第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程91現(xiàn)在是91頁\一共有191頁\編輯于星期六結論正極性（正棒—負板）負極性（負棒—正板）電暈起始電壓高低間隙擊穿電壓低高在相同氣隙下第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程92現(xiàn)在是92頁\一共有191頁\編輯于星期六⑶放電進一步發(fā)展外電壓較低時，流注通道深入間隙一段距離后，就停止不前了，形成電暈放電或刷狀放電外電壓足夠高時，流注通道將一直達到另一電極，從而導致間隙完全擊穿第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程93現(xiàn)在是93頁\一共有191頁\編輯于星期六⒉長間隙極不均勻電場中的放電過程（棒－板間隙）正棒—負板間隙中先導通道的發(fā)展（ａ）先導和其頭部的流注ｋｍ；（ｂ）流注頭部電子崩的形成；（ｃ）ｋｍ由流注轉變?yōu)橄葘Ш托纬闪髯ⅲ恚?；（ｄ）流注頭部電子崩的形成；間隙距離較長時(如棒—板間隙遠離大于1米時)，在流注通道還不足于貫通整個間隙的電壓下，仍可能發(fā)展起擊穿過程。流注通道發(fā)展到足夠的長度后，將有較多的電子循通道流向電極，通過通道根部的電子最多，于是流注根部溫度升高，出現(xiàn)熱電離過程。這個具有熱電離過程的通道稱為先導通道。第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程94現(xiàn)在是94頁\一共有191頁\編輯于星期六⑴正先導流注根部溫度升高熱電離過程先導通道電離加強，更為明亮電導增大軸向場強更低發(fā)展速度更快長空氣間隙的平均擊穿場強遠低于短間隙第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程95現(xiàn)在是95頁\一共有191頁\編輯于星期六負棒—正板，正空間電荷大大加強棒極附近原已很強的電場，該區(qū)域發(fā)生強烈的電離，高場強和大電流密度，使棒極附近產生熱電離，形成負先導負空間電荷在通道前端形成反向電場—電場屏蔽，屏蔽減弱后，又發(fā)展新負流注、新負先導。接著，重復第一階段的過程，使先導通道又向前推進一段。在長間隙中，這樣的過程可能重復多次，使負先導通道的前進具有分級的特性。前伸的平均速度是正先導的1/5~1/3⑵負先導第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程96現(xiàn)在是96頁\一共有191頁\編輯于星期六⑶主放電過程當先導通道頭部發(fā)展到接近對面電極時，將發(fā)生十分強烈的放電過程，這個過程將沿著先導通道以一定速度向反方向擴展到棒極，這個過程稱為主放電過程。主放電過程使貫穿兩極間的通道成為溫度很高、電導很大、軸向場強很小的等離子體火花通道(如電源功率足夠，則轉為電弧通道)，從而使氣隙完全失去了絕緣性能，氣隙被擊穿。1—主放電通道2—主放電和先導通道的交界區(qū)3—先導通道第四節(jié)不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程返回97現(xiàn)在是97頁\一共有191頁\編輯于星期六第五節(jié)持續(xù)電壓作用下氣體的擊穿特性（教材P31）氣體擊穿電壓與電場分布有關

均勻、稍不均勻、極不均勻氣體擊穿電壓與電壓形式有關

直流、交流、雷電沖擊、操作沖擊氣體擊穿電壓與氣體種類有關空氣、電負性氣體氣體擊穿電壓與氣體狀態(tài)有關氣體的氣壓、溫度、濕度、海拔高度影響氣體間隙擊穿電壓的主要因素98現(xiàn)在是98頁\一共有191頁\編輯于星期六第五節(jié)持續(xù)電壓作用下氣體的擊穿特性（一）均勻電場中的擊穿電壓⒈特點通常只有間隙不大時的擊穿電壓實驗數(shù)據(jù)；間隙過大，距離過長，電場便不再是均勻電場擊穿電壓和電極極性無關（無極性效應）；直流、工頻擊穿電壓（峰值）以及50％沖擊擊穿電壓都相同，分散性很小99現(xiàn)在是99頁\一共有191頁\編輯于星期六⒉經驗公式擊穿電壓峰值平均擊穿場強

式中：d—極間距離；

δ—空氣相對密度。Ub隨著d的增大而顯著增加；Eb基本不變，但隨著d過大，電場的均勻強度減弱，則Eb會稍稍下降。在d=1～10cm

的范圍內，其擊穿場強約30kV/cm

。擊穿電壓與極間距離的關系第五節(jié)持續(xù)電壓作用下氣體的擊穿特性100現(xiàn)在是100頁\一共有191頁\編輯于星期六（二）稍不均勻電場中的擊穿電壓⒈特點擊穿前不能形成穩(wěn)定的電暈放電；電場不對稱時，有極性效應，不很明顯；直流、工頻下的擊穿電壓(幅值)以及50％沖擊擊穿電壓相同，分散性不大；擊穿電壓和電場均勻程度關系極大，電場越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓就越高。典型電極球—球間隙、球—板間隙、圓柱—板、同軸圓柱間隙第五節(jié)持續(xù)電壓作用下氣體的擊穿特性101現(xiàn)在是101頁\一共有191頁\編輯于星期六⒉球—球間隙：擊穿電壓影響因數(shù)極性效應d＜(D/4)：電場均勻，擊穿電壓分散性小，無極性效應；D＞(D/4)：大地對電場的畸變作用使間隙電場分布不對稱，擊穿電壓分散性大，電場最強的電極為負極性時的擊穿電壓略低于正極性時的數(shù)值。電場均勻程度影響：同一間隙距離下，球電極直徑越大，擊穿電壓也越高。第五節(jié)持續(xù)電壓作用下氣體的擊穿特性102現(xiàn)在是102頁\一共有191頁\編輯于星期六（三）極不均勻電場中的擊穿電壓特點影響擊穿電壓的主要因素是間隙距離短氣隙：流注理論；長氣隙：先導放電選擇電場極不均勻的極端情況典型電極來研究棒(尖)—板：電場分布不對稱棒(尖)—棒(尖)：電場分布對稱根據(jù)典型電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)來估計絕緣距離直流、工頻及沖擊擊穿電壓間的差別比較明顯，分散性較大第五節(jié)持續(xù)電壓作用下氣體的擊穿特性103現(xiàn)在是103頁\一共有191頁\編輯于星期六直流電壓下的擊穿電壓具有明顯的極性效應負極性的擊穿電壓＞正極性的擊穿電壓棒—棒電極間的擊穿電壓介于極性不同的棒—板電極之間極間距離不大時的擊穿場強正棒—負板：7.5kV/cm負棒—正板：20kV/cm極間距離很大時的擊穿場強正棒—負板：4.5kV/cm負棒—正板：10kV/cm第五節(jié)持續(xù)電壓作用下氣體的擊穿特性104現(xiàn)在是104頁\一共有191頁\編輯于星期六工頻電壓下的擊穿電壓擊穿在棒的極性為正、電壓達到幅值時發(fā)生間隙距離小于2.5cm，擊穿電壓和距離近似直線關系平均擊穿場強(幅值)：棒—棒間隙為5.36kV/cm，棒—板間隙為4.8kV/cm“飽和現(xiàn)象”：距離加大，平均擊穿場強明顯降低，棒—板間隙尤為嚴重第五節(jié)持續(xù)電壓作用下氣體的擊穿特性返回105現(xiàn)在是105頁\一共有191頁\編輯于星期六第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性

（教材P18、P35）（一）雷電沖擊電壓的標準波形非周期性雙指數(shù)衰減波參數(shù)：波前時間：T1=1.2μs±30%（反應上升速度）半峰值時間：T2=50μs±20%（反應下降速度）標準波形通用寫法±1.2/50μs標準雷電沖擊電壓波106現(xiàn)在是106頁\一共有191頁\編輯于星期六第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性標準雷電截波0.900.31

u/Um0’T1Tct參數(shù)：波前時間：T1=1.2μs±30%（反應上升速度）半峰值時間：T2=2～5μs

（反應下降速度）標準波形通用寫法±1.2/2～5μs

注意：雷電電壓具有沖擊性。上升速度和下降速度都非常快。107現(xiàn)在是107頁\一共有191頁\編輯于星期六（二）放電時間（教材P18）氣隙擊穿的必備條件足夠大的電場強度或足夠高的電壓；在氣隙中存在有效電子；有效電子→引起電子崩并導致流柱和主放電需要有一定的時間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿。持續(xù)電壓（直流、工頻電壓），電壓的變化速度很小。相比之下放電發(fā)展所需時間可以忽略不計，當氣體狀態(tài)不變時，一定距離的間隙的擊穿電壓具有確定的數(shù)值。非持續(xù)電壓下（雷電、操作沖擊電壓），因為電壓波來去速度很快，放電發(fā)展速度就不能忽略不計了。間隙的擊穿電壓與作用電壓的波形（即作用時間）有很大關系第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性108現(xiàn)在是108頁\一共有191頁\編輯于星期六氣隙放電時間的構成⑴概念靜態(tài)擊穿電壓—長時間作用在氣隙上能使氣隙擊穿的電壓；僅為必要條件，要使間隙擊穿，必須使該電壓持續(xù)作用一段時間擊穿時間（放電時間）—從開始加壓的瞬間起到氣隙完全被擊穿的時間。第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性109現(xiàn)在是109頁\一共有191頁\編輯于星期六⑵構成tst1tftlagtbUutUs第一階段升壓時間t1（0→Us靜態(tài)擊穿電壓）：擊穿過程可能并未開始對于持續(xù)電壓（直流、工頻電壓）：此階段電壓升到Us，氣隙即及被擊穿；非持續(xù)電壓下（雷電、操作沖擊電壓）：由于t1非常短，即使電壓升到Us

，氣隙也不一定被擊穿。第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性110現(xiàn)在是110頁\一共有191頁\編輯于星期六tst1tftlagtbUutUs第二階段統(tǒng)計時延ts（Us→

出現(xiàn)第一個有效電子）：擊穿過程開始，具有統(tǒng)計性由于有效電子的出現(xiàn)是一個隨機事件，取決于很多偶然因素，所以ts具有分散性。ts每次都不一樣，要確定ts就要記錄多個時間值進行統(tǒng)計，故稱為統(tǒng)計時延。ts（平均值）的影響因數(shù)：電極材料、外加電壓、短波光照射、電場情況。第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性111現(xiàn)在是111頁\一共有191頁\編輯于星期六tst1tftlagtbUutUs第三階段放電形成時延tf（出現(xiàn)第一個有效電子→氣隙被擊穿

）：具有統(tǒng)計性對于湯遜理論：α過程+γ過程→氣隙被擊穿；對于流注理論：電子碰撞電離+流注的形成→氣隙被擊穿tf的影響因數(shù)：間隙長度、電場均勻度、外加電壓；第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性112現(xiàn)在是112頁\一共有191頁\編輯于星期六放電時間構成的總結tst1tftlagtbUutUs總放電時間tbtb＝t1+ts+tf（統(tǒng)計性）放電時延tlagtlag=ts+tf（統(tǒng)計性）第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性113現(xiàn)在是113頁\一共有191頁\編輯于星期六（三）雷電沖擊50%擊穿電壓（U50%）

50%沖擊擊穿電壓——擊穿百分比為50%的擊穿電壓。由于放電時延和放電時間均具有統(tǒng)計分散性，多次重復施加電壓時可能有幾次擊穿而另幾次沒擊穿。隨著電壓的提高，發(fā)生擊穿的百分比將越來越大。直到每次施加電壓都擊穿。工程實際中廣泛采用擊穿百分比為50%時的電壓U50%

來表征氣隙的沖擊擊穿特性。在實際中施加10次電壓有4～6次擊穿，就可認為這一電壓為氣隙的U50%

沖擊擊穿電壓。第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性114現(xiàn)在是114頁\一共有191頁\編輯于星期六雷電沖擊電壓下均勻電場和稍不均勻電場的擊穿特性擊穿電壓分散性小，U50%

和Us相差很?。粵_擊系數(shù)β均勻電場、稍不均勻電場：

β＝1雷電沖擊電壓下極不均勻電場的擊穿特性放電時延tlag比較長；擊穿電壓分散性大，U50%

和Us相差很大；極不均勻電場：

β＞1第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性115現(xiàn)在是115頁\一共有191頁\編輯于星期六（四）伏秒特性伏秒特性曲線——同一波形、不同幅值的沖擊電壓作用下，間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時間的關系曲線。概念由于氣隙的擊穿存在時延現(xiàn)象，所以其沖擊擊穿特性最好用電壓和時間兩個參量來表示，這種在“電壓—時間”平面上形成的曲線，通常成為伏秒特性，它表示該氣隙的沖擊擊穿電壓與放電時間的關系。第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性116現(xiàn)在是116頁\一共有191頁\編輯于星期六伏秒特性的制定方法（用實驗方法求?。┍３譀_擊電壓波形不變，逐漸提高沖擊電壓的峰值電壓較低，放電時間長，擊穿發(fā)生在波尾（圖中1、2）電壓較高，放電時間短，擊穿發(fā)生在波頭（圖中3）將1、2、3點連接完成伏秒特性曲線縱坐標：沖擊電壓幅值橫坐標：放電時間縱坐標：沖擊電壓瞬時值橫坐標：放電時間第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性117現(xiàn)在是117頁\一共有191頁\編輯于星期六實際曲線由于放電時間具有分散性，于是每一級電壓下可得一系列放電時間，所以實際上伏秒特性是以上、下包線為界的帶狀區(qū)域。注意：工程上，常采用將平均放電時間各點相連所得的平均伏秒特性或50%

伏秒特性曲線來表征一個氣隙的沖擊擊穿電壓。第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性118現(xiàn)在是118頁\一共有191頁\編輯于星期六電場均勻程度對曲線的影響均勻電場不均勻電場Ubtb均勻或稍不均勻電場形狀：曲線較為平坦；原因：由于擊穿時平均場強較高，流注發(fā)展較快，放電時延很短。極不均勻電場形狀：曲線較陡；原因：由于擊穿時平均場強較低，而且流注總是從強場區(qū)向弱場區(qū)發(fā)展，放電速度受到電場分布影響，所以放電時延長。第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性119現(xiàn)在是119頁\一共有191頁\編輯于星期六第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性伏秒特性的用途主要用于比較不同設備絕緣的沖擊特性，即用于絕緣配合。S1—被保護設備的伏秒特性曲線S2—保護設備的伏秒特性曲線總結：為了使被保護設備得到可靠的保護，被保護設備絕緣的伏秒特性曲線的下包線必須始終高于保護設備的伏秒特性曲線的上包線。問題：S1是___伏秒特性曲線。S2是___伏秒特性曲線。A保護設備；B被保護設備120現(xiàn)在是120頁\一共有191頁\編輯于星期六這二者無法進行有效的絕緣配合。第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性121現(xiàn)在是121頁\一共有191頁\編輯于星期六極不均勻電場中U50%雷電沖擊電壓的擊穿特性（教材P35）棒—板棒—棒棒—棒棒—板棒—板間隙有明顯的極性效應；棒—棒間隙也有不大的極性效應；棒—棒間隙中不同極位接地會使得棒極附近的電場強度發(fā)生變化，從而會顯出較弱的極性效應第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性122現(xiàn)在是122頁\一共有191頁\編輯于星期六氣隙電壓類型近似計算公式(d,cm;Ub,kV)氣隙電壓類型近似計算公式(d,cm;Ub,kV)棒—棒工頻交流Ub=70+5.25d棒—板工頻交流Ub=40+5d正極性雷電沖擊Ub=75+5.6d正極性雷電沖擊Ub=40+5d負極性雷電沖擊Ub=110+6d負極性雷電沖擊Ub=215+6.7d

U50%雷電沖擊電壓的經驗公式空氣中棒間隙的工頻擊穿電壓（幅值）和雷電沖擊50%擊穿電壓的近似計算公式如下表（標準大氣條件，極間距離

d>40cm)第六節(jié)雷電沖擊電壓下氣體的擊穿特性及伏秒特性返回123現(xiàn)在是123頁\一共有191頁\編輯于星期六第七節(jié)操作沖擊電壓下氣體的擊穿特性（一）操作沖擊電壓的標準波形0.510

u/UmTcrT2t非周期性雙指數(shù)衰減波參數(shù)：波前時間：Tcr=250μs±20%（反應上升速度）半峰值時間：T2=2500μs±60%（反應下降速度）標準波形通用寫法250/2500μs124現(xiàn)在是124頁\一共有191頁\編輯于星期六第七節(jié)操作沖擊電壓下氣體的擊穿特性u0UmTcrtTcr=1000～

1500us衰減震蕩操作沖擊波參數(shù)：波前時間：Tcr=1000～1500μs

（反應上升速度）極性相反的第二個半波的峰值約為第一個半波峰值的80%

125現(xiàn)在是125頁\一共有191頁\編輯于星期六（二）操作沖擊50%擊穿電壓操作沖擊電壓下均勻電場和稍不均勻電場的擊穿特性與雷電沖擊50%擊穿電壓、工頻擊穿電壓（峰值）相同，且分散性小操作沖擊電壓下極不均勻電場的擊穿特性圖2-12極性效應正極性下50％擊穿電壓比負極性下低第七節(jié)操作沖擊電壓下氣體的擊穿特性126現(xiàn)在是126頁\一共有191頁\編輯于星期六電場分布的影響“鄰近效應”：接地物體靠近放電間隙會顯著降低其正極性擊穿電壓，但能多少提高一些負極性擊穿電壓圖2-12飽和現(xiàn)象隨著氣隙長度增加，除了負極性“棒—棒”氣隙外，其它棒間隙的“飽和”現(xiàn)象十分明顯。電氣強度最差的“棒—板”間隙飽和現(xiàn)象最為嚴重。顯然，這時在增大“棒—板”氣隙的長度，已不能有效的提高其擊穿電壓。第七節(jié)操作沖擊電壓下氣體的擊穿特性127現(xiàn)在是127頁\一共有191頁\編輯于星期六波形的影響在一定波前時間范圍內，U50%甚至會比工頻擊穿電壓低，呈現(xiàn)出“U形曲線”。故對于220kV的超高壓輸電系統(tǒng)和電力設備，應按操作過電壓的電氣特性進行絕緣設計?！癠形曲線”是放電時延和空間電荷(形成及遷移)這兩類不同因素的影響所造成的。教材P36對應極小值的波前時間隨著間隙距離加大而增加。對7m以下的間隙，在50～200μs這段時間內，氣息的擊穿最易發(fā)生。第七節(jié)操作沖擊電壓下氣體的擊穿特性128現(xiàn)在是128頁\一共有191頁\編輯于星期六分散性大波前時間在數(shù)十到數(shù)百位秒之間：U50%的標準偏差約為5%。波前時間超過1000μs以后，可達8％。

50％擊穿電壓極小值的經驗公式第七節(jié)操作沖擊電壓下氣體的擊穿特性返回129現(xiàn)在是129頁\一共有191頁\編輯于星期六第八節(jié)SF6和氣體絕緣電氣設備（一）SF6的物理化學特性無色、無味的氣體，具有較高的電氣強度，優(yōu)良的滅弧性能，良好的冷卻特性，不可燃；SF6擊穿電壓是空氣的3倍，滅弧性能大約是空氣的100倍SF6分子中，6個氟原子圍繞硫原子對稱排布成正八面體，化學性能穩(wěn)定純SF6是一種無毒氣體，但它會因引起