氣體放電的基本物理過程(二)

1流注氣體放電理論說明工程上感興趣的壓力較高和氣隙間距較長氣體的擊穿，如大氣壓力下空氣的擊穿特點(diǎn)：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素，并強(qiáng)調(diào)了空間電荷畸變電場的作用

流注理論的放電原理第一頁第二頁，共36頁。2流注理論的發(fā)展階段電子崩階段空間電荷畸變外電場

流注階段

光電離形成二次電子崩，等離子體

第二頁第三頁，共36頁。31.電子崩階段電子崩外形：好似球頭的錐體，空間電荷分布極不均勻

例如，正常大氣條件下，若E＝30kV／cm，則

11cm-1，計(jì)算得隨著電子崩向陽極推進(jìn)，崩頭中的電子數(shù)第三頁第四頁，共36頁。4空間電荷畸變外電場大大加強(qiáng)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：電場明顯增強(qiáng)，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)，放射出光子崩頭內(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)射出光子第四頁第五頁，共36頁。52.流注階段當(dāng)電子崩走完整個(gè)間隙后，大密度的頭部空間電荷大大加強(qiáng)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，在受到畸變而加強(qiáng)了的電場中，造成了新的電子崩，稱為二次電子崩

光電離、二次電子崩1—主電子崩2—二次電子崩3—流注第五頁第六頁，共36頁。6正流注的形成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)（電場強(qiáng)度較小），大多形成負(fù)離子。大量的正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成了等離子體，這就是正流注

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(qiáng)的電場1—主電子崩2—二次電子崩3—流注第六頁第七頁，共36頁。7正流注向陰極推進(jìn)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報(bào)進(jìn)，且隨著流注接近陰極，其頭部電場越來越強(qiáng)，因而其發(fā)展也越來越快流注發(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(gè)電壓就是擊穿電壓

第七頁第八頁，共36頁。8自持放電條件一旦形成流注，放電就進(jìn)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，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件，在均勻電場中也就是導(dǎo)致?lián)舸┑臈l件自持放電的條件：第八頁第九頁，共36頁。9流注理論對(duì)pd很大時(shí)放電現(xiàn)象的解釋

1．放電外形Pd很大時(shí)，放電具有通道形式

當(dāng)某個(gè)流注由于偶然原因發(fā)展更快時(shí)，將抑制其它流注的形成和發(fā)展，并且隨著流注向前推進(jìn)而越來越強(qiáng)烈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2．放電時(shí)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(shí)放電時(shí)間特別短的現(xiàn)象3．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)了第九頁第十頁，共36頁。10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11082108cm/s第十頁第十一頁，共36頁。復(fù)習(xí)巴申定律氣壓和溫度對(duì)于起始電壓的影響流注理論間距較大電子崩過程中產(chǎn)生的帶電粒子畸變外電場電子崩頭尾場強(qiáng)增大，內(nèi)部減弱頭部附近發(fā)生激勵(lì)，內(nèi)部發(fā)生復(fù)合向外界發(fā)出光子發(fā)生空間光電離第十一頁第十二頁，共36頁。CompanyLogo畢業(yè)論文答辯張寧

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§1.6不均勻電場中的放電過程第十二頁第十三頁，共36頁。13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f<2時(shí)，稍不均勻電場f>4后，極不均勻電場第十三頁第十四頁，共36頁。14不同電場均勻程度下的氣體擊穿特點(diǎn)電場比較均勻的情況放電達(dá)到自持時(shí)，

在整個(gè)間隙中部巳達(dá)到相當(dāng)數(shù)值。這時(shí)和均勻電場中情況類似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

達(dá)到足夠數(shù)值時(shí)，間隙中很大一部分區(qū)域

也都已達(dá)相當(dāng)數(shù)值，流注一經(jīng)產(chǎn)生，隨即發(fā)展至貫通整個(gè)間隙，導(dǎo)致間隙完全擊穿電場極不均勻的情況當(dāng)曲率半徑較小電極附近

已達(dá)相當(dāng)數(shù)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，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第十四頁第十五頁，共36頁。15電暈起始電壓和電暈起始場強(qiáng)

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

皮克公式：m——導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)——空氣相對(duì)密度r——導(dǎo)線半徑第十五頁第十六頁，共36頁。對(duì)工程實(shí)踐有重要意義

不利影響：能量損失；放電脈沖引起的高頻電磁波干擾；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值及陡度；利用電暈放電改善電場分布，提高擊穿電壓；利用電暈放電除塵等第十六頁第十七頁，共36頁。17極不均勻電場中的放電過程1.非自持放電階段當(dāng)棒具有正極性時(shí)在棒極附近，積聚起正空間電荷，減少了緊貼棒極附近的電場，而略微加強(qiáng)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

Eex—外電場

Esp—空間電荷的電場第十七頁第十八頁，共36頁。18當(dāng)棒具有負(fù)極性時(shí)

電子崩中電子離開強(qiáng)電場區(qū)后，不再引起電離，正離子逐漸向棒極運(yùn)動(dòng)，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(qiáng)，因而自待放電條件就易于得到滿足、易于轉(zhuǎn)入流注而形成電暈放電

Eex—外電場

Esp—空間電荷的電場第十八頁第十九頁，共36頁。19極性效應(yīng)

結(jié)論:棒為正極性時(shí)電暈起始電壓比負(fù)極性時(shí)高第十九頁第二十頁，共36頁。20當(dāng)棒具有正極性時(shí)流注等離子體頭部的正電荷減少等離子體中的電場，而加強(qiáng)其頭部電場電場加強(qiáng)的流注頭部前方產(chǎn)生新電子崩，其電子吸引入流注頭部正電荷區(qū)內(nèi)，加強(qiáng)并延長流注通道，其尾部的正離子構(gòu)成流注頭部的正電荷

流注及其頭部的正電荷使強(qiáng)電場區(qū)更向前移，促進(jìn)流注通道進(jìn)一步發(fā)展，逐漸向陰極推進(jìn)第二十頁第二十一頁，共36頁。21當(dāng)棒具有負(fù)極性時(shí)棒極的強(qiáng)電場區(qū)產(chǎn)生大量的電子崩，匯入圍繞棒極的正空間電荷，等離子體層呈擴(kuò)散狀分布，削弱前方電場在相當(dāng)一段電壓升高的范圍內(nèi)，電離只在棒極和等離子體層外沿之間的空間內(nèi)發(fā)展等離子體層前方電場足夠強(qiáng)后，發(fā)展新電子崩，其正電荷加強(qiáng)等離子體層前沿的電場，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(jìn)第二十一頁第二十二頁，共36頁。22極性效應(yīng)

結(jié)論：棒為負(fù)極性時(shí)擊穿電壓比正極性時(shí)高第二十二頁第二十三頁，共36頁。23外電壓較低時(shí)，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(shí)，流注通道將一直達(dá)到另一電極，從而導(dǎo)致間隙完全擊穿

第二十三頁第二十四頁，共36頁。CompanyLogo畢業(yè)論文答辯張寧

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§1.7放電時(shí)間和沖擊電壓下的擊穿第二十四頁第二十五頁，共36頁。25影響空氣間隙放電電壓的因素主要：電場情況：均勻、稍不均勻、極不均勻電壓形式：直流電壓、交流電壓、雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓大氣條件：氣壓、溫度、濕度電壓形式對(duì)空氣間隙放電電壓的影響第二十五頁第二十六頁，共36頁。26氣隙的擊穿時(shí)間

最低靜態(tài)擊穿電壓U0擊穿時(shí)間tb

升壓時(shí)間t1

、統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts

、放電發(fā)展時(shí)間tf、放電時(shí)延tl

短間隙(1厘米以下)tf<<ts

，平均統(tǒng)計(jì)時(shí)延

較長的間隙中

tlog主要決定于tf間隙上外施電壓增加，放電發(fā)展時(shí)間也會(huì)減小

第二十六頁第二十七頁，共36頁。沖擊電壓波性的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波第二十七頁第二十八頁，共36頁。第二十八頁第二十九頁，共36頁。標(biāo)準(zhǔn)雷電截波第二十九頁第三十頁，共36頁。30持續(xù)作用電壓直流電壓、工頻電壓

與電壓的變化速度相比，放電發(fā)展所需時(shí)間可以忽略不計(jì)。當(dāng)氣體狀態(tài)不變時(shí)，一定距離的間隙的擊穿電壓具有確定的數(shù)值，當(dāng)間隙上的電壓升高達(dá)到擊穿電壓時(shí)，間隙擊穿非持續(xù)作用電壓操作過電壓、雷電過電壓

持續(xù)時(shí)間極短（以微秒計(jì)），放電發(fā)展速度不能忽略不計(jì)，間隙的擊穿特性具有新的特點(diǎn)第三十頁第三十一頁，共36頁。312.操作沖擊50％擊穿電壓均勻電場和稍不均勻電場中的擊穿電壓

氣體間隙的操作沖擊50％擊穿電壓和雷電沖擊50％擊穿電壓以及工頻擊穿電壓（幅值）相同擊穿電壓的分散性也較小，擊穿同樣發(fā)生在幅值

第三十一頁第三十二頁，共36頁。32伏秒特性的制訂方法工程上用間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時(shí)間的關(guān)系來表征間隙在沖擊電壓下的擊穿特性伏秒特性用實(shí)驗(yàn)方法求取放電時(shí)間具有分散性，實(shí)際上伏秒特性是以上、下包線為界的一個(gè)帶狀區(qū)域

第三十二頁第三十三頁，共36頁。小結(jié)放電時(shí)間的組成沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波標(biāo)準(zhǔn)雷電截波標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波沖擊電壓下氣隙的擊穿特