技能培訓(xùn)專(zhuān)題 氣體放電的基本物理過(guò)程（一）及氣體間隙的放電（一）

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1、 第5篇 高電壓與絕緣技術(shù) 第35章 氣體放電的基本物理過(guò)程 35.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失 35.1.1 氣體的電離 原子在外界因素作用下，使其一個(gè)或幾個(gè)電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過(guò)程稱為原子的電離，它是氣體放電的首要前提。其所需要的能量成為電離能。 原子在外界因素作用下，其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)，所需的能量稱為激勵(lì)能，原子處于激勵(lì)態(tài)電離電位為，；激勵(lì)態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，輻射出相應(yīng)能量的光子，光子的頻率 普朗克常數(shù) 電離過(guò)程的表示： （熱電離） （光輻射電離） （碰撞電離） 常溫下的放電過(guò)程，碰撞電離是最重要的電離方式 35.

2、1.2 氣體的分級(jí)電離 氣體的原子或分子在激勵(lì)態(tài)（激勵(lì)能為）再獲得能量而發(fā)生電離稱為分級(jí)電離，這種情況下電離所需的能量?jī)H為 亞穩(wěn)原子有很長(zhǎng)的平均壽命（10-3 秒或更長(zhǎng)）。在混合氣體中,當(dāng)一種氣體的亞穩(wěn)原子同另一種氣體的原子或分子碰撞時(shí)，即使它們的動(dòng)能較低，只要前者的激發(fā)能大于后者的電離能，后者將被電離，前者則返回基態(tài)。多余的能量就轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥膭?dòng)能，或使離子激發(fā)。這種過(guò)程,稱彭寧電離,或稱彭寧效應(yīng)。由于惰性氣體的亞穩(wěn)原子有較大的激發(fā)能，在含有惰性氣體的混合氣體放電中，彭寧電離比較有效。彭寧效應(yīng)還可以使放電管的點(diǎn)火電壓降低。從絕緣角度看，彭寧效應(yīng)不利 35.1.3 電極表面的電子逸出

3、逸出功 ：金屬的微觀結(jié)構(gòu) 、金屬表面狀態(tài) （小于電離能）：①熱電子發(fā)射②二次發(fā)射③強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射④光電子發(fā)射 35.1.4 帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和復(fù)合 帶電粒子的擴(kuò)散 帶電粒子從濃度較大的區(qū)域運(yùn)動(dòng)到濃度較小的區(qū)域。 電子的擴(kuò)散速度比離子快得多。 氣壓越低，溫度越高，擴(kuò)散越快。 帶電粒子的復(fù)合 正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過(guò)程 在帶電質(zhì)點(diǎn)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可能成為導(dǎo)致電離的因素 正、負(fù)離子間的復(fù)合概率要比離子和電子間的復(fù)合概率大得多。通常放電過(guò)程中離子間的復(fù)合更為重要 一定空間內(nèi)帶電質(zhì)點(diǎn)由于復(fù)合而減少的速度決定于

4、其濃度 35.2 電子崩和電子碰撞電離系數(shù) O點(diǎn)：由于光輻射的作用，在氣隙中存在一定量的自由電子 O點(diǎn)—A點(diǎn)：自由電子在外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)速度增加，同時(shí)發(fā)生復(fù)合的可能性減少 A點(diǎn)：由于光電離而產(chǎn)生的自由電子全部消失在外回路中 A點(diǎn)—B點(diǎn)：隨著外電壓的增加，自由電子數(shù)基本不變，電流值不變 B點(diǎn)：此時(shí)外電場(chǎng)達(dá)到一定程度，能夠產(chǎn)生額外的自由電子 B點(diǎn)—C點(diǎn)：隨著外電場(chǎng)的增強(qiáng)，自由電子的數(shù)量和運(yùn)動(dòng)速度同時(shí)快速增加 一個(gè)起始電子自電場(chǎng)獲得一定動(dòng)能后，會(huì)碰撞電離出一個(gè)第二代電子；這兩個(gè)電子作為新的第一代電子，又將電離出新的第二代電子，這時(shí)空間已存在四個(gè)自由電子；這樣一代一代不斷增加的

5、過(guò)程，會(huì)使電子數(shù)目迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣。 a 電離系數(shù) 一個(gè)電子沿著電場(chǎng)方向行經(jīng)1cm長(zhǎng)度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù) 設(shè)電子在均勻電場(chǎng)中行經(jīng)距離x而未發(fā)生碰撞，則此時(shí)電子從電場(chǎng)獲得的能量為eEx，電子如要能夠引起碰撞電離，必須滿足條件 只有那些自由行程超過(guò)xi＝Ui／E的電子，才能與分子發(fā)生碰撞電離 若電子的平均自由行程為l，自由行程大于xi的概率為 對(duì)于均勻電場(chǎng)，a 不隨空間位置而變 相應(yīng)的電子電流增長(zhǎng)規(guī)律為 令x＝d，得進(jìn)入陽(yáng)極的電子電流，此即外回路中的電流 在lcm長(zhǎng)度內(nèi)，一個(gè)電子的平均碰撞次數(shù)為l／

6、l 其中 是電子自由行程超過(guò)xi 而發(fā)生的碰撞 ，即電離碰撞次數(shù) 氣體溫度不變時(shí)，1／l ＝Ap，并令A(yù)Ui＝B，可得 結(jié)論：場(chǎng)強(qiáng)較大時(shí)，電子碰撞電離系數(shù)較大；在氣壓較大或較小時(shí)，電子碰撞電離系數(shù)較小 隨著氣隙中場(chǎng)強(qiáng)增大，電子和離子在與氣體分子相鄰兩次碰撞間所積累的動(dòng)能也增加，場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)某一定值，使這種能量的積累達(dá)到撞擊游離所需值時(shí)，氣體中即可發(fā)生撞擊游離。游離出來(lái)的電子又參加到撞擊游離的過(guò)程中去。于是游離過(guò)程就像雪崩似地增長(zhǎng)起來(lái)，稱為電子崩 此時(shí)電流也相應(yīng)地有較大的增長(zhǎng)，但在場(chǎng)強(qiáng)小于某臨界值 Ecr時(shí)，這種電子崩還必須有賴于外界游離因素所造成的原始游離

7、才能持續(xù)存在；如外界游離因素消失，則這種電子崩也隨之逐漸衰減以至消失，而不能自己維持下去。這種放電稱為非自持放電。 當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到或超過(guò)Ecr值時(shí)，這種電子崩已可僅由電場(chǎng)的作用而自行維持和發(fā)展，不必再依賴于外界游離因素了，這種性質(zhì)的放電稱為自持放電。 由非自持放電轉(zhuǎn)入自持放電的場(chǎng)強(qiáng)稱為臨界場(chǎng)強(qiáng)Ecr，相應(yīng)的電壓稱為臨界電壓Ucr。 35.3 自持放電條件 湯遜理論認(rèn)為，當(dāng)pd較小時(shí)，電子的碰撞電離和正離子撞擊陰極造成的表面電離起這主要作用，氣隙的擊穿電壓大體上是pd的函數(shù) 35.3.1 pd值較小時(shí)的情況 在均勻電場(chǎng)中也就是導(dǎo)致?lián)舸┑臈l件設(shè) n0＝1 放電有非自持轉(zhuǎn)入自持的

8、條件為 在均勻電場(chǎng)中，這也就是間隙擊穿的條件，上式具有清楚的物理意義 35.3.2pd值較大的情況 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(lái)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(shuō)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(guò)程，這可說(shuō)明為何很大Pd下?lián)舸╇妷汉完帢O材料基本無(wú)關(guān)了 第36

9、章 氣體間隙的放電 36.1 電場(chǎng)均勻度對(duì)放電的影響 36.1.1 電場(chǎng)不均勻系數(shù) 均勻電場(chǎng)是一種少有的特例，在實(shí)際電力設(shè)施中常見(jiàn)的卻是不均勻電場(chǎng)。為了描述各種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)不均勻程度，可引入一個(gè)電場(chǎng)不均勻系數(shù)f，表示為 Emax：最大電場(chǎng)強(qiáng)度 平均電場(chǎng)強(qiáng)度 f<2時(shí)為稍不均勻電場(chǎng)， f>4屬不均勻電場(chǎng) 36.1.2 均勻場(chǎng)和稍不均勻場(chǎng)中的放電 均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓與電壓的極性無(wú)關(guān)，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 式中d為間隙距離；為空氣相對(duì)密度 對(duì)于稍不均勻場(chǎng)間隙，擊穿電壓可按下式估算 36.1.3 極不均勻場(chǎng)中的放電 特點(diǎn)：1

10、.影響擊穿電壓的主要因素是間隙距離 2.選擇電場(chǎng)極不均勻的極端情況作為典型電極研究： 棒-板：電場(chǎng)分布不對(duì)稱 棒-棒： 電場(chǎng)分布對(duì)稱 3.這兩種氣隙擊穿電壓是不均勻氣隙擊穿電壓曲線的上下包線，根據(jù)典型電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)絕緣距離 4.直流、工頻及沖擊擊穿電壓間的差別比較明顯，分散性較大 直流電壓下的擊穿電壓 極性效應(yīng)：棒-棒電極間的擊穿電壓介于極性不同的棒-板電極之間 擊穿電壓與間隙距離接近正比，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)： 正棒—負(fù)板：4.5kV/cm；負(fù)棒—正板：10kV/cm；棒—棒：4.8~5.0kV/cm 工頻電壓下的擊穿電壓 擊穿在棒的極性為正、電壓達(dá)到幅值時(shí)發(fā)生，間隙距離小于2.5cm，擊穿電壓和距離近似直線關(guān)系： 平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)（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(chǎng)強(qiáng)明顯降低，棒—板間隙尤為嚴(yán)重 6頁(yè)