技能培訓(xùn)專題 氣體放電的基本物理過程（一）及氣體間隙的放電（一）

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程 35.1 氣體中帶電質(zhì)點的產(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能，原子處于激勵態(tài)電離電位為，；激勵態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時，輻射出相應(yīng)能量的光子，光子的頻率 普朗克常數(shù) 電離過程的表示： （熱電離） （光輻射電離） （碰撞電離） 常溫下的放電過程，碰撞電離是最重要的電離方式 35.1.2 氣體的分級電離 氣體的原子或分子在激勵態(tài)（激勵能為）再獲得能量而發(fā)生電離稱為分級電離，這種情況下電離所需的能量僅為 亞穩(wěn)原子有很長的平均壽命（10-3 秒或更長）。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，即使它們的動能較低，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)殡娮拥膭幽?，或使離子激發(fā)。這種過程,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 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強場發(fā)射④光電子發(fā)射 35.1.4 帶電質(zhì)點的擴散和復(fù)合 帶電粒子的擴散 帶電粒子從濃度較大的區(qū)域運動到濃度較小的區(qū)域。 電子的擴散速度比離子快得多。 氣壓越低，溫度越高，擴散越快。 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、還原為分子的過程 在帶電質(zhì)點的復(fù)合過程中會發(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。通常放電過程中離子間的復(fù)合更為重要 一定空間內(nèi)帶電質(zhì)點由于復(fù)合而減少的速度決定于其濃度 35.2 電子崩和電子碰撞電離系數(shù) O點：由于光輻射的作用，在氣隙中存在一定量的自由電子 O點—A點：自由電子在外電場作用下的運動速度增加，同時發(fā)生復(fù)合的可能性減少 A點：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—B點：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：此時外電場達到一定程度，能夠產(chǎn)生額外的自由電子 B點—C點：隨著外電場的增強，自由電子的數(shù)量和運動速度同時快速增加 一個起始電子自電場獲得一定動能后，會碰撞電離出一個第二代電子；這兩個電子作為新的第一代電子，又將電離出新的第二代電子，這時空間已存在四個自由電子；這樣一代一代不斷增加的過程，會使電子數(shù)目迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣。 a 電離系數(shù) 一個電子沿著電場方向行經(jīng)1cm長度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù) 設(shè)電子在均勻電場中行經(jīng)距離x而未發(fā)生碰撞，則此時電子從電場獲得的能量為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 對于均勻電場，a 不隨空間位置而變 相應(yīng)的電子電流增長規(guī)律為 令x＝d，得進入陽極的電子電流，此即外回路中的電流 在lcm長度內(nèi)，一個電子的平均碰撞次數(shù)為l／l 其中 是電子自由行程超過xi 而發(fā)生的碰撞 ，即電離碰撞次數(shù) 氣體溫度不變時，1／l ＝Ap，并令A(yù)Ui＝B，可得 結(jié)論：場強較大時，電子碰撞電離系數(shù)較大；在氣壓較大或較小時，電子碰撞電離系數(shù)較小 隨著氣隙中場強增大，電子和離子在與氣體分子相鄰兩次碰撞間所積累的動能也增加，場強高達某一定值，使這種能量的積累達到撞擊游離所需值時，氣體中即可發(fā)生撞擊游離。游離出來的電子又參加到撞擊游離的過程中去。于是游離過程就像雪崩似地增長起來，稱為電子崩 此時電流也相應(yīng)地有較大的增長，但在場強小于某臨界值 Ecr時，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)場強達到或超過Ecr值時，這種電子崩已可僅由電場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)入自持放電的場強稱為臨界場強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，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值較小時的情況 在均勻電場中也就是導(dǎo)致?lián)舸┑臈l件設(shè) n0＝1 放電有非自持轉(zhuǎn)入自持的條件為 在均勻電場中，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，放電具有通道形式 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 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 2．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 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36章 氣體間隙的放電 36.1 電場均勻度對放電的影響 36.1.1 電場不均勻系數(shù) 均勻電場是一種少有的特例，在實際電力設(shè)施中常見的卻是不均勻電場。為了描述各種結(jié)構(gòu)的電場不均勻程度，可引入一個電場不均勻系數(shù)f，表示為 Emax：最大電場強度 平均電場強度 f<2時為稍不均勻電場， f>4屬不均勻電場 36.1.2 均勻場和稍不均勻場中的放電 均勻電場中的擊穿電壓與電壓的極性無關(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；為空氣相對密度 對于稍不均勻場間隙，擊穿電壓可按下式估算 36.1.3 極不均勻場中的放電 特點：1.影響擊穿電壓的主要因素是間隙距離 2.選擇電場極不均勻的極端情況作為典型電極研究： 棒-板：電場分布不對稱 棒-棒： 電場分布對稱 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)來估計絕緣距離 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，平均擊穿場強： 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(guān)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(yán)重 6頁