高电压技术复习资料课件

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1、(1),第一章 气体放电的基本物理过程,第一节 气体放电的基本物理过程 第二节 电子崩 第三节 自持放电条件 第四节 起始电压与气压的关系 第五节 气体放电的流注理论 第六节 不均匀电场的放电过程 第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿 第八节 沿面放电和污闪事故,(2),电介质电气强度,第一章 气体放电的基本物理过程,研究气体放电的主要目的：,1、在高电压强电场作用下，由电介质向导体演变的过程。,2、了解电介质的电气强度及提高方法。,(3),一、带电粒子在气体中的运动（一）、自由行程长度 当气体中存在电场时，其中的带电粒子将具有复杂的运动轨迹，它们一方面与中性的气体粒子（原子或分子）一样，进

2、行着混乱热运动，另一方面又将沿着电场作定向漂移。,第一节 带电粒子的产生和消失,各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞。单位行程中的碰撞次数Z的倒数即为该粒子的平均自由行程长度。 实际的自由行程长度是随即量，并有很大的分散性，粒子的平均自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为 (1-1),自由行程长度,(4),可见实际的自由行程长度等于或大于平均自由行程长度的概率为36.8%,由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所以电子的平均自由形成长度要比离子或气体分子的得多。由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度,1-2,式中 r-气体分子的半径； N-气体分子的密； 由于 ，代入上式即得,1-3,

3、平均自由程长度,(5),式中 p-气压，Pa； T-气温，K； k-波尔茨曼常数，,在大气压和常温下，电子在空气中的平均自由行程长度的数量级为10-5 cm。,（二）带电粒子的迁移率 带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞，但在电场力的驱动下，仍将沿着电场方向漂移，其速度u与场强E其比例系数k=u/E，成为迁移率，它表示该带电粒子单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。 由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。,带电粒子的迁移率,带电粒子的迁移率,(6),( 三 ) 扩散 气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度

4、有关。在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程叫扩散。气压越低，则扩散进行的越快。电子的热运动速度大、自由形成长度大，所以其扩散速度也要比离子快得多。,二、带电粒子的产生,产生 带电带电离子的过程称为电离，它是气体放电的首要前提。气体原子中的电子沿着原子核周围的圆形或椭圆形轨道围绕着带正电的原子核旋转。在常态下，电子处于离核最近的轨道上，因为这样势能最小。当原子获得外加能量时，一个或若干个电子可能转移到离核较远的轨道上去。这种现象叫激励。产生激励所需的能量（激励能）等于该轨道和常态轨道的能级差。,扩散、带电粒子的产生,(7),在

5、大气压和常温下，电子在空气中的平均自由形成长度的数量级为10-5 cm。激励状态存在的时间很短（例如10-8 s），电子将自动返回到常态轨道上去，这时产生激励时的所吸收的外加能量将以辐射能（光子）的形式放出。如果原子获得的外加能力足够大，电子还可以跃迁至离核更远的轨道上去，甚至摆脱原子核的约束而成为自由电子，这时原来中性的原子发生了电离，分解成两种带电粒子电子和正离子。使基态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称为电离能。,表1-1列出了某些常见气体的激励能和电离能之值，通常一电子伏 (eV) 表示由于电子电荷qe 恒等于 ，所以有时也可采用激励电位 Ue (V) 和电离电位

6、 Ui (V) 来代替激励能和电离能，以便在计算中排除 qe 值。,率,电离能,(8),表 1-1 某些气体的激励能和电离能,引起电离所需的能量可通过不同的形式传递给气体分子，诸如、热能、机械能（动）能，对应的电离过程称为光电离、热电离、碰撞电离。,子的迁移率,某些气体的激励能和电离能,(9),（一）光电离 频率为的光子能量为 W=h (1-4) 式中 h普郎克常数= 发生空间光电离的条件为 或者 (15) 式中 光的波长，m; c光速 ； Wi 气体的电离能，eV。,（一）光电离,(10),通过式 （1-5） 的计算可知，各种可见光都不可能使气体直接发生光电离，紫外线也只能使少数几种电离能特

7、别小的金属蒸汽发生光电离，只有那些波长更短的高能辐射线 （ 例如X 射线、 射线等）才能使气体发生光电离。,应该指出：在气体放电中，能导致气体光电离的光源不仅有外界的高能辐射线，而且还可能是气体放电本身，例如后面将要介绍的带电粒子复合的过程中， 就会放出辐射能而引起新的光电离。,（二）热电离 在常温下，气体分子发生热电离的概率级小。 气体中已发生电离的分子数与总分子的比值m 称为该气体的电离度 。,（二）热电离,(11),（三）碰撞电离 在电场中获得加速的电子在和气体分子碰撞时，可以把自己的动能转传给后者而引起碰撞电离。,下图是空气的电离度与温度的关系曲线，可以看出：只有在温度超过10000K

8、时 ( 例如电弧放电的情况 ) ，才需考虑热电离；而在温度达到20000K左右时，几乎全部空气分子都已处于热电离状态。,（三）碰撞电离,(12),电子在电场强度为 E 的电场中移过x 的距离时所获得的动能为,式中 m电子的质量； qe电子的电荷量。 如果 W 等于或大于气体分子的电离能Wi ，该电子就有足够的能量去完成碰撞电离，由此可得出电子引起碰撞电离的条件为,（16）,电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离 （式中 Ui 为气体的电离单位，在数值上与以 eV为单位的 Wi 相等）， xi 的大小取决与场强 E ，增大气体中的场强将使 xi 值减小，可见提高提高外加电场将使碰撞电离的概率和强

9、度增大。,（三）碰撞电离,(13),碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。应该强调的是，主要的碰撞电离均有电子完成，离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。,（四）电极表面电离 电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。各种金属的逸出功是不同的，如表1-2所示。,（四）电极表面电离,(14),比较表1-2 与表1-1，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。随着外加能量形式的不同，阴极表面电离可在下列情况下发生：,(1) 正离

10、子撞击阴极表面：通常正离子动能不大，可忽略，只有在它的势能等于或大于阴极材料逸出功两倍时，才能引起阴极表面电离，这个条件可满足。,(2) 光电子发射： 高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。,(3) 热电子发射： 金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。,阴极表面电离,(15),(4) 强场发射（冷发射）：当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），也能时阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响；在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更

11、起着决定性作用。,三、负离子的形成,当电子与气体与分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程成为附着。易于产生负离子的气体称为电负性气体。,四、带电粒子的消失,气体中带电粒子的消失有可有下述几种情况：,(1) 带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；,电离能,三、负离子的形成四、带电粒子的消失和,(16),(2) 带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。,(3) 带电粒子的复合。 气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，是与电离相反的一种过程。,励能和电离能,带电粒子的消失,(17),第二节

12、电子崩,外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子如果空间的电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，初始电子和新电子,继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生出更多的电子。 依次类推，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展,这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。,激励能,第二节电子崩,(18),电子碰撞电离系数 ，表示一个电子沿电场方向运 动1cm ，的行程所完成的碰撞电离次数平均值。,根据碰撞电离系数的定义，可得,分离变数并积分 ，可得,均匀电场，不随x 变化,电子碰撞电离系数,(19),抵达阳极的电子数,（1-7）,图中新增加的电子数或离子数,(1-8),将

13、式1-7的等号两侧乘以电子电荷qe 即成为电流关系式,(1-9),式（1-9）表示虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d 而增大，但这时的放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子（令I0=0 ),I 即变为零。,放,放电不能自持,(20),第三节 自持放电条件,在电场作用下，正离子向阴极运动，撞击阴极有可能引起表面电离而拉出电子，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动和产生新的电子崩。 如果电压( 电场强度 ）足够大，初始电子崩中的正离子能在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0，那么即使除去外界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强

14、度）就能维持下去，这就变成了自持放电了。,令 表示一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数，阴极表面单位时间内发射的电子数为nc , 到达阳极时将增加为na,(1-12),第三节 自持放电条件,(21),由上式可知：忽略正离子作用，即令=0，上式就变成. 即式(1-9)。如果 ，那么即使除去外电离因子 （I0=0), I 亦不等于零，即放电能维持下去,将式（1-12）代入上式两侧均乘以电子电荷qe，可得,（1-13）,可见自持放电条件应为,（1-14）,第三节 自持放电条件,自持放电条件,(22),式（1-14）包含的物理意义为：一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正电子数为 ead

15、-1 ,这批在阴极上造成的二次自由电子数应为(ead-1) ，如果它等于1，就意味着那个初试电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。,正离子表面电离系数 值与阴极材料、气体种类有关。阴极的表面状况（光洁度、污染程度等）对 也有一定影响。,放电有非自持转为自持是的电场强度成为起始场强 ， 相应的电压为起始电压在比较均匀的，它们往往就是气隙的击穿场强和击穿电压；而在不均匀电场中电离过程仅仅存在于气隙中电场强度等于或大于起始场强的区域，即使放电已能自持，但整个气隙仍未击穿。可见在不均匀电场中，起始电压低于击穿电压，电场越不均匀，二者的差值越大。,物理,物理意义,(23),在不均匀电场中，各点的电场

16、强度E不同，所以各处的 值也不同，在这中条件下，上面的自持条件应改写成,（1-15）,把电子崩和阴极上的 过程作为气体自持放电的决定性因素是汤逊理论的基础它只能使用于低气压、短气隙的情况 pd26.66kPa cm (200mmHg cm) ，因为这种条件下不会出现以后要介绍的流柱现象。,上述过程可以用图 1-6 中的图解加以概括，当自持放电条件得到满足时，就会形成图解闭环部分循环不息的状态，放电就能自己维持下去，而不再依赖外界电离因子的作用了。,适用范围,(24),第三节 自持放电放电条件,放电过程,(25),第四节 起始电压与气压的关系,利用汤逊理论的自持放电条件，以及碰撞电离系数 于气压 p 、电场强度E 的关系式，并考