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1、1 页第 5 篇 高电压与绝缘技术第 35 章 气体放电的基本物理过程35.1 气体中带电质点的产生与消失35.1.1 气体的电离原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离，它是气体放电的首要前提。其所需要的能量成为电离能。原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，所需的能量称为激励能，原子处于激励态电离电位为 ， ；激励态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子的频率 eWiUCe1906. v普朗克常数h ieUhvW电离过程的表示： eAE（热电离）为 波 尔 茨 曼 常 数kKJkWkTi /1038.2323（光辐射
2、电离）是 普 朗 克 常 数光 辐 射 波 频 率 hvhvi ,（碰撞电离）度是 碰 撞 质 点 的 质 量 、 速、mi21走 过 的 距 离为 电 子 或 离 子 在 碰 撞 前xeEi常温下的放电过程，碰撞电离是最重要的电离方式35.1.2 气体的分级电离气体的原子或分子在激励态（激励能为 ）再获得能量而发生电离称为分级电离，这种情况下电离所eW需的能量仅为 eiW亚稳原子有很长的平均寿命（10-3 秒或更长） 。在混合气体中,当一种气体的亚稳原子同另一种气体的原子或分子碰撞时，即使它们的动能较低，只要前者的激发能大于后者的电离能，后者将被电离，前者则返回基态。多余的能量就转变为电子的
3、动能，或使离子激发。这种过程,称彭宁电离,或称彭宁效应。由于惰性气体的亚稳原子有较大的激发能，在含有惰性气体的混合气体放电中，彭宁电离比较有效。彭宁效应还可以使放电管的点火电压降低。从绝缘角度看，彭宁效应不利35.1.3 电极表面的电子逸出2 页逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态 （小于电离能）：热电子发射二次发射强场发射光电子发射35.1.4 带电质点的扩散和复合带电粒子的扩散带电粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域。电子的扩散速度比离子快得多。 气压越低，温度越高，扩散越快。带电粒子的复合正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程在带电质点的复合过程中会
4、发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素 正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要 一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其浓度 35.2 电子崩和电子碰撞电离系数O 点：由于光辐射的作用，在气隙中存在一定量的自由电子O 点A 点：自由电子在外电场作用下的运动速度增加，同时发生复合的可能性减少A 点：由于光电离而产生的自由电子全部消失在外回路中A 点B 点：随着外电压的增加，自由电子数基本不变，电流值不变B 点：此时外电场达到一定程度，能够产生额外的自由电子B 点C 点：随着外电场的增强，自由电子的数量和运动速度同时快速
5、增加一个起始电子自电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子；这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自由电子；这样一代一代不断增加的过程，会使电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样。 电离系数3 页一个电子沿着电场方向行经 1cm 长度，平均发生的碰撞电离次数设电子在均匀电场中行经距离 x 而未发生碰撞，则此时电子从电场获得的能量为 eEx，电子如要能够引起碰撞电离，必须满足条件 只有那些自由行程超过 xi Ui E 的电子，才能与分子发生碰撞电离 若电子的平均自由行程为 ， 自由行程大于 xi 的概率为 对于均匀电场， 不随空间位置而变 相应的电子电
6、流增长规律为 令 x d，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流 在 lcm 长度内，一个电子的平均碰撞次数为 l 其中是电子自由行程超过 xi 而发生的碰撞 ，即电离碰撞次数 气体温度不变时， 1 Ap，并令 AUi B，可得 结论：场强较大时，电子碰撞电离系数较大；在气压较大或较小时，电子碰撞电离系数较小 随着气隙中场强增大，电子和离子在与气体分子相邻两次碰撞间所积累的动能也增加，场强高达某一定值，使这种能量的积累达到撞击游离所需值时，气体中即可发生撞击游离。游离出来的电子又参加到撞击游iiii UxWex或 /ixe/1ixeEUxiieEBpAexen0xeI0eI04 页离的过程中
7、去。于是游离过程就像雪崩似地增长起来，称为电子崩此时电流也相应地有较大的增长，但在场强小于某临界值 Ecr 时，这种电子崩还必须有赖于外界游离因素所造成的原始游离才能持续存在；如外界游离因素消失，则这种电子崩也随之逐渐衰减以至消失，而不能自己维持下去。这种放电称为非自持放电。当场强达到或超过 Ecr 值时，这种电子崩已可仅由电场的作用而自行维持和发展，不必再依赖于外界游离因素了，这种性质的放电称为自持放电。由非自持放电转入自持放电的场强称为临界场强 Ecr，相应的电压称为临界电压 Ucr。35.3 自持放电条件汤逊理论认为，当 pd 较小时，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起这主要
8、作用，气隙的击穿电压大体上是 pd 的函数35.3.1 pd 值较小时的情况在均匀电场中也就是导致击穿的条件设 n01放电有非自持转入自持的条件为在均匀电场中，这也就是间隙击穿的条件，上式具有清楚的物理意义 35.3.2pd 值较大的情况1放电外形 Pd 很大时，放电具有通道形式 当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝2放电时间 光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明 pd 很大时放电时间特别短的现象3阴极材料的影响 根据流注理论，维持放电自持的是空间光
9、电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说明为何很大 Pd 下击穿电压和阴极材料基本无关了第 36 章 气体间隙的放电36.1 电场均匀度对放电的影响1de5 页36.1.1 电场不均匀系数均匀电场是一种少有的特例，在实际电力设施中常见的却是不均匀电场。为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数 f，表示为Emax：最大电场强度 平均电场强度vEfmaxvEdUEvf4 属不均匀电场36.1.2 均匀场和稍不均匀场中的放电均匀电场中的击穿电压与电压的极性无关，直流、工频击穿电压（峰值）以及 50%冲击击穿电压都相同，分散性很小式中 d 为间隙距离； 为空气相对密度KVdUb08.6
10、2.4 对于稍不均匀场间隙，击穿电压可按下式估算 fdEUm36.1.3 极不均匀场中的放电特点：1.影响击穿电压的主要因素是间隙距离2.选择电场极不均匀的极端情况作为典型电极研究：棒-板：电场分布不对称棒-棒： 电场分布对称3.这两种气隙击穿电压是不均匀气隙击穿电压曲线的上下包线，根据典型电极的击穿电压数据来估计绝缘距离4.直流、工频及冲击击穿电压间的差别比较明显，分散性较大直流电压下的击穿电压极性效应：棒-棒电极间的击穿电压介于极性不同的棒-板电极之间击穿电压与间隙距离接近正比，平均击穿场强：正棒负板：4.5kV/cm；负棒正板：10kV/cm；棒棒：4.85.0kV/cm工频电压下的击穿电压击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生，间隙距离小于 2.5cm，击穿电压和距离近似直线关系：平均击穿场强（幅值）：棒棒间隙为 5.36kV/cm，棒板间隙为 4.8kV/cm6 页饱和现象：距离加大，平均击穿场强明显降低，棒板间隙尤为严重
