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1、2 2、气体放电过程分析、气体放电过程分析02-012.1 2.1 气体放电的主要形式气体放电的主要形式 气体中流通电流的各种形式统称放电。处于正常状态并隔绝各种外电离因素的气体是完全不导电的，但当间隙上的电压达到一定数值后，流过间隙的电流剧增，空气间隙失去绝缘能力，这种由绝缘状态突变为导体状态的变化称为击穿。2.1.1 2.1.1 击穿击穿02-02 气体放电的主要形式包括辉光放电、电晕放电、刷状放电、火花放电和电弧放电。（a）辉光放电：辉光放电充满整个电极空间，电流密度较小，一般为1mA/cm2 5mA/cm2，整个间隙仍呈上升的伏安特性，处于绝缘状态（b）电晕放电：高场强电极附近出现发光
2、的薄层，电流值也不大，整个间隙仍处于绝缘状态。（c）刷状放电：由电晕电极伸出的明亮而细的断续的放电通道，电流增大，但此时间隙仍未被击穿。2.1.2 2.1.2 气体放电形式气体放电形式02-03（d）火花放电：贯通两电极的明亮而细的断续的放电通道，间隙由一次次火花放电间歇地被击穿。（f）电弧放电：明亮而电导很大，持续贯通两电极的细放电通道，此时间隙被完全击穿，处于被持续短路的状态。2.1.2 2.1.2 气体放电形式气体放电形式02-042.2 2.2 带点质点的产生与消失带点质点的产生与消失 气体中带电质点的来源：一是气体分子本身发生电离；二是气隙中的固体或液体金属表面电离。 （a）碰撞电离
3、 在电场E的作用下，质量为m、电荷量为q的带电质点被加速，沿电场方向行经x的距离后获得一定的能量qEx，具有一定的速度v，表现为动能1/2 mv2=qEx，当带电质点动能达到或超过气体分子电离能W时，若与气体分子发生碰撞，则有可能使分子电离为电子和正离子。 2.2.1 2.2.1 电极空间带电质点的产生电极空间带电质点的产生02-05（b）光电离 由光辐射引起的气体分子电离称光电离。当气体分子受到光辐射时，若光子能量大于气体分子的电离能W，则有可能引起气体分子发生光电离（c）热电离 因气体的热状态而引起的电离称热电离。热电离的本质仍是高速运动的气体分子的碰撞电离和光电离，只不过其能量不是来源于
4、电场，而是来源于气体分子本身的热能。 2.2.1 2.2.1 电极空间带电质点的产生电极空间带电质点的产生02-06 气体中的电子也可能是从金属电极的表面电离出来的，从金属电极表面逸出电子需要一定的能量，通常称为逸出功。各种金属有各自不同的逸出功，且其表面状况对于逸出功的数值影响很大。金属的逸出功一般要比气体的电离能小的多，所以表面电离在气体放电过程中有重要作用。2.2.2 2.2.2 电极表面带电质点的产生电极表面带电质点的产生02-07（a）正离子碰撞阴极 正离子在电场中将向阴极运动，当它与阴极发生碰撞时，可将其能量传递给阴极中的电子；当正离子能量大于阴极材料表面逸出功两倍以上时，正离子可
5、以从阴极表面撞出电子，逸出的电子有一个和正离子中和，其余的成为自由电子。（b）光电效应 当金属表面受到光照时，也能放射出电子，称为光电效应，当光子的能量大于金属表面逸出功时，便会造成光电效应，使电子逸。2.2.2 2.2.2 电极表面带电质点的产生电极表面带电质点的产生02-08（c）热电子放射加热阴极，使之达到很高温度，当其中的电子获得足够的动能时，可克服阴极材料的逸出功而射出阴极（d）强场放射当在阴极附近施加很高的强场（约1000kv /cm）时，也能使阴极放出电子。2.2.2 2.2.2 电极表面带电质点的产生电极表面带电质点的产生02-09 一个中性分子或原子与一个电子结合生成一价负离
6、子时所放出的能量，称为分子或原子对电子的亲和能E。E值越大就越容易与电子结合形成负离子。卤族元素的E值比其他元素大的多，所以它们时很容易俘获一个电子而形成负离子；其他如O、H2O、SF6等气体分子也很容易形成负离子。 离子的电离能力比电子小的多，由此，俘获自由电子而形成负离子这一现象， 能对气体放电的发展起阻抑作用，或者说，有助于提高气体的耐电强度。2.2.3 2.2.3 负离子的形成负离子的形成02-10 气体发生放电时，除了不断形成带电质点的电离过程外，还存在带电质点的消失过程。在电场作用下，气体中放电是不断发展以致击穿，还是气体尚能保持其电气强度而起绝缘作用，就取决于上述两种过程的发展情
7、况。 气体中带电质点的消失主要有三种方式：（a）带电质点的扩散； 由于带电质点的热运动，这些质点会从浓度较大的区域扩散到浓度较小的区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀2.2.3 2.2.3 带电质点的消失带电质点的消失02-11（b）带电质点受电场力的作用流入电极并中和电量；（c）带电质点的复合。 带电质点的复合是指带有异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递、中和而还原为中性质点的过程。2.2.3 2.2.3 带电质点的消失带电质点的消失02-122.3 2.3 低气压下均匀电场的汤逊放电低气压下均匀电场的汤逊放电 假设外电离因素先使阴极表面出现一个自由电子，在电场的作用下加速，造成碰撞电
8、离，于是出现一个正离子，两个自由电子。两个自由电子在电场中运动又造成新的碰撞电离。电子数目将以20,21,222n的规律，如雪崩状增加。将因碰撞电离使自由电子数不断增加这一现象称为电子崩，即过程。 称为碰撞电离系数，它定义为一个电子沿电场方向行经1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。2.3.1 2.3.1 过程分析过程分析02-13 图2-3-1 电子崩形成示意图2.3.1 2.3.1 过程分析过程分析02-14 把由正离子从电场获得的动能引起的碰撞电离作为二次过程来考虑并称此过程为过程。 因为离子相对电子质量大，速度也慢的多，而且离子在和分子发生弹性碰撞时容易损失从电场获得的动能，因此由正离子
9、产生的电极空间碰撞电离远不及由电子产生的电极间碰撞电离。实验也表明过程在气体电离中所起的作用很小，可以忽略不计。2.3.2 2.3.2 过程分析过程分析02-15 正离子及光子到达阴极表面引起的阴极表面电离称为过程 由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能小很多，因而正离子与光子碰撞阴极较易使阴极释放出电子。为平均每个碰撞阴极的正离子中在阴极释放出的自由电子数 铁、铜、铝在空气中的值分别为0.02，0.025，0.035 。由于和电极材料有关，因而汤逊放电显然与电极材料及其表面状态有关。2.3.3 2.3.3 过程分析过程分析02-16 巴申于1889年从大量的实验中总结出了击穿电压Ub与p
10、d的关系曲线（亦即与d的关系曲线），称为巴申定律，即 Ub=f（pd) 或 Ub=f（d)其中Ub为击穿电压；f为常数；p为气体压力；d为间隙距离；为气体密度。2.4.1 2.4.1 巴申定律巴申定律2.4 2.4 巴申定律与均匀电场击穿电压巴申定律与均匀电场击穿电压02-17 图2-4-1 实验求得的均匀不同气体间隙的ub=f（pd）曲线2.4.1 2.4.1 巴申定律巴申定律02-18 汤逊原理是在低气压、d较小的条件下在放电实验的基础上建立的。d过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊原理就不再适用了。 通常认为，d0.26cm（pd200cmmmHg)时，击穿将发生变化，汤逊理论的计算结果
11、就不再适用，但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有效的。2.4.2 2.4.2 汤逊放电理论的适用范围汤逊放电理论的适用范围02-192.5 2.5 高气压下均匀电场放电的流注理论高气压下均匀电场放电的流注理论 图5-1表示了外施电压等于击穿电压时电子崩转入流注，实现击穿的过程。 首先由外电离因素从阴极释放出的电子向阳极运动，形成电子崩。如图2-5-1（a）所示。 随着电子崩的向前发展，其头部的电离过程越来越强烈。当电子崩走完整个间隙后，头部空间电荷密度已非常大，以致大大加强了尾部的电场，并向周围放射出大量光子。如图2-5-1（b）所示。2.5.1 2.5.1 流注的形成流注的形成02-20 这些光
12、子引起了空间光电离，新形成的光电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在受到畸变而加强了的电场中，又激烈地造成了新的电子崩，称为二次电子崩。如图2-5-1（c）所示。 二次电子崩向主电子崩汇合，其头部的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（主电子崩的电子这时已大部分进入阳极），由于这里电场强度较小，所以电子大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是所谓的正流注。如图2-5-1（d）所示。 2.5.1 2.5.1 流注的形成流注的形成02-21 流注通道导电性良好，其头部又是由二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场。同时，由于很多二次电子崩汇集的结果，流注头部电离过
13、程蓬勃发展，向周围放射出大量光子，继续引起空间光电离。于是在流注前方出现了新的二次电子崩，他们被吸引向流注头部，从而延长了流注通道。如图2-5-1（e）所示。2.5.1 2.5.1 流注的形成流注的形成02-22 流注不断向阴极推进，且随着流注向阴极的接近，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快。当流注发展到阴极后，整个间隙就被电导很好的等离子体通道所贯通，于是间隙的击穿完成。这个电压就是击穿电压。如图2-5-1（f）所示。 如果外施电压比击穿电压还高，则电子崩不需要经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注。因为形成后的流注由阴极向阳极发展，所以称为负流注。 均匀电场中，流注的形成即意味着
14、间隙被击穿。2.5.1 2.5.1 流注的形成流注的形成02-23 图2-5-1 正流注的产生及发展2.5.1 2.5.1 流注的形成流注的形成02-24 （a）放电外形： d很大时，放电具有通道形式，这从流注理论中可以得到说明。流注中电荷密度很大，电导很大，故其中电场强度很小。因此流注出现后，将减弱其周围空间的电场，因此电子崩形成流注后，当某个流注由于偶然原因发展更快时，它就将抑制其他流注的形成和展，并随着流注的向前推进，这种作用将越来越强烈。2.5.2 2.5.2 流注理论对放电现象的解释流注理论对放电现象的解释02-25 电子崩由于电荷密度较小，电场强度还很大，电子崩不致影响到临近空间的
15、电场，从而不会影响其他电子崩的发展。这就可以说明，汤逊放电呈连续一片，而d很大时放电具有细通道的形式。由于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，并带有分支。 （b）放电时间： 光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这可以说明d很大时放电时间特别短的现象。2.5.2 2.5.2 流注理论对放电现象的解释流注理论对放电现象的解释02-26 （c）阴极材料的影响 根据流注理论，维持放电自持的时空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这就说明为什么当d较大时，击穿电压和阴极材料基本无关；而当d较小时，或压力小，或距离小，d/小，电子崩发出的光子容易到达阴极，而不易被气体分子吸收
16、，从而引起阴极表面电离，于是击穿电压和阴极材料有关2.5.2 2.5.2 流注理论对放电现象的解释流注理论对放电现象的解释02-272.6 2.6 高气压不均匀电场气体击穿的发展过程高气压不均匀电场气体击穿的发展过程电场的不均匀程度一般可用电场不均匀系数f来描述 f=Emax/Eav 其中Emax为电场中场强最高点的电场强度；Eav为平均电场强度 用电场不均匀系数可将电场不均匀程度划分为：均匀电场f=1；稍不均匀电场f4 。 用电场不均匀系数f4划分电场不均匀程度，原因在于f4的放电现象与过程不同。2.6.1 2.6.1 电场不均匀程度的划分电场不均匀程度的划分02-28 电晕放电现象：在极不
17、均匀场中，当电压高到一定程度后，在空气间隙完全击穿之前，大区率电极（高场强电极）附近会有薄薄的发光层，有点像“月晕”，在黑暗中看得较为真切。因此，这种放电现象定名为电晕。 在极不均匀场中，只有大曲率电极附近很小的区域内场强足够高，电子电离系数达到相当值，其余绝大部分电极空间场强太低，值太小，发展不起电离。因此，电晕层也就限于高场强电极附近的薄层内。 2.6.2 2.6.2 极不均匀电场气体的电晕放电极不均匀电场气体的电晕放电02-29 根据电晕层中放电过程的特点，电晕可分为两种形式：电子崩形式和流注形式。 当起晕电极的曲率很大时，电晕层很薄，且比较均匀，放电电流比较稳定，采取汤逊放电的形式，即
18、出现电子崩的电晕。随着电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现放电的脉冲现象，开始转入流注形式的电晕放电。若电极曲率半径加大，则电晕一开始就很强烈，一出现就形成流注的形式。电压进一步升高，个别流注强烈发展，出现刷状放电的情况，放电的脉冲现象更加强烈，最后可贯通间隙，导致间隙完全击穿。2.6.2 2.6.2 极不均匀电场气体的电晕放电极不均匀电场气体的电晕放电02-30 电晕放电所特有的脉冲现象主要是由空间电荷造成的。以负尖-正板为例 （a）电离爆发，电子运动速度加快，因而在负尖处留下正电荷。（b）当电子运动至稍远离电极处时，电场衰减很快，电子速度也下降，易被气体分子捕获，形成负离子，
19、造成负空间电荷的积累。（c）正空间电荷逐渐在负极中和，而负空间电荷的积累削弱了尖极处的场强，电离停止。（d）负空间电荷向外疏散，尖电极处电场强度重新增大，开始下一次电离。2.6.3 2.6.3 电晕放电的脉冲电流现象电晕放电的脉冲电流现象02-31 电压增高时，负离子受电场力作用疏散更快，尖电极处电场迅速恢复，故电流脉冲频率上升。 电压更高时，电子迅速向外运动，要在离尖电极更远的地方才能形成负离子，因而不能形成足以使电离中止的密集的空间电荷，于是脉冲消失，代之以稳态电流。2.6.3 2.6.3 电晕放电的脉冲电流现象电晕放电的脉冲电流现象02-32 比克经过一系列实验研究，提出了几种不同电极结
20、构下电晕起始场强Ec的经验公式，求得Ec后，再根据不同的电极结构即可求得电晕起始电压Uc。（a）对于同直径的两根平行导线 Ec=30.3m（1+0.298/ ） 其中Ec为电晕起始场强（峰值），单位kv/cm；m为导线表面粗糙系数，光滑导线m=1，不光滑导线全面电晕m=0.82，不光滑导线，局部发生电晕 m=0.72；为空气相对密度，r为导线半径，单位为cm。于是有 Uc=Ecr ln（d/r）其中d为导线间距，单位为cm；Uc为导线间电压的一半，单位kv2.6.4 2.6.4 电晕的起始电压与起始场强电晕的起始电压与起始场强02-33（b）单导线对地与同直径两平行圆导线的公式相同，但d为镜像
21、距离，即两倍于导线对地的高度；Uc为导线对地电压。（c c）同轴圆柱 Ec=31.5（1+0.305/ ） Uc=Ecr ln（R/r） 其中Ec为内圆柱表面电晕起始场强（峰值），单位为kv/ cm；Uc为内外圆柱间电压（峰值），单位为kv；r，R分别为内外圆柱半径，单位为cm。2.6.4 2.6.4 电晕的起始电压与起始场强电晕的起始电压与起始场强02-34 极性效应：由于高场强电极极性的不同，空间电荷的极性也不同，对放电发展的影响也就不同，这就造成了不同极性的高场强电极的电晕起始电压不同，以及间隙击穿电压的不同，这称为极性效应。 棒-板间隙是典型的极不均匀场，下面以此为例分析起始电晕电压受
22、极性效应的影响。（a）当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩。如图2-6-1a所示2.6.5 2.6.5 极性效应极性效应02-35 随着电压的逐渐上升，到放电达到自持、爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。于是棒极附近，积聚起正空间电荷 （如图2-6-1b所示），从而减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场（如图2-6-1c中曲线2所示，图中曲线1为外电场的分布）。这样，棒极附近的电场被削弱，难以造成流注，这就使得电晕放电难以形成。2.6.5
23、 2.6.5 极性效应极性效应02-36 图2-6-1 正棒-负板间隙中放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用 Esp-空间电荷电场2.6.5 2.6.5 极性效应极性效应02-37 当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩，如图2-6-2 a所示。当电子崩中的电子离开强场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢的速度向阳极运动。一部分电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷，如图2-6-2b所示。负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸
24、变如图2-6-2c中曲线2所示。棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于得到满足、易于转入流注而形成电晕放电。2.6.5 2.6.5 极性效应极性效应02-38 图2-6-2 负棒-正板间隙中放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用 Esp-空间电荷电场2.6.5 2.6.5 极性效应极性效应02-39 进一步的研究发现，在间隙距离较长时，存在某种新的、不同性质的放电过程，称为先导放电。长间隙放电电压的饱和现象可由先导放电现象做出解释。（a）先导放电 间隙距离较长时（如棒-板间隙距离大于1m时），在流注通道还不足以贯通整个间隙电压的情况下，仍可能发展起击穿过程。这时流注通道发展到足够长度后，将有
25、较多的电子循通道流向电极，通过通道根部的电子最多，于是流注根部温度升高，出现了热电离过程。这个具有热电离过程的通道称为先导通道。2.6.6 2.6.6 长间隙击穿过程长间隙击穿过程02-40 正流注通道中的电子被阳极吸引，当电子浓度足够高时，即有足够的电流时，流注通道中就开始热电离。由于通道中带电质点浓度的进一步增大，即引起了电导的增加和电流的继续增大。于是，流注通道变成了有高电导的等离子体通道。这时先导通道的头部又产生了新的流注，于是先导不断向前推进。（b）主放电 当先导到达相对电极时，主放电过程就开始了。当通道头部发展到接近对面电极时，在剩余的这一小段间隙中场强俱增，会有十分强烈的放电过程
26、。2.6.6 2.6.6 长间隙击穿过程长间隙击穿过程02-41 此过程将沿着先导通道以一定速度向反方向扩展到极棒，同时中和先导通道中多余的空间电荷，这个过程称为主放电过程。 主放电过程使贯穿两级间的通道最终改造成为温度很高的、电导很大的、轴向场强很小的等离子体火花通道，从而使间隙完全失去了绝缘性能，气隙的击穿就完成了。 长间隙的放电大致可分为先导放电和主放电两个阶段，在先导放电阶段中包括电子崩和流注的形成及发展过程。不太长的间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注和主放电阶段。2.6.6 2.6.6 长间隙击穿过程长间隙击穿过程02-421、字体安装与设置、字体安装与设置如果您对PPT
27、模板中的字体风格不满意，可进行批量替换，一次性更改各页面字体。1.在“开始”选项卡中，点击“替换”按钮右侧箭头，选择“替换字体”。（如下图）2.在图“替换”下拉列表中选择要更改字体。（如下图）3.在“替换为”下拉列表中选择替换字体。4.点击“替换”按钮，完成。432、替换模板中的图片、替换模板中的图片模板中的图片展示页面，您可以根据需要替换这些图片，下面介绍两种替换方法。方法一：更改图片方法一：更改图片1.选中模版中的图片（有些图片与其他对象进行了组合，选择时一定要选中图片本身，而不是组合）。2.单击鼠标右键，选择“更改图片”，选择要替换的图片。（如下图）注意：注意：为防止替换图片发生变形，请使用与原图长宽比例相同的图片。43赠送精美图标
