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1、2章-气体放电的基本物理过程(2014)n气体放电气体中流通电流的各种形式。正常状态：优良的绝缘体。l在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但这些带电粒子并不影响气体的绝缘。l空气的利用：架空输电线路个相导线之间、导线与地线之间、导线与杆塔之间的绝缘；变压器相间的绝缘等。输电线路以气体作为绝缘材料 变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料返回气体绝缘的优点：气体绝缘的优点：不存在老化问题不存在老化问题理论体系较完善理论体系较完善完全的绝缘自恢复特性完全的绝缘自恢复特性在电气设备中在电气设备中:外绝缘外绝缘:一般由一般由气体介质气体介质(空气空气)和和固体介质固体介质(绝缘子绝缘子)联合构成联合构成内
2、绝缘内绝缘:一般由一般由固体介质固体介质和和液体介质液体介质联合构成联合构成2.1带电粒子的产生与消失带电粒子的产生与消失 气体中气体中电子与正离子的产生电子与正离子的产生 电离：电离：电子脱离原子核电子脱离原子核自由电子、正离子自由电子、正离子此过程需要能量此过程需要能量电离能电离能Wi电离电位电离电位Ui=Wi/e发生电离的条件？发生电离的条件？根根据据外外界界给给予予原原子子或或分分子子的的能能量量形形式式的的不不同同，电电离离可可分分为为热热电电离离、光光电电离离和和碰碰撞撞电电离离。此此外外，电电离离过过程程可可以以一一次次完完成成，也也可可以以是是先先激激励励再再电电离离的分级电离
3、方式的分级电离方式。外界能量（1）热电离）热电离波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度 气体分子的平均动能与温度的关系气体分子的平均动能与温度的关系室室温温下下：气气体体分分子子的的平平均均动能动能1010-2-2eV eV 数量级数量级只只有有在在电电弧弧放放电电产产生生的的高高温温条条件下才会有明显的热电离件下才会有明显的热电离！热游离实质上并不是另外一种独立的形式，热游离实质上并不是另外一种独立的形式，实质上仍是撞击游离与光游离，实质上仍是撞击游离与光游离，只是其能只是其能量来源于气体分子本身的热能量来源于气体分子本身的热能。随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离高温下高能
4、热辐射光子引起的光电离产生热游离的条件：产生热游离的条件：气体分子的电离能（2）光电离）光电离普朗克常数6.6310-34Js 光辐射引起气体分子的电离；光子能量光辐射引起气体分子的电离；光子能量:hvWi 或或hc/Wi式中式中 光的波长，光的波长，m；c光速光速 Wi 气体的电离能，气体的电离能，eV。光电离条件光电离条件：光光电电离离在在气气体体介介质质放放电电过过程程中中很很重重要要！(正负离子的复合产生光子正负离子的复合产生光子流注放电流注放电）可可见见光光不不能能使使气气体体直直接接发发生生光光电电离离！x,x,射射线线才才能能使使其发生光电离。其发生光电离。光的来源光的来源：自然
5、界、人为照射、：自然界、人为照射、气体放电过程气体放电过程v 为频率为频率（3）碰撞电离）碰撞电离带电粒子在电场中获得动能带电粒子在电场中获得动能:一一个个重重要要概概念念：自自由由行行程程-两两次次碰碰撞撞间间质质点点行行经经的的距距离离，一般用一般用表示。平均自由行程用表示。平均自由行程用表示。表示。需要注意的两点需要注意的两点!1)碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的最重要的方式。碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的最重要的方式。2)碰碰撞撞电电离离主主要要是是由由电电子子引引起起的的，离离子子引引起起的的碰碰撞撞电电离离概概率率要要比电子引起的小得多。比电子引起的小得多。原因有两个
6、，请同学们自己分析！原因有两个，请同学们自己分析！1）电子自由行程大，在电场中获得的能量大。电子自由行程大，在电场中获得的能量大。2）电电子子质质量量比比离离子子小小的的多多，易易产产生生弹弹性性碰碰撞撞,发发生生非非电电离碰撞后几乎不损失能量，更容易积累能量。离碰撞后几乎不损失能量，更容易积累能量。因此，在分析气体放电发展时，只考虑电子引起的碰撞电离。因此，在分析气体放电发展时，只考虑电子引起的碰撞电离。（4）分级电离）分级电离 原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励，所需的能量称为激励能。更高能级的外层轨道更高能级的外层轨道一个概念一个概念-激励激励：原子中的电
7、子原子中的电子外界因素外界因素跃迁跃迁激励能激励能WeWiWWe可能发生激励的条件：可能发生激励的条件：激励态不稳定：激励态不稳定：10-8s亚稳激励态：亚稳激励态：10-410-5s气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6 若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则会出现潘宁效应，可使混合气体的击穿强度低于这两种气体各自的击穿强度。对绝缘不利，但可有其他应用！对绝缘不利，但可有其他应用！原子的激励与电离的关系原子发生电离产生带电粒子的两种情况：原子吸收了一定的能量，但能量不太高发生激励，跳到更远的轨道再次吸
8、收能量发生电离，产生带电粒子原子吸收直接吸收了足够的能量发生电离，产生带电粒子n原子的激励过程不产生带电粒子；n原子的电离过程产生带电粒子；n激励过程可能是电离过程的基础。激励+电离 直接电离 u电极表面电离电极表面电离电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。u逸出功逸出功电子从金属表面逸出所需的能量。电子从金属表面逸出所需的能量。金属金属逸出功逸出功(eV)金属金属逸出功逸出功(eV)金属金属逸出功逸出功(eV)铝铝(Al)银银(Ag)1.83.1铁铁(Fe)铜铜(Cu)3.93.9氧化铜氧化铜(CuO)铯铯(Cs)5.30.7n逸出功逸出功n与表与表1-
9、11-1相比较，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得相比较，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。多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。n阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。电极表面的电子逸出电极表面的电子逸出 u电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式p正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电子，正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电子，使其逸出金属使其逸出金属p正离子必须碰撞出一个以上电子时
10、才能产生自由电子正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子p逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。p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。应大于金属的逸出功。p同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面光电子发射（光电效应）光电子发射（光电效应）p当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸当阴极被加热到很高温
11、度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属表面出金属表面p在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。p当阴极表面附近空间存在很强的电场时（当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），数量级），能使阴极发射电子。能使阴极发射电子。p常态下作用气隙击穿完全不受影响；常态下作用气隙击穿完全不受影响；p在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。用；真空中更起着决定性作用。热电子发射热电子发射强场发射（冷发射）强场发射（冷发射）u自由电子碰撞中性的分子或原子
12、可能产生的三种结果自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子发生电离发生电离产生自由电子产生自由电子l情况一情况一电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子能量不足，撞能量不足，撞击后反弹回来击后反弹回来未产生自由电子未产生自由电子l情况二情况二电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子没发生电离，没发生电离，也没被反弹也没被反弹回来回来被中性的分子捕捉，被中性的分子捕捉，成为自己的束缚电成为自己的束缚电子子l情况三情况三形成了负离子形成了负离子 气体中负离子的形成气体中负离子的形成 u附着附着自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与
13、中性分子自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子相结合而形成负离子的过程。相结合而形成负离子的过程。u负离子形成过程的特点负离子形成过程的特点p形成负离子时可释放出能量形成负离子时可释放出能量,称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。p有些气体容易形成负离子，称为有些气体容易形成负离子，称为电负性气体电负性气体（如氧、氟、氯（如氧、氟、氯等），等），SF6（绝缘性是空气的（绝缘性是空气的3倍，灭弧性是空气的倍，灭弧性是空气的100倍）倍）.电负性是元素的原子在化合物中吸引电子的能力的标度。元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越
14、强。p负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。空气中的氧气（弱）；空气中的氧气（弱）；GIS中的中的SF6（强）（强）SF6+eSF6-SF6+eSF5-+FSF6-在在电电子子能能量量为为0.050.1eV；SF5-在在0.10.3eV时时最最易易形形成成。超过超过1eV很难形成负离子。很难形成负离子。带带电电粒粒子子的的产产生生与与消消失失是是平平衡衡的的！那么会有什么样的逆过程呢？那么会有什么样的逆过程呢？带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失带电粒子在电场的驱动下作定向运动，
15、在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流。于电极上而形成外电路中的电流。带电粒子因带电粒子因扩散现象扩散现象而逸出气体放电空间。而逸出气体放电空间。u扩散的实质扩散的实质某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数减少减少。p带电粒子的扩散是由于带电粒子的扩散是由于热运动热运动造成，带电粒子的扩散规律和造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律相似气体的扩散规律相似p气体中带电粒子的扩散和气体中带电粒子的扩散和气体状态有关气体状态有关，气体压力越高或者，气体压力越高或
16、者温度越低，扩散过程也就越弱温度越低，扩散过程也就越弱p电子质量远小于离子，所以电子的热运动速度高，它在热运电子质量远小于离子，所以电子的热运动速度高，它在热运动中受到的碰撞也少，因此，动中受到的碰撞也少，因此，电子的扩散过程比离子的要强电子的扩散过程比离子的要强 带电质点的消失带电质点的消失 带电粒子的带电粒子的复合复合u复合复合气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的传递与传递与中和，中和，还原为分子还原为分子的过程的过程。（是与电离相反的一种过程）。（是与电离相反的一种过程）u电子复合电子复合电子和正离子发生复合，产生电子和正离子发生复合，产生一个中性
17、分子一个中性分子 离子复合离子复合正离子和负离子发生复合，产生正离子和负离子发生复合，产生两个中性分子两个中性分子p带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又成为导致电离的因素条件下又成为导致电离的因素p参与复合的粒子的相对速度参与复合的粒子的相对速度越大越大，复合概率，复合概率越小越小。通常放。通常放电过程中电过程中离子间的复合更为重要离子间的复合更为重要p带电粒子浓度越大，复合速度越大，带电粒子浓度越大，复合速度越大，强烈的电离区也是强强烈的电离区也是强烈的复合区烈的复合区返回返回带电粒子产生和消失的关系带电粒子产生和消失的
18、关系u带电粒子产生和消失是同时发生的过程；带电粒子产生和消失是同时发生的过程；u若产生的带电粒子若产生的带电粒子大于大于消失的带电粒子，则会消失的带电粒子，则会促进促进气体放气体放电过程；电过程；u若产生的带电粒子若产生的带电粒子等于等于消失的带电粒子，则会促进气体就消失的带电粒子，则会促进气体就处于处于稳定状态稳定状态；u若产生的带电粒子若产生的带电粒子小于小于消失的带电粒子，则会消失的带电粒子，则会阻碍阻碍气体放气体放电过程；电过程；u非自持放电非自持放电去掉外电离因素的作用后放电随即停止；去掉外电离因素的作用后放电随即停止；u自持放电自持放电不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电不需要
19、外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。过程。非自持放电和自持放电的概念非自持放电和自持放电的概念 非自持放电和自持放电的非自持放电和自持放电的过程过程u测定气体间隙中电流变化的实验装置测定气体间隙中电流变化的实验装置p通过调节电阻，测量回路电流随电压通过调节电阻，测量回路电流随电压变化的情况变化的情况u气体间隙中气体间隙中电流的变化电流的变化反映放电过程反映放电过程2.2放电的电子崩阶段放电的电子崩阶段 非自持放电和自持放电的不同特点非自持放电和自持放电的不同特点 u加电场前，外电离因素（光照射）加电场前，外电离因素（光照射）在极板间产生带电粒子，但带电粒在极板间产生带电粒子，但带电粒子制作
20、杂乱无章的热运动，不产生子制作杂乱无章的热运动，不产生电流；电流；u加电场后，带电粒子沿电场方向定加电场后，带电粒子沿电场方向定向移动，形成电流。随着电压升高，向移动，形成电流。随着电压升高，带电粒子运动速度加快，使到达带电粒子运动速度加快，使到达极极板的板的带电粒子数量和速度不断增大，带电粒子数量和速度不断增大，电流也随之增大。电流也随之增大。oa段段 随着电压升高，电流增大，到随着电压升高，电流增大，到达极板的带电粒子数量和速度达极板的带电粒子数量和速度也随之增大。也随之增大。均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随
21、电压变化的分析I0UaUbUcUI均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性ab段段 电流趋于饱和，由外电离因素电流趋于饱和，由外电离因素产生的带电粒子已全部进入电产生的带电粒子已全部进入电极，电流极，电流I0大小取决于外电离因大小取决于外电离因素与电压无关。素与电压无关。u外电离因素（光照射）的强度外电离因素（光照射）的强度一定的情况下，单位时间内产一定的情况下，单位时间内产生的带电粒子数量是一定的，生的带电粒子数量是一定的，由此产生的电流也是一定。由此产生的电流也是一定。uI0饱和电流。饱和电流。I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电
22、压变化的分析均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性bc段段 电流又再随电压的增大而增大。电流又再随电压的增大而增大。发生电子发生电子碰撞电离碰撞电离。I0UaUbUcUI电压升高电压升高气体间的带电粒气体间的带电粒子运动速度加快子运动速度加快带电粒子能量带电粒子能量（动能）增加（动能）增加当能量大于极板间空当能量大于极板间空气中原子的电离能气中原子的电离能电子碰撞电离，产电子碰撞电离，产生大量带电粒子生大量带电粒子电流急速电流急速增加增加均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性c点点U=Uc，电流
23、急剧增大。气体间，电流急剧增大。气体间隙隙被击穿被击穿进入导电状态（进入导电状态（自持自持放电放电），不再需要任何外界因），不再需要任何外界因素（光照射、外加电源）。素（光照射、外加电源）。uc点处的临界电压点处的临界电压Uc就是就是击穿电击穿电压压Ub，当电压达到，当电压达到Uc后气体即后气体即被击穿被击穿，由原来的绝缘体变成，由原来的绝缘体变成了了导体导体。I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析自持放电起始电压2.2放电的电子崩阶段放电的电子崩阶段 非自持放电和自持放电的不同特点非自持放电和自持放电的不同特点 电流随外施电压的提
24、高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小 电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的 电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）外施电压小于Uo时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。自持放电起始电压什什么么是是电电子子崩崩？不不仅仅仅仅是一个概念！是一个概念！由由一一个个电电子子通通过过碰碰撞撞电电离离引引起起的的剧剧增增的的电电子流称为电子崩。子流称为电子崩。电子崩的形成（电子崩的形成（BC段电流剧增原因）段电流剧增原因）过程（电子崩过程）
25、电子崩的形成过程 由外电离因素产生一个初始电子电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样，形成了电子崩产生正离子和自由电子原来的电子和新产生的电子继续移动，不断发生电子碰撞电离电场力作用下，电子沿电场做定向移动与中性粒子发生电子碰撞中性粒子发生电离返回u电子崩的形状：“崩头大、崩尾小。”p电子发生电子碰撞后，电子的速度快，所以会大量的集中在崩头；p正离子移动速度较慢，所以缓慢的移向崩尾。u电子崩电子数按几何级数不断增多，像雪崩似的发展。从而形成的急剧增大的空间电子流。崩头崩尾返回一个重要的概念！一个重要的概念！碰碰撞撞电电离离系系数数一一个个电电子子沿沿电电力力线线方方向向行行经经1cm1cm时
26、时平平均均发发生生的的碰碰撞撞电电离次数，一般用离次数，一般用表示表示！问问题题：若若平平均均自自由由行行程程为为，碰碰撞撞电电离离概概率率为为p,怎么求怎么求？u电子碰撞电离系数表示一个电子沿电场方向运动1cm 的行程中所完成的碰撞电离次数平均值。u即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数。i注意：必须是电子发生碰撞且电离的次数，若电子只发生了碰撞没有导致电离则不能计入中。的定义u假设电子的平均自由行程为e，运动1cm碰撞次数为1/e，但并不是每次碰撞都引起电离；u碰撞引起电离的概率为 ，xi 为电子造成碰撞电离而必须飞跃的最小距离。电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数：代表一个电
27、子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。nadu令x=d，进入阳极的电流（外回路电流）p若I0=0，则I=0，既若去掉外界电离因素，气隙中电流为0，气体放电停止。过程的分析（电子崩的计算）途中新增的电子数或正离子数n电子电流增长规律 将式 两边乘以电子电荷qe式中：I0初始电子引起的初始电流u结论：若只有过程，气体放电是不能自持的。dxxn0nn0为为x x=0处处电电子子个个数数，行行经经x后后还还剩剩下下n个个电电子子未未发发生生过过碰碰撞撞。dn为为在在x x与与x+d+dx这这一一距距离离中中发发生生碰碰撞撞的的电子数电子数dn表表示示行行经经x时时还还没没有有发发生生碰碰撞
28、撞的的电电子子的的个个数数，即即自自由由行行程程大大于于x的的电电子子个个数数。那那么么对对于于1个个电电子子而而言言 就就是是表表示示为为自自由由行行程程大大于于x的概率！的概率！影响碰撞电离的因素影响碰撞电离的因素u假设电子的平均自由行程为e，运动1cm碰撞次数为1/e，但并不是每次碰撞都引起电离；碰撞引起电离的条件是？碰撞引起电离的条件是？那么行经距离大于那么行经距离大于Ui/E的概率为？的概率为？因此因此：因此因此碰撞电离概率碰撞电离概率为？为？u根据定义有：式中：A、B与气体种类有关的常数；E电场强度；P气体压力。影响碰撞电离的因素影响碰撞电离的因素1cm长度内一个电子的平均碰撞次数
29、为1/：电子平均自由行程碰撞引起电离的概率碰撞电离的条件u由式 ，可得结论：电场强度E增大，则增大；气体压力P很大（电子的平均自由行程e很小）或者气体压力P很小（电子的平均自由行程e很大）时，值都很小。既在高气压或高真空的条件下，气体间隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。返回2.3 2.3 自持放电条件自持放电条件电子崩过程不是自持放电！电子崩过程不是自持放电！自自持持放放电电的的条条件件是是：在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子来取代外电离因素产生的初始电子！-即二次电离。实验现象表明二次电子产生机制与气压和气隙长度的乘积Pd有关！2.3.12.3.1pd值较小时的情况值较小时的情况1.
30、1.汤逊自持放电判据汤逊自持放电判据汤汤逊逊机机理理认认为为二二次次电电子子的的来来源源是是正正离离子子撞击阴极撞击阴极，使阴极表面发生电子逸出。，使阴极表面发生电子逸出。外界电离因子外界电离因子阴极表面电离阴极表面电离气体空间电离气体空间电离气体中的气体中的自由电子自由电子在电场中加速在电场中加速碰撞电离碰撞电离电子崩电子崩（）过程）过程阴极表面阴极表面二次发射二次发射(过程）过程）正离子正离子图图2-1低气压、短气隙情况下气体的放电过程低气压、短气隙情况下气体的放电过程自持放电条件图解分析自持放电条件图解分析因因此此均均匀匀场场中中自自持持放电的条件为放电的条件为：2.气体击穿的巴申定律气
31、体击穿的巴申定律巴巴申申定定律律是是通通过过实实验验总总结结出出的的规规律律，比比汤汤逊逊放放电电机机理提出的要早！理提出的要早！本本质质就就是是间间隙隙击击穿穿电电压压是是气气压压与与间间隙隙长长度度乘乘积积的的函函数数：Ub=f(pd)3.气体密度对击穿的影响气体密度对击穿的影响电子崩中正离子数为电子崩中正离子数为：1.假设假设d保持不变，保持不变，当当p很大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之很大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之间电子积聚到足够动能的几率减小了，故间电子积聚到足够动能的几率减小了，故Ub必然增大。必然增大。当当p很小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率
32、虽然增大很小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小数却减到很小，所以，所以Ub也会增大。也会增大。应用：应用：采用高真空和高气压可提高间隙的击穿电压。采用高真空和高气压可提高间隙的击穿电压。巴申曲线的解释：巴申曲线的解释：真空灭弧室GIS 站1、放电外形放电外形根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展.低气压下气体放电发光区确实占据了整个电极空间，如辉光放低气压下气体放电发光区确实占据了整个电极空间，如辉光放电
33、。但大气压力下气体击穿时出现的却是电。但大气压力下气体击穿时出现的却是带有分枝的明亮细通带有分枝的明亮细通道道。2、放电时间放电时间根据汤逊理论，间隙完成击穿，需要好几次这样的循环根据汤逊理论，间隙完成击穿，需要好几次这样的循环:形形成电子崩，崩中正离子到达阴极造成二次电子，这些电子重又成电子崩，崩中正离子到达阴极造成二次电子，这些电子重又形成更多的电子崩。由正离子的迁移率可以计算出完成击穿所形成更多的电子崩。由正离子的迁移率可以计算出完成击穿所需的时间，即所谓放电时间。这样计算得到的放电时间和低气需的时间，即所谓放电时间。这样计算得到的放电时间和低气压下的放电时间比较一致，压下的放电时间比较
34、一致，但比火花放电时的放电时间实侧值但比火花放电时的放电时间实侧值要大得多。要大得多。汤逊放电理论的适用范围汤逊放电理论的适用范围低气压、低气压、短间隙的电场中短间隙的电场中汤逊放电理论不能解释的放电现象汤逊放电理论不能解释的放电现象3、击穿电压击穿电压pd值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件求得的击穿压和实验值比较一致。求得的击穿压和实验值比较一致。pd值很大时，如仍采用原来的值很大时，如仍采用原来的值，值，则击穿电压计算值和则击穿电压计算值和实验值将有很大出入实验值将有很大出入。4、阴极材料的影响阴极材料的影响根据汤逊理论，阴极材料的
35、性质在击穿过程中应起一定作根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响，用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响，但但大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料无关大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料无关。以以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极这时不存在金属阴极。汤逊放电理论不能解释的放电现象汤逊放电理论不能解释的放电现象基于以上的原因提出了流注放电理论基于以上的原因提出了流注放电理论。2.3.2pd值较大时的情况值较大
36、时的情况特特点点：由由电电子子崩崩形形成成-会会产产生生电电离离特特强强，发发展展速速度度更更快快的的新新放放电电区区：流注放电；流注放电；快一个数量级；有分支快一个数量级；有分支形形成成条条件件：空空间间电电荷荷到到达达一一定定数数量量引引起电场畸变；复合产生光电离起电场畸变；复合产生光电离流注理论中的电子崩过程 电子崩外形x-+u电子崩外形 好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀，电子崩中的电子数：nexx(cm)0.20.30.40.50.60.70.80.91.0n92781245735220866341993059874p例如，正常大气条件下，若E30kVcm，则11cm-1，计算随着
37、电子崩向阳极推进，崩头中的电子数电子崩中空间电荷的浓度分布 返回空间电荷对原有电场的影响-+xx空间电荷的电场 合成电场 电子崩 均匀电场E0p电子崩头部 电场明显增强，电离过程强烈，有利于发生分子和离子的激励现象，当它们回复到正常状态时，发射出光子。p崩头内部正负电荷区域 电场大大削弱，但电子和正离子浓度却是最大，有助于发生复合过程，发射出光子。u大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场 流注的形成流注的形成u流注流注电离强度和发展速度远电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道
38、的过程。汇入初崩通道的过程。1 1：主电子崩：主电子崩 2 2：二次电子崩：二次电子崩 二次电子崩的形成二次电子崩的形成u主崩主崩走完整个间隙后，大密度的头走完整个间隙后，大密度的头部正离子空间电荷大大加强了部正离子空间电荷大大加强了后部后部的电场，并向周围放射出的电场，并向周围放射出大量光子大量光子u光子引起空间光电离光子引起空间光电离，其中电子被，其中电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在畸变而加强了的电场中，造成了在畸变而加强了的电场中，造成了新的电子崩，称为新的电子崩，称为二次电子崩二次电子崩光子光子 正流注正流注u条件：条件：当外加电压击穿电压当外加
39、电压击穿电压u二次电子崩二次电子崩中的中的电子电子进入主电进入主电子崩头部的正空间电荷区（电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），大多形成场强度较小），大多形成负离负离子子。大量的正、负带电质点构。大量的正、负带电质点构成了成了等离子体等离子体，这就是，这就是正流注正流注 正流注体的形成正流注体的形成1 1：主主电电子子崩崩；2 2：二二次次电电子子崩崩；3 3：流流注注p流注通道流注通道导电性良好，其头部导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强因此流注头部前方出现了很强的电场的电场 正流注向阴极推进正流注向阴极推进u流注头部流注头
40、部的电离，放射出大量光的电离，放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注子，继续引起空间光电离。流注前方出现新的二次电子崩，它们前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，延长了流注被吸引向流注头部，延长了流注通道通道u流注不断向阴极挺进流注不断向阴极挺进，且随着流，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快强，因而其发展也越来越快u流注发展到阴极流注发展到阴极，间隙被导电良，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，好的等离子通道所贯通，间隙的间隙的击穿完成击穿完成，这个电压就是击穿电，这个电压就是击穿电压压 负流注负流注1 1：主主电电子子崩崩；2 2
41、：二二次次电电子子崩崩；3 3：流流注注u条件：条件：当外加电压击穿电压当外加电压击穿电压u电压较低时，电子崩需经过整个间电压较低时，电子崩需经过整个间隙才能积聚到足够的电子数形成流隙才能积聚到足够的电子数形成流注；注；电压较高时，电子崩不需经过电压较高时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注形成流注u主电子崩头部的电离很强烈，光子主电子崩头部的电离很强烈，光子射到主崩前方，在前方产生新的电射到主崩前方，在前方产生新的电子崩，主崩头部的电子和二次崩尾子崩，主崩头部的电子和二次崩尾的正离子形成混合通道，形成向阳的正离子形成混合通道，形成向阳极推进的流
42、注，称为极推进的流注，称为负流注负流注u间隙中的正、负流注可以同时向两间隙中的正、负流注可以同时向两极发展。极发展。试验测量结果：电子崩试验测量结果：电子崩在电离室中得到的初始电子崩照片在电离室中得到的初始电子崩照片图图a a和图和图b b的时间间隔为的时间间隔为110-7秒秒初始电子崩转变为初始电子崩转变为流注瞬间照片流注瞬间照片u电子崩在空气中的发展速度约为电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s试验测量结果：正流注试验测量结果：正流注在电离室中得到的阳极流注发展过程的照片在电离室中得到的阳极流注发展过程的照片正流注的发展速度约为正流注的发展速度约为11082108cm/s流注自
43、持放电条件流注自持放电条件就是流注形成条件就是流注形成条件-空间电荷达到一定数量，即空间电荷达到一定数量，即以汤逊放电条件的形式来表达：以汤逊放电条件的形式来表达：汤逊放电理论与流注放电理论的比较：汤逊放电理论与流注放电理论的比较：流注理论可以解释汤逊理论无法说明的pd值大时的放电现象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。流注理论击穿过程的总结由阳极向阴极(正流注)或由阴极向阳极(负流注)击穿强电场作用下发生碰撞电离
44、畸变电场发射光子流注高速的向电极挺进电子崩气隙间有效电子形成等离子通道（流注）产生新电子崩（二次崩）二次崩不断汇入主崩返回流注理论对pd 较大时放电现象的解释 放电外形u现象：pd 较大时，放电不均匀，有分支，有细小的通道u解释：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 放电时间u现象：放电时间极短u解释：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 阴极材料的影响u现象：放电与阴极材料无关u解释：pd很大时，维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程返回返回2.3.3电负性气体的情况电负性气体的情况 对强电负性气
45、体，除考虑和过程外，还应考虑过程（电子附着过程）。的定义与相似，即一个电子沿电力线方向行经1 cm时平均发生的电子附着次数。可见在电负性气体中有效的碰撞电离系数为 。由于强电负性气体中 ，所以其自持放电场强比非电负性气体高得多。以SF6气体为例，在101.3kPa，20的条件下，均匀电场中击穿场强为Eb89kV/cm，约为同样条件的空气间隙的击穿场强的3倍。K K：电子崩中电子的临界值取对数，对于：电子崩中电子的临界值取对数，对于SFSF6 6，K=10.5K=10.5。气体放电现象与规律因气体的种类、气压、和间隙中电场的均匀度而异。2.4不均匀电场中气体放电的特点不均匀电场中气体放电的特点均
46、匀电场和极不均匀电场示意图均匀电场和极不均匀电场示意图均匀电场和极不均匀电场示意图均匀电场和极不均匀电场示意图64均匀电场均匀电场u放电达到自持，间隙立即被击穿，击穿前看不到放电迹象放电达到自持，间隙立即被击穿，击穿前看不到放电迹象p平板电极平板电极稍不均匀电场稍不均匀电场u放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电便一定立即导致整个气放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电便一定立即导致整个气隙击穿，击穿电压取决于极间距离。隙击穿，击穿电压取决于极间距离。p测高电压的球隙测高电压的球隙极不均匀电场极不均匀电场u特有的两大特征特有的两大特征p电晕放电：电晕放电：极不均匀电场所特有的一种自持放电形
47、式；极不均匀电场所特有的一种自持放电形式；p极性效应：极性效应：放电过程与电极的极性有关；放电过程与电极的极性有关；u典型的极不均电场典型的极不均电场p棒棒棒（针棒（针针）：针）：p棒棒板（针板（针板）：板）：2.4.12.4.1稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点曲率半径小的曲率半径小的电极电极电极电极尖端尖端尖端尖端发生的发生的蓝紫色蓝紫色蓝紫色蓝紫色晕光状晕光状晕光状晕光状放电。放电。极不均匀场的一种极不均匀场的一种特有的自持放电形特有的自持放电形式。式。66d2D，电场较均匀，其放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，立即导致整个气隙击穿，击穿电压
48、取决于极间距离。d4D，电场分布极不均匀，电压增加到某一临界值，存在电晕放电。外加电压进一步增大，表面电晕层扩大，并出现刷状的细火花，火花变长，最终导致气隙完全击穿。2D4D，过渡区域，放电过程不稳定，放电电压分散性大。电场的均匀程度可以根据是否产生稳定的电晕来划分电场的均匀程度可以根据是否产生稳定的电晕来划分。1击穿电压；击穿电压；2电晕起始电压；电晕起始电压；3放电不稳定区放电不稳定区67式中：式中：Emax最大电场强度；最大电场强度；Eav平均电场强度；平均电场强度；电场不均匀系数电场不均匀系数fu引入电场引入电场不均匀系数不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度表示各种结构的电场的
49、均匀程度u在在稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿现象稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿现象，此时间隙中平均电场强，此时间隙中平均电场强度比均匀电场间隙的略小，因此在同样极间距离时稍不均匀场间隙的击穿电压度比均匀电场间隙的略小，因此在同样极间距离时稍不均匀场间隙的击穿电压较均匀场间隙的要低；较均匀场间隙的要低；在极不均匀场间隙中自持放电条件即是电晕起始条件在极不均匀场间隙中自持放电条件即是电晕起始条件，由发生电晕至击穿的过程还必须提高电压才能完成。由发生电晕至击穿的过程还必须提高电压才能完成。稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点68紫外成像拍摄的电
50、晕紫外成像拍摄的电晕半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系 稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同 放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压 放电过程不稳定，分散属于过渡区 式中，U为极间电压；d为极间距离。电晕放电的一般描述电晕放电的一般描述u电晕放电电晕放电极不均匀电场极不均匀电场所特有的一种所特有的一种自持放电自持放电现象；现象；电晕放电的概念电晕放电的概念 发生电晕放电现象的条件发生电晕放电现象的条件u电场极不均匀时，曲率大的电极附近很小范围内电场极不均匀时，曲率大的电极附近很小