1、1第第2章章氣體放電的基本物理過程氣體放電的基本物理過程高電壓工程基礎2第第2 2章章 氣體放電的基本物理過程氣體放電的基本物理過程 u高壓電氣設備絕緣的介質介質 -氣體、液體、固體及其復合介質 u氣體絕緣介質的優點優點 : 1. 1. 不存在不存在老化老化問題問題 2. 2. 擊穿后具有完全的擊穿后具有完全的絕緣自恢復絕緣自恢復特性特性 3. 3. 氣體放電理論比液體與固體介質的氣體放電理論比液體與固體介質的擊穿理擊穿理 論要完整得多論要完整得多 高電壓工程基礎3主要內容主要內容n氣體中帶電質點的產生和消失氣體中帶電質點的產生和消失n氣體放電的兩種理論氣體放電的兩種理論n 兩種理論自持放電的

2、條件兩種理論自持放電的條件 n不均勻電場中氣體放電的特點不均勻電場中氣體放電的特點高電壓工程基礎4氣體放電氣體放電在電場作用下，氣隙中帶電粒子的形成和運動過程在電場作用下，氣隙中帶電粒子的形成和運動過程n氣隙中帶電粒子是如何形成的？氣隙中帶電粒子是如何形成的？n氣隙中的導電通道是如何形成的？氣隙中的導電通道是如何形成的？n氣隙中導電通道形成后是如何維持持續放電的？氣隙中導電通道形成后是如何維持持續放電的？ 高電壓工程基礎5原子原子激勵激勵和和電離電離 原子原子能級能級 以電子伏為單位以電子伏為單位 1eV1V1. 610-19C1.610-19J原子原子激勵激勵 原子在外界因素作用下，其電子躍

3、遷到能量較高的狀態，原子在外界因素作用下，其電子躍遷到能量較高的狀態，所需能量稱為所需能量稱為激勵能激勵能We 激勵狀態恢復到正常狀態時，輻射出相應能量的光子，光激勵狀態恢復到正常狀態時，輻射出相應能量的光子，光子（光輻射）的頻率子（光輻射）的頻率 hWe2.1 2.1 帶電質點的產生與消失帶電質點的產生與消失6 原子原子電離電離： 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的束縛而形成自由電子和正離子的過程稱為原子的電離原子的電離 電離過程所需要的能量稱為電離過程所需要的能量稱為電離能電離能Wi（

4、ev），），也可用電離也可用電離電位電位Ui（v） Ui =Wi/e 幾種氣體和金屬蒸汽的激勵電位和電離電位幾種氣體和金屬蒸汽的激勵電位和電離電位 氣體氣體激勵能激勵能We (eV)電離能電離能Wi (eV)氣體氣體激勵能激勵能We (eV)電離能電離能Wi (eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.67一、氣體中帶電質點的產生和消失一、氣體中帶電質點的產生和消失 n氣體中帶電質點的氣體中帶電質點的產生產生 （一）氣體分子的電離可由下列因素引起：（一）氣體分子的電離可由下列因素引起： （1）高溫下氣體中的熱能（）

5、高溫下氣體中的熱能（熱電離熱電離） （2）各種光輻射（）各種光輻射（光電離光電離） （3）電子或正離子與氣體分子的）電子或正離子與氣體分子的碰撞電離碰撞電離 （二）金屬（二）金屬（陰極陰極）的表面電離）的表面電離 （三）（三）負離子負離子的形成的形成 8熱電離熱電離 n因氣體熱狀態引起的電離過程稱為因氣體熱狀態引起的電離過程稱為熱電離熱電離 氣體分子的平均動能和氣體溫度的關系為氣體分子的平均動能和氣體溫度的關系為 在它們相互碰撞時，就可能引起激勵或電離在它們相互碰撞時，就可能引起激勵或電離 n室溫下室溫下,氣體分子平均動能十分小氣體分子平均動能十分小,熱電離概率低熱電離概率低n在高溫下在高溫下

6、(大于大于10000K時時)，例如發生電弧放電時，氣，例如發生電弧放電時，氣體溫度可達數千度，氣體分子動能就足以導致發生明體溫度可達數千度，氣體分子動能就足以導致發生明顯的碰撞電離顯的碰撞電離32WkT波爾茨曼常數1.3810-23J/K 熱力學溫度 9光電離光電離 n光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光電離光電離 自然界、人為照射、自然界、人為照射、氣體放電過程氣體放電過程n當氣體分子受到光輻射作用時，如光子能量滿足下面條當氣體分子受到光輻射作用時，如光子能量滿足下面條件，將引起光電離，分解成電子和正離子件，將引起光電離，分解成電子和正離子n光輻射能夠引起光

7、電離的臨界波長（即最大波長）為光輻射能夠引起光電離的臨界波長（即最大波長）為n對所有氣體來說，在可見光（對所有氣體來說，在可見光（400 750nm）的作用下，）的作用下，一般是不能直接發生光電離的一般是不能直接發生光電離的;紫外線紫外線也只能使少數低也只能使少數低電離電位的金屬蒸氣發生光電離電離電位的金屬蒸氣發生光電離;只有波長更短的只有波長更短的X射線射線、射線射線才能使氣體發生光電離才能使氣體發生光電離 ;iWhnm 1234;0iiUeUhcvc普朗克常數6.6310-34Js 10碰撞電離碰撞電離 n氣體放電中，碰撞電離主要是氣體放電中，碰撞電離主要是電子和氣體分子電子和氣體分子碰撞

8、而引起的碰撞而引起的 n在電場作用下，電子被加速而獲得動能。當電子的動能滿足如下條件時，將在電場作用下，電子被加速而獲得動能。當電子的動能滿足如下條件時，將引起引起碰掩電離碰掩電離 me電子的質量；電子的質量； ve 電子的速度；電子的速度； Wi氣體分子的電離能。氣體分子的電離能。n碰撞電離的形成與電場強度和碰撞電離的形成與電場強度和平均自由行程平均自由行程的大小有關的大小有關n碰撞電離主要以碰撞電離主要以電子為主電子為主ieeWvm221EUxWeExii/11u原子中電子在外界因素的作用下可躍遷到能級較高的外層軌道，稱之為激勵，所需的能量稱為激勵能u原子或分子在激勵態再獲得能量而發生電離

9、稱為分級電離，此時所需能量為Wi-We u通常分級電離的概率很小，因為激勵態是不穩定的 表2-1幾種氣體的電離能和激勵能（eV）高電壓工程基礎分級電離分級電離氣體電離能激勵能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6u潘寧電離潘寧電離電光源電光源12電極（陰極）表面電子逸出電極（陰極）表面電子逸出 n陰極發射電子陰極發射電子的過程的過程 逸出功逸出功 ：使電子從金屬表面逸出需要一定的能量，稱為逸：使電子從金屬表面逸出需要一定的能量，稱為逸出功出功 (與與金屬的微觀結構金屬的微觀結構 、金屬表面狀態有關、金屬表面狀態有關) ) n金屬表面電

10、離有多種方式，即可以有多種方法供給電子以金屬表面電離有多種方式，即可以有多種方法供給電子以逸出金屬所需的能量逸出金屬所需的能量 表2-2 一些金屬的逸出功（eV） 一些金屬的逸出功金屬逸出功鋁1.8銀3.1銅3.9鐵3.9氧化銅5.313電極（陰極）表面電子逸出電極（陰極）表面電子逸出 （1 1）正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極 正離子碰撞陰極時使電子逸出金屬（傳遞的能量要大于逸出功）。正離子碰撞陰極時使電子逸出金屬（傳遞的能量要大于逸出功）。逸出的電子有一個和正離子結合成為原子，其余的成為自由電子。逸出的電子有一個和正離子結合成為原子，其余的成為自由電子。因此正離子必須碰撞出兩個及以上電子時才能

11、出現自由電子因此正離子必須碰撞出兩個及以上電子時才能出現自由電子 （2 2）光電子發射光電子發射 金屬表面受到光的照射，當光子的能量大于逸出功時，金屬表面放金屬表面受到光的照射，當光子的能量大于逸出功時，金屬表面放射出電子（紫外光照射電極射出電子（紫外光照射電極 ） （3 3）強場發射（冷發射）強場發射（冷發射）陰極附近所加外電場足夠強時，使陰極發射出電子（陰極附近所加外電場足夠強時，使陰極發射出電子（10106 6V/cmV/cm ） （4 4）熱電子發射）熱電子發射 當陰極被加熱到很高溫度時，其中的電子獲得巨大動能，逸出金屬當陰極被加熱到很高溫度時，其中的電子獲得巨大動能，逸出金屬（1 1

12、）正離子撞擊陰極）正離子撞擊陰極 （2 2）光電子發射）光電子發射（3 3）強場發射）強場發射 （4 4）熱電子發射）熱電子發射14氣體中負離子的形成氣體中負離子的形成 高電壓工程基礎 電子與氣體分子或原子碰撞時，也有可能發生電子附著過程而形成負離子，并釋放出能量，稱為電子親合能電子親合能。電子親合能的大小可用來衡量原子捕獲一個電子的難易，越大則越易形成負離子。 元素電子親合能（eV）電負性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5 負離子的形成使自由電子數減少，因而對放電發展起抑制作用。SF6氣體含F，其分子俘獲電子的能力很強，屬強電負性氣體，因而具有很高的電氣強

13、度，空氣的三倍。 15氣體中帶電質點的氣體中帶電質點的消失消失n氣體中帶電質點的氣體中帶電質點的消失消失 （一）電場作用下氣體中帶電質點的運動（一）電場作用下氣體中帶電質點的運動 （二）帶電質點的（二）帶電質點的擴散擴散 （三）帶電質點的（三）帶電質點的復合復合 16電場作用下氣體中帶電質點的運動電場作用下氣體中帶電質點的運動n帶電質點產生以后，在外電場作用下將作定向運動，帶電質點產生以后，在外電場作用下將作定向運動，消消失于電極失于電極n形成外回路電流形成外回路電流 denvj 17帶電質點的擴散帶電質點的擴散 n帶電質點從濃度較大的區域向濃度較小的區域的移動帶電質點從濃度較大的區域向濃度較

14、小的區域的移動，從而使濃度變得均勻的過程，稱為，從而使濃度變得均勻的過程，稱為帶電質點的擴散帶電質點的擴散 n帶電質點的擴散和氣體分子的擴散一樣，都是由于帶電質點的擴散和氣體分子的擴散一樣，都是由于熱熱運動運動造成，帶電質點的擴散規律和氣體的擴散規律也造成，帶電質點的擴散規律和氣體的擴散規律也是相似的是相似的 n氣體中帶電質點的擴散和氣體狀態有關，氣體中帶電質點的擴散和氣體狀態有關，氣體壓力越氣體壓力越高或者溫度越低，擴散過程也就越弱高或者溫度越低，擴散過程也就越弱n電子的質量遠小于離子，所以電子的熱運動速度很高電子的質量遠小于離子，所以電子的熱運動速度很高，它在熱運動中受到的碰撞也較少，因此

15、，它在熱運動中受到的碰撞也較少，因此，電子的擴電子的擴散過程比離子的要強得多散過程比離子的要強得多 18帶電質點的帶電質點的復合復合 n帶異號電荷的質點相遇，發生電荷的傳遞和中帶異號電荷的質點相遇，發生電荷的傳遞和中和而還原為中性質點的過程，稱為和而還原為中性質點的過程，稱為復合復合 n在帶電質點的復合過程中會在帶電質點的復合過程中會發生光輻射發生光輻射，這種，這種光輻射在一定條件下又可能成為導致電離的因光輻射在一定條件下又可能成為導致電離的因素素 n帶電質點的復合率與帶電質點的復合率與正、負電荷的濃度正、負電荷的濃度有關，有關，濃度越大則復合率越高濃度越大則復合率越高19二、氣體放電的一般描

16、述二、氣體放電的一般描述 （一）氣體放電的主要形式（一）氣體放電的主要形式 根據根據氣體壓強、氣體種類、間隙中電場均勻程度、氣體壓強、氣體種類、間隙中電場均勻程度、電極形狀電極形狀等因素的不同，擊穿后氣體放電可具有多等因素的不同，擊穿后氣體放電可具有多種不同形式。利用放電管可以觀察放電現象的變化種不同形式。利用放電管可以觀察放電現象的變化 n輝光放電輝光放電n電弧放電電弧放電n火花放電火花放電n電暈放電電暈放電20輝光放電輝光放電 n當氣體壓強不大，電源功率很小（放電回路中串當氣體壓強不大，電源功率很小（放電回路中串入很大阻抗）時，外施電壓增到一定值后，回路入很大阻抗）時，外施電壓增到一定值后

17、，回路中電流突增至明顯數值，管內陰極和陽極間整個中電流突增至明顯數值，管內陰極和陽極間整個空間忽然出現發光現象空間忽然出現發光現象 n特點是放電電流密度較小，放電區域通常占據了特點是放電電流密度較小，放電區域通常占據了整個電極間的空間。整個電極間的空間。霓虹管中的放電就是輝光放霓虹管中的放電就是輝光放電的例子電的例子。管中所充氣體不同，發光顏色也不同。管中所充氣體不同，發光顏色也不同 2122電弧放電電弧放電 n減小外回路中的阻抗減小外回路中的阻抗，則電流增大，電流增大，則電流增大，電流增大到一定值后，放電通道收細，且越來越明亮，到一定值后，放電通道收細，且越來越明亮，管端電壓則更加降低，說明

18、通道的電導越來越管端電壓則更加降低，說明通道的電導越來越大大n電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度極大電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度極大，電路具有短路的特征，電路具有短路的特征 2324火花放電火花放電u在較高氣壓（例如大氣壓強）下在較高氣壓（例如大氣壓強）下，擊穿后總是形，擊穿后總是形成收細的發光放電通道，而不再擴散于間隙中的成收細的發光放電通道，而不再擴散于間隙中的整個空間。當外回路中阻抗很大，限制了放電電整個空間。當外回路中阻抗很大，限制了放電電流時，電極間出現貫通兩極的流時，電極間出現貫通兩極的的明亮細火花的明亮細火花 u火花放電的特征是具有收細的通道形式，并且放火花放電的特征是

19、具有收細的通道形式，并且放電過程不穩定電過程不穩定 2526電暈放電電暈放電 n電極曲率半徑很小或電極間距離很遠，電極曲率半徑很小或電極間距離很遠，即電場極即電場極不均勻不均勻，則當電壓升高到一定值后，首先緊貼電，則當電壓升高到一定值后，首先緊貼電極在電場最強處出現發光層，回路中出現用一般極在電場最強處出現發光層，回路中出現用一般儀表即可察覺的電流。隨著電壓升高，發光層擴儀表即可察覺的電流。隨著電壓升高，發光層擴大，放電電流也逐漸增大大，放電電流也逐漸增大n發生電暈放電時，發生電暈放電時，氣體間隙的大部分尚未喪失絕氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能緣性能，放電電流很小，間隙仍能耐受電壓的作，放電

20、電流很小，間隙仍能耐受電壓的作用用 272829氣體放電的一般規律氣體放電的一般規律u根據根據氣體壓強、氣體種類、間隙中電場均勻程氣體壓強、氣體種類、間隙中電場均勻程度、電極形狀度、電極形狀等因素的不同，擊穿后氣體放電等因素的不同，擊穿后氣體放電可具有多種不同形式。可具有多種不同形式。u無論何種氣體放電都一定有一個電子碰撞電離無論何種氣體放電都一定有一個電子碰撞電離導致導致電子崩的階段電子崩的階段，它在所加電壓達到一定數，它在所加電壓達到一定數值時出現。值時出現。302.2 2.2 放電的電子崩階段放電的電子崩階段（一）非自持放電和自持放電的不同特點（一）非自持放電和自持放電的不同特點 31高

21、電壓工程基礎 非自持放電和自持放電的不同特點非自持放電和自持放電的不同特點 電流隨外施電壓的提高而增大，因為帶電質點向電極運動的速度加快復合率減小 電流飽和，帶電質點全部進入電極，電流僅取決于外電離因素的強弱（良好的絕緣狀態） 電流開始增大，由于電子碰撞電離引起的 電流急劇上升放電過程進入了一個新的階段（擊穿） 外施電壓小于U0時的放電是非自持放電非自持放電。電壓到達U0后，電流劇增，間隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素。此時氣隙轉入良好的導電狀態，即氣體發生擊穿了氣體發生擊穿了。 自持放電起始電壓32非自持放電非自持放電n外施電壓小于外施電壓小于U0時，間隙內雖時，間隙內雖

22、有電流，但其數值甚小，通常有電流，但其數值甚小，通常遠小于遠小于微安級微安級，因此氣體本身，因此氣體本身的的絕緣性能尚未被破壞絕緣性能尚未被破壞，即間，即間隙還未被擊穿。而且這時電流隙還未被擊穿。而且這時電流要依靠要依靠外電離因素來維持外電離因素來維持，如，如果取消外電離因素，那么電流果取消外電離因素，那么電流也將消失。也將消失。 33自持放電自持放電n當電壓達到當電壓達到U0后，氣體后，氣體中發生了強烈的電離，中發生了強烈的電離，電流劇增。同時氣體中電流劇增。同時氣體中電離過程電離過程只靠電場的作只靠電場的作用已可自行維持用已可自行維持，而不，而不再繼續需要外電離因素再繼續需要外電離因素了。

23、因此了。因此U0以后的放電以后的放電形式也稱為形式也稱為自持放電自持放電 34n由非持放電轉入自持放電的電壓稱為由非持放電轉入自持放電的電壓稱為起始電壓起始電壓U0n如如電場比較均勻電場比較均勻，則間隙將被擊穿，此后根據氣壓，則間隙將被擊穿，此后根據氣壓、外回路阻抗等條件形成、外回路阻抗等條件形成輝光放電、火花放電輝光放電、火花放電或或電電弧放電弧放電，而起始電壓，而起始電壓U0也就是也就是間隙的擊穿電壓間隙的擊穿電壓Ubn如如電場極不均勻電場極不均勻，則當放電由非自持轉入自持時，則當放電由非自持轉入自持時，在大曲率電極表面電場集中的區域發生在大曲率電極表面電場集中的區域發生電暈放電電暈放電，

24、這時起始電壓是間隙的這時起始電壓是間隙的電暈起始電壓電暈起始電壓，而，而擊穿電壓擊穿電壓可能比起始電壓高很多可能比起始電壓高很多高電壓工程基礎35 二、二、電子崩的形成 n湯遜放電理論湯遜放電理論(pd較小較小)n流注放電理論流注放電理論(pd較大較大) 這兩種理論互相補充，可以說明廣闊的這兩種理論互相補充，可以說明廣闊的pd（壓強（壓強和極間距離的乘積）范圍內氣體放電的現象和極間距離的乘積）范圍內氣體放電的現象n兩種理論有一個共同的基礎，即圖兩種理論有一個共同的基礎，即圖2-3中中I-U曲線曲線的的BC段的電流增長是由電子段的電流增長是由電子碰撞電離形成電子崩碰撞電離形成電子崩的結果。的結果

25、。 361 1、電子崩的形成、電子崩的形成 （ 過程過程 ）外界電離因子在陰極附近產生了一個初始電子，如果空間電場強度足夠大，該電子在向陽極運動時就會引起碰撞電離，產生一個新的電子，初始電子和新電子繼續向陽極運動，又會引起新的碰撞電離，產生更多電子依此，電子將按照幾何級數幾何級數不斷增多，類似雪崩似地發展，這種急劇增大的空間電子流被稱為電子崩電子崩。37高電壓工程基礎ddnnx0d0exxnnddnxn0ednn00(e1)dnnnn 電子碰撞電離系數電子碰撞電離系數：代表一個電子沿電力線方向行經1cm時平均發生的碰撞電離次數。 0exnn38乘以電子的電荷 ，即得電流關系式： 上式表明：雖然

26、電子崩電流按指數規律隨極間距離d而增大，但這時放電還不能自持，因為一旦除去外界電離因子(令因為I0 = 0時I = 0)， 即I變為零。deII0式中，eqnI00高電壓工程基礎39質點的平均自由行程質點的平均自由行程 ：一個質點在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通：一個質點在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通過的過的平均行程平均行程電子在其自由行程內從外電場獲得電子在其自由行程內從外電場獲得動能動能，能量除決定于，能量除決定于電場強度電場強度外，還和其外，還和其自由行程自由行程有關有關 高電壓工程基礎三 碰撞電離系數 40n氣體中電子和離子的自由行程是它們和氣體分氣體中電子和離子的自由行程是

27、它們和氣體分子發生碰撞時的行程子發生碰撞時的行程n電子電子的平均自由行程要的平均自由行程要比分子和離子的大比分子和離子的大得多得多n氣體分子氣體分子密度越大密度越大，其中質點的平均自由行程，其中質點的平均自由行程越小。對于同一種氣體，其分子密度和該氣體越小。對于同一種氣體，其分子密度和該氣體的密度成正比的密度成正比pT高電壓工程基礎質點的平均自由行程質點的平均自由行程三 碰撞電離系數 41n自由行程的分布：自由行程的分布： 具有統計性的規律。質點的具有統計性的規律。質點的自由行程大于自由行程大于x的概率為的概率為 如果起始有如果起始有n0個質點（或一個質點的相繼個質點（或一個質點的相繼n0次次

28、碰撞），則其中行過距離碰撞），則其中行過距離x后，尚未被碰撞的后，尚未被碰撞的質點數（或次數）質點數（或次數）n(x)應為應為 xexf)(xenxn0)(高電壓工程基礎三 碰撞電離系數 質點的平均自由行程質點的平均自由行程42三 碰撞電離系數 1.設電子平均電子平均自由行程為自由行程為，電子運動1cm距離內將與氣體分子發生1/次碰撞。 2.設電子在均勻電場中行經距離x而未發生碰撞，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3.只有那些自由行程超過只有那些自由行程超過xi的電子，才能與分子發生碰的電子，才能與分子發生碰撞電離撞電離 ：EUEqWxieiiiiUE

29、xWeEx 或43實際自由行程長度等于或大于xi的概率為根據碰撞電離系數 的定義，即可得出：eixei1eUE1cm長度內一個電子的平均碰撞次數為1/ ：電子平均自由行程碰撞引起電離的概率碰撞電離的條件i/xUExenxn0)(44當氣溫 不變時，1 Ap，并令，并令AUiB，有，有：T式中A、B是兩個與氣體種類有關的常數。EBpApe由上式不難看出： 電場強度E增大時， 急劇增大; 很大或很小時， 都比較小。ppTi1eUE45 所以，在高氣壓和高真空下，氣隙不易發生放電現象，具有較高的電氣強度。高氣壓時， 很小，單位長度上的碰撞次數很多，但能引起電離的概率很小； 低氣壓和真空時， 很大，總

30、的碰撞次數少，所以 也比較小。ee462.32.3、自持放電的條件、自持放電的條件n只有電子崩過程是不會發生自持放電的。要達只有電子崩過程是不會發生自持放電的。要達到自持放電的條件，必須在氣隙內初始電子崩到自持放電的條件，必須在氣隙內初始電子崩消失前產生消失前產生新的電子（二次電子）新的電子（二次電子）來取代外電來取代外電離因素產生的初始電子。離因素產生的初始電子。 n實驗現象表明，二次電子的產生機制與氣壓和實驗現象表明，二次電子的產生機制與氣壓和氣隙長度的乘積（氣隙長度的乘積（pd）有關。）有關。pd值較小時自持值較小時自持放電的條件可用放電的條件可用湯遜理論湯遜理論來說明；來說明；pd值較

31、大時值較大時則要用則要用流注理論流注理論來解釋。對于空氣來說，這一來解釋。對于空氣來說，這一pd值的分界線大約為值的分界線大約為26kPacm。 47PdPd值較小時的情況值較小時的情況n湯遜理論認為，當湯遜理論認為，當pd較小時，電子的較小時，電子的碰撞電離碰撞電離和和正離子撞擊陰極正離子撞擊陰極造成的表面電離起著主要作用，造成的表面電離起著主要作用，氣隙的擊穿電壓大體上是氣隙的擊穿電壓大體上是pd的函數的函數n 電離系數電離系數 正離子向陰極移動，依靠它所具有的動能及位能正離子向陰極移動，依靠它所具有的動能及位能，在撞擊陰極時能引起表面電離，使陰極釋放出，在撞擊陰極時能引起表面電離，使陰極

32、釋放出自由電子來自由電子來 表示表示每個正離子從陰極表面平均釋放的自由表示表示每個正離子從陰極表面平均釋放的自由電子數電子數 48湯遜放電判劇湯遜放電判劇從陰極飛出從陰極飛出n0個電子，到達陽極后，電子數將增加為個電子，到達陽極后，電子數將增加為 正離子數正離子數正離子到達陰極，從陰極電離出的電子數正離子到達陰極，從陰極電離出的電子數denn0) 1(0denn) 1(0denn49 設設 n01 放電有非自持轉入自持的條件為放電有非自持轉入自持的條件為 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式具有清楚的物理意義 11 dee1d1

33、lnd50自持放電的物理含義物理含義 一個初始電子有一個后繼電子，放電得以自持： 一個電子從陰極到陽極途中因電子崩而造成的正離子數為：1de正離子在陰極造成的二次自由電子數為：) 1(de51 當自持放電條件得到滿足時，就會形成圖解中閉環部當自持放電條件得到滿足時，就會形成圖解中閉環部分所示的循環不息的狀態，放電就能自己維持下去分所示的循環不息的狀態，放電就能自己維持下去 高電壓工程基礎52 利用湯遜理論的自持放電條件 以及碰撞電離系數 與氣壓 、電場強度 的關系式(當氣溫 不變時)，并考慮均勻電場中自持放電起始場強1) 1(depEdUE T氣體擊穿的巴申定律氣體擊穿的巴申定律EBpApe5

34、3氣體擊穿的巴申定律氣體擊穿的巴申定律n將將 的計算式代入自持放電條件的計算式代入自持放電條件 擊穿電壓擊穿電壓Ub 溫度不變時，均勻電場中氣體的擊穿電壓溫度不變時，均勻電場中氣體的擊穿電壓Ub是氣體壓是氣體壓強和電極間距離的乘積強和電極間距離的乘積pd的函數的函數 1lnbUBpdApde/1lnlnApdBpdUbpdfUb54n巴申（巴申（Paschen）定律）定律 .上式所示規律在湯遜理論提出之前就由物理學家巴申從實驗中得出，稱為巴申定律巴申定律。 （U形，應用）形，應用）. 巴申曲線表明，改變極間距離d的同時，也相應改變氣壓p而使pd的乘積不變，則極間距離不等的氣隙擊穿電壓卻彼此相等

35、b()Uf pd高電壓工程基礎55物理解釋物理解釋：u假設d保持不變，當當P增大時增大時，電子的平均自由行程縮短了，相鄰兩次碰撞之間，電子積聚到足夠動能的幾率減小了。反之；當當P減小時減小時，電子在碰撞前積聚到足夠動能的幾率雖然增大了，但氣體很稀薄，電子在走完全程中與氣體分子相撞的總次數卻減到很小 ，Ub所也會增大。uU形曲線形曲線56 應當指出，上述巴申定律是在氣溫T保持不變時得出的。在氣溫T并非恒定的情況下，式-應改為：)( dFUb式中 ：氣體的相對密度，即實際氣體密度與標準大氣條件下的密度之比，可見：TppTTpss9 . 2sp=101.3kPasT=293K標準大氣條件：57湯遜放

36、電理論的適用范圍湯遜放電理論的適用范圍n電力工程上經常接觸到的是電力工程上經常接觸到的是氣壓較高氣壓較高的情況（從一個大氣壓的情況（從一個大氣壓到數十個大氣壓），間隙距離通常也很大到數十個大氣壓），間隙距離通常也很大 n和和pd小時候放電主要差異可概述如下小時候放電主要差異可概述如下 1. 放電外形放電外形 均勻連續，如輝光放電均勻連續，如輝光放電 分枝的明細通道分枝的明細通道 2. 放電時間放電時間 火花放電時間的計算值比實測值要大得多火花放電時間的計算值比實測值要大得多 3. 擊穿電壓擊穿電壓 湯遜自持放電條件求得的擊穿電壓和實驗值有很大出入湯遜自持放電條件求得的擊穿電壓和實驗值有很大出入

37、 4. 陰極材料的影響陰極材料的影響 實測得到的擊穿電壓和陰極材料無關實測得到的擊穿電壓和陰極材料無關 58湯遜放電理論的適用范圍湯遜放電理論的適用范圍u湯森德放電機理的不足湯森德放電機理的不足u(1)前面湯遜放電理論所討論的是低氣壓、短氣隙的情況,只是在一定的范圍內有效(pd26kPacm ) 以自然界的雷電為例，它發生在兩塊雷云之間或雷云與大地之間，這時不存在金屬陰極，因而與陰極上的過程和二次電子發射根本無關。u(2)不均勻的電場中，該理論不適用.原因：原因： 忽略了帶電質點改變電場分布及光電離忽略了帶電質點改變電場分布及光電離59 氣體放電流注理論以實驗為基礎，它考慮了高氣壓、長氣隙情況

38、下不容忽視的若干因素對氣體放電的影響，主要有以下兩方面：空間電荷對原有電場的影響 空間光電離的作用pdpd值較大時的惰況值較大時的惰況( (流注理論) )認為認為電子碰撞電離電子碰撞電離及及空間光電離空間光電離是維持自持放電的主要因是維持自持放電的主要因素，并強調了空間電荷畸變電場的作用素，并強調了空間電荷畸變電場的作用60 pdpd值較大時放電過程也是從值較大時放電過程也是從電子崩開始電子崩開始的，但是當電的，但是當電子崩發展到一定階段后會產生電離特強、發展速度更子崩發展到一定階段后會產生電離特強、發展速度更快的新的放電區，這種過程稱為快的新的放電區，這種過程稱為流注放電流注放電u電子崩階段

39、電子崩階段 空間電荷畸變外電場空間電荷畸變外電場 u流注階段流注階段 光電離形成二次電子崩，等離子體光電離形成二次電子崩，等離子體 高電壓工程基礎61（一）空間電荷對原有電場的影響 電子崩頭部聚集大部分正離子和全部電子，產生了電場畸變； 電子崩中電場弱，電荷密度很大，所以復合過程頻繁 ； 強烈的復合輻射出許多光子，成為引發新的空間光電離輻射源。如圖所示：62（二）空間光電離的作用 考慮初始電子崩頭部成為輻射源，會向氣隙空間各處發射光子而引起光電離。 湯遜理論沒有考慮放電本身所引發的空間光電離現象，而這一因素在高氣壓、長氣隙的擊穿過程中起著重要的作用。 63 如圖所示：如果這時產生的光子位于崩頭

40、前方和崩尾附近的強場強區，則造成的二次電子崩將以更大的電離強度向陽極發展或匯入崩尾的正離子群中。 這些電離強度和發展速度遠大于初始電子崩的二次電子崩不斷匯入初崩通道的過程稱為流注。 64流注條件 一旦形成流注，放電就進入了新的階段，放電可以由本身產生的空間光電離而自行維持，而不再依賴外界電離因子的作用，如果電場均勻，間隙就將被擊穿。所以流注形成的條件就是自持放電條件，在均勻電場中也就是導致擊穿的條件。 初始電子崩頭部電荷必須達到一定數量才能使原電場畸變和造成足夠的空間光電離 。對均勻電場來說，自持放電條件為： de常數d常數或65實驗研究所得出的常數值為：20d或810de 可見初崩頭部的電子

41、數要達到108時，放電才能轉為自持，出現流注。66流注理論可以解釋湯遜理論無法說明的pd值大時的放電現象。1.放電為何并不充滿整個電極空間而是細通道形式，有時火花通道曲折形二次電子崩在空間的形成和發展帶有統計性，所以火花通道常是曲折的，并帶有二次電子崩在空間的形成和發展帶有統計性，所以火花通道常是曲折的，并帶有分枝分枝; ;電子崩不致影響到鄰近空間內的電場，不會影響其它電子崩的發展，因此湯電子崩不致影響到鄰近空間內的電場，不會影響其它電子崩的發展，因此湯遜放電呈連續一片遜放電呈連續一片2. 如放電時延為什么遠小于離子穿越極間距離的時間光子以光速傳播，所以流注發展速度極快，這就可以說明pd很大時

42、放電時間特別短的現象。3. 再如為何擊穿電壓與陰極材料無關等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下擊穿電壓和陰極材料基本無關了必須指出，兩種理論各適用于一定條件的放電過程，不能用一種理論取代必須指出，兩種理論各適用于一定條件的放電過程，不能用一種理論取代另一種理論。另一種理論。67四、不均勻電場中氣體放電的特點四、不均勻電場中氣體放電的特點高壓電器絕緣結構中的不均勻電場還要區分兩種不同的情高壓電器絕緣結構中的不均勻電場還要區分兩種不同的情況，即況，即稍不均勻電場稍不均勻電場和和極不均勻電場極不均勻電場 :1. 稍不均勻電場稍不均勻電場: 全封閉組合電器（全

43、封閉組合電器（GIS）的母線筒和高壓）的母線筒和高壓實驗室中測量電壓用的球間隙實驗室中測量電壓用的球間隙2. 極不均勻電場極不均勻電場: 高壓輸電線之間的空氣絕緣和實驗室中高壓輸電線之間的空氣絕緣和實驗室中高壓發生器的輸出端對墻的空氣絕緣高壓發生器的輸出端對墻的空氣絕緣 一、稍不均勻場和極不均勻場的的不同特點 68根據電場均勻程度和氣體狀態，可出現不同情況根據電場均勻程度和氣體狀態，可出現不同情況u電場比較均勻的情況電場比較均勻的情況 放電達到自持時，在整個間隙中部巳達到相當數值。這時和均勻電場中情況類似 u電場不均勻程度增加但仍比較均勻的情況電場不均勻程度增加但仍比較均勻的情況 當大曲率電極

44、附近達到足夠數值時，間隙中很大一部分區域也都已達相當數值，流注一經產生，隨即發展至貫通整個間隙，導致間隙完全擊穿 69u電場極不均勻的情況電場極不均勻的情況 當大曲率電極附近很小范圍內當大曲率電極附近很小范圍內 已達相當數值已達相當數值時，間隙中大部分區域值時，間隙中大部分區域值 都仍然很小，放電都仍然很小，放電達到自持放電后，間隙沒有擊穿。達到自持放電后，間隙沒有擊穿。 間隙擊穿前在高場強區（曲率半徑較小的電極間隙擊穿前在高場強區（曲率半徑較小的電極表面附近）會出現表面附近）會出現藍紫色的暈光藍紫色的暈光，稱為電暈放，稱為電暈放電。電。電場越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓電場越不均勻，擊穿電

45、壓和電暈起始電壓間的差別也越大間的差別也越大高電壓工程基礎702.42.4、不均勻電場中氣體放電的特點、不均勻電場中氣體放電的特點間隙距離間隙距離d 在很大范圍內變動時，球間隙的工頻放電電壓的變動情況在很大范圍內變動時，球間隙的工頻放電電壓的變動情況 1 擊穿電壓擊穿電壓2 電暈起始電壓電暈起始電壓3 過渡區域過渡區域d0 4r；d0 8r半徑為r的球間隙的放電特性與極間距d的關系 放電具有稍不均勻場間隙的特點擊穿電壓與電暈起始電壓相同 放電具有極不均勻場間隙的特點電暈起始電壓明顯低于擊穿電壓 放電過程不穩定，分散屬于過渡區 71稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特征 為了描述各種結構的電場不均

46、勻程度，可引入一個電場不均勻系數f，表示為：vEEfmaxEmax：最大電場強度 vE:平均電場強度 dUEvf4屬不均勻電場。72二、電暈放電的特點 由于電場強度沿氣隙的分布極不均勻，因而當所加電壓達到某一臨界值時，曲率半徑較小的電極附近空間的電場強度首先達到了起始場強E0，因而在這個局部區域出現碰撞電離和電子崩，甚至出現流注，這種僅僅發生在強場區（小曲率半徑電極附近空間）的局部放電稱為電暈放電。7374電暈放電的起始電壓一般用經驗公式來推算，流傳最廣的是皮克公式，電暈起始場強近似為：電暈放電的起始場強電暈放電的起始場強c0.330(1)/EkV cmrc120.330(1)/Em mkV

47、cmr是氣體相對密度；m1表面粗糙度系數，理想光滑導線取1，絞線0.80.9；好天氣時m2=1，壞天氣時m2可按0.8估算。 cc2lnhUE rr高度為h的單根導線：cc2lnddUE rr距離為 的兩根平行線：75 電暈放電引起的光、聲、熱等效應使空氣發生化學反化學反應應，都會消耗一定的能量。電暈損耗電暈損耗是超高壓輸電線路設計時必須考慮的因素，壞天氣時電暈損耗要比好天氣時大得多。電暈放電的危害電暈放電還會產生可聞噪聲可聞噪聲，并有可能超出環境保護所容許的標準。電暈放電中，由于電子崩和流注不斷消失和重新出現所造成的放電脈沖會產生高頻電磁波高頻電磁波，從而對無線電和電視廣播產生干擾。76降低電暈的方法： 從根本上設法限制和降低導線的表面電場強度在選擇導線的結構和尺寸時，應使好天氣時電暈損耗接近于零，對無線電和電視的干擾應限制到容許水平以下。對于超高壓和特高壓線路的分裂線來說，找到最佳的分裂距，使導線表面最大電場強度值最小。對