高電壓技術(shù)第2章氣體放電的物理過程_XL

1、高電壓技術(shù)廣東工業(yè)大學(xué)廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院自動化學(xué)院徐亮徐email:教學(xué)目標教學(xué)目標掌握氣體中帶電質(zhì)點的產(chǎn)生中四種電離（碰撞電離、光電離、熱電離和表面電離）型式的機理和帶電質(zhì)點消失的機理。掌握湯遜德理論的要點和適用范圍；掌握流注理論的要點和適用范圍；掌握不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng)原理；掌握長間隙擊穿過程中的先導(dǎo)放電機理；了解電暈放電機理；了解雷電放電機理。 教學(xué)重點教學(xué)重點四種電離（碰撞電離、光電離、熱電離和表面電離）型式的機理；湯遜德理論和流注理論的要點和各自的適用范圍；不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng)原理 教學(xué)難點教學(xué)難點電離和氣體放電機理全是微觀電子運動

2、產(chǎn)生的現(xiàn)象，傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難表達清楚；不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng)主要是空間電荷畸變電場的作用，比較抽象，很難理解 。第二章 氣體放電的物理過程 帶點質(zhì)點的產(chǎn)生 四種電離（碰撞電離、光電離、熱電離和表面電離）形式的機理； 撞擊電離/碰撞電離 當電子從電場獲得的動能等于或大于氣體分子的電離能時，就有可能因碰撞而使氣體分子分裂為電子和正離子，即電子的能量滿足條件： 碰撞電離的形成與電場強度和平均自由行程的大小有關(guān)。 光電離 光當氣體分子受到光輻射作用時，如光子能量滿足下列條件即可產(chǎn)生光電離： 導(dǎo)致氣體光電離的光子可以由自然界（如空中的紫外線、宇宙射線等）或人為照射（如紫外線、x 射線等）提供，

3、也可以由氣體放電過程本身產(chǎn)生。ieeWvm221iWh （3）熱電離 一切因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離，包括：隨著溫度升高氣體分子動能增加引起的碰撞電離，高溫下高能熱輻射光子引起的光電離。 （4）表面電離 陰極發(fā)射電子的過程，稱為表面電離。 a、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）。逸出的電子有一個和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子。 b、光電效應(yīng) 金屬表面受到光的照射，當光子的能量大于選出功時，金屬表面放射出電子。 c、強場放射（冷放射） 當陰極附近所加外電場足夠強時，使陰極放射出電子。 d、熱電子放射 當陰極被加熱到很高溫度時，其中的電子獲

4、得巨大動能，逸出金屬。帶電質(zhì)點的消失帶電質(zhì)點的消失 與形成帶電質(zhì)點的電離過程相反的過程稱為帶電質(zhì)點的消失過程。 帶電質(zhì)點的消失主要有三種方式。一種方式是一部分帶電質(zhì)點在電場作用下作定向運動，從而消失于電極（造成電流）。另外兩種方式就是帶電質(zhì)點的擴散和復(fù)合。湯遜德理論的要點和適用范圍湯遜德理論的要點和適用范圍 （1）電子崩的形成 （2）自持放電條件 電子電離系數(shù)：一個電子沿著電場方向行走單位長度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)（由電離產(chǎn)生的自由電子數(shù)）。 表面電離系數(shù)：每個正離子碰幢陰極表面平均釋放出的自由電子數(shù)。 設(shè)：一個電子從陰極行走 x 距離 產(chǎn)生的自由電子數(shù)為n，n個電子 前進dx 產(chǎn)生的新電子

5、數(shù)為： 或 所以：一個電子從陰極到陽極產(chǎn)生的電子數(shù)為： 一個電子從陰極到陽極產(chǎn)生的正離子數(shù)為： 自持放電條件：1eS SdxeeNS0 dxndndxndn1)1e (S 帕邢定律帕邢定律/巴申定律巴申定律氣隙的擊穿電壓與S的函數(shù)關(guān)系巴申定律)(/1lnlnSfSASBUb均勻電場中幾種氣體擊穿電壓和S的關(guān)系（4）湯遜德理論的適用范圍 湯遜德理論是在氣壓較低、S值較小條件下進行的放電實驗的基礎(chǔ)上建立起來的，是一種輝光放電現(xiàn)象。 S過小或過大，湯遜德理論都不適用。4、 流注理論的要點和適用范圍（1）電子崩階段空間電荷畸變外電場平板電極間的電子崩空間電荷對外電場的畸變 （a）電子崩示意圖 （b）電

6、子崩中空間電荷的濃度分布 （c）空間電荷的電場 （d）合成電場（2）流注的形成 主電子崩中釋放的光子引起二次電離,二次電子崩匯入主電子崩將形成流注。大量的正、負帶電質(zhì)點構(gòu)成的等離子體，即為流注。 a、正流注：當外施電壓達到擊穿電壓時，電子崩走完整個間隙后，頭部空間電荷密度很大，大大加強了后部的電場，并向周圍放射出大量光子，這些光子引起了空間光電離，形成二次電子崩，二次電子崩匯入主電子崩形成正、負帶電質(zhì)點構(gòu)成的等離子體流注，并由正電極向負電極發(fā)展。正流注的產(chǎn)生及發(fā)展1起始電子崩（主電子崩）； 2二次電子崩； 3流注b、 負流注：當外施電壓比擊穿電壓高，主電子崩不需經(jīng)過整個間隙，其頭部電離程度已足

7、于形成流注。流注形成后向陽極發(fā)展。 負流注的產(chǎn)生及發(fā)展 1起始電子崩（主電子崩）； 2二次電子崩； 3流注 （3）流注理論的適用范圍 流注理論可以解釋場遜理論不能說明的S很大時的放電現(xiàn)象。 a、放電外形： S很大時，放電具有通道形式。 b、放電時間： S很大時，光子以光速傳播，流注發(fā)展速度極快，放電時間特別短。 c、陰極材料的影響： S很大時，擊穿電壓和陰極材料基本無關(guān)，維持自持放電的是空間光電離，而不是陰極表面的電離過程。5、 不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng) 棒板間隙在施加電壓時，由于空間電荷畸變了棒板間隙中的電場，使得棒極為正時的電暈起始電壓高于棒極為負時的電暈起始電壓。棒極為正時的擊穿電

8、壓值低于棒極為負時的擊穿電壓值。 棒板間隙中空間電荷對外電場的畸變作用 Eex外電場 Esp空間電荷的電場6、 長間隙擊穿過程中的先導(dǎo)放電 間隙距離較長時(如棒板間隙還離大于1米時)，在流注通道還不足于貫通整個間隙的電壓下，仍可能發(fā)展起擊穿過程。這時流注通道發(fā)展到足夠的長度后，將有較多的電子循通道流向電極，通過通道根部的電子最多，于是流注根部溫度升高，出現(xiàn)了熱電離過程。這個具有熱電離過程的通道稱為先導(dǎo)通道。 間隙中如出現(xiàn)先導(dǎo)放電階段，則平均擊穿場強降低，因此長空氣間隙的平均擊穿場強遠低于短間隙。 正棒負板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展（）先導(dǎo)和其頭部的流注；（）流注頭部電子崩的形成；（）由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)

9、和 形成流注；（）流注頭部電子崩的形成； 7、 電暈放電 電暈放電現(xiàn)象是在極不均勻電場中，大曲率電極附近發(fā)生的空氣間隙局部電離放電的現(xiàn)象。在黑暗中可以看到該電極周圍有薄薄的發(fā)光層，有些象“月暈”，電暈電極周圍的電離層稱為電暈層，電暈層以外電場很弱，因而不發(fā)生電離過程的空間稱為外區(qū)。爆發(fā)電暈放電時，還可聽到咝咝的聲音，嗅到臭氧的氣味，回路中電流明顯增加(但絕對值仍很小)，可以測量到能量損失。 電暈放電會帶來不利影響。氣體放電過程中的光、聲、熱等效應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)等都能引起能量損失。電暈放電過程中會出現(xiàn)放電的脈沖現(xiàn)象，形成高頻電磁波，引起干擾。電暈放電還能使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成臭氧從氧化氦等產(chǎn)物，引起腐蝕作用。 電暈放電在某些特定情況下還有其有利的一面。例如電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅值及陡度；可以利用電暈放電改善電場分布，提高擊穿電