高電壓技術(shù)(1-3章)

1、高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)第一章第一章 氣體電介質(zhì)的電氣性能氣體電介質(zhì)的電氣性能1.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失1.2 均勻電場(chǎng)小氣隙的放電1.3 均勻電場(chǎng)大氣隙的放電1.4 不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿1.5 沖擊電壓下空氣的擊穿特性1.6 大氣條件對(duì)空氣間隙擊穿電壓的影響1.7 提高氣隙擊穿電壓的措施 1.8 沿面放電 電介質(zhì)電介質(zhì)（dielectric ）就是在電氣設(shè)備中作為絕緣使用的絕緣材料。）就是在電氣設(shè)備中作為絕緣使用的絕緣材料。 從場(chǎng)的角度叫電介質(zhì)，從工程的角度叫絕緣材料。從場(chǎng)的角度叫電介質(zhì)，從工程的角度叫絕緣材料。描述電介質(zhì)性能的主要參數(shù)有：描述電介質(zhì)性能的主要參數(shù)有： 絕緣電阻絕緣電阻R

2、: 描述描述介質(zhì)介質(zhì)導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能的參數(shù)的參數(shù)。 介介電常數(shù)電常數(shù)：描述介質(zhì)極化性能的參數(shù)。：描述介質(zhì)極化性能的參數(shù)。 介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗P P（tgtg): ): 描述介質(zhì)損耗性能的參數(shù)。描述介質(zhì)損耗性能的參數(shù)。 擊穿場(chǎng)強(qiáng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)E：描述介質(zhì)抗電能力的常數(shù)（耐受電壓作用的能力）。描述介質(zhì)抗電能力的常數(shù)（耐受電壓作用的能力）。 擊穿電壓擊穿電壓：電介質(zhì)擊穿時(shí)的最低臨界電壓。：電介質(zhì)擊穿時(shí)的最低臨界電壓。 實(shí)際標(biāo)注的擊穿場(chǎng)強(qiáng)是指實(shí)際標(biāo)注的擊穿場(chǎng)強(qiáng)是指均勻電場(chǎng)中均勻電場(chǎng)中擊穿電壓擊穿電壓Uj與間隙距離與間隙距離d之比，也叫之比，也叫電氣強(qiáng)度，電氣強(qiáng)度，是是表征電介質(zhì)耐受電壓作用的能力。表征電介質(zhì)耐

3、受電壓作用的能力。 空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電氣強(qiáng)度為空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電氣強(qiáng)度為30kV/cm; 注意注意：不能把不均勻場(chǎng)中氣隙：不能把不均勻場(chǎng)中氣隙Ub與間隙距離之比稱為氣體的與間隙距離之比稱為氣體的電氣強(qiáng)度，不均勻電場(chǎng)中的電氣強(qiáng)度，不均勻電場(chǎng)中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)通常是通常是平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)。擊擊穿場(chǎng)強(qiáng)穿場(chǎng)強(qiáng)是表征氣體間隙絕緣性能的重要參數(shù)。是表征氣體間隙絕緣性能的重要參數(shù)。1 1、電介質(zhì)的分類、電介質(zhì)的分類 A:A:按按介質(zhì)形態(tài)介質(zhì)形態(tài)分：分： 氣體氣體電介質(zhì)電介質(zhì) 液體液體電介質(zhì)電介質(zhì) 固體固體電介質(zhì)電介質(zhì) 其中其中氣體氣體最常見(jiàn)。氣體介質(zhì)同其它介質(zhì)相比，具有最常見(jiàn)。氣體介質(zhì)同其它介

4、質(zhì)相比，具有在在擊穿后完全的絕緣自恢復(fù)擊穿后完全的絕緣自恢復(fù)特性（自恢復(fù)絕緣），故應(yīng)用特性（自恢復(fù)絕緣），故應(yīng)用十分廣泛。十分廣泛。 輸電線路以輸電線路以氣體氣體作為絕緣材料作為絕緣材料變壓器相間絕緣以變壓器相間絕緣以液體（固體）液體（固體）作為作為 絕緣材料絕緣材料 電纜是用固體介質(zhì)作為絕緣 高壓電氣設(shè)備中的絕緣介質(zhì)有氣體、液體、固體以及其它復(fù)合介質(zhì)。由于氣體絕緣介質(zhì)不存在老化的問(wèn)題，在擊穿后也有完全的絕緣自恢復(fù)特性，再加上其成本非常廉價(jià)，因此氣體成為了在實(shí)際應(yīng)用中最常見(jiàn)的絕緣介質(zhì)。 氣體擊穿過(guò)程的理論研究雖然還不完善，但是相對(duì)于其他幾種絕緣材料來(lái)說(shuō)最為完整。因此，高電壓絕緣的論述一般都由氣

5、體絕緣開(kāi)始。 B:B:按在電氣設(shè)備中按在電氣設(shè)備中所處位置所處位置分：分： 外絕緣外絕緣： 一般由一般由氣體介質(zhì)（空氣）氣體介質(zhì)（空氣）和和固體介質(zhì)（絕緣子）固體介質(zhì)（絕緣子） 聯(lián)合構(gòu)成。聯(lián)合構(gòu)成。 內(nèi)絕緣內(nèi)絕緣： 一般由一般由固體介質(zhì)固體介質(zhì)和和液體介質(zhì)液體介質(zhì)聯(lián)合構(gòu)成。聯(lián)合構(gòu)成。 2 2、在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象：、在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象： 弱電場(chǎng)弱電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度比擊穿場(chǎng)強(qiáng)小得多電場(chǎng)強(qiáng)度比擊穿場(chǎng)強(qiáng)小得多 會(huì)出現(xiàn)：極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗等。會(huì)出現(xiàn)：極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗等。 強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度等于或大于放電起始場(chǎng)強(qiáng)或電場(chǎng)強(qiáng)度等于或大于放電起始場(chǎng)強(qiáng)或擊穿場(chǎng)強(qiáng)：擊穿場(chǎng)強(qiáng)

6、： 會(huì)出現(xiàn)：激勵(lì)、電離導(dǎo)致放電、閃絡(luò)、擊穿等。會(huì)出現(xiàn)：激勵(lì)、電離導(dǎo)致放電、閃絡(luò)、擊穿等。 原子的激勵(lì)原子的激勵(lì)n 激勵(lì)激勵(lì)(激發(fā)激發(fā))原子在外界因素（電場(chǎng)、高溫等）原子在外界因素（電場(chǎng)、高溫等）的作用下，吸收外界能量使其內(nèi)部能量增加，原子的作用下，吸收外界能量使其內(nèi)部能量增加，原子核外的電子將從離原子核較近的軌道上跳到離原子核外的電子將從離原子核較近的軌道上跳到離原子核較遠(yuǎn)的軌道上去的過(guò)程。核較遠(yuǎn)的軌道上去的過(guò)程。n 激勵(lì)能（激勵(lì)能（We）產(chǎn)生激勵(lì)所需的能量。等于該產(chǎn)生激勵(lì)所需的能量。等于該軌道和常態(tài)軌道的能級(jí)差。軌道和常態(tài)軌道的能級(jí)差。i 注意注意p 激勵(lì)狀態(tài)存在的時(shí)間很短（激勵(lì)狀態(tài)存在的時(shí)

7、間很短（ 10-7 10-8 s），電子將），電子將自動(dòng)返回到常態(tài)軌道上去。自動(dòng)返回到常態(tài)軌道上去。p 原子的激勵(lì)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生帶電粒子。原子的激勵(lì)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生帶電粒子。原子的電離原子的電離n 電離電離在外界因素作用下，其一個(gè)或幾個(gè)電子脫在外界因素作用下，其一個(gè)或幾個(gè)電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過(guò)程。離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過(guò)程。n 電離能（電離能（Wi）使穩(wěn)態(tài)原子或分子中結(jié)合最松弛使穩(wěn)態(tài)原子或分子中結(jié)合最松弛的那個(gè)電子電離出來(lái)所需要的最小能量。（電子伏的那個(gè)電子電離出來(lái)所需要的最小能量。（電子伏 eV）1eV1V1.610-19C1.610-19J（焦耳）（焦耳）

8、1V電壓電壓qe：電子的電荷（庫(kù)倫）：電子的電荷（庫(kù)倫）i 注意注意 原子的電離過(guò)程產(chǎn)生帶電粒子。原子的電離過(guò)程產(chǎn)生帶電粒子。原子的激勵(lì)與電離的關(guān)系原子的激勵(lì)與電離的關(guān)系n 原子的激勵(lì)過(guò)程不產(chǎn)生帶電粒子；原子的激勵(lì)過(guò)程不產(chǎn)生帶電粒子；n 原子的電離過(guò)程產(chǎn)生帶電粒子；原子的電離過(guò)程產(chǎn)生帶電粒子；n 激勵(lì)過(guò)程可能是電離過(guò)程的基礎(chǔ)。激勵(lì)過(guò)程可能是電離過(guò)程的基礎(chǔ)。 原子發(fā)生電離產(chǎn)生帶電粒子的兩種情況：原子發(fā)生電離產(chǎn)生帶電粒子的兩種情況： 激勵(lì)激勵(lì)+電離電離原子吸收了不太高原子吸收了不太高 的能量的能量發(fā)生激勵(lì)，跳發(fā)生激勵(lì)，跳到更遠(yuǎn)的軌道到更遠(yuǎn)的軌道再次吸收能量再次吸收能量發(fā)生電離，產(chǎn)生帶電粒子發(fā)生電離

9、，產(chǎn)生帶電粒子原子吸收直接吸收了足夠的能量原子吸收直接吸收了足夠的能量 發(fā)生電離產(chǎn)生帶電粒子發(fā)生電離產(chǎn)生帶電粒子 直接電離直接電離 氣體氣體激勵(lì)能激勵(lì)能We (eV)電離能電離能Wi (eV)氣體氣體激勵(lì)能激勵(lì)能We (eV)電離能電離能Wi (eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6 表表 1-1 某些氣體的激勵(lì)能和電離能某些氣體的激勵(lì)能和電離能電氣設(shè)備中電氣設(shè)備中常用常用的氣體介質(zhì)的氣體介質(zhì) ：空氣空氣、 SFSF6 6 （壓縮的高電氣強(qiáng)（壓縮的高電氣強(qiáng)度氣體）度氣體） 純凈的純凈的、中性狀態(tài)中性狀態(tài)的氣體

10、是的氣體是不導(dǎo)電不導(dǎo)電的，只有氣體中出現(xiàn)了的，只有氣體中出現(xiàn)了帶帶電質(zhì)點(diǎn)電質(zhì)點(diǎn)（電子、正離子、負(fù)離子）后，才可能導(dǎo)電，并在電場(chǎng)（電子、正離子、負(fù)離子）后，才可能導(dǎo)電，并在電場(chǎng)作用下發(fā)展成各種形式的作用下發(fā)展成各種形式的氣體放電現(xiàn)象氣體放電現(xiàn)象。 正常狀態(tài)：優(yōu)良的絕緣體。正常狀態(tài)：優(yōu)良的絕緣體。l在一個(gè)立方厘米體積內(nèi)僅含幾千個(gè)帶電粒子在一個(gè)立方厘米體積內(nèi)僅含幾千個(gè)帶電粒子, ,但這些帶電粒子但這些帶電粒子并不影響氣體的絕緣。并不影響氣體的絕緣。3 3、幾個(gè)基本概念、幾個(gè)基本概念 放電放電：特指氣體絕緣的擊穿過(guò)程。：特指氣體絕緣的擊穿過(guò)程。 擊穿擊穿：在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)由絕緣狀態(tài)突變?yōu)椋涸陔妶?chǎng)

11、的作用下，電介質(zhì)由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)的過(guò)程。良導(dǎo)電狀態(tài)的過(guò)程。 閃絡(luò)閃絡(luò)：擊穿發(fā)生在氣體與液體、氣體與固體交界面上：擊穿發(fā)生在氣體與液體、氣體與固體交界面上的放電現(xiàn)象。（也稱沿面放電）。的放電現(xiàn)象。（也稱沿面放電）。 工程上將工程上將擊穿擊穿和和閃絡(luò)閃絡(luò)統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為放電放電。 擊穿、放電、閃絡(luò)擊穿、放電、閃絡(luò)都是在一定的電壓作用下電都是在一定的電壓作用下電介質(zhì)的絕緣性能被破壞的過(guò)程。介質(zhì)的絕緣性能被破壞的過(guò)程。光游離光游離氣體放電氣體放電發(fā)展過(guò)程發(fā)展過(guò)程熱游離熱游離碰撞游離碰撞游離空間游離空間游離表面游離表面游離負(fù)離子的形成負(fù)離子的形成正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極光電效應(yīng)光電效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射

12、強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射帶電粒子被極板吸收帶電粒子被極板吸收帶電粒子的擴(kuò)散帶電粒子的擴(kuò)散帶電粒子的復(fù)合帶電粒子的復(fù)合帶電質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)消失帶電質(zhì)點(diǎn)消失 因因氣體壓力、電源功率、電極形狀氣體壓力、電源功率、電極形狀等因素的影響，放電等因素的影響，放電 具有多種形式具有多種形式 輝光放電 氣壓較低，氣壓較低，電源功率很小時(shí)，電源功率很小時(shí)，放電充滿整個(gè)間放電充滿整個(gè)間隙。隙。 電弧放電 大氣壓力大氣壓力下，電源功率下，電源功率較大時(shí)，放電較大時(shí)，放電具有明亮、持具有明亮、持續(xù)的細(xì)致通道。續(xù)的細(xì)致通道?；鸹ǚ烹姡ɡ组W） 大氣壓力下。大氣壓力下。電源功率較小時(shí)，電源功率較小時(shí)，間隙間

13、歇性擊穿，間隙間歇性擊穿，放電通道細(xì)而明亮。放電通道細(xì)而明亮。 電暈放電 極不均勻極不均勻電場(chǎng)，高電場(chǎng)電場(chǎng)，高電場(chǎng)強(qiáng)度電極附近強(qiáng)度電極附近出現(xiàn)發(fā)光薄層。出現(xiàn)發(fā)光薄層。帶電質(zhì)點(diǎn)帶電質(zhì)點(diǎn)(電子、負(fù)離子或正離子電子、負(fù)離子或正離子)一、帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生一、帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生二、帶電質(zhì)點(diǎn)的消失二、帶電質(zhì)點(diǎn)的消失帶電質(zhì)點(diǎn)的來(lái)源：游離帶電質(zhì)點(diǎn)的來(lái)源：游離1.定義定義游離游離:中性質(zhì)點(diǎn)獲得外界能量分解出帶電質(zhì)點(diǎn)的過(guò)程。中性質(zhì)點(diǎn)獲得外界能量分解出帶電質(zhì)點(diǎn)的過(guò)程。游離能游離能（Wi） ：使中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生游離所需的能量。：使中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生游離所需的能量。2.游離的分類游離的分類（一）空間游離：碰撞游離、光游離、熱游離。（一

14、）空間游離：碰撞游離、光游離、熱游離。（二）表面游離：熱電子發(fā)射、二次發(fā)射、光發(fā)射、（二）表面游離：熱電子發(fā)射、二次發(fā)射、光發(fā)射、 強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。一、帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生（1）碰撞游離（一）空間游離（一）空間游離運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)（可以是帶電的，也可以是中性質(zhì)點(diǎn)）撞擊另一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，且使其分解成為兩個(gè)帶電質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象稱為碰撞游離。發(fā)生碰撞游離的條件：撞擊質(zhì)點(diǎn)的總能量（動(dòng)能位能）大于被撞擊質(zhì)點(diǎn)的游離能（Wi） ；有一定的相互作用時(shí)間。特點(diǎn)：可以一次完成，也可以分級(jí)完成。 電子或離子在電場(chǎng)作用下加速所獲得的動(dòng)能（ ）與質(zhì)點(diǎn)電荷量(e)、電場(chǎng)強(qiáng)度（ ）以及碰撞前的行程( )的關(guān)系 eExmv221221mvE

15、xu 電子在電場(chǎng)強(qiáng)度為電子在電場(chǎng)強(qiáng)度為 E 的電場(chǎng)中移過(guò)的電場(chǎng)中移過(guò)x 距離時(shí)所獲得的動(dòng)距離時(shí)所獲得的動(dòng)能為：能為：式中式中: :m電子的質(zhì)量；電子的質(zhì)量； qe電子的電荷量電子的電荷量212eWmvq Ex若若W等于或大于等于或大于氣體分子的游離氣體分子的游離能能Wi，該電子，該電子就有足夠的能量就有足夠的能量去完成碰撞電離去完成碰撞電離u發(fā)生碰撞游離的條件發(fā)生碰撞游離的條件eiq ExWieExW式中： ：電子的電荷量； ：外電場(chǎng)強(qiáng)度； ：電子移動(dòng)的距離 eEx 高速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)與中性的原子或分子碰撞時(shí)，如原子或分子獲得的能量等于或大于其游離能，則會(huì)發(fā)生碰撞游離。因此，游離條件為因此，游離條

16、件為 ：氣體的游離能iW提高外加電壓將使碰撞游離的概率和強(qiáng)度增大。u 電子為造成碰撞游離而必須飛越的最小距離：電子為造成碰撞游離而必須飛越的最小距離： 式中：式中：Ui為氣體的游離電位。為氣體的游離電位。 u xi 的大小取決與場(chǎng)強(qiáng)的大小取決與場(chǎng)強(qiáng) E ，增大氣體中的場(chǎng)強(qiáng)將使，增大氣體中的場(chǎng)強(qiáng)將使 xi 值減小，可值減小，可見(jiàn)提高外加電場(chǎng)將使碰撞游離的概率和強(qiáng)度增大。見(jiàn)提高外加電場(chǎng)將使碰撞游離的概率和強(qiáng)度增大。iiieWUxg EE i 注意注意n 碰撞游離是氣體中產(chǎn)生帶電粒子的最重要的方式。碰撞游離是氣體中產(chǎn)生帶電粒子的最重要的方式。n 主要的碰撞游離均由電子完成，離子碰撞中性分子并使之游主

17、要的碰撞游離均由電子完成，離子碰撞中性分子并使之游離的概率要比電子小得多，所以在分析氣體放電發(fā)展過(guò)程時(shí)離的概率要比電子小得多，所以在分析氣體放電發(fā)展過(guò)程時(shí)，往往只考慮電子所引起的碰撞游離。，往往只考慮電子所引起的碰撞游離。激勵(lì)：當(dāng)撞擊質(zhì)點(diǎn)的能量小于被撞質(zhì)點(diǎn)的游離能時(shí)，使電子躍遷到更高的能級(jí)的現(xiàn)象稱為質(zhì)點(diǎn)的激勵(lì)。處于激勵(lì)狀態(tài)的質(zhì)點(diǎn)易游離。反激勵(lì)：處于激勵(lì)狀態(tài)的質(zhì)點(diǎn)如果沒(méi)有其它質(zhì)點(diǎn)撞擊時(shí)，恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)的現(xiàn)象稱為質(zhì)點(diǎn)的反激勵(lì)。反激勵(lì)將把激勵(lì)時(shí)所吸收的能量以光的狀態(tài)釋放出來(lái)。p激勵(lì)狀態(tài)存在的時(shí)間很短（激勵(lì)狀態(tài)存在的時(shí)間很短（ 10-7 10-8 s），電子將自動(dòng)返回到），電子將自動(dòng)返回到常態(tài)軌

18、道上去。常態(tài)軌道上去。以光子的形式放出激勵(lì)發(fā)生時(shí)吸收的能量。（2）光游離光子來(lái)源外界高能輻射線（宇宙射線）氣體放電本身（復(fù)合和激勵(lì)返回）短波射線的光子具有很大能量，它以光速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它射到中性原子(或分子)上時(shí)所產(chǎn)生的游離稱為光游離。 光子的能量：u 發(fā)生光游離的條件發(fā)生光游離的條件式中：式中：h普郎克常數(shù)；普郎克常數(shù)； 光子的頻率；光子的頻率； Wi氣體的電離能，氣體的電離能，eV； c光速光速= =3108m/s； 光的波長(zhǎng)，光的波長(zhǎng)，m。iihchWW或 光子能量光子能量Whi注意注意 可見(jiàn)光都不可能使氣體可見(jiàn)光都不可能使氣體直接發(fā)生光電離，只有波直接發(fā)生光電離，只有波長(zhǎng)短的高能輻射線長(zhǎng)短

19、的高能輻射線 （ 例如例如X 射線、射線、射線等）才能使射線等）才能使氣體發(fā)生光電離。氣體發(fā)生光電離。c（光速）=(波長(zhǎng))*f(頻率)）光的頻率（普朗克常數(shù)，等于式中Hzs .106260755.634JhhW（3）熱游離當(dāng)溫度升高時(shí)，氣體質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能也增加。在高溫下，質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞而產(chǎn)生的游離稱為熱游離。常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的概率極小。只有在500010000K的高溫下才能產(chǎn)生熱游離。u 發(fā)生條件式中：k波爾茨曼常數(shù)； （k=1.3810-23J/K） Wi氣體的電離能，eV； T絕對(duì)溫度，K；mi32WkTWi 注意p 分子熱運(yùn)動(dòng)所固有的動(dòng)能不足以產(chǎn)生碰撞游離，20oC時(shí)，氣體分

20、子平均動(dòng)能約0.038eV。p 在一定熱狀態(tài)下物質(zhì)會(huì)發(fā)出輻射，熱輻射光子能量大，會(huì)引起光游離。（二）表面游離 金屬表面的電子接受外界能量后，逸出表面成為自由電子的現(xiàn)象稱為表面游離。表面游離的條件：外界能量大于金屬的逸出功。u 逸出功逸出功電子從金屬表面逸出所需的能量。電子從金屬表面逸出所需的能量。金屬金屬逸出功逸出功 (eV)金屬金屬逸出功逸出功 (eV)金屬金屬逸出功逸出功 (eV)鋁鋁 (Al )銀銀 (Ag)1.83.1鐵鐵 (Fe)銅銅 (Cu)3.93.9氧化銅氧化銅 (CuO)銫銫 (Cs)5.30.7n與表與表1-11-1相比較，可知金屬的逸出功比氣體分子的電離能小得多，表明金相

21、比較，可知金屬的逸出功比氣體分子的電離能小得多，表明金屬表面電離比氣體空間電離更易發(fā)生。屬表面電離比氣體空間電離更易發(fā)生。n陰極表面電離在氣體放電過(guò)程中起著相當(dāng)重要的作用。陰極表面電離在氣體放電過(guò)程中起著相當(dāng)重要的作用。表面游離的形式（電子從電極表面逸出獲得所需能量的途徑）：（1）二次發(fā)射-正離子撞擊陰極 （2）光電子發(fā)射 （3）熱電子發(fā)射（4）強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射-冷發(fā)射p 正離子碰撞陰極時(shí)把能量（主要是勢(shì)能）傳遞給金屬極板中的電正離子碰撞陰極時(shí)把能量（主要是勢(shì)能）傳遞給金屬極板中的電子，使其逸出金屬子，使其逸出金屬p 正離子必須碰撞出一個(gè)以上電子時(shí)才能產(chǎn)生自由電子正離子必須碰撞出一個(gè)以上電子時(shí)才能產(chǎn)生

22、自由電子p 逸出的電子有一個(gè)和正離子結(jié)合成為原子，其余成為自由電子逸出的電子有一個(gè)和正離子結(jié)合成為原子，其余成為自由電子。p 高能輻射先照射陰極時(shí)，會(huì)引起光電子發(fā)射，其條件是光子的能高能輻射先照射陰極時(shí)，會(huì)引起光電子發(fā)射，其條件是光子的能量應(yīng)大于金屬的逸出功。量應(yīng)大于金屬的逸出功。p 同樣的光輻射引起的電極表面電離要比引起空間光電離強(qiáng)烈得多同樣的光輻射引起的電極表面電離要比引起空間光電離強(qiáng)烈得多二次發(fā)射二次發(fā)射-正離子撞擊陰極表面正離子撞擊陰極表面光電子發(fā)射（光電效應(yīng)）光電子發(fā)射（光電效應(yīng)）p 當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時(shí)，其中的電子獲得巨大動(dòng)能，逸當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時(shí)，其中的電子獲得巨大動(dòng)能

23、，逸出金屬表面出金屬表面p 在許多電子器件中常利用加熱陰極來(lái)實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射。在許多電子器件中常利用加熱陰極來(lái)實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射。p 當(dāng)陰極表面附近空間存在很強(qiáng)的電場(chǎng)時(shí)（當(dāng)陰極表面附近空間存在很強(qiáng)的電場(chǎng)時(shí)（106V/cm數(shù)量級(jí)），數(shù)量級(jí)），能使陰極發(fā)射電子。能使陰極發(fā)射電子。p 常態(tài)下作用氣隙擊穿完全不受影響；常態(tài)下作用氣隙擊穿完全不受影響；p 在高氣壓、壓縮的高強(qiáng)度氣體的擊穿過(guò)程中會(huì)起一定的作在高氣壓、壓縮的高強(qiáng)度氣體的擊穿過(guò)程中會(huì)起一定的作用；真空中更起著決定性作用。用；真空中更起著決定性作用。熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射（冷發(fā)射）強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射（冷發(fā)射）帶電粒子在氣體中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子在氣體中的運(yùn)動(dòng)自由行

24、程長(zhǎng)度自由行程長(zhǎng)度 帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡u 當(dāng)氣體中存在電場(chǎng)時(shí)，帶電粒子將具當(dāng)氣體中存在電場(chǎng)時(shí)，帶電粒子將具有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡 “混亂熱運(yùn)動(dòng)沿著電場(chǎng)作定向漂移混亂熱運(yùn)動(dòng)沿著電場(chǎng)作定向漂移”Eu 自由行程長(zhǎng)度自由行程長(zhǎng)度帶電粒子與氣體分子發(fā)生第一次碰撞到第帶電粒子與氣體分子發(fā)生第一次碰撞到第二次碰撞所移動(dòng)的距離。二次碰撞所移動(dòng)的距離。（兩次碰撞中未再發(fā)生任何碰撞）（兩次碰撞中未再發(fā)生任何碰撞） 平均自由行程長(zhǎng)度平均自由行程長(zhǎng)度u 平均自由行程長(zhǎng)度平均自由行程長(zhǎng)度帶電粒子單位行程中的碰撞次數(shù)帶電粒子單位行程中的碰撞次數(shù)Z的的倒數(shù)。倒數(shù)。u 實(shí)際的自由行程長(zhǎng)度是實(shí)際的自

25、由行程長(zhǎng)度是隨機(jī)量隨機(jī)量，有很大的分散性，任意帶電，有很大的分散性，任意帶電粒子在粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次數(shù)與分子的半徑和密度的行程中所遭遇的碰撞次數(shù)與分子的半徑和密度有關(guān)有關(guān)i 注意：注意：由于電子的半徑或體積比離子或氣體分子小得多，所由于電子的半徑或體積比離子或氣體分子小得多，所以電子的平均自由行程長(zhǎng)度要比離子或氣體分子大得多。以電子的平均自由行程長(zhǎng)度要比離子或氣體分子大得多。u 粒子的實(shí)際自由行程長(zhǎng)度等于或大于某一距離粒子的實(shí)際自由行程長(zhǎng)度等于或大于某一距離x的概率為的概率為 xP xe 二、帶電質(zhì)點(diǎn)的消失去游離：帶電質(zhì)點(diǎn)從游離區(qū)消失或游離的作用被削弱的現(xiàn)象稱為帶電去游離。帶電

26、質(zhì)點(diǎn)的消失是由于游離作用小于去游離的作用。帶電質(zhì)點(diǎn)的消失可能有以下幾種情況： 帶電質(zhì)點(diǎn)受電場(chǎng)力的作用流入電極 ；帶電質(zhì)點(diǎn)因擴(kuò)散而逸出氣體放電空間；帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合。 帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散： 由于不同區(qū)域種的帶電質(zhì)點(diǎn)的濃度不同，電荷從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散。u 擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)某一局部的帶電粒子從濃度比較高的區(qū)域，擴(kuò)散某一局部的帶電粒子從濃度比較高的區(qū)域，擴(kuò)散到濃度比較低的區(qū)域，使得原區(qū)域的帶電粒子數(shù)到濃度比較低的區(qū)域，使得原區(qū)域的帶電粒子數(shù)減少減少。p 帶電粒子的擴(kuò)散是由于帶電粒子的擴(kuò)散是由于熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)造成，帶電粒子的擴(kuò)散規(guī)律和氣造成，帶電粒子的擴(kuò)散規(guī)律和氣體的擴(kuò)

27、散規(guī)律相似體的擴(kuò)散規(guī)律相似p 氣體中帶電粒子的擴(kuò)散和氣體中帶電粒子的擴(kuò)散和氣體狀態(tài)有關(guān)氣體狀態(tài)有關(guān)，氣體壓力越高或者溫，氣體壓力越高或者溫度越低，擴(kuò)散過(guò)程也就越弱（反之，就快）度越低，擴(kuò)散過(guò)程也就越弱（反之，就快）p 電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運(yùn)動(dòng)速度高，它在熱運(yùn)動(dòng)電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運(yùn)動(dòng)速度高，它在熱運(yùn)動(dòng)中受到的碰撞也少，因此，中受到的碰撞也少，因此，電子的擴(kuò)散過(guò)程比離子的要強(qiáng)電子的擴(kuò)散過(guò)程比離子的要強(qiáng)復(fù)合復(fù)合：正離子與負(fù)離子相遇發(fā)生電荷的傳遞，而相互綜合還原成中性質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象稱為帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合。 復(fù)合可能發(fā)生在電子和正離子之間，稱為電子復(fù)合，其結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)中性分子；復(fù)合也

28、可能發(fā)生在正離子和負(fù)離子之間，稱為離子復(fù)合，其結(jié)果是產(chǎn)生兩個(gè)中性分子。帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合 p 帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過(guò)程中會(huì)放出光子，發(fā)生光輻射帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過(guò)程中會(huì)放出光子，發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又成為導(dǎo)致光電離。，這種光輻射在一定條件下又成為導(dǎo)致光電離。p 參與復(fù)合的質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度參與復(fù)合的質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度越大越大，復(fù)合概率，復(fù)合概率越小越小。通常放電過(guò)程中。通常放電過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)間的復(fù)合更為重要質(zhì)點(diǎn)間的復(fù)合更為重要p 帶電質(zhì)點(diǎn)濃度越大，復(fù)合速度越大，帶電質(zhì)點(diǎn)濃度越大，復(fù)合速度越大，強(qiáng)烈的電離強(qiáng)烈的電離區(qū)也是強(qiáng)烈的復(fù)合區(qū)區(qū)也是強(qiáng)烈的復(fù)合區(qū)u 在電場(chǎng)作用下電荷進(jìn)入電極（被電極吸收）在電場(chǎng)作用下電荷

29、進(jìn)入電極（被電極吸收）u 附著附著自由電子與氣體分子碰撞時(shí)，發(fā)生電子與中自由電子與氣體分子碰撞時(shí)，發(fā)生電子與中性分子相結(jié)合而形成負(fù)離子的過(guò)程。性分子相結(jié)合而形成負(fù)離子的過(guò)程。p 形成負(fù)離子時(shí)可釋放出能量形成負(fù)離子時(shí)可釋放出能量p 有些氣體容易形成負(fù)離子，稱為有些氣體容易形成負(fù)離子，稱為電負(fù)性氣體電負(fù)性氣體（如氧、（如氧、氟、氯等），氟、氯等），SF6（絕緣性是空氣的（絕緣性是空氣的3倍，滅弧性是空倍，滅弧性是空氣的氣的100倍）倍）p 負(fù)離子的形成起著阻礙放電的作用負(fù)離子的形成起著阻礙放電的作用u 負(fù)離子形成過(guò)程的特點(diǎn)負(fù)離子形成過(guò)程的特點(diǎn)負(fù)離子的形成負(fù)離子的形成u自由電子碰撞中性的分子或原子可

30、能產(chǎn)生的三種結(jié)果自由電子碰撞中性的分子或原子可能產(chǎn)生的三種結(jié)果電子碰撞中性的分子或原子電子碰撞中性的分子或原子發(fā)生電離發(fā)生電離產(chǎn)生自由電子產(chǎn)生自由電子l情況一情況一電子碰撞中性的分子或原子電子碰撞中性的分子或原子能量不足，撞能量不足，撞擊后反彈回來(lái)?yè)艉蠓磸椈貋?lái)未產(chǎn)生自由電子未產(chǎn)生自由電子l情況二情況二電子碰撞中性的分子或原子電子碰撞中性的分子或原子沒(méi)發(fā)生電離沒(méi)發(fā)生電離，也沒(méi)被反，也沒(méi)被反彈回來(lái)彈回來(lái)被中性的分子捕捉被中性的分子捕捉，成為自己的束縛，成為自己的束縛電子電子l情況三情況三形成了負(fù)離子形成了負(fù)離子u 氣體的擊穿過(guò)程與氣體的擊穿過(guò)程與電場(chǎng)分布電場(chǎng)分布有很大關(guān)系，均勻電場(chǎng)和不均有很大關(guān)系

31、，均勻電場(chǎng)和不均勻電場(chǎng)下氣體的擊穿過(guò)程有很大的不同；勻電場(chǎng)下氣體的擊穿過(guò)程有很大的不同；p 均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)電場(chǎng)中任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度均相同；電場(chǎng)中任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度均相同；p 不均勻電場(chǎng)不均勻電場(chǎng)電場(chǎng)中任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度均不相同；電場(chǎng)中任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度均不相同；一、氣隙放電的伏安特性曲線一、氣隙放電的伏安特性曲線 十九世紀(jì)九十年代，英國(guó)物理學(xué)家湯深德（Townsend湯遜）采用圖1 的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)出了氣體小間隙的伏安特性曲線如圖2所示。u 加電場(chǎng)前，外電離因素（光照射）在極板間加電場(chǎng)前，外電離因素（光照射）在極板間產(chǎn)生帶電粒子，但帶電粒子制作雜亂無(wú)章的產(chǎn)生帶電粒子，但帶電粒子制作雜亂無(wú)章的熱運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)

32、生電流；熱運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生電流；u 加電場(chǎng)后，帶電粒子沿電場(chǎng)方向定向移動(dòng)，加電場(chǎng)后，帶電粒子沿電場(chǎng)方向定向移動(dòng)，形成電流。隨著電壓升高，帶電粒子運(yùn)動(dòng)速形成電流。隨著電壓升高，帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度加快，使到達(dá)極板的帶電粒子數(shù)量和速度度加快，使到達(dá)極板的帶電粒子數(shù)量和速度不斷增大，電流也隨之增大。不斷增大，電流也隨之增大。oa段段 隨著電壓升高，電流增大，到達(dá)極板的帶電隨著電壓升高，電流增大，到達(dá)極板的帶電粒子數(shù)量和速度也隨之增大。粒子數(shù)量和速度也隨之增大。均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性 均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析I0UaUbUcUI均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性

33、ab段段 電流趨于飽和，由外電離因素產(chǎn)電流趨于飽和，由外電離因素產(chǎn)生的帶電粒子已全部進(jìn)入電極，電流生的帶電粒子已全部進(jìn)入電極，電流I0大小取決于外電離因素與電壓無(wú)關(guān)。大小取決于外電離因素與電壓無(wú)關(guān)。u 外電離因素（光照射）的強(qiáng)度一定的外電離因素（光照射）的強(qiáng)度一定的情況下，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的帶電粒子情況下，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的帶電粒子數(shù)量是一定的，由此產(chǎn)生的電流也是數(shù)量是一定的，由此產(chǎn)生的電流也是一定。一定。I0飽和電流。飽和電流。I0UaUbUcUI 均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性bc段段 電流又再隨

34、電壓的增大而增大。電流又再隨電壓的增大而增大。 發(fā)生電子發(fā)生電子碰撞電離碰撞電離。I0UaUbUcUI電壓升高電壓升高氣體間的帶電粒子氣體間的帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度加快運(yùn)動(dòng)速度加快帶電粒子能量帶電粒子能量（動(dòng)能）增加（動(dòng)能）增加當(dāng)能量大于極板間空氣當(dāng)能量大于極板間空氣中原子的電離能中原子的電離能電子碰撞電離，產(chǎn)生電子碰撞電離，產(chǎn)生大量帶電粒子大量帶電粒子電流急速電流急速增加增加 均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性c點(diǎn)點(diǎn) U=Uc，電流急劇增大。氣體間，電流急劇增大。氣體間隙隙被擊穿被擊穿進(jìn)入導(dǎo)電狀態(tài)（進(jìn)入導(dǎo)電狀態(tài)（自持放電自持放電

35、），），不再需要任何外界因素（光照射、外不再需要任何外界因素（光照射、外加電源）。加電源）。u c點(diǎn)處的臨界電壓點(diǎn)處的臨界電壓Uc就是就是擊穿電壓擊穿電壓Ub，當(dāng)電壓達(dá)到當(dāng)電壓達(dá)到Uc后氣體即后氣體即被擊穿被擊穿，由原，由原來(lái)的絕緣體變成了來(lái)的絕緣體變成了導(dǎo)體導(dǎo)體。I0UaUbUcUI 均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析u 非自持放電非自持放電去掉外電離因素的作用后放電隨即停止；去掉外電離因素的作用后放電隨即停止；u 自持放電自持放電不需要外界因素，僅由電場(chǎng)作用而維持的放電過(guò)程。不需要外界因素，僅由電場(chǎng)作用而維持的放電過(guò)程。非自持放電和自持放電非自

36、持放電和自持放電 均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性I0UaUbUcUIu 當(dāng)產(chǎn)生的電流當(dāng)產(chǎn)生的電流IIc：非自持放電區(qū)；非自持放電區(qū)；u 當(dāng)產(chǎn)生的電流當(dāng)產(chǎn)生的電流IIc：自持放電區(qū)自持放電區(qū)；u 當(dāng)施加的電壓當(dāng)施加的電壓UUc：氣體保持絕緣；氣體保持絕緣；u 當(dāng)施加的電壓當(dāng)施加的電壓UUc：氣體被擊穿。氣體被擊穿。Ic自持放電區(qū)非自持放電區(qū) 均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析均勻電場(chǎng)下氣體間隙中電流隨電壓變化的分析二、湯申德（湯遜）理論計(jì)算氣隙擊穿電壓二、湯申德（湯遜）理論計(jì)算氣隙擊穿電壓1 1湯申德游離系數(shù)湯申德游

37、離系數(shù)2 2自持放電的條件自持放電的條件3擊穿電壓擊穿電壓Ujc的計(jì)算的計(jì)算1 1湯申德游離系數(shù)湯申德游離系數(shù)（1）湯申德第一游離系數(shù)）湯申德第一游離系數(shù)（2）湯申德第二游離系數(shù)）湯申德第二游離系數(shù)（3）湯申德第三游離系數(shù)）湯申德第三游離系數(shù)1 1湯申德游離系數(shù)湯申德游離系數(shù)（1）湯申德第一游離系數(shù)）湯申德第一游離系數(shù)u 電子碰撞電離系數(shù)電子碰撞電離系數(shù)表示表示一個(gè)電子一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)1cm 的行程中所完成的的行程中所完成的碰撞電離碰撞電離次數(shù)平均值。次數(shù)平均值。u 即是即是一個(gè)電子一個(gè)電子在單位長(zhǎng)度行程內(nèi)新電離出的在單位長(zhǎng)度行程內(nèi)新電離出的電子數(shù)電子數(shù)或正離或正離子數(shù)。子

38、數(shù)。i 注意：注意： 必須是電子發(fā)生必須是電子發(fā)生碰撞且電離碰撞且電離的次數(shù)，若電子只發(fā)生的次數(shù)，若電子只發(fā)生了碰撞沒(méi)有導(dǎo)致電離則不能計(jì)入了碰撞沒(méi)有導(dǎo)致電離則不能計(jì)入中。中。 湯申德理論假設(shè)條件：湯申德理論假設(shè)條件： 1.電子每次碰撞失去其全部能量。電子每次碰撞失去其全部能量。 2.每次碰撞只產(chǎn)生一對(duì)電荷。每次碰撞只產(chǎn)生一對(duì)電荷。系數(shù)的分析：u 假設(shè)電子的平均自由行程為e，運(yùn)動(dòng)1cm碰撞次數(shù)為1/e ，但并不是每次碰撞都引起電離；u 碰撞引起電離的概率為 ， xi 為電子造成碰撞電離而必須飛躍的最小距離（最短自由行程）。iex-eu根據(jù)定義有：式中：A、B與氣體種類有關(guān)的常數(shù)； E電場(chǎng)強(qiáng)度；

39、P氣體壓力。ee,11 iiiieeixuuTBPxEEPEAPAuBeeeeAPe 1 1當(dāng)當(dāng) 氣氣 溫溫 不不 變變 時(shí)時(shí) ，u 由式由式 = 可得結(jié)論可得結(jié)論： BPEAPe 電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度E增大增大，則則增大；增大；氣體壓力氣體壓力P很大（電子的平均自由行程很大（電子的平均自由行程e很小）或者很?。┗蛘邭怏w壓力氣體壓力P很?。娮拥钠骄杂尚谐毯苄。娮拥钠骄杂尚谐蘣很大）時(shí)，很大）時(shí)，值都很小。值都很小。 既在高氣壓或高真空的條件下，氣體間隙不易發(fā)生放電現(xiàn)象，既在高氣壓或高真空的條件下，氣體間隙不易發(fā)生放電現(xiàn)象，具有較高的電氣強(qiáng)度。具有較高的電氣強(qiáng)度。 Ae-B/E （2）湯申德

40、第二游離系數(shù)）湯申德第二游離系數(shù) 一個(gè)正離子沿外電場(chǎng)方向行進(jìn)的過(guò)程中，在單位一個(gè)正離子沿外電場(chǎng)方向行進(jìn)的過(guò)程中，在單位距離內(nèi)所產(chǎn)生碰撞游離的次數(shù)稱為湯申德第二游離距離內(nèi)所產(chǎn)生碰撞游離的次數(shù)稱為湯申德第二游離系數(shù)，記為系數(shù)，記為。（3）湯申德第三游離系數(shù)）湯申德第三游離系數(shù)u 正離子表面電離系數(shù)正離子表面電離系數(shù)表示表示一個(gè)正離子一個(gè)正離子沿電場(chǎng)方向由陽(yáng)極沿電場(chǎng)方向由陽(yáng)極向陰極運(yùn)動(dòng)向陰極運(yùn)動(dòng)，撞擊陰極撞擊陰極表面，使陰極表面發(fā)射的表面，使陰極表面發(fā)射的電子數(shù)電子數(shù)。p 正離子向陰極移動(dòng)，依靠它所具有的動(dòng)能及位能，在撞擊正離子向陰極移動(dòng)，依靠它所具有的動(dòng)能及位能，在撞擊陰極時(shí)能引起表面電離，使陰極

41、釋放出自由電子陰極時(shí)能引起表面電離，使陰極釋放出自由電子 20世紀(jì)初，世紀(jì)初，Townsend 根據(jù)大量的試驗(yàn)研究結(jié)果，提出了適根據(jù)大量的試驗(yàn)研究結(jié)果，提出了適用于均勻電場(chǎng)、低氣壓、短氣隙時(shí)氣體放電理論。用于均勻電場(chǎng)、低氣壓、短氣隙時(shí)氣體放電理論。 理論認(rèn)為，電子的碰撞電離理論認(rèn)為，電子的碰撞電離(過(guò)程）和正離子撞擊陰極造成的過(guò)程）和正離子撞擊陰極造成的表面電離（表面電離（過(guò)程）起主要作用提出氣隙放電電流和擊穿電壓的計(jì)過(guò)程）起主要作用提出氣隙放電電流和擊穿電壓的計(jì)算公式。算公式。2自持放電的條件自持放電的條件（1）過(guò)程（電子崩過(guò)程）過(guò)程（電子崩過(guò)程）（2） 過(guò)程和過(guò)程和過(guò)程引起的電流過(guò)程引起的

42、電流（1）過(guò)程（電子崩過(guò)程）過(guò)程（電子崩過(guò)程）電子崩的形成過(guò)程電子崩的形成過(guò)程 由外因素產(chǎn)生由外因素產(chǎn)生的初始電子的初始電子電子數(shù)目迅速增加，如電子數(shù)目迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣，同冰山上發(fā)生雪崩一樣，形成了形成了電子崩電子崩產(chǎn)生正離產(chǎn)生正離子和電子子和電子原來(lái)的電子和新產(chǎn)原來(lái)的電子和新產(chǎn)生的電子繼續(xù)移動(dòng)，生的電子繼續(xù)移動(dòng)，不斷發(fā)生電子碰撞不斷發(fā)生電子碰撞電離電離電場(chǎng)力作用下，電子電場(chǎng)力作用下，電子沿電場(chǎng)做定向移動(dòng)沿電場(chǎng)做定向移動(dòng)與中性粒子發(fā)與中性粒子發(fā)生電子碰撞生電子碰撞中性粒子發(fā)生電離中性粒子發(fā)生電離崩頭崩頭崩尾崩尾u 電子崩的形狀：電子崩的形狀：“崩頭大、崩尾小崩頭大、崩尾小?！眕

43、 電子發(fā)生電子碰撞后，電子的速度快，所以會(huì)大量電子發(fā)生電子碰撞后，電子的速度快，所以會(huì)大量的集中在崩頭；的集中在崩頭；p 正離子移動(dòng)速度較慢，所以緩慢的移向崩尾。正離子移動(dòng)速度較慢，所以緩慢的移向崩尾。u 電子崩電子崩電子數(shù)按幾何級(jí)數(shù)不斷增多，像雪崩似的電子數(shù)按幾何級(jí)數(shù)不斷增多，像雪崩似的發(fā)展。從而形成的急劇增大的空間電子流。發(fā)展。從而形成的急劇增大的空間電子流。nadn0個(gè)電子運(yùn)動(dòng)個(gè)電子運(yùn)動(dòng)x距離產(chǎn)生的電子數(shù)距離產(chǎn)生的電子數(shù)n 令令x=d，抵達(dá)陽(yáng)極總電子數(shù)，抵達(dá)陽(yáng)極總電子數(shù)na 過(guò)程的分析（電子崩的增長(zhǎng)規(guī)律）過(guò)程的分析（電子崩的增長(zhǎng)規(guī)律）設(shè)：在外電離因素的作用下，有生設(shè)：在外電離因素的作用下

44、，有生n0個(gè)電個(gè)電子從陰極表面，子從陰極表面，由于碰撞電離和電子崩的由于碰撞電離和電子崩的作用下，在距離陰極作用下，在距離陰極x處，電子數(shù)增至處，電子數(shù)增至n個(gè)個(gè)。在在dx段上產(chǎn)生的新電子段上產(chǎn)生的新電子數(shù)：數(shù)：dnndxdndxn00 xdxnn e 0均均勻勻場(chǎng)場(chǎng)不不變變 xnn ea0 dnn edn= ndxnad此過(guò)程中此過(guò)程中新增的電子新增的電子數(shù)或正離子數(shù)數(shù)或正離子數(shù)n()a001dnnnn e 如果如果n0 =1，則，則n=ed，即一個(gè)電子，即一個(gè)電子經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)d距離后，變成了距離后，變成了ed個(gè)電子，個(gè)電子，電子崩按電子崩按指數(shù)規(guī)律指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。同時(shí)產(chǎn)增長(zhǎng)。同時(shí)產(chǎn)生生ed -1

45、個(gè)正電荷。個(gè)正電荷。電子電流增長(zhǎng)規(guī)律電子電流增長(zhǎng)規(guī)律 將式將式 兩邊乘以電子電荷兩邊乘以電子電荷qe ，得到電流為：，得到電流為：式中：式中：I0初始電子引起的初始電流初始電子引起的初始電流0 xnn e0 xII eu 令令x=d，進(jìn)入陽(yáng)極的電流（外回路電流），進(jìn)入陽(yáng)極的電流（外回路電流）p 若若I0=0，則，則I=0，既若去掉外界電離因素，氣隙中電流為，既若去掉外界電離因素，氣隙中電流為0，氣體放電停止。氣體放電停止。0dx = dII eu 結(jié)論：若只有結(jié)論：若只有過(guò)程，氣體放電是不能自持的。過(guò)程，氣體放電是不能自持的。nadnc 碰撞游離產(chǎn)生出來(lái)的正離子在碰撞游離產(chǎn)生出來(lái)的正離子在到達(dá)

46、陰極時(shí)，撞擊陰極造成到達(dá)陰極時(shí)，撞擊陰極造成二次二次電子發(fā)射，電子發(fā)射，所產(chǎn)生的電子數(shù)所產(chǎn)生的電子數(shù) n0(ed1) n0個(gè)電子到達(dá)陽(yáng)個(gè)電子到達(dá)陽(yáng)極后，產(chǎn)生總電子極后，產(chǎn)生總電子數(shù)為：數(shù)為：na=n0ed 產(chǎn)生的新正離產(chǎn)生的新正離子：子：nced-nc正離子撞擊陰極表正離子撞擊陰極表面產(chǎn)生的面產(chǎn)生的電子數(shù)電子數(shù)為為nc(ed1)每產(chǎn)生一個(gè)自由電子的同每產(chǎn)生一個(gè)自由電子的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正離子時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正離子 產(chǎn)生的新電產(chǎn)生的新電子：子：n0ed-n0正離子沿電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，撞擊正離子沿電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，撞擊陰極造成二次電子發(fā)射陰極造成二次電子發(fā)射p 二次電子發(fā)射的形成過(guò)程二次電子發(fā)射的形成過(guò)程自持放電條

47、件自持放電條件p 物理意義：物理意義：一個(gè)電子一個(gè)電子從陰極到陽(yáng)極途中因從陰極到陽(yáng)極途中因電子崩（電子崩（過(guò)程）過(guò)程）而而造成的正離子數(shù)為造成的正離子數(shù)為 ed1 ，這批正離子在陰極上造成的二次，這批正離子在陰極上造成的二次自由電子數(shù)自由電子數(shù)（過(guò)程）過(guò)程）應(yīng)為應(yīng)為 (ed1 ) ，如果它等于，如果它等于1，就意味，就意味著那個(gè)初始電子有了一個(gè)后繼電子，從而使放電得以自持。著那個(gè)初始電子有了一個(gè)后繼電子，從而使放電得以自持。n0(ed1) =n0 即：即：(ed1) 1為為自持放電條件自持放電條件u 當(dāng)自持放電條件得到滿足時(shí)，就會(huì)形成圖解中閉環(huán)部分所示當(dāng)自持放電條件得到滿足時(shí)，就會(huì)形成圖解中閉

48、環(huán)部分所示的的循環(huán)不息循環(huán)不息的狀態(tài)，放電就能的狀態(tài)，放電就能自己維持自己維持下去。下去。3擊穿電壓擊穿電壓Ujc的計(jì)算的計(jì)算u 起始電壓起始電壓U0放電由非自持轉(zhuǎn)為自持時(shí)的電壓。放電由非自持轉(zhuǎn)為自持時(shí)的電壓。p 均勻電場(chǎng)中：起始電壓均勻電場(chǎng)中：起始電壓U0擊穿電壓擊穿電壓Ubu 將將計(jì)算式計(jì)算式 代入自持放電條件代入自持放電條件 ，并且考慮均，并且考慮均勻電場(chǎng)中自持放電的起始場(chǎng)強(qiáng)勻電場(chǎng)中自持放電的起始場(chǎng)強(qiáng) 得：得：u 結(jié)論：結(jié)論：均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿電壓均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿電壓Ub是氣壓和電極間距離乘是氣壓和電極間距離乘積（積（pd）的函數(shù)。）的函數(shù)。BPEAPe ()1e1d 00UEd0

49、bb0()()In1In 1+()UUB pdUddUf pA p 均勻電場(chǎng)擊穿電壓的推導(dǎo)均勻電場(chǎng)擊穿電壓的推導(dǎo))()11ln(lnsfsAsBUjcE均勻電場(chǎng)小氣隙擊穿電壓的計(jì)算公式為：均勻電場(chǎng)小氣隙擊穿電壓的計(jì)算公式為： 氣體的相對(duì)密度； E電子所在點(diǎn)的氣體的電場(chǎng)強(qiáng)度。 S極板之間的距離(cm)。 湯申德第三游離系數(shù) A、B均為與氣體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，對(duì)空氣： A=10961kPa，B2738.40kVkPa；u結(jié)論：結(jié)論：均勻電均勻電場(chǎng)中氣體的擊場(chǎng)中氣體的擊穿電壓穿電壓Ujc是氣是氣體分子的密度體分子的密度和電極間距離和電極間距離乘積（乘積（ d）的）的函數(shù)。函數(shù)。 擊穿電壓與擊穿電壓與p

50、d的規(guī)律在湯遜碰的規(guī)律在湯遜碰撞電離學(xué)說(shuō)提出之前，巴申已撞電離學(xué)說(shuō)提出之前，巴申已從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)了，湯申德從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)了，湯申德從理論上解釋了試驗(yàn)結(jié)果。從理論上解釋了試驗(yàn)結(jié)果。三、巴申三、巴申(Paschen)定律定律 巴申定律巴申定律u 從曲線可以看出，存在一個(gè)從曲線可以看出，存在一個(gè)最小值最小值，此時(shí)，此時(shí)擊穿電壓最低擊穿電壓最低u 假設(shè)假設(shè)d不變：不變：p 當(dāng)氣壓很小時(shí)當(dāng)氣壓很小時(shí)，氣體稀薄，雖然電子自由，氣體稀薄，雖然電子自由程大，可以得到足夠的動(dòng)能，但碰撞總數(shù)程大，可以得到足夠的動(dòng)能，但碰撞總數(shù)小，所以擊穿電壓升高小，所以擊穿電壓升高p 當(dāng)氣體增大時(shí)當(dāng)氣體增大時(shí)，電子自由程變小

51、，得到的，電子自由程變小，得到的動(dòng)能減小，所以擊穿電壓升高。動(dòng)能減小，所以擊穿電壓升高。u 總有一個(gè)氣壓對(duì)碰撞電離最有利，此時(shí)擊總有一個(gè)氣壓對(duì)碰撞電離最有利，此時(shí)擊穿電壓最小穿電壓最小 1.3 1.3 均勻電場(chǎng)大氣隙的放電均勻電場(chǎng)大氣隙的放電一、空間電荷對(duì)氣隙電場(chǎng)的畸變一、空間電荷對(duì)氣隙電場(chǎng)的畸變二、流注的形成二、流注的形成1.3 1.3 均勻電場(chǎng)大氣隙的放電均勻電場(chǎng)大氣隙的放電湯申德理論的適用于均勻場(chǎng)、低氣壓、短氣隙均勻場(chǎng)、低氣壓、短氣隙當(dāng)當(dāng)pdpd較大時(shí)，放電現(xiàn)象與較大時(shí)，放電現(xiàn)象與湯申德理論解釋出現(xiàn)不符現(xiàn)象解釋出現(xiàn)不符現(xiàn)象放電外形放電外形 湯申德理論解釋：湯申德理論解釋：放電外形均勻，輝

52、光放電；放電外形均勻，輝光放電； pd大時(shí)的實(shí)際現(xiàn)象：大時(shí)的實(shí)際現(xiàn)象：外形不均勻，有細(xì)小分支的通道放電；外形不均勻，有細(xì)小分支的通道放電；放電時(shí)間：放電時(shí)間： Tpd大大T湯遜湯遜 （相同距離）（相同距離）擊穿電壓：擊穿電壓： Ubpd大大40cm ) )u 我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件：我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件：p 壓力：壓力：P0=101.3KPa（760mmHg）p 溫度：溫度：t0=20或或T0=293Kp 絕對(duì)濕度：絕對(duì)濕度：h0=11g/m3(每立方米水蒸氣每立方米水蒸氣11克）克）u 在實(shí)際試驗(yàn)條件下的氣隙擊穿電壓在實(shí)際試驗(yàn)條件下的氣隙擊穿電壓U與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿

53、與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓電壓U0之間的換算關(guān)系：之間的換算關(guān)系： 式中：式中：Kd空氣密度校正因數(shù)；空氣密度校正因數(shù)； Kh濕度校正因數(shù)。濕度校正因數(shù)。0dhKUUKp 注意：空氣密度的變化實(shí)注意：空氣密度的變化實(shí)際上是際上是壓力壓力和和溫度溫度的變化的變化式中：式中： p氣壓氣壓，kPa； T溫度溫度，K 。（一）（一）空氣密度的校正空氣密度的校正u 空氣的密度與壓力和溫度有關(guān)空氣的密度與壓力和溫度有關(guān)2.9pT空氣的相對(duì)密度空氣的相對(duì)密度大氣條件下，氣隙的擊穿電壓隨大氣條件下，氣隙的擊穿電壓隨的增高而提高。的增高而提高。密度增加密度增加氣體被壓緊，氣氣體被壓緊，氣隙之間距離很短隙之間距離

54、很短雖然自由電子碰撞次數(shù)多，但雖然自由電子碰撞次數(shù)多，但自由行程短，碰撞有效性差自由行程短，碰撞有效性差電離數(shù)很低電離數(shù)很低擊穿電壓高擊穿電壓高Tp9.2PTTpssu 實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng) 處于處于0.951.05的范圍內(nèi)時(shí)，的范圍內(nèi)時(shí)，氣隙的擊穿電壓氣隙的擊穿電壓幾乎與幾乎與 成正比成正比，即此時(shí)的空氣密度校正因數(shù)，即此時(shí)的空氣密度校正因數(shù) Kd ，因而，因而U U0舉例舉例在在p=755mmHgp=755mmHg，t=33t=330 0C C條件下測(cè)得一氣隙的擊穿電壓峰值為條件下測(cè)得一氣隙的擊穿電壓峰值為108kV108kV，試近似求取該氣隙在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓值。，試近似求取

55、該氣隙在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓值。 114kV760101.37559 . 2)33273(108pT9 . 2UU/UUU,Tp9 . 2PTTp:00ss 利用利用解解對(duì)更長(zhǎng)空氣間隙來(lái)說(shuō)，擊穿電壓與大氣的關(guān)系并不是一對(duì)更長(zhǎng)空氣間隙來(lái)說(shuō)，擊穿電壓與大氣的關(guān)系并不是一種簡(jiǎn)單的線形關(guān)系。而是隨電極形狀、電壓類型和氣隙種簡(jiǎn)單的線形關(guān)系。而是隨電極形狀、電壓類型和氣隙長(zhǎng)度而變化的復(fù)雜關(guān)系。長(zhǎng)度而變化的復(fù)雜關(guān)系。u Kd 計(jì)算式計(jì)算式00273273mndtpKpt式中：式中：m 、n 與電極形狀與電極形狀、氣隙長(zhǎng)度、電壓類、氣隙長(zhǎng)度、電壓類型及極性有關(guān)，值在型及極性有關(guān)，值在0.41.0的范圍內(nèi)變

56、化的范圍內(nèi)變化（二）（二）濕度的校正濕度的校正大氣的濕度越大，氣隙的擊穿電壓增高大氣的濕度越大，氣隙的擊穿電壓增高p 大氣中的水分子能夠俘獲自由電子而形成負(fù)離子，對(duì)氣體大氣中的水分子能夠俘獲自由電子而形成負(fù)離子，對(duì)氣體的放電過(guò)程起著抑制作用的放電過(guò)程起著抑制作用均勻和稍不均勻電場(chǎng)中，濕度影響不太明顯均勻和稍不均勻電場(chǎng)中，濕度影響不太明顯p 均勻和稍不均勻電場(chǎng)中，放電開(kāi)始時(shí)，整個(gè)氣隙的電場(chǎng)強(qiáng)均勻和稍不均勻電場(chǎng)中，放電開(kāi)始時(shí)，整個(gè)氣隙的電場(chǎng)強(qiáng)度都很大，電子運(yùn)動(dòng)速度較快，不易被水分子俘獲度都很大，電子運(yùn)動(dòng)速度較快，不易被水分子俘獲極不均勻電場(chǎng)中，濕度影響很明顯極不均勻電場(chǎng)中，濕度影響很明顯p 極不均

57、勻電場(chǎng)中，放電開(kāi)始時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度比較低，出現(xiàn)電極不均勻電場(chǎng)中，放電開(kāi)始時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度比較低，出現(xiàn)電暈放電，這時(shí)電子運(yùn)動(dòng)速度較慢，容易被水分子俘獲暈放電，這時(shí)電子運(yùn)動(dòng)速度較慢，容易被水分子俘獲p 修正式：修正式： Kh = k 式中：式中：k 與絕對(duì)溫度和電壓類型有關(guān)，指數(shù)與絕對(duì)溫度和電壓類型有關(guān)，指數(shù) 之值取決于電極形狀、氣隙長(zhǎng)度、電壓類之值取決于電極形狀、氣隙長(zhǎng)度、電壓類型及其極性。型及其極性。（三）（三）海拔高度的校正海拔高度的校正海拔高度越大，氣隙的擊穿電壓越低海拔高度越大，氣隙的擊穿電壓越低u 海拔越高海拔越高空氣越稀薄空氣越稀薄大氣壓力和相對(duì)密度越小大氣壓力和相對(duì)密度越小擊穿電擊穿電壓降

58、低壓降低我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對(duì)于安裝在海拔高于我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對(duì)于安裝在海拔高于1000m 、但不、但不超過(guò)超過(guò)4000m 處的電力設(shè)施外絕緣，處的電力設(shè)施外絕緣，其試驗(yàn)電壓其試驗(yàn)電壓U 應(yīng)為平應(yīng)為平原地區(qū)外絕緣的試驗(yàn)電壓原地區(qū)外絕緣的試驗(yàn)電壓Up 乘以海拔校正因數(shù)乘以海拔校正因數(shù)Ka U = Ka Up411.110aKH其其中中：式中：式中：H安裝點(diǎn)的海拔高度，安裝點(diǎn)的海拔高度，m。 某某110kV110kV電氣設(shè)備的外絕緣應(yīng)有的工頻耐壓（有效值）為電氣設(shè)備的外絕緣應(yīng)有的工頻耐壓（有效值）為260kV260kV，如該設(shè)備將安裝到海拔，如該設(shè)備將安裝到海拔3000m3000m的地方運(yùn)行，問(wèn)出

59、廠的地方運(yùn)行，問(wèn)出廠時(shí)（工廠位于平原地區(qū)）的試驗(yàn)電壓應(yīng)增大到多少？時(shí)（工廠位于平原地區(qū)）的試驗(yàn)電壓應(yīng)增大到多少？ 325kV26025. 1UKU25. 11030001 . 1110H1 . 11KUKU,10H1 . 11Kpa44apa4a 利用：利用：解解兩個(gè)途徑兩個(gè)途徑改善電場(chǎng)分布，使之盡量均勻（內(nèi)因）改善電場(chǎng)分布，使之盡量均勻（內(nèi)因）利用其它方法來(lái)削弱氣體中的電離過(guò)程（外因）利用其它方法來(lái)削弱氣體中的電離過(guò)程（外因）方法方法一、改善電場(chǎng)分布的方法一、改善電場(chǎng)分布的方法二、高氣壓的采用二、高氣壓的采用三、高真空的采用三、高真空的采用四、高抗電強(qiáng)度氣體的采用四、高抗電強(qiáng)度氣體的采用 1

60、.7 1.7 提高氣隙擊穿電壓的措施提高氣隙擊穿電壓的措施 一、改善電場(chǎng)分布的方法一、改善電場(chǎng)分布的方法增大電極曲率半徑減小表面場(chǎng)強(qiáng)。增大電極曲率半徑減小表面場(chǎng)強(qiáng)。 如變壓器套管端部加球形屏蔽罩如變壓器套管端部加球形屏蔽罩改善電極邊緣改善電極邊緣 電極邊緣做成弧形電極邊緣做成弧形使電極具有最佳外形使電極具有最佳外形 如穿墻高壓引線上加金屬扁球；如穿墻高壓引線上加金屬扁球；一、改善電場(chǎng)分布的方法一、改善電場(chǎng)分布的方法u 極不均勻電場(chǎng)中擊穿前發(fā)生電暈極不均勻電場(chǎng)中擊穿前發(fā)生電暈放電，利用放電產(chǎn)生的放電，利用放電產(chǎn)生的空間電荷空間電荷改善電場(chǎng)分布，使電場(chǎng)均勻度提改善電場(chǎng)分布，使電場(chǎng)均勻度提高高，從而