1氣體放電的基本物理過程

1、1.1 1.1 氣體放電的基本概念氣體放電的基本概念1.2 1.2 氣體放電的主要形式氣體放電的主要形式1.1.1 氣體放電1.1.2 氣體的絕緣特性1.1.3 氣體的電氣強(qiáng)度氣體放電：氣體中流通電流的各種形式；氣體放電：氣體中流通電流的各種形式；氣體擊穿：氣體電絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)氣體擊穿：氣體電絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)的過程；的過程；沿面閃絡(luò)：擊穿發(fā)生在氣體與液體、氣體與固沿面閃絡(luò)：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；體交界面上的放電現(xiàn)象； 工程上將擊穿和閃絡(luò)統(tǒng)稱為放電。工程上將擊穿和閃絡(luò)統(tǒng)稱為放電。氣體指高壓電氣設(shè)備中常用的空氣、氣體指高壓電氣設(shè)備中常用的空氣、SFS

2、F6 6、以及高強(qiáng)度、以及高強(qiáng)度混合氣體等氣態(tài)絕緣介質(zhì)?；旌蠚怏w等氣態(tài)絕緣介質(zhì)。v空氣：架空線路、變壓器外絕緣；空氣：架空線路、變壓器外絕緣；vSFSF6 6： SFSF6 6斷路器和斷路器和SFSF6 6全封閉組合電器；全封閉組合電器；空氣是最廉價(jià)、應(yīng)用最廣、自動(dòng)恢復(fù)絕緣的氣體，因空氣是最廉價(jià)、應(yīng)用最廣、自動(dòng)恢復(fù)絕緣的氣體，因此我們主要研究空氣的放電。此我們主要研究空氣的放電。氣體具有自恢復(fù)特性氣體具有自恢復(fù)特性氣體的電氣強(qiáng)度表征氣體耐受電壓作用的能力。氣體的電氣強(qiáng)度表征氣體耐受電壓作用的能力。均勻電場(chǎng)中擊穿電壓均勻電場(chǎng)中擊穿電壓UbUb與間隙距離之比稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)與間隙距離之比稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)E

3、bEb。我們把均勻電場(chǎng)中氣隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。我們把均勻電場(chǎng)中氣隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)EbEb稱為氣體的稱為氣體的電氣強(qiáng)度。電氣強(qiáng)度?？諝庠跇?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3030kV/cm;kV/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U Ub b與間隙距離之比與間隙距離之比稱為氣體的電氣強(qiáng)度，通常稱之為平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)。稱為氣體的電氣強(qiáng)度，通常稱之為平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)。v注意：電暈放電時(shí)氣隙未擊穿，而輝光放電、火花放注意：電暈放電時(shí)氣隙未擊穿，而輝光放電、火花放電、電弧放電均指擊穿后的放電現(xiàn)象，且隨條件不同，電、電弧放電均指擊穿后的放電現(xiàn)象，且隨條件不同，這些放電現(xiàn)象可相互轉(zhuǎn)換。

4、這些放電現(xiàn)象可相互轉(zhuǎn)換。常見放電形式常見放電形式l輝光放電輝光放電l電暈放電電暈放電l火花放電火花放電l電弧放電電弧放電2.1 氣體中帶電粒子的產(chǎn)生2. 2 氣體中帶電粒子的消失2 氣體中帶電粒子的產(chǎn)生和消失氣體原子的激勵(lì)和電離氣體原子的激勵(lì)和電離氣體原子的激勵(lì)和電離氣體原子的激勵(lì)和電離電離電離外界以某種方式給處于某一能級(jí)軌道上的電子施外界以某種方式給處于某一能級(jí)軌道上的電子施加一定的能量，該電子就可能擺脫原子核的束縛加一定的能量，該電子就可能擺脫原子核的束縛成為自由電子。成為自由電子。電離能電離能產(chǎn)生電離需要的能量。產(chǎn)生電離需要的能量。激勵(lì)激勵(lì)電子向高一能級(jí)軌道的躍遷。電子向高一能級(jí)軌道的躍

5、遷。分級(jí)電離分級(jí)電離先經(jīng)過激勵(lì)再產(chǎn)生電離的過程。先經(jīng)過激勵(lì)再產(chǎn)生電離的過程。 帶電粒子的運(yùn)動(dòng)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)當(dāng)氣體中存在電場(chǎng)時(shí)，粒子進(jìn)當(dāng)氣體中存在電場(chǎng)時(shí)，粒子進(jìn)行行熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)和和沿電場(chǎng)沿電場(chǎng)定向運(yùn)動(dòng)。定向運(yùn)動(dòng)。自由行程：一個(gè)粒子在與氣體分子相自由行程：一個(gè)粒子在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間通過的距離。鄰兩次碰撞之間通過的距離。prkTe2平均自由行程：?jiǎn)挝恍谐讨械呐鲎泊螖?shù)平均自由行程：?jiǎn)挝恍谐讨械呐鲎泊螖?shù)Z的倒數(shù)的倒數(shù)p：氣壓：氣壓k：波爾茲曼常數(shù)：波爾茲曼常數(shù)T：氣溫：氣溫r：氣體分子半徑：氣體分子半徑 大氣壓和常溫下平均自由行程長(zhǎng)度數(shù)量級(jí)為10-5cm 。粒子的自由行程等于或大于某一距離x的

6、概率為：xexP)(1-1)：粒子平均自由行程長(zhǎng)度 令x= ，可見粒子實(shí)際自由行程長(zhǎng)度大于或等于平均自由行程長(zhǎng)度的概率是36.8%。v含義：由光輻射引起氣體分子電離的過程。含義：由光輻射引起氣體分子電離的過程。 光電離產(chǎn)生的電子稱為光電子。光電離產(chǎn)生的電子稱為光電子。v來源：來源：紫外線、宇宙射線、紫外線、宇宙射線、x x射線等；射線等；異號(hào)帶電粒子復(fù)合成中性粒子釋放出光子；異號(hào)帶電粒子復(fù)合成中性粒子釋放出光子；激勵(lì)態(tài)分子回復(fù)到正常態(tài)釋放出光子激勵(lì)態(tài)分子回復(fù)到正常態(tài)釋放出光子v條件：條件：iWhv （一）光電離（一）光電離iWhch：普朗克常數(shù)； C：光速：光頻率； ：光波長(zhǎng)； 或（二）熱電離

7、（二）熱電離本質(zhì)：氣體分子熱狀態(tài)引起的碰撞電離和光電離的綜合。本質(zhì)：氣體分子熱狀態(tài)引起的碰撞電離和光電離的綜合。常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離概率極小。氣體中發(fā)生電常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離概率極小。氣體中發(fā)生電離的分子數(shù)與總分子數(shù)的比值離的分子數(shù)與總分子數(shù)的比值m m稱為該氣體的電離度。稱為該氣體的電離度。當(dāng)當(dāng)t10000Kt10000K時(shí)才需考慮熱電離；時(shí)才需考慮熱電離；當(dāng)當(dāng)t20000Kt20000K時(shí)，幾乎全部的分時(shí)，幾乎全部的分子都處于熱電離狀態(tài)子都處于熱電離狀態(tài)空氣電離度空氣電離度m m和溫度和溫度T T的關(guān)系的關(guān)系（三）碰撞電離（三）碰撞電離v電子或離子與氣體分子碰撞，將電子或離子與

8、氣體分子碰撞，將電場(chǎng)能電場(chǎng)能傳遞給氣體傳遞給氣體分子引起電離的過程。分子引起電離的過程。v因素：因素： 外電場(chǎng)強(qiáng)弱；外電場(chǎng)強(qiáng)弱； 能量的積累（移動(dòng)距離的大小）。能量的積累（移動(dòng)距離的大?。?。qExmV221電子在場(chǎng)強(qiáng)為電子在場(chǎng)強(qiáng)為E E的電場(chǎng)中移過的電場(chǎng)中移過x x距離時(shí)獲得的動(dòng)能為距離時(shí)獲得的動(dòng)能為 : :m:電子的質(zhì)量電子的質(zhì)量V:電子運(yùn)動(dòng)速度電子運(yùn)動(dòng)速度E:外電場(chǎng)強(qiáng)度外電場(chǎng)強(qiáng)度x:電子移動(dòng)距離電子移動(dòng)距離v即使?jié)M足上述條件，不是每次碰撞都能引起電離。即使?jié)M足上述條件，不是每次碰撞都能引起電離。ieeWVm221（三）碰撞電離（三）碰撞電離W Wi i為氣體分子的電離能為氣體分子的電離能碰

9、撞電離條件碰撞電離條件當(dāng)電子從電場(chǎng)獲得的動(dòng)能大于或等于氣體分子的電離當(dāng)電子從電場(chǎng)獲得的動(dòng)能大于或等于氣體分子的電離能時(shí)，就可能使氣體分子分裂為電子或正離子，即能時(shí)，就可能使氣體分子分裂為電子或正離子，即（三）碰撞電離（三）碰撞電離l電子碰撞電離系數(shù)：電子碰撞電離系數(shù)：一個(gè)電子在電場(chǎng)力作用下，沿電場(chǎng)方向行經(jīng)單位一個(gè)電子在電場(chǎng)力作用下，沿電場(chǎng)方向行經(jīng)單位距離（距離（1cm）平均發(fā)生碰撞電離的次數(shù)，湯遜第）平均發(fā)生碰撞電離的次數(shù)，湯遜第一電離系數(shù)。一電離系數(shù)。l離子碰撞電離系數(shù)：離子碰撞電離系數(shù)：一個(gè)正離子沿電場(chǎng)方向行經(jīng)單位距離（一個(gè)正離子沿電場(chǎng)方向行經(jīng)單位距離（1cm）時(shí)）時(shí)平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)

10、，湯遜第二電離系數(shù)。平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)，湯遜第二電離系數(shù)。在電場(chǎng)中，造成碰撞電離的主要因素是電子。在電場(chǎng)中，造成碰撞電離的主要因素是電子。v含義：金屬陰極表面發(fā)射電子的過程。含義：金屬陰極表面發(fā)射電子的過程。v形式：形式：正離子碰撞陰極表面；正離子碰撞陰極表面；光電效應(yīng)；光電效應(yīng)；熱電子發(fā)射；熱電子發(fā)射；強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射；強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射；v表面電離系數(shù)：表面電離系數(shù)： 折合到每個(gè)碰撞陰極表面的正離子使陰極金屬表面釋放出的折合到每個(gè)碰撞陰極表面的正離子使陰極金屬表面釋放出的自由電子數(shù)，湯遜第三電離系數(shù)。自由電子數(shù)，湯遜第三電離系數(shù)。（四）表面電離（四）表面電離（五）負(fù)離子的形成（五）負(fù)離子的形成附著：當(dāng)電

11、子與氣體分子碰撞時(shí)，不但有可能引起碰撞附著：當(dāng)電子與氣體分子碰撞時(shí)，不但有可能引起碰撞電離而產(chǎn)生出正離子和新電子，而且也可能會(huì)發(fā)生電子電離而產(chǎn)生出正離子和新電子，而且也可能會(huì)發(fā)生電子與中性分子相結(jié)合形成負(fù)離子的情況。與中性分子相結(jié)合形成負(fù)離子的情況。電子附著系數(shù)電子附著系數(shù) ：電子行經(jīng)單位距離時(shí)附著于中性原：電子行經(jīng)單位距離時(shí)附著于中性原子的電子數(shù)目。子的電子數(shù)目。負(fù)離子的形成并未使氣體中帶電粒子的數(shù)目改變，但負(fù)離子的形成并未使氣體中帶電粒子的數(shù)目改變，但卻能使自由電子數(shù)減少，因而對(duì)氣體放電的發(fā)展起抑卻能使自由電子數(shù)減少，因而對(duì)氣體放電的發(fā)展起抑制作用。制作用。（一）電場(chǎng)作用下氣體中帶電粒子的

12、定向運(yùn)動(dòng)（一）電場(chǎng)作用下氣體中帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)帶電粒子一旦產(chǎn)生，在外電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，帶電粒子一旦產(chǎn)生，在外電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成電導(dǎo)電流。形成電導(dǎo)電流。帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度驅(qū)引速度帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度驅(qū)引速度v=kEv=kE, k, k為遷移率為遷移率, ,它表示該帶電粒子在單位場(chǎng)強(qiáng)（它表示該帶電粒子在單位場(chǎng)強(qiáng)（1V/m1V/m）下沿電場(chǎng)）下沿電場(chǎng)方向的漂移速度。方向的漂移速度。 電子的遷移率比離子大電子的遷移率比離子大2 2個(gè)數(shù)量級(jí)。個(gè)數(shù)量級(jí)。（二）帶電粒子的擴(kuò)散（二）帶電粒子的擴(kuò)散帶電粒子從濃度較大區(qū)域轉(zhuǎn)移到濃度較小區(qū)域的性質(zhì)帶電粒子從濃度較大區(qū)域轉(zhuǎn)移到濃度較小區(qū)域的性質(zhì)電子擴(kuò)散比

13、離子擴(kuò)散高電子擴(kuò)散比離子擴(kuò)散高3 3個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)v正離子和負(fù)離子或電子相遇時(shí)，發(fā)生電荷的傳遞而正離子和負(fù)離子或電子相遇時(shí)，發(fā)生電荷的傳遞而相互中和還原為分子的過程。相互中和還原為分子的過程。v復(fù)合過程要阻礙放電的發(fā)展，但在一定條件下又可復(fù)合過程要阻礙放電的發(fā)展，但在一定條件下又可因復(fù)合時(shí)的光輻射加劇放電的發(fā)展。因復(fù)合時(shí)的光輻射加劇放電的發(fā)展。v放電過程中的復(fù)合絕大多數(shù)是正、負(fù)離子之間的復(fù)放電過程中的復(fù)合絕大多數(shù)是正、負(fù)離子之間的復(fù)合，參加復(fù)合的電子絕大多數(shù)是先形成負(fù)離子再與合，參加復(fù)合的電子絕大多數(shù)是先形成負(fù)離子再與正離子復(fù)合。正離子復(fù)合。（三）帶電粒子的復(fù)合（三）帶電粒子的復(fù)合1.1.

14、氣體間隙中帶電粒子的產(chǎn)生和消失是氣體放氣體間隙中帶電粒子的產(chǎn)生和消失是氣體放電的一對(duì)基本矛盾，氣體放電的發(fā)展和終止電的一對(duì)基本矛盾，氣體放電的發(fā)展和終止取決于這兩個(gè)過程誰占主導(dǎo)地位。取決于這兩個(gè)過程誰占主導(dǎo)地位。2.2. 強(qiáng)電場(chǎng)下，氣體中帶電粒子的產(chǎn)生形式可以強(qiáng)電場(chǎng)下，氣體中帶電粒子的產(chǎn)生形式可以分為空間電離和表面電離。它們都與外界供分為空間電離和表面電離。它們都與外界供給的能量有關(guān)，能量的形式主要是電場(chǎng)能、給的能量有關(guān)，能量的形式主要是電場(chǎng)能、光輻射和熱能，而能量的傳遞靠電子、光子光輻射和熱能，而能量的傳遞靠電子、光子或氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)，其傳遞的過程主要是或氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)，其傳遞的過程主要

15、是碰撞，它是造成氣體分子電離的有效過程。碰撞，它是造成氣體分子電離的有效過程。電子碰撞電離電子碰撞電離 正離子碰撞電離正離子碰撞電離 氣氣體體放放電電發(fā)發(fā)展展過過程程碰撞電離碰撞電離光電離光電離熱電離熱電離空間電離空間電離表面電離表面電離負(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)射強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射電場(chǎng)作用下氣體中帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)作用下氣體中帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)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2.1 帶電粒帶電粒子產(chǎn)生子產(chǎn)生2.2 帶電粒帶電粒子消失子消失3.1.1 非自持放電和自持放電3.1.2 低氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的

16、湯遜理論3.1.3 巴申定律3.1.4 湯遜理論的適用范圍非自持放電與自持放電的分界點(diǎn)氣體放電實(shí)驗(yàn)的伏安特性曲線氣體放電實(shí)驗(yàn)的伏安特性曲線氣體放電實(shí)驗(yàn)的伏安特性曲線氣體放電實(shí)驗(yàn)的伏安特性曲線圖表示實(shí)驗(yàn)所得平板圖表示實(shí)驗(yàn)所得平板電極電極( (均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)) )氣體氣體中的電流中的電流I I與所加電與所加電壓的關(guān)系：即伏安特壓的關(guān)系：即伏安特性性 氣體放電伏安特性氣體放電伏安特性 在曲線oa段，I隨U的提高而增大，這是由于電極空間的帶電粒子向電極運(yùn)動(dòng)加速而導(dǎo)致電流增加所致。氣體放電伏安特性氣體放電伏安特性 氣體放電伏安特性氣體放電伏安特性 當(dāng)電壓接近Ua時(shí)，電流I0趨向于飽和值，因?yàn)檫@時(shí)外界電

17、離因子所產(chǎn)生的帶電粒子幾乎能全部抵達(dá)電極，所以電流值僅取決于電離因子的強(qiáng)弱而與所加電壓無關(guān)。氣體放電伏安特性氣體放電伏安特性 當(dāng)電壓提高到Ub時(shí)，電流又開始隨電壓的升高而增大，這是由于氣隙中出現(xiàn)碰撞電離和電子崩。voa段：電流隨電壓升高而升高段：電流隨電壓升高而升高vab段：電流僅取決于外電離因素與電壓無關(guān)段：電流僅取決于外電離因素與電壓無關(guān)vbs段：電壓升高碰撞電離增強(qiáng)但仍靠外電離維持段：電壓升高碰撞電離增強(qiáng)但仍靠外電離維持(非自持非自持)vs點(diǎn)后：只靠外加電壓就能維持點(diǎn)后：只靠外加電壓就能維持(自持自持) 當(dāng)外加電壓較低時(shí)，只有由外界電離因素所造成的帶當(dāng)外加電壓較低時(shí)，只有由外界電離因素所

18、造成的帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而形成氣體放電電流，一旦外界電離電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而形成氣體放電電流，一旦外界電離作用停止，氣體放電現(xiàn)象即隨之中斷，這種放電稱為作用停止，氣體放電現(xiàn)象即隨之中斷，這種放電稱為非自非自持放電持放電。 當(dāng)外加電壓逐漸升高后，氣體中的放電過程發(fā)生轉(zhuǎn)變，當(dāng)外加電壓逐漸升高后，氣體中的放電過程發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時(shí)若去掉外界激離因素此時(shí)若去掉外界激離因素,在電場(chǎng)作用下能自己維持放電仍在電場(chǎng)作用下能自己維持放電仍繼續(xù)發(fā)展繼續(xù)發(fā)展,成為成為自持放電。自持放電。 通常所研究的各種氣體放電形式如輝光放電、電暈放通常所研究的各種氣體放電形式如輝光放電、電暈放電、火花放電、電弧放電等都屬于自持放電

19、。電、火花放電、電弧放電等都屬于自持放電。 （一）電子崩（一）電子崩(a) (a) 電子崩的形成電子崩的形成(b) (b) 帶電離子在電子崩中的帶電離子在電子崩中的分布分布 外界電離因子在陰極附近產(chǎn)外界電離因子在陰極附近產(chǎn)生了一個(gè)生了一個(gè)初始電子初始電子，如果空間電，如果空間電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引起碰撞電離，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引起碰撞電離，產(chǎn)生一個(gè)一個(gè)新的電子新的電子，初始電子和新電，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新子繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新的碰撞電離，產(chǎn)生的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子更多電子。 依此，電子將按照依此，電子將按照幾何級(jí)數(shù)幾何級(jí)

20、數(shù)不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱這種急劇增大的空間電子流被稱為為電子崩電子崩。 一個(gè)由外界游離因素從陰極釋放出來的初始電子，一個(gè)由外界游離因素從陰極釋放出來的初始電子，在奔向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中，不斷地產(chǎn)生碰撞游離而發(fā)展成在奔向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中，不斷地產(chǎn)生碰撞游離而發(fā)展成電子崩，此電子崩稱為初始電子崩。初始電子崩不斷發(fā)展，電子崩，此電子崩稱為初始電子崩。初始電子崩不斷發(fā)展，由于電子的移動(dòng)速度大，故電子總是位于朝向陽極方向的由于電子的移動(dòng)速度大，故電子總是位于朝向陽極方向的電子崩的頭部。而正離子速度慢，可近似地看成停留在原電子崩的頭部。而正離子速

21、度慢，可近似地看成停留在原來產(chǎn)生的位置上，較緩慢地向陰極運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于電子來說，來產(chǎn)生的位置上，較緩慢地向陰極運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于電子來說，可認(rèn)為正離子是靜止的?？烧J(rèn)為正離子是靜止的。（二）電子崩中形成的電流（二）電子崩中形成的電流湯遜理論中的湯遜理論中的、過程過程為了分析碰撞電離和電子崩引起的電流，為了分析碰撞電離和電子崩引起的電流，引入：電子碰撞電離系數(shù)引入：電子碰撞電離系數(shù) 。 表示一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)表示一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)1cm的行程的行程所完成的所完成的碰撞電離次數(shù)碰撞電離次數(shù)平均值。平均值。 圖為平板電極氣隙，板內(nèi)電場(chǎng)均勻，設(shè)外界電離因子每秒鐘使陰極表面發(fā)射出來的初始電子數(shù)為n0均勻電

22、場(chǎng)中的電子崩計(jì)算模型過程過程均勻電場(chǎng)中的電子崩計(jì)算模型由于碰撞電離和電子崩的結(jié)果，在它們到達(dá)x處時(shí)，電子數(shù)已增加為n，這n個(gè)電子在dx的距離中又會(huì)產(chǎn)生dn個(gè)新電子。 根據(jù)碰撞電離系數(shù)的定義，可得：dxndn分離變量并積分之，可得：ddxenennx000等號(hào)兩側(cè)乘以電子的電荷qe，即得電流關(guān)系式：表明：雖然電子崩電流按指數(shù)規(guī)律隨極間距離d而增大，但這時(shí)放電還不能自持，因?yàn)橐坏┏ネ饨珉婋x因子(令 )，即變?yōu)榱恪?非自持放電階段非自持放電階段 氣隙中碰撞電離而產(chǎn)生的正離子，即從陰氣隙中碰撞電離而產(chǎn)生的正離子，即從陰極產(chǎn)生的一個(gè)電子消失在陽極前，由極產(chǎn)生的一個(gè)電子消失在陽極前，由過程過程形成的正離

23、子數(shù)。即形成的正離子數(shù)。即1de過程過程 在電場(chǎng)作用下，正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，由于它在電場(chǎng)作用下，正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，由于它的平均自由行程長(zhǎng)度較短，不易積累動(dòng)能，所的平均自由行程長(zhǎng)度較短，不易積累動(dòng)能，所以很難使氣體分子發(fā)生碰撞電離。以很難使氣體分子發(fā)生碰撞電離。 但但當(dāng)正離子撞擊陰極表面時(shí)卻有可能引起當(dāng)正離子撞擊陰極表面時(shí)卻有可能引起表面電離表面電離而拉出電子，部分電子和正離子復(fù)合，而拉出電子，部分電子和正離子復(fù)合，其余部分則向著陽極運(yùn)動(dòng)和形成新的電子崩。其余部分則向著陽極運(yùn)動(dòng)和形成新的電子崩。過程也不能維持放電的自持過程也不能維持放電的自持過程：電子的空間碰撞電離，放電不能自持。過程：電子的空間

24、碰撞電離，放電不能自持。過程：正離子空間碰撞電離，可忽略。過程：正離子空間碰撞電離，可忽略。過程：陰極材料表面的電子發(fā)射現(xiàn)象正離子撞擊陰過程：陰極材料表面的電子發(fā)射現(xiàn)象正離子撞擊陰極復(fù)合過程的光輻射效應(yīng)（光電離）等。極復(fù)合過程的光輻射效應(yīng)（光電離）等。：?jiǎn)蝹€(gè)正離子撞擊陰極平均發(fā)射出的自由電子數(shù)。：?jiǎn)蝹€(gè)正離子撞擊陰極平均發(fā)射出的自由電子數(shù)。正離子消失在陰極前，由正離子消失在陰極前，由過程在陰極上釋放出二次電過程在陰極上釋放出二次電子數(shù)，即子數(shù)，即) 1(de1) 1(de表示由表示由過程在陰極上重新產(chǎn)生一個(gè)電子，此時(shí)不再需過程在陰極上重新產(chǎn)生一個(gè)電子，此時(shí)不再需要外電離因素就能使電離維持發(fā)展，即

25、轉(zhuǎn)入要外電離因素就能使電離維持發(fā)展，即轉(zhuǎn)入自持放電。自持放電。過程過程若若自持放電條件1ln1) 1(ded如自持放電條件滿足時(shí)，會(huì)形成下圖的閉環(huán)部分如自持放電條件滿足時(shí)，會(huì)形成下圖的閉環(huán)部分總結(jié)：總結(jié)：1.1. 將電子崩和陰極上的將電子崩和陰極上的過程作為氣體自持放電過程作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。2.2. 湯遜理論的實(shí)質(zhì)是：電子碰撞電離是氣體放電湯遜理論的實(shí)質(zhì)是：電子碰撞電離是氣體放電的主要原因，二次電子來源于正離子撞擊陰極的主要原因，二次電子來源于正離子撞擊陰極表面使陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣表面使陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放

26、電的必要條件。體放電的必要條件。3.3. 陰極逸出電子能否接替起始電子的作用是自持陰極逸出電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。放電的判據(jù)。 1、湯遜第一放電系數(shù)、湯遜第一放電系數(shù)：一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向行：一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向行經(jīng)經(jīng)1cm長(zhǎng)度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。長(zhǎng)度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。11 ）（de 2、湯遜第二放電系數(shù)、湯遜第二放電系數(shù)：一個(gè)正離子撞擊陰極板時(shí)，使陰：一個(gè)正離子撞擊陰極板時(shí)，使陰極板平均釋放出來的有效電子數(shù)。極板平均釋放出來的有效電子數(shù)。3、一個(gè)啟始帶電粒子從陰極到陽極的過程中由于碰撞游、一個(gè)啟始帶電粒子從陰極到陽極的過程中由于碰撞游離產(chǎn)生的正離子撞擊陰極板時(shí)如

27、果能打拉出兩個(gè)電子，一離產(chǎn)生的正離子撞擊陰極板時(shí)如果能打拉出兩個(gè)電子，一個(gè)與正離子復(fù)合掉了，另一個(gè)成為自由電子，它會(huì)產(chǎn)生新個(gè)與正離子復(fù)合掉了，另一個(gè)成為自由電子，它會(huì)產(chǎn)生新的電子崩，維持放電的發(fā)展，就發(fā)生了自持放電。的電子崩，維持放電的發(fā)展，就發(fā)生了自持放電。根據(jù)自持放電條件，導(dǎo)出擊穿電壓的表達(dá)式根據(jù)自持放電條件，導(dǎo)出擊穿電壓的表達(dá)式)()11ln()(ln)(pdfpdApdBubA A、B B是與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，是與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，u ub b為氣溫不變的條件下，均勻電為氣溫不變的條件下，均勻電場(chǎng)中氣體的自持放電起始電壓等于氣隙擊穿電壓。場(chǎng)中氣體的自持放電起始電壓等于氣隙擊穿電壓。

28、巴申定律：巴申定律： 當(dāng)氣體成份和電極材料一定時(shí)，氣體間隙擊穿電壓當(dāng)氣體成份和電極材料一定時(shí)，氣體間隙擊穿電壓( (u ub b) )是氣壓是氣壓( (p p) )和極間距離和極間距離( (d d) )乘積的函數(shù)。乘積的函數(shù)。均勻電場(chǎng)中幾種氣體擊穿電壓Ub與pd的關(guān)系巴申曲線表明，改變極間距離巴申曲線表明，改變極間距離d d的同時(shí)，也相應(yīng)改的同時(shí)，也相應(yīng)改變氣壓變氣壓p p而使而使pdpd的乘積不變，則極間距離不等的氣的乘積不變，則極間距離不等的氣隙擊穿電壓卻彼此相等。隙擊穿電壓卻彼此相等。 bpUd電離概率電子自由行程碰撞次數(shù)一定bdUdUEp電離概率碰撞次數(shù)一定)/(bpUd電離概率電子自

29、由行程碰撞次數(shù)一定bdUdUEp電離概率碰撞次數(shù)一定)/( 由巴申曲線可知，當(dāng)極間距離由巴申曲線可知，當(dāng)極間距離d d不變時(shí)不變時(shí)提高氣壓或或降低氣壓到真空，都可以，都可以提高氣隙的擊穿電壓，這一概念具有十分重要的實(shí)用意義。，這一概念具有十分重要的實(shí)用意義。 高氣壓、高真空都可以提高擊穿電壓，工高氣壓、高真空都可以提高擊穿電壓，工程上已得到廣泛應(yīng)用（如：壓縮空氣開關(guān)、真程上已得到廣泛應(yīng)用（如：壓縮空氣開關(guān)、真空開關(guān)等）空開關(guān)等）湯遜理論是在低氣壓湯遜理論是在低氣壓pdpd較小條件下建立起來的，較小條件下建立起來的， pdpd過過大，湯遜理論就不再適用大，湯遜理論就不再適用pdpd過大時(shí)（氣壓高

30、、距離大）湯遜理論無法解釋：過大時(shí)（氣壓高、距離大）湯遜理論無法解釋：v放電時(shí)間：很短放電時(shí)間：很短v放電外形：具有分支的細(xì)通道放電外形：具有分支的細(xì)通道v擊穿電壓：與理論計(jì)算不一致?lián)舸╇妷海号c理論計(jì)算不一致v陰極材料：無關(guān)陰極材料：無關(guān)湯遜理論適用于湯遜理論適用于pd26.66kPa pd26.66kPa pd26.66kPa cm cm，湯遜理論將不適用。，湯遜理論將不適用。 以自然界的雷電為例，它發(fā)生在兩塊雷云之間以自然界的雷電為例，它發(fā)生在兩塊雷云之間或雷云與大地之間，這時(shí)不存在金屬陰極，因而與或雷云與大地之間，這時(shí)不存在金屬陰極，因而與陰極上的陰極上的過程和二次電子發(fā)射根本無關(guān)。過程

31、和二次電子發(fā)射根本無關(guān)。 氣體放電流注理論以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，它考慮了高氣體放電流注理論以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，它考慮了高氣壓、長(zhǎng)氣隙情況下不容忽視的若干因素對(duì)氣體放氣壓、長(zhǎng)氣隙情況下不容忽視的若干因素對(duì)氣體放電的影響，主要有以下兩方面電的影響，主要有以下兩方面 空間電荷對(duì)原有電場(chǎng)的影響空間電荷對(duì)原有電場(chǎng)的影響 空間光電離的作用空間光電離的作用電子崩頭部聚集大部分正離子和全部電子，產(chǎn)生了電場(chǎng)畸變； 在電場(chǎng)很小的區(qū)域，電子和離子濃度最大，有利于完成復(fù)合； 強(qiáng)烈的復(fù)合輻射出許多光子，成為引發(fā)新的空間光電離輻射源。（一）空間電荷對(duì)原有電場(chǎng)的影響（一）空間電荷對(duì)原有電場(chǎng)的影響湯遜理論沒有考慮放電本身所引發(fā)的空間光電離

32、現(xiàn)象，而這一因素在高氣壓、長(zhǎng)氣隙的擊穿過程中起著重要的作用?？紤]初始電子崩頭部成為輻射源，會(huì)向氣隙空間各處發(fā)射光子而引起光電離。（二）空間光電離的作用（二）空間光電離的作用如圖所示：如果這時(shí)產(chǎn)生的如圖所示：如果這時(shí)產(chǎn)生的光子位于崩頭前方和崩尾附光子位于崩頭前方和崩尾附近的強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，則造成的二近的強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，則造成的二次電子崩將以更大的電離強(qiáng)次電子崩將以更大的電離強(qiáng)度向陽極發(fā)展或匯入崩尾的度向陽極發(fā)展或匯入崩尾的正離子群中。正離子群中。這些電離強(qiáng)度和發(fā)展速度遠(yuǎn)這些電離強(qiáng)度和發(fā)展速度遠(yuǎn)大于初始電子崩的二次電子大于初始電子崩的二次電子崩不斷匯入初崩通道的過程崩不斷匯入初崩通道的過程稱為稱為流注流注流注

33、形成過程示意圖a) 起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩；b) 初崩發(fā)展到陽極，正離子作為空間電荷畸變?cè)妶?chǎng)，加強(qiáng)正離子與陰極間電場(chǎng)，放射出大量光子；c) 光電離產(chǎn)生二次電子，在加強(qiáng)的局部電場(chǎng)作用下形成二次崩；（三）流注的形成和發(fā)展示意圖（三）流注的形成和發(fā)展示意圖d)二次崩電子與正空間電荷匯合成流注通道，其端部又有二次崩留下的正電荷，加強(qiáng)局部電場(chǎng)產(chǎn)生新電子崩使其發(fā)展；e)流注頭部電離迅速發(fā)展，放射出大量光子，引起空間光電離，流注前方出現(xiàn)新的二次崩，延長(zhǎng)流注通道；f)流注通道貫通，氣隙擊穿 初始電子崩（電子崩頭部電子數(shù)達(dá)到一定數(shù)量）初始電子崩（電子崩頭部電子數(shù)達(dá)到一定數(shù)量）電場(chǎng)畸變和加強(qiáng)；電場(chǎng)畸

34、變和加強(qiáng)；電子崩頭部正負(fù)空間電荷復(fù)合；電子崩頭部正負(fù)空間電荷復(fù)合；放射大量光子；放射大量光子；光電離；光電離；崩頭處二次電子（光電子）；崩頭處二次電子（光電子）；（向正空間電荷區(qū)運(yùn)動(dòng)）碰撞游離；（向正空間電荷區(qū)運(yùn)動(dòng)）碰撞游離；二次電子崩；二次電子崩；（二次電子崩電子跑到初崩正空間電荷區(qū)域）流注（二次電子崩電子跑到初崩正空間電荷區(qū)域）流注 。流注發(fā)展過程流注發(fā)展過程（四）流注條件（四）流注條件形成流注的必要條件是：電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷足以使原電場(chǎng)明顯畸變，大大加強(qiáng)電子崩崩頭和崩尾處的電場(chǎng)；電子崩中電荷密度很大，所以復(fù)合頻繁，放射出的光子在這部分很強(qiáng)，電場(chǎng)區(qū)很容易成為引發(fā)新

35、的空間光電離的輻射源，二次電子主要來源于空間光電離；氣隙中一旦形成流注，放電就可由空間光電離自行維持。 在高氣壓下（在高氣壓下（Pd大），當(dāng)外施電壓等于擊穿電壓大），當(dāng)外施電壓等于擊穿電壓時(shí)，光電離強(qiáng)，電子崩（湯遜放電）轉(zhuǎn)入流注放電。時(shí)，光電離強(qiáng)，電子崩（湯遜放電）轉(zhuǎn)入流注放電。流注理論認(rèn)為：電子崩發(fā)展到足夠的程度后，其空間電流注理論認(rèn)為：電子崩發(fā)展到足夠的程度后，其空間電荷足以使原電場(chǎng)嚴(yán)重畸變，大大加強(qiáng)崩頭和崩尾電場(chǎng)，荷足以使原電場(chǎng)嚴(yán)重畸變，大大加強(qiáng)崩頭和崩尾電場(chǎng)，引發(fā)強(qiáng)場(chǎng)光子發(fā)射。另外，電子崩中電荷密度非常大，引發(fā)強(qiáng)場(chǎng)光子發(fā)射。另外，電子崩中電荷密度非常大，弱場(chǎng)區(qū)復(fù)合過程頻繁，放射出的光子

36、重新引起光電離。弱場(chǎng)區(qū)復(fù)合過程頻繁，放射出的光子重新引起光電離。 流注理論強(qiáng)調(diào)：不均勻的空間電荷分布對(duì)電場(chǎng)畸變流注理論強(qiáng)調(diào)：不均勻的空間電荷分布對(duì)電場(chǎng)畸變的作用；的作用；空間碰撞電離和光電離空間碰撞電離和光電離是形成自持放電的主要是形成自持放電的主要原因原因。 適用范圍：高氣壓、均勻、不均勻電場(chǎng)中的放電過適用范圍：高氣壓、均勻、不均勻電場(chǎng)中的放電過程。還較為粗糙，存在假說成分。程。還較為粗糙，存在假說成分。崩頭電荷密度崩頭電荷密度，電場(chǎng)畸變，電場(chǎng)畸變，空間光電離，空間光電離流注。流注。流注形成即轉(zhuǎn)入放電自持，均勻場(chǎng)：流柱形成條件流注形成即轉(zhuǎn)入放電自持，均勻場(chǎng)：流柱形成條件=自持放電條自持放電條

37、件間隙擊穿條件。件間隙擊穿條件。崩頭電荷數(shù)足夠崩頭電荷數(shù)足夠- -臨界值臨界值，崩內(nèi)全部電荷足夠，崩內(nèi)全部電荷足夠流注：流注：自持放電條件：自持放電條件： ed = 常數(shù)（常數(shù)（108）或）或 d=常數(shù)（常數(shù)（20）ed=1 或或 d=ln-1若外施電壓恰等于自持放電起始電壓，意味著初崩要跑完整個(gè)若外施電壓恰等于自持放電起始電壓，意味著初崩要跑完整個(gè)氣隙，頭部才能積聚到足夠的電子數(shù)而引起流注。若所加電壓氣隙，頭部才能積聚到足夠的電子數(shù)而引起流注。若所加電壓超過自持放電電壓，初崩不需要跑完整個(gè)氣隙，其頭部電子數(shù)超過自持放電電壓，初崩不需要跑完整個(gè)氣隙，其頭部電子數(shù)已達(dá)到足夠的數(shù)量，流注將提前出現(xiàn)

38、且以更快的速度發(fā)展。已達(dá)到足夠的數(shù)量，流注將提前出現(xiàn)且以更快的速度發(fā)展。流注理論和湯遜理論（流注理論和湯遜理論（d=4, ed= 40）各適用一定條件的放電過）各適用一定條件的放電過程，互相補(bǔ)充，擊穿電壓皆滿足巴申定律。程，互相補(bǔ)充，擊穿電壓皆滿足巴申定律。放電時(shí)間二次崩的起始電子是光子形成的，而光子以光速傳播，所以流注發(fā)展非常快。放電外形二次崩的發(fā)展具有不同的方位，所以流注的推進(jìn)不可能均勻，而且具有分支。陰極材料大氣條件下的氣體放電不依賴陰極表面電離，而是靠空間光電離產(chǎn)生電子維持，因此與陰極材料無關(guān)。1.1.湯遜理論只適用于湯遜理論只適用于pdpd值較小的范圍，流注理論值較小的范圍，流注理論

39、只適用于只適用于pdpd值較大的范圍，二者過渡值為值較大的范圍，二者過渡值為pd=26.66kPapd=26.66kPacmcm；(1)(1)湯遜理論的基本觀點(diǎn)：湯遜理論的基本觀點(diǎn)：電子碰撞電離是氣體放電時(shí)電流倍增的主要過程，電子碰撞電離是氣體放電時(shí)電流倍增的主要過程，而陰極表面的電子發(fā)射是維持放電的必要條件。而陰極表面的電子發(fā)射是維持放電的必要條件。(2)(2)流注理論的基本觀點(diǎn)：流注理論的基本觀點(diǎn)：以湯遜理論的碰撞電離為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)空間電荷對(duì)以湯遜理論的碰撞電離為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用，著重于用氣體空間光電離來解電場(chǎng)的畸變作用，著重于用氣體空間光電離來解釋氣體放電通道的發(fā)展過程；

40、釋氣體放電通道的發(fā)展過程；放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過程，放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過程，當(dāng)初始電子崩中離子數(shù)達(dá)當(dāng)初始電子崩中離子數(shù)達(dá)10108 8以上時(shí)，引起空間光以上時(shí)，引起空間光電離質(zhì)變，電子崩匯合成流注；電離質(zhì)變，電子崩匯合成流注；流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持。流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持。湯遜理論和流注理論的區(qū)別：湯遜理論和流注理論的區(qū)別： 湯遜理論把電子崩和陰極上的過程作為氣湯遜理論把電子崩和陰極上的過程作為氣體自持放電的決定性因素，沒有考慮空間電荷體自持放電的決定性因素，沒有考慮空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變和光游離對(duì)放電的影響，它只適對(duì)電場(chǎng)的畸變和光游離對(duì)放電的影響，

41、它只適用于低氣壓、短氣隙的情況。用于低氣壓、短氣隙的情況。 流注理論認(rèn)為：電子崩發(fā)展到足夠的程度流注理論認(rèn)為：電子崩發(fā)展到足夠的程度后，其空間電荷足以使原電場(chǎng)嚴(yán)重畸變，大大后，其空間電荷足以使原電場(chǎng)嚴(yán)重畸變，大大加強(qiáng)崩頭和崩尾電場(chǎng)，引發(fā)強(qiáng)場(chǎng)光子發(fā)射。另加強(qiáng)崩頭和崩尾電場(chǎng)，引發(fā)強(qiáng)場(chǎng)光子發(fā)射。另外，電子崩中電荷密度非常大，弱場(chǎng)區(qū)復(fù)合過外，電子崩中電荷密度非常大，弱場(chǎng)區(qū)復(fù)合過程頻繁，放射出的光子重新引起光電離。流注程頻繁，放射出的光子重新引起光電離。流注理論強(qiáng)調(diào)：不均勻的空間電荷分布對(duì)電場(chǎng)畸變理論強(qiáng)調(diào)：不均勻的空間電荷分布對(duì)電場(chǎng)畸變的作用；空間碰撞電離和光電離是形成自持放的作用；空間碰撞電離和光電離

42、是形成自持放電的主要原因。適用范圍：高氣壓、均勻、不電的主要原因。適用范圍：高氣壓、均勻、不均勻電場(chǎng)中的放電過程。均勻電場(chǎng)中的放電過程。2. 2. 引起氣體放電的外部原因有兩個(gè)，其一是電場(chǎng)引起氣體放電的外部原因有兩個(gè)，其一是電場(chǎng)作用，其二是外電離因素。作用，其二是外電離因素。把去掉外界因素作用后，放電立即停止的放把去掉外界因素作用后，放電立即停止的放電形式稱為非自持放電；把由電場(chǎng)作用就能維電形式稱為非自持放電；把由電場(chǎng)作用就能維持的放電稱為自持放電。持的放電稱為自持放電。3. 3. 湯遜理論和流注理論自持放電條件的比較湯遜理論和流注理論自持放電條件的比較(1)(1)湯遜理論：自持放電由陰極過程

43、來維持；湯遜理論：自持放電由陰極過程來維持； 流注理論：依賴于空間光電離。流注理論：依賴于空間光電離。(2) (2) 系數(shù)的物理意義不同。系數(shù)的物理意義不同。4 不均勻電場(chǎng)中的放電過程4.1 電場(chǎng)不均勻程度的劃分4.2 稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿過程4.3 極不均勻電場(chǎng)中的擊穿過程球隙的放電特性與極間距離的關(guān)系球隙的放電特性與極間距離的關(guān)系1-擊穿電壓 2-電暈起始電壓 3-放電不穩(wěn)定區(qū)電場(chǎng)越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓之間的差別越大從放電觀點(diǎn)看：電場(chǎng)的不均勻程度可以根據(jù)是否存在穩(wěn)定的電暈放電來區(qū)分；均勻電場(chǎng)是一種少有的特例，在實(shí)際電力設(shè)施中常見的卻是不均勻電場(chǎng)。為了描述各種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)不均勻程度，

44、可引入一個(gè)電場(chǎng)不均勻系數(shù)f，表示為：Emax : 最大電場(chǎng)強(qiáng)度; Eav :平均電場(chǎng)強(qiáng)度,f4屬不均勻電場(chǎng)。 4.1 電場(chǎng)不均勻程度的劃分4.2 稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿過程4.3 極不均勻電場(chǎng)中的擊穿過程稍不均勻電場(chǎng)中的放電過程與均勻電場(chǎng)相似，屬于流注擊穿，擊穿條件就是自持放電條件，無電暈產(chǎn)生但稍不均勻電場(chǎng)中場(chǎng)強(qiáng)并非處處相等， 電離系數(shù)是空間坐標(biāo)x的函數(shù)，因此自持放電條件為201ln)(0ddxx4.1 電場(chǎng)不均勻程度的劃分4.2 稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿過程4.3 極不均勻電場(chǎng)中的擊穿過程4.3.1 電暈放電4.3.2 極性效應(yīng)4.3.3 長(zhǎng)間隙放電定義：極不均勻電場(chǎng)中，發(fā)生在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域（小曲率半徑

45、電極附近空間）的局部放電，稱為電暈放電。特點(diǎn)：電暈放電是極不均勻電場(chǎng)特有的自持放電形式，電暈起始電壓低于擊穿電壓，電場(chǎng)越不均勻其差值越大電暈放電的起始電壓一般用經(jīng)驗(yàn)公式來推算，流傳最廣的是皮克公式，電暈起始場(chǎng)強(qiáng)近似為： 電暈特征：環(huán)繞電極表層的藍(lán)紫色光暈。電暈特征：環(huán)繞電極表層的藍(lán)紫色光暈。 開始出現(xiàn)電暈時(shí)的放電電壓為電暈起始電壓。隨開始出現(xiàn)電暈時(shí)的放電電壓為電暈起始電壓。隨著外加電壓升高，電暈區(qū)增大，但氣隙保持絕緣狀態(tài)，著外加電壓升高，電暈區(qū)增大，但氣隙保持絕緣狀態(tài)，并未擊穿。并未擊穿。 電暈放電是極不均勻電場(chǎng)特有的自持放電形式，電暈放電是極不均勻電場(chǎng)特有的自持放電形式，是其氣隙擊穿過程的第

46、一階段，也可能是長(zhǎng)期存在的是其氣隙擊穿過程的第一階段，也可能是長(zhǎng)期存在的穩(wěn)定放電形式。這種放電對(duì)超高壓和特高壓輸電線路穩(wěn)定放電形式。這種放電對(duì)超高壓和特高壓輸電線路具有特殊的重要性。具有特殊的重要性。 電暈放電分為電子崩或流注兩種形式，取決于電電暈放電分為電子崩或流注兩種形式，取決于電極形狀、電極附近的場(chǎng)強(qiáng)畸變程度等。極形狀、電極附近的場(chǎng)強(qiáng)畸變程度等。影響：電暈放電引起的光、聲、熱等效應(yīng)使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，都會(huì)消耗一定的能量。電暈損耗是超高壓輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素，壞天氣時(shí)電暈損耗要比好天氣時(shí)大得多。 電暈放電中，由于電子崩和流注不斷消失和重新出現(xiàn)所造成的放電脈沖會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波，從而對(duì)

47、無線電和電視廣播產(chǎn)生干擾。 電暈放電還會(huì)產(chǎn)生可聞噪聲，并有可能超出環(huán)境保護(hù)所容許的標(biāo)準(zhǔn)。 方法：增大電極曲率半徑；采用擴(kuò)徑導(dǎo)線、分裂導(dǎo)線等分裂導(dǎo)線：每相都用若干根直徑較小的平行分導(dǎo)線來替換大直徑導(dǎo)線。分裂數(shù)超過兩根時(shí)，分導(dǎo)線通常被布置在一個(gè)圓的內(nèi)接正多邊形頂點(diǎn)上。分裂導(dǎo)線的電場(chǎng)強(qiáng)度與分導(dǎo)線的直徑和分導(dǎo)線間的距離 d 有關(guān)。在某一最佳值時(shí)最大電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一極小值。330750kV的超高壓線路，分裂數(shù)一般取26； 1000kV及以上的特高壓線路分裂數(shù)取8或更多。有利：在輸電線上傳播的雷電電壓波因電暈放電而衰減其幅值和降低其波前陡度。 操作過電壓的幅值也會(huì)受到電暈的抑制。 電暈放電還在除塵器、靜電

48、噴涂裝置、臭氧發(fā)生器等工業(yè)設(shè)施中得到廣泛應(yīng)用。 在電暈放電時(shí)，空間電荷對(duì)放電的影響已得到關(guān)注。由于高場(chǎng)強(qiáng)電極極性的不同，空間電荷的極性也不同，對(duì)放電發(fā)展的影響也就不同，這就造成了不同極性的高場(chǎng)強(qiáng)電極的電暈起始電壓的不同，以及間隙擊穿電壓的不同，稱為極性效應(yīng)。 決定極性要看表面電場(chǎng)較強(qiáng)的那個(gè)電極所具有的電位符號(hào)： 在兩個(gè)電極幾何形狀不同時(shí)，極性取決于曲率半徑較小的那個(gè)電極的電位符號(hào)，如“棒-板”氣隙。 在兩個(gè)電極幾何形狀相同時(shí)，極性取決于不接地的那個(gè)電極上的電位，如“棒-棒”氣隙。棒板間隙這種典型的極不均勻場(chǎng)圖正棒負(fù)板間隙中非自持放電階段空間電荷對(duì)外電場(chǎng)畸變作用 外電場(chǎng) 空間電荷電場(chǎng)exEspE

49、 當(dāng)棒具有正極性時(shí)，間隙中出現(xiàn)的電子向棒運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，開始引起電離現(xiàn)象而形成電子崩，如圖（a）所示。隨著電壓的逐漸上升，到形成自持放電爆發(fā)電暈之前，在間隙中形成相當(dāng)多的電子崩。 當(dāng)電子崩達(dá)到棒極后，其中的電子就進(jìn)入棒極，而正離子仍留在空間，相對(duì)來說緩慢地向板極移動(dòng)。于是在棒極附近，積聚起正空間電荷，如圖（b）所示。這樣就減少了緊貼棒極附近的電場(chǎng)，而略為加強(qiáng)了外部空間的電場(chǎng)。因此，棒極附近的電場(chǎng)被削弱，難以形成流注，這就使得放電難以得到自持。 當(dāng)棒具有負(fù)極性時(shí)，陰極表面形成的電子立即進(jìn)入強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，造成電子崩，如圖（a）所示。當(dāng)電子崩中的電子離開強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)后，電子就不再能引起電離，而以越來越慢

50、的速度向陽極運(yùn)動(dòng)。一部分電子直接消失于陽極，其余的可為氧原子所吸附形成負(fù)離子。負(fù)棒正板間隙中非自持放電階段空間電荷對(duì)外電場(chǎng)的畸變作用 外電場(chǎng) 空間電荷電場(chǎng)exEspE 電子崩中的正離子逐漸向棒極運(yùn)動(dòng)而消失于棒極，但由于其運(yùn)動(dòng)速度較慢，所以在棒極附近總是存在著正空間電荷。結(jié)果在棒極附近出現(xiàn)了比較集中的正空間電荷，而在其后則是非常分散的負(fù)空間電荷，如圖（b）所示。負(fù)棒正板間隙中非自持放電階段空間電荷對(duì)外電場(chǎng)的畸變作用 外電場(chǎng) 空間電荷電場(chǎng)exEspE 負(fù)空間電荷由于濃度小，對(duì)外電場(chǎng)的影響不大，而正空間電荷將使電場(chǎng)畸變。棒極附近的電場(chǎng)得到增強(qiáng)，因而自持放電條件易于滿足、易于轉(zhuǎn)入流注而形成電暈放電。非

51、自持放電階段正極性：正空間電荷削弱棒極附近場(chǎng)強(qiáng)而加強(qiáng)外部電場(chǎng)，阻止棒極附近流注形成使電暈起始電壓提高；負(fù)極性：正空間電荷加強(qiáng)棒極附近場(chǎng)強(qiáng)而削弱外部電場(chǎng)，促進(jìn)棒極附近流注形成使電暈起始電壓降低。)()(ccUU自持放電階段正極性：空間電荷加強(qiáng)放電區(qū)外部空間的電場(chǎng)，因此當(dāng)電壓進(jìn)一步提高時(shí)，強(qiáng)場(chǎng)區(qū)將逐漸向極板推進(jìn)至擊穿負(fù)極性：空間電荷削弱放電區(qū)外部空間的電場(chǎng)，因此當(dāng)電壓進(jìn)一步提高時(shí)，電暈區(qū)不易向外擴(kuò)展，氣隙擊穿將不順利，因此負(fù)極性擊穿電壓比正極性高很多，完成擊穿所需時(shí)間也長(zhǎng)得多)()(bbUU 不均勻電場(chǎng)中放電的極性效應(yīng)不均勻電場(chǎng)中放電的極性效應(yīng)負(fù)極性棒板間隙的負(fù)極性棒板間隙的電暈起始電壓比電暈起始

52、電壓比正極性棒板電極正極性棒板電極低低負(fù)極性棒板間隙負(fù)極性棒板間隙擊穿電壓擊穿電壓比正極性棒板電極比正極性棒板電極高高 工程實(shí)際中，輸電線路外絕緣和高壓電器的外絕緣都屬于極不均勻電場(chǎng)分布，在交流電壓下的擊穿都發(fā)生在正半波；因此，考核絕緣沖擊特性時(shí)應(yīng)施加正極性的沖擊電壓。5.1 雷電沖擊電壓下的擊穿5.2 操作沖擊電壓下的擊穿5.1.1沖擊放電時(shí)延5.1.2雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形5.1.3 雷電沖擊50擊穿電壓5.1.4 伏秒特性（一）放電時(shí)間完成氣隙擊穿的三個(gè)必備條件： 足夠大的電場(chǎng)強(qiáng)度或足夠高的電壓 ；在氣隙中存在能引起電子崩并導(dǎo)致流注和主放電的有效電子 ；需要有一定的時(shí)間，讓放電得以逐步發(fā)展

53、并完成擊穿。完成擊穿所需放電時(shí)間是很短的（微秒級(jí)）： 直流電壓、工頻交流等持續(xù)作用的電壓，滿足上述三個(gè)條件不成問題； 當(dāng)所加電壓變化速度很快、作用時(shí)間很短的沖擊電壓，因有效作用時(shí)間短，以微秒計(jì)，此時(shí)放電時(shí)間就變成一個(gè)重要因素。放電時(shí)間的組成：總放電時(shí)間后面兩個(gè)分量之和稱為放電時(shí)延t1氣隙在持續(xù)電壓下的擊穿電壓為Us，為所加電壓從0上升到Us的時(shí)間；ts從t1開始到氣隙中出現(xiàn)第一個(gè)有效電子所需的時(shí)間稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)延 ts ;有效電子是指能引起電子崩并最終導(dǎo)致?lián)舸┑碾娮印f出現(xiàn)有效電子后，引起碰撞電離，形成電子崩，發(fā)展到流注和主放電，最后完成氣隙的擊穿。這個(gè)過程需要的時(shí)間稱為放電形成時(shí)延tf。 t

54、t laglag （放電時(shí)延）：（放電時(shí)延）： t t laglag s s f f t t loglog的特點(diǎn)：根據(jù)電場(chǎng)的不同，的特點(diǎn)：根據(jù)電場(chǎng)的不同， t t loglog具有分具有分散性和隨機(jī)性散性和隨機(jī)性 ：（ 1 1 ）在短間隙、均勻場(chǎng)中）在短間隙、均勻場(chǎng)中 f f s s t t laglag f f即：不均勻長(zhǎng)間隙電場(chǎng)中，先導(dǎo)放電的發(fā)展即：不均勻長(zhǎng)間隙電場(chǎng)中，先導(dǎo)放電的發(fā)展占放電時(shí)延的主要部分占放電時(shí)延的主要部分 。標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波：雷電沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化波前時(shí)間的定義是波前時(shí)間的定義是“實(shí)際原點(diǎn)實(shí)際原點(diǎn)O與電壓達(dá)到峰值與電壓達(dá)到峰值時(shí)刻之間的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔時(shí)間間隔”。標(biāo)

55、準(zhǔn)雷電截波：用來模擬雷電過電壓引起氣隙擊穿或外絕緣閃絡(luò)后所出現(xiàn)的截尾沖擊波，如圖所示。 定義：在多次施加同一電壓時(shí)，其中半數(shù)導(dǎo)致氣隙擊穿，以此反映氣隙的耐受沖擊電壓的能力。 在工程實(shí)際中廣泛采用擊穿百分比為50時(shí)的電壓（U50%）來表征氣隙的沖擊擊穿特性。實(shí)際中，施加10次電壓中有4-6次擊穿了，這一電壓即可認(rèn)為是50沖擊擊穿電壓。 特點(diǎn)：(1)在均勻和稍不均勻場(chǎng)中，擊穿電壓分散性小， 沖擊系數(shù) (2)在極不均勻電場(chǎng)中，由于放電時(shí)延較長(zhǎng)，其沖擊系數(shù) 擊穿電壓分散性也較大。050UU1050UU1 沖擊擊穿特性最好用電沖擊擊穿特性最好用電壓和時(shí)間兩個(gè)參量來表示，壓和時(shí)間兩個(gè)參量來表示，這種在這種

56、在“電壓時(shí)間電壓時(shí)間”坐標(biāo)坐標(biāo)平面上形成的曲線，通常稱平面上形成的曲線，通常稱為伏秒特性曲線，它表示該為伏秒特性曲線，它表示該氣隙的沖擊擊穿電壓與放電氣隙的沖擊擊穿電壓與放電時(shí)間的關(guān)系。時(shí)間的關(guān)系。 在峰值較低但延續(xù)時(shí)間在峰值較低但延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的沖擊電壓作用下氣隙較長(zhǎng)的沖擊電壓作用下氣隙可能擊穿，而在峰值較高但可能擊穿，而在峰值較高但延續(xù)時(shí)間較短的沖擊電壓作延續(xù)時(shí)間較短的沖擊電壓作用下氣隙可能不擊穿。用下氣隙可能不擊穿。伏秒特性曲線的繪制方法示意圖（一）繪制伏秒特性的方法保持沖擊電壓波形不變，逐級(jí)升高電壓使氣隙發(fā)生擊穿，記錄擊穿電壓波形，讀取擊穿電壓值U與擊穿時(shí)間t。當(dāng)電壓不很高時(shí)擊穿一般在波

57、尾發(fā)生；當(dāng)電壓很高時(shí)，擊穿百分比將達(dá)100，放電時(shí)延大大縮短，擊穿可能發(fā)生在波前發(fā)生當(dāng)擊穿發(fā)生在波前時(shí)，U與t均取擊穿時(shí)的值；當(dāng)擊穿發(fā)生在波尾時(shí)， U取波峰值，t取擊穿值50伏秒特性的繪制實(shí)際的伏秒特性曲線如下圖所示，是一個(gè)以上、下包線為界的帶狀區(qū)域。通常取50伏秒特性或平均伏秒特性曲線來表征一個(gè)氣隙的沖擊擊穿特性。 伏秒特性曲線形狀與電場(chǎng)的均勻伏秒特性曲線形狀與電場(chǎng)的均勻性有關(guān)，如圖所示。性有關(guān)，如圖所示。 均勻場(chǎng)，曲線低且平坦，上翹范圍小。均勻場(chǎng)，曲線低且平坦，上翹范圍小。 均勻場(chǎng)、短間隙各處場(chǎng)強(qiáng)相差不大，均勻場(chǎng)、短間隙各處場(chǎng)強(qiáng)相差不大，某處達(dá)到自持放電值時(shí)放電很快貫穿某處達(dá)到自持放電值時(shí)

58、放電很快貫穿整個(gè)間隙整個(gè)間隙擊穿時(shí)間短；擊穿時(shí)間短； 在均勻場(chǎng)中，在均勻場(chǎng)中， t b=t s，若擊穿電壓幅，若擊穿電壓幅值稍降低值稍降低t s加長(zhǎng)加長(zhǎng)t b加長(zhǎng)加長(zhǎng)曲線平曲線平坦坦 不均勻電場(chǎng)，曲線較高且陡。不均勻電場(chǎng)，曲線較高且陡。 間隙大的不均勻場(chǎng)，由于電場(chǎng)分布的間隙大的不均勻場(chǎng)，由于電場(chǎng)分布的不均勻性，使擊穿時(shí)間不均勻性，使擊穿時(shí)間t b加長(zhǎng)加長(zhǎng), 若保若保證與均勻電場(chǎng)相同的擊穿時(shí)間，需加證與均勻電場(chǎng)相同的擊穿時(shí)間，需加大電壓幅值大電壓幅值曲線高；放電時(shí)延曲線高；放電時(shí)延由由t f 決定，電壓幅值的變化對(duì)決定，電壓幅值的變化對(duì)t f影響影響很大很大曲線陡曲線陡 （二）伏秒特性與電場(chǎng)的關(guān)

59、系極不均勻電場(chǎng)：平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)低，放電時(shí)延長(zhǎng)，曲線上翹；稍不均勻電場(chǎng)：平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)高，放電時(shí)延短，曲線平坦。因此在避雷器等保護(hù)裝置中，保護(hù)間隙采用均勻電場(chǎng)，確保在各種電壓下保護(hù)裝置伏秒特性低于被保護(hù)設(shè)備。隨著時(shí)間的延伸，一切氣隙的伏秒特性都趨于平坦，但特性曲線變平的時(shí)間卻與氣隙的電場(chǎng)形式有較大關(guān)系：（三）伏秒特性在絕緣配合中的應(yīng)用一、沿面放電概念一、沿面放電概念沿面放電沿面放電：沿著固體介質(zhì)表面發(fā)展的氣體放電現(xiàn)象。：沿著固體介質(zhì)表面發(fā)展的氣體放電現(xiàn)象。污污 閃閃：沿著污染表面發(fā)展的閃絡(luò)。：沿著污染表面發(fā)展的閃絡(luò)。 電力系統(tǒng)中絕緣子、套管等固體絕緣在機(jī)械上起固定作用，電力系統(tǒng)中絕緣子、套管等固體絕

60、緣在機(jī)械上起固定作用，又在電氣上起絕緣作用。其絕緣狀況關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的又在電氣上起絕緣作用。其絕緣狀況關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。可靠運(yùn)行。 絕緣功能的喪失可以分為以下兩種情況：絕緣功能的喪失可以分為以下兩種情況：固體介質(zhì)擊穿：一旦發(fā)生擊穿，即意味著不可逆轉(zhuǎn)地喪失絕緣固體介質(zhì)擊穿：一旦發(fā)生擊穿，即意味著不可逆轉(zhuǎn)地喪失絕緣功能。功能。沿介質(zhì)表面發(fā)生閃絡(luò)：由于大多數(shù)絕緣子以電瓷、玻璃等硅酸沿介質(zhì)表面發(fā)生閃絡(luò)：由于大多數(shù)絕緣子以電瓷、玻璃等硅酸鹽材料組成，所以沿著它們的表面發(fā)生放電或閃絡(luò)時(shí)，一般鹽材料組成，所以沿著它們的表面發(fā)生放電或閃絡(luò)時(shí)，一般不會(huì)導(dǎo)致絕緣子的永久性損壞。電力系統(tǒng)的外絕緣，一