氣體放電過程分析

1、第1章 氣體放電過程的分析第1 1章 氣體放電過程的分析1.1 1.1 帶電質(zhì)點(diǎn)與氣體放電1.2 1.2 低氣壓下均勻電場自持放電的湯遜理論和巴申定律1.3 1.3 高氣壓下均勻電場自持放電的流注理論1.4 1.4 高氣壓下不均勻電場氣體擊穿的發(fā)展過程1.1 1.1 帶電質(zhì)點(diǎn)與氣體放電1.1.11.1.1氣體放電的主要形式輝光放電 、電暈放電 、刷狀放電 、火花放電 、電弧放電1.1.2 1.1.2 帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生 電極空間帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生 電極表面帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生1.1.3 1.1.3 帶電質(zhì)點(diǎn)的消失 帶電質(zhì)點(diǎn)受電場力的作用流入電極 帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散 帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合1.1.1 氣體放電的主要形式1

2、.空氣在強(qiáng)電場下放電特性1.1 1.1 帶電質(zhì)點(diǎn)與氣體放電帶電質(zhì)點(diǎn)與氣體放電* 氣體放電: 氣體中流通電流的各種形式統(tǒng)稱氣體放電. * 氣體在正常狀態(tài)下是良好的絕緣體,在一個(gè)立方厘米體積內(nèi)僅含幾千個(gè)帶電粒子,* 但在高電壓下,氣體從少量電荷會突然產(chǎn)生大量的電荷,從而失去絕緣能力而發(fā)生放電現(xiàn)象.* 空氣間隙由絕緣狀態(tài)突變?yōu)閷?dǎo)體狀態(tài)的變化,稱為擊穿.一旦電壓解除后一旦電壓解除后, ,氣體電介質(zhì)能氣體電介質(zhì)能自動恢復(fù)絕緣自動恢復(fù)絕緣狀態(tài)狀態(tài) 輸電線路以氣輸電線路以氣體作為絕緣材料體作為絕緣材料 變壓器相間變壓器相間絕緣以氣體作為絕緣以氣體作為絕緣材料絕緣材料n2 不同條件下,氣體放電有多種不同外形:

3、 書P8 表1-1 氣體放電的主要外形形式輝光放電電暈放電刷狀放電火花放電電弧放電 見下圖 放電外形示意圖輝光放電電暈放電1.1.2 帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生(1) 激發(fā) 原子在外界因素作用下,其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)(2)電離 原子在外界因素作用下,使其一個(gè)或幾個(gè)電子脫離原子核的束博而形成自由電子和正離子(3)電離的方式a.碰撞電離b.光電離 電極空間帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生 c.熱電離d.金屬表面電離: 電極表面帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生碰撞電離碰撞電離 在電場E作用下,質(zhì)量為m,電荷量為q的帶電質(zhì)點(diǎn)被加速,沿電場方向行經(jīng)x距離后獲得能量qEx,具有一定速度v,表現(xiàn)為動能: 當(dāng)帶電質(zhì)點(diǎn)具有的動能積累到一定數(shù)值后，在與氣

4、體原子（或分子）發(fā)生碰撞時(shí)，可以使后者產(chǎn)生電離，這種由碰撞而引起的電離稱為碰撞電離.引起碰撞游離的條件：引起碰撞游離的條件：iWm221iW：氣體原子（或分子）的電離能qExm221即使?jié)M足碰撞電離條件,也不一定每次碰撞都引起電離-引入”自由行程”概念:* 自由行程定義:一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在每兩次碰撞間自由通過的距離.* 平均自由行程:眾多質(zhì)點(diǎn)自由行程的平均值 其中,T為氣體分子溫度,p為氣體壓力 上式表明:溫度高,壓力小的氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的平均行程大,積累的動能大,易造成氣體電離.* 碰撞電離中電子引起的電離占主要地位碰撞電離中電子引起的電離占主要地位: 電子:自由行程大,獲取的動能大;質(zhì)量小,彈性碰撞

5、時(shí)幾乎不損失動能. 離子:自由行程短,碰撞間獲得的動能少;碰撞時(shí)損失動能.pT /光游離光游離 由光輻射引起氣體原子（或分子）的電離,稱為光電離.光波的能量W決定于其頻率f: W = hf = hc/其中,h為普朗克常數(shù),f c 分別為光波頻率,光速,波長.產(chǎn)生光游離的條件：產(chǎn)生光游離的條件：iWhf 即當(dāng)氣體分子受到光輻射時(shí),若光子能量大于氣體分子電離能,則可能引起氣體分子的光電離.書P10 表1-2 氣體的電離電位及光電離臨界波長 因?yàn)榇髿鈱拥淖钃?陽光到達(dá)地面的波長 290nm, 因此,普通陽光照射不足以引起氣體分子的光電離.熱游離熱游離氣體在熱狀態(tài)下引起的電離過程稱為熱電離 熱電離本質(zhì)

6、:高速運(yùn)動的氣體分子的碰撞電離和光電離,只不過能量不是來自電場而是氣體分子本身的熱能.氣體分子平均動能W與分子溫度T的關(guān)系: W = 3KT/2其中, K:波茨曼常數(shù), T:絕對溫度產(chǎn)生熱游離的條件：產(chǎn)生熱游離的條件：iWKT 23iW：氣體分子的電離能 常溫下(T=300K),不足以引起空氣的熱電離;當(dāng)發(fā)生電弧放電時(shí),氣體溫度達(dá)到輸千度以上,可以導(dǎo)致碰撞電離.金屬表面電離金屬表面電離 電子從金屬電極(陰極)表面逸出來的過程稱為表面游離使陰極釋放電子需要的能量: 逸出功 逸出功與金屬的和表面狀態(tài)有關(guān), 與金屬溫度無關(guān) ( P11 表1-3 金屬及金屬微觀結(jié)構(gòu)氧化物的逸出功). 金屬表面逸出功比

7、氣體電離能小很多, 在氣體放電中,電極表面電離很重要.n正離子碰撞陰極: 正離子能量傳遞給陰極, 2 金屬表面逸出功時(shí)發(fā)生電離n光電效應(yīng): 金屬表面受到光照時(shí),光子能量金屬表面逸出功時(shí),可造成電離n熱電子放射: 加熱陰極,使電子獲取足夠動能,克服金屬表面逸出功n強(qiáng)場放射: 在陰極附近施加強(qiáng)電場可使陰極釋放電子.金屬表面電離金屬表面電離1.1.3 1.1.3 帶電質(zhì)點(diǎn)的消失帶電質(zhì)點(diǎn)的消失( (去游離去游離) )a.流入電極 帶電質(zhì)點(diǎn)受電場力的作用下,流入電極 遷移率:單位場強(qiáng)下的運(yùn)動速度 電子遷移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子遷移率 同一種氣體的正負(fù)離子遷移率相差不大b.擴(kuò)散 帶電質(zhì)點(diǎn)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運(yùn)

8、動,從而使 帶電質(zhì)點(diǎn)在空間各處的濃度均勻. 電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子,電子的擴(kuò)散過程強(qiáng).c.復(fù)合 正離子與負(fù)離子相遇而互相中和還原成中性原子.質(zhì)點(diǎn)間相對速度大,復(fù)合率就小 電子速度比離子大,正離子與電子復(fù)合率小,正負(fù)離子復(fù)合率大.d.附著效應(yīng) 電子與原子碰撞時(shí),電子附著原子形成負(fù)離子.離子的電離能力差,因此氣體放電過程中負(fù)離子的形成起著阻礙放電作用.1.2 1.2 低氣壓下均勻電場自持放電的湯遜理論和巴申定律 1.2.1 1.2.1 湯遜理論湯遜理論1.2.2 1.2.2 巴申定律與均勻電場擊穿電壓 巴申定律 均勻電場的擊穿電壓1.2.3 1.2.3 湯遜放電理論的適用范圍1.2 1.2 低氣壓下均

9、勻電場自持放電的兩個(gè)理論低氣壓下均勻電場自持放電的兩個(gè)理論: :1.2.1.1.2.1.湯遜放電理論湯遜放電理論: : 1903年,由英國人湯遜根據(jù)試驗(yàn)事實(shí)，提出了比較系統(tǒng)的氣體放電理論，闡述了氣體放電過程，并確定出放電電流和擊穿電壓之間的函數(shù)關(guān)系。湯遜氣體放電理論最早定量地解釋了氣體放電理論.適用條件適用條件: :均勻電場,低氣壓,短間隙實(shí)驗(yàn)裝置均勻電場中氣體的伏安特性分析：分析：oaoa段段: : 隨著電壓升高，到達(dá)陽極的帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)量和速度也隨之增大.abab段段： 電流不再隨電壓的增大而增大.由外電離因素產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)(少),全部落入電極,飽和電流密度極小.氣體間隙仍處于良好的絕緣狀態(tài)

10、. 均勻電場中氣體的伏安特性bcbc段：段： 電流又再隨電壓的增大而增大.說明出現(xiàn)的新的電離因素電子的碰撞電離. 外施電壓UC,間隙電流小,取消外電離因素(光照射),電流也消失(非自持放電)c c點(diǎn)點(diǎn): :電流急劇突增電壓到達(dá)UC后,氣體發(fā)生強(qiáng)烈電離,只靠電場作用可自行維持,不需要外電離因素(自持放電)UC:擊穿電壓.(1).(1).非自持放電非自持放電 去掉外界游離因素的作用后去掉外界游離因素的作用后,放電隨即停止放電隨即停止(2).自持放電自持放電 不需要外界游離因素存在不需要外界游離因素存在,放電也能自行維放電也能自行維持下去持下去(3).電子崩電子崩 在電場作用下在電場作用下,電子從陰

11、極向陽極推進(jìn)而形成的電子從陰極向陽極推進(jìn)而形成的一群電子一群電子.將因碰撞電離使自由電子不斷增加的現(xiàn)象將因碰撞電離使自由電子不斷增加的現(xiàn)象稱為稱為電子崩電子崩(下圖下圖). n電子崩的發(fā)展過程稱為電子崩的發(fā)展過程稱為過程過程. . 稱為碰稱為碰撞電離系數(shù)撞電離系數(shù), ,定義為一個(gè)電子沿電場方向行定義為一個(gè)電子沿電場方向行經(jīng)經(jīng)1cm1cm長度長度, ,平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù). .若每若每次碰撞電離僅產(chǎn)生一個(gè)新電子次碰撞電離僅產(chǎn)生一個(gè)新電子, ,則則表示在表示在單位行程內(nèi)新電離出的電子數(shù)單位行程內(nèi)新電離出的電子數(shù). .n利用實(shí)驗(yàn)測量不同極間距離利用實(shí)驗(yàn)測量不同極間距離d d與

12、外回路電流與外回路電流I I關(guān)系關(guān)系, ,可以計(jì)算可以計(jì)算 (P14 (P14 公式公式1-9).1-9).n標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下空氣的標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下空氣的系數(shù)與電場系數(shù)與電場強(qiáng)度強(qiáng)度E E的關(guān)系的關(guān)系 (P15 (P15 圖圖1-6)1-6)過程過程: :電極空間的電子引起的碰撞電離二次過程二次過程: :過程過程: :正離子從電場獲得動能,引起的碰撞電離過程.因?yàn)殡x子平均自由行程小,獲取的動能少;離子質(zhì)量大,速度慢,彈性碰撞時(shí)易損失動能.因此,由正離子產(chǎn)生的電極空間碰撞電離作用小,可以忽略不計(jì).過程過程: :在陰極表面發(fā)生的,克服金屬表面逸出功后形成的電離. (1)正離子碰撞陰極表面而釋放

13、電子(主要); (2)正負(fù)離子復(fù)合產(chǎn)生的光子在陰極表面引起的電離. 系數(shù):折算到每個(gè)碰撞陰極的正離子中在陰極釋放出的自由電子數(shù).該系數(shù)同樣可以通過I與電極間距離d的實(shí)驗(yàn)曲線,計(jì)算后獲取(書P16 公式1-17)(4).(4).自持放電條件自持放電條件a.a.電子的空間碰撞系數(shù)電子的空間碰撞系數(shù) 一個(gè)電子在電場作用下在單位行程里所發(fā)生的碰撞電離數(shù) b.b.正離子的表面游離系數(shù)正離子的表面游離系數(shù) 一個(gè)正離子到達(dá)陰極,撞擊陰極表面產(chǎn)生游離的電子數(shù)說明: 假設(shè)外電離因素在陰極表面產(chǎn)生一個(gè)自由電子,該電子到達(dá)陽極的過程是過程,導(dǎo)致電子總數(shù)增加,且形成多個(gè)正離子;正離子到達(dá)陰極表面產(chǎn)生過程,又釋放出更多

14、的電子,這些電子又在電極空間產(chǎn)生過程如此循環(huán).自持放電條件可表達(dá)為自持放電條件可表達(dá)為: :1) 1(Se 綜上所述，將電子崩和陰極上的綜上所述，將電子崩和陰極上的r r過程作為氣體自持放過程作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。電的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。自持放電的物理概念: 一個(gè)電子在自己進(jìn)入陽極后,可以由和過程在陰極上產(chǎn)生一個(gè)新的替身,從而無需外電離因素,放電可繼續(xù).湯遜理論的實(shí)質(zhì)：湯遜理論的實(shí)質(zhì)：n氣體間隙中發(fā)生的電子碰撞電離是氣體放氣體間隙中發(fā)生的電子碰撞電離是氣體放電的主要原因電的主要原因(電子崩電子崩)n二次電子來源于正離子撞擊陰極表面逸出二次電子來源于正離子撞擊陰極表面

15、逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。件。n所逸出的電子能否接替起始電子的作用是所逸出的電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。自持放電的判據(jù)。1.2.2 1.2.2 巴申定律巴申定律表達(dá)式表達(dá)式: :)(pdfUb其中其中 p:p:氣體壓力氣體壓力 d:d:極間距離極間距離 1889年,巴申從大量實(shí)驗(yàn)中總結(jié)了擊穿電壓Ub與pd的關(guān)系,稱為巴申定律. 可見,擊穿電壓不僅僅由d決定,而是氣體壓力和極間距離的函數(shù),而且是個(gè)U形曲線,具有極小值,見下圖.均勻電場中幾種氣體的擊穿電壓均勻電場中幾種氣體的擊穿電壓UbUb與與pdpd的關(guān)系的關(guān)系 不同氣體,巴

16、申曲線上的最低擊穿電壓和此時(shí)的pd值各不相同.如空氣的擊穿電壓極小值出現(xiàn)在低氣壓下, , 即空氣相對密度較小的情況下,Ub.min,Ub.min=325V =325V pd=0.55cm.mmHgpd=0.55cm.mmHg.n對上圖的分析: 擊穿電壓極小值的右側(cè): pd增大:(1)極間距離增加,電壓不變時(shí),間隙中場強(qiáng)下降,電離減弱;(2)氣壓變大,電子自由行程縮短,電子不易積累能量,電離減弱.由此,所需擊穿電壓變大 擊穿電壓極小值的左側(cè): pd下降:主要是p下降引起,電子自由行程大,積累能量大,但是空氣密度低,氣體分子數(shù)量太少,碰撞次數(shù)少,因此電離減弱. 結(jié)論:高氣壓和高真空都可以提高擊穿電

17、壓.n巴申定律與湯遜理論的關(guān)系 前者為后者提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持;后者為前者提供理論依據(jù).npd過大和過小時(shí),放電機(jī)理發(fā)生變化,湯遜理論不再適用. 1.3 1.3 高氣壓下均勻電場自持放電的 流注理論 1.3.1 1.3.1 空間電荷對電場的畸變1.3.2 1.3.2 流注的形成1.3.3 1.3.3 均勻電場中的自持放電條件1.3.4 1.3.4 流注理論對放電現(xiàn)象的解釋1.3 1.3 高氣壓下均勻電場自持放電的流注理論高氣壓下均勻電場自持放電的流注理論在在psps乘積較大時(shí)乘積較大時(shí), ,用湯遜理論無法解釋的幾種現(xiàn)象用湯遜理論無法解釋的幾種現(xiàn)象a.擊穿過程所需時(shí)間,實(shí)測值比理論值小10-100倍

18、b.按湯遜理論,擊穿過程與陰極材料有關(guān),然而在大氣壓力下的空氣隙中擊穿電壓與陰極材料無關(guān).c.按湯遜理論,氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展,但在大氣中擊穿會出現(xiàn)有分枝的明亮細(xì)通道因此,在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,提出流注放電理論.1.3.1 1.3.1 空間電荷對電場的畸變空間電荷對電場的畸變na圖:電子崩發(fā)展過程中,電子移動速度快,正離子相對于電子可看成靜止的,崩頭集中電子,后部為正離子;由于電子的擴(kuò)散作用,電子崩橫向半徑逐漸擴(kuò)大-形成半球頭的錐體.nb圖:電子崩過程中,電子數(shù) N 呈指數(shù)增加.電子崩的電離過程集中在頭部,空間電荷分布極不均勻.nc圖:當(dāng)電子崩發(fā)展到一定程度,其形成的空間電荷

19、的電場大大增強(qiáng).nd圖:崩頭和崩尾的電場增強(qiáng),電子崩內(nèi)正負(fù)電荷區(qū)域間電場削弱,合成電場發(fā)生明顯的畸變.結(jié)論:(1)電子崩頭部電荷密度大,電離過程強(qiáng)烈,且電場分布畸變,導(dǎo)致崩頭放射大量光子;(2)崩頭前后電場增強(qiáng),有利于分子離子發(fā)生激勵現(xiàn)象,其從激勵狀態(tài)恢復(fù)正常狀態(tài)時(shí),放射出光子;(3)電子崩內(nèi)部正負(fù)電荷區(qū)域間電場削弱,有利于發(fā)生復(fù)合過程,同樣發(fā)射出光子. 當(dāng)外電場較弱時(shí),上述過程不強(qiáng)烈,沒有發(fā)生新的現(xiàn)象;當(dāng)外電場達(dá)到擊穿場強(qiáng)時(shí),上述過程十分強(qiáng)烈,電子崩頭部形成流注.1.3.2 流注的形成1. 正流注的形成na圖:外電場因素從陰極釋放電子向陽極運(yùn)動,形成電子崩.nb圖:電子崩的過程中頭部電離愈加

20、強(qiáng)烈,走完整個(gè)間隙后,頭部空間電荷密度非常大,崩頭尾電場大,放射大量光子.nc圖:光子引起光電離,新光子被主電子崩的崩頭正離子吸引,引起新的強(qiáng)烈的電子崩(二次電子崩).nd圖:二次電子崩頭部電子進(jìn)入主電子崩頭部正電荷區(qū),形成負(fù)離子.大量正負(fù)離子構(gòu)成等離子體(正流注).ne圖:流注頭部電離過程強(qiáng)烈,向周圍發(fā)射大量光子,引起空間光電離.在流注前方引起新的二次電子崩,延長流注通道.nf圖:流注不斷向陰極推進(jìn),愈推進(jìn)頭部場強(qiáng)愈大發(fā)展愈快,到達(dá)陰極,整個(gè)間隙被流注貫通,間隙擊穿完成.2. 負(fù)流注的形成n正流注形成條件:外施電壓較低(擊穿電壓),電子崩經(jīng)過整個(gè)間隙后形成流注.n負(fù)流注形成條件:外施電壓大于

21、擊穿電壓.電子崩頭部電離過程大,足以形成流注(負(fù)流注).從陰極向陽極發(fā)展,貫穿整個(gè)間隙后,擊穿完成.n負(fù)流注發(fā)展中,電子運(yùn)動受正電荷牽制,發(fā)展速度比正流注慢.n正負(fù)流注的發(fā)展速度都要比電子崩的發(fā)展速度快很多.放電簡單流程圖放電簡單流程圖: : 有效電子有效電子( (經(jīng)碰撞游離經(jīng)碰撞游離)-)-電子崩電子崩( (畸變電場畸變電場) )-發(fā)射光子發(fā)射光子( (在強(qiáng)電場作用下在強(qiáng)電場作用下)-)-產(chǎn)生新的電子產(chǎn)生新的電子崩崩( (二次電子崩二次電子崩)-)-形成混質(zhì)通道形成混質(zhì)通道( (流注流注)-)-由陽由陽極向陰極極向陰極( (陽極流注陽極流注) )或由陰極向陽極或由陰極向陽極( (陰極流注陰極

22、流注) )擊穿擊穿. .1.3.3 1.3.3 均勻電場中的自持放電條件均勻電場中的自持放電條件理論要點(diǎn)理論要點(diǎn): : 流注一旦形成,放電由自身產(chǎn)生的空間光電離維持,進(jìn)入自持放電階段,均勻電場間隙被擊穿.因此,均勻電場間隙擊穿條件,即自持放電條件,即流注形成條件. 流注形成的主要因素是電子碰撞電離及空間光電離.只有電子崩頭部電荷達(dá)到一定數(shù)量,空間電荷畸變電場達(dá)到一定程度,造成足夠的空間光電離,才能轉(zhuǎn)入流注.1.3.4 1.3.4 流注理論對放電現(xiàn)象的解釋流注理論對放電現(xiàn)象的解釋(1)放電外形 pd很大時(shí),適用流注理論.流注中電荷密度大,電場強(qiáng)度小.隨著流注的發(fā)展,周圍空間電場被減弱,抑制其他流

23、注形成發(fā)展.流注放電具有細(xì)通道. pd較小時(shí),適用湯遜理論.電子崩電荷密度小,電場強(qiáng)度大,不影響周圍空間電場,不影響其他電子崩的產(chǎn)生.湯遜放電呈連續(xù)一片.(2)放電時(shí)間 流注理論:光子以光速傳播,流注發(fā)展速度快,放電時(shí)間特別短.1.3.4 1.3.4 流注理論對放電現(xiàn)象的解釋流注理論對放電現(xiàn)象的解釋(3)陰極材料的影響 流注理論:維持自持放電是空間光電離,不是陰極表面的電離,所以擊穿電壓與陰極材料基本無關(guān). 湯遜理論:自持放電與陰極表面電離有關(guān),擊穿電壓與陰極材料有關(guān).結(jié)論: 湯遜理論與流注理論相互補(bǔ)充,說明不同的放電現(xiàn)象. 兩個(gè)理論都還很粗糙,無法精確計(jì)算具體絕緣材料的擊穿電壓,要通過實(shí)驗(yàn)方

24、法獲取.1.4 1.4 高氣壓下不均勻電場氣體擊穿 的發(fā)展過程1.4.11.4.1電場不均勻程度的劃分1.4.2 1.4.2 極不均勻電場氣體的電暈放電1.4.3 1.4.3 極不均勻場的極性效應(yīng)與長間隙放電1.4.4 1.4.4 稍不均勻電場的自持放電條件與極性效應(yīng)1.4 1.4 高氣壓下不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程高氣壓下不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程1.4.1 1.4.1 電場不均勻程度的劃分電場不均勻程度的劃分采用電場不均勻系數(shù)采用電場不均勻系數(shù)f f來描述來描述: : 其中 Emax為電場中場強(qiáng)最高點(diǎn)的場強(qiáng) Eav為平均場強(qiáng) U為間隙上施加的電壓 d為電極間最短的絕緣距離用用f f

25、將電場不均勻程度劃分為將電場不均勻程度劃分為: : 均勻電場 f=1; 稍不均勻電場 f4; dUEEEfavav/其中/max其放電現(xiàn)象和過程不同.1.4.2 1.4.2 極不均勻電場氣體的電暈放電極不均勻電場氣體的電暈放電1.1.電暈放電電暈放電 在極不均勻電場中,一定電壓作用下,在曲率半徑小的電極附近發(fā)生局部電離,并發(fā)出大量光輻射,有些像日月的暈光,稱為電暈放電. 大曲率電極附近很小的區(qū)域內(nèi)場強(qiáng)足夠高,會發(fā)生電離.電離區(qū)中的復(fù)合過程和從激勵恢復(fù)正常態(tài)等過程,會產(chǎn)生大量光輻射,形成電暈.而其他電極空間場強(qiáng)太小,電離無法發(fā)生.電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自持放電形式.電暈起始場強(qiáng):開始

26、出現(xiàn)電暈時(shí)電極表面的場強(qiáng)電暈起始電壓:開始出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓電暈放電的特點(diǎn): 兩種形式:電子崩形式 流注形式(1)電極曲率大時(shí),電暈層薄且均勻,符合湯遜理論,出現(xiàn)電子崩式電暈;隨著電壓增大,電暈層擴(kuò)大,電子崩形成流注,出現(xiàn)放電脈沖現(xiàn)場,進(jìn)入流注式電暈.(2)電極曲率小時(shí),電暈一開始就很強(qiáng)烈,出現(xiàn)流注形式;隨著電壓增大,流注強(qiáng)烈發(fā)展,出現(xiàn)刷狀放電,脈沖強(qiáng)烈,直至貫通間隙,形成擊穿.2 空間電荷的作用n電暈放電特有的脈沖電流現(xiàn)象,主要由空間電荷造成.n棒-板電極間隙是典型的極不均勻場.負(fù)尖-正板為例:a圖:當(dāng)電壓達(dá)到一定數(shù)值后,電離爆發(fā),電子運(yùn)動速度加快,在負(fù)尖出留下正電荷;b圖:當(dāng)電子運(yùn)動到稍遠(yuǎn)離

27、尖電極處時(shí),電場衰減很快,電子速度下降,易與氣體分子形成負(fù)離子,造成空間電荷的積累;c圖:正空間電荷逐漸在負(fù)極中和,負(fù)空間電荷的積累削弱了尖極處的場強(qiáng),電離停止;d圖:負(fù)空間電荷向外擴(kuò)散,尖極處電場強(qiáng)度重新增大,下一次電離又開始.2 2 空間電荷的作用空間電荷的作用n電壓增高時(shí)電壓增高時(shí),負(fù)離子受電場力作用疏散更快負(fù)離子受電場力作用疏散更快,尖尖極電場強(qiáng)恢復(fù)快極電場強(qiáng)恢復(fù)快,所以電流脈沖頻率上升所以電流脈沖頻率上升.n電壓更高時(shí)電壓更高時(shí),電子迅速向外運(yùn)動電子迅速向外運(yùn)動,在離尖極更遠(yuǎn)在離尖極更遠(yuǎn)的地方才形成負(fù)離子的地方才形成負(fù)離子,因此不能形成足以使電離因此不能形成足以使電離中止的密集的空間

28、電荷中止的密集的空間電荷,脈沖消失脈沖消失,出現(xiàn)的是穩(wěn)出現(xiàn)的是穩(wěn)態(tài)電流態(tài)電流.n電壓再高上去電壓再高上去,引起刷狀放電時(shí)引起刷狀放電時(shí),不斷形成強(qiáng)烈不斷形成強(qiáng)烈的流注的流注.由于流注形成具有統(tǒng)計(jì)性由于流注形成具有統(tǒng)計(jì)性,因此電流脈因此電流脈沖沒有規(guī)則了沖沒有規(guī)則了.3 電暈損耗電暈損耗n輸電線上的電暈損耗功率與導(dǎo)線電壓的關(guān)系如圖所示: (1)電壓小于U時(shí),導(dǎo)線只存在局部電暈,功率損耗小,隨著電壓的上升增長緩慢; (2)電壓大于U時(shí),導(dǎo)線上出現(xiàn)全面電暈,功率損耗大,且隨著電壓的上升增長很快.nU為全面電暈的起始電壓.n電暈損耗隨著導(dǎo)線不同結(jié)構(gòu),分裂導(dǎo)線數(shù),分裂間距,離地高度,不同氣象條件等因素有

29、很大差異,很難用公式計(jì)算.工程上通過實(shí)際測量結(jié)果制定出一系列的曲線圖綜合得到的.工程上有很多極不均勻的電場,如:架空輸電線 高壓輸電線路的絕緣子和各種金具上很容易出現(xiàn)電暈.在雨,雪,霧等惡劣天氣和過電壓的情況下,甚至整條導(dǎo)線上都可能出現(xiàn)電暈.高壓設(shè)備 一些高壓設(shè)備上也會出現(xiàn)電暈.電暈放電的效應(yīng)n伴隨電離,復(fù)合,激勵和恢復(fù)等過程,有聲,光,熱等效應(yīng):”嘶嘶”聲,藍(lán)紫色光,周圍空氣溫度升高.n在尖極和電極突出部分,電子離子發(fā)生高速運(yùn)動并交換能量,出現(xiàn)”電風(fēng)”.當(dāng)電極固定的剛性不夠時(shí)(例如懸掛的導(dǎo)線),電風(fēng)導(dǎo)致其振動和旋轉(zhuǎn).n電暈放電產(chǎn)生高頻脈沖電流,含有高次諧波,對無線電通信造成干擾.隨著輸電電壓

30、的提高,延伸范圍的擴(kuò)大,線路電暈造成的信號干擾成為很嚴(yán)重的問題. n電暈放電使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成臭氧,氮氧化物等,是強(qiáng)氧化劑和腐蝕劑,對氣體中的固體介質(zhì)和金屬電極造成損傷和腐蝕.n上述各點(diǎn)都使電暈放電產(chǎn)生能量損耗,特別是超高壓輸電中,電暈引起的能量損耗及電磁干擾成為必須解決的重要問題.工程中的防暈措施n最有效的方法:改進(jìn)電極形狀,增大電極曲率半徑,如采用均壓環(huán),屏蔽環(huán);采用擴(kuò)徑導(dǎo)線,載流量不大的場合,采用空心薄殼擴(kuò)大尺寸的球面和旋轉(zhuǎn)橢圓等形式電極,如超高壓輸電線路采用分裂導(dǎo)線(見下頁說明).在變電所中,電壓大于35kV時(shí),一般不采用矩形母線,而采用圓形和管形母線. n選擇耐電暈性能較好的絕

31、緣材料.常規(guī)材料中,硅橡膠,PVC,聚四氟乙烯等都是很好的耐電暈材料.n改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),盡量減少空氣隙的存在.n改善電場分布,使之盡量均勻.如改進(jìn)電極形狀,增大曲率半徑,電極表面避免毛刺,棱角,以消除電場局部增強(qiáng)的現(xiàn)象.如在線路施工中,應(yīng)避免造成導(dǎo)線損傷,如毛刺等.某些特定場合,電暈放電也有可利用的一面:電暈可削弱輸電線下雷電沖擊和操作沖擊電壓波;可利用電暈除塵;改善電場分布等.分裂導(dǎo)線(見下頁圖)n超高壓輸電線路為抑制電暈放電和減少線路電抗所采取的一種導(dǎo)線架設(shè)方式。即每相導(dǎo)線由幾根直徑較小的分導(dǎo)線組成，各分導(dǎo)線間隔一定距離并按對稱多角形排列。n分裂導(dǎo)線一般是將每相導(dǎo)線用2-4根截面較小的導(dǎo)

32、線組成，分導(dǎo)線間相距0.3-0.5米，可以起到相當(dāng)于增大導(dǎo)線直徑的作用，比總截面相同的大導(dǎo)線，不容易產(chǎn)生電暈，送電能力還高一些。 1.4.3 極不均勻場的極性效應(yīng)與長間隙放電極不均勻場的極性效應(yīng)與長間隙放電1. 極性效應(yīng)n不同極性的高場強(qiáng)電極的電暈起始電壓不同,間隙擊穿電壓也不同,稱為極性效應(yīng).n這是因?yàn)樵陔姇灧烹姇r(shí),空間電荷對放電有影響.而高場強(qiáng)電極的極性不同,空間電荷的極性也不同,對放電發(fā)展的影響也就不同.n以下分析電暈起始電壓,間隙擊穿電壓受極性效應(yīng)的影響:(1).(1).正棒正棒-負(fù)板負(fù)板分析：a.a.由于捧極附近積聚起正空間電荷，削弱了由于捧極附近積聚起正空間電荷，削弱了電離，使電暈放電難以形成，造成電暈起始電離，使電暈放電難以形成，造成電暈起始電壓提高。電壓提高。b.b.由于捧極附近積聚起正空間電荷在間隙深由于捧極附近積聚起正空間電荷在間隙深處產(chǎn)生電場加強(qiáng)了朝向板極的電場，