高電壓技術(shù),第一章第345節(jié)課件

第三節(jié)自持放電條件自持放電的形成自持放電的條件自持放電的物理含義如上節(jié)圖1-3所示，當(dāng)氣隙電壓大于時(shí)，電流隨電壓的增大不再遵循的規(guī)律，而是更快一些，這時(shí)又出現(xiàn)了促進(jìn)放電的新因素，這就是受正離子的影響。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，所以很難使氣體分子發(fā)生碰撞電離。但當(dāng)正離子撞擊陰極表面時(shí)卻有可能引起表面電離而拉出電子，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。二自持放電的條件由自持放電的概念出發(fā)，可推出當(dāng)滿足以下條件時(shí)，會(huì)發(fā)生自持放電：(1-8)：一個(gè)正離子撞擊到陰極表面時(shí)產(chǎn)生出來的二次電子數(shù)：電子碰撞電離系數(shù)：兩極板距離三自持放電的物理含義如果它等于1，就意味著那個(gè)初始電子有一個(gè)后繼電子，放電得以自持。一個(gè)電子從陰極到陽極途中因電子崩而造成的正離子數(shù)為：正離子在陰極造成的二次自由電子數(shù)為：如果自持放電條件滿足時(shí)，會(huì)形成下圖的閉環(huán)部分：湯遜理論1.3.2.自持放電電流隨外施電壓的提高而增大，因?yàn)閹щ娰|(zhì)點(diǎn)向電極運(yùn)動(dòng)的速度加快復(fù)合率減小電流飽和，帶電質(zhì)點(diǎn)全部進(jìn)入電極，電流僅取決于外電離因素的強(qiáng)弱（良好的絕緣狀態(tài)）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(jìn)入了一個(gè)新的階段（擊穿）外施電壓小于U0時(shí)的放電是非自持放電。電壓到達(dá)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。自持放電起始電壓小結(jié)當(dāng)除去外界電離因子的作用，放電不會(huì)停止，此時(shí)即為自持放電；自持放電是由初始電子崩中的正離子撞擊陰極表面產(chǎn)生多余電子形成的；自持放電的條件為：（本節(jié)完）電子碰撞電離－α正離子碰撞電離－β

氣體放電發(fā)展過程碰撞電離光電離熱電離空間電離表面電離負(fù)離子的形成－η正離子碰撞陰極－γ光電效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射熱電子發(fā)射電場(chǎng)作用下氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的定向運(yùn)動(dòng)帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合1.1帶電質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生1.2帶電質(zhì)點(diǎn)消失均勻電場(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d的同時(shí)，也相應(yīng)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。1.4起始電壓和氣壓的關(guān)系巴申定律由巴申曲線可知，當(dāng)極間距離d不變時(shí)提高氣壓或降低氣壓到真空，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。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)、真空開關(guān)等）巴申定律1.5氣體放電的流注理論3.2.1空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變3.2.2高氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的流注理論3.2.3流注理論對(duì)放電現(xiàn)象的解釋流注理論湯遜放電理論所討論的是低氣壓、短氣隙的情況，但在高氣壓（101.3kPa或更高）、長(zhǎng)氣隙的情況[pd>>26.66kPa·cm]，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γ過程和二次電子發(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，主要有以下兩方面空間電荷對(duì)原有電場(chǎng)的影響空間光電離的作用1.5.1空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變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)度向陽極發(fā)展或匯入崩尾的正離子群中。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崩不斷匯入初崩通道的過程稱為流注流注形成過程示意圖1.5.2高氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的流注理論起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩；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；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1.5.2高氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的流注理論均勻電場(chǎng)氣隙中的流注放電E負(fù)極正極均勻電場(chǎng)氣隙中的流注放電初始電子崩空間電荷光電離二次電子崩注入初崩空間電荷作用？流注自持1.3.1均勻電場(chǎng)氣隙中的流注放電E負(fù)極正極正流注：由正極向負(fù)極發(fā)展的流注放電過程。發(fā)展速度：3-4×10e6m/s（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。流注自持放電條件：或初崩頭部電子數(shù)要達(dá)到108時(shí)，放電才能轉(zhuǎn)為自持，出現(xiàn)流注。1.5.3流注理論對(duì)放電現(xiàn)象的解釋放電時(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)。小結(jié)1.湯遜理論只適用于pd值較小的范圍，流注理論只適用于pd值較大的范圍，二者過渡值為pd=26.66kPa·cm；(1)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，而陰極表面的電子發(fā)射是維持放電的必要條件。(2)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)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；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)108以上時(shí)，引起空間光電離質(zhì)變，電子崩匯合成流注；流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持。小結(jié)引起氣體放電的外部原因有兩個(gè)，其