高電壓技術-第02章-氣體放電的物理過程

高電壓技術-第02章-氣體放電的物理過程第一頁，共38頁。2.1氣體中帶電質點的產(chǎn)生和消失1、氣體中帶電質點的產(chǎn)生：純凈中性氣體不導電，只有氣體中出現(xiàn)帶電質點后才能導電，并在電場作用下發(fā)展成放電現(xiàn)象。①基本概念：玻爾理論：原子周圍的電子按規(guī)律躍遷時，軌道越遠，電子能量越大。激勵：電子從近軌道向遠軌道躍遷時，需要一定能量，這個過程叫激勵。第一頁第二頁，共38頁。激勵能：激勵所需能量叫激勵能，其值等于兩軌道能級之差。電離：當外界給予的能量很大時，電子可以跳出原子軌道成為自由電子。原來的中性原子變成一個自由電子和一個帶正電荷的離子，這個過程叫電離。電離能：達到電離所需的最小能量稱為電離能。反激勵：電子從遠軌道向近軌道躍遷時，原子發(fā)射單色光（有能量的光子）的過程稱為反激勵。電離電位和激勵電位：一般用電離電位和激勵電位來表示電離能和激勵能。第二頁第三頁，共38頁。②撞擊電離：概念：通過撞擊，給予氣體質點以足夠的能量，使氣體質點發(fā)生的電離。能量要求：中性質點：第一電離能。已被激勵的質點：小于第一電離能。負離子：大于第一電離能。撞擊能量：動能勢能中性質點為零；正離子為正；負離子為負。第三頁第四頁，共38頁。平均自由程：一個質點兩次碰撞之間的平均距離。其與密度呈反比。撞擊過程不是簡單的機械過程：速度↑→動能↑→電離概率↑速度↑→撞擊作用時間↓→電離概率↓不存在電場時，溫度足夠高，才能發(fā)生撞擊電離。存在電場時，電子是撞擊電離的主要因素。第四頁第五頁，共38頁。③光電離：概念：光子給予氣體質點足夠的能量，使氣體質點發(fā)生的電離。條件：光子能量不小于氣體的電離能。光電子：由光電離產(chǎn)生的自由電子。光的來源：氣體本身的反激勵或復合釋放出的光子。紫外射線一般不能直接導致光電離，但通過分級光電離（先激勵、再電離）的方式也可實現(xiàn)電離。外界自然光（紫外射線、倫琴射線、

射線、宇宙射

線等高能射線）第五頁第六頁，共38頁。④熱電離：概念：由氣體的熱狀態(tài)造成的電離稱為熱電離。氣體分子運動理論說明：氣體的溫度是其分子平均動能的度量。特點：熱電離不是一種獨立的電離形式，而是包含著撞擊電離和光電離，只是其電離能量來源于氣體分子本身的熱能。電離機理：溫度↑→分子平均動能↑→撞擊電離↑溫度↑→熱輻射出的光子數(shù)量↑→光電離↑第六頁第七頁，共38頁。⑤表面電離：概念：由金屬表面逸出電子的電離形式。逸出功：從金屬電極表面逸出電子所需要的能量。電離形式：二次發(fā)射：用有足夠能量的質點撞擊金屬表面。光電子發(fā)射：用短波光照射金屬表面。熱電子發(fā)射：加熱金屬電極。強場發(fā)射：在電極附近加強電場從電極拉出電子。第七頁第八頁，共38頁。⑥負離子：形成：電子與中性氣體分子（原子）碰撞，不但沒電離出新電子，電子反而被分子吸附形成了負離子。親和能：一個中性分子（原子）與一個電子結合生成一價負離子所放出的能量。作用：由于離子的電離能力比電子小很多，所以負離子的形成，對氣體放電的發(fā)展起阻抑作用。⑦帶電質點的產(chǎn)生：電離形式：撞擊電離、光電離、熱電離、表面電離。帶電質點產(chǎn)生形式：四種電離形式、負離子。第八頁第九頁，共38頁。2、氣體中帶電質點的消失：氣體中帶電質點消失的方式有三種：中和、擴散、復合。①中和：帶電質點在電場力作用下，宏觀上沿電場作定向運動。帶電質點受電場力作用而流入電極，中和電量。由于電子質量和直徑比離子小很多，加速情況和碰撞情況也大不相同，電子遷移率比離子大兩個數(shù)量級。第九頁第十頁，共38頁。②擴散：擴散指質點從濃度較大的區(qū)域擴散到濃度較小的區(qū)域，從而使帶電質點在空間各處濃度趨于平均的過程。擴散是由雜亂的熱運動造成的，與電場力無關，電子擴散速度比離子快。③復合：帶有異號電荷質點相遇，還原為中性質點的過程稱為復合。復合時，電離吸收的能量以光子形式放出。復合由電場力作用，電子快，所以復合幾率小，總是先變成負離子再復合。第十頁第十一頁，共38頁。1、概述：①電子崩：當外加電場強度足夠大時，帶電粒子兩次碰撞間積聚的動能足夠發(fā)生碰撞電離。電離出來的電子和離子在

場強作用下又加入新的撞擊電離，電離過程像雪崩一樣增長起來，稱為電子崩。2.2氣體放電機理第十一頁第十二頁，共38頁。②非自持放電：當場強較小時，電子崩有賴于外界因素，外界因素消失，電子崩也消失。③自持放電：當外加場強足夠大時，電子崩不依賴外界因素，外界因素消失后，電子崩仍能夠保持。自持放電與非自持放電的區(qū)別在于外加電場強度的大小，二者場強的分界點稱為臨界場強。相應的電壓稱為臨界電壓。它稱為自持放電的條件。④臨界場強：第十二頁第十三頁，共38頁。⑤放電形式：均勻電場：不均勻電場：一處自持放電，整個氣隙擊穿。擊穿電壓等于臨界電壓。場強較小時，局部強場處產(chǎn)生電暈放電。提高場強氣隙間隙?。寒a(chǎn)生火花擊穿。氣隙間隙大：產(chǎn)生刷形放電。繼續(xù)提高場強，放電抵達對面電極，產(chǎn)生電弧擊穿。第十三頁第十四頁，共38頁。2、湯森德氣體放電理論：①三個因素（系數(shù)）：系數(shù)：1個自由電子在走到陽極的1cm路程中撞擊電離產(chǎn)生的平均自由電子。系數(shù)：1個正離子在走到陰極的1cm路程中撞擊電離產(chǎn)生的平均自由電子。系數(shù)：1個正離子撞擊陰極表面，逸出的平均自由電子數(shù)。該理論對均勻電場和氣隙（為氣隙密度、為極間距離）較小的情況比較適用。第十四頁第十五頁，共38頁。②三個過程：過程：過程：過程：路程上撞擊電離出個正離子?？梢院雎圆挥?。個正離子撞擊陰極，電離出個電子。自持放電的條件：電極距離，初始自由電子數(shù)為1，位置為陰極附近。第十五頁第十六頁，共38頁。③帕邢曲線：氣隙擊穿電壓與氣隙密度×極間距離的關系?！骄杂沙獭鲎泊螖?shù)↓過大過小不變不變→↑→欲保證E的大小→↑→碰撞次數(shù)↓過大過小第十六頁第十七頁，共38頁。④湯森德氣體放電理論的不足：理論無法解釋的試驗現(xiàn)象：放電路徑為曲折細通道，形式為間歇、分段發(fā)展的；擊穿電壓與陰極材料幾乎無關；放電時間比理論計算時間短。原因：電子崩造成的大量空間電荷導致電場畸變；電離加劇導致光子數(shù)量劇增，空間光電離加??；過大，帶電質點不易擴散，屏蔽限制了放電通道；過大，射到陰極光子減少，削弱了作用；湯氏理論的條件：均勻電場、不大（）第十七頁第十八頁，共38頁。3、流注放電理論（較均勻電場）：①空間電荷濃度：自由電子移動速度快，一起向陽極移動，濃度大；正離子移動速度慢，緩慢向陰極移動，濃度小。第十八頁第十九頁，共38頁。②合成電場畸變：崩頭前面的電場則被強烈加強；崩尾電場也被加強了；崩內(nèi)正負空間電荷混雜處的電場被大大減弱。第十九頁第二十頁，共38頁。③流注的形成：電子崩頭部接近陽極；崩頭和崩尾處電場增強，激勵和反激勵放射出大量光子；崩中復合也放射出光子；一些光子射到崩尾，造成空間光電離，形成衍生（二次）電子崩；衍生電子崩頭部移動速度快，與主崩匯合；新的衍生電子崩在崩尾出現(xiàn)，一個一個向陰極發(fā)展，形成正流注。第二十頁第二十一頁，共38頁。④氣隙的擊穿：流注通道發(fā)展到陰極；該區(qū)域發(fā)生強烈電離，帶電離子的碰撞和移動大大提升了通道的溫度，導致熱電離；整個流注通道轉化為火花通道，氣隙的擊穿完成。⑤負流注的發(fā)展速度比正流注慢。⑥概念：由初崩輻射出的光子，在崩頭、崩尾外圍空間局部強場中衍生出二次電子崩并匯合到主崩通道中來，使主崩通道不斷高速向前、后延伸的過程稱為流注。第二十一頁第二十二頁，共38頁。⑦均勻電場形成流注就能自持發(fā)展，直至擊穿。⑧流注理論條件：形成流注需要電子崩頭處電荷達到一定數(shù)量，才能形成必要的局部強場和足夠的光電離。一般認為當滿足時，可以應用流注機理來分析氣隙的放電。第二十二頁第二十三頁，共38頁。2.3電暈放電1、概述：電暈：在極不均勻的電場中，當外加電壓及平均場強還較低時，電極曲率半徑較小處，附近空間的局部場強已很大。在這局部強場處，產(chǎn)生強烈的電離，伴隨著電離而存在復合和反激勵，輻射出大量光子，使在黑暗中可以看到在該電極附近空間有藍色的暈光，稱為電暈。電暈層：這個暈光層叫作電暈層或起暈層。外圍區(qū)間：電暈層外，場強已較弱，不發(fā)生撞擊電離。第二十三頁第二十四頁，共38頁。電暈產(chǎn)生條件：極間距離對起暈電極表面最小曲率半徑的比值大于一定值。電暈特性：電暈放電是極不均勻電場中的一種自持放電形式；電暈放電不能擴展很大，只能局限于電極附近；電暈放電有明顯的極性效應。電暈放電的形式：外壓低：電暈放電弱，均勻穩(wěn)定，電子崩性質放電。外壓高：電暈放電強，不均勻不穩(wěn)定，為流注性質

的放電。第二十四頁第二十五頁，共38頁。2、電暈放電的物理過程和效應：①物理過程（尖板試驗）：負電暈（尖極為負極性）：→區(qū)外速度減慢形成負離子→電暈區(qū)場強減弱、電離停止→負離子向外擴散→電場重新加強、電離再次發(fā)生尖極強場電離正離子緩慢向尖極運動電子驅逐出電離區(qū)→負電暈呈現(xiàn)有規(guī)律的重復脈沖。第二十五頁第二十六頁，共38頁。正電暈（尖極為正極性）：正離子移動速度慢→脈沖不規(guī)律②電暈的效應：有聲、光、熱等效應，表現(xiàn)為發(fā)出“咝咝”的聲音，藍色的暈光以及使周圍氣體溫度升高等。產(chǎn)生人可聽到的噪聲，對人生理、心理產(chǎn)生影響。形成“電風”導致電力設備的振動和擺動。產(chǎn)生高頻脈沖電流，對無線電干擾。產(chǎn)生能量損耗。產(chǎn)生某些化學反應，加速絕緣老化。第二十六頁第二十七頁，共38頁。2.4不均勻電場氣隙的擊穿1、短間隙的擊穿（火花擊穿）：正流注，發(fā)展連續(xù)，需要的擊穿電壓小。棒極為正：棒極為負：負流注，階段式發(fā)展，需要的擊穿電壓大。擊穿：當整個間隙充滿正負離子時，在電源電壓的作用下，通道的溫度和電導劇增，并完全失去絕緣性能，此時氣隙擊穿。第二十七頁第二十八頁，共38頁。2、長間隙的擊穿（電弧擊穿）：①先導過程：②長短間隙擊穿的區(qū)別：長間隙：熾熱的導電通道在放電過程中建立，需要的平均場強小。短間隙：熾熱的導電通道在放電過程后建立，需要的平均場強大?！娮颖馈髯ⅰ竺芏入娏鳌鸁犭婋x棒極強場→熾熱的等離子通道（先導通道）→近似的棒極前伸第二十八頁第二十九頁，共38頁。③迎面先導：特點：負先導必有迎面先導；正先導對面有突出，才有迎面先導。原因：正先導更容易產(chǎn)生；負先導頭部的場強更高。④主放電過程：先導頭部接近對面電極時，發(fā)生劇烈電離；與下電極異號電荷流入下電極進行中和，與下電極同號電荷流入先導通道進行中和；此過程沿先導通道擴展至棒極，稱為主放電過程。作用：將先導通道改造成高溫、大電導、軸向場強小的等離子體火花通道，使氣隙被電弧擊穿而導通。第二十九頁第三十頁，共38頁。3、長間隙的預放電（刷形放電）：當氣隙距離較長時，即使所加電壓尚不足以將整個氣隙擊穿，也會從曲率半徑較小的電極出發(fā)，向氣隙深處突發(fā)具有先導性質的火花放電。當電壓進一步升高時，火花通道伸展得更長，光色變白，更明亮，并發(fā)出尖銳得爆破聲，形成刷形放電。此類放電不能將整個氣隙擊穿，稱為預放電。第三十頁第三十一頁，共38頁。第三十一頁第三十二頁，共38頁。2.5雷電放電1、概述：①形式：雷云對大地；雷云內(nèi)部；雷云對雷云。②極性：③過程：④破壞因素：最大電流；電流增長最大陡度；余光電流熱效應。⑤防護措施：90％以上為負極性雷。先導放電、主放電、余光放電。避雷針。第三十二頁第三十三頁，共38頁。2、雷電的先導放電過程：①概念：

②組成：先導通道、先導頭部、流注區(qū)。③特點：先導通道高溫高電導部分的直徑為毫米級；先導通道外圍電離區(qū)（電離套）直徑大；一般有迎面先導。高電導、高溫、高電位的先導通道形成的過程。第三十三頁第三十四頁，共38頁。3、雷電的主放電過程：①概念：雷電的主放電過程具有巨大的雷響、突發(fā)的明亮、大幅的沖擊電流，起到了雷電的最大破壞作用。②過程：劇