气体放电理论2

1、1 第1章 气体放电的基本物理过程（2） 2 主要内容主要内容 n气体中带电质点的产生和消失 n气体放电机理 n电晕放电 n不均匀电场中气体击穿的发展过 程 n雷电放电 3 1.21.2 气体放电气体放电机理机理 1.气体放电的主要形式 2.汤森德放电理论 3.流注放电理论 4 3 3、流注、流注放电放电理论理论 对象：工程上感兴趣的压力较高的 气体击穿，如大气压力下空气的击 穿 特点：认为电子碰撞电离及空间光 电离是维持自持放电的主要因素。 并强调了空间电荷畸变电场的作用 通过大量的实验研究（主要在电离 室中进行的）说明放电发展的机理 5 电离室电离室 电离室结构示意图 1照射火花间隙；2石

2、英窗；3电 极 4玻璃壁；5橡皮膜；6绝缘柱 6 电子崩阶段：碰撞电离，空 间电荷畸变外电场 n流注阶段：光电离，形成二次 电子崩，形成等离子体 n流注放电理论自持放电条件： 空间光电离 n流注理论对 S较大时放电现 象的解释 7 n电子崩阶段电子崩阶段 u电子崩外形 好似球头的锥体， 空间电荷分布极不均匀 8 u电子崩（头）中的电子数：ne x x /cm 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 n 9 27 81 245 735 2208 6634 19930 59874 例如，正常(标准)大气条件下， 若E30kVcm，则 11cm-1，计算随 着电子崩向

3、阳极推进，崩头中的电子数 9 u空间电荷畸变了外电场 大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了 崩头内正、负电荷区域之间的电场 10 电子崩头部 电场明显增强，电离过程强烈，有利 于发生分子和离子的激励现象，当它 们回复到正常状态时，发射出光子 崩头内部正负电荷区 域电场大大削弱， 有助于发生复合过 程，发射出光子 11 n流注流注阶段阶段 电子崩走完整个间隙后，大密 度的崩头电子和崩尾正离子空 间电荷大大加强了前部（非常 小的间隙）和后部的电场，崩 中部电场大为减弱。崩头部发 生强烈的电离，并引起向周围 放射出大量光子 光子引起空间光电离，其中电 子被主电子崩头部的正空间电 荷所吸引，在受到畸变而

4、加强 了的电场中，造成了新的电子 崩，称为二次电子崩 12 u正流注的形成正流注的形成 （外加电压（外加电压等于等于击穿电压时击穿电压时! !） 二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空 间电荷区（电场强度较小），大多形成负离 子。大量的正、负带电质点构成了混合通道 （有人称等离子体），这就是正流注 流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩 形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很 强的电场 13 u正流注正流注向阴极向阴极推进推进 流注头部的电离放射出大量光子，继续引起空间光电 离。流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向 流注头部，延长了流注通道 流注不断向阴极挺进，且随着流注接近阴极，其头

5、部 电场越来越强，因而其发展也越来越快 流注发展到阴极，间隙被导电良好的火花通道（热电 离!）所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击 穿电压 14 u负流注负流注的的形成（形成（电压电压高于击穿电压高于击穿电压! !） 电压较低时，电子崩需经过整个间隙才形成流注，电压较高 时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成 流注 15 u正流注正流注的的分支（高电压分支（高电压时时） 在较高电压下，正流注的发展可 能出现分支 均匀电场中形成流注的机制：初始 电子崩头部的电荷必须积累到一定 的程度，使电场畸变并加强到一定 程度，已造成足够的空间光电离 均匀电场中流注-自持-击穿！ 16 试验试

6、验测量测量结果：电子崩结果：电子崩 在电离室中得到的初始电子崩照片 图a和图b的时间间隔为110-7秒 p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/厘米 17 试验试验测量测量结果：正流注结果：正流注 在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片 正流注的发展速度约为11082108cm/s 18 试验试验测量测量结果结果 电子崩是沿着电力线直线发展，流 注会出现曲折的分支 19 n自持自持放电放电条件条件 一旦形成流注，放电就进入了新的阶 段，放电可以由本身产生的空间光电 离而自行维持，即转入自持放电了 20 n流注流注理论理论对对 S较大时较大时放电放电现象现象的的解解 释释 u放电外形： S较大时，

7、放电具有通道形式 21 22 u放电时间 光子以光速传播，所以流注发 展速度极快，这就可以说明S 很大时放电时间特别短的现象 u阴极材料的影响 23 流注流注理论理论现存现存的的问题问题 只有放电的定性描述没 有定量描述 缺少数学模型 太依赖于实验 24 1.31.3不均匀不均匀电场中的放电过电场中的放电过 程程 （电晕（电晕放电）放电） 1.发生电晕放电现象的条件 2.电晕放电效应 3.对工程实践的重要意义 25 电场电场不均匀不均匀系数系数 f 引入电场不均匀系数 f 表示各 种结构的电场的均匀程度 max av E f E = av U E d = 26 电场比较均匀的情况 放电达到自持

8、时， 在整个间隙中都巳 达到相当数值。这时和均匀电场中情况类 似 1 1、发生电晕、发生电晕放电放电现象现象的的条条 件件 27 大曲率电极附近很小范围内 已达 相当数值时，间隙中大部分区域值 都仍然很小，放电达到自持放电后， 间隙没有击穿！ n电电场极不均匀场极不均匀的情况的情况 28 2 2、电晕、电晕放电的放电的效应效应 发出咝咝的声音、臭氧的气味、 电极附近空间蓝色的晕光 化学反应产生新物质 回路电流明显增加(绝对值仍很 小)，可以测量到能量损失 产生高频脉冲电流-干扰源 29 30 高频脉冲高频脉冲电流电流 尖极为负的电晕 31 尖极为正的电晕 32 对工程实践有重要意义 有利方面：

9、电晕可削弱输电线上雷 电冲击电压波的幅值及陡度；利用 电晕放电改善电场分布，提高击穿 电压 ；利用电晕放电除尘等 33 3 3 直流直流输电线上输电线上的电晕的电晕 单导线表面电晕的临界场强 空气的相对密度。： ；：起晕导线的半径， cm (kV/cm) ) 305. 0 1 (5 .31 0 0 r r Ecor 34 双平行导线表面电晕的临界场强 皮克实验 (kV/cm) ) 298. 0 1 (3 .30 0 r Ecor 电压导线相对零电位平面的： 距离，：两平行起晕导线间的 cm 2 (kV) 2 ln 0 0 cor corcor U H r H rEU 35 4 4 交流输电线交

10、流输电线上的上的电晕电晕 单导线表面电晕的临界场强 皮克实验 。：气象系数， ；导线表面状态系数，： 空气的相对密度；： ；：起晕导线的半径， 1.00.8 1.00.8 cm mkV(eff)/c ) 298. 0 1 (4 .21 2 1 0 0 21 m m r r mmEcor 36 三相导线对称排列，导线 表面电晕的临界场强 。：气象系数， ；导线表面状态系数，： 空气的相对密度；： ；：起晕导线的半径， 1.00.8 1.00.8 cm mkV(eff)/c ) 298. 0 1 (4 .21 2 1 0 0 21 m m r r mmEcor 37 n不均匀不均匀电电场中气体击穿

11、场中气体击穿 的的发展过程发展过程 1.短间隙的放电过程 2.长间隙的放电过程 38 1 1、极不均匀极不均匀电电场中场中的的放放 电电过程过程（短间隙）（短间隙） 39 以棒板间隙为例 40 当棒具有负极性时 Eex外电场 Esp空间电荷的电场 41 极性极性效应效应 实验表明： 棒板间隙中棒为正极性时电晕起 始电压比负极性时略高。 42 当棒具有正极性时 电子崩进入棒电极，正电荷留 在棒尖加强了前方（板极方向） 的电场（曲线2） 电场的加强对形成流注发展有 利。头部前方产生新电子崩， 吸引入流注头部正电荷区内， 加强并延长流注通道 流注及其头部的正电荷使强电 场区更向前移（曲线3），促 进

12、流注通道进一步发展，逐渐 向阴极推进，形成正流注 43 当棒具有负极性时 电子崩由强场区向弱场区发展，对电子崩 发展不利。棒极前的正电荷区消弱了前 方（阳极方向）空间的电场，使流注发 展不利（曲线2） 等离子体层前方电场足够强后，发展新 电子崩，形成了大量二次电子崩，汇集 起来后使得等离子体层向阳极推进，形 成负流注 44 极性极性效应效应 实验表明： 棒板间隙中棒为负极性时击 穿电压比正极性时高！ 45 放电放电进一步发展进一步发展 外电压较低时，流注通道深 入间隙一段距离后，就停止 不前了，形成电晕放电或刷 状放电 外电压足够高时，流注通道 将一直达到另一电极，从而 导致间隙完全击穿 46

13、 2 2、极不均匀、极不均匀电电场场中的中的放电放电 过程（过程（长间隙长间隙） 非自持放电阶段 流注发展阶段 先导放电热电离过程 主放电阶段 47 n先导放电先导放电 流注通道发展到足够的长度后， 将有较多的电子循通道流向 电极，通过通道根部的电子 最多，于是流注根部温度升 高，出现了热电离过程 这个具有热电离过程的通道称 为先导通道 48 n先导先导放电放电 （）先导和其头部的流注km（）流注头部 电子崩的形成（）由流注转变为先导和形成 流注mn（）流注头部电子崩的形成（）沿 着先导和空气间隙电场强度的分布 49 正先导正先导 流注根部 温度升高 热电离 过程 先导 通道 电离加强，更为明

14、亮 电导增大 轴向场强更低 发展速度更快 50 负先导负先导 负棒正板，正空间电荷大大加强棒 极附近原已很强的电场，该区域发生 强烈的电离，高场强和大电流密度， 使棒极附近产生热电离，形成负先导 负空间电荷在通道前端形成反向电 场电场屏蔽，屏蔽减弱后，发展新 负流注、新负先导，因此，负先导具 有分级的特性 前伸的平均速度是正先导的1/51/3 51 迎面先导迎面先导 条件： 52 n主放电主放电 当先导通道头部极为接近板极时，间隙 场强可达极大数值，引起强烈的电离， 间隙中出现离子浓度远大于先导通道 的等离子体 新出现的通道大致具有极板的电位，在 它与先导通道交界处保持极高的电场 强度，继续引

15、起强烈的电离 1 主放电通道 2 主放电和先导 通道的交界区 3 先导通道 主放电发展和通道中轴向电场强度分 布图 53 高场强区（强电离区）迅速向阳 极传播，强电离通道也迅速向前 推进，这就是主放电过程 主放电过程使贯穿两电极间的先 导通道最终成为温度很高、电导 很大、轴向电场很小的等离子体 通道 54 2006年广东一次多分叉自然闪电的高速摄像观测 55 请看一个棒-板空气间隙 放电过程的视频，注意观 察流注与先导和主放电！ 请看! 56 是物质的，由以及 未电离的的集合组成，整体的 物质状态 。对于整个宇宙来讲，几乎999 以上的物质都是以等离子体态存在的。 普通气体温度升高时，气体粒子

16、的热运动加剧 ，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子 中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开 ，所有气体原子全部电离电离出的自由电子 总的负电量与正离子总的正电量相等。这种高 度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体。 57 1.4 1.4 雷电放电雷电放电 雷电放电主要研究雷云对大地放电 表面空间电场强度2530kV/cm 上行雷、下行雷 90是负极性雷，即雷云流入大地电荷为负 下行负极性雷分三个阶段： 先导放电、主放电、余光放电 雷电放电有后续分量，几个到十几个 58 1 1、雷电、雷电的的先导过程先导过程 下行负先导，先导过程逐级发展，平均 速度约为（18）105m/s，延续约几 毫秒

17、 先导通道中电荷量平均为0.55C/km， 平均电流为1501500A。其中高温导电 部分的直径为mm级，轴向场强为几百伏 /厘米。（外围电离区的半径超过 6m？！） 先导中心根部（在云中）对地电势约为 50100MV；先导头部的对地电势约为 2080MV 59 接地的建筑物上可产生向上的迎 面先导，其影响到下行先导的发 展路线及雷击点 高电导、高温、具有极高（对地） 电位的先导通道将雷云到大地之 间的气隙击穿，通道中有大量的 与雷云同极性的电荷 60 2 2、雷电、雷电的的主放电过程主放电过程 先导头部对地极大的电位差作用在剩余短间隙 （流注）上，强烈的电离： 电子迅速流入大地，形成雷电流的

18、波前部 分 正离子与先导通道中的负电荷中和 主放电通道温度达(23)104K，压力初期达 几十个大气压，发展速度约为(0.050.5)c 主放电过程中通道明亮，发出巨大的雷声，产 生幅值很大（几十至几百千安）、近百微秒 （不超过50100s）的冲击电流 61 3 3、雷电、雷电的的后续分量后续分量 雷云中存在多个电荷聚集中心 主放电后，临近的电荷中心对第一电荷中心 放电，并沿老通道继续向地发展，形成后续 分量 电流幅值为第一分量的1/21/3， 2100KA；电流波前时间平均为0.51s （陡度上升），电流波尾平均约为40s（较 短） 分量数多达1030个，平均34个，间隔时 间约为几十毫秒，

19、平均约为4065ms 62 雷电雷电放电放电 63 雷电雷电放电放电 64 作 业 65 雷雨云 l雷电 统计资料表明，在全球范围内每小时约有 1800场雷雨，每秒钟约有600次闪电，其 中约100次雷击大地。 66 雷电分直击雷、电磁脉冲、球形雷、云闪四种。 一道闪电的长度可能只有数千米，但最长可达 数百千米。闪电的的平均电流是3万安培，最大 电流可达30万安培。闪电的电压很高，约为1亿 至10亿伏特。闪电的温度，从摄氏一万七千度 至二万八千度不等，也就是等于太阳表面温度( 约为6000,中心约为1500万度)的35倍。千 分之几到十分之几秒的雷电放出的电能，可达 到数十亿到上千亿瓦特(雷暴)， 67 68 69 70 71 72 我国是一个多自然灾害的国家。最严重的是广东省以南的地区，东莞、深圳、 惠州一带的雷电自然灾害已经达到世界之最，这些地方也是因为大气层位置比 较偏低所造成的影响。纽约是雷电灾害最多的地区在近几年更是明显加强，我 国的东莞近几年最为严重，雷电所带来的经济亏损在夏季5-8月之间，东莞当 季的GDP比例亏损度接近6%，上千万的经济亏损，也是一大严重的自然灾害多 发区域。多起雷电伤人事件在东莞地区每年都会发生，达到了全世界的雷