高电压技术第2章气体放电的物理过程_XL

1、高电压技术广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院徐亮徐email:教学目标教学目标掌握气体中带电质点的产生中四种电离（碰撞电离、光电离、热电离和表面电离）型式的机理和带电质点消失的机理。掌握汤逊德理论的要点和适用范围；掌握流注理论的要点和适用范围；掌握不均匀电场气隙击穿中的极性效应原理；掌握长间隙击穿过程中的先导放电机理；了解电晕放电机理；了解雷电放电机理。 教学重点教学重点四种电离（碰撞电离、光电离、热电离和表面电离）型式的机理；汤逊德理论和流注理论的要点和各自的适用范围；不均匀电场气隙击穿中的极性效应原理 教学难点教学难点电离和气体放电机理全是微观电子运动

2、产生的现象，传统的教学方法很难表达清楚；不均匀电场气隙击穿中的极性效应主要是空间电荷畸变电场的作用，比较抽象，很难理解 。第二章 气体放电的物理过程 带点质点的产生 四种电离（碰撞电离、光电离、热电离和表面电离）形式的机理； 撞击电离/碰撞电离 当电子从电场获得的动能等于或大于气体分子的电离能时，就有可能因碰撞而使气体分子分裂为电子和正离子，即电子的能量满足条件： 碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关。 光电离 光当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下列条件即可产生光电离： 导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、x 射线等）提供，

3、也可以由气体放电过程本身产生。ieeWvm221iWh （3）热电离 一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离，包括：随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离，高温下高能热辐射光子引起的光电离。 （4）表面电离 阴极发射电子的过程，称为表面电离。 a、正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。 b、光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时，金属表面放射出电子。 c、强场放射（冷放射） 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。 d、热电子放射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获

4、得巨大动能，逸出金属。带电质点的消失带电质点的消失 与形成带电质点的电离过程相反的过程称为带电质点的消失过程。 带电质点的消失主要有三种方式。一种方式是一部分带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于电极（造成电流）。另外两种方式就是带电质点的扩散和复合。汤逊德理论的要点和适用范围汤逊德理论的要点和适用范围 （1）电子崩的形成 （2）自持放电条件 电子电离系数：一个电子沿着电场方向行走单位长度，平均发生的碰撞电离次数（由电离产生的自由电子数）。 表面电离系数：每个正离子碰幢阴极表面平均释放出的自由电子数。 设：一个电子从阴极行走 x 距离 产生的自由电子数为n，n个电子 前进dx 产生的新电子

5、数为： 或 所以：一个电子从阴极到阳极产生的电子数为： 一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为： 自持放电条件：1eS SdxeeNS0 dxndndxndn1)1e (S 帕邢定律帕邢定律/巴申定律巴申定律气隙的击穿电压与S的函数关系巴申定律)(/1lnlnSfSASBUb均匀电场中几种气体击穿电压和S的关系（4）汤逊德理论的适用范围 汤逊德理论是在气压较低、S值较小条件下进行的放电实验的基础上建立起来的，是一种辉光放电现象。 S过小或过大，汤逊德理论都不适用。4、 流注理论的要点和适用范围（1）电子崩阶段空间电荷畸变外电场平板电极间的电子崩空间电荷对外电场的畸变 （a）电子崩示意图 （b）电

6、子崩中空间电荷的浓度分布 （c）空间电荷的电场 （d）合成电场（2）流注的形成 主电子崩中释放的光子引起二次电离,二次电子崩汇入主电子崩将形成流注。大量的正、负带电质点构成的等离子体，即为流注。 a、正流注：当外施电压达到击穿电压时，电子崩走完整个间隙后，头部空间电荷密度很大，大大加强了后部的电场，并向周围放射出大量光子，这些光子引起了空间光电离，形成二次电子崩，二次电子崩汇入主电子崩形成正、负带电质点构成的等离子体流注，并由正电极向负电极发展。正流注的产生及发展1起始电子崩（主电子崩）； 2二次电子崩； 3流注b、 负流注：当外施电压比击穿电压高，主电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足

7、于形成流注。流注形成后向阳极发展。 负流注的产生及发展 1起始电子崩（主电子崩）； 2二次电子崩； 3流注 （3）流注理论的适用范围 流注理论可以解释场逊理论不能说明的S很大时的放电现象。 a、放电外形： S很大时，放电具有通道形式。 b、放电时间： S很大时，光子以光速传播，流注发展速度极快，放电时间特别短。 c、阴极材料的影响： S很大时，击穿电压和阴极材料基本无关，维持自持放电的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程。5、 不均匀电场气隙击穿中的极性效应 棒板间隙在施加电压时，由于空间电荷畸变了棒板间隙中的电场，使得棒极为正时的电晕起始电压高于棒极为负时的电晕起始电压。棒极为正时的击穿电

8、压值低于棒极为负时的击穿电压值。 棒板间隙中空间电荷对外电场的畸变作用 Eex外电场 Esp空间电荷的电场6、 长间隙击穿过程中的先导放电 间隙距离较长时(如棒板间隙还离大于1米时)，在流注通道还不足于贯通整个间隙的电压下，仍可能发展起击穿过程。这时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。 间隙中如出现先导放电阶段，则平均击穿场强降低，因此长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙。 正棒负板间隙中先导通道的发展（）先导和其头部的流注；（）流注头部电子崩的形成；（）由流注转变为先导

9、和 形成流注；（）流注头部电子崩的形成； 7、 电晕放电 电晕放电现象是在极不均匀电场中，大曲率电极附近发生的空气间隙局部电离放电的现象。在黑暗中可以看到该电极周围有薄薄的发光层，有些象“月晕”，电晕电极周围的电离层称为电晕层，电晕层以外电场很弱，因而不发生电离过程的空间称为外区。爆发电晕放电时，还可听到咝咝的声音，嗅到臭氧的气味，回路中电流明显增加(但绝对值仍很小)，可以测量到能量损失。 电晕放电会带来不利影响。气体放电过程中的光、声、热等效应以及化学反应等都能引起能量损失。电晕放电过程中会出现放电的脉冲现象，形成高频电磁波，引起干扰。电晕放电还能使空气发生化学反应，造成臭氧从氧化氦等产物，引起腐蚀作用。 电晕放电在某些特定情况下还有其有利的一面。例如电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度；可以利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电