气体放电理论(二)

1、12第一章第一章 气体放电理论（二）气体放电理论（二）n气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失n气体放电的一般描述气体放电的一般描述n 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程 n不均匀电场中气体击穿的发展过程不均匀电场中气体击穿的发展过程3三、均匀电场中气体击穿的发展过程三、均匀电场中气体击穿的发展过程（二）流注气体放电理论（二）流注气体放电理论n说明工程上感兴趣的压力较高气体的击穿，如说明工程上感兴趣的压力较高气体的击穿，如大气压力下空气的击穿大气压力下空气的击穿n 特点：认为电子碰控电离及空间光电离是维持特点：认为电子碰控电离及空间光电离是维持自持放电的主要

2、因素，并强调了空间电荷畸变自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用电场的作用 n通过大量的实验研究（主要在电离室中进行的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）说明放电发展的机理 4电离室电离室电离室结构示意图 1照射火花间隙；2石英窗；3电极 4玻璃壁；5橡皮膜；6绝缘柱 研究放电时的电路图N电离室；S火花间隙；L、L、K短路回路 5n电子崩阶段电子崩阶段 空间电荷畸变外电场空间电荷畸变外电场 n流注阶段流注阶段 光电离形成二次电子崩，等离子体光电离形成二次电子崩，等离子体 61. 1. 电子崩阶段电子崩阶段n电子崩外形电子崩外形：好似球头的锥体，空间电荷分布

3、极不均匀 电子崩中的电子数： nex例如，正常大气条件下，若E30kVcm，则 11cm-1，计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数7n空间电荷畸变外电场空间电荷畸变外电场 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 电子崩头部：电子崩头部：电场明显增强，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，放射出光子崩头内部正、负电荷区域：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82. 2. 流注阶段流注阶段n当电子崩走完整个间隙后，大密度的头部空间电荷大大加强了后部的电场，并向周围放射出大量光子n光子引起空间光电离，其中的光电子被主电

4、子崩头部的正空间电荷所吸引，在受到畸变而加强了的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩 光电离、二次崩光电离、二次崩1主电子崩 2二次电子崩3流注9正流注的形成正流注的形成n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、负带电质点构成了等离子体等离子体，这就是正流注正流注 n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 1主电子崩2二次电子崩3流注10正流注向阴极推进正流注向阴极推进n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n流注不

5、断向阴极报进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快n流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压 11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 初始电子崩转变为流注瞬间照片p273毫米汞柱E=12千伏/厘米电子崩在空气中的发展速度约为电子崩在空气中的发展速度约为1.25 107cm/s12在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片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正流注的发展速度约为1 108 2 108cm/s13自持放电条件自持放电条件一

6、旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放一旦形成流注，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，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。如果电场均匀，间隙就将即转入自持放电了。如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件143.3.流注理论对流注理论对pdpd很大时放电现象的解释很大时放电现象的解释 1放电外形放电外形 Pd很大时，放电具有通道形式很大时，放电具有通道形式 流注中电荷密度很大，电导很大，其中电场强度很小。流注中电荷

7、密度很大，电导很大，其中电场强度很小。因此流注出现后，对周围空间内的电场有屏蔽作用，因此流注出现后，对周围空间内的电场有屏蔽作用，并且随着其向前发展而更为增强并且随着其向前发展而更为增强当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流注当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝。通道常是曲折的，并带有分枝。电子崩则不然，由于其中电荷密度较小，故电场强度还电子崩则不然，由于其中电荷

8、密度较小，故电场强度还很大，因而不致影响到邻近空间内的电场，所以不会很大，因而不致影响到邻近空间内的电场，所以不会影响其它电子崩的发展，如图影响其它电子崩的发展，如图215所示。这就可以所示。这就可以说明，汤逊放电呈连续一片说明，汤逊放电呈连续一片 152放电时间放电时间 光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象。3阴极材料的影响阴极材料的影响 根据流注理论，维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材料基本无关了。16四、不均匀电场中气体击穿的发展过四、不均匀电场中气体击穿的发展过程程间隙距离间隙距离d

9、在很大范围内变动时，球间隙的工频放电电压的变动情在很大范围内变动时，球间隙的工频放电电压的变动情况况 1 击穿电压击穿电压2 电晕起始电压电晕起始电压3 刷状放电电压刷状放电电压4 过渡区域过渡区域d0 2D；d0 4D当当dd0时；电场已不均匀，当电场还明显低于击穿电压时，出现电晕时；电场已不均匀，当电场还明显低于击穿电压时，出现电晕 放电、刷状放电放电、刷状放电 ；d0和和d0 之间；过渡区域，放电过程不很稳定，击穿电压分散性很大之间；过渡区域，放电过程不很稳定，击穿电压分散性很大 当当dd0 时；电晕起始电压己开始变得低于击穿电压了时；电晕起始电压己开始变得低于击穿电压了 17根据电场均

10、匀程度和气体状态，可以出现不同情况根据电场均匀程度和气体状态，可以出现不同情况n电场比较均匀的情况电场比较均匀的情况 放电达到自持时，放电达到自持时， 在整个间隙中部巳达到相当数值在整个间隙中部巳达到相当数值。这时和均匀电场中情况类似。这时和均匀电场中情况类似 n电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况 当大曲率电极附近当大曲率电极附近 达到足够数值时，间隙中很大一达到足够数值时，间隙中很大一部分区域部分区域 也都已达相当数值，流注一经产生，随即发也都已达相当数值，流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿 n电场极

11、不均匀的情况电场极不均匀的情况 当大曲率电极附近很小范围内当大曲率电极附近很小范围内 已达相当数值时，间隙已达相当数值时，间隙中大部分区域值中大部分区域值 都仍然很小，放电达到自持放电后，都仍然很小，放电达到自持放电后，间隙没有击穿。电场越不均匀，击穿电压和电晕起始间隙没有击穿。电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大电压间的差别也越大 18引入电场不均匀系数引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度表示各种结构的电场的均匀程度 f4后，极不均匀电场后，极不均匀电场dUEEEfavavmax19特殊放电现象特殊放电现象电晕放电电晕放电n电晕放电现象电晕放电现象 电离区的放电

12、过程造成。咝咝的声音，臭氧的气味，电离区的放电过程造成。咝咝的声音，臭氧的气味，回路电流明显增加回路电流明显增加(绝对值仍很小绝对值仍很小)，可以测量到能量，可以测量到能量损失损失n脉冲现象脉冲现象 (a) 时间刻度T=125s(b) 0.7A电晕电流平均值(c) 2A电晕电流平均值20n电晕起始电压和电晕起始场强电晕起始电压和电晕起始场强 是一种自持放电形式，起始电压在原理上可由自持放是一种自持放电形式，起始电压在原理上可由自持放电条件求得电条件求得 n对工程实践有重要意义对工程实践有重要意义 不利影响不利影响 ：能量损失；放电脉冲引起的高频电磁波干：能量损失；放电脉冲引起的高频电磁波干 扰

13、；化学反应引起的腐蚀作用等扰；化学反应引起的腐蚀作用等 有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅有利方面：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，值及陡度；利用电晕放电改善电场分布， 提高击穿电压提高击穿电压 ；利用电晕放电除尘等；利用电晕放电除尘等 21极不均匀电场中的放电过程（短间隙）极不均匀电场中的放电过程（短间隙）以棒板间隙为例以棒板间隙为例1. 非自持放电阶段非自持放电阶段n当棒具有正极性时当棒具有正极性时在棒极附近，积聚起正空间在棒极附近，积聚起正空间电荷，减少了紧贴棒极电荷，减少了紧贴棒极附近的电场，而略微加附近的电场，而略微加强了外部空间

14、的电场，强了外部空间的电场，棒极附近难以造成流注棒极附近难以造成流注，使得自持放电、即电，使得自持放电、即电晕放电难以形成晕放电难以形成 Eex外电场 Esp空间电荷的电场22n当棒具有负极性时当棒具有负极性时 电子崩中电子离开强电场区电子崩中电子离开强电场区后，不再引起电离，正离后，不再引起电离，正离子逐渐向棒极运动，在棒子逐渐向棒极运动，在棒极附近出现了比较集中的极附近出现了比较集中的正空间电荷，使电场畸变正空间电荷，使电场畸变棒极附近的电场得到增强，棒极附近的电场得到增强，因而自待放电条件就易于因而自待放电条件就易于得到满足、易于转入流注得到满足、易于转入流注而形成电晕放电而形成电晕放电

15、 Eex外电场 Esp空间电荷的电场23极性效应极性效应 实验表明：实验表明： 棒棒板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高负极性时略高242. 流注发展阶段流注发展阶段n当棒具有正极性时当棒具有正极性时流注等离子体头部的正电荷减流注等离子体头部的正电荷减少等离子体中的电场，而加少等离子体中的电场，而加强其头部电场（曲线强其头部电场（曲线2）电场加强的流注头部前方产生电场加强的流注头部前方产生新电子崩，其电子吸引入流新电子崩，其电子吸引入流注头部正电荷区内，加强并注头部正电荷区内，加强并延长流注通道，其尾部的正延长流注通道，其尾部的正离子构成流注头部的正

16、电荷离子构成流注头部的正电荷 流注及其头部的正电荷使强电流注及其头部的正电荷使强电场区更向前移（曲线场区更向前移（曲线3），促），促进流注通道进一步发展，逐进流注通道进一步发展，逐渐向阴极推进渐向阴极推进25n当棒具有负极性时当棒具有负极性时棒极的强电场区产生大量的电棒极的强电场区产生大量的电子崩，汇入围绕棒极的正空子崩，汇入围绕棒极的正空间电荷，等离子体层呈扩散间电荷，等离子体层呈扩散状分布，削弱前方电场（曲状分布，削弱前方电场（曲线线2）在相当一段电压升高的范围内在相当一段电压升高的范围内，电离只在棒极和等离子体，电离只在棒极和等离子体层外沿之间的空间内发展层外沿之间的空间内发展等离子体层

17、前方电场足够强后等离子体层前方电场足够强后，发展新电子崩，其正电荷，发展新电子崩，其正电荷加强等离子体层前沿的电场加强等离子体层前沿的电场，形成，形成了大量二次电子崩，二次电子崩，汇集起来后使得等离子体层汇集起来后使得等离子体层向阳极推进向阳极推进26极性效应极性效应 实验表明：实验表明： 棒棒板间隙中棒为负极性时击穿电压比正极板间隙中棒为负极性时击穿电压比正极性时高性时高27n外电压较低时，流注通道深入间隙一段距外电压较低时，流注通道深入间隙一段距离后，就停止不前了，形成电晕放电或刷离后，就停止不前了，形成电晕放电或刷状放电状放电n外电压足够高时，流注通道将一直达到另外电压足够高时，流注通道

18、将一直达到另一电极，从而导致间隙完全击穿一电极，从而导致间隙完全击穿 28极不均匀电场中的放电过程（长间隙）极不均匀电场中的放电过程（长间隙）n非自持放电阶段非自持放电阶段n流注发展阶段流注发展阶段n先导放电先导放电 热电离过程热电离过程n主放电阶段主放电阶段293 3先导放电先导放电 正棒正棒负板间隙中先导通道的发展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；（）先导和其头部的流注；（）流注头部电子崩的形成；（）由流注转变为先导和形成流注；（）流注头部电子崩的形成；（）由流注转变为先导和形成流注；（）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（）沿着先导和空气间隙电场强度的分布 30流注根部流注根部温度升高温度升高热电离热电离过程过程先导先导通道通道电离加强，更为明亮电离加强，更为明亮电导增大电导增大轴向场强更低轴向场强更低发展速度更快发展速度更快长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙 314 4主放电主放电当先导通道头部极为接近板当先导通道头部极为接近板极时，间隙场强可达极极时，间隙场强可达极大数值，引起强烈的电大数值，引起强烈的电离，间隙