高電壓第一章

1、第一篇第一篇電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 電介質(zhì)，又稱介電質(zhì)、誘電體，或稱為電介質(zhì)，又稱介電質(zhì)、誘電體，或稱為絕緣絕緣體體，是對(duì)，是對(duì)電流電流具有抵抗性的物質(zhì)。介電質(zhì)可能是具有抵抗性的物質(zhì)。介電質(zhì)可能是固體，液體，或氣體。另外，高真空也是一種有固體，液體，或氣體。另外，高真空也是一種有用的，無(wú)損失的電介質(zhì)，其相對(duì)介電系數(shù)為一。用的，無(wú)損失的電介質(zhì)，其相對(duì)介電系數(shù)為一。 固態(tài)介電質(zhì)被廣泛使用于電子工業(yè)中，例如固態(tài)介電質(zhì)被廣泛使用于電子工業(yè)中，例如陶瓷陶瓷、玻璃玻璃，與大部分的，與大部分的塑膠塑膠。空氣以及?？諝庖约傲蛄蚴莾煞N最廣泛使用的氣態(tài)電介質(zhì)。是兩種最廣泛

2、使用的氣態(tài)電介質(zhì)。 礦物油礦物油廣泛的使用于廣泛的使用于變壓器變壓器中作為液態(tài)電介中作為液態(tài)電介質(zhì)并協(xié)助散熱。具有高質(zhì)并協(xié)助散熱。具有高介電系數(shù)介電系數(shù)的液體如電子級(jí)的液體如電子級(jí)蓖麻油蓖麻油，常被用于高壓，常被用于高壓電容器電容器中來(lái)協(xié)助防止中來(lái)協(xié)助防止電暈電暈放電放電 ( (Corona dischargeCorona discharge) ) 并提高電容值。并提高電容值。 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 電介質(zhì)在電氣設(shè)備中作為絕緣材料使用，按電介質(zhì)在電氣設(shè)備中作為絕緣材料使用，按其物質(zhì)形態(tài)，可分為：其物質(zhì)形態(tài)，可分為： 氣體氣體介質(zhì)介質(zhì)液體液體介質(zhì)介質(zhì)固體固體介質(zhì)介質(zhì)高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)在電氣設(shè)備

3、中在電氣設(shè)備中: :外絕緣外絕緣: :暴露在大氣環(huán)境中的空氣間隙及設(shè)備固體絕暴露在大氣環(huán)境中的空氣間隙及設(shè)備固體絕緣的外露表面的絕緣。其絕緣耐受強(qiáng)度隨大氣環(huán)境條緣的外露表面的絕緣。其絕緣耐受強(qiáng)度隨大氣環(huán)境條件件(如氣壓、溫度、濕度、淋雨、污穢、覆冰等如氣壓、溫度、濕度、淋雨、污穢、覆冰等)的變的變化而變化。化而變化。一般由一般由氣體介質(zhì)氣體介質(zhì)(空氣空氣)和和固體介質(zhì)固體介質(zhì)(絕緣子絕緣子)聯(lián)合構(gòu)成。聯(lián)合構(gòu)成。 內(nèi)絕緣內(nèi)絕緣: :設(shè)備內(nèi)部絕緣的固體、液體、氣體部分，設(shè)備內(nèi)部絕緣的固體、液體、氣體部分，基本不受大氣、污穢、潮濕、異物等外界條件影響?；静皇艽髿?、污穢、潮濕、異物等外界條件影響。一

4、般由一般由固體介質(zhì)固體介質(zhì)和和液體介質(zhì)液體介質(zhì)聯(lián)合構(gòu)成。聯(lián)合構(gòu)成。 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 在電氣作用下，電介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象可分在電氣作用下，電介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象可分為兩大類為兩大類: :弱電場(chǎng)弱電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度比擊穿場(chǎng)強(qiáng)小得多電場(chǎng)強(qiáng)度比擊穿場(chǎng)強(qiáng)小得多 極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗等極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗等強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度等于或大于放電起始場(chǎng)強(qiáng)或電場(chǎng)強(qiáng)度等于或大于放電起始場(chǎng)強(qiáng)或擊穿場(chǎng)強(qiáng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)放電、閃絡(luò)、擊穿等放電、閃絡(luò)、擊穿等高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)本篇內(nèi)容本篇內(nèi)容 第二章第二章 氣體的絕緣特性與介質(zhì)的電氣強(qiáng)度氣體的絕緣特性與介質(zhì)的電氣強(qiáng)度 第三章第三章 液體的絕緣特性與介質(zhì)的電氣強(qiáng)度液體的絕緣特性與

5、介質(zhì)的電氣強(qiáng)度 第四章第四章 固體的絕緣特性與介質(zhì)的電氣強(qiáng)度固體的絕緣特性與介質(zhì)的電氣強(qiáng)度 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)第二章第二章 氣體的絕緣特性氣體的絕緣特性與介質(zhì)的電氣強(qiáng)度與介質(zhì)的電氣強(qiáng)度 研究氣體放電的目的：研究氣體放電的目的：了解氣體在了解氣體在高電壓（強(qiáng)電場(chǎng)）高電壓（強(qiáng)電場(chǎng)）作用下逐步由電介作用下逐步由電介 質(zhì)演變成導(dǎo)體的物理過(guò)程質(zhì)演變成導(dǎo)體的物理過(guò)程掌握氣體介質(zhì)的掌握氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度電氣強(qiáng)度及其提高方法及其提高方法高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)2.1 2.1 氣體放電的基本物理過(guò)程氣體放電的基本物理過(guò)程 高壓電氣設(shè)備中的絕緣介質(zhì)有高壓電氣設(shè)備中的絕緣介質(zhì)有氣體氣體、液體液體、固固體體以及其它以及

6、其它復(fù)合介質(zhì)復(fù)合介質(zhì)。由于氣體絕緣介質(zhì)不存在老由于氣體絕緣介質(zhì)不存在老化的問(wèn)題，在擊穿后也有完全的絕緣自恢復(fù)特性化的問(wèn)題，在擊穿后也有完全的絕緣自恢復(fù)特性，再加上其成本非常廉價(jià)，因此氣體成為了在實(shí)際應(yīng)再加上其成本非常廉價(jià)，因此氣體成為了在實(shí)際應(yīng)用中最常見的絕緣介質(zhì)。用中最常見的絕緣介質(zhì)。 氣體擊穿過(guò)程的理論研究雖然還不完善，但是氣體擊穿過(guò)程的理論研究雖然還不完善，但是相對(duì)于其他幾種絕緣材料來(lái)說(shuō)最為完整。因此，高相對(duì)于其他幾種絕緣材料來(lái)說(shuō)最為完整。因此，高電壓絕緣的論述一般都由氣體絕緣開始。電壓絕緣的論述一般都由氣體絕緣開始。 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)本節(jié)內(nèi)容：本節(jié)內(nèi)容：2.1.1 2.1.1 氣體

7、放電的基本概念（補(bǔ)充）氣體放電的基本概念（補(bǔ)充）2.1.2 2.1.2 帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生2.1.3 2.1.3 帶電質(zhì)點(diǎn)的消失帶電質(zhì)點(diǎn)的消失2.1.4 2.1.4 電子崩與湯遜理論電子崩與湯遜理論2.1.5 2.1.5 巴申定律與適用范圍巴申定律與適用范圍2.1.6 2.1.6 流注理論與適用范圍流注理論與適用范圍2.1.7 2.1.7 不均勻電場(chǎng)中的氣體放電不均勻電場(chǎng)中的氣體放電高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 氣體放電：氣體中流通電流的各種形式氣體放電：氣體中流通電流的各種形式 氣體擊穿：氣體氣體擊穿：氣體電絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)電絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)的過(guò)程的過(guò)程 沿面閃絡(luò)：擊穿發(fā)生

8、在氣體與液體、氣體與固沿面閃絡(luò)：擊穿發(fā)生在氣體與液體、氣體與固體體交界面交界面上上 工程上將擊穿和閃絡(luò)工程上將擊穿和閃絡(luò)統(tǒng)稱為放電統(tǒng)稱為放電2.1.1 氣體放電的基本概念氣體放電的基本概念1 相關(guān)概念相關(guān)概念高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 氣體指高壓電氣設(shè)備中常用的空氣、氣體指高壓電氣設(shè)備中常用的空氣、SF6、以、以及高強(qiáng)度混合氣體等氣態(tài)絕緣介質(zhì)；及高強(qiáng)度混合氣體等氣態(tài)絕緣介質(zhì)； 空氣：架空線路、變壓器外絕緣空氣：架空線路、變壓器外絕緣 SF6： SF6斷路器和斷路器和SF6全封閉組合電器全封閉組合電器 空氣是最廉價(jià)、應(yīng)用最廣、自動(dòng)恢復(fù)絕緣的氣空氣是最廉價(jià)、應(yīng)用最廣、自動(dòng)恢復(fù)絕緣的氣體，因此我們主要研究

9、空氣的放電；體，因此我們主要研究空氣的放電； 氣體失去絕緣后，雖然可以自動(dòng)恢復(fù)，但其放氣體失去絕緣后，雖然可以自動(dòng)恢復(fù)，但其放電所造成的事故已經(jīng)發(fā)生，因此我們要研究氣電所造成的事故已經(jīng)發(fā)生，因此我們要研究氣體的電氣強(qiáng)度。體的電氣強(qiáng)度。2 氣體的絕緣特性氣體的絕緣特性高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)3 3 氣體的電氣強(qiáng)度氣體的電氣強(qiáng)度氣體的電氣強(qiáng)度表征氣體耐受電壓作用的能力；氣體的電氣強(qiáng)度表征氣體耐受電壓作用的能力；均勻電場(chǎng)中擊穿電壓均勻電場(chǎng)中擊穿電壓Ub與間隙距離之比稱為與間隙距離之比稱為擊穿擊穿場(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)Eb。我們把。我們把均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)中氣隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)中氣隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb稱稱為氣體的為氣體的電氣強(qiáng)度。

10、電氣強(qiáng)度。 空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電氣強(qiáng)度為空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電氣強(qiáng)度為30kV/cm注意：不能把注意：不能把不均勻場(chǎng)不均勻場(chǎng)中氣隙中氣隙Ub與間隙距離之比與間隙距離之比稱為氣體的電氣強(qiáng)度，通常稱之為稱為氣體的電氣強(qiáng)度，通常稱之為平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)。平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)4 4 氣體放電的主要形式氣體放電的主要形式常見放電形式常見放電形式輝光放電輝光放電電暈放電電暈放電火花放電火花放電電弧放電電弧放電注意：注意：電暈放電時(shí)氣隙未擊穿，而輝光放電、火花放電、電暈放電時(shí)氣隙未擊穿，而輝光放電、火花放電、電弧放電均指擊穿后的放電現(xiàn)象，且隨條件不同，這些放電電弧放電均指擊穿后的放電現(xiàn)象，且隨條件不同

11、，這些放電現(xiàn)象可相互轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)象可相互轉(zhuǎn)換。eExmv 221高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)2.1.2 2.1.2 帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生氣體放電氣體放電是對(duì)氣體中流通電流的各種形式統(tǒng)稱。是對(duì)氣體中流通電流的各種形式統(tǒng)稱。 由于空氣中存在來(lái)自空間的輻射，氣體會(huì)發(fā)生由于空氣中存在來(lái)自空間的輻射，氣體會(huì)發(fā)生微弱的電離而產(chǎn)生少量的微弱的電離而產(chǎn)生少量的帶電質(zhì)點(diǎn)帶電質(zhì)點(diǎn)。正常狀態(tài)下氣體的電導(dǎo)很小，空氣還是性能正常狀態(tài)下氣體的電導(dǎo)很小，空氣還是性能優(yōu)良的絕緣體；優(yōu)良的絕緣體； 在出現(xiàn)大量帶電質(zhì)點(diǎn)的情況下，氣體才會(huì)喪在出現(xiàn)大量帶電質(zhì)點(diǎn)的情況下，氣體才會(huì)喪失絕緣性能。失絕緣性能。 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 1、氣體中

12、電子與正離子的產(chǎn)生、氣體中電子與正離子的產(chǎn)生 電離電離是指電子脫離原子核的束縛而形成是指電子脫離原子核的束縛而形成自由電子自由電子和和正離子正離子的過(guò)程。電離可一次完成，也可以是先的過(guò)程。電離可一次完成，也可以是先激勵(lì)激勵(lì)再電離的分級(jí)電離方式。再電離的分級(jí)電離方式。 電離方式可分為電離方式可分為 ： 熱電離熱電離 光電離光電離 碰撞電離碰撞電離 分級(jí)電離分級(jí)電離電子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡電子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡（散射）（散射） 視頻鏈接視頻鏈接高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)電離能電離能Wi：電離所需要的能量，單位電離所需要的能量，單位eV；也可用；也可用電離電位差表示，電離電位差表示，iiWUee為電子的電荷

13、量為電子的電荷量1eV（電子伏）：一個(gè)電子行經(jīng)（電子伏）：一個(gè)電子行經(jīng)1V電位差的電場(chǎng)電位差的電場(chǎng)所獲得的能量。所獲得的能量。1919111.6 101.6 10eVVCJ高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)（1）熱電離熱電離 常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的概率極小概率極小。32WkT波爾茨曼常數(shù)波爾茨曼常數(shù)1.3810-23J/K 熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度 氣體分子熱狀態(tài)引起的碰撞電離和光電離的綜合氣體分子熱狀態(tài)引起的碰撞電離和光電離的綜合高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)（2 2）光電離）光電離 含義：含義：由光輻射引起氣體分子電離的過(guò)程，由光輻射引起氣體分子電離的過(guò)程，光電離產(chǎn)生的電子稱為光電子

14、。光電離產(chǎn)生的電子稱為光電子。 來(lái)源：紫外線、宇宙射線、來(lái)源：紫外線、宇宙射線、x射線等；異號(hào)射線等；異號(hào)帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合成中性質(zhì)點(diǎn)釋放出光子；激勵(lì)態(tài)帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合成中性質(zhì)點(diǎn)釋放出光子；激勵(lì)態(tài)分子回復(fù)到正常態(tài)釋放出光子。分子回復(fù)到正常態(tài)釋放出光子。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)當(dāng)滿足以下條件時(shí)，產(chǎn)生光電離當(dāng)滿足以下條件時(shí)，產(chǎn)生光電離,iihchfWW式中：式中： ：輻射光的波長(zhǎng)；：輻射光的波長(zhǎng)； ：光速；：光速； ：氣體的電離能：氣體的電離能ciW光子來(lái)源光子來(lái)源外界高能輻射線外界高能輻射線氣體放電本身氣體放電本身Whf普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)6.6310-34Js 沿著波的傳播方向，任意兩個(gè)相位差沿著波的傳播方

15、向，任意兩個(gè)相位差為為2的質(zhì)點(diǎn)之間的距離。例如，在橫波的質(zhì)點(diǎn)之間的距離。例如，在橫波中，兩個(gè)波谷間的距離或兩個(gè)波峰間的中，兩個(gè)波谷間的距離或兩個(gè)波峰間的距離也都等于波長(zhǎng)。距離也都等于波長(zhǎng)。 在質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)，振動(dòng)狀態(tài)在質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)，振動(dòng)狀態(tài)傳播的距離恰是一個(gè)波長(zhǎng)，傳播的距離恰是一個(gè)波長(zhǎng)，所以所以=v/f，或或=vT，由上式可以看出，同一頻率的由上式可以看出，同一頻率的波，在不同媒質(zhì)中的波，在不同媒質(zhì)中的波速波速v是不同的，是不同的，因而波長(zhǎng)也就不同。式中因而波長(zhǎng)也就不同。式中表示波長(zhǎng)。表示波長(zhǎng)。波長(zhǎng)、波速和波源振動(dòng)頻率，稱為波的波長(zhǎng)、波速和波源振動(dòng)頻率，稱為波的三要素。三要素。高

16、電壓技術(shù)高電壓技術(shù)（3）碰撞電離碰撞電離 電子或離子在電場(chǎng)作用下加速所獲得的動(dòng)能電子或離子在電場(chǎng)作用下加速所獲得的動(dòng)能（ ）與質(zhì)點(diǎn)電荷量）與質(zhì)點(diǎn)電荷量(e)(e)、電場(chǎng)強(qiáng)度（、電場(chǎng)強(qiáng)度（ ）以）以及碰撞前的行程及碰撞前的行程( )( )有關(guān)即有關(guān)即 221mvEx式中：式中： ：電子的電荷量；：電子的電荷量； ：外電場(chǎng)強(qiáng)度；：外電場(chǎng)強(qiáng)度； ：電子移動(dòng)的距離：電子移動(dòng)的距離 eEx高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)ieExW 高速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)與中性的原子或分子碰撞時(shí)，如高速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)與中性的原子或分子碰撞時(shí)，如原子或分子獲得的能量原子或分子獲得的能量等于或大于等于或大于其電離能，則會(huì)發(fā)其電離能，則會(huì)發(fā)生電離。生

17、電離。 因此，電離條件為因此，電離條件為 含義：電子或離子與氣體分子碰撞，將電場(chǎng)能傳遞給氣含義：電子或離子與氣體分子碰撞，將電場(chǎng)能傳遞給氣體分子引起電離的過(guò)程。體分子引起電離的過(guò)程。 外電場(chǎng)強(qiáng)弱；能量的積累（行經(jīng)距離外電場(chǎng)強(qiáng)弱；能量的積累（行經(jīng)距離x）自由行程：自由行程：一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在每?jī)纱闻鲎查g自由地通過(guò)的距離一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在每?jī)纱闻鲎查g自由地通過(guò)的距離平均自由行程平均自由行程：眾多質(zhì)點(diǎn)自由行程的平均值：眾多質(zhì)點(diǎn)自由行程的平均值 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 為使碰撞能導(dǎo)致電離，質(zhì)點(diǎn)在碰撞前為使碰撞能導(dǎo)致電離，質(zhì)點(diǎn)在碰撞前必須必須經(jīng)過(guò)的距離為：經(jīng)過(guò)的距離為：iiieWUxEE式中式中 為氣體的電離電位為氣體的

18、電離電位iU 的大小取決于場(chǎng)強(qiáng)的大小取決于場(chǎng)強(qiáng)E E，增大氣體中的場(chǎng)，增大氣體中的場(chǎng)強(qiáng)將使強(qiáng)將使 值減少。值減少?？梢娞岣咄饧与妷簩⑹古鲎部梢娞岣咄饧与妷簩⑹古鲎搽婋x的概率和強(qiáng)度增大。電離的概率和強(qiáng)度增大。ixix,iiieExWWUe電離電位注意：即使?jié)M足上述注意：即使?jié)M足上述條件，不是每次碰撞條件，不是每次碰撞都能引起電離都能引起電離離子碰撞電離的概率遠(yuǎn)小于離子碰撞電離的概率遠(yuǎn)小于電子，因此一般只考慮電子電子，因此一般只考慮電子的的碰撞電離。碰撞電離。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)（4 4）分級(jí)電離）分級(jí)電離 原子中電子在外界因素的作用下可躍遷到能級(jí)較高的原子中電子在外界因素的作用下可躍遷到能級(jí)較高

19、的外層軌道，稱之為激勵(lì)外層軌道，稱之為激勵(lì)，所需的能量稱為激勵(lì)能，所需的能量稱為激勵(lì)能We。激勵(lì)。激勵(lì)能小于電離能能小于電離能Wi。 原子或分子在激勵(lì)態(tài)再獲得能量而發(fā)生電離稱為分級(jí)電原子或分子在激勵(lì)態(tài)再獲得能量而發(fā)生電離稱為分級(jí)電離，所需能量為離，所需能量為WiWe。但分級(jí)電離的概率比較小，因?yàn)?。但分?jí)電離的概率比較小，因?yàn)榧?lì)態(tài)是不激勵(lì)態(tài)是不 穩(wěn)定的穩(wěn)定的。氣體電離能激勵(lì)能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)2 2、電極表面的電子逸出、電極表面的電子逸出( (表面電離表面電離) )逸出功逸出功使電子從金屬表面逸

20、出需要的能量使電子從金屬表面逸出需要的能量。 不同金屬的逸出功不同，如表不同金屬的逸出功不同，如表1-21-2所示：所示：金屬陰極表面發(fā)射電子的過(guò)程。金屬陰極表面發(fā)射電子的過(guò)程。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 金屬電極的金屬電極的逸出功逸出功U0BCBC段電流劇增原因：電子崩的形成。段電流劇增原因：電子崩的形成。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)（2）電子崩的形成電子崩的形成( ( 過(guò)程過(guò)程) ) 外界電離因子外界電離因子在陰極附在陰極附近產(chǎn)生了一個(gè)近產(chǎn)生了一個(gè)初始電子初始電子，如，如果空間電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，該果空間電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引起碰撞電離，產(chǎn)生一個(gè)起碰撞電離，產(chǎn)生一

21、個(gè)新的新的電子電子，初始電子和新電子繼，初始電子和新電子繼續(xù)向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，續(xù)向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新又會(huì)引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。圖圖1 14 4 電子崩的示意圖電子崩的示意圖 視頻鏈接電子崩的演示電子崩的演示高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 依此，電子將按照依此，電子將按照幾何級(jí)數(shù)幾何級(jí)數(shù)不斷增多，類似雪不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為電電子崩子崩。 為了分析碰撞電離和電子崩引起的電流，引入：為了分析碰撞電離和電子崩引起的電流，引入：電子電子碰撞碰撞電離電離系數(shù)系數(shù) 。（。（湯遜第一電離系數(shù)湯遜第一電離系數(shù)）

22、:表示一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向表示一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)1cm1cm的行程的行程所完所完成的成的碰撞碰撞電離電離次數(shù)平均值次數(shù)平均值。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 如圖如圖1-5為平板電極氣隙，為平板電極氣隙，板內(nèi)電場(chǎng)均勻板內(nèi)電場(chǎng)均勻，設(shè)外界電，設(shè)外界電離因子每秒鐘使離因子每秒鐘使陰極表面陰極表面發(fā)射發(fā)射出來(lái)的初始電子數(shù)為出來(lái)的初始電子數(shù)為n0。圖圖1 15 5 計(jì)算間隙中電子數(shù)增長(zhǎng)的示意圖計(jì)算間隙中電子數(shù)增長(zhǎng)的示意圖 由于碰撞電離和電子崩由于碰撞電離和電子崩的結(jié)果，在它們到達(dá)的結(jié)果，在它們到達(dá)x處時(shí)，處時(shí)，電子數(shù)已增加為電子數(shù)已增加為n，這這n個(gè)個(gè)電子在電子在dx的距離中又會(huì)產(chǎn)的距離中又會(huì)產(chǎn)生生dn個(gè)

23、新電子。個(gè)新電子。dxndn高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)根據(jù)根據(jù)碰撞電離系數(shù)碰撞電離系數(shù) 的定義，可得新增加電子數(shù)為：的定義，可得新增加電子數(shù)為：分離變量并積分之，可得：分離變量并積分之，可得：xdxenn00(1-7)(1-8) 對(duì)于對(duì)于均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，氣隙中各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度相同，來(lái)說(shuō)，氣隙中各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度相同， 值不隨值不隨x而變化而變化，所以上式可寫成：，所以上式可寫成：xenn0(1-9)dndnx00011,(ln ),(0,),lnlnxdndxnxnnndxnnn碰撞電離碰撞電離次數(shù)次數(shù)高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)抵達(dá)陽(yáng)極的電子數(shù)應(yīng)為：抵達(dá)陽(yáng)極的電子數(shù)應(yīng)為：daenn0(1-10) 1(00

24、daennnn 將式將式(1-8)(1-8)的等號(hào)兩側(cè)乘以電子的電荷的等號(hào)兩側(cè)乘以電子的電荷 ，即得電流關(guān)系式：即得電流關(guān)系式：eq途中新增加的電子數(shù)或正離子數(shù)應(yīng)為：途中新增加的電子數(shù)或正離子數(shù)應(yīng)為：(1-11)0dII e式式(1-12)(1-12)中，中，eqnI00(1-12)是是包括起始電子在內(nèi)的包括起始電子在內(nèi)的電子崩中的電子崩中的電子數(shù)，即為電子崩發(fā)展規(guī)律，它電子數(shù)，即為電子崩發(fā)展規(guī)律，它表征起始電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)過(guò)程到表征起始電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)過(guò)程到達(dá)陽(yáng)極時(shí)的電子數(shù)。達(dá)陽(yáng)極時(shí)的電子數(shù)。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 式式(1-12) (1-12) 表明：雖然電子崩電流按表明：雖然電子崩電流按指

25、數(shù)規(guī)律隨極間距離指數(shù)規(guī)律隨極間距離d d而增大，但而增大，但這時(shí)放電還不能這時(shí)放電還不能自持自持，因?yàn)橐坏┏ネ饨珉婋x因子，因?yàn)橐坏┏ネ饨珉婋x因子( (令令 ) )，即，即 I變?yōu)榱?。變?yōu)榱恪?0I通過(guò)實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)可求出可求出 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)（3 3）影響碰撞電離系數(shù)的因素）影響碰撞電離系數(shù)的因素( (具有統(tǒng)計(jì)性具有統(tǒng)計(jì)性) )(1-13)若電子的平均自由行程為若電子的平均自由行程為 ，則在，則在1cm長(zhǎng)度內(nèi)一個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)一個(gè)電子的電子的平均碰撞次數(shù)為平均碰撞次數(shù)為 。1xe設(shè)在設(shè)在x=0處有處有n0個(gè)電子沿電力線方向運(yùn)動(dòng)，行經(jīng)距離個(gè)電子沿電力線方向運(yùn)動(dòng)，行經(jīng)距離x時(shí)還時(shí)還剩下剩下n個(gè)電子

26、未發(fā)生過(guò)碰撞個(gè)電子未發(fā)生過(guò)碰撞，則在，則在x到到x+dx這這一距離中一距離中發(fā)生碰撞發(fā)生碰撞的電子數(shù)應(yīng)為的電子數(shù)應(yīng)為/0 xenn由上式積分得：由上式積分得：高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 電子實(shí)際自由行程長(zhǎng)度等于或大于電子實(shí)際自由行程長(zhǎng)度等于或大于x的概率為的概率為 ，所以如果已知碰撞電離的最小行程，所以如果已知碰撞電離的最小行程，可以求出碰撞可以求出碰撞電離的概率。電離的概率。P16 根據(jù)碰撞電離系數(shù)根據(jù)碰撞電離系數(shù) 的定義，即可得出：的定義，即可得出：i1eUETpi/x U E1cm1cm長(zhǎng)度內(nèi)一個(gè)電子的長(zhǎng)度內(nèi)一個(gè)電子的平均碰撞次數(shù)為平均碰撞次數(shù)為1/1/ ：電子平均自由行程：電子平均自由行程碰

27、撞引起電離的概率碰撞引起電離的概率碰撞電離的條件碰撞電離的條件1xe碰撞電離的碰撞電離的最小行程最小行程高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)TBp EApe 對(duì)于同一種氣體，電子的平均自由行程對(duì)于同一種氣體，電子的平均自由行程 與與氣溫氣溫 成正比、與成正比、與氣壓氣壓 成反比，即：成反比，即：p當(dāng)氣溫當(dāng)氣溫T不變時(shí)不變時(shí)式中式中A A、B B是兩個(gè)與氣體種類有關(guān)的是兩個(gè)與氣體種類有關(guān)的常數(shù)常數(shù)。由上式不難看出：由上式不難看出：電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度E增大時(shí)，增大時(shí)， 急劇增大急劇增大; ; 很大或很小時(shí)，很大或很小時(shí)， 都比較小。都比較小。B pEA p eB pEA p ei/x U E高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 所

28、以，在高氣壓和高真空下，氣隙不易發(fā)生放電所以，在高氣壓和高真空下，氣隙不易發(fā)生放電現(xiàn)象，具有較高的電氣強(qiáng)度。正常大氣壓下，現(xiàn)象，具有較高的電氣強(qiáng)度。正常大氣壓下，E=30kV/cm， 11cm1。高氣壓時(shí)，高氣壓時(shí)， 很小，單位長(zhǎng)度上的碰撞次數(shù)很多，很小，單位長(zhǎng)度上的碰撞次數(shù)很多，但積聚的能量小，能引起電離的概率很小；但積聚的能量小，能引起電離的概率很??；低氣壓和真空時(shí)，低氣壓和真空時(shí)， 很大，總的碰撞次數(shù)少，所很大，總的碰撞次數(shù)少，所以以 也比較小。也比較小。pdB pEA p eT高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)2 2、湯遜理論（自持放電條件）、湯遜理論（自持放電條件） 前述已知，只有電子崩過(guò)程是不會(huì)

29、發(fā)生自持放前述已知，只有電子崩過(guò)程是不會(huì)發(fā)生自持放電的。要達(dá)到自持放電的條件，必須在氣隙內(nèi)初始電的。要達(dá)到自持放電的條件，必須在氣隙內(nèi)初始電子崩消失前產(chǎn)生電子崩消失前產(chǎn)生新的電子（二次電子）新的電子（二次電子）來(lái)取代外來(lái)取代外電離因素產(chǎn)生的初始電子。電離因素產(chǎn)生的初始電子。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，二次電子的產(chǎn)生機(jī)制與氣壓和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，二次電子的產(chǎn)生機(jī)制與氣壓和氣隙長(zhǎng)度的乘積（氣隙長(zhǎng)度的乘積（ ）有關(guān)。）有關(guān)。 值值較小較小時(shí)自持放電時(shí)自持放電的條件可用的條件可用湯遜理論湯遜理論來(lái)說(shuō)明；來(lái)說(shuō)明； 值值較大較大時(shí)則要用時(shí)則要用流流注理論注理論來(lái)解釋。來(lái)解釋。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)電子崩電子崩光電離光電離初

30、始電子初始電子電子個(gè)數(shù)電子個(gè)數(shù)2 24 48 82n2n電子崩電子崩產(chǎn)生的正離子撞擊陰極發(fā)生表面電離產(chǎn)生的正離子撞擊陰極發(fā)生表面電離新的電子新的電子( (如如果去掉外電離因素果去掉外電離因素) )仍有后繼電子仍有后繼電子放電自持。放電自持。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)（1） 過(guò)程與自持放電條件過(guò)程與自持放電條件de 由于陰極材料的表面逸出功比氣體分子的電離能由于陰極材料的表面逸出功比氣體分子的電離能小很多，因而小很多，因而正離子碰撞陰極較易使陰極釋放出電正離子碰撞陰極較易使陰極釋放出電子。子。此外此外正負(fù)離子復(fù)合正負(fù)離子復(fù)合時(shí)，以及分子由激勵(lì)態(tài)躍遷時(shí)，以及分子由激勵(lì)態(tài)躍遷回正常態(tài)時(shí)，所產(chǎn)生的回正常態(tài)時(shí)

31、，所產(chǎn)生的光子光子到達(dá)陰極表面都將引起到達(dá)陰極表面都將引起陰極表面電離陰極表面電離，統(tǒng)稱，統(tǒng)稱為為 過(guò)程過(guò)程。為此引入系數(shù)。為此引入系數(shù) 。dede湯遜第三電離系數(shù)湯遜第三電離系數(shù)高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 設(shè)外界光電離因素在陰極表面產(chǎn)生了一個(gè)自由電設(shè)外界光電離因素在陰極表面產(chǎn)生了一個(gè)自由電子子，此電子到達(dá)陽(yáng)極表面時(shí)由于，此電子到達(dá)陽(yáng)極表面時(shí)由于 過(guò)程過(guò)程，電子總數(shù)，電子總數(shù)增至增至 個(gè)。因在對(duì)個(gè)。因在對(duì) 系數(shù)進(jìn)行討論時(shí)已假設(shè)每次電系數(shù)進(jìn)行討論時(shí)已假設(shè)每次電離撞出一個(gè)正離子，故電極空間共有（離撞出一個(gè)正離子，故電極空間共有（ 1 1）個(gè)）個(gè)正離子。由系數(shù)正離子。由系數(shù) 的定義，此（的定義，此（ 1

32、1）個(gè)正離子）個(gè)正離子在到達(dá)陰極表面時(shí)可撞出在到達(dá)陰極表面時(shí)可撞出 （ 1 1）個(gè)新電子，這）個(gè)新電子，這些電子在電極空間的碰撞電離同樣又能產(chǎn)生更多的些電子在電極空間的碰撞電離同樣又能產(chǎn)生更多的正離子，如此循環(huán)下去。正離子，如此循環(huán)下去。dededededde 過(guò)程過(guò)程 過(guò)程過(guò)程高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)自持放電條件自持放電條件為為1(1) 1ln4ded ：一個(gè)正離子撞擊到陰極表面時(shí)產(chǎn)生出來(lái)的：一個(gè)正離子撞擊到陰極表面時(shí)產(chǎn)生出來(lái)的二次電子數(shù)二次電子數(shù)1(1 )1 l nded ：電子碰撞電離系數(shù)：電子碰撞電離系數(shù)：兩極板距離：兩極板距離 此條件物理概念十分清楚，即一個(gè)電子在自己進(jìn)入此條件物理概念十

33、分清楚，即一個(gè)電子在自己進(jìn)入陽(yáng)極后可以由陽(yáng)極后可以由 及及 過(guò)程在陰極上又產(chǎn)生一個(gè)新的替身，過(guò)程在陰極上又產(chǎn)生一個(gè)新的替身，從而無(wú)需外電離因素從而無(wú)需外電離因素, ,放電可由電壓維持繼續(xù)進(jìn)行下去。放電可由電壓維持繼續(xù)進(jìn)行下去。)(pdfUbde(1-21)(1-21)湯遜第三電離系數(shù)（表面電離）湯遜第三電離系數(shù)（表面電離）湯遜第一電離系數(shù)（空間電離）湯遜第一電離系數(shù)（空間電離）高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)自持放電條件自持放電條件總結(jié)：總結(jié)：(1)將將電子崩（電子崩（ 過(guò)程過(guò)程）和陰極上的）和陰極上的過(guò)程過(guò)程作為氣體自持放電作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)；的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)；(2)湯

34、遜理論的實(shí)質(zhì)是：電子碰撞電離是氣體放電的主要原湯遜理論的實(shí)質(zhì)是：電子碰撞電離是氣體放電的主要原因，二次電子來(lái)源于正離子撞擊陰極表面使陰極表面逸出電因，二次電子來(lái)源于正離子撞擊陰極表面使陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件；子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件；(3)逸出電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)；逸出電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)；(4)間隙被擊穿，間隙被擊穿，電流電流I由外加電壓決定由外加電壓決定，建立各種放電形式。，建立各種放電形式。pd高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)（2 2）湯遜放電理論的適用范圍：）湯遜放電理論的適用范圍：解釋氣體放電機(jī)解釋氣體放電機(jī)制的

35、最早理論。由英國(guó)物理學(xué)家制的最早理論。由英國(guó)物理學(xué)家J.S.E.湯遜于湯遜于1903年提出。年提出。 湯遜理論湯遜理論是在是在低氣壓、低氣壓、 較小較小的條件下在放電的條件下在放電實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的。實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的。 過(guò)小或過(guò)大，放電機(jī)理將過(guò)小或過(guò)大，放電機(jī)理將出現(xiàn)變化，湯遜理論就不再適用了。出現(xiàn)變化，湯遜理論就不再適用了。pd 過(guò)小時(shí)，氣壓極低（過(guò)小的過(guò)小時(shí)，氣壓極低（過(guò)小的d不被采用），電不被采用），電子的自由行程子的自由行程 遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于 ，碰撞電離來(lái)不及發(fā)生，擊碰撞電離來(lái)不及發(fā)生，擊穿電壓似乎應(yīng)趨于無(wú)窮大穿電壓似乎應(yīng)趨于無(wú)窮大，但實(shí)際上電壓，但實(shí)際上電壓U上升到一上升到一定程度后，

36、定程度后，場(chǎng)致發(fā)射將導(dǎo)致?lián)舸ㄕ婵盏膿舸﹫?chǎng)致發(fā)射將導(dǎo)致?lián)舸ㄕ婵盏膿舸?，湯，湯遜的碰撞電離理論不再適用，擊穿電壓將不再增加。遜的碰撞電離理論不再適用，擊穿電壓將不再增加。xdbupd高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)2.1.4 巴申定律與適用范圍（巴申定律與適用范圍（1889 年年） 早在湯遜理論出現(xiàn)之前，巴申早在湯遜理論出現(xiàn)之前，巴申(Paschen)(Paschen)就于就于18891889年從大量的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出了擊穿電壓年從大量的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出了擊穿電壓 與與 的關(guān)系曲線，稱為巴申定律，即的關(guān)系曲線，稱為巴申定律，即pdb1elnB p dUdA p d 1 1、巴申定律、巴申定律( (pd 值較小

37、的情況，與碰撞電離說(shuō)互為支持值較小的情況，與碰撞電離說(shuō)互為支持)當(dāng)氣體成份和電極材料一定時(shí)，當(dāng)氣體成份和電極材料一定時(shí)，bl n1l nBpdUApdpdfub表達(dá)為表達(dá)為:擊穿電壓擊穿電壓U（千伏）是電極距離（千伏）是電極距離d（厘米）（厘米）和氣壓和氣壓P（托）乘積的函數(shù)。（托）乘積的函數(shù)。 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)圖圖1-71-7給出了空氣間隙的給出了空氣間隙的 與與 的關(guān)系曲線。從圖的關(guān)系曲線。從圖中可見，首先，中可見，首先， 并不僅并不僅僅由僅由 決定，而是決定，而是 的的函數(shù)；其次函數(shù)；其次 不是不是 的的單調(diào)函數(shù)，而是單調(diào)函數(shù)，而是U U型曲線，型曲線，有極小值有極小值。bupdbu

38、dpdpddmin, bU圖圖1-7 1-7 實(shí)驗(yàn)求得的均勻場(chǎng)不同氣體間隙實(shí)驗(yàn)求得的均勻場(chǎng)不同氣體間隙 曲線曲線高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 不同氣體，其巴申曲線上的最低擊穿電壓不同氣體，其巴申曲線上的最低擊穿電壓 ，以及使以及使 的的 值值 各不相同。對(duì)空氣，各不相同。對(duì)空氣， 的極小值為的極小值為 。min, bbUum inp dVUb325min,d0.7pd 此極小值出現(xiàn)在此極小值出現(xiàn)在 時(shí)，即時(shí)，即 的極小值不是出的極小值不是出現(xiàn)在常壓下，而是出現(xiàn)在現(xiàn)在常壓下，而是出現(xiàn)在低氣壓低氣壓，即空氣相對(duì)密度，即空氣相對(duì)密度較小的情況下。較小的情況下。p d81 0dedbu圖圖1-7 1-7 實(shí)驗(yàn)

39、求得的均勻場(chǎng)不同氣體間隙實(shí)驗(yàn)求得的均勻場(chǎng)不同氣體間隙 曲線曲線高氣壓、高真空都可以提高擊穿電壓，工程上已得高氣壓、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）到廣泛應(yīng)用（如：壓縮空氣開關(guān)、真空開關(guān)等）高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 巴申定律適用于巴申定律適用于pd 值較小的情況，與湯遜碰撞電離說(shuō)值較小的情況，與湯遜碰撞電離說(shuō)互為支持。但互為支持。但pd過(guò)大（電力工程常見）時(shí)，氣壓高（過(guò)大（電力工程常見）時(shí)，氣壓高（1個(gè)到個(gè)到數(shù)十個(gè)大氣壓），或間隙距離數(shù)十個(gè)大氣壓），或間隙距離d大，氣體擊穿的很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)大，氣體擊穿的很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無(wú)法全部在湯遜理論范圍內(nèi)給以解釋：象無(wú)法全部

40、在湯遜理論范圍內(nèi)給以解釋： 放電外形：放電外形：具有分支的細(xì)通道具有分支的細(xì)通道 放電時(shí)間放電時(shí)間；很短，很短，遠(yuǎn)小于正離子穿越間隙的時(shí)間遠(yuǎn)小于正離子穿越間隙的時(shí)間 擊穿電壓：擊穿電壓：與理論計(jì)算不一致與理論計(jì)算不一致 陰極材料：陰極材料：無(wú)關(guān)無(wú)關(guān) 因此，通常認(rèn)為，因此，通常認(rèn)為，pd26.66kPacm(pd200 cmmmHg)時(shí)，擊穿過(guò)程將發(fā)生變化，湯遜理論的計(jì)算結(jié)時(shí)，擊穿過(guò)程將發(fā)生變化，湯遜理論的計(jì)算結(jié)果不再適用，果不再適用，但其碰撞電離的基本原理仍是普遍有效的。但其碰撞電離的基本原理仍是普遍有效的。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)2.1.6 pd 值較大的情況（值較大的情況（流注理論：流注理論：

41、R.瑞特與瑞特與J.M.米克米克 1937年）年）壓力較高氣體的擊穿，如大氣壓下空氣的擊穿壓力較高氣體的擊穿，如大氣壓下空氣的擊穿目前還比較粗糙，限于放電過(guò)程的定性描述目前還比較粗糙，限于放電過(guò)程的定性描述 實(shí)測(cè)的放電時(shí)延實(shí)測(cè)的放電時(shí)延遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于正離子穿越間隙所需的時(shí)正離子穿越間隙所需的時(shí)間，這表明湯遜理論不適用于間，這表明湯遜理論不適用于pd值較大的情況。云室值較大的情況。云室的研究表明：的研究表明：電子崩發(fā)展到一定階段后，會(huì)產(chǎn)生電離電子崩發(fā)展到一定階段后，會(huì)產(chǎn)生電離特強(qiáng)，發(fā)展速度更快的新的放電區(qū)，稱為流注放電。特強(qiáng)，發(fā)展速度更快的新的放電區(qū)，稱為流注放電。 形成流注的必要條件是電子崩發(fā)展

42、到足夠的程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使度后，電子崩中的空間電荷使原電場(chǎng)明顯畸變?cè)妶?chǎng)明顯畸變，大，大大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾處的電場(chǎng)。加強(qiáng)了崩頭及崩尾處的電場(chǎng)。（1 1）流注的形成條件）流注的形成條件高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變(1)電子崩崩頭集中著電子，其后是正離電子崩崩頭集中著電子，其后是正離子，形狀似半球形錐體；子，形狀似半球形錐體；(2)空間電荷分布極不均勻，大大加強(qiáng)了空間電荷分布極不均勻，大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾的電場(chǎng)，削弱了電子崩內(nèi)部崩頭及崩尾的電場(chǎng)，削弱了電子崩內(nèi)部的電場(chǎng)；的電場(chǎng)；(3)崩頭電場(chǎng)明顯增強(qiáng)，有利于分子和離

43、崩頭電場(chǎng)明顯增強(qiáng)，有利于分子和離子的激勵(lì)現(xiàn)象，當(dāng)它們從激勵(lì)態(tài)恢復(fù)到子的激勵(lì)現(xiàn)象，當(dāng)它們從激勵(lì)態(tài)恢復(fù)到正常態(tài)時(shí)將放射出光子；電子崩內(nèi)部電正常態(tài)時(shí)將放射出光子；電子崩內(nèi)部電場(chǎng)削弱，有助于復(fù)合將放射出場(chǎng)削弱，有助于復(fù)合將放射出光子光子；(4)這些光子將導(dǎo)致電場(chǎng)區(qū)這些光子將導(dǎo)致電場(chǎng)區(qū)空間光電離空間光電離。二次電子崩的主要來(lái)源是空間的光電離二次電子崩的主要來(lái)源是空間的光電離。氣隙中一旦形成流注，放電就可由空間氣隙中一旦形成流注，放電就可由空間光電離自行維持。光電離自行維持。外加電場(chǎng)外加電場(chǎng)+ + 附加電場(chǎng)附加電場(chǎng)高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)高氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的流注理論高氣壓下均勻電場(chǎng)自持放電的流注理論擊穿

44、電壓下?lián)舸╇妷合抡髯⒄髯⒌男纬珊桶l(fā)展示意圖（向陰極推進(jìn)）的形成和發(fā)展示意圖（向陰極推進(jìn)）)3 . 01 (30rEc-+正負(fù)離子形成正負(fù)離子形成的等離子體的等離子體（導(dǎo)電良好）（導(dǎo)電良好）電子崩電子崩流注流注擊穿擊穿如果電壓大大超過(guò)擊穿電壓，可能直接形成負(fù)流注如果電壓大大超過(guò)擊穿電壓，可能直接形成負(fù)流注 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)(a)(a)起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩(b)(b)初崩發(fā)展到陽(yáng)極，電子中和，正離子作為空間電荷畸初崩發(fā)展到陽(yáng)極，電子中和，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；變?cè)妶?chǎng)，加強(qiáng)正離子與陰極間電場(chǎng)，放

45、射出大量光子；(c)(c)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，會(huì)出現(xiàn)曲折的分支；二次崩，會(huì)出現(xiàn)曲折的分支；(d)(d)二次崩電子與正空間電荷匯合成二次崩電子與正空間電荷匯合成流注通道流注通道( (冷等離子冷等離子體體) )，其端部又有二次崩留下的正電荷，加強(qiáng)局部電場(chǎng)產(chǎn)，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；生新電子崩使其發(fā)展；(e)(e)流注頭部電離過(guò)程迅速發(fā)展，放射出大量光子，引起流注頭部電離過(guò)程迅速發(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；空間光電離，流注前方出現(xiàn)新的

46、二次崩，延長(zhǎng)流注通道；(f)(f)流注通道貫通，氣隙擊穿。流注通道貫通，氣隙擊穿。注意：流注速度為注意：流注速度為108109cm/s，而電子崩速度為，而電子崩速度為107cm/s高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)流注理論對(duì)放電現(xiàn)象的解釋流注理論對(duì)放電現(xiàn)象的解釋放電時(shí)間放電時(shí)間 二次崩的起始電子是光子形成的，而光子以光速傳二次崩的起始電子是光子形成的，而光子以光速傳播，所以播，所以流注發(fā)展非?？炝髯l(fā)展非?？?；放電外形放電外形光輻射是指向各個(gè)方向的，二次崩的發(fā)展具有不同的方光輻射是指向各個(gè)方向的，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，而且位，所以流注的推進(jìn)不可能均勻，而且具有分支具有分支；陰

47、極材料陰極材料 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，因此靠空間光電離產(chǎn)生電子維持，因此與陰極材料無(wú)關(guān)與陰極材料無(wú)關(guān)。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)（2 2）流注自持放電條件（即形成流注的條件）流注自持放電條件（即形成流注的條件）決定于起始電子崩頭部的電荷（決定于起始電子崩頭部的電荷（ 電子崩全部電荷，與其成比例電子崩全部電荷，與其成比例）1lnd1ln 2 0d 對(duì) 于 空 氣 間 隙 ：()0ednn 流注理論可以解釋湯遜理論無(wú)法說(shuō)明的流注理論可以解釋湯遜理論無(wú)法說(shuō)明的pd值大時(shí)的放電現(xiàn)值大時(shí)的放電現(xiàn)象。如放電為何并不充滿整

48、個(gè)電極空間而是細(xì)通道形式，且有象。如放電為何并不充滿整個(gè)電極空間而是細(xì)通道形式，且有時(shí)火花通道呈曲折形，又如放電時(shí)延為什么遠(yuǎn)小于離子穿越極時(shí)火花通道呈曲折形，又如放電時(shí)延為什么遠(yuǎn)小于離子穿越極間距離的時(shí)間，再如為何擊穿電壓與陰極材料無(wú)關(guān)。間距離的時(shí)間，再如為何擊穿電壓與陰極材料無(wú)關(guān)。 兩種理論各適用于一定條件的放電過(guò)程，不能用一種理論兩種理論各適用于一定條件的放電過(guò)程，不能用一種理論取代另一種理論。取代另一種理論。與湯遜理論具有相同的形式，說(shuō)明碰撞電離的重要作用，但與湯遜理論具有相同的形式，說(shuō)明碰撞電離的重要作用，但 有不同的物理意義，數(shù)量也有很大區(qū)別。有不同的物理意義，數(shù)量也有很大區(qū)別。ed

49、常數(shù)才為流注放電才為流注放電空間光電離空間光電離的某個(gè)常數(shù)的某個(gè)常數(shù)e1d高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)1.湯遜理論只適用于湯遜理論只適用于pd值較小的范圍，流注理論只適用于值較小的范圍，流注理論只適用于pd值較大的范圍，二者過(guò)渡值為值較大的范圍，二者過(guò)渡值為pd=26.66kPacm；(1)湯遜理論湯遜理論的基本觀點(diǎn)：電子碰撞電離是氣體放電時(shí)電的基本觀點(diǎn)：電子碰撞電離是氣體放電時(shí)電流倍增的主要過(guò)程，而流倍增的主要過(guò)程，而陰極表面的電子發(fā)射陰極表面的電子發(fā)射是是維持維持放電的放電的必要條件。必要條件。(2)流注理論流注理論的基本觀點(diǎn)：的基本觀點(diǎn)：以湯遜理論的碰撞電離為基以湯遜理論的碰撞電離為基礎(chǔ)，礎(chǔ)，強(qiáng)

50、調(diào)空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用強(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，著重于用氣體空間光電離來(lái)解釋氣體放電通道的發(fā)展過(guò)程；光電離來(lái)解釋氣體放電通道的發(fā)展過(guò)程；放電從起始到放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過(guò)程，擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過(guò)程，當(dāng)初始電子崩中離子當(dāng)初始電子崩中離子數(shù)達(dá)數(shù)達(dá)108以上時(shí)以上時(shí)，引起，引起空間光電離質(zhì)變空間光電離質(zhì)變，電子崩匯合成流電子崩匯合成流注注；流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持。流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持。湯遜放電理論與流注放電理論的比較：湯遜放電理論與流注放電理論的比較：高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)2. 2. 引起氣體放電的外部原因有兩個(gè)，其一是電場(chǎng)作用，其二引起氣

51、體放電的外部原因有兩個(gè)，其一是電場(chǎng)作用，其二是外電離因素。因此，我們把去掉外界因素作用后，放電立即是外電離因素。因此，我們把去掉外界因素作用后，放電立即停止的放電形式稱為非自持放電；把由電場(chǎng)作用就能維持的放停止的放電形式稱為非自持放電；把由電場(chǎng)作用就能維持的放電稱為自持放電。電稱為自持放電。3. 3. 湯遜理論和流注理論湯遜理論和流注理論自持放電條件的比較自持放電條件的比較(1)(1)湯遜理論湯遜理論：pdpd小，電子崩散發(fā)的光子不易為氣體吸收而到小，電子崩散發(fā)的光子不易為氣體吸收而到達(dá)陰極，引起表面電離。金屬表面光電離比空間氣體光電離容達(dá)陰極，引起表面電離。金屬表面光電離比空間氣體光電離容易

52、，自持放電由陰極過(guò)程來(lái)維持。此外，氣壓低時(shí)，帶電質(zhì)點(diǎn)易，自持放電由陰極過(guò)程來(lái)維持。此外，氣壓低時(shí)，帶電質(zhì)點(diǎn)易擴(kuò)散，電子崩頭部電荷密度不易達(dá)到足夠的數(shù)值，易擴(kuò)散，電子崩頭部電荷密度不易達(dá)到足夠的數(shù)值，所以在流所以在流注出現(xiàn)前，已經(jīng)由陰極過(guò)程維持自持放電了。注出現(xiàn)前，已經(jīng)由陰極過(guò)程維持自持放電了。 流注理論流注理論：pdpd大，電子崩散發(fā)的光子為氣體吸收，無(wú)法到大，電子崩散發(fā)的光子為氣體吸收，無(wú)法到達(dá)陰極。但空間光電離強(qiáng)烈，發(fā)電轉(zhuǎn)入流注形式。達(dá)陰極。但空間光電離強(qiáng)烈，發(fā)電轉(zhuǎn)入流注形式。(2) (2) 系數(shù)的物理意義不同系數(shù)的物理意義不同高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)稍不均勻電場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng) 對(duì)于大多數(shù)實(shí)用的

53、稍不均勻電場(chǎng)，基本能夠滿足對(duì)于大多數(shù)實(shí)用的稍不均勻電場(chǎng)，基本能夠滿足發(fā)展流注的臨界條件，故氣隙的擊穿大多數(shù)是按照流發(fā)展流注的臨界條件，故氣隙的擊穿大多數(shù)是按照流注理論進(jìn)行的，出現(xiàn)流注即擊穿。注理論進(jìn)行的，出現(xiàn)流注即擊穿。不均勻電場(chǎng)（最大場(chǎng)強(qiáng)比平均場(chǎng)強(qiáng)高得多）不均勻電場(chǎng)（最大場(chǎng)強(qiáng)比平均場(chǎng)強(qiáng)高得多） 對(duì)于強(qiáng)電領(lǐng)域中的極不均勻電場(chǎng)，氣隙的擊穿實(shí)對(duì)于強(qiáng)電領(lǐng)域中的極不均勻電場(chǎng)，氣隙的擊穿實(shí)際上都是按照流注機(jī)理進(jìn)行的。際上都是按照流注機(jī)理進(jìn)行的。 在不均勻場(chǎng)中，當(dāng)所加電壓還不足以導(dǎo)致整個(gè)間在不均勻場(chǎng)中，當(dāng)所加電壓還不足以導(dǎo)致整個(gè)間隙的擊穿時(shí)，還存在著不同形式的隙的擊穿時(shí)，還存在著不同形式的預(yù)放電預(yù)放電，如

54、電暈、，如電暈、刷形放電等。刷形放電等。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 電負(fù)性氣體的情況電負(fù)性氣體的情況 對(duì)強(qiáng)電負(fù)性氣體，除考慮對(duì)強(qiáng)電負(fù)性氣體，除考慮和和過(guò)程外，還應(yīng)考慮過(guò)程外，還應(yīng)考慮過(guò)過(guò)程（程（電子附著過(guò)程電子附著過(guò)程）。）。的定義與的定義與相似，即一個(gè)電子沿電相似，即一個(gè)電子沿電力線方向行經(jīng)力線方向行經(jīng)1 cm1 cm時(shí)平均發(fā)生的電子附著次數(shù)。可見在電負(fù)時(shí)平均發(fā)生的電子附著次數(shù)。可見在電負(fù)性氣體中有效的碰撞電離系數(shù)為性氣體中有效的碰撞電離系數(shù)為 。vEEfmax()dxK對(duì)于非均勻場(chǎng)： 由于強(qiáng)電負(fù)性氣體中由于強(qiáng)電負(fù)性氣體中 ，所以其自持放電，所以其自持放電場(chǎng)強(qiáng)比非電負(fù)性氣體高得多。以場(chǎng)強(qiáng)比非電負(fù)性

55、氣體高得多。以SFSF6 6氣體為例，在氣體為例，在101.3kPa101.3kPa，2020的條件下，的條件下，均勻電場(chǎng)中擊穿場(chǎng)強(qiáng)為均勻電場(chǎng)中擊穿場(chǎng)強(qiáng)為E Eb b89kV/cm89kV/cm，約為，約為同樣條件的空氣間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的同樣條件的空氣間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的3 3倍。倍。 ( ) dK 對(duì) 于 均 勻 場(chǎng) ： 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)氣體放電總結(jié)氣體放電總結(jié)1. 氣體間隙中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失是氣體放電的一氣體間隙中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失是氣體放電的一對(duì)基本矛盾，氣體放電的發(fā)展和終止取決于這兩個(gè)過(guò)對(duì)基本矛盾，氣體放電的發(fā)展和終止取決于這兩個(gè)過(guò)程誰(shuí)占主導(dǎo)地位。程誰(shuí)占主導(dǎo)地位。2. 強(qiáng)電場(chǎng)下，氣

56、體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生形式可以分為空強(qiáng)電場(chǎng)下，氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生形式可以分為空間電離和表面電離。間電離和表面電離。它們都與外界供給的能量有關(guān)它們都與外界供給的能量有關(guān)，能量的形式主要是電場(chǎng)能、光輻射和熱能，而能量的能量的形式主要是電場(chǎng)能、光輻射和熱能，而能量的傳遞靠電子、光子或氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)，其傳遞的過(guò)傳遞靠電子、光子或氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)，其傳遞的過(guò)程主要是碰撞，它是造成氣體分子電離的有效過(guò)程。程主要是碰撞，它是造成氣體分子電離的有效過(guò)程。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)電子碰撞電離電子碰撞電離 正離子碰撞電離正離子碰撞電離 碰撞電離碰撞電離光電離光電離熱電離熱電離氣體空間氣體空間電離電離金屬表面金屬表面電

57、離電離負(fù)離子的形成負(fù)離子的形成正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極光電效應(yīng)光電效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射熱電子發(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)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)的擴(kuò)散帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合帶電質(zhì)帶電質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生點(diǎn)產(chǎn)生帶電質(zhì)帶電質(zhì)點(diǎn)消失點(diǎn)消失氣體放電氣體放電發(fā)展過(guò)程發(fā)展過(guò)程高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)2.1.5 不均勻電場(chǎng)中的氣體放電不均勻電場(chǎng)中的氣體放電 電氣設(shè)備中很少有均勻電場(chǎng)的情況。但對(duì)不均勻電場(chǎng)還電氣設(shè)備中很少有均勻電場(chǎng)的情況。但對(duì)不均勻電場(chǎng)還要區(qū)分兩種不同的情況，即要區(qū)分兩種不同的情況，即稍不均勻電場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng)和和極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)。全封閉組合

58、電器全封閉組合電器(GIS)(GIS)的母線筒和高壓實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量高電壓用的母線筒和高壓實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量高電壓用的球間隙是典型的稍不均勻電場(chǎng)；高壓輸電線之間的空氣絕的球間隙是典型的稍不均勻電場(chǎng)；高壓輸電線之間的空氣絕緣和實(shí)驗(yàn)室中高壓發(fā)生器的輸出端對(duì)墻的空氣絕緣則屬于極緣和實(shí)驗(yàn)室中高壓發(fā)生器的輸出端對(duì)墻的空氣絕緣則屬于極不均勻電場(chǎng)。不均勻電場(chǎng)。 電場(chǎng)越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓之間的差別越大。電場(chǎng)越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓之間的差別越大。從放電觀點(diǎn)看：從放電觀點(diǎn)看：電場(chǎng)的不均勻程度可以根據(jù)是否存在穩(wěn)定的電場(chǎng)的不均勻程度可以根據(jù)是否存在穩(wěn)定的電暈放電來(lái)區(qū)分；稍不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程與均勻電場(chǎng)相

59、電暈放電來(lái)區(qū)分；稍不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程與均勻電場(chǎng)相似，擊穿條件就是自持放電條件，無(wú)電暈產(chǎn)生。似，擊穿條件就是自持放電條件，無(wú)電暈產(chǎn)生。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)1. 稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的特點(diǎn)與劃分稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的特點(diǎn)與劃分 均勻電場(chǎng)是一種少有的特例，在實(shí)際電力設(shè)均勻電場(chǎng)是一種少有的特例，在實(shí)際電力設(shè)施中常見的卻是不均勻電場(chǎng)。施中常見的卻是不均勻電場(chǎng)。 為了描述各種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)不均勻程度，可引為了描述各種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)不均勻程度，可引入一個(gè)電場(chǎng)不均勻系數(shù)入一個(gè)電場(chǎng)不均勻系數(shù)f，表示為：，表示為：vE: :最大電場(chǎng)強(qiáng)度最大電場(chǎng)強(qiáng)度dUEv: :平均電場(chǎng)強(qiáng)度平均電場(chǎng)強(qiáng)度maxEf4屬不均勻

60、電場(chǎng)。屬不均勻電場(chǎng)。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)cU半徑為半徑為r r的球間隙的放電特性與極間距的球間隙的放電特性與極間距d d的關(guān)系的關(guān)系 稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的不同特點(diǎn)稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的不同特點(diǎn)放電具有稍不均放電具有稍不均勻場(chǎng)間隙的特點(diǎn)勻場(chǎng)間隙的特點(diǎn)擊穿電壓與電暈擊穿電壓與電暈起始電壓相同起始電壓相同 放電具有極不均放電具有極不均勻場(chǎng)間隙的特點(diǎn)勻場(chǎng)間隙的特點(diǎn)電暈起始電壓明電暈起始電壓明顯低于擊穿電壓顯低于擊穿電壓 放 電 過(guò) 程 不放 電 過(guò) 程 不穩(wěn)定，穩(wěn)定，分散分散屬于過(guò)渡區(qū)屬于過(guò)渡區(qū) 稍不均勻電場(chǎng)的放電類似均勻電場(chǎng)，擊穿前無(wú)放電稍不均勻電場(chǎng)的放電類似均勻電場(chǎng)，擊穿前無(wú)放電跡象