高電壓技術(shù)——第二講氣體放電的基本物理過程2.2

1、第二章第二章 氣體放電的氣體放電的基本物理過程基本物理過程( (一一) )E-mail:上節(jié)回顧：上節(jié)回顧： 交流高壓輸電的組成？ 電廠電廠輸電網(wǎng)輸電網(wǎng)配電網(wǎng)配電網(wǎng)用戶用戶 直流高壓輸電的組成？直流高壓輸電的組成？電廠電廠升壓升壓整流整流輸電網(wǎng)輸電網(wǎng)逆變逆變降壓降壓用用戶戶 為何要高壓輸電？ 我國(guó)電能現(xiàn)狀，損耗，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定我國(guó)電能現(xiàn)狀，損耗，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定 直流輸電與交流輸電的差別?優(yōu)缺點(diǎn)？ 交流（升降壓），直流（換流，升降壓）交流（升降壓），直流（換流，升降壓） 直流更穩(wěn)定，直流更穩(wěn)定，自防護(hù)時(shí)間短，全自動(dòng)控制，線路走廊小自防護(hù)時(shí)間短，全自動(dòng)控制，線路走廊小等等E-mail:第二章第二章

2、 氣體放電的基本物理過程氣體放電的基本物理過程l 高壓電氣設(shè)備高壓電氣設(shè)備絕緣介質(zhì)有氣體、液體、固體及其有氣體、液體、固體及其復(fù)合介質(zhì)，其中復(fù)合介質(zhì)，其中氣體最為常見。（如：架空輸電線。（如：架空輸電線路的絕緣，路的絕緣，變壓器油變壓器油電器的外絕緣）電器的外絕緣）l 與液體、固體介質(zhì)相比，氣體絕緣介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)：與液體、固體介質(zhì)相比，氣體絕緣介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)：不存在老化問題，且在擊穿后具有完全的，且在擊穿后具有完全的絕緣自恢復(fù)特性。E-mail:第二章第二章 氣體放電的基本物理過程氣體放電的基本物理過程l帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失l放電的電子崩階段l自持放電條件l不均勻電場(chǎng)中氣體放電的特點(diǎn)1 1. .氣體中

3、電子與正離子的產(chǎn)生氣體中電子與正離子的產(chǎn)生2 2. . 電極表面的電子逸出電極表面的電子逸出3 3 . .氣體中負(fù)離子的形成氣體中負(fù)離子的形成4 4 . .帶電質(zhì)點(diǎn)的消失帶電質(zhì)點(diǎn)的消失E-mail:2.1 2.1 帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) 中性氣體分子不導(dǎo)電，但由于宇宙射線和地殼中中性氣體分子不導(dǎo)電，但由于宇宙射線和地殼中放射性物質(zhì)的射線等作用，放射性物質(zhì)的射線等作用，使使氣體氣體微弱電離（外電離）而產(chǎn)生而產(chǎn)生少量帶電質(zhì)點(diǎn)。E-mail:2.1.1 氣體中電子與正離子的產(chǎn)生電離電離 電離所需的能量稱為電離所需的能量稱為電離能電離能W Wi i（用電子伏（用電子

4、伏eVeV表示）表示） 1eV=1.61eV=1.61010- -1919J JE-mail: 電離的幾種形式電離的幾種形式（1 1）熱電離）熱電離：高溫引起氣體電離過程。高溫引起氣體電離過程。32WkT波爾茨曼常數(shù)1.3810-23J/K 熱力學(xué)溫度 室溫下室溫下，氣體分子的平均動(dòng)能為，氣體分子的平均動(dòng)能為1010-2-2eVeV數(shù)量級(jí)，數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)小于電離能（遠(yuǎn)小于電離能（10101 1eVeV），熱電離率極低。），熱電離率極低。 因此，常溫下氣體放電不必考慮熱電離的因素。因此，常溫下氣體放電不必考慮熱電離的因素。2.1.1 氣體中電子與正離子的產(chǎn)生E-mail:（2 2）光電離）光電離：光

5、輻射引起氣體分子電離。光輻射引起氣體分子電離。Wh普朗克常數(shù)6.6310-34Js ih cW條 件 ：試推導(dǎo)，能使氣體發(fā)生光電離的光波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)。2.1.1 氣體中電子與正離子的產(chǎn)生E-mail:（3 3）碰撞電離）碰撞電離：質(zhì)點(diǎn)與中性的原子或分子碰撞時(shí)，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大于電離能則發(fā)生電離。如原子或分子獲得的能量大于電離能則發(fā)生電離。212imveEx WiUxE條 件 ： 碰撞電離是氣體放電過程中產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的碰撞電離是氣體放電過程中產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的最重要的方式。最重要的方式。2.1.1 氣體中電子與正離子的產(chǎn)生E-mail:(4)分級(jí)電離激勵(lì)：原子中電

6、子在外界因素的作用下可躍遷到能級(jí)原子中電子在外界因素的作用下可躍遷到能級(jí)較高的外層軌道。（所需能量為激勵(lì)能較高的外層軌道。（所需能量為激勵(lì)能WeWe）分級(jí)電離：原子或分子在激勵(lì)態(tài)再獲得能量而發(fā)生電原子或分子在激勵(lì)態(tài)再獲得能量而發(fā)生電離。（所需能量）離。（所需能量）激勵(lì)態(tài)不穩(wěn)定，只有激勵(lì)態(tài)不穩(wěn)定，只有亞激勵(lì)態(tài)才能引起分級(jí)電離。才能引起分級(jí)電離。2.1.1 氣體中電子與正離子的產(chǎn)生E-mail:(4)分級(jí)電離潘寧效應(yīng)（Penning）：若混合氣體中甲氣體的亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)能高于乙氣體的電離能，則可使混合氣體的擊穿強(qiáng)度低于這兩種氣體各自的擊穿強(qiáng)度。 在絕緣領(lǐng)域，潘寧效應(yīng)不利。但在氣體放電領(lǐng)域卻經(jīng)常使用。（

7、霓虹燈）2.1.1 氣體中電子與正離子的產(chǎn)生E-mail:2.1.2 電極表面的電子逸出 從金屬表面逸出的電從金屬表面逸出的電子也會(huì)進(jìn)入氣體間隙子也會(huì)進(jìn)入氣體間隙參與碰撞電離過程。參與碰撞電離過程。 使電子從金屬表面逸使電子從金屬表面逸出需要的能量出需要的能量逸逸出功出功。E-mail:2.1.2 電極表面的電子逸出（1）正離子撞擊陰極：只有當(dāng)正離子的能量大于只有當(dāng)正離子的能量大于金屬逸出功的兩倍時(shí)才能產(chǎn)生電極表面電子發(fā)金屬逸出功的兩倍時(shí)才能產(chǎn)生電極表面電子發(fā)射。射。（2）光電子發(fā)射。（3）強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射：陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)度很大時(shí)，也能陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)度很大時(shí)，也能使陰極放出電子，稱為強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射或冷發(fā)射。

8、使陰極放出電子，稱為強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射或冷發(fā)射。（4）熱電子發(fā)射：高溫下金屬中電子因獲得巨大高溫下金屬中電子因獲得巨大的動(dòng)能而從電極表面逸出。的動(dòng)能而從電極表面逸出。E-mail:2.1.3 氣體中負(fù)離子的形成 帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)中不但有由帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)中不但有由碰撞而產(chǎn)生正離子和電子，也有也有電子電子附著在原子或分子上而形成負(fù)離子。 負(fù)離子的形成過程與電離相反，會(huì)負(fù)離子的形成過程與電離相反，會(huì)釋放能量，該能量稱為該能量稱為電子親合能。 電子親合能用于表征原子電子親合能用于表征原子捕獲電子的難易程度，電子的難易程度，值越大，越易。值越大，越易。E-mail:2.1.3 氣體中負(fù)離子的形成 電負(fù)性：無量綱數(shù)，表征原子在分

9、子中無量綱數(shù)，表征原子在分子中吸引電子電子的能力。的能力。思考：電負(fù)性與絕緣性能，思考：電負(fù)性與絕緣性能，與電氣強(qiáng)度的關(guān)系？與電氣強(qiáng)度的關(guān)系？E-mail:2.1.3 氣體中負(fù)離子的形成 電子能量對(duì)電負(fù)性的影響。電子能量對(duì)電負(fù)性的影響。 電場(chǎng)強(qiáng)度很高時(shí)，電子能量高，運(yùn)動(dòng)速度快，電場(chǎng)強(qiáng)度很高時(shí)，電子能量高，運(yùn)動(dòng)速度快，附著率低。附著率低。 圖圖2-22-2分析說明。分析說明。 E-mail:2.1.4 帶電質(zhì)點(diǎn)的消失（1）帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散 帶電質(zhì)點(diǎn)從濃度較大的區(qū)域向濃度較小的區(qū)域的移動(dòng)，帶電質(zhì)點(diǎn)從濃度較大的區(qū)域向濃度較小的區(qū)域的移動(dòng)，從而使?jié)舛茸兊镁鶆虻倪^程，稱為帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散。電子從而使?jié)舛茸兊?/p>

10、均勻的過程，稱為帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散。電子的的擴(kuò)散比離子的擴(kuò)散快得多。擴(kuò)散比離子的擴(kuò)散快得多。（2）帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合 帶異號(hào)電荷的質(zhì)點(diǎn)相遇，發(fā)生電荷的傳遞和中和而還帶異號(hào)電荷的質(zhì)點(diǎn)相遇，發(fā)生電荷的傳遞和中和而還原為中性質(zhì)點(diǎn)的過程，稱為復(fù)合。帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合時(shí)會(huì)以光輻原為中性質(zhì)點(diǎn)的過程，稱為復(fù)合。帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合時(shí)會(huì)以光輻射的形式將電離時(shí)獲得的能量釋放出來，這種光輻射在一定射的形式將電離時(shí)獲得的能量釋放出來，這種光輻射在一定條件下能導(dǎo)致間隙中其他中性原子或分子的電離。帶電質(zhì)點(diǎn)條件下能導(dǎo)致間隙中其他中性原子或分子的電離。帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合率與正、負(fù)電荷的濃度有關(guān)，濃度越大則復(fù)合率越高。的復(fù)合率與正、負(fù)電荷的濃度有關(guān)，

11、濃度越大則復(fù)合率越高。E-mail:2.2 2.2 放電的電子崩階段放電的電子崩階段 非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn) 電子崩的特點(diǎn) 影響碰撞電離系數(shù)的因素E-mail:2.2.1非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn)非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn) 非自持放電：氣體放電需要靠外電離來維持。氣體放電需要靠外電離來維持。 自持放電：氣體放電只靠外施電壓就能維持。氣體放電只靠外施電壓就能維持。 自持放電的起始電壓：U0。 自持放電的形式有多種，如：輝光放電、火花放電、電弧放電、電暈放電等。E-mail:2.2.1非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn)非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn)帶電質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度加快，復(fù)合率減小 。

12、所以電流隨外加電壓提高而增大。電流飽和，電流僅取決于外電離因素的強(qiáng)弱而與外加電壓無關(guān)。 電流開始增大，能量足夠引起碰撞電離。 電流急劇上升放電過程進(jìn)入了一個(gè)新的階段（擊穿） 自持放電起始電壓E-mail:總 結(jié)： 電極表面逸出電子的條件？途徑？ WWWW逸，正離子撞擊陰極，光電子發(fā)射，強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射，熱逸，正離子撞擊陰極，光電子發(fā)射，強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射，熱電子發(fā)射。電子發(fā)射。 氣體中負(fù)離子是如何形成？ 基態(tài)的氣體原子獲得一個(gè)電子而形成負(fù)離子?；鶓B(tài)的氣體原子獲得一個(gè)電子而形成負(fù)離子。 電子親合能？電負(fù)性？ 負(fù)離子形成過程會(huì)釋放能量，該能量稱為電子親合能。負(fù)離子形成過程會(huì)釋放能量，該能量稱為電子親合能。表征捕獲電

13、子的能力。電負(fù)性表征吸引電子的能力。表征捕獲電子的能力。電負(fù)性表征吸引電子的能力。E-mail:總 結(jié)： 本節(jié)中介紹的帶電質(zhì)點(diǎn)的種類有？ 氣體中電子與正離子（電離）；電極表面的電子（逸出）；氣體中電子與正離子（電離）；電極表面的電子（逸出）；氣體中負(fù)離子（附著）；氣體中負(fù)離子（附著）； 氣體電離的條件？種類？ WWi,WWi,熱電離、光電離、碰撞電離、分級(jí)電離熱電離、光電離、碰撞電離、分級(jí)電離 潘寧效應(yīng)？ 混合氣體中甲氣體的亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)能高于乙氣體的電離能，混合氣體中甲氣體的亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)能高于乙氣體的電離能，則可使混合氣體的擊穿強(qiáng)度低于這兩種氣體各自的擊穿強(qiáng)則可使混合氣體的擊穿強(qiáng)度低于這兩種氣體各自的擊穿強(qiáng)度。度。E-mail:總 結(jié)： 電負(fù)性與電氣強(qiáng)度的關(guān)系？ 電負(fù)性越好，吸引電子能力越好，電子越少，對(duì)放電越不利，所以電氣強(qiáng)度好，即絕緣性能好。 電氣強(qiáng)度與電子能量