華電高電壓技術(shù)

氣體放電理論（一）1目前一頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)主要內(nèi)容氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失氣體放電的一般描述

均勻電場(chǎng)中氣體擊穿的發(fā)展過程

不均勻電場(chǎng)中氣體擊穿的發(fā)展過程2目前二頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)氣體放電在電場(chǎng)作用下，氣隙中帶電粒子的形成和運(yùn)動(dòng)過程氣隙中帶電粒子是如何形成的？氣隙中的導(dǎo)電通道是如何形成的？氣隙中導(dǎo)電通道形成后是如何維持持續(xù)放電的？3目前三頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)名詞解釋電子平均自由行程激勵(lì)電離復(fù)合4目前四頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)原子激勵(lì)和電離原子能級(jí)以電子伏為單位

1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J原子激勵(lì)

原子在外界因素作用下，其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)，所需能量稱為激勵(lì)能We激勵(lì)狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，輻射出相應(yīng)能量的光子，光子（光輻射）的頻率

5目前五頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)

原子電離：

原子在外界因素作用下，使其一個(gè)或幾個(gè)電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過程稱為原子的電離電離過程所需要的能量稱為電離能Wi（ev），也可用電離電位Ui（v）幾種氣體和金屬蒸汽的激勵(lì)電位和電離電位氣體激勵(lì)能We(eV)電離能Wi(eV)氣體激勵(lì)能We(eV)電離能Wi(eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.66目前六頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)的平均自由行程

：一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通過的平均行程電子在其自由行程內(nèi)從外電場(chǎng)獲得動(dòng)能，能量除決定于電場(chǎng)強(qiáng)度外，還和其自由行程有關(guān)7目前七頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)氣體中電子和離子的自由行程是它們和氣體分子發(fā)生碰撞時(shí)的行程電子的平均自由行程要比分子和離子的大得多氣體分子密度越大，其中質(zhì)點(diǎn)的平均自由行程越小。對(duì)于同一種氣體，其分子密度和該氣體的密度成正比8目前八頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)自由行程的分布：具有統(tǒng)計(jì)性的規(guī)律。質(zhì)點(diǎn)的自由行程大于x的概率為

如果起始有n0個(gè)質(zhì)點(diǎn)（或一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的相繼n0次碰撞），則其中行過距離x后，尚未被碰撞的質(zhì)點(diǎn)數(shù)（或次數(shù)）n(x)應(yīng)為9目前九頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)一、氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生

（一）氣體分子的電離可由下列因素引起：

（1）電子或正離子與氣體分子的碰撞電離

（2）各種光輻射（光電離）

（3）高溫下氣體中的熱能（熱電離）（4）負(fù)離子的形成

（二）金屬（陰極）的表面電離10目前十頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)碰撞電離氣體放電中，碰撞電離主要是電子和氣體分子碰撞而引起的在電場(chǎng)作用下，電子被加速而獲得動(dòng)能。當(dāng)電子的動(dòng)能滿足如下條件時(shí)，將引起碰掩電離

me——電子的質(zhì)量；

ve——電子的速度；

Wi——?dú)怏w分子的電離能。碰撞電離的形成與電場(chǎng)強(qiáng)度和平均自由行程的大小有關(guān)11目前十一頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)光電離光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光電離自然界、人為照射、氣體放電過程當(dāng)氣體分子受到光輻射作用時(shí)，如光子能量滿足下面條件，將引起光電離，分解成電子和正離子光輻射能夠引起光電離的臨界波長(zhǎng)（即最大波長(zhǎng)）為對(duì)所有氣體來說，在可見光（400750nm）的作用下，一般是不能直接發(fā)生光電離的

12目前十二頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)熱電離因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離氣體分子的平均動(dòng)能和氣體溫度的關(guān)系為

在它們相互碰撞時(shí)，就可能引起激勵(lì)或電離在高溫下，例如發(fā)生電弧放電時(shí)，氣體溫度可達(dá)數(shù)千度，氣體分子動(dòng)能就足以導(dǎo)致發(fā)生明顯的碰撞電離高溫下高能熱輻射光子也能造成氣體的電離13目前十三頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)負(fù)離子的形成有時(shí)電子和氣體分子碰撞非但沒有電離出新電子，反而是碰撞電子附著分子，形成了負(fù)離子有些氣體形成負(fù)離子時(shí)可釋放出能量。這類氣體容易形成負(fù)離子，稱為電負(fù)性氣體（如氧、氟、SF6等）負(fù)離子的形成起著阻礙放電的作用14目前十四頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)金屬（陰極）的表面電離陰極發(fā)射電子的過程逸出功

：金屬的微觀結(jié)構(gòu)、金屬表面狀態(tài)金屬表面電離有多種方式，即可以有多種方法供給電子以逸出金屬所需的能量（1）正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極時(shí)使電子逸出金屬（傳遞的能量要大于逸出功）。逸出的電子有一個(gè)和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子。因此正離子必須碰撞出兩個(gè)及以上電子時(shí)才能出現(xiàn)自由電子15目前十五頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)（2）光電效應(yīng)金屬表面受到光的照射，當(dāng)光子的能量大于逸出功時(shí)，金屬表面放射出電子（3）強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射（冷發(fā)射）當(dāng)陰極附近所加外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，使陰極發(fā)射出電子（4）熱電子發(fā)射當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時(shí)，其中的電子獲得巨大動(dòng)能，逸出金屬16目前十六頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)一、氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失（一）電場(chǎng)作用下氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)

（二）帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散（三）帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合

17目前十七頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)電場(chǎng)作用下氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)帶電質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生以后，在外電場(chǎng)作用下將作定向運(yùn)動(dòng)，形成電流

在氣體放電空間，帶電質(zhì)點(diǎn)在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度下運(yùn)動(dòng)達(dá)到某種穩(wěn)定狀態(tài)，保持平均速度，即上述的帶電質(zhì)點(diǎn)的驅(qū)引速度

b——遷移率

電子遷移率比離子遷移率大得多，即使在很弱的電場(chǎng)中，電子遷移率也隨場(chǎng)強(qiáng)而變18目前十八頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和氣體分子的擴(kuò)散一樣，都是由于熱運(yùn)動(dòng)造成，帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散規(guī)律和氣體的擴(kuò)散規(guī)律也是相似的氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和氣體狀態(tài)有關(guān)，氣體壓力越高或者溫度越低，擴(kuò)散過程也就越弱電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運(yùn)動(dòng)速度很高，它在熱運(yùn)動(dòng)中受到的碰撞也較少，因此，電子的擴(kuò)散過程比離子的要強(qiáng)得多19目前十九頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過程在帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過程中會(huì)發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又可能成為導(dǎo)致電離的因素

正、負(fù)離子間的復(fù)合概率要比離子和電子間的復(fù)合概率大得多。通常放電過程中離子間的復(fù)合更為重要一定空間內(nèi)帶電質(zhì)點(diǎn)由于復(fù)合而減少的速度決定于其濃度20目前二十頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)二、氣體放電的一般描述（一）氣體放電的主要形式

根據(jù)氣體壓強(qiáng)、電源功率、電極形狀等因素的不同，擊穿后氣體放電可具有多種不同形式。利用放電管可以觀察放電現(xiàn)象的變化

輝光放電電弧放電火花放電電暈放電刷狀放電21目前二十一頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)輝光放電當(dāng)氣體壓強(qiáng)不大，電源功率很?。ǚ烹娀芈分写牒艽笞杩梗r(shí)，外施電壓增到一定值后，回路中電流突增至明顯數(shù)值，管內(nèi)陰極和陽(yáng)極間整個(gè)空間忽然出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象特點(diǎn)是放電電流密度較小，放電區(qū)域通常占據(jù)了整個(gè)電極間的空間。霓虹管中的放電就是輝光放電的例子。管中所充氣體不同，發(fā)光顏色也不同22目前二十二頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)電弧放電減小外回路中的阻抗，則電流增大，電流增大到一定值后，放電通道收細(xì)，且越來越明亮，管端電壓則更加降低，說明通道的電導(dǎo)越來越大電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度極大，電路具有短路的特征

23目前二十三頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)火花放電在較高氣壓（例如大氣壓強(qiáng)）下，擊穿后總是形成收細(xì)的發(fā)光放電通道，而不再擴(kuò)散于間隙中的整個(gè)空間。當(dāng)外回路中阻抗很大，限制了放電電流時(shí)，電極間出現(xiàn)貫通兩極的斷續(xù)的明亮細(xì)火花

火花放電的特征是具有收細(xì)的通道形式，并且放電過程不穩(wěn)定

24目前二十四頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)電暈放電電極曲率半徑很小或電極間距離很遠(yuǎn)，即電場(chǎng)極不均勻，則當(dāng)電壓升高到一定值后，首先緊貼電極在電場(chǎng)最強(qiáng)處出現(xiàn)發(fā)光層，回路中出現(xiàn)用一般儀表即可察覺的電流。隨著電壓升高，發(fā)光層擴(kuò)大，放電電流也逐漸增大發(fā)生電暈放電時(shí)，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小，間隙仍能耐受電壓的作用

25目前二十五頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)刷狀放電電場(chǎng)極不均勻情況下，如電壓繼續(xù)升高，從電暈電極伸展出許多較明亮的細(xì)放電通道，稱為刷狀放電

電壓再升高，根據(jù)電源功率而轉(zhuǎn)入火花放電或電弧放電，最后整個(gè)間隙被擊穿如電場(chǎng)稍不均勻，則可能不出現(xiàn)刷狀放電，而由電暈放電直接轉(zhuǎn)入擊穿

26目前二十六頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)（二）非自持放電和自持放電27目前二十七頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)非自持放電外施電壓小于U0時(shí)，間隙內(nèi)雖有電流，但其數(shù)值甚小，通常遠(yuǎn)小于微安級(jí)，因此氣體本身的絕緣性能尚未被破壞，即間隙還未被擊穿。而且這時(shí)電流要依靠外電離因素來維持，如果取消外電離因素，那么電流也將消失。28目前二十八頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)自持放電當(dāng)電壓達(dá)到U0后，氣體中發(fā)生了強(qiáng)烈的電離，電流劇增。同時(shí)氣體中電離過程只靠電場(chǎng)的作用已可自行維持，而不再繼續(xù)需要外電離因素了。因此U0以后的放電形式也稱為自持放電29目前二十九頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)由非持放電轉(zhuǎn)入自持放電的電壓稱為起始電壓如電場(chǎng)比較均勻，則間隙將被擊穿，此后根據(jù)氣壓、外回路阻抗等條件形成輝光放電、火花放電或電弧放電，而起始電壓U0也就是間隙的擊穿電壓Ub如電場(chǎng)極不均勻，則當(dāng)放電由非自持轉(zhuǎn)入自持時(shí)，在大曲率電極表面電場(chǎng)集中的區(qū)域發(fā)生電暈放電，這時(shí)起始電壓是間隙的電暈起始電壓，而擊穿電壓可能比起始電壓高很多30目前三十頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)三、均勻電場(chǎng)中氣體擊穿的發(fā)展過程湯遜放電理論流注放電理論這兩種理論互相補(bǔ)充，可以說明廣闊的pd（壓強(qiáng)和極間距離的乘積）范圍內(nèi)氣體放電的現(xiàn)象

31目前三十一頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)（一）湯遜氣體放電理論湯遜理論認(rèn)為，當(dāng)pd較小時(shí)，電子的碰撞電離和正離子撞擊陰極造成的表面電離起著主要作用，氣隙的擊穿電壓大體上是pd的函數(shù)32目前三十二頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)1、電子崩的形成（

過程）一個(gè)起始電子自電場(chǎng)獲得一定動(dòng)能后，會(huì)碰撞電離出一個(gè)第二代電子；這兩個(gè)電子作為新的第一代電子，又將電離出新的第二代電子，這時(shí)空間已存在四個(gè)自由電子；這樣一代一代不斷增加的過程，會(huì)使電子數(shù)目迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣33目前三十三頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)電離系數(shù)一個(gè)電子沿著電場(chǎng)方向行經(jīng)1cm長(zhǎng)度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)如設(shè)每次碰撞電離只產(chǎn)生一個(gè)電子和一個(gè)正離子，即是一個(gè)電子在單位長(zhǎng)度行程內(nèi)新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù)34目前三十四頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)設(shè)：在外電離因素光輻射的作用下，單位時(shí)間內(nèi)陰極單位面積產(chǎn)生n0個(gè)電子在距離陰極為x的橫截面上，單位時(shí)間內(nèi)單位面積有n個(gè)電子飛過這n個(gè)電子行過dx之后，又會(huì)產(chǎn)生dn個(gè)新的電子

將此式積分，可得電子的增長(zhǎng)規(guī)律為35目前三十五頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)對(duì)于均勻電場(chǎng)，

不隨空間位置而變相應(yīng)的電子電流增長(zhǎng)規(guī)律為

令x＝d，得進(jìn)入陽(yáng)極的電子電流，此即外回路中的電流36目前三十六頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)2、過程

電離系數(shù)

正離子在間隙中造成的空間電離過程不可能具有顯著的作用

正離子向陰極移動(dòng)，依靠它所具有的動(dòng)能及位能，在撞擊陰極時(shí)能引起表面電離，使陰極釋放出自由電子來

表示折算到每個(gè)碰撞陰極表面的正離子，陰極金屬平均釋放出的自由電子數(shù)37目前三十七頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)從陰極飛出n0個(gè)電子，到達(dá)陽(yáng)極后，電子數(shù)將增加為正離子數(shù)正離子到達(dá)陰極，從陰極電離出的電子數(shù)38目前三十八頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)3、自持放電條件設(shè)n0＝1放電有非自持轉(zhuǎn)入自持的條件為在均勻電場(chǎng)中，這也就是間隙擊穿的條件，上式具有清楚的物理意義39目前三十九頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)當(dāng)自持放電條件得到滿足時(shí)，就會(huì)形成圖解中閉環(huán)部分所示的循環(huán)不息的狀態(tài)，放電就能自己維持下去40目前四十頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)4、擊穿電壓、巴申定律根據(jù)自持放電條件推導(dǎo)擊穿電壓，先推導(dǎo)的計(jì)算式設(shè)電子在均勻電場(chǎng)中行經(jīng)距離x而未發(fā)生碰撞，則此時(shí)電子從電場(chǎng)獲得的能量為eEx，電子如要能夠引起碰撞電離，必須滿足條件只有那些自由行程超過xi＝Ui／E的電子，才能與分子發(fā)生碰撞電離若電子的平均自由行程為，自由行程大于xi的概率為41目前四十一頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)在lcm長(zhǎng)度內(nèi)，一個(gè)電子的平均碰撞次數(shù)為l／

其中是電子自由行程超過xi而發(fā)生的碰撞，即電離碰撞次數(shù)氣體溫度不變時(shí)，1／＝Ap，并令A(yù)Ui＝B，可得42目前四十二頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)將的計(jì)算式代入自持放電條件擊穿電壓Ub溫度不變時(shí)，均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿電壓Ub是氣體壓強(qiáng)和電極間距離的乘積pd的函數(shù)43目前四十三頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)巴申（Paschen）定律

擊穿電壓與pd的規(guī)律在碰撞電離學(xué)說提出之前，就已從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來了（U形，應(yīng)用）

44目前四十四頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)實(shí)際上的系數(shù)A及B和溫度有關(guān)。系數(shù)A和絕對(duì)溫度成反比比值p／T和氣體密度成正比

式中p以兆帕計(jì)，T以絕對(duì)溫度表示巴申定律更普遍的形式45目前四十五頁(yè)\總數(shù)五十頁(yè)\編于一點(diǎn)物理解釋：假設(shè)