氣體放電的基本物理過程

氣體放電的基本物理過程第一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)第2章氣體放電的基本物理過程2.1帶電粒子的產(chǎn)生與消失

2.2放電的電子崩階段

2.3自持放電條件

2.4不均勻電場中放電的極性效應(yīng)第二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)2.1帶電粒子的產(chǎn)生與消失

氣體中電子與正離子的產(chǎn)生（1）熱電離波爾茨曼常數(shù)1.38×10-23J/K熱力學(xué)溫度（2）光電離普朗克常數(shù)6.63×10-34J·s（3）碰撞電離2.1題2.3題第三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)（4）分級電離

原子中電子在外界因素的作用下可躍遷到能級較高的外層軌道，稱之為激勵，所需的能量稱為激勵能We。

氣體電離能激勵能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6

若混合氣體中甲氣體的亞穩(wěn)激勵態(tài)能高于乙氣體的電離能，則會出現(xiàn)潘寧效應(yīng)，可使混合氣體的擊穿強度低于這兩種氣體各自的擊穿強度。原子或分子在激勵態(tài)再獲得能量而發(fā)生電離稱為分級電離，此時需要能量Wi-We。亞穩(wěn)態(tài)壽命，通常10-8s，少量10-4-10-5s。16.6eV15.7eV第四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)

電極表面的電子逸出一些金屬的逸出功金屬逸出功鋁1.8銀3.1銅3.9鐵3.9氧化銅5.3（1）正離子撞擊陰極（2）光電子發(fā)射（3）強場發(fā)射（4）熱電子發(fā)射2.2題第五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)

氣體中負離子的形成

電子與氣體分子或原子碰撞時，也有可能發(fā)生電子附著過程而形成負離子，并釋放出能量，稱為電子親合能。電子親合能的大小可用來衡量原子捕獲一個電子的難易，越大則越易形成負離子。元素電子親合能（eV）電負性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5

負離子的形成使自由電子數(shù)減少，因而對放電發(fā)展起抑制作用。SF6氣體含F(xiàn)，其分子俘獲電子的能力很強，屬強電負性氣體，因而具有很高的電氣強度。第六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)

帶電質(zhì)點的消失（1）帶電質(zhì)點的擴散

帶電質(zhì)點從濃度較大的區(qū)域向濃度較小的區(qū)域的移動，從而使?jié)舛茸兊镁鶆虻倪^程，稱為帶電質(zhì)點的擴散。電子的熱運動速度高、自由行程大，所以其擴散比離子的擴散快得多。（2）帶電質(zhì)點的復(fù)合

帶異號電荷的質(zhì)點相遇，發(fā)生電荷的傳遞和中和而還原為中性質(zhì)點的過程，稱為復(fù)合。帶電質(zhì)點復(fù)合時會以光輻射的形式將電離時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)點的復(fù)合率與正、負電荷的濃度有關(guān)，濃度越大則復(fù)合率越高。第七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)2.2放電的電子崩階段

非自持放電和自持放電的不同特點電流隨外施電壓的提高而增大，因為帶電質(zhì)點向電極運動的速度加快，復(fù)合率減小電流飽和，帶電質(zhì)點全部進入電極，電流僅取決于外電離因素的強弱（良好的絕緣狀態(tài)）電流開始增大，由于電子碰撞電離引起的電流急劇上升放電過程進入了一個新的階段（擊穿）

外施電壓小于U0時的放電是非自持放電。電壓到達U0后，電流劇增，間隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素，稱為自持放電。自持放電起始電壓定義第八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)

電子崩的形成（BC段電流劇增原因）電子碰撞電離系數(shù)α：代表一個電子沿電力線方向行經(jīng)1cm時平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。定義第九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)

影響碰撞電離的因素1cm長度內(nèi)一個電子的平均碰撞次數(shù)為1/λ：電子平均自由行程碰撞引起電離的概率碰撞電離的條件自由行程分布λ，n0，x，n，dxP很大或P很小時，都較小自由行程大于x的概率第十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)2.3自持放電條件

pd值較小的情況（湯森理論）（1）湯遜自持放電判據(jù)（2）氣體擊穿的巴申定律（3）氣體密度對擊穿的影響二次電子來源：正離子轟擊陰極第十一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)

pd值較大的情況（流注理論）

實測的放電時延遠小于正離子穿越間隙所需的時間，這表明湯遜理論不適用于pd值較大的情況。

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原電場明顯畸變，大大加強了崩頭及崩尾處的電場。

電子崩中電荷密度很大，所以復(fù)合過程頻繁，放射出的光子在崩頭或崩尾強電場區(qū)很容易引起光電離。二次電子的主要來源是空間的光電離。（1）流注的形成條件第十二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)（2）流注自持放電條件（即形成流注的條件）湯遜放電理論與流注放電理論的比較：

流注理論可以解釋湯遜理論無法說明的pd值大時的放電現(xiàn)象。如放電為何并不充滿整個電極空間而是細通道形式，且有時火花通道呈曲折形，又如放電時延為什么遠小于離子穿越極間距離的時間，再如為何擊穿電壓與陰極材料無關(guān)。兩種理論各適用于一定條件的放電過程，不能用一種理論取代另一種理論。第十三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一多種放電類型：湯森放電、流注放電、電暈放電、輝光放電、弧光放電等。高電壓工程基礎(chǔ)第十四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)

電負性氣體的情況

對強電負性氣體，除考慮α和γ過程外，還應(yīng)考慮η過程（電子附著過程）。η的定義與α相似，即一個電子沿電力線方向行經(jīng)1cm時平均發(fā)生的電子附著次數(shù)。可見在電負性氣體中有效的碰撞電離系數(shù)為。

由于強電負性氣體中，所以其自持放電場強比非電負性氣體高得多。以SF6氣體為例，在101.3kPa，20℃的條件下，均勻電場中擊穿場強為Eb≈89kV/cm，約為同樣條件的空氣間隙的擊穿場強的3倍。第十五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一半徑為r的球間隙的放電特性與極間距d的關(guān)系高電壓工程基礎(chǔ)2.4不均勻電場中氣體放電的特點

稍不均勻電場和極不均勻電場的不同特點放電具有稍不均勻場間隙的特點擊穿電壓與電暈起始電壓相同

放電具有極不均勻場間隙的特點電暈起始電壓明顯低于擊穿電壓

放電過程不穩(wěn)定，分散屬于過渡區(qū)第十六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)極不均勻電場中的電暈放電（1）電暈放電的起始場強δ是氣體相對密度；m1表面粗糙度系數(shù)，理想光滑導(dǎo)線取1，絞線0.8~0.9；好天氣時m2=1，壞天氣時m2可按0.8估算。第十七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)（2）電暈放電的危害與對策危害：功率損耗、電磁干擾、噪聲污染對策：（限制導(dǎo)線的表面場強

）

采用分裂導(dǎo)線。

對220kV及以上的線路應(yīng)采用分裂導(dǎo)線，例如220（330）、500、750kV、1000kV（800kV）的線路可分別采用二分裂、四分裂、六分裂、八分裂導(dǎo)線。第十八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)（3）電暈放電的利用

在某些情況下可以利用電暈放電產(chǎn)生的空間電荷來改善極不均勻場的電場分布，以提高擊穿電壓。導(dǎo)線－板電極的空氣間隙擊穿電壓（有效值）與間隙距離的關(guān)系1－D=0.5mm2－D=3mm3－D=16mm4－D=20mm

虛線－尖-板電極間隙點劃線－均勻場間隙細線電暈放電形成的電暈層，改善了電場分布第十九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期一高電壓工程基礎(chǔ)

不均勻電場中放電的極性效應(yīng)負極性棒－板間隙的電暈起始電壓比正極性棒－板電極低負極性棒－板間隙擊穿電壓比正極性棒－板電極高

EpEqEp-Eq=EbEp+Eq=Eb定義第二十頁，共二十二頁，編