1、高高 电电 压压 基基 础础 浙江省电力公司电力科学研究院 气体放电基本物理过程和电气强度 主要内容 汤逊理论和流注理论汤逊理论和流注理论 不均匀电场中的放电过程不均匀电场中的放电过程 空气气隙在各种电压下的击穿特性空气气隙在各种电压下的击穿特性 提高气体介质电气强度的方法提高气体介质电气强度的方法 沿面放电及防污对策沿面放电及防污对策 汤逊理论和流注理论 主要内容 非自持放电和自持放电 汤逊理论 巴申定律 流注理论 强电负性气体自持放电的条件 气体的绝缘与导电 纯净的、中性状态的气体是丌导电的 气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）后才可能导电，幵在电场作用下发展成各种形式的气体放电现
2、象 带电粒子的产生 激励:弼原子获得外部能量，一个戒若干个电子有可能转秱到离核较进的轨道上去，称为原子处亍激励态 当原子从激励态恢复到正常状态时，其将释放出相应能量的光子当原子从激励态恢复到正常状态时，其将释放出相应能量的光子 电离：外因下，原子产生自由电子和带（正）电粒子 光电离：可见光不能使气体直接电离，可见光不能使气体直接电离，X射线、射线、射线可以射线可以 光源可以是外部的，也可以是内部自产生的光源可以是外部的，也可以是内部自产生的 金属表面电离更容易金属表面电离更容易 了解：光电效应，光的波粒二象性了解：光电效应，光的波粒二象性 热电离：常温下，气体热电离的概率很小。空气空气1万度后
3、可考虑万度后可考虑 空气空气2万度万度时，几乎全部的分子都处于热电离状态时，几乎全部的分子都处于热电离状态 碰撞电离 气体中主要碰撞电离均由电子产生，正离子很少，为什么？气体中主要碰撞电离均由电子产生，正离子很少，为什么？阴极表面，正离子撞击可产生电离阴极表面，正离子撞击可产生电离 电极表面的电离电极表面的电离 正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面 光电子发射光电子发射 热电子发射热电子发射 强场发射强场发射 由于由于逸出功逸出功电离能电离能，阴极表面电离更容易，阴极表面电离更容易 带电粒子在气体中的运动带电粒子在气体中的运动 带电粒子：电子、正粒子、负粒子 各种粒子在气体中运动时不各种粒子在
4、气体中运动时不断地亏相碰撞 粒子在单位行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关粒子在单位行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关 带电粒子自由行程：带电粒子与气体分子相邻两次碰撞之间自由行程：带电粒子与气体分子相邻两次碰撞之间的自由行程。的自由行程。带电粒子的平均自由行程：两次碰撞乊间的平均行程 随即量，有很大的分散性随即量，有很大的分散性 电子体积小，自由行程长度远大于分子和带电粒子电子体积小，自由行程长度远大于分子和带电粒子 气体密度越大，平均自由行程越小气体密度越大，平均自由行程越小 大气压、常温下，电子在空气中的平均自由行程为大气压、常温下，电子在空气中的平均自由行程为
5、10-5cm数量级数量级 迁秱率：粒子秱动速度不电场乊比 电子迁移率高，为什么？电子迁移率高，为什么？扩散：热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使分布均匀化区域，从而使分布均匀化 电子电子运动速度大运动速度大、自由行程长度大自由行程长度大，扩散速度比离子快得多，扩散速度比离子快得多 负离子的形成负离子的形成 附着：电子不气体分子碰撞时，相结合而形成负离子 电子与气体分子碰撞的两个结果：引起碰撞电离，发生电子与气体分子碰撞的两个结果：引起碰撞电离，发生附着附着 负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却负离子的形成并未使气体
6、中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。用。电负性气体：容易发生附着产生负离子的气体。带电粒子消失带电粒子消失 复合：复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和的传递与中和 电子和正离子复合，称为电子复合，产生一个中性分子电子和正离子复合，称为电子复合，产生一个中性分子 正离子和负离子复合，称为离子复合，产生两个中性分子正离子和负离子复合，称为离子复合，产生两个中性分子 带电粒子消失的几种情况带电粒子消失的几种情况 在电场驱动下定向运动到电极
7、，消失于电极而形成外电路中的电流在电场驱动下定向运动到电极，消失于电极而形成外电路中的电流 带电粒子因扩散而逸出气体放电空间带电粒子因扩散而逸出气体放电空间 带电粒子的复合带电粒子的复合 非自持放电和自持放电（非自持放电和自持放电（1）图1-1 其他放电的试验电路 不外加电源时：光电离和复合同时存在，并处于平衡状态。存在一定带不外加电源时：光电离和复合同时存在，并处于平衡状态。存在一定带电质点，但无电流电质点，但无电流 外加电源后，带电粒子定向运动，电路中产生电流。其过程如下：外加电源后，带电粒子定向运动，电路中产生电流。其过程如下：oa-阶段阶段：电流随电压增加。电子移动速度加快，复合概率降
8、低：电流随电压增加。电子移动速度加快，复合概率降低 ab-阶段：电流不随电压变化。外界因素产生的电离固定。绝缘仍良好阶段：电流不随电压变化。外界因素产生的电离固定。绝缘仍良好 bc-阶段：电流随电压增加。（碰撞电离阶段：电流随电压增加。（碰撞电离）带电离子带电离子 cs-阶段：电流急剧增加。气体间隙击穿，伴随发生、发光，导电良好阶段：电流急剧增加。气体间隙击穿，伴随发生、发光，导电良好 非自持放电和自持放电（2）非自持放电：依靠外电离因素作用才能维持的放电 当当UU0时时 气隙内虽然有电流，但很小。气隙内虽然有电流，但很小。U0，电流剧增电流剧增 气隙中电流过程仍然需要外施电压气隙中电流过程仍
9、然需要外施电压 气体放电的起始电压：放电由非自持转为自持的起始电压气体放电的起始电压：放电由非自持转为自持的起始电压 图中的图中的U0 均匀电场中，起始电压等于击穿电压均匀电场中，起始电压等于击穿电压 不均匀电场中击穿电压大于起始电压。电场越不均匀，电压差越大不均匀电场中击穿电压大于起始电压。电场越不均匀，电压差越大 汤逊理论（1）电子崩 外界因素，如光照，使阴极表面电外界因素，如光照，使阴极表面电离，产生一个电子离，产生一个电子 电子在电场作用下向阳极运动电子在电场作用下向阳极运动 当两极间电压（电场）足够强时，当两极间电压（电场）足够强时，电子动能足够大，就发生碰撞电离电子动能足够大，就发
10、生碰撞电离 新电子和原有电子继续向阳极运动，新电子和原有电子继续向阳极运动，继续发生碰撞电离，产生更多的电继续发生碰撞电离，产生更多的电子子 应注意：不是每次碰撞都会电离应注意：不是每次碰撞都会电离 电子数将按照电子数将按照1,2,4,8,16，几何级数规律增长，类似雪崩。几何级数规律增长，类似雪崩。这种急剧增大的空间电流称为电子这种急剧增大的空间电流称为电子崩崩 剧增的电子流称为剧增的电子流称为电子崩电子崩 剧增的离子流称为离子崩剧增的离子流称为离子崩 汤逊理论（2）离子崩：正离子在向阴极运动中，也会发生碰撞电离，产生新的电子。与电子崩类似与电子崩类似 电子奔向阳极，正离子奔向阴极 电子速度
11、远大于正离子电子速度远大于正离子 正离子到达阴极附近时，将使雪崩现象加剧 加强了阴极场强，阴极产生场强发加强了阴极场强，阴极产生场强发射射 正离子撞击阴极表面，发生电离正离子撞击阴极表面，发生电离 新电子参与气体碰撞新电子参与气体碰撞 可能使放电得以自持可能使放电得以自持 剧增的电子流称为剧增的电子流称为电子崩电子崩 剧增的离子流称为离子崩剧增的离子流称为离子崩 为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数：电子沿电场方向行径1cm平均发生的碰撞电离次数 对应起始电子形成的电子崩过程，称为对应起始电子形成的电子崩过程，称为过程过程 正离子沿电场方向行径1cm平均发生的碰撞电离次数 系数对应于离
12、子崩过程，称为系数对应于离子崩过程，称为过程过程 折合到每个到达阴极表面的正离子，使阴极金属平均释放出的自由电子数 正离子使阴极发射新的电子的机理：正离子使阴极发射新的电子的机理：强场发射强场发射（正离子加强阴（正离子加强阴极附近场强）、碰撞发射、热发射极附近场强）、碰撞发射、热发射 离子崩达到阴极后引起阴极发射二次电子的过程，离子崩达到阴极后引起阴极发射二次电子的过程，过程过程 汤逊理论（汤逊理论（3 3）汤逊理论（4）设x处有n个电子，再经历dx距离新增的电子为dn，则有：解微分方程得到：含义：从含义：从n0个电子处（任何位置）个电子处（任何位置）前行前行x距离后的电子数距离后的电子数 注
13、意注意：实际过程是离散的，公式只：实际过程是离散的，公式只在统计意义上起作用。统计：大量在统计意义上起作用。统计：大量电子、多次实验电子、多次实验 xenxn0)(xenxn0)(ndxdnordxndndxndn汤逊理论（5）设阴极发射一个起始电子，则有 过程电子崩的电子（包含起始电子）过程电子崩的电子（包含起始电子）到达阴极表面的正离子数，也是到达阴极表面的正离子数，也是过程过程产生的正离子数。产生的正离子数。过程又在阴极上释放出二次电子数过程又在阴极上释放出二次电子数 自持放电的条件：，临界条件 二次电子数大于等于起始电子数，则不需外部因素，实现自持放电二次电子数大于等于起始电子数，则不
14、需外部因素，实现自持放电 丌均匀电场中，自持放电的条件：den1de)1(de)1(de1)1(de1)1(de1)1(0ddxe汤逊理论（6）外界 电离因素 阴极表面 电离 气体空间 电离 气体中的 自由电子 在电场中加速 碰撞电离 电子崩（）过程 正离子 阴极表面二次发射(过程）汤逊理论（7）汤逊理论的基础：将电子崩和阴极上的将电子崩和阴极上的过程作为气体放电自持的决定性因素。过程作为气体放电自持的决定性因素。汤逊理论的实质：气体放电的主要原因：存在电子碰撞电离。气体放电的主要原因：存在电子碰撞电离。维持气体放电的必要条件：二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表维持气体放电的必要条件：二次电
15、子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子。面逸出电子。判据：阴极逸出电子可以替代起始点的作用判据：阴极逸出电子可以替代起始点的作用 汤逊理论的适用范围：解释低气压短气隙中的放电现象解释低气压短气隙中的放电现象 pd26.66kPa cm 标准气压下，标准气压下，d=0.26cm 放电特征：放电特征：辉光放电辉光放电：整个气隙均匀放电整个气隙均匀放电 巴申定律（1）自持放电起始电压U0的计算 气体击穿电压的表达式：其中：其中：A，B与气体有关常数；与气体有关常数；p气压；气压；E场强场强 代入 再有：考虑温度变化，以气体相对密度代替压力p：对于空气对于空气 有：有：均匀电场中气体的均匀电场中气体
16、的U0等于气隙的击穿电压等于气隙的击穿电压Ub，不均匀电场中不等，不均匀电场中不等 EBppe/A1)1(de)11ln(0/dApeUBpd)(11ln)(ln)(0pdfpdApdBU)(0dfUTpTppTss.92巴申定律（2）巴申定律：弼气体成分和电极材料一定时，气隙间隙击穿电压Ub是气压（）和极间距离（）乘积的凼数。在汤逊之前已经由实验总结出在汤逊之前已经由实验总结出 巴申曲线：巴申曲线：对应的曲线，即击穿电压与pd的关系 随pd变化，击穿电压有极小值 可用汤逊理论进行解释 自持放电需要的电离数，取决于碰撞次数和电离概率的乘积 d固定，p增大。碰撞次数增加，但电子自由行程降低，电离概率将减少。综合来看将出现极大值，对应Ub极小 p固定，d增大。碰撞次数增加。但电场强度减少，电子获得能量减少，电离概率也将减少。实用意义：当极间距离d不变时提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压 流注理论（1 1）工程上更关注的是高气压、长气隙的放电，如雷电 对亍高气压、长气隙的放电，汤逊理论存在矛盾：击穿时间击穿时间：理论计算时间远小于实测时间，相差：理论计算时间远小于实测时间，相