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第2章-气体放电的基本物理过程高电压工程基础第第2 2章章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程 2.1 带电粒子的产生与消失 2.2 放电的电子崩阶段 2.3 自持放电条件 2.4 不均匀电场中放电的极性效应2021/5/222高电压工程基础2.1 带电粒子的产生与消失带电粒子的产生与消失 气体中电子与正离子的产生气体中电子与正离子的产生 （1）热电离）热电离波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度（2）光电离）光电离普朗克常数6.6310-34Js （3）碰撞电离）碰撞电离2.1题2.3题2021/5/223高电压工程基础（4）分级电离）分级电离 原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励，所需的能量称为激励能。气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6 若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则会出现潘宁效应，可使混合气体的击穿强度低于这两种气体各自的击穿强度。原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离，此时需要能量Wi-We。亚稳态寿命，通常10-8s，少量10-4-10-5s。16.6eV15.7eV2021/5/224高电压工程基础 电极表面的电子逸出电极表面的电子逸出 一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3（1）正离子撞击阴极 （2）光电子发射（3）强场发射 （4）热电子发射2.2题2021/5/225高电压工程基础 气体中负离子的形成气体中负离子的形成 电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。元素电子亲合能（eV）电负性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5 负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。2021/5/226高电压工程基础 带电质点的消失带电质点的消失 （1）带电质点的扩散）带电质点的扩散 带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。（2）带电质点的复合）带电质点的复合 带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。2021/5/227高电压工程基础2.2 放电的电子崩阶段放电的电子崩阶段 非自持放电和自持放电的不同特点非自持放电和自持放电的不同特点 电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小 电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的 电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素，称为自持放电。自持放电起始电压定义2021/5/228高电压工程基础 电子崩电子崩的形成（的形成（BC段电流剧增原因）段电流剧增原因）电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数：代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。定义2021/5/229高电压工程基础 影响碰撞电离的因素影响碰撞电离的因素1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为1/：电子平均自由行程碰撞引起电离的概率碰撞电离的条件自由行程分布，n0，x，n，dxP很大或P很小时，都较小自由行程大于？的概率2021/5/2210高电压工程基础2.3 自持放电条件自持放电条件 pd 值较小的情况（汤森理论）值较小的情况（汤森理论）（1）汤逊自持放电判据（2）气体击穿的巴申定律（3）气体密度对击穿的影响 二次电子来源：正离子轰击阴极2021/5/2211高电压工程基础 pd 值较大的情况（流注理论）值较大的情况（流注理论）实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷使原电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾处的电场。电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。二次电子的主要来源是空间的光电离。（1）流注的形成条件2021/5/2212高电压工程基础（2）流注自持放电条件（即形成流注的条件）汤逊放电理论与流注放电理论的比较：汤逊放电理论与流注放电理论的比较：流注理论可以解释汤逊理论无法说明的pd值大时的放电现象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。2021/5/2213多种放电类型：汤森放电、流注放电、电晕放电、辉光放电、弧光放电等。高电压工程基础2021/5/2214高电压工程基础 电负性气体的情况电负性气体的情况 对强电负性气体，除考虑和过程外，还应考虑过程（电子附着过程）。的定义与相似，即一个电子沿电力线方向行经1 cm时平均发生的电子附着次数。可见在电负性气体中有效的碰撞电离系数为 。由于强电负性气体中 ，所以其自持放电场强比非电负性气体高得多。以SF6气体为例，在101.3kPa，20的条件下，均匀电场中击穿场强为Eb89kV/cm，约为同样条件的空气间隙的击穿场强的3倍。2021/5/2215半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系 高电压工程基础2.4 不均匀电场中气体放电的特点不均匀电场中气体放电的特点 稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同 放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压 放电过程不稳定，分散属于过渡区 2021/5/2216高电压工程基础极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的电晕放电（1）电晕放电的起始场强是气体相对密度；m1表面粗糙度系数，理想光滑导线取1，绞线0.80.9；好天气时m2=1，坏天气时m2可按0.8估算。2021/5/2217高电压工程基础（2）电晕放电的危害与对策危害：危害：功率损耗、电磁干扰、噪声污染对策对策：（：（限制导线的表面场强限制导线的表面场强）采用分裂导线。对220kV及以上的线路应采用分裂导线，例如220（330）、500、750kV、1000kV（800kV）的线路可分别采用二分裂、四分裂、六分裂、八分裂导线。2021/5/2218高电压工程基础（2）电晕放电的利用 在某些情况下可以利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电压。导线板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm 虚线尖-板电极间隙 点划线均匀场间隙细线电晕放电形成的电晕层，改善了电场分布2021/5/2219高电压工程基础 不均匀电场中放电的极性效应不均匀电场中放电的极性效应负极性棒板间隙的电晕起始电压比正极性棒板电极低负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板电极高 EpEqEp-Eq=EbEp+Eq=Eb定义2021/5/2220小结气体中电离的方式。潘宁效应。电极表面电子逸出需要的能量方式。带电质点除在电场作用下定向运动，还因扩散和复合使带电质点消失。电子崩。自持放电。电离碰撞系数。汤森放电理论、流注放电理论。极性效应。高电压工程基础2021/5/2221作 业2.52.72.82.10高电压工程基础2021/5/2222谢谢！