气体放电的基本物理过程一.ppt

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1、Company Logo第一篇第一篇 电介质的电气强度电介质的电气强度 张张张张 宁宁宁宁 福州大学电力系福州大学电力系 Company Logo 气体、液体、固体介质的放电理论气体、液体、固体介质的放电理论 影响电介质放电的因素影响电介质放电的因素 提高电介质电气强度的方法提高电介质电气强度的方法 电介质的击穿特性电介质的击穿特性电介质分为：绝缘物质电介质分为：绝缘物质 气体气体 液体液体 固体固体 混合混合绝缘体绝缘体导体导体电场小于电气强度电场小于电气强度极化、电导、介质损耗极化、电导、介质损耗电场大于电场大于电气强度电气强度放电、放电、击穿等击穿等Company Logo 张张张张 宁

2、宁宁宁 福州大学电力系福州大学电力系 第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程Company Logo 气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失 均匀电场中的击穿过程均匀电场中的击穿过程 不均匀电场中的击穿过程不均匀电场中的击穿过程 气体放电的一般描述气体放电的一般描述气体放电气体放电在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程n气隙中带电粒子是如何形成的？气隙中带电粒子是如何形成的？n气隙中的导电通道是如何形成的？气隙中的导电通道是如何形成的？n气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？气隙中导电通道形成后是如何维持持

3、续放电的？Company Logo 张张张张 宁宁宁宁 福州大学电力系福州大学电力系 1.1 1.1 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失主要内容主要内容l 自由行程长度自由行程长度l 迁移率和扩散迁移率和扩散l 带电粒子的产生（以碰撞电离为主）带电粒子的产生（以碰撞电离为主）l 负离子的产生负离子的产生l 带电粒子的消失带电粒子的消失一一 质点的平均自由行程质点的平均自由行程 ：一一个个质质点点在在与与气气体体分分子子相相邻邻两两次次碰碰撞撞之之间间自自由由地地通通过的平均行程过的平均行程n自自由由行行程程的的分分布布：具具有有统统计计性性的的规规律律。质质点点的的自自由由行行程程大大于

4、于x的概率为的概率为 令x=，可可见见实实际际自自由由行行程程长长度度大大于于或或等等于于平平均均自自由由行行程长度的概率为程长度的概率为36.8%n电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多n气气体体分分子子密密度度越越大大，其其中中质质点点的的平平均均自自由由行行程程越越小小。对对于于同同一一种种气气体体，其其分分子子密密度度和和该该气气体体的的密密度成正比度成正比二二 带电粒子的迁移率和迁移率带电粒子的迁移率和迁移率n在在气气体体放放电电空空间间，带带电电质质点点单单位位场场强强下下运运动动达达到到某某种种稳稳定定状状态态，保保持持平平均均速速度度，

5、即即上上述述的的带带电电质质点点的的驱驱引引速度速度k=v/E l电电子子迁迁移移率率比比离离子子迁迁移移率率大大得得多多，即即使使在在很很弱弱的的电电场场中，电子迁移率也随场强而变中，电子迁移率也随场强而变 带电质点的扩散带电质点的扩散 n热热运运动动中中，粒粒子子从从浓浓度度较较大大的的区区域域运运动动到到浓浓度度较较小小的的区区域域，从而使粒子浓度均匀化，这种过程叫做扩散。从而使粒子浓度均匀化，这种过程叫做扩散。n气气体体中中带带电电质质点点的的扩扩散散和和气气体体状状态态有有关关，气气体体压压力力越越高高或或者温度越低，扩散过程也就越弱者温度越低，扩散过程也就越弱n电电子子的的质质量量

6、远远小小于于离离子子，所所以以电电子子的的热热运运动动速速度度很很高高，它它在在热热运运动动中中受受到到的的碰碰撞撞也也较较少少，因因此此，电电子子的的扩扩散散过过程程比比离子的要强得多离子的要强得多 原子电离原子电离：原原子子在在外外界界因因素素作作用用下下，使使其其一一个个或或几几个个电电子子脱脱离离原原子子核核的的束束缚缚而而形形成成自自由由电电子子和和正正离离子子的的过过程程称称为为原原子子的的电电离离，它是气体放电的首要前提。其所需要的能量成为电离能。它是气体放电的首要前提。其所需要的能量成为电离能。激励：激励：当当原原子子获获得得外外加加能能量量时时，一一个个或或多多个个电电子子有

7、有可可能能转转移移到到离核较远的外部轨道上，这个过程成为激励。离核较远的外部轨道上，这个过程成为激励。三三 带电粒子的产生（电离过程）带电粒子的产生（电离过程）气体中带电粒子的产生气体中带电粒子的产生 （一）气体分子的电离可由下列因素引起：（一）气体分子的电离可由下列因素引起：（1 1）碰撞电离）碰撞电离 （2 2）各种光辐射（光电离）各种光辐射（光电离）（3 3）高温下气体中的热能（热电离）高温下气体中的热能（热电离）（二）（二）金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离1.1.碰撞电离碰撞电离 n气气体体放放电电中中，碰碰撞撞电电离离主主要要是是自自由由电电子子和和气气体体分分子子碰碰撞

8、撞而引起的而引起的 n在在电电场场作作用用下下，电电子子被被加加速速而而获获得得动动能能。当当电电子子的的动动能能满足如下条件时，将引起碰掩电离满足如下条件时，将引起碰掩电离 n碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关n注意：发生碰撞电离基本都是注意：发生碰撞电离基本都是自由电子自由电子引起的引起的2.2.光电离光电离 n光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离 自然界、人为照射、气体放电过程自然界、人为照射、气体放电过程n当当气气体体分分子子受受到到光光辐辐射射作作用用时时，如如光光子子能能量量满

9、满足足下下面面条条件，将引起光电离，分解成电子和正离子件，将引起光电离，分解成电子和正离子n光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为n对对所所有有气气体体来来说说，在在可可见见光光的的作作用用下下，一一般般是是不不能能直直接接发生光电离的发生光电离的 3.3.热电离热电离 n因气体热状态引起的电离过程称为热电离因气体热状态引起的电离过程称为热电离n在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离的碰撞电离 n高温下高能热辐

10、射也能造成气体的电离高温下高能热辐射也能造成气体的电离 4.4.金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离 n阴极发射电子的过程阴极发射电子的过程 逸出功逸出功：金属的微观结构：金属的微观结构、金属表面状态、金属表面状态（小于小于电离能电离能）n金属表面电离有多种方式金属表面电离有多种方式n正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于两倍的逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结大于两倍的逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞

11、出一个以上电子时才能出现自由电子碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子 2）光电效应）光电效应 金金属属表表面面受受到到光光的的照照射射，当当光光子子的的能能量量大大于于选选出出功功时时，金属表面放射出电子金属表面放射出电子 3）强场放射（冷放射）强场放射（冷放射）当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子 4）热电子放射）热电子放射 当当阴阴极极被被加加热热到到很很高高温温度度时时，其其中中的的电电子子获获得得巨巨大大动动能，逸出电子能，逸出电子四四 负离子的形成负离子的形成 n附附着着过过程程：有有时时电电子子和和气气体体分分子子碰碰撞撞非非

12、但但没没有有电电离离出出新电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子新电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子 n有有些些气气体体形形成成负负离离子子时时可可释释放放出出能能量量。这这类类气气体体容容易易形成负离子，称为电负性气体（如形成负离子，称为电负性气体（如SF6）n负负离离子子的的形形成成起起着着阻阻碍碍放放电电的的作作用用（减减少少了了自自由由电电子子数）数）五五 气体中带电粒子的消失气体中带电粒子的消失n电场作用下气体中带电粒子的定向运动电场作用下气体中带电粒子的定向运动 n带电粒子的扩散带电粒子的扩散n带电粒子的复合带电粒子的复合 带电质点的复合带电质点的复合 n正正离离子子和

13、和负负离离子子或或电电子子相相遇遇，发发生生电电荷荷的的传传递递而而互互相相中和、还原为分子的过程中和、还原为分子的过程n在在带带电电质质点点的的复复合合过过程程中中会会发发生生光光辐辐射射，这这种种光光辐辐射射在一定条件下又可能成为导致电离的因素在一定条件下又可能成为导致电离的因素 n正正、负负离离子子间间的的复复合合概概率率要要比比离离子子和和电电子子间间的的复复合合概概率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要 n一一定定空空间间内内带带电电质质点点由由于于复复合合而而减减少少的的速速度度决决定定于于其其浓度浓度 复习复习l平均自由行程长度影

14、响因素：半径、温度、气压l迁移率和扩散l电离（需满足外界能量大于电离能）碰撞电离：受的影响，进而受半径、温度、气压影响l自由电子是碰撞电离的主导因素光电离热电离阴极表面电离l正离子碰撞阴极表面（动能大于2倍逸出功）l负离子的形成l带电粒子的消失复合Company Logo 张张张张 宁宁宁宁 福州大学电力系福州大学电力系 1.2-1.3 1.2-1.3 电子崩和自持放电电子崩和自持放电一一 非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电nO O点点：由由于于光光辐辐射射的的作作用用，在在气气隙中存在一定量的自由电子隙中存在一定量的自由电子nA A点点：由由于于光光电电离离而而产产生生的的自自由由电电

15、子子全全部部消消失失在在外外回回路中路中nO O点点AA点点：自自由由电电子子在在外外电电场场作作用用下下的的运运动动速速度度增增加加，同同时时发发生生复合的可能性减少复合的可能性减少nA A点点BB点点：随随着着外外电电压压的的增增加加，自自由电子数基本不变，电流值不变由电子数基本不变，电流值不变nB B点点CC点点：随随着着外外电电场场的的增增强强，自自由由电电子子的的数数量量和和运动速度同时快速增加运动速度同时快速增加nB B点点：此此时时外外电电场场达达到到一一定定程程度度，能够产生额外的自由电子能够产生额外的自由电子非自持放电非自持放电n外外施施电电压压小小于于U U0 0时时，间间

16、隙隙内内虽虽有有电电流流，但但其其数数值值甚甚小小，通通常常远远小小于于微微安安级级，因因此此气气体本身的绝缘性能尚未被波体本身的绝缘性能尚未被波破破坏坏，即即间间隙隙还还未未被被击击穿穿。而而且且这这时时电电流流要要依依靠靠外外电电离离因因素素来来维维持持。如如果果取取消消外外电电离离因因家，那么电流也将消失家，那么电流也将消失 自持放电自持放电n当当电电压压达达到到U U0 0后后，气气体体中中发发生生了了强强烈烈的的电电离离，电电流流剧剧增增。同同时时气气体体中中电电离离过过程程只只靠靠电电场场的的作作用用已已可可自自行行维维持持，而而不不再再继继续续需需要要外外电电离离因因素素了了。因

17、因此此U U0 0以以后后的的放放电电形式也称为自持放电形式也称为自持放电 n由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压n如如电电场场比比较较均均匀匀，则则间间隙隙将将被被击击穿穿，而而起起始始电电压压U U0 0也就是间隙的击穿电压也就是间隙的击穿电压U Ub bn如如电电场场极极不不均均匀匀，则则当当放放电电由由非非自自持持转转入入自自持持时时，在在大大曲曲率率电电极极表表面面电电场场集集中中的的区区域域发发生生电电晕晕放放电电，这这时时起起始始电电压压是是间间隙隙的的电电晕晕起起始始电电压压，而击穿电压可能比起始电压高很多而击穿电压可能比起始电压高很

18、多均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程 n汤逊放电理论汤逊放电理论n流注放电理论流注放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的这两种理论互相补充，可以说明广阔的pdpd（压（压力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象 汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论n汤汤逊逊理理论论认认为为，当当pd较较小小时时，电电子子的的碰碰撞撞电电离离和和正正离离子子撞撞击击阴阴极极造造成成的的表表面面电电离离起起这这主主要要作作用用，气气隙隙的的击击穿穿电电压压大大体体上上是是pd的的函数函数二二 电子崩的形成电子崩的形成 （过程过程 ）一一个个起起始始电

19、电子子自自电电场场获获得得一一定定动动能能后后，会会碰碰撞撞电电离离出出一一个个第第二二代代电电子子；这这两两个个电电子子作作为为新新的的第第一一代代电电子子，又又将将电电离离出出新新的的第第二二代代电电子子，这这时时空空间间已已存存在在四四个个自自由由电电子子；这这样样一一代代一一代代不不断断增增加加的的过过程程，会会使使电电子子数数目目迅迅速速增增加加，如如同冰山上发生雪崩一样同冰山上发生雪崩一样 电子崩过程中产生的电流电子崩过程中产生的电流n 电离系数电离系数 一一个个电电子子沿沿着着电电场场方方向向行行经经1cm长长度度，平平均均发发生生的的碰碰撞撞电离次数电离次数 设设电电子子在在均

20、均匀匀电电场场中中行行经经距距离离x而而未未发发生生碰碰撞撞，则则此此时时电电子子从从电电场场获获得得的的能能量量为为eEx，电电子子如如要要能能够够引引起起碰碰撞撞电电离离，必须满足条件必须满足条件 只只有有那那些些自自由由行行程程超超过过xiUiE的的电电子子，才才能能与与分分子子发发生生碰撞电离碰撞电离 若电子的平均自由行程为若电子的平均自由行程为，自由行程大于自由行程大于xi的概率为的概率为 在在lcm长度内，一个电子的平均碰撞次数为长度内，一个电子的平均碰撞次数为l 其中其中是电子自由行程超过是电子自由行程超过xi 而发生的碰撞而发生的碰撞，即电离碰撞次数，即电离碰撞次数 气体温度不

21、变时，气体温度不变时，1 Ap，并令，并令AUiB，可得，可得 结论：场强较大时，电子碰撞电离系数较大结论：场强较大时，电子碰撞电离系数较大 在气压较大或较小时，电子碰撞电离系数较小在气压较大或较小时，电子碰撞电离系数较小 设设：在在外外电电离离因因素素光光辐辐射射的的作作用用下下，单单位位时时间间内内阴阴极极单单位位面面积积产产生生n0 个个电子电子 在在距距离离阴阴极极为为x的的横横截截面面上上，单单位时间内单位面积有位时间内单位面积有n个电子飞过个电子飞过 这这n个个电电子子行行过过dx之之后后，又又会会产产生生dn个新的电子个新的电子 将此式积分，可得电子的增长规律为将此式积分，可得电

22、子的增长规律为 对于均匀电场，对于均匀电场，不随空间位置而变不随空间位置而变 相应的电子电流增长规律为相应的电子电流增长规律为 令令xd，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流 三三 过程过程n 电离系数电离系数 正正离离子子在在间间隙隙中中造造成成的的空空间间电电离离过过程程不不可可能能具具有有显著的作用显著的作用 正正离离子子向向阴阴极极移移动动，依依靠靠它它所所具具有有的的动动能能及及位位能能，在在撞撞击击阴阴极极时时能能引引起起表表面面电电离离，使使阴阴极极释释放放出出自自由由电子来电子来 表表示示折折算算到到每每个个碰碰撞撞阴阴极极表表面面

23、的的正正离离子子，阴阴极极金金属平均释放出的自由电子数属平均释放出的自由电子数 条件：条件：1.时间足够长时间足够长 2.电场强度足够强电场强度足够强从阴极飞出从阴极飞出n0个电子，到达阳极后，电子数将增加为个电子，到达阳极后，电子数将增加为 正离子数正离子数正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数 阴极表面阴极表面 气体间隙中气体间隙中 阳极表面阳极表面第一次第一次 1个电子个电子 产生产生 个正离子个正离子 个电子进入个电子进入第二次第二次 个电子个电子 产生产生 个正离子个正离子 个电子进入个电子进入 第三次第三次 个电子个电子 产生产生 个正离子个正离子

24、 个电子进入个电子进入 四四 自持放电条件自持放电条件 设设 n01 放电有非自持转入自持的条件为放电有非自持转入自持的条件为 在均匀电场中，这也就是间隙击穿的条件，上式具有在均匀电场中，这也就是间隙击穿的条件，上式具有清楚的物理意义清楚的物理意义 当当自自持持放放电电条条件件得得到到满满足足时时，就就会会形形成成图图解解中中闭闭环环部部分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去 适用范围：低气压、短气隙 Pd26.66kPacm(200mmHgcm)复习复习l电子崩及其过程中带电粒子分布的特点l电子碰撞电离系数l自持放电条件l汤逊放电理论Comp

25、any Logo 张张张张 宁宁宁宁 福州大学电力系福州大学电力系 1.4 1.4 起始电压与气压的关系起始电压与气压的关系 起始电压起始电压 温温度度不不变变时时，均均匀匀电电场场中中气气体体的的起起始始电电压压是是气气体体压压力力和电极间距离的乘积和电极间距离的乘积pd的函数的函数 n巴申（巴申（Paschen）定律）定律 击击穿穿电电压压与与pd的的规规律律在在碰碰撞撞电电离离学学说说提提出出之之前前，就就已从实验中总结出来了已从实验中总结出来了 实际上的系数实际上的系数A及及B和温度有关。系数和温度有关。系数A和绝对温度成反比和绝对温度成反比 比值比值pT和气体密度成正比和气体密度成正比 式中式中p以兆帕计，以兆帕计，T以绝对温度表示以绝对温度表示巴申定律更普遍的形式巴申定律更普遍的形式