1、第二章氣體放電的基本理論 氣體在正常狀態(tài)下是不導(dǎo)電的，是良好的絕緣介質(zhì)，但當(dāng)作用在氣體上的電壓或者說電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)氣體就會(huì)突然失去絕緣性能而發(fā)生放電，放電導(dǎo)致氣體間隙短路時(shí)稱為氣隙的擊穿。氣體放電形式：輝光放電火花放電電弧放電電暈放電沿面放電氣體和液體屬于自恢復(fù)絕緣，固體屬于非自恢復(fù)絕緣 第一節(jié)、氣體帶點(diǎn)粒子的產(chǎn)生和消失氣體產(chǎn)生帶點(diǎn)粒子的過程稱為電離或游離，氣體分子發(fā)生電離所需能量叫電離能氣體電離的基本形式有：碰撞電離在氣體中存在著一些自由的電子或離子，在電場(chǎng)作用下被加速獲得動(dòng)能，當(dāng)動(dòng)能積累到一定數(shù)值后，和中性氣體分子發(fā)生碰撞時(shí)，就有可能使后者發(fā)生電離，這種電離過程稱為碰撞電離或碰撞

2、游離。碰撞電離的條件：1. 帶點(diǎn)粒子在碰撞前必須行進(jìn)足夠的行程，2.氣體電場(chǎng)強(qiáng)度增大光電離由光輻射引起的氣體分子的電離稱為光電離各種短波長(zhǎng)的高能輻射線如宇宙射線、射線、x射線以及短波紫外線等都具有較強(qiáng)的電離能力。在高電壓工程中常用紫外線照射氣隙以產(chǎn)生光電離而引發(fā)氣隙放電。熱游離由氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離。從基本方面來說，熱電離和碰撞電離及光電離是一致的，都是能量超過某一臨界值的粒子或光子碰撞分子使之發(fā)生電離只是直接的能量來源不同而已。表面電離氣體中的電子也可以由電場(chǎng)作用下的金屬表面發(fā)射出來，稱為金屬電極表面電離 當(dāng)氣體中發(fā)生放電時(shí)，除了有不斷產(chǎn)生帶電粒子的電離過程外，還存在著一個(gè)相反

3、的過程，即去電離過程 它將使帶電粒了從電離區(qū)域消失，或者削弱產(chǎn)生電離的作用。當(dāng)導(dǎo)致氣體電離的因素消失后由于去電離過程，會(huì)使氣體還原成中性狀態(tài)，而恢復(fù)其絕緣性能這就是氣體具有自恢復(fù)絕緣特性的本質(zhì)所在。氣體去電離的基本形式有： 帶電粒于向電極定向起動(dòng)并進(jìn)入電極形成回路電流，從而減少了氣體中的帶電粒子。 帶電粒廠的擴(kuò)散。由于熱運(yùn)動(dòng)，氣體中帶電粒子總是從氣體放電通道中的高濃度區(qū)向周圍的空間擴(kuò)散從而使氣體放電通道中的帶電粒子數(shù)目減少。 帶電粒子的復(fù)合。氣體中帶異號(hào)電荷的粒子相遇時(shí)，有可能發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、從而使氣體中的帶電粒子減少。 吸附效應(yīng)。某些氣體的中性分子或原子對(duì)電子具有較強(qiáng)的親合力當(dāng)電子

4、與其碰撞時(shí)就被吸附其上形成負(fù)離子同時(shí)放出能量，這種現(xiàn)象稱為吸附效應(yīng)。 氣體中電離與去電離這對(duì)矛盾的發(fā)展過程將決定氣體的狀態(tài)。當(dāng)電離因素大于去電離因素時(shí)，氣體中帶電粒子會(huì)愈來愈多，最終導(dǎo)致氣體擊穿；當(dāng)去電離因素大于電離因素時(shí)，則氣體中的帶電粒子將愈來愈少最終使氣體放電過程消失而恢復(fù)成絕緣狀態(tài)。第二節(jié) 湯遜氣體放電理論 盡管湯遜理論只對(duì)低氣壓短間隙均勻電場(chǎng)中的氣體放電現(xiàn)象比較適用。但其中所描述的氣體放電的基本物理過程卻具有普通意義。 湯遜放電實(shí)驗(yàn)由圖可見，平行板電極間(均勻電場(chǎng))氣體中的電流I和所加電壓U之間的關(guān)系(伏安特性)并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。 線性段oa；在oa段，U值不大但I(xiàn)隨U的增加基本

5、上呈線性增大趨勢(shì).飽和段ab：當(dāng)電壓升高至a時(shí)電壓再繼續(xù)升高，電流不再隨之成正比增大，而是基本維持在某一數(shù)值不再增加。碰撞電離。電離段bc：當(dāng)?shù)竭_(dá)b點(diǎn)以后，電流又重新隨著電壓的升高而增大，這說明此間氣隙中出現(xiàn)了新的帶電粒子參均導(dǎo)電。自持放電段(c點(diǎn)以后)：當(dāng)達(dá)到c點(diǎn)以后。隨著電壓的升高，電流將急劇增大，且此時(shí)若外加電壓稍有減小，電流卻不減小。電子崩 所謂電子崩是指電子在電場(chǎng)作用下從陰極奔向陽極的過程中與中性分子碰撞發(fā)生電離，電離的結(jié)果產(chǎn)生出新的電子新生電子又與初始電子一起繼續(xù)參與碰撞電離，從而使氣體中的電子數(shù)目由1變?yōu)?，又由2變?yōu)?而急劇增加。這種迅猛發(fā)展的碰撞電離過程猶如高山上發(fā)生的雪崩，

6、因此被形象地稱之為電子崩。 碰撞電離系數(shù) 表示一個(gè)電子在沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)1cm的行程中所完成的碰撞電離次數(shù)的平均值dnndxdne新增電子數(shù)1dne 取決于兩個(gè)因素的乘積： 電子在單位距離內(nèi)產(chǎn)生碰撞的次數(shù)，它應(yīng)等于電子平均自由行程的倒數(shù) 每次碰撞產(chǎn)生電離的概率，這個(gè)概率與電子在電場(chǎng)強(qiáng)度E作用下走過自由行程x所積累的能量有關(guān)，即要產(chǎn)生碰撞電離，此能量至少應(yīng)等于或大于氣體分子的電離能。三、湯遜自持放電條件 湯遜根據(jù)對(duì)放電過程的實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為要使氣隙中的放電由非自持放電轉(zhuǎn)變?yōu)樽猿址烹娋捅仨氃跉庀吨心軌蜻B續(xù)地形成電子崩，才能使極間電流維持下去。這就要求在電子崩發(fā)展到貫通兩極時(shí)，電子進(jìn)入陽極，正離子在返回陰

7、極時(shí)必須能夠在陰極上產(chǎn)生二次電離過程，以取得在氣隙中形成后繼電子崩所必需的二次電子，否則電子崩就會(huì)中斷，氣體放電就無法自行維持。因此，從陰極獲取二次電子是氣體放電由非自持放電轉(zhuǎn)為自持放電的關(guān)鍵。 陰極表面電離系數(shù)：每個(gè)正離子返回陰極時(shí)，能從陰極釋放出的電子數(shù)。 需要滿足條件 這是自持放電的條件 放電由非自持轉(zhuǎn)為自持時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度稱為起始放電場(chǎng)強(qiáng)，相應(yīng)的電壓稱為起始放電電壓(1)1de0()()ln1ln(1)B pdUA pd0()Uf pd 巴申定律 均勻電場(chǎng)中幾種氣體的擊穿電壓與pd的關(guān)系 設(shè)d不變，改變氣壓p。已知，當(dāng)P增大時(shí)、碰撞次數(shù)將增加然而碰撞電離的概率卻減小。電離仍不易進(jìn)行，所以U

8、b必然增大；反之當(dāng)p減小，這時(shí)雖然碰撞電離的概率增大了，但碰撞的次數(shù)卻減小，因此Ub也會(huì)增大。所以在這二者之間總有一個(gè)合適的P值對(duì)造成碰撞電離最為有利，故此時(shí)Ub為小。 同樣，如設(shè)p不變d增大欲得到定的電場(chǎng)強(qiáng)度，電壓就必須增大；當(dāng)d值減小時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度增大、但電子在走完全程中所發(fā)生的碰撞次數(shù)卻減小，同樣也會(huì)使Ub增大。所以在這二者之間也同樣存在一個(gè)d值對(duì)造成碰撞電離最為有利，此時(shí)的Ub最小。 一般用氣體的相對(duì)密度代替壓力 0()Ufd 均勻電場(chǎng)中幾種氣體的擊穿電壓與pd的關(guān)系 設(shè)d不變，改變氣壓p。已知，當(dāng)P增大時(shí)、碰撞次數(shù)將增加然而碰撞電離的概率卻減小。電離仍不易進(jìn)行，所以Ub必然增大；反之當(dāng)p

9、減小，這時(shí)雖然碰撞電離的概率增大了，但碰撞的次數(shù)卻減小，因此Ub也會(huì)增大。所以在這二者之間總有一個(gè)合適的P值對(duì)造成碰撞電離最為有利，故此時(shí)Ub為小。 同樣，如設(shè)p不變d增大欲得到定的電場(chǎng)強(qiáng)度，電壓就必須增大；當(dāng)d值減小時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度增大、但電子在走完全程中所發(fā)生的碰撞次數(shù)卻減小，同樣也會(huì)使Ub增大。所以在這二者之間也同樣存在一個(gè)d值對(duì)造成碰撞電離最為有利，此時(shí)的Ub最小。 一般用氣體的相對(duì)密度代替壓力 0()Ufd 均勻電場(chǎng)中幾種氣體的擊穿電壓與pd的關(guān)系 設(shè)d不變，改變氣壓p。已知，當(dāng)P增大時(shí)、碰撞次數(shù)將增加然而碰撞電離的概率卻減小。電離仍不易進(jìn)行，所以Ub必然增大；反之當(dāng)p減小，這時(shí)雖然碰撞電

10、離的概率增大了，但碰撞的次數(shù)卻減小，因此Ub也會(huì)增大。所以在這二者之間總有一個(gè)合適的P值對(duì)造成碰撞電離最為有利，故此時(shí)Ub為小。 同樣，如設(shè)p不變d增大欲得到定的電場(chǎng)強(qiáng)度，電壓就必須增大；當(dāng)d值減小時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度增大、但電子在走完全程中所發(fā)生的碰撞次數(shù)卻減小，同樣也會(huì)使Ub增大。所以在這二者之間也同樣存在一個(gè)d值對(duì)造成碰撞電離最為有利，此時(shí)的Ub最小。 一般用氣體的相對(duì)密度代替壓力 0()Ufd第三節(jié)、流注放電理論 湯遜放電理論能夠較好地解釋均勻電場(chǎng)中低氣壓短間隙( )的氣體放電過程，并利用這個(gè)理論可以推導(dǎo)出有關(guān)均勻電場(chǎng)中氣隙的擊穿電壓及其影響因素的一些實(shí)用性結(jié)論。但這個(gè)理論也有局限性，特別對(duì)于高

11、氣壓長(zhǎng)間隙( )和不均勻電場(chǎng)中的氣體放電現(xiàn)象就無法作出圓滿的解釋。 不同之處在于：流注理論認(rèn)為電子的碰撞電離和空間光電離是形成自持放電的主要因素；而湯遜理論則沒有考慮放電本身所引發(fā)的空間光電離對(duì)放電過程的重要作用。同時(shí)，流注理論特別強(qiáng)調(diào)空間電荷對(duì)電場(chǎng)畸變作用。 0.26dcm0.26dcm 崩頭部成為引發(fā)新的空間光電離的輻射源后。它們所造成的二次電子崩將以更大的電離強(qiáng)度向陽極發(fā)展 ，與此同時(shí)，電離出的新生電子迅即跑向初崩的正離子群中與之匯合，形成充滿正負(fù)帶電粒子的等離子通道這個(gè)通道稱為流注。流注的導(dǎo)電性能良好，端部又有二次崩留下的正電荷，因此大大加強(qiáng)了前方的電場(chǎng)，促使更多的新電子崩相繼產(chǎn)生并與

12、之匯合。從而使流注迅速向前發(fā)展這一過程稱為流注階段。一旦流注把兩極接通，就將導(dǎo)致間隙的完全擊穿，這一擊穿過程稱為流注放電的主放電階段。 第四節(jié)、不均勻電場(chǎng)中氣隙的放電特性實(shí)際電力設(shè)施中常見的是不均勻電場(chǎng) 一、不均勻電場(chǎng)中氣隙放電特征不均勻電場(chǎng)氣隙中的最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在曲線半徑小的電極表面附近。極不均勻電場(chǎng)的典型實(shí)例是“棒一板”間隙和“棒棒”間隙。在這種間隙中，由于有曲率半徑極小的棒電極存在所以棒電極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度最大。當(dāng)所加電壓達(dá)到某臨界值時(shí)，致使棒電極附近空間的電場(chǎng)強(qiáng)度首先達(dá)到起始放電場(chǎng)強(qiáng)E，因而在這個(gè)局部區(qū)域中首先出現(xiàn)碰撞電離和電子崩，甚至出現(xiàn)流注，并發(fā)展成為自持放電。但由于離棒電極較遠(yuǎn)地方的

13、電場(chǎng)強(qiáng)度仍很低、所以自持放電只能局限在棒電極附近一個(gè)不大的區(qū)域中發(fā)生，人們把這種局部放電稱為電暈放電，并把開始出現(xiàn)電暈放電的電壓稱為電暈起始電壓。電場(chǎng)愈不均勻其電暈起始電壓愈低，擊穿電壓也愈低，這是極不均勻電場(chǎng)中氣隙放電的個(gè)重要特征。二、極不均勻電場(chǎng)中氣隙放電的極性效應(yīng)極不均勻電場(chǎng)中的放電存在著明顯的極性效應(yīng)，極不均勻電場(chǎng)氣隙電從的極性是以曲率半徑較小的那個(gè)電極的極性為極性。如“棒一板”間隙即以棒電極電位的極性為極性，如果兩個(gè)電極的幾何形狀相同，如“棒棒”，間隙則以不接地的那個(gè)電極的極性為極性。 1.正極性 當(dāng)棒極為正極性時(shí)在電場(chǎng)強(qiáng)度最大的棒極附近首先形成電子崩電子崩的電子迅速進(jìn)人棒極，留下來的正空間電荷則削弱棒極附近的電場(chǎng)，從而使電暈起始電壓有所提高。然而正空間電荷印加強(qiáng)了正離子外部空間的電場(chǎng)，當(dāng)電壓進(jìn)一步提高隨著電暈放電區(qū)域的擴(kuò)展，強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)亦將逐漸向板極方向推進(jìn)。與板極之間的電場(chǎng)進(jìn)步加強(qiáng)，一些電子崩形成流注并向間隙深處迅速發(fā)展。因此，“棒一板”間隙的正極性擊穿電