第二章气体放电的物理过程.docx

1、第二章气体放电的物理过程第二章气体放电的物理过程 本章节教学内容要求：气体分子的激发与游离，带电质点的产生与消失汤森德气体放电理论：电子崩的形成，自持放电的条件，帕邢定律。流注理论：长间隙击穿的放电机理，极性效应，先导放电，雷云放电及电晕。必要说明：1）常用高压工程术语 击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。 闪络：沿固体介质表面的气体放电（亦称沿面放电） 电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。 击穿电压（放电电压）b（）：使绝缘击穿的最低临界电压。 击穿场强（抗电强度，绝缘强度）b（）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。 （：极间距离） 一般在

2、常压大气中，当较小为且电场为均匀分布时； ，当较大接近时。放电：（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程。辉光放电：当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。火花放电：在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。主要表现为：从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。电晕放电：在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。电晕放电的电流很小电弧

3、放电：在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。电弧放电电流大，电弧温度高。 电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。2）常见电场的结构 均匀场： 板板 稍不均匀场： 球球极不均匀场：（分对称与不对称） 棒棒 对称场 棒板 不对称场 线线 对称场 气体中带电质点的产生和消失 一带电粒子的产生（电离过程） 气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离

4、，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。激励能：一个原子的外层电子跃迁到较远的轨道上去的现象称为激励，其值为两个能级之间的差值。电离能：当外界加入的能量很大，使电子具有的能量超过最远轨道的能量时，电子就会变成自由电子，使得一个中性原子变成一个自由电子和一个带正电的离子，这个过程称为电离，达到电离所需要的最小能量称为电离能。 碰撞电离 定义：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离 。在放电形成时期主要取决于电子与气体分子的撞击.条件：撞击粒子的总能量被撞粒子的电离能 能量包括动能与位能 无电场时，动能小 有电场作用时，带电粒子在电场方向加速，但离子体积大，易碰撞损失动能，所以电场

5、中造成碰撞电离的主要因素是电子。 一定的相互作用的时间和条件 通过复杂的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换 主要影响因素有：电场强度（外加电压及间隙距离），空气密度，气体分子性质等 光电离 定义：在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子。由光电离而产生的自由电子亦称为光电子 。光电离在气体放电中很重要 。必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能 光子来源：紫外线、伦琴射线、射线、宇宙射线 气体本身反激励，异号粒子复合也产生光子 热电离 定义：气体的热状态造成的电离，实质仍是碰撞电离和光电离（热辐射产生的光子能量大且数目多），能量来自气体分子的热能。 1000K数量级分子动能碰撞电离 热

6、辐射光子的能量、数量光电离 热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合 高温时，气体分子分解或化合，电离能将改变 表面电离 气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。游离需要能量，称逸出功，一般小于气体的电离能，表面电离在气体放电过程中有重要的作用。获得逸出功的途径： 热电子发射：金属电极加热，分子动能 强场发射：电极加上强电场 二次电子发射：高能量粒子撞击金属电极表面 （正离子撞击阴极） 光电子发射：短波光照射金属表面 负离子的形成 中性分子或原子与电子相结合。将放出能量称亲和能 ，气体分子的这种俘获电子的性质被称为电负性。电负性大 , 易形成负离子 负离子现象对气体放电的发展起抑制作用 二气体中

7、带电粒子的消失 中和 受电场力作用流入电极，中和电量 扩散 （分子热运动）带电粒子由高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于均匀的过程 。复合 带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递，中和而还原为中性粒子的过程。 复合时有能量释放：光热声等。空间光电离 气体放电机理一:概述外加电压很小时，气隙中的电流是由外界因素所造成的电子和离子所形成的。随电压，这些质点中和后，电流饱和，仍有极微小的泄漏电流。（ 泄漏电流：当外加电场强度尚不能在气隙中，产生碰撞游离时，气隙中的电流是由外界电离因素，引起的电子和离子所形成的，其数量极小，故电流极小。）场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，象雪崩似的增

8、长，称电子崩。电流大增 。 （电子崩：外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子如果空间的电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多的电子。 依次类推，电子数以几何级数不断增多，象雪崩似的发展，这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。） 3cr （临界场强：由非自持放电转入自持放电的场强）时，电子崩有赖外界游离 因素，为非自持放电。cr 时，电子崩仅由电场的作用 而自行维持和发展，为自持放电。两者间区别：在于是否依赖外界游离因素。此后的发展随电场情况不同 分别表现为： 1、均匀电场各处的场强差异不大，任意一处一

9、旦形成自持放电，气体整个间隙击穿 2、不均匀电场：自持放电形成电晕 （1）、若间距较小即（小）：火花放电（2）、若间距较大（大）：刷形放电， 火花放电 （电源功率大时，火花击穿迅速变成电弧） 二、汤森德气体放电理论（均匀电场）一、下面结合均匀电场气隙的击穿过程的说明介绍两种气体放电理论 要点：气隙的击穿就是各种形式的游离持续发展的过程，条件不同（影响最大的是值。：气体的相对密度，：极间距离），各种游离所起作用的强弱不同，气隙击穿的机理也就有不同。 （）当值较小时，电子的撞击游离和正离子撞击阴极造成的表面游离起主要作用，气隙击穿电压大体是值的函数汤森德机理，. （）当值较大时，实验表明，数据、现

10、象与汤森德机理有矛盾，提出流注机理 二值较小时气隙的击穿过程（汤森德机理） 【需画图说明，参见备课笔记】 汤森德气体放电机理适用范围：低气压、短间隙（ .cm）；和汤森德气体放电机理其相关的3个参数：电子游离系数（电子，气体分子，1cm,自由电子数）、正离子游离系数（正离子，气体分子，1cm,自由电子数）、表面游离系数（正离子，阴极表面，自由电子数），上述个各个数值均为平均值。 放电过程描述：电子的撞击游离发展形成电子崩即带电质点的大量产生；参数（气体性质、大气压力、电场强度、均匀电场下为常数）作用小可以忽略。初始激发电子数为；到达阳极的电子数为若，则产生的电子数和正离子数也为0即只有碰撞游离

11、因素，是不能维持放电发展的。这种需要依靠外界游离因素支撑的放电称为非自持放电。若，则产生的电子数和正离子数均为电子崩产生的正离子撞击到阴极表面时造成金属表面游离（至少一个电子逸出） 当电压继续升高到后，电流急剧增加，气隙转入良好的导电状态。由于电压的增加，游离将更为剧烈同时产生更多的正离子。从上所述，一个电子在经过一段距离s后，产生的阳离子个数为个，这些正离子到达阴极以后，又能产生新的电子（作用，）则个正离子撞击阴极产生的电子数为，即表面至少逸出一个电子，则即使外界的游离因素不复存在，气隙中的游离过程也能够进行下去。这种只需要依靠电场就能够维持下去的放电称为自持放电。放电进入自持阶段，并最终击

12、穿。由此，均匀电场中由非自持放电转入为自持放电的条件为： 此时具有清晰的物理含义。由于偶然的一个因素而产生的一个电子从阴极出发在间隙中引起强烈的电离，游离出的全部正离子达到阴极能由过程在阴极表面上至少逸出一个电子，放电转入自持阶段。即自持放电的条件（不需要外界游离因素的存在可致气隙击穿）由非自持放电转入自持放电的电压称为起始放电电压。对于均匀电场，则气隙被击穿，此后可形成辉光放电或火花放电或电弧放电，起始放电电压就是气隙的击穿电压。对于不均匀电场，则在大曲率电极周围电场集中的区域发生电晕放电，而击穿电压要比起始放电电压要高好多。以上所描述的均匀电场气隙的击穿放电的理论称为汤森德气体放电理论。由

13、推倒可得到的关系（三）帕邢定律 当气体和电极材料一定时，气体的击穿电压是气压和间隙距离S乘积的函数。在汤森德理论提出以前，就已经被帕邢从实验中总结出来了，故称为帕邢定律。图均匀电场的帕邢曲线帕邢定律：击穿电压b（）（与的积有函数关系） 1889年由实验结果总结出 解释：a） 设不变 短，聚能少，有效碰撞几率小 长，但气体分子少，碰撞少 实用意义：将气隙抽真空或加大气隙气压，均能提高气隙的绝缘强度（） b）设不变,E得一定的，必须 大, 但电子在全程中的碰撞次数少，必须有上述的介绍可以看出：当出现的乘积为很大和很小时，都会体现出很大的值，即曲线会呈现出U型的分布，也就是两者之间有。 汤森德放电机

14、理的局限性 当气隙气压升高至大气压，过大时，汤森德机理存在不足： 1、放电形式：在大气压下放电不再是辉光放电，而是火花通道（具有分支和不连续） 2、放电时间：放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间（电子崩产生使得均压电场中气体整个间隙击穿） 3、与电极材料关系：阴极材料在放电过程中作用不大，即使没有作用，依然能自持放电。不能解释的原因：1、没有考虑到电离出来的空间电荷会使电场畸变，从而对放电过程产生影响。2、没有考虑到光子在放电过程中的作用。三流注机理 1939年，雷泽在实验的基础上建立起来了流注理论！流注形成的条件及自持放电及空间光电离！值较大时气隙的击穿过程 流注机理认为电子的碰撞游

15、离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，并强调空间电荷畸变电场的作用！此理论目前主要只是对放电过程作定性的描述，定量计算尚不成熟。 较均匀电场1、分析过程（一）空间电荷对原有电场的影响 电子崩的头部集中着大部分的正离子和几乎全部电子。原有均匀场强在电子崩前方和尾部处都增强了，在这两个强场区中间出现了一个电场强度很小但电子和正离子浓度却最大的区域，使此处产生强烈的复合并发射出许多光子，成为引发新的空间光电离的辐射源。如下图所示。（二）空间光电离的作用上面所说的辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离。如果光子位于强场区，二次电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展，或汇入崩尾。二次电子崩：当外施电

16、压达到气隙的最低击穿电压时，情况就发生了质的变化。在此情况下电子崩的崩头和崩尾将走完整个间隙，由于崩头和崩尾的电子和正离子此时非常多，使得崩头和崩尾的外围的场强大为增加。同时，崩中部的合成场强很弱，故在此处会给电子和中性质点结合形成负离子以很大的概率，当负离子和正离子相复合时便会产生大量的光子。崩头强烈的电离过程必然会伴随着强烈的激励和反激励，强烈的反激励会放出大量的光子。前面两个过程中所产生的光子向空间周围发射，相比而言发射到阳极的光子起不到什么作用直接进入到阳极。发射到崩尾的光子，造成了空间光电离，电离出的电子在崩尾局部强化了的电场中形成许多衍生的电子崩。正流注：衍生电子崩的崩头部的电子汇

17、合到主崩尾部正空间电荷区，使主崩本体区域成为正负质点的混合通道，该处的场强较弱，此处不存在强烈的电离，这里的电子大多成为了负离子。主崩尾部外缘为衍生崩的崩尾正空间电荷区，这些正空间电荷大大加强了崩尾外围的电场，使在此区域内不断造成新的衍生电子崩，并不断的汇合到主崩的尾部来。就一个衍生电子崩的方向来看，其发展方向是向着阴极发展的，这一过程称为正流注，意思是从正极出发的。当流注通道发展到接近阴极时，通道端部与阴极间的场强急剧增加。在此区域内发生及其强烈的电离，电离出的大量电子沿流注通道流向阳极，并从电场中获得加速和动能，在碰撞后又传给通道中的气体分子，使通道中的温度上升达几千度，通道内部发生热游离

18、，整个通道就转化为火花通道，气隙的击穿也就完成了。上述的描述是在外施电压不是很高的情况下，电子崩需要经过整个间隙，才能在其头部聚集足够的电子，达到火花击穿时的这个电压，就是间隙的最低击穿电压。当外部电压很高时，则主崩不需要经过整个间隙，其头部即已积累到足够多的空间电荷以发展流注了，除了正流注，还有负流注。负流注：当外加电压足够强时，主崩不需经过整个间隙距离就可发展流注。主崩头部局部电场最强，极易发展衍生电子崩，其后，主崩头部的电子和衍生崩尾的正离子形成混合通道。这些新的衍生崩与主崩汇合成迅速向阳极推进的流注，称为负流注。起源也是光电子。正负流注同时发展，还可出现分支。、流注：这些电离强度和发展

19、速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）不断汇入初崩通道，这一过程称为流注。流注理论认为：在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这是放电即转入新的流注阶段。流注放电过程的三个阶段 电子崩阶段 当外加电压不是很高时， 电子在奔向阳极的途中，不断地发生撞击游离，形成电子崩，崩内的电子数和正离子数随电子崩发展的距离按指数规律急剧增长。电子在崩头并扩散成球形，正离子滞后在崩尾。空间电荷将使电源电场

20、畸变。 当电场畸变严重时（电子崩快走完间隙时，崩头电子和崩尾正离子总数很高），崩头的强烈游离伴随反激励，放出光子，同时，中部弱电场中的复合也放出大量的光子，在崩尾强化了的电场中形成许多衍生电子崩。 流注阶段 衍生电子崩和主崩汇合后，形成正负电荷的混合通道，称为流注通道，这种现象称为流注。其中的电子大多形成负离子，周围加强的电场中不断产生新衍生崩并汇入主崩尾部。就一个衍生电子崩的方向来看是向着阳极推进的，但从整个间隙的放电发展来看，衍生电子崩却是一个一个的向着阴极扩展的，称为正流注（从正极出发的）。 主放电阶段 当流注通道发展到接近阴极时，通道端部与阴极间的场强急剧升高，在这区域内发生极强烈的游

21、离，大量电子沿流注通道流向阳极，在通道内发生热游离（几千度），放电就由流注过渡到火花或电弧的形式（电源功率大小决定），间隙击穿。 可见：流注过程是由于空间电荷的存在积累到一定数量，引起电场畸变，由光电子衍生出新的电子崩，流注发展，产生伴有强烈热游离的主放电，最后导致间隙击穿。 均匀电场中，一旦形成流注，放电就能自持发展，直到整个间隙击穿。所以，在均匀电场中形成流注的条件，就是间隙的击穿条件。 3、不均匀电场（流注理论进行解释）4、适用范围： 当时用汤森德理论，时用流注理论大气压、短间隙、不均匀、均匀电场中的放电过程 3 电晕放电 电晕放电简介 1 电晕的形成及特点 在极不均匀电场中，最大场强与

22、平均场强相差很大，当外加电压和平均场强还较低时，在电极尖端附近的局部场强已很大，足以产生强烈的游离。但由于电极较远处的场强仍很小，所以次游离不能扩展。伴随着游离过程，存在着正负离子的复合和反激励，发出大量的光辐射和“丝丝”的声音以及兰色的晕光，这就是电晕。 特点：自持放电;电流小(微安级）2电晕的危害 有声、光的产生和能量损耗；产生的高频脉冲电流含有许多高次谐波，造成无线电干扰；使空气局部游离，产生的臭氧和氧化氮等会腐蚀金属器具；电风的产生及影响等。 有利的一面：可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值和陡度，除尘，负氧离子发生器 3输电线路的电晕与防治措施根本的途径是设法限制和降低导线的表面电场强

23、度（改进电极的形状，增大电极曲率半径均压环、屏蔽环）。可采用扩径导线和空心导线，更加合适的措施是采用分裂导线（同时分裂导线还可以降低线路电抗，我国330千伏线路采用双分裂导线，架设的500千伏线路将采用4分裂导线）。3不均匀电场气隙的击穿 电力工程中大多是不均匀电场，其气隙的击穿有显著的极性效应和较长的放电时延，因而与所加电压波形有显著关系。 不均匀电场中大多数为不对称：棒板，线板 少数为对称分布：棒棒，线线 分析方法应采用流注机理极性效应：当电极的正负电性不同时，气体击穿电压值也不相同，这种现象叫极性效应。高压直流输电过程中的诸多问题（直流输电线路上的电晕，直流电场效应、直流架空线路绝缘等）

24、都离不开极性效应的基础理论。一短间隙的击穿 如尖板不均匀电场中 气隙的击穿有很强的极性效应 形成过程1、电子崩，2、流注阶段，3、主放电阶段1 正棒负板： 电子崩是从场强小的区域向场强大的区域发展，此时对电子崩发展是很有利的。电子崩的电子立即进入正棒极，使前方电场被留下的正离子加强，造成发展正流注的有利条件。流注形成后，头部仍为正电荷，使流注进一步向阴极发展。正流注的发展是连续的，速度很快 ，与负棒极相比，击穿同一间隙所需要的电压要小。2 负棒正板： 初崩是从负极棒向正极板发展的，因此电子崩先经过强场区，场强愈来愈弱。初崩留下的正空间电荷虽然增强了负尖极电场，但削弱前方（阳极方向）空间电场，使

25、流注的向前发展受到了抑制。必须升高电压，使初崩通道发展成流注通道，才能产生二次电子崩。负流注的发展是阶段式的，平均速度比正尖极流注小，同时同一气隙所需要的电压也比正流注高很多。主放电阶段： 当正负流注发展到对面电极时，间隙被充满正负离子混合质的、具有较大电导的通道所贯穿。在电源电压作用下，间隙内发生更强烈的游离，通道的电导和温度急剧增大，通道失去绝缘，气隙击穿。 二长间隙的击穿 长间隙击穿的三个阶段：电晕放电，先导放电，主放电电晕放电：当外加电压升高，棒电极附近的场强足够大时，棒极附近出现局部自持放电现象，称为电晕，此时的间隙电压称为电晕起始电压（起晕电压）。不均匀电场中，电晕 。先导放电：先

26、导通道：继流注之后发展起来的二次过程，通道中伴有热游离。在通道前方由于热游离而形成炙热的等离子体通道，其电导极大，但轴向场强很小，可看作棒极向板极的延伸。 先导通道的形成及不断伸长、发展即为先导放电。先导过程有很强的极性效应 ，不同极性的先导过程有着不同的特性，必须分别讨论。1、正先导过程（正棒-负板）当间隙距离较大时，欲使得间隙被击穿，必须将电压升的很高，由于电场是极不均匀的，故正棒附近的场强将达到很大的数值，使得棒前方广阔的范围里都同时出现强烈的电离，发展成为电子崩和流注。电离出来的自由电子循着各流注通道最终都汇聚到棒极上来，越靠近棒极，流注的密度越大，电流密度也越大，在强电场的作用下，携

27、带了大量的能量，使得该处气体的温度升到104K的数量级，造成热电离，在棒极前方形成了炽热的等离子通道，称为先导通道。由于热电离，通道具有相当高的电导和很小的轴向场强，近似把棒极电位带到通道的前端，好像把棒极延伸到通道的前端一样，这就使得通道前端的场强大增，在此区域内引起新的强流注。这样循环往复使得通道前端的场强始终保持着很强的场强，使得这样过程继续向前发展，直到对面的电极。先导过程实质上是继流注以后发展起来的二次过程。长间隙火花放电与短间隙火花放电的本质区别在于：长间隙炽热的导电通道是在放电发展过程中建立的，而不是在整个间隙被流注通道贯穿后建立的，所以长间隙击穿的平均场强小于短间隙击穿的平均场

28、强。2、负先导过程（负棒-正板）负先导过程比正先导过程建立要复杂，对负先导的研究也不如正先导清楚，故只能描述一下大致的过程。当很高的电压加到间隙上，在负棒前方的宽广区域中，立即发展大量散射的负流注。负流注中的电子远离棒极，直到离棒极较远处（该处的场强已减弱到不足以使电子产生碰撞电离的程度，在该处电离已经停止），电子便会逐渐被气体分子所俘获，形成大量的负离子。原来的流注区中则留下大量的正空间电荷。这些正空间电荷大大的加强了棒极附近的原来就已经很强的电场，使得该区域中产生非常强烈的电离。高场强和大电流密度使得棒极附近气体加热到很高的温度，产生热电离，形成具有高电导和低轴向场强的负先导通道。所以就近

29、似把棒极电位传到通道的前端。但前方空间中大量的负空间电荷，使得通道前端的合成场强大为减弱，通道发展因而停顿下来。待通道前端的负空间电荷被电场力驱散，先导通道的前方场强再次增强，进而又发展成为新的负流注。接着，大致再重复上述的过程使得先到通道一级一级的向前发展。当负先导通道发展到接近贯穿气隙时。流注区前缘大量的负空间电荷使得对面的电极附近的电场大大增强，导致从对面电极发出迎面的发电，开始是电子崩和流注，随后形成正先导通道。负先导具有分级发展的特性，其延伸的平均速度与正先导相比，为正先导的1/5-1/3。、主放电过程在先导通道接近板极时，在剩余的一小段间隙中场强剧增，发生强烈的电离过程，在这一小段

30、通道中强烈电离出来的与下电极异号电荷，迅速流向下极，而形成的的同号电荷则沿通道迅速流向上极，同时中和先导通道中多余的与之异号的空间电荷，这个过程称为主放电过程。主放电把先导通道改造成火花通道（如果电源的功率足够大，则变为电弧通道），气隙击穿。综上所述：在极不均匀电场中，气隙较小时，气隙放电大致可分为电子崩、流注、主放电过程。在极不均匀电场中，长气隙放电则可以分为电子崩、流注、先导过程、主放电过程；间隙越长，则先导过程和主放电过程发展的就越充分。4雷电放电简介1 雷电的极性：由流入大地的电荷的极性决定，为负性雷 2 三个阶段 （1）先导放电： 延续约几毫秒，先导通道逐级向下发展，高电导，高温，最高电压可达。 （2）主放电： 先导通道的前端接近被击物体时，场强较大，空气间隙击穿，巨大的电流导入大地（几百千安），并在与大地的反向电荷中和时释放能量，伴有巨大的