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1、高压电气绝缘与测试,电气0929-0931班任课教师 罗旖旎,第二节 均匀电场中气体的击穿过程,电子崩的形成过程汤逊理论流注理论所谓均匀电场，就是在电场中，电场强度处处相等，如两个平行平板电极的电场（当然还要考虑边缘效应），如图所示。,平行平板电极的电场,气体放电的现象与发展规律与气体种类、气压大小、气隙中的电场形式、电源容量等一系列因素有关。但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞游离导致电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。,一、较小时的气体放电过程,*气体放电的汤逊理论*1、电子崩的形成及发展规律各种高能辐射线（外界游离因素）引起：阴极表面光电离气体的空间光电离 因此，空气中存在一
2、定浓度的带电质点。,电子崩的产生,外界游离因素在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞游离，产生一个新的电子，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，产生更多电子。,依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。,（1）碰撞游离系数：一个电子沿着电场方向走向阳极1cm路程中所发生的平均碰撞游离次数。与气体的种类、相对密度和电场强度有关。（2）阴极表面游离系数(gama)：一个正离子撞击阴极表面时从阴极平均逸出的自由电子数。（3）正离子碰撞游离系数：一个正离子沿电场方向行进的过程中，在1cm路
3、程中发生的平均碰撞游离的次数。值极小，在分析时可予忽略。在电场作用下，正离子向阴极运动，由于它的平均自由行程较短，不易积累动能，所以很难使气体分子发生碰撞游离。,初始电子数为n0,x处时，电子数已增加到为n，,n个电子在dx的距离中又会产生dn个新电子,两边积分，考虑x=0，n=n0，得,均匀电场中，a值不随x变化,n0=1，x=d得：到达阳极的电子数为：,即一个电子走完全程后到达阳极时电子数为 个。新增电子数为,正离子数,2、表面游离过程及自持放电电子崩进入阳极中和，正离子撞击阴极表面出来的电子与正离子中和，表面未游离出新电子来发展电子崩，如果此时去掉外界游离因素，放电停止。须依赖外界游离因
4、素才能维持的放电为非自持放电。外界游离因素消失，放电会停止。若气隙上电场足够大，初始电子崩中的正离子在阴极上产生出来的新电子可以弥补原来发展电子崩的电子，即使没有外界游离因素的作用，放电也不会停止，这就变成了自持放电。电子崩可仅由外电场的作用而自行维持和发展。,自持放电的条件：只要至少撞击出一个自由电子，放电便可转入自持。,起始电压U0（非自持自持）,均匀场：击穿电压Ub,不均匀场：电晕起始电压，气隙仍绝缘，UbU0,如果自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分：,3、巴申定律当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压是气体的相对密度和气隙距离 d 乘积的函数，即：上式所示规律在汤逊理论提出之前就
5、由物理学家巴申从实验中得出，称为巴申定律。,即对应于某一 d，空气间隙的击穿电压最低。即Ub具有极小值。,图1-7均匀电场中空气的巴申曲线,由巴申曲线可知，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，这一概念具有十分重要的实用意义。,图1-7均匀电场中空气的巴申曲线,SF6断路器,真空断路器,4、汤逊理论的不足 汤逊理论 d较小时在实验的基础上建立的，当 d 较大时（d 0.26cm）此理论不适用了，一些实验现象无法解释：,二、较大时的气体放电过程,*气体放电的流注理论*流注的形成过程流注的条件（自持放电的条件/间隙击穿的条件）,空间电荷对电场的畸变,(a)电子崩形
6、状似圆形锥体。(b)空间电荷浓度分布极不均匀，电子崩头部聚集大部分正离子和全部自由电子；电子崩内部的电场削弱了；(c)空间电荷形成的电场。正离子与自由电子接触地方电场急剧降低。(d)电子崩头部电场急剧增大，正离子与电子接触部分的电场被减弱，电子崩尾部电场略微加强。电场加强的地方容易发生激发现象，反激发时释放大量光子；减弱的部分易发生复合，释放光子，引发新的空间光游离辐射源。,1、电子崩空间电荷对电场的畸变作用电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变；在电场很小的区域，电子和离子浓度最大，有利于完成复合；强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离辐射源。,光子的数量和能量取决于
7、电场畸变的程度。当空间电荷数量达到一定数值时，放射出的光子数量和能量足以引起空间光游离。,（1）当外加电压UUb时，可发展起负流注。,2、流注的形成和发展,起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩；,初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，放射出大量光子；,光电离产生二次电子，在加强的局部电场下形成二次崩；,二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使其发展；,流注头部电离迅速发展，放射出大量光子，引起空间光电离，流注前方出现新的二次崩，延长流注通道；,流注通道贯通，气隙击穿。,-,+,3、自持放电的条件 流注的特点是电离
8、强度很大和传播速度很快，出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见出现流注的条件也就是自持放电的条件。即：主崩中的空间电荷数须达到一定的数值。,小 结,汤逊理论：电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。巴申定律：提高气压或降低气压到高度真空，都能提高气隙的击穿电压。,非自持放电自持放电把去掉外界因素作用后，放电立即停止的放电形式称为非自持放电；把仅由电场作用就能维持的放电称为自持放电。,流注理论以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程；放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达108以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注；流注一旦形成，放电转入自持。,放电时间二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播，所以流注发展非常快。,放电外形多个二次崩同时发展，到流注阶段，若某个流注发展较快，会抑制其它流注，最后只有一个流注通道。,阴极材料大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。,
