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1、第二章气体放电的基本理论,气体在正常状态下是不导电的，是良好的绝缘介质，但当作用在气体上的电压或者说电场强度超过某一临界值时气体就会突然失去绝缘性能而发生放电，放电导致气体间隙短路时称为气隙的击穿。,气体放电形式：辉光放电火花放电电弧放电电晕放电沿面放电气体和液体属于自恢复绝缘，固体属于非自恢复绝缘,第一节、气体带点粒子的产生和消失,气体产生带点粒子的过程称为电离或游离，气体分子发生电离所需能量叫电离能气体电离的基本形式有：碰撞电离在气体中存在着一些自由的电子或离子，在电场作用下被加速获得动能，当动能积累到一定数值后，和中性气体分子发生碰撞时，就有可能使后者发生电离，这种电离过程称为碰撞电离或
2、碰撞游离。碰撞电离的条件：1.带点粒子在碰撞前必须行进足够的行程，2.气体电场强度增大光电离由光辐射引起的气体分子的电离称为光电离各种短波长的高能辐射线如宇宙射线、射线、x射线以及短波紫外线等都具有较强的电离能力。在高电压工程中常用紫外线照射气隙以产生光电离而引发气隙放电。,热游离由气体热状态引起的电离过程称为热电离。从基本方面来说，热电离和碰撞电离及光电离是一致的，都是能量超过某一临界值的粒子或光子碰撞分子使之发生电离只是直接的能量来源不同而已。表面电离气体中的电子也可以由电场作用下的金属表面发射出来，称为金属电极表面电离,当气体中发生放电时，除了有不断产生带电粒子的电离过程外，还存在着一个
3、相反的过程，即去电离过程它将使带电粒了从电离区域消失，或者削弱产生电离的作用。当导致气体电离的因素消失后由于去电离过程，会使气体还原成中性状态，而恢复其绝缘性能这就是气体具有自恢复绝缘特性的本质所在。,气体去电离的基本形式有：带电粒于向电极定向起动并进入电极形成回路电流，从而减少了气体中的带电粒子。带电粒厂的扩散。由于热运动，气体中带电粒子总是从气体放电通道中的高浓度区向周围的空间扩散从而使气体放电通道中的带电粒子数目减少。带电粒子的复合。气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递而互相中和、从而使气体中的带电粒子减少。吸附效应。某些气体的中性分子或原子对电子具有较强的亲合力当电子与其
4、碰撞时就被吸附其上形成负离子同时放出能量，这种现象称为吸附效应。,气体中电离与去电离这对矛盾的发展过程将决定气体的状态。当电离因素大于去电离因素时，气体中带电粒子会愈来愈多，最终导致气体击穿；当去电离因素大于电离因素时，则气体中的带电粒子将愈来愈少最终使气体放电过程消失而恢复成绝缘状态。,第二节 汤逊气体放电理论,尽管汤逊理论只对低气压短间隙均匀电场中的气体放电现象比较适用。但其中所描述的气体放电的基本物理过程却具有普通意义。,汤逊放电实验由图可见，平行板电极间(均匀电场)气体中的电流I和所加电压U之间的关系(伏安特性)并不是简单的线性关系。,线性段oa；在oa段，U值不大但I随U的增加基本上
5、呈线性增大趋势.饱和段ab：当电压升高至a时电压再继续升高，电流不再随之成正比增大，而是基本维持在某一数值不再增加。碰撞电离。电离段bc：当到达b点以后，电流又重新随着电压的升高而增大，这说明此间气隙中出现了新的带电粒子参均导电。自持放电段(c点以后)：当达到c点以后。随着电压的升高，电流将急剧增大，且此时若外加电压稍有减小，电流却不减小。,电子崩所谓电子崩是指电子在电场作用下从阴极奔向阳极的过程中与中性分子碰撞发生电离，电离的结果产生出新的电子新生电子又与初始电子一起继续参与碰撞电离，从而使气体中的电子数目由1变为2，又由2变为4而急剧增加。这种迅猛发展的碰撞电离过程犹如高山上发生的雪崩，因
6、此被形象地称之为电子崩。,碰撞电离系数 表示一个电子在沿电场方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数的平均值,新增电子数,取决于两个因素的乘积：电子在单位距离内产生碰撞的次数，它应等于电子平均自由行程的倒数每次碰撞产生电离的概率，这个概率与电子在电场强度E作用下走过自由行程x所积累的能量有关，即要产生碰撞电离，此能量至少应等于或大于气体分子的电离能。,三、汤逊自持放电条件,汤逊根据对放电过程的实验研究认为要使气隙中的放电由非自持放电转变为自持放电就必须在气隙中能够连续地形成电子崩，才能使极间电流维持下去。这就要求在电子崩发展到贯通两极时，电子进入阳极，正离子在返回阴极时必须能够在阴极上产生二
7、次电离过程，以取得在气隙中形成后继电子崩所必需的二次电子，否则电子崩就会中断，气体放电就无法自行维持。因此，从阴极获取二次电子是气体放电由非自持放电转为自持放电的关键。,阴极表面电离系数：每个正离子返回阴极时，能从阴极释放出的电子数。需要满足条件这是自持放电的条件放电由非自持转为自持时的电场强度称为起始放电场强，相应的电压称为起始放电电压,巴申定律,均匀电场中几种气体的击穿电压与pd的关系 设d不变，改变气压p。已知，当P增大时、碰撞次数将增加然而碰撞电离的概率却减小。电离仍不易进行，所以Ub必然增大；反之当p减小，这时虽然碰撞电离的概率增大了，但碰撞的次数却减小，因此Ub也会增大。所以在这二
8、者之间总有一个合适的P值对造成碰撞电离最为有利，故此时Ub为小。同样，如设p不变d增大欲得到定的电场强度，电压就必须增大；当d值减小时电场强度增大、但电子在走完全程中所发生的碰撞次数却减小，同样也会使Ub增大。所以在这二者之间也同样存在一个d值对造成碰撞电离最为有利，此时的Ub最小。一般用气体的相对密度代替压力,均匀电场中几种气体的击穿电压与pd的关系 设d不变，改变气压p。已知，当P增大时、碰撞次数将增加然而碰撞电离的概率却减小。电离仍不易进行，所以Ub必然增大；反之当p减小，这时虽然碰撞电离的概率增大了，但碰撞的次数却减小，因此Ub也会增大。所以在这二者之间总有一个合适的P值对造成碰撞电离
9、最为有利，故此时Ub为小。同样，如设p不变d增大欲得到定的电场强度，电压就必须增大；当d值减小时电场强度增大、但电子在走完全程中所发生的碰撞次数却减小，同样也会使Ub增大。所以在这二者之间也同样存在一个d值对造成碰撞电离最为有利，此时的Ub最小。一般用气体的相对密度代替压力,均匀电场中几种气体的击穿电压与pd的关系 设d不变，改变气压p。已知，当P增大时、碰撞次数将增加然而碰撞电离的概率却减小。电离仍不易进行，所以Ub必然增大；反之当p减小，这时虽然碰撞电离的概率增大了，但碰撞的次数却减小，因此Ub也会增大。所以在这二者之间总有一个合适的P值对造成碰撞电离最为有利，故此时Ub为小。同样，如设p
10、不变d增大欲得到定的电场强度，电压就必须增大；当d值减小时电场强度增大、但电子在走完全程中所发生的碰撞次数却减小，同样也会使Ub增大。所以在这二者之间也同样存在一个d值对造成碰撞电离最为有利，此时的Ub最小。一般用气体的相对密度代替压力,第三节、流注放电理论,汤逊放电理论能够较好地解释均匀电场中低气压短间隙()的气体放电过程，并利用这个理论可以推导出有关均匀电场中气隙的击穿电压及其影响因素的一些实用性结论。但这个理论也有局限性，特别对于高气压长间隙()和不均匀电场中的气体放电现象就无法作出圆满的解释。不同之处在于：流注理论认为电子的碰撞电离和空间光电离是形成自持放电的主要因素；而汤逊理论则没有
11、考虑放电本身所引发的空间光电离对放电过程的重要作用。同时，流注理论特别强调空间电荷对电场畸变作用。,崩头部成为引发新的空间光电离的辐射源后。它们所造成的二次电子崩将以更大的电离强度向阳极发展，与此同时，电离出的新生电子迅即跑向初崩的正离子群中与之汇合，形成充满正负带电粒子的等离子通道这个通道称为流注。流注的导电性能良好，端部又有二次崩留下的正电荷，因此大大加强了前方的电场，促使更多的新电子崩相继产生并与之汇合。从而使流注迅速向前发展这一过程称为流注阶段。一旦流注把两极接通，就将导致间隙的完全击穿，这一击穿过程称为流注放电的主放电阶段。,第四节、不均匀电场中气隙的放电特性,实际电力设施中常见的是
12、不均匀电场 一、不均匀电场中气隙放电特征不均匀电场气隙中的最大场强出现在曲线半径小的电极表面附近。极不均匀电场的典型实例是“棒一板”间隙和“棒棒”间隙。在这种间隙中，由于有曲率半径极小的棒电极存在所以棒电极表面的电场强度最大。当所加电压达到某临界值时，致使棒电极附近空间的电场强度首先达到起始放电场强E，因而在这个局部区域中首先出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，并发展成为自持放电。但由于离棒电极较远地方的电场强度仍很低、所以自持放电只能局限在棒电极附近一个不大的区域中发生，人们把这种局部放电称为电晕放电，并把开始出现电晕放电的电压称为电晕起始电压。电场愈不均匀其电晕起始电压愈低，击穿电压也愈低
13、，这是极不均匀电场中气隙放电的个重要特征。,二、极不均匀电场中气隙放电的极性效应极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应，极不均匀电场气隙电从的极性是以曲率半径较小的那个电极的极性为极性。如“棒一板”间隙即以棒电极电位的极性为极性，如果两个电极的几何形状相同，如“棒棒”，间隙则以不接地的那个电极的极性为极性。,1.正极性 当棒极为正极性时在电场强度最大的棒极附近首先形成电子崩电子崩的电子迅速进人棒极，留下来的正空间电荷则削弱棒极附近的电场，从而使电晕起始电压有所提高。然而正空间电荷印加强了正离子外部空间的电场，当电压进一步提高随着电晕放电区域的扩展，强电场区亦将逐渐向板极方向推进。与板极之间的电场进步加强，一些电子崩形成流注并向间隙深处迅速发展。因此，“棒一板”间隙的正极性击穿电压较低而其电晕起始电压相对较高。,2负极性当棒极为负极性时，这时电子崩将由棒极表面出发向外发展电子崩中的电子向板极运动。滞留在棒极附近的正空间电荷虽然加强了棒极表面附近的电场。但却削弱了外面空间朝向板极方向的电场，使电晕区不易向外扩展，放电发展比较困难。因此“棒一板”间隙的击穿电压较高。然而，由于正空间电荷加强了棒极表面附近的电场所以使“棒一板”间隙的电晕起始电压相对较低。,三、长间隙的平均击穿场强比短间隙的平均击穿场强低,
