气体放电的基本物理过程

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1、高电压工程基础第2章气体放电的基本物理过程2.1带电粒子的产生与消失2.2放电的电子崩阶段2.3自持放电条件2.4不均匀电场中放电的极性效应输电线路遭受雷击美国俄克拉荷马州塔尔萨市上空出现的闪电奇观辉光放电：充溢电极空间，电流密度小1-5mA/cm2,正伏安特性，绝缘状态；电晕放电：高场强附近出现发光薄层，通道仍是绝缘状态；刷状放电：电晕极伸出细亮断续放电通道，通道未击穿；火花放电：贯通两极细亮断续放电通道，间歇击穿；电弧放电：持续贯通两极细亮放电通道，完全击穿；气体放电的主要形式电介质：不导电或导电率极小

2、的物质。例如：空气、橡胶、纯净水。击穿：电介质变为导电通道的现象。放电：气体电介质的击穿现象。空气是最廉价的绝缘材料，用之不尽；影响因素的多样性、随机性，难以精确计算气体放电过程气体击穿理论相对完整；分析气体击穿仍是绝缘分析的基础。高电压工程基础2.1带电粒子的产生与消失气体中电子与正离子的产生（1）热电离波尔茨曼常数1.38×10-23J/K热力学温度（2）光电离普朗克常数6.63×10-34J·s（3）碰撞电离高电压工程基础（4）分级电离原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励

3、，所需的能量称为激励能。气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则会出现潘宁效应，可使混合气体的击穿强度低于这两种气体各自的击穿强度。高电压工程基础电极表面的电子逸出一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3（1）正离子撞击阴极（2）光电子发射（3）强场发射（4）热电子发射高电压工程基础气体中负离子的形成电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程

4、而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。元素电子亲合能（eV）电负性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。高电压工程基础带电质点的消失（1）带电质点的扩散带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的热运动速度高

5、、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。（2）带电质点的复合带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。电离过程吸收能量，产生电子等带电质点，促进放电过程发展，电气强度降低，不利于绝缘；复合过程释放能量，使带电质点减少消失，阻碍放电过程的发展，有利于保持绝缘强度。两种过程在气体放电过程中同时存在

6、，条件不同，强弱程度不同。电离主要发生在强电场、高能量区；复合主要发生在低电场、低能量区。带电质点复合过程的光辐射效应，在一定条件下也会成为二次电离的条件。电离与复合作用的关系低气压下均匀电场的自持放电Townsend理论与巴申定律汤逊电子崩理论：1903年英国物理学家提出气体放电理论，尽管适用范围有限，但对放电机理的阐述具有普遍意义，至今仍是放电物理的基础理论。外加电压很小时，气隙中的电流是由外界光电离因素造成。OA段线性，AB段饱和，良好绝缘状态，电流很小。BC段急剧上升。高电压工程基础2.2放电的电子

7、崩阶段非自持放电和自持放电的不同特点电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。自持放电起始电压非自持、自持放电，α、β、γ过程非自持放电：电压小于U0时，取消外电离因素，间隙电流消失。自持放电：电压大于U

8、0时，取消外电离因素，间隙电流靠电场作用能自行维持。电子崩：场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，如雪崩状发展过程，电流急剧增加。U0为击穿电压。电子碰撞电离系数α：一个电子由阴极到阳极行程中，每１cm路程与气体质点发生碰撞电离平均次数。即：单位行程内因碰撞电离而产生的自由电子数。正离子碰撞电离系数β：可忽略。阴极表面碰撞电离系数γ：单个正离子撞击阴极平均发射出的自由电子数高电压工程基础电子崩的形成（BC段