高电压技术——(一).ppt

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1、高电压技术第一讲1第一篇第一篇 电介质的电气强度电介质的电气强度电介质电介质（dielectric）在电气设备中作）在电气设备中作为为绝缘材料绝缘材料使用。使用。电气强度电气强度表征电介质耐受电压作用的能力。表征电介质耐受电压作用的能力。均匀电场中击穿电压均匀电场中击穿电压Ub与间隙距离之比称为与间隙距离之比称为击穿场强击穿场强Eb。我们把均匀电场中气隙的击穿场强我们把均匀电场中气隙的击穿场强Eb称为气体的电气强度。称为气体的电气强度。空气在标准状态下的电气强度为空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm;注意注意：不能把不均匀场中气隙：不能把不均匀场中气隙Ub与间隙距离之比称为气与间隙距离之

2、比称为气体的电气强度，通常称之为体的电气强度，通常称之为平均击穿场强平均击穿场强。击穿电压击穿电压：电介质击穿时的最低临界电压。：电介质击穿时的最低临界电压。击穿场强击穿场强是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。高电压技术第一讲21 1、电介质的分类、电介质的分类 按按物质形态物质形态分：分：气体气体电介质电介质液体液体电介质电介质固体固体电介质电介质 其中其中气体气体最常见。气体介质同其它介质相比，具有最常见。气体介质同其它介质相比，具有在在击穿后完全的绝缘自恢复击穿后完全的绝缘自恢复特性，故应用十分广泛。特性，故应用十分广泛。按在电气设备中按在电气设备中所处位

3、置所处位置分：分：外绝缘外绝缘：一般由一般由气体介质（空气）气体介质（空气）和和固体介质（绝缘子）固体介质（绝缘子）联合构成。联合构成。内绝缘内绝缘：一般由一般由固体介质固体介质和和液体介质液体介质联合构成。联合构成。高电压技术第一讲3 2 2、在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：、在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：弱电场弱电场电场强度比击穿场强小得多电场强度比击穿场强小得多 如：极化、电导、介质损耗等。如：极化、电导、介质损耗等。强电场强电场电场强度等于或大于放电起始场电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强强或击穿场强：如：放电、闪络、击穿等。如：放电、闪络、击穿等。强电场下的放

4、电、闪络、击穿等电气现象是强电场下的放电、闪络、击穿等电气现象是我们本篇所要研究的主要内容。我们本篇所要研究的主要内容。高电压技术第一讲43 3、几个基本概念、几个基本概念 放电放电：特指气体绝缘的击穿过程。：特指气体绝缘的击穿过程。击穿击穿：在电场的作用下，电介质由绝缘状态突变为：在电场的作用下，电介质由绝缘状态突变为良导电状态的过程。良导电状态的过程。闪络闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象。的放电现象。工程上将工程上将击穿击穿和和闪络闪络统称为统称为放电放电。击穿、放电、闪络击穿、放电、闪络都是在一定的电压作用下电都是在一定的

5、电压作用下电介质的绝缘性能被破坏的过程。介质的绝缘性能被破坏的过程。高电压技术第一讲54 4、本篇的主要内容、本篇的主要内容 第一章、气体放电的基本物理过程第一章、气体放电的基本物理过程 第二章、气体介质的电气强度第二章、气体介质的电气强度 第三章、液体和固体介质的电气特性第三章、液体和固体介质的电气特性 高电压技术第一讲8电气设备中电气设备中常用常用的气体介质的气体介质 ：空气空气、压缩的高电气强度气体（如、压缩的高电气强度气体（如SFSF6 6）纯净的纯净的、中性状态中性状态的气体是的气体是不导电不导电的，只有气体中出现的，只有气体中出现了了带电粒子带电粒子（电子、正离子、负离子）后，才可

6、能导电，（电子、正离子、负离子）后，才可能导电，并在电场作用下发展成各种形式的并在电场作用下发展成各种形式的气体放电现象气体放电现象。第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程 辉光放电 气压较低，电气压较低，电源功率很小时，放源功率很小时，放电充满整个间隙。电充满整个间隙。电弧放电 大气压力下，大气压力下，电源功率较大时，电源功率较大时，放电具有明亮、放电具有明亮、持续的细致通道。持续的细致通道。火花放电（雷闪）大气压力下。电大气压力下。电源功率较小时，间源功率较小时，间隙间歇性击穿，放隙间歇性击穿，放电通道细而明亮。电通道细而明亮。因因气体压力、电源功率、电极形状气体压力、

7、电源功率、电极形状等因素的影响，放电具有多种形式等因素的影响，放电具有多种形式 电晕放电 极不均匀电极不均匀电场，高电场强度场，高电场强度电极附近出现发电极附近出现发光薄层。光薄层。第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲9（2 2）本章主要内容）本章主要内容 1.1 1.1 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失 1.2 1.2 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程 1.3 1.3 不均匀电场中的放电过程不均匀电场中的放电过程 1.4 1.4 冲击电压下气隙的击穿特性冲击电压下气隙的击穿特性 1.5 1.5 沿面放电和污闪事故沿面放电和

8、污闪事故 第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲101.1.1 1.1.1 带电粒子在气体中的运动带电粒子在气体中的运动 (1)(1)自由行程长度自由行程长度运动引起的碰撞运动引起的碰撞 (2)(2)带电粒子的迁移率带电粒子的迁移率沿电场方向漂移沿电场方向漂移 (3)(3)扩散扩散与粒子浓度有关与粒子浓度有关第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲11 (1)1)自由行程长度自由行程长度 1 1）带带电电粒粒子子在在电电场场中中的的运运动形式：动形式：当当气气体体中中存存

9、在在电电场场时时，带带电电粒粒子子进进行行热热运运动动和和沿沿电电场场定定向向运运动动（如图（如图1-11-1所示）所示）第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲12 2 2）自由行程长度和自由行程长度和平均自由行程长度平均自由行程长度 粒粒子子从从这这次次碰碰撞撞到到下下次次碰碰撞撞之之间间所所走走过过的的距距离离称称为为自由行程长度自由行程长度。自自由由行行程程长长度度是是随随机机值值，具具有有分分散散性性，所所以以我我们们引入引入平均值平均值的概念。的概念。平均自由行程长度：平均自由行程长度：单单位位

10、行行程程中中的的碰碰撞撞次次数数Z Z的的倒倒数数即即为为该该粒粒子子的的平平均自由行程长度均自由行程长度。第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲13 粒子的自由行程等于或大于某一距离粒子的自由行程等于或大于某一距离x x的概率为：的概率为：粒子平均自由行程长度：粒子平均自由行程长度 令令x=x=，可见粒子实际自由行程长度大于或等，可见粒子实际自由行程长度大于或等于平均自由行程长度的概率是于平均自由行程长度的概率是36.8%36.8%。由气体动力学可知，电子平均自由行程长度由气体动力学可知，电子平均自由行

11、程长度 式中：式中：r r：气体分子半径气体分子半径 N N：气体分子密度气体分子密度第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲14 由于由于 代入上式得到：代入上式得到：式中：式中：P P：气压：气压 T T：气温：气温 k k：波尔兹曼常数：波尔兹曼常数 大气压和常温下平均自由行程长度数量级为大气压和常温下平均自由行程长度数量级为1010-5-5cmcm 3 3）定性分析：）定性分析：第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术

12、第一讲15(2)(2)带电粒子的迁移率带电粒子的迁移率 1 1）迁移率的定义）迁移率的定义 迁移率迁移率表示单位场强下（表示单位场强下（1V/m)1V/m)带电粒子沿电场方带电粒子沿电场方向的漂移速度。向的漂移速度。2 2）定性分析：）定性分析：电子的平均自由行程长度比离子大得多电子的平均自由行程长度比离子大得多 而电子的质量比离子小得多而电子的质量比离子小得多 结论：电子更易加速，电子的迁移率远大于离结论：电子更易加速，电子的迁移率远大于离子。子。第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲16(3)(3)扩

13、散扩散1 1）扩散的定义：）扩散的定义：热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使分布均匀化，这种过程称为的区域，从而使分布均匀化，这种过程称为扩散扩散。2 2）定性分析：）定性分析：气压越低，气压越低，温度越高，扩散越快温度越高，扩散越快。结论：结论：电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度比离子快得多。其扩散速度比离子快得多。第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲171.1.2 1.1.2 带

14、电粒子的产生带电粒子的产生 (1)(1)原子的电离和激励原子的电离和激励 (2)(2)电离的四种形式电离的四种形式 按引起电离的外部能量形式不同，分为：按引起电离的外部能量形式不同，分为：1 1）光电离）光电离 2 2）热电离）热电离 3 3）碰撞电离）碰撞电离 4 4）电极表面电离）电极表面电离 第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲18(1)(1)原子的电离和激励原子的电离和激励第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第

15、一讲19(1)(1)原子的电离和激励原子的电离和激励原子的激励原子的激励l 当原子获得外部能量（电场、高温等）当原子获得外部能量（电场、高温等），一个或若，一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去，该现象干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去，该现象称为称为激励激励。l 激励能（激励能（We，电子伏，电子伏eV）原子的电离原子的电离l 原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚，而形成自由电子和正离子的过程称为子核的束缚，而形成自由电子和正离子的过程称为电电离离。l 电离能（电离能（Wi，电子伏，电子伏eV）第一节第一节 带电粒

16、子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲20u电子要脱离原子核的束缚成为自由电电子要脱离原子核的束缚成为自由电子子,则必须给予其则必须给予其能量能量。能量来源的不。能量来源的不同带电粒子产生的方式就不同。同带电粒子产生的方式就不同。u因此，根据电子因此，根据电子获得能量方式获得能量方式的不同，的不同，带电粒子产生的方式可分为以下几种。带电粒子产生的方式可分为以下几种。第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失(2)(2)电离的四种形式电离的四种形式第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术

17、第一讲211）光电离）光电离定义：定义：由由光辐射光辐射引起气体分子电离的过程，称为光电离。引起气体分子电离的过程，称为光电离。条件：条件：当满足以下条件时，产生光电离：当满足以下条件时，产生光电离：光子来源：外界高能辐射线；气体放电本身光子来源：外界高能辐射线；气体放电本身u紫外线、宇宙射线、紫外线、宇宙射线、x射线等；射线等；u异号带电粒子复合成中性粒子释放出光子；异号带电粒子复合成中性粒子释放出光子；u激励态分子回复到正常态释放出光子激励态分子回复到正常态释放出光子第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第

18、一讲222 2）热电离）热电离定义：定义：气体分子气体分子高热状态高热状态引起的引起的碰撞碰撞导致电离过程，称为热电离。导致电离过程，称为热电离。条件：条件：常温下，气体分子发生热电离的概率极小。常温下，气体分子发生热电离的概率极小。气体中发生电离的分子数与总分子数的比值气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m m称为该气体的称为该气体的电电离度离度。下图为空气的电离度下图为空气的电离度m m与温度与温度T T的关系：的关系：由图所示：由图所示：当当T 10T 104 4K K时，才需考虑热电离；时，才需考虑热电离；当当T 2*10T 2*104 4K K 时，几乎全部的分子都处于热电离状态时

19、，几乎全部的分子都处于热电离状态 第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲233 3）碰撞电离）碰撞电离 定义：定义：电子或离子与气体分子电子或离子与气体分子碰撞碰撞，将电场能传递给气体分，将电场能传递给气体分子引起的电离。子引起的电离。它是气体中产生带电粒子的最重要的方式，它是气体中产生带电粒子的最重要的方式，主要主要是由是由电子电子完成。完成。条件：条件：电子获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者，电子获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者，如果动能大于或等于气体分子的电离能如果动能大于或等于气

20、体分子的电离能W Wi i，该电子就有足够的能，该电子就有足够的能量完成碰撞电离。碰撞电离时应满足以下条件：量完成碰撞电离。碰撞电离时应满足以下条件：X Xi i表示电子为表示电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离造成碰撞电离而必须飞越的最小距离。它的大。它的大小取决于场强小取决于场强E E，增大气体中的场强将使，增大气体中的场强将使X Xi i值减少。可见值减少。可见提高外加提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大电压将使碰撞电离的概率和强度增大。第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失因素：因素：外电场强弱；外电场强弱；能量的积累（移动距离的大小）。能量的积累（移动距离的大小

21、）。第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲244 4）电极表面的电离）电极表面的电离定义：定义：金属阴极表面金属阴极表面发射电子的过程。发射电子的过程。逸出功逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。由于由于逸出功逸出功电离能电离能，因此阴极表面电离可在下列情，因此阴极表面电离可在下列情况下发生：况下发生：正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面 光电子发射光电子发射 热电子发射热电子发射 强场发射强场发射 光电离、热电离和碰撞电离均为光电离、热电离和碰撞电离均为空间电离空间电离，而电，而电极表面电离为极表面电离为表面电离

22、表面电离，它们均，它们均有利于有利于电离过程。电离过程。第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲25附附 着着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性电子与中性分子相结合分子相结合形成形成负离子负离子的情况。的情况。负离子产生的作用负离子产生的作用 负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能却能使自由电子数减少使

23、自由电子数减少，因而对气体放电的发展起，因而对气体放电的发展起抑制抑制作作用。用。电负性气体电负性气体氧氧/氟氟/氯等氯等SF6SF6 1.1.3 1.1.3 负离子的产生负离子的产生第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲261.1.4 1.1.4 带电粒子的消失带电粒子的消失带电粒子的消失可能有以下几种情况：带电粒子的消失可能有以下几种情况：带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达电极时，带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达电极时，消失于电极上消失于电极上而形成外电路中的电流；而形成外电路中的电流；

24、带电粒子因带电粒子因扩散扩散而逸出气体放电空间；而逸出气体放电空间；带电粒子的带电粒子的复合复合。复合复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的电荷的传递与中和传递与中和现象。现象。电离的逆过程电离的逆过程u复合过程要复合过程要阻碍放电的发展阻碍放电的发展，但在一定条件下又可因复合时的光辐，但在一定条件下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展。射加剧放电的发展。u放电过程中的复合绝大多数是放电过程中的复合绝大多数是正、负离子正、负离子之间的复合，参加复合的之间的复合，参加复合的电子绝大多数是先形成负离子再与正离子复合。电子绝大多数是先形成负离

25、子再与正离子复合。第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲27本节内容小结本节内容小结第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失1.气体间隙中带电粒子的产生和消失是气体放电的一对气体间隙中带电粒子的产生和消失是气体放电的一对基本矛盾，基本矛盾，气体放电的发展和终止取决于这两个过程气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位谁占主导地位。2.气体中带电粒子的产生形式可以分为气体中带电粒子的产生形式可以分为空间电离空间电离和和表面表面电离电离。它们都与。它们都与外界供给的能量外界供给的能量有关，

26、能量的形式主有关，能量的形式主要是要是电场能、光辐射和热能电场能、光辐射和热能，而能量的传递靠电子、，而能量的传递靠电子、光子或气体分子的热运动，其光子或气体分子的热运动，其传递的过程主要是碰撞传递的过程主要是碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程。它是造成气体分子电离的有效过程。第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲28气气体体放放电电发发展展过过程程光电离光电离热电离热电离碰撞电离碰撞电离空间电离空间电离表面电离表面电离负离子的形成负离子的形成正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极光电效应光电效应强场发射强场发射热电子发射热电子发射电场作用下气体中带电粒子的定向运动

27、电场作用下气体中带电粒子的定向运动带电粒子的扩散带电粒子的扩散带电粒子的复合带电粒子的复合带电粒子产生带电粒子产生带电粒子消失带电粒子消失第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲29第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u1、非自持放电和自持放电、非自持放电和自持放电u2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论u3、气体放电的流注理论、气体放电的流注理论第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲30 所谓均匀电场，就是在电场中，电场所谓均匀电场，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强

28、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），如图所示场（当然还要考虑边缘效应），如图所示 什么是均匀电场？什么是均匀电场？平行平板电极的电场第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲31u1、非自持放电和自持放电、非自持放电和自持放电第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程图图1-3 气体中电流和电压的关气体中电流和电压的关系系伏安特性曲线伏安特性曲线图图1-2 测定气体中电测定气体中电流的回路示意图流的回路示意图第一章第一章 气体放电的基本物理

29、过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲32当当U U UaUa 在在曲曲线OaOa段段，I I随随U U的的提提高高而而增增大大。而而且且电流流随随电压按正比增按正比增长。图图1-3 1-3 气体放电的伏安特性曲线气体放电的伏安特性曲线实验分析结果实验分析结果第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲33当当UaUaU U UbUb 在曲线在曲线abab段，电流段，电流I I0 0趋趋向于向于饱和饱和。因因为这时外界外界电离因素离因素所所产生的生的带电粒子几乎能全粒子几乎能全部抵达部抵达电极，极，电流的大小电流的大小仅仅取决于电离因素的强弱（光取决于电离因素

30、的强弱（光照射）而与所加电压无关。照射）而与所加电压无关。图图1-3 1-3 气体放电的伏安特性曲线气体放电的伏安特性曲线实验分析结果实验分析结果第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲34当当UbUbU U UcUc 在曲线在曲线bcbc段，段，电流又开电流又开始随电压的升高而增大。电始随电压的升高而增大。电流随电压的增加按指数规律流随电压的增加按指数规律增长增长。但当外电离因素消失，。但当外电离因素消失，电流会迅速降低，这是由于电流会迅速降低，这是由于气隙中出现了气隙中出现了碰撞电离碰撞电离和和电电子崩子崩。图图1-3 1-3 气体放电的伏安特性曲线气体放

31、电的伏安特性曲线实验分析结果实验分析结果过程过程第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲35当当UcUcU U U0U0 在曲线在曲线cScS段，当气隙上段，当气隙上所加电压大于所加电压大于UcUc时，实测时，实测I随随电压电压U的增大不再遵循指数的增大不再遵循指数规律，而是更快一些规律，而是更快一些。这时。这时又出现了促进放电的新因素，又出现了促进放电的新因素，这就是受这就是受正离子正离子的影响。的影响。图图1-3 1-3 气体放电的伏安特性曲线气体放电的伏安特性曲线实验分析结果实验分析结果过程过程+过程过程第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本

32、物理过程高电压技术第一讲36当当U0U0U U 在在S点以后点以后，电压，电压U U0时，电流急剧增加，无需时，电流急剧增加，无需外电离因素（光照射）就能外电离因素（光照射）就能维持间隙的放电过程，进入维持间隙的放电过程，进入自持放电自持放电阶段。阶段。图图1-3 1-3 气体放电的伏安特性曲线气体放电的伏安特性曲线实验分析结果实验分析结果第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲37 当当U U U U0 0nOAOA段段：电电流流随随电电压压升升高高而而升高升高nABAB段段：电电流流仅仅取取决决于于外外电电离因素与电压无关离因素与电压无关nBSBS段段：电

33、电压压升升高高电电流流增增强强但但仍仍靠靠外外电电离离维维持持 (非非自自持放电阶段持放电阶段)当当U U U U0 0nS S点点后后：电电流流急急剧剧增增加加，只只靠靠外外加加电电压压就就能能维维持持(自持放电阶段自持放电阶段)图图1-3 1-3 气体放电的伏安特性曲线气体放电的伏安特性曲线实验分析结果实验分析结果第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲38uu非自持放电非自持放电非自持放电非自持放电:如果取消如果取消外电离因素，气体的外电离因素，气体的放电过程就会停止，放电过程就会停止，那么电流也将消失。那么电流也将消失。这是依靠这是依靠外电离因素外电离

34、因素和和外电场因素外电场因素共同作共同作用而维持的放电。用而维持的放电。图图1-3 1-3 气体放电的伏安特性曲线气体放电的伏安特性曲线uu自持放电自持放电自持放电自持放电:气隙中电离气隙中电离过程只靠过程只靠外施电压外施电压已已能维持，不再需要外能维持，不再需要外电离因素。电离因素。非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电非自持非自持放电与放电与自持放自持放电的分电的分界点界点第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲39u由非自持放电转入自持放电的电压称为由非自持放电转入自持放电的电压称为起始电压起始电压u如电场比较如电场比较均匀均匀，则间隙将被击穿，此后根

35、据气，则间隙将被击穿，此后根据气压、外回路阻抗等条件形成压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电辉光放电、火花放电或电弧放电或电弧放电，而起始电压，而起始电压U0也就是间隙的也就是间隙的击穿电击穿电击穿电击穿电压压压压U Ub bu如电场如电场极不均匀极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，则当放电由非自持转入自持时，在小曲率半径电极表面电场集中的区域发生在小曲率半径电极表面电场集中的区域发生电晕电晕放电放电，这时起始电压是间隙的，这时起始电压是间隙的电晕起始电压电晕起始电压电晕起始电压电晕起始电压，而，而击穿电压可能比起始电压高很多。击穿电压可能比起始电压高很多。起始电压起始电压U0第一章第

36、一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲40 气体放电的现象与发展规律与气体放电的现象与发展规律与气体种类气体种类、气压大小气压大小、气隙中的气隙中的电场型式电场型式、电源容量电源容量等一系列因素有关。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电离导致但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致电子崩电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（1）过程过程u1）电子崩的形成）电子崩的形成 各种高能辐射

37、线（外界电离因素）引起：各种高能辐射线（外界电离因素）引起：阴极表面光电离阴极表面光电离 气体中的空间光电离气体中的空间光电离 因此：气体中存在一定浓度的带电粒子。因此：气体中存在一定浓度的带电粒子。第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲41电子崩的形成电子崩的形成 外界电离因素在阴极外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会

38、引起继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电新的碰撞电离，产生更多电子。子。依此，电子将按照几何依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为间电子流被称为电子崩电子崩。电子数电子数目将按目将按2、4、82n的指数的指数规律增规律增长长为什么？为什么？(a)(a)电子崩的形成电子崩的形成(b)(b)带电粒子在电子崩中的分布带电粒子在电子崩中的分布第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲42第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u2、汤逊气

39、体放电理论、汤逊气体放电理论（1）过程过程u2）过程引起的电流过程引起的电流电子崩的发展过程也称为电子崩的发展过程也称为过程过程-电子碰撞电离系数：电子碰撞电离系数：一一个个电电子子沿沿着着电电场场方方向向运运动动1cm的的行行程程中中所所完完成成的的碰碰撞撞电离次数平均值。电离次数平均值。第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲43过程过程 如图为平板电极气隙，如图为平板电极气隙，板内电场均匀，设外界电板内电场均匀，设外界电离因子每秒钟使阴极表面离因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数为发射出来的初始电子数为n n0 0。由于碰撞电离和电子崩由于碰撞电离和

40、电子崩的结果，在它们到达的结果，在它们到达x x处时，处时，电子数已增加为电子数已增加为n n，这，这n n个个电子在电子在dxdx的距离中又会产的距离中又会产生生dndn个新电子。个新电子。均匀电场中的电子崩计算模型均匀电场中的电子崩计算模型第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲44过程引起的电流过程引起的电流均匀电场中的电子崩计算模型均匀电场中的电子崩计算模型根据根据的定义：的定义：表明：电子崩电流按指数规律随表明：电子崩电流按指数规律随极间距离极间距离d d 而增大。而增大。因为一旦除去外界电离因素因为一旦除去外界电离因素(令令 )，放电就会停止。，放

41、电就会停止。-非非自持放电阶段自持放电阶段仅有仅有过程不能维持放电的自持。过程不能维持放电的自持。第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲45第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（1）过程过程u3）的分析的分析设电子的平均自由行程为设电子的平均自由行程为e e，运动，运动1cm1cm碰撞碰撞1/1/e e。但不是每次碰撞都引起电离，只有电子累积的动能但不是每次碰撞都引起电离，只有电子累积的动能大于分子电离能时，才产生电离，此时电子至少运动大于分子电离能时，才产生电离，此时电子至少运动的距

42、离为的距离为根据第一节公式，实际自由行程长度等于或大于根据第一节公式，实际自由行程长度等于或大于XiXi概率为概率为第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲46第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（1）过程过程u3）的分析的分析根据碰撞电力系数根据碰撞电力系数的定义的定义 ，即可得出：，即可得出：第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲47第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（1）

43、过程过程u3）的分析的分析由第一节内容可知，电子的平均自由长度由第一节内容可知，电子的平均自由长度式中式中A A、B B是两个与气体种类有关的常数。是两个与气体种类有关的常数。可以看出：可以看出：电场强度电场强度E E增大增大时，时，急剧增大急剧增大；P P很大或很小很大或很小时，时，都比较小都比较小。所以，在所以，在高气压和高真空高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象，下，气隙不易发生放电现象，具有具有较高的电气强度较高的电气强度。第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲48第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u2、汤逊气体

44、放电理论、汤逊气体放电理论（1）过程过程u小结小结所有气体放电都有一个电子碰撞电离导致电子崩的所有气体放电都有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段；阶段；电子崩将产生急剧增大的空间电子流；电子崩将产生急剧增大的空间电子流；在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象。在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象。第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲49第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（2）过程过程u正离子表面电离系数正离子表面电离系数-一个正离子在电场作用下由阳极向阴极运动，一个正离子在电场

45、作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面电离的电子数。撞击阴极表面产生表面电离的电子数。空间电离空间电离表面电离表面电离从阴极飞出从阴极飞出n n0 0个电子，到达阳极后，电子数将增加为：个电子，到达阳极后，电子数将增加为：正离子数：正离子数：正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数：正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数：第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲50第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（3）自持放电条件（击穿条件）自持放电条件（击穿条件）其其物理意义物理意义：由外电离因素

46、从阴极产生的一个电子消失在阳：由外电离因素从阴极产生的一个电子消失在阳极前，由极前，由过程形成的正离子数为：过程形成的正离子数为：正正离离子子消消失失在在阴阴极极时时，由由过过程程（表表面面电电离离）在在阴阴极极上上释释放放出出二二次电子数，即次电子数，即如如果果 表表示示由由过过程程在在阴阴极极上上重重新新产产生生一一个个(或或更更多多)电电子子，此此时时不不再再需需要要外外电电离离因因素素就就能能使使电电离离维维持持发发展展，即即转转入入自持放电。自持放电。设设n0=1，放电由非自持转入自持的条件为：，放电由非自持转入自持的条件为：第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程

47、高电压技术第一讲51第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（4）过程和过程和过程同时引起的电流过程同时引起的电流若分母若分母 ，即使除去了外界电离因，即使除去了外界电离因素（素（I0=0I0=0），放电也能维持下去。），放电也能维持下去。因此因此过程和过程和过程同时作用过程同时作用，能达到，能达到自持放电自持放电。第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲52低气压、短气隙情况下气体的放电过程低气压、短气隙情况下气体的放电过程第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技

48、术第一讲53表表 电极空间及气体间隙中电离发展过程电极空间及气体间隙中电离发展过程 个电子进入个电子进入 个电子进入个电子进入 个电子进入个电子进入：形成形成 个正离子个正离子形成形成 个正离子个正离子形成形成 个正离子个正离子：1 1个电子逸出个电子逸出 个电子逸出个电子逸出 个电子逸出个电子逸出：第第1 1周期周期第第2 2周期周期第第3 3周期周期：阳极表面气体间隙中阴极表面第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲54第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论n电子碰撞电离电子碰撞电离是

49、气体电离的是气体电离的主要原因主要原因；n正正离离子子碰碰撞撞阴阴极极表表面面使使阴阴极极表表面面逸逸出出电电子子是是维持气体放电的维持气体放电的必要条件必要条件。n阴阴极极逸逸出出电电子子能能否否接接替替起起始始电电子子的的作作用用是是自自持放电的判据持放电的判据。汤逊理论的主要内容汤逊理论的主要内容第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲55第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（5）击穿电压和巴申定律）击穿电压和巴申定律u均匀电场气体的击穿电压均匀电场气体的击穿电压Ub=自持放电电压

50、自持放电电压U0u将将 代入代入 可推得：可推得：u这条曲线称为这条曲线称为巴申曲线。巴申曲线。第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程高电压技术第一讲56第二节第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（5）击穿电压和巴申定律）击穿电压和巴申定律 左图给出了空气间隙的左图给出了空气间隙的U Ub b与与pdpd的关系曲线。从图中可见，首先，的关系曲线。从图中可见，首先，U Ub b并不仅仅由并不仅仅由d d决定，而是决定，而是pdpd的函数；的函数；其次其次U Ub b不是单调函数，而是不是单调函数，而是U U型