12均匀电场中的气体击穿

正离子碰撞阴极表面，逸出的自由电子平均 数
阴极发射电子
9
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-α过程
d dn
1
n
dx
x
n个电子行过dx之后，会产生 dn个新的电子
dnndx
d
x d处, n e 0 dx
对于均匀电场， 不随空间位置而变
ned
新产生的电子数和正离子数为
电子倍增
碰撞电离
电子8崩
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-电子崩的形成
一
α系数
、
电
子
崩
的
β系数
形
成
γ系数
电子沿电场方向行进单位长度，发生的平均
碰撞电离次数
电子崩
α对应单位长度内新电离 的自由电子数
正离子沿电场方向行进单位长度，发生的平 均碰撞电离次数
离子崩
离子体积、质量大，平均自由行程短， 发生碰撞电离可能性比电子小得多，可 忽略该过程。
x
n n0e
exi /
自由行程分布
电离碰撞次数
1 e xi /

14
E qW ix或 E x U i
气体温度不变时，1/ ＝AP
1exi
1eqWiE
Wi qE1
APeAP
1 e xi /

A P eqE W A i1 PA P eW q iA E PA P eB E P
27
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.4 流注理论
电子崩是沿着电力线直线发展，流注会出现曲 折的分支
电子崩可以同时有多个互不影响地向前发展 汤逊放电是弥散的一片，流注放电有明亮的细
通道
28
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.4 流注理论-总结
气隙间有 发生碰撞电离 效电子
畸变电场
电子崩
ln
1
1



BPd
e Ub
APd
Ub
BPd
f (Pd)
wenku.baidu.comln

ln
APd (1 1
)



由于对取了两次对数，Ub对的变化不敏感，因此Ub取决于P与d的乘积。
结论：均匀电场中气体的击穿电压Ub是气压和电极间距 离的乘积（pd）的函数。
式中， B AWi q
代入自持放电的临界条件
ed11
d

ln
1
1


15
AeqE W A i1PAeW q iA EPAeB E Pf(E)
P
P

BP
Ae E
P
E Ub d


BPd
Ae Ub
P
d

ln
1
1


解释：光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明pd 很大时放电时间特别短的现象
⑵ 空间电荷对原有电场的影响
大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了 E 崩内正、负电荷区域之间的电场
电子崩头部 电场明显增强，电离过程强烈，有利于发 生分子和离子的激励现象，当它们回复 到正常状态时（反激励），发射出光子 E
崩头内部正负电荷区域 电场大大削弱，电子和正离子浓度却最大 ，有助于发生复合过程，发射出光子。
1 气体电介质的绝缘特性
5
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.1 非自持放电和自持放电
非自持放电——去掉外电离因素的作用后放电随即停止； 自持放电——不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。
外电离因素：天然辐
光照射
射或人工光源
I


A
3
V
电场 作用
2 1
0
U1
U2
U0 U
气体中的电压和电流关系
1.2.2 汤逊放电理论-自持放电的条件
外界电离因子
阴极表面电离 气体空间电离
气体中的自由电子
在电场中加速
碰撞电离
电子崩 α过程
阴极表面二次发射 (γ过程）
正离子
ed11
不够直观，不适合 工程直接应用
13
物理意义
引起碰撞电离的必要条件
Wi、Ui 分别为气体分子的 电离能和电离电位
E qW ix或 E x U i
如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是 自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。
流注形成的条件
初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值
既: eαd＝常数 或αd＝常数（eαd为电子崩头部的电子数）
实验所得初崩头部的电子数要达到108时(αdmin＝20)，放电才
能转为自持
汤逊理论解释：阴极材料对放电有影响(γ过程）； pd大时的实际现象：阴极材料对放电无影响；
20
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.4 流注理论
对象：工程上感兴趣的压力较高的气体击穿，比如 雷电放电并不存在金属电极，因而与阴极上的γ过程 和二次电子发射根本无关。
特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持 放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场（使 原来均匀的电场变成了不均匀电场）的作用
碰撞电离 Ub
P
气体密度
电子累积动能
碰撞电离 Ub
间距过大 难以碰撞电离 难形成电子崩
2. P固定
d
碰撞次数 E
电子累积动能
电离概率 Ub
d
碰撞次数 E
电离次数
电子崩
18
Ub
100000 10000
空气 SF6
Ub / V
1000
100
10-1
100
101
102
103
P·d / 133.3 Pa·cm
电负性气体？电负性与电气强度的关系？ 电负性表征分子吸引电子的能力，分子吸附电子成为 负离子；电负性越好，吸引电子能力越好，电子越少 ，对放电越不利，所以电气强度好，即绝缘性能好。
3
课程回顾
气体放电的主要形式
1. 辉光放电 2. 电晕放电 3. 刷状放电 4. 电弧放电 5. 火花放电
☆ 注：辉光放电、电晕放电、刷 状放电时间隙未击穿，火花放 电和电弧放电均是间隙击穿后 的放电现象
流注向阴极发展，发展 到阴极后，间隙击穿。
正流注发展方向：从阳极到阴极 初始电子崩需走完整个间隙
24
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.4 流注理论-负流注的形成
条件：当外加电压＞击穿电压
电压较低时，电子崩需经过整 个间隙才能积聚到足够的电子 数形成流注；电压较高时，电 子崩不需经过整个间隙，其头 部电离程度已足以形成流注
存在Pd最小值：27kPa•cm。
30
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.4 流注理论-对pd 较大时放电现象的解释
⑴ 放电外形
现象： pd 较大时，放电不均匀，有分支，有细小的通道
解释：二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道 常是曲折的，并带有分枝
⑵ 放电时间
现象： 放电时间极短
6
光照射
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.1 非自持放电和自持放电
A V
试验分析：
当U<U0（非自持放电阶段）
电场均匀：间隙击穿电压Ub
0~1段：电流随电压的升高而升 I 电场极不均匀：电晕放电起
高；
始电压
1~2段：电流仅取决于外电离因
素，而与电压无关；
3
2~3段：电压升高电流增强，但
2
2
2
2
主电子崩头部的电离很强烈， 光子射到主崩前方，在前方产 1
3 3
生新的电子崩，主崩头部的电
2
2
子和二次崩尾的正离子形成混
(a)
(b)
(c)
合通道，形成向阳极推进的流 注，称为负流注
1－起始电子崩；2－二次电子崩； 3－流注
间隙中的正、负流注可以同时
向两极发展。
25
1.2 均匀电场中气体的击穿
放电可否自持 ？
ed 1
10
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-过程
新产生电子数：e a d - 1
到达阴极的正离子数
n = ead - 1
过程
从阴极电离出的电子数
na (ed 1)
11
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-自持放电的条件
⑴ 汤逊理论的自持放电条件
仍然靠外电离维持放电过程
2 1
0
当U≥U0 （自持放电阶段）
3点后：电流急剧突增，气体间 隙击穿，只靠外电压就能维持
U1
U2
U0 U
自持放电起始电压
7
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-低气压短间隙均匀电场
一
崩尾
、
电
子
崩
的
形
阴极
成
崩头大、崩尾小
光照射
E
崩头 阳极
初始电子
碰撞电离
只有那些自由行程超过xi＝Ui /E的电子，才能与分子发
生碰撞电离。
若电子的平均自由行程为，在单位长度内，一个电子
的平均碰撞次数为1/ 。 x=0处，n0个电子沿电力线运动，
前进x后，剩余n个电子未发生碰撞，则在（x, x+dx）内发生
碰撞的电子数为
dn n dx

自由行程大于xi的概率为
E+ Ecom
E0
+
E22
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.4 流注理论-二次电子崩
条件：当外加电压=击穿电压
主崩头部接近正电极时 ，电场大幅度增强，发 生强烈的电离，并向周 围放射出大量光子。
主崩中部电场被削弱， 发生强烈复合发出大量 光子。
光子引起空间光电离， 其中电子被主电子崩头 部的正空间电荷所吸引 ，在畸变而加强了的电 场中，形成了新的电子 崩，称为二次电子崩。
16
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2巴申定律-巴申曲线
1800
1889年，巴申完成了
1600
他的著名实验。
1400
1200
Ub / V
1000
800
CO2
Ub f Pd
600
空气
400
H2
200
0
0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8
P·d / 133.3 Pa·cm
γ(eαd－1) ＝1
物理意义：一个电子从阴极到阳极途中因碰撞电离（α 过程）而产生的正离子数为 eαd－1 ，这批正离子在阴极 上造成的二次自由电子数（γ过程）应为γ (eαd－1 ) ，如 果它等于1，就意味着那个初始电子有了一个后继电子 ，从而使放电得以自持。
12
1.2 均匀电场中气体的击穿
击穿电压与Pd的规律在汤逊碰撞电离学说提出之前，巴申已从实 验中总结出来了，汤逊理论从理论上解释了试验结果。
从曲线可以看出，存在一个最小值，此时击穿电压最低。
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2巴申定律-定性解释
ed11
1. d固定
ad
碰撞次数 × 电离概率
P
气体密度
电子累积动能
强电场作用下
发射光子
产生新电子崩 （二次崩）
二次崩不断汇 入主崩
形成等离子通 道（流注）
流注高速的向 电极发展
由阳极向阴极(正流注)或由阴极向阳极 (负流注)击穿
29
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.4 流注理论-在均匀电场中的自持放电条件
流注形成的条件就是自持放电条件
一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产 生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电；
高电压技术
第1篇 电介质的电气特性
李化 leehuamail.hust.edu
1 气体电介质的绝缘特性
2
课程回顾
1.1 气体中带电粒子的产生和消失
气体电离的条件？种类？ W>Wi, 碰撞电离； 光电离； 热电离；表面电离
电极表面逸出电子的条件？途径？ W>Wi，正离子撞击阴极，光电子发射，强场发射， 热电子发射
104
19
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.4 汤逊放电理论的适用范围
⑴ 适用范围
均匀场、低气压、短气隙 (pd<27kPa ·cm) ⑵ 局限性
pd较大时，解释现象与实际不符
① 放电外形 汤逊理论解释：放电外形均匀，如辉光放电； pd大时的实际现象：外形不均匀，有细小分支；
② 放电时间：Tpd大<<T汤逊 ③ 击穿电压：Ub·pd大<<Ub·汤逊 ④ 阴极材料影响
1－起始电子崩；2－二次电子崩
23
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.4 流注理论-正流注的形成
条件：当外加电压=击穿电压
二次电子崩中的电子进 入主电子崩头部的正空 间电荷区。大量的正、 负带电质点构成了等离 子体，这就是正流注。
此时的电压就 是击穿电压Ub
流注通道导电性良好， 其头部又是二次电子崩 形成的正电荷，因此流 注头部前方出现了很强 的电场。
放电过程
电子崩阶段
空间电荷畸变外 电场
流注阶段
电离形成二次电子崩， 等离子体
气体击穿
通过大量的实验研究（主要在电离室中进行）说明放电发展的机21 理 。
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.4 流注理论-电子崩过程
⑴ 起始电子崩（主电子崩）
－
崩头前后：加强了原电场，出现激励和 反激励；
崩头内部：削弱了原电场，复合过程产 生光子。
1.2.4 流注理论
试验测量结果：电子崩
在电离室中得到的初始电子崩照片 图a和图b的时间间隔为1×10-7秒
初始电子崩转变为 流注瞬间照片
电子崩在空气中的发展速度约为1.25×107cm/s
26
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.4 流注理论
试验测量结果：正流注
在电离室中得到的阳极流注发展过程的照片 正流注的发展速度约为1×108～2×108cm/s