高电压技术-2015-2

North China Electric Power University
二、带电质点的产生（续）
金属(阴极)的表面电离
■电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。 ■表面电离在气体放电过程中起重要作用 ■金属的逸出功一般比气体的电离能小许多，表明金属表面 电离比气体空间电离更容易发生，见表2-1-1，2-1-2。 ■金属表面电离有多种方式，即可以有多种方法供给电子逸 出金属所需的能量。
North China Electric Power University
一、电离的预备知识
气体原子 电子离原子核的轨道半径r不同，电子能量We不同 r越小——低能级；r越大——高能级 低能级e吸收能量跃迁高能级；高能级e放出能量回到低能级 激励——在外界因素作用下，电子由低能级跃迁高能级，这一 过程称为激励，激励过程所需能量称为激励能We。 电离(游离)——当原子吸收的能量足够大时，e就可以脱离原 子核的约束而成为自由电子，原子核成为正离子。 达到电离所需的最小能量称为电离能Wi(eV)，也可用电离电位 Ui(V)表示。
二、带电质点的产生（续）
热电离
由气体的热状态造成的电离。包含撞击电离和光电离。
■常温下，气体电离概率极小。 在高温下，例如发生电弧放电时(10000 K)，气体温度可 达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离, 温度达到20000 K左右时几乎全部空气分子都已经处于热 电离状态。 ■高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离。
North China Electric Power University
二、带电质点的产生（续）
主要有4种形式： 1、正离子撞击阴极表面 ¾传递的能量>逸出功 ¾撞出电子≥2 2、光电子发射 ¾高能辐射线照射阴极 ¾光子的能量>金属的逸出功
North China Electric Power University
(1) 在电压比较低时，在大 曲率电极表面电场集中的区域 场强可能已超过临界值，发生 自持放电，即电晕放电。这时 临界电压是间隙的电晕起始电 压，而击穿电压可能比起始电 压高很多。
HV
电晕 放电
（极不均匀电场中，局部电场最强处）
North China Electric Power University
n0
n
na
x
dx
d
North China Electric Power University
三、汤森德气体放电理论(续) 5.γ 过程
¾正离子在气隙中造成的空间电离过程无显著作用。 ¾正 离 子 向 阴 极 移 动， 依靠 它 所具 有的 动 能及 位 能，在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出 自由电子来。 ¾γ与材料的逸出功有关，可以认为是常数。
◆金属(阴极)的表面电离
North China Electric Power University
二、带电质点的产生（续）
撞击电离
产生条件 :
W
=
⎛ ⎜⎝
1 2
mv2
+
势能
⎞ ⎟⎠
> Wi
满足该条件未必一定发生电离，不满足也可能发生分级电
离
影响因素 速度：越大电离的概率越大，但超一定值后越大电离概率越小
■较均匀电场 各处场强的差异不大，任意一处一旦形成自持放
电，就会很快发展到整个间隙，气隙即被直接击穿。 临界电压即为击穿电压。
HV
辉光放电（气压低、电源功率小、 电流密度小1-5 mA/cm2）
North China Electric Power University
二、放电发展过程概述(续)
极不均匀的电场(以棒板电极为例)
f<2时为稍不均匀电场，例如： 高压实验中用来测高电压 的球隙、全封闭组合电器中的分相母线筒。
f>4以上时明显地属于极不均匀电场，可分为棒-棒间隙和 棒-板间隙，例如架空线的导线-导线，导线-大地。
North China Electric Power University
3
二、放电发展过程概述(续)
North China Electric Power University
一、放电的预备知识
当场强小于某个临界值Ecr时候，电子崩有赖于外界电 离因素的原始电离才能持续和发展，如果外界电离因素消 失，则这种电子崩也随之逐渐衰减以至消失，称这种放电为 非自持放电。
当场强大于某个临界值Ecr时，电子崩可以仅由电场的 作用而自行维持和发展，不再依赖外界电离的因素，这种性 质的放电称为自持放电。
二、放电发展过程概述(续)
(2)电压升高时,若电极间距不大，则有可能从电晕放电直 接转为整个间隙的火花击穿，若电极间隙较大，则从电晕到 击穿之间还有刷状放电的过渡阶段。
HV
二、放电发展过程概述(续)
(3)电压再提高，刷状放电中的个别光束突发的前伸， 形成明亮的火花通道到达对面电极，气隙被就击穿了。当 电源功率足够时，火花击穿迅速的转变成电弧。
由非自持放电转入自持放电的场强称为临界场强，相应 的电压称为临界电压。
North China Electric Power University
一、放电发展过程概述
电场不均匀系数
f = E max E av
E av
=
U d
Emax:最大电场强度 Eav :平均电场强度。
U——电极间的电压 d—— 极间距离
HV
刷状 （明亮且细断续放电通道，间隙仍未被击穿）
North China Electric Power University
火花及电弧 （贯串两极明亮而细断续的放电通道）
North China Electric Power University
三、汤森德气体放电理论
1.适用条件 低气压、 短间隙的较均匀电场中，即
二、带电质点的产生（续）
3、热电子发射 ¾金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面 逸出，称为热电子发射 ¾加热阴极来实现 4、强场发射（冷发射） ¾阴极表面附近空间存在很强的电场时(106 V/cm数量级)，也 能时阴极发射电子 ¾常态气隙击穿时完全不受影响 ¾高气压、高强度气体的击穿时会起一定的作用 ¾真空中起决定性作用
电子的迁移率约比离子的大两个数量级，这对放电的 发展过程有重要的影响。
带电质点的扩散
扩散：带电质点从浓度较大的区域扩散到浓度较小的区域的 过程。
电子的直径<<离子，电子的扩散>>离子。
North China Electric Power University
三、带电质点的消失
带电粒子的复合
气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发生电荷的传递 与中和，这种现象称为复合，是与电离相反的一种过程。 ■复合产生光辐射，这一定条件下又可能成为导致电离的因 素 ■复合的速度决定于其浓度和运动速度 ■正、负离子间的复合概率>>离子和电子间的复合概率。放 电中离子间的复合更重要
North China Electric Power University
2
三、带电质点的消失
气体中带电粒子的消失有可能下述几种情况： 带电质点中和电量
带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时， 消失于电极上而形成外电路中的电流； 迁移率：带电粒子在场强作用下运动，不断碰撞后平均速度 达到一个稳定值，该速度与场强的比值为迁移率。
第二章 气体放电的物理过程
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
气体中带电质点的产生和消失 气体放电机理 电晕放电 不均匀电场气隙的击穿 气隙的沿面放电
North China Electric Power University
§2.1 气体中带电质点的产生和消失
本节主要内容： 一、电离的预备知识 二、带电质点的产生 三、带电质点的消失
3.引用三个系数来定量的反映三种因素的作用
系数α，表示一个电子由阴极到阳极每1 cm路程中与气 体质点相碰撞所产生的自由电子数(平均值)。 系数β，表示一个正离子由阳极到阴极每1 cm路程中与 气体质点相碰撞所产生的自由电子数(平均值)。 系数γ，表示一个正离子撞击到阴极表面时使阴极逸出 的自由电子数(平均值）。
North China Electric Power University
二、带电质点的产生（续）
负离子的形成
当电子与气体分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结 合而形成负离子的情况，这种过程成为附着。易于产生负离子的 气体称为电负性气体。
放出的能量称为亲合能，亲合能越大越容易形成负离子。 负离子的形成不会改变带电质点的数量，但却使自由电子数 减少，因此对气体放电的发展起抑制作用(或有助于提高气体的 耐电强度)。如SF6气体对电子有很强的亲合性，因此具有高电气 强度。
North China Electric Power University
4
三、汤森德气体放电理论(续)
4.α过程
根据碰撞电离系数α的定义，
可得经过dx碰撞电离产生新电子数
目
dn = αndx
分离变量并积分 ，可得
x
n
=
n0e
∫ dX
0
对于均匀电场，α 不随空间位置而变
n = n0eαx 抵达阳极的电子数 nα = n0eαd
三、汤森德气体放电理论(续)
6.自持放电条件
正离子到达阴极表面时，从金属表面电离出的电子数大于 等于起始电子数n0，那么放电可以自持，即自持放电条件为：
r E
单位行程中的碰撞次数Z的倒数
λ即为该粒子的平均自由行程。
North China Electric Power University
二、带电质点的产生
气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生电 离；另一是气体中的固体或液体金属发生表面电离。