hyx-第1章气体放电过程的分析-1.11.2

W hf hc /
普朗克常数6.63×10-34J·s
条件： hc
Wi
f为频率，c为光速，λ为波长
高电压工程
1.1 带电粒子的产生与消失
➢ 气体中电子与正离子的产生
（3）热电离—— 因气体的热状态而引起的电离，本质是高速 运动的气体分子的碰撞电离和光电离，只不过能量不是来源于 电场，而是自身热能。气体分子平均动能W与T的关系如下，
电介质的电气特性
绝缘材料
固体绝缘：绝缘纸、电瓷 、云母 交联聚乙烯等
液体绝缘: 绝缘油
气体绝缘: 空气、SF6
真空绝缘
电介质的电气特性
实际绝缘结构通常是由几种电介质联合构成的组 合绝缘。
固-液绝缘
固-气绝缘
为什么要先研究气体放电？
高电压工程
相比液体和固体，气体绝缘不存在老化问题，且绝缘 可以恢复，因此应用最为广泛。
1.2.1 汤逊理论 20世纪初，汤逊根据实验研究，提出了气体放
电的理论，阐述了放电过程，并在一系列假设前 提下提出了放电电流和击穿电压的计算公式，在 一定范围内与实验吻合的较好。
虽然有很多不足，且其适用范围有局限性，但 描述的放电过程是基本的，具有普遍意义。
➢ 非自持放电和自持放电
光照射
气体 电离能 激励能
15.7eV
N2
15.5
6.1
O2
12.5
7.9
CO2
13.7
10.0
SF6
15.6
6.8
H2OБайду номын сангаас
12.7
7.6
16.6eV
高电压工程基础
➢ 电极表面带点质点的产生
✓ 阴极发射电子的过程——电极表面电离。 ✓ 使阴极释放出电子的能量——逸出功。几个eV
（1）正离子撞击阴极 （2）光电效应 （3）强场发射（场致发射） （4）热电子发射
高电压工程
➢ 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 F Cl Br I
电子亲合能（eV） 3.45 3.61 3.36 3.06
电负性值 4.0 3.0 2.8 2.5
小结：气体中带电质点的产生和消失
气体放电 发展过程
空间电离
带电质点 产生 表面电离
负离子的形成
碰撞电离 光电离
电子碰撞电离 正离子碰撞电离
热电离
分级电离
正离子碰撞阴极 光电效应 强场发射 热电子发射
带电质点 电场作用下气体中带电质点的定向运动 消失 带电质点的扩散 带电质点的复合
高电压工程
1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论和巴申定律
高电压工程
第1章 气体放电过程的分析
1.1 带电质点与气体放电 1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论
和巴申定律 1.3 高气压下均匀电场自持放电的流注理论 1.4 高气压下不均匀电场气体击穿的发展过程
电介质的电气特性
电力设备
金属材料 绝缘材料
现代电气设备的造价及运行可靠性在很大程度上取决于设 备的绝缘材料和绝缘结构。
W 3 kT 2
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K
热力学温度
如，空气的电离能为13.6eV，那么常温300K下，
W=1.5*1.38*10-23*300=3.88*10-2eV<< 13.6eV
可见，常温不足以引起空气电离，但电弧中气体温度达数千度 以上，这时动能足够引起碰撞电离。
高电压工程
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、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散 快得多。
（3）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。
1 2
mv2
eEx
Wi
xi Wi / Eq Ui / E
但即使满足上式，也不一定每次碰撞都引起电离，需要引入自由行 程（一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离）的概念，平均自 由行程λ
T / p
高电压工程
1.1 带电粒子的产生与消失
➢ 气体中电子与正离子的产生
（2）光电离 由光辐射引起的气体分子电离，光波能量W。
高电压工程
1.1 带电粒子的产生与消失
原子电离
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原子的电离
电离过程所需要的能量称为电离能Wi（ev），也可用电 离电位Ui（v）
高电压工程
1.1 带电粒子的产生与消失
➢ 气体中电子与正离子的产生
（1）碰撞电离
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
➢ 带电质点的消失
带电质点会产生，也会消失。
（1）带电质点受电场力的作用流入电极 带电质点与气体分子碰撞后会发生散射，但从宏观上
看是向电极上做宏观运动，在E的作用下，其平均速度达
气体放电理论从20世纪初才逐步形成，尚需进一步完 善，但是比液体和固体击穿理论还是要完整的多。
因此对高压绝缘的论述一般从气体绝缘（气体放电理 论）开始，而且把它作为电介质绝缘的重点 。
高电压工程
➢ 气体放电的主要形式
间隙电压达到一定数值后，流过间隙的电流剧增，空气 间隙失去绝缘能力，这种由绝缘状态突变为导体状态的变 化称击穿。
（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，所需的能量称为激励能。
原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离，此 时需要能量Wi-We。 亚稳态寿命，通常10-8s，少量10-4-10-5s。
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。
到某一稳定值。其平均速度为带电质点的驱引速度v=bE，
b为迁移率。 电子的迁移率比离子的迁移率大两个数量级，同一种
气体的正负离子迁移率相差不大。 标准参考大气条件下，干燥空气中正负离子的迁移率
分别为1.36和1.87cn*s-1/V*cm-1。
高电压工程
➢ 带电质点的消失
（2）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，