【正文】 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 第一章 氣體的絕緣特性與介質(zhì)的電氣強(qiáng)度 研究氣體放電的目的： ?了解氣體在 高電壓（強(qiáng)電場） 作用下逐步由電介 質(zhì)演變成導(dǎo)體的物理過程 ?掌握氣體介質(zhì)的 電氣強(qiáng)度 及其提高方法 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY ? 氣體放電的基本物理過程 ? 氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度 ? 固體絕緣表面的氣體沿面放電 ? 習(xí)題與思考題 本章內(nèi)容 返回 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 氣體放電的基本物理過程 高壓電氣設(shè)備中的絕緣介質(zhì)有 氣體 、 液體 、固體 以及其它 復(fù)合介質(zhì) 。由于氣體絕緣介質(zhì)不存在老化的問題，在擊穿后也有完全的絕緣自恢復(fù)特性，再加上其成本非常廉價，因此氣體成為了在實(shí)際應(yīng)用中最常見的絕緣介質(zhì)。 氣體擊穿過程的理論研究雖然還不完善，但是相對于其他幾種絕緣材料來說最為完整。因此，高電壓絕緣的論述一般都由氣體絕緣開始。 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本節(jié)內(nèi)容： ? 帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生 ? 帶電質(zhì)點(diǎn)的消失 ? 電子崩與湯遜理論 ? 巴申定律與適用范圍 ? 不均勻電場中的氣體放電 返回 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生 氣體放電 是對氣體中流通電流的各種形式統(tǒng)稱。 由于空氣中存在來自空間的輻射，氣體會發(fā)生微弱的電離而產(chǎn)生少量的 帶電質(zhì)點(diǎn) 。 ?正常狀態(tài)下氣體的電導(dǎo)很小，空氣還是性能優(yōu)良的絕緣體； ?在出現(xiàn)大量帶電質(zhì)點(diǎn)的情況下，氣體才會喪失絕緣性能。 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 氣體中電子與正離子的產(chǎn)生 電離 是指電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過程。電離可一次完成，也可以是先激勵再電離的分級電離方式。 電離方式可分為 ： ? 熱電離 ? 光電離 ? 碰撞電離 ? 分級電離 電子在電場中的運(yùn)動軌跡 視頻鏈接 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY （ 1） 熱電離 常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的 概率極小 。 氣體中發(fā)生電離的分子數(shù)與總分子數(shù)的比值 m稱為該氣體的 電離度 。 下圖為不同溫度下空氣和 氣體的熱電離程度。 圖 11 不同溫度下空氣和氣體的熱電離程度 6SFNANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY （ 2） 光電離 當(dāng)滿足以下條件時，產(chǎn)生光電離 iWhc??式中： ? ：光的波長； ? ：光速； ? ：氣體的電離能 ciW?光子來源 ?外界高能輻射線 氣體放電本身 (12) NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY （ 3） 碰撞電離 電子或離子在電場作用下加速所獲得的動能（ ）與質(zhì)點(diǎn)電荷量 (e)、電場強(qiáng)度（ ）以及碰撞前的行程 ( )有關(guān)．即 (13) eE xmv ?221221 mv ExNANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY ieEx W?式中： ? ：電子的電荷量； ? ：外電場強(qiáng)度； ? ：電子移動的距離 eEx(14) 高速運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)與中性的原子或分子碰撞時，如原子或分子獲得的能量 等于或大于其電離能，則會發(fā)生電離。 因此，電離條件為 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 為使碰撞能導(dǎo)致電離，質(zhì)點(diǎn)在碰撞前必須經(jīng)過的距離為： EUEqWx ieii??式中 為氣體的電離電位，在數(shù)值上與以 eV為單位的 相等 iUiW 的大小取決于場強(qiáng) E，增大氣體中的場強(qiáng)將使 值減少。 可見提高外加電壓將使碰撞電離的概率和強(qiáng)度增大。 ixix(14) NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY （ 4）分級電離 當(dāng) 逸出功 電離能 時，陰極表面電離可在下列情況下發(fā)生： ?正離子撞擊陰極表面 ?光電子發(fā)射 ?強(qiáng)場發(fā)射 ?熱電子發(fā)射 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 電極表面的電子逸出 逸出功 —— 使電子從金屬表面逸出需要的能量。 不同金屬的逸出功不同，如表 12所示： NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 電子從電極表面逸出所需的能量可通過下述途徑獲得 ： （ 1）正離子撞擊陰極 （ 2）光電子發(fā)射 （ 3）強(qiáng)場發(fā)射 （ 4）熱電子發(fā)射 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 氣體中負(fù)離子的形成 附著 ：電子與氣體分子碰撞時，不但有可能引起碰撞電離而產(chǎn)生出正離子和新電子，也可能發(fā)生電子附著過程而形成負(fù)離子。 負(fù)離子的形成并未使氣體中帶電粒子的數(shù)目改變，但卻能 使自由電子數(shù)減少 ，因而對氣體放電的發(fā)展 起抑制作用 。 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 電子親合能 ：使基態(tài)的氣體原子獲得一個電子形成負(fù)離子時所放出的能量，其值越大則越易形成負(fù)離子。 電子親合能未考慮原子在分子中的成鍵作用，為了說明原子在分子中吸引電子的能力，在化學(xué)中引入電負(fù)性概念。 電負(fù)性 ：一個無量綱的數(shù)，其值越大表明原子在分子中吸引電子的能力越大 。 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 表 l3列出了鹵族元素的 電子親合能 與 電負(fù)性 數(shù)值 返回 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 帶電質(zhì)點(diǎn)的消失 帶電質(zhì)點(diǎn)的消失可能有以下幾種情況： ?帶電質(zhì)點(diǎn)受電場力的作用 流入電極 ； ?帶電質(zhì)點(diǎn)因擴(kuò)散而 逸出氣體放電空間 ； ?帶電質(zhì)點(diǎn)的 復(fù)合 。 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 復(fù)合 ： 當(dāng)氣體中帶異號電荷的粒子相遇時，有可能發(fā)生電荷的 傳遞與中和 ，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。 ? 復(fù)合可能發(fā)生在 電子和正離子 之間，稱為電子復(fù)合，其結(jié)果是產(chǎn)生 一個中性分子 ； ?復(fù)合也可能發(fā)生在 正離子和負(fù)離子 之間，稱為離子復(fù)合，其結(jié)果是產(chǎn)生 兩個中性分子 。 帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合 返回 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 電子崩與湯遜理論 氣體放電現(xiàn)象與規(guī)律因 氣體的種類、氣壓和間隙中電場的均勻度 而異。 但氣體放電都有從電子碰撞電離開始發(fā)展到電子崩 的階段。 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY （ 1）非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn) 宇宙射線和放射性物質(zhì)的射線會使氣體發(fā)生微弱的電離而產(chǎn)生少量帶電質(zhì)點(diǎn)；另一方面、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)又在不斷復(fù)合，使氣體空間存在一定濃度的帶電質(zhì)點(diǎn)。因此，在氣隙的電極間施加電壓時，可檢測到微小的電流。 放電的電子崩階段 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 由圖 13可見， （ 1）在 IU曲線的 OA段： 氣隙電流隨外施電壓的提高而增大，這是因?yàn)閹щ娰|(zhì)點(diǎn)向電極 運(yùn)動的速度加快導(dǎo)致復(fù)合率減小 。當(dāng)電壓接近 時，電流趨于飽和，因?yàn)榇藭r由外電離因素產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)全部進(jìn)入電極，所以電流值僅取決于外電離因素的強(qiáng)弱而與電壓無關(guān) 圖 1－ 3 氣體間隙中電流與外施電壓的關(guān)系 AUNANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY （ 2）在 IU曲線的 AB點(diǎn)： 電壓升高至 時，電流又開始增大，這是由于 電子碰撞電離引起 的，因?yàn)榇藭r電子在電場作用下已積累起足以引起碰撞電離的動能。電壓繼續(xù)升高至 時，電流急劇上升，說明放電過程又進(jìn)入了一個新的階段。此時氣隙轉(zhuǎn)入良好的導(dǎo)電狀態(tài)，即 氣體發(fā)生了擊穿 。 圖 1－ 3 氣體間隙中電流與外施電壓的關(guān)系 BU0UNANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY （ 3）在 IU曲線的 BC段： 雖然電流增長很快，但電流值仍很小，一般在 微安級 ，且此時氣體中的電流仍要靠外電離因素來維持，一旦去除外電離因素，氣隙電流將消失。 圖 1－ 3 氣體間隙中電流與外施電壓的關(guān)系 0UNANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 因此，外施電壓小于 時的放電是 非自持放電 。電壓達(dá)到 后，電流劇增，且此時間隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素了。外施電壓達(dá)到 后的放電稱為自持放電， 稱為放電的 起始電壓 。 0U0U0U0UNANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY （ 2） 電子崩的形成 外界電離因子在陰極附近產(chǎn)生了一個 初始電子 ，如果空間電場強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(yùn)動時就會引起碰撞電離，產(chǎn)生一個 新的電子 ，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運(yùn)動， 又會引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。 圖 1－ 4 電子崩的示意圖 視頻鏈接 電子崩的演示 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 依此，電子將按照 幾何級數(shù) 不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為 電子崩 。 為了分析碰撞電離和電子崩引起的電流，引入： 電子 碰撞電離系數(shù) 。 ?:?表示一個電子沿電場方向運(yùn)動 1cm的行程所完成的 碰撞電離次數(shù)平均值 。 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 如圖 15為平板電極氣隙，板內(nèi)電場均勻，設(shè)外界電離因子每秒鐘使陰極表面發(fā)射出來的初始電子數(shù)為 n0。 圖 1－ 5 計(jì)算間隙中電子數(shù)增長的示意圖 由于碰撞電離和電子崩的結(jié)果，在它們到達(dá) x處時，電子數(shù)已增加為 n，這n個電子在 dx的距離中又會產(chǎn)生 dn個新電子。 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 根據(jù)碰撞電離系數(shù) 的定義，可得： ?分離變量并積分之，可得： ?? x dxenn 00?(17) (18) 對于均勻電場來說，氣隙中各點(diǎn)的電場強(qiáng)度相同， 值不隨 x而變化，所以上式可寫成： ?xenn ?0?(19) xn dnd ??NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 抵達(dá)陽極的電子數(shù)應(yīng)為： da enn?0?(110) )1(00 ????? da ennnn ? 將式 (18)的等號兩側(cè)乘以電子的電荷 ，即得電流關(guān)系式： eq途中新增加的電子數(shù)或正離子數(shù)應(yīng)為： (111) deII ?0?式 (112)中， eqnI 00 ?(112) NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 式 (112) 表明：雖然電子崩電流按指數(shù)規(guī)律隨極間距離 d而增大，但這時放電還不能自持，因?yàn)橐坏┏ネ饨珉婋x因子 (令 )，即 變?yōu)榱恪? 00 ?I IdeII ?0?NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY （ 3） 影響碰撞電離系數(shù)的因素 (113) 若電子的平均自由行程為 ，則在 1cm長度內(nèi)一個電子的平均碰撞次數(shù)為 。 ?1?設(shè)在 x處有 n個電子沿電力線方向運(yùn)動，行經(jīng) dx距離時還剩下 dn個電子未發(fā)生過碰撞，則在到這一距離中發(fā)生碰撞的電子數(shù)應(yīng)為 ?dxndn ??由上式積分得： ?/0 xenn ??NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 由第一節(jié)公式，實(shí)際自由行程長度等于或大于 xi的 概率為 ，所以也就是碰撞電離的概率。 根據(jù)碰撞電離系數(shù) 的定義，即可得出： iexe???EUexeeieiee ?? ??????? 11 (114) 由第一節(jié)公式 內(nèi)容可知，電子的平均自由長度 與氣溫 成正比、與氣壓 成反比，即： TprkTe 2?? ?e?pp