高电压技术,第一章第345节.ppt

第三节自持放电条件 自持放电的形成自持放电的条件自持放电的物理含义 如上节图1 3所示 当气隙电压大于时 电流随电压的增大不再遵循的规律 而是更快一些 这时又出现了促进放电的新因素 这就是受正离子的影响 在电场作用下 正离子向阴极运动 由于它的平均自由行程长度较短 不易积累动能 所以很难使气体分子发生碰撞电离 但当正离子撞击阴极表面时却有可能引起表面电离而拉出电子 部分电子和正离子复合 其余部分则向着阳极运动和形成新的电子崩 如果电压足够大 初始电子崩中的正离子在阴极上产生出来的新电子等于或大于 即使除去外界电离因子的作用 放电也不会停止 这就变成了自持放电 二自持放电的条件 由自持放电的概念出发 可推出当满足以下条件时 会发生自持放电 三自持放电的物理含义 如果它等于1 就意味着那个初始电子有一个后继电子 放电得以自持 一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正离子数为 正离子在阴极造成的二次自由电子数为 如果自持放电条件满足时 会形成下图的闭环部分 E 负极 正极 自持放电 电荷泄漏完毕 放电过程完成 汤逊理论 1 3 2 自持放电 电流随外施电压的提高而增大 因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小 电流饱和 带电质点全部进入电极 电流仅取决于外电离因素的强弱 良好的绝缘状态 电流开始增大 由于电子碰撞电离引起的 电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段 击穿 外施电压小于U0时的放电是非自持放电 电压到达U0后 电流剧增 间隙中电离过程只靠外施电压已能维持 不再需要外电离因素 小结 当除去外界电离因子的作用 放电不会停止 此时即为自持放电 自持放电是由初始电子崩中的正离子撞击阴极表面产生多余电子形成的 自持放电的条件为 本节完 电子碰撞电离 正离子碰撞电离 气体放电发展过程 1 4起始电压和气压的关系 根据自持放电条件 导出击穿电压的表达式 A B是与气体种类有关的常数 ub为气温不变的条件下 均匀电场中气体的自持放电起始电压等于气隙击穿电压 巴申定律 当气体成份和电极材料一定时 气体间隙击穿电压 ub 是气压 p 和极间距离 d 乘积的函数 均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系 巴申曲线表明 改变极间距离d的同时 也相应改变气压p而使pd的乘积不变 则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等 1 4起始电压和气压的关系 巴申定律 由巴申曲线可知 当极间距离d不变时提高气压或降低气压到真空 都可以提高气隙的击穿电压 这一概念具有十分重要的实用意义 高气压 高真空都可以提高击穿电压 工程上已得到广泛应用 如 压缩空气开关 真空开关等 巴申定律 汤逊理论的适用范围 汤逊理论是在低气压pd较小条件下建立起来的 pd过大 汤逊理论就不再适用pd过大时 气压高 距离大 汤逊理论无法解释 放电时间 很短放电外形 具有分支的细通道击穿电压 与理论计算不一致阴极材料 无关汤逊理论适用于pd 26 66kPa cm 1 5气体放电的流注理论 3 2 1空间电荷对电场的畸变3 2 2高气压下均匀电场自持放电的流注理论3 2 3流注理论对放电现象的解释 流注理论 汤逊放电理论所讨论的是低气压 短气隙的情况 但在高气压 101 3kPa或更高 长气隙的情况 pd 26 66kPa cm 汤逊理论将不适用 以自然界的雷电为例 它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间 这时不存在金属阴极 因而与阴极上的 过程和二次电子发射根本无关 气体放电流注理论以实验为基础 它考虑了高气压 长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响 主要有以下两方面空间电荷对原有电场的影响空间光电离的作用 1 5 1空间电荷对电场的畸变 电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子 产生了电场畸变 在电场很小的区域 电子和离子浓度最大 有利于完成复合 强烈的复合辐射出许多光子 成为引发新的空间光电离辐射源 一 空间电荷对原有电场的影响 汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象 而这一因素在高气压 长气隙的击穿过程中起着重要的作用 考虑初始电子崩头部成为辐射源 会向气隙空间各处发射光子而引起光电离 二 空间光电离的作用 1 5 1空间电荷对电场的畸变 如图所示 如果这时产生的光子位于崩头前方和崩尾附近的强场强区 则造成的二次电子崩将以更大的电离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中 这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注 流注形成过程示意图 1 5 2高气压下均匀电场自持放电的流注理论 起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩 初崩发展到阳极 正离子作为空间电荷畸变原电场 加强正离子与阴极间电场 放射出大量光子 光电离产生二次电子 在加强的局部电场作用下形成二次崩 三 流注的形成和发展示意图 d 二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道 其端部又有二次崩留下的正电荷 加强局部电场产生新电子崩使其发展 e 流注头部电离迅速发展 放射出大量光子 引起空间光电离 流注前方出现新的二次崩 延长流注通道 f 流注通道贯通 气隙击穿 1 5 2高气压下均匀电场自持放电的流注理论 初始电子崩 电子崩头部电子数达到一定数量 电场畸变和加强 电子崩头部正负空间电荷复合 放射大量光子 光电离 崩头处二次电子 光电子 向正空间电荷区运动 碰撞游离 二次电子崩 二次电子崩电子跑到初崩正空间电荷区域 流注 流注发展过程 均匀电场气隙中的流注放电 负极 正极 均匀电场气隙中的流注放电 二次电子崩 注入初崩 空间电荷作用 流注 自持 1 3 1均匀电场气隙中的流注放电 负极 正极 正流注 由正极向负极发展的流注放电过程 发展速度 3 4 10e6m s 1 3 1均匀电场气隙中的流注放电 负流注 由负极向正极发展的流注放电过程发展速度 7 8 10e5m s 负极 正极 四 流注条件形成流注的必要条件是 电子崩发展到足够的程度后 电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变 大大加强电子崩崩头和崩尾处的电场 电子崩中电荷密度很大 所以复合频繁 放射出的光子在这部分很强 电场区很容易成为引发新的空间光电离的辐射源 二次电子主要来源于空间光电离 气隙中一旦形成流注 放电就可由空间光电离自行维持 流注自持放电条件 或 初崩头部电子数要达到108时 放电才能转为自持 出现流注 1 5 3流注理论对放电现象的解释 放电时间二次崩的起始电子是光子形成的 而光子以光速传播 所以流注发展非常快 放电外形二次崩的发展具有不同的方位 所以流注的推进不可能均匀 而且具有分支 阴极材料大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离 而是靠空间光电离产生电子维持 因此与阴极材料无关 小结 1 汤逊理论只适用于pd值较小的范围 流注理论只适用于pd值较大的范围 二者过渡值为pd 26 66kPa cm 1 汤逊理论的基本观点 电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程 而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件 2 流注理论的基本观点 以汤逊理论的碰撞电离为基础 强调空间电荷对电场的畸变作用 着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程 放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程 当初始电子崩中离子数达108以上时 引起空间光电离质变 电子崩汇合成流注 流注一旦形成 放