高电压技术——第二讲气体放电的基本物理过程2.2

1、第二章第二章 气体放电的气体放电的基本物理过程基本物理过程( (一一) )E-mail:上节回顾：上节回顾： 交流高压输电的组成？ 电厂电厂输电网输电网配电网配电网用户用户 直流高压输电的组成？直流高压输电的组成？电厂电厂升压升压整流整流输电网输电网逆变逆变降压降压用用户户 为何要高压输电？ 我国电能现状，损耗，电力系统的稳定我国电能现状，损耗，电力系统的稳定 直流输电与交流输电的差别?优缺点？ 交流（升降压），直流（换流，升降压）交流（升降压），直流（换流，升降压） 直流更稳定，直流更稳定，自防护时间短，全自动控制，线路走廊小自防护时间短，全自动控制，线路走廊小等等E-mail:第二章第二章

2、 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程l 高压电气设备高压电气设备绝缘介质有气体、液体、固体及其有气体、液体、固体及其复合介质，其中复合介质，其中气体最为常见。（如：架空输电线。（如：架空输电线路的绝缘，路的绝缘，变压器油变压器油电器的外绝缘）电器的外绝缘）l 与液体、固体介质相比，气体绝缘介质的优点：与液体、固体介质相比，气体绝缘介质的优点：不存在老化问题，且在击穿后具有完全的，且在击穿后具有完全的绝缘自恢复特性。E-mail:第二章第二章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程l带电质点的产生与消失l放电的电子崩阶段l自持放电条件l不均匀电场中气体放电的特点1 1. .气体中

3、电子与正离子的产生气体中电子与正离子的产生2 2. . 电极表面的电子逸出电极表面的电子逸出3 3 . .气体中负离子的形成气体中负离子的形成4 4 . .带电质点的消失带电质点的消失E-mail:2.1 2.1 带电质点的产生与消失带电质点的产生与消失 原子结构原子结构 中性气体分子不导电，但由于宇宙射线和地壳中中性气体分子不导电，但由于宇宙射线和地壳中放射性物质的射线等作用，放射性物质的射线等作用，使使气体气体微弱电离（外电离）而产生而产生少量带电质点。E-mail:2.1.1 气体中电子与正离子的产生电离电离 电离所需的能量称为电离所需的能量称为电离能电离能W Wi i（用电子伏（用电子

4、伏eVeV表示）表示） 1eV=1.61eV=1.61010- -1919J JE-mail: 电离的几种形式电离的几种形式（1 1）热电离）热电离：高温引起气体电离过程。高温引起气体电离过程。32WkT波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度 室温下室温下，气体分子的平均动能为，气体分子的平均动能为1010-2-2eVeV数量级，数量级，远小于电离能（远小于电离能（10101 1eVeV），热电离率极低。），热电离率极低。 因此，常温下气体放电不必考虑热电离的因素。因此，常温下气体放电不必考虑热电离的因素。2.1.1 气体中电子与正离子的产生E-mail:（2 2）光电离）光电离：光

5、辐射引起气体分子电离。光辐射引起气体分子电离。Wh普朗克常数6.6310-34Js ih cW条 件 ：试推导，能使气体发生光电离的光波长的数量级。2.1.1 气体中电子与正离子的产生E-mail:（3 3）碰撞电离）碰撞电离：质点与中性的原子或分子碰撞时，质点与中性的原子或分子碰撞时，如原子或分子获得的能量大于电离能则发生电离。如原子或分子获得的能量大于电离能则发生电离。212imveEx WiUxE条 件 ： 碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的最重要的方式。最重要的方式。2.1.1 气体中电子与正离子的产生E-mail:(4)分级电离激励：原子中电

6、子在外界因素的作用下可跃迁到能级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。（所需能量为激励能较高的外层轨道。（所需能量为激励能WeWe）分级电离：原子或分子在激励态再获得能量而发生电原子或分子在激励态再获得能量而发生电离。（所需能量）离。（所需能量）激励态不稳定，只有激励态不稳定，只有亚激励态才能引起分级电离。才能引起分级电离。2.1.1 气体中电子与正离子的产生E-mail:(4)分级电离潘宁效应（Penning）：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。 在绝缘领域，潘宁效应不利。但在气体放电领域却经常使用。（

7、霓虹灯）2.1.1 气体中电子与正离子的产生E-mail:2.1.2 电极表面的电子逸出 从金属表面逸出的电从金属表面逸出的电子也会进入气体间隙子也会进入气体间隙参与碰撞电离过程。参与碰撞电离过程。 使电子从金属表面逸使电子从金属表面逸出需要的能量出需要的能量逸逸出功出功。E-mail:2.1.2 电极表面的电子逸出（1）正离子撞击阴极：只有当正离子的能量大于只有当正离子的能量大于金属逸出功的两倍时才能产生电极表面电子发金属逸出功的两倍时才能产生电极表面电子发射。射。（2）光电子发射。（3）强场发射：阴极表面电场强度很大时，也能阴极表面电场强度很大时，也能使阴极放出电子，称为强场发射或冷发射。

8、使阴极放出电子，称为强场发射或冷发射。（4）热电子发射：高温下金属中电子因获得巨大高温下金属中电子因获得巨大的动能而从电极表面逸出。的动能而从电极表面逸出。E-mail:2.1.3 气体中负离子的形成 带点质点中不但有由带点质点中不但有由碰撞而产生正离子和电子，也有也有电子电子附着在原子或分子上而形成负离子。 负离子的形成过程与电离相反，会负离子的形成过程与电离相反，会释放能量，该能量称为该能量称为电子亲合能。 电子亲合能用于表征原子电子亲合能用于表征原子捕获电子的难易程度，电子的难易程度，值越大，越易。值越大，越易。E-mail:2.1.3 气体中负离子的形成 电负性：无量纲数，表征原子在分

9、子中无量纲数，表征原子在分子中吸引电子电子的能力。的能力。思考：电负性与绝缘性能，思考：电负性与绝缘性能，与电气强度的关系？与电气强度的关系？E-mail:2.1.3 气体中负离子的形成 电子能量对电负性的影响。电子能量对电负性的影响。 电场强度很高时，电子能量高，运动速度快，电场强度很高时，电子能量高，运动速度快，附着率低。附着率低。 图图2-22-2分析说明。分析说明。 E-mail:2.1.4 带电质点的消失（1）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，带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子从而使浓度变得

10、均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的的扩散比离子的扩散快得多。扩散比离子的扩散快得多。（2）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。的复合率与正、负电荷的浓度有关，

11、浓度越大则复合率越高。E-mail:2.2 2.2 放电的电子崩阶段放电的电子崩阶段 非自持放电和自持放电的不同特点 电子崩的特点 影响碰撞电离系数的因素E-mail:2.2.1非自持放电和自持放电的不同特点非自持放电和自持放电的不同特点 非自持放电：气体放电需要靠外电离来维持。气体放电需要靠外电离来维持。 自持放电：气体放电只靠外施电压就能维持。气体放电只靠外施电压就能维持。 自持放电的起始电压：U0。 自持放电的形式有多种，如：辉光放电、火花放电、电弧放电、电晕放电等。E-mail:2.2.1非自持放电和自持放电的不同特点非自持放电和自持放电的不同特点带电质点运动的速度加快，复合率减小 。

12、所以电流随外加电压提高而增大。电流饱和，电流仅取决于外电离因素的强弱而与外加电压无关。 电流开始增大，能量足够引起碰撞电离。 电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿） 自持放电起始电压E-mail:总 结： 电极表面逸出电子的条件？途径？ WWWW逸，正离子撞击阴极，光电子发射，强场发射，热逸，正离子撞击阴极，光电子发射，强场发射，热电子发射。电子发射。 气体中负离子是如何形成？ 基态的气体原子获得一个电子而形成负离子。基态的气体原子获得一个电子而形成负离子。 电子亲合能？电负性？ 负离子形成过程会释放能量，该能量称为电子亲合能。负离子形成过程会释放能量，该能量称为电子亲合能。表征捕获电

13、子的能力。电负性表征吸引电子的能力。表征捕获电子的能力。电负性表征吸引电子的能力。E-mail:总 结： 本节中介绍的带电质点的种类有？ 气体中电子与正离子（电离）；电极表面的电子（逸出）；气体中电子与正离子（电离）；电极表面的电子（逸出）；气体中负离子（附着）；气体中负离子（附着）； 气体电离的条件？种类？ WWi,WWi,热电离、光电离、碰撞电离、分级电离热电离、光电离、碰撞电离、分级电离 潘宁效应？ 混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则可使混合气体的击穿强度低于这两种气体各自的击穿强则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。度。E-mail:总 结： 电负性与电气强度的关系？ 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。 电气强度与电子能量