高电压技术-第二章

δd 过大时，气压高，或距离大，这时气体击穿
的很多实验现象无法全部在汤逊理论范围内给以解 释：放电外形；放电时间；击穿电压；阴极材料。 因此，通常认为，δd ＞0.26 cm(pd＞200 cm •
mmHg)时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结
果不再适用，但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有 效的。
电负性：一个无量纲的数，其值越大表明原子 在分子中吸引电子的能力越大 。
1.1.2 带电质点的消失
带电质点的消失可能有以下几种情况： 带电质点受电场力的作用流入电极 ；
带电质点因扩散而逸出气体放电空间；
带电质点的复合。
带电质点的复合 复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可 能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合。 复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子 复合，其结果是产生一个中性分子； 复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为 离子复合，其结果是产生两个中性分子。
回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起
为此引入系数。 阴极表面电离，统称为 过程。
设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电 子，此电子到达阳极表面时由于 α 过程，电子总数 增至 eαd 个。因在对α 系数进行讨论时已假设每次电 离撞出一个正离子，故电极空间共有 （ eαd-1）个 正离子。由系数 γ 的定义，此（ eαd-1）个正离子 在到达阴极表面时可撞出 γ（eαd-1） 个新电子，这
（2）汤逊放电理论的适用范围
汤逊理论是在低气压、 δd 较小的条件下在放电
实验的基础上建立的。 δd 过小或过大，放电机理将
出现变化，汤逊理论就不再适用了。
δd 过小时，气压极低( 过小在实际上是不可能
γ 远大于 d，碰撞电离来不及发生， 的)， d / λ 过小，
击穿电压似乎应不断上升，但实际上电压U上升到一 定程度后，场致发射将导致击穿，汤逊的碰撞电离 理论不再适用，击穿电压将不再增加。
3、气体中负离子的形成
附着：电子与气体分子碰撞时，不但有可
能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，也 可能发生电子附着过程而形成负离子。 负离子的形成并未使气体中带电粒子的数
目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气
体放电的发展起抑制作用。
电子亲合能：使基态的气体原子获得一个电子 形成负离子时所放出的能量，其值越大则越易 形成负离子。 电子亲合能未考虑原子在分子中的成键作 用，为了说明原子在分子中吸引电子的能力， 在化学中引入电负性概念。
图1－5 计算间隙中电子数增长的示意图
根据碰撞电离系数α的定义，可得：
d n n d x
分离变量并积分之，可得：
dx 0 n n0 e
x
(1-7)
(1-8)
对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相 同，α值不随x而变化，所以上式可写成：
n n0 e
ax
(1-9)
抵达阳极的电子数应为：
1.1.3 电子崩与汤逊理论
气体放电现象与规律因气体的种类、气压和 间隙中电场的均匀度而异。
但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到
电子崩的阶段。
1、放电的电子崩阶段 （1）非自持放电和自持放电的不同特点
宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生 微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负 带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓 度的带电质点。因此，在气隙的电极间施加电压
持，因为一旦除去外界电离因子(令 I0 0)，即 I
变为零。
（3）影响碰撞电离系数的因素
若电子的平均自由行程为 λ ，则在1cm长度内一个 电子的平均碰撞次数为1/λ。 设在处有个电子沿电力线方向运动，行经距离时还 剩下个电子未发生过碰撞，则在到这一距离中发生 碰撞的电子数应为 dx dn n
高气压时， e很小，单位长度上的碰撞次数很多， 但能引起电离的概率很小；
低气压和真空时， e 很大，总的碰撞次数少，所 以α也比较小。
所以，在高气压和高真空下，气隙不易发生放 电现象，具有较高的电气强度。
2、汤逊理论
前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放 电的。要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始 电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外 电离因素产生的初始电子。
1.1 气体放电的基本物理过程
高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、 固体以及其它复合介质。由于气体绝缘介质不存 在老化的问题，在击穿后也有完全的绝缘自恢复 特性，再加上其成本非常廉价，因此气体成为了 在实际应用中最常见的绝缘介质。 气体击穿过程的理论研究虽然还不完善，但 是相对于其他几种绝缘材料来说最为完整。因 此，高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。
Wi Ui xi qe E E
(1-4)
式中Ui为气体的电离电位，在数值上与以eV为 单位的Wi相等
xi的大小取决于场强E，增大气体中的场
强将使 xi值减少。可见提高外加电压将使碰撞 电离的概率和强lt;<电离能时，阴极表面电离可在 下列情况下发生： 正离子撞击阴极表面 光电子发射 强场发射 热电子发射
电子或离子在电场作用下加速所获得的动能
1 mv 2 eEx 2
(1-3)
高速运动的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等于或大于 其电离能，则会发生电离。 因此，电离条件为
eEx Wi
式中： e：电子的电荷量；
E：外电场强度； x ：电子移动的距离
(1-4)
为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前必须 经过的距离为：

由上式积分得：
n n0 e
x /
(1-13)
由第一节公式，实际自由行程长度等于或大于 xi 的 x 概率为e ，所以也就是碰撞电离的概率。 根据碰撞电离系数α的定义，即可得出：
i e

1
e
e
e
xi

1
e
e

ui e E
(1-14)
kT 由第一节公式 e 2 r p
图1－3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
（3）在I-U曲线的BC段： 虽然电流增长很快，但电 流值仍很小，一般在微安 级，且此时气体中的电流 仍要靠外电离因素来维 持，一旦去除外电离因 素，气隙电流将消失。
U0
图1－3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
因此，外施电压小于U0 时的放电是非自 持放电。电压达到 U0后，电流剧增，且此时 间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再 需要外电离因素了。外施电压达到U0后的放电 称为自持放电，U0称为放电的起始电压。
时，可检测到微小的电流。
由图1-3可见， （1）在I-U曲线的OA段： 气隙电流随外施电压的提高而 增大，这是因为带电质点向电 极运动的速度加快导致复合率 减小。当电压接近U A 时，电流 趋于饱和，因为此时由外电离 因素产生的带电质点全部进入 电极，所以电流值仅取决于外 电离因素的强弱而与电压无关
实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和
气隙长度的乘积（pd ）有关。 pd 值较小时自持放电 的条件可用汤逊理论来说明； pd 值较大时则要用流 注理论来解释。
（1） 过程与自持放电条件
由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能 小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电 子。此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁
图1－3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
（2）在I-U曲线的B、C点： 电压升高至UB 时，电流又开始 增大，这是由于电子碰撞电离 引起的，因为此时电子在电场 作用下已积累起足以引起碰撞 电离的动能。电压继续升高至 U0 时，电流急剧上升，说明放 电过程又进入了一个新的阶 段。此时气隙转入良好的导电 状态，即气体发生了击穿。
（2）电子崩的形成
视频连接
外界电离因子在阴极附 近产生了一个初始电子，如 果空间电场强度足够大，该 电子在向阳极运动时就会引 起碰撞电离，产生一个新的 电子，初始电子和新电子继 续向阳极运动，又会引起新 的碰撞电离，产生更多电 子。
电子崩的演示
图1－4 电子崩的示意图
依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪 崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电 子崩。
为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入：
电子碰撞电离系数 α 。
α:
表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完 成的碰撞电离次数平均值。
如图1-5为平板电极气 隙，板内电场均匀，设外 界电离因子每秒钟使阴极 表面发射出来的初始电子 数为n0。 由于碰撞电离和电子 崩的结果，在它们到达x处 时，电子数已增加为n，这 n个电子在dx的距离中又会 产生dn个新电子。
1.1.4 巴申定律与适用范围
1、巴申定律
早在汤逊理论出现之前，巴申(Paschen)就于
1889年从大量的实验中总结出了击穿电压ub 与pd 的关系曲线，称为巴申定律，即
Ub f (pd)
(1-23)
图1-7给出了空气间隙的ub 与 pd 的关系曲线。从图 中可见，首先， ub并不仅 仅由d 决定，而是 pd 的 函数；其次ub不是 pd的 单调函数，而是U型曲 线，有极小值。
图1-1 不同温度下空气和气体的热电离程度
（2）光电离
当满足以下条件时，产生光电离
hc Wi
(1-2)
式中：
：光的波长； c ：光速；
光子来源
{
Wi：气体的电离能
外界高能辐射线
气体放电本身
（3）碰撞电离
1 2 （ mv ）与质点电荷量(e)、电场强度（E）以 2 及碰撞前的行程(x)有关．即
些电子在电极空间的碰撞电离同样又能产生更多的
正离子，如此循环下去。
自持放电条件为
γ (eαd −1) =1
(1-21)
γ ：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的