《汤逊放电理论》PPT课件.ppt

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1、华北电力大学华北电力大学高电压绝缘技术王胜辉华北电力大学华北电力大学 电气与电子工程学院电气与电子工程学院高压教研室高压教研室 20122012年年2 2月月均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程一一.自持放电、非自持放电自持放电、非自持放电1.非自持放电：非自持放电：如去掉外电离因素如去掉外电离因素的作用后放电随即停止的放电。的作用后放电随即停止的放电。UU0时，气体发生了强烈的电时，气体发生了强烈的电离，电流剧增，气体的电离仅靠电离，电流剧增，气体的电离仅靠电场的作用可自行维持，而不再继续场的作用可自行维持，而不再继续需要外部的电离因素了。需要外部的电离因素了。1）在在O

2、A阶段：阶段：间隙中的电流随着电压的升高而逐渐增加。间隙中的电流随着电压的升高而逐渐增加。其原因在于电压上升，电场增加，带电质点的运动速度较快其原因在于电压上升，电场增加，带电质点的运动速度较快，复合的几率减小，故更多的带电质点落入到极板间，所以，复合的几率减小，故更多的带电质点落入到极板间，所以电流上升。电流上升。2）AB阶段：阶段：电流基本保持不变。其原因在于，这是间隙中电流基本保持不变。其原因在于，这是间隙中几乎所有的带电质点都落入到了极板中，而几乎所有的带电质点都落入到了极板中，而外界电离因素单外界电离因素单位时间内产生的自由电子数是一定的位时间内产生的自由电子数是一定的，所以电流并不

3、随电压，所以电流并不随电压的增加而增加。的增加而增加。3）BC阶段：阶段：电流随这电压的上升而上升。此时出现了电流随这电压的上升而上升。此时出现了新的新的电离因素电离因素，因为此时的电压已经较高，在高场强下产生了，因为此时的电压已经较高，在高场强下产生了碰碰撞电离撞电离，产生了新的带电质点，所以电流增加。，产生了新的带电质点，所以电流增加。4）C阶段以后：阶段以后：电流急剧增加，这时由于电场强度很高，间电流急剧增加，这时由于电场强度很高，间隙发生了击穿，放电达到了自持。隙发生了击穿，放电达到了自持。放电过程分析放电过程分析二二.汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论 汤逊放电理论的理论要点汤逊放电理

4、论的理论要点 电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离是使带电质点激增，并导致击穿的主要因素。击穿电压大是使带电质点激增，并导致击穿的主要因素。击穿电压大体上是体上是 的函数的函数.两种气体放电理论两种气体放电理论汤逊放电理论：低气压短间隙汤逊放电理论：低气压短间隙流注放电理论：高气压长间隙流注放电理论：高气压长间隙p d（一）电（一）电 子子 崩（崩（electron avalanche）外界电离因外界电离因子在阴极附近产子在阴极附近产生一个初始电子生一个初始电子如果空间的电场如果空间的电场强度足够大，该强度足够大，该电子在向阳极运电子在向

5、阳极运动时就会引起碰动时就会引起碰撞电离，产生出撞电离，产生出一个新电子，初一个新电子，初始电子和新电子始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生出更多的电继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生出更多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的子。依次类推，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展发展,这种急剧增大的空间电流被称为这种急剧增大的空间电流被称为电子崩电子崩。ddxxn0nna（二）电子碰撞电离系数（二）电子碰撞电离系数 根据碰撞电离系数根据碰撞电离系数的定义，的定义，可得可得dnndxa=分离变量并积分分离变量并积分，可得，可得00expxnndx

6、a=均匀电场，均匀电场，不随不随 x 变化变化 0 xnn ea=抵达抵达阳极阳极的电子数的电子数adaenn01.1.过程引起的电流过程引起的电流 将将 的两边都乘以电子电荷及电极的面积，得的两边都乘以电子电荷及电极的面积，得到相应的电子电流增长的规律为：到相应的电子电流增长的规律为：式中，式中，-外电离因素引起的起始光电流；外电离因素引起的起始光电流；则外回路中的电流为：则外回路中的电流为：对上式的分析：对上式的分析：在仅有在仅有 过程时，若过程时，若 ，则则 。也即去掉外电离。也即去掉外电离 因素，放电随即停止，该放电是非自持放电。因素，放电随即停止，该放电是非自持放电。在在不变的情况下

7、（电极间的电场和气体的状态不变），不变的情况下（电极间的电场和气体的状态不变），则电极间的电流与极间距离为指数关系。则电极间的电流与极间距离为指数关系。0 xnn ea=0 xII ea=0dII ea=00I 0I 0I1.1.过程引起的电流过程引起的电流 当电极间距离在一定当电极间距离在一定范围内时，在单对数坐标范围内时，在单对数坐标系中，电流和极间距离的系中，电流和极间距离的关系为一倾斜的直线，此关系为一倾斜的直线，此直线的斜率就是直线的斜率就是。22111lnIddIa=-2.系数的计算系数的计算3.电子电离系数电子电离系数的分析的分析影响影响 的因素：的因素：气体的种类、电场的强度、

8、电子的自由气体的种类、电场的强度、电子的自由行程（气体的状态）有关。行程（气体的状态）有关。为便于分析，进行如下的假设：为便于分析，进行如下的假设：(1)每次碰撞时电子失去自己的全部动能，然后从速度为零每次碰撞时电子失去自己的全部动能，然后从速度为零的起始状态重新被电场加速。的起始状态重新被电场加速。(2)在电场作用下，电子的驱引速度比热运动速度大得多，在电场作用下，电子的驱引速度比热运动速度大得多，故忽略后者。故忽略后者。又由于已假定每次碰撞时电子都失去全部动又由于已假定每次碰撞时电子都失去全部动能，所以可认为，在均匀电场中，两次碰撞之间，能，所以可认为，在均匀电场中，两次碰撞之间，电子均电

9、子均沿电场方向作直线运动。沿电场方向作直线运动。(3)当电子动能小于气体分子的电离能时，每次碰撞都不会当电子动能小于气体分子的电离能时，每次碰撞都不会使分子发生电离，而当电子动能大于气体分子的电离能时使分子发生电离，而当电子动能大于气体分子的电离能时，每次碰撞必定使分子电离。，每次碰撞必定使分子电离。推导：推导：若使得气体分子发生电离，则自由电子运动若使得气体分子发生电离，则自由电子运动 的距离的距离 后所积累的动能后所积累的动能必须大于气体分子的电离能，也即：必须大于气体分子的电离能，也即：或或 也即只有那些自由行程大于也即只有那些自由行程大于 的电子才能引起碰撞电离的过程的电子才能引起碰撞

10、电离的过程 而电子的自由行程大于而电子的自由行程大于 的概率为：的概率为：，而在，而在1cm的的长度内，一个自由电子的平均长度内，一个自由电子的平均碰撞（注意不一定引起电离）碰撞（注意不一定引起电离）的次数为的次数为 因而因而电离电离碰撞的次数为：碰撞的次数为：，也即电离系数，也即电离系数 。因而有：因而有：气体的温度不变时，平均自由程气体的温度不变时，平均自由程 和气体的压力和气体的压力 成反比，成反比，并令，并令 ，可得：，可得：写出更一般的表达式：写出更一般的表达式：上式的意义：上式的意义：系数与电场强度以及气体的压力有关。系数与电场强度以及气体的压力有关。ieExWiExViiVxEi

11、x()ixif xel-=1l1ixell-()11iiVxEeellall-=lp1Apl=iAVB=(/)Bp EApea-=()Efppa=x实验结果实验结果（三）（三）及及过程同时引起的电流过程同时引起的电流1.过程过程系数：一个正离子沿着电场方向行经系数：一个正离子沿着电场方向行经1厘米长度，平均厘米长度，平均发生的碰撞电离次数。因而和电子相比，正离子在间隙中发生的碰撞电离次数。因而和电子相比，正离子在间隙中造成的空间电离过程造成的空间电离过程(过程过程)不可能具有显著的作用不可能具有显著的作用。过程：过程：正离子撞击阴极表面引起的表面电离放电释放出的光子引起了阴极表面的光电离 2.

12、过程和过程和过程同时引起的电流过程同时引起的电流系数：一个正离子撞击阴极表面产生的二次自由电子量。系数：一个正离子撞击阴极表面产生的二次自由电子量。上述产生的二次电子同样可引起气体空间的电离。上述产生的二次电子同样可引起气体空间的电离。上式中：上式中：阴极表面单位时间和单位面积上由于：阴极表面单位时间和单位面积上由于 过程而产生的自由过程而产生的自由 电子数。电子数。：阴极表面单位时间和单位面积上产生的自由电子数。：阴极表面单位时间和单位面积上产生的自由电子数。：阴极表面单位时间和单位面积上由于外界电离因素而产：阴极表面单位时间和单位面积上由于外界电离因素而产 生的自由电子数。生的自由电子数。

13、0cnnn=+DnDcn0n 则阴极表面的则阴极表面的 个自由电子，到达阳极后，电子数将增个自由电子，到达阳极后，电子数将增加为：加为：上述过程中产生的正离子的数量为：上述过程中产生的正离子的数量为：，因为除去从，因为除去从阴极上释放出的自由电子，每个新增的自由电子都伴随产生一阴极上释放出的自由电子，每个新增的自由电子都伴随产生一个正离子，因而有个正离子，因而有 由上述的三式可得：由上述的三式可得：因此回路中的电流为：因此回路中的电流为：由于由于 ，注意：将该式与仅考虑注意：将该式与仅考虑 过程的电流表达式进行对比分析。过程的电流表达式进行对比分析。cndacnn ea=acnn-()acnn

14、ngD=-01(1)dadenneaag=-01(1)ddeIIeaag=-1dea01ddeIIeaag=-2.过程和过程和过程同时引起的电流过程同时引起的电流计算方法：计算方法：先由先由d较小的直线部分得到较小的直线部分得到 系数，然后由上式从系数，然后由上式从d较大时较大时电流增加更快的这个部分来决定电流增加更快的这个部分来决定。直接有击穿试验来决定。直接有击穿试验来决定。影响系数的因素影响系数的因素 和电极材料的逸出功有关，也即与电极材料及其表面的和电极材料的逸出功有关，也即与电极材料及其表面的状态有关。状态有关。与与E/P有关，因为离子和光子的动能决定于有关，因为离子和光子的动能决定

15、于E/P,因而有：因而有：但在工程实际中在击穿电压的计算中，但在工程实际中在击穿电压的计算中，一般看作为常一般看作为常数，因为击穿电压对数，因为击穿电压对 的反映不灵敏。的反映不灵敏。(/)E pgf=0ddII eIe3.系数系数 的大致数值的大致数值1.自持放电条件自持放电条件 如果电压如果电压(电场强度电场强度）足够大，初始电子崩中的正离子）足够大，初始电子崩中的正离子能在阴极上产生出来的能在阴极上产生出来的新电子数等于或大于新电子数等于或大于n0，那么即使除去，那么即使除去外界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产外界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产生出来

16、的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维持下去，这就变成了持下去，这就变成了自持放电自持放电。在整个路程撞击出的正离子数为：在整个路程撞击出的正离子数为：0(1)adne-令令 表示一个正离子撞击到阴极表表示一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数，则从金属面时产生出来的二次电子数，则从金属表面电离出的电子数为：表面电离出的电子数为：0(1)adneg-若该电子数大于等于起始电子数若该电子数大于等于起始电子数n0,那么放电可以自持，即那么放电可以自持，即自持放电条件自持放电条件为为00(1)(1)1adadnenegg-（四）

17、均匀电场中的击穿电压（四）均匀电场中的击穿电压 一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正电子数一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正电子数为为 ead-1,这批在阴极上造成的二次自由电子数应为这批在阴极上造成的二次自由电子数应为(ead-1)，如果它等于如果它等于1，就意味着那个初试电子有了一个后继电子，从，就意味着那个初试电子有了一个后继电子，从而使放电得以而使放电得以自持自持。在不均匀电场中，各点的电场强度在不均匀电场中，各点的电场强度E不同，所以各处的不同，所以各处的 值也不同，在这中条件下，上面的自持条件应改写成：值也不同，在这中条件下，上面的自持条件应改写成：0(1)1ddxe

18、ag-自持放电条件的物理意义自持放电条件的物理意义外界电离因子外界电离因子阴极表面电离阴极表面电离气体空间电离气体空间电离气体中的气体中的自由电子自由电子在电场中加速在电场中加速碰撞电离碰撞电离 电子崩电子崩（）过程）过程阴极表面阴极表面二次发射二次发射 (过程）过程）正离子正离子图图 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程低气压、短气隙情况下气体的放电过程 自持放电条件图解分析自持放电条件图解分析（五）（五）击穿电压、巴申（帕邢）定律击穿电压、巴申（帕邢）定律(/)Bp EApea-=1lndagUEd=1lnbBpdUApdeg-=可以得到：可以得到：ln1lnbBpdUApdg=()

19、bUfpd=巴申定理：巴申定理：意义：意义：气体气体间隙的击穿电压不仅与气压有关还与间隙的距离有关，间隙的击穿电压不仅与气压有关还与间隙的距离有关，是两者乘积的函数。是两者乘积的函数。Ub(kV)图图2-2 均匀电场中空气的帕邢曲线均匀电场中空气的帕邢曲线0.10.20.30.51 2 3 5 10 20 30 50 100 300 100050201010.3520.20.1 0.5330巴申曲线巴申曲线1.假设假设d保持不变，保持不变，当当p很大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之很大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之间电子积聚到足够动能的几率减小了，故间电子积聚到足够动

20、能的几率减小了，故 Ub 必然增大。必然增大。当当p很小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大很小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小数却减到很小，所以，所以 Ub也会增大。也会增大。应用：应用：采用高真空和高气压可提高间隙的击穿电压。采用高真空和高气压可提高间隙的击穿电压。巴申曲线的解释：巴申曲线的解释：真空灭弧室GIS 站1.假设假设P保持不变，保持不变，当当d增加时，场强增加时，场强E降低，因此碰撞电离减弱，故降低，因此碰撞电离减弱，故 Ub 必然必然增大

21、。增大。d很小时，自由电子直接从阴极运动到阳极（工程中很小时，自由电子直接从阴极运动到阳极（工程中不会用到）不会用到）。应用：应用：增加气体间隙的距离增加气体间隙的距离可提高间隙的击穿电压。可提高间隙的击穿电压。1、放电外形放电外形 根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展.低气压下气体放电发光区确实占据了整个电极空间，如辉光放低气压下气体放电发光区确实占据了整个电极空间，如辉光放电。但大气压力下气体击穿时出现的却是电。但大气压力下气体击穿时出现的却是带有分枝的明亮细通带有分枝的明亮细通道道。2、放电时间放电时间 根据汤逊理论，间隙完

22、成击穿，需要好几次这样的循环根据汤逊理论，间隙完成击穿，需要好几次这样的循环:形形成电子崩，崩中正离子到达阴极造成二次电子，这些电子重又成电子崩，崩中正离子到达阴极造成二次电子，这些电子重又形成更多的电子崩。由正离子的迁移率可以计算出完成击穿所形成更多的电子崩。由正离子的迁移率可以计算出完成击穿所需的时间，即所谓放电时间。这样计算得到的放电时间和低气需的时间，即所谓放电时间。这样计算得到的放电时间和低气压下的放电时间比较一致，压下的放电时间比较一致，但比火花放电时的放电时间实侧值但比火花放电时的放电时间实侧值要大得多。要大得多。汤逊放电理论的适用范围汤逊放电理论的适用范围 低气压、低气压、短间

23、隙的电场中，即短间隙的电场中，即200(cm133pa)p d汤逊放电理论不能解释的放电现象汤逊放电理论不能解释的放电现象 3、击穿电压击穿电压 pd值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件求得的击穿压和实验值比较一致。求得的击穿压和实验值比较一致。pd值很大时，如仍采用原来的值很大时，如仍采用原来的 值，值，则击穿电压计算值和则击穿电压计算值和实验值将有很大出入实验值将有很大出入。4、阴极材料的影响阴极材料的影响 根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响，但大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料无但大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料无关关。汤逊放电理论不能解释的放电现象汤逊放电理论不能解释的放电现象 基于以上的原因提出了流注放电理论：基于以上的原因提出了流注放电理论：