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帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失，氣體放電過(guò)程的描述，氣體放電形式
閱讀：1998發(fā)布時(shí)間：2024-4-2
一、氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失
氣體電介質(zhì)，特別是空氣在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。與固體和液體電介質(zhì)相比，氣體電介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是不存在老化問(wèn)題，并且在擊穿后去掉外施電壓其絕緣特性可以自行恢復(fù)。
由于受到各種射線的輻射，空氣中會(huì)產(chǎn)生極少量的帶電質(zhì)點(diǎn)，因其電導(dǎo)極小，可認(rèn)為空氣是良好的絕緣體。只有當(dāng)氣體中出現(xiàn)大量的帶電質(zhì)點(diǎn)時(shí)，氣體才會(huì)失去絕緣性能變?yōu)閷?dǎo)體。
原子中的電子脫離原子核的束縛成為自由電子和正離子的過(guò)程稱為原子的游離。游離過(guò)程需要從外界獲得能量才能完成，游離所需的能量稱為游離能。發(fā)生游離的條件是原子從外界獲取的能量大于原子的游離能。
1.氣體介質(zhì)中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生
(1)氣體中電子和正離子的產(chǎn)生。根據(jù)原子從外界獲得的能量形式的不同，游離可分為碰撞游離、光游離和熱游離。
1)碰撞游離。氣體中的帶電質(zhì)點(diǎn)(電子或離子)在電場(chǎng)作用下加速而獲得足夠大的動(dòng)能時(shí)，若與氣體分子發(fā)生碰撞，可能使氣體分子游離為電子和正離子，這種由碰撞引起的游離稱為碰撞游離。碰撞游離是氣體放電過(guò)程中產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的重要來(lái)源。
質(zhì)點(diǎn)在每?jī)纱闻鲎仓g通過(guò)的距離稱為自由行程。離子因其體積和質(zhì)量較大，所以自由行程小且每次碰撞后易損失其動(dòng)能，不易積聚游離所需的能量，產(chǎn)生碰撞游離的可能性很小，所以碰撞游離主要是由自由電子與氣體分子碰撞而引起的。提高氣體中的電場(chǎng)強(qiáng)度或減小氣體分子的密度可以提高碰撞游離的概率。
2)光游離。光輻射引起的氣體分子的游離過(guò)程稱為光游離。光輻射是以光子的形式發(fā)出，產(chǎn)生光游離的必要條件是光子的能量大于游離能。光子的能量W決定于其頻率 v，其計(jì)算式如下
W=hv=hc/λ （TYBZ01402001-1)
式中 h——普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J·s;
c——光速，3×108m/s;
v——光波頻率，Hz；
λ——光波波長(zhǎng)，m。
由式(TYBZ01402001-1)可知，只有短波長(zhǎng)的高能輻射線才能使氣體分子發(fā)生光游離，可見(jiàn)光是不能直接產(chǎn)生光游離的。必須注意的是氣體本身也可能產(chǎn)生光子，如激勵(lì)狀態(tài)的分子或原子回到常態(tài)時(shí)或正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)在復(fù)合時(shí)都會(huì)以光子的形式放出能魚。因此，光游離在氣休放電中起著重要的作用。
3)熱游離。由氣體的熱狀態(tài)引起的游離稱為熱游離。當(dāng)氣體的溫度很高時(shí)，氣體分了具有的動(dòng)能足以使共在相互碰接時(shí)產(chǎn)生碰撞游離。此外，高溫氣體發(fā)出的熱輻射也能導(dǎo)致光游離。也就是說(shuō)熱游離實(shí)質(zhì)上是熱狀態(tài)下產(chǎn)生的碰撞游離和光游離的綜合。
在常溫下，氣體分了的平均動(dòng)能低，不會(huì)產(chǎn)生熱游離。在高溫下(如電弧放電產(chǎn)生的高溫)，氣體中有明顯的熱游離過(guò)程。
(2)氣體中金屬電極表的游離。電子從金居電極表面逸出的過(guò)程稱為表面游離。表面游離所需的能量稱為逸出功，不同金屬材料的逸出功不同。用各種不同方式供給金屬電極能量，例如，正離子撞擊陰極表面、將金屬電極加熱、短波光源照射電極以及強(qiáng)電場(chǎng)的作用都可使陰極表面發(fā)生游離。
(3)氣體中負(fù)離子的形成。在氣體放電過(guò)程中，除電子和正離子外，還存在帶負(fù)電的離子。負(fù)離子是由自由電子與中性分子或原子結(jié)合而成的。
某些氣體中的中性分子(或原子)具有較大的電子親和力，容易吸附電子形成負(fù)離子。我們把容易吸附電子形成負(fù)離子的氣體稱為電負(fù)性氣體。因離子的游離能力比電子小得多，所以當(dāng)電子被分子吸附成為負(fù)離子后，其游離能力大大降低，對(duì)氣體放電的發(fā)展起抑制作用，有助于提高氣體的電氣強(qiáng)度。含鹵族元素的氣體(如SF6)屬電負(fù)性氣體，其分子具有很強(qiáng)的電負(fù)性，所以具有很高的電氣強(qiáng)度。
2.氣體介質(zhì)中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失
氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)在放電空間的消失主要有三個(gè)途徑：
(1)帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)消失于電極。
(2)帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散。
(3)帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合。
二、氣體放電過(guò)程的描述
氣體中流通電流的各種形式統(tǒng)稱為氣體放電。
由于宇宙射線等高能射線的作用，氣體會(huì)發(fā)生較微弱的游離過(guò)程，同時(shí)正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)又不斷復(fù)合。在這兩種過(guò)程的作用下，大氣中通常會(huì)存在少量的帶電質(zhì)點(diǎn)。在氣隙電極間施加電壓后，帶電質(zhì)點(diǎn)沿電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，在回路中形成電流。當(dāng)氣體間隙中的電場(chǎng)較弱時(shí)，因帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)量極少，故電流也極小，氣體為良絕緣體。當(dāng)氣隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，電流急劇增加，使其失去絕緣能力。這種由絕緣狀態(tài)突變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的過(guò)程，稱為擊穿。發(fā)生擊穿的低臨界電壓稱為擊穿電壓。均勻電場(chǎng)中擊穿電壓與間隙距離之比稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)，不均勻電場(chǎng)中擊穿電壓與間隙距離之比稱為平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)。擊穿場(chǎng)強(qiáng)反映氣體的電氣強(qiáng)度。
1. 均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性
圖TYBZ01402001-1為平板電極氣體間隙中電流與外施電壓的關(guān)系。氣體間隙上施加直流電壓，在曲線的oa段，氣體間隙中的電流隨外施電壓的升高而增大，這是因?yàn)閹щ娰|(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度加快，因復(fù)合而消失的帶電質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目減少。a點(diǎn)以后，電流不再隨電壓的升高而增大，因?yàn)檫@時(shí)由外界游離因素產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)全部進(jìn)入電極參與導(dǎo)電，電流的大小與所加電壓無(wú)關(guān)而僅取決于外界游離因素的強(qiáng)弱。當(dāng)外施電壓大于Ub后，電流又隨電壓的升高而增大，這是由于間隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度已較高，足以引起碰撞游離，即帶電質(zhì)點(diǎn)由外界游離因素和碰撞游離共同產(chǎn)生，帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)數(shù)目增多的緣故。當(dāng)電壓維續(xù)升高至Uc時(shí)，電流急劇增大，此時(shí)氣體間隙轉(zhuǎn)入良好的導(dǎo)電狀態(tài)，即氣體被擊穿了。
當(dāng)外施電壓小于Uc時(shí)，間隙中電流的數(shù)值仍很小，一般為微安級(jí)，此時(shí)間隙中的電流仍需要外界游離因素維持。取消外界游離因素，氣隙中的電流將消失，這種需要外界游離因素維持的放電稱為非自持放電。當(dāng)外施電壓達(dá)到Uc后，間隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度已足夠強(qiáng)，游離過(guò)程僅靠電場(chǎng)的作用可自行維持和發(fā)展，不再需要外界游離因素，因此Uc以后的放電形式稱為自持放電。
2.電子崩的形成
由于電極表面光游離比空間光游離強(qiáng)烈得多，所以引起放電的起始電子主要是由陰極的表面游離產(chǎn)生的。這些電子在電場(chǎng)作用下加速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能不斷增加。當(dāng)電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，電子所具有的動(dòng)能足以引起碰撞游離，游離出來(lái)的電子和原有電子從電場(chǎng)中獲得動(dòng)能又可維續(xù)引起碰撞游離。這樣氣隙中電子的數(shù)目將按幾何級(jí)數(shù)不斷增加，如同雪崩一樣，所以稱為電子崩。
3.自持放電條件
只有電子崩過(guò)程是不會(huì)發(fā)生自持放電的，此時(shí)如果去掉外界游離因素，放電會(huì)中止。所以自持放電的條件是在氣隙內(nèi)初始電子崩消失前產(chǎn)生新的電子(稱為有效電子)來(lái)抵償那個(gè)引起電子崩后將消失于陽(yáng)極的初始電子。這個(gè)新的電子在電場(chǎng)作用下又引起碰撞游離，產(chǎn)生新的電子崩，從而使放電可以繼續(xù)進(jìn)行下去，即放電轉(zhuǎn)入自持放電。放電由非自持放電轉(zhuǎn)入自持放電的臨界電壓稱為起始放電電壓。
有效電子的產(chǎn)生情況與氣體的相對(duì)密度δ和極間距離S的乘積δS有關(guān)。當(dāng)δS值較小時(shí)，有效電子是正離子撞擊陰極表面造成表面游離產(chǎn)生的。當(dāng)δS值較大時(shí)，有效電子是由空間光游離產(chǎn)生的。
三、氣體放電的主要形式
根據(jù)氣體壓力、外回路阻抗、電場(chǎng)分布的不同，間隙擊穿前后氣體放電具有不同的形式，主要有以下四種。
(1)輝光放電：氣體的壓力遠(yuǎn)小于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)發(fā)生。其特點(diǎn)是放電電流密度小，放電區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)電極間的空間，整個(gè)問(wèn)隙仍處于絕緣狀態(tài)。
(2)火花放電：氣體壓力在1個(gè)大氣壓力及以上、外回路阻抗較大時(shí)發(fā)生。其放電特點(diǎn)是具有貫穿兩電極的收細(xì)的放電通道，電流增大，且放電過(guò)程不穩(wěn)定，氣體間隙被間歇性地擊穿。
(3)電弧放電：氣體壓力在1個(gè)大氣壓力及以上、外回路阻抗很小時(shí)發(fā)生。其特點(diǎn)是具有持續(xù)貫通兩電極的細(xì)而明亮的放電通道，放電通道電導(dǎo)極大，電流密度極大，溫度很高，電路具有短路特征。
(4)電暈放電：氣體間隙中的電場(chǎng)分布極不均勻時(shí)發(fā)生。其特點(diǎn)是在曲率半徑較小的電極附近出現(xiàn)發(fā)光的薄層，電流值不大，此時(shí)整個(gè)間隙仍處于絕緣狀態(tài)。
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