电器的电弧理论(共250张精选PPT).pptx

1、电器的电弧理论电器的电弧理论第第1章章 绪论绪论第第2章章 电器的发热理论电器的发热理论第第3章章 电器的电动力理论电器的电动力理论第第4章章 电器的电接触理论电器的电接触理论第第5章章 电器的电弧理论电器的电弧理论第第6章章 电器的电磁机构理论电器的电磁机构理论5-1 引言引言5-2 气体放电的物理基础气体放电的物理基础5-3 电弧的物理特性电弧的物理特性5-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的特性与熄灭原理5-5 交流电弧的特性与熄灭原理交流电弧的特性与熄灭原理5-6 开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电器典型灭弧装置的工作原理在大气中开断电路时，若电流大于在大气中开断电路时，若电流大于

2、0.251A；电压大于电压大于 1220V，触头间隙（简称弧隙）中会产生电弧触头间隙（简称弧隙）中会产生电弧电力开关设备的开断电力开关设备的开断电弧电弧电弧（电弧（arc）：）：温度高、发光强、能导电的气体温度高、发光强、能导电的气体电弧的危害电弧的危害电弧电弧延迟开断延迟开断线路、设备受损线路、设备受损触头烧损触头烧损开关设备着火、爆炸开关设备着火、爆炸电弧的作用电弧的作用泄放电路中的磁能泄放电路中的磁能降低过电压降低过电压电力开关设备既要熄灭电弧，又要利用电弧电力开关设备既要熄灭电弧，又要利用电弧电力开关（电力开关（Switch）设备的主要任务设备的主要任务顺利地熄灭电弧顺利地熄灭电弧（E

3、xtinguish arc）保证电路的成功开断保证电路的成功开断 （Breaking/Interrupting）电弧的其他应用电弧的其他应用焊接焊接冶炼金属（电弧炉）冶炼金属（电弧炉）强光源（弧光灯）强光源（弧光灯）电弧的定义电弧的定义气体或蒸汽中自持的放电现象气体或蒸汽中自持的放电现象GasVapourSelf-sustainedDischarge5-1 引言引言5-2 气体放电的物理基础气体放电的物理基础5-3 电弧的物理特性电弧的物理特性5-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的特性与熄灭原理5-5 交流电弧的特性与熄灭原理交流电弧的特性与熄灭原理5-6 开关电器典型灭弧装置的工作原理开

4、关电器典型灭弧装置的工作原理气体放电气体放电(Gas Discharge)弧隙中气体由绝缘状态变为导电状态、使电流得以通过的现象弧隙中气体由绝缘状态变为导电状态、使电流得以通过的现象电弧是气体放电的一种形式电弧是气体放电的一种形式电离电离（Ionization）和激励和激励（Excitation）外界能量（热、光、碰撞等）外界能量（热、光、碰撞等）能量足够大，使电子成为自由电子，中性粒能量足够大，使电子成为自由电子，中性粒子成为正离子，这种现象称为电离子成为正离子，这种现象称为电离能量不够大，只能使电子由正常轨道跳到较能量不够大，只能使电子由正常轨道跳到较外层的轨道，这种现象称为激励外层的轨道

5、，这种现象称为激励HLhfEEh:普朗克常数（普朗克常数（6.62410-34J.s）电离和激励电离和激励电子伏特电子伏特能量能量1Vee获得能量获得能量191eV1.6 10J量值上等于电子电荷量值上等于电子电荷温度温度1eVTk:玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数23J1.38 10K19231.6 10JJ1.1eV11600310K8KT1eV 代表的温度约为代表的温度约为11600K电离和激励电离和激励电离能：电离出一个自由电子所需要的能量电离能：电离出一个自由电子所需要的能量ylylWeU电离电位电离电位191.6 10Ce第二（三）电离能：拉出第二（三）个电子所需的能量第二（三）电离能：拉

6、出第二（三）个电子所需的能量电离能与材料有关（金属电离能与材料有关（金属/气体）气体）电离和激励电离和激励激励能：激励一个电子所需要的能量激励能：激励一个电子所需要的能量分级电离：中性粒子分级电离：中性粒子激励激励电离电离分级电离分级电离介稳状态（一种特别的激励状态）：介稳状态（一种特别的激励状态）：已跳到较外层的电子已跳到较外层的电子（不能很快返回原轨道）（不能很快返回原轨道）激励是一种不稳定的状态激励是一种不稳定的状态中性粒子处于激励状态的时间中性粒子处于激励状态的时间10-910-8s中性粒子处于介稳状态的时间可达中性粒子处于介稳状态的时间可达10-410-2s在中性粒子电离过程中起很大

7、作用在中性粒子电离过程中起很大作用外加能量外加能量跳到更外层跳到更外层返回原轨道返回原轨道电离电离气体电离的方式气体电离的方式电离气体：包括带电粒子（电子、电离气体：包括带电粒子（电子、正离子、负离子）的正离子、负离子）的气体，其中也包括中性粒子（原子、分子）气体，其中也包括中性粒子（原子、分子）电离度电离度电离度电离度被电离的原子数被电离的原子数总原子数总原子数电离度增大电离度增大电导率提高电导率提高气体电离的方式气体电离的方式表面发射表面发射（Surface emission）空间电离空间电离（Space ionization）气体电离的方式气体电离的方式表面发射：金属电极表面发射电子进入

8、极间气体表面发射：金属电极表面发射电子进入极间气体?金属蒸汽能导电吗？金属蒸汽能导电吗？金属蒸汽在未电离的情况下是不导电的金属蒸汽在未电离的情况下是不导电的表面发射的类型表面发射的类型热发射热发射（Thermal emission）（）（TE）场致发射场致发射（Field emission）（）（FE）热热-场致发射场致发射（Field-assisted thermionic emission）（）（FTE）光发射光发射（Photon emission）二次发射二次发射（Secondary emission）真空真空金属金属气体电离的方式气体电离的方式金属表面电子发射原理金属表面电子发射原理即

9、使在绝对零度时，金属中的电子也具有很高的能量，钨：即使在绝对零度时，金属中的电子也具有很高的能量，钨：8.95eV（费米能级）费米能级）但电子并不能但电子并不能“逃出逃出”金属表面金属表面?金属表面存在势垒（金属表面存在势垒（Potential barrier）WF：费米能级费米能级W0：总逸出功总逸出功Wi（Wyc）：）：有效逸出功有效逸出功0iFWWW温度温度气体电离的方式气体电离的方式热发射（热发射（Thermal Emission）金属金属W0：总逸出功总逸出功Wi（Wyc）：）：有效逸出功有效逸出功WF：费米能级费米能级0iFWWW表面自由电子动能表面自由电子动能 超越表面势垒超越表

10、面势垒 逸出逸出真空真空气体电离的方式气体电离的方式热发射（热发射（Thermal Emission）温度温度表面自由电子动能表面自由电子动能 超越表面势垒超越表面势垒 逸出逸出对清洁、均匀的表面，饱和热发射电流密度对清洁、均匀的表面，饱和热发射电流密度1160021ycWTrfJAT e常数常数160.2 120A Wyc:逸出功（逸出功（eV）T:金属表面温度（金属表面温度（K）金属沸点越高，热发射的最大电流密度越大，如钨金属沸点越高，热发射的最大电流密度越大，如钨气体电离的方式气体电离的方式场致发射（场致发射（Field Emission）金属表面施加电场时，将压缩表面势垒厚度，自由电子

11、金属表面施加电场时，将压缩表面势垒厚度，自由电子可以在常温下穿过势垒（隧道效应）而逸出可以在常温下穿过势垒（隧道效应）而逸出金属金属真空真空金属金属真空真空E在较高温度时，场致发射的电流密度为在较高温度时，场致发射的电流密度为211600212ycWTAcfEJA TeEA1160021ycWTrfJAT e0E 气体电离的方式气体电离的方式热热-场致发射场致发射（Field-assisted thermionic emission）热、电场共同作用时，发射电流大大增强（非线性提升）热、电场共同作用时，发射电流大大增强（非线性提升）以铜为例以铜为例(K)T(V m)E2(A m)J200000

12、92 10200092 1061.2 1022329211600212ycAcfTWEJA TeEA气体电离的方式气体电离的方式光发射光发射（Photon emission）光和射线照射到金属表面引起电子逸出光和射线照射到金属表面引起电子逸出光波越短（频率越高），引起光发射的作用越强，逸出电子的速光波越短（频率越高），引起光发射的作用越强，逸出电子的速度越高度越高二次发射二次发射（Secondary emission）一般来说，阴极附近的场强比阳极附近的场强高，所以阴一般来说，阴极附近的场强比阳极附近的场强高，所以阴极表面二次发射较强，并在气体放电过程中起重要作用极表面二次发射较强，并在气体放

13、电过程中起重要作用电子碰撞阳极电子碰撞阳极正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极电子发射电子发射气体电离的方式气体电离的方式空间电离空间电离（Space ionization）电极间气体自身由绝缘状态变成导电状态（不是由外界送电极间气体自身由绝缘状态变成导电状态（不是由外界送入带电粒子）的现象入带电粒子）的现象空间电离的类型空间电离的类型光电离光电离电场电离电场电离热电离热电离气体电离的方式气体电离的方式光电离光电离中性粒子受到频率为中性粒子受到频率为v 的光照射时，若满足的光照射时，若满足hvWyl,则可能被则可能被电离，这一现象称为光电离电离，这一现象称为光电离Wyl:中性粒子的电离能（中性粒子的电

14、离能（J）h:普朗克常数（普朗克常数（6.62410-34J.s）光的频率越高，电离作用越强光的频率越高，电离作用越强X射线，射线，a a，b b，g g，宇宙射线、紫外线具有较强的电离作用宇宙射线、紫外线具有较强的电离作用气体电离的方式气体电离的方式电场电离电场电离若一个带电粒子在电场中获得的动能若一个带电粒子在电场中获得的动能 ，则，则当其与另一中性粒子碰撞时，就有可能使之电离。当其与另一中性粒子碰撞时，就有可能使之电离。212ylmvW称为电场电离或碰撞电离称为电场电离或碰撞电离电子自由程（电子自由程（free path)长，碰撞截面（长，碰撞截面（collision cross sec

15、tion）小小，容易积累足够的动能，在电场电离中起重要作用容易积累足够的动能，在电场电离中起重要作用气体电离的方式气体电离的方式电场电离电场电离通常电极间气体进行电场电离的电子来自：金属表面的电子发射、通常电极间气体进行电场电离的电子来自：金属表面的电子发射、光电离光电离电子碰撞中性粒子发生电离的几率取决于动能的大小和两电子碰撞中性粒子发生电离的几率取决于动能的大小和两者电磁场相互作用的时间者电磁场相互作用的时间电场电离的几率通常较小电场电离的几率通常较小有时，电子碰撞中性粒子后，不使之电离或激励，而是附有时，电子碰撞中性粒子后，不使之电离或激励，而是附着其上构成负离子，称为粘合（着其上构成负

16、离子，称为粘合（attachment)4(1 2)10 V/mE 电离几率：电离几率：0.20.4%激励几率：激励几率：1%或更小或更小气体电离的方式气体电离的方式热电离热电离气体粒子高速热运动、相互碰撞而产生的电离气体粒子高速热运动、相互碰撞而产生的电离当气体温度达到当气体温度达到30004000K以上时，热电离才显著以上时，热电离才显著金属蒸汽的电离能比一般气体小得多，所以相同温度下其电离金属蒸汽的电离能比一般气体小得多，所以相同温度下其电离度高于一般气体度高于一般气体当气体中混有金属蒸汽时，电离度提高，电导率也增大当气体中混有金属蒸汽时，电离度提高，电导率也增大气体消电离（气体消电离（D

17、eionization）电离气体中带电粒子自身消失或者失去电荷变为中性粒电离气体中带电粒子自身消失或者失去电荷变为中性粒子的现象，称为消电离子的现象，称为消电离气体消电离的方式气体消电离的方式复合（复合（Combination）：）：带异号电荷的粒子相遇后相互作用电带异号电荷的粒子相遇后相互作用电荷消失荷消失扩散（扩散（Diffusion）：）：带电粒子由于热运动从高浓区向低浓度区移带电粒子由于热运动从高浓区向低浓度区移动动气体消电离（气体消电离（Deionization）复合复合空间复合空间复合表面复合表面复合正离子接近阴极获得电子正离子接近阴极获得电子负离子接近阳极失去电子负离子接近阳极失

18、去电子正、负粒子通过金属表面正、负粒子通过金属表面分别获得和交出电子分别获得和交出电子电子进入阳极电子进入阳极直接复合直接复合间接复合间接复合中性粒子中性粒子电子电子正离子正离子正离子正离子电子电子气体消电离（气体消电离（Deionization）复合复合电子的运动速度比负离子大得多电子的运动速度比负离子大得多直接复合的几率比间接复合的几率小得多直接复合的几率比间接复合的几率小得多电子和中性粒子形成负离子的可能性与气体的性质和纯电子和中性粒子形成负离子的可能性与气体的性质和纯度有关度有关氟原子及其化合物的分子对电子的粘合作用特别强，常称为负氟原子及其化合物的分子对电子的粘合作用特别强，常称为负

19、电性气体电性气体如，如，SF6 具有很好的绝缘性能和灭弧性能具有很好的绝缘性能和灭弧性能复合释放能量：加热电极（金属或绝缘物表面）、辐射、复合释放能量：加热电极（金属或绝缘物表面）、辐射、增加中性粒子的速度增加中性粒子的速度气体消电离（气体消电离（Deionization）扩散：带电粒子由于热运动从高浓区向低浓度区移动扩散：带电粒子由于热运动从高浓区向低浓度区移动扩散使电极间电离气体中带电粒子减少扩散使电极间电离气体中带电粒子减少使极间气体电离度下降，电导率减小使极间气体电离度下降，电导率减小当电离气体中正负带电粒子数相等（称为等离子体当电离气体中正负带电粒子数相等（称为等离子体 Plasma

20、）时，扩散必为双极性。即在同一时间内，扩时，扩散必为双极性。即在同一时间内，扩散的正负粒子数相等散的正负粒子数相等等离子体等离子体 电离气体电离气体100000C气体气体 水汽水汽1000C固体固体 冰冰00C等离子体物理学简介等离子体物理学简介等离子体物质的第四态等离子体物质的第四态温度温度液体液体 水水克鲁克斯克鲁克斯W.Crookes1879等离子体物理学简介等离子体物理学简介由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳

21、内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体地球上的自然等离子体很少地球上的自然等离子体很少地球及其附近大气的低温度和高密度阻碍了等离子体的存在地球及其附近大气的低温度和高密度阻碍了等离子体的存在?等离子体物理学简介等离子体物理学简介等离子体的定义：由大量带电粒子组成的，在一定的空等离子体的定义：由大量带电粒子组成的，在一定的空间和时间尺度，维持电中性的非束缚态的宏观体系间和时间尺度，维持电中性的非束缚态的宏观体系长程库仑力是确定其统计性质的一个重要因素长程库仑力是确定其统计性质的一个重要因素一个邻近粒子所产生的力远小于许多远距离粒子所施的长程

22、库仑力，因一个邻近粒子所产生的力远小于许多远距离粒子所施的长程库仑力，因此集体效应起主导作用此集体效应起主导作用 异类带电粒子之间相互异类带电粒子之间相互“自由自由”，等离子体的基本粒子元是正负电荷，等离子体的基本粒子元是正负电荷的粒子（电子、离子），而不是其结合体。的粒子（电子、离子），而不是其结合体。等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。运动紧密耦合，不可分割。带电粒子足够多带电粒子足够多密度足够低密度足够低非束缚性非束缚性粒子与电磁场粒子与电磁场的不可分割性的不可分割性准电中性准电中性只有在

23、一定的空间和时间尺度，才表现出电中性只有在一定的空间和时间尺度，才表现出电中性等离子体物理学简介等离子体物理学简介中性气体中性气体弱电离气体弱电离气体强电离等离子体强电离等离子体完全电离等离子体完全电离等离子体集体相互作用占优集体相互作用占优两体相互作用占优两体相互作用占优库仑长程力库仑长程力短程力短程力热等离子体热等离子体TeTi,Ta电弧、碘钨灯电弧、碘钨灯等离子体温度等离子体温度聚变、太阳核心聚变、太阳核心冷等离子体冷等离子体TeTi,Ta极光、日光灯极光、日光灯热：热平衡热：热平衡冷：非热平衡冷：非热平衡低低 温温等离子体等离子体42 10 K高高 温温等离子体等离子体891010 K

24、等离子体物理学简介等离子体物理学简介等离子体的分类等离子体的分类密度密度(cm-3)温度温度(度度)太阳核心太阳核心 磁约束磁约束 聚聚 变变霓虹灯霓虹灯 北极光北极光 火焰火焰闪电闪电日冕日冕氢弹氢弹星际星际空间空间荧光荧光气体气体液体液体固体固体惯性聚变惯性聚变星星 云云太阳风太阳风人类居住环境人类居住环境10-3密度跨越了密度跨越了30个量级个量级温度跨越了温度跨越了7个量级个量级天体物理天体物理受控核聚变受控核聚变低温等离子体低温等离子体太阳风太阳风星云星云星际空间星际空间等离子体约束等离子体约束等离子体辐射等离子体辐射等离子体不稳定性等离子体不稳定性电弧等离子体电弧等离子体高频感应等

25、离子体高频感应等离子体燃烧等离子体燃烧等离子体冷等离子体冷等离子体等离子体物理学简介等离子体物理学简介等离子体物理学的理论研究领域等离子体物理学的理论研究领域正负电荷分离正负电荷分离强静电力强静电力粒子迅速运动粒子迅速运动静电位势差减小静电位势差减小恢复电中性恢复电中性偏离电中性偏离电中性例例电子电子氢等离子体氢等离子体R1cm20-310 men 110000正电荷过剩正电荷过剩Er1cm3225-1004344 6 10 Vm ieRnrrEe nq电子电子F1721 10 m/sa 等离子体物理学简介等离子体物理学简介为什么等离子体在宏观上总是表现出电中性？为什么等离子体在宏观上总是表现

26、出电中性？等离子体物理学简介等离子体物理学简介等离子体中正、负带电粒子是分立的，那么在多大空间尺度上局等离子体中正、负带电粒子是分立的，那么在多大空间尺度上局域地存在着偏离电中性呢？域地存在着偏离电中性呢？真空真空rq()r()r E库仑势库仑势0()4qrr0246810121416182000.10.20.30.40.50.60.70.80.91r0库仑势库仑势0246810121416182000.10.20.30.40.50.6r德德拜拜势势库仑势库仑势D1e1等离子体物理学简介等离子体物理学简介q等离子体等离子体过剩异号电荷过剩异号电荷r()rDE德拜屏蔽德拜屏蔽0()exp4Dqr

27、rr德拜势德拜势 d：德拜长度德拜长度等离子体物理学简介等离子体物理学简介在等离子体内部一个电荷产生的静电场，是被附近其他电荷屏蔽着的，其在等离子体内部一个电荷产生的静电场，是被附近其他电荷屏蔽着的，其影响不超过德拜半径的范围。这一现象称为德拜屏蔽影响不超过德拜半径的范围。这一现象称为德拜屏蔽0246810121416182000.10.20.30.40.50.6r德德拜拜势势库仑势库仑势D1e1DE德拜屏蔽德拜屏蔽在等离子体中引入电场，经过一定的时在等离子体中引入电场，经过一定的时间间气体放电的几个阶段气体放电的几个阶段由直流电路研究气体放电的伏由直流电路研究气体放电的伏-安特性安特性气体放

28、电的几个阶段气体放电的几个阶段按放电性质分为两个阶段按放电性质分为两个阶段OC:非自持放电阶段非自持放电阶段（Non-self-sustained discharge）CF:自持放电阶段自持放电阶段（self-sustained discharge）气体放电的几个阶段气体放电的几个阶段非自持放电阶段非自持放电阶段OA区区电压过低电压过低外加电离因素产生的外加电离因素产生的带电粒子不能全部到达阳极带电粒子不能全部到达阳极I 随随U 增加而增大增加而增大间隙中最初的自由电子是由外加电离因素产生的，如果除去外加电离间隙中最初的自由电子是由外加电离因素产生的，如果除去外加电离因素则放电停止，故称为非自

29、持放电阶段因素则放电停止，故称为非自持放电阶段气体放电的几个阶段气体放电的几个阶段非自持放电阶段非自持放电阶段AB区区电压较低电压较低不足以产生不足以产生场致发射和电场电离场致发射和电场电离I 几乎与几乎与U 无关无关带电粒子已可带电粒子已可全部到达阳极全部到达阳极间隙中最初的自由电子是由外加电离因素产生的，如果除去外加电离因素则间隙中最初的自由电子是由外加电离因素产生的，如果除去外加电离因素则放电停止，故称为非自持放电阶段放电停止，故称为非自持放电阶段气体放电的几个阶段气体放电的几个阶段非自持放电阶段非自持放电阶段BC区区电压较高电压较高电场电离电场电离间隙中最初的自由电子是由外加电离因素产

30、生的，如果除去外加电离因素则间隙中最初的自由电子是由外加电离因素产生的，如果除去外加电离因素则放电停止，故称为非自持放电阶段放电停止，故称为非自持放电阶段二次发射二次发射I 随随U增长较快增长较快气体放电的几个阶段气体放电的几个阶段自持放电阶段自持放电阶段当当U升到升到C点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即使点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即使除去外加电离因素，也能维持间隙放电，故称为自持放电除去外加电离因素，也能维持间隙放电，故称为自持放电阶段阶段气体放电的几个阶段气体放电的几个阶段自持放电阶段自持放电阶段当当U升到升到C点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即使除去外加电离点，场

31、致发射和二次发射的电子已足够多，即使除去外加电离因素，也能维持间隙放电，故称为自持放电阶段因素，也能维持间隙放电，故称为自持放电阶段BD区区汤逊放电区汤逊放电区气体放电的几个阶段气体放电的几个阶段自持放电阶段自持放电阶段当当U升到升到C点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即使除去外加电离因点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即使除去外加电离因素，也能维持间隙放电，故称为自持放电阶段素，也能维持间隙放电，故称为自持放电阶段DE区区辉光放电区辉光放电区电离方式主要是电场电离电离方式主要是电场电离放电温度低（常温）放电温度低（常温）电流密度小（电流密度小（0.1A/m2）阴极压降高（几百阴极压降

32、高（几百V）气体放电的几个阶段气体放电的几个阶段自持放电阶段自持放电阶段当当U升到升到C点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即使除去外加电离因素，点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即使除去外加电离因素，也能维持间隙放电，故称为自持放电阶段也能维持间隙放电，故称为自持放电阶段EF区区弧光放电区弧光放电区放电温度极高（放电温度极高（6000K以上）以上）电流密度很大（电流密度很大（107A/m2）阴极压降很低（几十阴极压降很低（几十V）电离方式主要是热电离（真空电弧不同）电离方式主要是热电离（真空电弧不同）电弧边界（有不同的判别依据）电弧边界（有不同的判别依据）气体放电的几个阶段气体放电的几

33、个阶段辉光放电（辉光放电（glow discharge）弧光放电（弧光放电（arc discharge）电场电离为主电场电离为主热电离为主热电离为主放电通道温度低（常温）放电通道温度低（常温）放电通道温度极高放电通道温度极高（6000K以上以上）电流密度较小电流密度较小（约约 0.1A/m2）电流密度很大电流密度很大（达达 107A/m2）阴极压降较高阴极压降较高（几百伏几百伏）阴极压降很小阴极压降很小（几十伏几十伏）辉光放电与弧光放电的特征比较辉光放电与弧光放电的特征比较气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论气体间隙击穿：随着电压升高，间隙气体进入辉光或弧光放气体间隙击穿：随

34、着电压升高，间隙气体进入辉光或弧光放电区，气体间隙由绝缘状态变为导体状态，这一现象称为气电区，气体间隙由绝缘状态变为导体状态，这一现象称为气体间隙击穿体间隙击穿击穿电压击穿电压由非自持放电转为自持放电的电压由非自持放电转为自持放电的电压气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论关心的问题关心的问题击穿电压与气体间隙参数的关系击穿电压与气体间隙参数的关系汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论理论要点：理论要点：假定假定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。点激增，并导致击穿的主要因素。击

35、穿电压大击穿电压大 体上是体上是 气体压力与气隙间距乘积的函数。气体压力与气隙间距乘积的函数。如果电子动能气体粒子电离能，则碰撞一定电离，否则不如果电子动能气体粒子电离能，则碰撞一定电离，否则不能电离能电离电子和气体粒子碰撞会释放出全部能量电子和气体粒子碰撞会释放出全部能量电子只沿电场方向运动电子只沿电场方向运动电子崩理论电子崩理论气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论电子崩：电子崩：外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子，如果空间的电场强外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子，如果空间的电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生

36、出一度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰个新电子，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，产生出更多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不撞电离，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，像雪崩似的发展，这种急剧增大的空间电流被称为电子断增多，像雪崩似的发展，这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。崩。电子崩理论电子崩理论电流过零后，弧隙两端的电压由零或反向电弧电压上升到电源电压的过程称为电压恢复过程大部分交流开关设备都利用该原理熄灭电弧开关电器弧隙的介质恢复强度特性Ujf0 和Kjf 随开断电

37、流 I0 变化的关系但动态伏-安特性只能在一定的范围之内这一调节过程需要一定的时间（电弧的热惯性）一个电子碰撞一次就发生电离的几率5-2 气体放电的物理基础电弧电流越大弧柱温度越高电弧直径越大电弧电阻越小电弧电压越低（有一定条件，而且真空电弧不是这样！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 关。均匀电场的间隙，击穿电压为当两股等离子流在空间不相遇时，电弧不是在极间燃烧，而是在等离子流间燃烧开断电路时电弧的产生过程气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论电子崩理论电子崩理论电子与重粒子碰撞时

38、能量的传递电子与重粒子碰撞时能量的传递在研究电子与重粒子的激发或电离碰撞中（非弹性碰撞），可以在研究电子与重粒子的激发或电离碰撞中（非弹性碰撞），可以近似认为重粒子的动能不变，这一近似准确到近似认为重粒子的动能不变，这一近似准确到me/ma 的量级的量级对于电离碰撞，能量守恒方程为对于电离碰撞，能量守恒方程为eeeiKKKEeKeKeKiE碰撞前电子的动能碰撞前电子的动能碰撞后电子的动能碰撞后电子的动能电离出的电子的动能电离出的电子的动能电离能电离能气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论一个电子沿电场运动时，单位距离内由电场电离而产生的带电粒子一

39、个电子沿电场运动时，单位距离内由电场电离而产生的带电粒子对数（电子和正离子）对数（电子和正离子）00B pTEA peTa空间电离系数空间电离系数汤逊第一系数汤逊第一系数E:电场强度（电场强度（V/m）p:气体压力（气体压力（Pa）T:气体温度（气体温度（K）A0:经验系数经验系数B0:经验系数经验系数气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论电子沿电场运动时，单位距离内由电场电离而产生的带电粒子对数电子沿电场运动时，单位距离内由电场电离而产生的带电粒子对数00B pTEA peTa一般形式的推导一般形式的推导自由行程：自由行程：（电子与气体分子两次

40、碰撞之间相隔的距离）（电子与气体分子两次碰撞之间相隔的距离）（m）电离能：电离能：Wdl（J）电离电位：电离电位：Udl（V）电场强度：电场强度：E（V/m）气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论一次碰撞发生电场电离的条件？一次碰撞发生电场电离的条件？212dlmvW212mvEedldlWeUdlUEdl00B pTEA peTa气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论刚性球假定下的平均自由行程刚性球假定下的平均自由行程212n d平均自由行程：平均自由行程：（N个粒子自由行程的平均值）个粒子自由行

41、程的平均值）n：粒子数密度（粒子数密度（m-3）d：粒子直径（粒子直径（m）理想气体的状态方程理想气体的状态方程pnkTk：玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数0NpVRTN00B pTEA peTa气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论212n dpnkT22kTd p0TA p 的电子数（自由行程是有分布的）的电子数（自由行程是有分布的）dl()dldlNNe00B pTEA peTa气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论 的电子数（自由行程是有分布的）的电子数（自由行程是有分布的）dl()dldlNNe一

42、个电子碰撞一次就发生电离的几率一个电子碰撞一次就发生电离的几率()dldlNNe一个电子经过单位距离的碰撞次数一个电子经过单位距离的碰撞次数1m一个电子经过单位距离发生电离碰撞的次数，即所产生一个电子经过单位距离发生电离碰撞的次数，即所产生的带电粒子对数的带电粒子对数1dlea00B pTEA peTa气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论一个电子经过单位距离发生电离碰撞的次数，即所产生的一个电子经过单位距离发生电离碰撞的次数，即所产生的带电粒子对数带电粒子对数1dlea22kTd p0TA pdldlUE0dldlU A pTE0EB pT00

43、B pTEA peTa00B pTEA peTa气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论均匀电场间隙击穿条件均匀电场间隙击穿条件单位时间内，有单位时间内，有N个电子进入个电子进入dx穿过穿过dx后，电子的增量为后，电子的增量为dNNdxaN0Nl解解0 xNN ea0llNN ea气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论均匀电场间隙击穿条件均匀电场间隙击穿条件N0Nl0llNN ea0001llNN eNNeaa间隙中电场电离产生的正离子数为间隙中电场电离产生的正离子数为一个正离子使阴极由于二次发射而产

44、生的电子数，称为表面电离一个正离子使阴极由于二次发射而产生的电子数，称为表面电离系数或汤逊第二系数，记为系数或汤逊第二系数，记为 g g 若二次发射电子数若二次发射电子数 N0 ，则放电可自持则放电可自持气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论N0Nl0001llNN eNNeaa间隙中电场电离产生的正离子数为间隙中电场电离产生的正离子数为若二次发射电子数若二次发射电子数 N0 ，则放电可自持则放电可自持均匀电场间隙击穿条件均匀电场间隙击穿条件001lNNeNagg11leag气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤

45、逊气体放电理论N0Nl均匀电场间隙击穿条件均匀电场间隙击穿条件11leag00lnln 1 1jcBlUAl pTpTg00B pTEA peTa均匀电场的间隙，击穿电压为均匀电场的间隙，击穿电压为Ujc 基本与基本与p/T成正比成正比气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论N0Nl00lnln 1 1jcBlUAl pTpTg均匀电场的间隙，击穿电压为均匀电场的间隙，击穿电压为T为常数时，击穿电压为为常数时，击穿电压为lnln 1 1jcBplUAplgA，B与气体种类及温度与气体种类及温度 有关有关气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）

46、理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论00lnln 1 1jcB plUplATTg均匀电场的间隙，击穿电压为均匀电场的间隙，击穿电压为T为常数时，击穿电压为为常数时，击穿电压为lnln 1 1jcBplAUplg22kTd p0TA p平均自由行程：平均自由行程：（N个粒子自由行程的平均值）个粒子自由行程的平均值）0AAT202 dA气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论量纲分析量纲分析0AAT202 dA2mJ/K2KmJ2KmJK2mJ2mNm21Nmm-1(Pa m)气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论

47、汤逊气体放电理论气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论铜电极时空气的试验曲线与计算曲线铜电极时空气的试验曲线与计算曲线除除pl 值甚小以外，两者相当接近值甚小以外，两者相当接近存在一最小击穿电压存在一最小击穿电压Ujcmin和相应的和相应的(pl)min当当pl大于或小于大于或小于(pl)min时，时，Ujc均会增大均会增大提高或降低间隙气压都可以提高或降低间隙气压都可以提高其击穿电压提高其击穿电压巴申（巴申（Paschen）曲线曲线气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论设设l不变，不变，p 改变改

48、变气压很小时，气体稀薄，电子自由行程很大，虽然碰撞可积气压很小时，气体稀薄，电子自由行程很大，虽然碰撞可积累较大动能，但碰撞次数太少。因此，随着累较大动能，但碰撞次数太少。因此，随着p 减小，击穿电减小，击穿电压增大压增大气压很大时，气体密度大，自由行程很小，虽然碰撞次数多，但气压很大时，气体密度大，自由行程很小，虽然碰撞次数多，但电子不易积累动能。因此故，随着电子不易积累动能。因此故，随着p增大，击穿电压也增大增大，击穿电压也增大?巴申曲线为何存在最低点巴申曲线为何存在最低点应用：采用高真空和高气压可提高间隙的击穿电压应用：采用高真空和高气压可提高间隙的击穿电压气体间隙击穿气体间隙击穿（Br

49、eakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论设设 p 不变，不变，l 改变改变随着气体间隙距离随着气体间隙距离 l 的增大，电场强度的增大，电场强度E减小，碰撞电离减减小，碰撞电离减弱，故击穿电压增大。弱，故击穿电压增大。?巴申曲线为何存在最低点巴申曲线为何存在最低点应用：增加气体间隙的距离可提高间隙的击穿电压应用：增加气体间隙的距离可提高间隙的击穿电压汤逊气体放电理论适用范围汤逊气体放电理论适用范围适用于低气压、短间隙的电场中适用于低气压、短间隙的电场中气体间隙击穿气体间隙击穿（Breakdown）理论理论汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论放电外形放电外形根据汤逊理论，气体放电应在

50、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。低气压下气低气压下气体放电发光区确实占据了整个间隙空间，如辉光放电。但在大气压下体放电发光区确实占据了整个间隙空间，如辉光放电。但在大气压下 气气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细通道。体击穿时出现的却是带有分支的明亮细通道。在高气压、长气隙中的放电现象在高气压、长气隙中的放电现象 无法用汤逊理论加以解释无法用汤逊理论加以解释击穿电压击穿电压根据汤逊理论，根据汤逊理论，pl 值较小时，选择适当的参数，根据汤逊自持放电值较小时，选择适当的参数，根据汤逊自持放电条件求得的击穿电压和实验值比较一致。条件求得的击穿电压和实验