第1章 气体放电的基本物理过程

1、 1.1 1.1 气体放电的基本概念气体放电的基本概念 1.2 1.2 气体放电的主要形式气体放电的主要形式 1.1.1 气体放电 1.1.2 气体的绝缘特性 1.1.3 气体的电气强度 气体放电：气体中流过电流的各种形式；气体放电：气体中流过电流的各种形式； 气体击穿：气体电绝缘状态突变为良导电状态气体击穿：气体电绝缘状态突变为良导电状态 的过程；的过程； 沿面闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固沿面闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固 体交界面上的放电现象；体交界面上的放电现象； 工程上将击穿和闪络统称为放电。工程上将击穿和闪络统称为放电。 气体指高压电气设备中常用的空气、气体指高压电气设

2、备中常用的空气、sfsf6 6、以及高强度、以及高强度 混合气体等气态绝缘介质。混合气体等气态绝缘介质。 v空气：架空线路、变压器外绝缘；空气：架空线路、变压器外绝缘； vsfsf6 6： sfsf6 6断路器和断路器和sfsf6 6全封闭组合电器；全封闭组合电器； 空气是最廉价、应用最广、自动恢复绝缘的气体，因空气是最廉价、应用最广、自动恢复绝缘的气体，因 此我们主要研究空气的放电。此我们主要研究空气的放电。 气体具有自恢复特性气体具有自恢复特性 气体的电气强度表征气体耐受电压作用的能力。气体的电气强度表征气体耐受电压作用的能力。 均匀电场中击穿电压均匀电场中击穿电压ubub与间隙距离之比称

3、为击穿场强与间隙距离之比称为击穿场强 ebeb。我们把均匀电场中气隙的击穿场强。我们把均匀电场中气隙的击穿场强ebeb称为气体的称为气体的 电气强度。电气强度。 空气在标准状态下的电气强度为空气在标准状态下的电气强度为3030kv/cm;kv/cm; 注意注意：不能把不均匀场中气隙：不能把不均匀场中气隙u ub b与间隙距离之比与间隙距离之比 称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。 v注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放 电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同，电、电弧放电均指击穿

4、后的放电现象，且随条件不同， 这些放电现象可相互转换。这些放电现象可相互转换。 常见放电形式常见放电形式 l辉光放电辉光放电 l电晕放电电晕放电 l火花放电火花放电 l电弧放电电弧放电 2.1 气体中带电粒子的产生 2. 2 气体中带电粒子的消失 2 气体中带电粒子的产生和消失 气体原子的激励和电离气体原子的激励和电离 气体原子的激励和电离气体原子的激励和电离 电离电离 外界以某种方式给处于某一能级轨道上的电子施外界以某种方式给处于某一能级轨道上的电子施 加一定的能量，该电子就可能摆脱原子核的束缚加一定的能量，该电子就可能摆脱原子核的束缚 成为自由电子。成为自由电子。 电离能电离能 产生电离需

5、要的能量。产生电离需要的能量。 激励激励 电子向高一能级轨道的跃迁。电子向高一能级轨道的跃迁。 分级电离分级电离 先经过激励再产生电离的过程。先经过激励再产生电离的过程。 带电粒子的运动带电粒子的运动 当气体中存在电场时，粒子进当气体中存在电场时，粒子进 行行热运动热运动和和沿电场沿电场定向运动。定向运动。 自由行程：一个粒子在与气体分子相自由行程：一个粒子在与气体分子相 邻两次碰撞之间通过的距离。邻两次碰撞之间通过的距离。 pr kt e 2 平均自由行程：单位行程中的碰撞次数平均自由行程：单位行程中的碰撞次数z的倒数的倒数 p：气压：气压k：波尔兹曼常数：波尔兹曼常数 t：气温：气温r：气

6、体分子半径：气体分子半径 大气压和常温下平均自由行程长度数量级为10-5cm 。 粒子的自由行程等于或大于某一距离x的概率为： x exp )( (1-1) ：粒子平均自由行程长度 令x= ，可见粒子实际自由行程长度大于或 等于平均自由行程长度的概率是36.8%。 v含义：由光辐射引起气体分子电离的过程。含义：由光辐射引起气体分子电离的过程。 光电离产生的电子称为光电子。光电离产生的电子称为光电子。 v来源：来源： 紫外线、宇宙射线、紫外线、宇宙射线、x x射线等；射线等； 异号带电粒子复合成中性粒子释放出光子；异号带电粒子复合成中性粒子释放出光子； 激励态分子回复到正常态释放出光子激励态分子

7、回复到正常态释放出光子 v条件：条件： i whv （一）光电离（一）光电离 i w hc h：普朗克常数； c：光速 ：光频率； ：光波长； 或 （二）热电离（二）热电离 本质：气体分子热状态引起的碰撞电离和光电离的综合。本质：气体分子热状态引起的碰撞电离和光电离的综合。 条件：条件： im wktw 32 常温下，气体分子发生热电离概率极小。气体中发生电常温下，气体分子发生热电离概率极小。气体中发生电 离的分子数与总分子数的比值离的分子数与总分子数的比值m m称为该气体的电离度。称为该气体的电离度。 当当t10000kt10000k时才需考虑热电离；时才需考虑热电离； 当当t20000kt

8、20000k时，几乎全部的分时，几乎全部的分 子都处于热电离状态子都处于热电离状态 空气电离度空气电离度m m和温度和温度t t的关系的关系 （三）碰撞电离（三）碰撞电离 v电子或离子与气体分子碰撞，将电子或离子与气体分子碰撞，将电场能电场能传递给气体传递给气体 分子引起电离的过程。分子引起电离的过程。 v因素：因素： 外电场强弱；外电场强弱； 能量的积累（移动距离的大小）。能量的积累（移动距离的大小）。 qexmv 2 2 1 电子在场强为电子在场强为e e的电场中移过的电场中移过x x距离时获得的动能为距离时获得的动能为 : : m:电子的质量电子的质量v:电子运动速度电子运动速度 e:外

9、电场强度外电场强度x:电子移动距离电子移动距离 v即使满足上述条件，不是每次碰撞都能引起电离。即使满足上述条件，不是每次碰撞都能引起电离。 iee wvm 2 2 1 （三）碰撞电离（三）碰撞电离 w wi i为气体分子的电离能为气体分子的电离能 碰撞电离条件碰撞电离条件 当电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的电离当电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的电离 能时，就可能使气体分子分裂为电子或正离子，即能时，就可能使气体分子分裂为电子或正离子，即 （三）碰撞电离（三）碰撞电离 l电子碰撞电离系数：电子碰撞电离系数： 一个电子在电场力作用下，沿电场方向行经单位一个电子在电场力作用下，沿电场

10、方向行经单位 距离（距离（1cm）平均发生碰撞电离的次数，汤逊第）平均发生碰撞电离的次数，汤逊第 一电离系数。一电离系数。 l离子碰撞电离系数：离子碰撞电离系数： 一个正离子沿电场方向行经单位距离（一个正离子沿电场方向行经单位距离（1cm）时）时 平均发生的碰撞电离次数，汤逊第二电离系数。平均发生的碰撞电离次数，汤逊第二电离系数。 在电场中，造成碰撞电离的主要因素是电子。在电场中，造成碰撞电离的主要因素是电子。 v含义：金属阴极表面发射电子的过程。含义：金属阴极表面发射电子的过程。 v形式：形式： 正离子碰撞阴极表面；正离子碰撞阴极表面； 光电效应；光电效应； 强场发射；强场发射； 热电子发射

11、；热电子发射； v表面电离系数：表面电离系数： 折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面 释放出的自由电子数，汤逊第三电离系数。释放出的自由电子数，汤逊第三电离系数。 （四）表面电离（四）表面电离（展开讲）（展开讲） （五）负离子的形成（五）负离子的形成 附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞附着：当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，而且也可能会发生电子电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子 与中性分子相结合形成负离子的情况。与中性分子相结合形成负离子的情况。 电子附着系数电子附着系数 ：电

12、子行经单位距离时附着于中性原：电子行经单位距离时附着于中性原 子的电子数目。子的电子数目。 负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但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。制作用。 2.1 气体中带电粒子的产生 2.2 气体中带电粒子的消失 （一）电场作用下气体中带电粒子的定向运动（一）电场作用下气体中带电粒子的定向运动 带电粒子一旦产生，在外电场作用下作定向运动，带电粒子一旦产生，在外电场作用下作定向运动， 形成电导电流。形成电导电流。 带电粒子的运动速度驱引速度带电粒子的运动

13、速度驱引速度v=kev=ke, k, k为为迁移率迁移率, , 它表示该带电粒子在单位场强（它表示该带电粒子在单位场强（1v/m1v/m）下沿电场）下沿电场 方向的漂移速度。方向的漂移速度。 电子的迁移率比离子大电子的迁移率比离子大2 2个数量级。个数量级。 （二）带电粒子的扩散（二）带电粒子的扩散 带电粒子从浓度较大区域转移到浓度较小区域的性质带电粒子从浓度较大区域转移到浓度较小区域的性质 电子扩散比离子扩散高电子扩散比离子扩散高3 3个数量级个数量级 v正离子和负离子或电子相遇时，发生电荷的传递而正离子和负离子或电子相遇时，发生电荷的传递而 相互中和还原为分子的过程。相互中和还原为分子的过

14、程。 v复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件下又可复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件下又可 因复合时的光辐射加剧放电的发展。因复合时的光辐射加剧放电的发展。 v放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之间的复放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之间的复 合，参加复合的电子绝大多数是先形成负离子再与合，参加复合的电子绝大多数是先形成负离子再与 正离子复合。正离子复合。 （三）带电粒子的复合（三）带电粒子的复合 1.1. 气体间隙中带电粒子的产生和消失是气体放气体间隙中带电粒子的产生和消失是气体放 电的一对基本矛盾，气体放电的发展和终止电的一对基本矛盾，气体放电的发展和终止 取决于这两个过程谁占

15、主导地位。取决于这两个过程谁占主导地位。 2.2. 强电场下，气体中带电粒子的产生形式可以强电场下，气体中带电粒子的产生形式可以 分为空间电离和表面电离。它们都与外界供分为空间电离和表面电离。它们都与外界供 给的能量有关，能量的形式主要是电场能、给的能量有关，能量的形式主要是电场能、 光辐射和热能，而能量的传递靠电子、光子光辐射和热能，而能量的传递靠电子、光子 或气体分子的热运动，其传递的过程主要是或气体分子的热运动，其传递的过程主要是 碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程。碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程。 电子碰撞电离电子碰撞电离 正离子碰撞电离正离子碰撞电离 气气 体体 放放 电电

16、发发 展展 过过 程程 碰撞电离碰撞电离 光电离光电离 热电离热电离 空间电离空间电离 表面电离表面电离 负离子的形成负离子的形成 正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极 光电效应光电效应 强场发射强场发射 热电子发射热电子发射 电场作用下气体中带电粒子的定向运动电场作用下气体中带电粒子的定向运动 带电粒子的扩散带电粒子的扩散 带电粒子的复合带电粒子的复合 2.1 带电粒带电粒 子产生子产生 2.2 带电粒带电粒 子消失子消失 3.1 汤逊理论和巴申定律 3.2 流注理论 3 汤逊理论和流注理论 3.1.1 非自持放电和自持放电 3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 3.1.3 巴申定律 3.

17、1.4 汤逊理论的适用范围 非自持 放电与 自持放 电的分 界点 气体放电实验的伏安特性曲线气体放电实验的伏安特性曲线 气体放电实验的伏安特性曲线气体放电实验的伏安特性曲线 图表示实验所得平板图表示实验所得平板 电极电极( (均匀电场均匀电场) )气体气体 中的电流中的电流i i与所加电与所加电 压的关系：即伏安特压的关系：即伏安特 性性 气体放电伏安特性气体放电伏安特性 在曲线oa段，i随u的 提高而增大，这是由 于电极空间的带电粒 子向电极运动加速而 导致电流增加所致。 气体放电伏安特性气体放电伏安特性 气体放电伏安特性气体放电伏安特性 当电压接近ua时，电 流i0趋向于饱和值， 因为这时

18、外界电离因 子所产生的带电粒子 几乎能全部抵达电极， 所以电流值仅取决于 电离因子的强弱而与 所加电压无关。 气体放电伏安特性气体放电伏安特性 当电压提高到时ub， 电流又开始随电压 的升高而增大，这 是由于气隙中出现 碰撞电离和电子崩。 实验分析实验分析 voaoa段：电流随电压升高而升高段：电流随电压升高而升高 vabab段：电流仅取决于外电离因素与电压无关段：电流仅取决于外电离因素与电压无关 vbsbs段：电压升高碰撞电离增强但仍靠外电离段：电压升高碰撞电离增强但仍靠外电离 维持维持( (非自持非自持) ) vs s点后：只靠外加电压就能维持点后：只靠外加电压就能维持( (自持自持) )

19、 起始电压起始电压u u0 0 （非自持（非自持自持）自持） 均匀场：击穿电压均匀场：击穿电压ubub 不均匀场：电晕起始电压，气隙仍绝缘，不均匀场：电晕起始电压，气隙仍绝缘， ububuu0 0 如果取消外电离因素，那么电流也将消失，这类依如果取消外电离因素，那么电流也将消失，这类依 靠外电离因素的作用而维持的放电叫靠外电离因素的作用而维持的放电叫非自持放电非自持放电。 气隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要气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。外施电压到达外电离因素。外施电压到达u u0 0后的放电称为后的放电称为自持放电自持放电。 u u0 0称为称为起始放电电

20、压起始放电电压。 （一）电子崩（一）电子崩 (a) (a) 电子崩的形成电子崩的形成 (b) (b) 带电离子在电子崩中的带电离子在电子崩中的 分布分布 外界电离因子在阴极附近产外界电离因子在阴极附近产 生了一个生了一个初始电子初始电子，如果空间电，如果空间电 场强度足够大，该电子在向阳极场强度足够大，该电子在向阳极 运动时就会引起碰撞电离，产生运动时就会引起碰撞电离，产生 一个一个新的电子新的电子，初始电子和新电，初始电子和新电 子继续向阳极运动，又会引起新子继续向阳极运动，又会引起新 的碰撞电离，产生的碰撞电离，产生更多电子更多电子。 依此，电子将按照依此，电子将按照几何级数几何级数 不断

21、增多，类似雪崩似地发展，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这种急剧增大的空间电子流被称 为为电子崩电子崩。 一个由外界游离因素从阴极释放出来的初始电子，一个由外界游离因素从阴极释放出来的初始电子， 在奔向阳极运动的过程中，不断地产生碰撞游离而发展成在奔向阳极运动的过程中，不断地产生碰撞游离而发展成 电子崩，此电子崩称为初始电子崩。初始电子崩不断发展，电子崩，此电子崩称为初始电子崩。初始电子崩不断发展， 由于电子的移动速度大，故电子总是位于朝向阳极方向的由于电子的移动速度大，故电子总是位于朝向阳极方向的 电子崩的头部。而正离子速度慢，可近似地看成停留在原电子崩的头部。而正

22、离子速度慢，可近似地看成停留在原 来产生的位置上，较缓慢地向阴极运动，相对于电子来说，来产生的位置上，较缓慢地向阴极运动，相对于电子来说， 可认为正离子是静止的。可认为正离子是静止的。 （二）电子崩中形成的电流（二）电子崩中形成的电流 汤逊理论中的汤逊理论中的、过程过程 为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流， 引入：电子碰撞电离系数引入：电子碰撞电离系数 。 表示一个电子沿电场方向运动表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程的行程 所完成的所完成的碰撞电离次数碰撞电离次数平均值。平均值。 图为平板电极气隙， 板内电场均匀，设外 界电离因子每秒钟使 阴极表面发射出

23、来的 初始电子数为n0 均匀电场中的电子崩计算模型 过程过程 均匀电场中的电子崩计算模型 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。 根据碰撞电离系数的定义，可得： dxndn 分离变量并积分之，可得： d dx enenn x 00 0 等号两侧乘以电子的电荷qe，即得电流关系 式： 表明：虽然电子崩电流按指数规律随极间 距离d而增大，但这时放电还不能自持，因 为一旦除去外界电离因子(令 )，即变 为零。-非自持放电阶段非自持放电阶段 气隙中碰撞电离而产生的正离子，即从阴气隙中碰撞电离而产生的正离子，即从阴 极产生

24、的一个电子消失在阳极前，由极产生的一个电子消失在阳极前，由过程过程 形成的正离子数。即形成的正离子数。即 1 d e 过程过程 在电场作用下，正离子向阴极运动，由于它在电场作用下，正离子向阴极运动，由于它 的平均自由行程长度较短，不易积累动能，所的平均自由行程长度较短，不易积累动能，所 以很难使气体分子发生碰撞电离。以很难使气体分子发生碰撞电离。 但但当正离子撞击阴极表面时却有可能引起当正离子撞击阴极表面时却有可能引起 表面电离表面电离而拉出电子，部分电子和正离子复合，而拉出电子，部分电子和正离子复合， 其余部分则向着阳极运动和形成新的电子崩。其余部分则向着阳极运动和形成新的电子崩。 过程也不

25、能维持放电的自持过程也不能维持放电的自持 正离子消失在阴极前，由正离子消失在阴极前，由过程在阴极上释放出二次电过程在阴极上释放出二次电 子数，即子数，即 ) 1( d e 1) 1( d e 表示由表示由过程在阴极上重新产生一个电子，此时不再需过程在阴极上重新产生一个电子，此时不再需 要外电离因素就能使电离维持发展，即转入要外电离因素就能使电离维持发展，即转入自持放电。自持放电。 过程过程 若若 自持放电条件 1 ln1) 1(de d 如自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分如自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分 总结：总结： 1.1. 将电子崩和阴极上的将电子崩和阴极上的过程作为气体

26、自持放电过程作为气体自持放电 的决定因素是汤逊理论的基础。的决定因素是汤逊理论的基础。 2.2. 汤逊理论的实质是：电子碰撞电离是气体放电汤逊理论的实质是：电子碰撞电离是气体放电 的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极 表面使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气表面使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气 体放电的必要条件。体放电的必要条件。 3.3. 阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持 放电的判据。放电的判据。 根据自持放电条件，导出击穿电压的表达式根据自持放电条件，导出击穿电压的表达式 )( ) 1 1ln(

27、 )( ln )( pdf pda pdb u b a a、b b是与气体种类有关的常数，是与气体种类有关的常数，u ub b为气温不变的条件下，均匀电为气温不变的条件下，均匀电 场中气体的自持放电起始电压等于气隙击穿电压。场中气体的自持放电起始电压等于气隙击穿电压。 巴申定律：巴申定律： 当气体成份和电极材料一定时，气体间隙击穿电压当气体成份和电极材料一定时，气体间隙击穿电压 ( (u ub b) )是气压是气压( (p p) )和极间距离和极间距离( (d d) )乘积的函数。乘积的函数。 均匀电场中几种气体击穿电压ub与pd的关系 巴申曲线表明，改变极间距离巴申曲线表明，改变极间距离d

28、d的同时，也相应改的同时，也相应改 变气压变气压p p而使而使pdpd的乘积不变，则极间距离不等的气的乘积不变，则极间距离不等的气 隙击穿电压却彼此相等。隙击穿电压却彼此相等。 b p ud电离概率 电子自由行程 碰撞次数 一定 b d u due p电离概率 碰撞次数 一定 )/( b p ud电离概率 电子自由行程 碰撞次数 一定 b d u due p电离概率 碰撞次数 一定 )/( 由巴申曲线可知，当极间距离由巴申曲线可知，当极间距离d d不变时不变时提 高气压或或降低气压到真空，都可以，都可以提高气隙的 击穿电压，这一概念具有十分重要的实用意义。，这一概念具有十分重要的实用意义。 高

29、气压、高真空都可以提高击穿电压，工高气压、高真空都可以提高击穿电压，工 程上已得到广泛应用（如：压缩空气开关、真程上已得到广泛应用（如：压缩空气开关、真 空开关等）空开关等） 汤逊理论是在低气压汤逊理论是在低气压pdpd较小条件下建立起来的，较小条件下建立起来的， pdpd过过 大，汤逊理论就不再适用大，汤逊理论就不再适用 pdpd过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释：过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释： v放电时间：很短放电时间：很短 v放电外形：具有分支的细通道放电外形：具有分支的细通道 v击穿电压：与理论计算不一致击穿电压：与理论计算不一致 v阴极材料：无关阴极材料：无关 汤逊

30、理论适用于汤逊理论适用于pd26.66kpa pd26.66kpa pd26.66kpa cm cm，汤逊理论将不适用。，汤逊理论将不适用。 以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间 或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与 阴极上的阴极上的过程和二次电子发射根本无关。过程和二次电子发射根本无关。 气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高高 气压、长气隙气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放情况下不容忽视的若干因素对气体放 电的影响，主要有以下两方面电的影响，主要

31、有以下两方面 空间电荷对原有电场的影响空间电荷对原有电场的影响 空间光电离的作用空间光电离的作用 电子崩头部聚集大部分正离子 和全部电子，产生了电场畸变； 在电场很小的区域，电子和离 子浓度最大，有利于完成复合； 强烈的复合辐射出许多光子， 成为引发新的空间光电离辐射 源。 （一）空间电荷对原有电场的影响（一）空间电荷对原有电场的影响 汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光 电离现象，而这一因素在高气压、长气隙的击 穿过程中起着重要的作用。 考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙 空间各处发射光子而引起光电离。 （二）空间光电离的作用（二）空间光电离的作用 如图所示：如果这时产生的如图所示：如

32、果这时产生的 光子位于崩头前方和崩尾附光子位于崩头前方和崩尾附 近的强场强区，则造成的二近的强场强区，则造成的二 次电子崩将以更大的电离强次电子崩将以更大的电离强 度向阳极发展或汇入崩尾的度向阳极发展或汇入崩尾的 正离子群中。正离子群中。 这些电离强度和发展速度远这些电离强度和发展速度远 大于初始电子崩的二次电子大于初始电子崩的二次电子 崩不断汇入初崩通道的过程崩不断汇入初崩通道的过程 称为称为流注流注 流注形成过程示意图 a) 起始电子发生碰撞电离形 成初始电子崩； b) 初崩发展到阳极，正离子 作为空间电荷畸变原电场， 加强正离子与阴极间电场， 放射出大量光子； c) 光电离产生二次电子，

33、在 加强的局部电场作用下形 成二次崩； （三）流注的形成和发展示意图（三）流注的形成和发展示意图 d)二次崩电子与正空间电荷 汇合成流注通道，其端 部又有二次崩留下的正 电荷，加强局部电场产 生新电子崩使其发展； e)流注头部电离迅速发展， 放射出大量光子，引起 空间光电离，流注前方 出现新的二次崩，延长 流注通道； f)流注通道贯通，气隙击穿 初始电子崩（电子崩头部电子数达到一定数量）初始电子崩（电子崩头部电子数达到一定数量） 电场畸变和加强；电场畸变和加强； 电子崩头部正负空间电荷复合；电子崩头部正负空间电荷复合； 放射大量光子；放射大量光子； 光电离；光电离； 崩头处二次电子（光电子）；

34、崩头处二次电子（光电子）； （向正空间电荷区运动）碰撞游离；（向正空间电荷区运动）碰撞游离； 二次电子崩；二次电子崩； （二次电子崩电子跑到初崩正空间电荷区域）流注（二次电子崩电子跑到初崩正空间电荷区域）流注 。 流注发展过程流注发展过程 （四）流注条件（四）流注条件 形成流注的必要条件是： 电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷 足以使原电场明显畸变，大大加强电子崩崩头和崩尾 处的电场； 电子崩中电荷密度很大，所以复合频繁，放射出的 光子在这部分很强，电场区很容易成为引发新的空间 光电离的辐射源，二次电子主要来源于空间光电离； 气隙中一旦形成流注，放电就可由空间光电离自行 维持。 流注

35、自持放电条件： 20 1 ln d 或 8 10 d e 初崩头部电子数要达到108时，放电才能转为自持， 出现流注。 放电时间 二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传 播，所以流注发展非常快。 放电外形 二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不 可能均匀，而且具有分支。 阴极材料 大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是 靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。 1.1.汤逊理论只适用于汤逊理论只适用于pdpd值较小的范围，流注理论值较小的范围，流注理论 只适用于只适用于pdpd值较大的范围，二者过渡值为值较大的范围，二者过渡值为 pd=26.66kpapd=26.66k

36、pacmcm； (1)(1)汤逊理论的基本观点：汤逊理论的基本观点： 电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程， 而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。 (2)(2)流注理论的基本观点：流注理论的基本观点： 以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对 电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解 释气体放电通道的发展过程；释气体放电通道的发展过程； 放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，放电从起始到击穿并非碰撞电离连

37、续量变的过程， 当初始电子崩中离子数达当初始电子崩中离子数达10108 8以上时，引起空间光以上时，引起空间光 电离质变，电子崩汇合成流注；电离质变，电子崩汇合成流注； 流注一旦形成，放电转入自持。流注一旦形成，放电转入自持。 2. 2. 引起气体放电的外部原因有两个，其一是电场引起气体放电的外部原因有两个，其一是电场 作用，其二是外电离因素。作用，其二是外电离因素。 把去掉外界因素作用后，放电立即停止的放把去掉外界因素作用后，放电立即停止的放 电形式称为非自持放电；把由电场作用就能维电形式称为非自持放电；把由电场作用就能维 持的放电称为自持放电。持的放电称为自持放电。 3. 3. 汤逊理论和

38、流注理论自持放电条件的比较汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较 (1)(1)汤逊理论：自持放电由阴极过程来维持；汤逊理论：自持放电由阴极过程来维持； 流注理论：依赖于空间光电离。流注理论：依赖于空间光电离。 (2) (2) 系数的物理意义不同。系数的物理意义不同。 4 不均匀电场中的放电过程 4.1 电场不均匀程度的划分 4.2 稍不均匀电场中的击穿过程 4.3 极不均匀电场中的击穿过程 电场越不均匀，击穿电压和电晕起始 电压之间的差别越大 从放电观点看：电场的不均匀程度可 以根据是否存在稳定的电晕放电来区 分； 均匀电场是一种少有的特例，在实际 电力设施中常见的却是不均匀电场。 为了描述各种

39、结构的电场不均匀程度，可引 入一个电场不均匀系数f，表示为： emax : 最大电场强度; eav :平均电场强度, f4属不均匀电场。 4.1 电场不均匀程度的划分 4.2 稍不均匀电场中的击穿过程 4.3 极不均匀电场中的击穿过程 稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场相似， 属于流注击穿，击穿条件就是自持放电条件， 无电晕产生 但稍不均匀电场中场强并非处处相等， 电离系 数是空间坐标x的函数，因此自持放电条件为 20 1 ln)( 0 d dxx 4.1 电场不均匀程度的划分 4.2 稍不均匀电场中的击穿过程 4.3 极不均匀电场中的击穿过程 4.3.1 电晕放电 4.3.2 极性效应 4.

40、3.3 长间隙放电 定义：电场极不均匀时，在大曲率电极附近很薄一层 空气中具备自持放电条件，放电仅局限在大曲率电极 周围很小范围内，而整个气隙尚未击穿。 特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式， 电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越 大 电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，流 传最广的是皮克公式，电晕起始场强近似为： 影响： 电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都 会消耗一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须 考虑的因素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。 电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造 成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线

41、电和电视广播 产生干扰。 电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容 许的标准。 方法：增大电极曲率半径；采用扩径导线等 有利： 在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其 幅值和降低其波前陡度。 操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。 电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器 等工业设施中得到广泛应用。 在极不均匀电场中，放电一定从曲率半 径较小的那个电极表面开始，与该电极 极性无关。但后来的发展过程、气隙的 电气强度、击穿电压等都与该电极的极 性有密切的关系。极不均匀电场中的放 电存在着明显的极性效应。 决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有 的电位符号： 在两个电极几何形状

42、不同时，极性取决于曲率 半径较小的那个电极的电位符号，如“棒-板” 气隙。 在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接 地的那个电极上的电位，如“棒-棒”气隙。 下面以电场极不均匀的“棒-板”气隙为例， 从流注的概念出发，说明放电的： 发展过程 极性效应 （一）正极性 如图所示，棒极带正 电位时，电子崩头部 的电子到达棒极后即 将被中和，棒极附近 强场区内的电晕放电 将在棒极附近空间留 下许多正离子。 这些正离子虽朝板极 移动，但速度很慢而 暂留在棒极附近。 这些正空间电荷削弱了棒 极附近的电场强度，而加 强了正离子群外部空间的 电场，因此当电压进一步 提高，随着电晕放电区的 扩展，强场区亦将逐

43、渐向 板极方向推进，因而放电 的发展是顺利的。 （二）负极性 如(a)所示：棒极负极性 时，电子崩将由棒极表 面出发向外发展，崩头 的电子在离开强场（电 晕）区后，虽不能再引 起碰撞电离，但仍继续 往板极运动。 在图（b）中：留在棒极 附近的也是大批正离子， 这时它们将加强棒极表面 附近的电场而削弱外围空 间的电场，电场情况如图 （c）所示。 所以，当电压进一步提高 时，电晕区不易向外扩展， 整个气隙击穿将是不顺利 的，因而这时气隙的击穿 电压要比正极性时高得多， 完成击穿过程所需的时间 也要比正极性时长得多。 非自持放电阶段 正极性：正空间电荷削弱棒极附近场强而加强 外部电场，阻止棒极附近流

44、注形成使电晕起始 电压提高； 负极性：正空间电荷加强棒极附近场强而削弱 外部电场，促进棒极附近流注形成使电晕起始 电压降低。 )()( cc uu 自持放电阶段 正极性：空间电荷加强放电区外部空间的电场，因此 当电压进一步提高时，强场区将逐渐向极板推进至击 穿 负极性：空间电荷削弱放电区外部空间的电场，因此 当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，气隙击 穿将不顺利，因此负极性击穿电压比正极性高很多， 完成击穿所需时间也长得多 )()( bb uu 工程实际中，输电线路外绝缘和高压电 器的外绝缘都属于极不均匀电场分布， 在交流电压下的击穿都发生在正半波； 因此，考核绝缘冲击特性时应施加正极 性

45、的冲击电压。 先导放电 v特点：电子通过通道根部时由于剧烈的摩擦 产生的热电离过程 v先导加强了前方电场，引起新的流注，使其 进一步伸展并逐级推进 主放电 v当先导贯穿两极，导致沿先导通道向反方向 扩展到棒极的主放电和最终击穿 流注通道电子被阳极吸引 电子浓度 电流 流注中热电离 电导，电流 流注变成高电导的等离子体（先导） 电场新流注先导不断推进。 5 冲击电压下气隙的击穿特性 5.1 雷电冲击电压下的击穿 5.2 操作冲击电压下的击穿 5.1.1 雷电冲击电压标准波形 5.1.2 冲击放电时延 5.1.3 雷电冲击50击穿电压 5.1.4 伏秒特性 标准雷电冲击电压波： 雷电冲击电压波形的

46、标准化 标准雷电截波： 用来模拟雷电过电压引 起气隙击穿或外绝缘闪 络后所出现的截尾冲击 波，如图所示。 （一）放电时间 完成气隙击穿的三个必备条件： 足够大的电场强度或足够高的电压 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放 电的有效电子 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完 成击穿。 完成击穿所需放电时间是很短的（微秒级）： 直流电压、工频交流等持续作用的电压，满足上 述三个条件不成问题； 当所加电压变化速度很快、作用时间很短的冲击电 压，因有效作用时间短，以微秒计，此时放电时间就 变成一个重要因素。 放电时间的组成： 总放电时间 后面两个分量之和 称为放电时延 t1气隙在持续电压下的

47、击穿电压为us，为所加电 压从0上升到us的时间； ts从t1开始到气隙中出 现第一个有效电子所需的 时间称为统计时延ts； tf出现有效电子后，引 起碰撞电离，形成电子崩， 发展到流注和主放电，最 后完成气隙的击穿。这个 过程需要的时间称为放电 形成时延tf。 tb和tf都具有统计性 短气隙中（1cm以下），特别是电场均匀时， tfts，放电时延主要取决于ts。为减小ts： v可提高外施电场使气隙中出现有效电子的概 率增加 v可采用人工光源照射，使阴极释放出更多的 电子 较长气隙时，放电时延主要决定于tf，且电场越 不均匀， tf越大 定义：在多次施加同一电压时，其中半数导致气隙击穿，以此

48、反映气隙的耐受冲击电压的能力。 在工程实际中广泛采用击穿百分比为50时的电压（u50%）来 表征气隙的冲击击穿特性。实际中，施加10次电压中有4-6次 击穿了，这一电压即可认为是50冲击击穿电压。 特点：(1)在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散性小， 冲击系数 (2)在极不均匀电场中，由于放电时延较长，其冲击系数 击穿电压分散性也较大。 050 uu1 0 50 u u 1 冲击击穿特性最好用电 压和时间两个参量来表 示，这种在“电压时 间”坐标平面上形成的 曲线，通常称为伏秒特 性曲线，它表示该气隙 的冲击击穿电压与放电 时间的关系。 伏秒特性曲线的绘制方法示意图 （一）绘制伏秒特性的方法

49、保持冲击电压波形不变，逐级升高电压 使气隙发生击穿，记录击穿电压波形， 读取击穿电压值u与击穿时间t。 当电压不很高时击穿一般在波长发生； 当电压很高时，击穿百分比将达100， 放电时延大大缩短，击穿可能发生在波 前发生 当击穿发生在波前时，u与t均取击穿时 的值；当击穿发生在波长时， u取波峰 值，t取击穿值 50伏秒特性的绘制 实际的伏秒特性曲线如下图所示，是一个以上、 下包线为界的带状区域。通常取50伏秒特性 或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击 穿特性。 极不均匀电场：平均击穿场强低，放电时延长，曲线上翘； 稍不均匀电场：平均击穿场强高，放电时延短，曲线平坦。 因此在避雷器等保护装

50、置中，保护间隙采用均匀电场，确保 在各种电压下保护装置伏秒特性低于被保护设备。 （二）伏秒特性与电场的关系 随着时间的延伸，一切气隙的伏秒特性都趋于平坦， 但特性曲线变平的时间却与气隙的电场形式有较大关 系： （三）伏秒特性在绝缘配合中的应用 5.1 雷电冲击电压下的击穿 5.2 操作冲击电压下的击穿 5.2.1 操作冲击电压的形成 5.2.2 操作冲击电压标准波形 5.2.3 操作冲击放电电压的特点 电力系统的输电线及电气设备都有各自的电感 和电容，由于系统运行状态的突变（正常或故 障）将导致电感和电容元件间电磁能的互相转 换，引起振荡性的过渡过程 过渡过程会在电气设备或局部电网上造成远远

51、超过正常运行的电压，称为操作过电压 操作过电压幅值与波形跟电力系统的参数有密 切关系，由于其过渡过程的振荡基值是系统运 行电压，因此电压等级越高，操作过电压幅值 越高，最高可达到最大相电压峰值的34倍。 均匀场和稍不均匀场中 v操作冲击电压的作用时间介于工频电压与雷电冲击 电压之间。 v操作冲击50%冲击放电电压u50、直流放电电压、工 频放电电压等峰值几乎相同，分散性不大，击穿发 生在波前部分，与半峰时间无关。 极不均匀场中 操作冲击表现出许多不同的特点 vu形曲线 左半支： 波前放电时延ub 右半支： 波前空间电荷迁移范围 电极附近电场ub v极性效应 在不同的电场结构中，正极性操作冲击5

52、0%击穿电 压比负极性低，一般均讨论正极性的情况。 操作冲击击穿电压不仅远低于雷电冲击击穿电压， 在某些波前时间内，甚至比工频击穿电压还低。 在同极性的雷电冲击标准波作用下，棒-板间隙的 击穿电压比棒-棒间隙时低得不多，而在操作过电压下， 前者比后者低得多。 注意：在设计高压电气设备时应尽量避免出现棒-板间 隙 v饱和现象 原因：长间隙下先导形成后，放电更易发展，这 对于发展特高压输电技术是不利的；而雷电冲击 作用时间太短，其饱和不明显，放电电压与间隙 距离一般呈线性关系。 v分散性大 操作冲击电压下的气隙击穿电压和放电时间的分 散性都比雷电冲击电压大得多。 （一）均匀电场中的击穿电压 均匀电

53、场： 两个电极形状完全相同且对称布置，因而不存在极性 效应。 均匀电场中各处的电场强度均相等，击穿所需的时间 极短 在直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压实际上都 相同 击穿电压的分散性很小，伏秒特性很快就变平，冲击 系数1 50 uuu dcac 击穿电压的经验公式可表示为： )(08. 622.24kvddub 上式完全符合巴申定律，因为它也可改写成： （二）稍均匀电场中的击穿电压 50 uuu dcac 与均匀电场相似，冲击系数接近1，冲击击穿电 压与工频击穿电压及直流击穿电压几乎相等。 v工程上常见电场大多数是极不均匀电场 v工程上遇到极不均匀电场时，可由典型电极 的击穿电压来修正绝缘

54、距离，对称电场参照 “棒棒”电极数据；不对称电场可参照 “棒板”电极数据 v放电的分散性大，且极性效应明显 )()( bb uu )()( cc uu （三）极不均匀电场中的击穿电压 气隙在各种电压下的击穿特性： 直流电压 工频交流电压 雷电冲击电压 操作冲击电压 均匀电场中 不同电压波形下击穿电压(峰值)相同，放电 分散性小 稍不均匀电场中 不同电压波形下击穿电压基本相同，放电分 散性不大，极性效应不显著 极不均匀电场中 直流、工频及冲击电压间差别明显 棒-板间隙存在极性效应 棒-棒电极击穿电压介于 不同极性棒-板之间 )()( bb uu （一）直流电压下的击穿特性 无论棒-棒或棒-板电极

55、 击穿都发生在正半周峰附近， 分散性不大； 当间隙距离不太大时， 击穿电压与间隙距离呈 线性关系；当间隙距离 很大时，平均击穿场强 明显降低，呈现出饱和 现象 （二）工频电压下的击穿特性 雷电冲击击穿电压与 距离呈正比，无饱和； 操作冲击电压有明显 的极性效应和饱和现象 )()( 5050 uu （二）冲击电压下的击穿特性 由于大气的压力、温度、湿度等条件都会 影响空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电 离及附着过程，所以也必然会影响气隙的击穿 电压。 海拔高度的影响亦与此类似，因为随着海 拔高度的增加，空气的压力和密度均下降。 不同大气条件下测得的击穿电压必须换算到统 一的参考条件下才能进行比

56、较； 我国规定的标准大气条件为： 实际试验条件下的击穿电压和标准大气条件 下的击穿电压可通过相应的校正系数换算： kd：空气密度校正系数 kh：湿度校正系数 0 u k k u h d 对空气密度的校正 对湿度的校正 在极不均匀场中 对海拔高度的校正 气体性质对放电电压的影响 nm d t t p p k) 273 273 ()( 0 0 w h kk pau ku 4 101 . 1 1 h ka )40001000(mhm 为了缩小电力设施的尺寸，总希望将气隙 长度或绝缘距离尽可能取得小一些，为此就应 采取措施来提高气体介质的电气强度。从实用 角度出发，要提高气隙的击穿电压不外乎采用 两条途径： 改善气隙中的电场分布，使之均匀； 设法削弱和抑制气体介质中的电离过程。 7.1.1 改进电极形状 7.1.2 空间电荷的利用 7.1.3 极不均匀电场中屏障的采用 电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也 就越大。因此，可以通过改进电极形状的方法 来减小气隙中的最大电场强度，以改善电场分 布，提高气隙的击穿电压。如： 增大电极的曲率半径 消除电极表面的毛刺 消除电极表面尖角 极不均匀电场中间隙被击穿前先发生电晕现象， 所以在一定条件下，