高电压第一章

1、第一篇第一篇电介质的电气强度电介质的电气强度高电压技术高电压技术 电介质，又称介电质、诱电体，或称为电介质，又称介电质、诱电体，或称为绝缘绝缘体体，是对，是对电流电流具有抵抗性的物质。介电质可能是具有抵抗性的物质。介电质可能是固体，液体，或气体。另外，高真空也是一种有固体，液体，或气体。另外，高真空也是一种有用的，无损失的电介质，其相对介电系数为一。用的，无损失的电介质，其相对介电系数为一。 固态介电质被广泛使用于电子工业中，例如固态介电质被广泛使用于电子工业中，例如陶瓷陶瓷、玻璃玻璃，与大部分的，与大部分的塑胶塑胶。空气以及。空气以及六氟化六氟化硫硫是两种最广泛使用的气态电介质。是两种最广泛

2、使用的气态电介质。 矿物油矿物油广泛的使用于广泛的使用于变压器变压器中作为液态电介中作为液态电介质并协助散热。具有高质并协助散热。具有高介电系数介电系数的液体如电子级的液体如电子级蓖麻油蓖麻油，常被用于高压，常被用于高压电容器电容器中来协助防止中来协助防止电晕电晕放电放电 ( (Corona dischargeCorona discharge) ) 并提高电容值。并提高电容值。 高电压技术高电压技术 电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为：其物质形态，可分为： 气体气体介质介质液体液体介质介质固体固体介质介质高电压技术高电压技术在电气设备

3、中在电气设备中: :外绝缘外绝缘: :暴露在大气环境中的空气间隙及设备固体绝暴露在大气环境中的空气间隙及设备固体绝缘的外露表面的绝缘。其绝缘耐受强度随大气环境条缘的外露表面的绝缘。其绝缘耐受强度随大气环境条件件(如气压、温度、湿度、淋雨、污秽、覆冰等如气压、温度、湿度、淋雨、污秽、覆冰等)的变的变化而变化。化而变化。一般由一般由气体介质气体介质(空气空气)和和固体介质固体介质(绝缘子绝缘子)联合构成。联合构成。 内绝缘内绝缘: :设备内部绝缘的固体、液体、气体部分，设备内部绝缘的固体、液体、气体部分，基本不受大气、污秽、潮湿、异物等外界条件影响。基本不受大气、污秽、潮湿、异物等外界条件影响。一

4、般由一般由固体介质固体介质和和液体介质液体介质联合构成。联合构成。 高电压技术高电压技术 在电气作用下，电介质中出现的电气现象可分在电气作用下，电介质中出现的电气现象可分为两大类为两大类: :弱电场弱电场电场强度比击穿场强小得多电场强度比击穿场强小得多 极化、电导、介质损耗等极化、电导、介质损耗等强电场强电场电场强度等于或大于放电起始场强或电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强击穿场强放电、闪络、击穿等放电、闪络、击穿等高电压技术高电压技术本篇内容本篇内容 第二章第二章 气体的绝缘特性与介质的电气强度气体的绝缘特性与介质的电气强度 第三章第三章 液体的绝缘特性与介质的电气强度液体的绝缘特性与

5、介质的电气强度 第四章第四章 固体的绝缘特性与介质的电气强度固体的绝缘特性与介质的电气强度 高电压技术高电压技术第二章第二章 气体的绝缘特性气体的绝缘特性与介质的电气强度与介质的电气强度 研究气体放电的目的：研究气体放电的目的：了解气体在了解气体在高电压（强电场）高电压（强电场）作用下逐步由电介作用下逐步由电介 质演变成导体的物理过程质演变成导体的物理过程掌握气体介质的掌握气体介质的电气强度电气强度及其提高方法及其提高方法高电压技术高电压技术2.1 2.1 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程 高压电气设备中的绝缘介质有高压电气设备中的绝缘介质有气体气体、液体液体、固固体体以及其它以及

6、其它复合介质复合介质。由于气体绝缘介质不存在老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。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。电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。 高电压技术高电压技术本节内容：本节内容：2.1.1 2.1.1 气体

7、放电的基本概念（补充）气体放电的基本概念（补充）2.1.2 2.1.2 带电质点的产生带电质点的产生2.1.3 2.1.3 带电质点的消失带电质点的消失2.1.4 2.1.4 电子崩与汤逊理论电子崩与汤逊理论2.1.5 2.1.5 巴申定律与适用范围巴申定律与适用范围2.1.6 2.1.6 流注理论与适用范围流注理论与适用范围2.1.7 2.1.7 不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电高电压技术高电压技术 气体放电：气体中流通电流的各种形式气体放电：气体中流通电流的各种形式 气体击穿：气体气体击穿：气体电绝缘状态突变为良导电状态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

8、在气体与液体、气体与固沿面闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固体体交界面交界面上上 工程上将击穿和闪络工程上将击穿和闪络统称为放电统称为放电2.1.1 气体放电的基本概念气体放电的基本概念1 相关概念相关概念高电压技术高电压技术 气体指高压电气设备中常用的空气、气体指高压电气设备中常用的空气、SF6、以、以及高强度混合气体等气态绝缘介质；及高强度混合气体等气态绝缘介质； 空气：架空线路、变压器外绝缘空气：架空线路、变压器外绝缘 SF6： SF6断路器和断路器和SF6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

9、空气的放电；体，因此我们主要研究空气的放电； 气体失去绝缘后，虽然可以自动恢复，但其放气体失去绝缘后，虽然可以自动恢复，但其放电所造成的事故已经发生，因此我们要研究气电所造成的事故已经发生，因此我们要研究气体的电气强度。体的电气强度。2 气体的绝缘特性气体的绝缘特性高电压技术高电压技术3 3 气体的电气强度气体的电气强度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Ub与间隙距离之比称为与间隙距离之比称为击穿击穿场强场强Eb。我们把。我们把均匀电场均匀电场中气隙的击穿场强中气隙的击穿场强Eb称称为气体的为气体的电气强度。

10、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30kV/cm注意：不能把注意：不能把不均匀场不均匀场中气隙中气隙Ub与间隙距离之比与间隙距离之比称为气体的电气强度，通常称之为称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。平均击穿场强。高电压技术高电压技术4 4 气体放电的主要形式气体放电的主要形式常见放电形式常见放电形式辉光放电辉光放电电晕放电电晕放电火花放电火花放电电弧放电电弧放电注意：注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放电、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，这些放电电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同

11、，这些放电现象可相互转换。现象可相互转换。eExmv 221高电压技术高电压技术2.1.2 2.1.2 带电质点的产生带电质点的产生气体放电气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。是对气体中流通电流的各种形式统称。 由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量的微弱的电离而产生少量的带电质点带电质点。正常状态下气体的电导很小，空气还是性能正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体；优良的绝缘体； 在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能。失绝缘性能。 高电压技术高电压技术 1、气体中

12、电子与正离子的产生、气体中电子与正离子的产生 电离电离是指电子脱离原子核的束缚而形成是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子自由电子和和正离子正离子的过程。电离可一次完成，也可以是先的过程。电离可一次完成，也可以是先激励激励再电离的分级电离方式。再电离的分级电离方式。 电离方式可分为电离方式可分为 ： 热电离热电离 光电离光电离 碰撞电离碰撞电离 分级电离分级电离电子在电场中的运动轨迹电子在电场中的运动轨迹（散射）（散射） 视频链接视频链接高电压技术高电压技术电离能电离能Wi：电离所需要的能量，单位电离所需要的能量，单位eV；也可用；也可用电离电位差表示，电离电位差表示，iiWUee为电子的电荷

13、量为电子的电荷量1eV（电子伏）：一个电子行经（电子伏）：一个电子行经1V电位差的电场电位差的电场所获得的能量。所获得的能量。1919111.6 101.6 10eVVCJ高电压技术高电压技术（1）热电离热电离 常温下，气体分子发生热电离的常温下，气体分子发生热电离的概率极小概率极小。32WkT波尔茨曼常数波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度热力学温度 气体分子热状态引起的碰撞电离和光电离的综合气体分子热状态引起的碰撞电离和光电离的综合高电压技术高电压技术（2 2）光电离）光电离 含义：含义：由光辐射引起气体分子电离的过程，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

14、。光电离产生的电子称为光电子。 来源：紫外线、宇宙射线、来源：紫外线、宇宙射线、x射线等；异号射线等；异号带电质点复合成中性质点释放出光子；激励态带电质点复合成中性质点释放出光子；激励态分子回复到正常态释放出光子。分子回复到正常态释放出光子。高电压技术高电压技术当满足以下条件时，产生光电离当满足以下条件时，产生光电离,iihchfWW式中：式中： ：辐射光的波长；：辐射光的波长； ：光速；：光速； ：气体的电离能：气体的电离能ciW光子来源光子来源外界高能辐射线外界高能辐射线气体放电本身气体放电本身Whf普朗克常数普朗克常数6.6310-34Js 沿着波的传播方向，任意两个相位差沿着波的传播方

15、向，任意两个相位差为为2的质点之间的距离。例如，在横波的质点之间的距离。例如，在横波中，两个波谷间的距离或两个波峰间的中，两个波谷间的距离或两个波峰间的距离也都等于波长。距离也都等于波长。 在质点振动的一个周期内，振动状态在质点振动的一个周期内，振动状态传播的距离恰是一个波长，传播的距离恰是一个波长，所以所以=v/f，或或=vT，由上式可以看出，同一频率的由上式可以看出，同一频率的波，在不同媒质中的波，在不同媒质中的波速波速v是不同的，是不同的，因而波长也就不同。式中因而波长也就不同。式中表示波长。表示波长。波长、波速和波源振动频率，称为波的波长、波速和波源振动频率，称为波的三要素。三要素。高

16、电压技术高电压技术（3）碰撞电离碰撞电离 电子或离子在电场作用下加速所获得的动能电子或离子在电场作用下加速所获得的动能（ ）与质点电荷量）与质点电荷量(e)(e)、电场强度（、电场强度（ ）以）以及碰撞前的行程及碰撞前的行程( )( )有关即有关即 221mvEx式中：式中： ：电子的电荷量；：电子的电荷量； ：外电场强度；：外电场强度； ：电子移动的距离：电子移动的距离 eEx高电压技术高电压技术ieExW 高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时，如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原子或分子获得的能量等于或大于等于或大于其电离能，则会发其电离能，则会发生电离。生

17、电离。 因此，电离条件为因此，电离条件为 含义：电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气含义：电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体分子引起电离的过程。体分子引起电离的过程。 外电场强弱；能量的积累（行经距离外电场强弱；能量的积累（行经距离x）自由行程：自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离平均自由行程平均自由行程：众多质点自由行程的平均值：众多质点自由行程的平均值 高电压技术高电压技术 为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前必须必须经过的距离为：经过的距离为：iiieWUxEE式中式中 为气体的电离电位为气体的

18、电离电位iU 的大小取决于场强的大小取决于场强E E，增大气体中的场，增大气体中的场强将使强将使 值减少。值减少。可见提高外加电压将使碰撞可见提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。电离的概率和强度增大。ixix,iiieExWWUe电离电位注意：即使满足上述注意：即使满足上述条件，不是每次碰撞条件，不是每次碰撞都能引起电离都能引起电离离子碰撞电离的概率远小于离子碰撞电离的概率远小于电子，因此一般只考虑电子电子，因此一般只考虑电子的的碰撞电离。碰撞电离。高电压技术高电压技术（4 4）分级电离）分级电离 原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高

19、的外层轨道，称之为激励外层轨道，称之为激励，所需的能量称为激励能，所需的能量称为激励能We。激励。激励能小于电离能能小于电离能Wi。 原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离，所需能量为离，所需能量为WiWe。但分级电离的概率比较小，因为。但分级电离的概率比较小，因为激励态是不激励态是不 稳定的稳定的。气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6高电压技术高电压技术2 2、电极表面的电子逸出、电极表面的电子逸出( (表面电离表面电离) )逸出功逸出功使电子从金属表面逸

20、出需要的能量使电子从金属表面逸出需要的能量。 不同金属的逸出功不同，如表不同金属的逸出功不同，如表1-21-2所示：所示：金属阴极表面发射电子的过程。金属阴极表面发射电子的过程。高电压技术高电压技术 金属电极的金属电极的逸出功逸出功U0BCBC段电流剧增原因：电子崩的形成。段电流剧增原因：电子崩的形成。高电压技术高电压技术（2）电子崩的形成电子崩的形成( ( 过程过程) ) 外界电离因子外界电离因子在阴极附在阴极附近产生了一个近产生了一个初始电子初始电子，如，如果空间电场强度足够大，该果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个起碰撞电离，产生一

21、个新的新的电子电子，初始电子和新电子继，初始电子和新电子继续向阳极运动，续向阳极运动，又会引起新又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。的碰撞电离，产生更多电子。图图1 14 4 电子崩的示意图电子崩的示意图 视频链接电子崩的演示电子崩的演示高电压技术高电压技术 依此，电子将按照依此，电子将按照几何级数几何级数不断增多，类似雪不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电电子崩子崩。 为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入：为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入：电子电子碰撞碰撞电离电离系数系数 。（。（汤逊第一电离系数汤逊第一电离系数）

22、:表示一个电子沿电场方向表示一个电子沿电场方向运动运动1cm1cm的行程的行程所完所完成的成的碰撞碰撞电离电离次数平均值次数平均值。高电压技术高电压技术 如图如图1-5为平板电极气隙，为平板电极气隙，板内电场均匀板内电场均匀，设外界电，设外界电离因子每秒钟使离因子每秒钟使阴极表面阴极表面发射发射出来的初始电子数为出来的初始电子数为n0。图图1 15 5 计算间隙中电子数增长的示意图计算间隙中电子数增长的示意图 由于碰撞电离和电子崩由于碰撞电离和电子崩的结果，在它们到达的结果，在它们到达x处时，处时，电子数已增加为电子数已增加为n，这这n个个电子在电子在dx的距离中又会产的距离中又会产生生dn个

23、新电子。个新电子。dxndn高电压技术高电压技术根据根据碰撞电离系数碰撞电离系数 的定义，可得新增加电子数为：的定义，可得新增加电子数为：分离变量并积分之，可得：分离变量并积分之，可得：xdxenn00(1-7)(1-8) 对于对于均匀电场均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相同，来说，气隙中各点的电场强度相同， 值不随值不随x而变化而变化，所以上式可写成：，所以上式可写成：xenn0(1-9)dndnx00011,(ln ),(0,),lnlnxdndxnxnnndxnnn碰撞电离碰撞电离次数次数高电压技术高电压技术抵达阳极的电子数应为：抵达阳极的电子数应为：daenn0(1-10) 1(00

24、daennnn 将式将式(1-8)(1-8)的等号两侧乘以电子的电荷的等号两侧乘以电子的电荷 ，即得电流关系式：即得电流关系式：eq途中新增加的电子数或正离子数应为：途中新增加的电子数或正离子数应为：(1-11)0dII e式式(1-12)(1-12)中，中，eqnI00(1-12)是是包括起始电子在内的包括起始电子在内的电子崩中的电子崩中的电子数，即为电子崩发展规律，它电子数，即为电子崩发展规律，它表征起始电子在向阳极运动过程到表征起始电子在向阳极运动过程到达阳极时的电子数。达阳极时的电子数。高电压技术高电压技术 式式(1-12) (1-12) 表明：虽然电子崩电流按表明：虽然电子崩电流按指

25、数规律随极间距离指数规律随极间距离d d而增大，但而增大，但这时放电还不能这时放电还不能自持自持，因为一旦除去外界电离因子，因为一旦除去外界电离因子( (令令 ) )，即，即 I变为零。变为零。00I通过实验通过实验可求出可求出 高电压技术高电压技术（3 3）影响碰撞电离系数的因素）影响碰撞电离系数的因素( (具有统计性具有统计性) )(1-13)若电子的平均自由行程为若电子的平均自由行程为 ，则在，则在1cm长度内一个长度内一个电子的电子的平均碰撞次数为平均碰撞次数为 。1xe设在设在x=0处有处有n0个电子沿电力线方向运动，行经距离个电子沿电力线方向运动，行经距离x时还时还剩下剩下n个电子

26、未发生过碰撞个电子未发生过碰撞，则在，则在x到到x+dx这这一距离中一距离中发生碰撞发生碰撞的电子数应为的电子数应为/0 xenn由上式积分得：由上式积分得：高电压技术高电压技术 电子实际自由行程长度等于或大于电子实际自由行程长度等于或大于x的概率为的概率为 ，所以如果已知碰撞电离的最小行程，所以如果已知碰撞电离的最小行程，可以求出碰撞可以求出碰撞电离的概率。电离的概率。P16 根据碰撞电离系数根据碰撞电离系数 的定义，即可得出：的定义，即可得出：i1eUETpi/x U E1cm1cm长度内一个电子的长度内一个电子的平均碰撞次数为平均碰撞次数为1/1/ ：电子平均自由行程：电子平均自由行程碰

27、撞引起电离的概率碰撞引起电离的概率碰撞电离的条件碰撞电离的条件1xe碰撞电离的碰撞电离的最小行程最小行程高电压技术高电压技术TBp EApe 对于同一种气体，电子的平均自由行程对于同一种气体，电子的平均自由行程 与与气温气温 成正比、与成正比、与气压气压 成反比，即：成反比，即：p当气温当气温T不变时不变时式中式中A A、B B是两个与气体种类有关的是两个与气体种类有关的常数常数。由上式不难看出：由上式不难看出：电场强度电场强度E增大时，增大时， 急剧增大急剧增大; ; 很大或很小时，很大或很小时， 都比较小。都比较小。B pEA p eB pEA p ei/x U E高电压技术高电压技术 所

28、以，在高气压和高真空下，气隙不易发生放电所以，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。正常大气压下，现象，具有较高的电气强度。正常大气压下，E=30kV/cm， 11cm1。高气压时，高气压时， 很小，单位长度上的碰撞次数很多，很小，单位长度上的碰撞次数很多，但积聚的能量小，能引起电离的概率很小；但积聚的能量小，能引起电离的概率很小；低气压和真空时，低气压和真空时， 很大，总的碰撞次数少，所很大，总的碰撞次数少，所以以 也比较小。也比较小。pdB pEA p eT高电压技术高电压技术2 2、汤逊理论（自持放电条件）、汤逊理论（自持放电条件） 前述已知，只有电子崩过程是不会

29、发生自持放前述已知，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电子崩消失前产生新的电子（二次电子）新的电子（二次电子）来取代外来取代外电离因素产生的初始电子。电离因素产生的初始电子。 实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和气隙长度的乘积（气隙长度的乘积（ ）有关。）有关。 值值较小较小时自持放电时自持放电的条件可用的条件可用汤逊理论汤逊理论来说明；来说明； 值值较大较大时则要用时则要用流流注理论注理论来解释。来解释。高电压技术高电压技术电子崩电子崩光电离光电离初

30、始电子初始电子电子个数电子个数2 24 48 82n2n电子崩电子崩产生的正离子撞击阴极发生表面电离产生的正离子撞击阴极发生表面电离新的电子新的电子( (如如果去掉外电离因素果去掉外电离因素) )仍有后继电子仍有后继电子放电自持。放电自持。高电压技术高电压技术（1） 过程与自持放电条件过程与自持放电条件de 由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能小很多，因而小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电子。子。此外此外正负离子复合正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁时，以及分子由激励态跃迁回正常态时，所产生的回正常态时

31、，所产生的光子光子到达阴极表面都将引起到达阴极表面都将引起阴极表面电离阴极表面电离，统称，统称为为 过程过程。为此引入系数。为此引入系数 。dede汤逊第三电离系数汤逊第三电离系数高电压技术高电压技术 设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子子，此电子到达阳极表面时由于，此电子到达阳极表面时由于 过程过程，电子总数，电子总数增至增至 个。因在对个。因在对 系数进行讨论时已假设每次电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（离撞出一个正离子，故电极空间共有（ 1 1）个）个正离子。由系数正离子。由系数 的定义，此（的定义，此（ 1

32、1）个正离子）个正离子在到达阴极表面时可撞出在到达阴极表面时可撞出 （ 1 1）个新电子，这）个新电子，这些电子在电极空间的碰撞电离同样又能产生更多的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。正离子，如此循环下去。dededededde 过程过程 过程过程高电压技术高电压技术自持放电条件自持放电条件为为1(1) 1ln4ded ：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数二次电子数1(1 )1 l nded ：电子碰撞电离系数：电子碰撞电离系数：两极板距离：两极板距离 此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进入此条件物理概念十

33、分清楚，即一个电子在自己进入阳极后可以由阳极后可以由 及及 过程在阴极上又产生一个新的替身，过程在阴极上又产生一个新的替身，从而无需外电离因素从而无需外电离因素, ,放电可由电压维持继续进行下去。放电可由电压维持继续进行下去。)(pdfUbde(1-21)(1-21)汤逊第三电离系数（表面电离）汤逊第三电离系数（表面电离）汤逊第一电离系数（空间电离）汤逊第一电离系数（空间电离）高电压技术高电压技术自持放电条件自持放电条件总结：总结：(1)将将电子崩（电子崩（ 过程过程）和阴极上的）和阴极上的过程过程作为气体自持放电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)汤

34、逊理论的实质是：电子碰撞电离是气体放电的主要原汤逊理论的实质是：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表面使阴极表面逸出电因，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，逸出电子是维持气体放电的必要条件；子，逸出电子是维持气体放电的必要条件；(3)逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据；逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据；(4)间隙被击穿，间隙被击穿，电流电流I由外加电压决定由外加电压决定，建立各种放电形式。，建立各种放电形式。pd高电压技术高电压技术（2 2）汤逊放电理论的适用范围：）汤逊放电理论的适用范围：解释气体放电机解释气体放电机制的

35、最早理论。由英国物理学家制的最早理论。由英国物理学家J.S.E.汤逊于汤逊于1903年提出。年提出。 汤逊理论汤逊理论是在是在低气压、低气压、 较小较小的条件下在放电的条件下在放电实验的基础上建立的。实验的基础上建立的。 过小或过大，放电机理将过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了。出现变化，汤逊理论就不再适用了。pd 过小时，气压极低（过小的过小时，气压极低（过小的d不被采用），电不被采用），电子的自由行程子的自由行程 远大于远大于 ，碰撞电离来不及发生，击碰撞电离来不及发生，击穿电压似乎应趋于无穷大穿电压似乎应趋于无穷大，但实际上电压，但实际上电压U上升到一上升到一定程度后，

36、定程度后，场致发射将导致击穿（真空的击穿）场致发射将导致击穿（真空的击穿），汤，汤逊的碰撞电离理论不再适用，击穿电压将不再增加。逊的碰撞电离理论不再适用，击穿电压将不再增加。xdbupd高电压技术高电压技术2.1.4 巴申定律与适用范围（巴申定律与适用范围（1889 年年） 早在汤逊理论出现之前，巴申早在汤逊理论出现之前，巴申(Paschen)(Paschen)就于就于18891889年从大量的实验中总结出了击穿电压年从大量的实验中总结出了击穿电压 与与 的关系曲线，称为巴申定律，即的关系曲线，称为巴申定律，即pdb1elnB p dUdA p d 1 1、巴申定律、巴申定律( (pd 值较小

37、的情况，与碰撞电离说互为支持值较小的情况，与碰撞电离说互为支持)当气体成份和电极材料一定时，当气体成份和电极材料一定时，bl n1l nBpdUApdpdfub表达为表达为:击穿电压击穿电压U（千伏）是电极距离（千伏）是电极距离d（厘米）（厘米）和气压和气压P（托）乘积的函数。（托）乘积的函数。 高电压技术高电压技术图图1-71-7给出了空气间隙的给出了空气间隙的 与与 的关系曲线。从图的关系曲线。从图中可见，首先，中可见，首先， 并不仅并不仅仅由仅由 决定，而是决定，而是 的的函数；其次函数；其次 不是不是 的的单调函数，而是单调函数，而是U U型曲线，型曲线，有极小值有极小值。bupdbu

38、dpdpddmin, bU图图1-7 1-7 实验求得的均匀场不同气体间隙实验求得的均匀场不同气体间隙 曲线曲线高电压技术高电压技术 不同气体，其巴申曲线上的最低击穿电压不同气体，其巴申曲线上的最低击穿电压 ，以及使以及使 的的 值值 各不相同。对空气，各不相同。对空气， 的极小值为的极小值为 。min, bbUum inp dVUb325min,d0.7pd 此极小值出现在此极小值出现在 时，即时，即 的极小值不是出的极小值不是出现在常压下，而是出现在现在常压下，而是出现在低气压低气压，即空气相对密度，即空气相对密度较小的情况下。较小的情况下。p d81 0dedbu图图1-7 1-7 实验

39、求得的均匀场不同气体间隙实验求得的均匀场不同气体间隙 曲线曲线高气压、高真空都可以提高击穿电压，工程上已得高气压、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、真空开关等）到广泛应用（如：压缩空气开关、真空开关等）高电压技术高电压技术 巴申定律适用于巴申定律适用于pd 值较小的情况，与汤逊碰撞电离说值较小的情况，与汤逊碰撞电离说互为支持。但互为支持。但pd过大（电力工程常见）时，气压高（过大（电力工程常见）时，气压高（1个到个到数十个大气压），或间隙距离数十个大气压），或间隙距离d大，气体击穿的很多实验现大，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：象无法全部

40、在汤逊理论范围内给以解释： 放电外形：放电外形：具有分支的细通道具有分支的细通道 放电时间放电时间；很短，很短，远小于正离子穿越间隙的时间远小于正离子穿越间隙的时间 击穿电压：击穿电压：与理论计算不一致与理论计算不一致 阴极材料：阴极材料：无关无关 因此，通常认为，因此，通常认为，pd26.66kPacm(pd200 cmmmHg)时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结果不再适用，果不再适用，但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有效的。但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有效的。高电压技术高电压技术2.1.6 pd 值较大的情况（值较大的情况（流注理论：流注理论：

41、R.瑞特与瑞特与J.M.米克米克 1937年）年）压力较高气体的击穿，如大气压下空气的击穿压力较高气体的击穿，如大气压下空气的击穿目前还比较粗糙，限于放电过程的定性描述目前还比较粗糙，限于放电过程的定性描述 实测的放电时延实测的放电时延远小于远小于正离子穿越间隙所需的时正离子穿越间隙所需的时间，这表明汤逊理论不适用于间，这表明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。云室值较大的情况。云室的研究表明：的研究表明：电子崩发展到一定阶段后，会产生电离电子崩发展到一定阶段后，会产生电离特强，发展速度更快的新的放电区，称为流注放电。特强，发展速度更快的新的放电区，称为流注放电。 形成流注的必要条件是电子崩发展

42、到足够的程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使度后，电子崩中的空间电荷使原电场明显畸变原电场明显畸变，大，大大大加强了崩头及崩尾处的电场。加强了崩头及崩尾处的电场。（1 1）流注的形成条件）流注的形成条件高电压技术高电压技术空间电荷对电场的畸变空间电荷对电场的畸变(1)电子崩崩头集中着电子，其后是正离电子崩崩头集中着电子，其后是正离子，形状似半球形锥体；子，形状似半球形锥体；(2)空间电荷分布极不均匀，大大加强了空间电荷分布极不均匀，大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了电子崩内部崩头及崩尾的电场，削弱了电子崩内部的电场；的电场；(3)崩头电场明显增强，有利于分子和离

43、崩头电场明显增强，有利于分子和离子的激励现象，当它们从激励态恢复到子的激励现象，当它们从激励态恢复到正常态时将放射出光子；电子崩内部电正常态时将放射出光子；电子崩内部电场削弱，有助于复合将放射出场削弱，有助于复合将放射出光子光子；(4)这些光子将导致电场区这些光子将导致电场区空间光电离空间光电离。二次电子崩的主要来源是空间的光电离二次电子崩的主要来源是空间的光电离。气隙中一旦形成流注，放电就可由空间气隙中一旦形成流注，放电就可由空间光电离自行维持。光电离自行维持。外加电场外加电场+ + 附加电场附加电场高电压技术高电压技术高气压下均匀电场自持放电的流注理论高气压下均匀电场自持放电的流注理论击穿

44、电压下击穿电压下正流注正流注的形成和发展示意图（向阴极推进）的形成和发展示意图（向阴极推进）)3 . 01 (30rEc-+正负离子形成正负离子形成的等离子体的等离子体（导电良好）（导电良好）电子崩电子崩流注流注击穿击穿如果电压大大超过击穿电压，可能直接形成负流注如果电压大大超过击穿电压，可能直接形成负流注 高电压技术高电压技术(a)(a)起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩(b)(b)初崩发展到阳极，电子中和，正离子作为空间电荷畸初崩发展到阳极，电子中和，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；变原电场，加强正离子与阴极间电场，放

45、射出大量光子；(c)(c)光电离产生二次电子，在加强的局部电场作用下形成光电离产生二次电子，在加强的局部电场作用下形成二次崩，会出现曲折的分支；二次崩，会出现曲折的分支；(d)(d)二次崩电子与正空间电荷汇合成二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道流注通道( (冷等离子冷等离子体体) )，其端部又有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产，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；生新电子崩使其发展；(e)(e)流注头部电离过程迅速发展，放射出大量光子，引起流注头部电离过程迅速发展，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；空间光电离，流注前方出现新的

46、二次崩，延长流注通道；(f)(f)流注通道贯通，气隙击穿。流注通道贯通，气隙击穿。注意：流注速度为注意：流注速度为108109cm/s，而电子崩速度为，而电子崩速度为107cm/s高电压技术高电压技术流注理论对放电现象的解释流注理论对放电现象的解释放电时间放电时间 二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播，所以播，所以流注发展非常快流注发展非常快；放电外形放电外形光辐射是指向各个方向的，二次崩的发展具有不同的方光辐射是指向各个方向的，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，而且位，所以流注的推进不可能均匀，而且具有分支具有分支；阴

47、极材料阴极材料 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，因此靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关与阴极材料无关。高电压技术高电压技术（2 2）流注自持放电条件（即形成流注的条件）流注自持放电条件（即形成流注的条件）决定于起始电子崩头部的电荷（决定于起始电子崩头部的电荷（ 电子崩全部电荷，与其成比例电子崩全部电荷，与其成比例）1lnd1ln 2 0d 对 于 空 气 间 隙 ：()0ednn 流注理论可以解释汤逊理论无法说明的流注理论可以解释汤逊理论无法说明的pd值大时的放电现值大时的放电现象。如放电为何并不充满整

48、个电极空间而是细通道形式，且有象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。 两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。取代另一种理论。与汤逊理论具有相同的形式，说明碰撞电离的重要作用，但与汤逊理论具有相同的形式，说明碰撞电离的重要作用，但 有不同的物理意义，数量也有很大区别。有不同的物理意义，数量也有很大区别。ed

49、常数才为流注放电才为流注放电空间光电离空间光电离的某个常数的某个常数e1d高电压技术高电压技术1.汤逊理论只适用于汤逊理论只适用于pd值较小的范围，流注理论只适用于值较小的范围，流注理论只适用于pd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=26.66kPacm；(1)汤逊理论汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气体放电时电的基本观点：电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射阴极表面的电子发射是是维持维持放电的放电的必要条件。必要条件。(2)流注理论流注理论的基本观点：的基本观点：以汤逊理论的碰撞电离为基以汤逊理论的碰撞电离为基础，础，强

50、调空间电荷对电场的畸变作用强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间，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；光电离来解释气体放电通道的发展过程；放电从起始到放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子当初始电子崩中离子数达数达108以上时以上时，引起，引起空间光电离质变空间光电离质变，电子崩汇合成流电子崩汇合成流注注；流注一旦形成，放电转入自持。流注一旦形成，放电转入自持。汤逊放电理论与流注放电理论的比较：汤逊放电理论与流注放电理论的比较：高电压技术高电压技术2. 2. 引起气体放电的外部原因有两个，其一是电场作用，其二引起气

51、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。因此，我们把去掉外界因素作用后，放电立即是外电离因素。因此，我们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持的放停止的放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。电称为自持放电。3. 3. 汤逊理论和流注理论汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较自持放电条件的比较(1)(1)汤逊理论汤逊理论：pdpd小，电子崩散发的光子不易为气体吸收而到小，电子崩散发的光子不易为气体吸收而到达阴极，引起表面电离。金属表面光电离比空间气体光电离容达阴极，引起表面电离。金属表面光电离比空间气体光电离容易

52、，自持放电由阴极过程来维持。此外，气压低时，带电质点易，自持放电由阴极过程来维持。此外，气压低时，带电质点易扩散，电子崩头部电荷密度不易达到足够的数值，易扩散，电子崩头部电荷密度不易达到足够的数值，所以在流所以在流注出现前，已经由阴极过程维持自持放电了。注出现前，已经由阴极过程维持自持放电了。 流注理论流注理论：pdpd大，电子崩散发的光子为气体吸收，无法到大，电子崩散发的光子为气体吸收，无法到达阴极。但空间光电离强烈，发电转入流注形式。达阴极。但空间光电离强烈，发电转入流注形式。(2) (2) 系数的物理意义不同系数的物理意义不同高电压技术高电压技术稍不均匀电场稍不均匀电场 对于大多数实用的

53、稍不均匀电场，基本能够满足对于大多数实用的稍不均匀电场，基本能够满足发展流注的临界条件，故气隙的击穿大多数是按照流发展流注的临界条件，故气隙的击穿大多数是按照流注理论进行的，出现流注即击穿。注理论进行的，出现流注即击穿。不均匀电场（最大场强比平均场强高得多）不均匀电场（最大场强比平均场强高得多） 对于强电领域中的极不均匀电场，气隙的击穿实对于强电领域中的极不均匀电场，气隙的击穿实际上都是按照流注机理进行的。际上都是按照流注机理进行的。 在不均匀场中，当所加电压还不足以导致整个间在不均匀场中，当所加电压还不足以导致整个间隙的击穿时，还存在着不同形式的隙的击穿时，还存在着不同形式的预放电预放电，如

54、电晕、，如电晕、刷形放电等。刷形放电等。高电压技术高电压技术 电负性气体的情况电负性气体的情况 对强电负性气体，除考虑对强电负性气体，除考虑和和过程外，还应考虑过程外，还应考虑过过程（程（电子附着过程电子附着过程）。）。的定义与的定义与相似，即一个电子沿电相似，即一个电子沿电力线方向行经力线方向行经1 cm1 cm时平均发生的电子附着次数。可见在电负时平均发生的电子附着次数。可见在电负性气体中有效的碰撞电离系数为性气体中有效的碰撞电离系数为 。vEEfmax()dxK对于非均匀场： 由于强电负性气体中由于强电负性气体中 ，所以其自持放电，所以其自持放电场强比非电负性气体高得多。以场强比非电负性

55、气体高得多。以SFSF6 6气体为例，在气体为例，在101.3kPa101.3kPa，2020的条件下，的条件下，均匀电场中击穿场强为均匀电场中击穿场强为E Eb b89kV/cm89kV/cm，约为，约为同样条件的空气间隙的击穿场强的同样条件的空气间隙的击穿场强的3 3倍。倍。 ( ) dK 对 于 均 匀 场 ： 高电压技术高电压技术气体放电总结气体放电总结1. 气体间隙中带电质点的产生和消失是气体放电的一气体间隙中带电质点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取决于这两个过对基本矛盾，气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位。程谁占主导地位。2. 强电场下，气

56、体中带电质点的产生形式可以分为空强电场下，气体中带电质点的产生形式可以分为空间电离和表面电离。间电离和表面电离。它们都与外界供给的能量有关它们都与外界供给的能量有关，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、光子或气体分子的热运动，其传递的过传递靠电子、光子或气体分子的热运动，其传递的过程主要是碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程。程主要是碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程。高电压技术高电压技术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 碰撞电离碰撞电离光电离光电离热电离热电离气体空间气体空间电离电离金属表面金属表面电

57、离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质点的定向运动电场作用下气体中带电质点的定向运动带电质点的扩散带电质点的扩散带电质点的复合带电质点的复合带电质带电质点产生点产生带电质带电质点消失点消失气体放电气体放电发展过程发展过程高电压技术高电压技术2.1.5 不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电 电气设备中很少有均匀电场的情况。但对不均匀电场还电气设备中很少有均匀电场的情况。但对不均匀电场还要区分两种不同的情况，即要区分两种不同的情况，即稍不均匀电场稍不均匀电场和和极不均匀电场极不均匀电场。全封闭组合

58、电器全封闭组合电器(GIS)(GIS)的母线筒和高压实验室中测量高电压用的母线筒和高压实验室中测量高电压用的球间隙是典型的稍不均匀电场；高压输电线之间的空气绝的球间隙是典型的稍不均匀电场；高压输电线之间的空气绝缘和实验室中高压发生器的输出端对墙的空气绝缘则属于极缘和实验室中高压发生器的输出端对墙的空气绝缘则属于极不均匀电场。不均匀电场。 电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压之间的差别越大。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：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；稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场相

59、电晕放电来区分；稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场相似，击穿条件就是自持放电条件，无电晕产生。似，击穿条件就是自持放电条件，无电晕产生。高电压技术高电压技术1. 稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分 均匀电场是一种少有的特例，在实际电力设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。施中常见的却是不均匀电场。 为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数入一个电场不均匀系数f，表示为：，表示为：vE: :最大电场强度最大电场强度dUEv: :平均电场强度平均电场强度maxEf4属不均匀

60、电场。属不均匀电场。高电压技术高电压技术cU半径为半径为r r的球间隙的放电特性与极间距的球间隙的放电特性与极间距d d的关系的关系 稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点放电具有稍不均放电具有稍不均匀场间隙的特点匀场间隙的特点击穿电压与电晕击穿电压与电晕起始电压相同起始电压相同 放电具有极不均放电具有极不均匀场间隙的特点匀场间隙的特点电晕起始电压明电晕起始电压明显低于击穿电压显低于击穿电压 放 电 过 程 不放 电 过 程 不稳定，稳定，分散分散属于过渡区属于过渡区 稍不均匀电场的放电类似均匀电场，击穿前无放电稍不均匀电场的放电类似均匀电场，击穿前无放电迹象