高电压技术课件第二章

1、第二章 气体放电的物理过程气体放电 研究在电场作用下，气体间隙中带电粒子的形成和运动过程p气隙中带电粒子是如何形成的p气隙中的导电通道是如何形成的p气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的主要内容 气体中带电质点的产生和消失 气体放电机理 电晕放电 不均匀电场中气体击穿的发展过程 雷电放电电介质的极化电子位移极化电子位移极化离子位移极化离子位移极化转向极化转向极化空间电荷计划空间电荷计划电介质的极化特点l电子位移极化电子位移极化 时间短 ，不引起能量损耗 ，在所有的电介质内都存在 与温度无关l离子位移极化离子位移极化 时间较短，有极微量的能量损耗，在离子结合成的介质内，温度升高极化率增大l转向

2、极化转向极化 时间较长，伴有能量损耗，在极性电介质，受温度影响l空间电荷极化空间电荷极化 时间缓慢，伴随能量损耗，带电质点（电子或正、负离子）的在层式结构的电介质中移动形成 名词解释 激励 电离 电子平均自由行程 复合 电子崩原子激励原子能级以电子伏为单位 1eV1V1. 610-19C1.610-19J原子激励 原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的 状态，所需能量称为激励能We ，原子处于激励态，原子处于激励态 激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光 子，光子（光辐射）的频率 ，h 普朗克常数普朗克常数 We= h原子激励 原子处于激励态的平均寿命只有10-710-8秒秒 激励

3、电位：Ue = We / e 几种气体和金属蒸汽的第一激励电位uN：6.3 V，N2 ：6.1 VuO：9.1V,，O2：没有：没有 原子具有亚稳激励态，其寿命长10-410-2秒秒原子电离 在外界因素作用下，其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子 电离过程所需要的能量称为电离能Wi (ev)，也也可用电离电位Ui（v） 分级电离 通过亚稳激励态质点的平均自由行程 自由行程一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的行程 平均自由行程（）自由行程具有统计性， 定义为质点自由行程的平均值质点的平均自由行程l气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分子发生碰撞时的行程l电子的平均

4、自由行程要比分子和离子的自由行程大得多l气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比，空气中电子e=10-5 cm T/p质点的平均自由行程 电子在其自由行程内从外电场获得动能，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关第一节 气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生 （一）气体分子本身的电离，可由下列因素引起： （1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （2）各种光辐射（光电离）各种光辐射（光电离） （3）高温下气体中的热能（热电离）高温下气体中的热能（热电离） （4）负离子的形成）负离子的形成 （二） 气

5、体中的固体或液体金属的表面电离1、碰撞电离（撞击电离）、碰撞电离（撞击电离）u必要条件：撞击质点所具有的总能量（包括动能和势能）大于被撞击质点在该种状态下所需的电离能u需要一定的相互用用的时间和条件u仅考虑动能，在电场作用下，撞击质点被加速而获得动能。将可能引起碰撞电离的条件1、碰撞电离（撞击电离）、碰撞电离（撞击电离） 碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关 气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起的2、光电离、光电离 光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离 自然界、人为照射、气体放电过程。 光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子（光电子）和正离子 光辐射能够引

6、起光电离的临界波长（即最大波长）：2、光电离、光电离 铯蒸汽的电离电位最小（3.88V），产生直接光电离的波长应小于318 nm（紫外） 对所有气体来说，在可见光（400 750nm）的作用下，一般是不能发生直接光电离的 分级电离（先激励，再电离） 光电离在气体放电中起重要作用反激励、复合释放具有一定能量的光子(具有较大的初始速度)3、热电离、热电离 因气体热状态引起的电离过程称为热电离u分子的热运动所固有的动能不足以产生碰撞电离20oC时，气体分子平均动能约时，气体分子平均动能约0.038eV。热电热电离起始温度为103Ku在一定热状态下物质会发出辐射，热辐射光子能量大，会引起光电离3、热电

7、离、热电离 热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合 例如：发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离，高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离4、负离子的形成、负离子的形成 有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子 形成负离子时可释放出能量形成负离子时可释放出能量 有些气体容易形成负离子，称为电负性气体有些气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等），（如氧、氟、氯等），SF6SF6在工业上有典型应用在工业上有典型应用 负离子的形

8、成起着阻碍放电的作用负离子的形成起着阻碍放电的作用5、金属（阴极）的表面电离、金属（阴极）的表面电离 金属阴极表面发射电子 逸出功：与金属的微观结构、表面状态有关 金属的逸出功一般比气体的电离能小得多，在气体放电中起重要作用 金属表面电离所需能量获得的方式 正离子碰撞阴极（二次发射） 光电效应光电效应金属表面受到短波光的照射。同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多 强场放射（冷放射强场放射（冷放射）当阴极附近所加外电场足够强时，可使阴极发射出电子。场强在106V/cm左右，一般气体击穿场强远低于此值此情况会出现在高气压间隙和高真空间隙放电中 热电子放射热电子放射当阴极被加热到

9、很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属表面对于某些电弧放电的过程有重要的意义u正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属中的电子，使其逸出金属 正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子 正离子与电子复合时发出的势能起作用 逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子第一节 气体中带电质点的产生和消失 气体中带电质点的消失（一）带电质点电场作用下流入电极并中和电量（二）带电质点的扩散（三）带电质点的复合1.带电质点电场作用下流入电极并中和电量 带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形成电流： 带电质点在一定的电场强度下运动达到某种

10、稳定状态，保持平均速度，即上述的带电质点的驱引速度 电子迁移率比离子迁移率大两个数量级2、带电质点的扩散、带电质点的扩散 带电质点的扩散是由于热运动造成，带电质点的扩散规律和气体的扩散规律相似 气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱 电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多3、带电质点的复合、带电质点的复合 正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程 在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又成为导致电离的因素 参与复合的质点的相对速度愈

11、大，复合概率愈小。通常放电过程中离子间的复合更为重要 带电质点浓度越大，复合速度越大，强烈的电离区也是强烈的复合区第一节气体中带电质点的产生和消失 气体中带电质点的消失（一）电场作用下气体中带电质点的运动流入电极（二）带电质点的扩散（三）带电质点的复合1、电场作用下气体中带电质点的运、电场作用下气体中带电质点的运动动 带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形成电流： 带电质点在一定的电场强度下运动达到某种稳定状态，保持平均速度，即上述的带电质点的驱引速度 电子迁移率比离子迁移率大两个数量级2、带电质点的扩散、带电质点的扩散 带电质点的扩散是由于热运动造成，带电质点的扩散规律和气体的扩散

12、规律相似 气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱 电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多3、带电质点的复合、带电质点的复合 正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程 在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又成为导致电离的因素 参与复合的质点的相对速度愈大，复合概率愈小。通常放电过程中离子间的复合更为重要 带电质点浓度越大，复合速度越大，强烈的电离区也是强烈的复合区第二节 气体放电机理n气体放电的主要形式气体放电的主要形式 非自持放电

13、和自持放电非自持放电和自持放电n汤森德气体放电理论汤森德气体放电理论n流注放电理论流注放电理论第二节气体放电机理1、气体放电的主要形式、气体放电的主要形式l外电离因数：宇宙线、地面上的放射性辐射、太阳光中的紫外线等l1cm3 气体介质中每秒产生一对离子，达到平气体介质中每秒产生一对离子，达到平衡状态，衡状态，离子浓度约为5001000对对/cm3非自持放电 外施电压小于U0 时，间时，间隙电隙电流远小于微安级，此阶段气体绝缘性能完好 电流要依靠外电离因素来维持。如果取消外电离因 素，那么电流也将消失 U0 以前的放电形式称为以前的放电形式称为非自持放电非自持放电自持放电 当电压达到U0后，气体

14、后，气体中中发生了强烈的电离，电产生电子崩，电流剧增 气体中电离过程只靠电场作用可自行维持，不再需要外电离因素了 U0 以后的放电形式称为以后的放电形式称为自持放电自持放电非自持放电和自持放电 由非持放电转入自持放电的电场强称为临界场强( Ecr )，相应的电压称为临界电压，相应的电压称为临界电压( Ucr ) 如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据 气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电，而间隙的击穿电压Ub也就也就是是形成自持放电的临界电压Ucr 如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持 时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电 晕放电，这时临界电压是间隙的电晕起始电 压

15、，而击穿电压可能比起始电压高很多1、气体放电的主要形式、气体放电的主要形式 根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化 辉光放电 电弧放电 火花放电 电晕放电 刷状放电辉光放电 当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象 特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子，管中所充气体不同，发光颜色也不同火花放电 在较高气压（例如大气压力）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不

16、再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花 火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定电弧放电 减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大 电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征电晕放电 电极曲率半径很小或电极间距离很远（电场极不均匀），当电压升高到一定值后，首先在紧贴电极电场最强处出现发光层，回路中出现用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大 发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，

17、放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用刷状放电 电极间距较大、电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细线状光束，称为刷状放电 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿电场稍不均匀则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转入击穿2、汤森德气体放电理论、汤森德气体放电理论 汤森德（Townsend）放电理论）放电理论 流注（Streamer）放电理论）放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的 S（为为气体的相对密度，以标准大气条件下的大气密度为基准；S为气隙距离）范为气隙距离）范围内气体放电的现象围内气体放电的现象2、汤森德气体放电理论、汤森德

18、气体放电理论 过程（电子崩的形成） 过程 自持放电条件 过程和 过程同时作用产生的电流 击穿电压、帕邢定律 汤森德放电理论的适用范围2、汤森德气体放电理论、汤森德气体放电理论20世纪初，汤森德根据大量的试验研究结果，世纪初，汤森德根据大量的试验研究结果，提提出了较均匀电场和 S 较小时气体放电理较小时气体放电理论论 理论认为，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起主要作用 提出气隙放电电流和击穿电压的计算公式 过程（电子崩的形成） 一个起始电子自电场获得动能后，会碰撞电离出一个第二代电子 这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自由电子 这样一代一代不

19、断增加的过程，会使电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样，形成了电子崩电子崩 过程 电离系数定义：一个电子沿着电场方向行经1cm长度，长度，与气体分子发生碰撞所产生的自由电子数 即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数 过程 设：在外电离因素光辐射的作用下，单位时间内阴极单位面积产生n0 个电子个电子 在距离阴极为x的横截面的横截面上，上， 单位时间内单位面积有n 个电子飞过这n个电子行个电子行过过 dx之后，又会之后，又会产生dn个个新新 的电子的电子dn = ndx 将此式积分，可得电子的增长规律为xdxnn00exp 过程 对于均匀电场， 不随空间位置而变 相应的电子电流

20、增长规律为 令x=S ，得进入阳极的电子电流，即外回路中的电流xenn0 xeII0SeII0 过程过程 正离子在间隙中造成的空间电离过程不可能具有显著作用，一般不考虑过程 正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能，在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自由电子 电离系数定义一个正离子碰撞到阴极表面时使阴极金属表面平均释放出的自由电子数 过程过程 从阴极飞出n0n0个电子，到达阳极后电子数个电子，到达阳极后电子数将增加为将增加为 正离子数为 正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数为Senn0) 1(0Senn) 1(0Senn自持放电条件 设 1 放电有非自持转入自持的条件为 在均匀电场中，

21、这也就是间隙击穿的条件，上式具有清楚的物理意义) 1(0Senn0n1) 1(Se当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去 过程和 过程同时作用产生的电流 设：n0表示在外电离因素作用下单位时间内阴极单位面积产生的电子数 n表示单位时间内阴极单位面积由于 过程产生的电子数则单位时间内阴极单位面积上产生的电子总数从阴极出来的电子到达阳极后，电子数nana成成为为nnnc0ascenn 过程和 过程同时作用产生的电流 产生的正离子数为 阴极金属平均释放出的电子数 得 回路电流 放电自持的条件为cnn )(cnnn)1(10sseenn)1(10ss

22、eeII0) 1(1se击穿电压、帕邢定律 击穿电压：根据自持放电条件推导击穿电压设电子在均匀电场中行经距离x而未发生而未发生碰撞，电子碰撞，电子从电场获得的能量为eEx，电子，电子如要能够引起碰撞电如要能够引起碰撞电离，必须满足条件 eEx Wi 或 Ex Ui 只有那些自由行程超过xiUiE的电子，的电子，才能与分子才能与分子发生碰撞电离。若电子的平均自由行程为e，自由行，自由行程大于xi的概率为的概率为eixe/击穿电压、帕邢定律 在l cm 长度内，一个电子的平均碰撞次数为l/ e 是一个电子自由行程超过xi 而发生的碰撞而发生的碰撞数，数， 即碰撞电离次数根据系数 定义，有 并令AU

23、iB，可得，可得eixee/1eieiEuexeee/11Ae1EBeA/击穿电压、帕邢定律 将 的计算式代入自持放电条件 得到 击穿电压Ub结论：均匀电场中气体的击穿电压结论：均匀电场中气体的击穿电压Ub 是气体相对密度和电极间距离的乘是气体相对密度和电极间距离的乘积积S的函数的函数0)1(1se)11ln(/bUSBSeA)11ln(ln(SASBUb)(1SfUb击穿电压、帕邢定律 系数A及B和温度有关。当气体温度不变时 击穿电压Ub 温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压力和电极间距离的乘积pS的函数PAe1BUAiTPTPPT289200) 11ln(ln(pSASpBUb

24、)(2SpfUb 大量的试验证明，在 S较小的情况下，较小的情况下，气气体的击穿电压与 S具有有稳定的关系，计具有有稳定的关系，计算值与实验值较吻合 试验证明，在 S较小的情况下，击穿电较小的情况下，击穿电压压受（阴极材料）的影响击穿电压、帕邢定律 帕邢（Paschen）定律）定律击穿电压与 S的规律在汤逊碰撞电离学说提出之前，帕邢已从实验中总结出来了，汤逊理论从理论上解释了试验结果帕邢定律 从试验曲线上可以看出，存在一个最小值 气压很小时，气体稀薄，虽然电子自由程大，可以得到足够的动能，但碰撞总数小，所以击穿电压升高 气体增大时，电子自由程变小，得到的动能减小，所以击穿电压升高。 总有一个气

25、压对碰撞电离最有利，此时击穿电压最小汤森德放电理论的适用范围 汤逊气体放电模型只适用于 S较小的情况 当 S过小或过大时，放电机理会出现变化例如 S极小时（气压极低时），电子的自由程远大于间隙距离，碰撞电离不可能发生，按汤逊理论击穿电压应无限大。事实上场致发射在真空中起作用例如电力工程上经常接触到的是气压较高的情况（从一个大气压到数十个大气压），间隙距离通常也很大，气体击穿的很多实验现象和电压值都无法在汤森德理论中得到解释 两者间的主要差异如下： 1. 放电外形放电外形汤森德：均匀连续，如辉光放电大气压：分枝的明细通道 2. 放电时间放电时间火花放电时间的实测值比汤森德理论的计算值（正离子到达

26、阴极造成二次电子所用时间）要小得多 3. 击穿电压击穿电压汤森德自持放电条件求得的击穿电压和大气压实验值有很大出入 4. 阴极材料的影响阴极材料的影响汤森德：和阴极材料有关大气压：实测击穿电压和阴极材料无关大气压下气体放电有新的机制3、流注放电理论、流注放电理论 对象：工程上感兴趣的压力较高的气体击穿，如大气压力下空气的击穿 特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用 通过大量的实验研究（主要在电离室中进行的）说明放电发展的机理电离室3、流注放电理论、流注放电理论 电子崩阶段空间电荷畸变外电场 流注阶段电离形成二次电子崩，等离子体 自持放电条件

27、流注理论对 S较大时放电现象的解释 电子崩阶段 电子崩外形好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀，电子崩中的电子数： 例如，正常大气条件下，若E30kVcm，则，则 11cm-1，计算随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数Senn0 空间电荷畸变了外电场大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场电子崩头部电场明显增强，电离过程强烈，有利于发生分子和离子的激励现象，当它们回复到正常状态时，发射出光子崩头内部正负电荷区域电场大大削弱，有助于发生复合过程，发射出光子 流注阶段流注阶段 光电离、二次崩l电子崩走完整个间隙后,大密度的头部正离子空间电荷大大加强了后部的电场，并向周围放射

28、出大量光子l光子引起空间光电离，其中电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在受到畸变而加强了的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩 正流注的形成正流注的形成 （外加电压等于击穿电压时）l二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是 正流注l流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场正流注向阴极推进正流注向阴极推进 流注头部的电离放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，延长了流注通道 流注不断向阴极挺进，且随着流注接近阴极，

29、其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快 流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压流注条件 流注的特点是电离强度很大和传播速度很快，出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见这时出现流注的条件也就是自持放电的条件。 流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界值。对均匀电场来说，自持放电条件为： de常数d常数或实验研究所得出的常数值为：20d或810de 可见初崩头部的电子数要达到108时，放电才能转为自持，出现流注。 负流注的形成（电压高于击穿电压） 电压较低时，电子崩需经过整个间隙才形成流注，电压较高时，电子崩

30、不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注 主电子崩头部的电离很强烈，光子射到主崩前方，在前方产生新的电子崩，主崩头部的电子和二次崩尾的正离子形成混合通道，形成向阳极推进的流注，称为负流注 间隙中的正、负流注可以同时向两极发展。正流注的分支（高电压时） 在较高电压下，正流注的发展可能出现分支 均匀电场中形成流注的机制：初始电子崩头部的电荷必须积累到一定的程度，使电场畸变并加强到一定程度，已造成足够的空间光电离试验测量结果：电子崩 电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s试验测量结果：正流注 在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片 正流注的发展速度约为1108 2108cm/s试验

31、测量结果 电子崩是沿着电力线直线发展，流注会出现曲折的分支电子崩可以同时有多个互不影响地向前发展 当某个流注由于偶然的原因向前发展得更快时，其周围的流注会受到抑制 汤森德放电是弥散的一片，流注放电有明亮的细通道3、流注放电理论、流注放电理论自持放电条件自持放电条件 一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电了 如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件流注理论对 S较大时放电现象的解释 放电外形： S较大时，放电具有通道形式较大时，放电具有通道形式流注中电荷密度很大，电导很大，其中电场强度

32、很小。因此流注出现后，对周围空间内的电场有屏蔽作用，并且随着其向前发展而更为增强 当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈 二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝 电子崩则不然，由于其中电荷密度较小，故电场强度还很大，因而不致影响到邻近空间内的电场，所以不会影响其它电子崩的发展，如图所示。这就可以说明，汤逊放电呈连续一片流注理论对 S很大时放电现象的解很大时放电现象的解释释放电时间放电时间 光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明 S很大时放电时间特别短的现象阴极材料的影响阴极材料的影响 根据流

33、注理论，维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说明为何很大 S下击穿电压和阴极材料基本无关了流注理论现存的问题 只有放电的定性描述，没有定量描述 缺少数学模型 太依赖于实验小 结（本节完）流注理论考虑了以下因素 o空间电荷对原有电场的影响 o空间光电离的作用 流注理论适用于高气压、长气隙下的放电第三节 电晕放电 1. 发生电晕放电现象的条件发生电晕放电现象的条件 2. 电晕放电效应电晕放电效应 3. 对工程实践的重要意义对工程实践的重要意义不均匀系数f 引入电场不均匀系数f 表示各种结构的电场的均匀程度 f 4，极不均匀电场，极不均匀电场avEEfmaxdUEav1、发生电

34、晕放电现象的条件、发生电晕放电现象的条件 电场比较均匀的情况放电达到自持时， 在整个间隙中部巳达到相当数值。这时和均匀电场中情况类似 电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况大曲率电极附近 达到足够数值，间隙中很大一部分区域 也都已达相当数值，流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿1、发生电晕放电现象的条件、发生电晕放电现象的条件 电场极不均匀的情况 大曲率电极附近很小范围内 已达相当数值时，间隙中大部分区域值 都仍然很小，放电达到自持放电后，间隙没有击穿 电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大 局部强场区的放电过程造成-自持放电自持放电2、电晕放电的效应、电晕放电的效

35、应 咝咝的声音、臭氧的气味、电极附近空间蓝色的晕光 化学反应产生新物质 回路电流明显增加(绝对值仍很小绝对值仍很小)，可以测，可以测量到能量损失 产生高频脉冲电流-干扰源干扰源高频脉冲电流 尖极为负的电晕尖极为负的电晕1. 到一定值时，有规律的重复电流脉冲，平均电流为到一定值时，有规律的重复电流脉冲，平均电流为A2. 升高脉冲幅值基本不变，频率增高，平均电流增大升高脉冲幅值基本不变，频率增高，平均电流增大3. 再升高，电晕电流为持续电流，平均值继续增大再升高，电晕电流为持续电流，平均值继续增大4. 继续升高，出现不规则的电流脉冲，幅值大得多继续升高，出现不规则的电流脉冲，幅值大得多-流注流注型

36、型(a) 时间刻度时间刻度T=125s(b) 0.7A电晕电流平电晕电流平均值均值(c) 2A电晕电流平均电晕电流平均值值高频脉冲电流 尖极为正的电晕尖极为正的电晕 1. 电压达到一定值，电晕电流为无规律的电压达到一定值，电晕电流为无规律的重复电重复电流脉冲 2. 电压升高，脉冲特性愈来愈不显著，电电压升高，脉冲特性愈来愈不显著，电晕电流晕电流转变为持续电流 3. 电压继续升高，出现幅值大得多的不规电压继续升高，出现幅值大得多的不规则的流则的流注型电晕电流脉冲2、电晕放电的效应、电晕放电的效应 对工程实践有重要意义不利影响不利影响：能量损失；放电脉冲引起的高频电磁波干扰；化学反应引起的腐蚀作用

37、等有利方面有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度；利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电压；利用电晕放电除尘等3、直流输电线上的电晕、直流输电线上的电晕 单导线表面电晕的临界场强 皮克实验：同心圆筒)/)(305. 01 (5 .310cmkVrEcorr0：起晕导线的半径，cm ：空气的相对密度适用导线与平行平面电极之间的适用导线与平行平面电极之间的电晕放电电晕放电3、直流输电线上的电晕、直流输电线上的电晕 双平行导线表面电晕的临界场强皮克实验 Ucor：导线相对零电位平面的电压 2H：两平行起晕导线间的距离，cm 双平行导线的起晕电压比单导线的要低，原因：导线周围空间电荷对电

38、场的影响)/)(298. 01 (3 .300cmkVrEcor)(2ln00kVrHrEUcorcor3、交流输电线上的电晕、交流输电线上的电晕 单导线表面电晕的临界场强皮克实验)/ )()(298. 01 (4 .21021cmeffkVrmmEcorr0：起晕导线的半径， ：空气的相对密度；m1：气象系数，0.8-1.0 m2：导线表面状态系数，0.8-1.0 3、交流输电线上的电晕、交流输电线上的电晕 三相导线对称排列，导线表面电晕的临界场强)/ )()(298. 01 (4 .21021cmeffkVrmmEcorr0：起晕导线的半径， ：空气的相对密度；m1：气象系数，0.8-1.

39、0 m2：导线表面状态系数，0.8-1.0 第四节不均匀电场中气体击穿的发展过程 1. 短间隙的放电过程短间隙的放电过程 2. 长间隙的放电过程长间隙的放电过程1、极不均匀电场中的放电过程（短、极不均匀电场中的放电过程（短间隙）间隙） 非自持放电阶段 流注发展阶段1、极不均匀电场中的放电过程（短、极不均匀电场中的放电过程（短间隙）间隙）以棒板间隙为例以棒板间隙为例 非自持放电阶段当棒具有正极性时在棒极附近，积聚起正空间电荷，减少了紧贴棒极附近的电场，而略微加强了外部空间的电场，棒极附近难以造成流注，使得自持放电、即电晕放电难以形成Eex外电场外电场Esp空间电荷的电场空间电荷的电场当棒具有负极

40、性时当棒具有负极性时 电子崩中电子离开强电场区后，不再引起电离，正离子逐渐向棒极运动，在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，使电场畸变棒极附近的电场得到增强，因而自待放电条件就易于得到满足、易于转入流注而形成电晕放电Eex外电场外电场Esp空间电荷的电场空间电荷的电场 实验表明： 棒板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高极性效应当棒具有正极性时电子崩进入棒电极，正电荷留在棒尖加强了前方（板极方向）的电场（曲线2）电场的加强对形成流注发展有利。头部前方产生新电子崩，吸引入流注头部正电荷区内，加强并延长流注通道流注及其头部的正电荷使强电场区更向前移（曲线3），促进），促进流注通道进一步发展

41、，逐渐向阴极推进，形成正流注流注发展阶段 当棒具有负极性时电子崩由强场区向弱场区发展，对电子崩发展不利。棒极前的正电荷区消弱了前方（阳极方向）空间的电场， 使流注发展不利（曲线2） 等离子体层前方电场足够强后，发展新电子崩，形成了大量二次电子崩，汇集起来后使得等离子体层向阳极推进，形成负流注 实验表明： 棒板间隙中棒为负极性时击穿电压比正极性时高极性效应 外电压较低时，流注通道深入间隙一段距离后，就停止不前了，形成电晕放电或刷状放电 外电压足够高时，流注通道将一直达到另一电极，从而导致间隙完全击穿放电进一步发展 非自持放电阶段 流注发展阶段 先导放电 热电离过程 主放电阶段2、极不均匀电场中的

42、放电过程（长、极不均匀电场中的放电过程（长间隙）间隙）先导通道先导通道 流注通道发展到足够的长度后，将有较多的电子循通道流向电极，通过通道根部的电子最多，于是流注根部温度升高，出现了热电离过程,这个具有热电离过程的通道称为先导通道先导放电 负棒正板，正空间电荷大大加强棒极附近正板，正空间电荷大大加强棒极附近原已很强的电场，该区域发生强烈的电离，高场强和大电流密度，使棒极附近产生热电离，形成负先导 负空间电荷在通道前端形成反向电场电场电场屏蔽，屏蔽减弱后，发展新负流注、新负先导，因此，负先导具有分级的特性 前伸的平均速度是正先导的1/51/3负先导 条件：上电极为正先导，下电极的几何结构能提供局

43、部强场上电极为负先导，下电极的几何结构无特殊要求，平板、尖端 雷电放电多为负先导，接地的建筑物上可产生向上的迎面先导，其影响到下行先导的发展路线及雷击点迎面先导 主放电主放电当先导通道头部极为接近板极时，间隙场强可达极大数值，引起强烈的电离，间隙中出现离子浓度远大于先导通道的等离子体新出现的通道大致具有极板的电位，在它与先导通道交界处保持极高的电场强度，继续引起强烈的电离主放电发展和通道中轴向电场强度分布图1主放电通道主放电通道2主放电和先导通道的交界区主放电和先导通道的交界区3先导通道先导通道 高场强区（强电离区）迅速向阳极传播，强电离通道也迅速向前推进，这就是主放电过程 主放电过程使贯穿两电极间的