1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、气体指高压电气设备中常用的空气、SFS

2、F6 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与间隙距离之比称为击穿场强与间隙距离之比称为击穿场强E

3、bEb。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、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同，这些放电现象可相互转换。

4、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

5、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。prkTe2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

6、概率为：xexP)(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回复到正常态释放出光子v条件：条件：iWhv （一）光电离（一）光电离iWhch：普朗克常数； C：光速：光频率； ：光波长； 或（二）热电离

7、（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。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t20000Kt20000K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

8、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）。qExmV221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。ieeWVm221（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

9、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

10、，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；热电子发射；热电子发射；强场发射；强场发射；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释放出的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。自由电子数，汤逊第三电离系数。（四）表面电离（四）表面电离（五）负离子的形成（五）负离子的形成附着：当电

11、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。（一）电场作用下气体中带电粒子的

12、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速度驱引速度v=kEv=kE, k, k为迁移率为迁移率, ,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

13、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.

14、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

15、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3.1.1 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

16、汤逊理论3.1.3 巴申定律3.1.4 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，因为这时外界电

17、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Ub时，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。voa段：电流随电压升高而升高段：电流随电压升高而升高vab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vbs段：电压升高碰撞电离增强但仍靠外电离维持段：电压升高碰撞电离增强但仍靠外电离维持(非自持非自持)vs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) 当外加电压较低时，只有由外界电离因素所造成的带当外加电压较低时，只有由外界电离因素所

18、造成的带电粒子在电场中运动而形成气体放电电流，一旦外界电离电粒子在电场中运动而形成气体放电电流，一旦外界电离作用停止，气体放电现象即随之中断，这种放电称为作用停止，气体放电现象即随之中断，这种放电称为非自非自持放电持放电。 当外加电压逐渐升高后，气体中的放电过程发生转变，当外加电压逐渐升高后，气体中的放电过程发生转变，此时若去掉外界激离因素此时若去掉外界激离因素,在电场作用下能自己维持放电仍在电场作用下能自己维持放电仍继续发展继续发展,成为成为自持放电。自持放电。 通常所研究的各种气体放电形式如辉光放电、电晕放通常所研究的各种气体放电形式如辉光放电、电晕放电、火花放电、电弧放电等都属于自持放电

19、。电、火花放电、电弧放电等都属于自持放电。 （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

20、数不断增多，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。而正离子速

21、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来的初始电子数为n0均匀电

22、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：ddxenennx000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

23、子数。即形成的正离子数。即1de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。过程也不能维持放电的自持过程也不能维持放电的自持过程：电子的空间碰撞电离，放电不能自持。过程：电子的空间

24、碰撞电离，放电不能自持。过程：正离子空间碰撞电离，可忽略。过程：正离子空间碰撞电离，可忽略。过程：阴极材料表面的电子发射现象正离子撞击阴过程：阴极材料表面的电子发射现象正离子撞击阴极复合过程的光辐射效应（光电离）等。极复合过程的光辐射效应（光电离）等。：单个正离子撞击阴极平均发射出的自由电子数。：单个正离子撞击阴极平均发射出的自由电子数。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(de1) 1(de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

25、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1ln1) 1(ded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

26、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。 1、汤逊第一放电系数、汤逊第一放电系数：一个电子沿电场方向行：一个电子沿电场方向行经经1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。长度，平均发生的碰撞电离次数。11 ）（de 2、汤逊第二放电系数、汤逊第二放电系数：一个正离子撞击阴极板时，使阴：一个正离子撞击阴极板时，使阴极板平均释放出来的有效电子数。极板平均释放出来的有效电子数。3、一个启始带电粒子从阴极到阳极的过程中由于碰撞游、一个启始带电粒子从阴极到阳极的过程中由于碰撞游离产生的正离子撞击阴极板时如

27、果能打拉出两个电子，一离产生的正离子撞击阴极板时如果能打拉出两个电子，一个与正离子复合掉了，另一个成为自由电子，它会产生新个与正离子复合掉了，另一个成为自由电子，它会产生新的电子崩，维持放电的发展，就发生了自持放电。的电子崩，维持放电的发展，就发生了自持放电。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)()11ln()(ln)(pdfpdApdBubA 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。

28、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 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。 bpUd电离概率电子自由行程碰撞次数一定bdUdUEp电离概率碰撞次数一定)/(bpUd电离概率电子自

29、由行程碰撞次数一定bdUdUEp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

30、、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

31、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，它考虑了高气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放气压、长气隙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

32、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

33、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，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

34、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）；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

35、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。 在高气压下（在高气压下（Pd大），当外施电压等于击穿电压大），当外施电压等于击穿电压时，光电离强，电子崩（汤逊放电）转入流注放电。时，光电离强，电子崩（汤逊放电）转入流注放电。流注理论认为：电子崩发展到足够的程度后，其空间电流注理论认为：电子崩发展到足够的程度后，其空间电荷足以使原电场严重畸变，大大加强崩头和崩尾电场，荷足以使原电场严重畸变，大大加强崩头和崩尾电场，引发强场光子发射。另外，电子崩中电荷密度非常大，引发强场光子发射。另外，电子崩中电荷密度非常大，弱场区复合过程频繁，放射出的光子

36、重新引起光电离。弱场区复合过程频繁，放射出的光子重新引起光电离。 流注理论强调：不均匀的空间电荷分布对电场畸变流注理论强调：不均匀的空间电荷分布对电场畸变的作用；的作用；空间碰撞电离和光电离空间碰撞电离和光电离是形成自持放电的主要是形成自持放电的主要原因原因。 适用范围：高气压、均匀、不均匀电场中的放电过适用范围：高气压、均匀、不均匀电场中的放电过程。还较为粗糙，存在假说成分。程。还较为粗糙，存在假说成分。崩头电荷密度崩头电荷密度，电场畸变，电场畸变，空间光电离，空间光电离流注。流注。流注形成即转入放电自持，均匀场：流柱形成条件流注形成即转入放电自持，均匀场：流柱形成条件=自持放电条自持放电条

37、件间隙击穿条件。件间隙击穿条件。崩头电荷数足够崩头电荷数足够- -临界值临界值，崩内全部电荷足够，崩内全部电荷足够流注：流注：自持放电条件：自持放电条件： ed = 常数（常数（108）或）或 d=常数（常数（20）ed=1 或或 d=ln-1若外施电压恰等于自持放电起始电压，意味着初崩要跑完整个若外施电压恰等于自持放电起始电压，意味着初崩要跑完整个气隙，头部才能积聚到足够的电子数而引起流注。若所加电压气隙，头部才能积聚到足够的电子数而引起流注。若所加电压超过自持放电电压，初崩不需要跑完整个气隙，其头部电子数超过自持放电电压，初崩不需要跑完整个气隙，其头部电子数已达到足够的数量，流注将提前出现

38、且以更快的速度发展。已达到足够的数量，流注将提前出现且以更快的速度发展。流注理论和汤逊理论（流注理论和汤逊理论（d=4, ed= 40）各适用一定条件的放电过）各适用一定条件的放电过程，互相补充，击穿电压皆满足巴申定律。程，互相补充，击穿电压皆满足巴申定律。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

39、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=26.66kPacmcm；(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；

40、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。汤逊理论和流注理论的区别：汤逊理论和流注理论的区别： 汤逊理论把电子崩和阴极上的过程作为气汤逊理论把电子崩和阴极上的过程作为气体自持放电的决定性因素，没有考虑空间电荷体自持放电的决定性因素，没有考虑空间电荷对电场的畸变和光游离对放电的影响，它只适对电场的畸变和光游离对放电的影响，

41、它只适用于低气压、短气隙的情况。用于低气压、短气隙的情况。 流注理论认为：电子崩发展到足够的程度流注理论认为：电子崩发展到足够的程度后，其空间电荷足以使原电场严重畸变，大大后，其空间电荷足以使原电场严重畸变，大大加强崩头和崩尾电场，引发强场光子发射。另加强崩头和崩尾电场，引发强场光子发射。另外，电子崩中电荷密度非常大，弱场区复合过外，电子崩中电荷密度非常大，弱场区复合过程频繁，放射出的光子重新引起光电离。流注程频繁，放射出的光子重新引起光电离。流注理论强调：不均匀的空间电荷分布对电场畸变理论强调：不均匀的空间电荷分布对电场畸变的作用；空间碰撞电离和光电离是形成自持放的作用；空间碰撞电离和光电离

42、是形成自持放电的主要原因。适用范围：高气压、均匀、不电的主要原因。适用范围：高气压、均匀、不均匀电场中的放电过程。均匀电场中的放电过程。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

43、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球隙的放电特性与极间距离的关系球隙的放电特性与极间距离的关系1-击穿电压 2-电晕起始电压 3-放电不稳定区电场越不均匀，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。为了描述各种结构的电场不均匀程度，

44、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201ln)(0ddxx4.1 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4.3.3 长间隙放电定义：极不均匀电场中，发生在强场区域（小曲率半径

45、电极附近空间）的局部放电，称为电晕放电。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： 电晕特征：环绕电极表层的蓝紫色光晕。电晕特征：环绕电极表层的蓝紫色光晕。 开始出现电晕时的放电电压为电晕起始电压。随开始出现电晕时的放电电压为电晕起始电压。随着外加电压升高，电晕区增大，但气隙保持绝缘状态，着外加电压升高，电晕区增大，但气隙保持绝缘状态，并未击穿。并未击穿。 电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，是其气隙击穿过程的第

46、一阶段，也可能是长期存在的是其气隙击穿过程的第一阶段，也可能是长期存在的稳定放电形式。这种放电对超高压和特高压输电线路稳定放电形式。这种放电对超高压和特高压输电线路具有特殊的重要性。具有特殊的重要性。 电晕放电分为电子崩或流注两种形式，取决于电电晕放电分为电子崩或流注两种形式，取决于电极形状、电极附近的场强畸变程度等。极形状、电极附近的场强畸变程度等。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

47、无线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、分裂导线等分裂导线：每相都用若干根直径较小的平行分导线来替换大直径导线。分裂数超过两根时，分导线通常被布置在一个圆的内接正多边形顶点上。分裂导线的电场强度与分导线的直径和分导线间的距离 d 有关。在某一最佳值时最大电场强度会产生一极小值。330750kV的超高压线路，分裂数一般取26； 1000kV及以上的特高压线路分裂数取8或更多。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

48、喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。 在电晕放电时，空间电荷对放电的影响已得到关注。由于高场强电极极性的不同，空间电荷的极性也不同，对放电发展的影响也就不同，这就造成了不同极性的高场强电极的电晕起始电压的不同，以及间隙击穿电压的不同，称为极性效应。 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。棒板间隙这种典型的极不均匀场图正棒负板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场畸变作用 外电场 空间电荷电场exEspE

49、 当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩，如图（a）所示。随着电压的逐渐上升，到形成自持放电爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。 当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，如图（b）所示。这样就减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。因此，棒极附近的电场被削弱，难以形成流注，这就使得放电难以得到自持。 当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩，如图（a）所示。当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢

50、的速度向阳极运动。一部分电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。负棒正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用 外电场 空间电荷电场exEspE 电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷，如图（b）所示。负棒正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用 外电场 空间电荷电场exEspE 负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于满足、易于转入流注而形成电晕放电。非

51、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。)()(ccUU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)()(bbUU 不均匀电场中放电的极性效应不均匀电场中放电的极性效应负极性棒板间隙的负极性棒板间隙的电晕起始电压比电晕起始

52、电压比正极性棒板电极正极性棒板电极低低负极性棒板间隙负极性棒板间隙击穿电压击穿电压比正极性棒板电极比正极性棒板电极高高 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的冲击电压。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冲击放电时延5.1.2雷电冲击电压标准波形5.1.3 雷电冲击50击穿电压5.1.4 伏秒特性（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

53、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 ;有效电子是指能引起电子崩并最终导致击穿的电子。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。 t

54、t laglag （放电时延）：（放电时延）： t t laglag s s f f t t loglog的特点：根据电场的不同，的特点：根据电场的不同， t t loglog具有分具有分散性和随机性散性和随机性 ：（ 1 1 ）在短间隙、均匀场中）在短间隙、均匀场中 f f s s t t laglag f f即：不均匀长间隙电场中，先导放电的发展即：不均匀长间隙电场中，先导放电的发展占放电时延的主要部分占放电时延的主要部分 。标准雷电冲击电压波：雷电冲击电压波形的标准化波前时间的定义是波前时间的定义是“实际原点实际原点O与电压达到峰值与电压达到峰值时刻之间的时刻之间的时间间隔时间间隔”。标

55、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。 定义：在多次施加同一电压时，其中半数导致气隙击穿，以此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。050UU1050UU1 冲击击穿特性最好用电冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，压和时间两个参量来表示，这种在这种

56、在“电压时间电压时间”坐标坐标平面上形成的曲线，通常称平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性曲线，它表示该为伏秒特性曲线，它表示该气隙的冲击击穿电压与放电气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。时间的关系。 在峰值较低但延续时间在峰值较低但延续时间较长的冲击电压作用下气隙较长的冲击电压作用下气隙可能击穿，而在峰值较高但可能击穿，而在峰值较高但延续时间较短的冲击电压作延续时间较短的冲击电压作用下气隙可能不击穿。用下气隙可能不击穿。伏秒特性曲线的绘制方法示意图（一）绘制伏秒特性的方法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

57、尾发生；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；当击穿发生在波尾时， 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。 伏秒特性曲线形状与电场的均匀伏秒特性曲线形状与电场的均匀性有关，如图所示。性有关，如图所示。 均匀场，曲线低且平坦，上翘范围小。均匀场，曲线低且平坦，上翘范围小。 均匀场、短间隙各处场强相差不大，均匀场、短间隙各处场强相差不大，某处达到自持放电值时放电很快贯穿某处达到自持放电值时

58、放电很快贯穿整个间隙整个间隙击穿时间短；击穿时间短； 在均匀场中，在均匀场中， t b=t s，若击穿电压幅，若击穿电压幅值稍降低值稍降低t s加长加长t b加长加长曲线平曲线平坦坦 不均匀电场，曲线较高且陡。不均匀电场，曲线较高且陡。 间隙大的不均匀场，由于电场分布的间隙大的不均匀场，由于电场分布的不均匀性，使击穿时间不均匀性，使击穿时间t b加长加长, 若保若保证与均匀电场相同的击穿时间，需加证与均匀电场相同的击穿时间，需加大电压幅值大电压幅值曲线高；放电时延曲线高；放电时延由由t f 决定，电压幅值的变化对决定，电压幅值的变化对t f影响影响很大很大曲线陡曲线陡 （二）伏秒特性与电场的关

59、系极不均匀电场：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。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一、沿面放电概念一、沿面放电概念沿面放电沿面放电：沿着固体介质表面发展的气体放电现象。：沿着固体介质表面发展的气体放电现象。污污 闪闪：沿着污染表面发展的闪络。：沿着污染表面发展的闪络。 电力系统中绝缘子、套管等固体绝缘在机械上起固定作用，电力系统中绝缘子、套管等固体绝

60、缘在机械上起固定作用，又在电气上起绝缘作用。其绝缘状况关系到整个电力系统的又在电气上起绝缘作用。其绝缘状况关系到整个电力系统的可靠运行。可靠运行。 绝缘功能的丧失可以分为以下两种情况：绝缘功能的丧失可以分为以下两种情况：固体介质击穿：一旦发生击穿，即意味着不可逆转地丧失绝缘固体介质击穿：一旦发生击穿，即意味着不可逆转地丧失绝缘功能。功能。沿介质表面发生闪络：由于大多数绝缘子以电瓷、玻璃等硅酸沿介质表面发生闪络：由于大多数绝缘子以电瓷、玻璃等硅酸盐材料组成，所以沿着它们的表面发生放电或闪络时，一般盐材料组成，所以沿着它们的表面发生放电或闪络时，一般不会导致绝缘子的永久性损坏。电力系统的外绝缘，一