气体放电的基本物理过程

1、气体放电的基本物理过程气体放电气体中流通电流的各种形式。正常状态：优良的绝缘体。在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但这些带电粒子并不影响气体的绝缘。空气的利用：架空输电线路个相导线之间、导线与地线之间、导线与杆塔之间的绝缘；变压器相间的绝缘等。 输电线路以气体作为绝缘材料 变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料返回气体绝缘的优点：气体绝缘的优点：不存在老化问题不存在老化问题理论体系较完善理论体系较完善完全的绝缘自恢复特性完全的绝缘自恢复特性 在电气设备中在电气设备中: :外绝缘外绝缘: :一般由气体介质一般由气体介质( (空气空气) )和固体介质和固体介质( (绝缘子绝缘子) )联合构成联合构

2、成内绝缘内绝缘: :一般由固体介质和液体介质联合构成一般由固体介质和液体介质联合构成2.1 带电粒子的产生与消失带电粒子的产生与消失 气体中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： 电子脱离原子核电子脱离原子核 自由电子、正离子自由电子、正离子此过程需要能量此过程需要能量电离能电离能 Wi电离电位电离电位 Ui=Wi/e发生电离的条件？发生电离的条件？根据外界给予原子或分子的能量形式的不同，电离可分为热电离、光电离和碰撞电离。此根据外界给予原子或分子的能量形式的不同，电离可分为热电离、光电离和碰撞电离。此外，电离过程可以一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式。外，电离过程

3、可以一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式。外界能量（1）热电离）热电离32WkT波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度 气体分子的平均动能与温度的关系气体分子的平均动能与温度的关系室温下：气体分子的平均动室温下：气体分子的平均动能能1010-2-2eV eV 数量级数量级只有在电弧放电产生的高温条只有在电弧放电产生的高温条件下才会有明显的热电离件下才会有明显的热电离！热游离实质上并不是另外一种独立的形式，实质上仍热游离实质上并不是另外一种独立的形式，实质上仍是撞击游离与光游离，只是其能量来源于气体分子本是撞击游离与光游离，只是其能量来源于气体分子本身的热能。身的热能。产生热游

4、离的条件：产生热游离的条件：iWKT 23iW：气体分子的电离能（2）光电离）光电离Wh普朗克常数6.6310-34Js 光辐射引起气体分子的电离；光子能量光辐射引起气体分子的电离；光子能量:hvWi 或或hc/Wi式中式中 光的波长，光的波长，m； c光速光速 Wi 气体的电离能，气体的电离能，eV。光电离条件：光电离条件：光电离在气体介质放电过程中很重要！光电离在气体介质放电过程中很重要！( (正负离正负离子的复合产生光子子的复合产生光子流注放电）流注放电）可见光不能使气体直接发生光电离！可见光不能使气体直接发生光电离！x,x,射线才能使其射线才能使其发生光电离。发生光电离。光的来源：自然

5、界、人为照射、光的来源：自然界、人为照射、气体放电过程气体放电过程v 为频率为频率 （3）碰撞电离）碰撞电离212imveExWiUxE条 件 ：带电粒子在电场中获得动能带电粒子在电场中获得动能:一个重要概念：自由行程一个重要概念：自由行程-两次碰撞间质点行经的距离，两次碰撞间质点行经的距离， 一般用一般用表示。平均自由行程用表示。平均自由行程用 表示。表示。 需要注意的两点需要注意的两点!碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的最重要的方式。碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的最重要的方式。碰撞电离主要是由电子引起的，离子引起的碰撞电离概率要比电子碰撞电离主要是由电子引起的，离子引起的碰撞电

6、离概率要比电子引起的小得多。引起的小得多。 原因有两个，请同学们自己分析！原因有两个，请同学们自己分析！1）电子自由行程大，在电场中获得的能量大。）电子自由行程大，在电场中获得的能量大。2）电子质量比离子小的多，易产生弹性碰撞）电子质量比离子小的多，易产生弹性碰撞,发生非电离碰撞发生非电离碰撞后几乎不损失能量，更容易积累能量。后几乎不损失能量，更容易积累能量。因此，在分析气体放电发展时，只考虑电子引起的碰撞电离。因此，在分析气体放电发展时，只考虑电子引起的碰撞电离。（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外层轨道，称之为激励，所需的能量称为激励能。 更高能级的外

7、层轨道更高能级的外层轨道一个概念一个概念-激励激励：原子中的电子原子中的电子外界因素外界因素跃迁跃迁激励能激励能WeWiWWe可能发生激励的条件：可能发生激励的条件：激励态不稳定：激励态不稳定：10-8s亚稳激励态：亚稳激励态：10-410-5s气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6 若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则会出现潘宁效应，可使混合气体的击穿强度低于这两种气体各自的击穿强度。 对绝缘不利，但可有其他应用！对绝缘不利，但可有其他应用！原子的激励与电离的关系原子发生电离产生带电粒子的两种情况：

8、原子吸收了一定的能量，但能量不太高发生激励，跳到更远的轨道再次吸收能量发生电离，产生带电粒子原子吸收直接吸收了足够的能量发生电离，产生带电粒子原子的激励过程不产生带电粒子；原子的电离过程产生带电粒子；激励过程可能是电离过程的基础。 激励+电离 直接电离 电极表面电离电极表面电离电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。逸出功逸出功电子从金属表面逸出所需的能量。电子从金属表面逸出所需的能量。金属金属逸出功逸出功 (eV)金属金属逸出功逸出功 (eV)金属金属逸出功逸出功 (eV)铝铝 (Al )银银 (Ag)1.83.1铁铁 (Fe)铜铜 (Cu)3.93.9氧

9、化铜氧化铜 (CuO)铯铯 (Cs)5.30.7 逸出功逸出功与表与表1-11-1相比较，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得多，表明金相比较，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。属表面电离比气体空间电离更易发生。 阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。 电极表面的电子逸出电极表面的电子逸出 电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电子，使正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给

10、金属极板中的电子，使其逸出金属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必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量应大于高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。金属的逸出功。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正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面光电子发射（光电效应）光电子发射（光电效应）当阴极被加

11、热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属表面表面在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。 当阴极表面附近空间存在很强的电场时（当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），能数量级），能使阴极发射电子。使阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响；常态下作用气隙击穿完全不受影响；在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。更起着决定性作用。热电子发射热电子发射强场发射（

12、冷发射）强场发射（冷发射）自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子发生电离发生电离产生自由电子产生自由电子情况一情况一电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子能量不足，撞击能量不足，撞击后反弹回来后反弹回来未产生自由电子未产生自由电子情况二情况二电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子没发生电离，没发生电离，也没被反弹回也没被反弹回来来被中性的分子捕捉，成为被中性的分子捕捉，成为自己的束缚电子自己的束缚电子情况三情况三形成了负离子形成了负离子 气体中负离子的形成气体中负离子的形成

13、 附着附着自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子相结合而自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子相结合而形成负离子的过程。形成负离子的过程。负离子形成过程的特点负离子形成过程的特点 形成负离子时可释放出能量形成负离子时可释放出能量, ,称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。 有些气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等有些气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等），），SF6（绝缘性是空气的（绝缘性是空气的3倍，灭弧性是空气的倍，灭弧性是空气的100倍）倍）.电负性是元素的原子在化合物中吸引电子的能力的标度。元素的

14、电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强。 负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。空气中的氧气（弱）；空气中的氧气（弱）；GIS中的中的SF6（强）（强）SF6+eSF6-SF6+eSF5-+FSF6-在电子能量为在电子能量为0.050.1eV； SF5-在在0.10.3eV时最易形成。超过时最易形成。超过1eV很难形成负离子。很难形成负离子。带电粒子的产生与消失是平衡的带电粒子的产生与消失是平衡的！那么会有什么样的逆过程呢？！那么会有什么样的逆过程呢？带电粒子在电场的驱动下作定向运动

15、，在到达电极时，消失于带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流。电极上而形成外电路中的电流。带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。扩散的实质扩散的实质某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散到浓度某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数减少。比较低的区域，使得原区域的带电粒子数减少。带电粒子的扩散是由于热运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律带电粒子的扩散是由于热运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律相似相似 气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体压力越高或

16、者温度气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱越低，扩散过程也就越弱 电子质量远小于离子，所以电子的热运动速度高，它在热运动中受到电子质量远小于离子，所以电子的热运动速度高，它在热运动中受到的碰撞也少，因此，电子的扩散过程比离子的要强的碰撞也少，因此，电子的扩散过程比离子的要强 带电质点的消失带电质点的消失 带电粒子的复合带电粒子的复合 复合复合气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的传递与中和，气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的传递与中和，还原还原为分子的过程为分子的过程。（是与电离相反的一种过程）。（是与电离相反的一种过程） 电子复合电子复合电子和正

17、离子发生复合，产生一个中性分子电子和正离子发生复合，产生一个中性分子 离子复合离子复合正离子和负离子发生复合，产生两个中性分子正离子和负离子发生复合，产生两个中性分子 带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下带电粒子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又成为导致电离的因素 参与复合的粒子的相对速度越大，复合概率越小。通常放电参与复合的粒子的相对速度越大，复合概率越小。通常放电过程中离子间的复合更为重要过程中离子间的复合更为重要 带电粒子浓度越大，复合速度越大，强烈的电离区也是强烈的复合区带电粒子浓度越大，复合速度越大，强烈的电离区也是强烈的复合区

18、带电粒子产生和消失的关系带电粒子产生和消失的关系 带电粒子产生和消失是同时发生的过程；带电粒子产生和消失是同时发生的过程； 若产生的带电粒子大于消失的带电粒子，则会促进气体放电若产生的带电粒子大于消失的带电粒子，则会促进气体放电过程；过程； 若产生的带电粒子等于消失的带电粒子，则会促进气体就处若产生的带电粒子等于消失的带电粒子，则会促进气体就处于稳定状态；于稳定状态；若产生的带电粒子小于消失的带电粒子，则会阻碍气体放电过程；若产生的带电粒子小于消失的带电粒子，则会阻碍气体放电过程； 非自持放电非自持放电去掉外电离因素的作用后放电随即停止；去掉外电离因素的作用后放电随即停止； 自持放电自持放电不

19、需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。 非自持放电和自持放电的概念非自持放电和自持放电的概念 非自持放电和自持放电的非自持放电和自持放电的过程过程测定气体间隙中电流变化的实验装置测定气体间隙中电流变化的实验装置通过调节电阻，测量回路电流随电压变化通过调节电阻，测量回路电流随电压变化的情况的情况气体间隙中电流的变化反映放电过程气体间隙中电流的变化反映放电过程2.2 放电的电子崩阶段放电的电子崩阶段 非自持放电和自持放电的不同特点非自持放电和自持放电的不同特点 加电场前，外电离因素（光照射）在极板间加电场前，外电离因素（光照射）在极板间产生带电粒

20、子，但带电粒子制作杂乱无章的产生带电粒子，但带电粒子制作杂乱无章的热运动，不产生电流；热运动，不产生电流；加电场后，带电粒子沿电场方向定向移动，形加电场后，带电粒子沿电场方向定向移动，形成电流。随着电压升高，带电粒子运动速度加成电流。随着电压升高，带电粒子运动速度加快，使到达快，使到达极板的极板的带电粒子数量和速度不断带电粒子数量和速度不断增大，电流也随之增大。增大，电流也随之增大。oa段段 随着电压升高，电流增大，到达极随着电压升高，电流增大，到达极板的带电粒子数量和速度也随之增板的带电粒子数量和速度也随之增大。大。均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性均匀电场下气体间隙中电流随电

21、压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析I0UaUbUcUI均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性ab段段 电流趋于饱和，由外电离因素产电流趋于饱和，由外电离因素产生的带电粒子已全部进入电极，生的带电粒子已全部进入电极，电流电流I0大小取决于外电离因素与电大小取决于外电离因素与电压无关。压无关。 外电离因素（光照射）的强度一外电离因素（光照射）的强度一定的情况下，单位时间内产生的定的情况下，单位时间内产生的带电粒子数量是一定的，由此产带电粒子数量是一定的，由此产生的电流也是一定。生的电流也是一定。I0饱和电流。饱和电流。I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变

22、化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性bc段段 电流又再随电压的增大而增大。发生电流又再随电压的增大而增大。发生电子碰撞电离。电子碰撞电离。I0UaUbUcUI电压升高电压升高气体间的带电粒子气体间的带电粒子运动速度加快运动速度加快带电粒子能量（带电粒子能量（动能）增加动能）增加当能量大于极板间空气当能量大于极板间空气中原子的电离能中原子的电离能电子碰撞电离，产生电子碰撞电离，产生大量带电粒子大量带电粒子电流急速增电流急速增加加均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场中气体的伏安特性均匀电

23、场中气体的伏安特性c点点 U=Uc，电流急剧增大。气体间隙被，电流急剧增大。气体间隙被击穿进入导电状态（自持放电），击穿进入导电状态（自持放电），不再需要任何外界因素（光照射、不再需要任何外界因素（光照射、外加电源）。外加电源）。 c点处的临界电压点处的临界电压Uc就是击穿电就是击穿电压压Ub，当电压达到，当电压达到Uc后气体即被击后气体即被击穿，由原来的绝缘体变成了导体。穿，由原来的绝缘体变成了导体。I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析自持放电起始电压2.2 放电的电子崩阶段放电的电子崩阶段 非自持放电和自持放电的不同特点非自持

24、放电和自持放电的不同特点 电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小 电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态） 电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的 电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿） 外施电压小于Uo时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间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。 自持放电起始电压什么是电子崩？不仅仅什么是电子崩？不仅仅是一个概念！是一个概念！由一个电子通过碰撞由一个电子通过碰撞电离引起的剧增的电电离引起的剧增的电子流称为电子崩。子流称为电子崩。 电子崩的形成（电子崩的形成（

25、BC段电流剧增原因）段电流剧增原因） 过程（电子崩过程） 电子崩的形成过程 由外电离因素产生一个初始电子电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样，形成了电子崩产生正离子和自由电子原来的电子和新产生的电子继续移动，不断发生电子碰撞电离电场力作用下，电子沿电场做定向移动与中性粒子发生电子碰撞中性粒子发生电离返回电子崩的形状：“崩头大、崩尾小。”电子发生电子碰撞后，电子的速度快，所以会大量的集中在崩头；正离子移动速度较慢，所以缓慢的移向崩尾。电子崩电子数按几何级数不断增多，像雪崩似的发展。从而形成的急剧增大的空间电子流。崩头崩尾返回一个重要的概念！一个重要的概念！碰撞电离碰撞电离系系 数数一个电子沿

26、电力线方向行经一个电子沿电力线方向行经1cm1cm时平均发生的碰撞电离次时平均发生的碰撞电离次数，一般用数，一般用表示表示！问题问题：若平均自由行程：若平均自由行程为为 ，碰撞电离概率为，碰撞电离概率为p, 怎么求怎么求？电子碰撞电离系数表示一个电子沿电场方向运动1cm 的行程中所完成的碰撞电离次数平均值。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。注意： 必须是电子发生碰撞且电离的次数，若电子只发生了碰撞没有导致电离则不能计入中。的定义假设电子的平均自由行程为e，运动1cm碰撞次数为1/e ，但并不是每次碰撞都引起电离；碰撞引起电离的概率为 ，xi 为电子造成碰撞电离而必须飞跃的

27、最小距离。iex-eddnnx0d0exxnnddnxn0ednn00(e1)dnnnn 电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数：代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。 0exnnnad令x=d，进入阳极的电流（外回路电流）若I0=0，则I=0，既若去掉外界电离因素，气隙中电流为0，气体放电停止。过程的分析（电子崩的计算）途中新增的电子数或正离子数n()a001dnnnn e 电子电流增长规律 将式 两边乘以电子电荷qe式中：I0初始电子引起的初始电流0 xnn e0 xII e0dx=dII e结论：若只有过程，气体放电是不能自持的。dxxn0nn0为为x x=0处电子个数，

28、行经处电子个数，行经x后还剩下后还剩下n个电子未发生过碰撞个电子未发生过碰撞。dn为在为在x x与与x+d+dx这一距离中发生碰撞的电子数这一距离中发生碰撞的电子数dndxndn/0 xenn表示行经表示行经x时还没有发生碰撞的电子的个数时还没有发生碰撞的电子的个数，即自由行程大于，即自由行程大于x的电子个数。那么对于的电子个数。那么对于1个电子而言个电子而言 就是表示为自由行程大于就是表示为自由行程大于x的的概率！概率！ /xe 影响碰撞电离的因素影响碰撞电离的因素假设电子的平均自由行程为e，运动1cm碰撞次数为1/e ，但并不是每次碰撞都引起电离；碰撞引起电离的条件是？碰撞引起电离的条件是

29、？EUxi/EUiep/那么行经距离大于那么行经距离大于Ui/E的概率为？的概率为？因此：因此：EUie/1212imveExWiUxE条 件 ：因此碰撞电离概率为？因此碰撞电离概率为？根据定义有：式中：A、B与气体种类有关的常数； E电场强度； P气体压力。BPEAPe ee,11 iiiieeixuuTBPxEEPEAP AuBeeeeAPe 1 1当当气气温温不不变变时时， 影响碰撞电离的因素影响碰撞电离的因素i1eUE1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为1/ ：电子平均自由行程碰撞引起电离的概率碰撞电离的条件i/xUE由式 ， 可得结论： BPEAPe 电场强度E增大，则增大；气体压力

30、P很大（电子的平均自由行程e很小）或者气体压力P很小（电子的平均自由行程e很大）时，值都很小。 既在高气压或高真空的条件下，气体间隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。返回2.3 2.3 自持放电条件自持放电条件电子崩过程不是自持放电！电子崩过程不是自持放电！自持放电的条件是自持放电的条件是：在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子来取代外电离因素产生的初始电子！-即二次电离。实验现象表明二次电子产生机制与气压和气隙长度的乘积Pd有关！ pd值较小时的情况值较小时的情况1. 1. 汤逊自持放电判据汤逊自持放电判据 汤逊机理认为二次电子的来源是正离子撞击阴汤逊机理认为二次电子的来源是正离子撞击阴极

31、，使阴极表面发生电子逸出。极，使阴极表面发生电子逸出。外界电离因子外界电离因子阴极表面电离阴极表面电离气体空间电离气体空间电离气体中的气体中的自由电子自由电子在电场中加速在电场中加速碰撞电离碰撞电离 电子崩电子崩（）过程）过程阴极表面阴极表面二次发射二次发射 (过程）过程）正离子正离子图图 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程低气压、短气隙情况下气体的放电过程 自持放电条件图解分析自持放电条件图解分析因此均匀场中自持放因此均匀场中自持放电的条件为：电的条件为：1) 1(de1ln1ded2. 气体击穿的巴申定律气体击穿的巴申定律 巴申定律是通过实验总结出巴申定律是通过实验总结出的规律，比

32、汤逊放电机理提的规律，比汤逊放电机理提出的要早！出的要早！本质就是间隙击穿电压是气本质就是间隙击穿电压是气压与间隙长度乘积的函数压与间隙长度乘积的函数：Ub=f(pd)3.气体密度对击穿的影响气体密度对击穿的影响TPTPPTdFUssb9 . 2)(1de电子崩中正离子数为：电子崩中正离子数为：1.假设假设d保持不变，保持不变， 当当p很大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之间很大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之间电子积聚到足够动能的几率减小了，故电子积聚到足够动能的几率减小了，故 Ub 必然增大。必然增大。当当p很小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大了，但气很小

33、时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小 ，所，所以以 Ub也会增大。也会增大。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。巴申曲线的解释：巴申曲线的解释：真空灭弧室GIS 站1、放电外形放电外形 根据汤逊理论，气体放电应在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.低气压低气压下气体放电发光区确实占据了整个电极空间，如辉光放电。但大气压力下气体放电发光区确实占据了整个电极空间，如辉光放电

34、。但大气压力下气体击穿时出现的却是下气体击穿时出现的却是带有分枝的明亮细通道带有分枝的明亮细通道。2、放电时间放电时间 根据汤逊理论，间隙完成击穿，需要好几次这样的循环根据汤逊理论，间隙完成击穿，需要好几次这样的循环:形成电形成电子崩，崩中正离子到达阴极造成二次电子，这些电子重又形成更多的电子崩，崩中正离子到达阴极造成二次电子，这些电子重又形成更多的电子崩。由正离子的迁移率可以计算出完成击穿所需的时间，即所谓放电子崩。由正离子的迁移率可以计算出完成击穿所需的时间，即所谓放电时间。这样计算得到的放电时间和低气压下的放电时间比较一致，时间。这样计算得到的放电时间和低气压下的放电时间比较一致，但比但

35、比火花放电时的放电时间实侧值要大得多。火花放电时的放电时间实侧值要大得多。汤逊放电理论的适用范围汤逊放电理论的适用范围 低气压、低气压、 短间隙的电场中短间隙的电场中汤逊放电理论不能解释的放电现象汤逊放电理论不能解释的放电现象 3、击穿电压击穿电压 pd值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件求得的击穿值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件求得的击穿压和实验值比较一致。压和实验值比较一致。 pd值很大时，如仍采用原来的值很大时，如仍采用原来的 值，值，则击穿电压计算值和实验值则击穿电压计算值和实验值将有很大出入将有很大出入。4、阴极材料的影响阴极材料的影响 根据汤逊理论，阴极材料

36、的性质在击穿过程中应起一定作用。实根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响，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空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料无关。以自然界的雷电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阴极 。汤逊放电理论不能解释的放电现象汤逊放电理论不能解释的放电现象 基于以上的原因提出了流注放电理论基于以上的原因提出了流注放电理论。 2.3.2 pd值较大时的

37、情况值较大时的情况特点：特点：由电子崩形成由电子崩形成-会产生电离特会产生电离特强，发展速度更快的新放电区：流注放强，发展速度更快的新放电区：流注放电；快一个数量级；有分支电；快一个数量级；有分支形成条件：空间电荷到达一定数量引起电形成条件：空间电荷到达一定数量引起电场畸变；复合产生光电离场畸变；复合产生光电离流注理论中的电子崩过程 电子崩外形x-+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：nexx(cm)0.20.30.40.50.60.70.80.91.0n92781245735220866341993059874例如，正常大气条件下，若E30kVcm，则11cm

38、-1，计算随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数电子崩中空间电荷的浓度分布 返回空间电荷对原有电场的影响-+xx空间电荷的电场 合成电场 电子崩 均匀电场E0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，但电子和正离子浓度却是最大，有助于发生复合过程，发射出光子。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 流注的形成流注的形成流注流注电离强度和发展速度远大于电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程）

39、以及它们不断汇入初崩通道的过程。 1 1：主电子崩：主电子崩 2 2：二次电子崩：二次电子崩 二次电子崩的形成二次电子崩的形成主崩走完整个间隙后，大密度的头部正离子主崩走完整个间隙后，大密度的头部正离子空间电荷大大加强了后部的电场，并向周围空间电荷大大加强了后部的电场，并向周围放射出大量光子放射出大量光子光子引起空间光电离，其中电子被主电子崩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，在畸变而加强了头部的正空间电荷所吸引，在畸变而加强了的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩子崩光子光子 正流注正流注 条件：当外加电压击穿电压条件：当外

40、加电压击穿电压二次电子崩中的电子进入主电子二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），大多形成负离子。大度较小），大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注子体，这就是正流注 正流注体的形成正流注体的形成1 1：主电子崩主电子崩； 2 2：二次电子崩二次电子崩； 3 3：流注流注流注通道导电性良好，其头部又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此流注头部前方出现了很强的电场场 正流注向阴极推进正流注向阴极推进流注头部的电离

41、，放射出大量光子，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，它们被吸引向流注新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，延长了流注通道头部，延长了流注通道流注不断向阴极挺进，且随着流注接近流注不断向阴极挺进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快展也越来越快 流注发展到阴极，间隙被导电良流注发展到阴极，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击穿完成，这个电压就是击穿电压压 负流注负流注1 1：主电子崩主电子崩； 2 2

42、：二次电子崩二次电子崩； 3 3：流注流注 条件：当外加电压击穿电压条件：当外加电压击穿电压电压较低时，电子崩需经过整个间隙才能电压较低时，电子崩需经过整个间隙才能积聚到足够的电子数形成流注；电压较高积聚到足够的电子数形成流注；电压较高时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注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，称混合通道，形成

43、向阳极推进的流注，称为负流注为负流注间隙中的正、负流注可以同时向两极发展间隙中的正、负流注可以同时向两极发展。试验测量结果：电子崩试验测量结果：电子崩在电离室中得到的初始电子崩照片在电离室中得到的初始电子崩照片图图a a和图和图b b的时间间隔为的时间间隔为110-7秒秒初始电子崩转变为初始电子崩转变为流注瞬间照片流注瞬间照片 电子崩在空气中的发展速度约为电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s试验测量结果：正流注试验测量结果：正流注在电离室中得到的阳极流注发展过程的照片在电离室中得到的阳极流注发展过程的照片正流注的发展速度约为正流注的发展速度约为11082108cm/s流注自持放电

44、条件流注自持放电条件就是流注形成条件就是流注形成条件-空间电荷达到一定数量，即空间电荷达到一定数量，即常数de5 .10:206dSFd空气：以汤逊放电条件的形式来表达：以汤逊放电条件的形式来表达：1ln1ded或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： 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，不能用一种理论取代另一种理论。流注理论击穿过程的总结由阳极向阴极(正流注

45、)或由阴极向阳极(负流注)击穿强电场作用下发生碰撞电离畸变电场发射光子流注高速的向电极挺进电子崩气隙间有效电子形成等离子通道（流注）产生新电子崩（二次崩）二次崩不断汇入主崩返回流注理论对pd 较大时放电现象的解释 放电外形现象： pd 较大时，放电不均匀，有分支，有细小的通道解释：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 放电时间现象： 放电时间极短解释：光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象 阴极材料的影响现象： 放电与阴极材料无关解释： pd很大时，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返回电负性气体

46、的情况电负性气体的情况 对强电负性气体，除考虑和过程外，还应考虑过程（电子附着过程）。的定义与相似，即一个电子沿电力线方向行经1 cm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 。()0ednn ()dK对于均匀场： ()dxK对于非均匀场： 由于强电负性气体中 ，所以其自持放电场强比非电负性气体高得多。以SF6气体为例，在101.3kPa，20的条件下，均匀电场中击穿场强为Eb89kV/cm，约为同样条件的空气间隙的击穿场强的3倍。 K K：电子崩中电子的临界值取对数，对于：电子崩中电子的临界值取对数，对于SFSF6 6，K=10.5K=10.5。 BPEAPe 气体放

47、电现象与规律因气体的种类、气压、和间隙中电场的均匀度而异。2.4 不均匀电场中气体放电的特点不均匀电场中气体放电的特点64 均匀电场均匀电场放电达到自持，间隙立即被击穿，击穿前看不到放电迹象放电达到自持，间隙立即被击穿，击穿前看不到放电迹象平板电极平板电极 稍不均匀电场稍不均匀电场放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电便一定立即导致整个气隙击穿，击穿放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电便一定立即导致整个气隙击穿，击穿电压取决于极间距离。电压取决于极间距离。测高电压的球隙测高电压的球隙 极不均匀电场极不均匀电场特有的两大特征特有的两大特征电晕放电：电晕放电：极不均匀电场所特有的一种自持放电

48、形式；极不均匀电场所特有的一种自持放电形式；极性效应：放电过程与电极的极性有关；极性效应：放电过程与电极的极性有关；典型的极不均电场典型的极不均电场棒棒棒（针棒（针针）：针）：棒棒板（针板（针板）：板）：稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点曲率半径小的曲率半径小的发生的发生的放电。放电。极不均匀场的一种特极不均匀场的一种特有的自持放电形式。有的自持放电形式。66d2D，电场较均匀，其放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，立即导致整个气隙击穿，击穿电压取决于极间距离。d4D，电场分布极不均匀，电压增加到某一临界值，存在电晕放电。外加电压进一步增大，表面电晕

49、层扩大，并出现刷状的细火花，火花变长，最终导致气隙完全击穿。2D4D，过渡区域，放电过程不稳定，放电电压分散性大。电场的均匀程度可以根据是否产生稳定的电晕来划分电场的均匀程度可以根据是否产生稳定的电晕来划分。1击穿电压；击穿电压；2电晕起始电压；电晕起始电压；3放电不稳定区放电不稳定区67式中：式中：Emax最大电场强度；最大电场强度； Eav 平均电场强度；平均电场强度；电场不均匀系数电场不均匀系数 f引入电场不均匀系数引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度表示各种结构的电场的均匀程度max124，avfffEfE 均均匀匀电电场场稍稍不不均均匀匀电电场场极极不不均均匀匀电电场

50、场在稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿现象，此时间隙中平均电场强度比均匀电在稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿现象，此时间隙中平均电场强度比均匀电场间隙的略小，因此在同样极间距离时稍不均匀场间隙的击穿电压较均匀场间隙的要低；场间隙的略小，因此在同样极间距离时稍不均匀场间隙的击穿电压较均匀场间隙的要低；在极不均匀场间隙中自持放电条件即是电晕起始条件，由发生电晕至击穿的过程还必须提在极不均匀场间隙中自持放电条件即是电晕起始条件，由发生电晕至击穿的过程还必须提高电压才能完成。高电压才能完成。稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点68紫外成像拍摄的电晕紫外

51、成像拍摄的电晕半径为r的球间隙的放电特性与极间距d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匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同 放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压 放电过程不稳定，分散属于过渡区 maxaEfE电场不均匀系数：aUEd式中，U为极间电压；d为极间距离。 电晕放电的一般描述电晕放电的一般描述 电晕放电电晕放电极不均匀电场所特有的一种自持放电现象；极不均匀电场所特有的一种自持放电现象； 电晕放电的概念电晕放电的概念 发生电晕放电现象的条件发生电晕放电现象的条件 电场极不均匀时，曲率大的电极附近很小范围内

52、电场极不均匀时，曲率大的电极附近很小范围内已达相当数已达相当数值时，间隙中大部分区域值值时，间隙中大部分区域值都仍然很小，放电达到自持放电后，都仍然很小，放电达到自持放电后，间隙没有击穿间隙没有击穿 电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大电晕放电由于局部强场区的放电过程造成。电晕放电由于局部强场区的放电过程造成。2.4.2 2.4.2 极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的电晕放电 电晕放电的效应电晕放电的效应电晕放电的表现：咝咝的声音、臭氧的气味、电极附近空间蓝色的晕光；电晕放电的表现：咝咝的声音、臭氧的气味、电极附近空间蓝色的

53、晕光；化学反应产生新物质，化学反应产生新物质，O3、NO、NO2；回路电流明显增加回路电流明显增加(绝对值仍很小绝对值仍很小)，可以测量到能量损失；，可以测量到能量损失；产生高频脉冲电流；产生高频脉冲电流； 电压达到一定值，电晕电流为无规律的重复电流脉冲电压达到一定值，电晕电流为无规律的重复电流脉冲 电压升高，脉冲特性愈来愈不显著，电晕电流转变为持续电电压升高，脉冲特性愈来愈不显著，电晕电流转变为持续电流流（1）电晕放电的起始场强c0.330(1)/EkV cmrc120.330(1)/Em mkV cmr是气体相对密度；m1表面粗糙度系数，理想光滑导线取1，绞线0.80.9；好天气时m2=1

54、，坏天气时m2可按0.8估算。 cc2lnhUE rr高度为h的单根导线：cc2lnddUE rr距离为 的两根平行线：注意：在雨、注意：在雨、雪、雾等坏天雪、雾等坏天气时，导线表气时，导线表面的水滴使导面的水滴使导线表面电场发线表面电场发生变化，降低生变化，降低了电晕起始电了电晕起始电压和起始场强压和起始场强。危害：损耗、电磁干扰、噪音等。危害：损耗、电磁干扰、噪音等。对策：限制导线的表面场强；天气晴好时电晕损耗应为零；采用分裂导线的办法对策：限制导线的表面场强；天气晴好时电晕损耗应为零；采用分裂导线的办法。使用分裂导线的益处：使用分裂导线的益处：（）降低导线表面场强（）降低导线表面场强（）

55、增大线路电容、减小线路电感，（）增大线路电容、减小线路电感，从而使输电线路传输能力增加。从而使输电线路传输能力增加。330kV,500kV,750kV,1000kV: 二、四、二、四、六、八分裂导线。六、八分裂导线。（2）电晕放电的危害与对策高电压工程基础（3）电晕放电的利用 在某些情况下可以利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电压。导线板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm 虚线尖-板电极间隙 点划线均匀场间隙电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度；电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅

56、值及陡度；雷击线路雷击线路引起线路上发引起线路上发生电晕生电晕电晕导致发电晕导致发光、发热光、发热损失雷电冲击电压损失雷电冲击电压的能量的能量减小设备上的雷减小设备上的雷电过电压电过电压有利于保护设备有利于保护设备绝缘绝缘电晕放电的有利之处： 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。 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。 操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制负极性棒板间隙的电晕起始电压比正极性棒板电极低负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板电极高 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极性效应 在极不均匀电场中，放电一定从曲率

57、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 极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应。既放电的发展过程、气隙的极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应。既放电的发展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与电极的极性有关；电气强度、击穿电压等都与电极的极性有关；极性的确定极性的确定 极性由表面电场较强的电极所决定极性由表面电场较强的电极所决定两个电极几何形状不同的场合极性取决于曲率半径较小的电极的电位符两个电极几何形状不同的场合极性取决于曲率半径较小的电极的电位符号（号（“棒棒板板”间隙

58、取决于棒电极电位）；间隙取决于棒电极电位）；几何形状相同（几何形状相同（“棒棒棒棒”间隙）取决于不接地的那个电极上的电位。间隙）取决于不接地的那个电极上的电位。理论基础理论基础短间隙短间隙流注理论流注理论 长间隙长间隙先导放电（雷电放电）先导放电（雷电放电）极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应。极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应。短间隙极不均匀电场中的放电过程（棒板间隙）短间隙极不均匀电场中的放电过程（棒板间隙） 正极性（正棒正极性（正棒负板）负板）非自持放电阶段非自持放电阶段棒极附近强场区域内形成电子崩，电子崩头棒极附近强场区域内形成电子崩，电子崩头部的电子被棒极中和，在棒极附近空间留

59、下部的电子被棒极中和，在棒极附近空间留下许多正离子，许多正离子，积聚起的正空间电荷，减少了紧贴棒极附近积聚起的正空间电荷，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、即电极附近难以造成流注，使得自持放电、即电晕放电难以形成晕放电难以形成E0原电场；原电场；Eq空间电荷电场；空间电荷电场；Ecom合成电场合成电场E0(c)Ecom=E0+EqE0EEqx(a)(b)EqEq流注发展阶段流注发展阶段电子崩进入棒电极，正电荷留在棒电子崩进入棒电极，正电荷留在棒尖加强了前方（板极方向）的电场尖加强了前方（板极方向）的电场； 电场的加强对形成流注发展有利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。头部前方产生新电子崩，吸引入流注头部正电荷区内，加强并入流注头部正电荷区内，加强并延长流注通道；延长流注通道； 流注及其头部的正电荷使强电场区流注及其头部的正电荷使强电场区向前移，促进流注通道进一步发展向前移，促进流注通道进一步发展，逐渐向阴极推进，形成正流注，逐渐向阴极推进，形成正流注E0原电场；原电场；Eq空间电荷电场；空间电荷电场；Ecom合成电场合成电场E0(c)Ecom=E0+EqE0EEqx(a)(b)EqEq 正极性（正棒正极性（正棒负板）负板）正空间电荷