第1章 气体放电基本物理过程

1、BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY田付强田付强 副教授副教授牵引供电研究所Email: 办公室：电气楼808办公电话604手机EIJING JIAOTONG UNIVERSITY教材：教材：高电压技术高电压技术第三版，赵智大，中国电第三版，赵智大，中国电力出版社，力出版社，20132013参考书：参考书：l高电压绝缘与试验技术高电压绝缘与试验技术刘明光，西南交刘明光，西南交通大学出版社通大学出版社.2001.2001l高电压技术高电压技术，张一尘，中国电力出版社，张一尘，中国电力出版社，20012001考核形式和成绩评定

2、：考核形式和成绩评定：笔试占成绩笔试占成绩 8080。作。作业与讨论占成绩业与讨论占成绩 1010。上课出勤占成绩。上课出勤占成绩 1010。2课程说明课程说明BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY3BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY4工程问题工程问题BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY5工程问题工程问题均压环BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY变压器变压器GIS 电力电缆电力电缆发电机发电机电容性设备电容性设备高压电力设备高压电力设备( (绝缘材料、绝缘结构设计、高压试验、在线监测与诊断绝缘材料、绝缘结构设计、高压试验、

3、在线监测与诊断) )6BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY干式变压器油浸式变压器7BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY美加大停电美加大停电美国东北部和加拿大东部大部分地区美国东北部和加拿大东部大部分地区2003年年8月月14日下午日下午4时时20分分 ， 因纽约北部一座电厂设备因纽约北部一座电厂设备遭遭雷击起火雷击起火，造成大面积停电，波及到美国东，造成大面积停电，波及到美国东部的纽约、底特律、克利夫兰、托莱多和加拿部的纽约、底特律、克利夫兰、托莱多和加拿大的多伦多、渥太华等大城市，美国关闭了纽大的多伦多、渥太华等大城市，美国关闭了纽约和俄亥俄等约和俄亥俄等

4、4个州的个州的9个核电站，纽约和多伦个核电站，纽约和多伦多的地铁全部瘫痪，通讯中断，地面交通拥堵多的地铁全部瘫痪，通讯中断，地面交通拥堵严重，许多人回不了家，只好露宿街头。由于严重，许多人回不了家，只好露宿街头。由于正值夏季天气炎热用电高峰，造成极大不便和正值夏季天气炎热用电高峰，造成极大不便和巨大损失，恢复供电用了几天的时间，比巨大损失，恢复供电用了几天的时间，比“9.11”带来的损失和影响的面积大了许多。带来的损失和影响的面积大了许多。8电网安全运行需要高电压技术支撑电网安全运行需要高电压技术支撑BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY 辽辽沈地区沈地区2001年年2月月22

5、日遭遇最严重大面积停日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区停电面积已经超过电事故，沈阳市区停电面积已经超过70%。辽沈。辽沈停电事故是从高压输电线路污闪开始的。辽沈为停电事故是从高压输电线路污闪开始的。辽沈为我国重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷我国重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电弧沿着瓶上，大雾湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电弧沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙放电现象。辽沈停电事瓷瓶表面爬升，出现闪烙放电现象。辽沈停电事故中，几乎所有的高压输电线路都出现污闪，停故中，几乎所有的高压输电线路都出现污闪，停电事故最厉害的就是工业集中、污染严重的铁西电事故最厉害的就

6、是工业集中、污染严重的铁西区，该区全部停止了电力供应，损失巨大。区，该区全部停止了电力供应，损失巨大。辽沈大停电辽沈大停电9电网安全运行需要高电压技术支撑电网安全运行需要高电压技术支撑BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY本篇的主要本篇的主要内容内容 第一章、气体放电的基本物理过程第一章、气体放电的基本物理过程 第二章、气体介质的电气强度第二章、气体介质的电气强度 第三章、液体和固体介质的电气第三章、液体和固体介质的电气特性特性10BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY本篇前沿本篇前沿电介质电介质（dielectric ）在电气设备中作为）在电气设备中作为绝缘材

7、绝缘材料料使用使用。1.1.电介质的电介质的分类分类u按按物质形态物质形态分分：气体、液体、固体，其中气体、液体、固体，其中气体气体最常见。最常见。气体介质同其它介质相比，具有气体介质同其它介质相比，具有在击穿后完全的绝缘自恢在击穿后完全的绝缘自恢复复特性，故应用十分广泛。特性，故应用十分广泛。u按在电气设备中按在电气设备中所处位置所处位置分：分：外绝缘外绝缘：一般：一般由由气体介质（空气）气体介质（空气）和和固体介质（绝缘子）固体介质（绝缘子）联联合构成。合构成。内绝缘内绝缘：一般：一般由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。11BEIJING JIAOTONG UNIVE

8、RSITY2.2. 高电压技术主要研究内容之一就是电介质在电场高电压技术主要研究内容之一就是电介质在电场作用下出现的各种电气现象及其机理：作用下出现的各种电气现象及其机理：u弱电场：弱电场：极化、电导、介质损耗极化、电导、介质损耗等。等。u强电强电场：场：电场强度电场强度等于或大于放电起始场强或等于或大于放电起始场强或击穿场强，击穿场强，如：放电、闪络、击穿等。如：放电、闪络、击穿等。l击穿击穿：在电场的作用下，电介质由绝缘状态突变为在电场的作用下，电介质由绝缘状态突变为良导电状态的过程良导电状态的过程。l放电：放电：特指特指气体气体绝缘的击穿过程。绝缘的击穿过程。l闪络：闪络：击穿发生在气体

9、与液体、气体与固体击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面交界面上的放电现象。上的放电现象。12BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY电气设备中电气设备中常用常用的气体介质的气体介质 ：空气空气、压缩的高电气强度气体（如、压缩的高电气强度气体（如SFSF6 6）。这些气体介质在）。这些气体介质在纯净的纯净的、中性状态下中性状态下是具有极佳的绝缘特性，只是具有极佳的绝缘特性，只有气体中出现了有气体中出现了带电粒子带电粒子（电子、正离子、负离子）后，才可能在电场作（电子、正离子、负离子）后，才可能在电场作用用下因气体压力、电源功率、电极形状等因素的下因气体压力、电源功率、电极形状等因

10、素的影响发展成各种形式的气影响发展成各种形式的气体放电现象：体放电现象： 辉光放电 气压较低，电气压较低，电源功率很小时，放源功率很小时，放电充满整个间隙。电充满整个间隙。 电弧放电 大气压力下大气压力下，电源功率较大，电源功率较大时，放电具有明时，放电具有明亮、持续的细致亮、持续的细致通道。通道。火花放电（雷闪） 大气压力下。电大气压力下。电源功率较小时，间源功率较小时，间隙间歇性击穿，放隙间歇性击穿，放电通道细而明亮。电通道细而明亮。 电晕放电 极不均匀电极不均匀电场，高电场强度场，高电场强度电极附近出现发电极附近出现发光薄层。光薄层。13为了说明气体放电的过程，必须先了解带电粒子产生、为

11、了说明气体放电的过程，必须先了解带电粒子产生、运动和消失的过程及条件。运动和消失的过程及条件。BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY1.1.1 1.1.1 带电粒子的产生带电粒子的产生1.1.21.1.2 带电粒子的运动带电粒子的运动1.1.3 1.1.3 带电粒子的消失带电粒子的消失 14BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY施加能量施加能量施加能量施加能量自由电子自由电子分级游离分级游离激发激发施加能量施加能量激发激发施加能量施加能量 W Wi自由电子自由电子光子光子(1) (1) 原子原子的激励和电离的激励和电离151.1.1 1.1.1 带电粒子的产生带

12、电粒子的产生 (1)(1)原子的激励和电离原子的激励和电离 (2)(2)气体介质电离的四种形式气体介质电离的四种形式BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY原子的激励原子的激励l 当原子获得外部能量（电场、高温等）当原子获得外部能量（电场、高温等） ，一个或若，一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去，该现象干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去，该现象称为称为激励激励。l 激励能（激励能（WeWe，电子伏，电子伏eVeV）原子的电离原子的电离l 原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子在外界因素作用下，使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的过

13、程称为原子核的束缚，而形成自由电子和正离子的过程称为电离电离。l 电离能（电离能（WiWi，电子伏，电子伏eV eV ）16BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY(2)(2)气体电离的四种形式气体电离的四种形式 1 1）光电离）光电离 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： 光子来源：外界高能辐射线；气体放电本身光子来源：外界高能辐射线；气体放电本身)/103(,)1063. 6(834smcmsJhWhcWhii光速波长频率普朗克常数或17BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY2 2）热电离）热电离 常温下，气体分子发生热电离的概率极小。

14、常温下，气体分子发生热电离的概率极小。 气体中发生电离的分子数与总分子数的比值气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m m称为该气体的称为该气体的电离电离度度。 下图为空气的电离度下图为空气的电离度m m与温度与温度T T的关系：的关系： 由图所示：由图所示： 当当T 10T 104 4K K时，才需考虑热电离；时，才需考虑热电离； 当当T 2T 2* *10104 4K K 时，几乎全部的分子都处于热电离状态时，几乎全部的分子都处于热电离状态 18BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY3 3）碰撞电离）碰撞电离 它是气体中产生带电粒子的最重要的方式，它是气体中产生带电粒子的最

15、重要的方式，主要是由主要是由电子电子完完成。成。 电子获得加速后和气体原子碰撞时，把动能传给后者，电子获得加速后和气体原子碰撞时，把动能传给后者， 如果动能大于或等于气体原子的电离能如果动能大于或等于气体原子的电离能WiWi，该电子就有足够的能，该电子就有足够的能量完成碰撞电离。碰撞电离时应满足以下条件：量完成碰撞电离。碰撞电离时应满足以下条件：ieWExqEUEqWxieii X Xi i表示电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离。它的大表示电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离。它的大小取决于场强小取决于场强E E，增大气体中的场强将使，增大气体中的场强将使XiXi值减少。可见值减少。可见

16、提高外提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。19BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY4 4）电极表面的电离）电极表面的电离逸出功逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。 由于由于逸出功逸出功电离能电离能，因此阴极表面电离可在下列情，因此阴极表面电离可在下列情况下发生：况下发生：正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面 光电子发射光电子发射 热电子发射热电子发射 强场发射强场发射 光电离、热电离和碰撞电离均为光电离、热电离和碰撞电离均为空间电离空间电离，而电，而电极表面电离为极表面电离为表面电离表面电离

17、，它们均，它们均有利于有利于电离过程。电离过程。20BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY1.1.2 1.1.2 带电粒子在气体中的运动带电粒子在气体中的运动 (1) (1) 自由行程长度自由行程长度运动引起的碰撞运动引起的碰撞 (2) (2) 带电粒子的迁移率带电粒子的迁移率沿电场方向漂移沿电场方向漂移 (3) (3) 扩散扩散与粒子浓度有关与粒子浓度有关21BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY (1)(1)自由行程长度自由行程长度 1 1）带电粒子在电场中的运）带电粒子在电场中的运动形式：动形式： 当气体中存在电场时，带电粒当气体中存在电场时，带电粒子进行

18、子进行热运动热运动和和沿电场定向运动沿电场定向运动（如图如图1-11-1所示）所示）22 2 2）自由行程长度和平均自由行程长度）自由行程长度和平均自由行程长度 粒子从这次碰撞到下次碰撞之间所走过的距离称为粒子从这次碰撞到下次碰撞之间所走过的距离称为自由自由行程长度行程长度。 自由行程长度自由行程长度是是随机值，随机值，具有具有分散性分散性，所以我们引入，所以我们引入平平均值均值的概念。的概念。 平均自由行程长度：平均自由行程长度： 单位行程中的碰撞次数单位行程中的碰撞次数Z Z的倒数的倒数即为该粒子的即为该粒子的平均自由平均自由行程长度行程长度。BEIJING JIAOTONG UNIVER

19、SITY 粒子的自由行程等于或大于某一距离粒子的自由行程等于或大于某一距离x x的概率为：的概率为： ：粒子平均自由行程长度：粒子平均自由行程长度 令令x=x=，可见粒子实际自由行程长度大于或等，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于平均自由行程长度的概率是36.8%36.8%。xexP)(Nre21 由气体动力学可知，电子平均自由行程长度由气体动力学可知，电子平均自由行程长度 式中：式中： r r：气体分子半径：气体分子半径 N N：气体分子密度：气体分子密度23BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY 由于由于 代入上式得到：代入上式得到： 式中：式中：

20、 P P：气压：气压 T T：气温：气温 k k：波尔兹曼常数：波尔兹曼常数 大气压和常温下平均自由行程长度数量级为大气压和常温下平均自由行程长度数量级为1010-5-5cmcm 3 3）定性分析：）定性分析：kTPN PrkTe2气压温度PTPT24BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY(2)(2)带电粒子的迁移率带电粒子的迁移率 1 1）迁移率的定义）迁移率的定义 迁移率迁移率表示单位场强下（表示单位场强下（1V/m)1V/m)带电粒子沿电场方带电粒子沿电场方向的漂移速度。向的漂移速度。 2 2）定性分析：）定性分析： 电子的平均自由行程长度比离子大得多电子的平均自由行程长

21、度比离子大得多 而电子的质量比离子小得多而电子的质量比离子小得多 结论：电子更易加速，电子的迁移率远大于离结论：电子更易加速，电子的迁移率远大于离子。子。Evk 25BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY(3) (3) 扩散扩散1 1）扩散的定义：）扩散的定义： 热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使分布均匀化，这种过程称为的区域，从而使分布均匀化，这种过程称为扩散扩散。 2 2）定性分析：）定性分析： 气压越低，气压越低， 温度越高，扩散越快。温度越高，扩散越快。 结论：电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以结

22、论：电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度比离子快得多。其扩散速度比离子快得多。26BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY带电粒子的消失可能有以下几种情况：带电粒子的消失可能有以下几种情况：带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达电极时，消带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；失于电极上而形成外电路中的电流； 带电粒子因扩散而逸出气体放电空间；带电粒子因扩散而逸出气体放电空间；带电粒子的复合。带电粒子的复合。 复复 合合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和

23、，这种现象称为复合。电荷的传递与中和，这种现象称为复合。复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一个中性分子；果是产生一个中性分子；复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。其结果是产生两个中性分子。27BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY附附 着形成负离子着形成负离子：当电子与气体原子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而当电子与气体原子碰撞时，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与中性原子产生出正离

24、子和新电子，而且也可能会发生电子与中性原子相结合形成负离子的情况。相结合形成负离子的情况。 负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却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能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制抑制作用。作用。 电负性气体电负性气体 氧氧/ /氟氟/ /氯等氯等 SFSF6 628BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY1.1.气体间隙中带电粒子的产生和消失是气体放电的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取决于这一对基本矛盾，气体放电的发展和终止取决于这两个过

25、程谁占主导地位。两个过程谁占主导地位。2.2.气体中带电粒子的产生形式可以分为空间电离和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。它们都与外界供给的能量有关，能量表面电离。它们都与外界供给的能量有关，能量的形式主要是电场能、光辐射和热能，而能量的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重的过程主要是碰撞，它是造成气体分子电离的重要形式。要形式。29BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY气气体体放放电电发发展展过过程程光电离光电离热电离热电离碰撞

26、电离碰撞电离空间电离空间电离表面电离表面电离自由行程长度、漂移、扩散自由行程长度、漂移、扩散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到达电极消失产生电流到达电极消失产生电流正负电荷复合正负电荷复合逸出放电空间逸出放电空间形成负离子形成负离子带电粒子产生带电粒子产生带电粒子消失带电粒子消失30带电粒子带电粒子运动运动BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY1 1、均匀电场中气体的伏安特性、均匀电场中气体的伏安特性2 2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论3 3、气体放电的流注理论、气体放电的流注理论31BEIJING JIAOTONG UNI

27、VERSITY1 1、均匀电场中气体的伏安特性、均匀电场中气体的伏安特性光照射AV图图1-3 气体中电流和电压的关气体中电流和电压的关系系伏安特性曲线伏安特性曲线图图1-2 测定气体中电测定气体中电流的回路示意图流的回路示意图32BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY 当当U U U U0 0nOAOA段：电流随电压升高而段：电流随电压升高而升高升高nABAB段：电流仅取决于外电段：电流仅取决于外电离因素与电压无关离因素与电压无关nBSBS段：电压升高电流增强段：电压升高电流增强但仍靠外电离维持但仍靠外电离维持 ( (非自非自持放电阶段持放电阶段) )当当U U U U0 0n

28、S S点后：电流急剧增加，点后：电流急剧增加，只靠外加电压就能维持只靠外加电压就能维持( (自持放电阶段自持放电阶段) )图图1-3 1-3 气体放电的伏安特性曲线气体放电的伏安特性曲线33BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY由非自持放电转入自持放电的电压称为起始电压由非自持放电转入自持放电的电压称为起始电压如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据气如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据气压、外回路阻抗等条件形成压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电辉光放电、火花放电或电弧放电或电弧放电，而起始电压而起始电压U U0 0也就是间隙的击穿电也就是间隙的击穿电压压U Ub

29、b如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，在小曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，在小曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多。压可能比起始电压高很多。U034BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY气体放电气体放电的现象与发展规律与的现象与发展规律与气体种类气体种类、气压气压大小大小、气隙气隙中的中的电场型式电场型式、电源容量电源容量等一系列因素有关等一系列因素有关。但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致但无论何种

30、气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致电子崩电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。各种高能辐射线（外界电离因素）引起：各种高能辐射线（外界电离因素）引起：阴极表面光电离阴极表面光电离 气体中的空间光电离气体中的空间光电离 因此：气体中存在一定浓度的因此：气体中存在一定浓度的带电粒子。带电粒子。u2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（1）过程过程u1）电子崩的形成）电子崩的形成 35BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY电子崩的形成电子崩的形成 外界电离因素在阴极外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，附近产生了一个初始电子，如果空

31、间电场强度足够大，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电新的碰撞电离，产生更多电子。子。 依此，电子将按照几依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为空间电子流被称为电子崩电子崩。电子数电子数目将按目将按2、4、82n的指数的指数规律增规律增长长为什么？为什么？(a) (a) 电子崩的形成电子崩的形成(b)

32、(b) 带电粒子在电子崩中的分布带电粒子在电子崩中的分布36BEIJING JIAOTONG UNIVERSITYu2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（1）过程过程u2） 过程引起的电流过程引起的电流电子崩的发展过程也称为电子崩的发展过程也称为过程过程 -电子碰撞电离系数：电子碰撞电离系数：一个电子沿着电场方向运动一个电子沿着电场方向运动1cm的行程中所完成的碰的行程中所完成的碰撞电离次数平均值。撞电离次数平均值。 37BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY过程过程 如图为平板电极气隙，如图为平板电极气隙，板内电场均匀，设外界电板内电场均匀，设外界电离因子每秒钟使阴极表面离

33、因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数为发射出来的初始电子数为n n0 0。 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 x处时，处时，电子数已增加为电子数已增加为n n，这，这n n个个电子在电子在dxdx的距离中又会产的距离中又会产生生dndn个新电子。个新电子。均匀电场中的电子崩计算模型均匀电场中的电子崩计算模型38BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY过程引起的电流过程引起的电流均匀电场中的电子崩计算模型均匀电场中的电子崩计算模型ddxxxdxeIIeIIennenndxndndxndnx00000或根据根据的定义：的定义：表明：电

34、子崩电流按指数规律表明：电子崩电流按指数规律随随 极间距极间距离离d d 而增大。而增大。因为一旦除去外界电离因素因为一旦除去外界电离因素( (令令 ) )，放电就会停止。，放电就会停止。-非非自持放电阶段自持放电阶段仅有仅有过程不能维持放电的自持。过程不能维持放电的自持。39BEIJING JIAOTONG UNIVERSITYu2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（1）过程过程u3） 的分析的分析设电子的平均自由行程为设电子的平均自由行程为e e，运动，运动1cm1cm碰撞碰撞1/1/e e。但不是每次碰撞都引起电离，只有电子累积的动能但不是每次碰撞都引起电离，只有电子累积的动能大于分子

35、电离能时，才产生电离，此时电子至少运动大于分子电离能时，才产生电离，此时电子至少运动的距离为的距离为根据第一节公式，实际自由行程长度等于或大于根据第一节公式，实际自由行程长度等于或大于XiXi概率为概率为eixeEUEqWxieii40BEIJING JIAOTONG UNIVERSITYu2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（1）过程过程u3） 的分析的分析根据碰撞电离系数根据碰撞电离系数的定义的定义 ，即可得出：，即可得出：EUeiixeeieieEUxe1141BEIJING JIAOTONG UNIVERSITYu3） 的分析的分析PTeEBPieAPe，BAUAP，则则令令当气温不

36、变时当气温不变时,1由第一节内容可知，电子的平均自由长度由第一节内容可知，电子的平均自由长度式中式中A A、B B是两个与气是两个与气体种类有关的常数。体种类有关的常数。可以看出：可以看出：电场强度电场强度E E增大增大时，时，急剧增大急剧增大；P P很大或很小很大或很小时，时，都比较小都比较小。所以，在所以，在高气压和高真空高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象，具下，气隙不易发生放电现象，具有有较高的电气强度较高的电气强度。42BEIJING JIAOTONG UNIVERSITYu2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论过程过程小结小结所有气体放电都有一个电子碰撞电离导致电子崩所有气体放电

37、都有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段的阶段；电子崩将产生急剧增大的空间电子流；电子崩将产生急剧增大的空间电子流；在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象。在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象。43BEIJING JIAOTONG UNIVERSITYu2、汤逊气体放电理论、汤逊气体放电理论（2） 过程过程u正离子表面电离系数正离子表面电离系数 - -一个正离子在电场作用下由阳极向阴极运动，一个正离子在电场作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面电离的电子数。撞击阴极表面产生表面电离的电子数。空间电离空间电离表面电离表面电离从阴极飞出从阴极飞出n n0 0个电子，到达阳极后，电子数将增加

38、为：个电子，到达阳极后，电子数将增加为：正离子数：正离子数：正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数：正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数：denn0) 1(0denn) 1(0denn44BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY表表 电极空间及气体间隙中电离发展过程电极空间及气体间隙中电离发展过程 个电子进入个电子进入 个电子进入个电子进入 个电子进入个电子进入：形成形成 个正离子个正离子形成形成 个正离子个正离子形成形成 个正离子个正离子：1 1个电子逸出个电子逸出 个电子逸出个电子逸出 个电子逸出个电子逸出：第第1 1周期周期第第2 2周期周期第第3 3周期周期：阳极表面气体间

39、隙中阴极表面(1)dede) 1(de2(1)de(1)ddee22(1)de23(1)de22(1)ddee45BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY（3）自持放电条件（击穿条件）自持放电条件（击穿条件） 由由外电离因素从阴极产生的一个电子消失在阳极前，由外电离因素从阴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为：形成的正离子数为： 正离子消失在阴极时，由正离子消失在阴极时，由过程（表面电离）在阴极上释放出二过程（表面电离）在阴极上释放出二次电子数，即次电子数，即) 1(de如果如果 ，则由，则由过程在阴极上重新产生一个过程在阴极上重新产生一个(或更多或更多)电子

40、，电子，此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展，即转入此时不再需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。1de1(1)1lnded 1) 1(de 因此因此，放电由非自持转入自持的条件为：放电由非自持转入自持的条件为：46BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY（4） 过程和过程和过程同时引起的电流过程同时引起的电流)1(1)1(1)1(000ddddaddadaeeIIeenneennen若分母若分母 ，即使除去了外界电离因，即使除去了外界电离因素（素（I I0 0=0=0），放电也能维持下去。），放电也能维持下去。因此因此过程和过程和过程同时作用过程同时作

41、用，能达到，能达到自持放电自持放电。0) 1(1de47BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY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48BEIJING JIAOTONG UNIVERSITYn电子碰撞电离电子碰撞电离是气体电离的是气体电离的主要原因主要原因；n正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是是维持气体放电的维持气体放电的必要条件必要条件。n阴极逸出电子能否接替起始电子的作用阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是是自自持放电的判据持放电的判据。小结小结汤逊汤逊理论的主要内容理论的主要内容49BEIJING JI

42、AOTONG UNIVERSITY（5）击穿电压和巴申定律）击穿电压和巴申定律u均匀电场气体的击穿电压均匀电场气体的击穿电压Ub=自持放电电压自持放电电压U0u将将 代入代入 可推得：可推得：u这这条曲线称为条曲线称为巴申曲线巴申曲线。EBPAPe1lnd)(,)11ln()(ln)(0pdfUpdApdBUb即50BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY（5）击穿电压和巴申定律）击穿电压和巴申定律 左图给出了空气间隙的左图给出了空气间隙的U Ub b与与pdpd的关系曲线。从图中可的关系曲线。从图中可见，首先，见，首先，U Ub b并不仅仅由并不仅仅由d d决决定，而是定，而是

43、pdpd的函数；其次的函数；其次U Ub b不不是单调函数，而是是单调函数，而是U U型曲线，型曲线，有极小值。有极小值。TPPTTP，dF：Ussb9.2为气体相对密度 )(在气温非恒定下巴申定律：描述了气体的击穿电压巴申定律：描述了气体的击穿电压U Ub b与与pdpd的关系的关系曲线曲线51BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY 巴申定律的实际意义巴申定律的实际意义u从试验曲线上可以看出，存在一个从试验曲线上可以看出，存在一个最小值最小值，总有一个气压，总有一个气压对碰撞电离最有利，此时击穿电压最小；对碰撞电离最有利，此时击穿电压最小；u气压很小时气压很小时，气体稀薄，虽

44、然电子自由行程大，可以得到，气体稀薄，虽然电子自由行程大，可以得到足够的动能，但碰撞总数小，所以击穿电压升高；足够的动能，但碰撞总数小，所以击穿电压升高；u气压很大时气压很大时，电子自由行程变小，得到动能减小，所以击，电子自由行程变小，得到动能减小，所以击穿电压升高；穿电压升高；u故当极间距离故当极间距离d d不变时不变时提高气压或降低气压到真空提高气压或降低气压到真空，都可，都可以以提高气隙的击穿电压提高气隙的击穿电压，这一结论已被工程广泛使用（如：，这一结论已被工程广泛使用（如：压缩空气开关、真空开关等压缩空气开关、真空开关等）52BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY（6

45、）汤逊理论的适用范围）汤逊理论的适用范围u1） 适用范围适用范围 均匀电场，低气压，短间隙（均匀电场，低气压，短间隙（pd值值较小较小- pd200mmHg.cm）u2）局限性）局限性Pd值较大时，解释现象与实际不符：值较大时，解释现象与实际不符： 放电放电时间：很短时间：很短 放电放电外形：具有分支的细通道外形：具有分支的细通道击穿电压击穿电压：与理论计算不一致：与理论计算不一致 阴极阴极材料：材料：无关无关53BEIJING JIAOTONG UNIVERSITYu3、气体放电的流注理论、气体放电的流注理论 气体放电气体放电流注理论仍以电子的碰撞电离流注理论仍以电子的碰撞电离过程为基础，它

46、考虑了高气压、长气隙情况过程为基础，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电的影响，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54BEIJING JIAOTONG UNIVERSITYu3、气体放电的流注理论、气体放电的流注理论（1）二次电子崩）二次电子崩 电子崩头部聚集大部分正离子和电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了全部电子，产生了电场畸变电场畸变；在电场很小的区域，电子和正离在电场很小的区域，电子和正离子浓度最大，子浓度最大，有利于完成复合有利于完成复

47、合；强烈的复合辐射出许多光子，成强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的为引发新的空间光电离辐射源空间光电离辐射源。辐射源向气隙空间各处发射光子辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离。如果光子位于强而引起光电离。如果光子位于强场区，场区，二次电子崩二次电子崩将以更大得多将以更大得多的电离强度向阳极发展，或汇入的电离强度向阳极发展，或汇入崩尾。崩尾。55BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY（2）流注的形成）流注的形成这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的这些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）以及它们不断汇入初新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通

48、道的过程被称为崩通道的过程被称为流注流注。(a)(b)(c)流注理论认为：流注理论认为：在初始阶段，气体放在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度后，某一但当电子崩发展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积聚到初始电子崩的头部积聚到足够数量的足够数量的空间电荷空间电荷，就会引起新的强烈电离和，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，大增强以及发生空间光电离的结果，这时放电即转入新的流注阶段。

49、这时放电即转入新的流注阶段。56BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY（2）流注的形成）流注的形成(a)(b)(c) 流注的特点流注的特点是电离强度很大是电离强度很大，传播速度，传播速度很快（超过初崩很快（超过初崩发展发展速度速度1010倍以上）。倍以上）。 出现流注后放电便获得独立出现流注后放电便获得独立继续继续发展的能力，而不再依赖发展的能力，而不再依赖外外界电离界电离因子的作用可见因子的作用可见出现流注出现流注的条件的条件也就是自持放电条件也就是自持放电条件。 二次崩二次崩的电子进入初崩通道的电子进入初崩通道后，便与正离子群构成了导电的后，便与正离子群构成了导电的等离子通

50、道，一旦等离子通道短等离子通道，一旦等离子通道短接了两个电极，放电即转为火花接了两个电极，放电即转为火花放电或电弧放电。放电或电弧放电。57BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY（2）流注的形成）流注的形成流注形成条件：流注形成条件：初崩头部空间电荷数必须达初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值。到某一临界值。81020ded或常数或常数ded实验研究所得的常数值为实验研究所得的常数值为58BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY（3）流注理论对）流注理论对pd很大时放电现象的解释很大时放电现象的解释u流注理论能够说明汤逊理论无法解释的一系列高气流注理论能够说明汤逊

51、理论无法解释的一系列高气压、长气隙下出现的放电现象：压、长气隙下出现的放电现象：放电时间放电时间二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播，所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。以流注发展非常快。放电外形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。匀，而且具有分支。阴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，而是靠空间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。光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。59BEIJING

52、JIAOTONG UNIVERSITY小小 结结u汤逊理论适用于汤逊理论适用于 均匀电场、低气压、短间隙（均匀电场、低气压、短间隙（pdpd值较小值较小）气体的击穿；）气体的击穿；u流注理论适用于流注理论适用于 均匀电场、大气压、长间隙（均匀电场、大气压、长间隙（pdpd值较大值较大）气体的击穿。）气体的击穿。 以以pd=pd=26.66kPa26.66kPacmcm作为分界参考；作为分界参考；注意：注意：这两种理论各适用一定条件下的放电过这两种理论各适用一定条件下的放电过程，不能用一种理论来代替另一种理论。程，不能用一种理论来代替另一种理论。60BEIJING JIAOTONG UNIVER

53、SITY第二节第二节 小小 结结(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：u以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电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释气场的畸变作用，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；体放电通道的发展过程；u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

54、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，引起空间光电以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注；离质变，电子崩汇合成流注；u流注一旦形成，放电转入自持。流注一旦形成，放电转入自持。61BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY重点问题重点问题1.汤逊放电理论和流注理论的适用范围；汤逊放电理论和流注理论的适用范围；2.汤逊理论描述的电子崩发展过程；汤逊理论描述的电子崩发展过程；3.电子碰撞游离系数电子碰撞游离系数；4.汤逊理论的自持放电条件及其物理解释；汤逊理论的自持放电条件及其物理解释；5.巴申定律及其在实际中的应用；巴申定律及其在

55、实际中的应用；6.流注理论与汤逊理论在考虑放电发展因素上流注理论与汤逊理论在考虑放电发展因素上的不同；的不同；7.流注及其放电的发展过程；流注及其放电的发展过程；8.流注及自持放电的形成条件。流注及自持放电的形成条件。62BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY本节内容提要本节内容提要1 1、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征2 2、极不均匀电场下的电晕放电、极不均匀电场下的电晕放电3 3、极不、极不均匀电场中放电的极性均匀电场中放电的极性效应效应4 4、极不均匀电场下的长、极不均匀电场下的长气隙气隙放电放电前面的汤逊放电理论(短间隙)和流

56、注放电理论(长间隙)都只适用于均匀电场，而电力系统中大多数的带电设备都处在长间隙不均匀电场中，如，变压器高压套管引出线对低压套管及壳；高压输电线对地；实验室的试验变压器高压端对墙等。那么，关于长间隙不均匀电场气体放电的物理过程又是如何发展的呢？63BEIJING JIAOTONG UNIVERSITYu1、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征电场如何区分电场如何区分均匀电场均匀电场 放电达到自持，间隙即被击穿，击穿前看不到放电迹象放电达到自持，间隙即被击穿，击穿前看不到放电迹象稍不均匀电场稍不均匀电场 与均匀电场相似与均匀电场相似极不均匀电场极不均匀电场

57、场强高的空间先发生电晕放电场强高的空间先发生电晕放电为极不均匀电场为极不均匀电场为稍不均匀电场为稍不均匀电场为均匀电场为均匀电场电场不均匀系数电场不均匀系数421maxfffEEfav64BEIJING JIAOTONG UNIVERSITYu2、极不均匀电场下的电晕放电、极不均匀电场下的电晕放电 （1）电晕放电的一般描述）电晕放电的一般描述 极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段。极不均匀电场的自极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段。极不均匀电场的自持放电现象，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值持放电现象，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。越大。（2）电晕起始电压和电晕起

58、始场强）电晕起始电压和电晕起始场强 由于影响因素多，常利用实验方法求取，再利用表面电场强由于影响因素多，常利用实验方法求取，再利用表面电场强度和所加电压的关系推导出计算电晕起始场强度和所加电压的关系推导出计算电晕起始场强Ec的经验公式。的经验公式。 以输电线路导线为例：（皮克公式）以输电线路导线为例：（皮克公式）导线半径导线半径空气相对密度空气相对密度导线表面粗糙系数导线表面粗糙系数rmcmkVrmEc)/()3 . 01 (3065 在在雨、雪、雾天气时，导线表面会出现许多水滴，它们在强电场和雨、雪、雾天气时，导线表面会出现许多水滴，它们在强电场和重力的作用下，将克服本身的表面张力而被拉成锥

59、形，从而使导线表面重力的作用下，将克服本身的表面张力而被拉成锥形，从而使导线表面的电场发生变化，结果在较低的电压和电场强度下就会出现电晕放电。的电场发生变化，结果在较低的电压和电场强度下就会出现电晕放电。BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY（3）电晕放电的利弊）电晕放电的利弊 弊弊：电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。应，都会消耗一定的能量。电晕损耗电晕损耗是超高压输电线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。天气时大

60、得多。 电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现电晕放电中，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所造成的放电脉冲会产生高频电磁波高频电磁波，从而对无线电，从而对无线电和电视广播产生干扰。和电视广播产生干扰。 电晕放电还会产生可闻电晕放电还会产生可闻噪声噪声，并有可能超出环境保护，并有可能超出环境保护所容许的标准。所容许的标准。66BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY（3）电晕放电的利弊）电晕放电的利弊 利利：在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减衰减其幅值和其幅值和降低降低其波前陡度。其波前陡度。 操作过电压