第2章 气体放电的基本物理过程
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Ub f ( pd)
电场不均匀系数 f 的定义为间隙中最大场强 Emax 与平均
场强 Eav 的比值：
f Emax / Eav
均匀电场 f ＝1；稍不均匀电场 f﹤2；极不均匀电场 f ＞4。
电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电 形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压 ，而此时电极表面的场强称为电晕起始场强。
Ea
U d
电晕放电
在极不均匀场中，当电压升高到一定程度后， 在空气间隙完全击穿之前，大曲率电极(高场强电极) 附近会有薄薄的发光层，这种放电现象称为电晕。
电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电 形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压U c ， 而此时电极表面的场强称为电晕起始场强 Ec 。
由上式积分得：
dn n dx
n n0ex /
xi
e 实际自由行程长度等于或大于xi的概率为 e ，
离的概率。
根据碰撞电离系数
的定义，e 即2k可Td 2 p得出：
所以也就是碰撞电
1
xi
e e
1
Ui
e eE
e
e
内容可知，电子的平均自由长度e 与气温T 成正比、与气压 p成反
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。
高电压工程基础
电负性气体的情况
对强电负性气体，除考虑α和γ过程外，还应考虑η过程 （电子附着过程）。η的定义与α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 。
Ecr
ln
2h r
距离为d的两根平行线：Uc
2Ecr
ln
d r
高电压工程基础
（2）电晕放电的危害与对策 危害： 功率损耗、电磁干扰、噪声污染 对策：（限制导线的表面场强 ）
采用分裂导线。 对330kV及以上的线路应采用分裂导线，例如330，500 和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。
气体放电过程中，带电质点除在电场作用下定 向运动，还可能因扩散和复合使带电质点在放 电空间消失。
汤逊理论认为：在低气压 pd 较小的条件下，二次电子
的来源是正离子撞击阴极使阴极表面发生电子逸出。并
引入 系数表示每个正离子从阴极表面平均释放的自由
电子数。
巴申定律 ：出现在汤逊理论之前，总结了击穿电压 与的关系曲线， 即
由于撞击、光电子发射导致阴极表面引起阴极
表面电离，统称为 过程。 为此引入系数 。
2.3 自持放电条件
pd 值较小的情况（汤逊）
（1）汤逊自持放电判据
(ed 1) 1
ed 1
d ln 1
高电压工程基础 Ub f ( pd )
（2）气体击穿的巴申定律
ApdeBpd Ub ln 1
n n0e( )d
对于均匀场： ( )d K 对于非均匀场： ( )dx K
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Eb≈89kV/cm，约为同样条件的 空气间隙的击穿场强的3倍。
高电压工程基础
2.4 不均匀电场中气体放电的特点
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
放电过程不 稳定，分散 属于过渡区
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
半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系
电场不均匀系数：f Emax Ea
从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子 的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散 快得多。
（2）带电质点的复合 带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还
原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光 辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在 一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带 电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复 合率越高。
棒－板间隙的极性效应。
•棒为正极性时，电晕起始电压比负极性时略高； •棒为负极性时，击穿电压较正极性时为高。
一些金属的逸出功
金属
逸出功
铝
1.8
银
3.1
铜
3.9
铁
3.9
氧化铜
5.3
（1）正离子撞击阴极 （3）强场发射
（2）光电子发射 （4）热电子发射
高电压工程基础
气体中负离子的形成
电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着 过程而形成负离子，并释放出能量，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。
高电压工程基础
2.2 放电的电子崩阶段
非自持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）
自持放电 起始电压
外施电压小于U0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。
高电压工程基础
电子崩的形成（BC段电流剧增原因）
电子碰撞电离系数α：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。
dn ndx
x
n n0e0 dx
比，即：
e
kT
2 d 2 p
e
T p
1 eUi E
高电压工程基础
1cm长度内一个电子的 平均碰撞次数为1/λ λ： 电子平均自由行程
碰撞引起电离的概率 碰撞电离的条件 x Ui / E
T
p
ApeBp E
压强p很大或很小时候，气隙都不容易发生放电现象。
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（pd）有关。pd值较小时自持放电的 条件可用汤逊理论来说明；pd值较大时则要用流 注理论来解释。
元素 F Cl Br I
电子亲合能（eV） 3.45 3.61 3.36 3.06
电负性值 4.0 3.0 2.8 2.5
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。
高电压工程基础
带电质点的消失
（1）带电质点的扩散 带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，
ed 1
d ln 1
对于空气间隙：d ln 1 20
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。
（2）光电离
普朗克常数 6.63×10-34J·s
W h
条件： hc
Wi
光子来源
外界高能辐射线
（3）碰撞电离
气体放电本身
1 2
mv2
eEx
Wi
条件：x Ui E
可见提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。
高电压工程基础
（4）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。
（1）崩发展 到足够的程度后，电子崩中的空间电荷 使原电场明显畸变，大大加强了崩头及 崩尾处的电场。
电子崩中电荷密度很 大，所以复合过程频繁， 放射出的光子在崩头或崩 尾强电场区很容易引起光 电离。二次电子的主要来 源是空间的光电离。
高电压工程基础
（2）流注自持放电条件（即形成流注的条件）
Bpd
Ub
ln
Apd ln 1
（3）气体密度对击穿的影响
Ub F ( d )
Ts p 2.9 p
ps T
T
高电压工程基础
pd 值较大的情况（流注）
实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表 明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。
dn dx
n n n0e x
n n0ed
n n n0 n0 (ed 1)
影响碰撞电离的因素
若电子的平均自由行程为 ，则在1cm长度内一个电子的平均碰撞次数
为1 。
设在x=0处有n0个电子沿电力线方向运动，行经距离x时还剩下n个电子未 发生过碰撞，则在到这一距离中发生碰撞的电子数应为
极不均匀电场中放电的极性效应
高电压工程基础
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
小结
气体中电离的方式可分为热电离、光电离、碰撞 电离和分级电离。
电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途径 获得
•正离子撞击阴极 •光电子发射 •强场发射 •热电子发射
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。
气体
N2 O2 CO2 SF6 H2O
电离能 15.5 12.5 13.7 15.6 12.7
激励能 6.1 7.9 10.0 6.8 7.6
高电压工程基础
电极表面的电子逸出
高电压工程基础
极不均匀电场中的电晕放电
（1）电晕放电的起始场强
Ec
30(1
0.3)kV r
/
cm
Ec 30m1m2 (1
0.3 )kV / cm
r
δ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0.8~0.9； 好天气时m2=1，坏天气时m2可按0.8估算。
高度为h的单根导线：Uc
45.72 0
45.72 45
高电压工程基础 （2）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 1－D=0.5mm 2－D=3mm 3－D=16mm 4－D=20mm 虚线－尖-板电极间隙 点划线－均匀场间隙
高电压技术半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系24不均匀电场中气体放电的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ma高电压技术极不均匀电场中的电晕放电1电晕放电的起始场强kvcmkvcm表面粗糙度系数理想光滑导线取1绞线0809
高电压工程基础
第2章 气体放电的基本物理过程
2.1 带电粒子的产生与消失 2.2 放电的电子崩阶段 2.3 自持放电条件 2.4 不均匀电场中放电的极性效应
2.1 带电粒子的产生与消失
气体中电子与正离子的产生
（1）热电离
W 3 kT 2
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K
热力学温度
高电压工程基础
电场不均匀系数 f 的定义为间隙中最大场强 Emax 与平均
场强 Eav 的比值：
f Emax / Eav
均匀电场 f ＝1；稍不均匀电场 f﹤2；极不均匀电场 f ＞4。
电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电 形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压 ，而此时电极表面的场强称为电晕起始场强。
Ea
U d
电晕放电
在极不均匀场中，当电压升高到一定程度后， 在空气间隙完全击穿之前，大曲率电极(高场强电极) 附近会有薄薄的发光层，这种放电现象称为电晕。
电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电 形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压U c ， 而此时电极表面的场强称为电晕起始场强 Ec 。
由上式积分得：
dn n dx
n n0ex /
xi
e 实际自由行程长度等于或大于xi的概率为 e ，
离的概率。
根据碰撞电离系数
的定义，e 即2k可Td 2 p得出：
所以也就是碰撞电
1
xi
e e
1
Ui
e eE
e
e
内容可知，电子的平均自由长度e 与气温T 成正比、与气压 p成反
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。
高电压工程基础
电负性气体的情况
对强电负性气体，除考虑α和γ过程外，还应考虑η过程 （电子附着过程）。η的定义与α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 。
Ecr
ln
2h r
距离为d的两根平行线：Uc
2Ecr
ln
d r
高电压工程基础
（2）电晕放电的危害与对策 危害： 功率损耗、电磁干扰、噪声污染 对策：（限制导线的表面场强 ）
采用分裂导线。 对330kV及以上的线路应采用分裂导线，例如330，500 和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。
气体放电过程中，带电质点除在电场作用下定 向运动，还可能因扩散和复合使带电质点在放 电空间消失。
汤逊理论认为：在低气压 pd 较小的条件下，二次电子
的来源是正离子撞击阴极使阴极表面发生电子逸出。并
引入 系数表示每个正离子从阴极表面平均释放的自由
电子数。
巴申定律 ：出现在汤逊理论之前，总结了击穿电压 与的关系曲线， 即
由于撞击、光电子发射导致阴极表面引起阴极
表面电离，统称为 过程。 为此引入系数 。
2.3 自持放电条件
pd 值较小的情况（汤逊）
（1）汤逊自持放电判据
(ed 1) 1
ed 1
d ln 1
高电压工程基础 Ub f ( pd )
（2）气体击穿的巴申定律
ApdeBpd Ub ln 1
n n0e( )d
对于均匀场： ( )d K 对于非均匀场： ( )dx K
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Eb≈89kV/cm，约为同样条件的 空气间隙的击穿场强的3倍。
高电压工程基础
2.4 不均匀电场中气体放电的特点
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
放电过程不 稳定，分散 属于过渡区
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
半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系
电场不均匀系数：f Emax Ea
从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子 的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散 快得多。
（2）带电质点的复合 带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还
原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光 辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在 一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带 电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复 合率越高。
棒－板间隙的极性效应。
•棒为正极性时，电晕起始电压比负极性时略高； •棒为负极性时，击穿电压较正极性时为高。
一些金属的逸出功
金属
逸出功
铝
1.8
银
3.1
铜
3.9
铁
3.9
氧化铜
5.3
（1）正离子撞击阴极 （3）强场发射
（2）光电子发射 （4）热电子发射
高电压工程基础
气体中负离子的形成
电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着 过程而形成负离子，并释放出能量，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。
高电压工程基础
2.2 放电的电子崩阶段
非自持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）
自持放电 起始电压
外施电压小于U0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。
高电压工程基础
电子崩的形成（BC段电流剧增原因）
电子碰撞电离系数α：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。
dn ndx
x
n n0e0 dx
比，即：
e
kT
2 d 2 p
e
T p
1 eUi E
高电压工程基础
1cm长度内一个电子的 平均碰撞次数为1/λ λ： 电子平均自由行程
碰撞引起电离的概率 碰撞电离的条件 x Ui / E
T
p
ApeBp E
压强p很大或很小时候，气隙都不容易发生放电现象。
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（pd）有关。pd值较小时自持放电的 条件可用汤逊理论来说明；pd值较大时则要用流 注理论来解释。
元素 F Cl Br I
电子亲合能（eV） 3.45 3.61 3.36 3.06
电负性值 4.0 3.0 2.8 2.5
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。
高电压工程基础
带电质点的消失
（1）带电质点的扩散 带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，
ed 1
d ln 1
对于空气间隙：d ln 1 20
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。
（2）光电离
普朗克常数 6.63×10-34J·s
W h
条件： hc
Wi
光子来源
外界高能辐射线
（3）碰撞电离
气体放电本身
1 2
mv2
eEx
Wi
条件：x Ui E
可见提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。
高电压工程基础
（4）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。
（1）崩发展 到足够的程度后，电子崩中的空间电荷 使原电场明显畸变，大大加强了崩头及 崩尾处的电场。
电子崩中电荷密度很 大，所以复合过程频繁， 放射出的光子在崩头或崩 尾强电场区很容易引起光 电离。二次电子的主要来 源是空间的光电离。
高电压工程基础
（2）流注自持放电条件（即形成流注的条件）
Bpd
Ub
ln
Apd ln 1
（3）气体密度对击穿的影响
Ub F ( d )
Ts p 2.9 p
ps T
T
高电压工程基础
pd 值较大的情况（流注）
实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表 明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。
dn dx
n n n0e x
n n0ed
n n n0 n0 (ed 1)
影响碰撞电离的因素
若电子的平均自由行程为 ，则在1cm长度内一个电子的平均碰撞次数
为1 。
设在x=0处有n0个电子沿电力线方向运动，行经距离x时还剩下n个电子未 发生过碰撞，则在到这一距离中发生碰撞的电子数应为
极不均匀电场中放电的极性效应
高电压工程基础
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
小结
气体中电离的方式可分为热电离、光电离、碰撞 电离和分级电离。
电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途径 获得
•正离子撞击阴极 •光电子发射 •强场发射 •热电子发射
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。
气体
N2 O2 CO2 SF6 H2O
电离能 15.5 12.5 13.7 15.6 12.7
激励能 6.1 7.9 10.0 6.8 7.6
高电压工程基础
电极表面的电子逸出
高电压工程基础
极不均匀电场中的电晕放电
（1）电晕放电的起始场强
Ec
30(1
0.3)kV r
/
cm
Ec 30m1m2 (1
0.3 )kV / cm
r
δ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0.8~0.9； 好天气时m2=1，坏天气时m2可按0.8估算。
高度为h的单根导线：Uc
45.72 0
45.72 45
高电压工程基础 （2）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 1－D=0.5mm 2－D=3mm 3－D=16mm 4－D=20mm 虚线－尖-板电极间隙 点划线－均匀场间隙
高电压技术半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系24不均匀电场中气体放电的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ma高电压技术极不均匀电场中的电晕放电1电晕放电的起始场强kvcmkvcm表面粗糙度系数理想光滑导线取1绞线0809
高电压工程基础
第2章 气体放电的基本物理过程
2.1 带电粒子的产生与消失 2.2 放电的电子崩阶段 2.3 自持放电条件 2.4 不均匀电场中放电的极性效应
2.1 带电粒子的产生与消失
气体中电子与正离子的产生
（1）热电离
W 3 kT 2
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K
热力学温度
高电压工程基础