国家电网考试高电压技术2(国网考试)

刷状 放电
电晕放电时，如继续升高电压，从电晕电极伸展出许多明亮 放电通道。
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辉光放电
现象 特点
当气体压强不大，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。
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。
➢ 对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下，
一般是不能直接发生光电离的
(2)撞击电离
撞击电离
电子小， 自由程长，
可以加速 原因
到很大的 速度
电子的质 量小，可 以加速到 很大
电子碰撞电离
产生条件 :
W
1 2
mv 2
势能
Wi
Exqe
势能
碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关。
系数α和 β与气体的性质、密度及场强等因素有关。
4.电子崩的形成 （ 过程 ）
一个起始电子 自电场获得一定动 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 。
举例
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
电弧放电
减小外回路中的阻抗，则电流增大到一定值后，
现象 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。
特点
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
火花放电
现象
在较高气压（例如大气压强）下，击穿后总是 形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙 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
（4）负离子的形成
当电子与气体分子碰撞时，可能会发生电子与 中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程成 为附着。易于产生负离子的气体称为电负性气体。
这个过程有时需要放出能量，有时需吸收能量。
负离子的形成不会改变带电质点的数量，但却 使自由电子数减少，因此对气体放电的发展起抑制 作用。（或有助于提高气体的耐电强度）。如SF6 气体对电子有很强的亲和性，因此具有高电气强度。
如何提高气体 间隙击穿电压
气体 放电
击 穿
沿 面 闪
气体中流通电流的各种形式。
当提高气体间隙上的外施电压而大搞一定数值 后，电流突然剧增，从而气体失去绝缘性能， 气体由绝缘突变为良导体。
击穿过程发生在气体和液体或气体与固体的交界 面上。
一.气体放电的主要形式
辉光 放电
贯穿于整个通道的发光现象。 特点：气压不大，功率小，电流密度小，放电区占据整个空间
火花放电的特征是具
特点 有收细的通道形式，
并且放电过程不稳定
电晕放电
现象
电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场 极不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧 贴电极在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
特点
发生电晕放电时，气 体间隙的大部分尚未 丧失绝缘性能，放电 电流很小，间隙仍能 耐受电压的作用
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自持放电
➢ 当电压达到U0后，气体 中发生了强烈的电离， 电流剧增。同时气体中 电离过程只靠电场的作 用已可自行维持，而不 再继续需要外电离因素 了。因此U0以后的放电 形式也称为自持放电 。
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1 由非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
2
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，而起始电压U0也就是间隙的
2
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。
3 电子的平均自由行程要比分子和离子的大得
多。
4
气体分子密度越大，其中质点的平均自由行 程越小。
4.带电粒子的迁移率
带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断 地发生碰撞，但在电场力的驱动下，仍将沿着电 场方向漂移，其速度u与场强E其比例系数k=u/E， 称为迁移率，它表示该带电粒子单位场强 （1V/m）下沿电场方向的漂移速度。
（5）表面电离
电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸 出功。主要发生在阴极，原因：阳极自由电子不会 向气体中释放。
正离子撞击 阴极表面
热电子发射
4种 形式
光电子发射
强场发射 （冷发射）
二.带电质点的消失
带电质点的消失
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
在热运动的过程中，粒子 会从浓度较大的区域运动 到浓度 较小的区域，从
而使每种粒子的浓度分布 均匀化，这种物理过程叫 扩散
1
带电质点的扩散和气体分子的扩散一样，都是 由于热运动造成，扩散规律也是相似的
2
气体中带电质点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
（3）热电离
因气体热状态引起的电离过程称为热电离
。 Wm
3 2
KT
1 在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离
2
高温下，如发生电弧放电时，气体温度达数千 度，气体分子动能就足以导致明显的碰撞电离
3 高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离
4 在常温下，气体分子发生热电离的概率极小 5 是气体在热状态下光电离和撞击电离的综合
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第二章
气体放电的 物理过程
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
气体中带电质点的产生和消失 气体放电机理 电晕放电 不均匀电场气隙的击穿 雷电放电 气隙的沿面放电
在电场作用下，气隙中带电粒子的形成 和运动过程
气隙中带电粒子是如何形成的？ 气隙中的导电通道是如何形成的？ 气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？
电离过程所需要的能量称为电离能Wi（ev），也可用电 离电位Ui（v）
几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位
气体
N2 O2 H2
激励能We (eV) 6.1 7.9 11.2
电离能Wi (eV) 气体
15.6
CO2
12.5
H2O
15.4
SF6
激励能We (eV) 10.0 7.6 6.8
电离能Wi (eV) 13.7 12.8 15.6
3.电子平均自由行程
E
e
T p
当气体中存在电场时，其中的带电粒子将具有复
杂的运动轨迹，它们一方面与中性的气体粒子（原子 或分子）一样，进行着混乱热运动，另一方面又将沿 着电场作定向漂移。
各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞。一个质点在 每两次碰撞之间自由通过的距离叫自由行程长度。
实际的自由行程是随机量，并有很大的分散性。
3
正、负离子间的复合概率要比离子和电子间 的复合概率大得多。离子间的复合更重要
4 一定空间内带电质点由于复合而减少的速度
决定于其浓度
2.2 气体放电机理
一．气体放电主要形式 二．自持放电与非自持放电 三．汤森德放电理论 四．帕邢定律 五．流注放电理论
§2.2 气体放电机理
气体绝缘要解决的问题
如何选择合适 绝缘距离
单位行程中的碰撞次数Z的倒数λ即为该粒子的平均自 由行程长度。
➢ 由行程的分布： 具有统计性的规律。
x
➢ 质点的自由行程大于x的概率为 f (x) e
➢ 如果起始有n0个质点（或一个质点的相继n0次碰撞），
则其中行过距离x后，尚未被碰撞的质点数（或次数）
n(x)应为
x
n(x) n0e
1
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。
2.1 气体中带电质点的产生和消失
1.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
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
We h
原子能级 以电子伏为单位 1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J
2.原子电离
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程称为原子的电离.
由于电子的平均自由行程长度比离子大得多， 而电子的质量比离子小得多。更易加速，所以电 子的迁移率远大于离子。
一.带电质点的产生
气体中带电质点的来源
气体分子本身 发生电离
气体中固体或液体 金属发生表面电离
电离的几种形式
碰撞 电离
光 电离
热 电离
电子或正 离子与气 体分子
各种光辐 射
高温下气 体中的热 能
n n0 exp 0xdx
对于均匀电场， 不随空间位置而变
n n0ex
相应的电子电流增长规律为
I I0ex
令x＝d，得进入阳极的电子电流，此即外回路中
的电流
I I0ed
5.自持放电条件与表面电离系数γ
如果电压( 电场强度 ）足够大，初始电子崩中的正离子 能在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0 那么即使除去 外界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经 产生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就 能维持下去，这就变成了自持放电。
是 S 的函数。
汤森德气体放电理论
3.引用三个系数来定量的反映三种因素的作用
系数 α
系数 β
系数 γ
表示一个电子 由阴极到阳极 每1cm路程中 与气体质点相 碰撞所产生的 自由电子数
表示一个正离 子由阳极到阴 极每1cm路程 中与气体质点 相碰撞所产生 的自由电子数
表示一个正离 子撞击到阴极 表面时使阴极 逸出的自由电 子数(平均值）
刷状放电
现象
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放电通道。
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。
特点
如电场稍不均匀，则 可能不出现刷状放电 ，而由电放电，如绝缘子闪络
滑闪放电
负离 子
形成
表面 电离
金属
(1)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
➢ 当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条 件，将引起光电离，分解成电子和正离子
h Wi
➢ 光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为
0
hc eU i
1234 Ui
nm
热游离是滑闪放电的重要特征和条件。
33
34
二、非自持放电和自持放电
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非自持放电
➢ 外施电压小于U0时，间隙内 虽有电流，但其数值甚小， 通常远小于微安级，因此气 体本身的绝缘性能尚未被破 坏，即间隙还未被击穿。而 且这时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。
击穿电压Ub
如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自
3 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。
电场不均匀系数
f Emax Eav
Emax 最大电场强度。 Eav 平均电场强度。
Eav
U d
U ——电极间的电压 d—— 极间距离。
在平行板电极均匀电场中 ： n0
n
设最初从阴极表面游离出
n0个初始自由电子（由外界 因素形成）。若n0 ＝１，此 -
x
dx +
电子在电场作用下向阳极运
动，不断撞击游离，到ｘ处
S
时游离出的总电子数为ｎ，
这些电子继续运动dx距离，游离出dn个电子。
dn ndx dn / n dx
若起始为n0个电子，将此式积分，可得电子的增长规律为
稍不均匀电场 f<2
极不均匀电场 f >4
例如： 高压实验中用来测高电压的球 隙、全封闭组合电器中的分相母线筒。
可分为棒-棒间隙和棒-板间隙，例如 架空线的导线-导线，导线-大地。
三. 汤森德气体放电理论
适用条件
低气压、 短 间隙的电场中
S 0.26cm
理论要点
电子碰撞电离和正离子 撞击阴极产生的金属表 面电离是使带电质点激 增，并导致击穿的主要 因素。击穿电压大体上
放
电弧 贯穿于两级的细长明亮通道。
电
放电 特点：较高气压下，电导很大，电压降低。
主
火花 贯通两级的断续明亮的细火花。
要
放电
原因：电流突增，导致外回路阻抗上压降增大，放电间隙电压 降低，火花熄灭；外回路电压降低，放电间隙再形成火花
形
电晕 极不均匀电场中，紧贴电极电场最强出出现的发光层。
式
放电 特点：只在极不均匀电场中出现，且随电压升高发光层扩大。
3 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
三.带电粒子的复合
气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发生电荷 的传递与中和，这种现象称为复合，是与电离相反的
1
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
2
在带电质点复合过程中会发生光辐射，这种光 辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素