2章-气体放电的基本物理过程(2014)PPT课件
合集下载
高电压技术第二章-气体放电
当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离产生出 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(又称为：吸附效应[attachment])。 容易吸附电子形成负离子的 气体称为电负性气体，如氧、氯、 氟、水蒸气和六氟化硫气体等。 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 放电的发展起抑制作用。
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的 行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。 单位行程中的碰撞次数n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太 大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内， 只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘 体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待 电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的 行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。 单位行程中的碰撞次数n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太 大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内， 只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘 体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待 电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
气体放电的物理过程PPT课件
将 的计算式代入自持放电条件
Ap
Bpd
deUb
ln(1
1)
Bpd
击穿电压：
Ub
ln
Apd
ln(11/
)
Ub f1pd
温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压强和电 极13 间距离的乘积pd的函数
• 实验求得均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系
325V
Umin不是出 现在常压 下，而是 出现在低 气压，即 空气相对 密度很小 的情况下。
23
1—主电子崩 2—二次电子崩
3—流注
23
（2） 流注阶段
二次电子崩中的电子进入主电子崩头 部的正空间电荷区（电场强度较小）， 大多形成负离子。大量的正、负带电 质点构成了等离子体，这就是正流注
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，因此流注头 部前方出现了很强的电场
流注头部的电离放射出大量光子，继 续引起空间光电离。流注前方出现新 的二次电子崩，它们被吸引向流注头 部，延长了流注通道
E 电场大大削弱，有助于发
生复合过程，发射出光子 ex 这些光子将导致空间光电离
0
22
E ex
合成电场
dx
光电离的作用：二次电子崩
当电子崩走完整个间 隙后，大密度的头部 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
光子引起空间光电离， 在受到畸变而加强了 的电场中，造成了新 的电子崩，称为二次 电子崩
a 阴极表面二次发射 正离子 电子崩（ 过程）
（ 过程）
当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所 示7 的循环不息的状态，放电就能自己维持下去
• 总结： 1. 将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电
第章-气体放电的基本物理过程-PPT课件
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
半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系
Emax 电场不均匀系数：f Ea
U Ea d
14
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 / cm r
Ec 30m1m2 (1 0.3 )kV / cm r
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 n dx
dx 0 nn e
0
x
dn dx n
n n0e x
n n0e d
n n n0 n0 (ed 1)
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。 8
9
高电压工程基础
影响碰撞电离的因素
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
1
eUi
E
碰撞引起电离的概率 碰撞电离的条件 x Ui / E
T p
Ape Bp E
10
高电压工程基础
2.3 自持放电条件
pd 值较小的情况（汤逊）
高电压技术-第02章-气体放电的物理过程PPT课件
-
5
③ 光电离：
概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生 的电离。
条件：光子能量不小于气体的电离能。
光电子：由光电离产生的自由电子。
光的来源：
➢ 外界自然光（紫外射线、伦琴射线、 射线、宇宙射 线等高能射线）
➢ 气体本身的反激励或复合释放出的光子。
紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光
升了通道的温度，导致热电离； ➢ 整个流注通道转化为火花通道，气隙的击穿完成。
⑤ 负流注的发展速度比正流注慢。
⑥ 概念： 由初崩辐射出的光子，在崩头、崩尾外围空间局部
强场中衍生出二次电子崩并汇合到主崩通道中来，使主 崩通道不断高速向前、后延伸的过程称为流注。
-
22
⑦ 均匀电场形成流注就能自持发展，直至击穿。
电晕层：这个晕光层叫作电晕层或起晕层。
外围区间：电晕层外，场强已较弱，不发生撞击电离。
-
24
电晕产生条件：极间距离对起晕电极表面最小曲率半径 的比值大于一定值。
电晕特性：
➢ 电晕放电是极不均匀电场中的一种自持放电形式； ➢ 电晕放电不能扩展很大，只能局限于电极附近； ➢ 电晕放电有明显的极性效应。
电子能量越大。 激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，
这个过程叫激励。
-
2
激励能：激励所需能量叫激励能 W
，其值等于两轨道能
e
级之差。
电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨 道成为自由电子。原来的中性原子变成一个自由 电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。
电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能 W i 。 反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色
气体放电的基本物理过程
32
波的折射和反射
➢线路末端的折射、反射 o末端开路反射，在反射波所到之处电压提高1 倍，而电流降为0。 o末端短路反射在反射波所到之处电流提高1倍， 而电压降为0。 o末端接集中负载时的折反射当R和z1不相等时， 来波将在集中负载上发生折反射。
➢集中参数等效电路(彼德逊法则)
➢波的多次折射、反射（网格法）
27
会产生较大量的各种烃类气体和H 2 、C O、C O 2 等气 体，因而把这类气体称为故障特征气体。 1. 看特征气体的组分和主次
2. 看特征气体的含量
3. 看特征气体含量随时间的增长率
三比值法
28
工频高电压试验
➢本节主要介绍了工频高电压的产生方法及其 装置。
➢当所需试验电压很高时，常采用串级装置来 产生所需高压。
1. 雷电过电压下的绝缘配合 2. 操作过电压下的绝缘配合 3. 工频绝缘水平的确定 4. 长时间工频高压试验
➢ 架空输电线路绝缘水平的确定
1. 绝缘子串中绝缘子片数的确定 2. 导线对杆塔的空气间距的确定
47
?发电厂变电所中的接地网是集工作接地保护接地和防雷接地为一体的良好接地装置接地的基本概念及原理ppt课件40?产生原理o原理o优点o缺点?影响因素和降压措施o影响过电压的最大值的因素4点o消除或降低操作过电压采取的措施切除空载线路过电压ppt课件41?发展过程o正常合闸的情况o自动重合闸的情况?影响因素和降压措施o合闸相位o线路损耗o线路残余电压的变化空载线路合闸过电压ppt课件42?发展过程?影响因素和限制措施o断路器性能o变压器特性o采用避雷器保护o装设并联电阻切除空载变压器过电压ppt课件43?发展过程?防护措施o采用中性点直接接地方式o采用中性点经消弧线圈接地方式断续接地电弧过电压ppt课件44?绝缘配合的原则与方法o绝缘配合的原则o绝缘配合的方法1多级配合1940以前2惯用法3统计法20世纪70年代以来4简化统计法绝缘配合ppt课件45?变电站电气设备绝缘水平的确定1
波的折射和反射
➢线路末端的折射、反射 o末端开路反射，在反射波所到之处电压提高1 倍，而电流降为0。 o末端短路反射在反射波所到之处电流提高1倍， 而电压降为0。 o末端接集中负载时的折反射当R和z1不相等时， 来波将在集中负载上发生折反射。
➢集中参数等效电路(彼德逊法则)
➢波的多次折射、反射（网格法）
27
会产生较大量的各种烃类气体和H 2 、C O、C O 2 等气 体，因而把这类气体称为故障特征气体。 1. 看特征气体的组分和主次
2. 看特征气体的含量
3. 看特征气体含量随时间的增长率
三比值法
28
工频高电压试验
➢本节主要介绍了工频高电压的产生方法及其 装置。
➢当所需试验电压很高时，常采用串级装置来 产生所需高压。
1. 雷电过电压下的绝缘配合 2. 操作过电压下的绝缘配合 3. 工频绝缘水平的确定 4. 长时间工频高压试验
➢ 架空输电线路绝缘水平的确定
1. 绝缘子串中绝缘子片数的确定 2. 导线对杆塔的空气间距的确定
47
?发电厂变电所中的接地网是集工作接地保护接地和防雷接地为一体的良好接地装置接地的基本概念及原理ppt课件40?产生原理o原理o优点o缺点?影响因素和降压措施o影响过电压的最大值的因素4点o消除或降低操作过电压采取的措施切除空载线路过电压ppt课件41?发展过程o正常合闸的情况o自动重合闸的情况?影响因素和降压措施o合闸相位o线路损耗o线路残余电压的变化空载线路合闸过电压ppt课件42?发展过程?影响因素和限制措施o断路器性能o变压器特性o采用避雷器保护o装设并联电阻切除空载变压器过电压ppt课件43?发展过程?防护措施o采用中性点直接接地方式o采用中性点经消弧线圈接地方式断续接地电弧过电压ppt课件44?绝缘配合的原则与方法o绝缘配合的原则o绝缘配合的方法1多级配合1940以前2惯用法3统计法20世纪70年代以来4简化统计法绝缘配合ppt课件45?变电站电气设备绝缘水平的确定1
第二章 气体放电的物理过程
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
原子的能量
动能：取决于原子的质量和运动速度。 位能：取决于其中电子的能量。当 电子从其正常轨道上跃迁到能量更高 的轨道上时，原子的位能也相应增加。
能级：根据原子中电子的能量状态， 原子具有一系列可取的确定的位能， 称为原子的能级。
原子的正常状态相当于最低的能级。
高电压技术
气体放电研究概述
高电压技术
气体放电研究概述
Townsend利用气体放电管观察并描述了在低气压（约104帕以下）均匀电场 的间隙中通过间隙的电流随着间隙两端的电压的增加的变化曲线如图所示。
汤 生 放 电 区 域 的 伏 安 特 性
高电压技术
气体放电的主要形式
1、辉光放电（击穿状态）
（1）条件：低气压，均匀电场 （2）特点：电流密度小，放电
光子的能量：
光
W hv 式中 h—普朗克常数
电 产生光电离的必要条件：
离
hv Wi
或 hc
Wi
式中 λ—光的波长 C—光速 Wi—气体的电离能
光子的来源：
可来源于外界，也可由气体放电过程本身产生
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
实质：由热状态引起，热状态下碰撞游离和光游
热
离的综合。
区域占据整个电极空间。
2、火花放电 （击穿状态）
（1）条件：高气压 （2）特点：明亮的火花，火花
向对面电极伸展或贯通两 级，发光放电通道收细。 火花会瞬时熄灭后又突然 发生，放电过程不稳定
高电压技术
气体放电的主要形式
3、电晕放电（气隙没有击穿，局部自持放电） 4、刷状放电
负极性电晕下，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，称为刷状放电 ； 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 如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转 入击穿
2.1 带电粒子的产生和消失
原子的能量
动能：取决于原子的质量和运动速度。 位能：取决于其中电子的能量。当 电子从其正常轨道上跃迁到能量更高 的轨道上时，原子的位能也相应增加。
能级：根据原子中电子的能量状态， 原子具有一系列可取的确定的位能， 称为原子的能级。
原子的正常状态相当于最低的能级。
高电压技术
气体放电研究概述
高电压技术
气体放电研究概述
Townsend利用气体放电管观察并描述了在低气压（约104帕以下）均匀电场 的间隙中通过间隙的电流随着间隙两端的电压的增加的变化曲线如图所示。
汤 生 放 电 区 域 的 伏 安 特 性
高电压技术
气体放电的主要形式
1、辉光放电（击穿状态）
（1）条件：低气压，均匀电场 （2）特点：电流密度小，放电
光子的能量：
光
W hv 式中 h—普朗克常数
电 产生光电离的必要条件：
离
hv Wi
或 hc
Wi
式中 λ—光的波长 C—光速 Wi—气体的电离能
光子的来源：
可来源于外界，也可由气体放电过程本身产生
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
实质：由热状态引起，热状态下碰撞游离和光游
热
离的综合。
区域占据整个电极空间。
2、火花放电 （击穿状态）
（1）条件：高气压 （2）特点：明亮的火花，火花
向对面电极伸展或贯通两 级，发光放电通道收细。 火花会瞬时熄灭后又突然 发生，放电过程不稳定
高电压技术
气体放电的主要形式
3、电晕放电（气隙没有击穿，局部自持放电） 4、刷状放电
负极性电晕下，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，称为刷状放电 ； 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 如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转 入击穿
气体放电的基本物理过程63页PPT
气体分子平均动能与分子温度的关系：
W 3 kT 2
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K
热力学温度
常温下(T=300K)，不足以引起空气的热电离；当发生电弧放电 时，气体温度达到数千度以上，可以导致碰撞电离。
热电离实质上是热状态产生的碰撞电离和光电离的综合。
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We 。
铝
1.8
银
3.1
铜
3.9
铁
3.9
氧化铜
5.3
2、电极表面的电子逸出
激励能 6.1 7.9 10.0 6.8 7.6
高电压工程基础
（4）分级电离 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。
从绝缘的观点看，潘宁效应是很不利的；但在气体放电应用 中，如在电光源和激光技术中，则常常利用潘宁效应。
功率很小时，放电充满整个间隙。
火花放电：大气压下，电源功率很小时，间 隙间歇性击穿，放电通道细而明亮时断时续。
电弧放电：大气压下，电源功率较大时，放 电具有明亮、持续的细致通道。
电晕放电：极不均匀电场中，高电场强度电 极附近出现发光薄层。
刷状放电：由电晕电极伸出的明亮而细的断 续的放电通道。
内绝缘 一般由固体电介质和液体电介质联合构成
高电压工程基础
研究气体放电的目的： 了解气体在高电压(强电场)作用下逐步由电介
质演变成导体的物理过程。 掌握气体介质的电气强度及其提高方法。
电气设备中常用的气体介质： 空气、压缩的高电气强度气体(如SF6)
高电压技术-第02章-气体放电的物理过程
第2章 气体放电的物理过程
2.1 气体中带电质点的产生和消失 2.2 气体放电机理 2.3 电晕放电 2.4 不均匀电场气隙的击穿 2.5 雷电放电 2.6 气隙的沿面放电
2.1 气体中带电质点的产生和消失
1、气体中带电质点的产生： 纯净中性气体不导电，只有气体中出现带电质点后
才能导电，并在电场作用下发展成放电现象。 ① 基本概念： 玻尔理论：原子周围的电子按规律跃迁时，轨道越远，
域，从而使带电质点在空间各处浓度趋于平均的过程。 扩散是由杂乱的热运动造成的，与电场力无关，电
子扩散速度比离子快。 ③ 复合：
带有异号电荷质点相遇，还原为中性质点的过程称 为复合。
复合时，电离吸收的能量以光子形式放出。复合由 电场力作用，电子快，所以复合几率小，总是先变成负 离子再复合。
1、概述： ① 电子崩：
系数 ：1 个正离子撞击阴极表面，逸出的平均自由电 子数。
② n 0 为1，位置为阴极附近。
S
n0 n
x
dx
过程： dnndx dn dx lnnx nexes
n
S 路程上撞击电离出 e s 1 个正离子。 过程：可以忽略不计。
过程： e s 1 个正离子撞击阴极，电离出 es 1个电子。
2、气体中带电质点的消失： 气体中带电质点消失的方式有三种：中和、扩散、
复合。 ① 中和：
带电质点在电场力作用下，宏观上沿电场作定向运 动。带电质点受电场力作用而流入电极，中和电量。
由于电子质量和直径比离子小很多，加速情况和碰 撞情况也大不相同，电子迁移率比离子大两个数量级。
② 扩散： 扩散指质点从浓度较大的区域扩散到浓度较小的区
⑤ 表面电离： 概念：由金属表面逸出电子的电离形式。 逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。 电离形式： ➢ 二次发射：用有足够能量的质点撞击金属表面。 ➢ 光电子发射：用短波光照射金属表面。 ➢ 热电子发射：加热金属电极。 ➢ 强场发射：在电极附近加强电场从电极拉出电子。
2.1 气体中带电质点的产生和消失 2.2 气体放电机理 2.3 电晕放电 2.4 不均匀电场气隙的击穿 2.5 雷电放电 2.6 气隙的沿面放电
2.1 气体中带电质点的产生和消失
1、气体中带电质点的产生： 纯净中性气体不导电，只有气体中出现带电质点后
才能导电，并在电场作用下发展成放电现象。 ① 基本概念： 玻尔理论：原子周围的电子按规律跃迁时，轨道越远，
域，从而使带电质点在空间各处浓度趋于平均的过程。 扩散是由杂乱的热运动造成的，与电场力无关，电
子扩散速度比离子快。 ③ 复合：
带有异号电荷质点相遇，还原为中性质点的过程称 为复合。
复合时，电离吸收的能量以光子形式放出。复合由 电场力作用，电子快，所以复合几率小，总是先变成负 离子再复合。
1、概述： ① 电子崩：
系数 ：1 个正离子撞击阴极表面，逸出的平均自由电 子数。
② n 0 为1，位置为阴极附近。
S
n0 n
x
dx
过程： dnndx dn dx lnnx nexes
n
S 路程上撞击电离出 e s 1 个正离子。 过程：可以忽略不计。
过程： e s 1 个正离子撞击阴极，电离出 es 1个电子。
2、气体中带电质点的消失： 气体中带电质点消失的方式有三种：中和、扩散、
复合。 ① 中和：
带电质点在电场力作用下，宏观上沿电场作定向运 动。带电质点受电场力作用而流入电极，中和电量。
由于电子质量和直径比离子小很多，加速情况和碰 撞情况也大不相同，电子迁移率比离子大两个数量级。
② 扩散： 扩散指质点从浓度较大的区域扩散到浓度较小的区
⑤ 表面电离： 概念：由金属表面逸出电子的电离形式。 逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。 电离形式： ➢ 二次发射：用有足够能量的质点撞击金属表面。 ➢ 光电子发射：用短波光照射金属表面。 ➢ 热电子发射：加热金属电极。 ➢ 强场发射：在电极附近加强电场从电极拉出电子。
第二章 气体放电的物理过程
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
原子的激励与电离 激励（轨道跃迁） 原子的一个或若干个电子 转移到离核较远的轨道上去， 所需能量称为激励能We 电离
电子跃迁到最外层轨道之外， 脱离原子核的束缚，成为自由 电子。所需能量称为激励能Wi
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
带电粒子的产生方式
碰撞电离 光电离 热电离 阴极表面电离
第二章 气体放电 的 物理过程
2.1 气体中带电质点的产生和消失 2.2 气体放电机理 2.3 电晕放电 2.4 不均匀电场气隙的击穿 2.5 雷电放电 2.6 沿面放电
高电压技术
气体放电研究概述
※ 从对气体放电现象的最初认识到开始认真研究气体
放电现象几乎伴随着电学的整个发展历史。 ※ 用于研究气体放电的实验装置气体放电管的发明使 人们认识到了阴极射线，并由此发现了电子，解开 了原子结构的秘密，促进了原子物理的发展。
高电压技术
Townsend气体放电理论
设
n0 =1，则抵达阳极的电子数应为： n ed
新增加的电子数为： n ed 1 即为正离子数目
自持放电条件
e 1 1
ad
利用高速示波器可以测出放电发展过程中的电流变化。电流的周期性 变化说明间隙中电离、阴极发射电子等一次次的循环。不满足自持条件时
定义为一个正离子撞击阴极表面时平均从 阴极表面逸出的电子数（二次电子发射）。
与电极材料和 离子能量有关
高电压技术
Townsend气体放电理论
Townsend对放电管放电伏安特性的解释
1. 在 T0 区域，三个系数均为零，电流仅是由外界电离 因素引起的。 2. 在T1 区域，出现了α 过程， α 过程使电流按照指数规
第2章 气体放电的物理过程
均匀的、不稳定的流注性质的自持放电，如图2-3-3 所示。
图2-3-2 导线上流注性质的电晕
二. 电晕放电效应
（1）伴随着电离、复合、激励、反激励等过程而有 声、光、热等效应，表现是发出“丝丝”的声音，蓝色 的晕光以及使周围气体温度升高等。
阴极表面电离
放电过程
气体空间电离
气体中的自由电子
在电场中加速
碰撞电离
电子崩（α）过 程
阴极表面二次发
射 (γ过程）
正离子
图 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程
帕邢定律
Ub = f (δ ⋅S)
50 30 Ub(kV) 20 10
δ = P ⋅ Ts = 2.9 P
T Ps
T
5 3 2 1
0.5 0.3 0.2
电压再提高,刷状放电中的个别光束突发的前伸,形 成明亮的火花通道到达对面电极,气隙被就击穿了.当 电源功率足够时,火花击穿迅速的转变成电弧。
（三）电场不均匀系数
f = E max E av
式中， Emax 最大电场强度； Eav 平均电场 强度。
E av
=
U d
式中， U ——电极间的电 压；
d—— 极间距离。
0.1 0.10.20.30.51 2 3 5 10 20 30 50 100 300
1000 δS
图2-2 均匀电场中空气的帕邢曲线
帕邢定律：在均匀的电场中，击穿电压 Ub与气体的 相对密度 δ 、极间距离S的积有函数关系，只要 δ ⋅ S 的乘积不变，U b 也就不变。
汤森德放电机理的不足：
继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生出更 多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不断增 多，像雪崩似的发展,这种急剧增大的空间电流被称为 电子崩。
图2-3-2 导线上流注性质的电晕
二. 电晕放电效应
（1）伴随着电离、复合、激励、反激励等过程而有 声、光、热等效应，表现是发出“丝丝”的声音，蓝色 的晕光以及使周围气体温度升高等。
阴极表面电离
放电过程
气体空间电离
气体中的自由电子
在电场中加速
碰撞电离
电子崩（α）过 程
阴极表面二次发
射 (γ过程）
正离子
图 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程
帕邢定律
Ub = f (δ ⋅S)
50 30 Ub(kV) 20 10
δ = P ⋅ Ts = 2.9 P
T Ps
T
5 3 2 1
0.5 0.3 0.2
电压再提高,刷状放电中的个别光束突发的前伸,形 成明亮的火花通道到达对面电极,气隙被就击穿了.当 电源功率足够时,火花击穿迅速的转变成电弧。
（三）电场不均匀系数
f = E max E av
式中， Emax 最大电场强度； Eav 平均电场 强度。
E av
=
U d
式中， U ——电极间的电 压；
d—— 极间距离。
0.1 0.10.20.30.51 2 3 5 10 20 30 50 100 300
1000 δS
图2-2 均匀电场中空气的帕邢曲线
帕邢定律：在均匀的电场中，击穿电压 Ub与气体的 相对密度 δ 、极间距离S的积有函数关系，只要 δ ⋅ S 的乘积不变，U b 也就不变。
汤森德放电机理的不足：
继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生出更 多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不断增 多，像雪崩似的发展,这种急剧增大的空间电流被称为 电子崩。
高电压课件 第二章 气体放电的物理过程
第二章气体放电的物理过程2-1 气体中带电质点的产生和消失一、气体中带电质点的产生纯净的中性状态的气体是不导电的，只有在气体中出现了带电质点（电子、离子等）以后，才可能导电，并在电场的作用下，发展成各种形式的气体放电现象。
气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生；二是气体中的固体或液体金属表面发生电离。
下面讨论各种形式的电离：1．撞击电离撞击电离乃是两个质点在接近时通过复杂的电磁力相互作用，达到两者之间发生能量转换的结果，这就需要一定的相互作用的时间和条件。
一般来说，撞击体的动能愈大，造成电离的概率也愈大，但超过一定速度的电子，其速度进一步增大时，其撞击电离的概率反而逐渐减小，这是因为当相对速度很大时，相撞击的两个质点相互作用的延续时间很短，可能来不及完成能量转换的缘故。
当不存在电场时，质点的动能只能是该质点的热运动所固有的动能，只有当气体的温度升高到足够高，使部分气体质点热运动的动能超过该气体质点的电离能时，才能发生电离。
当存在电场时，带电质点受电场力的作用，在电场方向得到加速，积聚动能，但如果中途遇到别的质点碰撞，就会失去已积聚的动能。
正、负离子的体积比电子大得多，它们的运动和碰撞并不能造成电离；而电子与别的质点相邻两次碰撞之间的平均自由程比离子大得多，在电场的作用下，积聚足够的动能后再与其他质点碰撞的概率比离子大得多。
所以，在电场中，造成撞击电离的主要因素是电子。
2．光电离辐射的能量以不连续的光子的形式发出，光子的能量与光的波长有关，波长越短，能量越大。
例宇宙线，γ线，x线，短波长紫外线具有较强的电离能量。
由光电离产生的电子称为光电子。
光电离在气体放电中起着很重要的作用。
3．热电离由气体的热状态造成的电离称为热电离。
热电离实质上是由热状态产生的撞击电离和光电离的综合。
一般气体开始有较明显热电离的启示温度为103K数量级。
在电力系统中，热电离的典型例子是电弧。
4．表面电离①逸出功：电极发射电子所需的能量，与电极材料及表面状态有关。
2气体放电的基本物理过程
二次电子发射 实验表明：二次电子的产生机机制与气 压p与间隙距离d的乘积pd有关 pd较小时，用汤森理论（Townsend Theory） pd值较大时，流注理论Streamer Theory） 分界线：大约260kPa. mm（1atm=0.1MPa ）
？标准大气压下的间隙距离是多少
2.1.4 带电质点的消失 回路电流
• 在电场作用下定向运动，消失于电极中
扩散
• 由于分子的热运动，带电质点由浓度高的区 域移向浓度低的区域
复合
• 在一定条件下异性带电质点相遇中和还原为 中性质点 • 浓度越高则符合率越高
2.2 放电的电子崩阶段
对于一均匀电场，假设在外电离因素作用下，间 隙中的气体含有微量的带电质点。随着外加电压的 变化，间隙中的放电具有不同的特点 图2－3曲线
气体绝缘的优点
最为常见 不存在老化问题 具有完全的绝缘自恢复特性
2.1 带电质点的产生与消失
由于射线作用（宇宙射线、放射性物质），气 体中会产生微弱的电离，从而产生少量的带电 质点
标准大气条件下，空气中约有500～1000对/cm3
电离（游离）
电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子 的过程
2.3.2 pd值较大时的情况 (流注理论)
汤森理论的局限性
实际发生的气体放电与阴极材料无关 实测的放电时延远远小于正离子穿过整个间隙撞击 阴极表面产生二次电子所需的时间 放电发展速度更快，电离更强，放电并不全沿着电 场方向发展，常常会出现曲折的分支
1940年，H．Raether等人提出了流注理论
U
，代入上式，得 ： Ap e 由此可知，对于p来说，α存在最大值
E
？标准大气压下的间隙距离是多少
2.1.4 带电质点的消失 回路电流
• 在电场作用下定向运动，消失于电极中
扩散
• 由于分子的热运动，带电质点由浓度高的区 域移向浓度低的区域
复合
• 在一定条件下异性带电质点相遇中和还原为 中性质点 • 浓度越高则符合率越高
2.2 放电的电子崩阶段
对于一均匀电场，假设在外电离因素作用下，间 隙中的气体含有微量的带电质点。随着外加电压的 变化，间隙中的放电具有不同的特点 图2－3曲线
气体绝缘的优点
最为常见 不存在老化问题 具有完全的绝缘自恢复特性
2.1 带电质点的产生与消失
由于射线作用（宇宙射线、放射性物质），气 体中会产生微弱的电离，从而产生少量的带电 质点
标准大气条件下，空气中约有500～1000对/cm3
电离（游离）
电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子 的过程
2.3.2 pd值较大时的情况 (流注理论)
汤森理论的局限性
实际发生的气体放电与阴极材料无关 实测的放电时延远远小于正离子穿过整个间隙撞击 阴极表面产生二次电子所需的时间 放电发展速度更快，电离更强，放电并不全沿着电 场方向发展，常常会出现曲折的分支
1940年，H．Raether等人提出了流注理论
U
，代入上式，得 ： Ap e 由此可知，对于p来说，α存在最大值
E
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
-
1
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。
可见光不能使气体直接发生光电离！x,γ射线才能
使其发生光电离。
光电离在气体介质放电过程中很重要！ (正负离子的复合产生光子—流注放电）
光的来源：自然界、人为-照射、气体放电过程 9
（3）碰撞电离 带电粒子在电场中获得动能:
1mv2 2
eEx
Wi
条件：x Ui E
一个重要概念：自由行程---两次碰撞间质点行经的距离， 一般用λ表示。平均自由行程用 表示。
-
17
➢ 气体中负离子的形成
自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果
情况一
电子碰撞中性的分子或原子
发生电离 产生自由电子
情况二 电子碰撞中性的分子或原子
情况三 电子碰撞中性的分子或原子
形成了负离子
能量不足，撞 击后反弹回来
未产生自由电子ຫໍສະໝຸດ 没发生电离，也没被反
弹回来
-
被中性的分子捕捉
，成为自己的束缚
7
产生热游离的条件：
3 2
KT
Wi
W i ：气体分子的电离能
• 随着温度升高气体分子动能增加引起的碰 撞电离
• 高温下高能热辐射光子引起的光电离
-
8
（2）光电离
光辐射引起气体分子的电离；光子能量:
普朗克常数 6.63×10-34J·s
W h
光电离条件： hv≥Wi 或λ≤hc/Wi
式中 λ——光的波长，m； c——光速 Wi ——气体的电离能，eV。 v ——为频率
子，使其逸出金属 正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子 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。
② 光电子发射（光电效应）
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。
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
-
16
③ 热电子发射
铁 (Fe)
3.9
氧化铜 (CuO)
5.3
铜 (Cu)
3.9
铯 (Cs)
0.7
与表1-1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。 15
电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式
① 正离子撞击阴极表面 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
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。 -
14
➢ 电极表面的电子逸出
电极表面电离——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。
金属
铝 (Al ) 银 (Ag)
逸出功 (eV)
1.8 3.1
金属 逸出功 (eV)
金属
逸出功 (eV)
因此，在分析气体放电发展时，只考虑电子引起的碰撞电离。
-
11
（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。
激励能We
外界因素
一个概念---激励：原子中的电子
更高能级的外层轨道
跃迁
可能发生激励的条件：Wi>W≥We 激励态不稳定：10-8s
-
10
需要注意的两点! 1) 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。
2) 碰撞电离主要是由电子引起的，离子引起的碰撞电离概率 要比电子引起的小得多。
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。
2）电子质量比离子小的多，易产生弹性碰撞,发生非电 离碰撞后几乎不损失能量，更容易积累能量。
➢ 气体中电子与正离子的产生
外界能量
电离： 电子脱离原子核
自由电子、正离子
此过程需要能量
电离能 Wi 电离电位 Ui=Wi/e
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。
-
6
（1）热电离
-
2
变压器相间绝缘以气体作为绝 缘材料
输电线路以气体作为绝缘材料
-
3
返回
气体绝缘的优点：
不存在老化问题 完全的绝缘自恢复特性 理论体系较完善
-
4
• 在电气设备中: 外绝缘: 一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)
联合构成 内绝缘: 一般由固体介质和液体介质联合构成
-
5
2.1 带电粒子的产生与消失
气体分子的平均动能与温度的关系
W 3 kT 2
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K
热力学温度
室温下：气体分子的平均
动能10-2eV 数量级
只有在电弧放电产生的高温条 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。 -
亚稳激励态：10-4~10-5s
-
12
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
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
在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。 ④ 强场发射（冷发射）
当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级）， 能使阴极发射电子。
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；真空中更起着决定性作用。
对绝缘不利，但可有其他应用！
-
13
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：
⑴ 激励+电离
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
发生电离，产生带电粒子
⑵ 直接电离
再次吸收能量
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；
电子
18
附着——自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子 相结合而形成负离子的过程。
负离子形成过程的特点
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
-
1
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。
可见光不能使气体直接发生光电离！x,γ射线才能
使其发生光电离。
光电离在气体介质放电过程中很重要！ (正负离子的复合产生光子—流注放电）
光的来源：自然界、人为-照射、气体放电过程 9
（3）碰撞电离 带电粒子在电场中获得动能:
1mv2 2
eEx
Wi
条件：x Ui E
一个重要概念：自由行程---两次碰撞间质点行经的距离， 一般用λ表示。平均自由行程用 表示。
-
17
➢ 气体中负离子的形成
自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果
情况一
电子碰撞中性的分子或原子
发生电离 产生自由电子
情况二 电子碰撞中性的分子或原子
情况三 电子碰撞中性的分子或原子
形成了负离子
能量不足，撞 击后反弹回来
未产生自由电子ຫໍສະໝຸດ 没发生电离，也没被反
弹回来
-
被中性的分子捕捉
，成为自己的束缚
7
产生热游离的条件：
3 2
KT
Wi
W i ：气体分子的电离能
• 随着温度升高气体分子动能增加引起的碰 撞电离
• 高温下高能热辐射光子引起的光电离
-
8
（2）光电离
光辐射引起气体分子的电离；光子能量:
普朗克常数 6.63×10-34J·s
W h
光电离条件： hv≥Wi 或λ≤hc/Wi
式中 λ——光的波长，m； c——光速 Wi ——气体的电离能，eV。 v ——为频率
子，使其逸出金属 正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子 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。
② 光电子发射（光电效应）
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。
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
-
16
③ 热电子发射
铁 (Fe)
3.9
氧化铜 (CuO)
5.3
铜 (Cu)
3.9
铯 (Cs)
0.7
与表1-1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。 15
电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式
① 正离子撞击阴极表面 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
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。 -
14
➢ 电极表面的电子逸出
电极表面电离——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。
金属
铝 (Al ) 银 (Ag)
逸出功 (eV)
1.8 3.1
金属 逸出功 (eV)
金属
逸出功 (eV)
因此，在分析气体放电发展时，只考虑电子引起的碰撞电离。
-
11
（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。
激励能We
外界因素
一个概念---激励：原子中的电子
更高能级的外层轨道
跃迁
可能发生激励的条件：Wi>W≥We 激励态不稳定：10-8s
-
10
需要注意的两点! 1) 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。
2) 碰撞电离主要是由电子引起的，离子引起的碰撞电离概率 要比电子引起的小得多。
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。
2）电子质量比离子小的多，易产生弹性碰撞,发生非电 离碰撞后几乎不损失能量，更容易积累能量。
➢ 气体中电子与正离子的产生
外界能量
电离： 电子脱离原子核
自由电子、正离子
此过程需要能量
电离能 Wi 电离电位 Ui=Wi/e
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。
-
6
（1）热电离
-
2
变压器相间绝缘以气体作为绝 缘材料
输电线路以气体作为绝缘材料
-
3
返回
气体绝缘的优点：
不存在老化问题 完全的绝缘自恢复特性 理论体系较完善
-
4
• 在电气设备中: 外绝缘: 一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)
联合构成 内绝缘: 一般由固体介质和液体介质联合构成
-
5
2.1 带电粒子的产生与消失
气体分子的平均动能与温度的关系
W 3 kT 2
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K
热力学温度
室温下：气体分子的平均
动能10-2eV 数量级
只有在电弧放电产生的高温条 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。 -
亚稳激励态：10-4~10-5s
-
12
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
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
在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。 ④ 强场发射（冷发射）
当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级）， 能使阴极发射电子。
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；真空中更起着决定性作用。
对绝缘不利，但可有其他应用！
-
13
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：
⑴ 激励+电离
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
发生电离，产生带电粒子
⑵ 直接电离
再次吸收能量
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；
电子
18
附着——自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子 相结合而形成负离子的过程。
负离子形成过程的特点