(完整word版)简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程
高电压课后选题答案
第一章1-1简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程，电离因素以及自持放电条件的观点有何不同？并说明这两种理论各自的适用范围.汤逊理论:电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。
电离的主要因素是空间碰撞电离。
正离子碰撞阴极导致的表面电离是自持放电的必要条件。
适用范围，均匀场、低气压、短气隙( Pd<27kPa.cm )流注理论：空间的光电离是气体放电的主要原因。
电离的主要因素是空间的光电离。
流注理论自持放电条件:间隙中一旦出现流注，放电就可以由空间光电离自行维持。
适用范围，高气压、长气隙( Pd>27kPa. cm )1-4试分析极间距离相同的正极性棒-板与负极性棒-板自持放电前·后的气体放电的差异。
自持放电前的阶段（电晕放电阶段）正极性“棒—板”：因棒极带正电位，电子崩中的电子迅速进入棒极，正离子暂留在棒极附近，这些空间电荷削弱了棒极附近的电场而加强了外部空间的电场，阻止了棒极附近流注的形成，使得电晕起始电压有所提高负极性“棒—板”：因棒极带负电位，电子崩中电子迅速向板极扩散，正离子暂留在棒极附近，这些空间电荷加强了棒极附近的电场而消弱了外部空间的电场，使得棒极附近流注容易形成，降低了电晕起始电压电晕放电电压：正极性“棒—板”〉负极性“棒—板”自持放电后的阶段（击穿放电阶段）正极性棒—板：当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区逐步向板极推进，流注发展是顺利持续的，直至气隙被击穿，其击穿电压较低负极性棒—板：当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，流注发展是逐步顿挫的，整个气隙的击穿是不向外扩展，流注发展是逐步顿挫的，整个气隙的击穿是不顺利的，其击穿电压比正极性时高得多，击穿完成时间也要长得多击穿放电电压：正极性“棒—板”〈负极性“棒—板”1-5试对极间距离相同的正极性棒-板·负极性棒-板·板-板·棒-棒四种电极分布的气隙直流放电电压进行排序？并简述这种排序的原因。
3 汤逊放电理论
n = n0 e
ax
抵达阳极的电子数 抵达阳极的电子数 阳极
na = n0 e ad
α过程引起的电流 1. α过程引起的电流
n = n0 ea x的两边都乘以电子电荷及电极的面积，得 的两边都乘以电子电荷及电极的面积， 将
到相应的电子电流增长的规律为： 到相应的电子电流增长的规律为： I = I 0 ea x 式中， 外电离因素引起的起始光电流； 式中，0------外电离因素引起的起始光电流； 外电离因素引起的起始光电流 I 则外回路中的电流为： 则外回路中的电流为： I = I 0 ea d ●对上式的分析： 对上式的分析： 在仅有α 过程时， ①在仅有 过程时，若 I 0 = 0 ，则 I = 0 。也即去掉外电离 因素，放电随即停止，该放电是非自持放电。 因素，放电随即停止，该放电是非自持放电。 不变的情况下（ ②在α不变的情况下（电极间的电场和气体的状态不变）， 不变的情况下 电极间的电场和气体的状态不变）， 则电极间的电流与极间距离为指数关系。 则电极间的电流与极间距离为指数关系。
放电过程分析
1） 在OA阶段：间隙中的电流随着电压的升高而逐渐增加。 ） 阶段： 阶段 间隙中的电流随着电压的升高而逐渐增加。 其原因在于电压上升，电场增加， 其原因在于电压上升，电场增加，带电质点的运动速度较快 复合的几率减小，故更多的带电质点落入到极板间， ，复合的几率减小，故更多的带电质点落入到极板间，所以 电流上升。 电流上升。 2） AB阶段：电流基本保持不变。其原因在于，这是间隙中 阶段： ） 阶段 电流基本保持不变。其原因在于， 几乎所有的带电质点都落入到了极板中， 几乎所有的带电质点都落入到了极板中，而外界电离因素单 位时间内产生的自由电子数是一定的， 位时间内产生的自由电子数是一定的，所以电流并不随电压 的增加而增加。 的增加而增加。 3） BC阶段：电流随这电压的上升而上升。此时出现了新的 ） 阶段：电流随这电压的上升而上升。此时出现了新的 阶段 电离因素，因为此时的电压已经较高，在高场强下产生了碰 电离因素，因为此时的电压已经较高，在高场强下产生了碰 撞电离，产生了新的带电质点，所以电流增加。 撞电离，产生了新的带电质点，所以电流增加。 4） C阶段以后：电流急剧增加，这时由于电场强度很高，间 阶段以后： ） 阶段以后 电流急剧增加，这时由于电场强度很高， 隙发生了击穿，放电达到了自持。 隙发生了击穿，放电达到了自持。
UNSUENO气体放电过程分析
T / p
其中,T为气体分子温度,p为气体压力 上式表明:温度高,压力小的气体中带电质点的平均行程 大,积累的动能大,易造成气体电离. * 碰撞电离中电子引起的电离占主要地位: 电子:自由行程大,获取的动能大;质量小,弹性碰撞时几乎不 损失动能. 离子:自由行程短,碰撞间获得的动能少;碰撞时损失动能.
(4).自持放电条件
a.电子的空间碰撞系数α 一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰 撞电离数
b.正离子的表面游离系数γ
一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的 电子数 说明: 假设外电离因素在阴极表面产生一个自由电子,该电 子到达阳极的过程是α过程,导致电子总数增加,且形成多个 正离子;正离子到达阴极表面产生γ过程,又释放出更多的电 子,这些电子又在电极空间产生α过程……如此循环.
一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
变压器相间 绝缘以气体作为 绝缘材料
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2 不同条件下,气体放电有多种不同外形: 书P8 表1-1 气体放电的主要外形形式 辉光放电 电晕放电 刷状放电 火花放电 电弧放电 见下图 放电外形示意图
辉光放电
电晕放电
1.1.2 带电质点的产生
电流又再随电压的增 大而增大.说明出现的新 的电离因素—电子的碰撞 电离.
外施电压<UC,间隙电 流小,取消外电离因素(光 照射),电流也消失(非自 持放电) c点:电流急剧突增 电压到达UC后,气体发生强 烈电离,只靠电场作用可自 行维持,不需要外电离因素 (自持放电)
UC:击穿电压.
均匀电场中气体的 伏安特性
高电压工程-第二章 气体放电的基本理论【】
第6节 沿面放电与污秽闪络
1）定义—当绝缘承受的电压超过一定值时，在固体介 质和空气交界面上出现的放电现象，叫沿面放电。
当沿面放电发展成为贯穿性的空气击穿时，叫沿面闪络。 沿面放电是气体放电，由于交界面上电压分布不均匀，
沿面闪络电压比气体单独存在时的击穿电压低 输电线路遭受雷击时绝缘子的闪络，处于大气脏污地区
的瓷瓶在雷雾天发生闪络，均属沿面放电。 为避免绝缘子发生不可恢复的击穿，在设计中让其击穿
电压高出闪络电压约50% 2）影响因素—绝缘表面状态、污秽程度、气候条件等
因素影响很大。
沿面闪络的几种形式
工频电压作用下
沿平板玻璃表面 滑闪放电照片
辽沈地区2001年2月22日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区 停电面积超过70%。辽沈停电事故是从输电线路污闪开始的。 辽沈为重工业区，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，电弧沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙
➢电晕造成的损耗可削弱输电线上的雷电冲击电压 波的幅值和陡度；
➢利用电晕制造除尘器、消毒柜和对废气、废水进 行处理及对水果、蔬菜进行保鲜等。
极不均匀电场中气隙放电的极性效应
对于“棒—板”间隙，将“棒”的极性定义为间隙的 极性
1）正极性--棒 起晕电压高 击穿电压低
2）负极性--棒 起晕电压低 击穿电压高
D54动车组山东出事撞死一人致车头裂开
2009年3月28日，青岛—北京南D54次动车 途经山东潍坊，列车撞上了一男性铁路工人 （当场死亡），导致车头部分裂开，留有暗 红色血迹。列车暂停约20分钟，最终晚点15 分到达北京。
当时D54路过潍坊站后，正处于加速阶段， 时速在200公里以上。
第三节 流注放电理论
沿面放电：气体介质与固体介质的交界面上沿着固体介质的表面 而发生在气体介质中的放电；当沿面放电发展到使整个极间发 生沿面击穿时称为沿面闪络。
3 汤逊放电理论
真空灭弧室
GIS 站
1.假设P保持不变，
①当d增加时，场强E降低，因此碰撞电离减弱，故 Ub 必然
增大。
②d很小时，自由电子直接从阴极运动到阳极（工程中 不会用到）。
应用：增加气体间隙的距离可提高间隙的击穿电压。
汤逊放电理论的适用范围
低气压、 短间隙的电场中，即
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 pd值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件 求得的击穿压和实验值比较一致。 pd值很大时，如仍采用原来的 值，则击穿电压计算值和 实验值将有很大出入。 4、阴极材料的影响 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 ，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。
2. α系数的计算
当电极间距离在一定 范围内时，在单对数坐标 系中，电流和极间距离的 关系为一倾斜的直线，此 直线的斜率就是 。
I2 1 a= ln d 2 - d1 I1
3. 电子电离系数α的分析
影响 α的因素：气体的种类、电场的强度、电子的自由 行程（气体的状态）有关。 为便于分析，进行如下的假设： (1)每次碰撞时电子失去自己的全部动能，然后从速度为零 的起始状态重新被电场加速。 (2)在电场作用下，电子的驱引速度比热运动速度大得多， 故忽略后者。又由于已假定每次碰撞时电子都失去全部动 能，所以可认为，在均匀电场中，两次碰撞之间，电子均 沿电场方向作直线运动。 (3)当电子动能小于气体分子的电离能时，每次碰撞都不会 使分子发生电离，而当电子动能大于气体分子的电离能时 ，每次碰撞必定使分子电离。
1. 自持放电条件
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。
气体放电的汤森德机理与流注机理主要区别
气体放电的汤森德机理与流注机理主要区别1. 引言气体放电是指在气体中添加一定的能量使其开始导电现象。
作为一项重要的物理现象，气体放电在工业生产和科学研究中有着广泛的应用。
气体放电的机理主要有汤森德机理和流注机理，两种机理均有其独特的特点。
本文将详细介绍气体放电的汤森德机理和流注机理的区别。
2. 汤森德机理汤森德机理是指把气体加压并在高电压电源下加以激发，使气体分子激发成为第一次电离态（即电子的激发态）。
在经过复杂的过程后，电子从激发态退回到基态时会释放出能量，这就导致了气体分子的第二次电离。
气体分子的电离会加速电子的激发，并不断释放出更多的电子。
这种过程被称为放电击穿。
汤森德机理中，气压越高、放电时间越长，释放出的电荷就会越多，而放电的电流会越来越弱。
此外，当电压小于气体空气击穿电压（大约为3×106 V/m）时，没有放电现象；反之，当电压大于这个值时，气体就会“击穿”，电流快速增加。
在汤森德放电中，电子数密度的增加是很缓慢的，并且气体中的电离实际上取决于长的时间平均数。
因此，汤森德放电主要适用于气体放电现象研究。
3. 流注机理流注机理是指把电源应用于两个电极之间的气体中，产生一个窄而高的流束，其电压足以在两个电极之间形成放电。
由于气压很低，电子和离子几乎不会与其他气体分子碰撞，因此它们可以自由地移动。
由于气体量非常小，粒子在短时间内就可以穿过流束，从而导致电导率增加。
这个过程被称为“流注放电”。
流注机理中，液体和气体都可以用作流体，但大多数情况下都选择气体。
这种放电的电压通常为几百伏到几千伏，电流可达数十安。
流注放电速度特别快，能量高，可以使绝缘体表面上的污染物一次性烧掉，因此它近年来得到了很广泛的应用。
4. 两种机理的区别两种放电机理之间最本质的区别在于：流注机理中，粒子速度足以消融物质表面，从而导电，而汤森德放电则是通过分子之间的电离传导电荷。
此外，汤森德放电需要较长的时间才能使电子数密度逐渐升高，而在流注放电中，由于粒子速度很高，短时间内就能形成高密度电子气云。
高电压技术第一章第五节气体放电的流注理论
均匀场、低气压、短气隙 ［pd<36.66kPa ·cm(20mmHg ·cm)］
⑵ 局限性
pd较大时，解释现象与实际不符
① 放电外形 汤逊理论解释：放电外形均匀，如辉光放电； pd大时的实际现象：外形不均匀，有细小分支； ② 放电时间：Tpd大<<T汤逊 ③ 击穿电压：Ub· pd大<<Ub· 汤逊 ④ 阴极材料影响 汤逊理论解释：阴极材料对放电有影响(γ过程）； pd大时的实际现象：阴极材料对放电无影响；
x(cm)
n
0.2
9
0.3
27
0.4
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第五节 气体放电的流注理论
⑵ 空间电荷对原有电场的影响
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 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。
⑵ 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
⑶ 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 返回
第五节 气体放电的流注理论
气体击穿的流注放电理论
对象：工程上感兴趣的压力较高的气体击穿，比如雷电 放电并不存在金属电极，因而与阴极上的γ过程和二次电 子发射根本无关。 特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电 的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场（使原来均匀 的电场变成了不均匀电场）的作用 放电过程
论气体放电理论及其放电形式-精选资料
论气体放电理论及其放电形式1、引言几乎所有的电气设备的绝缘材料都是气体。
如主要存在于高压输电线路之间和高压电气设备内的空气，为保证高压用电的安全提供了可能。
理想状态下的空气不存在带电粒子，故而其不导电。
但事实上，在外界宇宙射线和地下放射性物质的高能辐射线的作用下，大气压下每立方厘米体积内的空气约有500-1000对正负带电粒子。
但是即使如此，空气仍不失为一种相当理想的电介质 [1]。
在一定的条件下，气体也会出现放电现象，甚至完全转化为导体，严重威胁高压电气设备的运行安全。
因此了解气体放电的理论和放电形式对提高电力设备的绝缘水平有重要的指导意义。
本文具体介绍了气体放电理论及常见的几种放电形式。
2、气体放电理论气体放电理论主要包括汤生放电理论和流注理论。
2.1汤森放电理论1903年，英国物理学家汤森提出了第一个定量的气体放电理论，即电子雪崩理论。
为了描述气体导电中的电离现象，汤森提出了三种电离过程，并引入三个对应的电离系数[2]：（1）电子在向阳极运动的过程中，与气体粒子频繁碰撞，产生大量电子和正离子。
电子与气体粒子发生碰撞电离的次数就是α电离系数，这个过程称为α过程。
（2）正离子在向阴极运动的过程中，与气体中性粒子?l繁碰撞，也会产生一定数量的正离子和电子。
而β电离系数是指在单位距离上一个正离子在向阴极运动过程中与气体粒子发生碰撞电离的次数，即为β过程。
而在通常情况下，正离子在电场中所获得的能量远小于中性粒子发生电离所需的能量，因而β过程通常被忽略。
（3）携带一定能量的正离子打到阴极，使其发射二次电子。
二次电子发射数为γ系数，这个过程称为γ过程。
假设气体空间为均匀电场，单位时间内从阴极单位面积上发射出的电子数为n0，这些初始电子在电场作用下，向阳极方向运动，与中性粒子发生频繁碰撞，进而发生碰撞电离。
即从阴极发出的一个电子，向阳极运动的过程中，若不断发生碰撞电离，新产生的电子数将迅猛增加，这种现象成为电子雪崩。
气体放电过程的分析
气体放电过程的分析摘要:气体电介质，特别是空气，是电力系统中最重要的绝缘介质。
对气体放电过程进行分析，研究气体电介质的绝缘特性具有十分重要的意义。
而气体放电又受气体间隙、环境电场影响，其过程的分析需要各种理论的支持。
关键字：气体放电、带电质点、气体间隙、电子崩、汤逊理论、流注理论K一、气体中带电质点的产生与消失1．气体中带电质点的产生气体的特点：气体的分子间距很大，极化率很小，因此，介电常数都接近于1。
纯净的、中性状态的气体是不导电的，只有气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）以后，才可能导电，并在电场作用下发展成为各种形式的气体放电现象。
气体导电的原因：气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）以后，游离出来的自由电子、正离子和负离子在电场作用下移动，从而形成气体电介质的电导层。
气体带电质点的来源：有两个，一是气体分子本身发生游离（包括撞击游离、光游离、热游离等多种形式）；二是放在气体中的金属发生表面游离。
2．气体中带电质点的消失气体中带电质点的消失主要有下列三种方式：带电质点受电场力的作用流入电极并中和电量；带电质点的扩散；带电质点的复合。
1）带电质点受电场力的作用而流入电极，中和电量带电质点在电场力的作用下受到加速，在向电场方向运动途中会不断地与气体分子相碰撞，碰撞后会发生散射，但从宏观来看，是向电场方向作定向运动的。
其平均速度开始是逐渐增加的（因受电场力的加速），但随着速度的增加，碰撞时失去的动能也增加，最后，在一定的电场强度下，其平均速度将达到某个稳定值。
这一平均速度称为带电质点的驱引速度。
2）带电质点的扩散带电质点的扩散就是指这些质点会从浓度较大的区域转移到浓度较小的区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。
带电质点的扩散是由杂乱的热运动造成的，而不是由于同号电荷的电场斥力造成的，因为即使在很大的浓度下，离子之间的距离仍大到静电力起不到什么作用的程度。
电子的直径比离子的直径小很多，在运动中受到的碰撞也比离子少得多，因此电子的扩散比离子的扩散快得多。
3汤逊放电理论
p
成反比，
1 l
=
Ap
写出更一般的表达式： a p = f (E p) 上式的意义：α系数与电场强度以及气体的压力有关。
实验结果
（三）α及γ过程同时引起的电流
1. γ过程
?β系数：一个正离子沿着电场方向行经 1厘米长度，平均 发生的碰撞电离次数。因而和电子相比，正离子在间隙中 造成的空间电离过程(β 过程)不可能具有显著的作用。
阴极上释放出的自由电子，每个新增的自由电子都伴随产生一
个正离子，因而有 D n = g(na - nc )
由上述的三式可得： na =
n0 1-
ea d g(ead -
1)
因此回路中的电流为：
I=
I0 1-
ea d g(ead -
1)
由于 ea d
1， I =
ea d I0 1- gead
注意：将该式与仅考虑 α过程的电流表达式进行对比分析。
3. 系数?的大致数值
?计算方法：
①先由d较小的直线部分得到 α系数，然后由上式从d较大时 电流增加更快的这个部分来决定γ 。
②直接有击穿试验来决定。 ?影响系数的因素
?
?
I ? I0e? d Ie? d
①和电极材料的逸出功有关，也即与电极材料及其表面的 状态有关。
②与E/P 有关，因为离子和光子的动能决定于E/P, 因而有：
(2)在电场作用下，电子的驱引速度比热运动速度大得多， 故忽略后者。又由于已假定每次碰撞时电子都失去全部动 能，所以可认为，在均匀电场中，两次碰撞之间，电子均 沿电场方向作直线运动。
(3)当电子动能小于气体分子的电离能时，每次碰撞都不会 使分子发生电离，而当电子动能大于气体分子的电离能时 ，每次碰撞必定使分子电离。
气体放电过程分析
气体放电过程分析报告一、气体放电的定义气体放电是人们在自然界与日常生活中常常碰到的现象，如闪电、日光灯等，它一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体。
气体放电是产生低温等离子体的主要途径。
所谓的低温等离子体是区别于核聚变中高温等离子体而言的。
低温等离子体物理与技术在经历了一个由20世纪60年代初的空间等离子体研究向80年代和90年代以材料及微电子为导向的研究领域的重大转变之后，现在已经成为具有全球影响的重要课题，其发展对于高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。
二、气体放电过程分析气体放电的经典理论主要有汤森放电理论和流注放电理论等。
1903年，为了解释低气压下的气体放电现象，汤森(J．S．Townsend)提出了气体击穿理论，引入了三个系数来描述气体放电的机理，并给出了气体击穿判据。
汤森放电理论可以解释气体放电中的许多现象，如击穿电压与放电间距及气压之间的关系，二次电子发射的作用等。
但是汤森放电解释某些现象也有困难，如击穿形成的时延现象等；另外汤森放电理论没有考虑放电过程中空间电荷作用，而这一点对于放电的发展是非常重要的。
电子雪崩中的正离子随着放电的发展可以达到很高的密度，从而可以明显的引起电场的畸变，进而引起局部电子能量的加强，加剧电离。
针对汤森放电理论的不足，1940年左右，H．Raether及Loeb、Meek等人提出了流注(Streamer)击穿理论，从而弥补了汤森放电理论中的一些缺陷，能有效地解释高气压下，如大气压下的气体放电现象，使得放电理论得到进一步的完善。
近年来，随着新的气体放电工业应用的不断涌现及实验观测技术的进一步发展，将放电理论与非线性动力学相结合，利用非线性动力学的方法来研究气体放电中的各种现象成为气体放电研究中的重要内容。
汤逊理论通过引入“电子崩”的概念，较好地解释了均匀电场中低气压短间隙的气体放电过程，通过这个理论可以推导出有关均匀电场中气隙的击穿电压及其影响因素的一些实用性结论。
高电压技术 第一章第五节 气体放电的流注理论讲解
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⑶ 负流注
条件：当外加电压＞击穿电压
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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
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，称为负流注 间隙中的正、负流注可以同时向两 极发展。 School of Electrical Engineering and Information
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第五节 气体放电的流注理论
： 主 电 子 崩 ； ： 二 次 电 子 崩 ； ： 流 注
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⑵ 正流注
条件：当外加电压＝击穿电压 ① 正流注体的形成 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
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第五节 气体放电的流注理论
汤逊理论的适用范围
⑴ 适用范围
均匀场、低气压、短气隙 ［pd<36.66kPa ·cm(20mmHg ·cm)］
气体放电的机理
(3)当电子动能小于气体分子的电离能时，每次碰撞都不会 使分子发生电离，而当电子动能大于气体分子的电离能时 ，每次碰撞必定使分子电离。
自持放电条件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
气体放电的机理
制作人： 朱胜
均匀电场中气体击穿的发展过程
一. 自持放电、非自持放电
②d很小时，自由电子直接从阴极运动到阳极（工程中 不会用到）。
应用：增加气体间隙的距离可提高间隙的击穿电压。
汤逊放电理论的适用范围
➢ 低气压、 短间隙的电场中，即 p d 200(cm 133pa)
汤逊放电理论不能解释的放电现象
1、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.
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。但大气压力下气体击穿时出现的却是带有分枝的明亮细通 道。 2、放电时间
基于以上的原因提出了流注放电理论：
谢谢！
γ系数：一个正离子撞击阴极表面产生的二次自由电子量。 上述产生的二次电子同样可引起气体空间的电离。
nc n0 n
上式中： n ：阴极表面单位时间和单位面积上由于 过程而产生的自由
电子数。
nc ：阴极表面单位时间和单位面积上产生的自由电子数。
n0
：阴极表面单位时间和单位面积上由于外界电离因素而产 生的自由电子数。
气体放电过程的分析1
气体放电过程的分析气体放电是人们在自然界和日常生活中常常碰到的现象，如闪电、日光灯等，他一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体。
气体电介质，特别是空气，是电力系统中最重要的绝缘物质，对气体绝缘特性的研究对气体放电十分重要。
而气体放电又受气体间隙、环境电场的影响，其过程的分析需要多种理论的支持，如汤逊理论和流注理论等。
1.1气体中带电质点的产生先介绍气体的特点：气体的分子间距很大，极化率很小，因此介电常数都接近于1,。
纯净的、中性状态下的气体是不导电的，只有气体中出现了带电质点像电子、正离子、负离子以后，才能导电，并在电场作用下发展成各种形式的气体放电现象。
气体中带电质点的产生有两个途径：一是气体本身发生游离；二是气体中的金属电极表面发生游离。
而带电质点有以下形式的游离形成：（1）碰撞游离在电场作用下，电子被加速获得动能。
如果其动能大于气体质点的游离能，在和气体质点发生碰撞时，就能使气体质点产生游离分裂成正离子和电子，这就是碰撞游离。
（2）光游离电磁射线的能量hV等于或大于气体质点游离能时所引起的游离过程叫做光游离。
（3）热游离因气体分子热运动状态引起的游离称为热游离，其实质仍是碰撞游离和光游离，只是直接的能量来源不同。
（4）表面游离放在气体中的金属电极表面游离出自由电子的现象称为表面游离。
金属表面游离是所需能量可以从以下途径获得。
（1）正离子碰撞阴极正离子在电场中向阴极运动，碰撞阴极时将能量传递给电子而使金属表面逸出两个电子，其中一个与正离子结合而合成中性质点，另一个才可能成为自由电子。
（2）光电效应金属表面受到光的照射，也能产生表面游离。
（3）强场发射在阴极附近加上很强的外电场，其电场强度达1000000V/cm,将电子从阴极表面拉出来，称为强场发射或冷发射。
（4）热电子发射将金属电极加热到很高的温度，可以使其中电子获得很大能量，逸出金属在电子、离子器件中常利用热电子发射作为电子来源，在强场领域，对某些电弧放电的过程有重要作用。
第五章、汤生放电理论与气体击穿要点
第五章、汤生放电理论与气体的击穿前面介绍了气体放电中带电粒子的产生与消失的机理，这是气体放电中的两个重要过程。
本章将以上述理论为基础，讨论气体放电。
气体放电的分类：从维持放电是否必须有外界电离剂分类：①自持放电---外界电离剂存在与否都能正常放电；②非自持放电---只有外界电离剂存在情况下才能正常放电。
按放电是否随时间变化可分为：稳态放电和非稳态放电。
直流激励下的放电为稳态放电，交流或脉冲激励的放电为非稳态放电。
在所有的气体放电中，直流放电是最简单，也是最基本的放电形式，所以本章中主要以直流放电为例来介绍气体放电理论。
§5.1直流气体放电的伏-安特性及被激导电一、气体放电的伏-安特性伏-安特性是气体放电的宏观参数，通过气体放电的伏-安Array特性曲线可以对气体放电过程有一初步认识。
测量气体放电伏—安特性曲线的实验装置如图5.1。
气体放电管中两电极的间距为50cm，电极极板为面积为10cm2的两平行平面圆形铜极板。
充以133Pa(1Torr)Ne气，电源为电压可调的直流电源E a。
通过测量放电管上的电压V1和可变电阻器R上的电压V2及对应R的阻值，就可得到放电电流I=V2/R。
改变E a和R的大小，分别测量出V1和V2，就可得到放电管的V-A特性曲线。
由上述装置所得到的V-A特性曲线见图5.2。
从V-A 特性曲线看可以分为八个区域。
① 非自持放电区AB 段：此段也可以被称为被激导电区，特点是放电管电压U a 从0逐渐增高，而放电电流极小（10-18A ，微小电流来源于源气体中带有密度很小的带电粒子），几乎没有形成放电。
当用紫外线照射放电气体和阴极时，放电电流可以上升到10-16~10-12A 量级(紫外线照射气体会引起放电气体的电离，增大气体中的带电粒子浓度；紫外线照射阴极会引起阴极的光电效应，发射光电子；总体效应是增大放电电流)； ② 自持暗放电区BC 段：当放电管电压达到U b （击穿电压）后，放电就进入了自持暗放电区，此时放电管有微弱的发光。
【精】气体放电机理
汤逊理论中的三个系数
❖系数α：
一个电子经过1cm，由碰撞电离产生的 自由电子数
❖系数β：
一个正离子经过1cm，由碰撞电离产生 的自由电子数
❖系数γ：
一个正离子撞击阴极，逸出的自由电 子数
S
no
-
dx
+
n
x
x
d nnd x
dn dx
n
dn n
dx
ln n x lnC
n Cex
初始条件：x=0，n=n0பைடு நூலகம்
❖两个理论的适用范围与区别
❖自持放电与非自持放电的概念
❖巴申定律的内容及其现实指导意义
要有以下两方面： 必须借助外界因素才能使放电发展的气体放电。
假设气隙距离不变：当气体密度增加时，电子平均自由行程缩短，电子不易积聚动能，碰撞电离减弱； 初始条件：x=0，n=n0 巴申定律（Paschen Law(） 一个电子经过1cm，由碰撞电离产生的自由电子数 一个正离子撞击阴极，逸出的自由电子数 提高气压，采用压缩气体提高气体的击穿电压；
2.2 气体放电机理 ❖汤逊(Townsend)放电理论 ❖流注放电理论
2.电子崩的形成
外界因素引起
3.自持放电与非自持放电
❖非自持放电 必须借助外界因素才能使放电发展
的气体放电。
❖自持放电 当外界因素撤销后，仍能够仅在
电场作用下自我维持的气体放电。
一、汤逊放电理论
1.均匀电场中气体间隙的伏安特性
UF
BPS
ln
APS
ln (1
1
)
U F f(PS )
均匀电场中空气的巴申曲线
巴申定律的物理解释与应用
❖假设气隙距离不变：当气体密度增加时， 电子平均自由行程缩短，电子不易积聚动 能，碰撞电离减弱；气体密度过小时，电 子与气体分子发生碰撞电离的概率减小， 气体不易击穿。
高电压技术第二版习题答案(部分)
第一章 气体放电的基本物理过程（1）在气体放电过程中，碰撞电离为什么主要是由电子产生的？答：气体中的带电粒子主要有电子和离子，它们在电场力的作用下向各自的极板运动，带正电荷的粒子向负极板运动，带负电荷的粒子向正极板运动。
电子与离子相比，它的质量更小，半径更小，自由行程更大，迁移率更大，因此在电场力的作用下，它更容易被加速，因此电子的运动速度远大于离子的运动速度。
更容易累积到足够多的动能，因此电子碰撞中性分子并使之电离的概率要比离子大得多。
所以，在气体放电过程中，碰撞电离主要是由电子产生的。
（2）带电粒子是由哪些物理过程产生的，为什么带电粒子产生需要能量 ？答：带电粒子主要是由电离产生的，根据电离发生的位置，分为空间电离和表面电离。
根据电离获得能量的形式不同，空间电离又分为光电离、热电离和碰撞电离，表面电离分为正离子碰撞阴极表面电离、光电子发射、热电子发射和强场发射。
原子或分子呈中性状态，要使原子核外的电子摆脱原子核的约束而成为自由电子，必须施加一定的外加能量，使基态的原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称为电离能。
（3）为什么SF6气体的电气强度高？答：主要因为SF6气体具有很强的电负性，容易俘获自由电子而形成负离子，气体中自由电子的数目变少了，而电子又是碰撞电离的主要因素，因此气体中碰撞电离的能力变得很弱，因而削弱了放电发展过程。
1-2 汤逊理论与流注理论对气体放电过程和自持放电条件的观点有何不同？这两种理论各适用于何种场合？答：汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气体电离的主要原因；正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件；阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。
它只适用于低气压、短气隙的情况。
气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下空间电荷对原有电场的影响和空间光电离的作用。
在初始阶段，气体放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之后，某一初始电子的头部集聚到足够数量的空间电荷，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，这时放电即转入新的流注阶段。
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习题1
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1.简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程、电离因素以及自持放电条件
的观点有何不同？
答：汤逊理论理论实质：电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。
所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。
流注理论认为形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，流注理论认为二次电子的主要来源是空间的光电离。
2.解释α、β、γ、η系数的定义。
答：α系数：它代表一个电子沿着电场方向行径1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。
β系数：一个正离子沿着电场方向行径1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。
γ系数：表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属平均释放出的自由电子数。
η系数：即一个电子沿电场方向行径1cm时平均发生的电子附着次数。
3.均匀电场和极不均匀电场气隙放电特性有何不同？
答：在均匀电场中，气体间隙内流注一旦形成，放电达到自持的程度，气隙就被击穿。
不均匀电场分稍不均匀和极不均匀，在同样极间距离时稍不均匀电场的击穿电压比均匀电场的均匀电场气隙的要低，在极不均匀电场气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升高电压才能完成。
4.对极间距离相同的正极性棒-板、负极性棒-板、板-板、棒-棒四种电极布局的
气隙直流放电电压进行排序？
答：负极性棒-板最高，其次是棒-棒和板-板，最小的是正极性棒-板。
5.气隙有哪些放电现象？
答：在极不均匀电场中，气隙完全被击穿以前，电极附近会发生电晕放电，产生暗蓝色的晕光，这种特殊的晕光是电极表面电离区的放电过程造成的。
在外电离因素和电场作用下，产生了激发、电离、形成大量的电子崩，在此同时也产生激发和电离的可逆过程-复合，这就是电晕。
6.如何提高气隙的放电电压？
答：一是改善气隙中的电场分布，使之均匀化，二是设法削弱或抑制气体介质中的电离过程。
7.简述绝缘污闪的发展过程及防污措施。
答：绝缘子污闪是一个复杂的过程，大体可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展等阶段，采用措施抑制或阻止各阶段的形成和转化，就能有效地阻止污闪事故。
防污措施：1.增大爬电比距 2.清扫表面积污 3.用防污闪涂料处理表面 4.采用半导体釉和硅橡胶的绝缘子。
8.雷击放电过程与实验室的长气隙放电过程有何主要区别？
答：雷击放电与实验室的长间隙火花放电有着某些共同之处。
但由于雷电路径往往达数千米，是一种超长间隙的火花放电，而且作为电极的雷云，它不是一个金属极板，因此，雷电又不同于实验室中的长间隙放电，它具有多次重复雷击现象和特点。
一次雷击的三个阶段:先导阶段、主放电和迎面流注阶段、余辉阶段。
当先导接近地面时，因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，在地面或突出的接地物体上形成向上的迎面先导（也称迎面流注）。
当它与下行先导相遇时，进入了第二个阶段也就是主放电阶段，出现了强烈的电荷中和过程，伴随着雷鸣和闪光。
n主放电完成后,云中剩余电荷沿导电通道流向大地，这一阶段称为放电的余辉（或余光）阶段，电流约数百安，持续时间0.03s~0.15s.。