2.3_不均匀电场中气体的击穿过程(简)

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气体放电的物理过程—均匀电场中气体击穿

电离形式：
1）、碰撞电离
在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离：
1 2
me ve2

Wi
me——电子的质量， ve——电子的速度；
Wi——气体分子的电离能。碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关
2）光电离
当气体分子受到光辐射时，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：
生的碰撞电离次数（由电离产生的自由电子数）。
表面电离系数：每个正离子碰幢阴极表面平均释放出的自由电子数。
设：一个电子从阴极行走 x 距离产生的自由电子数为 nnຫໍສະໝຸດ 个电子前进 dx 产生的新电子数为：
自持放电条件：
(eS 1) 1
dn ndx,或 dn dx
n 所以：一个电子从阴极到阳极产生
h Wi
h — 普朗克常数 h＝6.62 x 10-27尔格·秒。
— 频率（光是频率不同的电磁辐射，也具有粒子性，称为光子）
导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、x 射线等）提供，也可以由气体放电过程本身产生。
3）热电离
一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。包括： •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。
正粒子的迁移率远远小于电子的迁移率
Eex: 外加电场 E’: 正空间电荷与负极板产生的电场 E’’：正空间电荷与负空间电荷产生的电场 E’’’：负空间电荷与正极板产生的电场 E：空间电荷产生的电场与外加电场叠加
后的实际电场
1、正流注的产生
当外施电压为气隙最低击穿电压时

高电压技术——(一)

平行平板电极的电场
《高电压技术》第一讲 30
第一章气体放电的基本物理过程
第二节均匀电场中气体击穿的发展过程
1、非自持放电和自持放电
图1-2 测定气体中电流的回路示意图
图1-3 气体中电流和电压的关系——伏安特性曲线
《高电压技术》第一讲 31
第一章气体放电的基本物理过程
实验分析结果
➢ 当U<Ua
2）定性分析：气压越低，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，所以其扩散速度比离子快得多。
《高电压技术》第一讲 16
第一章气体放电的基本物理过程
第一节带电粒子的产生和消失 1.1.2 带电粒子的产生
(1)原子的电离和激励
(2) 电离的四种形式
——按引起电离的外部能量形式不同，分为： 1）光电离 2）热电离 3）碰撞电离 4）电极表面电离
《高电压技术》第一讲 24
第一章气体放电的基本物理过程
第一节带电粒子的产生和消失
1.1.3 负离子的产生
➢ 附着：当电子与气体分子碰撞时，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分子相结合形成负离子的情况。 ➢ 负离子产生的作用
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。
定义：电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体分子
引起的电离。它是气体中产生带电粒子的最重要的方式，主要是由电子完成。
条件：电子获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者，
如果动能大于或等于气体分子的电离能Wi，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：

高铁高压供电设备之气体电介质的击穿特性—不均匀电场中的气体放电

不均匀电场中的气体放电
极性效应（棒极的极性）
• 负极性“棒-板”气隙中的电场畸变 • Eex——外电场 • Esp——空间电荷的电场
不均匀电场中的气体放电
01 电场不均匀系数 02 极不均匀电场中的极性效应
不均匀电场中的气体放电
一、电场不均匀系数均匀电场
削弱了边缘效应的平行板电极。
稍不均匀电场球隙。
稍不均匀电场棒-板电极，棒-棒电极电场 Nhomakorabea均匀系数f
f
=
Emax E
av
=1 1<f<2
>4
不均匀电场中的气体放电
二、极不均匀电场中的极性效应
概念对于电极形状不对称的不均匀电场气隙，如棒-板间隙，棒电极的极性不同时，间隙的电晕起始电压和击穿电压的大小也不同，这种现象称为极性效应。
原因棒电极的极性不同时，间隙中的空间电荷对外电场的畸变作用不同。
不均匀电场中的气体放电
极性效应（棒极的极性）
➢ 正极性“棒-板”气隙中的电场畸变 ➢ Eex——外电场 ➢ Esp——空间电荷的电场

2.3 不均匀电场中气体的击穿过程(简)

棒-棒电极代表对称的不均匀电场
棒-板电极代表不对称的不均匀电场
图不均匀电场的几种典型形式
一、电晕放电
1、电晕的产生、极不均匀电场中，极不均匀电场中，间隙中的最大场强比平均场强大得多。外加电压比较低的时候，曲率大（大得多。外加电压比较低的时候，曲率大（曲率半径较小）半径较小）的电极附近电场强度已足够大可引起强烈的游离，在这局部的强场区形成放电。强烈的游离，在这局部的强场区形成放电。这种仅仅发生在强场区的局部放电称为电晕放电电晕放电。仅仅发生在强场区的局部放电称为电晕放电。电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式。自持放电形式电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式。
结论：结论： a、长间隙的放电通常分为电子崩、流注、先导放电和主放长间隙的放电通常分为电子崩、流注、电四个阶段。电四个阶段。 b、短间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注短间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、和主放电三个阶段。和主放电三个阶段。 c、长间隙放电时，炽热的导电通道是在放电发展的过程中长间隙放电时，建立的，而不是在整个间隙被流注通道贯穿后建立的，建立的，而不是在整个间隙被流注通道贯穿后建立的，先导过程与主放电过程就发展得越充分，先导过程与主放电过程就发展得越充分，所以长间隙的远小于短间隙的平均击穿场强平均击穿场强远小于短间隙的平均击穿场强。平均击穿场强远小于短间隙的平均击穿场强。
小结
电晕放电。极不均匀电场特有的自持放电。电晕放电。极不均匀电场特有的自持放电。极性效应。电极形状不对称的不均匀电场，极性效应。电极形状不对称的不均匀电场，间隙的起晕电压和击穿电压与棒电极的极性有关。的起晕电压和击穿电压与棒电极的极性有关。短间隙不均匀电场中的放电过程长间隙不均匀电场中的放电过程

气体击穿理论

一、原子的激励和电离二、气体中质点的自由行程三、气体中带电质点的产生四、金属的表面电离
一、原子的激励和电离
（一）原子的能级
原子结构：电子具有确定的能量（位能和动能），通常轨道半径越小，能量越小；电子的能量只能取一系列不连续的确定值（量子化）；原子的位能（内能）取决于其中电子的能量，当各电子具有最小的能量，即位于离原子核最近的各轨道上时，原子的位能最小；正常状态下原子具有最小位能。当电子从其轨道跃迁到标志着能量更高的离原子核较远的轨道上时，原子的位能也相应增加，反之亦然。
（一）原子的能级
能级：根据其中电子的能量状态，原子具有一系列可取的确定的能量状态，称为原子的能级。
电子伏（eV）：微观系统中的能量单位为电子伏； 1 eV的能量相当于一个电子在电场作用下行经1V电位差所获得的能量。电子的电荷为1.610-19C。所以：
（二）原子的激励
激励：在外界因素作用下，原子中的电子从较低能级跃迁到较高能级的过程。
强的外电场使阴极放射出电子，称为场致发射或冷发射。由于场致发射所需外电场极强，在107 V/cm数量级，
所以在一般气体间隙的击穿过程中不会发生。（高气压、高真空）（四）热电子放射
热电子放射：阴极达到很高温度时，其中电子可获得巨大动能而逸出金属，称为热电子放射。
第三节带电质点的消失
三种方式： 1、带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于
生电荷的传递而互相中和，并还原为原子或分子的过程称为复合。
带电质点的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
第四节均匀电场中气体击穿的发展过程
均匀电场中气体的击穿：汤逊气体放电理论；流注理论。这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象。

2.气体放电的基理论分析-均匀场与不均匀场的放电

3.流注理论
汤逊气体放电理论实在气压较低，pd值较小的条件下进行放电实验的基础上建立起来的。pd过小或者过大，放电机理出现变化，汤逊理论就不适用了。当气压是101.3kPa或更高、长气隙pd>>26.66kPa.cm。
电子崩在正常大气下发展若E=30kV/cm则α=11cm^-1我们可以推算出崩头电子数的表
自由行程超过平均自由程为λ，则
令
的电子才能与分子发生碰撞电离，若电子的
气体温度不变时，平均自由程与气压成反比
我们将之前推出的气隙击穿条件带入上式中可以推出击穿电压
1.3汤逊理论的核心理论及适用范围
1.汤逊原理中对实验的分析主要以碰撞电离为理论基础 2.汤逊原理的实验环境仅限于短间隙，低气压，大曲率电极，均匀电场的条件下(pd<26.66kPa.cm[200mmHg.cm]) 3.达到自持放电后的放电型式和特性取决于所加电压的类型、电场型式、外电路参数、气压和电源容量等条件。 4.汤逊实验中阴极材料对实验影响较大，γ系数会随材料的变化而变化，因而击穿电压也受到阴极材料影响。
3.
2.2极性效应
正极性
•棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子
•这些正离子虽朝板极移动, 但速度很慢暂留在棒极附近
•这些正空但速度很慢而暂留在棒极附近，如图间电荷削弱了棒极附近的电场强度，而加强了正离子群外部空间的电场
•负极性
• 崩头的电子在离开强场（电晕）区后，虽不能再引起新的碰撞电离，但仍继续往板极运动，而留在棒极附近的也是大批正离子 • 这时它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间的电场 • 所以，当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整个气隙的击穿将是不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多，完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多。输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电压的作用下，击穿均发生在外加电压为正极性的那半周内；在进行外绝缘的冲击高压试验时，也往往施加正极性冲击电压，因为这时的电气强度较低。

2 电介质的击穿特性

电气绝缘 37
二、放电时延
统计时延：从外施电压达Uo时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子所需时间放电形成时延：从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间
临界击穿电压
电气绝缘
38
三、50％击穿电压及冲击系数
电气绝缘
34
三、极不均匀电场中的击穿
不对称布置的极不均匀场间隙的极性效应很明显，而且其击穿的极性效应与稍不均匀场间隙相反。
棒－棒和棒－板空气间隙的工频尖－板和尖－尖空气间隙的直流击穿电压电气绝缘击穿电压（有效值） 35
第四节、雷电冲击电压下气体间隙的击穿特性
为了检验绝缘耐受雷电冲击电压的能力，在实验室中可以利用冲击电压发生器产生冲击高压，以模拟雷电放电引起的过电压。规定：标准雷电冲击波形：1.2us/50us。（波前时间 1.2us，半峰值时间50us）
3.1 3.9 3.9 5.3
电气绝缘
9
三、气体中带电粒子的消失：去游离
（1）扩散：带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动. （2）复合：正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子
电气绝缘
10
(3)附着效应: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。
1. 50％击穿电压多次施加电压时有半数会导致击穿的电压值Ub50 。
2. 冲击系数
同一间隙的50％冲击击穿电压与工频击穿电压U~之比。
电气绝缘
39
四、伏－秒特性

高气压下不均匀电场气体击穿的发展过程用电常识

高气压下不均匀电场气体击穿的进展过程- 用电常识一、电场不均匀程度划分电场不均匀系数(电场利用系数)均匀电场f=1,稍不均匀电场f2,极不均匀电场f4同轴圆柱电极半径x点二、极不均匀电场气体电晕放电1.电晕放电现象电晕：极不均匀电场，电压高到肯定程度，空气间障，大曲率电极四周（涨场高）的发光层，像“目晕”，这种放电现象定名为~ 电晕放电形式：起晕电极曲率很大时，电晕层很薄，且比较均匀，放电电流稳定，自持放电是汤逊形式，即电子崩电晕。

流注形式：电压上升，电晕层扩大，个别电子崩形成流注，消灭放电的脉冲现象，转入流注形成电晕放电。

①电极曲率半径加大，则电晕开头就很猛烈，一消灭就形成流注形式②电压上升，个别流注猛烈进展，消灭刷状放电，放电脉冲现象更猛烈，最终贯穿间隙，完全击穿。

③冲击电压下来不及消灭分散的电子崩，一开头就是流注形式。

电晕放电极性效应，尖负电极——规律脉冲尖正电极——不规章，U个，脉冲特性不显著尖—板电极，尖为负，电压逐步上升，民晕电流波形变化阶段：①电压很低，电流微小，平均,波形不规章。

②电压升至肯定值，消灭有规律的重复脉冲电流，③电压连续上升，脉冲幅值不变，频率增高，平均电流加大，④电压连续上升，高频脉冲消逝，持续电晕放电，⑤电压连续上升，临击穿时消灭刷状放电，又消灭不规章的猛烈脉冲电流⑥最终击穿2.空间电荷的作用电晕放电特有的脉冲电流观象由空间电荷造成的。

①电离爆发，电子运动加快，负尖处留下正电荷，电子跑出去了②电子运动至稍远离尖电极处，形成与原电场相反的电场，原电场衰减电子速度下降，易被气体分子捕获形成负离子，造成负空间电荷的积累。

③负空间电荷积累，减弱了尖端处场强，电离停止（脉冲）⑤负空间电荷向外疏散，尖电极处场强重新增大，开头下一次电离。

电压上升，负离子疏散的更快，电场恢复快速，脉冲频率上升电压更主风吹草动，电子快速向外运动，形成负离子，不能使电离中止，脉冲消逝。

电压很高，引起刷状放电，不断形成猛烈流注，脉冲没有规章。

不均匀电场的击穿和雷电冲击电压下的空气击穿

三、伏秒特性
当击穿过程中加在间隙上的电压随时间变化时，击穿电压指间隙上的最高电压。
对持续电压来说，电压变化比放电发展的速度慢得多，电压达到静态击穿电压后，可认为电压基本不变，所以击穿电压就等于静态击穿电压。
对雷电冲击电压来说，电压变化速度极快，在电压达到静态击穿电压后的放电时延内，电压变化较大，击穿电压高于静态击穿电压；且击穿电压随时间而变。
2.5 雷电冲击电压下气体的击穿
一、冲击波形及特点
冲击波： ①雷电冲击 ②操作冲击
标准雷电波：
IEC和国标规定： T1=1.2μs±30％ T2=50μs±20% 一般写为±1.20/50
特点：高幅值、高陡度、短时间
标准雷电冲击电压波
T1——视在波前时间 T2——视在半峰值时间
二、冲击放电特点
1、完成气隙击穿的三个必备条件：
2、放电时间的组成：
总放电时间 tb=t0＋ts＋tf
t1＝ts＋tf 称为放电时延
t0－气隙在持续电压下的击穿电压为U0，为所加电压从0上升到U0的时间；
ts－从电压达到U0瞬时起到气隙中出现第一个有效电子为
止的时间称为统计时延。
tf－出现有效电子后，引起碰撞游离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙击穿需要的时间，称为放电形成时延。
2、分析：下面以电场极不均匀的“棒－板”气隙为例，从流注的概念出发，说明放电的发展过程和极性效应。
(a) 正尖——负板
电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和，留在棒极附近的为正空间电荷。这些正离子向阴极移动速度很慢而暂留在棒极附近。它们削弱了棒极附近的电场，棒极附近难以形成流注，自持放电难以实现，故起晕电压较高。而它们同时加强了朝向极板的电场，促进放电向前发展，故放电电压较低。

不均匀电场气隙的击穿

天津理工大学中环信息学院教案首页题目：气体放电的物理过程讲授内容提要：1.电晕放电2. 不均匀电场气隙的击穿3. 雷电放电4. 气隙的沿面放电教学目的：了解电晕、雷电放电的基本物理过程、放电的效应教学重点：理解不均匀电场中长短间隙的击穿教学难点：理解气隙沿面放电的基本概念和影响因素采用教具和教学手段：多媒体及板书授课时间：2014年9月1日授课地点：新教学楼1108 教室注：此页为每次课首页，教学过程后附；以每次（两节）课为单元编写教案。

第一章气体放电的物理过程本次课主要内容：1.电晕放电2. 不均匀电场气隙的击穿3. 雷电放电4. 气隙的沿面放电电晕放电现象电离区的放电过程造成。

咝咝的声音，臭氧的气味，回路电流明显增加(绝对值仍很小)，可以测量到能量损失对工程实践有重要意义不利影响：能量损失；放电脉冲引起的高频电磁波干扰；噪声；生化学反应引起的腐蚀作用等有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度；利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电压；利用电晕放电除尘等极不均匀电场中的放电过程（短间隙）当棒具有正极性时在棒极附近，积聚起正空间电荷，减少了紧贴棒极附近的电场，而略微加强了外部空间的电场，棒极附近难以造成流注，使得自持放电、即电晕放电难以形成。

棒具有负极性时电子崩中电子离开强电场区后，不再引起电离，正离子逐渐向棒极运动，在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，使电场畸变棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件就易于得到满足、易于转入流注而形成电晕放电。

沿面放电的一般概念固-气绝缘击穿：一固体介质本身的击穿二气体间隙击穿三沿着固体介质表面发生闪落实验表明：沿固体表面的闪落电压不但比固体介质本身的击穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少。

一般：U（固）>U （气） >U （沿面）固体介质与气体介质交界面上的电场分布状况对沿面放电特性有很大影响。

界面电场分布可分为典型二种情况。

不均匀电场中空气间隙的击穿

教案同时，间隙中空间电荷对外电场的畸变作用不同。

（4）分析结束。

能够确定对于特定电压的输送应采用几分裂导线。

过程分析（1）了解均匀电场与极不均匀电场在击穿特性方面的差别。

均匀电场的击穿场强为30kV/cm，极不均匀电场的平均击穿场强为5 kV/cm。

随着间隙距离的增大，击穿电压随着增大，但击穿场强是随着降低的，因为击穿电压的增加速度没有距离增加的速度快。

（2）建立极不均匀电场的模型。

在极不均匀电场的情况下，不管棒-板间隙或是不同直径的球-板间隙，击穿电压和距离的关系曲线都比较接近。

就是说，在极不均匀电场中，击穿电压主要决定于间隙距离，而与电极形状的关系不大。

因此在工程实践中常用棒-板或棒-棒这两种类型间隙的击穿特性曲线作为选择绝缘距离的参考图1-2-4（3）在工频电压作用下，棒-板间隙的击穿总是发生在棒的极性为正、电压达幅值时，并且其击穿电压（幅值）和直流电压下的正棒-负板的击穿电压相近。

棒-棒间隙的平均击穿场强为3.8kV（有效值）/cm或5.36kV（幅值）/cm，棒-板间隙梢低一些，约为3.35kV（有效值）/cm 或4.8kV（幅值）/cm。

图1-2-5 正棒-负板如图1-2-5所示，棒极带正电位时，电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和，棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子，这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢而暂留在棒极附近，这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，不易形成流注，放电难以自持，故电晕起始电压高。

而正空间电荷加强了正离子群外部空间的电场，因此当电压进一步提高，有利于流注向板极发展，因而放电的发展是顺利的，击穿电压较低。

图1-2-6 负棒-正板如图1-2-6所示，棒为负极性时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区后，不能再引起碰撞电离，并大多形。

高电压技术第02章气体放电的物理过程

高电压技术第02章气体放电的物理过程
④ 热电离：概念：由气体的热状态造成的电离称为热电离。气体分子运动理论说明：气体的温度是其分子平均动能
的度量。特点：热电离不是一种独立的电离形式，而是包含着撞
击电离和光电离，只是其电离能量来源于气体分子本身的热能。
电离机理： ➢ 温度↑→分子平均动能↑→ 撞击电离↑ ➢ 温度↑→热辐射出的光子数量↑ → 光电离↑
作用：将先导通道改造成高温、大电导、轴向场强小的等离子体火花高电通压技道术第，02章使气体气放电隙的物被理电弧击穿而导通。
气隙间隙大：产生刷形放电。继续提高场强，放电抵达对面电极，产生电弧击穿。
高电压技术第02章气体放电的物理过程
2、汤森德气体放电理论：该理论对均匀电场和气隙 S （为气隙密度、S 为
极间距离）较小的情况比较适用。
① 三个因素（系数）：系数：1 个自由电子在走到阳极的1cm路程中撞击电离
高电压技术第02章气体放电的物理过程
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，但通过分级光电离（先激励、再电离）的方式也可实现电离。
高电压技术第02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
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，