高电压技术气体的放电特性
高电压技术第3讲 气体放电理论(二)
电子崩阶段电子崩外形好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀，电子崩中的电子数：n＝e αx例如，正常大气条件下，若E＝30kV／cm，则α≈11cm-1，计算随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数x/cm 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.01993059874 n 9 27 81 245 735663422087空间电荷畸变了外电场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，发射出光子崩头内部正负电荷区域电场大大削弱，有助于发生复合过程，发射出光子89流注阶段电子崩走完整个间隙后，大密度的头部正离子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，其中电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在受到畸变而加强了的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩光电离、二次崩1：主电子崩2：二次电子崩3：流注正流注的形成（外加电压等于击穿电压时）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1—主电子崩2—二次电子崩3—流注1011试验测量结果：电子崩在电离室中得到的初始电子崩照片图a和图b的时间间隔为1×10-7秒p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/厘米初始电子崩转变为流注瞬间照片p＝273毫米汞柱，E=12千伏/厘米电子崩在空气中的发展速度约为1.25×107cm/s14高频脉冲电流尖极为负的电晕1.到一定值时，有规律的重复电流脉冲，平均电流为μA2.升高脉冲幅值基本不变，频率增高，平均电流增大3.再升高，电晕电流为持续电流，平均值继续增大4.继续升高，出现不规则的电流脉冲，幅值大得多---流注型(a) 时间刻度T=125μs(b) 0.7μA电晕电流平均值(c) 2μA电晕电流平均值2839当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，因而自待放电条件就易于得到满足、易于转入流注而形成电晕放电E ex —外电场E —空间电荷的电场41当棒具有正极性时电子崩进入棒电极，正电荷留在棒尖加强了前方（板极方向）的电场（曲线2）电场的加强对形成流注发展有利。
高电压技术中的气体放电及其应用探析
高电压技术中的气体放电及其应用探析气体放电是一种重要的放电现象，广泛地存在于人们的日常生活中，并且在工业中获得了广泛地应用，研究气体放电对于认识和了解科技发展水平具有重要的意义。
本文阐述了气体放电的产生条件和气体放电等离子体的特性，并且介绍了高电压技术中的气体放电及其应用探析。
标签：高电压技术;气体放电;应用引言众所周知，对气体施加一定的电压后，气体会发生放电现象，也就是说气体发生导电，不具有绝缘的特性，此时形成了等离子体。
气体放电被广泛地应用于科学研究和工业中，同时，气体放电在人们的日常生活中也广泛地存在，例如闪电、日光灯等。
因此，研究和认识气体放电对于了解当今的科学技术发展水平具有重要意义。
1.高电压技术中的气体放电概论在电力系统中，气体是一种应用得相当广泛的绝缘材料。
如架空输电线、母线、隔离开关的断口处等都是完全依靠空气作为绝缘的。
还有些虽然不完全依靠空气作为绝缘，但空气包围在它们的外部，构成绝缘的一部分。
SF6气体从被发现至今仅一百余年的历史，它作为高压绝缘材料的广泛应用促进了输变电技术及高压绝缘技术的飞速发展。
气体有着固体和液体等其它绝缘介质所没有的优良特性，比如气体不存使用寿命的问题;常用的绝缘气体如空气、氮气以及SF6气体化学稳定性好，不燃不爆，有很高的可靠性和安全性。
气体绝缘开关（GasInsulated Switchgear简称GIS）由于具有占地面积小，可靠性高，安全性强，维护工作量很小等优点，加之在经济上的优越性和技术上的先进性，已被广泛的应用于高压输变电系统。
而且气体放电理论的实验和研究成果不但为高电压绝缘技术发展提供坚实的理论基础，也同时促进了其他学科的技术进步与发展，包括等离子体刻蚀、等离子体推进、磁流体发电、加速器气体激光器等新兴技术领域。
2.气体放电研究现状气体放电是研究放电过程中各种带电粒子的产生、消失、相互作用以及运动规律的学科。
依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。
高电压技术第二章-气体放电
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。
8气体放电 和放电特性
放电特性（discharge characteristic）是指在切断供电电流后，二次场电位差（△U2）随放电时间（t）的变化关系：当充电一定时间后断电，二次场电位差（△U2）随时间缓慢衰减，开始较快，以后逐渐减慢，最后趋于零。
放电特性和极化体的物质成分、离子扩散等因素有关。
[1]气体放电英文名称：gas discharge 定义：气体中流通电流的各种形式的统称。
包括电晕放电、辉光放电、电弧放电、火花放电等。
所属学科：电力（气体放电一级学科）；高电压技术（二级学科） :干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就气体放电变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。
主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。
20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。
气体放电的基本物理过程气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。
基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。
编辑本段激发现象荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。
这个现象，称为激发；被激发的原子，称为受激原子。
要激发一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为E m的状态,就必须给予(E m-E1)的能量；这个能量所相应的电位差设为eV e，则有eVe＝Em－E1电位V e称为激发电位。
实际上，即使电子能量等于或高于激发能量，碰撞未必都能引起激发，而是仅有一部分能引起激发。
引起激发的碰撞数与碰撞总数之比，称为碰撞几率。
高电压技术复习
高电压技术复习《高电压技术》复习一.气体的绝缘强度了解气体放电的一般现象和概念；理解持续电压作用下均匀电场气体放电理论、不均匀电场中的气体放电特性；理解冲击电压下的气体放电特性；了解大气条件对气隙击穿电压的影响，掌握提高气隙击穿电压的具体措施。
1.基本概念自持放电:不需其它任何外加电离因素而仅由电场的作用就能维持的放电称为自持放电。
非自持放电:必须借助外加电离因素才能维持的放电则称之为非自持放电。
电晕放电:当所加电压达到某一临界值时，在靠近两个球极的表面出现蓝紫色的晕头，并发出“咝咝”的响声，这种局部放电现象称为电晕放电。
极性效应：在极不均匀电场中，高场强电极的不同，空间电荷的极性也不同，对放电发展的影响也不同，这就造成了不同极性的高场强电极的电晕起始电压的不同，以及间隙击穿电压的不同，称为极性效应。
50%冲击击穿电压（U50%）：用间隙击穿概率为50％的电压值来反映间隙的耐受冲击电压的特性。
汤逊放电理论和流柱理论的异同以及各自的适用范围：汤逊放电理论：当外施电压足够高时，一个电子从阴极出发向阳极运动，由于碰撞游离形成电子崩，则到达阳极并进入阳极的电子数为ea个(α为一个电子在电场作用下移动单位行程所发生的碰撞游离数；为间隙距离)。
因碰撞游离而产生的新的电子数或正离子数为(ea-1)个。
这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．若1个正离子撞击阴极能从阴极表面释放r个(r为正离子的表面游离系数)有效电子，则(ea-1)个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电。
即汤逊理论的自持放电条件可表达为r(ea-1)=1。
它的适用范围：汤逊理论是在低气压、Pd较小的条件下在放电实验的基础上建立的。
Pd过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了。
通常认为，Pd>200cm·mmHg时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结果不再适用，但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有效的。
2高电压技术第二章
23
电子雪崩的示意图
d
-
-
-
+
24
电子崩的电荷分布
+ + + + + + + + + + +
+
+
+ + +
+
+ + + + + + +
-
-
-------- +
d
25
汤森德理论分析：
新产生的电子参加电离过程
1
e s
If s=10 Then es=2.2×104
26
汤森德理论分析：
碰撞电离系数
初 始 电 子 崩 的 方 向 流 注 发 展 的 方 向 41
流注理论
形成流注的条件:
初崩头部的电荷达到一定的数量，使电场得到足 够的畸变和加强并造成足够的空间光电离。一般认为 当S=20时便可以满足上述条件。
42
不均匀电场中气隙的放电特性
在大多数的电力工程绝缘结构中，电场都是不均匀的。
研究不均匀电场中气体放电的规律
这些光子在附近的气体中导致光电离，在空间产生 二次电子。它们在正空间电荷所畸变和加强了的电场的 作用下，又形成新的电子崩叫二次崩。
初 始 电 子 崩 的 方 向
流 注 发 展 的 方 向 40
流注理论
二次崩头部的电子跑向初崩的正空间负荷，与之汇 合成为充满正负带电粒子的混合通道。这个电离通道称 为流注。 流注导电性能良好，其端部又有二次崩留下的正电 荷，因此大大加强了前方的电场，促使更多的新电子崩 相继产生并与之汇合，从而使流注向前发展（阳到阴）。 到流注通道把两极接通时将导致间隙的完全击穿。
8气体放电 和放电特性
放电特性（discharge characteristic）是指在切断供电电流后，二次场电位差（△U2）随放电时间（t）的变化关系：当充电一定时间后断电，二次场电位差（△U2）随时间缓慢衰减，开始较快，以后逐渐减慢，最后趋于零。
放电特性和极化体的物质成分、离子扩散等因素有关。
[1]气体放电英文名称：gas discharge 定义：气体中流通电流的各种形式的统称。
包括电晕放电、辉光放电、电弧放电、火花放电等。
所属学科：电力（气体放电一级学科）；高电压技术（二级学科） :干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就气体放电变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。
主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。
20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。
气体放电的基本物理过程气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。
基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。
编辑本段激发现象荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。
这个现象，称为激发；被激发的原子，称为受激原子。
要激发一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为E m的状态,就必须给予(E m-E1)的能量；这个能量所相应的电位差设为eV e，则有eVe＝Em－E1电位V e称为激发电位。
实际上，即使电子能量等于或高于激发能量，碰撞未必都能引起激发，而是仅有一部分能引起激发。
引起激发的碰撞数与碰撞总数之比，称为碰撞几率。
高电压技术中的气体放电及其应用思考
高电压技术中的气体放电及其应用思考发布时间：2021-03-25T06:17:10.394Z 来源：《河南电力》2020年9期作者：毛云峰[导读] 干燥的空气是非常好的绝缘体，但是在生活中偶尔会看到高压变压器、线路上出现跳跃的电弧。
（广西方元电力检修有限责任公司）摘要：气体放电是高电压技术中常见的物理现象，利用高电压对空气中的带电粒子施加压力，使其沿着高电压的电场方向移动，从而在本应是绝缘的气体中发生导电的现象，通常也叫击穿现象。
本文通过探讨高电压技术中气体放电的原理，以及利用气体放电现象，在高压技术中进行有效利用，来达到特定使用目的。
以期能够提升高电压技术中的创新能力。
关键词：高电压；气体放电；技术应用干燥的空气是非常好的绝缘体，但是在生活中偶尔会看到高压变压器、线路上出现跳跃的电弧。
这种现象是空气在经过高压电的作用下，发生变化，使空气具有一定的导电性。
而利用气体放电的现象，可以对高压进行控制，并在实际使用中，作为断路器开关等手段来达到高电压技术中的特殊需求。
一、高电压技术中气体放电的原理通常来说，干燥的气体拥有较好绝缘性能的原因是，气体中拥有电粒子数量较少，并且活动较少，使电流无法顺利移动。
但是若对气体施加较强的高压电场，使空气中电粒子随着电场移动，并将电压升高一定数值时，电粒子的移动速度加快，在空气中形成电流的流通通道，此时就会发生空气击穿，导致气体放电的现象。
在高电压、电流的影响下，空气中的分子被电离成电子和粒子状态，并拥有较好的传导性能。
高电压下的气体放电现象，使气体原子在接受电压的外力影响下，产生能力变化，让电子能够迁跃至能级较高的轨道，并让原子能够开始激发，并产生低温等离子体。
而高电压中的能量会使电子脱离空气原子核的束缚，从而产生自由的电子和正离子，其特性受到电源、气体属性、结构等影响，从而产生阻挡、滑动、电弧等气体放电类型。
同时气体放电现象会使空气介质中的电子密度较高，从而获得较高的能量，并产生密度高的低温等离子体。
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。
高电压知识点汇总
高电压知识点汇总一、气体放电的基本概念。
1. 气体放电。
- 气体中流通电流的各种形式统称为气体放电。
在正常状态下，气体是良好的绝缘体，但在一定条件下（如高电压、强电场等），气体中会出现导电现象。
- 气体放电可分为自持放电和非自持放电。
非自持放电需要依靠外界电离因素（如紫外线、宇宙射线等）才能维持导电；自持放电一旦形成，即使外界电离因素消失，放电仍能持续。
2. 汤逊理论。
- 适用于低气压、短间隙均匀电场中的气体放电。
- 主要观点：电子崩和正离子撞击阴极产生二次电子发射是气体自持放电的主要机制。
- 汤逊第一电离系数α：表示一个电子在沿电场方向运动1cm的过程中与气体分子发生碰撞电离的次数。
- 汤逊第二电离系数β：表示一个正离子撞击阴极表面时产生的二次电子数。
- 根据汤逊理论，自持放电的条件为：e^α d=1+(α)/(β)（d为电极间距）。
3. 流注理论。
- 适用于高气压、长间隙、不均匀电场中的气体放电。
- 主要观点：电子崩发展到足够强时，电子崩中的空间电荷会使电场发生畸变，产生局部强电场，从而引发光电离，形成流注。
流注不断发展贯穿两极间的间隙，导致气体击穿。
- 与汤逊理论的区别：汤逊理论没有考虑空间电荷对电场的畸变作用，而流注理论强调了空间电荷和光电离在放电过程中的重要性。
二、液体和固体介质的电气特性。
1. 液体介质的电气特性。
- 极化。
- 液体介质在电场作用下会发生极化现象。
极化类型主要有电子式极化、离子式极化和偶极子极化。
- 电子式极化：电子云相对于原子核的位移产生的极化，其特点是极化建立时间极短（10^-15sim10^-16s），极化过程中不消耗能量。
- 离子式极化：离子晶体中正负离子在电场作用下的相对位移产生的极化，建立时间约为10^-13s，极化过程中也基本不消耗能量。
- 偶极子极化：极性分子在电场作用下沿电场方向取向产生的极化，建立时间较长（10^-10sim10^-2s），极化过程中消耗能量。
高电压技术考点整理
1.电介质按物质形态分为：气体介质、液体介质、固体介质2.电器设备中：外绝缘：由气体介质和固体介质联合构成内绝缘：由液体介质和固体介质联合构成3.气体的电离类型：碰撞电离、光电离、热电离4.气体的放电现象有击穿和闪络两种现象。
5.Ⅰ气体介质的电气特性一．气体放电分为：自持放电和非自持放电非自持放电：当施加电压U<Uc时，需要外界电离因素才能维持。
自持放电：当施加电压U>Uc时，气隙中的电离过程仅靠外施电压就可以维持，不再需要外部电离因素。
常见气体放电形式;电晕放电、火花放电，辉光放电，电弧放电，沿面放点电晕放电（电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式）：（名词解释）若构成气体间隙的电极曲率半径很小，或电极间距离很大，当电压升到一定数值时，将在电场非常集中的尖端电极处发生局部的类似月亮晕光的光层，这时用仪表可以观测到放电电流。
随着电压的升高，晕光层逐渐扩大，放电电流也增大，这种放电形式称为电晕放电。
二． 汤逊理论和流注理论1. 汤逊理论：放电的主要原因是电子电离，二次电子来源于正离子撞击阴极表面溢出电子，溢出电子是维持气体放电的必要条件。
二次电子能否接替起始电子的作用是气体放电的判据。
用于低气压、短气隙——pd<26.66kPa.cm自持放电的条件：2. 流注理论:流注理论认为气体放电的必要条件是电子崩达到某一程度后，电子崩产生的空间电荷使原有电场发生畸变，大大加强崩头和崩尾处的电场。
另一方面气隙间正负电荷密度大，复合作用频繁，复合后的光子在如此强的电场中很容易形成产生新的光电离的辐射源，二次电子主要来源于光电离。
适用于高气压，长间隙——pd>26.66kPa.cm自持放电的条件：流注：在正电荷区域内形成正负带电粒子的混合通道，这个电离通道称为流注。
三． 不均匀电场的放电附：不均匀电场分为少不均匀电场（球状电场）和极不均匀电场（棒-棒，棒-板）1. 极性效应：由于高场强电极极性的不同，空间电荷的极性也不同，对放电发展的影响也不同，这就造成了不同极性的高场强电极的电晕起始电压和间隙击穿电压的不同。
高电压技术最全总结
由光辐射引起气体原子（或分子）的游离称为光游离
（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，能量来源不同而已。
（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
逸出功：使电子从金属便面逸出所需要的功
金属表面游离的途径
（1）正离子撞击阴极
（2）光电子发射
（1）碰撞游离
1 2
mv2
=
eEx
≥ Wi
条件：x ≥ Ui E
当带电质点具有的 动能积累到一定数值后，在与气体 原子（或分子）发生
碰撞时，可以使后者产生游离，分裂成正离子和电子，这种由碰撞而引起的游
离称为碰撞游离
当原子或分子有可 能在外界给予的能量小于电离能但 大于激励能时发生的
激励称为分级电离
（2）光游离
第 1 章 气体的绝缘强度 1.1 气体放电的基本物理过程 1.1.1 气体中带电质点的产生和消失 气体电介质的放电特性 绝缘介质：气体、固体、液体及其复合介质 空气在强电场下放电特性：
气体在正常状态下 是良好的绝缘体，在一个立方厘米 体积内仅含几千个带 电粒子，但在高电压下，气体从少量电符会突然产生大量的电符，从而失去绝 缘能力而发生放电现象。气体由绝缘状态突变为良导电状态过程称为击穿。 放电形式：
1
（3）强场发射（冷发射） （4）热电子发射
一些金属的逸出功（eV）
金属
逸出功
铝
1.8
银
3.1
铜
3.9
铁
3.9
氧化铜
5.3
气体中负离子的产生
电子与气体分子或 原子碰撞时，不但有可能发生碰撞 电离产生正离子和电
子，也有可能发生电子附着过程形成负离子。
高电压技术--1-气体的放电特性
U0：均匀电场中，气体 的自持放电的起始电压，
等于气隙的击穿电压Ub。
巴申定律：当气体成分和电极材料一定时，气体间隙
击穿电压Ub是气压p和极间距离d乘积的函数。
由曲线可知，随pd的变化，击穿电压有最小值。 该现象可由汤逊理论加以解释：形成自持放电需要 达到一定的电离数d，而这又决定于碰撞次数与电离 概率的乘机。
均匀场气隙在直流、 工频电压作用下的击穿电 压是相同的。
U b2.5 45 d6.66d
d=1～10cm时，击穿场强约为30kV/cm。
2. 稍不均匀电场中的击穿 （1）球隙
a. d<D/4时，电场 均匀，直流、交 流和冲击电压击 穿电压相同；
b. d>D/4时，电场 不均匀程度增大， 击穿场强下降， 出现极性效应；
阴极电极表面由于光电离产 生电子（起始电子）→电场作用 →向阳极运动→动能增大→发生 碰撞电离→产生新电子→电子数 量增多→电子崩
正离子→向阴极运动→加强 阴极电场或与阴极碰撞→产生新 电子→雪崩现象加剧→放电自持
2.三个系数 作用：定量分析气隙中的放电过程 ➢α系数—电子沿电场方向运动1cm平均发生的碰撞电 离次数—电子崩过程（α过程） ➢β系数—正离子沿电场方向运动1cm平均发生的碰撞 电离次数—离子崩过程（β过程） ➢γ系数—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—离子崩达到阴极后引起 阴极发射二次电子的过程（γ过程）
“棒-棒”和“棒-板”空气间隙的 直流击穿特性
（2）长气隙直流击穿特性 特性与短气隙直流击穿特性
相同。 可用于估算超高压直流输电
过程中对称布置和不对称布置所 需的绝缘距离。 ➢正极性棒—板电极：4.5kV/cm ➢负极性棒—板电极：10kV/cm ➢棒—棒电极：5.4kV/cm
高电压技术中的气体放电及其应用探析
1.1 气体放电概念在自然状态下，气体处于绝缘状态。
受宇宙射线、地下放射性物质的影响，气体中含有少量带电粒子。
如果在外施加电场，将导致气体中的带电粒子在强电场作用下沿着电场方向移动，在间隙中形成电导电流。
在气体间隙上电压升高到一定数值，将形成传导性较高的通道，使得气体间隙被瞬间击穿，发生气体放电的现象，导致气体分子被电离成为电子和离子[1]。
而气体放电是导致低温等离子体产生的主要方式，在最小位能的气体原子接受外能时，将引发能级变化，促使电子跃迁至能级较高轨道，使原子呈激发状态。
从外部获得足够大的能量，能够使原子或电子脱离原子核束缚，促使自由电子和正离子的产生。
产生的等离子体作为物质的第四态，拥有不同的物性和规律。
而其特性与放电特性之间关系密切，受激励电源、放电模式等各种因素的影响，将产生各种气体放电形式。
按照放电属性、结构等不同方式，可以划分为多种类型，如介质阻挡放电、滑动放电、汤生放电、电弧放电等等。
如表1所示，为典型产生等离子体的不同放电模式及相关参数[2]。
在工频交流、直流等常规条件下，气体放电折合电厂强度和过电压倍数普遍不高。
而在高气压下，滑动放电折合的电场强度在10Td-100Td 范围内，由辉光放电和火花放电构成，电子轰击产生的转动自由度将快速释放，使得分子解离能够起到有效加热气体的作用。
在放电时，温度则接近室温，通常在低气压下进行。
在较高气压下，电子平均能量和密度较高，可以促使密度高的低温等离子体产生。
表1 典型产生等离子体的不同放电模式及相关参数类别气压ρ/kPa 电子数密度n e /cm -3电子平均能量ε*/eV 放电场强范围E/（V·cm -1）电晕放电＞15＜106＜3＜2×104介质阻挡放电＞151010-10111-10103-105弥散放电＞151010-1013＞10＞103辉光放电＜15107-10102-850-100001.2 气体放电条件气体放电现象的产生，需要满足气压击穿条件。
高电压技术一
高电压技术一气体的绝缘特性第一章空气在强电场下放电特性：高电压技术的基本任务一气体电介质的放电特性宇宙射线与放射性物质作用气体中约含对cm带电粒子,电场作用形成电导电流特点：带点质子少电导电流极小绝缘良好气体放电：在高电压下(临界值),气体从少量电荷会突然产生大量的电荷,失去绝缘能力而发生放电现象一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态气体在正常状态下是良好的绝缘体：架空输电线、线路与铁塔、变压器引入引出线输电线路以气体作为绝缘材料变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料火花放电：大气压更高气压之下电弧放电：电源功率大内阻小大电流温度高局部放电：极不均匀电场发生电晕放电气体不同放电形式带电质点的产生与消失()激发：不稳定状态自恢复原子在外界因素作用下,其电子由近轨道跃迁到能量较高的远轨道的过程()游离(电离)：稳定状态游离能大原子在外界因素作用下获得足够能量,使其一个或几个电子脱离原子核的束博而形成自由电子和正离子()游离的方式a碰撞游离b光游离c热游离d金属表面游离a碰撞游离当带电质点具有的动能积累到一定数值后在与气体原子（或分子）发生碰撞时可以使后者产生游离这种由碰撞而引起的游离称为碰撞游离引起碰撞游离的条件：：气体原子（或分子）的游离能b光游离由光辐射引起气体原子（或分子）的游离光能以不连续的光子形式发出产生光游离的条件：h:普朗克常数ν:光的频率C：光速c热游离气体在热状态下引起的游离过程称为热游离热游离：碰撞游离光游离产生热游离的条件：K:波茨曼常数T:绝对温度d金属表面游离电子从金属电极表面逸出来的过程称为表面游离原因：气体放电存在电流循环必然有阴极发射电子的过程。
逸出功：电子从金属电极表面逃离所需的能量~eV。
逸出功游离能表面游离方法：金属电极加热、正离子碰撞、短波光照射电极、强电场作用相对性：游离与去游离同时发生矛盾的对立面a扩散带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动浓度趋于平均b复合正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子特点：异号带点质点浓度越大复合越激烈强烈的游离区=强烈的复合区复合过程光辐射光游离c附着效应电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子特点：附着过程释放能量亲合能电负性气体：容易吸附电子形成负离子的气体OClFFS作用：有助于提高气体绝缘强度()去游离：带点质点从游离区削弱、消失的过程二气体放电的两个理论汤逊（Townsend）放电理论适用条件:均匀电场,低气压,短间隙实验装置意义：整个理论虽有较大局限性但是对电子崩发展过程的分析奠定气体放电研究基础初始状态：外界光源照射自由带点质点达到一定密度。
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A ln(
( 1
pd
) 1
)
]
f ( pd )
等于气隙的击穿电压Ub。
巴申定律：当气体成分和电极材料一定时，气体间隙
击穿电压Ub是气压p和极间距离d乘积的函数。
由曲线可知，随pd的变化，击穿电压有最小值。 该现象可由汤逊理论加以解释：形成自持放电需要 达到一定的电离数d，而这又决定于碰撞次数与电离 概率的乘机。
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。 适用范围：解释低气压、短气隙中的放电现象
三、巴申定律
ApeBp/E
ApB ep/U d0
(ed 1) 1 Ape Bpd d /U 0 ln( 1 1)
U0：均匀电场中，气体 的自持放电的起始电压，
U0
B ( pd )
ln[
➢气体的放电基本物理过程和电气强度 ➢固体、液体介质的电气特性
第1章 气体的放电基本物理过程和 电气强度
主要内容： 本章主要介绍气体放电的汤逊理论和流注理论，
气体放电的基本规律、击穿特性和影响因素，以及提 高气体介质电气强度的方法。此外还介绍沿面放电以 及防污对策。
第1节 汤逊理论和流注理论
主要内容： 一、非自持放电和自持放电 二、汤逊理论 三、巴申定律 四、流注理论 五、强电负性气体自持放电的条件
( )d K( )d x K
K：电子崩中电子的临界值取对数，对于SF6，K=10.5。
第2节 不均匀电场中的放电过程
➢稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点 ➢极不均匀电场中的电晕放电现象 ➢极不均匀电场中的放电过程
均匀电场 不均匀电场
稍不均匀电场 极不均匀电场
一、稍不均匀电场和极不均匀电场 1.球隙大小与放电情况之间关系 （1）d≤2D
电场较均匀（稍不均匀），一旦出 现自持放电，立即导致整个气隙击穿。 （2）d≥4D
电场极不均匀→电压达到某一临界值（电晕起始 电压）→电晕放电→电压继续升高→刷状细火花→气 隙完全击穿 （3）2D<d<4D
过渡区域→电压升高→不稳定电弧→电弧立刻转 换为火花放电→气隙完全击穿
2.实验结论 ➢两球间距越大，电场越不均匀 ➢电场越不均匀，击穿电压与电晕起始电压差别越大。 3.电场不均匀度的划分 （1）根据是否存在稳定电晕划分 ➢存在稳定电晕：极不均匀电场（d≥4D） ➢不存在稳定电晕，电晕一出现气隙马上击穿：稍不 均匀电场（ d<2D、2D<d<4D） （2）根据电场不均匀系数划分
高电压技术
高电压技术导言
一、本课程学习目的
通过本课程学习应重点掌握电力系统产生过电压的 机理和过电压保护的基本方法，培养学生分析和解决 电力系统中绝缘与作用电压矛盾的能力。通过本课程 学习，为今后从事有关高电压与绝缘方面的工作打下 基础。
二、主要内容
➢各类电介质在高电场下的特性 ➢电气设备绝缘试验技术 ➢电力系统过电压与绝缘配合
一、自持放电和非自持放电
oa—初始阶段 ab—良好的绝缘状态 bc—碰撞电离↑→带电离子↑ cs—气体间隙击穿，电流急剧增加 非自持放电：依靠外电离因素作用而维持的放电 自持放电：只依靠外施电压而维持的放电 U0：放电起始电压
二、汤逊理论 汤逊从均匀电场、低气压、短气隙的气体放电实
验出发，总结出的气体放电理论。 1.电子崩的形成
3.均匀电场中电子崩的计算
dnndx或dndx
n 解方程得： ned
n — 过程电子崩的电子
ed 1 — 过程中产生的离子崩中的正离子数
(ed 1) — 过程在阴极上释放出二次电子数
如果 (ed 1)1便开始转入自持放电阶段
因此自持放电的条件为：
(ed1)1
(e0 d d
x
1)1
3.汤逊理论 汤逊理论的实质：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。
三、参考书目 1.高电压技术 文远芳 2.高电压技术 周浩 3.高电压技术 张一尘 4.高电压技术 周泽存
华中科技大学出版社 浙江大学出版社 中国电力出版社 中国电力出版社
第一篇 各类电介质在高电场下的 特性
主要介绍固体、液体、气体介质的放电、闪络、 击穿特性和极化、电导、损耗等电气现象，以及提高 电介质电气强度的方法。 主要内容：
流注的产生条件即自持放电条件，对于均匀场为：
ed 常数
一般认为当ad≈20（ead≈108）便可满足上述条件， 使流注得以形成。
5.强电负性气体的自持放电条件 （1）附着效应η系数
一个电子沿电场方向运动1cm时，平均发生的电子 附着次数。
在电负性气体中，有效碰撞电离次数为：
汤逊自持放电条件中的α不能简单用α-η代替， 因为在电负性气体中，正离子数等于增新的电子数与 负离子数之和。 （2）电负性气体的自持放电条件
阴极电极表面由于光电离产 生电子（起始电子）→电场作用 →向阳极运动→动能增大→发生 碰撞电离→产生新电子→电子数 量增多→电子崩
正离子→向阴极运动→加强 阴极电场或与阴极碰撞→产生新 电子→雪崩现象加剧→放电自持
2.三个系数 作用：定量分析气隙中的放电过程 ➢α系数—电子沿电场方向运动1cm平均发生的碰撞电 离次数—电子崩过程（α过程） ➢β系数—正离子沿电场方向运动1cm平均发生的碰撞 电离次数—离子崩过程（β过程） ➢γ系数—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—离子崩达到阴极后引起 阴极发射二次电子的过程（γ过程）
巴申定律：Ub=f(pd) 当考虑温度变化时，可以用气体的相对密度δ代
替大气压力。
Ub f(d)
Ts p 2.9 p
ps T
T
Ts、ps：标准大气压，Ts=293K，ps=101.3kpa T、p：实验时大气条件
四、流注理论 1.汤逊理论的不足
汤逊理论适用于低气压、短气隙的放电现象，但 是解释高气压、长气隙时，与实际相矛盾。 2.流注的形成和发展
起始电子→碰撞电离 →初始电子崩→正离 子暂留→电场畸变→ 发射光子→产生二次 电子→二次电子崩→ 产生充满正负粒子的 通道→流注形成
3.流注理论 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，同 时放射出大量光子成为空间光电离的辐射源。
二次电子主要来源于空间的光电离。 汤逊理论：二次电子主要来源于正离子碰撞阴极的逸 出电子。 4.流注的产生条件