2章-气体放电的基本物理过程
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。
高电压技术复习总结
第2章气体放点的基本物理过程（这章比较重要,要记得知识点很多，要认真看）在第二章标题下面有一句话“与固体和液体相比·········”(1.电离是指电子脱离原子的束缚而形成自由电子、正离子的过程．电离是需要能量的，所需能量称为电离能Wi(用电子伏eV表示,也可用电离电位Ui=Wi/e表示)2。
根据外界给予原子或分子的能量形式的不同，电离方式可分为热电离、光电离、碰撞电离（最重要）和分级电离。
3.阴极表面的电子溢出：（1）正离子撞击阴极：正离子位能大于2倍金属表面逸出功。
（2)光电子发射：用能量大于金属逸出功的光照射阴极板。
光子的能量大于金属逸出功. （3)强场发射：阴极表面场强达到106V/cm（高真空中决定性）(4)热电子发射：阴极高温4。
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(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。
负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。
SF6气体含F,其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。
5.带点质点的消失:（1)带电质点的扩散：带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，使带电质点浓度变得均匀.电子的热运动速度高、自由行程大,所以其扩散比离子的扩散快得多。
(2)带电质点的复合：带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。
带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来,这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。
6。
气体间隙中电流与外施电压的关系：第一阶段：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第二阶段：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）第三阶段：电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的电子崩第四阶段自持放电：电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿)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.自持放电7.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。
气体放电的基本物理过程
1 2
mv2
eEx
Wi
条件：x Ui E
高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时，如原 子或分子获得的能量等于或大于其电离能，则会发 生电离，这种由碰撞而引起的电离称为碰撞电离。
高电压工程基础
（1）碰撞电离
即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离——引 入“自由行程”概念。
自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由通过的平均距离。
带电质点的复合 带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而
还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以 光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射 在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。 带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则 复合率越高。
2.2 放电的电子崩阶段
阴极表面光电离 气体中的空间光电离
因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。 在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。
高电压工程基础
1、非自持放电和自持放电的不同特点
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）
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： 了解气体在强电场(高电压)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)
输电线路以空气 作为绝缘材料
变压器相间绝缘以 气体作为绝缘材料
n
均匀电场 α 不随x变化
气体放电基本物理过程(二)
§1.7 放电时间和冲击电压下的击穿
张
宁
福州大学电力系
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影响空气间隙放电电压的因素主要： 电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀 电压形式：直流电压、交流电压、雷电冲击电压、
操作冲击电压 大气条件：气压、温度、湿度 电压形式对空气间隙放电电压的影响
26
气隙的击穿时间
最低静态击穿电压U0 击穿时间tb
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
1—主电子崩 2—二次电子崩
3—流注
6
正流注的形成
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
33
小结
放电时间的组成
tbt1tstf
冲击电压波形的标准化
– 标准雷电冲击电压波
– 标准雷电截波
– 标准操作冲击电压波
冲击电压下气隙的击穿特性
– 采用击穿特性为50%时的电压来表征气隙的击穿特性
– 伏秒特性表征气隙的冲击电压与放电时间的关系
本章重点内容
带电粒子的产生
– 平均自由行程长度（内部因素、外界因素） – 碰撞电离（主导因素） – 负离子的消失和复合
汤逊放电理论
– 电子碰撞电离系数（影响因素）和巴申定律 – 电子崩过程的特点（产生的带电粒子数及其分布） – 自持放电条件 – 放电过程的一般描述
流注放电理论
– 为何气隙间距较大时，会发生流注放电理论
不均匀电场的放电特征
气体放电的基本物理过程
放电的电流与电压特性
电流特性
气体放电的电流大小和波形取决于放电条件，如气压、电流密度和电极形状等。在一定条件下，放电 电流会呈现脉冲或持续的波形。
电压特性
气体放电的电压特性与电流特性密切相关。在放电过程中，电压会随着电流的变化而变化，通常在放 电开始时电压较高，随着电流增大，电压逐渐降低。
放电的热效应与声效应
拓展气体放电的应用领域
能源领域
利用气体放电技术实现高 效、清洁的能源转化，如 燃料电池、太阳能电池等。
问题，如烟气脱硫 脱硝、废水处理等。
医疗领域
利用气体放电技术进行杀 菌消毒、病毒灭活等，保 障公共卫生安全。
THANKS
感谢观看
电场与气体原子的相互作用
库仑相互作用
气体原子在电场中受到正负电荷的库 仑力作用，导致原子运动状态发生变 化。
电子与原子的碰撞
电场加速的电子与气体原子发生碰撞 ，传递能量，引起原子的激发和电离 。
电子的产生与运动
电子从气体原子或分子的束缚态跃迁 到自由态，形成自由电子和正离子。
电子在电场中受到加速或减速作用， 能量发生变化，运动轨迹发生偏转。
探索新型的气体放电技术
01
02
03
脉冲放电技术
利用脉冲电源产生高电压、 大电流的脉冲，实现高效 率、高稳定性的气体放电。
介质阻挡放电技术
通过在放电空间中设置绝 缘介质，降低放电的击穿 电压，实现低电压、高效 率的气体放电。
电晕放电技术
利用高电压电场产生电晕， 使气体发生局部电离，实 现低电流、低能耗的气体 放电。
电弧放电
另一种不稳定的气体放电状态是电弧放电。 电弧放电会产生强烈的弧光和高温，同时伴 随着较大的电流和电压波动。这种不稳定性 会对放电产生负面影响，甚至导致设备损坏。
最新气体放电物理知识要点总结-6-6
气体放电物理知识要点总结1．气体放电过程中一般存在六种基本粒子：电子，正离子，负离子，光子，基态原子（或分子），激发态原子（或分子）。
2．光子能量,其中为光的频率，h为普朗克常数。
3．原子能量由原子内部所有粒子共同决定，通常人们感兴趣的是原子最外层电子即价电子，因为气体放电过程主要是由最外层电子参加的。
原子通常处于稳定的能级，成为基态（基态能量E1），当价电子从外界获得额外能量时，它可以跳跃到更高能级，此时原子处于激发态（激发态能量E2），电子处于激发态的时间很短，然后会跃迁到基态或低激发态，并以光子形式释放出能量（）。
当电子获得的能量超过电离能时，电子就与原子完全脱离而成为自由电子，原子变为正离子。
4．正离子也可被电离，负离子是电子附着到某些原子或分子上而形成的。
负离子的能量等于原子或分子的基态能量加上电子的亲和能。
气体放电中的带电粒子是电子和各种离子（正离子和负离子）。
每种离子都将影响气体放电的电特性，电子的作用通常占主导地位。
5．波数等于波长的倒数，表示在真空中每厘米的波长个数。
即6. 原子所处的状态取决于其核外电子的运动状态，可用四个量子数来描述。
主量子数n(n=1,2,3…), 它是由电子轨道主轴的尺寸决定；轨道角量子数l，(l=0,1,2,3…n-1),它是由椭圆轨道的短轴和长轴之比决定。
轨道磁量子数m l,其取值范围为，它是由轨道相对于磁场的位置决定的；自旋磁量子数.7．在光谱中，将电子组态用规定的符号来标志，轨道角量子数用字母s,p,d,f等表示，相应的l值分别为0，1，2，3等。
电子组态所形成的原子态符号可以表示为第二章.气体放电的基本物理过程1．带电离子的产生方式：碰撞电离，光电离，热电离，金属表面电离2．电子与原子碰撞时，若碰撞不引起原子内部的变化，这种碰撞称为弹性碰撞，若电子能量足够大，电子与原子碰撞后，可引起原子内部发生变化，即引起原子的激发或电离，这种碰撞称为非弹性碰撞。
高电压技术-第02章-气体放电的物理过程PPT课件
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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。
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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。
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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。
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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
高电压技术复习大纲-2012 (1)
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
• 第三节 极不均匀电场中的沿面放电 o 弱垂直电场分量情况下，提高沿面闪络电压的途径？具 体措施？ o 说明为什么加装均压环后绝缘子柱电压分布可以得到改 善 o 分析线路绝缘子串电压分布的等效电路？均压环如何改 善电压分布？
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
• 第四节 受潮表面的沿面放电 o 名词解释：
• 第五节 脏污绝缘表面的沿面放电 o 名词解释：
o 污闪电压；污层等值附盐密度；单位爬电距离
o 干燥情况下绝缘子表面污层对闪络电压是否有影响？ o 什么情况下绝缘子表面污层对闪络电压有显著影响？为 什么？ o 为什么污闪事故对电力系统的危害特别大？ o 简单描述污闪的发展过程 o 污闪与其他沿面闪络过程的最大不同之处是？ o 污闪发展过程中，局部电弧能否发展成闪络取决于哪些 因素？ o 影响污闪电压的因素有哪些？ o 实验室进行人工污秽试验时，如何确定污闪电压？具体 步骤？对污闪试验所用电源的内阻抗有何要求？
o 湿闪络电压；
o 介质表面发生凝露时，沿面闪络电压降如何变化？是否 发生凝露与什么因素有关？ o 低温下为什么相对湿度增加不会显著降低闪络电压？ o 湿闪络电压与干闪络电压的关系？ o 提高绝缘子湿闪电压的措施？ o 为什么户外绝缘子都有伞裙？ o 为什么伞裙宽度进一步增大并不能提高湿闪电压？
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
o GIS的母线筒和测量电压用的球间隙属于什么类型的电 场？高压输电线路？套管？ o 如何描述电场的不均匀性？以稍不均匀场和极不均匀场 为例予以说明 o 极不均匀场区别于均匀场的放电现象是？ o 同样间隙距离下，稍不均匀场间隙的击穿电压比均匀场 间隙的要高还是低？ o 电晕放电是自持还是非自持放电？ o 极不均匀场间隙中自持放电条件是？ o 电晕放电的危害、降低电晕放电的措施与电晕放电的有 利之处？
高电压技术-第二章.
（1） 过程与自持放电条件
由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能 小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电 子。此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁 回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起
阴极表面电离，统称为 过程。 为此引入系数。
设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电
但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到 电子崩的阶段。
1、放电的电子崩阶段 （1）非自持放电和自持放电的不同特点
宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生 微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负 带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓 度的带电质点。因此，在气隙的电极间施加电压 时，可检测到微小的电流。
自持放电条件为 γ (eαd −1) =1
(1-21)
γ ：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的 二次电子数
α ：电子碰撞电离系数 d ：两极板距离
此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进
入阳极后可以由α及γ过程在阴极上又产生一个新的替
身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。
（2）汤逊放电理论的适用范围
为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入： 电子碰撞电离系数 α 。
α: 表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完
成的碰撞电离次数平均值。
如图1-5为平板电极气 隙，板内电场均匀，设外 界电离因子每秒钟使阴极 表面发射出来的初始电子 数为n0。
由于碰撞电离和电子
崩的结果，在它们到达x处 时，电子数已增加为n，这 n个电子在dx的距离中又会 图1－5 计算间隙中电子数增长的示意图 产生dn个新电子。
1.1.1 带电质点的产生
气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。
高电压气体放电的基本物理过程
高电压工程基础
由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压U0
如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据气压 、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也就是间隙的击穿电压Ub
如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时， 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
3322
第三十二页，编辑于星期六：一点 五十八分。
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
33
第三十三页，编辑于星期六：一点 五十八分。
高电压工程基础
第2章 气体放电的基本物理过程
1
第一页，编辑于星期六：一点 五十八分。
高电压工程基础
第2章 气体放电的基本物理过程
高压电气设备绝缘的介质 -----气体、液体、固 体及其复合介质
气体绝缘介质的优点 :
1. 不存在老化问题 2. 击穿后具有完全的绝缘自恢复特性 3. 气体放电理论比液体与固体介质的击穿理
8
第八页，编辑于星期六：一点 五十八分。
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 ;
普朗克常数 6.63×10-34J·s
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为
（3）强场发射
（4）热电子发射
13
第十三页，编辑于星期六：一点 五十八分。
第二章 气体放电的基本物理过程
第二章 气体放电的基本物理过程一、带电质点的产生与消失产生带电质点的物理过程称为电离(游离)，是气体放电的首要前提。
激励(激发)：当原子获得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象。
激励需要外界给原子一定的能量，称为激励能。
电离(游离)：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几个电子摆脱原子核的束缚形成自由电子和正离子，这一过程称为电离。
电离所需的能量称为电离能Wi ，通常用电子伏(eV)表示，有时也用电离电位Ui 表示， Ui = Wi /e (e 为电子的电荷量)。
1、电离的方式：碰撞电离、光电离、热电离、分级电离属于空间游离。
金属表面电离 电极表面带电质点的产生2、带电质点的消失与两电极的电量中和、带电质点的扩散、带电质点的复合3、放电的电子崩阶段1）非自持放电和自持放电的不同特点各种高能辐射射线（外界电离因素）引起：阴极表面光电离气体中的空间光电离因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。
在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。
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，此时的放电为自持放电。
2）电子崩的形成外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。
依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流称为电子崩。
放电由非自持向自持转化的机制与气体的压强和气隙长度的乘积(pd)有关：汤逊理论(pd 值较小)流注理论(pd 值较大)共同理论基础：电子碰撞电离形成电子崩。
3）自持放电条件要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。
实验现象表明，二次电子产生的机制与气压和气隙长度的乘积（pd ）有关：汤逊理论 (pd 值较小)： b()U f pd1903年，由英国人汤逊(J.S.Townsend)根据试验事实，提出了比较系统的气体放电理论，阐述了气体放电过程，并确定出放电电流和击穿电压之间的函数关系。
高电压1.1(2)
1.1.4 巴申定律与适用范围
1、巴申定律
当气体成份和电极材料一定时，气体间隙击穿电压(ub) 是气压(p)和极间距离(d)乘积的函数。
U b f ( pd)
•根据自持放电条件，导出：
B( pd ) ub f ( pd ) A( pd ) ln[ ] 1 ln( 1 )
•A、B是与气体种类有关的常数，
Eex
E
Eex
x
合成电场
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
1—主电子崩 2—二次电子崩 3—流注 23
（2） 流注阶段
•流注理论的解释
（1）放电外形 二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可能均匀， 而且具有分支。 （2）放电时间 二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播，所以 流注发展非常快。 （3）阴极材料 大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光 电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。
初崩 空间光电离 二次电子崩 汇入初崩 流注
在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片
+
T1
<
t2
< t3 < t4
< t5
+
正流注的发展速度约为11082108cm/s
流注通道的直径一般不超过零点几毫米
-
流注通道内正负质点的复合，使通道发出微弱的光亮
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交流长间隙放电中流注过程仿真
• 流注仿真计算结果与实验结果比较 – 日本东京大学学者Ryo Ono采用ICCD相 机拍摄0.5 cm棒板间隙流注放电过程的放 电图像，为了便于比较，仿真计算也采用 Ryo Ono实验中相同的条件。 – 由仿真结果看出，空间电荷畸变了空间电 场，使棒电极附近电场减小，电荷下方电 场增大这一强电场区域电离剧烈，并辐射 光子，造成光电离，形成二次电子崩，二 次电子崩被正电荷吸引，进入主电子崩， 空间电荷继续畸变空间电场，使电场强度 最大区域向前发展，从而流注通道向前发 展，经过7 ns时间流注到达负极板。 – 计算得到的流注发展时间、流注发展形状 都与实验结果吻合较好。验证了仿真计算 的可行性.
气体放电的基本物理过程
气体放电的基本物理过程气体放电是指在气体中一些条件下产生的电流和光辐射现象。
它是由于电流穿过气体时，气体分子与电子碰撞而产生的。
1.电离阶段：当气体中存在电场时，电场的作用下，电子受到电场力的作用而受激，能量增加，然后具有足够的能量与气体分子发生碰撞。
这些高能电子与气体分子碰撞后会将气体分子中的电子击出，产生自由电子和正离子。
这个过程称为电离。
2.生长阶段：在电离阶段后，自由电子会与气体分子重新碰撞形成新的电子和正离子。
这个过程称为复合。
而新产生的电子又与其他气体分子发生碰撞，形成更多的正离子和自由电子。
这种电子的产生和复合的过程不断重复，直到达到一个动态平衡，产生了足够的自由电子和离子。
3.暴击阶段：当电子和正离子的数量进一步增加时，电子会与正离子再次碰撞，使其能量增加。
而当电子进一步与气体分子发生碰撞时，能量超过分子的离解能，就会导致气体分子的电离和激发，产生更多的自由电子和离子。
这个过程会导致电流和电压的增加。
4.衰减阶段：当电压继续升高时，电离和激发的过程会不断增强，导致放电区域中电子和气体分子的密度变得非常高。
这会使得电子和离子发生更多的碰撞，将能量转移给气体分子并使其激发或电离。
然而，当电子和正离子的能量损失超过其再激发或电离的能量时，放电区域中电子和离子的数量会逐渐减少，最终放电将停止。
这个过程称为电流的衰减。
总体来说，气体放电的基本物理过程是通过电场的作用将气体分子电离，产生自由电子和正离子。
这些电子和离子通过与气体分子的碰撞产生更多的电离和激发，导致电流和电压的增加。
最终放电区域中电子和离子的能量损失超过再激发或电离的能量，导致电流的衰减。
气体放电
气体放电气体在正常状态下是良好的绝缘介质．但在电压的作用下，也会形成微弱的电流；气体在外加电压作用下产生导通电流的现象称为气体放电。
当加于气体上的电压达到一定数值时，通过气体的电流会突然剧增，气体失去绝缘的性能。
气体在外加电压作用下由绝缘状态转变为导电状态的过程称为击穿。
使气体击穿的最低电压称为击穿电压、气体发生击穿时，电导突增，并伴有光、声、热等现象。
通过实验观察，由于电源功率、电极形状、气体压力等的不同，气体放电现象存在以下几种主要形式： 1．辉光放电外加电压增加到一定值时，通过气体的电流明显增加，气体间隙整个空间突然出现发光现象，这种放电形式称为辉光放电。
辉光放电的电流密度较小，放电区域通常占据整个电极同的空间。
辉光放电是低气压下的放电形式，验电笔中的氖管、广告用霓虹灯管发光就是辉光放电的例子。
2．电晕放电对于电极很尖的极不均匀电场气隙，随外加电压的升高，在电极尖端附近会出现暗蓝色的晕光，并伴有咝咝声。
如电压不继续升高，放电就局限在这较小的菹围内，形成局部放电，称为电晕放电。
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。
电气设备带电的尖角和输电线路，在运行中时有发生这种电晕放电。
3．火花或电弧放电在气体间隙的两极，电压升高到一定值时，气体中突然产生明亮的树枝状放电火花，当电源功率不大时，这种树枝状火花会瞬时熄灭，接着又突然产生，这种现象称为火花放电；当电源功率足够大时，气体发生火花放电以后，树枝状放电火花立即发展至对面电极，出现非常明亮的连续弧光，形成电弧放电。
二、气体中带电质点的产生和消失我们已经知道，气体间隙在外加电压作用下会产生放电，甚至击穿，这说明气体中有大量带电质点产生；而气体间隙击穿后，若去掉外加电压，气体又能恢复到它原来的耐电强度，这说明气体中的带电质点会消失。
1．带电质点的产生气体原子由带正电荷的原子核和若干带负电荷的电子构成。
正常状态下，这些电子受原子核的吸引在各自的轨道上围绕原子核旋转，这时的气体原子是一个整体，呈中性，称为中性原子。
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。
第2章 气体放电的物理过程
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。
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➢ 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
没发生电离, 也没被反弹 回来
被中性的分子捕捉, 成为自己的束缚电 子
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。
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)
铁 (Fe)
3.9
氧化铜 (CuO)
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。
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
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
一个概念---激励：原子中的电子 外界因素 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 亚稳激励态：10-4~10-5s
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;
原子的电离过程产生带电粒子；
➢ 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Fra bibliotek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
气体分子的平均动能与温度的关系
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。
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
形成负离子时可释放出能量,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。
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子,
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。
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
对绝缘不利,但可有其他应用！
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。
7
产生热游离的条件:
3 2
KT
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
v ——为频率
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 。