高电压技术(第二版)吴广宁电子教案

周次：

时间：

课题：气体放电的基本物理过程（一）

课时：2课时

教学目标：1、了解带电质点的产生与消失

2、掌握电子崩的形成与汤逊理论

重点、难点：电子崩的形成与汤逊理论

教具：教材粉笔

￥

教学方法：讲授法

时间分配：回顾10分钟授课65分钟小结10分钟作业布置5分钟

教学过程：

气体放电的基本物理过程

高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其它复合介质。由于气体绝缘介质不存在老化问题，击穿后自愈能力强，且其成本廉价，因此气体成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。

气体击穿过程的理论研究虽然还不完善，但是相对于其他几种绝缘材料来说最为完整。因此，高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。

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。

}

由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量的带电质点

正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体；

在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能

1、气体中电子与正离子的产生

电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。电离可一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式。

（1）热电离

常温下，气体分子发生热电离的概率极小。气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m 称为该气体的电离度。

（2）光电离 当满足以下条件时，产生光电离。

—

（3）碰撞电离

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。

（4）分级电离

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，其所需能量称为激

励能。原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离。

2、电极表面的电子逸出

（1）正离子撞击阴极

！

（2）光电子发射

（3）强场发射

（4）热电子发射

3、气体中负离子的形成

电子亲合能：使基态的气体原子获得一个电子形成负离子时所放出的能量，其值越大则越

易形成负离子。

1.1.2 带电质点的消失

1.带电质点受电场力的作用流入电极 ；

2.带电质点的扩散；

。

3.带电质点的复合。

1.1.3 电子崩与汤逊理论

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

（2）电子崩的形成

外界电离因子在阴极附近产生

了一个初始电子，如果空间电

eEx mv 22

1

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被称为电子崩。

2、汤逊理论

前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放电的。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。（1）γ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γ过程。

（2）汤逊放电理论的适用范围

作业布置：

审批：

小结：1、带电质点的产生与消失

2、电子崩的形成与汤逊理论

后记：

】

'

周次：

时间：

课题： 气体放电的基本物理过程（二）

课时：2课时

（

教学目标：1、掌握巴申定律与适用范围

2、掌握气体放电的流注理论

3、掌握不均匀电场中的气体放电

重点、难点：流注理论

教具：教材 粉笔

教学方法：讲授法

时间分配：回顾 10分钟 授课 65分钟 小结 10分钟 作业布置 5分钟

教学过程： 气体放电的基本物理过程

；

1.1.4 巴申定律与适用范围

1、巴申定律

早在汤逊理论出现之前，巴申(Paschen)就于1889年从大量的实验中总结出了击穿电压 与 的关系曲线，称为巴申定律，即

1.1.5 气体放电的流注理论

1.空间电荷对原有电场的影响

电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生

了电场畸变；

在电场很小的区域，电子和离子浓度最大，有利

于完成复合；

强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间

光电离辐射源。

—

2. 空间光电离的作用

这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的

b u pd

二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注。

流注条件

流注的特点是电离强度很大和传播速度很快，出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见这时出现流注的条件也就是自持放电的条件。

1.1.6 不均匀电场中的气体放电

电气设备中很少有均匀电场的情况。但对不均匀电场还要区分两种不同的情况，即稍不均匀电场和极不均匀电场。全封闭组合电器(GIS)的母线筒和高压实验室中测量电压用的球间隙是典型的稍不均匀电场；高压输电线之间的空气绝缘和实验室中高压发生器的输出端对墙的空气绝缘则属于极不均匀电场。

1. 稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分

述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数 f ，表示为：

~

为了描f<2 时为稍不均匀电场，f>4 属不均匀电场。

2. 极不均匀电场的电晕放电

（1）电晕放电

在极不均匀场中，当电压升高到一定程度后，在空气间隙完全击穿之前，大曲率电极(高场强电极)附近会有薄薄的发光层，这种放电现象称为电晕。

（2）电晕放电的起始场强

电晕放电的起始场强一般由实验总结出的经验公式来计算，电晕的产生主要取决于电极表面的场强，所以研究电晕起始场强和各种因素间的关系更直接。

（3）电晕放电的危害、对策及其利用

电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素。

（

电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲

会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。

电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。

降低电晕的方法：

①在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。