高电压工程基础(施围)第2章-气体放电的基本物理过程PPT课件
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高电压技术课件 第二章 气体放电的物理过程
有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反 而是碰撞电子附着分子，形成了负离子
有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易 形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、SF6等）
负离子的形成起着阻碍放电的作用
15
5、金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态
41
4、击穿电压、巴申定律
根据自持放电条件推导击穿电压 ，先推导 的计算式
设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子 从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离， 必须满足条件
eEx Wi 或 Ex Ui
只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分子发生
碰撞电离
若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为
正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概 率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要
一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其 浓度
21
§2.2 气体放电机理
气体放电的概述 汤逊放电理论 流注放电理论
22
一、气体放电的概述
（一）气体放电的主要形式
根据气体压强、电源功率、电极形状等因素的不同 ，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电 管可以观察放电现象的变化
Ub
f
2
pS T
电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高 ，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩 散过程比离子的要强得多
20
3、带电质点的复合
正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相 中和、还原为分子的过程
在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
有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易 形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、SF6等）
负离子的形成起着阻碍放电的作用
15
5、金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态
41
4、击穿电压、巴申定律
根据自持放电条件推导击穿电压 ，先推导 的计算式
设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子 从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离， 必须满足条件
eEx Wi 或 Ex Ui
只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分子发生
碰撞电离
若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为
正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概 率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要
一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其 浓度
21
§2.2 气体放电机理
气体放电的概述 汤逊放电理论 流注放电理论
22
一、气体放电的概述
（一）气体放电的主要形式
根据气体压强、电源功率、电极形状等因素的不同 ，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电 管可以观察放电现象的变化
Ub
f
2
pS T
电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高 ，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩 散过程比离子的要强得多
20
3、带电质点的复合
正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相 中和、还原为分子的过程
在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
高电压技术-第02章-气体放电的物理过程PPT课件
-
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。
-
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。
-
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。
-
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
高电压工程基础施围课件第2章-气体放电的基本物理过程ppt.ppt
高电压工程基础
（2）电晕放电的利用
在某些情况下可以利用电晕放电产生的空间电荷来改 善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电压。
导线－板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系
1－D=0.5mm 2－D=3mm 3－D=16mm 4－D=20mm
虚线－尖-板电极间隙
点划线－均匀场间隙
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
自持放电 起始电压
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。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
激励能 6.1 7.9 10.0 6.8 7.6
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
高电压工程基础
➢ 电极表面的电子逸出
一些金属的逸出功
金属
逸出功
铝
1.8
银
3.1
（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。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。
高电压复习要点PPT课件
➢理解半波整流回路，倍压电路，串级直流高压发生器原理 图。
➢直流高压试验设备的性能参数有算术平均值（定义 式？），额定电流，脉动系数（定义式？）
➢在测量直流电压的算术平均值，有效值和最大值时， 其测量误差不大于3％，测量脉动幅值时不大于10％。 ➢测量直流电压的常用方法：用球隙测量最大值；用静 电电压表测有效值（平均值）；用电阻分压器或电阻串 微安表测平均值。
➢ 气隙击穿电压是气压和间隙乘积的函数，这一规律称 为巴申定律。根据巴申定律，随着气压和间隙乘积的变 化，击穿电压出现极小值。
➢ 流注理论认为，二次电子的主要来源是空间的光电离。
➢ 什么是不均匀电场中放电的极性效应。
➢ 画图说明不均匀电场（正极性）中放电的极性效应。
3. 气体间隙的击穿强度
➢均匀电场中空气间隙的击穿强度约为30kV/cm。
➢绝缘电阻和吸收比是反映绝缘性能的最基本的指标之 一，通常用兆欧表（俗称摇表）进行。规定所加电压60s 后测得的数值为试品的绝缘电阻。
➢介质损耗角的正切的含义：是在交流电压作用下，电 介质中的电流有功分量与无功分量的比值，是一个无量 纲的数。在一定的电压和频率下，它反映电介质内单位 体积中能量消耗的大小，它与电介质的体积尺寸大小无 关。 。
➢在极不均匀电场中，空气中的水分（湿度增大）能使 间隙的击穿电压有所提高。
➢随着海拔高度增加，外绝缘的放电电压将下降。
➢SF6气体绝缘设备中经常遇到的是稍不均匀电场间隙。
➢SF6气体在极不均匀电场中击穿的异常现象：一是击 穿电压随气压的变化出现驼峰现象；二是在驼峰气压 范围内，雷击冲击击穿电压明显低于稳态击穿电压。
4. 气体中沿固体绝缘表面的放电
➢在均匀电场中固体介质的引入并不影响电极间的电场 分布，但放电总是发生在界面，且闪络电压比空气间 隙的击穿电压要低得多。
➢直流高压试验设备的性能参数有算术平均值（定义 式？），额定电流，脉动系数（定义式？）
➢在测量直流电压的算术平均值，有效值和最大值时， 其测量误差不大于3％，测量脉动幅值时不大于10％。 ➢测量直流电压的常用方法：用球隙测量最大值；用静 电电压表测有效值（平均值）；用电阻分压器或电阻串 微安表测平均值。
➢ 气隙击穿电压是气压和间隙乘积的函数，这一规律称 为巴申定律。根据巴申定律，随着气压和间隙乘积的变 化，击穿电压出现极小值。
➢ 流注理论认为，二次电子的主要来源是空间的光电离。
➢ 什么是不均匀电场中放电的极性效应。
➢ 画图说明不均匀电场（正极性）中放电的极性效应。
3. 气体间隙的击穿强度
➢均匀电场中空气间隙的击穿强度约为30kV/cm。
➢绝缘电阻和吸收比是反映绝缘性能的最基本的指标之 一，通常用兆欧表（俗称摇表）进行。规定所加电压60s 后测得的数值为试品的绝缘电阻。
➢介质损耗角的正切的含义：是在交流电压作用下，电 介质中的电流有功分量与无功分量的比值，是一个无量 纲的数。在一定的电压和频率下，它反映电介质内单位 体积中能量消耗的大小，它与电介质的体积尺寸大小无 关。 。
➢在极不均匀电场中，空气中的水分（湿度增大）能使 间隙的击穿电压有所提高。
➢随着海拔高度增加，外绝缘的放电电压将下降。
➢SF6气体绝缘设备中经常遇到的是稍不均匀电场间隙。
➢SF6气体在极不均匀电场中击穿的异常现象：一是击 穿电压随气压的变化出现驼峰现象；二是在驼峰气压 范围内，雷击冲击击穿电压明显低于稳态击穿电压。
4. 气体中沿固体绝缘表面的放电
➢在均匀电场中固体介质的引入并不影响电极间的电场 分布，但放电总是发生在界面，且闪络电压比空气间 隙的击穿电压要低得多。
气体放电的物理过程 高电压技术 教学PPT课件
③ 热电子发射： 金属中的电子在高温下也能获得足够的动 能而从金属表面逸出，称为热电子发射。在许多电子器 件中常利用加热阴极来实现电子发射。
13
④ 强电场发射：当阴极表面附近空间存在很强 的电场时（106V/cm数量级），也能使阴极 发射电子。常态下气隙击穿完全不受强场发 射影响；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。
3
第一节 气体中带电质点的产生与消失
一．带电质点的产生
碰撞游离
光游离
（气体本身）
热游离
表面游离 (气体中的金属)
二. 带电质点的消失
质点的扩散
质点的复合
4
波尔量子理论
低能级 ✓电子分布使原子的总能量趋向最小。
高能级 ✓高能级→低能级：发出单色光。
+
✓低能级→高能级：需要外部激励。
✓激励状态不稳定。
反激励：处于激励状态的质点，恢复到原来的
中性状态的现象称为质点的反激励。反激励将 把激励时所吸收的能量以光的状态释放出来。
6
表1-1 某些气体的激励能和游离能
气体 N2
激励能We (eV)
6.1
O2
7.9
H2
11.2
游离能Wi (eV) 气体 激励能We (eV) 游离能Wi (eV)
15.6
CO2
带电质点的消失是由于游离作用小于去游离的作用。
15
气体中带电粒子的消失有可有下述几种情 况：
1. 带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在 到达电极时，消失于电极上而形成外电路 中的电流；
2. 带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。 3. 气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发
生电荷的传递与中和，这种现象称为复合， 是与游离相反的一种过程。
13
④ 强电场发射：当阴极表面附近空间存在很强 的电场时（106V/cm数量级），也能使阴极 发射电子。常态下气隙击穿完全不受强场发 射影响；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。
3
第一节 气体中带电质点的产生与消失
一．带电质点的产生
碰撞游离
光游离
（气体本身）
热游离
表面游离 (气体中的金属)
二. 带电质点的消失
质点的扩散
质点的复合
4
波尔量子理论
低能级 ✓电子分布使原子的总能量趋向最小。
高能级 ✓高能级→低能级：发出单色光。
+
✓低能级→高能级：需要外部激励。
✓激励状态不稳定。
反激励：处于激励状态的质点，恢复到原来的
中性状态的现象称为质点的反激励。反激励将 把激励时所吸收的能量以光的状态释放出来。
6
表1-1 某些气体的激励能和游离能
气体 N2
激励能We (eV)
6.1
O2
7.9
H2
11.2
游离能Wi (eV) 气体 激励能We (eV) 游离能Wi (eV)
15.6
CO2
带电质点的消失是由于游离作用小于去游离的作用。
15
气体中带电粒子的消失有可有下述几种情 况：
1. 带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在 到达电极时，消失于电极上而形成外电路 中的电流；
2. 带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。 3. 气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发
生电荷的传递与中和，这种现象称为复合， 是与游离相反的一种过程。
最新2高电压技术第二章解析ppt课件
如右图所示
19
试验图形分析：
• 首先，大气中少量的正负离子存在；
• 其次，在极间加上电压后，带电离子 oa段:
分别向两极移动，形成电流；
随着电压升高，到达阳极 的带电质点数量和速度也随之 增大。
均匀电场中气体的伏安特性
ab段：
电流不再随电压的增大而 增大因为这时由外界电离因素 在极间产生的带电离子已全部 参加导电，所以电流趋于饱和 。电流密度是极小的，一般只 有10-19 A/cm2，间隙仍处于良 好的绝缘状态。
2高电压技术第二章解析
电气设备的一般特性
1. 设备可靠性随电压升高而下降 2. 设备的体积随电压升高而增大
2
电气设备的一般特性
设备
可靠性
体积
电压 3
高电压技术 第二章
气体放电的物理过程
4
概述
➢ 气体 如绝缘气体：空气 1 用于高压电气设备绝缘的介质 ➢ 液体 如油，变压器等
➢ 固体 如绝缘子等
一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
6
输电线路以气体作为绝缘材料
架空输电线 相与相之间 线路与铁塔之间
7
变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料
变压器引出 线之间
8
液体与固体绝缘材料中的气体
9
2.带电质点的产生
(1) 激发（激励）
原子在外界因素（电场、高温等）作用下,其电子 跃迁到能量较高的状态，但这一过程只有10-8S，非 常短暂。Байду номын сангаас回到正常状态并发射光子。
在电场不均匀的间隙中，最大场强通常出现在曲率半径小的电 极表面附近。当最大场强区域已达到自持放电条件，但其他区域的 场强仍很低。即自持放电局限在间隙中场强最大的部分—电晕放电
19
试验图形分析：
• 首先，大气中少量的正负离子存在；
• 其次，在极间加上电压后，带电离子 oa段:
分别向两极移动，形成电流；
随着电压升高，到达阳极 的带电质点数量和速度也随之 增大。
均匀电场中气体的伏安特性
ab段：
电流不再随电压的增大而 增大因为这时由外界电离因素 在极间产生的带电离子已全部 参加导电，所以电流趋于饱和 。电流密度是极小的，一般只 有10-19 A/cm2，间隙仍处于良 好的绝缘状态。
2高电压技术第二章解析
电气设备的一般特性
1. 设备可靠性随电压升高而下降 2. 设备的体积随电压升高而增大
2
电气设备的一般特性
设备
可靠性
体积
电压 3
高电压技术 第二章
气体放电的物理过程
4
概述
➢ 气体 如绝缘气体：空气 1 用于高压电气设备绝缘的介质 ➢ 液体 如油，变压器等
➢ 固体 如绝缘子等
一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
6
输电线路以气体作为绝缘材料
架空输电线 相与相之间 线路与铁塔之间
7
变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料
变压器引出 线之间
8
液体与固体绝缘材料中的气体
9
2.带电质点的产生
(1) 激发（激励）
原子在外界因素（电场、高温等）作用下,其电子 跃迁到能量较高的状态，但这一过程只有10-8S，非 常短暂。Байду номын сангаас回到正常状态并发射光子。
在电场不均匀的间隙中，最大场强通常出现在曲率半径小的电 极表面附近。当最大场强区域已达到自持放电条件，但其他区域的 场强仍很低。即自持放电局限在间隙中场强最大的部分—电晕放电
高电压工程基础(第2章)
三、汤逊自持放电条件
• 汤逊根据对放电过程的实验研究．认为要使气隙 中的放电由非自持放电转变为自持放电就必须在 气隙中能够连续地形成电子崩，才能使极间电流 维持下去。这就要求在电子崩发展到贯通两极时， 电子进入阳极，正离子在返回阴极时必须能够在 阴极上产生二次电离过程，以取得在气隙中形成 后继电子崩所必需的二次电子，否则电子崩就会 中断，气体放电就无法自行维持。因此，从阴极 获取二次电子是气体放电由非自持放电转为自持 放电的关键。
电子崩 • 所谓电子崩是指电子在电场作用下从阴极 奔向阳极的过程中与中性分子碰撞发生电 离，电离的结果产生出新的电子．新生电 子又与初始电子一起继续参与碰撞电离， 从而使气体中的电子数目由1变为2，又由2 变为4而急剧增加。这种迅猛发展的碰撞电 离过程犹如高山上发生的雪崩，因此被形 象地称之为电子崩。
•热游离 由气体热状态引起的电离过程称为热电离。 从基本方面来说，热电离和碰撞电离及光电 离是一致的，都是能量超过某一临界值的粒 子或光子碰撞分子使之发生电离．只是直接 的能量来源不同而已。 •表面电离 气体中的电子也可以由电场作用下的金属表 面发射出来，称为金属电极表面电离
• 当气体中发生放电时，除了有不断产生带 电粒子的电离过程外，还存在着一个相反 的过程，即去电离过程 • 它将使带电粒了从电离区域消失，或者削 弱产生电离的作用。当导致气体电离的因 素消失后．由于去电离过程，会使气体还 原成中性状态，而恢复其绝缘性能．这就 是气体具有自恢复绝缘特性的本质所在。
• γ阴极表面电离系数：每个正离子返回阴极时，能从阴极 释放出的电子数。 • 需要满足条件
(e 1) 1
d
• 这是自持放电的条件 • 放电由非自持转为自持时的电场强度称为起始放电场强， 相应的电压称为起始放电电压
高电压第2讲气体放电理论(一)ppt课件
原子激励 原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的 状态，所需能量称为激励能We ，原子处于激励态 激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光 子，光子（光辐射）的频率，h 普朗克常数
We =h
6
原子激励
原子处于激励态的平均寿命只有10-7~10-8秒 激励电位：Ue = We / e 几种气体和金属蒸汽的第一激励电位
带电粒子在一定的电场强度下运动达到某种 稳定状态 ，保持平均速度，即上述的带电质
点的驱引速度
vd =bE
b ：迁移率
电子迁移率比离子迁移率大两个数量级
27
2、带电粒子的扩散
带电粒子的扩散是由于热运动造成，带电粒子 的扩散规律和气体的扩散规律相似 气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体 压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱 电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速 度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因 此，电子的扩散过程比离子的要强得多
40
2、汤森德气体放电理论
汤森德（Townsend）放电理论 流注（Streamer）放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的S（为 气体的相对密度，以标准大气条件下的大气密度 为基准；S为气隙距离）范围内气体放电的现象
41
2、汤森德气体放电理论
过程（电子崩的形成 ） 过程 自持放电条件 过程和过程同时作用产生的电流 击穿电压、巴申定律 汤森德放电理论的适用范围
这样一代一代不断增加的 过程，会使电子数目迅速 增加，如同冰山上发生雪 崩一样，形成了电子崩
44
电子崩
45
过程
电离系数 定义：一个电子沿着电场方向行经1cm长度， 与气体分子发生碰撞所产生的自由电子数 即是一个电子在单位长度行程内新电离出的 电子数或正离子数
We =h
6
原子激励
原子处于激励态的平均寿命只有10-7~10-8秒 激励电位：Ue = We / e 几种气体和金属蒸汽的第一激励电位
带电粒子在一定的电场强度下运动达到某种 稳定状态 ，保持平均速度，即上述的带电质
点的驱引速度
vd =bE
b ：迁移率
电子迁移率比离子迁移率大两个数量级
27
2、带电粒子的扩散
带电粒子的扩散是由于热运动造成，带电粒子 的扩散规律和气体的扩散规律相似 气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体 压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱 电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速 度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因 此，电子的扩散过程比离子的要强得多
40
2、汤森德气体放电理论
汤森德（Townsend）放电理论 流注（Streamer）放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的S（为 气体的相对密度，以标准大气条件下的大气密度 为基准；S为气隙距离）范围内气体放电的现象
41
2、汤森德气体放电理论
过程（电子崩的形成 ） 过程 自持放电条件 过程和过程同时作用产生的电流 击穿电压、巴申定律 汤森德放电理论的适用范围
这样一代一代不断增加的 过程，会使电子数目迅速 增加，如同冰山上发生雪 崩一样，形成了电子崩
44
电子崩
45
过程
电离系数 定义：一个电子沿着电场方向行经1cm长度， 与气体分子发生碰撞所产生的自由电子数 即是一个电子在单位长度行程内新电离出的 电子数或正离子数
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气体 电离能 激励能
N2
15.5
6.1
O2
12.5
7.9
CO2
13.7
10.0
SF6
15.6
6.8
H2O
12.7
7.6
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3
高电压工程基础
➢ 电极表面的电子逸出
一些金属的逸出功
金属
逸出功
铝
1.8
银
3.1
铜
3.9
铁
3.9
氧化铜
5.3
（1）正离子撞击阴极 （3）强场发射
（2）光电子发射 （4）热电子发射
（1）汤逊自持放电判据
(ed 1) 1 e d 1
d ln 1
高电压工程基础
Ub f (pd)
（2）气体击穿的巴申定律
（3）气体密度对击穿的影响
ApdeBpd Ub ln 1
Ub
Bpd
ln
Apd ln 1
-
Ub F(d)
Ts p 2.9 p
ps T
T
10
高电压工程基础
高电压工程基础
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
高电压工程基础
2.1 带电粒子的产生与消失
➢ 气体中电子与正离子的产生
（1）热电离
W 3 kT 2
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K
Ea
U d
14
高电压工程基础
➢极不均匀电场中的电晕放电
热力学温度
（2）光电离
普朗克常数 6.63×10-34J·s
W h
（3）碰撞电离
1mv2 2
eExWi
-
条件： hc
Wi
条件：x Ui E
2
高电压工程基础
（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。
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。
➢ pd 值较大的情况（流注）
实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表 明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。
（1）流注的形成条件
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
使原电场明显畸变，大大加强了崩头及
崩尾处的电场。 电子崩中电荷密度很
大，所以复合过程频繁，
放射出的光子在崩头或崩
（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。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。
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高电压工程基础
2.2 放电的电子崩阶段
n n0ex
n n0ed
nnn0n0(ed1)
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➢ 影响碰撞电离的因素
高电压工程基础
1 eUi E
1cm长度内一个电子的 平均碰撞次数为1/λ λ： 电子平均自由行程
碰撞引起电离的概率 碰撞电离的条件 x Ui / E
T p
ApeBp E
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2.3 自持放电条件
➢ pd 值较小的情况（汤逊）
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高电压工程基础
2.4 不均匀电场中气体放电的特点
➢ 稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点
放电具有稍不均 匀场间隙的特点 击穿电压与电晕 起始电压相同
放电过程不 稳定，分散 属于过渡区
放电具有极不均 匀场间隙的特点 电晕起始电压明 显低于击穿电压
半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系
电 场 不 均 匀 系 数 ： f Emax - Ea
尾强电场区很容易引起光
电离。二次电子的主要来
源是空间的光电离。
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高电压工程基础
（2）流注自持放电条件（即形成流注的条件）
ed 1
d ln 1
对 于 空 气 间 隙 ： dln120
汤逊放电理论与流注放电理论的比较：
流注理论可以解释汤逊理论无法说明的pd值大时的放电 现象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式， 且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子 穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。
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。
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高电压工程基础
➢ 带电质点的消失
（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，
从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。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。
➢ 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）
电流开始增 大，由于电 子碰撞电离 引起的
电流急剧上升 放电过程进入 了一个新的阶 段（击穿）
自持放电 起始电压
nn0e()d
对 于 均 匀 场 ： ( )d K 对 于 非 均 匀 场 ： ()d x K
由于强电负性气体中 ，所以其自持放电场强比非
电负性气体高得多。以SF6气体为例，在101.3kPa，20℃的条
件下，均匀电场中击穿场强为Eb≈89kV/cm，约为同样条件的
空气间隙的击穿场强的3倍。
两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理 论取代另一种理论。
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高电压工程基础
➢ 电负性气体的情况
对强电负性气体，除考虑α和γ过程外，还应考虑η过程 （电子附着过程）。η的定义与α相似，即一个电子沿电力线 方向行经1 cm时平均发生的电子附着次数。可见在电负性气 体中有效的碰撞电离系数为 。
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。
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高电压工程基础
➢ 电子崩的形成（BC段电流剧增原因）
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。
dnndx
x
n n0e 0 dx
dn dx n
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高电压工程基础
➢ 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。
元素 F Cl Br I
电子亲合能（eV） 3.45 3.61 3.36 3.06
电负性值 4.0 3.0 2.8 2.5