第一章 气体放电的基本物理过程
高电压第2讲_气体放电理论(一)
x
粒子的平均自由行程
电子在其自由行程内从外 电场获得动能 ，能量除 决定于电场强度外，还 和其自由行程有关
13
带电粒子的产生和消失
气体中带电粒子的产生 （一）气体分子本身的电离 气体分子本身的电离，可由下列因素引起： （1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （2）各种光辐射（光电离 光电离） （3）高温下气体中的热能 高温下气体中的热能（热电离） （4）负离子的形成 （二） 气体中的固体或液体金属的表面电离
We = h⌡
6
原子激励
原子处于激励态的平均寿命只有10 原子处于激励态的平均寿命只有 -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 N：6.3 V，N2 ：6.1 V 6.1 O 9.1V, O 没有 O：9.1V,，O2：没有 Cs：1.38V（最小） ） 原子具有亚稳激励态， ，其寿命长10-4~10-2秒
24
5、金属（阴极 阴极）的表面电离
热电子放射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得 当阴极被加热到很高温度时 巨大动能，逸出金属表面 逸出金属表面 对于某些电弧放电的过程有重要的意义
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气体中带电粒子的消失 （一）电场作用下气体中带电粒子的运动流入电极 电场作用下气体中带电粒子的运动流入电极 （二）带电粒子的扩散 （三）带电粒子的复合
第一章 气体放电的基本物理过程
1
2
第一节
带电粒子的产生和消失
气体放电
研究在电场作用下，气体间隙中带电粒子的形成 气体间隙中带电粒子的形成 和运动过程 气隙中带电粒子是如何形成的 气隙中的导电通道是如何形成的 气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的
第一章 气体放电的基本物理过程
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
School of Electrical Engineering and Information SEEI
掌握 气体放电时，带电粒子如何产生？ of Electrical Engineering and Information SEEI School放电结束后，带电粒子又如何消失？
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第一节 带电粒子的产生和消失
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3 Wm kT≥Wi 2
式中：k—波尔茨曼常数； （k=1.38×10-23J/K） Wi—气体的电离能，eV； T—绝对温度，K；
绝对温度和摄氏温度的关系：
T绝对=273+T摄氏 School of Electrical Engineering and Information SEEI
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第一节 带电粒子的产生和消失
2. 高电压状态
电压升高 达到一定数值 达到一定 数值 气体中的带电粒 子大量增加 气体失去 绝缘 击穿（或 闪络）
电流增大
击穿——纯空气隙之间。（架空线相间的空气放电）
闪络——气体沿着固体表面击穿。（气体沿着悬挂架空线的绝
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第一节 带电粒子的产生和消失
高电压技术第一章第五节气体放电的流注理论
⑵放电时间
03
⑶阴极材料的影响
⑴放电外形
01
光子
第五节 气体放电的流注理论
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⑵ 正流注
条件：当外加电压＝击穿电压
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
① 正流注体的形成
1：主电子崩； 2：二次电子崩； 3：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
第五节 气体放电的流注理论
气体击穿的流注放电理论
对象：工程上感兴趣的压力较高的气体击穿，比如雷电放电并不存在金属电极，因而与阴极上的γ过程和二次电子发射根本无关。 特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场（使原来均匀的电场变成了不均匀电场）的作用 放电过程
均匀电场E0
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，但电子和正离子浓度却是最大，有助于发生复合过程，发射出光子。
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
第一章 气体放电的基本物理过程
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本章主要内容
第一节 带电粒子的产生和消失
第二节 电子崩
第三节 自持放电条件
第四节 起始电压与气压的关系
第五节 气体放电的流注理论电
一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电； 如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。
高电压技术第二版习题答案(部分)说课材料
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。
高电压技术习题答案
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。
高电压习题及解答-章节
第一章气体放电的基本物理过程基本内容和知识点带电粒子的产生和消失电子崩自持放电及其条件汤逊理论和流注理论不均匀电场中的放电过程电子崩：设外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间的电场强度足够大，那么该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新电子，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，产生出更多的电子。
依次类推，电子将按几何级数不断增多，像雪崩似地发展，因而这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。
电子崩过程是汤逊理论、流注理论的共同基础。
气体游离的类型主要有哪几种？试作解释。
答气体游离的类型有 4 种，具体为：（1）碰撞游离：电子在电场作用下加速向阳极运动的过程中，获得足够的能量，运动加快并不断与途中其他中性原子发生碰撞，从而激发出自由电子。
这种由于碰撞而产生游离的形式称为碰撞游离。
（2）光游离：正、负带电粒子复合时，都以光子的形式释放出能量，其他中性原子内的电子吸收此能量后变为自由电子。
这种由于光辐射而产生游离的形式称为光游离。
（3）热游离：在高温下，气体内的各种粒子动能增加，当动能超过一定值时，粒子相互碰撞而产生游离。
这种由气体热状态引起的游离方式称为热游离。
（4）表面游离气体中带电粒子的消失有哪几种形式？答气体中带电粒子的消失有以下几种形式：（1）在电场驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；（2）因扩散现象而逸出气体放电空间；（3）复合。
气体放电的基本特点是什么？解释气体放电现象常用的理论有哪两个？答（1）气体放电的基本特点是：在外电场作用下，气体间隙中带电粒子数增加，气隙击穿时，其中带电粒子数剧增，而在撤去外电场后，气体间隙中带电粒子又消失并恢复其原有的绝缘强度。
（2）解释气体放电现象常用的理论是：汤逊理论和流注理论。
什么叫流注？流注形成的条件是什么？答（1）初始电子崩头部成为辐射源后，就会向气隙空间各处发射光子而引起光电离，如果这时产生的光电子位于崩头前和崩尾附近的强场区内，那么它们所造成的二次电子崩将以大得多的电离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中。
气体放电的基本物理过程
研究气体放电的目的：
✓ 了解气体在高电压（强电场）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
✓ 学会如何选择合适的绝缘距离以及如何提高气体间 隙的击穿电压
✓ 了解气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状 态的关系
电气设备中常用气体作为绝缘介质，常用的气体介质： 空气、SF6及其混合气体
为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数：
✓ 系数：
代表一个电子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生的 碰撞电离次数；对应于起始电子形成电子崩的过程
✓ 系数：
代表一个正离子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生 的碰撞电离次数；在引起电子剧增的同时，对应于造成 离子崩的过程
✓ 系数：
表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属 表面平均释放出的自由电子数。描述了离子崩到达阴极 后，引起阴极发射二次电子的过程
汤逊理论在解释高气压、长气隙时，实际与理论的差别： 放电外形：发生气体击穿时，会出现带有分支的明亮细通道， 不像低气压短气隙时的均匀连续发展； 放电时间：由正离子迁移率计算出的放电时间比实际放电时 间长得多； 阴极材料：理论上有关，实际中几乎与阴极材料无关
5、流注机理
电子碰撞电离：形成初始电子崩 空间电荷畸变电场的作用：为衍生崩创造了条件 空间光电离：形成衍生电子崩，是维持自持放电的主要因素 流注：由大量正负离子混合形成的等离子体通道（导电性能 良好） 击穿过程：电子崩——流注发展延伸——击穿
6、流注机理的结论
自持放电条件：起始电子崩头部电荷数量足以畸变电 场造成足够的空间光电离
ed 1
是一常数，工程上一般认为：d20
巴申定律与流注机理在 Pd 较大时相一致
高电压技术第二版知识题目解析(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。
第一章-气体放电的基本物理过程PPT课件
：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞 次数的倒数 。
-
5
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
质点的平均自由行程
的性质
λ∝ T P
受温度和气压影响
电子的要比分子和离子的大得多
反映了带电质点自由运动的能力
-
6
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
带电质点的迁移率
正离子
负极
电子
E
-
61
1.5 电晕放电和沿面放电
1.5.1 电晕放电
1.概念 2.物理过程和效应 3.直流输电线上的电晕 4.交流输电线上的电晕 5.输电线路电晕的抑制方法 6.电晕的应用
1.5.2 沿面放电
1.概念
2.类型及特点
3.放电电压提高方法
4.湿闪现象
5.污闪放电
-
62
1.5.1 电晕放电
1、电晕放电的概念
-
32
1.2 汤逊理论
1.2.4.汤逊理论
汤逊的理论推导
击穿电压U表示为：
U
Bpd
f ( pd )
ln
Apd ln(1 1 )
汤逊理论的适用条件： 均匀电场 pd 26.66kPacm
-
33
1.2 汤逊理论
汤逊理论的不足：
放电时间较长 放电特征呈丝状
阴极的作用
无法解释长间隙放电的物理现象
-
34
1.3 流注放电
2、电晕放电的物理过程和效应 效应：
2)、电风的作用
电子和离子高速运动 与气体交换能量 形成电风
空气对电风的反作用 使电晕电极舞动
-
69
1.5.1 电晕放电
高电压技术学习总结
高电压技术学期学习总结通过一学期对高电压技术的学习，有一下重点难点总结：第一章气体的绝缘强度1、气体放电的基本物理过程⑴带电粒子的产生气体分子或原子产生的三种状态厂原态（中性）＜激发态（激励态）从外界获得能量，电子发生轨道跃迁。
J电离态（游离态）当获得足够能量时，电子变带电电子，原来变正离子。
电离种类：A:碰撞电离B:光电离C:热电离D:表面电离⑵带电离子的消失A:扩散，会引起浓度差。
B:复和（中和）正负电荷相遇中和，释放能量。
C:附着效应，部分电负性气体分子对负电荷有较强吸附能力，使之变为负离子。
⑶汤逊理论的使用条件和自持放电条件使用条件：均匀电子，低电压s自持放电条件：（e 1） 1⑷巴申定律的物理意义及应用A:巴申定律的物理意义①p s （s 一定）p 增大，U f 增大。
②p s （s 一定）p 减小，U f 减小。
③p s不变：p增大，密度增大，无效碰撞增加，提高了电量的强度，U增大。
P减小，密度减小，能碰撞的数量减小，能量提高，U增大。
P s 不变，U f 不变。
B:巴申定律的应用通过增加或者减少气体的压力来提高气体的绝缘强度。
如：高压直流二极管（增加气体的压力）减小气体的压力用真空断路器。
⑸流柱理论的使用范围及与汤逊理论的关系流柱理论的使用范围：a、放电时间极短b、放电的细分数通道c、与阴极的材料无关d、当ps 增大的时候，U f 值与实测值差别大。
流柱理论与汤逊理论的关系：a、流柱理论是对汤逊理论的一个补充b、发生碰撞电离c、有光电离，电场⑹极不均匀电场的 2 个放电特点（电晕放电，极性效应）电晕放电的特点：a、电晕放电是极不均匀电场所持有的一种自持放电形式，是极不均匀电场的特征之一。
b、电晕放电会引起能量消耗。
c 、电晕放电的脉冲现象会产生高频电磁波，对无线电通讯造成干扰。
d、电晕放电还使空气发生化学反应，生成臭氧、氮氧化物是强氧化剂和腐蚀剂，会对气体中的固体介质及金属电极造成损伤或腐蚀。
大学高电压技术习题与答案
第一章 气体放电的基本物理过程一、选择题1) 流注理论未考虑 B 的现象。
A ．碰撞游离B ．表面游离C ．光游离D ．电荷畸变电场2) 先导通道的形成是以 C 的出现为特征。
A ．碰撞游离B ．表面游离C ．热游离D ．光游离3) 电晕放电是一种 A 。
A ．自持放电B ．非自持放电C ．电弧放电D ．均匀场中放电4) 气体内的各种粒子因高温而动能增加，发生相互碰撞而产生游离的形式称为 C 。
A.碰撞游离B.光游离C.热游离D.表面游离5) ___ B ___型绝缘子具有损坏后“自爆”的特性。
A.电工陶瓷B.钢化玻璃C.硅橡胶D.乙丙橡胶6) 以下哪个不是发生污闪最危险的气象条件？DA.大雾B.毛毛雨C.凝露D.大雨7) 污秽等级II 的污湿特征：大气中等污染地区，轻盐碱和炉烟污秽地区，离海岸盐场3km~10km地区，在污闪季节中潮湿多雾但雨量较少，其线路盐密为 C 2/cm mg 。
A .≤0.03 B.>0.03~0.06 C.>0.06~0.10 D.>0.10~0.258) 以下哪种材料具有憎水性？AA . 硅橡胶 B.电瓷 C. 玻璃 D 金属二、填空题9)气体放电的主要形式：辉光放电、 电晕放电、 刷状放电、 火花放电、 电弧放电 。
10)根据巴申定律，在某一PS 值下，击穿电压存在 极小（最低） 值。
11)在极不均匀电场中，空气湿度增加，空气间隙击穿电压 提高 。
12)流注理论认为，碰撞游离和 光电离 是形成自持放电的主要因素。
13)工程实际中，常用棒－板或 棒－棒 电极结构研究极不均匀电场下的击穿特性。
14)气体中带电质子的消失有 扩散 、复合、附着效应等几种形式15)对支持绝缘子，加均压环能提高闪络电压的原因是 改善(电极附近)电场分布 。
16)沿面放电就是沿着 固体介质 表面气体中发生的放电。
17)标准参考大气条件为：温度C t 200=，压力=0b 101.3 kPa ，绝对湿度30/11m g h =18)越易吸湿的固体，沿面闪络电压就越__低____19)等值盐密法是把绝缘子表面的污秽密度按照其导电性转化为单位面积上____NaCl ______含量的一种方法20)常规的防污闪措施有： 增加 爬距，加强清扫，采用硅油、地蜡等涂料三、计算问答题21) 简要论述汤逊放电理论。
第一章气体放电的基本物理过程
平行平板电极的电场
《高电压技术》第一讲 29
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
光照射
A V
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 30
第一章
气体放电的基本物理过程
实验分析结果
《高电压技术》第一讲 17
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) 原子的电离和激励
施加能量 W > Wi 自由电子
施加能量 施加能量 激发 分级游离
激发
施加能量
光子
自由电子
《高电压技术》第一讲 18
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)原子的电离和激励
图1-3 气体放电的伏安特性曲线
《高电压技术》第一讲 32
第一章
气体放电的基本物理过程
实验分析结果
当Ub≤U ≤ Uc
在曲线bc段，电流又开 始随电压的升高而增大。电 流随电压的增加按指数规律 增长。但当外电离因素消失， 电流会迅速降低，这是由于 气隙中出现了碰撞电离和电 子崩。 α过程
图1-3 气体放电的伏安特性曲线
《高电压技术》第一讲 19
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
(2)电离的四种形式 1）光电离 当满足以下条件时，产生光电离：
h Wi或 hc Wi
h 普朗克常数(6.63 10 34 J s )
频率 波长, m
第1章11气体放电的基本物理过程
电气设备的绝缘分为内绝缘和外绝缘
概念
击穿：电介质（绝缘体）在电场的作用下发生剧 烈放电或导电的现象叫击穿。
绝缘强度：绝缘本身耐受电压的能力，一般用绝 缘发生击穿时作用在绝缘材料上的临界电压值来 表示。电力设备的绝缘强度用击穿电压表示；而 绝缘材料的绝缘强度则用平均击穿电场强度。
自持放电：电压大于U0时，取消外电离因素，间隙电流靠 电场作用能自行维持。
电子崩：场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离， 如雪崩状发展过程，电流急剧增加。U0为击穿电压。
电子碰撞电离系数α：一个电子由阴极到阳极行程中，每１ cm路程与气体质点发生碰撞电离平均次数。即：单位行程 内因碰撞电离而产生的自由电子数。
下计算值远大于实测值。 • 击穿电压： pd大时，计算值与实验值差别大。 • 阴极材料的影响：汤逊放电及击穿电压与阴极材料有关，而
高气压下间隙击穿电压基本与电极材料无关
1.1.3 流注理论
➢ 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。
•电晕放电：高场强附近出现发光薄层，通道仍是绝缘状态； •刷状放电：电晕极伸出细亮断续放电通道，通道未击穿； •火花放电：贯通两极细亮断续放电通道，间歇击穿； •电弧放电：持续贯通两极细亮放电通道，完全击穿；（闪电）
气体放电的起因？
气体是由气体分子组成的，气体中气体分子是由正电 的原子核和围绕原子核高速旋转的外层电子组成。由 于原子所带正、负电荷相等，故正常情况呈中性。
2、金属电极表面游离——电子逸出
一些金属的逸出功
金属
逸出功
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。
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1.2 汤逊理论
崩尾
1.2.1.电子崩
崩头
负极
正极
E
初始电子
碰撞电离
电子倍增
碰撞电离
电子崩
1.2 汤逊理论
1.2.1.电子崩
电子碰撞电离系数α
1 cm， 碰撞电离平均次 数
讨论 α与电场及气压的关系
1 N=
λ
xi
=
Ui E
P = exp(- xi ) l
α的定义
a = 1 exp(- Ui ) a = Ap exp(- Bp)
引发放电的条件：a.强电场 b.种子电子 c.放电时间 放电时间：ns~μs数量级 外施电压为直流、交流——有充足的放电时间。 若为冲击电压，情况将怎样？
1.4.1 放电时间的概念和意义
1.4.1 放电时间的概念和意义
tb = t0 + tS + t f
ts
有效电子
tf
电极材料 外施电压 光照情况 电场均匀度
1.1.2 带电粒子的产生
源于气体内部
碰撞电离
E
中性原子 电子
> 电子动能
1 2
meve2
电离能 Wi
气体中产生带电粒子的最主要原因
1.1.2 带电粒子的产生
高温
电子
源于气体内部
热电离
中性原子
> 电子动能 3 kT 2
电离能 Wi
在大电弧的情况下发生
1.1.2 带电粒子的产生
源于气体内部
光电离
1.3.3 先导放电
间隙过长（超过1 m），流注不足以贯通时，击穿 如何发生？
热电离
炽热的等离子体通道 棒极附近热电离的作用
1.4 放电时间和冲击电压下的放电特性
1.4.1 放电时间的概念和意义 1.4.2 标准化冲击电压波形 1.4.3 冲击电压下气隙的击穿特性
1.4.1 放电时间的概念和意义
源于电极
光电子发射
负极
hυ ≥Wt
E
光电效应
正极
加热
负极
1.1.2 带电粒子的产生
源于电极
热电子发射
1 2
mv2
≥Wt
E
正极
1.1.2 带电粒子的产生
源于电极
强场发射
E
负极
电场阈值 108V / m
真空中、高压气体中、液体中、固体中
正极
负极
1.1.3 负离子的形成
1 2
mv2
<
Wt
E
气体分子要有很高的电负性
中性原子
> 光子能量W = hυ
电离能 Wi
光子
X射线、γ线
1.1.2 带电粒子的产生
源于电极
正离子碰撞阴极
负极
正离子
hυ
电子
E
正离子的能量与金属电极的逸出功的关系
正极
1.1.2 带电粒子的产生
源于电极
一些金属的逸出功
金属
逸出功（eV)
铝
4.08
银
4.73
铜
4.7
铁
4.48
氧化铜
5.34
1.1.2 带电粒子的产生
1.2.2.自持放电
轾d
电子数：nd = exp 犏 犏 臌 ò0 a dx
γ过程
正离子数：n p = nd - 1
新电子数：na = np ?g
na ³ 1
轾d
g (exp 犏 犏 臌ò0 adx - 1) ? 1
1.2 汤逊理论
1.2.2.自持放电
均匀电场自持放电条件： g (exp(ad) - 1) =1
：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞 次数的倒数 。
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
质点的平均自由行程
的性质
λ∝T P
受温度和气压影响
电子的要比分子和离子的大得多
反映了带电质点自由运动的能力
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
带电质点的迁移率
正离子
电子
负极
正极
E
迁移率
V μ=
E
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
l
lE
E
E增大，α急剧增大；p很大或很小时，α均很小。
1.2 汤逊理论
1.2.1.电子崩
d dn
n0
n
dx
x
ò 电子数：nx
=n 0
exp
轾x 犏 臌0
a
dx
1.2 汤逊理论
1.2.2.自持放电
电荷泄漏完 毕，放电过
程完成
负极
电子崩
正极
E
放电形成
正粒子碰撞阴极 产生电子
电子倍增
1.2 汤逊理论
2. 伏秒特性
1）极不均匀电场（大间隙）
平均击穿场强较低，放电 时延较长，只有大大提高电 压，才能缩短放电时延。
∴ S向左上角上翘
2）较均匀电场（小间隙）
间隙各处场强相差不大， 一但出现电离，很快贯穿整 个间隙，放电时延短。
∴ S只能在很小的时间内向 上翘
1.4.3 冲击电压下气隙的击穿特性
2. 伏秒特性
正极
1.1.3 负离子的形成
电子亲和能
元素 F Cl Br I
电子亲合能（eV） 4.03 3.74 3.65 3.30
电负性值 4.0 3.0 2.8 2.5
1.1.4 带电质点的消失
扩散
hν
复合
负极
正极 中和
E
带电粒子消失的三条途径：复合、扩散和中和
1.2 汤逊理论
1.2.1、电子崩 1.2.2、自持放电 1.2.3、巴申定律 1.2.4、汤逊理论
1.5.1 电晕放电
2、电晕放电的物理过程和效应 效应：
2)、电风的作用
电子和离子高速运动 与气体交换能量 形成电风
空气对电风的反作用 使电晕电极舞动
1.5.1 电晕放电
2、电晕放电的物理过程和效应
效应：
3)、高频脉冲作用
电晕引发的高频脉 冲是造成无线电干扰 的原因之一。
1.5.1 电晕放电
2、电晕放电的物理过程和效应 效应：
效应： 6)、环境效应 电晕噪声影响人类的正常工作。
1.4.3 冲击电压下气隙的击穿特性
50%冲击击穿电压与伏秒特性曲线比较 U50%直观简单，但粗略
伏秒特性曲线精确明晰，但繁琐
1.5 电晕放电和沿面放电
1.5.1 电晕放电
1.概念 2.物理过程和效应 3.直流输电线上的电晕 4.交流输电线上的电晕 5.输电线路电晕的抑制方法 6.电晕的应用
1.5.2 沿面放电
1.1 带电粒子的产生和消失
1.1.1 带电粒子在气体中的运动 1.1.2 带电粒子的产生 1.1.3 负离子的形成 1.1.4 带电粒子的消失
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
相关学术术语
平均自由行程 带电质点的迁移率 激励 电离 复合
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
质点的平均自由行程
U=
Bpd 轾
犏
ln
犏 Apd
犏 犏犏臌ln(1
+
1 g
)
= f ( pd )
汤逊理论的适用条件： 均匀电场 pd Ｗ26.66kPa cm
1.2 汤逊理论
汤逊理论的不足：
放电时间较长 放电特征呈丝状
阴极的作用
无法解释长间隙放电的物理现象
1.3 流注放电
1.3.1 均匀电场气隙中的流注放电 1.3.2 不均匀电场气隙中的流注放电 1.3.3 先导放电（补充知识）
非自持自持对应的电压
起始放电电压
1.2 汤逊理论
1.2.2.自持放电
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
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。
1889年，巴 申完成了他 的著名实验
。
1.2 汤逊理论
1.2.3.巴申定律
气压下降
1.2 汤逊理论
1.2.3.巴申定律 定性解释
分子间距增大
电子累积能量大
1.3.2 不均匀电场气隙中的流注放电
负棒—正板放电过程
E'
负极
正极
E''
电子崩
放电
流注
场强不足
流注熄灭
棒极前流 注加强
流注开始 场强增大
混合质通道
1.3.2 不均匀电场气隙中的流注放电
负棒—正板电场分布
1.3.2 不均匀电场气隙中的流注放电
极性效应
极性：曲率半径小的电极所带的极性。
不均匀电场气隙中，正极性放电较 负极性放电更容易发生。
击穿过程
间隙长度 电场均匀度 外施电压
1.4.2 标准化的冲击电压波形
1、标准雷电冲击电压波
OC为视在波前 OF为视在波前时间
OG为视在半峰值时间
国标规定：
Tf = 1.2μs ±30%
Tt = 50μs ±20%
1.4.2 标准化的冲击电压波形
2、标准雷电冲击截波电压波
波前时间/截断时间
T1 = 1.2μs ±30% Tc = 2 ~ 5μs
1.3.1 均匀电场气隙中的流注放电
E
负极
正极
负流注：由负极向正极发展的流注放电过程