第一章气体放电的基本物理过程..

二.电子崩的形成：
带电粒子在电子崩中的分布：
电子崩中电子数目增长过程分析：
a
—电子碰撞电离系数
定义：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 设每次碰撞电离只能产生一个电子和一 个正离子，则 a 就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。
设：初始电子数为1
到达
bc段：I随着U的提高而增大，表明此时电场E足够大，使电 子积累足够的动能造成碰撞电离的发生，出现电子崩，E越 大，电子碰撞电离越激烈，产生的带电粒子越多； cS段：随着外加电场的增大，碰撞电离愈激烈，带电粒子数 目呈指数增长，电流增大更快；
过程产生的二次电子足够多， S点后：当电压增大到U0时， 能接替外界电离因子产生的初始电子的作用，即转为自持放 电阶段，气隙击穿，表现为电流急剧增大，并伴有发光、发 声等现象，气隙转入良好的导电状态。

常见放电形 气体放电的主要形式 式 辉光放电 电晕放电 火花放电 电弧放电


注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放 电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同， 这些放电现象可相互转换。
§2.1 气体中带电粒子的产生与消失
一. 带电粒子的产生(电离过程）
根据引起电离所需的能量来源不同，对应如下几 种电离形式 1.碰撞电离：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被 撞粒子能量，使其电离
2.光电离：在光照射下，将光子能量传给粒子，游 离出自由电子 ------由光电离而产生的自由电子称为光电子 必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能

h ≥ Wi hc ≤ Wi
光辐射能够引起 光电离的临界波长
可见光（400～750nm）不能 使气体直接发生光电离
光子来源：紫外线、伦琴射线、γ射线、宇宙射线 异号粒子复合也产生光子
x 处，电子数增加到 n，
1
这 个电子在dx 的距离中又 产生 dn 个新电子，则有：
n
n
x
d
na
dx
dn andx
ne

x 0 adx
a 为常数 在均匀电场中，
ne
ax
抵达阳极的电子数： d na e 途中新增加的电子数或正离子数：
n na 1 e
d
1
在强电场中出现电子崩的过程 也称 过程
e
∵
ad
1 ≥1
—自持放电条件

物理含义？
外加电场增 大到一定程 度，才能满 足自持放电 条件
e
ad
>>1
∴自持放电条件可写为：
e
ad
≥1
不均匀电场中，各处的 a 值不同，自持放电条件为：
adx (e 0 1)
d
≥1
起始场强 （起始电压）
—放电由非自持转为自持时的场强， 相应的电压为起始电压。
4.电极表面电离: ---气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。 ---游离需要能量，称金属的逸出功，小于气体 分子的电离能 ----表明金属表面电离比气体空间电离更易发生 随着外加能量形式的不同，阴极的表面电离可在 下列情况下发生： ⑴ 正离子撞击阴极表面 ⑵ 光电子发射：高能辐射线照射电极表面
由自持放电条件：
≥1 含义？ 1 ad ln 又∵ a Ape Bp / E
U0 E0 d
e
ad
均匀电场中自持放电起始场强
∴ Apde
Bpd / U 0
ln
1
Bpd U0 Apd ln 1 ln


Ub
U 0 f ( pd )
Paschen 定律
由电子作为电子崩的初始电子，一 旦外界电离因素停止发生作用，则放 电中止 ●自持放电
—撤除外界电离因素后，能仅由电场的
作用而维持的放电
过程：
—电子崩中的正离子在返回阴极时，由于其 具有的位能和动能，撞击阴极时引起阴极表 面电离，产生 二次电子的过程
系数

—一个正离子撞击阴极表面时产生的二次电子数
⑶
⑷
热电子发射：金属电极加热
强场发射：电极表面附近存在强电场
5.负离子的形成: 中性分子或原子与电子相结合，形
成负离子（附着）
附着过程中放出能量（亲合能Ｅ）－ 电负性气体
Ｅ大 , 易形成负离子－强电负性气体，如SF6
负离子的形成使自由电子数减少，对气体放电的发 展起抑制作用
二. 带电粒子的消失（去电离、消电离） 1. 中和－在电场作用下作定向运动，消失于电极 而形成外电路中的电流 (迁移率) 2. 扩散－因扩散而逸出气体放电空间（热运动） 3. 复合－带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的 传递、中和而还原为中性粒子的过程 （多为负离子与正离子复合，而碰撞电离 多为电子碰撞粒子产生） 与电离相反的 物理过程
是气体中产生带电粒子的 最重要的形式
动能、位能
条件：⑴
撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能
⑵ 一定的相互作用的时间和条件，通过复杂 的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换 主要的碰撞电离由电子完成 电子引起碰撞电离的条件：
Wi qEx ≥ Wi x ≥ xi qE
即电子为了造成碰撞电离 而必须飞越的最小距离
正流注形成过程：（当外加电压不是很高时）
负流注形成过程： （当外加电压足够高时）
●流注的特点 —电离强度很大 传播速度很快 导电性能良好 形成流注后，放电就可以由本身产生的空间光电离自 行维持，即转为自持放电，形成流注的条件（即自持 放电条件） 对均匀电场来说，自持放电条件：
e
或
ad

常数 常数
第二章 气体电介质的击穿特性
研究气体放电的目的：
●了解气体在高电压（强电场）的作用下逐步由电介质
演变成导体的过程；
●掌握气体介质的电气强度及其提高的方法
气体放电的基本理论： ●汤逊理论 ●流注理论
第二章 气体电介质的击穿特性
重点： 汤逊理论及流注理论的内容、适用范畴
极性效应
难点： 均匀电场及不均匀电场下的气体击穿过程 气体放电的基本理论： ●汤逊理论 ●流注理论
基本概念回顾：
●电离 —原子在外界因素作用下，使其一个或几个
电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子 的过程
●电离能 —电离过程所需要的能量称为电离 能 Wi (eV ) ，也可用电离电位 Ui (V ) 反映。
一次电离、二次电离
一般情况下，气体放电中主要只涉及一次电离的过程
施加能量W>Wi
自由电子 电离
均匀电场中：起始场强=击穿场强 起始电压=击穿电压
不均匀电场中：起始电压 <击穿电压
Townsend放电理论总结：
外界电离因子
阴极表面电离 气体空间电离
气体中的自由电子
在电场中加速
碰撞电离
阴极表面二次发射 （过程）
正离子
电子崩 （ 过程）
a
§2.3 均匀电场中的击穿电压及其影响因素
一.理论推导：
三. 电晕放电
1. 电晕的形成：
极不均匀电场中，在外加电压下，小曲率半径电极附近的电 场强度首先达到起始场强E0，在此局部区域先出现碰撞电离 和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区的局部放 电称为电晕放电，在外观上表现为环绕电极表面出现蓝紫色
晕光。
可以是极不均匀电场气隙击穿过 程的第一阶段，也可以是长期存 在的稳放电形式
(1).放电外形：在大气压下放电不再是辉光放电，而是火花通道
(2). 放电时间：放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间 (3). 阴极材料的影响：阴极材料对放电电压影响不大
1. 空间电荷对电场的影响
E0
E E0
0 d x
2. 空间光电离的作用
●流注的形成
初崩
空间光电离
二次电子崩
汇入初崩
流注
各适用于一定条件下的放电过程，不能用一种理论 来取代另一种理论，互相补充，可以解释广阔的 pd范围内的气体放电现象。
§1.4 不均匀电场中气隙的放电过程
稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征 一. 电场不均匀系数：
f
最大电场强度
f 2 —稍不均匀电场
f 4 —极不均匀电场
Emax 平均电场强度 Eav
二. 常见电场的结构： 均匀场： 稍不均匀场： 板－板 球－球 对称场 同轴圆筒 极不均匀场： 棒－棒 棒－板 不对称场
▼稍不均匀电场中气隙的放电特性与均匀电场相 似， 一旦出现自持放电，便会导致整个间隙的击穿， ▼极不均匀电场中，首先在强场区发生电晕放电， 自持放电条件即是电晕起始条件，气隙击穿电压大 于电晕起始电压。
2. 电晕的危害及作用
有光、声、热效应造成能量损耗；电晕损耗在超高压输电线
路设计中必须考虑 产生的高频脉冲电流含有许多高次谐波，造成无线电干扰； 使空气局部游离，产生的臭氧和氧化氮等会腐蚀金属设备； 产生可闻噪声；
有利的一面：可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅 值和陡度，除尘，臭氧发生器
3. 起晕场强与导线尺寸的关系 平行导线, 相距为D, 半径为r ，D>>r，线间电压为U 导线表面场强: E U （ / 2r ln D / r） 起晕场强： E 30m (1 0.3 / r ) kV/cm－皮克公式 c ｍ―导线表面粗造系数，光滑导线m≈1，绞线m≈0.8~0.9 δ―空气相对密度
E∝1/r
Ec ∝1/√ｒ
↑ｒ, →Ｅc↓，E↓↓，E<Ec

Ec E
超高压线路采用分裂导线， 减轻电晕放电危害
r
设法限制和降低 导线表面电场
四 . 极不均匀电场中放电的极性效应 直流电压下棒-板间隙击穿电压特性曲线：
U b (kV)
一个初始电子走过 x 距离后，由本身 碰撞电离产生的电子数是 ax ，计及新 产生的电子也参加电离过程，则电子数 ax 增加到 e 个，若 10 ， 则 ax 4
ax
e 2.2 10
结论：由于碰撞电离引起电子崩过程， 导致气隙中电子数迅速增加。
三.自持放电条件 ●非自持放电
—必须依靠外界电离因素的作用提供自
施加能量 激励 施加能量 自由电子 分级电离
施加能量
激励
光子



自由行程 一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过 的行程 平均自由行程 （λ） 自由行程 具有统计性， λ 定义为质点自由行程的平均 值




气体中电子和离子的自由行程是它们和气 体分子发生碰撞时的行程。 电子的平均自由行程要比分子和离子的自 由行程大得多。 气体分子密度越大，其中质点的平均自由 行程越小。 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。
高电压技术
High Voltage Technology
邱巍 电气工程系 输电教研室
▲一切电介质的电气强度都是有限的，超过某
种限度，电介质就会丧失其原有的绝缘性能，
甚至演变成导体。
在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：
1. 在弱电场下，主要有极化、电导、介质损耗等
2. 在强电场下，主要有放电、闪络、击穿等
二.空气击穿电压 U b与pd 的关系
U b (kV) 50
10 5 2.0 0.5 0.1
巴申曲线 (实验获得)
0.1 0.3 0.5 1 2 3
10
300 1000
cm) pd (×133.3Pa·
讨论：为什么 U b 具有极最小值?
三.气体放电的流注理论
汤逊理论的适用性 Pd>>26.66kPa· cm（200mmHg· cm）时， 一些无法用汤逊理论解释的现象：
§2.2 气体放电过程及电子崩的形成
一.平行板电极实验（汤逊，Townsend)：
E A V
非自持放电区 c
I
自持放电区
S a 0 U a b
Ub Uc U0
U
空气中电流和电压的关系
0a段：随着E增大，气隙中的初始带电粒子向电极运动的速度 加快而导致复合数减少，表现为I随U的提高而增大；
ab段：外界电离因子产生的带电粒子几乎能全部抵达电极，电 流趋于饱和，饱和电流值很小，气体仍处于良好的绝缘状态；
3.热电离：气体的热状态引起的电离，实质仍是碰撞 电离和光电离，能量来自气体分子的热能。 Ｔ↑→分子动能↑→碰撞电离
Ｔ↑→热辐射光子的能量、数量↑→光电离
热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合
温度超过 10000K 时（如电弧放电）才需要考虑
热电离，在温度达到 20000K 左右，几乎全部空 气分子都已经处于热电离状态
实验得出 或
e
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10
8
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流注理论和汤逊理t;26.66kPa· cm）
2. 流注理论适用于高气压、长气隙的情况（pd>>26.66kPa· cm） 3.汤逊理论认为电子崩和阴极上的二次发射过程是气体自持 放电的决定性因素；流注理论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 电场的作用。