气体放电理论一(ppt)
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2.5沿面放电ppt课件
提高绝缘子污闪电压的方法 5、采用人工合成绝缘子
污闪电压是瓷绝缘子的两倍以上： 憎水性很强的硅橡胶 简单平滑的伞形与较细的杆径
思考题
1、什么叫绝缘子的沿面放电、沿面闪络？ 2、均匀电场中，为什么固体表面的闪络电压比纯空气间隙低？ 3、套管的沿面放电过程？ 4、如何提高套管、支柱绝缘子、悬式绝缘子的沿面闪络电压？ 5、什么叫干闪，湿闪，污闪？ 6、如何提高绝缘子的污闪电压？
提高绝缘子污闪电压的方法
1、增加爬电距离
爬电距离是指两极间的沿面最 短距离。 增加爬电距离，可直接加大沿 面电阻，抑制电流，提高闪络 电压。因此对悬式绝缘子串， 常用增加片数或采用大爬电距 离的绝缘子。
35kV线路一般用2－3片绝缘子
增加到3－5片 增加到8－10片
提高绝缘子污闪电压的方法 2、加强清扫
在电场强垂直分量的作用下， 带电质点撞击介质表面，引起 局部温升，导致热游离，从而 带电质点剧增，电阻剧降，通 道迅速增长，即滑闪放电
热游离是滑闪放电的重要特 征
1、套管的沿面放电（电场具有强垂直分量） 提高套管沿面闪络电压的方法
1、减小C值，如加大法兰处套管外径，或 采用瓷-油组合绝缘结构。 2、 减少法兰附近的瓷表面的电阻率，在此 处涂半导体漆或上半导体釉，以改善电位分 布。
1.2 气体绝缘材料及其击穿特性
❖2.5 沿面放电
气体放电：气体中流通电流的各种形式。 工程上将击穿和闪络统称为放电。
❖2.5 沿面放电
绝缘子是将处于不同电 支柱绝缘子 位的导体在机械上固定， 在电气上隔绝的一种使 用数量极大的高压绝缘 部件。 主要有套管、支柱绝缘 子、悬式绝缘子等 。
悬式绝缘子
法兰的边缘先出现 放电形成平行向前 较明亮的浅紫色 浅蓝色的电晕放电 伸展的许多细光线 的树枝状火花
第章-气体放电的基本物理过程-PPT课件
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
半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系
Emax 电场不均匀系数：f Ea
U Ea d
14
高电压工程基础
极不均匀电场中的电晕放电
（1）电晕放电的起始场强
Ec 30(1 0.3 )kV / cm r
Ec 30m1m2 (1 0.3 )kV / cm r
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。
dn n dx
dx 0 nn e
0
x
dn dx n
n n0e x
n n0e d
n n n0 n0 (ed 1)
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。 8
9
高电压工程基础
影响碰撞电离的因素
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
1
eUi
E
碰撞引起电离的概率 碰撞电离的条件 x Ui / E
T p
Ape Bp E
10
高电压工程基础
2.3 自持放电条件
pd 值较小的情况（汤逊）
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-第二章 气体放电的基本理论【】
第6节 沿面放电与污秽闪络
1）定义—当绝缘承受的电压超过一定值时，在固体介 质和空气交界面上出现的放电现象，叫沿面放电。
当沿面放电发展成为贯穿性的空气击穿时，叫沿面闪络。 沿面放电是气体放电，由于交界面上电压分布不均匀，
沿面闪络电压比气体单独存在时的击穿电压低 输电线路遭受雷击时绝缘子的闪络，处于大气脏污地区
的瓷瓶在雷雾天发生闪络，均属沿面放电。 为避免绝缘子发生不可恢复的击穿，在设计中让其击穿
电压高出闪络电压约50% 2）影响因素—绝缘表面状态、污秽程度、气候条件等
因素影响很大。
沿面闪络的几种形式
工频电压作用下
沿平板玻璃表面 滑闪放电照片
辽沈地区2001年2月22日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区 停电面积超过70%。辽沈停电事故是从输电线路污闪开始的。 辽沈为重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾 湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电弧沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙
➢电晕造成的损耗可削弱输电线上的雷电冲击电压 波的幅值和陡度；
➢利用电晕制造除尘器、消毒柜和对废气、废水进 行处理及对水果、蔬菜进行保鲜等。
极不均匀电场中气隙放电的极性效应
对于“棒—板”间隙，将“棒”的极性定义为间隙的 极性
1）正极性--棒 起晕电压高 击穿电压低
2）负极性--棒 起晕电压低 击穿电压高
D54动车组山东出事撞死一人致车头裂开
2009年3月28日，青岛—北京南D54次动车 途经山东潍坊，列车撞上了一男性铁路工人 （当场死亡），导致车头部分裂开，留有暗 红色血迹。列车暂停约20分钟，最终晚点15 分到达北京。
当时D54路过潍坊站后，正处于加速阶段， 时速在200公里以上。
第三节 流注放电理论
沿面放电：气体介质与固体介质的交界面上沿着固体介质的表面 而发生在气体介质中的放电；当沿面放电发展到使整个极间发 生沿面击穿时称为沿面闪络。
高电压技术第一章课件.ppt
• 这些电离强度和发 展速度远大于初始
电子崩的二次电子
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。
• 流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界 值。对均匀电场来说，自持放电条件为：
n
n0
e
dx
0
n n0ed
• 途中新增加的电子数或正离子数应为：
n na n0 n0 (ed 1)
• 将等号两侧乘以电子的电荷qe ，即得 电流关系式：：
I I0ed I0 n0qe
一旦除去外界电离因子?
(三)自持放电与非自持放电
在I-U曲线的BC段 一旦去除外电离因素，
气隙中电流将消失。 外施电压小于U0时 的放电是 非自持放 电。
• 复合可能发生在电子和正离子之间，称 为电子复合，其结果是产生一个中性分 子；
• 复合也可能发生在正离子和负离子之间， 称为离子复合，其结果是产生两个中性 分子。
气体放电的基本理论
• 汤逊理论 • 流注理论 • 巴申定律
一 汤逊气体放电理论
1. 电子崩
• 电子崩的形成过程 • 碰撞电离和电子崩引起的电流 • 碰撞电离系数
一、带电粒子在气体中的运动
（一）自由行程长度
气体中存在电场时， 粒子进行 热运动和 沿电场定向运动
• 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Z 的倒数λ
–即为该粒子的平均自由行 程长度。
二、带电粒子的产生
电子崩的二次电子
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。
• 流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界 值。对均匀电场来说，自持放电条件为：
n
n0
e
dx
0
n n0ed
• 途中新增加的电子数或正离子数应为：
n na n0 n0 (ed 1)
• 将等号两侧乘以电子的电荷qe ，即得 电流关系式：：
I I0ed I0 n0qe
一旦除去外界电离因子?
(三)自持放电与非自持放电
在I-U曲线的BC段 一旦去除外电离因素，
气隙中电流将消失。 外施电压小于U0时 的放电是 非自持放 电。
• 复合可能发生在电子和正离子之间，称 为电子复合，其结果是产生一个中性分 子；
• 复合也可能发生在正离子和负离子之间， 称为离子复合，其结果是产生两个中性 分子。
气体放电的基本理论
• 汤逊理论 • 流注理论 • 巴申定律
一 汤逊气体放电理论
1. 电子崩
• 电子崩的形成过程 • 碰撞电离和电子崩引起的电流 • 碰撞电离系数
一、带电粒子在气体中的运动
（一）自由行程长度
气体中存在电场时， 粒子进行 热运动和 沿电场定向运动
• 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Z 的倒数λ
–即为该粒子的平均自由行 程长度。
二、带电粒子的产生
气体放电理论1修正
非自持放电
外施电压小于 U0 时，间隙内 虽有电流，但其数值甚小， 通常远小于微安级，因此气 体本身的绝缘性能尚未被破 坏，即间隙还未被击穿。而 且这时电流要依靠外电离因 素来维持，如果取消外电离 因素，那么电流也将消失。
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。
电极表面带电质点的产生
电极表面电离： 电极表面电离：气体放电中存在阴极发射电子的过程。 逸出功：使阴极释放电子所需的能量。与金属的微观结 逸出功 构和表面状态有关，与温度基本无关。 电极表面电离条件：光子能量大于金属表面逸出功。 电极表面电离条件
正离子碰撞阴极
正离子碰撞阴极，将能量传递给阴极电子。 当正离子能量大于阴极材料表面逸出功2倍以 上时，才可能撞出自由电子。 实际上，平均每100个正离子才能撞出一个有 效自由电子 金属表面逸出功一般小于气体分子电离能，因 此，电极的表面电离对气体放电很重要。
气体放电理论（一） 气体放电理论（
美国俄克拉荷马州塔尔萨市上空出现的闪电奇观
主要内容
气体中带电质点的产生和消失 气体放电的主要形式 非自持放电与自持放电 汤逊放电理论
纯净的中性状态的气体是不导电的，只有在的 气体中出现带点质点以后，才可能导电，并在 电场的作用下，发展为各种形式的气体放电现 象。 气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本 气体中带电质点的来源 身发生电离；二是气体中的固体或液体金属发 生表面电离。 通常大气中约有500-1000对离子/cm3, 带电质 点极少，因而，通常情况下空气是良绝缘体。
热电子发射
高温下金属中电子因获得巨大的动能会 从电极表面逸出，称为热电子发射 热电子发射。 热电子发射 热电子发射仅对电弧放电有意义，并在 电子、离子器件中得到应用。 常温下气隙的放电过程中不存在热电子 发射现象。
气体放电分类及其特性 PPT
均匀电场中气体的伏安特性
16
均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析
c点 U=Uc，电流急剧增大。气体间隙被击穿 进入导电状态（自持放电），不再需要 任何外界因素（光照射、外加电源）。 c点处的临界电压Uc就是击穿电压Ub， 当电压达到Uc后气体即被击穿，由原来 的绝缘体变成了导体。
I
I0 Ua Ub Uc U
7
流注理论：pd值较大时的情况
特点 ：由电子崩形成 ---〉会产生电离特强，发展 速度更快的新放电区：流注放电；快一个数量级； 有分支 形成条件：空间电荷到达一定数量引起电场畸变； 复合产生光电离
流注形成示意图
电子崩空间电荷对原均匀电场的畸变。（a） 电子崩示意图，（b）崩空间中的电荷浓度 分布，（c）空间电荷的电场，（d）合成电 场。
均匀电场中气体的伏安特性
17
自持放电 起始电压
电源和空气湿度的影响
International Journal of Mass Spectrometry 233 (2004) 317–324 在干燥的空气中负电晕放电的负离子主要是 CO3-，如果在电晕放电中产生了足量的氮氧 化物，主要的负离子是NO3- ，臭氧浓度过 大，可以完全抑制O2-的产生。
8
电晕放电的一般描述
⑴ 电晕放电的概念
电晕放电——极不均匀电场所特有的一种自持放电现象
；
⑵ 发生电晕放电现象的条件
电场极不均匀时，曲率大的电极附近很小范围内带电粒子已达相当 数值时，间隙中大部分区域带电离子数值都仍然很小，放电达到自 持放电后，间隙没有击穿。 电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大。 电晕放电由于局部强场区的放电过程造成。
断断续续的随机电流脉冲很薄的光晕层流光频率和强度随电压不断升高明亮的类似闪电的火花电晕放电电压持续升高导致火花击穿电流脉冲逐渐减弱直至消失电流脉冲具有周期性电晕放电的各过程的基本特性不均匀电场中放电的极性效应负极性棒板间隙的电晕起始电压比正极性棒板电极低负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板电极高正空间电荷负极性加强棒极附近电场棒极附近易于形成流注正空间电荷负极性加强棒极附近电场棒极附近易于形成流注起始电晕电压低削弱了正空间电荷外部朝向板极的电场不利于流注向间隙深处发展放电发展困难故其削弱了正空间电荷外部朝向板极的电场不利于流注向间隙深处发展放电发展困难故其击穿电压高正空间电荷积聚加强了电离正空间电荷积聚加强了电离积聚的正空间电荷在间隙深处减弱电场积聚的正空间电荷在间隙深处减弱电场负极性负棒正板半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系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放电过程不稳定分散属于过渡区maxaefe电场不均匀系数
气体放电理论(一)
气体放电理论（一）
1
2
3
气体放电
在电场作用下，气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？
4
2.1 气体中带电质点的产生和消失
气体中带电质点的产生 （一）气体分子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 （2）各种光辐射（光电离） （3）高温下气体中的热能（热电离） （4）负离子的形成 （二） 金属（阴极）的表面电离
32
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大得多 气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越
小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密 度成正比
T p
33
2、过程
电离系数
正离子在间隙中造成的空间电离过程不可能具有 显著的作用 正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能， 在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自 由电子来
10
（2）光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功时 ，金属表面放射出电子 （3）强场发射（冷发射） 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子 （4）热电子发射 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
11
气体中带电质点的消失 （一）电场力作用下进入电极 （二）带电质点的扩散 （三）带电质点的复合
12
电场作用下气体中带电质点的运动
带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形
成电流
j endv
在气体放电空间 ，带电质点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
1
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3
气体放电
在电场作用下，气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？
4
2.1 气体中带电质点的产生和消失
气体中带电质点的产生 （一）气体分子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 （2）各种光辐射（光电离） （3）高温下气体中的热能（热电离） （4）负离子的形成 （二） 金属（阴极）的表面电离
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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大得多 气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越
小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密 度成正比
T p
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2、过程
电离系数
正离子在间隙中造成的空间电离过程不可能具有 显著的作用 正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能， 在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自 由电子来
10
（2）光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功时 ，金属表面放射出电子 （3）强场发射（冷发射） 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子 （4）热电子发射 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
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气体中带电质点的消失 （一）电场力作用下进入电极 （二）带电质点的扩散 （三）带电质点的复合
12
电场作用下气体中带电质点的运动
带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形
成电流
j endv
在气体放电空间 ，带电质点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
第一章-气体放电的基本物理过程PPT课件
质点的平均自由行程
：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
：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
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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
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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
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1.5.1 电晕放电
1、电晕放电的概念
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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
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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
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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
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1.5.1 电晕放电
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。
【精】气体放电机理
汤逊理论中的三个系数
❖系数α：
一个电子经过1cm，由碰撞电离产生的 自由电子数
❖系数β：
一个正离子经过1cm，由碰撞电离产生 的自由电子数
❖系数γ：
一个正离子撞击阴极，逸出的自由电 子数
S
no
-
dx
+
n
x
x
d nnd x
dn dx
n
dn n
dx
ln n x lnC
n Cex
初始条件：x=0，n=n0பைடு நூலகம்
❖两个理论的适用范围与区别
❖自持放电与非自持放电的概念
❖巴申定律的内容及其现实指导意义
要有以下两方面： 必须借助外界因素才能使放电发展的气体放电。
假设气隙距离不变：当气体密度增加时，电子平均自由行程缩短，电子不易积聚动能，碰撞电离减弱； 初始条件：x=0，n=n0 巴申定律（Paschen Law(） 一个电子经过1cm，由碰撞电离产生的自由电子数 一个正离子撞击阴极，逸出的自由电子数 提高气压，采用压缩气体提高气体的击穿电压；
2.2 气体放电机理 ❖汤逊(Townsend)放电理论 ❖流注放电理论
2.电子崩的形成
外界因素引起
3.自持放电与非自持放电
❖非自持放电 必须借助外界因素才能使放电发展
的气体放电。
❖自持放电 当外界因素撤销后，仍能够仅在
电场作用下自我维持的气体放电。
一、汤逊放电理论
1.均匀电场中气体间隙的伏安特性
UF
BPS
ln
APS
ln (1
1
)
U F f(PS )
均匀电场中空气的巴申曲线
巴申定律的物理解释与应用
❖假设气隙距离不变：当气体密度增加时， 电子平均自由行程缩短，电子不易积聚动 能，碰撞电离减弱；气体密度过小时，电 子与气体分子发生碰撞电离的概率减小， 气体不易击穿。
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
第2讲 气体放电理论(一)
x
f (x) e
➢ 如果起始有n0个质点（或一个质点的相继n0 次碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰 撞的质点数（或次数）n(x)应为
x
n(x) n0e
12
质点的平均自由行程
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
+ 气体中带电质点的产生 （一）气体分子本身的电离，可由下列因素
光子自能量然满界足下、面条人件，为将照引起射光电、离，气分解体成放电子电（光过电子程）和正离子
h Wi
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）：
0
hc eU i
1234 Ui
nm
17
+ 铯蒸汽的电离电位最小（3.88V），产生直 接光电离的波长应小于318 nm（紫外）
+ 对所有气体来说，在可见光（400750nm） 的作用下，一般是不能发生直接光电离的
+ 汤森德气体放电理论 + 流注放电理论
30
1、气体放电的主要形式
外电离因数：宇宙线、地面上的放射性辐射、太阳光 中的紫外线等 1cm3 气体介质中每秒产生一对离子，达到平衡状态， 离子浓度约为500~1000对/cm3
31
外施电压小于U0 时，间 隙电流远小于微安级， 此阶段气体绝缘性能
完好
电流要依靠外电离因素 来维持。如果取消外 电离因素，U0 以那前的么放电电形流式称为非自持放电
+ 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
34
根据气体压力、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
f (x) e
➢ 如果起始有n0个质点（或一个质点的相继n0 次碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰 撞的质点数（或次数）n(x)应为
x
n(x) n0e
12
质点的平均自由行程
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
+ 气体中带电质点的产生 （一）气体分子本身的电离，可由下列因素
光子自能量然满界足下、面条人件，为将照引起射光电、离，气分解体成放电子电（光过电子程）和正离子
h Wi
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）：
0
hc eU i
1234 Ui
nm
17
+ 铯蒸汽的电离电位最小（3.88V），产生直 接光电离的波长应小于318 nm（紫外）
+ 对所有气体来说，在可见光（400750nm） 的作用下，一般是不能发生直接光电离的
+ 汤森德气体放电理论 + 流注放电理论
30
1、气体放电的主要形式
外电离因数：宇宙线、地面上的放射性辐射、太阳光 中的紫外线等 1cm3 气体介质中每秒产生一对离子，达到平衡状态， 离子浓度约为500~1000对/cm3
31
外施电压小于U0 时，间 隙电流远小于微安级， 此阶段气体绝缘性能
完好
电流要依靠外电离因素 来维持。如果取消外 电离因素，U0 以那前的么放电电形流式称为非自持放电
+ 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
34
根据气体压力、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
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➢ 逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其 余的成为自由电子
5、金属（阴极）的表面电离
光电效应 金属表面受到短波光的照射。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
强场放射（冷放射） 当阴极附近所加外电场足够强时，可使阴极发射 出电子。场强在106V/cm左右，一般气体击穿场 强远低于此值 此情况会出现在高气压间隙和高真空间隙放电中
子，光子（光辐射）的频率 ，h 普朗克常数
We h
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
N：6.3 V，N2 ：6.1 V 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
气体放电理论一 (ppt)
优选气体放电理论一
气体放电
研究在电场作用下，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
主要内容
气体中带电质点的产生和消失 气体放电机理 电晕放电 不均匀电场中气体击穿的发展过程 雷电放电
名词解释
激励 电离 电子平均自由行程 复合 电子崩
原子激励
原子能级 以电子伏为单位 1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J
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
4、负离子的形成
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
形成负离子时可释放出能量 有些气体容易形成负离子，称为电负性气体
（如氧、氟、氯等），SF6在工业上有典型应用 负离子的形成起着阻碍放电的作用
5、金属（阴极）的表面电离
金属阴极表面发射电子 逸出功 ：与金属的微观结构 、表面状态有关
原子电离
原子电离 在外界因素作用下，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 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）
分级电离 通过亚稳激励态
原子电离
几种气体的第一电离电位 N：14.5 V，N2 ：15.5 V O：13.6 V, O2 ：12.2 V Cs：3.88V
5、金属（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 巨大动能，逸出金属表面 对于某些电弧放电的过程有重要的意义
需要一定的相互用用的时间和条件
仅考虑动能，在电场作用下，撞击质点被加速而 获得动能。将可能引起碰撞电离的条件
1 2
meve
2
Wi
me：电子的质量 ve ：电子的速度 Wi：气体分子的电离能
1、碰撞电离 （撞击电离）
碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的 大小有关
气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子 碰撞而引起的
第一节 气体中带电质点的产生和消失
气体中带电质点的产生 （一）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 （2）各种光辐射（光电离） （3）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
1、碰撞电离 （撞击电离）
必要条件 撞击质点所具有的总能量（包括动能 和势能）大于被撞击质点在该种状态下所需的电 离能
对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作 用下，一般是不能发生直接光电离的
分级电离 光电离在气体放电中起重要作用
反激励、复合释放具有一定能量的光子(具有 较大的初始速度)
3、热电离
因气体热状态引起的电离过程称为热电离
Wm
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3 KT 2
K ：波尔茨曼常数 K=1.38×10-23J/K
金属的逸出功一般比气体的电离能小得多，在气 体放电中起重要作用
金属表面电离所需能量获得的方式 正离子碰撞阴极 （二次发射）
正离子碰撞阴极
➢ 正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递 给金属中的电子，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 正离子与电子复合时发出的势能起作用
T p
质点的平均自由行程
➢ 自由行程的分布： 具有统计性的规律。质点的 自由行程大于x的概率为
x
f (x) e
➢ 如果起始有n0个质点（或一个质点的相继n0次碰 撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的质点 数（或次数）n(x)应为
x
n(x) n0e
质点的平均自由行程
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
T ：绝对温度，K
分子的热运动所固有的动能不足以产生碰撞电离， 20oC 时 ， 气 体 分 子 平 均 动 能 约 0.038eV 。 热 电 离 起始温度为103K
在一定热状态下物质会发出辐射，热辐射光子能 量大，会引起光电离
3、热电离
热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的 综合 例如：发生电弧放电时，气体温度可达数千度， 气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 ， 高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离
2、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
光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成 电子（光电子）和正离子
h Wi
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波 长）：
0
hc1234 eUi Ui
nm
2、光电离
铯蒸汽的电离电位最小（3.88V），产生直接光 电离的波长应小于318 nm（紫外）
质点的平均自由行程
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（）
自由行程具有统计性， 定义为质点自由行程的平均值
质点的平均自由行程
➢ 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。对于同一种气体，其分子密度和该气体 的密度成正比，空气中 电子e=10-5 cm
5、金属（阴极）的表面电离
光电效应 金属表面受到短波光的照射。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
强场放射（冷放射） 当阴极附近所加外电场足够强时，可使阴极发射 出电子。场强在106V/cm左右，一般气体击穿场 强远低于此值 此情况会出现在高气压间隙和高真空间隙放电中
子，光子（光辐射）的频率 ，h 普朗克常数
We h
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
N：6.3 V，N2 ：6.1 V 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
气体放电理论一 (ppt)
优选气体放电理论一
气体放电
研究在电场作用下，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
主要内容
气体中带电质点的产生和消失 气体放电机理 电晕放电 不均匀电场中气体击穿的发展过程 雷电放电
名词解释
激励 电离 电子平均自由行程 复合 电子崩
原子激励
原子能级 以电子伏为单位 1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J
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
4、负离子的形成
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
形成负离子时可释放出能量 有些气体容易形成负离子，称为电负性气体
（如氧、氟、氯等），SF6在工业上有典型应用 负离子的形成起着阻碍放电的作用
5、金属（阴极）的表面电离
金属阴极表面发射电子 逸出功 ：与金属的微观结构 、表面状态有关
原子电离
原子电离 在外界因素作用下，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 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）
分级电离 通过亚稳激励态
原子电离
几种气体的第一电离电位 N：14.5 V，N2 ：15.5 V O：13.6 V, O2 ：12.2 V Cs：3.88V
5、金属（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 巨大动能，逸出金属表面 对于某些电弧放电的过程有重要的意义
需要一定的相互用用的时间和条件
仅考虑动能，在电场作用下，撞击质点被加速而 获得动能。将可能引起碰撞电离的条件
1 2
meve
2
Wi
me：电子的质量 ve ：电子的速度 Wi：气体分子的电离能
1、碰撞电离 （撞击电离）
碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的 大小有关
气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子 碰撞而引起的
第一节 气体中带电质点的产生和消失
气体中带电质点的产生 （一）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 （2）各种光辐射（光电离） （3）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
1、碰撞电离 （撞击电离）
必要条件 撞击质点所具有的总能量（包括动能 和势能）大于被撞击质点在该种状态下所需的电 离能
对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作 用下，一般是不能发生直接光电离的
分级电离 光电离在气体放电中起重要作用
反激励、复合释放具有一定能量的光子(具有 较大的初始速度)
3、热电离
因气体热状态引起的电离过程称为热电离
Wm
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3 KT 2
K ：波尔茨曼常数 K=1.38×10-23J/K
金属的逸出功一般比气体的电离能小得多，在气 体放电中起重要作用
金属表面电离所需能量获得的方式 正离子碰撞阴极 （二次发射）
正离子碰撞阴极
➢ 正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递 给金属中的电子，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 正离子与电子复合时发出的势能起作用
T p
质点的平均自由行程
➢ 自由行程的分布： 具有统计性的规律。质点的 自由行程大于x的概率为
x
f (x) e
➢ 如果起始有n0个质点（或一个质点的相继n0次碰 撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的质点 数（或次数）n(x)应为
x
n(x) n0e
质点的平均自由行程
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
T ：绝对温度，K
分子的热运动所固有的动能不足以产生碰撞电离， 20oC 时 ， 气 体 分 子 平 均 动 能 约 0.038eV 。 热 电 离 起始温度为103K
在一定热状态下物质会发出辐射，热辐射光子能 量大，会引起光电离
3、热电离
热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的 综合 例如：发生电弧放电时，气体温度可达数千度， 气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 ， 高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离
2、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
光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成 电子（光电子）和正离子
h Wi
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波 长）：
0
hc1234 eUi Ui
nm
2、光电离
铯蒸汽的电离电位最小（3.88V），产生直接光 电离的波长应小于318 nm（紫外）
质点的平均自由行程
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（）
自由行程具有统计性， 定义为质点自由行程的平均值
质点的平均自由行程
➢ 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。对于同一种气体，其分子密度和该气体 的密度成正比，空气中 电子e=10-5 cm