气体放电理论(二)
高电压技术课件 第二章 气体放电的物理过程
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
气体放电
气体放电气体在正常状态下是良好的绝缘介质．但在电压的作用下，也会形成微弱的电流；气体在外加电压作用下产生导通电流的现象称为气体放电。
当加于气体上的电压达到一定数值时，通过气体的电流会突然剧增，气体失去绝缘的性能。
气体在外加电压作用下由绝缘状态转变为导电状态的过程称为击穿。
使气体击穿的最低电压称为击穿电压、气体发生击穿时，电导突增，并伴有光、声、热等现象。
通过实验观察，由于电源功率、电极形状、气体压力等的不同，气体放电现象存在以下几种主要形式： 1．辉光放电外加电压增加到一定值时，通过气体的电流明显增加，气体间隙整个空间突然出现发光现象，这种放电形式称为辉光放电。
辉光放电的电流密度较小，放电区域通常占据整个电极同的空间。
辉光放电是低气压下的放电形式，验电笔中的氖管、广告用霓虹灯管发光就是辉光放电的例子。
2．电晕放电对于电极很尖的极不均匀电场气隙，随外加电压的升高，在电极尖端附近会出现暗蓝色的晕光，并伴有咝咝声。
如电压不继续升高，放电就局限在这较小的菹围内，形成局部放电，称为电晕放电。
发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小。
电气设备带电的尖角和输电线路，在运行中时有发生这种电晕放电。
3．火花或电弧放电在气体间隙的两极，电压升高到一定值时，气体中突然产生明亮的树枝状放电火花，当电源功率不大时，这种树枝状火花会瞬时熄灭，接着又突然产生，这种现象称为火花放电；当电源功率足够大时，气体发生火花放电以后，树枝状放电火花立即发展至对面电极，出现非常明亮的连续弧光，形成电弧放电。
二、气体中带电质点的产生和消失我们已经知道，气体间隙在外加电压作用下会产生放电，甚至击穿，这说明气体中有大量带电质点产生；而气体间隙击穿后，若去掉外加电压，气体又能恢复到它原来的耐电强度，这说明气体中的带电质点会消失。
1．带电质点的产生气体原子由带正电荷的原子核和若干带负电荷的电子构成。
正常状态下，这些电子受原子核的吸引在各自的轨道上围绕原子核旋转，这时的气体原子是一个整体，呈中性，称为中性原子。
浅谈气体放电理论及研究
浅谈气体放电理论及研究摘要：介绍了气体放电的基本理论和类型，列举气体放电实验的一些研究方法。
针对性地提出了气体放电的研究前景。
关键字：气体放电介质离子1.引言干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。
主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。
2.气体放电的基本理论气体放电的经典理论主要有汤森放电理论和流注放电理论等。
2.1 汤森放电理论1903年，为了解释低气压下的气体放电现象，汤森(j．s．townsend)提出了气体击穿理论，引入了三个系数来描述气体放电的机理，并给出了气体击穿判据。
汤森放电理论可以解释气体放电中的许多现象，如击穿电压与放电间距及气压之间的关系，二次电子发射的作用等。
但是汤森放电解释某些现象也有困难，如击穿形成的时延现象等；另外汤森放电理论没有考虑放电过程中空间电荷作用，而这一点对于放电的发展是非常重要的。
电子雪崩中的正离子随着放电的发展可以达到很高的密度，从而可以明显的引起电场的畸变，进而引起局部电子能量的加强，加剧电离。
2.2流注理论针对汤森放电理论的不足，1940年左右，h．raether及loeb、meek等人提出了流注(streamer)击穿理论，从而弥补了汤森放电理论中的一些缺陷，能有效地解释高气压下，如大气压下的气体放电现象，使得放电理论得到进一步的完善。
近年来，随着新的气体放电工业应用的不断涌现及实验观测技术的进一步发展，将放电理论与非线性动力学相结合，利用非线性动力学的方法来研究气体放电中的各种现象成为气体放电研究中的重要内容。
3.气体放电的基本类型气体在不同的条件下，在物理特性方面也有一些差异，这就导致了气体在不同压强，电压等条件下存在不同的放电类型。
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。
气体放电理论
气体放电理论1)简要论述汤逊放电理论。
当外施电压足够高时，一个电子从阴极出发向阳极运动，由于碰撞游离形成电子崩，则到达阳极并进入阳极的电子数为eas个(α为一个电子在电场作用下移动单位行程所发生的碰撞游离数；s为间隙距离)。
因碰撞游离而产生的新的电子数或正离子数为(eas-1)个。
这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．若1个正离子撞击阴极能从阴极表面释放r个(r 为正离子的表面游离系数)有效电子，则(eas-1)个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电。
即汤逊理论的自持放电条件可表达为r(eas-1)=1。
2)为什么棒－板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高？（1）当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩。
随着电压的逐渐上升，到放电达到自持、爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。
当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。
于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，从而减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。
这样，棒极附近的电场被削弱，难以造成流柱，这就使得自持放电也即电晕放电难以形成。
（2）当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩。
当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢的速度向阳极运动。
一部份电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。
电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。
结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷。
负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。
棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于得到满足、易于转入流柱而形成电晕放电。
2.气体放电的基理论分析-均匀场与不均匀场的放电
3.流注理论
汤逊气体放电理论实在气压较低，pd值较小的条件下进行放电实验的 基础上建立起来的。pd过小或者过大，放电机理出现变化，汤逊理论就不 适用了。当气压是101.3kPa或更高、长气隙pd>>26.66kPa.cm。
电子崩在正常大气下发展若E=30kV/cm则α=11cm^-1我们可以推算出崩头 电子数的表
自由行程超过 平均自由程为λ，则
令
的电子才能与分子发生碰撞电离，若电子的
气体温度不变时，平均自由程与气压成反比
我们将之前推出的气隙击穿条件带入上式中可以推出击穿电压
1.3汤逊理论的核心理论及适用范围
1.汤逊原理中对实验的分析主要以碰撞电离为理论基础 2.汤逊原理的实验环境仅限于短间隙，低气压，大曲率电极， 均匀电场的条件下(pd<26.66kPa.cm[200mmHg.cm]) 3.达到自持放电后的放电型式和特性取决于所加电压的类型、 电场型式、外电路参数、气压和电源容量等条件。 4.汤逊实验中阴极材料对实验影响较大，γ系数会随材料的 变化而变化，因而击穿电压也受到阴极材料影响。
3.
2.2极性效应
正极性
•棒极附近强场区内的电晕 放电将在棒极附近空间留下 许多正离子
•这些正离子虽朝板极移动, 但速度很慢暂留在棒极附近
•这些正空但速度很慢而暂 留在棒极附近，如图间电 荷削弱了棒极附近的电场 强度，而加强了正离子群 外部空间的电场
•负极性
• 崩头的电子在离开强场（电晕）区 后，虽不能再引起新的碰撞电离，但仍 继续往板极运动，而留在棒极附近的也 是大批正离子 • 这时它们将加强棒极表面附近的电 场而削弱外围空间的电场 • 所以，当电压进一步提高时，电晕 区不易向外扩展，整个气隙的击穿将是 不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要 比正极性时高得多，完成击穿过程所需 的时间也要比正极性时长得多。 输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都 属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电 压的作用下，击穿均发生在外加电压为正极 性的那半周内；在进行外绝缘的冲击高压试 验时，也往往施加正极性冲击电压，因为这 时的电气强度较低。
第二章气体放电的物理过程
第二章气体放电的物理过程本章节教学内容要求：气体分子的激发与游离，带电质点的产生与消失汤森德气体放电理论：电子崩的形成，自持放电的条件，帕邢定律。
流注理论：长间隙击穿的放电机理，极性效应，先导放电，雷云放电及电晕。
必要说明：1）常用高压工程术语击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。
闪络：沿固体介质表面的气体放电（亦称沿面放电）电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。
击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的最低临界电压。
击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。
Ｅｂ＝Ｕｂ／Ｓ（Ｓ：极间距离）一般在常压大气中，Ｅｂ＝３０ｋＶ／ｃｍ，当Ｓ较小为ｃｍ且电场为均匀分布时；Ｅｂ＝５００ｋＶ／ｍ，当Ｓ较大接近ｍ时。
放电：（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程。
辉光放电：当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。
火花放电：在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。
主要表现为：从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。
火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。
电晕放电：在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。
如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。
电晕放电的电流很小电弧放电：在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。
电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。
电弧放电电流大，电弧温度高。
电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。
2）常见电场的结构均匀场：板－板稍不均匀场：球－球极不均匀场：（分对称与不对称）棒－棒对称场棒－板不对称场线－线对称场§２－１气体中带电质点的产生和消失一．带电粒子的产生（电离过程）气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。
气体放电理论(二)
1—主电子崩 2—二次电子崩
3—流注
7
正流注的形成
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
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
1—主电子崩 2—二次电子崩 3—流注
13
2．放电时间 光子以光速传播，所以流注发展速 度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别 短的现象。
3．阴极材料的影响 根据流注理论，维持放电自 持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过 程，这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材 料基本无关了。
14
பைடு நூலகம்
四、不均匀电场中气体击穿的发展过程
球间隙的工频放电电压的变动情况：
（ａ）先导和其头部的流注ｋｍ；（ｂ）流注头部电子崩的形成；
（ｃ）ｋｍ由流注转变为先导和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注头部电子崩的形成；
（ｅ）沿着先导和空气间隙电场强度的分布
27
流注根部 温度升高
热电离 过程
电离加强，更为明亮
先导 通道
电导增大 轴向场强更低 发展速度更快
长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙
x /cm 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 n 9 27 81 245 735 2208 6634 19930 59874
5
空间电荷畸变外电场 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
电子崩头部：电场明显增强，有 利于发生激励或电离现象， 当它们回复到正常状态时，放 射出光子
棒极附近的电场得到增强， 因而自持放电条件就易于 得到满足、易于转入流注 而形成电晕放电
第1章 气体放电
第一章 气体放电
2、负棒一正板
第一章 气体放电
a.由于捧极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离， 使电晕放电难以形成，造成电晕起始电压提高。
b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电 场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故降低了击 穿电压。
第一章 气体放电
结论： 在间隙距离d相同时 虽然UC(+)＞UC(-) 但 Ub(+)＜Ub(-) 式中 UC——电晕起始电压 Ub——击穿电压 此称为极性效应。
第一章 气体放电
2、当P一定时 ↑→ 要维持足够的电场强度 →必须升高 d d↑→ ↑→要维持足够的电场强度 要维持足够的电场强度→ 电压 反之 ↓→ 当与平均 λ可比拟时 →电子走完全 d d↓→ ↓→当与平均 当与平均λ 可比拟时→ 程中的碰撞次数 ↓→ Ub↑ 程中的碰撞次数↓→ ↓→U
第一章 气体放电
第一节 气体中带电质点的产生与消失 一、气体中带电质点的产生(游离)
１、碰撞游离 自由行程:质点两次碰撞之间的距离。 平均自由行程越大，越容易发生碰撞游离。 平均自由行程与气体间的压力成反比，与绝对温 度成正比。
第一章 气体放电
２、光游离 各种短波长的高能辐射线，如宇宙射线，紫 外线、γ线、X线等才有使气体产生光游离的能力。 由光游离产生的自由电子称为光电子。 ３、热游离 在热状态下产生碰撞游离和光游离的综合。 4 、表面游离 包括热电子发射、正离子撞击阴极、短波光 照射效应及强电场发射等，都可以使阴极发射电 子。
第一章 气体放电
二、绝缘的一般分类
1、按存在形式 � 气体介质 � 液体介质 � 固体介质 2、按是否可自行恢复绝缘 � 可恢复绝缘 � 不可恢复绝缘
第一章 气体放电
2 气体放电的物理过程—均匀电场中气体击穿(高电压技术)
3）热电离
3热电离.exe
一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。 一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。 包括： 包括： •随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离， 随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离， •高温下高能热辐射光子引起的光电离。 高温下高能热辐射光子引起的光电离。
4）金属(阴极)的表面电离： 金属(阴极)的表面电离：
设：一个电子从阴极行走 x 距离产 生的自由电子数为 n 产生的新电子数为： n 个电子前进 dx 产生的新电子数为：
dn = nαdx, 或dn = αdx n 所以： 所以：一个电子从阴极到阳极产生 的电子数为： 的电子数为：
自持放电条件： 自持放电条件：
N =e 0
∫αdx
S
= eαS
γ (e
αS
− 1) ≥ 1
一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为： 一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为：
e
αS
−1
均匀电场中气体击穿的 发展过程
气体击穿的两个基本理论： 气体击穿的两个基本理论： 一、汤逊理论（巴申定律） 汤逊理论（巴申定律） 二、流注理论
一、巴申定律（汤逊理论）： 巴申定律（汤逊理论）：
δ一定：d小，d小于λ，U击 ↑
d大，U击 ↑ 大，U
d一定：δ小，碰撞机会少，U击 ↑
δ大，λ小，U击 ↑
汤逊理论中气隙的击穿过程是： 汤逊理论中气隙的击穿过程是： 电子崩——气隙击穿 电子崩——气隙击穿 仅适用于短间隙低气压的辉 仅适用于短间隙低气压的辉 光放电
二、流注理论： 流注理论： 流注：由正负离子构成的具有良好导电性的冷等离子体 流注： 放电的主要因素： 放电的主要因素： 电子的碰撞电离及空间光电离（光子、短波光射线 电子的碰撞电离及空间光电离（光子、 引起的空间电离），强调了空间电荷畸变电场的作用， ），强调了空间电荷畸变电场的作用 引起的空间电离），强调了空间电荷畸变电场的作用， 流注是由二次电子崩汇入主崩形成的。 流注是由二次电子崩汇入主崩形成的。
3汤逊放电理论
二.汤逊气体放电理论
汤逊放电理论：低气压短间隙
两种气体放电理论
流注放电理论：高气压长间隙
? 汤逊放电理论的理论要点
电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离 是使带电质点激增，并导致击穿的主要因素。击穿电压大 体上是 p ×d 的函数.
（一）电 子 崩（electron avalanche ）
（二）电子碰撞电离系数α
1. α 过程引起的电流
根据碰撞电离系数α的定义， 可得
dn = a ndx
分离变量并积分 ，可得
x
ò n = n0 exp
a dx
0
均匀电场，α 不随 x 变化
n = n0ea x 抵达阳极的电子数 na ? n0ead
n0
n
na
x
dx
d
1. α 过程引起的电流
将n = n0ea x的两边都乘以电子电荷及电极的面积，得
3. 系数?的大致数值
华北电力大学
高电压绝缘技术
王胜辉
华北电力大学 电气与电子工程学院 高压教研室
2012年2月
§4 均匀电场中气体击穿的发展过程
一. 自持放电、非自持放电
1. 非自持放电：如去掉外电离因素 的作用后放电随即停止的放电。
U<U0时，去掉外电离因素，电 流消失。 2. 自持放电：能仅由电场的作用而 维持的放电称为自持放电
外界电离因 子在阴极附近产 生一个初始电子 如果空间的电场 强度足够大，该 电子在向阳极运 动时就会引起碰 撞电离，产生出 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，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的 发展,这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。
2015高电压工程2
2、电晕放电的利弊 危害：a消耗能量；b产生高频电磁波干扰无线通信和电 视信号；c产生可闻噪声 利：降低过电压波的幅值和陡度；应用于其他工业领域
3、防止电晕放电的途径 设法降低导线表面的电场强度 具体措施：采用分裂导线，分裂数超过两根时，多根子 导线布置在一个圆的内接正多边形的顶点。 分裂导线的表面电场强度不仅与分裂数有关，也与子导 线之间的距离（分裂距）d有关； 采用分裂导线的场合： 220kV及以下输电线路不采用； 330～750kV线路，分裂数2～6 1000kV及以上线路，分裂数大于8。
（1-12）
把式（1-12）代入，可得 整理可得
na na d n (e 1) 0 d d e e
ed na n0 1 (ed 1)
两边乘以电子电荷，得到电流表达式
ed Ia I0 1 (ed 1)
均匀电场中气隙的自持放电条件
γ 与阴极材料，气体种类有关
标准雷电冲击电压截 波参数 T1=1.2us，±30% T2=2～5us， ±20%
（三）标准操作冲击电压波 操作过电压的产生和特点 用来模拟电力系统操作过 电压的标准电压波形： (1)非周期双指数波 电压波形参数 波前时间Tcr=250us，±20% 半峰值时间T2=2500us， ±60% Um， ±3% 写作Tcr/T2=250/2500us (2)衰减震荡波 电压波形参数: 第一个半波持续时间2000～3000us，
巴申曲线
B( pd ) U0 A( pd ) ln ln(1 1 / )
要求会用汤逊理论解释巴申曲线中击穿电压具有最小值的原因
对均匀电场，击穿电压就是起始放电电压 U b U 0 f pd
二、空气相对密度（气温变化时起始电压的计算）
2.2 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
x
dx n
+
x
dn n dx
dБайду номын сангаас dx n
dn n dx
一、流注放电理论
气体放电流注理论以实验为 基础，它考虑了高气压、长 气隙情况下不容忽视的若干 因素对气体放电的影响，主 要有以下两方面：
空间电荷对原有电场的 影响 空间光电离的作用
1.空间电荷引起电场畸变
2.空间光电离
3.流注的形成与气体击穿
4.流注理论的气体放电过程
电子崩 流注 主放电
5.流注理论的要点
强调了空间电荷畸变电场的作用； 电离因素除电子的空间碰撞电离外还 考滤空间光电离（光子、短波光射线 引起）
自持放电条件是流注形成
适用条件： d ≥0.26cm的气隙,正常 大气压下的放电
小结
均匀电场的两大放电理论：汤逊理论、 流注理论
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
初始条件：x=0，n=n0
nx n0 e
x
ln n x ln C n Ce
x
电子崩到达阳极(x=S)：
nS n0 e
S
一个电子崩到达阳极，新产生的正离子数：
e
S
1
新产生的正离子数撞击阴极表面产生的 自由电子数：
(e 1)
S
自持放电的条件
（e 1 1 ）
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。 假设气体密度不变：当气隙间距加大，必 须提高电压才能获得足够的场强；当间距 过小时，电子走完全程发生碰撞的次数减 少，需要增加电压才能击穿。
3气体放电的物理过程1
沿着电场方向行经 1cm 长 度 ， 平 均 发 生 的碰撞电离次数
8
•间隙碰撞电离的数学推导
设：在外电离因素光辐射的作用下，
单位时间内阴极单位面积产生n0 个电
子（忽略空间产生的正负电荷）；
在距离阴极为x的横截面上，单位 时间内单位面积有n个电子飞过
这n个电子行过dx之后，又会产生 dn个新的电子
外施电压小于UB时，空间产生的电荷完全移动到极板，故
电流的大小决定于空间电荷的产生速度，当光照不变时，
电流为常数。
外施电压小于U0时，气体中发生了电离，此时空间电荷增
多，电流增大。
外施电压等于U0时，电离产生的电荷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。因得电子的增长规律为
nn0exp0xdx
9
对于均匀电场， 不随空间位置而变
n n0ex
相应的电子电流增长规律为
I I0ex
令x＝d，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流
I I0ed
2、过程
电离系数：正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能
及位能，引起阴极表面电离，使阴极释放出自由电子。
表示折算到每个碰撞阴极表面的正离子，阴极金属平
均释放出的自由电子数
10
• 一次过程产生的正电荷数
由前推导可知，从阴极飞出的n0个电子，到达阳极后，电子
数将增加为（注意此时的电子数包含初始电子n0）
n n0ed
正离子数
nn0(ed1)
正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数
nnn0(ed1 )
如果此时电离出的电子数为n0,放电则由非自持转入自持, 条件为
电形式也称为自持放电 。此时的电压称为放电起始电压。
气体放电基础知识
气体放电基础知识气体击穿理论气体介质是电力系统和电气设备中常用的绝缘介质。
如：空气、CO2、N2、SF6、混合气体等。
当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力，从而造成事故。
为了能正确构成气体绝缘，就需要了解气体中的放电过程。
本章着重介绍气体击穿的一些理论分析，如：带电质点的产生、运动和消失的规律；气体击穿过程的发展等。
第一节气体放电主要形式什么是气体放电：气体中出现电流的各种形式统称为气体放电。
处于正常状态并隔绝各种外电离因素作用的气体是完全不导电的。
气体中存在少量带电质点（紫外线、宇宙射线作用，500-1000对/立方厘米正、负离子），在电场作用下，带电质点沿电场方向运动，形成电流，所以气体通常并不是理想绝缘介质。
由于带电质点极少，气体的电导也极小，仍为优良的绝缘体。
击穿：当提高气体间隙上的外施电压而达一定数值后，电流突然剧增，从而气体失去绝缘性能。
气体这种由绝缘状态突变为良导电态的过程，称为击穿。
沿面闪络：当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络。
击穿电压：气体击穿的最低临界电压称为击穿电压。
击穿场强：气体发生击穿时的电场强度称为击穿场强。
气体放电形式根据气体压力、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：1、辉光放电2、电弧放电3、火花放电4、电晕放电1、辉光放电当气体压力不大、电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间出现发光现象。
这种放电形式称为辉光放电。
辉光放电的特点：电流密度较小，放电区域通常占据整个空间；管端电压较高，不具有短路的特性。
注意：辉光放电仅发生在气压较低的情况下2、电弧放电随着外回路中的阻抗减小，电流增大。
当电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大，这时的放电形式称为电弧放电。
电弧放电的特点：电流密度很大，管端电压很低，具有短路的特性。
气体放电
气体放电气体在正常状态下是良好的绝缘介质．但在电压的作用下，也会形成微弱的电流；气体在外加电压作用下产生导通电流的现象称为气体放电。
当加于气体上的电压达到一定数值时，通过气体的电流会突然剧增，气体失去绝缘的性能。
气体在外加电压作用下由绝缘状态转变为导电状态的过程称为击穿。
使气体击穿的最低电压称为击穿电压、气体发生击穿时，电导突增，并伴有光、声、热等现象。
通过实验观察，由于电源功率、电极形状、气体压力等的不同，气体放电现象存在以下几种主要形式： 1．辉光放电外加电压增加到一定值时，通过气体的电流明显增加，气体间隙整个空间突然出现发光现象，这种放电形式称为辉光放电。
辉光放电的电流密度较小，放电区域通常占据整个电极同的空间。
辉光放电是低气压下的放电形式，验电笔中的氖管、广告用霓虹灯管发光就是辉光放电的例子。
2．电晕放电对于电极很尖的极不均匀电场气隙，随外加电压的升高，在电极尖端附近会出现暗蓝色的晕光，并伴有咝咝声。
如电压不继续升高，放电就局限在这较小的菹围内，形成局部放电，称为电晕放电。
发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小。
电气设备带电的尖角和输电线路，在运行中时有发生这种电晕放电。
3．火花或电弧放电在气体间隙的两极，电压升高到一定值时，气体中突然产生明亮的树枝状放电火花，当电源功率不大时，这种树枝状火花会瞬时熄灭，接着又突然产生，这种现象称为火花放电；当电源功率足够大时，气体发生火花放电以后，树枝状放电火花立即发展至对面电极，出现非常明亮的连续弧光，形成电弧放电。
二、气体中带电质点的产生和消失我们已经知道，气体间隙在外加电压作用下会产生放电，甚至击穿，这说明气体中有大量带电质点产生；而气体间隙击穿后，若去掉外加电压，气体又能恢复到它原来的耐电强度，这说明气体中的带电质点会消失。
1．带电质点的产生气体原子由带正电荷的原子核和若干带负电荷的电子构成。
正常状态下，这些电子受原子核的吸引在各自的轨道上围绕原子核旋转，这时的气体原子是一个整体，呈中性，称为中性原子。
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
高电压课件 第二章 气体放电的物理过程
第二章气体放电的物理过程2-1 气体中带电质点的产生和消失一、气体中带电质点的产生纯净的中性状态的气体是不导电的，只有在气体中出现了带电质点（电子、离子等）以后，才可能导电，并在电场的作用下，发展成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身发生；二是气体中的固体或液体金属表面发生电离。
下面讨论各种形式的电离：1．撞击电离撞击电离乃是两个质点在接近时通过复杂的电磁力相互作用，达到两者之间发生能量转换的结果，这就需要一定的相互作用的时间和条件。
一般来说，撞击体的动能愈大，造成电离的概率也愈大，但超过一定速度的电子，其速度进一步增大时，其撞击电离的概率反而逐渐减小，这是因为当相对速度很大时，相撞击的两个质点相互作用的延续时间很短，可能来不及完成能量转换的缘故。
当不存在电场时，质点的动能只能是该质点的热运动所固有的动能，只有当气体的温度升高到足够高，使部分气体质点热运动的动能超过该气体质点的电离能时，才能发生电离。
当存在电场时，带电质点受电场力的作用，在电场方向得到加速，积聚动能，但如果中途遇到别的质点碰撞，就会失去已积聚的动能。
正、负离子的体积比电子大得多，它们的运动和碰撞并不能造成电离；而电子与别的质点相邻两次碰撞之间的平均自由程比离子大得多，在电场的作用下，积聚足够的动能后再与其他质点碰撞的概率比离子大得多。
所以，在电场中，造成撞击电离的主要因素是电子。
2．光电离辐射的能量以不连续的光子的形式发出，光子的能量与光的波长有关，波长越短，能量越大。
例宇宙线，γ线，x线，短波长紫外线具有较强的电离能量。
由光电离产生的电子称为光电子。
光电离在气体放电中起着很重要的作用。
3．热电离由气体的热状态造成的电离称为热电离。
热电离实质上是由热状态产生的撞击电离和光电离的综合。
一般气体开始有较明显热电离的启示温度为103K数量级。
在电力系统中，热电离的典型例子是电弧。
4．表面电离①逸出功：电极发射电子所需的能量，与电极材料及表面状态有关。
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当d<d0时；电场还比较均匀，击穿以前间隙中看不到什么放电迹象；
当d>d0时；电场已不均匀，当电场还明显低于击穿电压时，出现电晕
放电、刷状放电 ；
d0和d0 之间；过渡区域，放电过程不很稳定，击穿电压分散性很大
当d>d0 时；电晕起始电压己开始变得低于击穿电压了
16
根据电场均匀程度和气体状态，可以出现不同情况
电场比较均匀的情况 放电达到自持时，在整个间隙中部巳达到相当数值 。这时和均匀电场中情况类似
电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况 当大曲率电极附近达到足够数值时，间隙中很大一 部分区域也都已达相当数值，流注一经产生，随即 发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿
电场极不均匀的情况 当大曲率电极附近很小范围内已达相当数值时，间隙 中大部分区域值都仍然很小，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
3．阴极材料的影响 根据流注理论，维持放电自 持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过 程，这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材 料基本无关了。
15
四、不均匀电场中气体击穿的发展过程
间隙距离d 在很大范围内变动时，球间隙的工频放电电压的变动情 况
1 击穿电压 2 电晕起始电压 3 刷状放电电压 4 过渡区域
电子崩中电子离开强电场区 后，不再引起电离，正离 子逐渐向棒极运动，在棒 极附近出现了比较集中的 正空间电荷，使电场畸变
棒极附近的电场得到增强， 因而自待放电条件就易于 得到满足、易于转入流注 而形成电晕放电
Eex—外电场 Esp—空间电荷的电场22
极性效应
实验表明： 棒—板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比
20
极不均匀电场中的放电过程（短间隙）
以棒－板间隙为例
1. 非自持放电阶段
当棒具有正极性时
在棒极附近，积聚起正空间 电荷，减少了紧贴棒极 附近的电场，而略微加 强了外部空间的电场， 棒极附近难以造成流注 ，使得自持放电、即电 晕放电难以形成
Eex—外电场 Esp—空间电荷的电场21
当棒具有负极性时
流注发展到阴极，间隙被 导电良好的等离子通道所 贯通，间隙的击穿完成， 这个电压就是击穿电压
10
在电离室中得到的初始电子崩照片 图a和图b的时间间隔为110-7秒 p=270毫米汞柱， E=10.5千伏/厘米
初始电子崩转变为 流注瞬间照片 p＝273毫米汞柱 E=12千伏/厘米
电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s
高电压技术
第一章 气体放电理论（二）
气体中带电质点的产生和消失 气体放电的一般描述 均匀电场中气体击穿的发展过程 不均匀电场中气体击穿的发展过程
2
三、均匀电场中气体击穿的发展过程
（二）流注气体放电理论
说明工程上感兴趣的压力较高气体的击穿，如大 气压力下空气的击穿
特点：认为电子碰控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
25
极性效应
实验表明： 棒—板间隙中棒为负极性时击穿电压比正极
性时高
26
外电压较低时，流注通道深入间隙一段距 离后，就停止不前了，形成电晕放电或刷 状放电
外电压足够高时，流注通道将一直达到另 一电极，从而导致间隙完全击穿
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极不均匀电场中的放电过程（长间隙）
非自持放电阶段 流注发展阶段 先导放电 热电离过程 主放电阶段
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
1—主电子崩 2—二次电子崩 3—流注
9
正流注向阴极推进
流注头部的电离放射出大 量光子，继续引起空间光 电离。流注前方出现新的 二次电子崩，它们被吸引 向流注头部，延长了流注 通道
流注不断向阴极报进，且 随着流注接近阴极，其头 部电场越来越强，因而其 发展也越来越快
5
1. 电子崩阶段
电子崩外形：好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀
电子崩中的电子数： n＝ex
例如，正常大气条件下，若E＝30kV／cm，则 11cm-1，
计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数
x /cm 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
n
9
27 81 245 735 2208 6634 19930 59874
进流注通当棒具有负极性时
棒极的强电场区产生大量的电 子崩，汇入围绕棒极的正空 间电荷，等离子体层呈扩散 状分布，削弱前方电场（曲 线2）
在相当一段电压升高的范围内 ，电离只在棒极和等离子体 层外沿之间的空间内发展
等离子体层前方电场足够强后 ，发展新电子崩，其正电荷 加强等离子体层前沿的电场 ，形成了大量二次电子崩， 汇集起来后使得等离子体层 向阳极推进
11
在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片 正流注的发展速度约为11082108cm/s
12
自持放电条件
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， 即转入自持放电了。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
通过大量的实验研究（主要在电离室中进行的） 说明放电发展的机理
3
电离室
电离室结构示意图 1－照射火花间隙；2－石英窗；3－电极
4－玻璃壁；5－橡皮膜；6－绝缘柱
研究放电时的电路图 N－电离室；S－火花间隙；
L'、L''、K－短路回路
4
电子崩阶段
空间电荷畸变外电场
流注阶段
光电离形成二次电子崩，等离子体
17
引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度
f Emax Eav U
Eav d
f<2时，稍不均匀电场 f>4后，极不均匀电场
18
特殊放电现象—电晕放电
电晕放电现象
电离区的放电过程造成。咝咝的声音，臭氧的气味， 回路电流明显增加(绝对值仍很小)，可以测量到能量 损失
脉冲现象
(a) 时间刻度T=125s (b) 0.7A电晕电流平均值 (c) 2A电晕电流平均值
负极性时略高
23
2. 流注发展阶段
当棒具有正极性时
流注等离子体头部的正电荷减 少等离子体中的电场，而加 强其头部电场（曲线2）
电场加强的流注头部前方产生 新电子崩，其电子吸引入流 注头部正电荷区内，加强并 延长流注通道，其尾部的正 离子构成流注头部的正电荷
流注及其头部的正电荷使强电
场区更向前移（曲线3），促
长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙
30
4．主放电
主放电发展和通道中轴向电场强度分布图
当先导通道头部极为接近板 极时，间隙场强可达极 大数值，引起强烈的电 离，间隙中出现离子浓 度远大于先导通道的等 离子体
新出现的通道大致具有极板 的电位，在它与先导通 道交界处保持极高的电 场强度，继续引起强烈 的电离
28
3．先导放电
正棒—负板间隙中先导通道的发展
（ａ）先导和其头部的流注ｋｍ；（ｂ）流注头部电子崩的形成；
（ｃ）ｋｍ由流注转变为先导和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注头部电子崩的形成；
（ｅ）沿着先导和空气间隙电场强度的分布
29
流注根部 温度升高
热电离 过程
电离加强，更为明亮
先导 通道
电导增大 轴向场强更低 发展速度更快
13
3.流注理论对pd很大时放电现象的解释
1．放电外形 Pd很大时，放电具有通道形式
流注中电荷密度很大，电导很大，其中电场强度很小。 因此流注出现后，对周围空间内的电场有屏蔽作用， 并且随着其向前发展而更为增强
当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流注 的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈
高场强区（强电离区）迅速 向阳极传播，强电离通 道也迅速向前推进，这 就是主放电过程。
１——主放电通道 ２——主放电和先导通道的交界区 ３——先导通道
31
光子引起空间光电离， 其中的光电子被主电子 崩头部的正空间电荷所 吸引，在受到畸变而加 强了的电场中，造成了 新的电子崩，称为二次 电子崩
1—主电子崩 2—二次电子崩
3—流注
8
正流注的形成
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
6
空间电荷畸变外电场
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
电子崩头部：电场明显增强 ，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，放 射出光子
崩头内部正、负电荷区域： 电场大大削弱，有助于 发生复合过程，发射出 光子
7
2. 流注阶段
光电离、二次崩
当电子崩走完整个间隙 后，大密度的头部空间 电荷大大加强了后部的 电场，并向周围放射出 大量光子
二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花 通道常是曲折的，并带有分枝。
电子崩则不然，由于其中电荷密度较小，故电场强度还
很大，因而不致影响到邻近空间内的电场，所以不会
影响其它电子崩的发展，如图2—15所示。这就可以
说明，汤逊放电呈连续一片
14
2．放电时间 光子以光速传播，所以流注发展速 度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别 短的现象。
19
电晕起始电压和电晕起始场强
是一种自持放电形式，起始电压在原理上可由自持放 电条件求得
对工程实践有重要意义
不利影响 ：能量损失；放电脉冲引起的高频电磁波干 扰；化学反应引起的腐蚀作用等
有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅 值及陡度；利用电晕放电改善电场分布， 提高击穿电压 ；利用电晕放电除尘等