气体放电理论(二)分解
高电压技术第二章-气体放电
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n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太 大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内， 只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘 体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待 电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
气体放电的基本物理过程
1 2
mv2
eEx
Wi
条件：x Ui E
高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时，如原 子或分子获得的能量等于或大于其电离能，则会发 生电离，这种由碰撞而引起的电离称为碰撞电离。
高电压工程基础
（1）碰撞电离
即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离——引 入“自由行程”概念。
自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由通过的平均距离。
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。
2.2 放电的电子崩阶段
阴极表面光电离 气体中的空间光电离
因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。 在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。
高电压工程基础
1、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）
内绝缘 一般由固体电介质和液体电介质联合构成
高电压工程基础
研究气体放电的目的： 了解气体在强电场(高电压)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及其提高方法。
电气设备中常用的气体介质： 空气、压缩的高电气强度气体(如SF6)
输电线路以空气 作为绝缘材料
变压器相间绝缘以 气体作为绝缘材料
n
均匀电场 α 不随x变化
8气体放电的基本理论
第 章 气 体 放 电 基 本 理 论 1
八
③强场发射： 在电极附近加上很强的外电场，也能从金属电极中拉 出电子，称为强场发射或冷发射。这种发射所需的外电场 极高，其数量级在106V/cm 左右。一般气隙的击穿场强远 低于此数值，所以，在一般气隙的击穿过程中还不会出现 强场发射。强场发射对某些高压强下的气隙击穿或高真空 下的气隙击穿具有重要意义。 ④光电子发射： 用短波光照射金属表面也能产生表面游离（称为光电 子发射）。当然，此时光子的能量必须大于逸出功，但满 足这个条件的光子并不都能产生光电子发射，因为一部分 光子会被金属表面反射，金属所吸收的光能中，大部分也 是转化为金属的热能，只有小部分用以使电子逸出。
10
第 章 气 体 放 电 基 本 理 论 1
八
5.负离子的形成
分子或原子对电子的亲合能E：一个中性分 子或原子与一个电子结合生成一价负离子所释放 出的能量。E的值越大，就越容易与电子相结合 而成为负离子。 卤素元素的E值比其它元素大的多，因此很 容易俘获一个电子而成为负离子。 如前面所述，离子的游离能力比电子小得多， 因此俘获电子而成为离子这一现象能对气体放电 的发展起抑制作用，有助于气体耐电强度的提高。
第八章 气体放电的 基本理论
1
第 章 气 体 放 电 基 本 理 论
八
本章主要介绍气体放电理论，重点内容是 气体放电过程及其形成机理。介绍气隙的击穿 特性以及常见电晕放电、沿面放电两种放电形 式。 §8-1 §8-2 §8-3 §8-4 §8-5 §8-6 气体中带电质点的产生和消失 气体放电过程的一般描述 均匀电场气隙的击穿 不均匀电场气隙的击穿 气隙的击穿特性 气体电解质中的沿面放电
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2、光游离
第 章 气 体 放 电 基 本 理 论
气体放电原理
气体放电原理气体放电是指在一定条件下，气体中的自由电子受到电场的作用而加速，与气体原子或分子发生碰撞，使其电离并产生电流的现象。
气体放电是一种重要的物理现象，广泛应用于放电灯、气体放电激光器、等离子体物理研究等领域。
气体放电的原理主要包括电离、电子与离子的碰撞、电子能量的损失和复合等过程。
在电场的作用下，气体分子中的自由电子受到电场力的作用而加速，当电子的动能足够大时，就能够克服原子或分子的束缚能而发生电离。
电离过程是气体放电的起始阶段，也是电流的产生阶段。
在电离过程中，产生了大量的自由电子和离子，它们在电场的作用下加速运动，与气体分子发生碰撞，使得气体分子进一步电离，形成电子级联增殖的现象。
在气体放电过程中，电子与离子的碰撞是不可避免的。
当电子与离子碰撞时，它们会相互传递动量和能量，使得电子的能量逐渐损失，而离子的能量逐渐增加。
这种能量的转移和损失导致了电子的能量分布发生变化，形成了电子能谱。
电子能谱的形状和分布对气体放电过程的性质和特性有着重要的影响。
除了电离和碰撞外，电子的能量损失和复合也是气体放电过程中重要的物理过程。
当电子与气体分子碰撞时，它们会失去能量，并使得气体分子电离或激发。
另一方面，电子还会与正离子复合，释放能量并再次形成原子或分子。
这种能量的损失和复合过程是维持气体放电的能量平衡的重要机制。
综上所述，气体放电是一种复杂的物理现象，其原理涉及到电离、碰撞、能量损失和复合等多个过程。
深入理解气体放电的原理，有助于我们更好地应用气体放电技术，推动相关领域的发展。
同时，气体放电的研究也为我们提供了一个认识自然界和探索未知领域的重要途径。
希望本文能够为读者提供一些有益的信息，促进气体放电领域的进一步研究和应用。
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。
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。
气体放电原理
气体放电原理
气体放电是指当气体中的电子和离子获得足够的能量时，发生放电现象的过程。
其原理涉及到气体的电离和电子的碰撞等基本物理过程。
气体电离是指在电场的作用下，气体中的原子或分子失去电子成为正离子和自由电子的过程。
当电场强度足够大时，气体中的原子或分子受到电场的力，电子被加速并获得足够的能量，从而发生电离，形成正离子和自由电子。
电子的碰撞是指在气体中，自由电子与离子或原子之间发生的碰撞过程。
电子在碰撞过程中会失去能量，导致其速度减小。
当碰撞速率和电子再次获得能量的速率达到平衡时，电子的速度将保持稳定。
在气体放电过程中，电子和离子受到电场的作用而产生加速，当它们的能量达到一定程度时，就会引发碰撞电离，进而导致更多的电离。
这种连锁反应会引起电流的流动，形成可见的放电现象，如闪电、辉光灯等。
不同的气体放电现象具有不同的特点和应用。
例如，闪电放电具有极高的能量和电流，可破坏设备和引起火灾。
辉光灯则是通过控制气体放电来产生可见光，用于照明和显示等领域。
总之，气体放电现象是通过电场作用下的电离和碰撞过程实现的。
这一原理在各种领域的应用中发挥着重要的作用，从科学研究到工业应用都有广泛的应用价值。
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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
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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
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
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 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 14 说明，汤逊放电呈连续一片
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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
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。
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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
1—主电子崩
2—二次电子崩
3—流注
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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 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
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 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
d0 2D；d0 4D
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
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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
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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
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 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
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 n 0.2 9 0.3 27 0.4 81 0.5 245 0.6 735 0.7 2208 0.8 6634 0.9 19930 1.0 59874
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引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度
E max f E av E av U d
f<2时，稍不均匀电场
f>4后，极不均匀电场
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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
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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
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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
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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
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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
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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