自持放电条件汤逊放电
电介质的电气特性及放电理论-高电压技术考点复习讲义和题库
考点1：电介质的电气特性及放电理论（一）气体电介质的击穿过程气体放电可以分非自持放电和自持放电两种。
20世纪Townsend在均匀电场，低气压，短间隙的条件下进行了放电试验，提出了比较系统的理论和计算公式，解释了整个间隙的放电过程和击穿条件。
1、汤逊放电理论的适用范围：汤逊理论的核心是：(1)电离的主要因素是电子的空间碰撞电离和正离子碰撞阴极产生表面电离；(2)自持放电是气体间隙击穿的必要条件。
汤逊理论是在低气压、Pd值较小的条件下进行的放电实验的基础上建立起来的，这一放电理论能较好的解释低气压短间隙中的放电现象。
因此，汤逊理论的适用范围是低气压短间隙(Pd<26 66kPa.cm)。
在高气压、长气隙中的放电现象无法用汤逊理论加以解释，两者间的主要差异表现在以下几方面：(1) 放电外形根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展。
低气压下气体放电发光区确实占据了整个间隙空间，如辉光放电。
但在大气压下气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细通道。
(2) 放电时间根据汤逊理论，闻隙完成击穿，需要好几次循环：形成电子崩，正离子到达阴极产生二次电子，又形成更多的电子崩。
完成击穿需要一定的时间。
但实测到的在大气压下气体的放电时间要短得多。
(3) 击穿电压当Pd值较小时，根据汤逊自持放电条件计算的击穿电压与实测值比较一致；但当Pd值很大时，击穿电压计算值与实测值有很大出入。
(4) 阴极材料的影响根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定作用。
实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响，但大气压下空气中实测到的击穿电压却与阴极材料无关。
由此可见汤逊理论只适用于一定的Pd范围，当Pd>26 66kPa. cm后，击穿过程就将发生改变，不能用汤逊理论来解释了。
2、流注理论利用流注理论可以很好地解释高气压、长间隙情况下出现的一系列放电现象。
(1) 放电外形 流注通道电流密度很大，电导很大，故其中电场强度很小。
高电压技术课后习题答案
1-2简要论述汤逊放电理论。
答: 设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于α过程，电子总数增至d e α个。
假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（d e α－1）个正离子。
这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．按照系数γ的定义，此（d e α－1）个正离子在到达阴极表面时可撞出γ（d e α－1）个新电子，则(d e α-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(d eα-1)=1或γde α＝1。
1-3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？答:（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。
1-5操作冲击放电电压的特点是什么？答：操作冲击放电电压的特点：（1）U 形曲线，其击穿电压与波前时间有关而与波尾时间无关；（2）极性效应，正极性操作冲击的50％击穿电压都比负极性的低；（3）饱和现象；（4）分散性大；（5）邻近效应，接地物体靠近放电间隙会显著降低正极性击穿电压。
高电压五六章总结
1.简述流注放电理论和汤逊放电理论的不同之处并比较两者自持放电的条件。
答：1.流注理论认为，电子的碰撞电离和空间光电离是形成自持放电的主要因素，而汤逊理论则没有考虑放电本身所产生的空间光电离对整个放电过程的影响。
2.流注理论特别强调空间电荷对电场的畸变作用。
3.汤逊放电理论适用于低气压短间隙的均匀电场，流注放电理论适用于高气压长间隙或者不均匀电场。
4.汤逊理论的自持放电条件是在气隙中形成连续的电子崩，而流注放电理论中自持放电的条件即形成流注的条件，他要求初始电子崩头部的空间电荷数量达到某一临界值才能使电场得到足够的加强，并造成足够的空间光电离使流注得以形成。
2.简述相对介电常数，电导率，介质损耗因数和击穿场强在工程实际应用中的意义答：介电常数：在制造电容器时为其能拥有较小体积和较大容量，会选择相对介电常数较大的电介质；而在设计绝缘结构时，为减小通过绝缘的电容电流和由极化引起的发热损耗，则不宜选择介电常数太大的电介质；在交流和冲击电压的作用下，多层串联电介质的电场分布与介电常数成反比，则可利用不同电介质的组合来改善绝缘中的电场分布使之趋于均匀，如电缆芯线中心电场强，边缘弱，应使内层绝缘的相对介电常数大于外层。
电导率：在绝缘预防性试验中通过测量绝缘电阻和泄漏电流来反映绝缘的电导特性，以判断绝缘是否受潮或存在劣化现象；对于串联的多层绝缘结构，在在直流电压下的稳态电流分布与各层介质的电导成反比，在设计时用于直流的绝缘设备要注意与电介质的电导搭配，并考虑温度对其的影响（电介质的电导随温度的升高而升高）；表面电阻对绝缘电阻有所影响，了解其电导率能合理的利用表面电阻，为减小表面电流，应设法提高表面电阻，如清洁/干燥处理或涂敷憎水性涂料，而为了减小某部分电场强度时则需减小表面电阻（在高压套管的法兰附近涂敷半导体釉等）。
介质损耗因数：工程上通过测量绝缘的介质损耗因数，做出他与电压的关系曲线，当外加电压超过某一电压时，介质损耗因数急剧上升，此时极为介质产生局部放电的起始电压。
3 汤逊放电理论
n = n0 e
ax
抵达阳极的电子数 抵达阳极的电子数 阳极
na = n0 e ad
α过程引起的电流 1. α过程引起的电流
n = n0 ea x的两边都乘以电子电荷及电极的面积，得 的两边都乘以电子电荷及电极的面积， 将
到相应的电子电流增长的规律为： 到相应的电子电流增长的规律为： I = I 0 ea x 式中， 外电离因素引起的起始光电流； 式中，0------外电离因素引起的起始光电流； 外电离因素引起的起始光电流 I 则外回路中的电流为： 则外回路中的电流为： I = I 0 ea d ●对上式的分析： 对上式的分析： 在仅有α 过程时， ①在仅有 过程时，若 I 0 = 0 ，则 I = 0 。也即去掉外电离 因素，放电随即停止，该放电是非自持放电。 因素，放电随即停止，该放电是非自持放电。 不变的情况下（ ②在α不变的情况下（电极间的电场和气体的状态不变）， 不变的情况下 电极间的电场和气体的状态不变）， 则电极间的电流与极间距离为指数关系。 则电极间的电流与极间距离为指数关系。
放电过程分析
1） 在OA阶段：间隙中的电流随着电压的升高而逐渐增加。 ） 阶段： 阶段 间隙中的电流随着电压的升高而逐渐增加。 其原因在于电压上升，电场增加， 其原因在于电压上升，电场增加，带电质点的运动速度较快 复合的几率减小，故更多的带电质点落入到极板间， ，复合的几率减小，故更多的带电质点落入到极板间，所以 电流上升。 电流上升。 2） AB阶段：电流基本保持不变。其原因在于，这是间隙中 阶段： ） 阶段 电流基本保持不变。其原因在于， 几乎所有的带电质点都落入到了极板中， 几乎所有的带电质点都落入到了极板中，而外界电离因素单 位时间内产生的自由电子数是一定的， 位时间内产生的自由电子数是一定的，所以电流并不随电压 的增加而增加。 的增加而增加。 3） BC阶段：电流随这电压的上升而上升。此时出现了新的 ） 阶段：电流随这电压的上升而上升。此时出现了新的 阶段 电离因素，因为此时的电压已经较高，在高场强下产生了碰 电离因素，因为此时的电压已经较高，在高场强下产生了碰 撞电离，产生了新的带电质点，所以电流增加。 撞电离，产生了新的带电质点，所以电流增加。 4） C阶段以后：电流急剧增加，这时由于电场强度很高，间 阶段以后： ） 阶段以后 电流急剧增加，这时由于电场强度很高， 隙发生了击穿，放电达到了自持。 隙发生了击穿，放电达到了自持。
3 汤逊放电理论
真空灭弧室
GIS 站
1.假设P保持不变，
①当d增加时，场强E降低，因此碰撞电离减弱，故 Ub 必然
增大。
②d很小时，自由电子直接从阴极运动到阳极（工程中 不会用到）。
应用：增加气体间隙的距离可提高间隙的击穿电压。
汤逊放电理论的适用范围
低气压、 短间隙的电场中，即
汤逊放电理论不能解释的放电现象
汤逊放电理论不能解释的放电现象 3、击穿电压 pd值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件 求得的击穿压和实验值比较一致。 pd值很大时，如仍采用原来的 值，则击穿电压计算值和 实验值将有很大出入。 4、阴极材料的影响 根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定 作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响 ，但大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料无 关。
2. α系数的计算
当电极间距离在一定 范围内时，在单对数坐标 系中，电流和极间距离的 关系为一倾斜的直线，此 直线的斜率就是 。
I2 1 a= ln d 2 - d1 I1
3. 电子电离系数α的分析
影响 α的因素：气体的种类、电场的强度、电子的自由 行程（气体的状态）有关。 为便于分析，进行如下的假设： (1)每次碰撞时电子失去自己的全部动能，然后从速度为零 的起始状态重新被电场加速。 (2)在电场作用下，电子的驱引速度比热运动速度大得多， 故忽略后者。又由于已假定每次碰撞时电子都失去全部动 能，所以可认为，在均匀电场中，两次碰撞之间，电子均 沿电场方向作直线运动。 (3)当电子动能小于气体分子的电离能时，每次碰撞都不会 使分子发生电离，而当电子动能大于气体分子的电离能时 ，每次碰撞必定使分子电离。
1. 自持放电条件
如果电压( 电场强度 ）足够大，初始电子崩中的正离子 能在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0，那么即使除去 外界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产 生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维 持下去，这就变成了自持放电。
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。
高电压技术重点复习大纲
汤逊理论三个过程:α过程:起始电子形成电子崩的过程。
β过程：造成离子崩的过程。
γ过程：离子崩到达阴极后，引起阴极发射二次电子的过程。
总结：1.将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。
2.汤逊理论的实质是电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。
3.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。
汤逊理论的适用范围汤逊理论是在低气压pd较小条件下建立起来的，pd过大，汤逊理论就不再适用。
pd过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释：放电时间：很短；放电外形：具有分支的细通道；击穿电压：与理论计算不一致；阴极材料：无关；汤逊理论适用于pd<26.66kPa ·cm。
巴申定律：当气体成份和电极材料一定时，气体间隙击穿电压(ub)是气压(p)和极间距离(d)乘积的函数。
气体放电流注理论：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。
四个过程：a)起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩；初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，放射出大量光子；b)光电离产生二次电子，在加强的局部电场下形成二次崩；c)二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使其发展；流注头部电离迅速发展，放射出大量光子，引起空间光电离，流注前方出现新的二次崩，延长流注通道；d)流注通道贯通，气隙击穿。
注：流注速度为108～109cm/s，而电子崩速度为107cm/s。
流注条件：必要条件是电子崩发展到足够的程度，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，加强电子崩崩头和崩尾处的电场；另一方面电子崩中电荷密度很大，所以复合频繁，放射出的光子在这部分很强，电场区很容易成为引发新的空间光电离的辐射源，二次电子主要来源于空间光电离；气隙中一旦形成流注，放电就可由空间光电离自行维持。
高电压技术简答题(重点理论)
③线路接好后，可按顺时针方向转动摇把，摇动的速度应由慢而快，当转速达到每分钟120转左右时（ZC-25型），保持匀速转动，并且要边摇边读数，不能停下来读数。
1.汤逊放电理论
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。
2.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、长气隙情况下空间电荷对原有电场的影响和空间光电离的作用。
③防止雷击闪络后建立稳定的工频电弧；
④防止工频电弧后引起中断电力供应。
15.避雷线架设问题
35kV及以下线路一般不全线架设避雷线的原因：
①绝缘水平低，容易遭“反击”；
②35kV及以下系统采用中性点非有效接地方式，一相接地故障的后果并不严重；
③一相接地后，起相当于避雷线的作用。
16.发电厂、变电所防直击雷的基本原则
(4)引起波的衰减与变形。由于电晕要消耗能量，消耗能量的大小又与电压的瞬时值有关，故将使行波发生衰减的同时伴随有波形的畸变。
13.阀式避雷器的结构及作用
阀式避雷器是由装在密封瓷套中的多组火花间隙和多组非线性阀片电阻串联组成。它分普通型和磁吹型两大类。阀式避雷器是发电厂、变电所中设备对侵入波的主要防护装置。
防护措施：为了对付这种过电压，最根本的防护方法就是不让断续电弧出现，这可以通过改变中性点接地方式来实现。
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11
图1-7均匀电场中空气的巴申曲线
应当指出，上述巴申定律是在气温T保持不 变时得出的。在气温T并非恒定的情况下， 式1-17应改为：
式中 ：气体的相对密度，即实际气体密 度与标准大气条件下的密度之比，可见：
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12
小结
➢当除去外界电离因子的作用，放电不会 停止，此时即为自持放电；
2
一 自持放电的形成
在电场作用下，正离子向阴极运动，由于 它的平均自由行程长度较短，不易积累 动能，所以很难使气体分子发生碰撞电 离。
但当正离子撞击阴极表面时却有可能引起 表面电离而拉出电子，部分电子和正离 子复合，其余部分则向着阳极运动和形 成新的电子崩。
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3
如果电压足够大，初始电子崩中的正离子 在阴极上产生出来的新电子等于或大 于 ，即使除去外界电离因子的作用， 放电也不会停止。这就变成了自持放电。
➢自持放电是由初始电子崩中的正离子撞 击阴极表面产生多余电子形成的；
➢自持放电的条件为：
➢同温时均匀电场下气体起始放电电压是 pd乘积的函数；
➢提高气压或降低气压到高度真定，都能 提高气隙的击穿电压。
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4
二 自持放电的条件
由自持放电的概念出发，可推出当满足以 下条件时，会发生自持放电：
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5
三 自持放电的物理含义
一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造 成的正离子数为：
正离子在阴极造成的二次自由电子数为：
如果它等于1，就意味着那个初始电子有一 个后继电子，放电得以自持。
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6
如果自持放电条件满足时，会形成下图的 闭环部分：
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由于均匀电场气隙的击穿电压 等于它的 自持放电起始电压 ，上式表明：均匀 电场气隙的击穿电压满足下式：
上式所示规律在汤逊理论提出之前就由物 理学家巴申从实验中得出，称为巴申定 律。
可编辑ppt9Fra bibliotek图1-7均匀电场中空气的巴申曲线
第三节 自持放电条件-汤逊放电
➢自持放电的形成 ➢自持放电的条件 ➢自持放电的物理含义 ➢巴申定律 ➢巴申曲线
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1
• 如上节图1-3所示， 当气隙电压大于Uc 时，电流I随电压U的 增大不再遵循 的规律，而是更快一 些，这时又出现了促 进放电的新因素，这 就是受正离子的影响。
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图1-7为由式1-10所绘出的曲线，称为巴申曲线。
巴申曲线表明，改变极间距离d的同时，也相应改变气压 p而使pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿电压 却彼此相等。
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由巴申曲线可知，当极间距离d不变时提高气压或降低气 压到真空，都可以提高气隙的击穿电压，这一概念具 有十分重要的实用意义