(完整word版)简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程
高电压课后选题答案
第一章1-1简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程，电离因素以及自持放电条件的观点有何不同？并说明这两种理论各自的适用范围.汤逊理论: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。
电离的主要因素是空间碰撞电离。
正离子碰撞阴极导致的表面电离是自持放电的必要条件。
适用范围，均匀场、低气压、短气隙( Pd<27kPa.cm )流注理论：空间的光电离是气体放电的主要原因。
电离的主要因素是空间的光电离。
流注理论自持放电条件:间隙中一旦出现流注，放电就可以由空间光电离自行维持。
适用范围，高气压、长气隙( Pd>27kPa. cm )1-4试分析极间距离相同的正极性棒-板与负极性棒-板自持放电前·后的气体放电的差异。
自持放电前的阶段（电晕放电阶段）正极性“棒—板”：因棒极带正电位，电子崩中的电子迅速进入棒极，正离子暂留在棒极附近，这些空间电荷削弱了棒极附近的电场而加强了外部空间的电场，阻止了棒极附近流注的形成，使得电晕起始电压有所提高负极性“棒—板”：因棒极带负电位，电子崩中电子迅速向板极扩散，正离子暂留在棒极附近，这些空间电荷加强了棒极附近的电场而消弱了外部空间的电场，使得棒极附近流注容易形成，降低了电晕起始电压电晕放电电压：正极性“棒—板”〉负极性“棒—板”自持放电后的阶段（击穿放电阶段）正极性棒—板：当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区逐步向板极推进，流注发展是顺利持续的，直至气隙被击穿，其击穿电压较低负极性棒—板：当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，流注发展是逐步顿挫的，整个气隙的击穿是不向外扩展，流注发展是逐步顿挫的，整个气隙的击穿是不顺利的，其击穿电压比正极性时高得多，击穿完成时间也要长得多击穿放电电压：正极性“棒—板”〈负极性“棒—板”1-5试对极间距离相同的正极性棒-板·负极性棒-板·板-板·棒-棒四种电极分布的气隙直流放电电压进行排序？并简述这种排序的原因。
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。
UNSUENO气体放电过程分析
T / p
其中,T为气体分子温度,p为气体压力 上式表明:温度高,压力小的气体中带电质点的平均行程 大,积累的动能大,易造成气体电离. * 碰撞电离中电子引起的电离占主要地位: 电子:自由行程大,获取的动能大;质量小,弹性碰撞时几乎不 损失动能. 离子:自由行程短,碰撞间获得的动能少;碰撞时损失动能.
(4).自持放电条件
a.电子的空间碰撞系数α 一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰 撞电离数
b.正离子的表面游离系数γ
一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的 电子数 说明: 假设外电离因素在阴极表面产生一个自由电子,该电 子到达阳极的过程是α过程,导致电子总数增加,且形成多个 正离子;正离子到达阴极表面产生γ过程,又释放出更多的电 子,这些电子又在电极空间产生α过程……如此循环.
一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
变压器相间 绝缘以气体作为 绝缘材料
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2 不同条件下,气体放电有多种不同外形: 书P8 表1-1 气体放电的主要外形形式 辉光放电 电晕放电 刷状放电 火花放电 电弧放电 见下图 放电外形示意图
辉光放电
电晕放电
1.1.2 带电质点的产生
电流又再随电压的增 大而增大.说明出现的新 的电离因素—电子的碰撞 电离.
外施电压<UC,间隙电 流小,取消外电离因素(光 照射),电流也消失(非自 持放电) c点:电流急剧突增 电压到达UC后,气体发生强 烈电离,只靠电场作用可自 行维持,不需要外电离因素 (自持放电)
UC:击穿电压.
均匀电场中气体的 伏安特性
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。
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。
气体放电的汤森德机理与流注机理主要区别
气体放电的汤森德机理与流注机理主要区别1. 引言气体放电是指在气体中添加一定的能量使其开始导电现象。
作为一项重要的物理现象，气体放电在工业生产和科学研究中有着广泛的应用。
气体放电的机理主要有汤森德机理和流注机理，两种机理均有其独特的特点。
本文将详细介绍气体放电的汤森德机理和流注机理的区别。
2. 汤森德机理汤森德机理是指把气体加压并在高电压电源下加以激发，使气体分子激发成为第一次电离态（即电子的激发态）。
在经过复杂的过程后，电子从激发态退回到基态时会释放出能量，这就导致了气体分子的第二次电离。
气体分子的电离会加速电子的激发，并不断释放出更多的电子。
这种过程被称为放电击穿。
汤森德机理中，气压越高、放电时间越长，释放出的电荷就会越多，而放电的电流会越来越弱。
此外，当电压小于气体空气击穿电压（大约为3×106 V/m）时，没有放电现象；反之，当电压大于这个值时，气体就会“击穿”，电流快速增加。
在汤森德放电中，电子数密度的增加是很缓慢的，并且气体中的电离实际上取决于长的时间平均数。
因此，汤森德放电主要适用于气体放电现象研究。
3. 流注机理流注机理是指把电源应用于两个电极之间的气体中，产生一个窄而高的流束，其电压足以在两个电极之间形成放电。
由于气压很低，电子和离子几乎不会与其他气体分子碰撞，因此它们可以自由地移动。
由于气体量非常小，粒子在短时间内就可以穿过流束，从而导致电导率增加。
这个过程被称为“流注放电”。
流注机理中，液体和气体都可以用作流体，但大多数情况下都选择气体。
这种放电的电压通常为几百伏到几千伏，电流可达数十安。
流注放电速度特别快，能量高，可以使绝缘体表面上的污染物一次性烧掉，因此它近年来得到了很广泛的应用。
4. 两种机理的区别两种放电机理之间最本质的区别在于：流注机理中，粒子速度足以消融物质表面，从而导电，而汤森德放电则是通过分子之间的电离传导电荷。
此外，汤森德放电需要较长的时间才能使电子数密度逐渐升高，而在流注放电中，由于粒子速度很高，短时间内就能形成高密度电子气云。
高电压技术第一章第五节气体放电的流注理论
均匀场、低气压、短气隙 ［pd<36.66kPa ·cm(20mmHg ·cm)］
⑵ 局限性
pd较大时，解释现象与实际不符
① 放电外形 汤逊理论解释：放电外形均匀，如辉光放电； pd大时的实际现象：外形不均匀，有细小分支； ② 放电时间：Tpd大<<T汤逊 ③ 击穿电压：Ub· pd大<<Ub· 汤逊 ④ 阴极材料影响 汤逊理论解释：阴极材料对放电有影响(γ过程）； pd大时的实际现象：阴极材料对放电无影响；
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
1.0
19930 59874
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第五节 气体放电的流注理论
⑵ 空间电荷对原有电场的影响
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，电离过程强烈，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，发 射出光子。
⑵ 放电时间
现象： 放电时间极短
解释：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
⑶ 阴极材料的影响
现象： 放电与阴极材料无关
解释： pd很大时，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 返回 返回
第五节 气体放电的流注理论
气体击穿的流注放电理论
对象：工程上感兴趣的压力较高的气体击穿，比如雷电 放电并不存在金属电极，因而与阴极上的γ过程和二次电 子发射根本无关。 特点：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（使原来均匀 的电场变成了不均匀电场）的作用 放电过程
论气体放电理论及其放电形式-精选资料
论气体放电理论及其放电形式1、引言几乎所有的电气设备的绝缘材料都是气体。
如主要存在于高压输电线路之间和高压电气设备内的空气，为保证高压用电的安全提供了可能。
理想状态下的空气不存在带电粒子，故而其不导电。
但事实上，在外界宇宙射线和地下放射性物质的高能辐射线的作用下，大气压下每立方厘米体积内的空气约有500-1000对正负带电粒子。
但是即使如此，空气仍不失为一种相当理想的电介质 [1]。
在一定的条件下，气体也会出现放电现象，甚至完全转化为导体，严重威胁高压电气设备的运行安全。
因此了解气体放电的理论和放电形式对提高电力设备的绝缘水平有重要的指导意义。
本文具体介绍了气体放电理论及常见的几种放电形式。
2、气体放电理论气体放电理论主要包括汤生放电理论和流注理论。
2.1汤森放电理论1903年，英国物理学家汤森提出了第一个定量的气体放电理论，即电子雪崩理论。
为了描述气体导电中的电离现象，汤森提出了三种电离过程，并引入三个对应的电离系数[2]：（1）电子在向阳极运动的过程中，与气体粒子频繁碰撞，产生大量电子和正离子。
电子与气体粒子发生碰撞电离的次数就是α电离系数，这个过程称为α过程。
（2）正离子在向阴极运动的过程中，与气体中性粒子?l繁碰撞，也会产生一定数量的正离子和电子。
而β电离系数是指在单位距离上一个正离子在向阴极运动过程中与气体粒子发生碰撞电离的次数，即为β过程。
而在通常情况下，正离子在电场中所获得的能量远小于中性粒子发生电离所需的能量，因而β过程通常被忽略。
（3）携带一定能量的正离子打到阴极，使其发射二次电子。
二次电子发射数为γ系数，这个过程称为γ过程。
假设气体空间为均匀电场，单位时间内从阴极单位面积上发射出的电子数为n0，这些初始电子在电场作用下，向阳极方向运动，与中性粒子发生频繁碰撞，进而发生碰撞电离。
即从阴极发出的一个电子，向阳极运动的过程中，若不断发生碰撞电离，新产生的电子数将迅猛增加，这种现象成为电子雪崩。
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习题1
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1.简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程、电离因素以及自持放电条件
的观点有何不同？
答：汤逊理论理论实质：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。
所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。
流注理论认为形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，流注理论认为二次电子的主要来源是空间的光电离。
2.解释α、β、γ、η系数的定义。
答：α系数：它代表一个电子沿着电场方向行径1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。
β系数：一个正离子沿着电场方向行径1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。
γ系数：表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属平均释放出的自由电子数。
η系数：即一个电子沿电场方向行径1cm时平均发生的电子附着次数。
3.均匀电场和极不均匀电场气隙放电特性有何不同？
答：在均匀电场中，气体间隙内流注一旦形成，放电达到自持的程度，气隙就被击穿。
不均匀电场分稍不均匀和极不均匀，在同样极间距离时稍不均匀电场的击穿电压比均匀电场的均匀电场气隙的要低，在极不均匀电场气隙中自持放电条件即是电晕起始条件，由发生电晕至击穿的过程还必须升高电压才能完成。
4.对极间距离相同的正极性棒-板、负极性棒-板、板-板、棒-棒四种电极布局的
气隙直流放电电压进行排序？
答：负极性棒-板最高，其次是棒-棒和板-板，最小的是正极性棒-板。
5.气隙有哪些放电现象？
答：在极不均匀电场中，气隙完全被击穿以前，电极附近会发生电晕放电，产生暗蓝色的晕光，这种特殊的晕光是电极表面电离区的放电过程造成的。
在外电离因素和电场作用下，产生了激发、电离、形成大量的电子崩，在此同时也产生激发和电离的可逆过程-复合，这就是电晕。
6.如何提高气隙的放电电压？
答：一是改善气隙中的电场分布，使之均匀化，二是设法削弱或抑制气体介质中的电离过程。
7.简述绝缘污闪的发展过程及防污措施。
答：绝缘子污闪是一个复杂的过程，大体可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展等阶段，采用措施抑制或阻止各阶段的形成和转化，就能有效地阻止污闪事故。
防污措施：1.增大爬电比距 2.清扫表面积污 3.用防污闪涂料处理表面 4.采用半导体釉和硅橡胶的绝缘子。
8.雷击放电过程与实验室的长气隙放电过程有何主要区别？
答：雷击放电与实验室的长间隙火花放电有着某些共同之处。
但由于雷电路径往往达数千米，是一种超长间隙的火花放电，而且作为电极的雷云，它不是一个金属极板，因此，雷电又不同于实验室中的长间隙放电，它具有多次重复雷击现象和特点。
一次雷击的三个阶段:先导阶段、主放电和迎面流注阶段、余辉阶段。
当先导接近地面时，因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，在地面或突出的接地物体上形成向上的迎面先导（也称迎面流注）。
当它与下行先导相遇时，进入了第二个阶段也就是主放电阶段，出现了强烈的电荷中和过程，伴随着雷鸣和闪光。
n主放电完成后,云中剩余电荷沿导电通道流向大地，这一阶段称为放电的余辉（或余光）阶段，电流约数百安，持续时间0.03s~0.15s.。