简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程
历年高电压技术试题与答案
试题一气体放电的基本物理过程一、选择题1)流注理论未考虑 的现象。
2)A ．碰撞游离B ．表面游离C ．光游离D ．电荷畸变电场 3)先导通道的形成是以 的出现为特征。
4)A ．碰撞游离B ．表面游离C ．热游离D ．光游离 5)电晕放电是一种 。
6)A ．自持放电B ．非自持放电C ．电弧放电D ．均匀场中放电 7)气体内的各种粒子因高温而动能增加，发生相互碰撞而产生游离的形式称为 。
8)A.碰撞游离B.光游离C.热游离D.表面游离 9)______型绝缘子具有损坏后“自爆”的特性。
10)A.电工陶瓷B.钢化玻璃C.硅橡胶D.乙丙橡胶 11)以下哪个不是发生污闪最危险的气象条件 12)A.大雾B.毛毛雨C.凝露D.大雨 13)污秽等级II 的污湿特征：大气中等污染地区，轻盐碱和炉烟污秽地区，离海岸盐场3km~10km 地区，在污闪季节中潮湿多雾但雨量较少，其线路盐密为 2/cm mg 。
14)A.≤B.>~C.>~D.>~ 15)以下哪种材料具有憎水性 16)A. 硅橡胶B.电瓷C. 玻璃 D 金属二、填空题17)气体放电的主要形式： 、 、 、 、 18)根据巴申定律，在某一PS 值下，击穿电压存在 值。
19)在极不均匀电场中，空气湿度增加，空气间隙击穿电压 。
20)流注理论认为，碰撞游离和 是形成自持放电的主要因素。
21)工程实际中，常用棒－板或 电极结构研究极不均匀电场下的击穿特性。
22)气体中带电质子的消失有 、复合、附着效应等几种形式 23)对支持绝缘子，加均压环能提高闪络电压的原因是 。
24)沿面放电就是沿着 表面气体中发生的放电。
25)标准参考大气条件为：温度C t 200 ，压力 0b kPa ，绝对湿度30/11m g h 26)越易吸湿的固体，沿面闪络电压就越______ 27) 等值盐密法是把绝缘子表面的污秽密度按照其导电性转化为单位面积上________含量的一种方法28)常规的防污闪措施有： 爬距，加强清扫，采用硅油、地蜡等涂料三、计算问答题29)简要论述汤逊放电理论。
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。
气体放电过程分析
(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.
自持放电的物理概念: 一个电子在自己进入 阳极后,可以由α和γ过 程在阴极上产生一个新的 替身,从而无需外电离因 素,放电可继续. 自持放电条件可表达为:
(e 1) 1
综上所述，将电子崩和阴极上的r过程作为气体自持放 电的决定因素是汤逊理论的基础。
S
汤逊理论的实质：
气体间隙中发生的电子碰撞电离是气体放 电的主要原因(电子崩) 二次电子来源于正离子撞击阴极表面逸出 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。
光游离
由光辐射引起气体原子（或分子）的电离,称为光电离.
光波的能量W决定于其频率f: W = hf = hc/λ
其中,h为普朗克常数,f c λ分别为光波频率,光速,波长. 产生光游离的条件：
hf Wi
即当气体分子受到光辐射时,若光子能量大于气体 分子电离能,则可能引起气体分子的光电离. 书P10 表1-2 气体的电离电位及光电离临界波长
结论:
(1)电子崩头部电荷密度大,电离过程强烈,且电 场分布畸变,导致崩头放射大量光子; (2)崩头前后电场增强,有利于分子离子发生激励 现象,其从激励状态恢复正常状态时,放射出光 子; (3)电子崩内部正负电荷区域间电场削弱,有利于 发生复合过程,同样发射出光子. 当外电场较弱时,上述过程不强烈,没有发 生新的现象;当外电场达到击穿场强时,上述过 程十分强烈,电子崩头部形成流注.
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。
高铁高压供电设备之气体电介质的击穿特性—均匀电场中的气体放电
（d）
二次崩的电子与 正空间电荷汇合 成流注通道，其 端部又有二次崩 留下的正电荷， 加强局部电场产 生新电子崩使其 发展；
流注头部前方电 场很强，电离迅 速发展，放射出 大量光子，继续 引起空间光电离， 于是流注前方出 现新的二次崩， 延长流注通道；
流注通道贯通， 气隙击穿。
流注理论
这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它 们不断汇入初崩通道的过程被称为流注。
子位于强场区，二次电子崩将以更大得多的电离强度向
削弱
增强
阳极发展，或汇入崩尾。
流注理论
2 空间电荷对原电场的畸变作用
起始电子发生 碰撞电离形成 初始电子崩
初崩发展到阳 极，空间电荷 畸变原电场， 在电场削弱的 区域复合增加， 放射出大量光 子；
光电离产生光 电子，在加强 的局部电场作 用下形成二次 电子崩；
真空断路器
巴申ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ律
电气强度的提高对于高压电力设备的安全稳定运行有着不可小觑的作用。在日常 的学习中我们要学会理论联系实际，通过理论指导实践，更好地服务社会的发展。
流注理论
流注理论
前面所介绍的汤逊理论是在低气压、短气隙的 条件下进行的。
大自然中的气体放电现象如雷电放电发生在两 块雷云或雷云与大地之间，此时放电时间很短； 具有明亮放电细通道；且与阴极材料无关。
巴申定律
巴申定律
早在汤逊理论出现之前，巴申(Paschen)就于1889年从大量的实验中总结出了 击穿电压Ub与pd的关系曲线，称为巴申定律，即
Ub =f（pd）
巴申定律：描述了气体的击穿电压Ub 与pd 的关系曲线
巴申定律
图1 实验求得的均匀场中不 同气体间隙曲线Ub =f（pd）
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。
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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.。