第二章气体放电的物理过程(1)
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高电压技术第二章-气体放电
当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离产生出 正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负 离子的情况(又称为：吸附效应[attachment])。 容易吸附电子形成负离子的 气体称为电负性气体，如氧、氯、 氟、水蒸气和六氟化硫气体等。 负离子的形成并未使气体 中带电粒子的数目改变，但却能 使自由电子数减少，因而对气体 放电的发展起抑制作用。
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。
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。
高电压技术课件 第二章 气体放电的物理过程
有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反 而是碰撞电子附着分子，形成了负离子
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
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
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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
第二章 气体放电的物理过程
n0
n
na dx d
x
dn ndx
分离变数并积分 ，可得：n n0 e 均匀电场，α不随x 变化，所以
14
（一）光电离
频率为ν的光子能量为 W=hv
式中 h——普郎克常数= 6.63 10
34
J s 4.13 1015 eV s
发生空间光电离的条件为 h Wi
hc 或者 W i
式中 λ——光的波长，m; c——光速 3 10 m / s ；
8
Wi ——气体的电离能，eV。
构成的组合绝缘。例： 电气设备的外绝缘往往是由气体介质（空气）和固 体介质（绝缘子）联合组成；内绝缘则较多地由固 体介质和液体介质联合组成。
3
※一切电介质的电气强度都是有限的，超过某种限度， 电介质就会逐渐丧失其原有的绝缘性能，甚至演变成 导体。在电场的作用下，电介质中出现的电气现象可 分为两大类： （1）在弱电场下（当电场强度比击穿强度小得多 时），主要是极化、电导、介质损耗等（第 一章学习）； （2）在强电场下（当电场强度等于或大于放电起 始场强或击穿场强时），主要有放电、闪 络、击穿等（第二、三、四章学习）。
1 2 W mv qe Ex 2
qe Ex Wi
Wi U i （式中 电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离 xi qe E E Ui 为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的Wi 相等）， i x
的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使 xi 值减小，可见提 高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。
16
下图是空气的电离度与温度的关系曲线，可以看出：只有 在温度超过10000K时 ( 例如电弧放电的情况 ) ，才需考虑 热电离；而在温度达到20000K左右时，几乎全部空气分子 都已处于热电离状态。
高电压技术复习大纲-2012 (1)
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
• 第三节 极不均匀电场中的沿面放电 o 弱垂直电场分量情况下，提高沿面闪络电压的途径？具 体措施？ o 说明为什么加装均压环后绝缘子柱电压分布可以得到改 善 o 分析线路绝缘子串电压分布的等效电路？均压环如何改 善电压分布？
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
• 第四节 受潮表面的沿面放电 o 名词解释：
• 第五节 脏污绝缘表面的沿面放电 o 名词解释：
o 污闪电压；污层等值附盐密度；单位爬电距离
o 干燥情况下绝缘子表面污层对闪络电压是否有影响？ o 什么情况下绝缘子表面污层对闪络电压有显著影响？为 什么？ o 为什么污闪事故对电力系统的危害特别大？ o 简单描述污闪的发展过程 o 污闪与其他沿面闪络过程的最大不同之处是？ o 污闪发展过程中，局部电弧能否发展成闪络取决于哪些 因素？ o 影响污闪电压的因素有哪些？ o 实验室进行人工污秽试验时，如何确定污闪电压？具体 步骤？对污闪试验所用电源的内阻抗有何要求？
o 湿闪络电压；
o 介质表面发生凝露时，沿面闪络电压降如何变化？是否 发生凝露与什么因素有关？ o 低温下为什么相对湿度增加不会显著降低闪络电压？ o 湿闪络电压与干闪络电压的关系？ o 提高绝缘子湿闪电压的措施？ o 为什么户外绝缘子都有伞裙？ o 为什么伞裙宽度进一步增大并不能提高湿闪电压？
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
o GIS的母线筒和测量电压用的球间隙属于什么类型的电 场？高压输电线路？套管？ o 如何描述电场的不均匀性？以稍不均匀场和极不均匀场 为例予以说明 o 极不均匀场区别于均匀场的放电现象是？ o 同样间隙距离下，稍不均匀场间隙的击穿电压比均匀场 间隙的要高还是低？ o 电晕放电是自持还是非自持放电？ o 极不均匀场间隙中自持放电条件是？ o 电晕放电的危害、降低电晕放电的措施与电晕放电的有 利之处？
气体放电物理知识要点总结2014-6-6
气体放电物理知识要点总结1．气体放电过程中一般存在六种基本粒子：电子，正离子，负离子，光子，基态原子（或分子），激发态原子（或分子）。
2．光子能量,其中为光的频率，h为普朗克常数。
3．原子能量由原子内部所有粒子共同决定，通常人们感兴趣的是原子最外层电子即价电子，因为气体放电过程主要是由最外层电子参加的。
原子通常处于稳定的能级，成为基态（基态能量E1），当价电子从外界获得额外能量时，它可以跳跃到更高能级，此时原子处于激发态（激发态能量E2），电子处于激发态的时间很短，然后会跃迁到基态或低激发态，并以光子形式释放出能量（）。
当电子获得的能量超过电离能时，电子就与原子完全脱离而成为自由电子，原子变为正离子。
4．正离子也可被电离，负离子是电子附着到某些原子或分子上而形成的。
负离子的能量等于原子或分子的基态能量加上电子的亲和能。
气体放电中的带电粒子是电子和各种离子（正离子和负离子）。
每种离子都将影响气体放电的电特性，电子的作用通常占主导地位。
5．波数等于波长的倒数，表示在真空中每厘米的波长个数。
即6. 原子所处的状态取决于其核外电子的运动状态，可用四个量子数来描述。
主量子数n(n=1,2,3…), 它是由电子轨道主轴的尺寸决定；轨道角量子数l，(l=0,1,2,3…n-1),它是由椭圆轨道的短轴和长轴之比决定。
轨道磁量子数m l,其取值范围为，它是由轨道相对于磁场的位置决定的；自旋磁量子数.7．在光谱中，将电子组态用规定的符号来标志，轨道角量子数用字母s,p,d,f等表示，相应的l值分别为0，1，2，3等。
电子组态所形成的原子态符号可以表示为第二章.气体放电的基本物理过程1．带电离子的产生方式：碰撞电离，光电离，热电离，金属表面电离2．电子与原子碰撞时，若碰撞不引起原子内部的变化，这种碰撞称为弹性碰撞，若电子能量足够大，电子与原子碰撞后，可引起原子内部发生变化，即引起原子的激发或电离，这种碰撞称为非弹性碰撞。
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。
高电压技术-第二章.
（1） 过程与自持放电条件
由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能 小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电 子。此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁 回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起
阴极表面电离，统称为 过程。 为此引入系数。
设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电
但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到 电子崩的阶段。
1、放电的电子崩阶段 （1）非自持放电和自持放电的不同特点
宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生 微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负 带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓 度的带电质点。因此，在气隙的电极间施加电压 时，可检测到微小的电流。
自持放电条件为 γ (eαd −1) =1
(1-21)
γ ：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的 二次电子数
α ：电子碰撞电离系数 d ：两极板距离
此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进
入阳极后可以由α及γ过程在阴极上又产生一个新的替
身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。
（2）汤逊放电理论的适用范围
为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入： 电子碰撞电离系数 α 。
α: 表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完
成的碰撞电离次数平均值。
如图1-5为平板电极气 隙，板内电场均匀，设外 界电离因子每秒钟使阴极 表面发射出来的初始电子 数为n0。
由于碰撞电离和电子
崩的结果，在它们到达x处 时，电子数已增加为n，这 n个电子在dx的距离中又会 图1－5 计算间隙中电子数增长的示意图 产生dn个新电子。
1.1.1 带电质点的产生
气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。
高电压技术(第二版)吴广宁电子教案
高电压技术(第二版) 电子教案课题：1.1 气体放电的基本物理过程（一）课时：2课时教学目标：1、了解带电质点的产生与消失2、掌握电子崩的形成与汤逊理论重点、难点：电子崩的形成与汤逊理论教具：教材粉笔教学方法：讲授法时间分配：回顾 10分钟授课 65分钟小结 10分钟作业布置 5分钟教学过程：1.1 气体放电的基本物理过程高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其它复合介质。
由于气体绝缘介质不存在老化问题，击穿后自愈能力强，且其成本廉价，因此气体成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。
气体击穿过程的理论研究虽然还不完善，但是相对于其他几种绝缘材料来说最为完整。
因此，高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。
1.1.1 带电质点的产生气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。
由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量的带电质点正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体；在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能1、气体中电子与正离子的产生电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。
电离可一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式。
（1）热电离常温下，气体分子发生热电离的概率极小。
气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m 称为该气体的电离度。
（2）光电离当满足以下条件时，产生光电离。
（3）碰撞电离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。
（4）分级电离电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励，其所需能量称为激励能。
原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离。
2、电极表面的电子逸出（1）正离子撞击阴极（2）光电子发射（3）强场发射（4）热电子发射3、气体中负离子的形成电子亲合能：使基态的气体原子获得一个电子形成负离子时所放出的能量，其值越大则越易形成负离子。
1.1.2 带电质点的消失1.带电质点受电场力的作用流入电极 ；2.带电质点的扩散；3.带电质点的复合。
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此理论目前主要只是对放电过程作定性的描述，定量计算尚不成熟。 较均匀电场 1、分析过程 （一） 空间电荷对原有电场的影响
电子崩的头部集中着大部分的正离子和几乎全部电子。原有均匀场强在电子崩前方和 尾部处都增强了，在这两个强场区中间出现了一个电场强度很小但电子和正离子浓度却最大 的区域，使此处产生强烈的复合并发射出许多光子，成为引发新的空间光电离的辐射源。如 下图所示。
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。 激励能：一个原子的外层电子跃迁到较远的轨道上去的现象称为激励，其值为两个能级
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：不均匀电场条件下的气体自持放电现象。 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） 放电 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。
（三）帕邢定律 当气体和电极材料一定时，气体的击穿电压是气压δ和间隙距离 S 乘积的函数。在汤
森德理论提出以前，就已经被帕邢从实验中总结出来了，故称为帕邢定律。
5 3 2 1 5 3 2 1 0.5 0.3
0.1
图－－均匀电场的帕邢曲线
帕邢定律：击穿电压Ｕb＝ｆ（δ·Ｓ）（与δ·Ｓ的积有函数关系） 1889 年由实验结果总结出
㈡ 光电离 定义：在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子。由光电离而产生的自由电
子亦称为光电子 。光电离在气体放电中很重要 。 必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能 光子来源：紫外线、伦琴射线、γ射线、宇宙射线 气体本身反激励，异号粒子复合也产生光子
㈢ 热电离 定义：气体的热状态造成的电离，实质仍是碰撞电离和光电离（热辐射产生的光子能量
带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递，中和而还原为中性粒子的过程。 复合时有能量释放：光热声等。－空间光电离
§２－２气体放电机理
一:概述 外加电压很小时，气隙中的电流是由外界因素所造成的电子和离子所形成的。其数量
极小，只能看做是极其微小的泄漏。 （ 泄漏电流：当外加电场强度尚不能在气隙中，产生碰撞游离时，气隙中的电流是由外界 电离因素，引起的电子和离子所形成的，其数量极小，故电流极小。）
3．Ｅ＜Ｅcr （临界场强：由非自持放电转入自持放电的场强）时，电子崩有赖外界游离因 素，为非自持放电。 ４．Ｅ＞Ｅcr 时，电子崩仅由电场的作用 而自行维持和发展，为自持放电。
两者间区别：在于是否依赖外界游离因素。 ５．此后的发展随电场情况不同 分别表现为：
1、均匀电场各处的场强差异不大，任意一处一旦形成自持放电，气体整个间隙击穿。 2、不均匀电场：自持放电形成电晕。 （1）、若间距较小即（Ｓ小）：Ｕ↑→火花放电 （2）、若间距较大（Ｓ大）：Ｕ↑→刷形放电， Ｕ↑↑→火花放电 （电源功率大时， 火花击穿迅速变成电弧） 二、汤森德气体放电理论（均匀电场） 一、下面结合均匀电场气隙的击穿过程的说明介绍两种气体放电理论 要点：气隙的击穿就是各种形式的游离持续发展的过程，条件不同（影响最大的是δ·Ｓ 值。δ：气体的相对密度，Ｓ：极间距离），各种游离所起作用的强弱不同，气隙击穿的机
大且数目多），能量来自气体分子的热能，1000K 数量级。
㈣ 表面电离 气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。游离需要能量，称逸出功，一般小于气体
的电离能，表面电离在气体放电过程中有重要的作用。 获得逸出功的途径：
⑴ 热电子发射：金属电极加热，分子动能 ⑵ 强场发射：电极加上强电场 ⑶ 二次电子发射：高能量粒子撞击金属电极表面 （正离子撞击阴极） ⑷ 光电子发射：短波光照射金属表面
电荷畸变电场的作用！ 流注理论认为：在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发
展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电 离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发 生空间光电离的结果，这是放电即转入新的流注阶段。
故经过上述两个过程的分析，此时的物理含义就比较清晰了。由于偶然的一个 因素而产生的一个电子从阴极出发在间隙中引起强烈的电离，游离出的全部正离子 (eas 1)
达到阴极能由γ过程在阴极表面上至少逸出一个电子，放电转入自持阶段。即自持放电的条 件（不需要外界游离因素的存在可致气隙击穿）
由非自持放电转入自持放电的电压称为起始放电电压U 0 。
参数α（气体性质、大气压力、电场强度、均匀电场下为常数）β作用小可以忽略。
初始激发电子数为 N 0 ；到达阳极的电子数为 N x N 0eas
若 N 0 0 ，则产生的电子数和正离子数也为 0 即只有碰撞游离因素，是不能维持放
电发展的。这种需要则产生的电子数和正离子数均为 (eas 1)
低气压、短间隙（δ·Ｓ＜ ０.２６cm）和均匀电场；和汤森德气体放电机理其相关的 3 个参数：
α电子游离系数（电子，气体分子，1cm,自由电子数）、 β正离子游离系数（正离子，气体分子，1cm,自由电子数）、 γ表面游离系数（正离子，阴极表面，自由电子数）， ㈡ 放电过程描述： ⑴电子的撞击游离发展形成电子崩即带电质点的大量产生；
E0
(a)
E
E0 d x
(b)
（二）空间光电离的作用 上面所说的辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离。如果光子位于强场区，二次 电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展，或汇入崩尾。（光电离的作用） 二次电子崩：当外施电压达到气隙的最低击穿电压时，情况就发生了质的变化。在此 情况下电子崩的崩头和崩尾将走完整个间隙，由于崩头和崩尾的电子和正离子此时非常多， 使得崩头和崩尾的外围的场强大为增加。同时，崩中部的合成场强很弱，故在此处会给电 子和中性质点结合形成负离子以很大的概率，当负离子和正离子相复合时便会产生大量的 光子。崩头强烈的电离过程必然会伴随着强烈的激励和反激励，强烈的反激励会放出大量 的光子。前面两个过程中所产生的光子向空间周围发射，相比而言发射到阳极的光子起不到 什么作用直接进入到阳极。发射到崩尾的光子，造成了空间光电离，电离出的电子在崩尾 局部强化了的电场中形成许多衍生的电子崩。 正流注：衍生电子崩的崩头部的电子汇合到主崩尾部正空间电荷区，使主崩本体区域成 为正负质点的混合通道，该处的场强较弱，此处不存在强烈的电离，这里的电子大多成为了 负离子。主崩尾部外缘为衍生崩的崩尾正空间电荷区，这些正空间电荷大大加强了崩尾外 围的电场，使在此区域内不断造成新的衍生电子崩，并不断的汇合到主崩的尾部来。就一 个衍生电子崩的方向来看，其发展方向是向着阴极发展的，这一过程称为正流注，意思是 从正极出发的。 当流注通道发展到接近阴极时，通道端部与阴极间的场强急剧增加。在此区域内发生
理也就有不同。 （１）当δ·Ｓ值较小时，电子的撞击游离和正离子撞击阴极造成的表面游离起主要作用， 气隙击穿电压大体是δ·Ｓ值的函数——汤森德机理，δ·Ｓ＜０.２６ｃｍ （２）当δ·Ｓ值较大时，实验表明，数据、现象与汤森德机理有矛盾，提出流注机理 二．δ·Ｓ值较小时气隙的击穿过程（汤森德机理） ㈠ 汤森德气体放电机理适用范围：
则 (eas 1) 个正离子撞击阴极产生的电子数为 (eas 1) ，即表面至少逸出一个电子，则即
使外界的游离因素不复存在，气隙中的游离过程也能够进行下去。这种只需要依靠电场就 能够维持下去的放电称为自持放电。放电进入自持阶段，并最终击穿。
由此，均匀电场中由非自持放电转入为自持放电的条件为：
( e as 1) 1
解释：a） 设Ｓ不变 δ↑→λｅ 短，聚能少，有效碰撞几率小→Ｕｂ↑ δ↓→λｅ 长，但气体分子少，碰撞少 →Ｕｂ↑
实用意义：将气隙抽真空或加大气隙气压，均能提高气隙的绝缘强度（Ｕｂ↑） b）设δ不变,Ｓ↑→E↓得一定的Ｅ，必须Ｕｂ↑
Ｓ↓→Ｅ大, 但电子在全程中的碰撞次数少，必须Ｕｂ↑ 有上述的介绍可以看出：当δ·Ｓ出现的乘积为很大和很小时，Ｕｂ都会体现出很大的值， 即曲线会呈现出 U 型的分布，也就是两者之间有Ｕｂｍｉｎ。 （四） 汤森德放电机理的局限性
放电。 不能解释的原因：
1、没有考虑到电离出来的空间电荷会使电场畸变，从而对放电过程产生影响。 2、没有考虑到光子在放电过程中的作用。
电子崩的头部集中着大部分的正离子和几乎全部电子。原有均匀场强在电子崩前方和 尾部处都增强了，在这两个强场区中间出现了一个电场强度很小但电子和正离子浓度却最大 的区域，使此处产生强烈的复合并发射出许多光子，成为引发新的空间光电离的辐射源。如 下图所示。
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。 激励能：一个原子的外层电子跃迁到较远的轨道上去的现象称为激励，其值为两个能级
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：不均匀电场条件下的气体自持放电现象。 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） 放电 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。
（三）帕邢定律 当气体和电极材料一定时，气体的击穿电压是气压δ和间隙距离 S 乘积的函数。在汤
森德理论提出以前，就已经被帕邢从实验中总结出来了，故称为帕邢定律。
5 3 2 1 5 3 2 1 0.5 0.3
0.1
图－－均匀电场的帕邢曲线
帕邢定律：击穿电压Ｕb＝ｆ（δ·Ｓ）（与δ·Ｓ的积有函数关系） 1889 年由实验结果总结出
㈡ 光电离 定义：在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子。由光电离而产生的自由电
子亦称为光电子 。光电离在气体放电中很重要 。 必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能 光子来源：紫外线、伦琴射线、γ射线、宇宙射线 气体本身反激励，异号粒子复合也产生光子
㈢ 热电离 定义：气体的热状态造成的电离，实质仍是碰撞电离和光电离（热辐射产生的光子能量
带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递，中和而还原为中性粒子的过程。 复合时有能量释放：光热声等。－空间光电离
§２－２气体放电机理
一:概述 外加电压很小时，气隙中的电流是由外界因素所造成的电子和离子所形成的。其数量
极小，只能看做是极其微小的泄漏。 （ 泄漏电流：当外加电场强度尚不能在气隙中，产生碰撞游离时，气隙中的电流是由外界 电离因素，引起的电子和离子所形成的，其数量极小，故电流极小。）
3．Ｅ＜Ｅcr （临界场强：由非自持放电转入自持放电的场强）时，电子崩有赖外界游离因 素，为非自持放电。 ４．Ｅ＞Ｅcr 时，电子崩仅由电场的作用 而自行维持和发展，为自持放电。
两者间区别：在于是否依赖外界游离因素。 ５．此后的发展随电场情况不同 分别表现为：
1、均匀电场各处的场强差异不大，任意一处一旦形成自持放电，气体整个间隙击穿。 2、不均匀电场：自持放电形成电晕。 （1）、若间距较小即（Ｓ小）：Ｕ↑→火花放电 （2）、若间距较大（Ｓ大）：Ｕ↑→刷形放电， Ｕ↑↑→火花放电 （电源功率大时， 火花击穿迅速变成电弧） 二、汤森德气体放电理论（均匀电场） 一、下面结合均匀电场气隙的击穿过程的说明介绍两种气体放电理论 要点：气隙的击穿就是各种形式的游离持续发展的过程，条件不同（影响最大的是δ·Ｓ 值。δ：气体的相对密度，Ｓ：极间距离），各种游离所起作用的强弱不同，气隙击穿的机
大且数目多），能量来自气体分子的热能，1000K 数量级。
㈣ 表面电离 气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。游离需要能量，称逸出功，一般小于气体
的电离能，表面电离在气体放电过程中有重要的作用。 获得逸出功的途径：
⑴ 热电子发射：金属电极加热，分子动能 ⑵ 强场发射：电极加上强电场 ⑶ 二次电子发射：高能量粒子撞击金属电极表面 （正离子撞击阴极） ⑷ 光电子发射：短波光照射金属表面
电荷畸变电场的作用！ 流注理论认为：在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发
展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电 离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发 生空间光电离的结果，这是放电即转入新的流注阶段。
故经过上述两个过程的分析，此时的物理含义就比较清晰了。由于偶然的一个 因素而产生的一个电子从阴极出发在间隙中引起强烈的电离，游离出的全部正离子 (eas 1)
达到阴极能由γ过程在阴极表面上至少逸出一个电子，放电转入自持阶段。即自持放电的条 件（不需要外界游离因素的存在可致气隙击穿）
由非自持放电转入自持放电的电压称为起始放电电压U 0 。
参数α（气体性质、大气压力、电场强度、均匀电场下为常数）β作用小可以忽略。
初始激发电子数为 N 0 ；到达阳极的电子数为 N x N 0eas
若 N 0 0 ，则产生的电子数和正离子数也为 0 即只有碰撞游离因素，是不能维持放
电发展的。这种需要则产生的电子数和正离子数均为 (eas 1)
低气压、短间隙（δ·Ｓ＜ ０.２６cm）和均匀电场；和汤森德气体放电机理其相关的 3 个参数：
α电子游离系数（电子，气体分子，1cm,自由电子数）、 β正离子游离系数（正离子，气体分子，1cm,自由电子数）、 γ表面游离系数（正离子，阴极表面，自由电子数）， ㈡ 放电过程描述： ⑴电子的撞击游离发展形成电子崩即带电质点的大量产生；
E0
(a)
E
E0 d x
(b)
（二）空间光电离的作用 上面所说的辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离。如果光子位于强场区，二次 电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展，或汇入崩尾。（光电离的作用） 二次电子崩：当外施电压达到气隙的最低击穿电压时，情况就发生了质的变化。在此 情况下电子崩的崩头和崩尾将走完整个间隙，由于崩头和崩尾的电子和正离子此时非常多， 使得崩头和崩尾的外围的场强大为增加。同时，崩中部的合成场强很弱，故在此处会给电 子和中性质点结合形成负离子以很大的概率，当负离子和正离子相复合时便会产生大量的 光子。崩头强烈的电离过程必然会伴随着强烈的激励和反激励，强烈的反激励会放出大量 的光子。前面两个过程中所产生的光子向空间周围发射，相比而言发射到阳极的光子起不到 什么作用直接进入到阳极。发射到崩尾的光子，造成了空间光电离，电离出的电子在崩尾 局部强化了的电场中形成许多衍生的电子崩。 正流注：衍生电子崩的崩头部的电子汇合到主崩尾部正空间电荷区，使主崩本体区域成 为正负质点的混合通道，该处的场强较弱，此处不存在强烈的电离，这里的电子大多成为了 负离子。主崩尾部外缘为衍生崩的崩尾正空间电荷区，这些正空间电荷大大加强了崩尾外 围的电场，使在此区域内不断造成新的衍生电子崩，并不断的汇合到主崩的尾部来。就一 个衍生电子崩的方向来看，其发展方向是向着阴极发展的，这一过程称为正流注，意思是 从正极出发的。 当流注通道发展到接近阴极时，通道端部与阴极间的场强急剧增加。在此区域内发生
理也就有不同。 （１）当δ·Ｓ值较小时，电子的撞击游离和正离子撞击阴极造成的表面游离起主要作用， 气隙击穿电压大体是δ·Ｓ值的函数——汤森德机理，δ·Ｓ＜０.２６ｃｍ （２）当δ·Ｓ值较大时，实验表明，数据、现象与汤森德机理有矛盾，提出流注机理 二．δ·Ｓ值较小时气隙的击穿过程（汤森德机理） ㈠ 汤森德气体放电机理适用范围：
则 (eas 1) 个正离子撞击阴极产生的电子数为 (eas 1) ，即表面至少逸出一个电子，则即
使外界的游离因素不复存在，气隙中的游离过程也能够进行下去。这种只需要依靠电场就 能够维持下去的放电称为自持放电。放电进入自持阶段，并最终击穿。
由此，均匀电场中由非自持放电转入为自持放电的条件为：
( e as 1) 1
解释：a） 设Ｓ不变 δ↑→λｅ 短，聚能少，有效碰撞几率小→Ｕｂ↑ δ↓→λｅ 长，但气体分子少，碰撞少 →Ｕｂ↑
实用意义：将气隙抽真空或加大气隙气压，均能提高气隙的绝缘强度（Ｕｂ↑） b）设δ不变,Ｓ↑→E↓得一定的Ｅ，必须Ｕｂ↑
Ｓ↓→Ｅ大, 但电子在全程中的碰撞次数少，必须Ｕｂ↑ 有上述的介绍可以看出：当δ·Ｓ出现的乘积为很大和很小时，Ｕｂ都会体现出很大的值， 即曲线会呈现出 U 型的分布，也就是两者之间有Ｕｂｍｉｎ。 （四） 汤森德放电机理的局限性
放电。 不能解释的原因：
1、没有考虑到电离出来的空间电荷会使电场畸变，从而对放电过程产生影响。 2、没有考虑到光子在放电过程中的作用。