气体放电-均匀电场中的气体放电过程（高电压技术）

1-4不同电压形式下空气间隙的击穿1-2均匀电场中的放电1-3不均匀电场中的放电1-1气体中带电质点的产生与消失1-5大气条件对空气击穿电压的影响1-6提高气隙击穿电压的措施1-7沿面放电与污秽放电1-8SF6气体的绝缘特性第一章气体放电1-2均匀电场中的放电学习目标1知晓电场的类型（均匀、稍不均匀与不均匀）2了解气体放电的过程（从非自持放电到自持放电）3理解电子碰撞及电子崩过程4了解汤生理论的理论特点及适用范围5掌握巴申定律曲线并能定性说明6一般了解流注理论的理论特点及适用范围ABCO气隙放电时的伏安特性曲线iu1-2均匀电场的放电(1)线性段(2)饱和段(3)游离段(4)自持段OA段：电流随电压升高而升高AB段：电流仅取决于外离因素与电压无关BC段：电压升高碰撞电离增强但仍靠外电离维持(非自持)C点后：只靠外加电压就能维持(自持)一、气体放电过程的一般描述自持放电——仅需外加电场就能维持的放电过程非自持放电——需要外游离因素和外加电场共同作用维持的放电过程一、气体放电过程的一般描述ABCO

气隙放电时的伏安特性曲线iuOA段:由于外界催离素宇宙射线地层发射性物质的放射线太阳光中的紫外线作用游离去游离气体中保持平衡在标准状态下3×1019个分子/cm3空气中约500－1000对离子（）当UV带电质点I即单位时间内跑到电极的带电质点数ABC一、气体放电过程的一般描述AB段：UI不变,呈饱和状态电场已足够将单位时间内产生的离子运到电极，故I仅取决于外界游离因素，与U无关。饱和电流密度数值极小10－19A/cm2数量级，一般表测不出来，仍是绝缘状态。ABC一、气体放电过程的一般描述自由电子e将按几何级数迅猛增加，如雪崩一样发展。这个不断增加的电子流被形象地称为电子崩。此阶段称为汤逊放电阶段。BC段：但I仍很小，气体仍保持为绝缘体一、气体放电过程的一般描述当外施电压U＜Ub时，若取消外界游离因素，电子崩会消失，电流也将消失，这类放电称为非自持放电。非自持放电ABC一、气体放电过程的一般描述

C点后：当外施电压U≥Ub时，由于场强足够大，正离子撞击阴极会发生表面游离，释放出的电子又会引起电子崩，这时气体中的游离过程可只靠电场的作用自行维持，而不再需要外界游离因素，这就是自持放电。

自持放电非自持放电击穿电压ABC气体间隙击穿一、气体放电过程的一般描述为了解释上面试验结果，汤逊于1903年提出气体击穿机理，1910年提出气体击穿的判据。二、气体放电理论AV光照射20世纪初英国物理学家汤逊在均匀电场、低气压、短间隙的条件下进行了放电实验，根据实验结果提出了解释气体放电过程的理论，称为汤逊理论。（一）汤逊理论AV光照射电场类型均匀电场：气隙中各处电场强度相等（一）汤逊理论

γ——正离子的表面游离系数，表示一个正离子在电场作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面游离的电子数（一）汤逊理论(1)电子崩及α过程

α——电子碰撞游离系数，表示一个电子沿着电场方向行进的过程中，在单位距离内平均发生碰撞游离的次数。α与气体的种类、相对密度和电场强度有关β——正离子碰撞游离系数，表示一个正离子沿电场方向行进的过程中，在单位距离内平均发生碰撞游离的次数。β值极小，在分析时可予忽略。(3)γ过程(2)β过程电子崩？外游离→初始电子→电子个数2－4－8…2n→电子崩→产生的正离子撞击阴极发生表面游离→新的电子→(如果去掉外电离因素)仍有后继电子→放电自持（4）汤逊自持放电条件γ（eas一1)≥1物理意义？（5）巴申定律巴申试验（1889年）Ub=f(pd)U形曲线，有极小值（5）巴申定律巴申定律曲线呈U型，可解释如下：当d一定时

P↑→

↑→λ↓→电子动能↓→气体游离能力↓→击穿电压Ub↑

反之

P↓→

↓→碰撞次数↓↓→击穿电压Ub↑（5）巴申定律­­¯­­­¯­右半支­¯­¯左半支高气压、高真空都可以提高击穿电压，工程上已得到广泛应用（如：压缩空气开关、真空开关等）解释低气压、短间隙、均匀电场中的放电现象，即pd较小时。

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（6）汤逊理论的适用范围

但工程上更感兴趣的是大气压下空气中的放电1939年米克、雷泽等人在雾室里对放电过程中带电粒子的运动轨迹拍照进行研究，于1940年发表了流注理论——适合于pd较大的气隙的击穿过程（1）认为：电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，并且强调了空间电荷对电场的畸变作用（二）流注理论（2）过程：初崩产生大量空间电荷电场分布被畸变崩头、崩尾电场增强（使游离更强烈），崩内电场削弱（使复合更容易）向空间辐射大量光子光游离产生光电子被主崩正离子吸引二次崩产生与主崩汇合形成流注（导电性好）流注迅速发展流注贯穿两极间隙击穿（正流注的形成）流注理论认为电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，空间电荷对电场的畸变作用是产生光游离的重要原因。（二）流注理论空间电荷对电场的畸变作用由于电子崩中空间电荷的出现，原本均匀的电场被畸变得不均匀了。崩头前方附近的场强得到了加强，而崩头内部正、负电荷交界处的场强则被削弱了。崩尾部分的场强虽然也加强的，但加强的程度要比崩头前方附近的小得多。（二）流注理论外施电压大于气隙击穿电压时，首先形成主电子崩。当主崩接近阳极时，场强急剧增大，去游离过程增强，放射出大量光子。外围气体分子吸收光子能量后，发生光游离，产生二次电子崩。由于主崩头部的电子已进入阳极，场强减弱，二次电子崩头部的电子进入时，形成负离子。正、负离子混合的通道称为流注，随着崩尾场强的增大，不断有新的电子崩汇合进来，流注向阴极不断发展，直至贯穿两极。（二）流注理论流注的形成及发展过程（定性）流注发展速度较快：（1-2）×108cm/s电子崩为：1.25×107cm/s1-19（二）流注理论（3）流注自持放电条件初崩头部的电荷达到一定的数量（一般认为当ad

20或eαd=108）时便可以形成流注，而流注一旦形成，放电就可以转入自持（4）适用范围及局限性适用于长间隙、大气压，即pd较大的情况汤逊理论与流注理论互相补充，从而在广阔的pd范围内说明了不同的放电现象（二）流注理论放电时间二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播，所以流注发展非常快。放电外形二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可能均匀，而且具有分支。阴极材料大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。（二）流注理论高电压技术—均匀电场中的气体放电气体放电过程的一般概述1

气体放电理论（汤逊、流注）2目录CONTENTS均匀电场中的气体放电了解原子的结构及电离的概念学习目标知道巴申定律能定性说明及懂得在工程上的应用一般了解气体放电过程（非自持放电与自持放电）领会电子崩过程了解汤逊理论的理论特点及适用范围知晓电场的类型（均匀、稍不均匀与不均匀）一般了解流注理论的理论特点及适用范围01气体放电过程的一般描述电子崩与非自持放电阶段自持放电阶段气体放电一般过程气体放电的一般过程AB段：由外界因素产生的带电质点已全部参与了导电过程，气隙间电流趋于饱和，电压增大时，电流增大的幅度很小。（饱和段）C点后：气体介质突然变为良好的导电状态，电流急剧突增。（自持段）BC段：电子积累的动能已可引起碰撞电离，气隙中的带电质点骤增，流过气隙的电流随外加电压的增加而增大。（游离段）OA段：由外界因素催生电离，气隙中电流与电压成近似正比关系。（线性段）气体放电的一般过程OA段:宇宙射线地层发射性物质的放射线太阳光中的紫外线作用游离去游离气体中保持平衡在标准状态下3×1019个分子/cm3空气中约500－1000对离子（）当UV带电质点I即单位时间内跑到电极的带电质点数气体放电的一般过程外界电离因素AB段：电流几乎不变，呈饱和状态电场已足够将单位时间内产生的离子运到电极，故I仅取决于外界游离因素，与U无关。饱和电流密度数值极小10－19A/cm2数量级，一般表测不出来，仍是绝缘状态。ABC气体放电的一般过程自由电子e将按几何级数迅猛增加，如雪崩一样发展。这个不断增加的电子流被形象地称为电子崩。——汤逊放电阶段BC段：但I仍很小，气体仍保持为绝缘体！气体放电的一般过程若取消外界游离因素，电子崩会消失，电流也将消失——非自持放电。非自持放电ABC气体放电的一般过程外施电压U＜Ub时

当外施电压U≥Ub时，由于场强足够大，正离子撞击阴极会发生表面游离，释放出的电子又会引起电子崩，这时气体中的游离过程可只靠电场的作用自行维持，而不再需要外界游离因素，这就是自持放电。

自持放电非自持放电击穿电压AC气体间隙击穿B气体放电的一般过程C点后：非自持放电自持放电当外界因素产生的电子崩到达阳电极，电子崩产生的电子被中和，由于没有后续电子崩，气隙的放电发展过程中断，放电随之减小至消失。气隙两端外加电压大于某值时，放电发生了质的改变，电子崩的产生不再依赖于外界因素而能自行维持和发展，持续发展的电子崩使得气隙间充满了大量的带电质点，最终导致气隙的击穿。气体放电的一般过程02气体放电理论汤逊放电理论与巴申定律流注理论气体放电理论气体放电理论为了解释上面试验结果，汤逊于1903年提出气体击穿机理，1910年提出气体击穿的判据。AV光照射20世纪初英国物理学家汤逊在均匀电场、低气压、短间隙的条件下进行了放电实验，根据实验结果提出了解释气体放电过程的理论，称为汤逊理论。气体放电理论——汤逊理论1.理论基础AV光照射电场类型1.理论基础气体放电理论——汤逊理论一个正离子撞击阴极从阴极表面逸出的自由电子数电子数计算模型1.理论基础气体放电理论——汤逊理论第一电离系数α：一个电子向阳极运动1cm路程中与质点相碰撞平均产生的自由电子数第二电离系数β：一个正离子向阴极运动1cm路程中与质点相碰撞产生的自由电子数（可忽略）第三电离系数γ：n0个电子在向阳极运动的过程中，行经距离x时变成了n个电子，再行经dx，增加的电子数为dn个，则：A、B—与气体性质有关的常数;

δ—空气相对密度,

E——电场强度，则有如下关系：电子数计算模型气体放电理论——汤逊理论1.理论基础n0个电子在电场作用下不断产生碰撞游离，发展电子崩，经距离d而进入阳极的电子数为：气隙临界击穿电压：自持放电条件可表达为：1.理论基础气体放电理论——汤逊理论物理意义？？？2.验证汤逊理论的巴申定律巴申试验（1889年）Ub=f（pd）即击穿电压与间隙距离及气体压力乘积的关系呈U形曲线，有一极小值。气体放电理论——汤逊理论巴申定律实验曲线的解释高气压、高真空都可以提高击穿电压，工程上已得到广泛应用（如：压缩空气开关、真空开关等）假设间隙距离d不变，改变间隙间的气体压力p时

P↓→

↓→碰撞次数（机会）↓↓（虽然λ↑）→击穿电压Ub↑P↑→

↑→λ↓→电子动能W↓→气体游离能力↓→击穿电压Ub↑对右半支：对左半支：适用于低气压、短间隙、均匀电场中的放电现象，即pd较小时。

3.汤逊理论的适用范围1）放电时间：很短？2）放电外形：具有分支的细通道？3）击穿电压：与理论计算不一致？4）阴极材料：无关？气体放电理论——汤逊理论无法解释：1.理论基础：1939年米克、雷泽等人在雾室里对放电过程中带电粒子的运动轨迹拍照进行研究，于1940年发表了流注理论。电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，并且强调了空间电荷对电场的畸变作用。气体放电理论——流注理论（1）空间电荷对电场的畸变作用气体放电理论——汤逊理论空间电荷的出现，原本均匀的电场被畸变得不均匀了,表现在：1.崩头前方附近：场强得到了加强。2.崩头内部正、负电荷交界处：场强被削弱了。3.崩尾部分：场强加强，但加强的程度要比崩头前方附近的小得多。外施电压大于气隙