第一章 气体放电

第一篇 电介质的电气强度
第一章 气体放电的基本 物理过程
主要内容
1 气体放电的主要形式 2 气体中带电粒子的产生和消失 3 汤逊理论和流注理论 4 不均匀电场中的放电过程 5 冲击电压下气隙的击穿特性 6 影响气体放电电压的因素 7 提高气体介质电气强度的方法 8 沿面放电
1 气体放电的主要形式
❖ 表面电离系数：γ 折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面释 放出的自由电子数，汤逊第三电离系数。
2.1 气体中带电粒子的产生
（五）负离子的形成
附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞 电离而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。
电子附着系数η ：电子行经单位距离时附着于中性原子 的电子数目。
均匀电场中的电子崩计算模型
3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的 汤逊理论
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的距离中又会产 生dn个新电子。
均匀电场中的电子崩计算模型
3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的 汤逊理论
根据碰撞电离系数的定义，可得：
1.2 气体放电的主要形式
常见放电形式
辉光放电 电晕放电 火花放电 电弧放电
❖ 注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放 电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同， 这些放电现象可相互转换。
2 气体中带电粒子的产生和消失
2.1 气体中带电粒子的产生
2. 2 气体中带电粒子的消失
3.1.1 非自持放电和自持放电
气体放电实验的伏安特性曲线
图表示实验所得平板 电极(均匀电场)气体 中的电流I与所加电 压的关系：即伏安特 性

② 光电子发射（光电效应）
高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能 量应大于金属的逸出功。 同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多
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掌握 气体放电时，带电粒子如何产生？ of Electrical Engineering and Information SEEI School放电结束后，带电粒子又如何消失？
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第一节 带电粒子的产生和消失
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3 Wm kT≥Wi 2
式中：k—波尔茨曼常数； （k=1.38×10-23J/K） Wi—气体的电离能，eV； T—绝对温度，K；
绝对温度和摄氏温度的关系：
T绝对=273+T摄氏 School of Electrical Engineering and Information SEEI
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第一节 带电粒子的产生和消失
2. 高电压状态
电压升高 达到一定数值 达到一定 数值 气体中的带电粒 子大量增加 气体失去 绝缘 击穿（或 闪络）
电流增大
击穿——纯空气隙之间。（架空线相间的空气放电）
闪络——气体沿着固体表面击穿。（气体沿着悬挂架空线的绝
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第一节 带电粒子的产生和消失

第一章 气体放电
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。
由非自持放电转入自持放电的临界电压Uc称为起始放电电压
2、气体放电后的形式
辉光放电 火花放电
电弧放电
电晕放电 刷状放电
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二、气体放电理论
1、汤逊理论
1.漂移(定向运动消失于电极)
气体放电通道中的电子消失于电极形成回路电流，从而减少 了气体中的带电质点的过程，成为漂移
电流的大小取决于带电质点的浓度及其在电场方向的速度。
2.扩散
高浓度带电质点区域的带电质点向低浓度带电质点区域运动
的过程 气体的压力越高或温度越低，扩散过程也就越弱。
第一章 气体放电
3.复合
(4)自持段
当电压达到Uc后，气体中发生了强烈的电 离，电流剧增。同时（实验发现）气体中
电离过程只靠电场的作用已可自行维持，
而不再继续需要外游离因素了。因此Uc以 后的放电形式也称为自持放电 实验发现气体发生在0C曲线段的放电， 当外部游离因素撤除后，即使维持加在气隙上的电压不变放电现象也消失。这一 段需要外部游离因素存在才能实现气体放电的阶段，称为非自持放电阶段。这时 气体间隙仍维持绝缘状态。
电子崩的发展过程
如右图 设：从阴极发出一个电子，经多次碰撞电 离，在经过距离阴极x后，产生n个电子 这n个电子行过dx之后，又会产生dn个新的电子
则
dn ndx
dx nd n0e 0
d
d
对上式积分，可求得初始n0个电子在电场作用下， 经过距离d后因电子崩的发展而产生的电子数量nd， 如下式：
第一章 气体放电
第一节

1.4起始电压与气压的关系
pd 值较小的情况（汤逊汤逊放电）
（1）汤逊自持放电判据
(ed 1) 1
U b f ( pd )
e 1
d
d ln
1

（3）气体密度对击穿的影响
为正离子表面电离系数 （2）气体击穿的巴申定律
1
Ub Bpd Apd ln 1 ln
0
x
dn dx n
n n0e x
n n0e d
n n n0 n0 (ed 1)
影响碰撞电离的因素

1cm长度内一个电子的 平均碰撞次数为1/λ λ： 电子平均自由行程
1

eUi
E
碰撞引起电离的概率 碰撞电离的条件 x Ui / E

T p
Ape Bp E
光子
自由电子
二、带电粒子的产生
• 气体原子的激发和电离 电离 外界以某种方式给处于某一能级轨道上的电子施 加一定的能量，该电子就可能摆脱原子核的束缚 成为自由电子。 电离能 产生游离需要的能量。 激发 电子向高一能级轨道的跃迁。 分级电离 先经过激发再产生游离的过程。
二、带电粒子的产生
（1）热电离
自持放电 起始电压
外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后， 电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需 要外电离因素。
电子崩的形成（BC段电流剧增原因）
电子碰撞电离系数α：代表一个电子沿电力线 方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。
dn n dx
0 dx nn e
对330kV及以上的线路应采用分裂导线，例如330，500 和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。