自持放电条件汤逊放电

考点1：电介质的电气特性及放电理论（一）气体电介质的击穿过程气体放电可以分非自持放电和自持放电两种。

20世纪Townsend在均匀电场，低气压，短间隙的条件下进行了放电试验，提出了比较系统的理论和计算公式，解释了整个间隙的放电过程和击穿条件。

1、汤逊放电理论的适用范围：汤逊理论的核心是：(1)电离的主要因素是电子的空间碰撞电离和正离子碰撞阴极产生表面电离；(2)自持放电是气体间隙击穿的必要条件。

汤逊理论是在低气压、Pd值较小的条件下进行的放电实验的基础上建立起来的，这一放电理论能较好的解释低气压短间隙中的放电现象。

因此，汤逊理论的适用范围是低气压短间隙(Pd<26 66kPa.cm)。

在高气压、长气隙中的放电现象无法用汤逊理论加以解释，两者间的主要差异表现在以下几方面：(1) 放电外形根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展。

低气压下气体放电发光区确实占据了整个间隙空间，如辉光放电。

但在大气压下气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细通道。

(2) 放电时间根据汤逊理论，闻隙完成击穿，需要好几次循环：形成电子崩，正离子到达阴极产生二次电子，又形成更多的电子崩。

完成击穿需要一定的时间。

但实测到的在大气压下气体的放电时间要短得多。

(3) 击穿电压当Pd值较小时，根据汤逊自持放电条件计算的击穿电压与实测值比较一致；但当Pd值很大时，击穿电压计算值与实测值有很大出入。

(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，但大气压下空气中实测到的击穿电压却与阴极材料无关。

由此可见汤逊理论只适用于一定的Pd范围，当Pd>26 66kPa. cm后，击穿过程就将发生改变，不能用汤逊理论来解释了。

2、流注理论利用流注理论可以很好地解释高气压、长间隙情况下出现的一系列放电现象。

(1) 放电外形 流注通道电流密度很大，电导很大，故其中电场强度很小。

1-2简要论述汤逊放电理论。

答: 设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于α过程，电子总数增至d e α个。

假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（d e α－1）个正离子。

这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．按照系数γ的定义，此（d e α－1）个正离子在到达阴极表面时可撞出γ（d e α－1）个新电子，则(d e α-1)个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电。

即汤逊理论的自持放电条件可表达为r(d eα-1)=1或γde α＝1。

1-3为什么棒－板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高？答:（1）当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩。

随着电压的逐渐上升，到放电达到自持、爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。

当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。

于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，从而减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。

这样，棒极附近的电场被削弱，难以造成流柱，这就使得自持放电也即电晕放电难以形成。

（2）当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩。

当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢的速度向阳极运动。

一部份电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。

电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。

结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷。

负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。

棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于得到满足、易于转入流柱而形成电晕放电。

1-5操作冲击放电电压的特点是什么？答：操作冲击放电电压的特点：（1）U 形曲线，其击穿电压与波前时间有关而与波尾时间无关；（2）极性效应，正极性操作冲击的50％击穿电压都比负极性的低；（3）饱和现象；（4）分散性大；（5）邻近效应，接地物体靠近放电间隙会显著降低正极性击穿电压。

1.简述流注放电理论和汤逊放电理论的不同之处并比较两者自持放电的条件。

答：1.流注理论认为，电子的碰撞电离和空间光电离是形成自持放电的主要因素，而汤逊理论则没有考虑放电本身所产生的空间光电离对整个放电过程的影响。

2.流注理论特别强调空间电荷对电场的畸变作用。

3.汤逊放电理论适用于低气压短间隙的均匀电场，流注放电理论适用于高气压长间隙或者不均匀电场。

4.汤逊理论的自持放电条件是在气隙中形成连续的电子崩，而流注放电理论中自持放电的条件即形成流注的条件，他要求初始电子崩头部的空间电荷数量达到某一临界值才能使电场得到足够的加强，并造成足够的空间光电离使流注得以形成。

2.简述相对介电常数，电导率，介质损耗因数和击穿场强在工程实际应用中的意义答：介电常数：在制造电容器时为其能拥有较小体积和较大容量，会选择相对介电常数较大的电介质；而在设计绝缘结构时，为减小通过绝缘的电容电流和由极化引起的发热损耗，则不宜选择介电常数太大的电介质；在交流和冲击电压的作用下，多层串联电介质的电场分布与介电常数成反比，则可利用不同电介质的组合来改善绝缘中的电场分布使之趋于均匀，如电缆芯线中心电场强，边缘弱，应使内层绝缘的相对介电常数大于外层。

电导率：在绝缘预防性试验中通过测量绝缘电阻和泄漏电流来反映绝缘的电导特性，以判断绝缘是否受潮或存在劣化现象；对于串联的多层绝缘结构，在在直流电压下的稳态电流分布与各层介质的电导成反比，在设计时用于直流的绝缘设备要注意与电介质的电导搭配，并考虑温度对其的影响（电介质的电导随温度的升高而升高）；表面电阻对绝缘电阻有所影响，了解其电导率能合理的利用表面电阻，为减小表面电流，应设法提高表面电阻，如清洁/干燥处理或涂敷憎水性涂料，而为了减小某部分电场强度时则需减小表面电阻（在高压套管的法兰附近涂敷半导体釉等）。

介质损耗因数：工程上通过测量绝缘的介质损耗因数，做出他与电压的关系曲线，当外加电压超过某一电压时，介质损耗因数急剧上升，此时极为介质产生局部放电的起始电压。

气体放电理论1)简要论述汤逊放电理论。

当外施电压足够高时，一个电子从阴极出发向阳极运动，由于碰撞游离形成电子崩，则到达阳极并进入阳极的电子数为eas个(α为一个电子在电场作用下移动单位行程所发生的碰撞游离数；s为间隙距离)。

因碰撞游离而产生的新的电子数或正离子数为(eas-1)个。

这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．若1个正离子撞击阴极能从阴极表面释放r个(r 为正离子的表面游离系数)有效电子，则(eas-1)个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电。

即汤逊理论的自持放电条件可表达为r(eas-1)=1。

2)为什么棒－板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高？（1）当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩。

随着电压的逐渐上升，到放电达到自持、爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。

当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。

于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，从而减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。

这样，棒极附近的电场被削弱，难以造成流柱，这就使得自持放电也即电晕放电难以形成。

（2）当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩。

当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢的速度向阳极运动。

一部份电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。

电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。

结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷。

负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。

棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于得到满足、易于转入流柱而形成电晕放电。

汤逊理论三个过程:α过程:起始电子形成电子崩的过程。

β过程：造成离子崩的过程。

γ过程：离子崩到达阴极后，引起阴极发射二次电子的过程。

总结：1.将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。

2.汤逊理论的实质是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表面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。

3.阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。

汤逊理论的适用范围汤逊理论是在低气压pd较小条件下建立起来的，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；汤逊理论适用于pd<26.66kPa ·cm。

巴申定律：当气体成份和电极材料一定时，气体间隙击穿电压(ub)是气压(p)和极间距离(d)乘积的函数。

气体放电流注理论：它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下两方面空间电荷对原有电场的影响；空间光电离的作用。

四个过程：a)起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩；初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，放射出大量光子；b)光电离产生二次电子，在加强的局部电场下形成二次崩；c)二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部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；流注头部电离迅速发展，放射出大量光子，引起空间光电离，流注前方出现新的二次崩，延长流注通道；d)流注通道贯通，气隙击穿。

注：流注速度为108～109cm/s，而电子崩速度为107cm/s。

流注条件：必要条件是电子崩发展到足够的程度，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，加强电子崩崩头和崩尾处的电场；另一方面电子崩中电荷密度很大，所以复合频繁，放射出的光子在这部分很强，电场区很容易成为引发新的空间光电离的辐射源，二次电子主要来源于空间光电离；气隙中一旦形成流注，放电就可由空间光电离自行维持。