,高电压工程基础,
施围 邱毓昌 张乔根（西安交通大学） 编著刘青（西安科技大学） 制作高电压工程基础第 2章 气体放电的基本物理过程
2.1 带电粒子的产生与消失
2.2 放电的电子崩阶段
2.3 自持放电条件
2.4 不均匀电场中放电的极性效应高电压工程基础
2.1 带电粒子的产生与消失
气体中电子与正离子的产生
（ 1）热电离
3
2W kT?
波尔茨曼常数
1.38× 10-23J/K
热力学温度
（ 2）光电离
Wh
普朗克常数
6.63× 10-34J·s
（ 3）碰撞电离
i
hc
W条件：
21
2 im v e E x W
iUx
E?条件：
高电压工程基础
（ 4）分级电离原子中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，所需的能量称为激励能。
气体 电离能 激励能
N2 15.5 6.1
O2 12.5 7.9
CO2 13.7 10.0
SF6 15.6 6.8
H2O 12.7 7.6
若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则会出现 潘宁效应,可使混合气体的击穿强度低于这两种气体各自的击穿强度。
高电压工程基础
电极表面的电子逸出一些金属的逸出功金属 逸出功铝 1.8
银 3.1
铜 3.9
铁 3.9
氧化铜 5.3
（ 1）正离子撞击阴极 （ 2）光电子发射
（ 3）强场发射 （ 4）热电子发射高电压工程基础
气体中负离子的形成电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为 电子亲合能 。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。
元素 电子亲合能（ eV） 电负性值
F 3.45 4.0
Cl 3.61 3.0
Br 3.36 2.8
I 3.06 2.5
负离子的形成使自由电子数减少，因而 对放电发展起抑制作用 。 SF6气体含 F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。
高电压工程基础
带电质点的消失
（ 1）带电质点的扩散带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，
从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。
（ 2）带电质点的复合带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。
高电压工程基础
2.2 放电的电子崩阶段
非自持放电和自持放电的不同特点电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小电流饱和，带电质点全部进入电极，
电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）
电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）
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。
自持放电起始电压高电压工程基础
电子崩的形成（ BC段电流剧增原因）
ddn n x
0 d0 e
x x
nn
d dn x
n
0e dnn
00 ( e 1 )dn n n n
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。
0 e xnn
高电压工程基础
影响碰撞电离的因素
i1 e UE
1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为 1/λ λ：
电子平均自由行程碰撞引起电离的概率碰撞电离的条件 i /x U E?
T
p
B p EA p e
高电压工程基础
2.3 自持放电条件
pd 值较小的情况（汤逊）
（ 1）汤逊自持放电判据
( e 1) 1d e1d 1lnd?
（ 2）气体击穿的巴申定律
b 1e l nBpd UApd
b
ln
1
ln
Bpd
U
Apd
b ()U f pd?
（ 3）气体密度对击穿的影响
b ()U F d
s
s
2.9T ppp T T
高电压工程基础
pd 值较大的情况（流注）
实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表明汤逊理论不适用于 pd值较大的情况。
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使 原电场明显畸变,大大加强了崩头及崩尾处的电场。
电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，
放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。 二次电子的主要来源是空间的光电离 。
（ 1）流注的形成条件高电压工程基础
（ 2）流注自持放电条件（即形成流注的条件）
e1d 1lnd 1l n 2 0d对于空气间隙：
汤逊放电理论与流注放电理论的比较：
流注理论可以解释汤逊理论无法说明的 pd值大时的放电现象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，
且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。
两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。
高电压工程基础
电负性气体的情况对强电负性气体，除考虑 α和 γ过程外，还应考虑 η过程
（ 电子附着过程 ）。 η的定义与 α相似，即一个电子沿电力线方向行经 1 cm时平均发生的电子附着次数。可见在电负性气体中有效的碰撞电离系数为 。
()0 e dnn
() dK对于均匀场,( ) d xK对于非均匀场,
由于强电负性气体中,所以其自持放电场强比非电负性气体高得多。以 SF6气体为例，在 101.3kPa,20℃ 的条件下，均匀电场中击穿场强为 Eb≈89kV/cm，约为同样条件的空气间隙的击穿场强的 3倍。
半径为 r的球间隙的放电特性与极间距 d的关系高电压工程基础
2.4 不均匀电场中气体放电的特点
稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压放电过程不稳定,分散属于过渡区
m a x
a
Ef
E?电场不均匀系数,a
UE
d?
高电压工程基础
极不均匀电场中的电晕放电
（ 1）电晕放电的起始场强
c
0.330( 1 ) /E k V c m
r c 1 2
0,330 ( 1 ) /E m m k V c m
r
δ是气体相对密度； m1表面粗糙度系数，理想光滑导线取 1，绞线 0.8~0.9；
好天气时 m2=1，坏天气时 m2可按 0.8估算。
cc
2ln hU E r
r?高度为h 的单根导线：
cc 2 l n
dd U E r
r?距离为 的两根平行线：
高电压工程基础
（ 2）电晕放电的危害与对策危害：
功率损耗、电磁干扰、噪声污染对策,（ 限制导线的表面场强 ）
采用分裂导线。
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。
45.72 0
4 5
4 5,7 2
高电压工程基础
（ 2）电晕放电的利用在某些情况下可以利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电压。
导线－板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系
1－ D=0.5mm 2－ D=3mm 3－ D=16mm 4－ D=20mm
虚线－尖 -板电极间隙 点划线－均匀场间隙高电压工程基础
不均匀电场中放电的极性效应负极性棒－板间隙的 电晕起始电压比 正极性棒－板电极 低负极性棒－板间隙 击穿电压 比正极性棒－板电极 高
施围 邱毓昌 张乔根（西安交通大学） 编著刘青（西安科技大学） 制作高电压工程基础第 2章 气体放电的基本物理过程
2.1 带电粒子的产生与消失
2.2 放电的电子崩阶段
2.3 自持放电条件
2.4 不均匀电场中放电的极性效应高电压工程基础
2.1 带电粒子的产生与消失
气体中电子与正离子的产生
（ 1）热电离
3
2W kT?
波尔茨曼常数
1.38× 10-23J/K
热力学温度
（ 2）光电离
Wh
普朗克常数
6.63× 10-34J·s
（ 3）碰撞电离
i
hc
W条件：
21
2 im v e E x W
iUx
E?条件：
高电压工程基础
（ 4）分级电离原子中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，所需的能量称为激励能。
气体 电离能 激励能
N2 15.5 6.1
O2 12.5 7.9
CO2 13.7 10.0
SF6 15.6 6.8
H2O 12.7 7.6
若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则会出现 潘宁效应,可使混合气体的击穿强度低于这两种气体各自的击穿强度。
高电压工程基础
电极表面的电子逸出一些金属的逸出功金属 逸出功铝 1.8
银 3.1
铜 3.9
铁 3.9
氧化铜 5.3
（ 1）正离子撞击阴极 （ 2）光电子发射
（ 3）强场发射 （ 4）热电子发射高电压工程基础
气体中负离子的形成电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为 电子亲合能 。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。
元素 电子亲合能（ eV） 电负性值
F 3.45 4.0
Cl 3.61 3.0
Br 3.36 2.8
I 3.06 2.5
负离子的形成使自由电子数减少，因而 对放电发展起抑制作用 。 SF6气体含 F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。
高电压工程基础
带电质点的消失
（ 1）带电质点的扩散带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，
从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。
（ 2）带电质点的复合带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。
高电压工程基础
2.2 放电的电子崩阶段
非自持放电和自持放电的不同特点电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小电流饱和，带电质点全部进入电极，
电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）
电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）
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。
自持放电起始电压高电压工程基础
电子崩的形成（ BC段电流剧增原因）
ddn n x
0 d0 e
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n
0e dnn
00 ( e 1 )dn n n n
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。
0 e xnn
高电压工程基础
影响碰撞电离的因素
i1 e UE
1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为 1/λ λ：
电子平均自由行程碰撞引起电离的概率碰撞电离的条件 i /x U E?
T
p
B p EA p e
高电压工程基础
2.3 自持放电条件
pd 值较小的情况（汤逊）
（ 1）汤逊自持放电判据
( e 1) 1d e1d 1lnd?
（ 2）气体击穿的巴申定律
b 1e l nBpd UApd
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（ 3）气体密度对击穿的影响
b ()U F d
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高电压工程基础
pd 值较大的情况（流注）
实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表明汤逊理论不适用于 pd值较大的情况。
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使 原电场明显畸变,大大加强了崩头及崩尾处的电场。
电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，
放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。 二次电子的主要来源是空间的光电离 。
（ 1）流注的形成条件高电压工程基础
（ 2）流注自持放电条件（即形成流注的条件）
e1d 1lnd 1l n 2 0d对于空气间隙：
汤逊放电理论与流注放电理论的比较：
流注理论可以解释汤逊理论无法说明的 pd值大时的放电现象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，
且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。
两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。
高电压工程基础
电负性气体的情况对强电负性气体，除考虑 α和 γ过程外，还应考虑 η过程
（ 电子附着过程 ）。 η的定义与 α相似，即一个电子沿电力线方向行经 1 cm时平均发生的电子附着次数。可见在电负性气体中有效的碰撞电离系数为 。
()0 e dnn
() dK对于均匀场,( ) d xK对于非均匀场,
由于强电负性气体中,所以其自持放电场强比非电负性气体高得多。以 SF6气体为例，在 101.3kPa,20℃ 的条件下，均匀电场中击穿场强为 Eb≈89kV/cm，约为同样条件的空气间隙的击穿场强的 3倍。
半径为 r的球间隙的放电特性与极间距 d的关系高电压工程基础
2.4 不均匀电场中气体放电的特点
稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压放电过程不稳定,分散属于过渡区
m a x
a
Ef
E?电场不均匀系数,a
UE
d?
高电压工程基础
极不均匀电场中的电晕放电
（ 1）电晕放电的起始场强
c
0.330( 1 ) /E k V c m
r c 1 2
0,330 ( 1 ) /E m m k V c m
r
δ是气体相对密度； m1表面粗糙度系数，理想光滑导线取 1，绞线 0.8~0.9；
好天气时 m2=1，坏天气时 m2可按 0.8估算。
cc
2ln hU E r
r?高度为h 的单根导线：
cc 2 l n
dd U E r
r?距离为 的两根平行线：
高电压工程基础
（ 2）电晕放电的危害与对策危害：
功率损耗、电磁干扰、噪声污染对策,（ 限制导线的表面场强 ）
采用分裂导线。
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。
45.72 0
4 5
4 5,7 2
高电压工程基础
（ 2）电晕放电的利用在某些情况下可以利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电压。
导线－板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系
1－ D=0.5mm 2－ D=3mm 3－ D=16mm 4－ D=20mm
虚线－尖 -板电极间隙 点划线－均匀场间隙高电压工程基础
不均匀电场中放电的极性效应负极性棒－板间隙的 电晕起始电压比 正极性棒－板电极 低负极性棒－板间隙 击穿电压 比正极性棒－板电极 高
