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：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电击穿电压（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E b =Ub/S（S :极间距离）一般在常压大气中，Eb = 30kV/cm，当S较小为cm且电场为均匀分布时； Eb = 5 0 0 kV/m，当S较大接近m时放电:（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程 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 之间的差值电离能：当外界加入的能量很大，使电子具有的能量超过最远轨道的能量时，电子就会 变成自由电子，使得一个中性原子变成一个自由电子和一个带正电的离子，这个过程称为电 离，达到电离所需要的最小能量称为电离能。
㈠ 碰撞电离定义：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离 在放电形成时 期主要取决于电子与气体分子的撞击.条件：（1）撞击粒子的总能量〉被撞粒子的电离能能量包括动能与位能 无电场时，动能小 有电场作用时，带电粒子在电场方向加速，但离子体积大，易碰撞损失动能，所以电场 中造成碰撞电离的主要因素是电子⑵ 一定的相互作用的时间和条件 通过复杂的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转 换主要影响因素有： 电场强度（外加电压及间隙距离），空气密度，气体分子性质等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、Y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 大且数目多），能量来自气体分子的热能 1000K 数量级Tf-分子动能f-碰撞电离Tf-热辐射光子的能量、数量f-光电离 热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合 高温时，气体分子分解或化合，电离能将改变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：1 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㈤ 负离子的形成中性分子或原子与电子相结合将放出能量称亲和能E，气体分子的这种俘获电子的性质被称为电负性电负性大 , 易形成负离子 负离子现象对气体放电的发展起抑制作用二．气体中带电粒子的消失1. 中和受电场力作用流入电极，中和电量2•扩散（分子热运动） 带电粒子由高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于均匀的过程 3•复合 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随电压f, 这些质点中和后，电流饱和，仍有极微小的泄漏电流 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，故电流极小场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，象雪崩似的增长，称电子崩。
电流大 增电子崩：外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子如果空间的电场强度足够大，该电 子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，初始电子和新电子继续向阳极运 动，又会引起新的碰撞电离，产生更多的电子 依次类推，电子数以几何级数不断增多， 象雪崩似的发展，这种急剧增大的空间电流被称为电子崩3. EVEcr （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 一火花放电（2） 、若间距较大（S大）：Uff刷形放电，Ufff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5 • S 值5：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 理也就有不同。
1） 当5 • 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5. S值的函数一一汤森德机理，5. S<0.26cm（2） 当5.S值较大时，实验表明，数据、现象与汤森德机理有矛盾，提出流注机理二.5. S值较小时气隙的击穿过程（汤森德机理）【需画图说明，参见备课笔记㈠ 汤森德气体放电机理适用范围：低气压、短间隙（5. S< 0.26 cm）；和汤森德气体放电机理其相关的3个参数：a电子游离系数（电子，气体分子，1cm，自由电子数）、B正离子游离系数（正离子，气体分子，1cm,自由电子数）、Y表面游离系数（正离子，阴极表面，自由电子数），上述个各个数值均为平均值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； 参数a （气体性质、大气压力、电场强度、均匀电场下为常数）B作用小可以忽略初始激发电子数为N ；到达阳极的电子数为N二Neas0 x 0若N =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0电发展的这种需要依靠外界游离因素支撑的放电称为非自持放电若N = 1，则产生的电子数和正离子数均为（eas -1）0⑵电子崩产生的正离子撞击到阴极表面时造成金属表面游离（至少一个电子逸出）当电压继续升高到U后，电流急剧增加，气隙转入良好的导电状态。
由于电压的增加, c游离将更为剧烈同时产生更多的正离子从上所述，一个电子在经过一段距离s后，产生的 阳离子个数为（eas -1） 个,这些正离子到达阴极以后，又能产生新的电子（Y作用，丫 << 1）则（eas -1）个正离子撞击阴极产生的电子数为丫 （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：丫 （e as — 1） > 1此时具有清晰的物理含义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Y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U0对于均匀电场，则气隙被击穿，此后可形成辉光放电或火花放电或电弧放电，起始放 电电压U就是气隙的击穿电压U0b对于不均匀电场，则在大曲率电极周围电场集中的区域发生电晕放电，而击穿电压Ub 要比起始放电电压U要高好多。
0以上所描述的均匀电场气隙的击穿放电的理论称为汤森德气体放电理论由Y （eas - 1） > 1推倒可得到Ub = f （S s）的关系（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§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53 2 1-53O 0532 1图－－均匀电场的帕邢曲线帕邢定律：击穿电压Ub=f （“S）（与的积有函数关系）1889 年由实验结果总结出解释：a）设S不变 入e短，聚能少，有效碰撞几率小f Ubf入e长，但气体分子少，碰撞少 fUbf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（Ubf）b）设§不变得一定的E,必须UbfS；fE大，但电子在全程中的碰撞次数少，必须Ubf有上述的介绍可以看出：当§ • 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Ubmin㈤ 汤森德放电机理的局限性当气隙气压升高至大气压，§S过大时，汤森德机理存在不足：1、 放电形式：在大气压下放电不再是辉光放电，而是火花通道（具有分支和不连续）2、 放电时间：放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间（电子崩产生使得均 压电场中气体整个间隙击穿）3、 与电极材料关系：阴极材料在放电过程中作用不大，即使没有Y作用，依然能自持 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三．流注机理1939 年，雷泽在实验的基础上建立起来了流注理论！流注形成的条件及自持放电及空 间光电离！5S值较大时气隙的击穿过程流注机理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，并强调空间 电荷畸变电场的作用！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。