高電壓技術(shù)課件第二章課件

第二章氣體放電的物理過(guò)程

氣體放電

研究在電場(chǎng)作用下，氣體間隙中帶電粒子的形成和運(yùn)動(dòng)過(guò)程氣隙中帶電粒子是如何形成的氣隙中的導(dǎo)電通道是如何形成的氣隙中導(dǎo)電通道形成后是如何維持持續(xù)放電的內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系主要內(nèi)容

氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失氣體放電機(jī)理電暈放電不均勻電場(chǎng)中氣體擊穿的發(fā)展過(guò)程雷電放電內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系電介質(zhì)的極化特點(diǎn)

電子位移極化

時(shí)間短，不引起能量損耗，在所有的電介質(zhì)內(nèi)都存在與溫度無(wú)關(guān)離子位移極化

時(shí)間較短，有極微量的能量損耗，在離子結(jié)合成的介質(zhì)內(nèi)，溫度升高極化率增大轉(zhuǎn)向極化

時(shí)間較長(zhǎng)，伴有能量損耗，在極性電介質(zhì)，受溫度影響空間電荷極化

時(shí)間緩慢，伴隨能量損耗，帶電質(zhì)點(diǎn)（電子或正、負(fù)離子）的在層式結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中移動(dòng)形成內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系名詞解釋

激勵(lì)電離電子平均自由行程復(fù)合電子崩內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系原子激勵(lì)

原子能級(jí)以電子伏為單位1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J原子激勵(lì)原子在外界因素作用下，其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)，所需能量稱為激勵(lì)能We，原子處于激勵(lì)態(tài)激勵(lì)狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，輻射出相應(yīng)能量的光子，光子（光輻射）的頻率υ，h普朗克常數(shù)

We=υh內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系原子激勵(lì)

原子處于激勵(lì)態(tài)的平均壽命只有10-7~10-8秒激勵(lì)電位：Ue=We/e幾種氣體和金屬蒸汽的第一激勵(lì)電位N：6.3V，N2：6.1VO：9.1V,，O2：沒(méi)有原子具有亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)，其壽命長(zhǎng)10-4~10-2秒內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系質(zhì)點(diǎn)的平均自由行程

自由行程一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通過(guò)的行程平均自由行程（λ）自由行程具有統(tǒng)計(jì)性，λ定義為質(zhì)點(diǎn)自由行程的平均值內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系第一節(jié)氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失

氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生（一）氣體分子本身的電離，可由下列因素引起：（1）電子或正離子與氣體分子的碰撞電離（2）各種光輻射（光電離）（3）高溫下氣體中的熱能（熱電離）（4）負(fù)離子的形成（二）氣體中的固體或液體金屬的表面電離內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系1、碰撞電離（撞擊電離）

必要條件：撞擊質(zhì)點(diǎn)所具有的總能量（包括動(dòng)能和勢(shì)能）大于被撞擊質(zhì)點(diǎn)在該種狀態(tài)下所需的電離能需要一定的相互用用的時(shí)間和條件僅考慮動(dòng)能，在電場(chǎng)作用下，撞擊質(zhì)點(diǎn)被加速而獲得動(dòng)能。將可能引起碰撞電離的條件內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系1、碰撞電離（撞擊電離）

碰撞電離的形成與電場(chǎng)強(qiáng)度和平均自由行程的大小有關(guān)氣體放電中，碰撞電離主要是電子和氣體分子碰撞而引起的內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系2、光電離

光輻射引起的氣體分子的電離過(guò)程稱為光電離自然界、人為照射、氣體放電過(guò)程。光子能量滿足下面條件，將引起光電離，分解成電子（光電子）和正離子光輻射能夠引起光電離的臨界波長(zhǎng)（即最大波長(zhǎng)）：內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系2、光電離

銫蒸汽的電離電位最?。?.88V），產(chǎn)生直接光電離的波長(zhǎng)應(yīng)小于318nm（紫外）對(duì)所有氣體來(lái)說(shuō)，在可見(jiàn)光（400～750nm）的作用下，一般是不能發(fā)生直接光電離的分級(jí)電離（先激勵(lì)，再電離）光電離在氣體放電中起重要作用反激勵(lì)、復(fù)合釋放具有一定能量的光子(具有較大的初始速度)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系3、熱電離

熱電離實(shí)質(zhì)上是熱狀態(tài)下碰撞電離和光電離的綜合例如：發(fā)生電弧放電時(shí)，氣體溫度可達(dá)數(shù)千度，氣體分子動(dòng)能就足以導(dǎo)致發(fā)生明顯的碰撞電離，高溫下高能熱輻射光子也能造成氣體的電離內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系4、負(fù)離子的形成

有時(shí)電子和氣體分子碰撞非但沒(méi)有電離出新電子，反而是碰撞電子附著分子，形成了負(fù)離子形成負(fù)離子時(shí)可釋放出能量有些氣體容易形成負(fù)離子，稱為電負(fù)性氣體（如氧、氟、氯等），SF6在工業(yè)上有典型應(yīng)用負(fù)離子的形成起著阻礙放電的作用內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系光電效應(yīng)金屬表面受到短波光的照射。同樣的光輻射引起的電極表面電離要比引起空間光電離強(qiáng)烈得多強(qiáng)場(chǎng)放射（冷放射）當(dāng)陰極附近所加外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，可使陰極發(fā)射出電子。場(chǎng)強(qiáng)在106V/cm左右，一般氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)低于此值此情況會(huì)出現(xiàn)在高氣壓間隙和高真空間隙放電中熱電子放射當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時(shí)，其中的電子獲得巨大動(dòng)能，逸出金屬表面對(duì)于某些電弧放電的過(guò)程有重要的意義內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極時(shí)把能量（主要是勢(shì)能）傳遞給金屬中的電子，使其逸出金屬正離子必須碰撞出一個(gè)以上電子時(shí)才能產(chǎn)生自由電子正離子與電子復(fù)合時(shí)發(fā)出的勢(shì)能起作用逸出的電子有一個(gè)和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系1.帶電質(zhì)點(diǎn)電場(chǎng)作用下流入電極并中和電量帶電質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生以后，在外電場(chǎng)作用下將作定向運(yùn)動(dòng)，形成電流：帶電質(zhì)點(diǎn)在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度下運(yùn)動(dòng)達(dá)到某種穩(wěn)定狀態(tài)，保持平均速度，即上述的帶電質(zhì)點(diǎn)的驅(qū)引速度電子遷移率比離子遷移率大兩個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系2、帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散

帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散是由于熱運(yùn)動(dòng)造成，帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散規(guī)律和氣體的擴(kuò)散規(guī)律相似氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和氣體狀態(tài)有關(guān)，氣體壓力越高或者溫度越低，擴(kuò)散過(guò)程也就越弱電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運(yùn)動(dòng)速度很高，它在熱運(yùn)動(dòng)中受到的碰撞也較少，因此，電子的擴(kuò)散過(guò)程比離子的要強(qiáng)得多內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系3、帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合

正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過(guò)程在帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過(guò)程中會(huì)發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又成為導(dǎo)致電離的因素參與復(fù)合的質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度愈大，復(fù)合概率愈小。通常放電過(guò)程中離子間的復(fù)合更為重要帶電質(zhì)點(diǎn)濃度越大，復(fù)合速度越大，強(qiáng)烈的電離區(qū)也是強(qiáng)烈的復(fù)合區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系1、電場(chǎng)作用下氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)

帶電質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生以后，在外電場(chǎng)作用下將作定向運(yùn)動(dòng)，形成電流：帶電質(zhì)點(diǎn)在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度下運(yùn)動(dòng)達(dá)到某種穩(wěn)定狀態(tài)，保持平均速度，即上述的帶電質(zhì)點(diǎn)的驅(qū)引速度電子遷移率比離子遷移率大兩個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系2、帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散

帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散是由于熱運(yùn)動(dòng)造成，帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散規(guī)律和氣體的擴(kuò)散規(guī)律相似氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和氣體狀態(tài)有關(guān)，氣體壓力越高或者溫度越低，擴(kuò)散過(guò)程也就越弱電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運(yùn)動(dòng)速度很高，它在熱運(yùn)動(dòng)中受到的碰撞也較少，因此，電子的擴(kuò)散過(guò)程比離子的要強(qiáng)得多內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系3、帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合

正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過(guò)程在帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過(guò)程中會(huì)發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又成為導(dǎo)致電離的因素參與復(fù)合的質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度愈大，復(fù)合概率愈小。通常放電過(guò)程中離子間的復(fù)合更為重要帶電質(zhì)點(diǎn)濃度越大，復(fù)合速度越大，強(qiáng)烈的電離區(qū)也是強(qiáng)烈的復(fù)合區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系第二節(jié)氣體放電機(jī)理

氣體放電的主要形式非自持放電和自持放電湯森德氣體放電理論流注放電理論內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系第二節(jié)氣體放電機(jī)理

1、氣體放電的主要形式外電離因數(shù)：宇宙線、地面上的放射性輻射、太陽(yáng)光中的紫外線等1cm3氣體介質(zhì)中每秒產(chǎn)生一對(duì)離子，達(dá)到平衡狀態(tài)，離子濃度約為500~1000對(duì)/cm3內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系非自持放電

外施電壓小于U0時(shí)，間隙電流遠(yuǎn)小于微安級(jí)，此階段氣體絕緣性能完好電流要依靠外電離因素來(lái)維持。如果取消外電離因素，那么電流也將消失U0以前的放電形式稱為非自持放電內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系自持放電

當(dāng)電壓達(dá)到U0后，氣體中發(fā)生了強(qiáng)烈的電離，電產(chǎn)生電子崩，電流劇增氣體中電離過(guò)程只靠電場(chǎng)作用可自行維持，不再需要外電離因素了U0以后的放電形式稱為自持放電內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系非自持放電和自持放電由非持放電轉(zhuǎn)入自持放電的電場(chǎng)強(qiáng)稱為臨界場(chǎng)強(qiáng)(Ecr)，相應(yīng)的電壓稱為臨界電壓(Ucr)如電場(chǎng)比較均勻，則間隙將被擊穿，此后根據(jù)氣壓、外回路阻抗等條件形成輝光放電、火花放電或電弧放電，而間隙的擊穿電壓Ub也就是形成自持放電的臨界電壓Ucr如電場(chǎng)極不均勻，則當(dāng)放電由非自持轉(zhuǎn)入自持時(shí)，在大曲率電極表面電場(chǎng)集中的區(qū)域發(fā)生電暈放電，這時(shí)臨界電壓是間隙的電暈起始電壓，而擊穿電壓可能比起始電壓高很多內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系1、氣體放電的主要形式根據(jù)氣體壓力、電源功率、電極形狀等因素的不同，擊穿后氣體放電可具有多種不同形式。利用放電管可以觀察放電現(xiàn)象的變化內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系

輝光放電電弧放電火花放電電暈放電刷狀放電輝光放電

當(dāng)氣體壓力不大，電源功率很?。ǚ烹娀芈分写牒艽笞杩梗r(shí)，外施電壓增到一定值后，回路中電流突增至明顯數(shù)值，管內(nèi)陰極和陽(yáng)極間整個(gè)空間忽然出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象特點(diǎn)是放電電流密度較小，放電區(qū)域通常占據(jù)了整個(gè)電極間的空間。霓虹管中的放電就是輝光放電的例子，管中所充氣體不同，發(fā)光顏色也不同內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系火花放電

在較高氣壓（例如大氣壓力）下，擊穿后總是形成收細(xì)的發(fā)光放電通道，而不再擴(kuò)散于間隙中的整個(gè)空間。當(dāng)外回路中阻抗很大，限制了放電電流時(shí)，電極間出現(xiàn)貫通兩極的斷續(xù)的明亮細(xì)火花火花放電的特征是具有收細(xì)的通道形式，并且放電過(guò)程不穩(wěn)定內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系電弧放電

減小外回路中的阻抗，則電流增大，電流增大到一定值后，放電通道收細(xì)，且越來(lái)越明亮，管端電壓則更加降低，說(shuō)明通道的電導(dǎo)越來(lái)越大電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度極大，電路具有短路的特征內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系電暈放電

電極曲率半徑很小或電極間距離很遠(yuǎn)（電場(chǎng)極不均勻），當(dāng)電壓升高到一定值后，首先在緊貼電極電場(chǎng)最強(qiáng)處出現(xiàn)發(fā)光層，回路中出現(xiàn)用一般儀表即可察覺(jué)的電流。隨著電壓升高，發(fā)光層擴(kuò)大，放電電流也逐漸增大發(fā)生電暈放電時(shí)，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小，間隙仍能耐受電壓的作用內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系刷狀放電

電極間距較大、電場(chǎng)極不均勻情況下，如電壓繼續(xù)升高，從電暈電極伸展出許多較明亮的細(xì)線狀光束，稱為刷狀放電電壓再升高，根據(jù)電源功率而轉(zhuǎn)入火花放電或電弧放電，最后整個(gè)間隙被擊穿電場(chǎng)稍不均勻則可能不出現(xiàn)刷狀放電，而由電暈放電直接轉(zhuǎn)入擊穿內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系2、湯森德氣體放電理論

湯森德（Townsend）放電理論流注（Streamer）放電理論這兩種理論互相補(bǔ)充，可以說(shuō)明廣闊的δ?S（δ為氣體的相對(duì)密度，以標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的大氣密度為基準(zhǔn)；S為氣隙距離）范圍內(nèi)氣體放電的現(xiàn)象內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系2、湯森德氣體放電理論

α過(guò)程（電子崩的形成）γ過(guò)程自持放電條件α過(guò)程和γ過(guò)程同時(shí)作用產(chǎn)生的電流擊穿電壓、帕邢定律湯森德放電理論的適用范圍內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系2、湯森德氣體放電理論20世紀(jì)初，湯森德根據(jù)大量的試驗(yàn)研究結(jié)果，提出了較均勻電場(chǎng)和δ?S較小時(shí)氣體放電理論理論認(rèn)為，電子的碰撞電離和正離子撞擊陰極造成的表面電離起主要作用提出氣隙放電電流和擊穿電壓的計(jì)算公式內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系α過(guò)程（電子崩的形成）

一個(gè)起始電子自電場(chǎng)獲得動(dòng)能后，會(huì)碰撞電離出一個(gè)第二代電子這兩個(gè)電子作為新的第一代電子，又將電離出新的第二代電子，這時(shí)空間已存在四個(gè)自由電子這樣一代一代不斷增加的過(guò)程，會(huì)使電子數(shù)目迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣，形成了電子崩內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系電子崩內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系α過(guò)程α電離系數(shù)定義：一個(gè)電子沿著電場(chǎng)方向行經(jīng)1cm長(zhǎng)度，與氣體分子發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的自由電子數(shù)α即是一個(gè)電子在單位長(zhǎng)度行程內(nèi)新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系α過(guò)程設(shè)：在外電離因素光輻射的作用下，單位時(shí)間內(nèi)陰極單位面積產(chǎn)生n0個(gè)電子在距離陰極為x的橫截面上，

單位時(shí)間內(nèi)單位面積有n

個(gè)電子飛過(guò)這n個(gè)電子行過(guò)dx之后，又會(huì)產(chǎn)生dn個(gè)新的電子dn=nαdx將此式積分，可得電子的增長(zhǎng)規(guī)律為內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系α過(guò)程對(duì)于均勻電場(chǎng)，α不隨空間位置而變相應(yīng)的電子電流增長(zhǎng)規(guī)律為令x=S，得進(jìn)入陽(yáng)極的電子電流，即外回路中的電流內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系γ過(guò)程

正離子在間隙中造成的空間電離過(guò)程不可能具有顯著作用，一般不考慮β過(guò)程正離子向陰極移動(dòng)，依靠它所具有的動(dòng)能及位能，在撞擊陰極時(shí)能引起表面電離，使陰極釋放出自由電子γ電離系數(shù)定義一個(gè)正離子碰撞到陰極表面時(shí)使陰極金屬表面平均釋放出的自由電子數(shù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系γ過(guò)程從陰極飛出n0個(gè)電子，到達(dá)陽(yáng)極后電子數(shù)將增加為正離子數(shù)為正離子到達(dá)陰極，從陰極電離出的電子數(shù)為內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系自持放電條件設(shè)＝1放電有非自持轉(zhuǎn)入自持的條件為在均勻電場(chǎng)中，這也就是間隙擊穿的條件，上式具有清楚的物理意義內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系當(dāng)自持放電條件得到滿足時(shí)，就會(huì)形成圖解中閉環(huán)部分所

示的循環(huán)不息的狀態(tài)，放電就能自己維持下去內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系α過(guò)程和γ過(guò)程同時(shí)作用產(chǎn)生的電流設(shè)：n0表示在外電離因素作用下單位時(shí)間內(nèi)陰極單位面積產(chǎn)生的電子數(shù)Δn表示單位時(shí)間內(nèi)陰極單位面積由于γ過(guò)程產(chǎn)生的電子數(shù)則單位時(shí)間內(nèi)陰極單位面積上產(chǎn)生的電子總數(shù)從陰極出來(lái)的電子到達(dá)陽(yáng)極后，電子數(shù)na成為內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系α過(guò)程和γ過(guò)程同時(shí)作用產(chǎn)生的電流產(chǎn)生的正離子數(shù)為陰極金屬平均釋放出的電子數(shù)得回路電流放電自持的條件為內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系擊穿電壓、帕邢定律擊穿電壓：根據(jù)自持放電條件推導(dǎo)擊穿電壓設(shè)電子在均勻電場(chǎng)中行經(jīng)距離x而未發(fā)生碰撞，電子從電場(chǎng)獲得的能量為eEx，電子如要能夠引起碰撞電離，必須滿足條件eEx≥Wi或Ex≥

Ui只有那些自由行程超過(guò)xi＝Ui／E的電子，才能與分子發(fā)生碰撞電離。若電子的平均自由行程為λe，自由行程大于xi的概率為內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系擊穿電壓、帕邢定律在lcm長(zhǎng)度內(nèi)，一個(gè)電子的平均碰撞次數(shù)為l/λe是一個(gè)電子自由行程超過(guò)xi而發(fā)生的碰撞數(shù)，即碰撞電離次數(shù)根據(jù)系數(shù)α定義，有并令A(yù)Ui＝B，可得內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系擊穿電壓、帕邢定律將α的計(jì)算式代入自持放電條件得到擊穿電壓Ub結(jié)論：均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿電壓Ub是氣體相對(duì)密度和電極間距離的乘積δS的函數(shù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系擊穿電壓、帕邢定律系數(shù)A及B和溫度有關(guān)。當(dāng)氣體溫度不變時(shí)擊穿電壓Ub溫度不變時(shí)，均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿電壓Ub是氣體壓力和電極間距離的乘積pS的函數(shù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系大量的試驗(yàn)證明，在δ?S較小的情況下，氣體的擊穿電壓與δ?S具有有穩(wěn)定的關(guān)系，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值較吻合試驗(yàn)證明，在δ?S較小的情況下，擊穿電壓受γ（陰極材料）的影響內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系擊穿電壓、帕邢定律帕邢（Paschen）定律內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系擊穿電壓與δ?S的規(guī)律在湯遜碰撞電離學(xué)說(shuō)提出之前，帕邢已從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)了，湯遜理論從理論上解釋了試驗(yàn)結(jié)果帕邢定律從試驗(yàn)曲線上可以看出，存在一個(gè)最小值氣壓很小時(shí)，氣體稀薄，雖然電子自由程大，可以得到足夠的動(dòng)能，但碰撞總數(shù)小，所以擊穿電壓升高氣體增大時(shí)，電子自由程變小，得到的動(dòng)能減小，所以擊穿電壓升高?？傆幸粋€(gè)氣壓對(duì)碰撞電離最有利，此時(shí)擊穿電壓最小內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系湯森德放電理論的適用范圍湯遜氣體放電模型只適用于δ?S較小的情況當(dāng)δ?S過(guò)小或過(guò)大時(shí)，放電機(jī)理會(huì)出現(xiàn)變化例如δ?S極小時(shí)（氣壓極低時(shí)），電子的自由程遠(yuǎn)大于間隙距離，碰撞電離不可能發(fā)生，按湯遜理論擊穿電壓應(yīng)無(wú)限大。事實(shí)上場(chǎng)致發(fā)射在真空中起作用例如電力工程上經(jīng)常接觸到的是氣壓較高的情況（從一個(gè)大氣壓到數(shù)十個(gè)大氣壓），間隙距離通常也很大，氣體擊穿的很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和電壓值都無(wú)法在湯森德理論中得到解釋內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系兩者間的主要差異如下：1.放電外形湯森德：均勻連續(xù)，如輝光放電大氣壓：分枝的明細(xì)通道2.放電時(shí)間火花放電時(shí)間的實(shí)測(cè)值比湯森德理論的計(jì)算值（正離子到達(dá)陰極造成二次電子所用時(shí)間）要小得多內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系3.擊穿電壓湯森德自持放電條件求得的擊穿電壓和大氣壓實(shí)驗(yàn)值有很大出入4.陰極材料的影響湯森德：和陰極材料有關(guān)大氣壓：實(shí)測(cè)擊穿電壓和陰極材料無(wú)關(guān)大氣壓下氣體放電有新的機(jī)制內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系3、流注放電理論

對(duì)象：工程上感興趣的壓力較高的氣體擊穿，如大氣壓力下空氣的擊穿特點(diǎn)：認(rèn)為電子碰撞電離及空間光電離是維持自持放電的主要因素，并強(qiáng)調(diào)了空間電荷畸變電場(chǎng)的作用通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究（主要在電離室中進(jìn)行的）說(shuō)明放電發(fā)展的機(jī)理內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系電離室內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系3、流注放電理論

電子崩階段空間電荷畸變外電場(chǎng)流注階段電離形成二次電子崩，等離子體自持放電條件流注理論對(duì)δS較大時(shí)放電現(xiàn)象的解釋內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系電子崩階段電子崩外形好似球頭的錐體，空間電荷分布極不均勻，電子崩中的電子數(shù)：例如，正常大氣條件下，若E＝30kV／cm，則α≈11cm-1，計(jì)算隨著電子崩向陽(yáng)極推進(jìn)，崩頭中的電子數(shù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系空間電荷畸變了外電場(chǎng)大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾的電場(chǎng)，削弱了崩頭內(nèi)正、負(fù)電荷區(qū)域之間的電場(chǎng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系電子崩頭部電場(chǎng)明顯增強(qiáng)，電離過(guò)程強(qiáng)烈，有利于發(fā)生分子和離子的激勵(lì)現(xiàn)象，當(dāng)它們回復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，發(fā)射出光子崩頭內(nèi)部正負(fù)電荷區(qū)域電場(chǎng)大大削弱，有助于發(fā)生復(fù)合過(guò)程，發(fā)射出光子流注階段光電離、二次崩電子崩走完整個(gè)間隙后,大密度的頭部正離子空間電荷大大加強(qiáng)了后部的電場(chǎng)，并向周圍放射出大量光子光子引起空間光電離，其中電子被主電子崩頭部的正空間電荷所吸引，在受到畸變而加強(qiáng)了的電場(chǎng)中，造成了新的電子崩，稱為二次電子崩內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系正流注的形成（外加電壓等于擊穿電壓時(shí)）二次電子崩中的電子進(jìn)入主電子崩頭部的正空間電荷區(qū)（電場(chǎng)強(qiáng)度較小），大多形成負(fù)離子。大量的正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成了等離子體，這就是正流注流注通道導(dǎo)電性良好，其頭部又是二次電子崩形成的正電荷，因此流注頭部前方出現(xiàn)了很強(qiáng)的電場(chǎng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系正流注向陰極推進(jìn)流注頭部的電離放射出大量光子，繼續(xù)引起空間光電離。流注前方出現(xiàn)新的二次電子崩，它們被吸引向流注頭部，延長(zhǎng)了流注通道流注不斷向陰極挺進(jìn)，且隨著流注接近陰極，其頭部電場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)，因而其發(fā)展也越來(lái)越快流注發(fā)展到陰極，間隙被導(dǎo)電良好的等離子通道所貫通，間隙的擊穿完成，這個(gè)電壓就是擊穿電壓內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系流注條件流注的特點(diǎn)是電離強(qiáng)度很大和傳播速度很快，出現(xiàn)流注后，放電便獲得獨(dú)立繼續(xù)發(fā)展的能力，而不再依賴外界電離因子的作用，可見(jiàn)這時(shí)出現(xiàn)流注的條件也就是自持放電的條件。流注時(shí)初崩頭部的空間電荷必須達(dá)到某一個(gè)臨界值。對(duì)均勻電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，自持放電條件為：常數(shù)常數(shù)或內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系實(shí)驗(yàn)研究所得出的常數(shù)值為：或可見(jiàn)初崩頭部的電子數(shù)要達(dá)到108時(shí)，放電才能轉(zhuǎn)為自持，出現(xiàn)流注。負(fù)流注的形成（電壓高于擊穿電壓）電壓較低時(shí)，電子崩需經(jīng)過(guò)整個(gè)間隙才形成流注，電壓較高時(shí)，電子崩不需經(jīng)過(guò)整個(gè)間隙，其頭部電離程度已足以形成流注主電子崩頭部的電離很強(qiáng)烈，光子射到主崩前方，在前方產(chǎn)生新的電子崩，主崩頭部的電子和二次崩尾的正離子形成混合通道，形成向陽(yáng)極推進(jìn)的流注，稱為負(fù)流注間隙中的正、負(fù)流注可以同時(shí)向兩極發(fā)展。內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系正流注的分支（高電壓時(shí)）

在較高電壓下，正流注的發(fā)展可能出現(xiàn)分支均勻電場(chǎng)中形成流注的機(jī)制：初始電子崩頭部的電荷必須積累到一定的程度，使電場(chǎng)畸變并加強(qiáng)到一定程度，已造成足夠的空間光電離內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果：電子崩電子崩在空氣中的發(fā)展速度約為1.25×107cm/s內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果：正流注在電離室中得到的陽(yáng)極流注發(fā)展過(guò)段的照片正流注的發(fā)展速度約為1×108～2×108cm/s內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

電子崩是沿著電力線直線發(fā)展，流注會(huì)出現(xiàn)曲折的分支電子崩可以同時(shí)有多個(gè)互不影響地向前發(fā)展當(dāng)某個(gè)流注由于偶然的原因向前發(fā)展得更快時(shí)，其周圍的流注會(huì)受到抑制湯森德放電是彌散的一片，流注放電有明亮的細(xì)通道內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系3、流注放電理論自持放電條件一旦形成流注，放電就進(jìn)入了新的階段，放電可以由本身產(chǎn)生的空間光電離而自行維持，即轉(zhuǎn)入自持放電了如果電場(chǎng)均勻，間隙就將被擊穿。所以流注形成的條件就是自持放電條件，在均勻電場(chǎng)中也就是導(dǎo)致?lián)舸┑臈l件內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系流注理論對(duì)δS較大時(shí)放電現(xiàn)象的解釋

放電外形：δS較大時(shí)，放電具有通道形式流注中電荷密度很大，電導(dǎo)很大，其中電場(chǎng)強(qiáng)度很小。因此流注出現(xiàn)后，對(duì)周圍空間內(nèi)的電場(chǎng)有屏蔽作用，并且隨著其向前發(fā)展而更為增強(qiáng)當(dāng)某個(gè)流注由于偶然原因發(fā)展更快時(shí)，將抑制其它流注的形成和發(fā)展，并且隨著流注向前推進(jìn)而越來(lái)越強(qiáng)烈內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統(tǒng)計(jì)性，所以火花通道常是曲折的，并帶有分枝電子崩則不然，由于其中電荷密度較小，故電場(chǎng)強(qiáng)度還很大，因而不致影響到鄰近空間內(nèi)的電場(chǎng)，所以不會(huì)影響其它電子崩的發(fā)展，如圖所示。這就可以說(shuō)明，湯遜放電呈連續(xù)一片內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系流注理論對(duì)δS很大時(shí)放電現(xiàn)象的解釋

放電時(shí)間光子以光速傳播，所以流注發(fā)展速度極快，這就可以說(shuō)明δS很大時(shí)放電時(shí)間特別短的現(xiàn)象陰極材料的影響根據(jù)流注理論，維持放電自持的是空間光電離，而不是陰極表面的電離過(guò)程，這可說(shuō)明為何很大δS下?lián)舸╇妷汉完帢O材料基本無(wú)關(guān)了內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系流注理論現(xiàn)存的問(wèn)題

只有放電的定性描述，沒(méi)有定量描述缺少數(shù)學(xué)模型太依賴于實(shí)驗(yàn)小結(jié)（本節(jié)完）流注理論考慮了以下因素空間電荷對(duì)原有電場(chǎng)的影響空間光電離的作用流注理論適用于高氣壓、長(zhǎng)氣隙下的放電內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系第三節(jié)電暈放電

1.發(fā)生電暈放電現(xiàn)象的條件2.電暈放電效應(yīng)3.對(duì)工程實(shí)踐的重要意義內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系不均勻系數(shù)f

引入電場(chǎng)不均勻系數(shù)f表示各種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)的均勻程度f(wàn)<2，稍不均勻電場(chǎng)f>4，極不均勻電場(chǎng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系1、發(fā)生電暈放電現(xiàn)象的條件電場(chǎng)比較均勻的情況放電達(dá)到自持時(shí)，α在整個(gè)間隙中部巳達(dá)到相當(dāng)數(shù)值。這時(shí)和均勻電場(chǎng)中情況類似電場(chǎng)不均勻程度增加但仍比較均勻的情況大曲率電極附近α達(dá)到足夠數(shù)值，間隙中很大一部分區(qū)域α也都已達(dá)相當(dāng)數(shù)值，流注一經(jīng)產(chǎn)生，隨即發(fā)展至貫通整個(gè)間隙，導(dǎo)致間隙完全擊穿內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系1、發(fā)生電暈放電現(xiàn)象的條件電場(chǎng)極不均勻的情況大曲率電極附近很小范圍內(nèi)α已達(dá)相當(dāng)數(shù)值時(shí)，間隙中大部分區(qū)域值α都仍然很小，放電達(dá)到自持放電后，間隙沒(méi)有擊穿電場(chǎng)越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓間的差別也越大局部強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的放電過(guò)程造成------自持放電內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系2、電暈放電的效應(yīng)

咝咝的聲音、臭氧的氣味、電極附近空間藍(lán)色的暈光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新物質(zhì)回路電流明顯增加(絕對(duì)值仍很小)，可以測(cè)量到能量損失產(chǎn)生高頻脈沖電流-----干擾源內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系高頻脈沖電流尖極為負(fù)的電暈1.到一定值時(shí)，有規(guī)律的重復(fù)電流脈沖，平均電流為μA2.升高脈沖幅值基本不變，頻率增高，平均電流增大3.再升高，電暈電流為持續(xù)電流，平均值繼續(xù)增大4.繼續(xù)升高，出現(xiàn)不規(guī)則的電流脈沖，幅值大得多---流注型(a)時(shí)間刻度T=125μs(b)0.7μA電暈電流平均值(c)2μA電暈電流平均值內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系高頻脈沖電流

尖極為正的電暈1.電壓達(dá)到一定值，電暈電流為無(wú)規(guī)律的重復(fù)電流脈沖2.電壓升高，脈沖特性愈來(lái)愈不顯著，電暈電流轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)電流3.電壓繼續(xù)升高，出現(xiàn)幅值大得多的不規(guī)則的流注型電暈電流脈沖內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系2、電暈放電的效應(yīng)

對(duì)工程實(shí)踐有重要意義不利影響：能量損失；放電脈沖引起的高頻電磁波干擾；化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕作用等有利方面：電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅值及陡度；利用電暈放電改善電場(chǎng)分布，提高擊穿電壓；利用電暈放電除塵等內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系3、直流輸電線上的電暈

單導(dǎo)線表面電暈的臨界場(chǎng)強(qiáng)皮克實(shí)驗(yàn)：同心圓筒r0：起暈導(dǎo)線的半徑，cm：空氣的相對(duì)密度適用導(dǎo)線與平行平面電極之間的電暈放電內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系3、直流輸電線上的電暈

雙平行導(dǎo)線表面電暈的臨界場(chǎng)強(qiáng)皮克實(shí)驗(yàn)Ucor：導(dǎo)線相對(duì)零電位平面的電壓2H：兩平行起暈導(dǎo)線間的距離，cm雙平行導(dǎo)線的起暈電壓比單導(dǎo)線的要低，原因：導(dǎo)線周圍空間電荷對(duì)電場(chǎng)的影響內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系3、交流輸電線上的電暈

單導(dǎo)線表面電暈的臨界場(chǎng)強(qiáng)皮克實(shí)驗(yàn)r0：起暈導(dǎo)線的半徑，δ：空氣的相對(duì)密度；m1：氣象系數(shù)，0.8-1.0m2

：導(dǎo)線表面狀態(tài)系數(shù)，0.8-1.0內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系3、交流輸電線上的電暈

三相導(dǎo)線對(duì)稱排列，導(dǎo)線表面電暈的臨界場(chǎng)強(qiáng)r0：起暈導(dǎo)線的半徑，δ：空氣的相對(duì)密度；m1：氣象系數(shù)，0.8-1.0m2

：導(dǎo)線表面狀態(tài)系數(shù)，0.8-1.0內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系第四節(jié)不均勻電場(chǎng)中氣體擊穿的發(fā)展過(guò)程

1.短間隙的放電過(guò)程2.長(zhǎng)間隙的放電過(guò)程內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系1、極不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程（短間隙）

非自持放電階段流注發(fā)展階段內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系1、極不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程（短間隙）

以棒－板間隙為例非自持放電階段當(dāng)棒具有正極性時(shí)在棒極附近，積聚起正空間電荷，減少了緊貼棒極附近的電場(chǎng)，而略微加強(qiáng)了外部空間的電場(chǎng)，棒極附近難以造成流注，使得自持放電、即電暈放電難以形成Eex—外電場(chǎng)Esp—空間電荷的電場(chǎng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系當(dāng)棒具有負(fù)極性時(shí)電子崩中電子離開強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)后，不再引起電離，正離子逐漸向棒極運(yùn)動(dòng)，在棒極附近出現(xiàn)了比較集中的正空間電荷，使電場(chǎng)畸變棒極附近的電場(chǎng)得到增強(qiáng)，因而自待放電條件就易于得到滿足、易于轉(zhuǎn)入流注而形成電暈放電Eex—外電場(chǎng)Esp—空間電荷的電場(chǎng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系實(shí)驗(yàn)表明：棒—板間隙中棒為正極性時(shí)電暈起始電壓比負(fù)極性時(shí)略高極性效應(yīng)

內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系當(dāng)棒具有正極性時(shí)電子崩進(jìn)入棒電極，正電荷留在棒尖加強(qiáng)了前方（板極方向）的電場(chǎng)（曲線2）電場(chǎng)的加強(qiáng)對(duì)形成流注發(fā)展有利。頭部前方產(chǎn)生新電子崩，吸引入流注頭部正電荷區(qū)內(nèi)，加強(qiáng)并延長(zhǎng)流注通道流注及其頭部的正電荷使強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)更向前移（曲線3），促進(jìn)流注通道進(jìn)一步發(fā)展，逐漸向陰極推進(jìn)，形成正流注流注發(fā)展階段內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系當(dāng)棒具有負(fù)極性時(shí)電子崩由強(qiáng)場(chǎng)區(qū)向弱場(chǎng)區(qū)發(fā)展，對(duì)電子崩發(fā)展不利。棒極前的正電荷區(qū)消弱了前方（陽(yáng)極方向）空間的電場(chǎng)，使流注發(fā)展不利（曲線2）等離子體層前方電場(chǎng)足夠強(qiáng)后，發(fā)展新電子崩，形成了大量二次電子崩，匯集起來(lái)后使得等離子體層向陽(yáng)極推進(jìn)，形成負(fù)流注內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系實(shí)驗(yàn)表明：棒—板間隙中棒為負(fù)極性時(shí)擊穿電壓比正極性時(shí)高極性效應(yīng)

內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系外電壓較低時(shí)，流注通道深入間隙一段距離后，就停止不前了，形成電暈放電或刷狀放電外電壓足夠高時(shí)，流注通道將一直達(dá)到另一電極，從而導(dǎo)致間隙完全擊穿放電進(jìn)一步發(fā)展

內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系非自持放電階段流注發(fā)展階段先導(dǎo)放電??熱電離過(guò)程主放電階段2、極不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程（長(zhǎng)間隙）

內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系先導(dǎo)通道流注通道發(fā)展到足夠的長(zhǎng)度后，將有較多的電子循通道流向電極，通過(guò)通道根部的電子最多，于是流注根部溫度升高，出現(xiàn)了熱電離過(guò)程,這個(gè)具有熱電離過(guò)程的通道稱為先導(dǎo)通道先導(dǎo)放電內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系負(fù)棒—正板，正空間電荷大大加強(qiáng)棒極附近原已很強(qiáng)的電場(chǎng)，該區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈的電離，高場(chǎng)強(qiáng)和大電流密度，使棒極附近產(chǎn)生熱電離，形成負(fù)先導(dǎo)負(fù)空間電荷在通道前端形成反向電場(chǎng)—電場(chǎng)屏蔽，屏蔽減弱后，發(fā)展新負(fù)流注、新負(fù)先導(dǎo)，因此，負(fù)先導(dǎo)具有分級(jí)的特性前伸的平均速度是正先導(dǎo)的1/5~1/3負(fù)先導(dǎo)

內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系條件：上電極為正先導(dǎo)，下電極的幾何結(jié)構(gòu)能提供局部強(qiáng)場(chǎng)上電極為負(fù)先導(dǎo)，下電極的幾何結(jié)構(gòu)無(wú)特殊要求，平板、尖端雷電放電多為負(fù)先導(dǎo)，接地的建筑物上可產(chǎn)生向上的迎面先導(dǎo)，其影響到下行先導(dǎo)的發(fā)展路線及雷擊點(diǎn)迎面先導(dǎo)

內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣工程系主放電當(dāng)先導(dǎo)通道頭部極為接近板極時(shí)，間隙場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)極大數(shù)值，引起強(qiáng)烈的電離，間隙中出現(xiàn)離子濃度遠(yuǎn)大于先導(dǎo)通道的等離子體新出現(xiàn)的通道大致具有極板