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。

自持放电条件：

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。

)()/exp(EfEBA1ln1)1(ded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。

流注自持放电条件：

初崩头部电子数要达到10的8次方时，放电才能转为自持，出现流注。

小 结

1.汤逊理论只适用于pd值较小的范围，流注理论只适用于pd值较大的范围，二者过渡值为pd=26.66kPa·cm；

(1)汤逊理论的基本观点：

电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。

(2)流注理论的基本观点：

① 以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程；

② 放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达10的8次方以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注；

③ 流注一旦形成，放电转入自持。

2. 引起气体放电的外部原因有两个，其一是电场作用，其二是外电离因素。

把去掉外界因素作用后，放电立即停止的放电形式称为非自持放电；把由电场作用就能维持的放电称为自持放电。

3. 汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较

(1)汤逊理论：自持放电由阴极过程来维持；

流注理论：依赖于空间光电离。

(2) γ系数的物理意义不同。

电场不均匀程度的划分

➢ 电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压之间的差别越大；

➢ 从放电观点看：电场的不均匀程度可以根据是否存在稳定的电晕放电来区分；

➢ 从电场均匀程度看：可用电场的不均匀系数划分；

f<2时为稍不均匀电场；

f>4时为极不均匀电场。

➢ 稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场相似，属于流注击穿，击穿条件就是自持放电条件，无电晕产生。

➢ 但稍不均匀电场中场强并非处处相等. 201lnd810deavEEfmax

电晕放电

➢ 定义：由于电场强度沿气隙的分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近空间的电场强度首先达到了起始场强E0，因而在这个局部区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电 ，开始出现电晕放电的电压成为电晕起始电压。

➢ 特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。

极性效应

极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。

极性决定于表面电场较强的电极所具有的电位符号：

❖ 在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如“棒-板”气隙。

❖ 在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的那个电极上的电位，如“棒-棒”气隙。

正极性

（1）自持放电前阶段

正空间电荷削弱棒极附近场强而加强外部电场，阻止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高；

（2）自持放电阶段

空间电荷加强放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高时，强场区将逐渐向极板推进至击穿。

负极性

（1）自持放电前阶段：正空间电荷加强棒极附近场强而削弱外部电场，促进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低。

（2）自持放电阶段：空间电荷削弱放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，气隙击穿将不顺利，因此负极性击穿电压比正极性高很多，完成击穿所需时间也长得多。

因此：

冲击电压：

冲击电压就是作用时间极为短暂的电压，一般之雷电冲击电压和操作冲击电压 )()(ccUU)()(bbUU

冲击放电时延

➢ 实验表明：对气隙施加冲击电压使其击穿不仅需要足够幅值的电压，有引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子，而且需要一定的电压作用时间。

冲击放电的总时间为：

➢ 短气隙中（1cm以下），特别是电场均匀时，tf<

❖ 可提高外施电场使气隙中出现有效电子的概率增加

❖ 可采用人工光源照射，使阴极释放出更多的电子

➢ 较长气隙时，放电时延主要决定于形成延时tf，且电场越不均匀， tf越大

雷电冲击50％击穿电压

定义：在多次施加同一电压时，其中半数导致气隙击穿，以此反映气隙的耐受冲击电压的能力。

特点：(1)在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散性小

冲击系数

(2)在极不均匀电场中，由于放电时延较长，其冲击系数

击穿电压分散性也较大。

伏秒特性

绘制伏秒特性的方法

➢ 保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，记录击穿电压波形，读取击穿电压值U与击穿时间t。

➢ 当电压不很高时击穿一般在波长发生；当电压很高时，击穿百分比将达100％，放电时延大大缩短，击穿可能发生在波前发生

➢ 当击穿发生在波前时，U与t均取击穿时的值；当击穿发生在波长时， U取波峰值，t取击穿值

➢ 50％伏秒特性的绘制 fsbtttt1050UU1050UU1➢ 极不均匀：平均击穿场强低，放电时延长，曲线上翘；

➢ 稍不均匀：平均击穿场强高，放电时延短，曲线平坦。

➢ 因此在避雷器等保护装置中，保护间隙采用均匀电场，确保在各种电压下保护装置伏秒特性低于被保护设备。

提高气体介质电气强度的方法

一、 改善电场分布

1. 改善电极形状一改善电场分布。

电场分布越均匀，平均击穿场强越高，如不可避免出现极不均匀电场，则尽可能采用对称电场

2. 利用空间电荷改善电场分布。

极不均匀电场中间隙被击穿前先发生电晕现象，所以在一定条件下，可以利用放电产生的空间电荷来改善电场分布，提高击穿电压。

3. 极不均匀电场采用屏障改善电场分布。

在极不均匀电场中，放入薄片固体绝缘材料，在一定条件下可以显著提高间隙的击穿电压

二、 削弱或抑制电离过程

1. 高气压的采用。

2. 高真空的采用。

a) 在各种设备的绝缘结构中大都还要采用固体或者液体介质，他们在真空中都会逐渐释放出气体，是高真空无法长期保持。所以实际中采用高真空作为绝缘介质的情况很少。

3. 采用强电负性气体。

a) 高电气强度气体（SF6）的采用

① 其电子附着效应大大减弱碰撞电离过程；

② 分子量、直径大，自由行程小；

③ 碰撞引起分子极化反应，能量损失。

④ SF6电气设备尺寸大大缩小，且不受气候影响，但造价高而且它是对臭氧层有破坏作用的温室气体。

b) 高电气强度气体（SF6）的理化特性

① 液化问题一般不存在。

② 纯净的SF6无毒，但它的分解物有毒，对材料有腐蚀作用。

③ 关于含水量：水分是最有害的物质。在设备安装、运行时要检测和控制含水量是否符合国家标准。

④ 用SF6-N2混合气体代替SF6气体。可取得很大经济效益。

沿面放电及防污措施

沿面放电是指沿气体介质与固体介质的界面上发展的放电现象，它是一种特殊的气体放电。

沿面放电的三种现象：

1. 均匀和稍不均匀电场中的沿面放电。

2. 极不均匀电场具有弱垂直分量时的沿面放电、

3. 极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电。