山东理工大学：《高电压技》课程教学资源（PPT课件）第1章 气体放电的物理过程（主讲：安韵竹）

高电压技术山东理工大学电气与电子工程学院高电压创新团队安韵竹

高电压技术 High Voltage Technology 山东理工大学电气与电子工程学院 高电压创新团队 安韵竹

程y在一个立方厘米多数电气设备都1本介质作为绝缘架空输电线路各相导线之间线与杆塔之间的绝缘都利月的外绝缘也利用看空气√在空气断路器中，压缩空气媒质。√在某些类型的高压电缆（充中，特别是在现代的气体绝缘组合电气（GIS）中，更采用压缩的高电气强度气体（如SF6）作为绝缘

第1章 气体放电的物理过程 ⚫ 气体在正常状态下是良好的绝缘体,在一个立方厘米 体积内仅含几千个带电粒子。绝大多数电气设备都 在不同程度上以不同的形式利用气体介质作为绝缘 材料。 ✓ 架空输电线路各相导线之间、导线与地线之间、导 线与杆塔之间的绝缘都利用了空气；高压电气设备 的外绝缘也利用着空气。 ✓ 在空气断路器中，压缩空气被用作绝缘媒质和灭弧 媒质。 ✓ 在某些类型的高压电缆（充气电缆）和高压电容器 中，特别是在现代的气体绝缘组合电气（GIS）中， 更采用压缩的高电气强度气体（如SF6）作为绝缘

气体在正常状态下是良好的绝缘体，但在一定条件（如高电压）下气体中会突然产生大量的电子，从而失去绝缘能力而发生放电现象。甚至完全丧失作为电介质而具有的绝缘特性。而一旦条件解除，气体电介质能自动恢复绝缘状态

⚫ 气体在正常状态下是良好的绝缘体,但在一定条件（ 如高电压）下气体中会突然产生大量的电子,从而失 去绝缘能力而发生放电现象。甚至完全丧失作为电 介质而具有的绝缘特性。 ⚫ 而一旦条件解除,气体电介质能自动恢复绝缘状态

研究气体放电的主要目的：1、了解气体在高电压（强场强）白的作用下逐渐由电介质演变成导体的物理过程；2、掌握气体介质的电气强度及提高方法

⚫ 研究气体放电的主要目的： ⚫ 1、了解气体在高电压（强场强）的作用下逐渐由 电介质演变成导体的物理过程； ⚫ 2、掌握气体介质的电气强度及提高方法

81.1气体中带电粒子的产生和消失在电场作用下，气体中带电粒子的形成和运动过程气体中带电粒子是如何形成的？气体中的导电通道是如何形成的？气体中导电通道形成后是如何维持持续放电的？

§1.1 气体中带电粒子的产生和消失 在电场作用下，气体中带电粒子的形成和运动过程 ◼ 气体中带电粒子是如何形成的？ ◼ 气体中的导电通道是如何形成的？ ◼ 气体中导电通道形成后是如何维持持续放电的？

1.1.1带电粒子的运动（一）自由行程长度无电场，质点的动能是热运动引起的。当气体中存在电场时，其中的带电粒子将具有复杂的运动轨迹它们一方面与中性的气体粒子（原子或分子）一样，进行着混乱热运动，另一方面又将沿着电场方向作定向漂移。各种粒子在空气中运动时，都会不断碰撞2质点的自由行程电场作用下电子在气体介质中的运动轨迹1一碰撞质点：2一被碰撞质点

1.1.1带电粒子的运动 （一）自由行程长度 无电场，质点的动能是热运动引起的。 当气体中存在电场时，其中的带电粒子将具有复杂的运动轨迹， 它们一方面与中性的气体粒子（原子或分子）一样，进行着混乱 热运动，另一方面又将沿着电场方向作定向漂移。 各种粒子在空气中运动时，都会不断碰撞

平均自由行程长度：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程。其与密度呈反比。（单位行程中碰撞次数的倒数自由行程的分布：具有统计性的规律。粒子的自由行程等于或大于x的概率为P(x) = e-元由于电子的半径或者体积要比离子或者分子小的多，所以电子的平均自由行程长度要比离子或者分子大得多。电子的平均自由行程长度为kT元2p

平均自由行程长度：一个粒子在与气体分子相邻两次碰 撞之间自由地通过的平均行程。其与密度 呈反比。(单位行程中碰撞次数的倒数) ◼ 自由行程的分布： 具有统计性的规律。粒子的 自由行程等于或大于x的概率为 由于电子的半径或者体积要比离子或者分子小的 多，所以电子的平均自由行程长度要比离子或 者分子大得多。电子的平均自由行程长度为

（二）带电粒子的迁移率带电粒子虽然不可避免地要与气体分子发生碰撞，但在电场力的作用下，仍会沿着电场漂移，其速度v与场强E成正比。迁移率：带电粒子沿电场方向的漂移速度v与电场强度E的比值迁移率表示带电粒子在单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。由于电子的平均自由行程长度比离子大的多，而电子的质量比离子小的多，更易被加速，所以电子的迁移率远大于离子

（二）带电粒子的迁移率 带电粒子虽然不可避免地要与气体分子发生碰撞，但在电场力的 作用下，仍会沿着电场漂移，其速度v与场强E成正比。 迁移率：带电粒子沿电场方向的漂移速度v与电场强度E的比值。 迁移率表示带电粒子在单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速 度。 由于电子的平均自由行程长度比离子大的多，而电子的质量比离 子小的多，更易被加速，所以电子的迁移率远大于离子

（三）扩散气体中带电粒子和中性粒子的运动还与离子浓度有关。扩散：在热运动过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较低的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程称为扩散。由于电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以扩散速度也比离子快很多

（三）扩散 气体中带电粒子和中性粒子的运动还与离子浓度有关。 扩散：在热运动过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度 较低的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过 程称为扩散。 由于电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以扩散速度也 比离子快很多

1.1.2气体中带电粒子的产生原子的激励和电离①原子的能级原子原子结构可用行星系模型描述根据原子核外电子的能量状态原子花原子具有一系列可取的确定的能量状态一能级。玻尔理论认为：原子的中心是一个带正荷的核，核外存在一系列不连续的、自由电子运动轨道构成的壳层，电子只能在壳层里绕核第二元班转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具(n=8)有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个元店2能量级，称为能级。原子楼电子瓷店非语的随方

原子的激励和电离 ①原子的能级 原子结构可用行星系模型描述。 根据原子核外电子的能量状态， 原子具有一系列可取的确定的能量 状态—能级。 玻尔理论认为：原子的中心是一个带正电 荷的核，核外存在一系列不连续的、自由电子 运动轨道构成的壳层，电子只能在壳层里绕核 转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具 有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个 能量级，称为能级。 1.1.2 气体中带电粒子的产生