气体击穿理论
高压击穿原理&试验图形
气体介质的绝缘特性空气间隙的击穿巴申定律：当气体种类和电极材料一定时，均匀电场中气隙的放电电压Uf是气体压力P和间隙极间距离S乘积的函数；)(pSUfF电场是否均匀对空气间隙击穿电压的影响•气体间隙的直流击穿电压和极性效应冲击电压下空气间隙的击穿电压影响气体间隙击穿电压的各种因素•气体状态:密度大，击穿电压会升高；密度小，击穿电压会降低，密度太小，也降低；气压与温度通过对密度的影响，影响击穿电压;气压越大，击穿电压越高；温度增大，击穿电压增大•电压作用时间:均匀电场，击穿电压与电压波形、电压作用时间无关；极不均匀电场，雷电冲击击穿电压比工频冲击电压高得多；极不均匀电场，操作冲击电压，如果波前时间T1与间隙S比，处于临界波前时间T0附近，则可能低于工频冲击击穿电压；•电压的极性:均匀电场，击穿电压与电压极性无关；极不均匀电场，当棒为正极时，直流击穿电压与工频冲击电压接近相等；极不均匀电场，当棒为负极时，直流击穿电压远高于工频冲击电压；•电场均匀程度：电场越均匀，击穿电压高•电极材料与光洁：表面不易发射电子，击穿电压高；表面光洁，击穿电压高；•不同气体类型：卤素元素气体，击穿电压比空气高几倍；SF6气体的绝缘特性•SF6在普通状态下，无色、无嗅、无毒、不燃的惰性气体;相对密度是空气的5倍;电气绝缘强度是空气的2.3-3倍;灭弧性能是空气的100倍•气体的压力：气压越大，击穿电压越高•电场均匀程度：均匀电场中，提高气压，能显著提高击穿电压•气液状态：防止出现液态；压力越高，液化温度越高；如：20℃表压为0.1MP的SF6气体，-63 ℃液化； 20℃表压为0.45MP的SF6气体，-40 ℃液化气体放电的不同形式：与气体压力、电极形状、电场强度有关•辉光放电：压力小，真空中；放电电流密度小，放电区域占放电管电极间整个空间•电弧放电：压力增大--1个大气压以上；放电电流密度大，温度高，亮而细长放电弧道，弧道电阻小，似短路•火花放电：放电回路阻抗大，放电时断时续；外电路阻抗大，压降大，间隙多次被击穿•电晕放电：极不均匀电场环境中；空气间隙电场极不均匀，在电极附近强电场处出现的局部空气游离发光现象，电流小，整个空气间隙并未击穿，仍能耐受电压作用•刷状放电：电晕放电后压力增大，产生刷状放电；从电晕电极间产生许多明亮的细小放电通道；压力再大，整个间隙击穿，形成电弧放电或火花放电•气体中固体介质沿表面放电：与绝缘物表面状况、污染程度、电场分布等有关•固体绝缘表面光洁度:表面的损伤或毛刺，引起沿面电阻分布不均匀，使电场分布不均匀，电场强的地方首先放电，整体沿面放电电压降低•大气湿度和绝缘物吸潮:空气潮湿，绝缘物表面吸收潮气形成水膜;水中离子，在电场作用下，向电极积聚，使电极电场加强并放电•导体与绝缘物结合程度: 结合不好，形成气隙;气隙中电场分布比固体强，首先发生电晕放电•电场分布的影响: 在电场分布最强的地方，空气首先发生游离，产生电晕，使沿面放电电压降低二、固体介质的绝缘特性固体电介质的种类及其特性•天然材料：木材、云母、石棉、橡胶•人造材料：电瓷、玻璃、电木、塑料•有机物：木材、橡胶•无机物：电瓷、玻璃固体绝缘击穿的三种形式电压高于临界值后，电流剧增，电介质不耐压，失去绝缘；固体介质在击穿过程中，熔化或烧焦，形成机械损伤。
气体介质的击穿现象
气体介质的击穿现象气体介质的击穿现象是指在一定电压条件下，气体中产生了电击穿现象。
电击穿是指在高电场强度作用下，气体中原本绝缘的状态被突破，导致气体成为导电状态。
本文将从气体击穿的定义、机理、影响因素和应用等方面进行详细论述，并探讨当前相关研究和趋势。
一、气体击穿的定义气体击穿是指当电压达到一定临界值时，气体中的原子或分子被电场加速并与其他粒子碰撞，导致气体发生电离现象，产生局部的导电通道。
这个电离过程可以是从阴极向阳极的电子流（电子击穿）或者从阳极向阴极的离子流（离子击穿）。
二、气体击穿的机理气体击穿是由复杂的物理和化学过程导致的，其机理主要包括以下几个方面：1. 离子化机制：电场加速下，气体中的原子或分子产生离子化，形成自由电子和离子。
2. 碰撞机制：离子与原子、分子碰撞后产生电离级联形成更多的离子和自由电子。
3. 电子减速机制：自由电子与气体分子碰撞后产生电子减速，使其能量转移给其他分子。
4. 穿透机制：产生的离子和自由电子在电场作用下穿越气体并形成导电通道。
三、气体击穿的影响因素气体击穿现象受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 电场强度：电场强度越高，气体击穿越早。
2. 气体性质：不同气体具有不同的击穿电压和击穿场强度。
例如，质子型气体（氢气、氦气）的击穿电压要比电子型气体（氮气、氧气）低。
3. 气体压力：气体的击穿电压随着压力的增加而降低。
当气体压力较低时，击穿电压较高。
4. 温度：温度对气体击穿电压的影响与气体性质有关。
一般情况下，温度越高，击穿电压越低。
四、气体击穿的应用气体击穿现象在科学研究和工程应用中具有重要作用，主要应用于以下领域：1. 电力系统：用于判断电力设备（变压器、绝缘子、电缆等）的耐压性能，以保证电力系统的安全运行。
2. 气体放电灯：例如氖灯、气体放电显示器等，利用气体击穿的特性来产生光电效应。
3. 气体保护：在工业生产过程中，气体击穿可用于保护设备和人员的安全，如气体绝缘断路器等。
高电压技术_第1-2章_气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
表 1-1
某些气体的激励能和电离能
气体 激励能We (eV) 电离能Wi (eV)
气体 激励能We (eV) 电离能Wi (eV)
N2 O2 H2
6.1 7.9 11.2
15.6 12.5 15.4
CO2 H2 O SF6
10.0 7.6 6.8
13.7 12.8 15.6
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高电压技术
第一、二章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘 第二节 带电粒子的产生和消失
① 正离子撞击阴极表面
正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电 子，使其逸出金属
正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子
逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。
② 光电子发射（光电效应）
高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能 量应大于金属的逸出功。 同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多
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高电压技术
第一、二章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘 第二节 带电粒子的产生和消失
二．气体中带电粒子的产生
电离所获能量形式不同，带电粒子产生的形式不同
⒈ 光电离
光电离——光辐射引起的气体分子的电离过程。 发生光电离的条件
注意 可见光都不可能使气体 直接发生光电离，只有波 长短的高能辐射线 （ 例 如X 射线、γ射线等）才能 使气体发生光电离。
⑴ 激励+电离
原子吸收了一定的能量 ，但能量不太高 发生激励，跳到 更远的轨道 再次吸收能量
4. 原子的激励与电离的关系
原子发生电离产生带电粒子的两种情况：
发生电离，产生带电粒子
⑵ 直接电离
4.1-气体的击穿PPT课件
作用：既促进又阻碍放电的进行
电子复合和离子复合：都以光子的形式放出多余的能量。 一定条件下会导致其他气体分子产生光游离，使气体放电 阶跃式发展。
2、扩散
带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小 区域的现象。
作用：阻碍放电发生
-
8
3、进入电极 在外电场作用下，气隙中的正、负电荷
分别向两电极定向移动的现象。 作用：阻碍放电发展
-
22
d、二次崩电子与正空间电荷汇 合成流注通道，其端部又有 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；
e、流注头部游离迅速发展，放 射出大量光子，引起空间光 游离，流注前方出现新的二 次崩，延长流注通道；
f、流注通道贯通，气隙击穿。
-
23
流注发展过程概述
初始电子崩（电子崩头部电子数达到一定数量）→电场畸变 和加强→电子崩头部正负空间电荷复合→放射大量光子→光 游离→崩头处二次电子（光电子）→（向正空间电荷区运动 ）碰撞游离→二次电子崩→（二次电子崩电子跑到初崩正空 间电荷区域）流注
(二) 均匀电场中气体击穿的过程
一、电子崩、非自持放电和自持放电
-
9
左图表示实验所得平板电极(均 匀电场)气体中的电流I与所加 电压U的关系，即伏安特性。
气体放电伏安特性
在曲线OA段，I随U的提高而增 大，这是由于电极空间的带电 质点向电极运动加速而导致复 合数的减少所致。
当电压接近Ua时，电流I0趋向于饱和值，因为这时外界 游离因子所产生的带电质点几乎能全部抵达电极，所以 电流值仅取决于游离因子的强弱而与所加电压无关。
此即是非自持放电。
若气隙上的电压达到其临界击穿电压，则由于正离子的动
能大，撞击阴极表面时就能使其逸出自由电子，此时即使
高电压工程1(气体击穿)..
Chapter 2. 气体放电的物理过程
研究气体放电的目的： ●了解气体在高电压（强电场）的作用下逐步由电介质
演变成导体的过程； ●掌握气体介质的电气强度及其提高的方法
气体放电的基本理论： ●汤逊理论 ●流注理论
基本概念回顾：
●电离 —原子在外界因素作用下，使其一个或几个 电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子 的过程
数量级：电介质的γ小，泄漏电流小；金属的电导电流很大 电导电流影响因素：电介质中由离子数目决定，对所含杂质、 温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是
主要因素
3.液体和固体电介质的γ与温度的关系：
B/T
Ae
温度↑ ａ．热运动加剧→离子迁移率↑→γ↑ ｂ．介质分子或杂质热离解↑→γ↑
电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正的温 度系数。
bc段：I随着U的提高而增大，表明此时电场E足够大，使电 子积累足够的动能造成碰撞电离的发生，出现电子崩，E越 大，电子碰撞电离越激烈，产生的带电粒子越多；
cS段：随着外加电场的增大，碰撞电离愈激烈，带电粒子数 目呈指数增长，电流增大更快；
S点后：当电压增大到U0时， 过程产生的二次电子足够多，
能接替外界电离因子产生的初始电子的作用，即转为自持放 电阶段，气隙击穿，表现为电流急剧增大，并伴有发光、发 声等现象，气隙转入良好的导电状态。
1.碰撞电离：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
是气体中产生带电粒子的 最重要的形式
动能、位能
条件：⑴ 撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能
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
主要的碰撞电离由电子完成
气体击穿理论
一、原子的激励和电离
（一）原子的能级
原子结构： 电子具有确定的能量（位能和动能），通常轨道半 径越小，能量越小；电子的能量只能取一系列不连续的确 定值（量子化）；原子的位能（内能）取决于其中电子的 能量，当各电子具有最小的能量，即位于离原子核最近的 各轨道上时，原子的位能最小；正常状态下原子具有最小 位能。当电子从其轨道跃迁到标志着能量更高的离原子核 较远的轨道上时，原子的位能也相应增加，反之亦然。
（一）原子的能级
能级：根据其中电子的能量状态，原子具有一系列 可取的确定的能量状态，称为原子的能级。
电子伏（eV）：微观系统中的能量单位为电子伏； 1 eV的能量相当于一个电子在电场作用下行经1V电位差 所获得的能量。电子的电荷为1.610-19C。所以：
（二）原子的激励
激励：在外界因素作用下，原子中的电子从较低能 级跃迁到较高能级的过程。
强的外电场使阴极放射出电子，称为场致发射或冷发射。 由于场致发射所需外电场极强，在107 V/cm数量级，
所以在一般气体间隙的击穿过程中不会发生。（高气压、 高真空） （四）热电子放射
热电子放射：阴极达到很高温度时，其中电子可获得 巨大动能而逸出金属，称为热电子放射。
第三节 带电质点的消失
三种方式： 1、带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于
生电荷的传递而互相中和，并还原为原子或分子的过 程称为复合。
带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
均匀电场中气体的击穿：汤逊气体放电理论；流注理 论。这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压力和 极间距离的乘积）范围内气体放电的现象。
气体电介质的击穿 液体电介质的击穿 固体电介质的击穿
第5章电介质的击穿气体电介质的击穿液体电介质的击穿固体电介质的击穿¾电介质的击穿介质发生击穿时，通过介质的电流剧烈地增加，通常以介质伏安特性斜率趋向于∞（即dI/dU=∞）——击穿发生的标志。
¾击穿电压¾击穿场强：电介质的击穿场强是电介质的基本电性能之一，它决定了电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力。
5.1 气体电介质的击穿¾正常气体中的载流子(离子和电子)在外电场作用下迁移，形成电流电流随电压增加而增加电离产生的载流子来不及复合，全部到达电极气体中出现碰撞电离，载流子浓度增大，电流不再保持恒定而迅速上升载流子数剧增，气体中的电流无限增大(dI/dU→∞)——丧失绝缘性能。
气体击穿（气体放电）：气体由绝缘状态变为良导电状态的过程。
击穿场强：均匀电场中击穿电压与气体间隙距离之比.击穿场强反映了气体耐受电场作用的能力，即气体的电气强度。
平均击穿场强：不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比称¾气体发生击穿时除电流剧增外，通常还伴随有发光及发热等现象。
5.1.1 均匀电场中气体击穿的理论1.气体击穿的汤逊（Townsend）理论电子崩形成过程(电子倍增过程)（1）电子崩与电流倍增外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，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。
α如电离系数为，则从阴极出发的一个电子，行经单位距离后增加为2α个电子。
类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。
电子崩模型右图所示，在电子崩发展过程中，崩头最前面集中着电子，其后直到崩尾是正离子。
在强电场中出现电子崩α的过程称为过程。
这样的放电依赖于外界条件的，也称为非自持放电.（2）气体的自持放电实验发现，当气隙不太宽时，放电与电极材料有关，因而导致考虑γ过程的作用，由γ过程和过程一起来决定气隙中的电流。
第二章 气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘
温度不变时，均匀电场
中气体击穿电压Ub是pd 的函数。
d
(e 1) 1
d
在均匀电场下，就是击穿的条件
Bpd Ub Apd ln ln 1 /
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
(三)、均匀电场中的击穿电压
1.自持放电条件
对于空气，击穿电压极小值对应(pd)min=0.57(cm· 133Pa)
二、汤逊气体放电理论 (一) 过程引起的电流 1、电子崩的形成 崩头
崩尾
负极
正极
E
初始电子
碰撞电离
电子倍增
碰撞电离
电子崩
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
2、 过程引起的电流
电子碰撞电离系数α 1 cm， 碰撞电离平均次数
dn
n0
n x
dx
I 0 exp( dx)
0 x
n n0 exp( 电子数：
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(三)、流注的形成
E
正极
负极
负流注：由负极向正极发展的流注放电过程 发展速度： 7-8×10E5 m/s
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(四)、均匀电场中的击穿电压 1、自持放电条件
电场比较均匀： 在整个间隙的数值都很大。 电场不均匀程度变大： 在间隙中大部分区域的 数值都很大。电子崩主要贴近内电极产生。 电场极不均匀： 的分布极不均匀。易在内电极 附近形成蓝紫色晕光(电晕)。电压继续提高，间 隙才能击穿。
可以用能否形成稳定的电晕放电来划分电场的不均匀程度
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名词解释
气体放电：气体中流通电流的各种形式的统称 击穿：气体由绝缘状态突变为良导电状态的过程
沿面闪络：发生在气体与液体或气体与固体的交界 面上的击穿过程（击穿和沿面闪络统称放电）
击穿电压（闪络电压）：发生击穿（或闪络）的最 低临界电压（击穿电压与闪络电压统称放电电压） 击穿场强：均匀电场中击穿电压与间隙距离之比： 反映了气体耐受电场作用的能力：介电强度 自持放电：去掉外电离因素的作用后放电随即停止 非自持放电：仅靠电场的作用而维持的放电。
自持放电条件：起始电子崩头部电荷数量足以畸 变电场造成足够的空间光电离 1 d d ln e 1 1 是一常数，工程上 ln 20 击穿电压：
两者在pd较大时相一致
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第四节：均匀电场中气体击穿的发展过程
非自持放电：外施电压小于U0 时，间隙内电流数值很小， 间隙还未被击穿； 自持放电：当电压达到U0 后，气体中发生了强烈的电离， 电流剧增（辉光放电、火花放电或电弧放电） 放电发展过程：从UB 到 U0电流发展过程 起始电压： U0 ，在均匀电场中为击穿电压
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第五节：不均匀电场中气体击穿的发展过程
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5.1电场是否均匀的划分标准
电场不均匀系数f：最大场强荷平均场强之比： f<2 为稍不均匀场，f>4为极不均匀场 若能够维持稳定的电晕放电，则为极不均匀场， 否则为稍不均匀场
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4.4流注机理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电子碰撞电离：形成电子崩，是维持自持放电的 主要因素 空间光电离：形成衍生电子崩，是维持自持放电 的主要因素 空间电荷畸变电场的作用：为衍生崩创造了条件 流注：由大量正负离子混合形成的等离子体通道 （导电性能良好） 击穿过程：电子崩——流注发展延伸——击穿
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4.5电子崩空间电 荷对电场的畸变
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4.6正流注的产生
当外施电压为气隙最低 击穿电压时
自持放电条件： 击穿电压：
(ed 1) 1
巴申定律：击穿电 压是pd的函数： 击 穿电压有最小值 两者在pd较小时相 一致
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4.3汤逊机理的适用范围
适用范围：气压较低，pd较小；200（cm.133pa) 工程上pd较大：实际与理论的差别： 放电外形：放电在整个间隙中均匀连续（辉光） 而火花放电带有分支的明亮细通道 放电时间：由正离子迁移率计算出的放电时间比 实际火花放电时间长得多 击穿电压：pd较大时计算结果与实际不符 阴极材料：理论上有关，实际中无关
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4.1汤逊机理
过程：电子在运动中碰撞电离： 是一个电子沿 电场方向运动1cm平均发生的碰撞电离次数
N e dx
0 x
ex
I I 0e
x
该过程具有 普遍意义
过程：正离子轰击阴极产生表面电离： 是一个 正离子从阴极轰击出的自由电子个数
4.9流注理论对pd很大时放电现象的解释
放电外形：流注电导很大，其中电场强 度很小，对周围其他流注有“屏蔽”作 用，因此最终只有一条通道；衍生崩随 机性使其曲折分支。
放电时间：光子以光速传播，衍生崩跳 跃式发展，因此放电发展时间很短。
阴极材料的影响：维持放电的是光电离 而不是表面电离，因而与阴极材料无关。
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第一节：气体放电主要形式
辉光放电：整个空间发光，电流密度小；低气压、电 源功率小；霓虹灯 火花放电：有收细的发光放电通道、贯穿两极的断续 的明亮火花；大气压下、电源功率小 电晕放电：紧贴尖电极周围有一层晕光；极不均匀场 刷状放电：从电晕放电电极中伸出许多较明亮的细放 电通道；极不均匀场 电弧放电：放电通道和电极的温度都很高，电流密度 大，电路有短路特征；电源功率大
概述
1：电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质 2：气体绝缘要解决的问题主要是如何选择合适的 绝缘距离以及如何提高气体间隙的击穿电压
3：气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状 态有关
4：理论至今很不完善，工程设计问题常借助于各 种实验规律分析解决或直接由试验决定
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4.7负流注的产 生
当外施电压比气隙最低 击穿电压高出许多时
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4.8流注机理的结论与巴申定律
ed ed I I0 I0 d 1 (e 1) 1 ed
击穿过程：上述两个过程交替重复进行，自由电 子数目越来越多，最终导致击穿
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4.2汤逊机理的结论与巴申定律