气体介质击穿
气体电介质的击穿特性演示文稿
2020/11/10
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正棒—负板间隙
当电子崩发展到棒极时，电子进入棒极中和。正离子留在棒
极附近以较慢速度向板极运动，正空间电荷使紧贴棒极附近的
电场减弱，不易形成流注，放电难以自持，故起晕电压高。而
正空间电荷加强了朝向板极的电场，有利于流注向板发展，故
电四个阶段。 b、短间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注
和主放电三个阶段。 c、长间隙放电时，炽热的导电通道是在放电发展的过程中
建立的，而不是在整个间隙被流注通道贯穿后建立的，先击穿场强远小于短间隙的平均击穿场强。
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用，其击穿电压（峰值）都相同，且分散性很小。
Ub＝24.22 d＋6.08 d (kV )
在标准大气条件下（d为1cm左右时)，均匀电场
中空气的电气强度约为30kV/cm（峰值）。
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二、稍不均匀电场中的击穿电压
不均匀系数：间隙中的最大场强与平均场强之比， 稍不均匀电场<4
稍不均匀电场中各处的场强差异不大，间隙中任何一处若出 现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。所以对于稍不均 匀电场，任何一处自持放电的条件，就是整个间隙击穿的条件。 1. 电场不对称时，击穿电压有弱极性效应。 2. 击穿前有电晕发生，但不稳定，一旦出现电晕，立即导致整个 间隙击穿。 3. 间隙距离一般不很大，放电发展所需时间短。直流击穿电压、 交流击穿电压、正负50%冲击击穿电压几乎一致，且分散性不 大。
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短间隙不均匀电场中的放电过程
指间隙距离不超过1m的间隙，以棒板间隙为 例。
2.3-气体电介质的击穿特性(均匀电场中-流注理论)
使流注得以形成。
流注理论对放电现象的解释
放电时间： 二次崩的起始电子是光子形成的，而光
子以光速传播，所以流注发展非常快。 放电外形：
二次崩的发展具有不同的方位，所以流 注的推进不可能均匀，而且具有分支。 阴极材料：
大气条件下的气体放电不依赖阴极表面 电离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与 阴极材料无关。
流注理论与汤逊理论的区别与联系： 相同点：
都有电子崩的产生 不同点：
流注的形成过程中有二次崩的形成、二 次电离在气体击穿过程中起了重要作用。
作业
P32 2-2 2-3
分枝的明细通道
因为汤逊理论没有考虑空间电荷对电场的畸变和光游 离对放电的影响，流注理论对标准大气压、一般间隙的 气体放电现象进行了解释。
以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷 云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的二次 电子发射根本无关。因此，必须采用另外一种理论－－流注 理论来解释。
流注理论的认识
汤逊理论适用于低气压、短间隙、均匀电场。间 隙的划分：2cm以下的为短间隙、2—100cm为一般间隙、 100cm及以上的为长间隙。 汤逊理论解释不了一般间隙、标准大气压下气隙的放电：
1.按汤逊理论计算的击穿电压比实际值高； 2.按汤逊理论计算的击穿所需时间比实际值长； 3.一般间隙的击穿电压与阴极材料无关； 4.放电外形不同;均匀连续，如辉光放电
本节重点：
流注的形成过程、流注的条件 气体放电流注理论以实验为基础，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畸变作用 空间光游离
气体固体液体电介质击穿过程的异同
气体固体液体电介质击穿过程的异同在我们生活中，气体、固体、液体和电介质都扮演着重要的角色，但当它们遇到电压时，情况就变得有趣了。
想象一下，就像我们在热锅上煮水，水分子一开始懒洋洋地呆着，突然加热之后，它们开始活跃，整个气氛瞬间就变得热烈起来。
这就像气体在电场下，随着电压的增加，气体分子们逐渐被激发，最终达到一种击穿的状态。
哇，这可是个激动人心的时刻，气体里的离子开始奔跑，像是聚会的年轻人，一下子就打破了原有的沉寂，形成了电流。
这种现象我们称为“气体击穿”，听起来是不是挺酷的？再说说固体，固体的击穿就像是在一个坚固的城堡里，原本安静的守卫突然发现外面来了敌人，固体中的电子并不容易被激发。
它们得先突破重重防线，经过一番苦战，才有可能进入击穿状态。
这时候，城堡里就会出现一条裂缝，电流也就趁机而入。
固体的击穿往往需要更高的电压，这就像打破坚冰，非得动用点“重武器”才能奏效。
而液体的情况又是另一番景象。
液体分子就像在水中游泳的鱼儿，一开始在电场的影响下，它们也会变得活跃。
但液体的击穿更像是一场聚会，朋友们在水里玩得正欢，电场的出现就像是一个闪亮的烟花，把大家的注意力吸引过去。
随着电压的增加，液体分子开始剧烈运动，最终形成了导电路径。
这种情况常常会让人联想到水电的奇妙联系，真是让人感叹大自然的神奇。
再来看看电介质，这可是一位非常特别的角色。
电介质就像是聚会中总是保持冷静的人，虽然它的结构相对复杂，但在电场作用下，它却能产生极大的极化效应。
当电场施加到它身上时，电介质内部的电偶极子开始排列，形成了一个隐秘的保护层。
可是，当电压足够高时，这层保护就会被打破，电流便会蜂拥而入，形成击穿现象。
这就像是终于忍不住加入舞池的朋友，一下子就把气氛推向了高兴。
说到这里，我们不得不提到这些击穿过程的异同。
气体、固体、液体和电介质都可以在电场的影响下发生击穿，但每种物质的“耐压能力”可不一样。
气体需要较低的电压，固体的耐压最高，液体则介于两者之间，而电介质则有自己独特的表现方式。
高铁高压供电设备之气体电介质的击穿特性—均匀电场中的气体放电
（d）
二次崩的电子与 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；
流注头部前方电 场很强，电离迅 速发展，放射出 大量光子，继续 引起空间光电离， 于是流注前方出 现新的二次崩， 延长流注通道；
流注通道贯通， 气隙击穿。
流注理论
这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它 们不断汇入初崩通道的过程被称为流注。
子位于强场区，二次电子崩将以更大得多的电离强度向
削弱
增强
阳极发展，或汇入崩尾。
流注理论
2 空间电荷对原电场的畸变作用
起始电子发生 碰撞电离形成 初始电子崩
初崩发展到阳 极，空间电荷 畸变原电场， 在电场削弱的 区域复合增加， 放射出大量光 子；
光电离产生光 电子，在加强 的局部电场作 用下形成二次 电子崩；
真空断路器
巴申ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ律
电气强度的提高对于高压电力设备的安全稳定运行有着不可小觑的作用。在日常 的学习中我们要学会理论联系实际，通过理论指导实践，更好地服务社会的发展。
流注理论
流注理论
前面所介绍的汤逊理论是在低气压、短气隙的 条件下进行的。
大自然中的气体放电现象如雷电放电发生在两 块雷云或雷云与大地之间，此时放电时间很短； 具有明亮放电细通道；且与阴极材料无关。
巴申定律
巴申定律
早在汤逊理论出现之前，巴申(Paschen)就于1889年从大量的实验中总结出了 击穿电压Ub与pd的关系曲线，称为巴申定律，即
Ub =f（pd）
巴申定律：描述了气体的击穿电压Ub 与pd 的关系曲线
巴申定律
图1 实验求得的均匀场中不 同气体间隙曲线Ub =f（pd）
空气直流击穿电压及与湿度的关系
空气直流击穿电压及与湿度的关系直流电压击穿直流电压作用下的气体介质击穿。
可分为以下两种。
①在电极间电场是均匀的情况下,气压低于1大气压（约0.1兆帕）时,间隙击穿电压服从于帕邢定律。
对于空气介质，击穿电压Ub可按经验公式进行计算。
式中d为电极间距离(cm)，δ为空气相对密度。
一般情况下,空气介质击穿电压也可近似地用30kv/cm的击穿场强来估计。
对于稍不均匀电场，如两球电极的间隙，当电极距离d与球直径D之比d/D＜1/4时，可看作均匀电场，超过此限度时就不能这样考虑了。
②在极不均匀电场的情况下，如棒－板电极的间隙，击穿场强Eb大为降低,并且还会出现极性效应,即正极性棒对负极性板的间隙击穿电压小于相反极性的情形，如图1所示。
引起极性效应的原因是由于正离子比电子运动慢很多,在间隙中形成正极性空间电荷,改变了电场分布而引起不同的放电发展过程。
在 0.3～3m电极间距离范围内，棒对板间隙的平均击穿场强Eb分别约为：正极性棒电极时，E+≈4.5kV/cm；负极性棒电极时，E-≈10kV/cm描述像任何绝缘体一样，干燥空气只有少数自由电子和离子。
在两电极的外部电压下，自由电子在空气里快速运动，与空气分子相撞，并且它们可以撞击出额外的电子。
额外电子加速并增加了电子和分子的碰撞率，释放出更多的电子。
最后，电子亲和性增加，从而导致了电击穿。
如果空气是潮湿的，电极使空气中的水分子两极化。
水分子同时被励它们最近的自由基极化。
被极化的分子粘在离它们最近的自由基上，产生了束缚它们的电荷层。
这些层形成了保护区域电荷的配离子（集群）。
这些保护电荷不再增加电子亲和力。
因此增大了击穿空气所需的电压。
优点用潮湿空气控制击穿可以被用于：1.可以改变高电压转换的放电间隙;2.控制等离子反应堆的电荷起爆;3.控制带电放电间隙的传导性。
公式C—水自由离子有效电离系数的倒数，m-1 B1—经验系数=7.5×10-3，m B2—经验系数=3.8710-4，m/pa P—水汽的分压，pa备注该公式适用于低湿度空气。
气体介质在冲击电压下的击穿特点
气体介质在冲击电压下的击穿特点在我们日常生活中，气体可谓是无处不在的“隐形战士”。
想象一下，空气就像一位默默无闻的朋友，随时陪伴在我们身边。
然而，当它遇到高压电的冲击，哇哦，那可是一个大场面！说起气体介质的击穿，真是一个神奇又刺激的话题。
就像是当你打开一瓶汽水，突然气泡四溅，空气和电的结合也能产生这样的奇妙现象。
好吧，先来聊聊什么叫“击穿”。
你可以把它想象成气体在电场作用下的一种“突破”。
就像一个小孩在游乐场看到超高的滑梯，心里想着：我也能去试试！结果，一瞬间，电场把气体的分子“鼓动”起来，让它们形成离子，哇！这时候，气体就不再安分守己了。
就像是空气突然变得兴奋不已，开始“发光发热”，形成可见的电弧。
看着那闪烁的光，谁不想拍个照留念呢？在这背后，气体的种类也会影响它的“表现”。
比如，干燥的空气和潮湿的空气，完全就是两个性格迥异的家伙。
干燥空气像个稳重的大叔，遇到冲击电压时总是慢半拍；而湿润的空气，嘿，就像个活泼的小姑娘，反应可是迅速得多。
一来二去，电场强度和气体的击穿特性就形成了一个微妙的关系网。
电压越高，气体越容易“失控”，结果就是击穿电压降临。
咱们不能只说气体的表现。
还有电场的强度、频率，甚至气体的温度，都是关键因素。
比如，温度高了，分子活跃了，容易让气体击穿；相反，低温的时候，分子就像是在冬天里打着冷战，动得可慢。
不过，大家也别太紧张，通常情况下，气体的击穿是有一个安全范围的，不会随便就乱来。
再说说气体击穿的那些“华丽丽”效果，真是让人叹为观止！当电弧形成时，那种蓝色的光芒闪烁，宛如星星在夜空中跳舞。
你想象一下，电弧穿过空气，瞬间形成的等离子体就像是在空中挥洒烟花。
那种美丽和神秘的感觉，简直让人流连忘返！然而，背后潜藏的危险可千万不能忽视，电流通过空气可不是什么玩笑，稍不注意，可能就会变得一发不可收拾。
有趣的是，科学家们也没闲着。
他们研究气体的击穿特性，不断在各个领域取得新突破。
比如，在高电压设备的设计中，了解气体击穿的特点能够帮助提高安全性。
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。
气体间隙的击穿
颗粒的大小和分布对击穿电压有显著 影响。大而密集的颗粒会导致局部电 场增强，从而降低整体的击穿电压。
04
气体间隙击穿的预防与控制
提高气体纯度与压力
总结词
提高气体纯度与压力可以有效降低气体间隙的击穿概率。
详细描述
气体纯度越高，气体间隙中的杂质和污染物就越少，从而降低了气体间隙的击穿概率。同时，提高气体的压力也 可以增加气体分子的密度，进一步降低击穿的可能性。
击穿过程具有瞬时性、随机性和复杂 性，与气体压力、温度、气体类型、 电极形状和电压波形等因素有关。
气体间隙击穿的物理过程
电场增强
在强电场的作用下，气体分子中 的电子被激发，形成传导电流。
电离与雪崩效应
随着电场的增强，气体分子中的 电子被加速并获得足够的能量， 与气体分子碰撞产生电离，形成 更多的电子和正离子，导致电流
迅速增加。
放电通道的形成
当电流达到一定阈值时，放电通 道形成，气体间隙由绝缘状态变
为导电状态。
气体间隙击穿的应用领域
01
02
03
高压设备
气体间隙击穿在高压设备 中有着广泛的应用，如高 压变压器、断路器、绝缘 子等。
电子设备
气体间隙击穿在电子设备 中也有着重要的应用，如 电容器、电子管、晶体管 等。
水平和击穿阈值。
详细描述
新型气体介质如氩气、氦气等惰性气体，以及混合气体如SF6、CF4等，由于其高电负 性和不活泼的化学性质，具有很好的绝缘性能和耐电弧侵蚀能力。这些新型气体介质在 高压电气设备中广泛应用，如GIS、变压器、断路器等，以提高设备的绝缘水平和运行
可靠性。
高电压气体间隙的击穿特性研究
在高温下，气体分子 会吸收热量并获得足 够的能量，从而发生 热电离。
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气体介质击穿-正文
气体介质在电场作用下发生碰撞电离而导致电极间贯穿
性放电的现象。
气体介质击穿与很多因素有关，其中主要的影
响因素为作用电压、电极形状、气体的性质及状态等。
气体介
质击穿常见的有直流电压击穿、工频电压击穿、冲击电压击穿、
高气压电击穿、高真空电击穿、负电性气体击穿。
直流电压击穿直流电压作用下的气体介
质击穿。
可分为以下两种。
①在电极间电场是均匀的情况下,气压低于1大气压（约0.1兆帕）时,间隙击穿电压服从于帕邢定律。
对于空气介质，击穿电压U b可按经验公式
进行计算。
式中d为电极间距离(cm)，δ为空气相对密度。
一般情况下,空气介质击穿电压也可近似地用30kv/cm的击穿场强来估计。
对于稍不均匀电场，如两球电极的间隙，当电极距离d与球直径D之比d/D＜1/4时，可看作均匀电场，超过此限度时就不能这样考虑了。
②在极不均匀电场的情况下，如棒－板电极的间隙，击穿场强E b
大为降低,并且还会出现极性效应,即正极性棒对负极性板的间隙击穿
电压小于相反极性的情形，如图1所示。
引起极性效应的原因是由于正离子比电子运动慢很多,在间隙中形成正极性空间电荷,改变了电场分
布而引起不同的放电发展过程。
在 0.3～3m电极间距离范围内，棒对板间隙的平均击穿场强E b分别约为：正极性棒电极时，E+≈4.5kV/cm；负极性棒电极时，E-≈10kV/cm。
工频电压击穿工频交流电压作用下的气
体介质击穿。
在均匀电场(见不均匀电场)的间隙
中，工频击穿电压和直流击穿电压相等。
在极不均匀电场的间隙中（如棒－板间隙），击穿总是发生在棒电极处于正极性的状态，因而交流击穿电压幅值与正极性棒对负极性板间隙的直流击穿电压相近。
棒－板空气间隙的交流平均击穿场强为Eа≈4.8kV/cm，与上述E+很接近。
为提供高电压输电线或变电所空气间隙距离的设计依据，近年来很多人研究长空气间隙的工频击穿电压(见长间隙击穿)。
图2为1～ 10m间隙距离的击穿电压曲线。
图中,曲线1、2是棒-棒电极间隙，上棒电极均为5m，下棒电极分别为6m及3m，两者的击穿电压稍有差异。
这是因为曲线2的下棒电极短，大地的影响大。
曲线3是棒-地间隙的击穿电压,它比棒-棒间隙的数值低许多,并且有“饱和”的趋势。
这些试验是在室内进行的，后来由户外试验说明，并未出现“饱和”现象。
“饱和”现象是由于试验室墙的影响引起的。
进行长间隙的试验需要很大的试验室，投资很多。
因此许多人在研究用理论模型计算或试验模拟来代替实际尺寸的试验。
冲击电压击穿冲击电压作用下的气体介质击穿现象。
冲击电压可分两类：一类是雷电冲击电压，其标准波形为1.2/50，是模拟雷闪放电时造成的雷电过电压；一类是操作冲击电压，标准波形为
250/2500或波前时间为2000～3000的衰减振荡波，为模拟开关操作或系统故障时产生的操作过电压(见过电压)。
不同电极形状空气间隙的雷电冲击击穿电压如图3 所示。
由于冲击击穿电压有随机分散性，一般
取50％概率的数值。
冲击击穿电压与试验电压极性和电极形状有关。
冲击电压击穿可以发生在波前或波尾部分，视电压高低而定。
电压越高，击穿时延越短。
击穿电压与时延的关系曲线常称伏秒特性（见绝缘强度）。
它对电力系统的绝缘配合有重要意义。
同样，由于作用时间的影响，操作冲击电压下间隙击穿电压比雷电冲击电压下的低。
而在一些高功率脉冲装置产生的几十纳秒脉冲电压下，间隙击穿电压则高得多。
高气压电击穿由于气体压力与气体密度成正比，因而气压将直接影响电子的自由程，从而影响电离和击穿。
帕邢定律表明,在相同的间隙距离下,提高气体压力可提高其击穿电压。
然而高气压下气体介质击穿的机理与汤森理论有很大差异。
高气压电击穿有以下特点：①超过一定气压P c之后（各种气体的P c值不同,例如SF6的P c约在6kg/cm2以上），击穿电压有较大的分散性。
经过多次放电之后(一般称“锻炼”)，击穿电压值渐趋稳定。
但即使在锻炼之后，偶而也会出现很低的击穿电压。
②阴极材料对击穿电压有影响。
阴极材料的结构，例如有无杂质，单晶或多晶，是否有位错等，也会影响击穿电压的大小。
③电极表面状态的影响。
电极表面加工及清洁程度对击穿电压有作用。
如电极经抛光、除油等处理后，击穿电压比处理前高。
④电极面积增大，击穿电压将有所降低。
⑤气体中若含有水气及悬浮尖埃等杂质，则会降低击穿电压。
因此所充气体应经过净化处理。
高真空电击穿由于高真空状态下气体密度减少到很小的程度,
电子或离子的自由程将很长,以致在间隙中不易发生碰撞电离，因此间
隙的击穿电压将会很高（帕邢定律的左半支曲线）。
某些设备高真空间隙的击穿场强可高达1.3MV/cm。
影响真空间隙击穿过程有许多因素，如真空度、间隙距离、电极材料、电极状态、电压作用时间等。
在真空放电中,电极表面过程,特别是阴极表面过程是非常重要的，许多研究工作围绕着这个问题进行，提出了各种真空击穿放电模型，如场致发射模型、微粒模型、微放电模型等。
对于脉冲电压击穿的机制，看法比较一致。
对于稳态电压下的真空击穿机制，P.A.恰特登认为,在间隙距离d≈
10-3～10-1cm的区域，可能是场致发射引起击穿；在d≈10-1～1cm的区域,可能是微放电的击穿机制；更大的间隙，可能是微粒击穿机制。
负电性气体击穿六氟化硫、氟利昂、四氯化碳等许多种卤化物气体的击穿现象。
这些气体的击穿场强比空气的高。
其主要原因是卤族元素具有很强的负电性,易于吸附电子形成负离子，而负离子的运动速度远小于电子，很容易和正离子发生复合，使气体中带电质点减少，因而放电的形成和发展比较困难。
其次是这些气体的分子量和分子直径都较大,使电子在其中的自由程缩短,不易积聚能量，因而减少了电子碰撞电离的能力。
这些气体相对于空气的击穿场强，或称相对介电强度列于表中。
气体介质击穿
表中还列出了上述材料在98千帕下的液化温度。
电力设备中选用
负电性气体作为绝缘介质时，除要求高介电强度外，还要求较低的液化温度和良好的化学稳定性。
因为液化温度较高的气体不能在低温下或寒冷地区运行，也不能增加压力以提高其击穿电压；化学性能不稳定则容易分解或与其他材料起反应。
例如四氯化碳的介电强度虽然较高，但其液化温度过高，而且在放电过程中容易分解产生氯气。
六氟化硫则液化温度低而化学性能稳定，它的相对介电强度为2.5～3.0，在工程中应用最为广泛。