修改版-气体击穿理论
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气体击穿理论
North China Electric Power University
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
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
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
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
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
HV & EMC Laboratory
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气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘
能级：根据原子中电
子的能量状态，原子
具有一系列可取的确
定能量状态，称为能
级。
.
8
第二节 带电质点的产生
(二) 原子的激励和电离
一次电离：中性原子失去最外 层电子。
激励 复合
原子核 基态电子
电离能
.
电离
9
第二节 带电质点的产生
(二) 原子的激励和电离
气体
N2 O2 CO2 SF6 H2 H2O
电离能 15.5 12.5 13.7 15.6 15.4 12.7
U0
f
( pl,
R1 l
, )
➢ 放电相似定律：不均匀电场中，温度不变时，对于几何相 似间隙，其起始电压是气体压力和决定间隙形状的某个几 何尺寸间乘积的函数。
➢ 气体压力和间隙尺寸反比变化，则起始电压可以不变。
.
51
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
三、极不均匀电场中的电晕放电 (一)、电晕放电的一般描述
.
36
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 (一)、在电离室中进行放电发展的实验研究
电离室：利用 饱和蒸汽束缚 气体放电形成 的带电粒子， 使放电轨迹得 以记录和显示。
.
37
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
E
负极
E3 E2
电晕现象
曲率半径小的电极 尖端发生的蓝紫色 晕光状放电。
极不均匀场的一种 特有的自持放电形 式。
.
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第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
三、极不均匀电场中的电晕放电 (一)、电晕放电的一般描述
气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。
主要的碰撞电离均有电子完成，离子碰撞中性分子并使之电 离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时 ，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。
20/190
高电压技术
第一章 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
⒊ 热电离
热电离——因气体热状态引起的电离过程。
发生热电离的条件
注意 分子热运动所固有的动能不足 以产生碰撞电离，20oC时，气 体分子平均动能约0.038eV。热 电离起始温度为103K（727oC） 在一定热状态下物质会发出辐 射，热辐射光子能量大，会引 起光电离
3 Wm kT≥Wi 2
式中：k—波尔茨曼常数； （k=1.38×10-23J/K） Wi—气体的电离能，eV； T—绝对温度，K；
高电压技术
第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
高电压技术
第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
本章主要内容
气体放电的主要形式简介
第一节
第二节
第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节
带电粒子的产生和消失
均匀电场中气体击穿的发展过程 不均匀电场中的气体击穿的发展过程 持续电压作用下气体的击穿特性 雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 操作冲击电压下气体的击穿特性
绝对温度和摄氏温度的关系： T绝对=273+T摄氏
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高电压技术
第一章 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
热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合 例如：发生电弧放电时，气体温度可达数千度， 气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离， 高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离
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。
改第2章-气体击穿理论
山东省特高压输变电技术与气体放电重点实验室
2、电极表面带电质点的产生 （2）光电效应
光电效应：光照射金属表面而发射出自由电子。 光电子发射条件：光子能量大于金属表面逸出功。 实际上，一部分入射光子被反射，电极吸收的光能大部
分化为金属的热能，平均每100个光子入射才能放射出一 个有效自由电子。
0 x
nd n0 e Id I0 e
d
d
n n0 e x
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碰撞电离系数的数学描述
碰撞电离条件：qExi Wi （x xi时，碰撞才发生电离) 自由行程x x （ i xi内不发生碰撞）的概率：f ( xi ) dx 其后dxi内发生碰撞的概率为： i
W hf hc / Wi
阳光照射形成地球大气电离层，但由于大气层的阻挡作用，到达地面的
0 hc / Wi
最短波长大于290nm，不足以引起光电离。 导致光电离的高频高能光子由外界供：人为X光照射
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2 带电质点的产生 1、电极空间带电质点的产生 （3）热电离：热运动引起气体分子发生电 离。
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4.1汤逊机理
碰撞电离与电子崩
电子崩：连续多次碰撞电离使得电子数按几何级数增长，如雪 崩状发展，电流急剧增加。 电子碰撞电离系数α：单个电子由阴极到阳极每经１ｃｍ路程， 与气体质点相撞发生的碰撞电离次数，也即：单位行程内因碰 撞电离产生的自由电子数。 电子崩过程称α过程（忽略β过程：正离子碰撞） 电子平均自由行程λ∝T/P：每两次碰撞之间电子自由通过的距 离。单位长度内电子的平均碰撞次数：1/λ
气体击穿理论
一、原子的激励和电离 二、气体中质点的自由行程 三、气体中带电质点的产生 四、金属的表面电离
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。
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。
气体放电理论1修正
非自持放电
外施电压小于 U0 时，间隙内 虽有电流，但其数值甚小， 通常远小于微安级，因此气 体本身的绝缘性能尚未被破 坏，即间隙还未被击穿。而 且这时电流要依靠外电离因 素来维持，如果取消外电离 因素，那么电流也将消失。
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。同时气体中电离过 程只靠电场的作用已可自 行维持，而不再继续需要 外电离因素了。因此 U0以 后的放电形式也称为自持 放电。
电极表面带电质点的产生
电极表面电离： 电极表面电离：气体放电中存在阴极发射电子的过程。 逸出功：使阴极释放电子所需的能量。与金属的微观结 逸出功 构和表面状态有关，与温度基本无关。 电极表面电离条件：光子能量大于金属表面逸出功。 电极表面电离条件
正离子碰撞阴极
正离子碰撞阴极，将能量传递给阴极电子。 当正离子能量大于阴极材料表面逸出功2倍以 上时，才可能撞出自由电子。 实际上，平均每100个正离子才能撞出一个有 效自由电子 金属表面逸出功一般小于气体分子电离能，因 此，电极的表面电离对气体放电很重要。
气体放电理论（一） 气体放电理论（
美国俄克拉荷马州塔尔萨市上空出现的闪电奇观
主要内容
气体中带电质点的产生和消失 气体放电的主要形式 非自持放电与自持放电 汤逊放电理论
纯净的中性状态的气体是不导电的，只有在的 气体中出现带点质点以后，才可能导电，并在 电场的作用下，发展为各种形式的气体放电现 象。 气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本 气体中带电质点的来源 身发生电离；二是气体中的固体或液体金属发 生表面电离。 通常大气中约有500-1000对离子/cm3, 带电质 点极少，因而，通常情况下空气是良绝缘体。
热电子发射
高温下金属中电子因获得巨大的动能会 从电极表面逸出，称为热电子发射 热电子发射。 热电子发射 热电子发射仅对电弧放电有意义，并在 电子、离子器件中得到应用。 常温下气隙的放电过程中不存在热电子 发射现象。
修改版气体击穿理论
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
常见的电场结构
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
问题的提出
气体中的电流：在电场作用下，气隙中带电粒子 的形成和运动过程形成电流。
xy
2：电子连续迁移xy而不碰撞的概率：
Uy / E
x y / e
3：电子迁移1cm与气体分子平均碰撞次数： 1 / e
4：一电子迁移1cm平均发生碰撞电离次数 1 eU y / Ee
5：气体相对密度与电子平均自由程成反比 6：间隙电压U＝E×d
e
A 1/ e
击穿电压：
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第二节：气体放电过程一般描述
2：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
North China Electric Power University
名词解释
3：电离（游离）
• 原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱 原子核的约束而成为自由电子，这一现象称为 电离
• 原子被分解成两种带电粒子—电子和正离子 • 使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。
HV & EMC Laboratory
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常见的电场结构
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问题的提出
气体中的电流：在电场作用下，气隙中带电粒子 的形成和运动过程形成电流。
xy
2：电子连续迁移xy而不碰撞的概率：
Uy / E
x y / e
3：电子迁移1cm与气体分子平均碰撞次数： 1 / e
4：一电子迁移1cm平均发生碰撞电离次数 1 eU y / Ee
5：气体相对密度与电子平均自由程成反比 6：间隙电压U＝E×d
e
A 1/ e
击穿电压：
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第二节：气体放电过程一般描述
2：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
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名词解释
3：电离（游离）
• 原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱 原子核的约束而成为自由电子，这一现象称为 电离
• 原子被分解成两种带电粒子—电子和正离子 • 使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。
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