第二章-气体击穿理论
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第一节： 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 辉光放电：整个空间发光，电流密度小；低气压、 源功率小； 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 火花放电：有收细的发光放电通道、 的明亮火花；大气压下、 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 电晕放电：紧贴尖电极周围有一层晕光； 刷状放电： 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 电通道； 电弧放电：放电通道和电极的温度都很高， 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 电路有短路特征；
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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 气体放电： 击穿： 击穿：气体由绝缘状态突变为良导电状态的过程 沿面闪络： 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） 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） 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） 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： 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： 反映了气体耐受电场作用的能力：介电强度 自持放电： 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。 非自持放电：仅靠电场的作用而维持的放电。
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4.3汤逊机理的适用范围 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) 适用范围：气压较低，pd较小；200（ 较小 工程上pd较大：实际与理论的差别： 工程上pd较大：实际与理论的差别： pd较大 放电外形：放电在整个间隙中均匀连续（辉光） 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： 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 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， 阴极材料：理论上有关，实际中无关
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第五节： 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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5.1电场是否均匀的划分标准 5.1电场是否均匀的划分标准
高电压绝缘技术
第二章—气体击穿理论 第二章 气体击穿理论
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 气体击穿电压与电场分布、电压种类、 态有关 理论至今很不完善， 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
在长间隙放电中，流注汇集， 在长间隙放电中，流注汇集， 形成通道状且不断发展， 形成通道状且不断发展，称为 先导放电 先导通道中由于电流较大， 先导通道中由于电流较大，温 度很高，出现热电离， 度很高，出现热电离，因而电 导更大， 导更大，可以将电极的电位传 到先导通道的端部。 到先导通道的端部。 先导发展的速度和回路中电阻 有很大关系， 有很大关系，发展越来越快 长间隙的平均击穿场强低于短 间隙
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5.2稍不均匀电场的自持放电和击穿 5.2稍不均匀电场的自持放电和击穿
与均匀电场类似：流注一旦形成就发生击穿； 与均匀电场类似：流注一旦形成就发生击穿； 自持放电条件就是击穿条件
∫ ∫
d
0
αdx = ln
1
γ
1
≈ 20
α不再是常数，而 不再是常数， 是空间坐标的函 数
击穿电压：联立求解三个公式： 击穿电压：联立求解三个公式：
d 0
αdx = ln
E = U / f (x)
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γ
≈ 20
α = Ape−Bp/ E
5.3极不均匀电场中的电晕放电 5.3极不均匀电场中的电晕放电
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4.4流注机理 4.4流注机理
电子碰撞电离：形成电子崩，是维持自持放电的 电子碰撞电离：形成电子崩， 主要因素 空间光电离：形成衍生电子崩，是维持自持放电 空间光电离：形成衍生电子崩， 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 空间电荷畸变电场的作用： 流注： 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） 导电性能良好） 击穿过程：电子崩 流注发展延伸——击穿 击穿过程：电子崩——流注发展延伸 流注发展延伸 击穿
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5.3极不均匀电场中的电晕放电 5.3极不均匀电场中的电晕放电
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5.4极不均匀电场中的先导放电 5.4极不均匀电场中的先导放电
当外施电压为气隙最低 击穿电压时
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4.7负流注的产 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
HV & EMC Laboratory
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电场不均匀系数f：最大场强荷平均场强之比： 电场不均匀系数f 最大场强荷平均场强之比： 为稍不均匀场，f>4为极不均匀场 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， 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
HV & EMC Laboratory
N =e 0 ∫αdx
xห้องสมุดไป่ตู้
= eαx
I = I0e
αx
该过程具有 普遍意义
γ过程：正离子轰击阴极产生表面电离： γ是一个 过程：正离子轰击阴极产生表面电离： 正离子从阴极轰击出的自由电子个数
eαd eαd I = I0 ≈ I0 αd 1−γ (e −1 ) 1−γeαd
击穿过程：上述两个过程交替重复进行， 击穿过程：上述两个过程交替重复进行，自由电 过程 子数目越来越多， 子数目越来越多，最终导致击穿
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4.1汤逊机理 4.1汤逊机理
α过程：电子在运动中碰撞电离： α是一个电子 过程：电子在运动中碰撞电离： 沿电场方向运动1cm平均发生的碰撞电离次数 沿电场方向运动 平均发生的碰撞电离次数
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第四节： 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 间隙内电流数值很小， 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； 间隙还未被击穿； 自持放电：当电压达到U 气体中发生了强烈的电离， 自持放电：当电压达到 0 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） 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 放电发展过程： 起始电压： 起始电压： U0 ，在均匀电场中为击穿电压
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4.8流注机理的结论与巴申定律 4.8流注机理的结论与巴申定律
自持放电条件：起始电子崩头部电荷数量足以畸 自持放电条件： 变电场造成足够的空间光电离 1 αd αd = ln γe =1 γ 1 是一常数， γ 是一常数，工程上 ln = 20 γ 击穿电压： 击穿电压：
两者在pd较大时相一致 两者在pd较大时相一致 pd
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5.5极不均匀电场中的主放电 5.5极不均匀电场中的主放电
当先导头部流注即将到 达板极时， 达板极时，立刻有一个 放电过程从板极向棒极 发展，称为主放电。 发展，称为主放电。 主放电发展速度比先导 快得多。 快得多。 主放电通道温度更高， 主放电通道温度更高， 明亮得多，电导更大， 明亮得多，电导更大， 回路具有短路性质。 回路具有短路性质。
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第一节： 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 辉光放电：整个空间发光，电流密度小；低气压、 源功率小； 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 火花放电：有收细的发光放电通道、 的明亮火花；大气压下、 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 电晕放电：紧贴尖电极周围有一层晕光； 刷状放电： 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 电通道； 电弧放电：放电通道和电极的温度都很高， 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 电路有短路特征；
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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 气体放电： 击穿： 击穿：气体由绝缘状态突变为良导电状态的过程 沿面闪络： 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） 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） 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） 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： 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： 反映了气体耐受电场作用的能力：介电强度 自持放电： 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。 非自持放电：仅靠电场的作用而维持的放电。
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4.3汤逊机理的适用范围 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) 适用范围：气压较低，pd较小；200（ 较小 工程上pd较大：实际与理论的差别： 工程上pd较大：实际与理论的差别： pd较大 放电外形：放电在整个间隙中均匀连续（辉光） 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： 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 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， 阴极材料：理论上有关，实际中无关
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第五节： 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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5.1电场是否均匀的划分标准 5.1电场是否均匀的划分标准
高电压绝缘技术
第二章—气体击穿理论 第二章 气体击穿理论
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 气体击穿电压与电场分布、电压种类、 态有关 理论至今很不完善， 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
在长间隙放电中，流注汇集， 在长间隙放电中，流注汇集， 形成通道状且不断发展， 形成通道状且不断发展，称为 先导放电 先导通道中由于电流较大， 先导通道中由于电流较大，温 度很高，出现热电离， 度很高，出现热电离，因而电 导更大， 导更大，可以将电极的电位传 到先导通道的端部。 到先导通道的端部。 先导发展的速度和回路中电阻 有很大关系， 有很大关系，发展越来越快 长间隙的平均击穿场强低于短 间隙
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5.2稍不均匀电场的自持放电和击穿 5.2稍不均匀电场的自持放电和击穿
与均匀电场类似：流注一旦形成就发生击穿； 与均匀电场类似：流注一旦形成就发生击穿； 自持放电条件就是击穿条件
∫ ∫
d
0
αdx = ln
1
γ
1
≈ 20
α不再是常数，而 不再是常数， 是空间坐标的函 数
击穿电压：联立求解三个公式： 击穿电压：联立求解三个公式：
d 0
αdx = ln
E = U / f (x)
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γ
≈ 20
α = Ape−Bp/ E
5.3极不均匀电场中的电晕放电 5.3极不均匀电场中的电晕放电
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4.4流注机理 4.4流注机理
电子碰撞电离：形成电子崩，是维持自持放电的 电子碰撞电离：形成电子崩， 主要因素 空间光电离：形成衍生电子崩，是维持自持放电 空间光电离：形成衍生电子崩， 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 空间电荷畸变电场的作用： 流注： 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） 导电性能良好） 击穿过程：电子崩 流注发展延伸——击穿 击穿过程：电子崩——流注发展延伸 流注发展延伸 击穿
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5.3极不均匀电场中的电晕放电 5.3极不均匀电场中的电晕放电
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5.4极不均匀电场中的先导放电 5.4极不均匀电场中的先导放电
当外施电压为气隙最低 击穿电压时
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4.7负流注的产 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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电场不均匀系数f：最大场强荷平均场强之比： 电场不均匀系数f 最大场强荷平均场强之比： 为稍不均匀场，f>4为极不均匀场 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， 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
HV & EMC Laboratory
N =e 0 ∫αdx
xห้องสมุดไป่ตู้
= eαx
I = I0e
αx
该过程具有 普遍意义
γ过程：正离子轰击阴极产生表面电离： γ是一个 过程：正离子轰击阴极产生表面电离： 正离子从阴极轰击出的自由电子个数
eαd eαd I = I0 ≈ I0 αd 1−γ (e −1 ) 1−γeαd
击穿过程：上述两个过程交替重复进行， 击穿过程：上述两个过程交替重复进行，自由电 过程 子数目越来越多， 子数目越来越多，最终导致击穿
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4.1汤逊机理 4.1汤逊机理
α过程：电子在运动中碰撞电离： α是一个电子 过程：电子在运动中碰撞电离： 沿电场方向运动1cm平均发生的碰撞电离次数 沿电场方向运动 平均发生的碰撞电离次数
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第四节： 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 间隙内电流数值很小， 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； 间隙还未被击穿； 自持放电：当电压达到U 气体中发生了强烈的电离， 自持放电：当电压达到 0 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） 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 放电发展过程： 起始电压： 起始电压： U0 ，在均匀电场中为击穿电压
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4.8流注机理的结论与巴申定律 4.8流注机理的结论与巴申定律
自持放电条件：起始电子崩头部电荷数量足以畸 自持放电条件： 变电场造成足够的空间光电离 1 αd αd = ln γe =1 γ 1 是一常数， γ 是一常数，工程上 ln = 20 γ 击穿电压： 击穿电压：
两者在pd较大时相一致 两者在pd较大时相一致 pd
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5.5极不均匀电场中的主放电 5.5极不均匀电场中的主放电
当先导头部流注即将到 达板极时， 达板极时，立刻有一个 放电过程从板极向棒极 发展，称为主放电。 发展，称为主放电。 主放电发展速度比先导 快得多。 快得多。 主放电通道温度更高， 主放电通道温度更高， 明亮得多，电导更大， 明亮得多，电导更大， 回路具有短路性质。 回路具有短路性质。
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修改版-气体击穿理论
高电压技术
第二章—气体放电的物理过程
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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5.1电子崩空间电荷对电场的畸变
崩头和崩尾电场被加强 崩中电场减弱：复合发光
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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（书上有数值） 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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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。 1、气隙中带电粒子是如何形成的？
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，其中的电离只靠电场的作用自行 维持，不再需要外电离因素。
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第二章—气体放电的物理过程
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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5.1电子崩空间电荷对电场的畸变
崩头和崩尾电场被加强 崩中电场减弱：复合发光
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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（书上有数值） 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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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。 1、气隙中带电粒子是如何形成的？
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，其中的电离只靠电场的作用自行 维持，不再需要外电离因素。
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气体击穿理论
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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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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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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。
高电压工程-第二章 气体放电的基本理论【】
第6节 沿面放电与污秽闪络
1）定义—当绝缘承受的电压超过一定值时，在固体介 质和空气交界面上出现的放电现象，叫沿面放电。
当沿面放电发展成为贯穿性的空气击穿时，叫沿面闪络。 沿面放电是气体放电，由于交界面上电压分布不均匀，
沿面闪络电压比气体单独存在时的击穿电压低 输电线路遭受雷击时绝缘子的闪络，处于大气脏污地区
的瓷瓶在雷雾天发生闪络，均属沿面放电。 为避免绝缘子发生不可恢复的击穿，在设计中让其击穿
电压高出闪络电压约50% 2）影响因素—绝缘表面状态、污秽程度、气候条件等
因素影响很大。
沿面闪络的几种形式
工频电压作用下
沿平板玻璃表面 滑闪放电照片
辽沈地区2001年2月22日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区 停电面积超过70%。辽沈停电事故是从输电线路污闪开始的。 辽沈为重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾 湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电弧沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙
➢电晕造成的损耗可削弱输电线上的雷电冲击电压 波的幅值和陡度；
➢利用电晕制造除尘器、消毒柜和对废气、废水进 行处理及对水果、蔬菜进行保鲜等。
极不均匀电场中气隙放电的极性效应
对于“棒—板”间隙，将“棒”的极性定义为间隙的 极性
1）正极性--棒 起晕电压高 击穿电压低
2）负极性--棒 起晕电压低 击穿电压高
D54动车组山东出事撞死一人致车头裂开
2009年3月28日，青岛—北京南D54次动车 途经山东潍坊，列车撞上了一男性铁路工人 （当场死亡），导致车头部分裂开，留有暗 红色血迹。列车暂停约20分钟，最终晚点15 分到达北京。
当时D54路过潍坊站后，正处于加速阶段， 时速在200公里以上。
第三节 流注放电理论
沿面放电：气体介质与固体介质的交界面上沿着固体介质的表面 而发生在气体介质中的放电；当沿面放电发展到使整个极间发 生沿面击穿时称为沿面闪络。
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
高电压技术-第二章.
（1） 过程与自持放电条件
由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能 小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电 子。此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁 回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起
阴极表面电离，统称为 过程。 为此引入系数。
设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电
但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到 电子崩的阶段。
1、放电的电子崩阶段 （1）非自持放电和自持放电的不同特点
宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生 微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负 带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓 度的带电质点。因此，在气隙的电极间施加电压 时，可检测到微小的电流。
自持放电条件为 γ (eαd −1) =1
(1-21)
γ ：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的 二次电子数
α ：电子碰撞电离系数 d ：两极板距离
此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进
入阳极后可以由α及γ过程在阴极上又产生一个新的替
身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。
（2）汤逊放电理论的适用范围
为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入： 电子碰撞电离系数 α 。
α: 表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完
成的碰撞电离次数平均值。
如图1-5为平板电极气 隙，板内电场均匀，设外 界电离因子每秒钟使阴极 表面发射出来的初始电子 数为n0。
由于碰撞电离和电子
崩的结果，在它们到达x处 时，电子数已增加为n，这 n个电子在dx的距离中又会 图1－5 计算间隙中电子数增长的示意图 产生dn个新电子。
1.1.1 带电质点的产生
气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。
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。
2 带电质点的产生和消失
1.原子的激励 原子的激励 激励：在常态下，电子受外界因素影响由低能量级轨道上跃 在常态下，
迁到高能量级轨道的现象称为激励。 迁到高能量级轨道的现象称为激励。 激励 原子能级 以电子伏为单位 1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J ＝ × × ＝ × 激励能：原子在外界因素作用下， 激励能：原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的态 所需能量。 所需能量。 激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子。 激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子。
光的来源：自然界、人为照射、 光的来源：自然界、人为照射、气体放电过程
3.电离的几种形式 电离的几种形式
(2)撞击电离 撞击电离 主要是电子碰撞电子。 主要是电子碰撞电子。 原因： 电子体积小 自由程长，可以加速到很大的速度。 电子体积小， 原因：1.电子体积小，自由程长，可以加速到很大的速度。 2.电子的质量小，易产生弹性碰撞，积累动能。 电子的质量小，易产生弹性碰撞，积累动能。 电子的质量小 产生条件 :
放 电 主 要 形 式
电弧 放电 火花 放电 电晕 放电 刷状 放电
贯穿于两级的细长明亮通道。 贯穿于两级的细长明亮通道。 特点：较高气压下，电导很大，电压降低。 特点：较高气压下，电导很大，电压降低。
贯通两级的断续明亮的细火花。 贯通两级的断续明亮的细火花。 原因：电流突增，导致外回路阻抗上压降增大， 原因：电流突增，导致外回路阻抗上压降增大，放电间隙电压 降低，火花熄灭；外回路电压降低， 降低，火花熄灭；外回路电压降低，放电间隙再形成火花
气体绝缘要解决的问题
如何选择合适 绝缘距离 如何提高气体 间隙击穿电压
气体放电： 气体放电：气体中流通电流的各种形式。 击穿：当提高气体间隙上的外施电压而大到一定数值后， 击穿： 电流突然剧增，从而气体失去绝缘性能，气体由绝缘突变 为良导体。 沿面闪络： 沿面闪络：击穿过程发生在气体和液体或气体与固体的交 界面上。
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
2.击穿电压、巴申定律
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
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