气隙的击穿特性
第三章 气隙的电气强度
第三章 气隙的电气强度 第三章 气隙的电气强度
本章节的教学内容要求：
冲击电压下的气息击穿：标准波形，放电时间，伏秒特性及其实际意义，50%冲击击穿电压，放电的分散性。
大气条件的影响及换算方法，提高气体间隙击穿的措施
沿面放电：均匀与不均匀电场中沿面放电的基本过程和影响因素分析，提高沿面放电电压的方法。
§3－1气隙的击穿时间
静态击穿电压：长时间作用在气隙上能使得气隙击穿的最低电压。如果所加电压的瞬时值是变化的，或者所加电压的延续时间很短，则该气隙的击穿电压就不同于静态击穿电压（一般高于）静态击穿电压。所以，应该说，对于某一气隙，当不同波形的电压作用时，将有相应不同的击穿时间和击穿电压。
一．静态击穿电压Ｕ0
使气隙击穿的最小电压
二．击穿时间tb 从加压的瞬时起到气隙完全击穿为止的总时间
由三部分组成
１．ｔ0 （升压时间）：
电压从零升到静态击穿电压Ｕ0所需的时间
２．ｔs（统计时延）：
从电压达到Ｕ0 的瞬时起到气隙中形成第一个有效电子为止的时间。
３．ｔf（放电形成（发展）时延）
从产生第一个有效电子的瞬时到气隙完全被击穿为止的时间
这里所讲的有效电子是指该电子能发展一系列的电离过程，最后导致间隙完全击穿的那个电子。气隙中出现的自由电子并不一定能成为有效的电子（有效电子－－能发展一系列的游离过ttttl tU u
t U0 程，最后导致间隙完全击穿的那个电子）。这是因为下列原因：
有效电子：形成负离子
扩散到间隙外
游离中途衰亡
４．tl （放电时延）：ｔl ＝ｔs ＋ｔf
tl 的特点：根据电场的不同，ｔl具有分散性和随机性
（1）在短间隙、均匀场中
ｔf〈〈ｔs → ｔl ＝ｔs
即：均匀电场的放电时延ｔl 主要是产生有效电子的时间，ｔs的长短具有统计性质，可取其平均值，称为平均统计时延。
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第⼀章电介质的极化、电导和损耗
⼀、掌握电介质极化的基本形式及特点
（1）极化：电介质中的带电质点在电场作⽤下沿电场⽅向作有限位移现象。
（2）电⼦位移极化：负电荷的作⽤中⼼与正电荷的作⽤中⼼不再重合
主要特点：1、极化所需时间极短；2、极化具有弹性，不产⽣能量损耗；3、温度对极化的影响较⼩。
（3）离⼦位移极化：在外电场E作⽤下，正、负离⼦将发⽣⽅向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。
离⼦式极化的特点：1、极化过程极短；2、极化具有弹性，⽆能量损耗；3、温度对极化有影响：
（4）偶极⼦极化：在外电场的作⽤下，偶极⼦受到电场⼒的作⽤⽽发⽣转向，顺电场⽅向作有规律的排列，靠电极两表⾯呈现出电的极性。
偶极⼦式极化的特点：1、极化所需时间极长，故极化与频率有较⼤的关系；2、极化属⾮弹性，有能量损耗；3、温度对极化影响很⼤：极性⽓体介质具有负的温度系数；
（5）空间电荷极化：是带电质点（电⼦或正、负离⼦）的移动形成的。最典型的空间电荷极化是夹层极化。
夹层极化的特点：1、极化所需时间长，故夹层极化只有在低频时才有意义。具有夹层绝缘的设备断开电源后，应短接进⾏彻底放电以免
危及⼈⾝安全，⼤容量电容器不加电压时也应短接；2、极化涉及电荷的移动和积聚，所以必然伴随能量损耗。⼆、介质的相对介电常数
ε0 ——真空的介电常数=8.86×10-14F/cm
三、掌握电介质损耗的基本概念、介质损耗因数tanδ概念采⽤介质损耗⾓正切tanδ作为综合反映电介质损耗特性优劣的⼀个指标，测量和监控各种电⼒设备绝缘的tanδ值已成为电⼒系统中绝缘预防性试验的最重要项⽬之⼀。
第⼆章⽓体放电的物理过程
⼀、掌握⽓体中带电粒⼦的产⽣和消失1 ⽓体中带电质点的产⽣途径：电⼦获得⾜够的能量跳出最外层轨道，成为⾃由电⼦。产⽣带电离⼦的过程称为电离（游离），它是⽓体放电的⾸要前提。
⼀是⽓体本⾝发⽣电离（游离）；⼆是⽓体中的固体或液体⾦属发⽣表⾯电离（游离）。
高电压技术第二版习题答案(部分)
第一章 气体放电的基本物理过程
（1）在气体放电过程中，碰撞电离为什么主要是由电子产生的？
答：气体中的带电粒子主要有电子和离子，它们在电场力的作用下向各自的极板运动，带正电荷的粒子向负极板运动，带负电荷的粒子向正极板运动。电子与离子相比，它的质量更小，半径更小，自由行程更大，迁移率更大，因此在电场力的作用下，它更容易被加速，因此电子的运动速度远大于离子的运动速度。更容易累积到足够多的动能，因此电子碰撞中性分子并使之电离的概率要比离子大得多。所以，在气体放电过程中，碰撞电离主要是由电子产生的。
（2）带电粒子是由哪些物理过程产生的，为什么带电粒子产生需要能量 ？
答：带电粒子主要是由电离产生的，根据电离发生的位置，分为空间电离和表面电离。根据电离获得能量的形式不同，空间电离又分为光电离、热电离和碰撞电离，表面电离分为正离子碰撞阴极表面电离、光电子发射、热电子发射和强场发射。原子或分子呈中性状态，要使原子核外的电子摆脱原子核的约束而成为自由电子，必须施加一定的外加能量，使基态的原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称为电离能。
（3）为什么SF6气体的电气强度高？
答：主要因为SF6气体具有很强的电负性，容易俘获自由电子而形成负离子，气体中自由电子的数目变少了，而电子又是碰撞电离的主要因素，因此气体中碰撞电离的能力变得很弱，因而削弱了放电发展过程。
1-2 汤逊理论与流注理论对气体放电过程和自持放电条件的观点有何不同？这两种理论各适用于何种场合？
答：汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气体电离的主要原因；正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件；阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。它只适用于低气压、短气隙的情况。
气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下空间电荷对原有电场的影响和空间光电离的作用。
在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度之后，某一初始电子的头部集聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这时放电即转入新的流注阶段。
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第1章 气体介质的电气强度
一、带电粒子在空气中运动的表征
1、自由行程长度: 粒子在1cm的行程中碰撞次数Z的倒数λ即为该粒子的平均自由行程长度。（两次碰撞间粒子经过的距离）
(1)粒子的自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为：
λ：粒子平均自由行程长度
令x = λ，可见粒子实际自由行程长度等于或大于平均自由行程长度λ的概率为36.8%
(2)由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度：
r ：气体分子的半径；N ：气体分子的密度。
由于，代入上式即得:
P ：气压，Pa；T ：气温，K；K ：波尔茨曼常数，k=1.38*10-23。
在大气压和常温下，电子在空气中的平均自由行程长度的数量级为10-5cm。
2、带电粒子的迁移率：带电粒子在电场力驱动下，其速度υ与场强E之比，称为迁移率： k= υ/ E
它表示该粒子在单位场强下沿电场方向的漂移速度。
（1）电子与离子的迁移率相比较：
• 电子的平均自由行程长度比离子大得多
• 电子的质量比离子小得多
因此，电子更易加速，其迁移率远大于离子。
3、扩散：热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使分布均匀化，这种过程称为扩散。
（1）温度越高，气压越低，扩散进行的越快。
（2）电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度也要比离子快得多。
4、带电粒子产生的物理过程（电离）
（1）光电离：书上第12页 光子来源：外界高能射线，气体本身放电。
（2）热电离：书上第12页 气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度。当T>1000K时，才需要考虑热电离； 当T>2000K时，几乎全部空气分子都处于热电离状态。
（3）碰撞电离：电子在电场作用下与气体分子碰撞时，把自己的动能转给后者而引起碰撞电离。（书上第12页）
电子在场强为E 的电场中移过x的距离时所获得的动能为：
微纳尺度电气击穿特性和放电规律研究综述
微纳尺度电气击穿特性和放电规律研究综述
微纳尺度电气击穿特性和放电规律研究综述
随着对客观世界的理解到发展，从宏观到微观，介观，微米，纳米分子尺度，甚至物理结构和电子技术的出现，在民用和军事应用领域越来越广泛。然而，随着物理尺寸的减少，集成水平的逐渐提高，微纳米尺度的物理结构和电子器件面临更严酷的工作环境。。
1 宏观尺度击穿特性和放电规律
人类对气体放电现象的了解和研究已经很长时间了，在1889年，德国物理学家帕陈证实了空气间隙电压U、空气压力p和裂缝的宽度是根据相应的结果来描述U和pd Paschen定律的关系。这些年来，爱尔兰物理学家汤森对气体电离和放电过程进行了系统的研究，并在理论上解释了帕邢定律，提出了著名的Townsend雪崩击穿理论，以供在理论基础上对气体击穿特性的研究，对电力设备绝缘故障的分析和故障诊断提供了重要的理论依据。气体击穿特性和放电规律：
Townsend雪崩击穿理论是在自由空间(主要是电子的)中存在少量的自由带电粒子，在外部电场的作用下，没有电子的方向运动，并且在空间中与气体原子或分子发生碰撞，当电子能量达到原子或分子的气体电离能量时，碰撞电离的概率将会增加，从而导致新的自由电子和正离子。在由二次电子产生的碰撞电离的过程中，在电场中加速，继续与其它气体原子或分子一起工作，可能激发新的自由电子。随着物理过程的发展，使自由电子的数量一直在增长，从而形成电子雪崩，延伸到阳极的电子雪崩，以及气体放电的穿透性。其中，电离系数α(第一汤森电离系数)与气隙宽度、空气压力p A和B和d气体常数。
由于电子会在阳极处消失或扩散到中间的间隙，因此，需要另一种物理机制来进行新的电子击穿过程:为了在与阴极电场碰撞时，阳离子与阴极电场碰撞产生电离之后，导致阴极表面二次电子发射。因此，所述γ的第三电离系数，所述的过程保持了放电的条件：
2 基于毫米尺度介电系统的击穿特性
这些年来，国内外学者试图用微米和纳米级的比例分解特征得出的研究成果，取得了一系列显著的成就。根据界电气系统的物理尺度的不同，将会有不同的结果，这两种不同的结果分别是关于微米尺度分解特性和放电规律的研究成果。从实验研究，到数值计算，机制分析，等等，为相关的研究提供了参考。
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1.1带电粒子的产生与消失
电离：产生带电粒子的物理过程。电力能：电力过程所需要的能量。原子的激发（激励）：在外界因素作用下，气体原子获得外加能量时，一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去的现象。带电粒子的产生：碰撞电离（有碰撞引起的电离）光电离（由光辐射引起的气体原子或分子电离的现象）热电离（气体在热状态下引起的电离过程）表面电离（气体中的电子也可以由电场作用下的金属表面发射出来）。这三种形式同时存在、相互作用，只是各种电离形式表现出的强弱不同。空间电离：气体在间隙空间里带电粒子的产生过程。逸出功：从金属电极表面发射电子需要的一定的能量。去电离过程：当气体中发生放电时，与不断产生带电粒子的电力过程相反的过程。气体去电离的基本形式：漂移（带电粒子在外电场的作用下做定向移动，消逝于电极面形成的回路电流，从而减少了气体中的带电粒子的现象）、扩散、复合、（吸附）。
1.2均匀电场中的气体放电
均匀电场：在电场中，电场强度处处相等。汤逊放电理论实验条件：均匀电场、低气压、短间隙。自持放电：仅由电场的作用就能自行维持的放电。非自持放电：需要外界电离因素才能维持的放电。起始放电电压：放电由非自持转为自持的临界电压。起始放电场强：起始放电电压对应的场强。汤逊自持放电条件：电子碰撞电离形成电子崩是气体放电的主要过程，而放电是否由非自持转为自持，则取决于阴极表面是否释放出了二代电子。光电离。书图1.2 巴申曲线：放电电压与放电距离d和气压p的乘积的曲线，呈U型。巴申定律：高气压或真空都可提高击穿电压，工程上已广泛使用。正流注：当外加电压较低时，电子崩需要整个间隙才能形成流注，这种流注是由阳极向阴极发展的。负流注：外加电压高于击穿电压，流注由阴极向阳极发展。流注放电理论：解释高气压长间隙以及不均匀电场中的气体放电现象。
1.3不均匀电场中的气体放电
气体放电特征：稍不均匀电场的间隙击穿前看不到放电迹象，一旦出现自持放电，便立即导致整个间隙的击穿；极不均匀电场当外加电压达到某一临界时间时，首先出现电晕放电现象，当外加电压进一步增大时，电晕区也随之扩大，但气隙依然保持其绝缘状态没有被击穿。电晕放电：局部放电。极不均匀电场中的极性效应：正棒负板击穿电压较低，电晕起始电压较高，正极性；负棒正板击穿电压较高，电晕起始电压较低，负极性。
高电压技术第二版习题答案(部分) 2
第一章 气体放电的基本物理过程
（1）在气体放电过程中，碰撞电离为什么主要是由电子产生的？
答：气体中的带电粒子主要有电子和离子，它们在电场力的作用下向各自的极板运动，带正电荷的粒子向负极板运动，带负电荷的粒子向正极板运动。电子与离子相比，它的质量更小，半径更小，自由行程更大，迁移率更大，因此在电场力的作用下，它更容易被加速，因此电子的运动速度远大于离子的运动速度。更容易累积到足够多的动能，因此电子碰撞中性分子并使之电离的概率要比离子大得多。所以，在气体放电过程中，碰撞电离主要是由电子产生的。
（2）带电粒子是由哪些物理过程产生的，为什么带电粒子产生需要能量 ？
答：带电粒子主要是由电离产生的，根据电离发生的位置，分为空间电离和表面电离。根据电离获得能量的形式不同，空间电离又分为光电离、热电离和碰撞电离，表面电离分为正离子碰撞阴极表面电离、光电子发射、热电子发射和强场发射。原子或分子呈中性状态，要使原子核外的电子摆脱原子核的约束而成为自由电子，必须施加一定的外加能量，使基态的原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称为电离能。
（3）为什么SF6气体的电气强度高？
答：主要因为SF6气体具有很强的电负性，容易俘获自由电子而形成负离子，气体中自由电子的数目变少了，而电子又是碰撞电离的主要因素，因此气体中碰撞电离的能力变得很弱，因而削弱了放电发展过程。
1-2 汤逊理论与流注理论对气体放电过程和自持放电条件的观点有何不同？这两种理论各适用于何种场合？
答：汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气体电离的主要原因；正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件；阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。它只适用于低气压、短气隙的情况。
气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下空间电荷对原有电场的影响和空间光电离的作用。
在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度之后，某一初始电子的头部集聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这时放电即转入新的流注阶段。
气隙击穿实验报告
一、实验目的
1. 理解气隙击穿的基本原理和影响因素。
2. 通过实验验证气隙击穿电压与电极形状、气体类型、气压等因素的关系。
3. 掌握气隙击穿实验的基本操作和数据分析方法。
二、实验原理
气隙击穿是指两个电极之间在一定的电场强度下，气体介质发生电离而导电的现象。气隙击穿电压是衡量气体介质绝缘性能的重要参数。气隙击穿电压受多种因素影响，如电极形状、气体类型、气压、温度等。
实验中，通过调节实验参数，观察气隙击穿现象，分析气隙击穿电压与各因素之间的关系。
三、实验仪器与材料
1. 气隙击穿实验装置：包括高压电源、电极、气体容器、气压计等。
2. 实验材料：氮气、氩气、空气等气体。
3. 数据采集与分析设备：示波器、计算机等。
四、实验步骤
1. 搭建实验装置，连接好高压电源、电极、气体容器、气压计等设备。
2. 选择实验气体，调整气压至预定值。
3. 调节高压电源输出电压，从低电压开始逐渐增加，观察气隙击穿现象。
4. 记录气隙击穿电压与实验参数之间的关系，包括电极形状、气体类型、气压等。
5. 对实验数据进行整理和分析，得出结论。
五、实验结果与分析
1. 电极形状对气隙击穿电压的影响：实验结果表明，电极形状对气隙击穿电压有显著影响。尖锐的电极形状容易发生击穿，而圆形电极形状则较难发生击穿。
2. 气体类型对气隙击穿电压的影响：实验结果表明，不同气体类型的气隙击穿电压存在差异。在相同气压和电极形状下，氮气的气隙击穿电压高于空气。 3. 气压对气隙击穿电压的影响：实验结果表明，气压对气隙击穿电压有显著影响。在相同气体类型和电极形状下，气压越高，气隙击穿电压越低。
六、结论
1. 电极形状、气体类型和气压是影响气隙击穿电压的重要因素。
2. 在实际应用中，应根据具体需求选择合适的电极形状、气体类型和气压，以提高气隙击穿电压，提高绝缘性能。
七、实验讨论
1. 实验过程中，应注意安全操作，避免高压电源对人体造成伤害。
5-1提高气体间隙击穿电压的方法
高电压绝缘技术
第三章：气体间隙击穿电压
及提高方法
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University引言：击穿电压的影响因素
气体种类：空气和高介电强度气体
电压种类：持续作用电压（直流、交流）；
冲击电压（雷电冲击、操作冲击）
电场分布：当间隙距离相同时，电场越均匀
击穿电压越高
气体状态：一般要折算到标准大气状态
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University分散性小：直流、交流、50%冲击击穿电压基本
相同
均匀电场中空气的电气强度大致为
30kV(峰值)/cm
经验公式为：
d：间隙距离；：空气相对密度一、持续作用电压下空气的击穿电压
1 均匀电场中的击穿电压
)(08.622.24峰值kVddU
b
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University一、持续作用电压下空气的击穿电压
2 稍不均匀电场中的击穿电压
一般规律：
极性效应不明显；
直流、交流、冲击电压
下击穿电压相同；
击穿电压和电场不均匀
程度有极大关系，越均
匀击穿电压越高。
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University球-球间隙和
球-
板间隙
当不均匀程度增加时，不接地电极电场强；由于电晕起始
电压=击穿电压，不接地电极为正时击穿电压高。
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University一、持续作用电压下空气的击穿电压
3 极不均匀电场中的击穿电压
一般规律：
间距很大时，电极影响不大，都接近于棒-板间隙；
极性效应明显；
分散性很大，
不同电压波形下差异明显。
HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University1）极性效应
高电压技术
第一章 气体的绝缘特性
1.电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为三类：
气体电介质
液体电介质
固体电介质
在电气设备中又分为：
外绝缘：一般由气体介质（空气）和固体介质（绝缘子）联合构成。
内绝缘：一般由固体介质和液体介质联合构成。
2、一些基本概念：
①气体介质的击穿——当加在气体间隙上的电场强度达到某一临界值后，间隙中的电流会突然剧增，气体介质会失去绝缘性能而导致击穿的现象，也称为气体放电。
②放电电压UF——在间隙距离及其它相关条件一定的条件下，加在间隙两端刚好能使其击穿的电压。由于相关条件的变化，这个值有一定的分散性。
③击穿场强——指均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。这个参数反映了某种气体介质耐受电场作用的能力，也即该气体的电气强度，或称气体的绝缘强度。
④平均击穿场强——指不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。
3.大气击穿的基本特点
固体介质中的击穿将使介质强度永久丧失；而气体和液体击穿发生击穿时，一般只引起介质强度的暂时降低，当外加电压去掉后，绝缘性能又可以恢复，故称为自恢复绝缘。
§1.1 气体介质中带电质点的产生和消失
一、气体原子的激发与游离
产生带电质点的物理过程称为游离，是气体放电的首要前提。 1、几个基本概念
①激发—-原子在外界因素（如电场、温度等）的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，从而使核外电子从离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道上去的过程（也称为激励）。
②游离—-中性原子由外界获得足够的能量，以致使原子中的一个或几个电子完全脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子（即带正电的质点）的过程（也称为电离）。
2、游离的基本形式
①碰撞游离
a、当带电质点具有的动能积累到一定数值后，在与气体原子（或分子）发生碰撞时，可以使后者产生游离，这种由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。
b、发生条件：
——气体分子（或原子）的游离能
c、碰撞游离的特点