第二章-气体击穿理论
气体击穿理论
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
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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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North China Electric Power University
2 高电压工程1(极化 气体击穿)
1/
绝缘材料的电阻率：108~1020 m
导体的电阻率：10-8~10-4 m 半导体的电阻率：10-4~107 m
2.电介质电导与金属电导的区别
带电质点：电介质中为离子（固有离子，杂质离子）；
金属中为自由电子
数量级：电介质的γ小，泄漏电流小；金属的电导电流很大
电介质 电极
E
U
U
出现外电场后偶极子沿 电场方向转动，作较有 规则的排列， 因而显出 极性，这种极化称为偶 极子极化或转向极化。
偶极子极化
E 0
E 0
特点：存在于极性电介质中，极化所需时间较长，
r 与电源频率有很大关系；极化消耗能量；
温度过高或过低， r 都会减小
频率太高时偶极子将来不及转动，因而其εr 值变小。温 度对极性电介质εr 值也有很大的影响。因为温度较低时 分子间的联系紧密，偶极子转动困难。所以εr 很小。温 度升高后分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向， 使极化减弱。所以液体固体的εr 在低温下先随温度的升 高而增大，以后当热运动变的较强烈时，εr 又开始随温 度的上升而减小。
对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相同， a值 不随x而变化，所以上式可写成：
抵达阳极的电子数应为：
一个初始电子走过 x 距离后，由本身 碰撞电离产生的电子数是 ax ，计及新 产生的电子也参加电离过程，则电子数 ax 增加到 e 个，若 ax 10 ， 则 ax 4
e 2.2 10
依此，电子将按 照几何级数不断 增多，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。
三 电子崩中电子数目增长过程分析
如图所示为平板电 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。
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
16/190
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
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。
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。
第二章气体放电的物理过程
第二章气体放电的物理过程本章节教学内容要求：气体分子的激发与游离，带电质点的产生与消失汤森德气体放电理论：电子崩的形成，自持放电的条件，帕邢定律。
流注理论：长间隙击穿的放电机理，极性效应，先导放电，雷云放电及电晕。
必要说明：1）常用高压工程术语击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。
闪络：沿固体介质表面的气体放电（亦称沿面放电）电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。
击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的最低临界电压。
击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。
Ｅｂ＝Ｕｂ／Ｓ（Ｓ：极间距离）一般在常压大气中，Ｅｂ＝３０ｋＶ／ｃｍ，当Ｓ较小为ｃｍ且电场为均匀分布时；Ｅｂ＝５００ｋＶ／ｍ，当Ｓ较大接近ｍ时。
放电：（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程。
辉光放电：当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。
火花放电：在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。
主要表现为：从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。
火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。
电晕放电：在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。
如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。
电晕放电的电流很小电弧放电：在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。
电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。
电弧放电电流大，电弧温度高。
电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。
2）常见电场的结构均匀场：板－板稍不均匀场：球－球极不均匀场：（分对称与不对称）棒－棒对称场棒－板不对称场线－线对称场§２－１气体中带电质点的产生和消失一．带电粒子的产生（电离过程）气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。
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
气体间隙的击穿强度
碰撞电离击穿模型
总结词
碰撞电离击穿模型认为气体间隙的击穿是由于气体分子在强电场下被加速并与其他气体分子发生碰撞 ，导致气体分子电离，形成导电通道。
详细描述
在强电场的作用下，气体分子被加速并获得能量。这些能量使得气体分子之间的碰撞变得更加剧烈。 当气体分子与其他气体分子发生碰撞时，碰撞会产生足够的能量，使气体分子电离，形成导电通道。 随着导电通道数量的增加，气体间隙的击穿最终会发生。
论支持和技术指导。
谢谢
THANKS
04 气体间隙击穿的未来研究方向
CHAPTER
高压气体间隙的击穿特性研究
总结词
高压气体间隙的击穿特性研究是当前研究的 热点之一，对于理解气体间隙的击穿机制和 优化高压设备的设计具有重要意义。
详细描述
随着电力和能源领域的发展，高压气体间隙 的应用越来越广泛，如高压电容器、气体绝 缘开关等。然而，高压气体间隙的击穿特性 研究仍存在许多挑战，如高电场强度下的电 子崩塌机制、气体分子与电极表面的相互作 用等。未来的研究需要深入探讨这些机制，
气体间隙 气体间隙击穿强度概述 • 气体间隙击穿的理论模型 • 气体间隙的实际应用 • 气体间隙击穿的未来研究方向
01 气体间隙击穿强度概述
CHAPTER
定义与特性
定义
气体间隙的击穿强度是指气体在电场 作用下，从绝缘状态转变为导电状态 所需的最低电场强度。
特性
气体间隙的击穿强度与气体的种类、 压力、温度、电场均匀程度以及气体 中的杂质和水分等因素有关。
影响因素
气体压力
气体压力越高，击穿强度越大。
电场均匀度
电场越均匀，击穿强度越高。
气体种类
不同气体的击穿强度存在差异， 如空气、氮气、氦气等，其击 穿强度依次递增。
第二章 气体介质的电气强度
气隙的极性效应则不明显， “棒—棒” 气隙的极性效应则不明显，可忽略不 棒 计。
击穿特性介于上述“ 击穿特性介于上述“棒—板” 气隙在两种极性下的击穿 板 特性之间。 特性之间。
《高电压技术》第二讲 11
第二章
气体介质的电气强度
第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性
2、直流电压 、
《高电压技术》第二讲 12
《高电压技术》第二讲 6
第二章
气体介质的电气强度
第二节 稍不均匀电场气隙的击穿特性
2、击穿电压 、
通常对一些典型的电极结构做出一批实验数据， 通常对一些典型的电极结构做出一批实验数据， 对一些典型的电极结构做出一批实验数据 实际的电极结构只能从典型电极中选取类似结构 进行估算。 进行估算。 电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高， 电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高， 极限就是均匀电场中的击穿电压。 极限就是均匀电场中的击穿电压。
伏秒特性很快就变平，冲击系数 伏秒特性很快就变平，冲击系数β=1强度
第一节 均匀电场中气体击穿的发展过程
3、击穿电压的经验公式 、
击穿电压： 击穿电压：
U b = 24 .55δd + 6.66 δd ( kV )
平均击穿场强
Ub Eb = = 24 .55δ + 6.66 δ / d ( kV / cm ) d
《高电压技术》第二讲 13
第二章
气体介质的电气强度
第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性
3、工频交流电压 、
在空气间隙更长时， 在空气间隙更长时，“棒—板”气隙的平均击穿场 板 强明显降低，即存在“饱和”现象。 强明显降低，即存在“饱和”现象。 各种气隙的工频击穿电压的分散性一般不大， 各种气隙的工频击穿电压的分散性一般不大，其标 准偏差σ值一般不会超过2% 3%。 2%～ 准偏差σ值一般不会超过2%～3%。
气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
气体放电光源中的气体击穿和绝缘
气体放电光源是利用气体放电产生的光辐射的一种光源。在放电过程中，气体分 子被电离形成带电粒子，这些带电粒子在电场作用下加速运动并撞击其他气体分 子，使气体分子激发和电离，形成连续的放电电流。
为了维持稳定的放电状态并提高光源的光效和寿命，需要解决气体击穿和绝缘问 题。常用的方法包括优化电极结构、选择合适的气体介质和操作条件以及采用附 加的抑制电路等。
在气体中施加电压后，电场强 度逐渐增强。
电子崩发展
在电场作用下，气体中的电子 获得能量并碰撞气体分子，使 其电离产生更多的电子和离子 。
导电通道形成
随着电子崩和离子崩的发展， 丝状电流形成并扩展，最终导 致气体击穿。
放电现象
气体击穿后，电流在气体内流 动，产生放电现象。
03
气体间隙绝缘
气体间隙的绝缘性能
01
气体间隙的绝缘性能主要取决于气体的种类、压力、 温度和电场强度等参数。
02
在低气压下，气体分子的碰撞减少，导致电离率降 低，绝缘性能提高。
03
在高电场强度下，气体分子更容易发生电离，导致 绝缘性能降低。
气体间隙的击穿电压
气体间隙的击穿电压是指在一定条件下，气体能 够维持其绝缘性能的最大电压。
击穿电压与气体的种类、压力、温度和电场强度 等因素有关。
气体击穿和绝缘的基本概念
气体击穿
气体在电场的作用下，从绝缘状 态转变为导电状态的过程。
气体间隙绝缘
利用气体进行隔离，以实现不同 电位之间的电气隔离。
02
气体击穿理论
汤逊理论和流注理论
汤逊理论
该理论认为气体击穿是由电子崩发展而来的，当电子从电场中获得足够能量时， 会与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的电子和离子，最终形成导电通道。
浅谈气体击穿理论
教学研究
浅谈气体击穿理论
◆朱泳康
（湖北襄樊第四中学）
【摘要】高压电技术在能源、电力、医疗器 械、环 境 保 护 等 国 民 经 济 中 起 着 非 常 重 要 的 作 用，尤 其 在 国 民 经 济 迅 速发展的பைடு நூலகம்天，高压电技术的重要性就显得更加突出。 在电力工业中，可以说没有高压电技术就谈不上电力工 业，因 为 当 今 电 力 的 传 输 必 须 要 依 靠 提 高 电 压 的 方 法 才 能 将 电 能 传 送 到 不 同 的 用 户，否 则 就 会 造 成 电 能 传 输 过 程 中大量的损耗。 高压电技术的应用不仅仅在电力工程中，在社会生活其他领域也得到了广泛的应用。 对于高压 电技术的理论也是越来越完善，对于各种电介质的击穿理论，至今为止人们已经做了很多研究。 所谓击穿，对于 气体而言，就是所谓的放电现象。 在高压放电技术中，气体击穿的理论是其他理论的基础，因为气体对于电力工 业来说，是应用最为广泛的，比如高压输电。 目前，几乎国内所有的输电线都是利用空气来绝缘，变压器相间绝 缘也以气体作为绝缘材料。 对气体击穿的理论做出介绍和分析。 【关键词】电介质 气体 击穿 自持放电 非自持放电
03/2018 ９１
中国校外教育下旬刊
教学研究
两种来源。 热电离是指由分子的热运动而引发的气体分子的电
离。 热电离的本质是气体分子的热状态引起的碰撞电 离和光电离的综合。 在常温下，气体分子发生热电离 的概率是极小的。 当温度大于１００００K 的时候，才需要 去考虑热电离，而 当 温 度 大 于 ２００００K 的 时 候，几 乎 全 部的分子都是出于热电离状态的。
３．火 花 放 电 在 较 高 的 气压 下，比 如 大 气 压 力 下，气 体 击 穿 后 总 是 形 成 收 窄 的 发 光 通 道，而 非 分 散 到 整 个 区 域，此 时 称 之为火花放电。 火花放电的产生分为两种情况：当外 回路中阻抗较大的时候或者当外回路中阻抗很小且电源 功率足够大的时候。 ４．电 晕 放 电 随 着 电 压 的 增 大，在 电 极 周 围 电 场 最 强 的 地 方 出 现 发光 层，随 着 电 压 的 继 续 提 高，发 光 层 随 之 变 大， 放 电 电流也逐渐增强。 这种现象叫做电晕放电。 电晕放电 时，气 体 间 隙 中 只 有 小 部 分 尚 丧 失 绝 缘 性 能，放 电 电 流 微弱，间隙依 然 可 以 耐 受 管 端 电 压。 此 时 继 续 增 大 电 压，从 电 晕 电 极 中 延 伸 出 来 很 多 的 比 较 明 亮 的 细 放 电 通 道，叫做刷 状 放 电。 电 压 再 增 大，最 后 气 体 间 隙 整 个 被 击 穿，根 据 电 源 功 率 的 强 弱 而 转 换 成 电 弧 放 电 或 者 是 火花放电。 三、带电质点的产生与消失 普通状态下的气体是中性不导电的，气体导电并产 生放电现象是因为气体分子发生了电离，产生了充足的 带电粒子。 １．带 电 质 点 的 产 生 带电质点的产生气体放电现象发生的前提。 空气 介质中带电质点的形成主要有气体分子的电离和金属的 表面电离两种形式。 气体分子 的 电 离 可 以 由 碰 撞 电 离、 光 电 离、 热 电 离、电极表面电离这四种方式产生。 碰撞电离主要由电子和分子的碰撞所引发。 电子 在 电 场 下 被 加 速 而 获 得 动 能，使 其 获 得 摆 脱 原 子 核 束 缚 的能量。 当电子从电场获得的动能大于气体分子的电 离 能 时，就 有 可 能 因 为 碰 撞 而 使 得 气 体 分 子 发 生 电 离， 产生电子与正离子。 光电离是指由光辐射引发的气体分子的电离。 由 异号带电粒子复合而成中性粒子释放出光子，或者由激 励态分子回复到正常态释放出光子，这是光游离发生的
气体击穿理论
气体击穿理论影响气体击穿的主要因素：1、电场分布2、电压种类3、气体状态气体放电形式根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式：1、辉光放电2、电弧放电3、火花放电4、电晕放电1、辉光放电辉光放电的特点：电流密度较小，放电区域通常占据整个空间；管端电压较高，不具有短路的特性。
2、电弧放电电弧放电的特点：电流密度很大，管端电压很低，具有短路的特性。
3、火花放电气体击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间，称为火花放电。
4、电晕放电电极附近电场最强处出现放电现象称为电晕放电。
发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用。
气体中带电质点的产生气体分子的电离：碰撞电离；光电离；热电离碰撞电离：在电场作用下，电子被加速而获得动能，当电子从电场获得的动能等于或大于气体分子的电离能时，就有可能因碰撞而使气体分子发生电离，分裂为电子和正离子。
光电离：光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离热电离：由分子热运动引起的气体分子的电离。
负离子的形成和电负性气体负离子的形成：电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是碰撞电子附着于分子，形成了负离子。
电负性气体：能够在电子碰撞过程中形成负离子气体，称为电负性气体。
金属的表面电离金属表面电离：电子从金属表面逸出的过程。
金属表面电离的主要形式：1、正离子碰撞阴极；2、光电效应；3、场致发射；4、热电子放射。
带电质点的消失1、带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于电极（造成电流）；2、带电质点的扩散；3、带电质点的复合气体击穿的发展过程（汤逊气体放电理论）图2-5 气体放电试验电路示意图图2-6 气体放电过程中电流与电压的关系为了比较各种结构的电场的不均匀程度，引入电场不均匀系数f，它是最大场强Emax 和平均场强Eav的比值。
根据放电的特征，大致可以做如下区分：不均匀系数f<2 时，属于稍不均匀电场；不均匀系数f>4 后，属于极不均匀电场；不均匀系数2<f<4 时，稍不均匀到极不均匀的过渡区域，属于不均匀电场。
武大电气2019年高电压绝缘复习
2019年高电压绝缘复习一．题型1填空（30空30分）2简答（7题70分）二．题库第二章：气体击穿理论分析和气体间隙绝缘1．气体放电的五种形式及其特点：辉光放电：电弧放电：火花放电：电晕放电：刷状放电：注意：电晕放电、刷状放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同，这些放电现象可相互转换。
2．质点产生四种形式：（1）气体分子本身发生电离①光电离:光辐射引起的气体分子的电离过程。
外光源(紫外线照射)/激励态原子回到基态/正负离子的复合。
②碰撞电离：由于质点碰撞所引起的电离过程。
（主要是电子碰撞电离）。
是气体中产生带电粒子的最重要的方式。
分级电离时能量小于上式。
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。
③热电离：因气体热状态引起的电离过程。
热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合。
(2）气体中的固体或液体金属发生表面电离④表面电离：金属表面电离比气体空间电离更易发生。
阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。
电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式：①正离子撞击阴极表面②光电子发射（光电效应）③热电子发射④强场发射（冷发射）3.质点消失三种形式：①电场作用定向移动消失于电极形成电流。
②扩散：在热运动的过程中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化的物理过程。
特点：气压越低，温度越高，扩散进行的越快。
电子的热运动速度大、自由行程长度大，其扩散速度也要比离子快得多。
③带电粒子的复合，气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的传递与中和，还原为分子的过程。
带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又成为导致电离的因素参与复合的粒子的相对速度越大，复合概率越小。
通常放电过程中离子间的复合更为重要带电粒子浓度越大，复合速度越大，强烈的电离区也是强烈的复合区。
4．汤逊放电：特点：电子的碰撞电离（α过程）和正离子（γ过程）撞击阴极造成的表面电离起主要作用。
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。
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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
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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
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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。
5.6极不均匀电场中的击穿过程及极性效应
5.6.2流注发展阶段
正 棒：
持 续 顺 利 发 展
负 棒：
流 注 发 展 困 难
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5.6极不均匀电场中的击穿过程及极性效应
5.6.3极性效应 正棒负板的电晕起始电压高，而击穿电压低 负棒正板的电晕起始电压低，而击穿电压高
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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4.4流注机理
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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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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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
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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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，立刻有一个 放电过程从板极向棒极 发展，称为主放电。 主放电发展速度比先导 快得多。 主放电通道温度更高， 明亮得多，电导更大， 回路具有短路性质。
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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
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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
高电压绝缘技术
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 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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4.5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
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5.6极不均匀电场中的击穿过程及极性效应
5.6.1流注形成阶段
正 棒：
难 以 造 成 流 注
负 棒：
容 易 造 成 流 注
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d
0
dx ln
E U / f ( x)
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20
Ape Bp / E
5.3极不均匀电场中的电晕放电
电晕放电现象：尖极周围有发光层，可听到咝咝声， 闻到臭氧气味。 空间电荷的作用：外层的空间电荷与尖极极性相同， 使得电晕层中的场强基本不变，使放电趋于稳定。 两种形式：电子崩形式（电极很尖）和流注形式 脉冲现象：外层空间电荷阻止放电发展，形成有规律 的脉冲；进入刷状放电后，形成随机脉冲。 发展过程：无规律小电流=》有规律重复脉冲=》脉冲 频率增大=》转入持续电晕，无脉冲现象=》进入刷状 放电，出现随机脉冲
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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
在长间隙放电中，流注汇集， 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，温 度很高，出现热电离，因而电 导更大，可以将电极的电位传 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，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
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
dx ln
1
1
20Βιβλιοθήκη 不再是常数，而 是空间坐标的函 数
击穿电压：联立求解三个公式：
4.9流注理论对pd很大时放电现象的解释