第二章 气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘

dx)
0
x
I 电流：
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
3、 的分析
N 1

α的定义
Ui xi = E
P exp( xi
Ui exp( ) E
Bp a = Ap exp( ) E
1

)

E f p p
E增大，α急剧增大；p很大或很小时，α均很小。
碰撞电离
源于气体内部
热电离 光电离
带电粒子的来源
正离子碰撞
光电子发射
源于电极
热电子发射 强场发射
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (一) 碰撞电离 E
电子 中性原子
1 2 电子动能 me ve 2
>
电离能
Wi
气体中产生带电粒子的最主要原因
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (二) 光电离
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)
E
负极
E3
E1
E2
E
正极
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 电子崩的特征：从阴极向阳极发展，呈锥形；电子 崩发展速度1.25×10E7cm/s;电子崩可互不影响的向 前发展。
流注的特征：电离特强的放电区；发展形式受偶然 原因影响，通道呈现一定随机性；发展速度明显高 于电子崩，有正、负流注之分。

第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程 2、 及 过程同时引起的电流
单位时间内阴极单位面积产生电子总数：nc
n0 n
d n n e 到达阳极后的电子总数为： a c
于是可建立关系式： n (na
nc )
e na n0 1 (ed 1)
d
ed I I0 1 (ed 1)
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 起始电压/场强
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
(二)、电子崩 电子数目呈几何级数迅速增多，
ne
x
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
正流注：由正极向负极发展的流注放电过程。 发展速度：1-2×10E6 m/s
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程 3、系数 的大致数值
e I I0 d 1 (e 1)
于是可得：
d
e I I0 1 ed
d
d
e
I0 I
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
e I I0 d 1 (e 1)
光子能量W
= hυ
光子 中性原子
>
电离能
Wi
X射线、γ线
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (三) 热电离—本质上与碰撞电离、光电离一致
中性原子
电子
高温
电子动能
3 kT 2
>
电离能
Wi
在大电弧的情况下发生
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (四) 负离子的形成
1 2 mv < Wt 2
负极
正极
E
气体分子要有很高的电负性
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生 (四) 负离子的形成
电子亲和能
元素
F Cl Br I
电子亲合能（eV）
4.03 3.74 3.65 3.30
电负性值
4.0 3.0 2.8 2.5
第二节 带电质点的产生
四、金属表面电离 (一) 正离子碰撞阴极
正离子
hυ
负极
电子
正极
E
正离子的能量与金属电极的逸出功的关系
第二节 带电质点的产生
四、金属表面电离 (一) 正离子碰撞阴极
一些金属的逸出功 金属 铝 银 逸出功（eV) 4.08 4.73
铜
铁 氧化铜
4.7
4.48 5.34
正离子从金属中释放自由电子的概率为0.01数量级
第二节 带电质点的产生
四、金属表面电离 (二) 光电效应
负极
正极
E
第三节 带电质点的消失
扩散
hν
复合
负极 中和
正极
E
带电粒子消失的三条途径：复合、扩散和中和
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
一、非自持放电和自持放电 非自持放电：去掉外电离因素后放电随即停止。 自持放电：仅由电场的作用而维持的放电
自持放电 起始电压
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
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
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
一、稍不均匀电场和极不均匀电场的特征
电晕放电
刷形放电
气隙击穿
电场均匀程度不同，放电发展过程也不同
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
以同轴圆筒电极说明电场均匀程度对放电机理的影响
电场越不均匀， 衰减的越快
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
以同轴圆筒电极说明电场均匀程度对放电机理的影响 主要特征：
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
3、 的分析
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
3、 的分析
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程 (二)、 及 过程同时引起的电流
1.

过程
过程:正离子沿电场方向行经1cm时，平均发生
的碰撞电离次数。 过程:正离子碰撞阴极，气体空间形成的光子引 发的电极表面光电离。
第一节 气体放电主要形式简介
辉光放电 电弧放电 火花放电 电弧放电
第一节 气体放电主要形式简介
第一节 气体放电主要形式简介
不均匀电场下 电晕放电 刷形放电 火花/电弧放电
第一节 气体放电主要形式简介
第二节 带电质点的产生
带电质点的产生是形成放电的基础。
一、原子的激励和电离 (一) 原子的能级 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。
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
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。
原子核
激励 基态电子
复合
电离能
电离
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
第二节 带电质点的产生
二、稍不均匀电场中的自持放电条件和击穿
稍不均匀电场中， 是空间的函数

A U0 B ln R r
d
0
dx ln
1

20
将 的表达式带入其中，并以同轴圆筒状电极为例：
B ln(R / r ) B ln(R / r ) R 1 pr exp pr ln exp U0 U0 r
流注形成，则出现新的电离因子，放电进入自持。
e
d
常数
常温常压下，此常数为10E8数量级。
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 2、击穿电压
e
3、系数
d
Const
e 1
d
击穿电压表达式与汤逊理论相同，但物理过程差异很大。
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
(六)、pd不同时，放电过程发生变化的解释 1、pd较小时
电子崩释放的光子容易被电极吸收，形成电极光电离。
由于气压低，带电质点容易移动，不足以形成空间电荷效应。
2、pd较大时
电子崩释放的光子容易被空气吸收，高气压也使得空间电
荷容易大量积累。
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
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
(五)、流注理论对pd很大时放电现象的解释 1、放电外形 流注通道曲折，带有分支。
2、放电时间
3、阴极材料
光子以光速传播，二次电子崩跳跃式发展，故速度快。
由于光电离的作用，使击穿电压与阴极材料基本无关。
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
2.8 操作冲击电压下空气间隙的击穿电压
2.9 提高气体间隙击穿电压的措施
第一节 气体放电主要形式简介
气体放电 气体中流通电流的各种形式
空气中存在带电粒子（宇宙射线等辐射电离作用）。 击穿：气ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ由绝缘态变为良导电态的过程。
沿面闪络：气体-液体，气体-固体界面的击穿过程。
击穿电压：发生击穿的临界电压。 击穿场强：击穿电压与间隙距离的比（介电强度）。
二、气体中质点的自由行程
：一个带电质点在向前行进 1cm 距离内，发生碰撞 次数的倒数 。
第二节 带电质点的产生
二、气体中质点的自由行程
T λ∝ P
受温度和气压影响
的性质
电子的要比分子和离子的大得多 反映了带电质点自由运动的能力
空气中电子平均自由行程0.1微米
第二节 带电质点的产生
三、气体中带电质点的产生
负极
hυ ≥ Wt
正极
E
光子也可能被反射、吸收(热能)，仅一小部分使电子逸出
第二节 带电质点的产生
四、金属表面电离 (三) 场致发射
E
负极
电场阈值
正极
108V / m
一般气隙中不会发生，在高气压、高真空条件下可能存在
第二节 带电质点的产生
四、金属表面电离 (三) 热电子发射
加热
1 2 mv ≥ Wt 2
适用于pd<200 (cm· 133 Pa)的条件
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。
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
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
(四)、汤逊理论的适用范围
气压很低时(真空），场致发射起作用，机理改变。 气压很高时，很多击穿现象无法在汤逊理论范围内解释。
1. 放电外形：带有分支的明亮细通道。 2. 放电时间：放电时间较长（理论值） 3. 击穿电压：在pd较大时，计算值与实测值的差别较大。 4. 阴极材料：在大气压下空气中实测得到的击穿电压与 阴极材料无关。
气体击穿的理论分 析和空气间隙绝缘
主讲人：高宇 高电压与绝缘技术实验室 天津大学电气与自动化工程学院
主要内容
2.1 气体放电主要形式简介 2.2 带电质点的产生 2.3 带电质点的消失 2.4 均匀电场中气体击穿的发展过程 2.5 不均匀电场中气体击穿的发展过程 2.6 持续作用电压下空气的击穿电压 2.7 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性
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 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。
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 电晕现象
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
二、稍不均匀电场中的自持放电条件和击穿
可见，起始电压 U 0 可写成：
R1 U 0 f ( pl , , ) 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。