均匀电场中的气体击穿
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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
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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
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
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4、气隙的击穿特性
见397、398页的击穿电压表 （注意：当球间距离大于0.5D时，不是线性关系）
3、极不均匀电场的击穿电压
a、直流电压下的击穿电压 显著特征：极性效应
平均击穿场强：
正极性棒-板间隙：4.5kV/cm 负极性棒-板间隙：10kV/cm 正极性棒-棒间隙：4.8kV/cm 负极性棒-板间隙：5.0kV/cm （略微不对称）
b、极间障的采用
３、增高气压（巴申定律的应用）
提高气压可以减小电子的平均自由行程，削弱电离过程， 从而提高气体的电气强度。 例如，大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的1 ／5～1／8，而提高压力至1一1.5MPa后，空气的电 气强度就和一般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、 云母等的电气强度相接近了。 压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘近年来在一些电气设 备(如高压空气断路器、高压标准电容器等)中已得到采 用。采用压缩气体的缺点是对设备容器的机械强度及密 封等方面的要求提高了，从而增加了制造成本。
对高电气强度气体的要求： 1．液化温度要低，采用高电气强度气体时，常常同时提 高压力，以便更大程度的提高间隙的击穿电压，缩小设备 的体积和重量。所以这些气体的液化温度要低，以便在较 低的运行温度下，还能施加相当的压力。 2．应具有良好的化学稳定性，不易腐蚀设备中的其它材 料，无毒，不会爆炸，不易燃烧，即使在放电过程中也不 易分解等。 3．经济上应当合理，价格便宜，能大量供应。
Tf 250s 20% Tt 2500s 60%
2.放电时延 t L t S t f
统计时延 t s ：从电压达到 U 0 的瞬时起 到气隙出现第一个有效电子止
放电发展时间 t f ：从形成第一个有效电 子的瞬时起到到气息完全击穿止 间隙中出现一个能引起电离过程并最终导致击穿
SF6气体的电气性能
极不均匀电场中的放电
驼峰曲线出现的原因： 在曲率半径较小的电极附近出现电晕后，电晕对电极具有一定的屏蔽作用， 其作用相当于电极曲率半径变大，电极表面变得光滑，故击穿电压变高 (电晕稳定化作用)。
①负斜率部分击穿分散性很大 ②在驼峰区，冲击系数小于1
虽然电晕的出现有可能帮助SF6间隙提高 击穿电压，但在实际工程应用中，必须避 免GIS设备中出现电晕。
①碰撞电离
③热电离： • 气体分子之间的碰撞引起的电离 • 高温气体的热辐射引起的光电离 • 高能电子引起的碰撞电离
②光电离
电负性气体中的气体放电
气体中负离子形成的途径： •附着---在某些气体中，原子或者分子容易附着(Attachment)电子而形 成负离子。负离子的形成，有利于减少气体中的电子密度，从而抑制 放电的发展，提高气体的击穿强度。 •解离
初始 电子
有效电离系数：
电子增殖规律：
x
( )dx ne (x) ne (0) e0
电负性气体中的气体放电
有效电离系数的测量表明，在(E/p)0附近：
/ p c(E / p (E / p)0)
c 28kV-1
(E / p)0 88.5kV/mm • MPa
•二次电子发射
当正离子碰撞阴极被中和时，可能会由阴极发出电子到气体中，这种电子通 常称为电子或二次电子。
电负性气体中的气体放电
气体放电理论
•汤逊放电理论 •流注放电理论
电子崩
E
电离系数(产生)： 一个电子沿电场方向行经单位长度，平均 发生的碰撞电离次数。
附着系数 (消失) ： 一个电子沿电场方向行经单位长度，平均 发生的附着次数。
N 1
对均匀电场：
高铁高压供电设备之气体电介质的击穿特性—均匀电场中的气体放电
（d）
二次崩的电子与 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；
流注头部前方电 场很强，电离迅 速发展，放射出 大量光子，继续 引起空间光电离， 于是流注前方出 现新的二次崩， 延长流注通道；
流注通道贯通， 气隙击穿。
流注理论
这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它 们不断汇入初崩通道的过程被称为流注。
子位于强场区，二次电子崩将以更大得多的电离强度向
削弱
增强
阳极发展，或汇入崩尾。
流注理论
2 空间电荷对原电场的畸变作用
起始电子发生 碰撞电离形成 初始电子崩
初崩发展到阳 极，空间电荷 畸变原电场， 在电场削弱的 区域复合增加， 放射出大量光 子；
光电离产生光 电子，在加强 的局部电场作 用下形成二次 电子崩；
真空断路器
巴申ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ律
电气强度的提高对于高压电力设备的安全稳定运行有着不可小觑的作用。在日常 的学习中我们要学会理论联系实际，通过理论指导实践，更好地服务社会的发展。
流注理论
流注理论
前面所介绍的汤逊理论是在低气压、短气隙的 条件下进行的。
大自然中的气体放电现象如雷电放电发生在两 块雷云或雷云与大地之间，此时放电时间很短； 具有明亮放电细通道；且与阴极材料无关。
巴申定律
巴申定律
早在汤逊理论出现之前，巴申(Paschen)就于1889年从大量的实验中总结出了 击穿电压Ub与pd的关系曲线，称为巴申定律，即
Ub =f（pd）
巴申定律：描述了气体的击穿电压Ub 与pd 的关系曲线
巴申定律
图1 实验求得的均匀场中不 同气体间隙曲线Ub =f（pd）
第1讲 均匀电场气隙击穿
5
（二）非自持放电和自持放电
电流微小， 外施电压小于UA时，电流微小，电流值由空间的游离电荷 的数量和外加电压决定。 游离电荷与光照射（ 的数量和外加电压决定 。 游离电荷与光照射 （ 含宇宙射 的强度有关， 产生在阴极表面和间隙空间， 线 ） 的强度有关 ， 产生在阴极表面和间隙空间 ， 阴极表 面产生的是自由电子， 空间产生的是正负离子， 面产生的是自由电子 ， 空间产生的是正负离子 ， 通常阴 极表面的电子数量大于空间电荷数； 极表面的电子数量大于空间电荷数 ； 电压加高则电荷移 动速度加快，表现出电流加大。 动速度加快，表现出电流加大。
dn = nαdx
将此式积分， 将此式积分，可得电子的增长规律为
n = n0 exp ∫0 αdx
x
9
对于均匀电场， 对于均匀电场，α 不随空间位置而变
n = n0 e
相应的电子电流增长规律为
αx
I = I 0e
αx
得进入阳极的电子电流， 令x＝d，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流
I = I 0 e αd
14
U b = f (δd )
4、汤逊放电理论的适用范围
汤逊放电理论的适用于小于0 26cm。 汤逊放电理论的适用于小于 0.26cm。 但电力工程上经常 cm 接触到的是气压较高的情况（ 接触到的是气压较高的情况 （ 从一个大气压到数十个大气压 ），间隙距离通常也很大 此时有四个不相符合： 此时有四个不相符合： 放电外形：均匀连续，如辉光放电——分枝的明细通 1. 放电外形：均匀连续，如辉光放电 分枝的明细通 道 放电时间： 2. 放电时间：火花放电时间的计算值比实测值要大得 击穿电压： 3. 击穿电压：汤逊自持放电条件求得的击穿电压和实验 值有很大出入 阴极材料的影响： 4. 阴极材料的影响：实测得到的空间电荷畸变外电场
3 汤逊放电理论
真空灭弧室
GIS 站
1.假设P保持不变，
①当d增加时，场强E降低，因此碰撞电离减弱，故 Ub 必然
增大。
②d很小时，自由电子直接从阴极运动到阳极（工程中 不会用到）。
应用：增加气体间隙的距离可提高间隙的击穿电压。
汤逊放电理论的适用范围
低气压、 短间隙的电场中，即
汤逊放电理论不能解释的放电现象
汤逊放电理论不能解释的放电现象 3、击穿电压 pd值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件 求得的击穿压和实验值比较一致。 pd值很大时，如仍采用原来的 值，则击穿电压计算值和 实验值将有很大出入。 4、阴极材料的影响 根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定 作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响 ，但大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料无 关。
2. α系数的计算
当电极间距离在一定 范围内时，在单对数坐标 系中，电流和极间距离的 关系为一倾斜的直线，此 直线的斜率就是 。
I2 1 a= ln d 2 - d1 I1
3. 电子电离系数α的分析
影响 α的因素：气体的种类、电场的强度、电子的自由 行程（气体的状态）有关。 为便于分析，进行如下的假设： (1)每次碰撞时电子失去自己的全部动能，然后从速度为零 的起始状态重新被电场加速。 (2)在电场作用下，电子的驱引速度比热运动速度大得多， 故忽略后者。又由于已假定每次碰撞时电子都失去全部动 能，所以可认为，在均匀电场中，两次碰撞之间，电子均 沿电场方向作直线运动。 (3)当电子动能小于气体分子的电离能时，每次碰撞都不会 使分子发生电离，而当电子动能大于气体分子的电离能时 ，每次碰撞必定使分子电离。
1. 自持放电条件
如果电压( 电场强度 ）足够大，初始电子崩中的正离子 能在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0，那么即使除去 外界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产 生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维 持下去，这就变成了自持放电。
2.气体放电的基理论分析-均匀场与不均匀场的放电
3.流注理论
汤逊气体放电理论实在气压较低，pd值较小的条件下进行放电实验的 基础上建立起来的。pd过小或者过大，放电机理出现变化，汤逊理论就不 适用了。当气压是101.3kPa或更高、长气隙pd>>26.66kPa.cm。
电子崩在正常大气下发展若E=30kV/cm则α=11cm^-1我们可以推算出崩头 电子数的表
自由行程超过 平均自由程为λ，则
令
的电子才能与分子发生碰撞电离，若电子的
气体温度不变时，平均自由程与气压成反比
我们将之前推出的气隙击穿条件带入上式中可以推出击穿电压
1.3汤逊理论的核心理论及适用范围
1.汤逊原理中对实验的分析主要以碰撞电离为理论基础 2.汤逊原理的实验环境仅限于短间隙，低气压，大曲率电极， 均匀电场的条件下(pd<26.66kPa.cm[200mmHg.cm]) 3.达到自持放电后的放电型式和特性取决于所加电压的类型、 电场型式、外电路参数、气压和电源容量等条件。 4.汤逊实验中阴极材料对实验影响较大，γ系数会随材料的 变化而变化，因而击穿电压也受到阴极材料影响。
3.
2.2极性效应
正极性
•棒极附近强场区内的电晕 放电将在棒极附近空间留下 许多正离子
•这些正离子虽朝板极移动, 但速度很慢暂留在棒极附近
•这些正空但速度很慢而暂 留在棒极附近，如图间电 荷削弱了棒极附近的电场 强度，而加强了正离子群 外部空间的电场
•负极性
• 崩头的电子在离开强场（电晕）区 后，虽不能再引起新的碰撞电离，但仍 继续往板极运动，而留在棒极附近的也 是大批正离子 • 这时它们将加强棒极表面附近的电 场而削弱外围空间的电场 • 所以，当电压进一步提高时，电晕 区不易向外扩展，整个气隙的击穿将是 不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要 比正极性时高得多，完成击穿过程所需 的时间也要比正极性时长得多。 输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都 属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电 压的作用下，击穿均发生在外加电压为正极 性的那半周内；在进行外绝缘的冲击高压试 验时，也往往施加正极性冲击电压，因为这 时的电气强度较低。
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。
高电压工程基础(第3章)
• • • •
3. 采用高气压 • 巴申定律 • 需要设备外壳的密封性和机械强度提出很高的要求 4. 采用高抗电强度的气体 • 在气体电介质中，有一些含卤族元素的强电负件气 体，如六氟化硫(SF6)、氟里昂(CCl2F2)等，因其具有 强烈的吸附效应。所以在相同的压力下具有比空气高 得多的抗电强度．因此被称为高抗电强度的气体。 5. 采用高真空 • 真空间隙的击穿电压大致与间隙距离的平方根成正比
• 3.伏秒特性 • 工程上用气隙击穿期间出现的冲击电压的最大值和放电时 间的关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒 特性。 • 实际上，由于放电时间的分散性．在每一电压下可得到 一系列放电时间。所以伏秒特性曲线是一个带状区域、通 常使用的是平均伏秒特性曲线。 • 均匀和稍不均匀电场气隙的伏秒特性曲线比较平坦，其放 电形成时延较短，比较稳定， • 极不均匀电场气隙的伏秒特性曲线比较陡峭。 • 保护设备（避雷器或间隙）需要伏秒特性曲线尽可能平坦， 并且位于被保护设备的伏秒特性之下且二者永不相交。
第三章 气体电介质的击穿特性
• 根据气体放电理论，可以说明气体放电的基本物 理过程．有助于分析各种气体间隙在各种高电压 下的放电机理和击穿规律。但由于气体放电的发 展过程比较复杂．影响因素较多，气隙击穿的分 散性较大，所以要想利用理论计算的方法来获取 各种气隙的击穿电压相当困难。因此通常都是采 用试验的方法来得到某些典型电极所构成的气隙 在各种电压下的击穿特性，以满足工程设计的需 要。 • 气隙的电场形式对气隙的击穿特性影响较大。此 外气隙所加电压的类型对气隙的击穿特性也有很 大关系。
三、极不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿 特性 • 在极不均匀电场的气隙中，“棒一板”间 隙和“棒一棒”间隙具有典型意义。前者 具有最大的不对称性，后者则具有完全的 对称性。其他类型的极不均匀电场气隙的 击穿特性均介于这两种典型气隙的击穿特 性之间。
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%。
放电物理
可见在氩气和汞的混合气体中，潘宁电离过程的重要性
氙气对于氩气亚稳态的消灭截面大于汞的，因此氙的添加会增减氩气 和汞混合气的击穿电压
回到刚才提到的问题，氩气与氮气的电离电位差不多，可是氩 气的击穿电位低很多，就是因为氩气可能存在少量的杂质元素， 降低了其击穿电位。虽然氮气中也有杂质，但是氮气放电不产 生亚稳态，因此杂质不影响击穿电位。
e3d3 3
放电管的伏安曲线形式
1，2点是击穿 前的伏安曲线
2，是临界点
3，电流增加， 电压下降的过 程，放电回路 电阻导致放电 电压降低
4，另一个电流 增长区
1 1 非自持放电
2 1 自持放电 击穿
如果2出现起伏，那么放 电电流继续增加，3是代表。 此时空间电荷出现。
3 1
随着氩气的加入，氖气的击穿电压显著下降。 氖气亚稳态的重要作用，潘宁电离过程的作用
杂质原子对击穿电压的影响，是由于气体中发生的额外过 程造成的，不同于汤森放电理论描述的那些过程。例如：氖气 与氩气的混合气体，如果较低电场条件下，电子能量不足以引 发雪崩电离，因此无法击穿，但是却可以产生亚稳态，虽然亚 稳态可以进一步电离，但是由于亚稳态数量的原因，不能产生 显著电离。可是如果存在一种杂质原子，电离电位低于亚稳态 能量，那么潘宁电离过程的几率很大，会使得杂质原子电离， 引发气体电离，使得气体击穿电压降低。
氮气混入氩 气中，就会提 高混合气体的 击穿电压
1. 1%以下的氮 气混合，没有 引起击穿电位 的显著变化
2. 但是1%混合， 引起了数十伏 的增加
气体的击穿规律实际上比汤森理论描述的过程复杂许多，但 是汤森理论提出的雪崩电离机理的框架是合理的，只是汤森 理论的电子碰撞电离过程并不是单纯的电子碰撞过程，而是 包括了各种可能的电子产生机制，但汤森系数的引入仍然是 合理的唯象方法。
气体放电的机理
状态有关。
②与E/P有关，因为离子和光子的动能决定于E/P,因而有： (E / p)
但在工程实际中在击穿电压的计算中， γ一般看作为常 数，因为击穿电压对 γ的反映不灵敏。
（四）均匀电场中的击穿电压
1. 自持放电条件
如果电压( 电场强度 ）足够大，初始电子崩中的正离子
能在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0，那么即使除去 外界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产
(e d 0
dx
1)
1
自持放电条件图解分析
外界电离因子
阴极表面电离 气体空间电离
气体中的 自由电子
在电场中加速
碰撞电离
电子崩 （α）过程
阴极表面 二次发射 (γ过程）
正离子
图 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程
（五）击穿电压、巴申（帕邢）定律
Ape (Bp / E)
d ln 1
E
U d
Bpd
汤逊放电理论不能解释的放电现象
3、击穿电压 pd值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件
求得的击穿压和实验值比较一致。 pd值很大时，如仍采用原来的 值，则击穿电压计算值和
实验值将有很大出入。 4、阴极材料的影响
根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定 作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响 ，但大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料无 关。
生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维
持下去，这就变成了自持放电。
在整个路程撞击出的正离子数为：
令γ 表示一个正离子撞击到阴极表 面时产生出来的二次电子数，则从金属 表面电离出的电子数为：
n0 (ead 1) n0 (ead 1)
气体放电基础知识
气体放电基础知识关于气体击穿常用气体绝缘介质：空气、 SF6、CO2、 N2、混合气 + CO2、 SF6 + N2）等。
体（SF6气体击穿：正常情况下气体是良好的绝缘介质，但当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力（气体击穿）。
气体击穿是气体绝缘失败的最后表现形式，深入了解气体击穿的发展过程，对于提高分析问题、解决问题的能力更有意义。
平均电场强度与最大电场强度尖端效应或边缘效应电极表面的电场强度与其表面电荷密度成正比。
在电极尖端或边缘的曲率半径小，表面电荷密度大，电力线密集，电场强度高，容易发生局部放电。
这种现象称为尖端效应或边缘效应。
尖端效应或边缘效应是极不均匀电场的重要标志。
工程上常需改善电极形状，避免电极表面曲率过大或出现尖锐边缘。
分析绝缘结构的击穿电压时，不仅要考虑绝缘距离，而且还要考虑电场不均匀程度的影响。
对于同样距离的间隙，电场愈不均匀，通常击穿电压愈低。
茹柯夫斯基电极任一等位面上电场强度最大值：12211222C U U C C =+静电感应现象电容分压导体受邻近带电体的影响，在其表面不同部位出现正负电荷的现象称为静电感应。
气体放电的几个概念：气体放电：气体中出现电流的各种形式统称为气体放电。
气体击穿：由于外施电压升高，电流突然剧增，气体失去绝缘性能。
气体由绝缘状态突变为良导电态的过程，称为击穿。
沿面闪络：当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络。
气体放电的基本形式包括：1、电晕放电（局部放电）；2、辉光放电；3、电弧放电；4、火花放电。
气体击穿后的放电形式受气体压力、电源功率、电极形状等因素的影响。
1、电晕放电：随着电压升高，在电极附近电场最强处出现发光层。
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。
2、辉光放电：当气体压力不大、电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗），外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间出现发光现象。
气隙的击穿特性
（六）高电气强度气体的采用
含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利 昂（CCl2F2）等，其电气强度比空气的要高很多。称 为高电气强度气体
气体 氮
二氧化碳 六氟化硫 氟利昂 四氯化碳
化学组成
N2 CO2 SF6 CCl2F2 CCl4
分子量 28 44 146 121
153.8
相对电气强度 1.0 0.9
根据起始场强经验公式估算击穿电压 UEmadx/ f
d :极间距离；ｆ：不均匀系数，决定于电极布置，可
根据静电场计算或电解槽等实验方法求得
Emax达到临界值E0＝30kV/cm (幅值) ，间隙击穿
U bE 0d/f3d 0 /f kV Ｅ0 实际上和电极布置有关
影响击穿电压的主要因素是间隙距离 选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究
2.32.5 2.42.6
6.3
液化温度/ 0C -195.8 -78.5 -63.8 -28 +76
卤化物气体电气强度高的原因
1．由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性，气体 分子容易和电子结合成为负离子，削弱电子的碰撞电 离能力，同时又加强复合过程
２．气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其 中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少其碰撞 电离能力
屏障离尖电极过近，屏 障效应将随之而减弱
尖电极为负极性
屏障离开尖电极一定距 离，设置屏障反而将 降低间隙的击穿电压
屏障离尖电极过近，仍 有相当的屏降效应
工频电压下屏障的作用 设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。
雷电冲击电压下屏障的作用 尖电极具有正极性时，设置屏障可显著提高间 隙的击穿电压
在图所示范 围内击穿电压 和间隙距离呈 直线关系
2.4 持续电压作用下空气的击穿电压(简)
U b＝24.22δ d＋6.08 δ d (kV )
在标准大气条件下， 在标准大气条件下，均匀电场中空气的电气强 度约为30kV/cm 峰值）。 30kV/cm（ 度约为30kV/cm（峰值）。
二、稍不均匀电场中的击穿电压
稍不均匀电场中各处的场强差异不大， 稍不均匀电场中各处的场强差异不大，间隙中任何一处 若出现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。 若出现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。所以 对于稍不均匀电场，任何一处自持放电的条件， 对于稍不均匀电场，任何一处自持放电的条件，就是整 个间隙击穿的条件。 个间隙击穿的条件。 1. 电场不对称时，击穿电压有弱极性效应。 电场不对称时，击穿电压有弱极性效应。 击穿前有电晕发生，但不稳定，一旦出现电晕， 2. 击穿前有电晕发生，但不稳定，一旦出现电晕，立即导 致整个间隙击穿。 致整个间隙击穿。 间隙距离一般不很大，放电发展所需时间短。 3. 间隙距离一般不很大，放电发展所需时间短。直流击穿 电压、交流击穿电压、正负50%冲击击穿电压几乎一致， 50%冲击击穿电压几乎一致 电压、交流击穿电压、正负50%冲击击穿电压几乎一致， 且分散性不大。 且分散性不大。
（1）直流电压下（有极性效应）图2-13 直流电压下（有极性效应） 同样间隙距离下不同间隙类型的击穿电压比较： 同样间隙距离下不同间隙类型的击穿电压比较： 负棒—正板 负棒 正板 > 棒—棒 棒 > 正棒—负板 正棒 负板
（2）工频电压下（有极性效应）图2-14 工频电压下（有极性效应） 棒—板间隙的击穿总是发生在棒极性为正时的半个周期且 板间隙的击穿总是发生在棒极性为正时的半个周期且 电压达峰值时，击穿电压（峰值） 电压达峰值时，击穿电压（峰值）和直流下正棒负板时 的击穿电压相近。 的击穿电压相近。
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。
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1.2.2 汤逊放电理论-自持放电的条件
⑴ 汤逊理论的自持放电条件
γ(eαd－1) ＝1
物理意义：一个电子从阴极到阳极途中因碰撞电离（α 过程）而产生的正离子数为 eαd－1 ，这批正离子在阴 极上造成的二次自由电子数（γ过程）应为γ (eαd－1 ) ， 如果它等于1，就意味着那个初始电子有了一个后继电 子，从而使放电得以自持。
结论：均匀电场中气体的击穿电压Ub是气压和电极间距 离的乘积（pd）的函数。
离子崩
离子体积、质量大，平均自由行程短， 发生碰撞电离可能性比电子小得多，可 忽略该过程。
正离子碰撞阴极表面，逸出的自由电子平均 数
阴极发射电子
8
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-α过程
d dn
1n dx
x
n个电子行过dx之后，会产生 dn个新的电子
dn ndx
d
x d处, n e0 dx
Eqx Wi 或 Ex Ui
只有那些自由行程超过xi＝Ui /E的电子，才能与分子发
生碰撞电离。
若电子的平均自由行程为，在单位长度内，一个电子
的平均碰撞次数为1/ 。 x=0处，n0个电子沿电力线运动，
前进x后，剩余n个电子未发生碰撞，则在（x, x+dx）内发生
碰撞的电子数为
dn n dx
外电离因素：天然辐
光照射
射或人工光源
I
A
3
V
电场 作用
2 1
0
U1
U2
U0 U
气体中的电压和电流关系
5
光照射
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.1 非自持放电和自持放电
A V
试验分析：
当U<U0（非自持放电阶段）
电场均匀：间隙击穿电压Ub
0~1段：电流随电压的升高而升 I 电场极不均匀：电晕放电起
1 气体电介质的绝缘特性
1.1 气体中带电粒子的产生和消失 1.2 均匀电场中气体的击穿 1.3 不均匀电场中气体的击穿 1.4 气体间隙的稳态击穿电压 1.5 雷电冲击作用下气体间隙的击穿 1.6 操作冲击作用下气体间隙的击穿 1.7 大气条件对间隙击穿电压的影响 1.8 提高气体间隙击穿电压的措施 1.9 沿面放电
高；
始电压ห้องสมุดไป่ตู้
1~2段：电流仅取决于外电离因
素，而与电压无关；
3
2~3段：电压升高电流增强，但
仍然靠外电离维持放电过程
2 1
0
当U≥U0 （自持放电阶段）
3点后：电流急剧突增，气体间 隙击穿，只靠外电压就能维持
U1
U2
U0 U
自持放电起始电压
6
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-低气压短间隙均匀电场
1
课程回顾
1.1 气体中带电粒子的产生和消失
气体电离的条件？种类？ W>Wi, 碰撞电离； 光电离； 热电离；表面电离
电极表面逸出电子的条件？途径？ W>Wi，正离子撞击阴极，光电子发射，强场发射，
热电子发射 电负性气体？电负性与电气强度的关系？
电负性表征分子吸引电子的能力，分子吸附电子成为 负离子；电负性越好，吸引电子能力越好，电子越少， 对放电越不利，所以电气强度好，即绝缘性能好。
11
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-自持放电的条件
阴极表面电离 外界电离因子
气体空间电离
气体中的自由电子
在电场中加速
碰撞电离
电子崩 α过程
阴极表面二次发射 (γ过程）
正离子
ed 1 1
不够直观，不适合 工程直接应用
12
物理意义
引起碰撞电离的必要条件
Wi、Ui 分别为气体分子的 电离能和电离电位
一
崩尾
、
电
子
崩
的
形
阴极
成
崩头大、崩尾小
光照射
E
崩头 阳极
初始电子
碰撞电离
电子倍增
碰撞电离
电子7崩
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-电子崩的形成
一
α系数
、
电
子
崩
的
β系数
形
成
γ系数
电子沿电场方向行进单位长度，发生的平均
碰撞电离次数
电子崩
α对应单位长度内新电离 的自由电子数
正离子沿电场方向行进单位长度，发生的平 均碰撞电离次数
Wi qE 1
APe AP
Wi AP
APe qE
BP
APe E
式中， B AWi q
代入自持放电的临界条件
ed 1 1
d
ln
1
1
14
Wi qE 1
Ae AP
Wi AP
Ae qE
BP
Ae E
f (E)
P
P
BP
2
课程回顾
气体放电的主要形式
1. 辉光放电 2. 电晕放电 3. 刷状放电 4. 电弧放电 5. 火花放电
☆ 注：辉光放电、电晕放电、刷 状放电时间隙未击穿，火花放 电和电弧放电均是间隙击穿后 的放电现象
1 气体电介质的绝缘特性
1.1 气体中带电粒子的产生和消失 1.2 均匀电场中气体的击穿
对于均匀电场， 不随空间位置而变
n ed
新产生的电子数和正离子数为
放电可否自持 ？
ed 1
9
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-过程
新产生电子数：ead - 1
到达阴极的正离子数
n = ead - 1
过程
从阴极电离出的电子数
na (ed 1)
10
1.2 均匀电场中气体的击穿
自由行程大于xi的概率为
x
n n0e
e xi /
自由行程分布
电离碰撞次数
1 exi /
13
Eqx Wi 或 Ex Ui
气体温度不变时，1/ ＝AP
1
xi
e
1
Wi
e qE
Wi qE 1
APe AP
1 exi /
Ae E
P
E Ub d
BPd
Ae Ub
P
d
ln 1
1
ln
1
1
BPd
e Ub
APd
Ub
BPd
f (Pd )
ln
APd ln(1 1
)
由于对取了两次对数，Ub对的变化不敏感，因此Ub取决于P与d的乘积。
1.3 不均匀电场中气体的击穿 1.4 气体间隙的稳态击穿电压 1.5 雷电冲击作用下气体间隙的击穿 1.6 操作冲击作用下气体间隙的击穿 1.7 大气条件对间隙击穿电压的影响 1.8 提高气体间隙击穿电压的措施 1.9 沿面放电
4
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.1 非自持放电和自持放电
非自持放电——去掉外电离因素的作用后放电随即停止； 自持放电——不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。
⑴ 汤逊理论的自持放电条件
γ(eαd－1) ＝1
物理意义：一个电子从阴极到阳极途中因碰撞电离（α 过程）而产生的正离子数为 eαd－1 ，这批正离子在阴 极上造成的二次自由电子数（γ过程）应为γ (eαd－1 ) ， 如果它等于1，就意味着那个初始电子有了一个后继电 子，从而使放电得以自持。
结论：均匀电场中气体的击穿电压Ub是气压和电极间距 离的乘积（pd）的函数。
离子崩
离子体积、质量大，平均自由行程短， 发生碰撞电离可能性比电子小得多，可 忽略该过程。
正离子碰撞阴极表面，逸出的自由电子平均 数
阴极发射电子
8
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-α过程
d dn
1n dx
x
n个电子行过dx之后，会产生 dn个新的电子
dn ndx
d
x d处, n e0 dx
Eqx Wi 或 Ex Ui
只有那些自由行程超过xi＝Ui /E的电子，才能与分子发
生碰撞电离。
若电子的平均自由行程为，在单位长度内，一个电子
的平均碰撞次数为1/ 。 x=0处，n0个电子沿电力线运动，
前进x后，剩余n个电子未发生碰撞，则在（x, x+dx）内发生
碰撞的电子数为
dn n dx
外电离因素：天然辐
光照射
射或人工光源
I
A
3
V
电场 作用
2 1
0
U1
U2
U0 U
气体中的电压和电流关系
5
光照射
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.1 非自持放电和自持放电
A V
试验分析：
当U<U0（非自持放电阶段）
电场均匀：间隙击穿电压Ub
0~1段：电流随电压的升高而升 I 电场极不均匀：电晕放电起
1 气体电介质的绝缘特性
1.1 气体中带电粒子的产生和消失 1.2 均匀电场中气体的击穿 1.3 不均匀电场中气体的击穿 1.4 气体间隙的稳态击穿电压 1.5 雷电冲击作用下气体间隙的击穿 1.6 操作冲击作用下气体间隙的击穿 1.7 大气条件对间隙击穿电压的影响 1.8 提高气体间隙击穿电压的措施 1.9 沿面放电
高；
始电压ห้องสมุดไป่ตู้
1~2段：电流仅取决于外电离因
素，而与电压无关；
3
2~3段：电压升高电流增强，但
仍然靠外电离维持放电过程
2 1
0
当U≥U0 （自持放电阶段）
3点后：电流急剧突增，气体间 隙击穿，只靠外电压就能维持
U1
U2
U0 U
自持放电起始电压
6
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-低气压短间隙均匀电场
1
课程回顾
1.1 气体中带电粒子的产生和消失
气体电离的条件？种类？ W>Wi, 碰撞电离； 光电离； 热电离；表面电离
电极表面逸出电子的条件？途径？ W>Wi，正离子撞击阴极，光电子发射，强场发射，
热电子发射 电负性气体？电负性与电气强度的关系？
电负性表征分子吸引电子的能力，分子吸附电子成为 负离子；电负性越好，吸引电子能力越好，电子越少， 对放电越不利，所以电气强度好，即绝缘性能好。
11
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-自持放电的条件
阴极表面电离 外界电离因子
气体空间电离
气体中的自由电子
在电场中加速
碰撞电离
电子崩 α过程
阴极表面二次发射 (γ过程）
正离子
ed 1 1
不够直观，不适合 工程直接应用
12
物理意义
引起碰撞电离的必要条件
Wi、Ui 分别为气体分子的 电离能和电离电位
一
崩尾
、
电
子
崩
的
形
阴极
成
崩头大、崩尾小
光照射
E
崩头 阳极
初始电子
碰撞电离
电子倍增
碰撞电离
电子7崩
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-电子崩的形成
一
α系数
、
电
子
崩
的
β系数
形
成
γ系数
电子沿电场方向行进单位长度，发生的平均
碰撞电离次数
电子崩
α对应单位长度内新电离 的自由电子数
正离子沿电场方向行进单位长度，发生的平 均碰撞电离次数
Wi qE 1
APe AP
Wi AP
APe qE
BP
APe E
式中， B AWi q
代入自持放电的临界条件
ed 1 1
d
ln
1
1
14
Wi qE 1
Ae AP
Wi AP
Ae qE
BP
Ae E
f (E)
P
P
BP
2
课程回顾
气体放电的主要形式
1. 辉光放电 2. 电晕放电 3. 刷状放电 4. 电弧放电 5. 火花放电
☆ 注：辉光放电、电晕放电、刷 状放电时间隙未击穿，火花放 电和电弧放电均是间隙击穿后 的放电现象
1 气体电介质的绝缘特性
1.1 气体中带电粒子的产生和消失 1.2 均匀电场中气体的击穿
对于均匀电场， 不随空间位置而变
n ed
新产生的电子数和正离子数为
放电可否自持 ？
ed 1
9
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.2 汤逊放电理论-过程
新产生电子数：ead - 1
到达阴极的正离子数
n = ead - 1
过程
从阴极电离出的电子数
na (ed 1)
10
1.2 均匀电场中气体的击穿
自由行程大于xi的概率为
x
n n0e
e xi /
自由行程分布
电离碰撞次数
1 exi /
13
Eqx Wi 或 Ex Ui
气体温度不变时，1/ ＝AP
1
xi
e
1
Wi
e qE
Wi qE 1
APe AP
1 exi /
Ae E
P
E Ub d
BPd
Ae Ub
P
d
ln 1
1
ln
1
1
BPd
e Ub
APd
Ub
BPd
f (Pd )
ln
APd ln(1 1
)
由于对取了两次对数，Ub对的变化不敏感，因此Ub取决于P与d的乘积。
1.3 不均匀电场中气体的击穿 1.4 气体间隙的稳态击穿电压 1.5 雷电冲击作用下气体间隙的击穿 1.6 操作冲击作用下气体间隙的击穿 1.7 大气条件对间隙击穿电压的影响 1.8 提高气体间隙击穿电压的措施 1.9 沿面放电
4
1.2 均匀电场中气体的击穿
1.2.1 非自持放电和自持放电
非自持放电——去掉外电离因素的作用后放电随即停止； 自持放电——不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。