4.1 气体的击穿解析

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。

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。

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。

气体击穿的名词解释气体击穿是一种物理现象，指当电场强度达到一定程度时，气体中的分子和原子会被离子化，形成电离区域，导致电流在气体中传导，从而引发气体的击穿现象。

所谓气体击穿，即是在电场作用下，当电压升高到一定程度时，气体无法继续抵抗电场的作用而发生放电，达到电流突变的过程。

击穿的发生并不依赖于材料的性质，而是由于电场强度的增加。

在气体击穿中，存在着几种不同的击穿方式。

首先是 Townsend 放电，即正电子与电子的碰撞会导致气体的离子化，形成电离区域。

其次是 Streamer 放电，电流通过离子化的区域形成电子束，在空间中迅速扩展，并在途中引发新的电离。

最后是电弧放电，也称为主放电，是电流从电极上脱离，通过空气中的离子路径形成电弧。

气体击穿的发生需要满足一定的条件。

首先是电场强度，当电场强度超过气体的击穿强度时，会引发击穿现象。

其次是电压升高速度，如果电压升高过快，可能会导致气体的击穿。

此外，气体的特性也会对击穿现象产生影响，如压力、温度和成分等。

气体击穿除了是一种物理现象，还具有广泛的应用。

在电力系统中，气体击穿会影响设备的性能和可靠性。

因此，在电气设备设计中，需要预防和控制气体击穿的发生。

同时，气体击穿也被用于一些应用中，如气体放电等。

为了预防气体击穿的发生，可以采取多种措施。

首先是增加电气设备的绝缘性能，使用符合标准的绝缘材料，提高设备的耐电压能力。

此外，还可以在电气设备中设置过电压保护装置，一旦出现过电压情况，及时采取措施以防止击穿现象的发生。

总结起来，气体击穿是一种在电场作用下，当电压达到一定程度时，气体无法继续抵抗电场的作用而发生放电的现象。

气体击穿的发生需要满足一定的条件，包括电场强度、电压升高速度和气体特性等。

预防和控制气体击穿的发生对于电气设备的正常运行具有重要意义。

通过加强绝缘材料的选择和设置过电压保护装置等措施，可以有效减少气体击穿的风险，提高设备的可靠性和安全性。

气体介质击穿-正文气体介质在电场作用下发生碰撞电离而导致电极间贯穿性放电的现象。

气体介质击穿与很多因素有关，其中主要的影响因素为作用电压、电极形状、气体的性质及状态等。

气体介质击穿常见的有直流电压击穿、工频电压击穿、冲击电压击穿、高气压电击穿、高真空电击穿、负电性气体击穿。

直流电压击穿直流电压作用下的气体介质击穿。

可分为以下两种。

①在电极间电场是均匀的情况下,气压低于1大气压（约0.1兆帕）时,间隙击穿电压服从于帕邢定律。

对于空气介质，击穿电压U b可按经验公式进行计算。

式中d为电极间距离(cm)，δ为空气相对密度。

一般情况下,空气介质击穿电压也可近似地用30kv/cm的击穿场强来估计。

对于稍不均匀电场，如两球电极的间隙，当电极距离d与球直径D之比d/D＜1/4时，可看作均匀电场，超过此限度时就不能这样考虑了。

②在极不均匀电场的情况下，如棒－板电极的间隙，击穿场强E b大为降低,并且还会出现极性效应,即正极性棒对负极性板的间隙击穿电压小于相反极性的情形，如图1所示。

引起极性效应的原因是由于正离子比电子运动慢很多,在间隙中形成正极性空间电荷,改变了电场分布而引起不同的放电发展过程。

在 0.3～3m电极间距离范围内，棒对板间隙的平均击穿场强E b分别约为：正极性棒电极时，E+≈4.5kV/cm；负极性棒电极时，E-≈10kV/cm。

工频电压击穿工频交流电压作用下的气体介质击穿。

在均匀电场(见不均匀电场)的间隙中，工频击穿电压和直流击穿电压相等。

在极不均匀电场的间隙中（如棒－板间隙），击穿总是发生在棒电极处于正极性的状态，因而交流击穿电压幅值与正极性棒对负极性板间隙的直流击穿电压相近。

棒－板空气间隙的交流平均击穿场强为Eа≈4.8kV/cm，与上述E+很接近。

为提供高电压输电线或变电所空气间隙距离的设计依据，近年来很多人研究长空气间隙的工频击穿电压(见长间隙击穿)。

图2为1～ 10m间隙距离的击穿电压曲线。