气体击穿理论

气体介质的绝缘特性空气间隙的击穿巴申定律：当气体种类和电极材料一定时，均匀电场中气隙的放电电压Uf是气体压力P和间隙极间距离S乘积的函数；)(pSUfF电场是否均匀对空气间隙击穿电压的影响•气体间隙的直流击穿电压和极性效应冲击电压下空气间隙的击穿电压影响气体间隙击穿电压的各种因素•气体状态:密度大，击穿电压会升高；密度小，击穿电压会降低，密度太小，也降低；气压与温度通过对密度的影响，影响击穿电压;气压越大，击穿电压越高；温度增大，击穿电压增大•电压作用时间:均匀电场，击穿电压与电压波形、电压作用时间无关；极不均匀电场，雷电冲击击穿电压比工频冲击电压高得多；极不均匀电场，操作冲击电压，如果波前时间T1与间隙S比，处于临界波前时间T0附近，则可能低于工频冲击击穿电压；•电压的极性:均匀电场，击穿电压与电压极性无关；极不均匀电场，当棒为正极时，直流击穿电压与工频冲击电压接近相等；极不均匀电场，当棒为负极时，直流击穿电压远高于工频冲击电压；•电场均匀程度：电场越均匀，击穿电压高•电极材料与光洁：表面不易发射电子，击穿电压高；表面光洁，击穿电压高；•不同气体类型：卤素元素气体，击穿电压比空气高几倍；SF6气体的绝缘特性•SF6在普通状态下，无色、无嗅、无毒、不燃的惰性气体;相对密度是空气的5倍;电气绝缘强度是空气的2.3-3倍;灭弧性能是空气的100倍•气体的压力：气压越大，击穿电压越高•电场均匀程度：均匀电场中，提高气压，能显著提高击穿电压•气液状态：防止出现液态；压力越高，液化温度越高；如：20℃表压为0.1MP的SF6气体，-63 ℃液化； 20℃表压为0.45MP的SF6气体，-40 ℃液化气体放电的不同形式：与气体压力、电极形状、电场强度有关•辉光放电：压力小，真空中；放电电流密度小，放电区域占放电管电极间整个空间•电弧放电：压力增大--1个大气压以上；放电电流密度大，温度高，亮而细长放电弧道，弧道电阻小，似短路•火花放电：放电回路阻抗大，放电时断时续；外电路阻抗大，压降大，间隙多次被击穿•电晕放电：极不均匀电场环境中；空气间隙电场极不均匀，在电极附近强电场处出现的局部空气游离发光现象，电流小，整个空气间隙并未击穿，仍能耐受电压作用•刷状放电：电晕放电后压力增大，产生刷状放电；从电晕电极间产生许多明亮的细小放电通道；压力再大，整个间隙击穿，形成电弧放电或火花放电•气体中固体介质沿表面放电：与绝缘物表面状况、污染程度、电场分布等有关•固体绝缘表面光洁度:表面的损伤或毛刺，引起沿面电阻分布不均匀，使电场分布不均匀，电场强的地方首先放电，整体沿面放电电压降低•大气湿度和绝缘物吸潮:空气潮湿，绝缘物表面吸收潮气形成水膜;水中离子，在电场作用下，向电极积聚，使电极电场加强并放电•导体与绝缘物结合程度: 结合不好，形成气隙;气隙中电场分布比固体强，首先发生电晕放电•电场分布的影响: 在电场分布最强的地方，空气首先发生游离，产生电晕，使沿面放电电压降低二、固体介质的绝缘特性固体电介质的种类及其特性•天然材料：木材、云母、石棉、橡胶•人造材料：电瓷、玻璃、电木、塑料•有机物：木材、橡胶•无机物：电瓷、玻璃固体绝缘击穿的三种形式电压高于临界值后，电流剧增，电介质不耐压，失去绝缘；固体介质在击穿过程中，熔化或烧焦，形成机械损伤。

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。

高电压知识点汇总一、气体放电的基本概念。

1. 气体放电。

- 气体中流通电流的各种形式统称为气体放电。

在正常状态下，气体是良好的绝缘体，但在一定条件下（如高电压、强电场等），气体中会出现导电现象。

- 气体放电可分为自持放电和非自持放电。

非自持放电需要依靠外界电离因素（如紫外线、宇宙射线等）才能维持导电；自持放电一旦形成，即使外界电离因素消失，放电仍能持续。

2. 汤逊理论。

- 适用于低气压、短间隙均匀电场中的气体放电。

- 主要观点：电子崩和正离子撞击阴极产生二次电子发射是气体自持放电的主要机制。

- 汤逊第一电离系数α：表示一个电子在沿电场方向运动1cm的过程中与气体分子发生碰撞电离的次数。

- 汤逊第二电离系数β：表示一个正离子撞击阴极表面时产生的二次电子数。

- 根据汤逊理论，自持放电的条件为：e^α d=1+(α)/(β)（d为电极间距）。

3. 流注理论。

- 适用于高气压、长间隙、不均匀电场中的气体放电。

- 主要观点：电子崩发展到足够强时，电子崩中的空间电荷会使电场发生畸变，产生局部强电场，从而引发光电离，形成流注。

流注不断发展贯穿两极间的间隙，导致气体击穿。

- 与汤逊理论的区别：汤逊理论没有考虑空间电荷对电场的畸变作用，而流注理论强调了空间电荷和光电离在放电过程中的重要性。

二、液体和固体介质的电气特性。

1. 液体介质的电气特性。

- 极化。

- 液体介质在电场作用下会发生极化现象。

极化类型主要有电子式极化、离子式极化和偶极子极化。

- 电子式极化：电子云相对于原子核的位移产生的极化，其特点是极化建立时间极短（10^-15sim10^-16s），极化过程中不消耗能量。

- 离子式极化：离子晶体中正负离子在电场作用下的相对位移产生的极化，建立时间约为10^-13s，极化过程中也基本不消耗能量。

- 偶极子极化：极性分子在电场作用下沿电场方向取向产生的极化，建立时间较长（10^-10sim10^-2s），极化过程中消耗能量。