修改版-气体击穿理论

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。

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。

非持续作用电压雷电冲击过电压、操作冲击过电压持续时间极短（以微秒计），放电发展速度不能忽略不计。

间隙的击穿电压与作用电压的波形（即作用时间）有很大关系用伏秒特性来表达气隙的击穿特性伏秒特性以斜角波电压为例说明考虑放电时延的必要性在间隙上缓慢地施加电压，达到静态击穿电压U 0后，间隙中开始发展起击穿过程。

但击穿需一定时间∆τ= t l ，在此时间内电压上升击穿完成时间隙上的电压应为U 0+∆Utu U ∆∆⋅∆=∆/τ例如某间隙的静态击穿电压为50kV ，放电时延为如果电压上升的平均陡度为，与50kV 相比，可以忽略电压上升的平均陡度：，与50kV 相比，不能忽略V/S 10s )105/(V 1050733=××−V/S 10s )105/(V 10501063=××−S 106−=∆τV 10107=∆×=∆τU KV 101010=∆×=∆τU伏秒特性的制订方法工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性伏秒特性用实验方法求取放电时间具有分散性，实际上伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域伏秒特性的应用Ｓ２对Ｓ1起保护作用在高幅值冲击电压作用下，Ｓ２不起保护作用气隙击穿电压的概率分布无论何种作用电压，气隙的击穿电压都有分散性，但分散程度不同接近正态分布：用50%击穿电压U和相对标50准偏差σ来表示，表3-2-1耐受电压：工程中将对应于（99%以上）的电压最为耐受电压U50(1-3σ)——击穿几率99.86%球—球间隙极性效应：当d＞D/4，大地对电场的畸变作用使间隙电场分布不对称：电场最强的电极为负极性时的击穿电压略低于正极性时的数值电场均匀程度影响：同一间隙距离下，球电极直径越大，击穿电压也越高照射效应：增大气隙中出现有效电子的概率，减小击穿电压的分散性直流电压下的击穿电压¾极性效应：棒—棒电极间的击穿电压介于极性不同的棒—板电极之间¾击穿电压与间隙距离接近正比，平均击穿场强：正棒—负板：4.5kV/cm负棒—正板：l0kV/cm棒—棒：4.8~5.0kV/cm工频电压下的击穿电压¾击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生¾间隙距离小于2.5cm，击穿电压和距离近似直线关系¾平均击穿场强(幅值)：棒—棒间隙为5.36kV/cm，棒—板间隙为4.8kV/cm¾“饱和现象”：距离加大，平均击穿场强明显降低，棒—板间隙尤为严重d＝1m， 5 kV/cmd＝l０m，2 kV/cm¾在图所示范围内击穿电压和间隙距离呈直线关系¾棒—板间隙有明显的极性效应，棒—棒间隙也有不大的极性效应操作冲击电压下空气的击穿电压极不均匀电场中的操作冲击50％击穿有许多特点¾极性效应正极性下50％击穿电压比负极性下低，所以也更危险¾电场分布的影响“邻近效应”：接地物体靠近放电间隙会显著降低其正极性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压¾“饱和”现象：和工频电压下类似，棒—板间隙更严重¾分散性大：波前时间在数十到数百微秒之间，U50的标准偏差约为5％；波前时间超过1000µs以后，可达8％¾波形的影响在一定的波前时间范围内，U50 甚至会比工频击穿电压低，呈现出“Ｕ形曲线”放电时延和空间电荷(形成及迁移)这两类不同因素的影响所造成的对应极小值的波前时间随着间隙距离加大而增加，对7m以下的间隙，在50∼200µs之间1、改进电极形状以改善电场分布 增大电极曲率半径减小表面场强。