耐电压击穿试验仪

ZJC-50KV耐电压击穿试验仪主要技术参数：

型号：ZJC-50kV

输入电压：AC 220V±10%

电源频率：50-60Hz

高压变压器功率：5kVA

输出电压：AC 0～50kV  ,DC 0～50kV

测量精度：±1%

测量范围：1kV～50kV

升压方式选择功能：1；连续升压；2；逐级升压；3；瞬时升压。

升压速率设定功能：0.100 kV/s ～ 5.000kV/s

外形尺寸：1000mm*700mm*1400mm(ZJC-50kV产品)；

一、气体原子的激发与游离

气体原子在接受外界能量时，将引起内能的改变，即引起气体原子的激发与游离。气体原子可以不同方式由外界获得能量，而能否引起激发与游离，则决定气体本身。

依原子结构模型，原子中有一带正电的核，周围有若干电子沿一定轨道绕核旋转。当各电子位于离原子核最近的轨道上时，原子具有最小的位能(正常状态的原子即有最小的位能)，当原子由外界获得能量时，其电子可跃至能级较高的轨道，称此过程为激发，此时该原子为激发状态的原子，激发过程中所需的能量称为激发能。激发态的原子存在的时间极短，通常大致只有10-7～10-8s数量级，然后迅速回到正常状态，并以光子(光辐射)的形式释放出数值等于数发能的能量。如果由外部获得的能量足够大，以致使原子的一个或几个电子脱离原子核之束缚而成为自由电子与正离子(即带电质点)，称为原子的游离，游离过程中所需的能量称为游离能。正离子就是原子失去一个或几个电子而形成的带正电的质点。原子失去的电子数越多，所需的游离能就越大。在气体放电中，原子游离时通常只失去一个电子。原子也可能先经过激发阶段，然后再得到能量实现游离，这样的过程称为分级游离。由激发状态发生游离所需的能量小于直接游离所需的能量。

气体分子一般由两个或更多的原子所组成，气体分子的激发和游离过程与原子的类似，只不过分子的激发能和游离能与原子的各不相同而已。

二、气体中带电质点的产生

气体中带电质点的产生来源于两个方面：一是气体分子本身发生游离；二是金属表面电离。

1.气体分子本身的游离

根据气体分子得到能量形式的不同，气体分子本身可以分为以下几种游离形式。

(1)碰撞游离：在电场作用下，带电的质点(电子或离子)得到加速，并与气体分子相碰撞，当其能量足够时，可使气体分子游离。此时气体的游离，主要是电子与气体分子碰撞而引起，这种由碰撞引起的游离称为碰撞游离。气体中的带电质点在电场作用下运动过程中会不断和其他质点发生碰撞，其中任意一个带电质点每两次碰撞之间自由地经过的距离称为自由行程。多次碰撞中的各自由行程长短不一，其平均值称为平均自由行程，它和气体的密度成反比。在通常的气休中，带电质点的密度较气体分子的密度小得多，带电质点间的碰撞可忽略不计，因而气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分子发牛碰撞的行程。由于电子的尺寸和质量比分子的小得多，而离子的尺寸和质量与分子的差不多，尺寸小的质点运动中不易发生碰撞，故电子的平均白由行程比离子的大得多，正因为电子的平均自由行程大，在电场作用下加速运动时能积到足够的动能，而离子的平均自由行程小，尚未积聚到足够的动能就与别的质点碰撞而失去已积累的动能，所以碰撞游离主要由电子和气体分子碰撞所引起，离子和气体分子碰撞使其游离的概率很小.

当电子从电场中获得的动能大于等于气体分子的电离能时，就可能因为碰撞而使气体分子分裂为电子和正离子，即电子的能满足下面的条件是引起电离的必要条件

(1-1)

式中：me为电子质量(u)；Ve为电子速度(m/s)；Wi为气体分子的电力能(J)。

(2)光游离：光辐射引起气体分子游离的过程称为光游离。光是频率不同的电磁辐射，也具有粒子性，可视为质点，称为光子。光子的速度为光速(c=3×1010cm/s)。

导致气体光游离的光子可由紫外线、宇宙射线或x射线等供给；或来自气体放电过程本身的辐射，如激发的原子回到正常状态时，将放出激发能。

当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下列条件即可产生光电离

   (1-2)

式中：h为普朗克常数，h=6.62×10-34J·S。

由光游离产生的自由电子称为光电子，光电子在电场作用下又会产生碰撞游离。

(3)热游离；热游离是指由气体热状态引起的游离过程，一般是在高温下(如电弧放电的数千度高温下)发生的。

因分子的热运动，气体分子具有不同的动能，其平均值与气体的温度成正比，即

  (1-3)

式中：K为波尔茨曼常数，K=1.38×10-23J/K；T为绝对温度，K。

在常温下，气体分子的平均动能比任何气体的游离能都小得多，所以不会产生热游离。但在高温下，如气体中发生电弧放电时，弧柱的温度高达数千摄氏度，这时气体分子的平均动能就足以导致分子间发生明显的碰撞游离。此外，任何气体都能发出热辐射，其光子的平均能量也随温度的升高而增大，所以高温下高能热辐射的光子也能造成光游离。因此热游离并不是另外一种独立的游离形式，而是热状态下碰撞游离和光游离的综合。

以上三种游离发生在气体空间中，故也称为空间游离。

2.气体中金属表面的游离

气体中金属表面的游离是指阴极发射电子的过程。电子从阴极中释放出来需要一定的能量，称为逸出功。逸出功与金属的微观结构、金属表面的状况比如氧化、吸附层等情况有关，不同金属的逸出功各不相同。金属的逸出功一般比气体的游离能小得多，故阴极表面游离在气体放电过程中起重要作用。

根据电子从阴极逸出所需的能量来源的种类，阴极表面游离可分为以下几种形式：

(1)正离子撞击阴极表面。正离子在电场作用下向阴极运动，撞击阴极时，将动能传递给阴极中的电子可使其从金属中逸出：在逸出的电子中，一部分可能和撞击阴极的正离子结合成为分子，其余的则成为自由电子。只要正离子能从阴极撞击出至少一个自由电子，就可认为发生了阴极表面游离。

(2)短波光照射。阴极表面在光的照射下可释放出电了。由于光照射到阴极表面时，一部分被反射，一部分转变为金属的热能，只有一小部分用以使电子逸出，故只有波长较短的光照射阴极时，阴极表面才能发生游离..

(3)强场放射。在阴极附近的电场强度很大(达107V/cn数量级)时，阴极会放射出电子，这一现象称为强场放射，一般气体间隙的击穿不会发生，强场放射对高气压、高真空的击穿及某些电弧放电有重要意义。

(4)热电子放射。阴极的温度很高时，其中的电子可获得很大的动能而逸出金属，这一现象称为热电子放射。

对一般的气体放电过程来说，起主要作用的是正离子撞击阴极表面和短波光照射阴极表面引起的表面游离，强场放射和热电子放射只对某些电弧放电，如高压断路器分闸过程中的电弧放电才有意义。

上述游离过程在气体中只产生正离子和电子，事实上气体中还存在带负电的离子，称为负离子，负离子是由电子和中性分子结合而成的。某些气体如含卤族元素的气体和水蒸气等，它们的电负性(吸附电子的能力)很强，低速电子和其分子碰撞时不但不能使分子游离，反而会被其分子附着形成负离子，由于负离子不易形成游离，故其对放电起着阻碍的作用。

三、气体中带电质点的消失

在气体中发生放电时，有游离过程的发生，同时也有相反的过程，即带电质点的消失过程除其一部分消失于电极外，还可通过扩散与复合消失。

(1)扩散：当气体中带电质点分布不均匀时，则会由其浓度高处向浓度低处移动，使其趋均匀。这种运动是由热运动造成，与气体扩散规律相似，与气体状态(压力、温度)有关。

(2)复合：正负带电质点相遇，电荷彼此中和变为中性分子的过程称复合。复合过程中也会发生光辐射，并在一定条件下会导致光游离。影响复合过程的因素有：在复合过程中的相对速度（正负离子间复合的可能性比正离子与电子间复合的可能性要大)；在一定空向内带电质点的发合速度还与其浓度有关，正负离子浓度越大，复合过程的速度就越大，即带电质点消失的速度也越大。

第二节 均匀电场中的气体击穿过程

均匀电场中气体的击穿过程与气体的相对密度p和极间距离d的乘积pd有关。本节介绍汤逊气体放电理论和流注理论，汤逊根据均匀电场低气压条件下的放电实验，提出了适合于pd值较小情况下气体放电的电子崩理论(也称为汤逊理论)。后来雷特、米克等人在试验的基础上又提出了适合于pd值较大情况下气体放电的流注理论。这两个理论互相补充，较好地说明了pd在较大范围内的气体放电过程。

一、非自持放电和自持放电

如图1-1(a)所示，当在平板空气间隙加一电压时，其伏安特性如图1-1(b)所示。出于外部游离因素的作用，气隙间有少量带电质点。最初，电流随所加电压升高而增大(0a段)，然后，逐渐提高电压(在小于Ub时)，电流维持不变(ab段)，这是因为气隙中单位时间内产生的带电质点数不变，即使增大电压，电流也保持不变，但很微弱。当电压增大至Ub时，电流将随电压升高增大，如bc段。这时间隙中必然出现了新的游离因素，即电子的碰撞游离，电子在足够强的电场作用下，已积累起足以引起碰撞游离的能量。电压升高至某临界值Uc后，电流剧增，气体间隙转入良好导电状态，并伴有声、光等现象。

当外施电压小于Uc时,间隙虽有中流，但其数值很小，气体的绝缘性能未被破坏，即间隙未被击穿，因为逸出阴极表面的电子主要是依靠外界游离因素的作用，当外界游离因素消失时，放电就停止。这种需要依靠外界游离因素支持的放电称非自持放电。当电压继续增加，达图Uc（即图1-1(b)中的c点）以后，放电即达自持，即外界游离因素不存在，间隙中放电仅靠电场作用继续进行下去。因此，电压大于Uc以后的放电形式称自待放电，由非自持放电转入自持放电的电压称为起始放电电压（U0）。如在较均匀的电场中，则间隙被击穿(其击穿场强约为30kV/cn)，此后依气压、电源容量等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电，而起始电压U0也即间隙击穿电压。如电场不均匀，则当放电由非自持转入自持时，在大曲率电极表面电场集中的区城发生电晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高得多。

二、汤逊放电理论

汤逊从均匀电场低气压条件下的放电实验出发，总结出较系统的理论与计算公式，其实质如下。

在图1-1（b）中，当间隙上所加电压达Ub时，电流急剧增长，这是由于电场较强，使气体中开始出现新的游离过程，即碰撞游离过程。由外界游离因素所产生的起始电子，在电场作用下向阳极运动的过程中，其动能将增加，并不断与气体分子相碰撞。当电场很强时，电子运动足以使气体分子游离，其产生的新电子将在电场中获得动能，再引起碰撞游离，这样下去，电子数会像雪崩似地增加，形成电子崩，如图1-2所示。电子崩过程的出现，使间隙中带电质点大增，故电流也增加，但放电仍是非自持的。

当间隙上所加电压增至Uc时，由于强烈的碰撞游离将同时产生很多正离子，在它们向阴极移动的过程中，有不少积聚在阴极附近，将将形成表面游离。此时，如果一个电子由阴极出发，在到达阳极的途中，由于碰撞游离而产生一定数量的正离子。这些正离子达阴极时，依靠其能量使阴极表面至少能释放出一个电子，从而抵偿在间隙中产生电子崩后进入阳极的那个电子，这个电子将会在电场作用下向阳极运动，再引起碰撞游离产生新电子崩。这样，

即使无外界游离因素的作用，间隙的放电也能靠电场维持，即转入自持放电。由汤逊放电理论可得出击穿电压的计算公式，当气体和电极材料一定时，间隙的放电电压是气压p与间隙距离d乘积的函数，这个关系在汤逊之前已为巴申从低气压范围的实验中得到。图1-3为实验曲线，曲线可见，随pd的变化，击穿电压UB有一极小值。这是因为当d一定时，改变气体压力p(其单位换算：1mmHg=133.332Pa)，压力增大，气体密度δ随之增大，电子在运动过程中易与气体分子相碰撞，平均自由行程缩短，每次碰撞时由于电子积聚的能量不足以引起气体分子的游离，因而击穿电压升高；反之，压力减小时， 气体密度δ减小，电子在运动过程中不易与气体分子碰撞，虽然积聚的能量足够引起游离，但碰撞的次数减少了，故击穿电压也会升高。

用汤逊理论可以很好地解释低气压小间隙中的放电现象，但用来解释大气中的放电现象时，发现有以下与实际不符处：

(1)以汤逊放电理论计算出来的击穿过程所需时间，与实际的击穿时间有很大的不同，而实际测得的数值要小10～100倍。

(2)按汤逊放电理论，阴极性质在击穿过程中起重要作用，然而在大气压力下的空气中，间隙击穿电压与阴极性质无多大关系。

(3)按汤逊放电理论沿整个间隙是均匀连续地发展。但在大气中气体击穿时，会出现有分枝的明亮细通道。

三、流注理论

由于汤逊放电理论没有考虑到空间电荷对电场的畸变作用及光游离的影响，故有不足之处。流注理论可以较好地说明大气压力下空气的击穿过程。

流注理论是以电子崩为基础发展的结果，它是在电离室(也称云室)中，进行均匀电场短间隙内放电的实验研究，用其结果说明放电发展的机理。根据实验摄得放电轨迹的照片， 可将流注形成说明如下：

图1-4表示正流注的产生与发展过程。由外部游离因素从阴极释放出的电子向阳极运动，形成电子崩，如图1-4(a)所示：电子崩不断发展，电子速度较正离子快，故正离子落在后面。由于电子的扩散作用，电子崩在发展过程中，其半径逐渐增大。这样电子崩中出现了大量的空间电荷，崩头最前面集中着电子，其后直到尾部则是正离子，其外形好似球头的锥体，当电子崩发展到足够强度后，空间电荷将使外电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾的电场而削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场。崩头电荷密度很大，游离过程强烈，再加上电场分布受到畸变，结果崩头将放射出大量光子，崩头前后，电场明显增强，有利于发生游离和激发现象，当它们从激发状态回复到正常状态时，也将放射出光子。崩头内部正、负电荷区域之间电场大大削弱，则有助于发生复合过程，同样也将放射出光子。当外电场相对较弱时，这些过程不很强烈，电子崩在经过整个电极间隙后，电子进入阳极，正离子也逐渐在阴极上发生中和而失去其电荷。这样，这个电子崩就消失了，放电没有转入自持。但由于外电场很强，在达到击穿场强时，电子崩头部就开始形成流注了。

当电子崩走完整个间隙后，头部空间电荷密度大增，以致大大增强了尾部的电场，并向周围放射出大量光子，如图1-4(b)所示，这些光子引起空间光游离，新形成的光电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在受到畸变而加强的电场中，又激烈地造成了新的电子崩，称为二次电子崩，如图1-4(c)所示，二次电子崩向主电子崩汇合，其头部的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区(主电子崩的电子已大部进入阳极)，这个现象就叫流注，如图1-4(d)所示。流注通道导电性良好，其头部又是二次崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场。同时，由于很多二次电子崩汇集的结果，流注头部游离过程的发展，向周围放射出大量光子，继续引起空间光游离，于是在流注前方出现了新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，从而延长了流注通道，如图1-4(e)所示。这样，流注不断向阴极推进，且随流注之接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快。当流注发展到阴极后，整个间隙就被导电良好的正负带电质点的通道所贯通，于是形成间隙的击穿，如图1-4(f)所示。

如果外施电压比击穿电压高，则电子崩不需经过整个间隙，其头部游离程度已足以形成流注，流注形成后向阳极发展，称负流注或阴极流注。

流注理论可以解释汤逊理论不能说明的pd很大时的放电现象。

(1)放电时间：光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这可以说明pd很大时放电时间特别短的现象。

(2)阴极材料的影响：根据流注理论，维持放电自持的是空间光游离，而不是阴极表面的游离过程，这可以说明为何pd大时击穿电压和阴极材料基本无关。

(3)放电形状：pd很大时，放电具有通道形式，这从流注理论可以得到说明，流注中的电荷密度很大，电导很大，故其中电场强度很小。因此，流注出现后，将减弱其周围空间内的电场，但加强了流注前方电场，并且这一作用伴随着其向前发展而更为增强。故电子崩形成流注后，当某一流注由于偶然原因发展更快时，它就抑制其他流注的形成和发展，并随流注向前推进，这种作用越来越强。最后只剩下一个流注贯通整个间隙，故当pd很大时放电具有细通道的形式。

此外，由于二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝。