氣體介質擊穿
氣體(ti) 介質在電場作用下發生碰撞電離而導致電極間貫穿性放電的現象。氣體(ti) 介質擊穿與(yu) 很多因素有關(guan) ，其中主要的影響因素為(wei) 作用電壓、電極形狀、氣體(ti) 的性質及狀態等。氣體(ti) 介質擊穿常見的有直流電壓擊穿、工頻電壓擊穿、衝(chong) 擊電壓擊穿、高氣壓電擊穿、高真空電擊穿、負電性氣體(ti) 擊穿。
直流電壓擊穿 直流電壓作用下的氣體(ti) 介質擊穿。可分為(wei) 以下兩(liang) 種。
①在電極間電場是均勻的情況下,氣壓低於(yu) 1大氣壓(約0.1兆帕)時,間隙擊穿電壓服從(cong) 於(yu)
帕邢定律。對於(yu) 空氣介質，擊穿電壓Ub可按經驗公式
進行計算。式中d為(wei) 電極間距離(cm)，δ為(wei) 空氣相對密度。一般情況下,空氣介質擊穿電壓也可近似地用30kv/cm的擊穿場強來估計。對於(yu) 稍不均勻電場，如兩(liang) 球電極的間隙，當電極距離d與(yu) 球直徑D之比d/D＜1/4時，可看作均勻電場，超過此限度時就不能這樣考慮了。
②在極不均勻電場的情況下，如棒－板電極的間隙，擊穿場強Eb大為(wei) 降低,並且還會(hui) 出現極性效應,即正極性棒對負極性板的間隙擊穿電壓小於(yu) 相反極性的情形，如圖1所示。
引起極性效應的原因是由於(yu) 正離子比電子運動慢很多,在間隙中形成正極性空間電荷,改變了電場分布而引起不同的放電發展過程。在 0.3～3m電極間距離範圍內(nei) ，棒對板間隙的平均擊穿場強Eb分別約為(wei) ：正極性棒電極時，E+≈4.5kV/cm；負極性棒電極時，E-≈10kV/cm。
工頻電壓擊穿 工頻交流電壓作用下的氣體(ti) 介質擊穿。在均勻電場(見不均勻電場)的間隙中，工頻擊穿電壓和直流擊穿電壓相等。在極不均勻電場的間隙中(如棒－板間隙)，擊穿總是發生在棒電極處於(yu) 正極性的狀態，因而交流擊穿電壓幅值與(yu) 正極性棒對負極性板間隙的直流擊穿電壓相近。棒－板空氣間隙的交流平均擊穿場強為(wei) Eа≈4.8kV/cm，與(yu) 上述E+很接近。為(wei) 提供高電壓輸電線或變電所空氣間隙距離的設計依據，近年來很多人研究長空氣間隙的工頻擊穿電壓(見長間隙擊穿)。圖2為(wei) 1～ 10m間隙距離的擊穿電壓曲線。圖中,曲線1、2是棒-棒電極間隙，上棒電極均為(wei) 5m，下棒電極分別為(wei) 6m及3m，兩(liang) 者的擊穿電壓稍有差異。這是因為(wei) 曲線2的下棒電極短，大地的影響大。曲線3是棒-地間隙的擊穿電壓,它比棒-棒間隙的數值低許多,並且有“飽和"的趨勢。這些試驗是在室內(nei) 進行的，後來由戶外試驗說明，並未出現“飽和"現象。“飽和"現象是由於(yu) 試驗室牆的影響引起的。進行長間隙的試驗需要很大的試驗室，投資很多。因此許多人在研究用理論模型計算或試驗模擬來代替實際尺寸的試驗。
衝(chong) 擊電壓擊穿 衝(chong) 擊電壓作用下的氣體(ti) 介質擊穿現象。衝(chong) 擊電壓可分兩(liang) 類：一類是雷電衝(chong) 擊電壓，其標準波形為(wei) 1.2/50 ，是模擬雷閃放電時造成的雷電過電壓；一類是操作衝(chong) 擊電壓，標準波形為(wei) 250/2500 或波前時間為(wei) 2000～3000 的衰減振蕩波，為(wei) 模擬開關(guan) 操作或係統故障時產(chan) 生的操作過電壓(見過電壓)。不同電極形狀空氣間隙的雷電衝(chong) 擊擊穿電壓如圖3 所示。由於(yu) 衝(chong) 擊擊穿電壓有隨機分散性，一般取50％概率的數值。衝(chong) 擊擊穿電壓與(yu) 試驗電壓極性和電極形狀有關(guan) 。衝(chong) 擊電壓擊穿可以發生在波前或波尾部分，視電壓高低而定。電壓越高，擊穿時延越短。擊穿電壓與(yu) 時延的關(guan) 係曲線常稱伏秒特性(見絕緣強度)。它對電力係統的絕緣配合有重要意義(yi) 。同樣，由於(yu) 作用時間的影響，操作衝(chong) 擊電壓下間隙擊穿電壓比雷電衝(chong) 擊電壓下的低。而在一些高功率脈衝(chong) 裝置產(chan) 生的幾十納秒脈衝(chong) 電壓下，間隙擊穿電壓則高得多。
高氣壓電擊穿 由於(yu) 氣體(ti) 壓力與(yu) 氣體(ti) 密度成正比，因而氣壓將直接影響電子的自由程，從(cong) 而影響電離和擊穿。帕邢定律表明,在相同的間隙距離下,提高氣體(ti) 壓力可提高其擊穿電壓。然而高氣壓下氣體(ti) 介質擊穿的機理與(yu) 湯森理論有很大差異。高氣壓電擊穿有以下特點：①超過一定氣壓Pc之後(各種氣體(ti) 的Pc值不同,例如SF6的Pc約在6kg/cm2 以上)，擊穿電壓有較大的分散性。經過多次放電之後(一般稱“鍛煉")，擊穿電壓值漸趨穩定。但即使在鍛煉之後，偶而也會(hui) 出現很低的擊穿電壓。②陰極材料對擊穿電壓有影響。陰極材料的結構，例如有無雜質，單晶或多晶，是否有位錯等，也會(hui) 影響擊穿電壓的大小。③電極表麵狀態的影響。電極表麵加工及清潔程度對擊穿電壓有作用。如電極經拋光、除油等處理後，擊穿電壓比處理前高。④電極麵積增大，擊穿電壓將有所降低。⑤氣體(ti) 中若含有水氣及懸浮尖埃等雜質，則會(hui) 降低擊穿電壓。因此所充氣體(ti) 應經過淨化處理。
高真空電擊穿 由於(yu) 高真空狀態下氣體(ti) 密度減少到很小的程度,電子或離子的自由程將很長,以致在間隙中不易發生碰撞電離，因此間隙的擊穿電壓將會(hui) 很高(帕邢定律的左半支曲線)。某些設備高真空間隙的擊穿場強可高達1.3MV/cm。影響真空間隙擊穿過程有許多因素，如真空度、間隙距離、電極材料、電極狀態、電壓作用時間等。在真空放電中,電極表麵過程,特別是陰極表麵過程是非常重要的，許多研究工作圍繞著這個(ge) 問題進行，提出了各種真空擊穿放電模型，如場致發射模型、微粒模型、微放電模型等。對於(yu) 脈衝(chong) 電壓擊穿的機製，看法比較一致。對於(yu) 穩態電壓下的真空擊穿機製，P.A.恰特登認為(wei) ,在間隙距離d≈10-3～10-1cm的區域，可能是場致發射引起擊穿；在d≈10-1～1cm的區域,可能是微放電的擊穿機製；更大的間隙， 可能是微粒擊穿機製。
負電性氣體(ti) 擊穿 六氟化硫、氟利昂、四氯化碳等許多種鹵化物氣體(ti) 的擊穿現象。這些氣體(ti) 的擊穿場強比空氣的高。其主要原因是鹵族元素具有很強的負電性,易於(yu) 吸附電子形成負離子，而負離子的運動速度遠小於(yu) 電子，很容易和正離子發生複合，使氣體(ti) 中帶電質點減少，因而放電的形成和發展比較困難。其次是這些氣體(ti) 的分子量和分子直徑都較大,使電子在其中的自由程縮短,不易積聚能量，因而減少了電子碰撞電離的能力。這些氣體(ti) 相對於(yu) 空氣的擊穿場強，或稱相對介電強度列於(yu) 表中。
表中還列出了上述材料在98千帕下的液化溫度。電力設備中選用負電性氣體(ti) 作為(wei) 絕緣介質時，除要求高介電強度外，還要求較低的液化溫度和良好的化學穩定性。因為(wei) 液化溫度較高的氣體(ti) 不能在低溫下或寒冷地區運行，也不能增加壓力以提高其擊穿電壓；化學性能不穩定則容易分解或與(yu) 其他材料起反應。例如四氯化碳的介電強度雖然較高，但其液化溫度過高，而且在放電過程中容易分解產(chan) 生氯氣。六氟化硫則液化溫度低而化學性能穩定，它的相對介電強度為(wei) 2.5～3.0，在工程中應用*為(wei) 廣泛。