高電壓工程 02t課件

第一章電介質(zhì)的基本電氣特性

高電壓工程基礎(chǔ)

主講教師：田翠華第一篇

高電壓絕緣及試驗1.1電介質(zhì)的極化1.2電介質(zhì)的電導(dǎo)1.3電介質(zhì)的損耗1.4電介質(zhì)的擊穿2第一章

電介質(zhì)的基本電氣特性3452.1氣體中帶電粒子的產(chǎn)生與消失2.2湯遜氣體放電理論2.3流注放電理淪2.4不均勻電場中氣隙的放電特性6那些日?，F(xiàn)象屬于氣體放電現(xiàn)象？7

高壓電氣設(shè)備中的絕緣介質(zhì)有氣體、液體、固體以及其它復(fù)合介質(zhì)。由于氣體絕緣介質(zhì)不存在老化的問題，在擊穿后也有完全的絕緣自恢復(fù)特性，再加上其成本非常廉價，因此氣體（空氣）成為了在實際應(yīng)用中最常見的絕緣介質(zhì)。例如：高壓架空輸電線路絕緣氣體擊穿過程的理論研究雖然還不完善，但是相對于其他幾種絕緣材料來說最為完整。因此，高電壓絕緣的論述一般都由氣體絕緣開始。

8氣體放電：當作用在氣體上的電壓或者說電場強度超過某一臨界值時，氣體就會突然失去絕緣性能而發(fā)生放電現(xiàn)象。氣隙的擊穿：放電導(dǎo)致氣體間隙短路氣體放電種類：（電源的容量、氣壓、電場類型等因素決定）輝光放電：電源容量較小時，氣隙間的放電則表現(xiàn)為充滿整個間隙輝光放電；火花放電：在大氣壓下或者更高氣壓下，放電則表現(xiàn)為跳躍性的火花電弧放電：當電源容量較大且內(nèi)阻較小時，放電電流較大，并出現(xiàn)高溫的電弧局部放電（電暈放電）：在極不均勻電場中，還會在間隙擊穿之前，只在局部電場很強的地方出現(xiàn)放電，但這時整個間隙并未發(fā)生擊穿沿面放電：氣體介質(zhì)與固體介質(zhì)的交界面上沿著固體介質(zhì)的表面而發(fā)生在氣體介質(zhì)中的放電；當沿面放電發(fā)展到使整個極間發(fā)生沿面擊穿時稱為沿面閃絡(luò)。9氣體中的放電工業(yè)應(yīng)用：電火花加工、電弧冶煉、電暈除塵、水果及蔬菜保鮮、污水及廢氣的凈化處理等研究氣體放電的目的：了解氣體在高電壓（強電場）作用下逐步由電介質(zhì)演變成導(dǎo)體的物理過程掌握氣體介質(zhì)的電氣強度及其提高方法101、帶電粒子的產(chǎn)生第一節(jié)氣體中帶電粒子的產(chǎn)生與消失電離是指電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過程。電離方式可分為：碰撞電離光電離熱電離表面電離11（1）碰撞電離

電子或離子在電場作用下加速所獲得的動能（）與質(zhì)點電荷量(e)、電場強度（）以及碰撞前的行程()有關(guān)．即

12式中：：電子的電荷量；：外電場強度；：電子移動的距離

高速運動的質(zhì)點與中性的原子或分子碰撞時，如原子或分子獲得的能量等于或大于其電離能，則會發(fā)生電離。因此，電離條件為：13

為使碰撞能導(dǎo)致電離，質(zhì)點在碰撞前必須經(jīng)過的距離為：式中為氣體的電離電位，在數(shù)值上與以eV為單位的相等

的大小取決于場強E，增大氣體中的場強將使值減少?？梢娞岣咄饧与妷簩⑹古鲎搽婋x的概率和強度增大。14（2）光電離當滿足以下條件時，產(chǎn)生光電離式中：：光的波長；：光速；：氣體的電離能光子來源外界高能輻射線氣體放電本身15（3）熱電離

常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的概率極??；在高溫下，熱輻射光子的能量達到一定數(shù)值即可造成氣體的熱電離。熱電離和碰撞電離及光電離是一致的，都是能量超過某一臨界值的粒子或光子碰撞分子使之發(fā)生電離，只是直接的能量來源不同而已。在實際的氣體放電過程中，這三種電離形式往往會同時存在，并相互作用，只是各種電離形式表現(xiàn)出的強弱不同。16（4）表面電離

當逸出功<<電離能時，陰極表面電離可在下列情況下發(fā)生：正離子撞擊陰極表面光電子發(fā)射強場發(fā)射熱電子發(fā)射17逸出功：使電子從金屬表面逸出需要的能量。不同金屬的逸出功不同，如表所示：一些金屬的逸出功金屬逸出功（eV）鋁1.8銀3.1銅3.9鐵3.9氧化銅5.318（5）氣體中負離子的形成

附著：電子與氣體分子碰撞時，不但有可能引起碰撞電離而產(chǎn)生出正離子和新電子，也可能發(fā)生電子附著過程而形成負離子。

負離子的形成并未使氣體中帶電粒子的數(shù)目改變，但卻能使自由電子數(shù)減少，因而對氣體放電的發(fā)展起抑制作用。19

電子親合能：使基態(tài)的氣體原子獲得一個電子形成負離子時所放出的能量，其值越大則越易形成負離子。電子親合能未考慮原子在分子中的成鍵作用，為了說明原子在分子中吸引電子的能力，在化學(xué)中引入電負性概念。

電負性：一個無量綱的數(shù)，其值越大表明原子在分子中吸引電子的能力越大。20鹵族元素的電子親合能與電負性數(shù)值212、帶電質(zhì)點的消失帶電質(zhì)點的消失（氣體去電離）可能有以下幾種情況：帶電質(zhì)點受電場力的作用流入電極

；帶電質(zhì)點因擴散而逸出氣體放電空間；帶電質(zhì)點的復(fù)合；吸附效應(yīng)。22（1）帶電質(zhì)點的擴散

帶電質(zhì)點從濃度較大的區(qū)域向濃度較小的區(qū)域的移動，從而使?jié)舛茸兊镁鶆虻倪^程，稱為帶電質(zhì)點的擴散。電子的熱運動速度高、自由行程大，所以其擴散比離子的擴散快得多。（2）帶電質(zhì)點的復(fù)合

帶異號電荷的質(zhì)點相遇，發(fā)生電荷的傳遞和中和而還原為中性質(zhì)點的過程，稱為復(fù)合。帶電質(zhì)點復(fù)合時會以光輻射的形式將電離時獲得的能量釋放出來，這種光輻射在一定條件下能導(dǎo)致間隙中其他中性原子或分子的電離。帶電質(zhì)點的復(fù)合率與正、負電荷的濃度有關(guān)，濃度越大則復(fù)合率越高。23

氣體放電現(xiàn)象與規(guī)律因氣體的種類、氣壓和間隙中電場的均勻度而異。

但氣體放電都有從電子碰撞電離開始發(fā)展到電子崩階段。

第二節(jié)湯遜氣體放電理論24（1）非自持放電和自持放電

宇宙射線和放射性物質(zhì)的射線會使氣體發(fā)生微弱的電離而產(chǎn)生少量帶電質(zhì)點；另一方面、負帶電質(zhì)點又在不斷復(fù)合，使氣體空間存在一定濃度的帶電質(zhì)點。因此，在氣隙的電極間施加電壓時，可檢測到微小的電流。1、放電的電子崩階段25

（1）在I-U曲線的OA段：氣隙電流隨外施電壓的提高而增大，這是因為帶電質(zhì)點向電極運動的速度加快導(dǎo)致復(fù)合率減小。當電壓接近時，電流趨于飽和，因為此時由外電離因素產(chǎn)生的帶電質(zhì)點全部進入電極，所以電流值僅取決于外電離因素的強弱而與電壓無關(guān)均勻電場下氣體間隙中電流與外施電壓的關(guān)系26（2）在I-U曲線的B、C點：電壓升高至?xí)r，電流又開始增大，這是由于電子碰撞電離引起的，因為此時電子在電場作用下已積累起足以引起碰撞電離的動能。電壓繼續(xù)升高至?xí)r，電流急劇上升，說明放電過程又進入了一個新的階段。此時氣隙轉(zhuǎn)入良好的導(dǎo)電狀態(tài)，即氣體發(fā)生了擊穿。27（3）在I-U曲線的BC段：雖然電流增長很快，但電流值仍很小，一般在微安級，且此時氣體中的電流仍要靠外電離因素來維持，一旦去除外電離因素，氣隙電流將消失。

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因此，外施電壓小于時的放電是非自持放電。電壓達到后，電流劇增，且此時間隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素了。外施電壓達到后的放電稱為自持放電，稱為放電的起始電壓。292、電子崩的形成

外界電離因子在陰極附近產(chǎn)生了一個初始電子，如果空間電場強度足夠大，該電子在向陽極運動時就會引起碰撞電離，產(chǎn)生一個新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運動，又會引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。

電子崩的示意圖

電子崩的演示30因此，電子將按照幾何級數(shù)不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為電子崩。

為了分析碰撞電離和電子崩引起的電流，引入：電子碰撞電離系數(shù)。表示一個電子沿電場方向運動1cm的行程所完成的碰撞電離次數(shù)平均值。31

如圖所示為平板電極氣隙，板內(nèi)電場均勻，設(shè)外界電離因子每秒鐘使陰極表面發(fā)射出來的初始電子數(shù)為n0。計算間隙中電子數(shù)增長的示意圖

由于碰撞電離和電子崩的結(jié)果，在它們到達x處時，電子數(shù)已增加為n，這n個電子在dx的距離中又會產(chǎn)生dn個新電子。32根據(jù)碰撞電離系數(shù)的定義，可得：分離變量并積分之，可得：

對于均勻電場來說，氣隙中各點的電場強度相同，值不隨x而變化，所以上式可寫成：33抵達陽極的電子數(shù)應(yīng)為：

將式中的等號兩側(cè)乘以電子的電荷，可得電流關(guān)系式：途中新增加的電子數(shù)或正離子數(shù)應(yīng)為：式中，34

式表明：雖然電子崩電流按指數(shù)規(guī)律隨極間距離d而增大，但這時放電還不能自持，因為一旦除去外界電離因子(令)，即變?yōu)榱恪?53、影響碰撞電離系數(shù)的因素a）單位距離內(nèi)產(chǎn)生碰撞的次數(shù)

若電子的平均自由行程為，則在1cm長度內(nèi)一個電子的平均碰撞次數(shù)為。b）每次碰撞產(chǎn)生電離的概率碰撞電離概率與電子在場強E作用下走過自由行程x所積累的能量qEx（q為電子的電荷量）有關(guān)，即要產(chǎn)生碰撞電離，此能量至少應(yīng)等于或大于氣體分子的電離能Wi36

Ui為氣體分子的電離電位這就是說，一個電子走過的自由行程x至少應(yīng)等于臨界自由行程xi才能產(chǎn)生電離。電子的平均自由行程等于或大于xi的概率為

即或上式可改寫為37根據(jù)碰撞電離系數(shù)α的定義，即可得出：38當氣體溫度不變時，平均自由行程與氣壓p成反比，即代入上式，并令A(yù)Ui=B，可得（A為與氣體種類有關(guān)的比例常數(shù)）由上式不難看出：電場強度E增大時，急劇增大;

很大或很小時，都比較小。39

所以，在高氣壓和高真空下，氣隙不易發(fā)生放電現(xiàn)象，具有較高的電氣強度。高氣壓時，很小，單位長度上的碰撞次數(shù)很多，但能引起電離的概率很??；低氣壓和真空時，很大，總的碰撞次數(shù)少，所以也比較小。404、湯遜理論

前述已知，只有電子崩過程是不會發(fā)生自持放電的。要達到自持放電的條件，必須在氣隙內(nèi)初始電子崩消失前產(chǎn)生新的電子（二次電子）來取代外電離因素產(chǎn)生的初始電子。

實驗現(xiàn)象表明，二次電子的產(chǎn)生機制與氣壓和氣隙長度的乘積（）有關(guān)。值較小時自持放電的條件可用湯遜理論來說明；值較大時則要用流注理論來解釋。41（1）

過程與自持放電條件由于陰極材料的表面逸出功比氣體分子的電離能小很多，因而正離子碰撞陰極較易使陰極釋放出電子。此外正負離子復(fù)合時，以及分子由激勵態(tài)躍遷回正常態(tài)時，所產(chǎn)生的光子到達陰極表面都將引起陰極表面電離，統(tǒng)稱為過程。為此引入系數(shù)。42設(shè)外界光電離因素在陰極表面產(chǎn)生了一個自由電子，此電子到達陽極表面時由于過程，電子總數(shù)增至個。因在對系數(shù)進行討論時已假設(shè)每次電離撞出一個正離子，故電極空間共有（－1）個正離子。由系數(shù)的定義，此（－1）個正離子在到達陰極表面時可撞出（－1）個新電子，這些電子在電極空間的碰撞電離同樣又能產(chǎn)生更多的正離子，如此循環(huán)下去。43自持放電條件為

：一個正離子撞擊到陰極表面時產(chǎn)生出來的二次電子數(shù)

：電子碰撞電離系數(shù)：兩極板距離此條件物理概念十分清楚，即一個電子在自己進入陽極后可以由及過程在陰極上又產(chǎn)生一個新的替身，從而無需外電離因素放電即可繼續(xù)進行下去。44（2）湯遜放電理論的適用范圍

湯遜理論是在低氣壓、較小的條件下在放電實驗的基礎(chǔ)上建立的。過小或過大，放電機理將出現(xiàn)變化，湯遜理論就不再適用了。

過小時，氣壓極低(過小在實際上是不可能的)，過小，遠大于，碰撞電離來不及發(fā)生，擊穿電壓似乎應(yīng)不斷上升，但實際上電壓U上升到一定程度后，場致發(fā)射將導(dǎo)致?lián)舸?，湯遜的碰撞電離理論不再適用，擊穿電壓將不再增加。45

過大時，氣壓高，或距離大，這時氣體擊穿的很多實驗現(xiàn)象無法全部在湯遜理論范圍內(nèi)給以解釋：放電外形；放電時間；擊穿電壓；陰極材料。

因此，通常認為，＞0.26cm(pd＞200

cm

?

mmHg)時，擊穿過程將發(fā)生變化，湯遜理論的計算結(jié)果不再適用，但其碰撞電離的基本原理仍是普遍有效的。46（3）巴申定律與適用范圍

早在湯遜理論出現(xiàn)之前，巴申(Paschen)就于1889年從大量的實驗中總結(jié)出了擊穿電壓與的關(guān)系曲線，稱為巴申定律，即

(1-23)巴申定律47圖中給出了空氣間隙的與的關(guān)系曲線。從圖中可見，首先，并不僅僅由決定，而是的函數(shù)；其次不是的單調(diào)函數(shù)，而是U型曲線，有極小值。

實驗求得的均勻場不同氣體間隙曲線48

不同氣體，其巴申曲線上的最低擊穿電壓，以及使的值各不相同。對空氣，的極小值為。此極小值出現(xiàn)在cm時，即的極小值不是出現(xiàn)在常壓下，而是出現(xiàn)在低氣壓，即空氣相對密度很小的情況下。

實驗求得的均勻場不同氣體間隙曲線49第三節(jié)流注放電理論

pd值較大的情況（流注）

實測的放電時延遠小于正離子穿越間隙所需的時間，這表明湯遜理論不適用于pd值較大的情況。

形成流注的必要條件是電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷使原電場明顯畸變，大大加強了崩頭及崩尾處的電場。（1）流注的形成條件

電子崩中電荷密度很大，所以復(fù)合過程頻繁，放射出的光子在崩頭或崩尾強電場區(qū)很容易引起光電離。二次電子的主要來源是空間的光電離。50

電氣設(shè)備中很少有均勻電場的情況。但對不均勻電場還要區(qū)分兩種不同的情況，即稍不均勻電場和極不均勻電場。全封閉組合電器(GIS)的母線筒和高壓實驗室中測量電壓用的球間隙是典型的稍不均勻電場；高壓輸電線之間的空氣絕緣和實驗室中高壓發(fā)生器的輸出端對墻的空氣絕緣則屬于極不均勻電場。1.

稍不均勻電場和極不均勻電場的特點與劃分第四節(jié)不均勻電場中氣隙的放電特性51

為了描述各種結(jié)構(gòu)的電場不均勻程度，可引入一個電場不均勻系數(shù)f，表示為：:最大電場強度:平均電場強度f<2時為稍不均勻電場,f>4屬不均勻電場。522.

極不均勻電場的放電特征電暈放電

在極不均勻場中，當電壓升高到一定程度后，在空氣間隙完全擊穿之前，大曲率電極(高場強電極)附近會有薄薄的發(fā)光層，這種放電現(xiàn)象稱為電暈。

電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自持放電形式。開始出現(xiàn)電暈時的電壓稱為電暈起始電壓，而此時電極表面的場強稱為電暈起始場強。533、極不均勻電場中放電的極性效應(yīng)

在電暈放電時，空間電荷對放電的影響已得到關(guān)注。由于高場強電極極性的不同，空間電荷的極性也不同，對放電發(fā)展的影響也就不同，這就造成了不同極性的高場強電極的電暈起始電壓的不同，以及間隙擊穿電壓的不同，稱為極性效應(yīng)。54（1）棒－板間隙這種典型的極不均勻場

正棒－負板間隙中非自持放電階段空間電荷對外電場畸變作用－外電場－空間電荷電場

當棒具有正極性時，間隙中出現(xiàn)的電子向棒運動，進入強電場區(qū)，開始引起電離現(xiàn)象而形成電子崩，如圖所示。隨著電壓的逐漸上升，到形成自持放電爆發(fā)電暈之前，在間隙中形成相當多的電子崩。55

當電子崩達到棒極后，其中的電子就進入棒極，而正離子仍留在空間，相對來說緩慢地向板極移動。于是在棒極附近，積聚起正空間電荷，這樣就減少了緊貼棒極附近的電場，而略為加強了外部空間的電場。因此，棒極附近的電場被削弱，難以形成流注，這就使得放電難以得到自持。56

當棒具有負極性時，陰極表面形成的電子立即進入強電場區(qū)，造成電子崩，當電子崩