高電壓技術(shù)16高麗課件

1、高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件North China Electric Power University高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)劉云鵬劉云鵬 高麗高麗華北電力大學(xué)華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院 20122012年年2 2月月高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件0 0 緒緒 論論 0.1 0.1 內(nèi)容與范疇內(nèi)容與范疇North China Electric Power University高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)主要研究高電壓主要研究高電壓（強(qiáng)電場）下的各種電氣設(shè)備物（強(qiáng)電場）下的各種電氣設(shè)備物理問題。它起源于理問題。它起源于20世紀(jì)初期，世紀(jì)初期，由于大功率、遠(yuǎn)距離輸

2、電而發(fā)展由于大功率、遠(yuǎn)距離輸電而發(fā)展、形成的一門獨(dú)立學(xué)科，屬于現(xiàn)、形成的一門獨(dú)立學(xué)科，屬于現(xiàn)代物理學(xué)中電學(xué)的一個(gè)分支。代物理學(xué)中電學(xué)的一個(gè)分支。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件0.2 0.2 中國電力系統(tǒng)電壓等級的劃分與分類中國電力系統(tǒng)電壓等級的劃分與分類 高壓（高壓（HV）：）：1KV220KV， 包括：包括：10KV，35KV，110KV，220KV 超高壓（超高壓（EHV）：）：3301000KV， 包括：包括：330KV，500KV，750KV 特高壓（特高壓（UHV）：）：1000KV及以上及以上交流系統(tǒng)交流系統(tǒng)直流系統(tǒng)直流系統(tǒng) 超高壓（超高壓（EHV）：）：500KV 特高

3、壓（特高壓（UHV）：）： 800KV高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件0.3 0.3 研究對象研究對象1.電氣設(shè)備的絕緣電氣設(shè)備的絕緣： 絕緣介質(zhì)（固、液、氣體）在電場作用下的電氣物理性能和擊穿的理論、規(guī)律。高壓試驗(yàn)判斷、監(jiān)視絕緣質(zhì)量的主要試驗(yàn)方法與試驗(yàn)原理。2.電力系統(tǒng)的過電壓：電力系統(tǒng)的過電壓：過電壓及其防護(hù)過電壓的成因與限制措施。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件0.4 0.4 高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用高電壓技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用1醫(yī)學(xué)上：利用高壓脈沖體外醫(yī)學(xué)上：利用高壓脈沖體外碎石、治療癌癥；碎石、治療癌癥；2農(nóng)業(yè)：高壓靜電噴藥，高電農(nóng)業(yè)：高壓靜電噴藥，高電場誘發(fā)變異在育

4、種上的應(yīng)用；場誘發(fā)變異在育種上的應(yīng)用；3環(huán)保：高壓脈沖放電處理污環(huán)保：高壓脈沖放電處理污水，電除塵技術(shù)；水，電除塵技術(shù)；4軍事上：大功率脈沖技術(shù)，軍事上：大功率脈沖技術(shù)，電磁干擾、電子對抗；電磁干擾、電子對抗；5其它工業(yè)：靜電噴涂，高壓其它工業(yè)：靜電噴涂，高壓設(shè)備制造等。設(shè)備制造等。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件0.5 0.5 課程相關(guān)信息課程相關(guān)信息參考書：參考書：u高電壓絕緣技術(shù)，中國電力，嚴(yán)璋，朱德恒u電網(wǎng)過電壓教程，中國電力，陳維賢u高電壓試驗(yàn)技術(shù)，清華，張仁豫u高電壓技術(shù)，中國電力，趙智大uHigh-Voltage Engineering，Pergamon Press, E

5、. u Kuffel (Canada), W.S. Zaengl, (Switzerland)學(xué)習(xí)方法：u 理論聯(lián)系實(shí)際考試：u 20%（作業(yè)+實(shí)驗(yàn)）+80%（閉卷筆試）答疑安排：u時(shí)間：周一上午10:00-12:00u地點(diǎn)：教三樓一樓105室高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件第一篇第一篇 高電壓絕緣及實(shí)驗(yàn)高電壓絕緣及實(shí)驗(yàn)第一章第一章 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗第二章第二章 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程第三章第三章 氣隙的電氣強(qiáng)度氣隙的電氣強(qiáng)度第四章第四章 固體液體和組合絕緣的電氣強(qiáng)度固體液體和組合絕緣的電氣強(qiáng)度高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件第一章

6、第一章 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗 電介質(zhì)有氣體、固體、液體三種形態(tài)，電介質(zhì)在電氣設(shè)備中是作為絕緣材料使用的。一切電介質(zhì)在電場的作用下都會(huì)出現(xiàn)極化、電導(dǎo)和損耗等電氣物理現(xiàn)象。電介質(zhì)的電氣特性分別用以下幾個(gè)參數(shù)來表示：即介電常數(shù)r，電導(dǎo)率（或其倒數(shù)電阻率），介質(zhì)損耗角正切tg,擊穿場強(qiáng) E，它們分別反映了電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)、損耗、抗電性能。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件絕緣的作用： 絕緣的作用是將電位不等的導(dǎo)體分隔開，使其沒有電氣的聯(lián)系能保持不同的電位，又稱為電介質(zhì)。分類：氣體絕緣材料：空氣，SF6氣體等固體絕緣材料：陶瓷，橡膠，玻璃，絕緣紙等液體絕緣材料：變壓器

7、油混合絕緣：電纜，變壓器等設(shè)備1.0 1.0 電力系統(tǒng)的絕緣材料電力系統(tǒng)的絕緣材料高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件1.1 1.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化 定義：定義：電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的束縛電荷的彈電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的束縛電荷的彈 性位移和偶極子的轉(zhuǎn)向位移現(xiàn)象，稱為性位移和偶極子的轉(zhuǎn)向位移現(xiàn)象，稱為電電 介質(zhì)的極化。介質(zhì)的極化。 效果：效果：消弱外電場，使電介質(zhì)的等值電容增大。消弱外電場，使電介質(zhì)的等值電容增大。 物理量：物理量：介電常數(shù)介電常數(shù) 類型：類型：電子位移極化；離子位移極化；電子位移極化；離子位移極化； 轉(zhuǎn)向極轉(zhuǎn)向極 化；空間電荷極化?；?；空間電荷極化。高電壓技術(shù)

8、高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件電子位移極化電子位移極化 一切電介質(zhì)都是由分子組一切電介質(zhì)都是由分子組成，分子又是由原子組成，每成，分子又是由原子組成，每個(gè)原子都是由帶正電荷的原子個(gè)原子都是由帶正電荷的原子核和圍繞核帶負(fù)電荷的電子云核和圍繞核帶負(fù)電荷的電子云構(gòu)成。構(gòu)成。 當(dāng)不存在外電場時(shí)，電子當(dāng)不存在外電場時(shí)，電子云的中心與原子核重合，此時(shí)云的中心與原子核重合，此時(shí)電矩為零當(dāng)外加一電場，在電矩為零當(dāng)外加一電場，在電場力的作用下發(fā)生電子位移電場力的作用下發(fā)生電子位移極化當(dāng)外電場消失時(shí)，原于極化當(dāng)外電場消失時(shí)，原于核對電子云的引力又使二者重核對電子云的引力又使二者重合，感應(yīng)電矩也隨之消失。合，感應(yīng)電

9、矩也隨之消失。 電場中的所有電介質(zhì)內(nèi)都存電場中的所有電介質(zhì)內(nèi)都存在電子位移極化。在電子位移極化。qRRi-qOOE圖圖1-1 1-1 電子位移電子位移極化極化高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件離子位移極化離子位移極化 在由離子結(jié)合成的電介質(zhì)內(nèi)，外電場的作用除促使各個(gè)離子內(nèi)部產(chǎn)生電子位移極化外還產(chǎn)生正、負(fù)離子相對位移而形成的極化，稱為離子位移極化。圖l-2表示氯化鈉晶體的離子位移極化。 圖圖l-2 氯化鈉晶體的離子位移極化氯化鈉晶體的離子位移極化 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化 在極性電介質(zhì)中，即使沒有外加電場，由于分子中正、負(fù)電荷的作用中心不重合。就單個(gè)分子而言

10、，就已具有偶極矩，稱為固有偶極矩。但由于分子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，使各分子偶極矩方向的排列沒有秩序，因此，從宏觀而言，對外并不呈現(xiàn)電矩。 當(dāng)有外電場時(shí)，由于電場力的作用，每個(gè)分子的固有偶極矩就有轉(zhuǎn)向與外電場平行的趨勢，其排列呈現(xiàn)行一定的秩序。但是受分子熱運(yùn)動(dòng)的干擾，這種轉(zhuǎn)向有秩序的排列。UU電極電極電介質(zhì)電介質(zhì)E圖圖l-3 偶極子的轉(zhuǎn)向極化偶極子的轉(zhuǎn)向極化 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件 空間電荷極化空間電荷極化 圖圖1-4 雙層電介質(zhì)的夾層極化雙層電介質(zhì)的夾層極化 G1G2 C1C2U 上述的三種極化是帶電質(zhì)點(diǎn)的上述的三種極化是帶電質(zhì)點(diǎn)的彈性位移或轉(zhuǎn)向形成的，而空間彈性位移或轉(zhuǎn)向形成的，

11、而空間電荷極化的機(jī)理則與上述三種完電荷極化的機(jī)理則與上述三種完全不同，它是由帶電質(zhì)點(diǎn)全不同，它是由帶電質(zhì)點(diǎn)(電子或電子或正、負(fù)離子正、負(fù)離子)的移動(dòng)形成的。的移動(dòng)形成的。 最明顯的空間電荷極化是最明顯的空間電荷極化是夾層夾層極化。極化。在實(shí)際的電氣設(shè)備中，有在實(shí)際的電氣設(shè)備中，有不少多層電介質(zhì)的例子，如電纜不少多層電介質(zhì)的例子，如電纜、電容器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器、電容器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器、互感器、電抗器的繞組絕緣等，互感器、電抗器的繞組絕緣等，都是由多層電介質(zhì)組成的。都是由多層電介質(zhì)組成的。 如圖如圖l-4l-4所示，各層介質(zhì)的電容分別為所示，各層介質(zhì)的電容分別為C1C1和和C2C2；各層介質(zhì)的

12、電導(dǎo)分；各層介質(zhì)的電導(dǎo)分別為別為G1G1和和G2G2；直流電源電壓為；直流電源電壓為U U。 為了說明的簡便，全部參數(shù)均只標(biāo)數(shù)值，略去單位。為了說明的簡便，全部參數(shù)均只標(biāo)數(shù)值，略去單位。 設(shè)設(shè)C1=1C1=1，C2C22 2，G1=2G1=2，G2=1G2=1， U U3 3。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件 當(dāng)當(dāng)U作用在作用在AB兩端極扳上時(shí)，其瞬時(shí)電容上的電荷和電位兩端極扳上時(shí)，其瞬時(shí)電容上的電荷和電位分布，如圖分布，如圖1-5(a)所示整個(gè)介質(zhì)的等值電容為所示整個(gè)介質(zhì)的等值電容為 。 到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容上的電荷和電位分布如圖到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容上的電荷和電位分布如圖l-5(b)所示。整

13、所示。整個(gè)介質(zhì)的等值電容為個(gè)介質(zhì)的等值電容為 。 分界面上堆積的電荷量為分界面上堆積的電荷量為+4-1+3。32UQCeq34 UQCeq 圖圖1-5 雙層電介質(zhì)的電荷與電位分布雙層電介質(zhì)的電荷與電位分布（a）暫態(tài)分布）暫態(tài)分布 （b）穩(wěn)態(tài)分布）穩(wěn)態(tài)分布 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件特特 點(diǎn)點(diǎn)夾層的存在將會(huì)造成電荷在夾層界面上的堆積和等值電容的增大這就是夾層極化效應(yīng)。夾層界面上電荷的堆積是通過介質(zhì)電導(dǎo)G完成的。高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)通常都是很小的，所以，這種極化過積將是很緩慢的。它的形成時(shí)間從幾十分之一秒到幾分鐘甚至有長達(dá)幾小時(shí)的。因此，這種性質(zhì)的極化只有在直流和低頻交流電壓下才能表現(xiàn)

14、出來。該極化伴隨著能量損耗。大電容設(shè)備進(jìn)行高壓實(shí)驗(yàn)后應(yīng)對設(shè)備絕緣進(jìn)行較長時(shí)間放電。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件 電介質(zhì)極化種類及比較電介質(zhì)極化種類及比較極化類型極化類型產(chǎn)生場合產(chǎn)生場合所需時(shí)間所需時(shí)間能量能量損耗損耗產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因電子式極化電子式極化任何任何電介質(zhì)電介質(zhì)10-1410-15S無無束縛電子運(yùn)行束縛電子運(yùn)行軌道偏移軌道偏移離子式極化離子式極化離子式結(jié)構(gòu)離子式結(jié)構(gòu)電介質(zhì)電介質(zhì)10-1210-13S幾乎幾乎沒有沒有離子的相對偏離子的相對偏移移偶極子極化偶極子極化極性極性電介質(zhì)電介質(zhì)10-1010-2S有有偶極子的定向偶極子的定向排列排列夾層極化夾層極化多層介質(zhì)的多層介質(zhì)的

15、交界面交界面10-1S數(shù)小數(shù)小時(shí)時(shí)有有自由電荷的移自由電荷的移動(dòng)動(dòng)高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件1.2 1.2 電介質(zhì)的介電常數(shù)電介質(zhì)的介電常數(shù)一一. . 介電常數(shù)的物理意義介電常數(shù)的物理意義1. 在真空中，有關(guān)系式在真空中，有關(guān)系式 式子中式子中 E場強(qiáng)矢量場強(qiáng)矢量 ； D電位移矢量，即電通量密度矢量電位移矢量，即電通量密度矢量 ， D與與E同向，比例常數(shù)同向，比例常數(shù) 為真空中的介電常數(shù)為真空中的介電常數(shù)0DEe=mV2mC0e12099118.8541048.9880104910F mepp-=淮創(chuàng)創(chuàng)高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件 在介質(zhì)中在介質(zhì)中, D與與E同向，同

16、向， 為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，它是沒有量綱和單為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，它是沒有量綱和單位的純數(shù)。位的純數(shù)。3.介質(zhì)的介電常數(shù)介質(zhì)的介電常數(shù) 通常通常 ， 的量綱和單位與的量綱和單位與 相同相同0rDEe e=re0ree e=e0e 三、液體介質(zhì)的相對介電常數(shù)三、液體介質(zhì)的相對介電常數(shù) 1中性液體電介質(zhì)中性液體電介質(zhì) ：石油、苯、四氯化碳、硅油等均為中：石油、苯、四氯化碳、硅油等均為中性或弱極性液體介質(zhì)其介電常數(shù)不大，其值在性或弱極性液體介質(zhì)其介電常數(shù)不大，其值在1.82.8范范圍內(nèi)。圍內(nèi)。二、氣體介質(zhì)的相對介電常數(shù)二、氣體介質(zhì)的相對介電常數(shù) 一切氣體的相對介電常數(shù)一切氣體的相對介電常數(shù) 都接近于

17、都接近于1。 任何氣體的相對介電常數(shù)均隨溫度的升高而減小，隨壓任何氣體的相對介電常數(shù)均隨溫度的升高而減小，隨壓力的增大而增大，但影響都很小。力的增大而增大，但影響都很小。re高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件2極性液體介質(zhì)：極性液體介質(zhì)： (1)這類介質(zhì)通常介電常數(shù)都較大。但這類介質(zhì)的缺點(diǎn)是這類介質(zhì)通常介電常數(shù)都較大。但這類介質(zhì)的缺點(diǎn)是在交變電場中的介質(zhì)損耗較大，在高壓絕緣中很少應(yīng)用。在交變電場中的介質(zhì)損耗較大，在高壓絕緣中很少應(yīng)用。 (2)影響極性液體介質(zhì)介電常數(shù)的主要因素：影響極性液體介質(zhì)介電常數(shù)的主要因素： a. 介電常數(shù)與溫度的關(guān)系介電常數(shù)與溫度的關(guān)系 b. 介電常數(shù)與電場頻率介

18、電常數(shù)與電場頻率 f 的關(guān)系的關(guān)系 四、固體電介質(zhì)的介電常數(shù)四、固體電介質(zhì)的介電常數(shù) 1. 1. 中性或弱極性固體電介質(zhì)：中性或弱極性固體電介質(zhì)： 只具有電子式極化和離子式極化，其介電常數(shù)較小。只具有電子式極化和離子式極化，其介電常數(shù)較小。 介電常數(shù)與溫度之間的關(guān)系與介質(zhì)密度與溫度的關(guān)系很接近介電常數(shù)與溫度之間的關(guān)系與介質(zhì)密度與溫度的關(guān)系很接近2. 2. 極性固體電介質(zhì)：極性固體電介質(zhì)： 介電常數(shù)都較大，一般為介電常數(shù)都較大，一般為3636，甚至更大。，甚至更大。 這類電介質(zhì)的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系類似極性液體的規(guī)律。這類電介質(zhì)的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系類似極性液體的規(guī)律。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高

19、麗課件高麗課件1.3 1.3 電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)與金屬的電導(dǎo)有本質(zhì)上的區(qū)別。電介質(zhì)的電導(dǎo)與金屬的電導(dǎo)有本質(zhì)上的區(qū)別。一一. 表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的物理量表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的物理量電導(dǎo)率電導(dǎo)率 （或：電阻率（或：電阻率 ） 電導(dǎo)形式電導(dǎo)形式電導(dǎo)率電導(dǎo)率金屬導(dǎo)體 （自由電子）電子電導(dǎo)電子電導(dǎo) 很大 氣體 液體 固體自由電子、正離子、負(fù)離子雜質(zhì)電導(dǎo)、自身離解 離子離子雜質(zhì)、離子 電導(dǎo)電導(dǎo) 很小 很大 g1rg=ggr高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件二、影響介質(zhì)電導(dǎo)的因二、影響介質(zhì)電導(dǎo)的因素素(2)電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度(1)溫度溫度 式中式中 A、B常數(shù)；常數(shù)； T絕對溫度絕對溫度

20、 ； 電導(dǎo)率電導(dǎo)率。 溫度升高時(shí)，液體介質(zhì)的黏度降低，離子受電場力作用而溫度升高時(shí)，液體介質(zhì)的黏度降低，離子受電場力作用而移動(dòng)時(shí)所受的阻力減小，離子的遷移率增大，使電導(dǎo)增大；另移動(dòng)時(shí)所受的阻力減小，離子的遷移率增大，使電導(dǎo)增大；另一方面，溫度升高時(shí)，液體介質(zhì)分子熱離解度增加，這也使電一方面，溫度升高時(shí)，液體介質(zhì)分子熱離解度增加，這也使電導(dǎo)增大。導(dǎo)增大。 所以在測量電介質(zhì)的電導(dǎo)或絕緣電阻時(shí)，必須注意記錄溫所以在測量電介質(zhì)的電導(dǎo)或絕緣電阻時(shí)，必須注意記錄溫度度。BTAeg-=g高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件1.4 1.4 電介質(zhì)中的能量損耗電介質(zhì)中的能量損耗 一一.電介質(zhì)損耗的基本概念電

21、介質(zhì)損耗的基本概念 在電場的作用下，電介質(zhì)由于電導(dǎo)引起的損在電場的作用下，電介質(zhì)由于電導(dǎo)引起的損耗和有損極化（如偶極子極化、夾層極化等）引耗和有損極化（如偶極子極化、夾層極化等）引起的損耗，總稱為電介質(zhì)的起的損耗，總稱為電介質(zhì)的損耗損耗。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件二二. 等效電路與相量圖等效電路與相量圖R3C1R2C2 i=i1+i2+i3i1i2i3uICI2RI23IU2I1I圖中圖中C1 代表介質(zhì)的代表介質(zhì)的無損極化（電子式無損極化（電子式和離子式極化），和離子式極化），C2 R2 代表各種代表各種有損極化，而有損極化，而R3則則代表電導(dǎo)損耗。代表電導(dǎo)損耗。 介質(zhì)損耗角介質(zhì)

22、損耗角 為功率因數(shù)角為功率因數(shù)角 的余角，其正切的余角，其正切 tg 又可稱又可稱為介質(zhì)損耗因數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)（為介質(zhì)損耗因數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)（%）來表示。）來表示。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件三三. . 簡化等效電路與損耗簡化等效電路與損耗UUICRIIIRICIRCPRICIUI P = U I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg 式中式中 電源角頻率；電源角頻率； 功率因數(shù)角；功率因數(shù)角； 介質(zhì)損耗角。介質(zhì)損耗角。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件第二章第二章 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程第一節(jié)第一節(jié) 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)

23、的產(chǎn)生和消失第二節(jié)第二節(jié) 氣體放電機(jī)理氣體放電機(jī)理第三節(jié)第三節(jié) 電暈放電電暈放電第四節(jié)第四節(jié) 不均勻電場氣隙的擊穿不均勻電場氣隙的擊穿第五節(jié)第五節(jié) 雷電放電雷電放電第六節(jié)第六節(jié) 氣隙的沿面放電氣隙的沿面放電高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件一一. .帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的來源有二：一是氣體分子本身發(fā)生電氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的來源有二：一是氣體分子本身發(fā)生電離離(包括撞擊電離，光電離、熱電離等多種形式包括撞擊電離，光電離、熱電離等多種形式)；另一是氣；另一是氣體中的固體或液體金屬發(fā)生表面電離。體中的固體或液體金屬發(fā)生表面電離。 1.激勵(lì)激勵(lì)在常態(tài)下，電子受外界因素影響由低

24、能量級軌道在常態(tài)下，電子受外界因素影響由低能量級軌道上躍遷到高能量級軌道的現(xiàn)象稱為上躍遷到高能量級軌道的現(xiàn)象稱為激勵(lì)激勵(lì)。 原子能級原子能級 以電子伏為單位以電子伏為單位 1eV1V1. 610-19C1.610-19J 原子在外界因素作用下，其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)，原子在外界因素作用下，其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)，所需能量稱為激勵(lì)能所需能量稱為激勵(lì)能We 激勵(lì)狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，輻射出相應(yīng)能量的光子。激勵(lì)狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，輻射出相應(yīng)能量的光子。 2.1 2.1 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件2.原子電離：原子電離：電離

25、是氣體放電的首要前提。電離是氣體放電的首要前提。 原子在外界因素作用下，使其一個(gè)或幾個(gè)電子脫離原子核原子在外界因素作用下，使其一個(gè)或幾個(gè)電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過程稱為的束縛而形成自由電子和正離子的過程稱為原子的電離。原子的電離。 電離過程所需要的能量稱為電離能電離過程所需要的能量稱為電離能Wi（ev），也可用電離），也可用電離電位電位Ui（v） 幾種氣體和金屬蒸汽的激勵(lì)電位和電離電位：幾種氣體和金屬蒸汽的激勵(lì)電位和電離電位： 氣體氣體激勵(lì)能激勵(lì)能We (eV)電離能電離能Wi (eV)氣體氣體激勵(lì)能激勵(lì)能We (eV)電離能電離能Wi (eV)N2O2H26.17.911

26、.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件3.電離的幾種形式電離的幾種形式(1)光電離：光電離：光輻射引起的氣體分子的電離過程。光輻射引起的氣體分子的電離過程。 自然界、人為照射、自然界、人為照射、氣體放電過程氣體放電過程 頻率為頻率為的光子能量為的光子能量為W=h 式中式中 h普郎克常數(shù)普郎克常數(shù)=發(fā)生空間光電離的條件為發(fā)生空間光電離的條件為 或者或者 式中式中 光的波長，光的波長，m； c光速光速 Wi 氣體的電離能，氣體的電離能，eV。 對所有氣體來說，在可見光（對所有氣體來說，在可見光（400750

27、nm）的作用）的作用下，一般是不能直接發(fā)生光電離的。下，一般是不能直接發(fā)生光電離的。 34156.63 104.13 10J seV s-醋=醋ihWnihcWl8=3 10/m s高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件(2)撞擊電離撞擊電離 主要是電子碰撞游離。主要是電子碰撞游離。原因：原因：1.電子小，自由程長，可電子小，自由程長，可以加速到很大的速度。以加速到很大的速度。2.電子的質(zhì)量小，可以加速到很大。電子的質(zhì)量小，可以加速到很大。 產(chǎn)生條件產(chǎn)生條件 :()212ieWmvWExq驏=+桫=+勢能勢能 碰撞電離的形成與電場強(qiáng)度和平均自由行程的大小有關(guān)碰撞電離的形成與電場強(qiáng)度和平均自由

28、行程的大小有關(guān)。所以提高場強(qiáng)可以使碰撞電離加劇所以提高場強(qiáng)可以使碰撞電離加劇.高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件（3）熱電離：）熱電離：因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程。因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程。 在常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的概率極小。在常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的概率極小。 在高溫下，例如發(fā)生電弧放電時(shí)，氣體溫度可達(dá)數(shù)千度，在高溫下，例如發(fā)生電弧放電時(shí)，氣體溫度可達(dá)數(shù)千度，氣體分子動(dòng)能就足以導(dǎo)致發(fā)生明顯的碰撞電離氣體分子動(dòng)能就足以導(dǎo)致發(fā)生明顯的碰撞電離 高溫下高能熱輻射光子也能造成氣體的電離。高溫下高能熱輻射光子也能造成氣體的電離。 所以說熱電離是氣體在熱狀態(tài)下光電離和撞擊電離的綜合所以

29、說熱電離是氣體在熱狀態(tài)下光電離和撞擊電離的綜合。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件（4）表面電離（陰極）表面電離（陰極） 電子從金屬表面逸出需要一定的能量，稱為電子從金屬表面逸出需要一定的能量，稱為逸出功逸出功。主要發(fā)。主要發(fā)生在陰極，原因：陽極自由電子不會(huì)向氣體中釋放。生在陰極，原因：陽極自由電子不會(huì)向氣體中釋放。 主要有主要有4種形式：種形式：1. 正離子撞擊陰極表面：正離子撞擊陰極表面：通常正離子動(dòng)能不大，可忽略，只有在通常正離子動(dòng)能不大，可忽略，只有在它的勢能等于或大于陰極材料逸出功兩倍時(shí)，才能引起陰極表面它的勢能等于或大于陰極材料逸出功兩倍時(shí)，才能引起陰極表面電離，這個(gè)條件可滿

30、足。電離，這個(gè)條件可滿足。2. 光電子發(fā)射：光電子發(fā)射： 高能輻射先照射陰極時(shí)，會(huì)引起光電子發(fā)射，高能輻射先照射陰極時(shí)，會(huì)引起光電子發(fā)射，其條件是光子的能量應(yīng)大于金屬的逸出功。其條件是光子的能量應(yīng)大于金屬的逸出功。3. 熱電子發(fā)射：熱電子發(fā)射： 金屬中的電子在高溫下也能獲得足夠的動(dòng)能而金屬中的電子在高溫下也能獲得足夠的動(dòng)能而從金屬表面逸出，稱為從金屬表面逸出，稱為熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射。在許多電子器件中常利用加。在許多電子器件中常利用加熱陰極來實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射。熱陰極來實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射。4. 強(qiáng)場發(fā)射（冷發(fā)射）：強(qiáng)場發(fā)射（冷發(fā)射）：當(dāng)陰極表面附近空間存在很強(qiáng)的電場時(shí)當(dāng)陰極表面附近空間存在很強(qiáng)的電場時(shí)（1

31、06V/cm數(shù)量級），也能時(shí)陰極發(fā)射電子。常態(tài)下作用氣隙擊數(shù)量級），也能時(shí)陰極發(fā)射電子。常態(tài)下作用氣隙擊穿完全不受影響；在高氣壓、壓縮的高強(qiáng)度氣體的擊穿過程中會(huì)穿完全不受影響；在高氣壓、壓縮的高強(qiáng)度氣體的擊穿過程中會(huì)起一定的作用；真空中更起著決定性作用。起一定的作用；真空中更起著決定性作用。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件 當(dāng)電子與氣體分子碰撞時(shí)，可能會(huì)發(fā)生電子與中性分子相結(jié)當(dāng)電子與氣體分子碰撞時(shí)，可能會(huì)發(fā)生電子與中性分子相結(jié)合而形成負(fù)離子的情況，這種過程成為合而形成負(fù)離子的情況，這種過程成為附著附著。易于產(chǎn)生負(fù)離子的。易于產(chǎn)生負(fù)離子的氣體稱為氣體稱為電負(fù)性氣體電負(fù)性氣體。 這個(gè)過程有

32、時(shí)需要放出能量，有時(shí)需吸收能量。這個(gè)過程有時(shí)需要放出能量，有時(shí)需吸收能量。 負(fù)離子的形成不會(huì)改變帶電質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量，但卻使自由電子數(shù)負(fù)離子的形成不會(huì)改變帶電質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量，但卻使自由電子數(shù)減少，因此對氣體放電的發(fā)展起抑制作用。（或有助于提高氣體減少，因此對氣體放電的發(fā)展起抑制作用。（或有助于提高氣體的耐電強(qiáng)度）的耐電強(qiáng)度）。如。如SF6氣體對電子有很強(qiáng)的親和性，因此具有高氣體對電子有很強(qiáng)的親和性，因此具有高電氣強(qiáng)度。電氣強(qiáng)度。（5）負(fù)離子的形成）負(fù)離子的形成高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件二二. .帶電質(zhì)點(diǎn)在氣體中的運(yùn)動(dòng)帶電質(zhì)點(diǎn)在氣體中的運(yùn)動(dòng)1.自由行程長度自由行程長度 當(dāng)氣體中存在電場時(shí)，其

33、中的帶當(dāng)氣體中存在電場時(shí)，其中的帶電粒子將具有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，它們電粒子將具有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，它們一方面與中性的氣體粒子（原子或分一方面與中性的氣體粒子（原子或分子）一樣，進(jìn)行著混亂子）一樣，進(jìn)行著混亂熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)，另一，另一方面又將方面又將沿著電場作定向漂移沿著電場作定向漂移。 各種粒子在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)都會(huì)不各種粒子在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)都會(huì)不斷碰撞。一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在每兩次碰撞之間斷碰撞。一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在每兩次碰撞之間自由通過的距離叫自由通過的距離叫自由行程長度。自由行程長度。 實(shí)際的自由行程長度是實(shí)際的自由行程長度是隨機(jī)量隨機(jī)量，并有很大的并有很大的分散性。分散性。 單位行程中的碰撞次數(shù)單位行程中的碰撞次數(shù)Z的

34、倒數(shù)的倒數(shù)即為該粒子的即為該粒子的平均自由行程長度平均自由行程長度。EleTp高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件2.帶電粒子的遷移率帶電粒子的遷移率 帶電離子雖然不可避免地要與氣體分子不斷地發(fā)生碰帶電離子雖然不可避免地要與氣體分子不斷地發(fā)生碰撞，但在電場力的驅(qū)動(dòng)下，仍將沿著電場方向漂移，其速撞，但在電場力的驅(qū)動(dòng)下，仍將沿著電場方向漂移，其速度度u u與場強(qiáng)與場強(qiáng)E其比例系數(shù)其比例系數(shù)k=u/Ek=u/E，稱為，稱為遷移率遷移率，它表示該帶，它表示該帶電粒子單位場強(qiáng)（電粒子單位場強(qiáng)（1V/m）下沿電場方向的漂移速度。）下沿電場方向的漂移速度。 由于電子的平均自由行程長度比離子大得多，而電子

35、由于電子的平均自由行程長度比離子大得多，而電子的質(zhì)量比離子小得多。更易加速，所以的質(zhì)量比離子小得多。更易加速，所以電子的遷移率遠(yuǎn)大電子的遷移率遠(yuǎn)大于離子。于離子。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件1. 帶電粒子在電場的驅(qū)動(dòng)下作定向運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)電極時(shí)，帶電粒子在電場的驅(qū)動(dòng)下作定向運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)電極時(shí)，消消失于電極失于電極上而形成外電路中的電流；上而形成外電路中的電流；2.帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散 氣體中帶電粒子和中性粒子的運(yùn)動(dòng)還與粒子的濃度有關(guān)。氣體中帶電粒子和中性粒子的運(yùn)動(dòng)還與粒子的濃度有關(guān)。 在熱運(yùn)動(dòng)的過程中，粒子會(huì)從濃度較大的區(qū)域運(yùn)動(dòng)到濃度在熱運(yùn)動(dòng)的過程中，粒子會(huì)從濃度較大的區(qū)域運(yùn)

36、動(dòng)到濃度較小的區(qū)域，從而使每種粒子的濃度分布均勻化，這種物理較小的區(qū)域，從而使每種粒子的濃度分布均勻化，這種物理過程叫過程叫擴(kuò)散擴(kuò)散。 氣壓越低或溫度越高，則擴(kuò)散進(jìn)行的越快。氣壓越低或溫度越高，則擴(kuò)散進(jìn)行的越快。 電子的熱運(yùn)動(dòng)速度大、自由行程長度大，所以其擴(kuò)散速度電子的熱運(yùn)動(dòng)速度大、自由行程長度大，所以其擴(kuò)散速度也要比離子快得多。也要比離子快得多。 三三. .帶電質(zhì)點(diǎn)的消失帶電質(zhì)點(diǎn)的消失高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件373.帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合 正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過程中和、還原為分子的

37、過程 在帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過程中會(huì)發(fā)生光輻射，這種光輻射在帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過程中會(huì)發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又可能成為導(dǎo)致電離的因素在一定條件下又可能成為導(dǎo)致電離的因素 正、負(fù)離子間的復(fù)合概率要比離子和電子間的復(fù)合概正、負(fù)離子間的復(fù)合概率要比離子和電子間的復(fù)合概率大得多。通常放電過程中離子間的復(fù)合更為重要率大得多。通常放電過程中離子間的復(fù)合更為重要 一定空間內(nèi)帶電質(zhì)點(diǎn)由于復(fù)合而減少的速度決定于其一定空間內(nèi)帶電質(zhì)點(diǎn)由于復(fù)合而減少的速度決定于其濃度濃度 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件氣體放電：氣體放電：氣體中流通電流的各種形式。擊穿：擊穿：當(dāng)提高氣體間隙上的外施電壓而大搞一定數(shù)值后，電

38、流突然劇增，從而氣體失去絕緣性能，氣體由絕緣突變?yōu)榱紝?dǎo)體。沿面閃絡(luò)：沿面閃絡(luò)：擊穿過程發(fā)生在氣體和液體或氣體與固體的交界面上。如何選擇合適絕緣距離如何提高氣體間隙擊穿電壓氣體絕緣要解決的問題氣體絕緣要解決的問題2.2 2.2 氣體放電機(jī)理氣體放電機(jī)理高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件 根據(jù)氣體壓強(qiáng)、電源功率、電極形狀等因素的根據(jù)氣體壓強(qiáng)、電源功率、電極形狀等因素的不同，擊穿后氣體放電可具有多種不同形式。利用不同，擊穿后氣體放電可具有多種不同形式。利用放電管可以觀察放電現(xiàn)象的變化放電管可以觀察放電現(xiàn)象的變化 n輝光放電輝光放電n電弧放電電弧放電n火花放電火花放電n電暈放電電暈放電n刷狀放電

39、刷狀放電一、氣體放電的主要形式一、氣體放電的主要形式 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件貫穿于整個(gè)通道的發(fā)光現(xiàn)象。貫穿于整個(gè)通道的發(fā)光現(xiàn)象。特點(diǎn)：氣壓不大，功率小，電流密度小，放電區(qū)占據(jù)整個(gè)空間特點(diǎn)：氣壓不大，功率小，電流密度小，放電區(qū)占據(jù)整個(gè)空間貫穿于兩級的細(xì)長明亮通道。貫穿于兩級的細(xì)長明亮通道。特點(diǎn)：較高氣壓下，電導(dǎo)很大，電壓降低。特點(diǎn)：較高氣壓下，電導(dǎo)很大，電壓降低。貫通兩級的斷續(xù)明亮的細(xì)火花。貫通兩級的斷續(xù)明亮的細(xì)火花。原因：電流突增，導(dǎo)致外回路阻抗上壓降增大，放電間隙電壓原因：電流突增，導(dǎo)致外回路阻抗上壓降增大，放電間隙電壓 降低，火花熄滅；外回路電壓降低，放電間隙再形成火花降

40、低，火花熄滅；外回路電壓降低，放電間隙再形成火花極不均勻電場中，緊貼電極電場最強(qiáng)出出現(xiàn)的發(fā)光層。極不均勻電場中，緊貼電極電場最強(qiáng)出出現(xiàn)的發(fā)光層。特點(diǎn)：只在極不均勻電場中出現(xiàn)，且隨電壓升高發(fā)光層擴(kuò)大。特點(diǎn)：只在極不均勻電場中出現(xiàn)，且隨電壓升高發(fā)光層擴(kuò)大。電暈放電時(shí)，如繼續(xù)升高電壓，從電暈電極伸展出許多明亮電暈放電時(shí)，如繼續(xù)升高電壓，從電暈電極伸展出許多明亮放電通道。放電通道。放放電電主主要要形形式式高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件二二. . 自持放電、非自持放電自持放電、非自持放電1. 非自持放電：非自持放電：外施電壓小于外施電壓小于U0時(shí)，間隙內(nèi)雖有電流，但其數(shù)值時(shí)，間隙內(nèi)雖有電流，但

41、其數(shù)值甚小，通常遠(yuǎn)小于微安級，因此甚小，通常遠(yuǎn)小于微安級，因此氣體本身的絕緣性能尚未被破壞氣體本身的絕緣性能尚未被破壞,即間隙還未被擊穿。而且這時(shí)電即間隙還未被擊穿。而且這時(shí)電流要依靠外電離因素來維持，如流要依靠外電離因素來維持，如果取消外電離因素，那么電流也果取消外電離因素，那么電流也將消失。將消失。 2. 自持放電：自持放電：當(dāng)電壓達(dá)到當(dāng)電壓達(dá)到U0后，后，氣體中發(fā)生了強(qiáng)烈的電離，電流氣體中發(fā)生了強(qiáng)烈的電離，電流劇增。同時(shí)氣體中電離過程只靠劇增。同時(shí)氣體中電離過程只靠電場的作用已可自行維持，而不電場的作用已可自行維持，而不再繼續(xù)需要外電離因素了。再繼續(xù)需要外電離因素了。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)

42、16高麗課件高麗課件1） 在在OA階段：階段：間隙中的電流隨著電壓的升高而逐漸增間隙中的電流隨著電壓的升高而逐漸增加。其原因在于電壓上升，電場增加，帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速加。其原因在于電壓上升，電場增加，帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度較快，復(fù)合的幾率減小，故更多的帶電質(zhì)點(diǎn)落入到極板度較快，復(fù)合的幾率減小，故更多的帶電質(zhì)點(diǎn)落入到極板間，所以電流上升。間，所以電流上升。2） AB階段：階段：電流基本保持不變。其原因在于，這是間隙電流基本保持不變。其原因在于，這是間隙中幾乎所有的帶電質(zhì)點(diǎn)都落入到了極板中，而外界電離因中幾乎所有的帶電質(zhì)點(diǎn)都落入到了極板中，而外界電離因素單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的自由電子數(shù)是一定的，所以電流并不素

43、單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的自由電子數(shù)是一定的，所以電流并不隨電壓的增加而增加。隨電壓的增加而增加。3） BC階段：階段：電流隨這電壓的上升而上升。此時(shí)出現(xiàn)了電流隨這電壓的上升而上升。此時(shí)出現(xiàn)了新的電離因素，因?yàn)榇藭r(shí)的電壓已經(jīng)較高，在高場強(qiáng)下產(chǎn)新的電離因素，因?yàn)榇藭r(shí)的電壓已經(jīng)較高，在高場強(qiáng)下產(chǎn)生了碰撞電離，產(chǎn)生了新的帶電質(zhì)點(diǎn)，所以電流增加。生了碰撞電離，產(chǎn)生了新的帶電質(zhì)點(diǎn)，所以電流增加。4） C階段以后：階段以后：電流急劇增加，這時(shí)由于電場強(qiáng)度很高電流急劇增加，這時(shí)由于電場強(qiáng)度很高，間隙發(fā)生了擊穿，放電達(dá)到了自持。，間隙發(fā)生了擊穿，放電達(dá)到了自持。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件三三. .湯森德氣

44、體放電理論湯森德氣體放電理論 適用條件適用條件 低氣壓、低氣壓、 短間隙的電場中，即短間隙的電場中，即 理論要點(diǎn)理論要點(diǎn) 電子碰撞電離和正離子撞擊陰極產(chǎn)生的金屬表面電離電子碰撞電離和正離子撞擊陰極產(chǎn)生的金屬表面電離是使帶電質(zhì)點(diǎn)激增，并導(dǎo)致?lián)舸┑闹饕蛩?。擊穿電壓大是使帶電質(zhì)點(diǎn)激增，并導(dǎo)致?lián)舸┑闹饕蛩?。擊穿電壓大體上是體上是 的函數(shù)的函數(shù).0.26cmS Sd d高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件（一）電（一）電 子子 崩崩 外界電離因外界電離因子在陰極附近產(chǎn)子在陰極附近產(chǎn)生一個(gè)初始電子生一個(gè)初始電子如果空間的電場如果空間的電場強(qiáng)度足夠大，該強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(yùn)電子在向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)

45、就會(huì)引起碰動(dòng)時(shí)就會(huì)引起碰撞電離，產(chǎn)生出撞電離，產(chǎn)生出一個(gè)新電子，初一個(gè)新電子，初始電子和新電子始電子和新電子繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新的碰撞電離，產(chǎn)生出更多的電繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新的碰撞電離，產(chǎn)生出更多的電子。依次類推，電子數(shù)將按幾何級數(shù)不斷增多，象雪崩似的子。依次類推，電子數(shù)將按幾何級數(shù)不斷增多，象雪崩似的發(fā)展發(fā)展,這種急劇增大的空間電流被稱為這種急劇增大的空間電流被稱為電子崩電子崩。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件引用三個(gè)系數(shù)來定量的反映三種因素的作用引用三個(gè)系數(shù)來定量的反映三種因素的作用(1)系數(shù)系數(shù) ，表示一個(gè)電子由陰極到陽極每，表示一個(gè)電子由陰極到陽極每1cm路程中與氣

46、路程中與氣體質(zhì)點(diǎn)相碰撞所產(chǎn)生的自由電子數(shù)體質(zhì)點(diǎn)相碰撞所產(chǎn)生的自由電子數(shù)(平均值平均值)。(2)系數(shù)系數(shù) ，表示一個(gè)正離子由陽極到陰極每，表示一個(gè)正離子由陽極到陰極每1cm路程中與路程中與氣體質(zhì)點(diǎn)相碰撞所產(chǎn)生的自由電子數(shù)氣體質(zhì)點(diǎn)相碰撞所產(chǎn)生的自由電子數(shù)(平均值平均值)。(3)系數(shù)系數(shù) ，表示一個(gè)正離子撞擊到陰極表面時(shí)使陰極逸出，表示一個(gè)正離子撞擊到陰極表面時(shí)使陰極逸出的自由電子數(shù)的自由電子數(shù)(平均值）。平均值）。 系數(shù)系數(shù) 和和 與氣體的性質(zhì)、密度及該處的電場強(qiáng)度與氣體的性質(zhì)、密度及該處的電場強(qiáng)度等因素有關(guān)等因素有關(guān). a ab bg ga ab b高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件ddx

47、xn0nna（二）電子碰撞電離系數(shù)（二）電子碰撞電離系數(shù) 根據(jù)碰撞電離系數(shù)根據(jù)碰撞電離系數(shù)的定義，的定義，可得可得dnndxa=分離變數(shù)并積分分離變數(shù)并積分 ，可得，可得00expxnndx均勻電場，均勻電場， 不隨不隨 x 變化變化 0 xnn ea=抵達(dá)陽極的電子數(shù)抵達(dá)陽極的電子數(shù)0adann e=1. 1. 過程引起的電流過程引起的電流 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件 將將 的兩邊都乘以電子電荷及電極的面積，得的兩邊都乘以電子電荷及電極的面積，得到相應(yīng)的電子電流增長的規(guī)律為：到相應(yīng)的電子電流增長的規(guī)律為： 式中，式中， -外電離因素引起的起始光電流；外電離因素引起的起始光電流；

48、則外回路中的電流為：則外回路中的電流為：對上式的分析：對上式的分析：在僅有在僅有 過程時(shí)，若過程時(shí)，若 ，則則 。也即去掉外電離因。也即去掉外電離因素，放電隨即停止，該放電是非自持放電。素，放電隨即停止，該放電是非自持放電。在在不變的情況下（電極間的電場和氣體的狀態(tài)不變），不變的情況下（電極間的電場和氣體的狀態(tài)不變），則電極間的電流與極間距離為指數(shù)關(guān)系。則電極間的電流與極間距離為指數(shù)關(guān)系。0 xnn ea=0 xII ea=0dII ea=00I 0I 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件（三）（三）過程過程 系數(shù)：一個(gè)正離子沿著電場方向行經(jīng)系數(shù)：一個(gè)正離子沿著電場方向行經(jīng)1厘米長度，平厘

49、米長度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。因而和電子相比，正離子在均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。因而和電子相比，正離子在間隙中造成的空間電離過程間隙中造成的空間電離過程( 過程過程)不可能具有顯著的不可能具有顯著的作用。作用。正離子在間隙中造成的空間電離過程不可能具有顯著正離子在間隙中造成的空間電離過程不可能具有顯著的作用。的作用。 正離子向陰極移動(dòng)，依靠它所具有的動(dòng)能及位能，在正離子向陰極移動(dòng)，依靠它所具有的動(dòng)能及位能，在撞擊陰極時(shí)能引起表面電離，使陰極釋放出自由電子撞擊陰極時(shí)能引起表面電離，使陰極釋放出自由電子來來 。正離子撞擊陰極表面引起的表面電離放電釋放出的光子引起了陰極表面的光電離 系數(shù)：一個(gè)正離子撞

50、擊陰極表面產(chǎn)生的二次自由電子系數(shù)：一個(gè)正離子撞擊陰極表面產(chǎn)生的二次自由電子數(shù)數(shù)量。量。 上述產(chǎn)生的二次電子同樣可引起氣體空間的電離。上述產(chǎn)生的二次電子同樣可引起氣體空間的電離。過程：過程： 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件影響系數(shù)的因素影響系數(shù)的因素 和電極材料的逸出功有關(guān)，也即與電極材料及其表面的和電極材料的逸出功有關(guān)，也即與電極材料及其表面的狀態(tài)有關(guān)。狀態(tài)有關(guān)。 與與E/P有關(guān)，因?yàn)殡x子和光子的動(dòng)能決定于有關(guān)，因?yàn)殡x子和光子的動(dòng)能決定于E/P,因而有：因而有： 但在工程實(shí)際中在擊穿電壓的計(jì)算中，但在工程實(shí)際中在擊穿電壓的計(jì)算中， 一般看作為常一般看作為常數(shù)，因?yàn)閾舸╇妷簩?shù)，因?yàn)閾?/p>

51、穿電壓對 的反映不靈敏。的反映不靈敏。(/)E pgf=從陰極飛出從陰極飛出n0個(gè)電子，到達(dá)陽極后，電子數(shù)將增加為個(gè)電子，到達(dá)陽極后，電子數(shù)將增加為 正離子數(shù)正離子數(shù)正離子到達(dá)陰極，從陰極電離出的電子數(shù)正離子到達(dá)陰極，從陰極電離出的電子數(shù)0dnn ea=0(1)dnn e0(1)dnne 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件 如果電壓如果電壓( 電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度 ）足夠大，初始電子崩中的正離子）足夠大，初始電子崩中的正離子能在陰極上產(chǎn)生出來的能在陰極上產(chǎn)生出來的新電子數(shù)等于或大于新電子數(shù)等于或大于n0，那么即使除去，那么即使除去外界電離因子的作用放電也不會(huì)停止，即放電僅僅依靠已經(jīng)產(chǎn)外界電離

52、因子的作用放電也不會(huì)停止，即放電僅僅依靠已經(jīng)產(chǎn)生出來的電子和正離子（它們的數(shù)目取決于電場強(qiáng)度）就能維生出來的電子和正離子（它們的數(shù)目取決于電場強(qiáng)度）就能維持下去，這就變成了持下去，這就變成了自持放電自持放電。 若正離子撞擊到陰極表面時(shí)產(chǎn)生出若正離子撞擊到陰極表面時(shí)產(chǎn)生出來的二次電子數(shù)大于等于起始電子數(shù)來的二次電子數(shù)大于等于起始電子數(shù)n0,那么放電可以自持，即那么放電可以自持，即自持放電條件自持放電條件為為00(1)(1)1adadnene（四）自持放電條件（四）自持放電條件 在不均勻電場中，各點(diǎn)的電場強(qiáng)度在不均勻電場中，各點(diǎn)的電場強(qiáng)度E不同，所以各處的不同，所以各處的 值也不同，在這中條件下，

53、上面的自持條件應(yīng)改寫成：值也不同，在這中條件下，上面的自持條件應(yīng)改寫成：0(1)1ddxe高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件外界電離因子外界電離因子陰極表面電離陰極表面電離氣體空間電離氣體空間電離氣體中的氣體中的自由電子自由電子在電場中加速在電場中加速碰撞電離碰撞電離 電子崩電子崩（）過程）過程陰極表面陰極表面二次發(fā)射二次發(fā)射 (過程）過程）正離子正離子圖圖 2-1 低氣壓、短氣隙情況下氣體的放電過程低氣壓、短氣隙情況下氣體的放電過程 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件（五）（五）擊穿電壓、巴申（帕邢）定律擊穿電壓、巴申（帕邢）定律(/)BEA e1lnSUEd=1lnbB SUA

54、 Se可以得到：可以得到： 也即：也即： 注意：上式中，需取兩次對數(shù)，因此注意：上式中，需取兩次對數(shù)，因此Ub對對的變化不敏感，的變化不敏感，這就是這就是可取為常數(shù)的原因?？扇槌?shù)的原因。ln1lnbB SUA S高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件pdbUfSf.2.9ssTPPT PTUb(kV)圖圖2-2 均勻電場中空氣的均勻電場中空氣的帕邢曲線帕邢曲線0.10.20.30.51 2 3 5 10 20 30 50 100 300 100050201010.3520.20.1 0.5330巴申定理：巴申定理：意義：意義：均勻電場中間隙的擊穿電壓不僅與氣壓有關(guān)還與間隙的距離有關(guān)，均勻

55、電場中間隙的擊穿電壓不僅與氣壓有關(guān)還與間隙的距離有關(guān)， 是兩者乘積的函數(shù)。是兩者乘積的函數(shù)。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件分析：分析：1.當(dāng)當(dāng) 不變的時(shí)候，提高氣壓或降低氣壓到真空都能提不變的時(shí)候，提高氣壓或降低氣壓到真空都能提高氣隙的擊穿電壓。高氣隙的擊穿電壓。 2.當(dāng)當(dāng)S不變的時(shí)候，氣體的相對密度不變的時(shí)候，氣體的相對密度 增大或減小的時(shí)候增大或減小的時(shí)候,擊穿電壓增大；擊穿電壓增大； 3.在均勻的電場中，擊穿電壓在均勻的電場中，擊穿電壓 與氣體的相對密度與氣體的相對密度 、極間距離極間距離S的積有函數(shù)關(guān)系，只要的積有函數(shù)關(guān)系，只要 的乘積不變，的乘積不變， 也就不變也就不變.d

56、bUdSdbUbUbU物理解釋：物理解釋： 假設(shè)假設(shè)S保持不變，當(dāng)氣體密度保持不變，當(dāng)氣體密度 增大時(shí)，電子的平均自由增大時(shí)，電子的平均自由行程縮短了，相鄰兩次碰撞之間，電子積聚到足夠動(dòng)能的幾率行程縮短了，相鄰兩次碰撞之間，電子積聚到足夠動(dòng)能的幾率減小了，故減小了，故 必然增大。反之，當(dāng)成到減小時(shí)，電子在碰撞前必然增大。反之，當(dāng)成到減小時(shí)，電子在碰撞前積聚到足夠動(dòng)能的幾率雖然增大了，但氣體很稀薄，電子在走積聚到足夠動(dòng)能的幾率雖然增大了，但氣體很稀薄，電子在走完全程中與氣體分子相撞的總次數(shù)卻減到很小完全程中與氣體分子相撞的總次數(shù)卻減到很小 ，所以，所以 也會(huì)也會(huì)增大。增大。應(yīng)用：應(yīng)用：采用高真空

57、和高氣壓可提高間隙的擊穿電壓。采用高真空和高氣壓可提高間隙的擊穿電壓。d高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件 在這兩者之間，總有一個(gè)在這兩者之間，總有一個(gè) 值對造成撞擊游離最有利，值對造成撞擊游離最有利，此時(shí)此時(shí) 最小同樣，可假設(shè)最小同樣，可假設(shè) 保持不變。保持不變。 S值增大時(shí)，欲值增大時(shí)，欲得一定的場強(qiáng)，電壓必須增大。當(dāng)?shù)靡欢ǖ膱鰪?qiáng)，電壓必須增大。當(dāng)S值減到過小時(shí)，場強(qiáng)雖值減到過小時(shí)，場強(qiáng)雖大增，但電于在走完全程中所遇到的撞擊次數(shù)己減到很小大增，但電于在走完全程中所遇到的撞擊次數(shù)己減到很小故要求外加電壓增大，才能擊穿。這兩者之間，也總有一個(gè)故要求外加電壓增大，才能擊穿。這兩者之間，也總

58、有一個(gè)S的值對造成撞擊游離最有利，此時(shí)的值對造成撞擊游離最有利，此時(shí) 最小。最小。dbUdbU適用范圍：適用范圍：氣壓較低、氣壓較低、值較小，值較小， 過小或過大，放電機(jī)理將出現(xiàn)變化，湯遜理論就不過小或過大，放電機(jī)理將出現(xiàn)變化，湯遜理論就不適用了。適用了。不均勻的電場中，該理論也不適用。不均勻的電場中，該理論也不適用。 電力工程上經(jīng)常接觸到的是氣壓較高的情況從一個(gè)大電力工程上經(jīng)常接觸到的是氣壓較高的情況從一個(gè)大氣壓到數(shù)十個(gè)大氣壓氣壓到數(shù)十個(gè)大氣壓)，間隙距離通常也很大。，間隙距離通常也很大。Pd很大很大時(shí)時(shí)，氣體擊穿的很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也都無法在湯遜理論的范氣體擊穿的很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也都無法在湯遜理論的

59、范圍內(nèi)加以解釋。兩者間的主要差異可概述如下圍內(nèi)加以解釋。兩者間的主要差異可概述如下：0.26Scm（六）（六）湯遜放電理論的適用范圍湯遜放電理論的適用范圍高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件1、放電外形放電外形 根據(jù)湯遜理論，氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展根據(jù)湯遜理論，氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展.低氣壓下氣體放電發(fā)光區(qū)確實(shí)占據(jù)了整個(gè)電極空間，如輝光放低氣壓下氣體放電發(fā)光區(qū)確實(shí)占據(jù)了整個(gè)電極空間，如輝光放電。但大氣壓力下氣體擊穿時(shí)出現(xiàn)的卻是電。但大氣壓力下氣體擊穿時(shí)出現(xiàn)的卻是帶有分枝的明亮細(xì)通帶有分枝的明亮細(xì)通道道。2、放電時(shí)間放電時(shí)間 根據(jù)湯遜理論，間隙完成擊穿，需要好幾次

60、這樣的循環(huán)根據(jù)湯遜理論，間隙完成擊穿，需要好幾次這樣的循環(huán):形形成電子崩，崩中正離子到達(dá)陰極造成二次電子，這些電子重又成電子崩，崩中正離子到達(dá)陰極造成二次電子，這些電子重又形成更多的電子崩。由正離子的遷移率可以計(jì)算出完成擊穿所形成更多的電子崩。由正離子的遷移率可以計(jì)算出完成擊穿所需的時(shí)間，即所謂放電時(shí)間。這樣計(jì)算得到的放電時(shí)間和低氣需的時(shí)間，即所謂放電時(shí)間。這樣計(jì)算得到的放電時(shí)間和低氣壓下的放電時(shí)間比較一致，壓下的放電時(shí)間比較一致，但比火花放電時(shí)的放電時(shí)間實(shí)側(cè)值但比火花放電時(shí)的放電時(shí)間實(shí)側(cè)值要大得多。要大得多。高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)16高麗課件高麗課件3、擊穿電壓擊穿電壓 值較小時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)南?/p>