2 高電壓工程1(極化 氣體擊穿)

1、高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)孫巖洲孫巖洲電氣工程系電氣工程系High Voltage Technology電介質(zhì)電介質(zhì)(dielectric)：-在電場(chǎng)中能產(chǎn)生極化的物質(zhì)，指通常條件下導(dǎo)電性能極差、在電場(chǎng)中能產(chǎn)生極化的物質(zhì)，指通常條件下導(dǎo)電性能極差、在電力系統(tǒng)用作絕緣的材料。在電力系統(tǒng)用作絕緣的材料。-極化是指物質(zhì)中電荷分離形成偶極子的過(guò)程極化是指物質(zhì)中電荷分離形成偶極子的過(guò)程電介質(zhì)電介質(zhì)氣體電介質(zhì)氣體電介質(zhì)液體電介質(zhì)液體電介質(zhì)固體電介質(zhì)固體電介質(zhì)電介質(zhì)從貯存電能的角度看電介質(zhì)從貯存電能的角度看絕緣材料從隔離電流角度看絕緣材料從隔離電流角度看1 電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗一一.電

2、介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化(dielectric polarization) 和介電常數(shù)和介電常數(shù)(permittivity)1. 極化：極化：在外加電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)中的正、負(fù)在外加電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)中的正、負(fù)電荷沿電場(chǎng)方向作有限位移或轉(zhuǎn)向，形成偶極矩子電荷沿電場(chǎng)方向作有限位移或轉(zhuǎn)向，形成偶極矩子is a phenomenon on elastic displacement of electric charges and forming dipoles.極化對(duì)介電常數(shù)的影響：極化對(duì)介電常數(shù)的影響：UQ 束縛電荷束縛電荷UCQ00CUQQQ000CCQQr相對(duì)介電常數(shù)：相對(duì)介電常數(shù)： rela

3、tive dielectric constantExperiments of parallel plate capacitorIn vacuum, the capacitance of the test capacitor:C00E 0E電子位移極化電子位移極化2. 電介質(zhì)的極化種類電介質(zhì)的極化種類特點(diǎn)：存在于一切電介質(zhì)，極化所需時(shí)間短，特點(diǎn)：存在于一切電介質(zhì)，極化所需時(shí)間短， 不隨頻率變化；不隨頻率變化；極化具有彈性，不損耗能量極化具有彈性，不損耗能量rElectronic polarizationAn electrical field always displaces the center

4、 of charge of the electrons with respect to the nucleus and thus induce a dipole moment.離子位移極化離子位移極化特點(diǎn)：存在于離子結(jié)構(gòu)電介質(zhì)中，極化所需時(shí)間也很短；特點(diǎn)：存在于離子結(jié)構(gòu)電介質(zhì)中，極化所需時(shí)間也很短；極化具有彈性，無(wú)能量損耗；極化具有彈性，無(wú)能量損耗； 隨溫度升高而增大隨溫度升高而增大rEIonic polarization. Ionic polarization of crystal of NaCl 有些電介質(zhì)具有固有的電矩，即正、負(fù)電荷作用中心永不有些電介質(zhì)具有固有的電矩，即正、負(fù)電荷作用中

5、心永不重合，這種分子稱為極性分子，這種電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)，重合，這種分子稱為極性分子，這種電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)，例如膠木、橡膠、纖維素、蓖麻油、氯化聯(lián)苯等。例如膠木、橡膠、纖維素、蓖麻油、氯化聯(lián)苯等。 每個(gè)極性分子都是偶極子，具有一定的電矩，但當(dāng)不存在每個(gè)極性分子都是偶極子，具有一定的電矩，但當(dāng)不存在外電場(chǎng)時(shí)，這些偶極子因熱運(yùn)動(dòng)而雜亂無(wú)序地排列著，宏觀電外電場(chǎng)時(shí)，這些偶極子因熱運(yùn)動(dòng)而雜亂無(wú)序地排列著，宏觀電矩等于零，整個(gè)介質(zhì)對(duì)外并不表現(xiàn)出極性矩等于零，整個(gè)介質(zhì)對(duì)外并不表現(xiàn)出極性出現(xiàn)外電場(chǎng)后偶極子沿出現(xiàn)外電場(chǎng)后偶極子沿電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，作較有電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，作較有規(guī)則的排列，規(guī)則的排列， 因而顯出因

6、而顯出極性，這種極化稱為極性，這種極化稱為偶偶極子極化極子極化或或轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化。UU電極電介質(zhì)E0E 0E偶極子極化偶極子極化In thermal equilibrium, the dipoles will be randomly oriented and thus carry no net polarization. The external field aligns these dipoles to some extent and thus induces a polarization of the material. Orientation polarization頻率太高時(shí)偶極子將

7、來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)，因而其頻率太高時(shí)偶極子將來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)，因而其r 值變小。溫值變小。溫度對(duì)極性電介質(zhì)度對(duì)極性電介質(zhì)r 值也有很大的影響。因?yàn)闇囟容^低時(shí)值也有很大的影響。因?yàn)闇囟容^低時(shí)分子間的聯(lián)系緊密，偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)困難。所以分子間的聯(lián)系緊密，偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)困難。所以r 很小。溫很小。溫度升高后分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，阻礙極性分子沿電場(chǎng)取向，度升高后分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，阻礙極性分子沿電場(chǎng)取向，使極化減弱。所以液體固體的使極化減弱。所以液體固體的r 在低溫下先隨溫度的升在低溫下先隨溫度的升高而增大，以后當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)變的較強(qiáng)烈時(shí)，高而增大，以后當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)變的較強(qiáng)烈時(shí)，r 又開(kāi)始隨溫又開(kāi)始隨溫度的上升而減小。度的上升而減小。特點(diǎn)：存在

8、于極性電介質(zhì)中，極化所需時(shí)間較長(zhǎng)，特點(diǎn)：存在于極性電介質(zhì)中，極化所需時(shí)間較長(zhǎng)， 與電源頻率有很大關(guān)系；極化消耗能量；與電源頻率有很大關(guān)系；極化消耗能量； 溫度過(guò)高或過(guò)低，溫度過(guò)高或過(guò)低， 都會(huì)減小都會(huì)減小rr空間電荷極化空間電荷極化(夾層極化夾層極化 Interface polarization)3. 討論電介質(zhì)極化的意義討論電介質(zhì)極化的意義（）不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)（）不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)r 大小的要求不同大小的要求不同 （）在交流及沖擊電壓作用下，多層串聯(lián)介質(zhì)場(chǎng)強(qiáng)與（）在交流及沖擊電壓作用下，多層串聯(lián)介質(zhì)場(chǎng)強(qiáng)與r 成反比，要注意各種材料的成反比，要注意各種材料的 r值的配合；值的配合；（3 3）極化

9、類型影響介質(zhì)損耗，從而影響絕緣劣化和熱擊穿）極化類型影響介質(zhì)損耗，從而影響絕緣劣化和熱擊穿特點(diǎn)：特點(diǎn)：存在于復(fù)合介質(zhì)、不均勻介質(zhì)中；極化過(guò)程很緩慢存在于復(fù)合介質(zhì)、不均勻介質(zhì)中；極化過(guò)程很緩慢 ，只在直，只在直流流 和低頻交流下表現(xiàn)出來(lái)；極化伴隨著能量損耗和低頻交流下表現(xiàn)出來(lái)；極化伴隨著能量損耗 1221RRCC 為便于比較，將上述各種極化列為下表為便于比較，將上述各種極化列為下表極化種類極化種類產(chǎn)生場(chǎng)合產(chǎn)生場(chǎng)合所需時(shí)間所需時(shí)間能量損耗能量損耗產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因電子位移極化電子位移極化任何電介質(zhì)任何電介質(zhì)10-15 s無(wú)無(wú)束縛電子運(yùn)行束縛電子運(yùn)行軌道偏移軌道偏移離子位移極化離子位移極化離子式結(jié)構(gòu)電

10、離子式結(jié)構(gòu)電介質(zhì)介質(zhì)10-13 s幾乎沒(méi)有幾乎沒(méi)有離子的相對(duì)偏離子的相對(duì)偏移移轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化極性電介質(zhì)極性電介質(zhì)10-610-2 s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)的交多層介質(zhì)的交界面界面10-1 s數(shù)小時(shí)數(shù)小時(shí)有有自由電荷的移自由電荷的移動(dòng)動(dòng)教授正在示范如何將一個(gè)氣球（表面噴有導(dǎo)電涂料）在他腦袋和一小型靜電產(chǎn)生器之間來(lái)回碰撞 返回二二. 電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)(electrical conduction)定義：定義：is a measure of a materials ability to conduct an electric current. 要點(diǎn)：要點(diǎn)

11、： 帶電質(zhì)點(diǎn)主要是離子，也稱離子式電帶電質(zhì)點(diǎn)主要是離子，也稱離子式電 指標(biāo)：指標(biāo)： 用電導(dǎo)率用電導(dǎo)率(conductivity) (s/)表示表示 絕緣材料的電阻率絕緣材料的電阻率：1081020m導(dǎo)體的電阻率導(dǎo)體的電阻率：10-810-4m半導(dǎo)體的電阻率：半導(dǎo)體的電阻率：10-4107m 電阻率電阻率/12.電介質(zhì)電導(dǎo)與金屬電導(dǎo)的區(qū)別電介質(zhì)電導(dǎo)與金屬電導(dǎo)的區(qū)別 TBAe/3.液體和固體電介質(zhì)的液體和固體電介質(zhì)的與溫度的關(guān)系：與溫度的關(guān)系： 帶電質(zhì)點(diǎn)：電介質(zhì)中為帶電質(zhì)點(diǎn)：電介質(zhì)中為 ionic conduction（固有及雜質(zhì)離子）；（固有及雜質(zhì)離子）； 金屬中為金屬中為 electronic

12、 conduction數(shù)量級(jí)：電介質(zhì)的數(shù)量級(jí)：電介質(zhì)的小，泄漏電流??；金屬的電導(dǎo)電流很大小，泄漏電流小；金屬的電導(dǎo)電流很大 電導(dǎo)電流影響因素：電介質(zhì)中由離子數(shù)目決定，對(duì)所含雜質(zhì)、電導(dǎo)電流影響因素：電介質(zhì)中由離子數(shù)目決定，對(duì)所含雜質(zhì)、 溫度很敏感；金屬中主要由外加電壓決定，雜質(zhì)、溫度不是溫度很敏感；金屬中主要由外加電壓決定，雜質(zhì)、溫度不是主要因素主要因素溫度溫度 熱運(yùn)動(dòng)加劇熱運(yùn)動(dòng)加劇離子遷移率離子遷移率 介質(zhì)分子或雜質(zhì)熱離解介質(zhì)分子或雜質(zhì)熱離解 電介質(zhì)的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)；金屬的電阻率具有正的溫電介質(zhì)的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)；金屬的電阻率具有正的溫度系數(shù)。度系數(shù)。 4. 固體電介質(zhì)的體積電導(dǎo)

13、和表面電導(dǎo)固體電介質(zhì)的體積電導(dǎo)和表面電導(dǎo)體積電導(dǎo)體積電導(dǎo) volume conduction 電介質(zhì)內(nèi)部絕緣狀態(tài)的真實(shí)反映電介質(zhì)內(nèi)部絕緣狀態(tài)的真實(shí)反映表面電導(dǎo)表面電導(dǎo) surface conduction 受介質(zhì)表面吸附的水分和污穢影響受介質(zhì)表面吸附的水分和污穢影響水分起著特別重要作用。水分起著特別重要作用。 親水性介質(zhì)（玻璃、陶瓷）表面電導(dǎo)大親水性介質(zhì)（玻璃、陶瓷）表面電導(dǎo)大 憎水性介質(zhì)（石蠟、四氟乙烯、聚苯乙烯）憎水性介質(zhì)（石蠟、四氟乙烯、聚苯乙烯） 表面電導(dǎo)小表面電導(dǎo)小 三三.電介質(zhì)的損耗電介質(zhì)的損耗(dielectric loss) 任何電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下都有能量損耗，包任何電介質(zhì)在電

14、場(chǎng)作用下都有能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和由某些極化過(guò)程引起的損括由電導(dǎo)引起的損耗和由某些極化過(guò)程引起的損耗。電介質(zhì)的能量損耗簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗。耗。電介質(zhì)的能量損耗簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗。1. 介質(zhì)損耗的含介質(zhì)損耗的含義義Dielectric dissipation, also called dielectric loss, consists of conductive losses and polarization losses.2. 電介質(zhì)的三支路等值電路電介質(zhì)的三支路等值電路u1i1C2R2C3R2i3i321iiiiC1displacement current related to lossles

15、s polarization C2-R2related to loss polarization R3related to leakage lossParallel-connected equivalent circuit0)(sti1i3i2ii吸收曲線吸收曲線3. 電介質(zhì)在直流電壓作用下的吸收現(xiàn)象電介質(zhì)在直流電壓作用下的吸收現(xiàn)象321iiii |充充電電電電流流 |吸吸收收電電流流 |泄泄漏漏電電流流dielectric absorption curveUI1IRI2CI23I2I4. 介質(zhì)損耗角正切介質(zhì)損耗角正切tg Dissipation or loss factor交流電壓作用下的向

16、量圖：交流電壓作用下的向量圖： 介質(zhì)損耗角介質(zhì)損耗角 為功為功率因數(shù)角率因數(shù)角 的余角，其的余角，其正切正切 tg 又可稱為介質(zhì)損又可稱為介質(zhì)損耗因數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)（耗因數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)（%）來(lái)表示。）來(lái)表示。并聯(lián)等值電路：并聯(lián)等值電路：Parallel-connected equivalent circuitCRIIIUpCpRRICIUICIRI并聯(lián)電路中：并聯(lián)電路中：pRRUIpCCUItgCUtgUIUIPpCR2ppppCRRCCURUIItg1/由相量圖：由相量圖：5. 用用tg作為綜合反映介質(zhì)損耗特性優(yōu)劣的指標(biāo)作為綜合反映介質(zhì)損耗特性優(yōu)劣的指標(biāo) 理由：介質(zhì)損耗理由：介質(zhì)損耗P值和試驗(yàn)

17、電壓值和試驗(yàn)電壓U、試品等值電容、試品等值電容量、電源頻率等許多因素有關(guān)，而量、電源頻率等許多因素有關(guān)，而tg 是一個(gè)僅是一個(gè)僅取決于材料本身的損耗特征而與上述種種因素?zé)o取決于材料本身的損耗特征而與上述種種因素?zé)o關(guān)的物理量。關(guān)的物理量。tg 的增大，意味著介質(zhì)絕緣性能變差，實(shí)踐中的增大，意味著介質(zhì)絕緣性能變差，實(shí)踐中常通過(guò)測(cè)量常通過(guò)測(cè)量tg來(lái)判斷設(shè)備絕緣的好壞。來(lái)判斷設(shè)備絕緣的好壞。一切電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度都是有限的，超過(guò)一切電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度都是有限的，超過(guò)某種限度，電介質(zhì)就會(huì)喪失其原有的絕緣性能，某種限度，電介質(zhì)就會(huì)喪失其原有的絕緣性能，甚至演變成導(dǎo)體。甚至演變成導(dǎo)體。在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)中出

18、現(xiàn)的電氣現(xiàn)象：在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象：在弱電場(chǎng)下，主要有極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗等在弱電場(chǎng)下，主要有極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗等1. 2. 在強(qiáng)電場(chǎng)下，主要有放電、閃絡(luò)、擊穿等在強(qiáng)電場(chǎng)下，主要有放電、閃絡(luò)、擊穿等氣體放電的基本理論：氣體放電的基本理論： 湯遜理論湯遜理論 流注理論流注理論研究氣體放電的目的：研究氣體放電的目的：了解氣體在高電壓（強(qiáng)電場(chǎng)）的作用下逐步由電介質(zhì)了解氣體在高電壓（強(qiáng)電場(chǎng)）的作用下逐步由電介質(zhì) 演變成導(dǎo)體的過(guò)程；演變成導(dǎo)體的過(guò)程；掌握氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度及其提高的方法掌握氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度及其提高的方法Chapter 2. 氣體放電的物理過(guò)程氣體放電的物理過(guò)程基本概

19、念回顧：基本概念回顧： 原子在外界因素作用下，使其一個(gè)或幾個(gè)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電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過(guò)程的過(guò)程電離電離電離能電離能 電離過(guò)程所需要的能量稱為電離電離過(guò)程所需要的能量稱為電離能能 ，也可用電離電位，也可用電離電位 反映。反映。)(eVWi)(VUi一次電離、二次電離一次電離、二次電離一般情況下，氣體放電中主要只涉及一次電離的過(guò)程一般情況下，氣體放電中主要只涉及一次電離的過(guò)程施加能量施加能量WWi自由電子自由電子電離電離激勵(lì)激勵(lì)施加能量施加能量光子光子激勵(lì)激勵(lì)施加能量施加能量自由電子自由電子分級(jí)電離分

20、級(jí)電離施加能量施加能量2.1 氣體中帶電粒子的產(chǎn)生與消失氣體中帶電粒子的產(chǎn)生與消失一一. 帶電粒子的產(chǎn)生帶電粒子的產(chǎn)生(電離過(guò)程）電離過(guò)程）1.碰撞電離：碰撞電離：氣體介質(zhì)中粒子相撞，撞擊粒子傳給被氣體介質(zhì)中粒子相撞，撞擊粒子傳給被 撞粒子能量，使其電離撞粒子能量，使其電離 根據(jù)引起電離所需的能量來(lái)源不同，對(duì)應(yīng)如下幾根據(jù)引起電離所需的能量來(lái)源不同，對(duì)應(yīng)如下幾種電離形式種電離形式是氣體中產(chǎn)生帶電粒子的是氣體中產(chǎn)生帶電粒子的最重要的形式最重要的形式 電子引起碰撞電離的條件：電子引起碰撞電離的條件：qExiWqEWxiix條件：條件：撞擊粒子的總能量被撞粒子的電離能撞擊粒子的總能量被撞粒子的電離能

21、一定的相互作用的時(shí)間和條件，一定的相互作用的時(shí)間和條件，通過(guò)復(fù)雜通過(guò)復(fù)雜 的電磁力的相互作用達(dá)到兩粒子間能量轉(zhuǎn)換的電磁力的相互作用達(dá)到兩粒子間能量轉(zhuǎn)換 動(dòng)能、位能動(dòng)能、位能主要的碰撞電離由電子完成主要的碰撞電離由電子完成2.光電離：光電離：在光照射下，將光子能量傳給粒子，游在光照射下，將光子能量傳給粒子，游 離出自由電子離出自由電子 -由光電離而產(chǎn)生的自由電子稱為光電子由光電離而產(chǎn)生的自由電子稱為光電子 必要條件：光子的能量大于氣體粒子的電離能必要條件：光子的能量大于氣體粒子的電離能 光子來(lái)源：紫外線、倫琴射線、光子來(lái)源：紫外線、倫琴射線、射線、宇宙射線射線、宇宙射線 異號(hào)粒子復(fù)合也產(chǎn)生光子異

22、號(hào)粒子復(fù)合也產(chǎn)生光子 h iW iWhc光輻射能夠引起光輻射能夠引起光電離的臨界波長(zhǎng)光電離的臨界波長(zhǎng)可見(jiàn)光（可見(jiàn)光（400750nm）不能）不能使氣體直接發(fā)生光電離使氣體直接發(fā)生光電離分子動(dòng)能分子動(dòng)能碰撞電離碰撞電離 熱輻射光子的能量、數(shù)量熱輻射光子的能量、數(shù)量光電離光電離 熱電離是熱狀態(tài)下碰撞電離和光電離的綜合熱電離是熱狀態(tài)下碰撞電離和光電離的綜合 溫度超過(guò)溫度超過(guò)10000K時(shí)（如電弧放電）熱電離較強(qiáng)，時(shí)（如電弧放電）熱電離較強(qiáng)，在溫度達(dá)到在溫度達(dá)到20000K左右，幾乎全部空氣分子都左右，幾乎全部空氣分子都已經(jīng)處于熱電離狀態(tài)已經(jīng)處于熱電離狀態(tài)4.電極表面電離電極表面電離: -氣體中的電子

23、也可從金屬電極表面游離出來(lái)。氣體中的電子也可從金屬電極表面游離出來(lái)。 -游離需要能量，稱金屬的逸出功，小于氣體游離需要能量，稱金屬的逸出功，小于氣體 分子的電離能分子的電離能 -表明金屬表面電離比氣體空間電離更易發(fā)生表明金屬表面電離比氣體空間電離更易發(fā)生 隨著外加能量形式的不同，陰極的表面電離可在隨著外加能量形式的不同，陰極的表面電離可在 下列情況下發(fā)生：下列情況下發(fā)生： 正離子撞擊陰極表面正離子撞擊陰極表面光電子發(fā)射：高能輻射線照射電極表面光電子發(fā)射：高能輻射線照射電極表面熱電子發(fā)射：金屬電極加熱熱電子發(fā)射：金屬電極加熱強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射：電極表面附近存在強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射：電極表面附近存在強(qiáng)電場(chǎng)5.負(fù)離

24、子的形成負(fù)離子的形成: 中性分子或原子與電子相結(jié)合，形中性分子或原子與電子相結(jié)合，形 成負(fù)離子（附著）成負(fù)離子（附著）附著過(guò)程中放出能量（親合能）附著過(guò)程中放出能量（親合能） 電負(fù)性氣體電負(fù)性氣體大大 , 易形成負(fù)離子強(qiáng)電負(fù)性氣體，如易形成負(fù)離子強(qiáng)電負(fù)性氣體，如SFSF6 6負(fù)離子的形成使自由電子數(shù)減少，對(duì)氣體放電的發(fā)負(fù)離子的形成使自由電子數(shù)減少，對(duì)氣體放電的發(fā)展起抑制作用展起抑制作用 二二. 帶電粒子的消失帶電粒子的消失（去電離、消電離）（去電離、消電離）中和中和在電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，消失于電極在電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，消失于電極而形成外電路中的電流而形成外電路中的電流 (遷移率遷移率)2.

25、 擴(kuò)散擴(kuò)散因擴(kuò)散而逸出氣體放電空間（熱運(yùn)動(dòng)）因擴(kuò)散而逸出氣體放電空間（熱運(yùn)動(dòng)）3. 復(fù)合復(fù)合帶有異號(hào)電荷的粒子相遇，發(fā)生電荷的帶有異號(hào)電荷的粒子相遇，發(fā)生電荷的傳遞、中和而還原為中性粒子的過(guò)程傳遞、中和而還原為中性粒子的過(guò)程 （多為負(fù)離子與正離子復(fù)合，而碰撞電離（多為負(fù)離子與正離子復(fù)合，而碰撞電離 多為電子碰撞粒子產(chǎn)生）多為電子碰撞粒子產(chǎn)生）與電離相反的與電離相反的物理過(guò)程物理過(guò)程2.2 氣體放電過(guò)程及電子崩的形成氣體放電過(guò)程及電子崩的形成aUabUbcUc空氣中電流和電壓的關(guān)系空氣中電流和電壓的關(guān)系VA一一.平行板電極實(shí)驗(yàn)（湯遜，平行板電極實(shí)驗(yàn)（湯遜，Townsend)： E0IUSU0自持

26、放電區(qū)自持放電區(qū)非自持放電區(qū)非自持放電區(qū)各種高能輻射線（外界電離因子）引起：陰極表面光電離 氣體中的空間光電離因此：空氣中存在一定濃度的帶電離子n如圖表示實(shí)驗(yàn)所得平板電極(均勻電場(chǎng))氣體中的電流I與所加電壓的關(guān)系：即伏安特性二二.電子崩的形成電子崩的形成外界電離因子在陰極附近產(chǎn)生了一個(gè)初始電子，如果空間電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引起碰撞電離，產(chǎn)生一個(gè)新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。依此，電子將按照幾何級(jí)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。三三 電子崩中電子數(shù)目增長(zhǎng)過(guò)程分析電子崩中電子數(shù)目增長(zhǎng)過(guò)程分析n

27、如圖所示為平板電極氣隙，板內(nèi)電場(chǎng)均勻，設(shè)外界電離因子每秒鐘使陰極表面發(fā)射出來(lái)的初始電子數(shù)為n0。n由于碰撞電離和電子崩的結(jié)果，在它們到達(dá)x處時(shí)，電子數(shù)已增加為n，這n個(gè)電子在dx的距離中又會(huì)產(chǎn)生dn個(gè)新電子。對(duì)于均勻電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，氣隙中各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度相同， a值不隨x而變化，所以上式可寫成：抵達(dá)陽(yáng)極的電子數(shù)應(yīng)為：一個(gè)初始電子走過(guò)一個(gè)初始電子走過(guò) 距離后，由本身距離后，由本身碰撞電離產(chǎn)生的電子數(shù)是碰撞電離產(chǎn)生的電子數(shù)是 ，計(jì)及新，計(jì)及新產(chǎn)生的電子也參加電離過(guò)程，則電子數(shù)產(chǎn)生的電子也參加電離過(guò)程，則電子數(shù)增加到增加到 個(gè)，若個(gè)，若 ，則則 xax10axaxe4102 . 2axe結(jié)論：由于碰撞電離引

28、起電子崩過(guò)程，結(jié)論：由于碰撞電離引起電子崩過(guò)程，導(dǎo)致氣隙中電子數(shù)迅速增加。導(dǎo)致氣隙中電子數(shù)迅速增加。四四.自持放電條件自持放電條件必須依靠外界電離因素的作用提供自必須依靠外界電離因素的作用提供自 由電子作為電子崩的初始電子，一由電子作為電子崩的初始電子，一 旦外界電離因素停止發(fā)生作用，則放旦外界電離因素停止發(fā)生作用，則放 電中止電中止非自持放電非自持放電自持放電自持放電撤除外界電離因素后，能僅由電場(chǎng)的撤除外界電離因素后，能僅由電場(chǎng)的作用而維持的放電作用而維持的放電 過(guò)程過(guò)程：電子崩中的正離子在返回陰極時(shí)，由于其電子崩中的正離子在返回陰極時(shí)，由于其具有的位能和動(dòng)能，撞擊陰極時(shí)引起陰極表具有的位能

29、和動(dòng)能，撞擊陰極時(shí)引起陰極表面電離，產(chǎn)生面電離，產(chǎn)生 二次電子的過(guò)程二次電子的過(guò)程系數(shù)系數(shù)一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)產(chǎn)生的二次電子數(shù)一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)產(chǎn)生的二次電子數(shù)自持放電條件自持放電條件11adeade1自持放電條件可寫為：自持放電條件可寫為：1ade物理含義？物理含義？外加電場(chǎng)增外加電場(chǎng)增大到一定程大到一定程度，才能滿度，才能滿足自持放電足自持放電條件條件1)1(0dxade不均勻電場(chǎng)中，各處的不均勻電場(chǎng)中，各處的 值不同，自持放電條件為值不同，自持放電條件為：aTownsend放電理論總結(jié)：放電理論總結(jié)：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

30、的自由電子氣體中的自由電子在電場(chǎng)中加速在電場(chǎng)中加速碰撞電離碰撞電離電子崩電子崩a（ 過(guò)程）過(guò)程）正離子正離子陰極表面二次發(fā)射陰極表面二次發(fā)射（ 過(guò)程）過(guò)程） eieiqEWexeeea/11電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度E E增大，增大， 急劇增大急劇增大; ;aep 很大，（即很大，（即 很?。┗蚝苄。┗?很小（即很?。?很大）時(shí)，很大）時(shí)， 值都比較小值都比較小pae 高氣壓和高真空下，氣隙都不易發(fā)生放電現(xiàn)象，高氣壓和高真空下，氣隙都不易發(fā)生放電現(xiàn)象，即具有較高的電氣強(qiáng)度即具有較高的電氣強(qiáng)度又又epTEBpApea/（溫度不變）（溫度不變）2.3 均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓及其影響因素均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓及

31、其影響因素一一.理論推導(dǎo)：理論推導(dǎo)：1ade1ln ad均勻電場(chǎng)中自持放電起始場(chǎng)強(qiáng)均勻電場(chǎng)中自持放電起始場(chǎng)強(qiáng)dUE00含義？含義？又又EBpApea/由自持放電條件：由自持放電條件：1ln0/UBpdApde1lnln0ApdBpdUPaschen定律定律)(0pdfUUb二二.空氣擊穿電壓空氣擊穿電壓 與與 的關(guān)系的關(guān)系bUpd討論：為什么討論：為什么 具有極最小值具有極最小值?bU巴申曲線巴申曲線(實(shí)驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)獲得)0.10.52.05100.1 0.3 0.5(kV)bUpd (133.3Pacm)5012 3103001000三三.氣體放電的流注理論氣體放電的流注理論 湯遜理論的適用性

32、湯遜理論的適用性Pd26.66kPacm（200mmHgcm）時(shí)，）時(shí)，一些無(wú)法用湯遜理論解釋的現(xiàn)象：一些無(wú)法用湯遜理論解釋的現(xiàn)象：(1).放電外形：在大氣壓下放電不再是輝光放電，而是火花通道放電外形：在大氣壓下放電不再是輝光放電，而是火花通道 (2). 放電時(shí)間：放電時(shí)間短于正離子在通道中到達(dá)陰極的行程時(shí)間放電時(shí)間：放電時(shí)間短于正離子在通道中到達(dá)陰極的行程時(shí)間 (3). 陰極材料的影響：陰極材料對(duì)放電電壓影響不大陰極材料的影響：陰極材料對(duì)放電電壓影響不大 1. 空間電荷對(duì)電場(chǎng)的影響空間電荷對(duì)電場(chǎng)的影響0dx0E0EE2. 空間光電離的作用空間光電離的作用流注的形成流注的形成初崩初崩空間光電離

33、空間光電離二次電子崩二次電子崩匯入初崩匯入初崩流注流注正流注形成過(guò)程：（當(dāng)外加電壓不是很高時(shí)）正流注形成過(guò)程：（當(dāng)外加電壓不是很高時(shí)） 負(fù)流注形成過(guò)程：負(fù)流注形成過(guò)程： （當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)）（當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)） 流注的特點(diǎn)流注的特點(diǎn)電離強(qiáng)度很大電離強(qiáng)度很大 傳播速度很快傳播速度很快 導(dǎo)電性能良好導(dǎo)電性能良好形成流注后，放電就可以由本身產(chǎn)生的空間光電離自形成流注后，放電就可以由本身產(chǎn)生的空間光電離自行維持，即轉(zhuǎn)為自持放電，形成流注的條件（即自持行維持，即轉(zhuǎn)為自持放電，形成流注的條件（即自持放電條件）放電條件）對(duì)均勻電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，自持放電條件對(duì)均勻電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，自持放電條件：ade常數(shù)常數(shù)ad常數(shù)常數(shù)

34、或或810ade或或20ad實(shí)驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)得出流注理論和湯遜理論比較：流注理論和湯遜理論比較：各適用于一定條件下的放電過(guò)程，不能用一種理論各適用于一定條件下的放電過(guò)程，不能用一種理論來(lái)取代另一種理論，互相補(bǔ)充，可以解釋廣闊的來(lái)取代另一種理論，互相補(bǔ)充，可以解釋廣闊的pd范圍內(nèi)的氣體放電現(xiàn)象。范圍內(nèi)的氣體放電現(xiàn)象。1. 湯遜理論適用于低氣壓、短氣隙的情況（湯遜理論適用于低氣壓、短氣隙的情況（pd26.66kPacm）3.湯遜理論認(rèn)為電子崩和陰極上的二次發(fā)射過(guò)程是氣體自持湯遜理論認(rèn)為電子崩和陰極上的二次發(fā)射過(guò)程是氣體自持放電的決定性因素；流注理論認(rèn)為電子碰撞電離及空間光放電的決定性因素；流注理論認(rèn)為

35、電子碰撞電離及空間光電離是維持自持放電的主要因素，并強(qiáng)調(diào)了空間電荷畸變電離是維持自持放電的主要因素，并強(qiáng)調(diào)了空間電荷畸變電場(chǎng)的作用。電場(chǎng)的作用。2.4 電暈放電和不均勻電場(chǎng)中氣隙的擊穿電暈放電和不均勻電場(chǎng)中氣隙的擊穿稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的放電特征稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)的放電特征一一. 電場(chǎng)不均勻系數(shù)：電場(chǎng)不均勻系數(shù)：f最大電場(chǎng)強(qiáng)度最大電場(chǎng)強(qiáng)度平均電場(chǎng)強(qiáng)度平均電場(chǎng)強(qiáng)度avEEmax2f稍不均勻電場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng)4f極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)中，首先在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)發(fā)生電暈放電，極不均勻電場(chǎng)中，首先在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)發(fā)生電暈放電，自持放電條件即是電暈起始條件，氣隙擊穿電壓大自持放電條件即是電暈起始

36、條件，氣隙擊穿電壓大于電暈起始電壓。于電暈起始電壓。二二. 常見(jiàn)電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)：常見(jiàn)電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)： 均勻場(chǎng)：均勻場(chǎng)： 板板板板 稍不均勻場(chǎng)：稍不均勻場(chǎng)： 球球球球 對(duì)稱場(chǎng)對(duì)稱場(chǎng) 同軸圓筒同軸圓筒 極不均勻場(chǎng)：極不均勻場(chǎng)： 棒棒棒棒 棒板棒板 不對(duì)稱場(chǎng)不對(duì)稱場(chǎng) 稍不均勻電場(chǎng)中氣隙的放電特性與均勻電場(chǎng)相稍不均勻電場(chǎng)中氣隙的放電特性與均勻電場(chǎng)相 似，似，一旦出現(xiàn)自持放電，便會(huì)導(dǎo)致整個(gè)間隙的擊穿，一旦出現(xiàn)自持放電，便會(huì)導(dǎo)致整個(gè)間隙的擊穿，三三. 電暈放電電暈放電1. 電暈的形成：電暈的形成：極不均勻電場(chǎng)中，在外加電壓下，小曲率半徑電極附近的電極不均勻電場(chǎng)中，在外加電壓下，小曲率半徑電極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度首先達(dá)到

37、起始場(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)度首先達(dá)到起始場(chǎng)強(qiáng)E0，在此局部區(qū)域先出現(xiàn)碰撞電離，在此局部區(qū)域先出現(xiàn)碰撞電離和電子崩，甚至出現(xiàn)流注，這種僅僅發(fā)生在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的局部放和電子崩，甚至出現(xiàn)流注，這種僅僅發(fā)生在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的局部放電稱為電暈放電，在外觀上表現(xiàn)為環(huán)繞電極表面出現(xiàn)藍(lán)紫色電稱為電暈放電，在外觀上表現(xiàn)為環(huán)繞電極表面出現(xiàn)藍(lán)紫色暈光。暈光。2. 電暈的危害及作用電暈的危害及作用有光、聲、熱效應(yīng)造成能量損耗；電暈損耗在超高壓輸電線有光、聲、熱效應(yīng)造成能量損耗；電暈損耗在超高壓輸電線路設(shè)計(jì)中必須考慮路設(shè)計(jì)中必須考慮產(chǎn)生的高頻脈沖電流含有許多高次諧波，造成無(wú)線電干擾；產(chǎn)生的高頻脈沖電流含有許多高次諧波，造成無(wú)線電干擾；使空氣局部游

38、離，產(chǎn)生的臭氧和氧化氮等會(huì)腐蝕金屬設(shè)備；使空氣局部游離，產(chǎn)生的臭氧和氧化氮等會(huì)腐蝕金屬設(shè)備；產(chǎn)生可聞噪聲；產(chǎn)生可聞噪聲； v 不良影響：不良影響：n 能量損耗；通信干擾；化學(xué)腐蝕等。能量損耗；通信干擾；化學(xué)腐蝕等。v 解決方法：解決方法：n 增大電極曲率半徑；采用擴(kuò)徑導(dǎo)線等。增大電極曲率半徑；采用擴(kuò)徑導(dǎo)線等。v 其它應(yīng)用：其它應(yīng)用：n 削弱輸電線路雷電沖擊或操作沖擊電壓幅值削弱輸電線路雷電沖擊或操作沖擊電壓幅值陡度；制造臭氧發(fā)生器、電暈除塵器等。陡度；制造臭氧發(fā)生器、電暈除塵器等。 電暈放電的起始場(chǎng)強(qiáng)一般用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)推算，電暈放電的起始場(chǎng)強(qiáng)一般用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)推算，應(yīng)用最廣的是皮克公式，電暈起始場(chǎng)

39、強(qiáng)近似為應(yīng)用最廣的是皮克公式，電暈起始場(chǎng)強(qiáng)近似為 )/)(3 .01 (30cmkVrmEcm m：導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)導(dǎo)線表面粗糙系數(shù); ;:空氣相對(duì)密度；空氣相對(duì)密度；R:R: 導(dǎo)線半徑（導(dǎo)線半徑（cmcm）3. 皮克公式皮克公式四四 . 極不均勻電場(chǎng)中放電的極性效應(yīng)極不均勻電場(chǎng)中放電的極性效應(yīng) 0100200300300600900bU(kV)d(cm)直流電壓下棒直流電壓下棒-板間隙擊穿電壓特性曲線：板間隙擊穿電壓特性曲線：Ex0E正正棒棒負(fù)負(fù)板板電電極極0E負(fù)負(fù)棒棒正正板板電電極極ExChapter 3. 氣隙的擊穿特性氣隙的擊穿特性氣隙的擊穿特性取決于：氣隙的擊穿特性取決于：電場(chǎng)形式電

40、場(chǎng)形式外加電壓類型外加電壓類型工頻交流電壓工頻交流電壓直流電壓直流電壓雷電過(guò)電壓雷電過(guò)電壓操作過(guò)電壓操作過(guò)電壓穩(wěn)態(tài)電壓穩(wěn)態(tài)電壓沖擊電壓沖擊電壓一一. 均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿不存在極性效應(yīng)；不存在極性效應(yīng)；直流、工頻、沖擊電壓作用下的擊穿電壓相同；直流、工頻、沖擊電壓作用下的擊穿電壓相同；擊穿電壓分散性很?。粨舸╇妷悍稚⑿院苄。豢諝忾g隙的擊穿電壓經(jīng)驗(yàn)公式：空氣間隙的擊穿電壓經(jīng)驗(yàn)公式：）（kVddUb53. 64 .24Ub擊穿電壓峰值，擊穿電壓峰值，kVEb 平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)，kV/cm空氣的相對(duì)密度空氣的相對(duì)密度 d間隙距離，間隙距離， d 1 10cm 內(nèi)，內(nèi)，Eb=

41、30kV/cm）（kVddUEbb/53. 64 .24二二.稍不均勻電場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng)與均勻電場(chǎng)相似，一旦出現(xiàn)局部放電，立即導(dǎo)致整個(gè)間隙的與均勻電場(chǎng)相似，一旦出現(xiàn)局部放電，立即導(dǎo)致整個(gè)間隙的完全擊穿。完全擊穿。 電場(chǎng)不對(duì)稱時(shí)有極性效應(yīng)，不很顯著電場(chǎng)不對(duì)稱時(shí)有極性效應(yīng)，不很顯著 不同電壓波形下不同電壓波形下b都相同，且分散性不大都相同，且分散性不大 典型結(jié)構(gòu)形式：球球，球板，兩同軸圓柱典型結(jié)構(gòu)形式：球球，球板，兩同軸圓柱 三三.極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)有持續(xù)的局部放電，空間電荷積累導(dǎo)致顯著的極性效應(yīng)有持續(xù)的局部放電，空間電荷積累導(dǎo)致顯著的極性效應(yīng) 電極形狀對(duì)氣隙擊穿電壓影響不大，可用典型電極代表

42、電極形狀對(duì)氣隙擊穿電壓影響不大，可用典型電極代表,如棒棒，棒板如棒棒，棒板 在不同性質(zhì)電壓下，在不同性質(zhì)電壓下，b有明顯差別，且分散性大有明顯差別，且分散性大1.直流電壓作用下直流電壓作用下 顯著的極性效應(yīng)顯著的極性效應(yīng) 正棒負(fù)板，正棒負(fù)板，b 4.5d (kV/cm)負(fù)棒正板，負(fù)棒正板，b 10d (kV/cm)注意注意: 負(fù)棒正板比正棒負(fù)板先產(chǎn)生電暈放電負(fù)棒正板比正棒負(fù)板先產(chǎn)生電暈放電,但后發(fā)但后發(fā)生擊穿。生擊穿。都比均勻電場(chǎng)中的擊都比均勻電場(chǎng)中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)小得多（約穿場(chǎng)強(qiáng)小得多（約30kV/cm)2 .工頻電壓作用下工頻電壓作用下 擊穿總是在棒極為正半波峰值附近發(fā)生擊穿總是在棒極為正半波峰

43、值附近發(fā)生 d時(shí)，時(shí)，b接近與接近與d成正比成正比 棒棒，棒棒，b d 棒板，棒板，b d相差不多相差不多 d時(shí)，時(shí)，b與與d的關(guān)系趨向飽和，棒板尤甚。的關(guān)系趨向飽和，棒板尤甚。各種氣隙的工頻各種氣隙的工頻b 分散性不大，標(biāo)準(zhǔn)偏差分散性不大，標(biāo)準(zhǔn)偏差 31. 放電時(shí)間的組成放電時(shí)間的組成UsU0tstftlagtbtut0四四. 沖擊電壓下氣隙的擊穿沖擊電壓下氣隙的擊穿fslagttt放電時(shí)延：放電時(shí)延：lagbttt0放電時(shí)間：放電時(shí)間：ts: 統(tǒng)計(jì)時(shí)延，統(tǒng)計(jì)時(shí)延，從從 t1開(kāi)始到氣隙中出現(xiàn)第一個(gè)有效電開(kāi)始到氣隙中出現(xiàn)第一個(gè)有效電 子所需子所需 的時(shí)間的時(shí)間Us: 靜態(tài)擊穿電壓，靜態(tài)擊穿電壓

44、，氣隙在持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓氣隙在持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓tf: 放電形成時(shí)延，放電形成時(shí)延，從從 有有 效電子出現(xiàn)到氣隙完成擊效電子出現(xiàn)到氣隙完成擊 穿所需穿所需 的時(shí)間的時(shí)間具有統(tǒng)計(jì)具有統(tǒng)計(jì)分散性分散性2. 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電壓波形標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電壓波形直流電壓直流電壓 大多由交流整流而得，波形有脈動(dòng)大多由交流整流而得，波形有脈動(dòng) 脈動(dòng)系數(shù)脈動(dòng)幅值電壓平均值脈動(dòng)系數(shù)脈動(dòng)幅值電壓平均值 最大值與最小值之差的一半最大值與最小值之差的一半 工頻交流電壓工頻交流電壓 波形近似為正弦波，正負(fù)半波相同，峰值與有效值之比應(yīng)波形近似為正弦波，正負(fù)半波相同，峰值與有效值之比應(yīng)為為 ，偏差不超過(guò)，偏差不超過(guò) 標(biāo)準(zhǔn)雷電沖

45、擊電壓波形定義標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形定義00tmUu/2T0.50.30.91T1s50/2 . 1sT36. 02 . 11波前時(shí)間：波前時(shí)間：sT10502 半峰值時(shí)間半峰值時(shí)間（或波長(zhǎng)時(shí)間）（或波長(zhǎng)時(shí)間）0tmUu/crT12T0.5標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波形定義標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波形定義s2500/2503. 氣隙的沖擊擊穿特性氣隙的沖擊擊穿特性：（1）. 50%沖擊擊穿電壓沖擊擊穿電壓 %50U沖擊系數(shù)沖擊系數(shù)sUU%50在一定波形的沖擊電壓作用下，外加電壓的幅值在一定波形的沖擊電壓作用下，外加電壓的幅值變化，導(dǎo)致間隙擊穿概率為時(shí)的電壓稱為變化，導(dǎo)致間隙擊穿概率為時(shí)的電壓稱為%50U均勻和稍不均勻電場(chǎng)下，均勻和稍不均勻電場(chǎng)下，極不均勻電場(chǎng)下，極不均勻電場(chǎng)