第一篇電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度

1、第一篇 高電壓絕緣及試驗(yàn)唐小波2010.9 電介質(zhì)是指通常條件下導(dǎo)電性能極差的物質(zhì)，云母、變壓器油等都是電介質(zhì)。 電介質(zhì)中正負(fù)電荷束縛得很緊，內(nèi)部可自由移動(dòng)的電荷極少，因此導(dǎo)電性能差。 電介質(zhì)在電氣設(shè)備中作為絕緣材料使用，按其物質(zhì)形態(tài)，可分為：氣體介質(zhì)液體介質(zhì)固體介質(zhì)在電氣設(shè)備中：外絕緣：一般由氣體介質(zhì)（空氣）和固體介質(zhì)（絕緣子）聯(lián)合構(gòu)成內(nèi)絕緣： 一般由固體介質(zhì)和液體介質(zhì)聯(lián)合構(gòu)成 在電氣作用下，電介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象可分為兩類：弱電場電場強(qiáng)度比擊穿場強(qiáng)小得多 極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗等強(qiáng)電場電場強(qiáng)度等于或大于放電起始場強(qiáng)或擊穿場強(qiáng) 放電、閃絡(luò)、擊穿等高電壓絕緣及試驗(yàn)電介質(zhì)的基本電氣特性氣體放電的基

2、本理論氣體電介質(zhì)的擊穿特性固體電介質(zhì)和液體電介質(zhì)的擊穿特性電氣設(shè)備絕緣特性的測試電氣設(shè)備絕緣的耐壓試驗(yàn)及高電壓測量第一章 電介質(zhì)的基本電氣特性電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的損耗電介質(zhì)的擊穿一、介質(zhì)的極化構(gòu)成電介質(zhì)分子的分類 （1）中性分子（原子）：分子（或原子）中正負(fù)電荷的作用重心是重合的，對(duì)外不顯電性。（如固體無機(jī)化合物云母、陶瓷、玻璃等） （2）極性分子：分子中正、負(fù)電荷的作用重心不重合，而保持一定的距離，單個(gè)分子對(duì)外顯電性，由于熱運(yùn)動(dòng)的原因，各分子的排列雜亂無章，不同分子對(duì)外電性相互抵消，故對(duì)外不顯電性。（偶極分子）（如變壓器油、松香、橡膠、膠木、 聚氯乙烯、纖維素等）一、介質(zhì)的極化u

3、電子位移極化u離子位移極化u轉(zhuǎn)向極化u空間電荷極化電子位移極化彈性的，不引起能量損耗；彈性的，不引起能量損耗；完成時(shí)間極短，約完成時(shí)間極短，約1010-14-141010-15-15s s；單元粒子的電子位移極化與溫度無關(guān)單元粒子的電子位移極化與溫度無關(guān)離子位移極化完成時(shí)間約完成時(shí)間約10-1210-13s；極微量的能量損耗；極微量的能量損耗；離子位移極化率隨溫度的離子位移極化率隨溫度的升高略有增加升高略有增加+-+-+-+-e=0e離子式極化轉(zhuǎn)向極化n固有偶極矩：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，就已具有偶極矩。n由于分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，分子

4、偶極矩的排列無序，不能體現(xiàn)合成電矩。n轉(zhuǎn)向極化：電場作用下，定向排列。伴有能量損耗；伴有能量損耗；需要較長時(shí)間，約需要較長時(shí)間，約1010-6-61010-2-2s s，甚至更長；，甚至更長；外電場越強(qiáng)，極性分子的轉(zhuǎn)向定向就越充分，轉(zhuǎn)向極化就越強(qiáng)外電場越強(qiáng)，極性分子的轉(zhuǎn)向定向就越充分，轉(zhuǎn)向極化就越強(qiáng)+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-e=0e空間電荷極化極化機(jī)理極化機(jī)理空間電荷極化設(shè)設(shè)c c1 1=1,c=1,c2 2=2,g=2,g1 1=2,g=2,g2 2=1,u=3=1,u=3注意：注意：夾層界面上電荷的夾層界面上電荷的堆積是通過介質(zhì)電導(dǎo)堆積是通過介

5、質(zhì)電導(dǎo)g g來完來完成的。成的。由于高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)由于高壓絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)通常都很小，所以極化過通常都很小，所以極化過程緩慢，幾十分之一秒程緩慢，幾十分之一秒幾分鐘。幾分鐘。伴有能量損耗。伴有能量損耗。這種極化只有這種極化只有在低頻時(shí)才有在低頻時(shí)才有意義意義空間電荷極化注意1 當(dāng)兩層不同電介質(zhì)串聯(lián)構(gòu)成的復(fù)合絕緣時(shí)，剛開始加壓時(shí)，各層介質(zhì)的極化程度不一樣，各層電介質(zhì)中極化產(chǎn)生的電荷量也不一樣，于是分界面顯示出電的極性來，稱為夾層極化。極化結(jié)束后，電荷要重新分配，就在兩層介質(zhì)的交界面形成一定的吸收電流。這種過程非常緩慢，那么在去掉電壓后介質(zhì)內(nèi)部的吸收電荷要釋放出來也非常緩慢。因此對(duì)于使用過的大電

6、容設(shè)備，應(yīng)將兩極短接，徹底放電，以免過一定時(shí)間后吸收電荷陸續(xù)釋放出來危及人生安全。注意2（1 1）是束縛電荷而不是自由電子。）是束縛電荷而不是自由電子。 （2 2）是有限位移而不是電荷流通，不產(chǎn)生電流）是有限位移而不是電荷流通，不產(chǎn)生電流 。（3 3）內(nèi)部電荷的總和仍為零，但由于外電場的作用）內(nèi)部電荷的總和仍為零，但由于外電場的作用對(duì)外顯現(xiàn)電場力對(duì)外顯現(xiàn)電場力 。二、 電介質(zhì)的介電常數(shù)介電常數(shù)的物理意義氣體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)介電常數(shù)的物理意義真空0qq -+-+-+-+-插入電介質(zhì)后qqq0dsqqquqcdsuqc00000介電常數(shù)的物理意義相對(duì)介

7、電常數(shù)以該物質(zhì)為介質(zhì)的電容器的電容與以真空中為介質(zhì)的同樣大小電容器電容量的比值，稱為相對(duì)介電常數(shù)，簡稱介電系數(shù)。它表征電介質(zhì)在電場的作用下極化程度的物理量。相對(duì)介電常數(shù)的物理意義：相對(duì)真空時(shí)感應(yīng)電荷（電容量）變化的倍數(shù)。0000ccqqqr介電常數(shù)在工程應(yīng)用中的意義介電常數(shù)在工程應(yīng)用中的意義（1） 越大，電介質(zhì)極化作用越強(qiáng)，其絕緣性能越差。故要合理選用。 例如電容器：要求 大些，這樣電容器單位 容量的體積和質(zhì)量就會(huì)減小。 電力電纜：要求 小些，則工作時(shí)的充電 電流和極化損耗就會(huì)降低。（2）幾種串聯(lián)電介質(zhì)組合在一起使用時(shí)，有如下公式rrr2211ee介電常數(shù)在工程應(yīng)用中的意義介電常數(shù)在工程應(yīng)用中

8、的意義即串聯(lián)電介質(zhì)的場強(qiáng)分布與 成反比。 越小其介質(zhì)中的場強(qiáng)越大， 越大其介質(zhì)中的場強(qiáng)越小。故在串聯(lián)介質(zhì)中要合理考慮電場的分布，盡量使電場分布均勻。（3）通過測量 可以判斷電介質(zhì)是否受潮或所含氣體的多少。當(dāng)電介質(zhì)受潮及老化分解氣體時(shí)， 會(huì)明顯增大。2211eerrrrr氣體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)氣體的相對(duì)介電常數(shù)均隨溫度的升高而減小，隨壓力的增大而增大，但影響程度都很小。液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)1.中性液體介質(zhì) 相對(duì)介電常數(shù)一般在1.82.8之間。 相對(duì)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系與介質(zhì)分子密度與溫度的關(guān)系接近一致。 舉例：石油、苯、四氯化碳、硅油液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)2 2. .極性液體介質(zhì)極性液體介質(zhì)

9、(1)(1)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系介電常數(shù)與溫度的關(guān)系低溫時(shí)，分子間的黏附力強(qiáng)，轉(zhuǎn)向較難，轉(zhuǎn)向極化對(duì) 的貢獻(xiàn)較??；溫度升高，分子間的黏附力減弱，轉(zhuǎn)向極化對(duì) 的貢獻(xiàn)較大， 隨之增大；溫度進(jìn)一步升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，對(duì)極性分子定向排列的干擾也隨之增強(qiáng)，阻礙轉(zhuǎn)向極化的完成， 反而減小液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)(2)(2)介電常數(shù)與電場頻率的關(guān)系介電常數(shù)與電場頻率的關(guān)系電場頻率對(duì)極性液體介電常數(shù)的影響很大頻率相當(dāng)?shù)蜁r(shí)，偶極分子來得及跟隨電場交變轉(zhuǎn)向，介電常數(shù)較大，接近于直流電壓下的 ；頻率超過f0時(shí)，極性分子轉(zhuǎn)向跟不上電場的變化，介電常數(shù)開始減小；隨著頻率的增高，介電常數(shù)最終接近于僅有電子位移極化所引起的介

10、電常數(shù)值 。d固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)2.極性固體介質(zhì) 由于分子具有極性，相對(duì)介電常數(shù)都較大，一般為3-6。 極性固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)與溫度和頻率的關(guān)系類似極性液體所呈現(xiàn)的規(guī)律。 舉例：樹脂、纖維、橡膠、蟲膠、有機(jī)玻璃等固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)1.中性或弱極性固體介質(zhì) 只具有電子式極化和離子式極化，其介電常數(shù)較小。 介電常數(shù)與溫度之間的關(guān)系也與介質(zhì)密度與溫度的關(guān)系很接近。 舉例：石蠟、硫磺、聚乙烯 云母、石棉、無機(jī)玻璃等三、電介質(zhì)的電導(dǎo) 電介質(zhì)中的電流介質(zhì)加直流電壓后測得電流為 ia 夾層極化的吸收電流 ig 泄漏電流 ic 位移極化電流 吸收現(xiàn)象的意義：對(duì)判斷絕緣是否受潮很有用。 cgaiii

11、i三、電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)與金屬的電導(dǎo)的本質(zhì)區(qū)別電介質(zhì)電導(dǎo)是離子式，即電解式電導(dǎo)氣體介質(zhì)：電離出來的自由電子、正離子和負(fù)離子在電場作用下移動(dòng)而造成的；液體和固體：介質(zhì)的基本物質(zhì)（包括雜質(zhì)）分子發(fā)生化學(xué)分解或熱離解的帶電質(zhì)點(diǎn)沿電場方向移動(dòng)造成的。電介質(zhì)的電導(dǎo)與金屬的電導(dǎo)的本質(zhì)區(qū)別電介質(zhì)的電導(dǎo)與金屬的電導(dǎo)的本質(zhì)區(qū)別 （2）數(shù)量級(jí)不同：電介質(zhì)的電導(dǎo)率小，泄漏電流??；金屬電導(dǎo)的電流很大。 （3）電導(dǎo)電流的受影響因素不同：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)、溫度不是主要因素。 三、電介質(zhì)的電導(dǎo)氣體介質(zhì)的電導(dǎo)液體介質(zhì)的電導(dǎo)固體介質(zhì)的電導(dǎo)氣體介質(zhì)的電導(dǎo)l無電場

12、時(shí)，離子的產(chǎn)生與復(fù)合達(dá)到平衡；l存在電場時(shí)，離子在電場力作用下，克服與氣體介質(zhì)分子碰撞的阻力而移動(dòng)，得到速度vl離子的遷移率b=v/e e電場強(qiáng)度氣體介質(zhì)的電導(dǎo) 電場強(qiáng)度很小時(shí)，b接近于常數(shù)，即電流密度與電場強(qiáng)度幾乎成正比 電場強(qiáng)度增大，外界因素造成的離子全部趨向于電極時(shí)，電流密度飽和，但其值仍很小 場強(qiáng)超過e2時(shí)，氣體介質(zhì)中將發(fā)生撞擊電離，從而使電流密度迅速增大液體介質(zhì)的電導(dǎo)n中性液體介質(zhì)的電導(dǎo)主要由離解性的雜質(zhì)和懸浮于液體介質(zhì)中的荷電粒子所引起的n極性液體介質(zhì)的電導(dǎo)不僅由雜質(zhì)引起，而且與本身分子的離解度有關(guān)。極性液體介質(zhì)的介電常數(shù)越大，則其電導(dǎo)也越大。液體介質(zhì)的電導(dǎo)1.1.溫度溫度u溫度升

13、高，液體介質(zhì)的黏度降低，離子移動(dòng)所受阻力減小，離子遷移率增大，電導(dǎo)增大u溫度升高，液體介質(zhì)分子的離解度增大，電導(dǎo)增大)/exp(tba液體介質(zhì)的電導(dǎo)當(dāng)溫度變化不大時(shí)，液體介質(zhì)的電導(dǎo)與溫度的關(guān)系也可以寫成00exp式中 常數(shù) 液體介質(zhì)的溫度， 時(shí)的電導(dǎo)率00液體介質(zhì)的電導(dǎo)2.2.電場強(qiáng)度 在極純凈的液體介質(zhì)中，電導(dǎo)與電場強(qiáng)度的關(guān)系與氣體介質(zhì)相近 一般工業(yè)用純凈液體介質(zhì)l飽和電流這一段通常是觀察不到的l電場強(qiáng)度小于某定值時(shí)，電導(dǎo)接近一常數(shù)；l電場強(qiáng)度超過某定值時(shí)，電場將使離解出來的離子數(shù)量迅速增加，電導(dǎo)也就迅速增加，電流密度隨場強(qiáng)呈指數(shù)規(guī)律增長固體介質(zhì)的電導(dǎo)l中性分子的固體介質(zhì)的電導(dǎo)主要是由雜質(zhì)離

14、子引起的l離子式結(jié)構(gòu)的固體介質(zhì)的電導(dǎo)主要是由離子在熱運(yùn)動(dòng)影響下脫離晶格而移動(dòng)產(chǎn)生的，雜質(zhì)在離子式結(jié)構(gòu)的固體介質(zhì)中也是造成電導(dǎo)的原因之一固體介質(zhì)的電導(dǎo)1.溫度 與液體介質(zhì)相似2.電場強(qiáng)度 與液體介質(zhì)相似，可以近似地以下式表示00expeeb00e固體介質(zhì)的電導(dǎo)3.3.雜質(zhì)表面電導(dǎo)：由于介質(zhì)表面吸附一些水分、塵?；?qū)щ娦缘幕瘜W(xué)沉淀物而形成的，其中水分起著特別重要的作用。因此，親水性介質(zhì)的表面電導(dǎo)要比憎水性介質(zhì)的表面電導(dǎo)大得多。一般，中性介質(zhì)的表面電導(dǎo)最小，極性介質(zhì)次之，離子性介質(zhì)最大。電介質(zhì)電導(dǎo)在工程上的意義 1、電介質(zhì)電導(dǎo)的倒數(shù)即為介質(zhì)的絕緣電阻。通過測量絕緣電阻可以判斷絕緣是否受潮或有其它劣化

15、現(xiàn)象。 2、多層介質(zhì)串聯(lián)時(shí)在直流電壓下各層的穩(wěn)態(tài)電壓分布與各層的電導(dǎo)成反比，故對(duì)直流設(shè)備應(yīng)注意電導(dǎo)率的合理配合。 3、電介質(zhì)的電導(dǎo)對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行有重要影響。電導(dǎo)產(chǎn)生的能量損耗使設(shè)備發(fā)熱，為限制設(shè)備的溫度升高，有時(shí)必須降低設(shè)備的工作電流。在一定的條件下，電導(dǎo)損耗還可能導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)生熱擊穿。四、 電介質(zhì)中的能量損耗介質(zhì)損耗的基本概念氣體介質(zhì)中的損耗液體和固體介質(zhì)中的損耗介質(zhì)損耗的基本概念介質(zhì)損耗的基本概念u電場的交變速度遠(yuǎn)低于極化建立速度時(shí)，介電常數(shù)可視為一實(shí)數(shù)，接近于靜態(tài)介電常數(shù)。u電場的交變速度與極化建立速度相近時(shí)，極化就跟不上電場的變化，電通量密度 就滯后于電場強(qiáng)度 一個(gè)相位角 。de介質(zhì)損

16、耗的基本概念介電常數(shù)將是一個(gè)復(fù)數(shù)ed/* jj )exp(*介質(zhì)中的電流密度（不計(jì)漏導(dǎo)）jjejtej /*0實(shí)際上，還存在漏導(dǎo)，在電場作用下，形成與交變電場同相位的漏導(dǎo)電流密度 ，它是純有功損耗電流密度。lkjrjpjprjpcjlkjgjcjje圖1-4-1 電介質(zhì)中的電流密度和場強(qiáng)相量介質(zhì)損耗的基本概念pj真空和無損極化引起的電流密度，純?nèi)菪詆j漏感引起的電流密度，純阻性lkj通常用 來表征介質(zhì)中損耗的大小crjjtg/直流電壓下的介質(zhì)損耗直流電壓下的介質(zhì)損耗ic：無損極化造成的電流（電子式極化+離子式極化）衰減時(shí)間短。ia：有損極化所造成的電流（偶極式極化+夾層式極化）衰減時(shí)間較長。i

17、g：電導(dǎo)電流。（恒定電流即泄露電流）iiiaicig吸收現(xiàn)象與吸收比吸收現(xiàn)象與吸收比 由前面等值電路的分析可知，電介質(zhì)在直流電壓作用下泄露電流是逐漸衰減致穩(wěn)定值的。這一現(xiàn)象在絕緣中稱為吸收現(xiàn)象。 依據(jù)吸收現(xiàn)象表現(xiàn)的情況也可以來判斷絕緣的好壞。當(dāng)絕緣干燥良好時(shí)，良好絕緣的吸收現(xiàn)象明顯，故通常用加壓后60s和15s的電阻比值作為判斷依據(jù)，稱為吸收比k。5106 rrk交流電壓下的介質(zhì)損耗交流電壓下的介質(zhì)損耗r rlklk泄漏電阻i ilklk漏導(dǎo)電流c cp p有損極化形成的電容r rp p有損極化形成的等效電阻c cg g介質(zhì)真空介質(zhì)真空和無損極化和無損極化形成的電容形成的電容2)(1pppge

18、qrcccc2221)(11ppppkeqrcrcrg介質(zhì)損耗的基本概念介質(zhì)損耗的基本概念單位體積介質(zhì)中的損耗功率可用下式表示tgetgetgejejprcr022對(duì)于含有均勻介質(zhì)的平板電容器，總損耗功率為式中，v為介質(zhì)體積；u為所加電壓ctguvtgepvp22氣體介質(zhì)中的損耗u氣體介質(zhì)的極化率很小。u當(dāng)場強(qiáng)小于氣體分子電力所需值時(shí)，氣體介質(zhì)的電導(dǎo)很小，損耗也很小，可以忽略不計(jì)。u當(dāng)場強(qiáng)超過氣體分子電力所需值時(shí)，氣體介質(zhì)將產(chǎn)生電離，介質(zhì)損耗增大，且隨著電壓升高，損耗增長很快。液體和固體介質(zhì)中的損耗中性液體和固體介質(zhì)中的損耗主要由漏導(dǎo)決定，介質(zhì)損耗與溫度、場強(qiáng)等因素的關(guān)系也就決定于電導(dǎo)與這些因

19、素之間的關(guān)系。液體和固體介質(zhì)中的損耗溫度較低時(shí)，松香油的黏度大，偶極子的轉(zhuǎn)向較難，故tgtg較小極性液體和固體介質(zhì)中的損耗主要包括電導(dǎo)式損耗和電偶式損耗兩部分溫度升高，松香油的黏度減小，偶極子轉(zhuǎn)向較易，故tgtg增大溫度再高時(shí)，偶極子回轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦損耗減小很多，所以tgtg反而減小溫度更高時(shí)，雖然黏度小，摩擦損耗減小，但電導(dǎo)迅速增大，電導(dǎo)損耗增大，所以tgtg也迅速增大液體和固體介質(zhì)中的損耗頻率增高，偶極子回轉(zhuǎn)頻率和偶極損耗增高；與此同時(shí)，偶極式極化不充分，介電常數(shù)減小，電容電流不能與頻率成比例增加， tgtg在某頻率范圍內(nèi)隨著頻率增高而增大tgtg液體和固體介質(zhì)中的損耗極性固體介質(zhì)的tg與溫度

20、的關(guān)系如圖所示，其規(guī)律性類似與極性液體介質(zhì)液體和固體介質(zhì)中的損耗610電介質(zhì)損耗在工程上的意義電介質(zhì)損耗在工程上的意義（1）選用絕緣介質(zhì)，必須注意材料的tg。介 質(zhì)的損耗越大，交流下的發(fā)熱越嚴(yán)重，這不僅使介質(zhì)的容易劣化，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致介質(zhì)的熱擊穿。（2）絕緣受潮時(shí)其tg會(huì)增大，絕緣中存在氣隙或大量氣泡時(shí)在高電壓下tg也會(huì)顯著增大。因此通過測量tg或tgu曲線可發(fā)現(xiàn)絕緣是否存在受潮、開裂等缺陷。（3）使用電氣設(shè)備時(shí)必須注意它們對(duì)頻率、溫度和電壓的要求，超出規(guī)定的范圍時(shí)，不僅對(duì)電氣設(shè)備本身絕緣不利，還可能給其它工作造成不良影響。小 結(jié) 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化極化類型極化類型極化機(jī)理極化機(jī)理極化速度極

21、化速度有無能量損耗有無能量損耗電子位移極化電子位移極化帶電質(zhì)點(diǎn)的彈性位移帶電質(zhì)點(diǎn)的彈性位移10-1410-15s與可見光周期相近與可見光周期相近無無離子位移極化離子位移極化10-1210-13s低于紅外光頻率低于紅外光頻率極微量極微量轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化帶電質(zhì)點(diǎn)的彈性轉(zhuǎn)向帶電質(zhì)點(diǎn)的彈性轉(zhuǎn)向10-610-2s有有空間電荷極化空間電荷極化帶電質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)帶電質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)緩慢緩慢有有小 結(jié)電介質(zhì)的介電常數(shù)電介質(zhì)的介電常數(shù)介電常數(shù)的物理意義結(jié)點(diǎn)常數(shù)與溫度和頻率的關(guān)系電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)氣體、液體和固體電介質(zhì)的電導(dǎo)與溫度、場強(qiáng)的關(guān)系電介質(zhì)中的能量損耗電介質(zhì)中的能量損耗電介質(zhì)的等效電路介質(zhì)中的損耗與溫度和頻率

22、的關(guān)系第二章 氣體放電的基本理論研究氣體放電的目的 了解氣體在高電壓（強(qiáng)電場）作用下逐步由電介質(zhì)變成導(dǎo)體的物理過程 掌握氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度及其提高方法電氣設(shè)備中常用氣體介質(zhì)空氣、壓縮的高電氣強(qiáng)度氣體（如sf6）氣體放電的主要形式氣體放電的主要形式1、輝光放電 （1）放電條件：當(dāng)電場均勻，氣壓較低，電源功率較小，外施電壓增加到一定值后。 （2）現(xiàn)象：通過氣體的電流明顯增加，氣體間隙兩極間整個(gè)空間忽然出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象，這種放電形式稱為輝光放電。輝光放電的電流密度較小，放電區(qū)域通常占據(jù)整個(gè)電極間的空間。 （3）例子：霓虹管中的放電就是輝光放電氣體放電的主要形式氣體放電的主要形式2、火花放電特點(diǎn)（1）條件

23、：電場均勻，大氣條件下，電源功率較小時(shí)，電壓升高到一定值時(shí)。（2）現(xiàn)象：氣體突然發(fā)生明亮的火花，火花向?qū)γ婊鸹ㄏ驅(qū)γ骐姌O伸展出細(xì)光束。電極伸展出細(xì)光束。這種火花會(huì)瞬時(shí)熄滅，接著又突然發(fā)生。 氣體放電的主要形式氣體放電的主要形式3、電暈放電（1）條件：當(dāng)電極的曲率半徑很小電極的曲率半徑很小時(shí)，電場很不均勻，大氣條件下，當(dāng)外施電壓的升高到一定數(shù)值時(shí)。（2）現(xiàn)象：在電極尖端附近會(huì)出現(xiàn)暗藍(lán)色的放電微光電極尖端附近會(huì)出現(xiàn)暗藍(lán)色的放電微光，并發(fā)出聲音。如不繼續(xù)提高電壓，放電就局限在較小的范圍內(nèi)，成為局部放電局部放電。發(fā)生電暈放電時(shí)，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小，間隙仍能耐受電壓的作用。（

24、3）各種高壓裝置的電極尖端。常常發(fā)生這種電暈放電。氣體放電的主要形式氣體放電的主要形式4、電弧放電（1）條件：當(dāng)氣體間隙兩極的電源功率足夠大時(shí)（2）現(xiàn)象：氣體發(fā)生火花放電之后，便立即發(fā)展至火花放電之后，便立即發(fā)展至對(duì)面電極，出現(xiàn)非常明亮的連續(xù)弧光對(duì)面電極，出現(xiàn)非常明亮的連續(xù)弧光。形成電弧放電。發(fā)生電弧放電時(shí)，電弧的溫度極高。2.1 帶電粒子的產(chǎn)生和消失帶電粒子的產(chǎn)生負(fù)離子的形成帶電粒子的消失原子的結(jié)構(gòu) 原子是由帶正電的原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的電子組成。電子在原子核外是分層排布的，各層具有不同的軌道半徑。電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑不同，其能量也不同。原子的能量 （1）動(dòng)能：原子的動(dòng)能取決于原子的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度

25、。 （2）位能：原子的位能則取決于其中電子的能量。當(dāng)電子從其正常軌道上躍遷到能量更高的軌道上時(shí)，原子的位能也相應(yīng)增加。 （3）能級(jí)：根據(jù)原子中電子的能量狀態(tài)，原子具有一系列可取的確定的位能，稱為原子的能級(jí)。原子的正常狀態(tài)相當(dāng)于最低的能級(jí)。一、帶電粒子的產(chǎn)生 產(chǎn)生帶電粒子的物理過程稱為電離，是氣體放電的首要前提。激勵(lì) 當(dāng)原子獲得外部能量，一個(gè)或若干個(gè)電子有可能轉(zhuǎn)移到離核較遠(yuǎn)的軌道上去，該現(xiàn)象稱為激勵(lì)。電離能 使基態(tài)原子或分子中結(jié)合最松弛的那個(gè)電子電離出來所需要的最小能量稱為電離能。碰撞電離電子獲得加速后和氣體分子碰撞時(shí)，把動(dòng)能傳給后者引起碰撞電離。電子在場強(qiáng)為e的電場中移過x距離時(shí)獲得的動(dòng)能為：

26、式中 m電子的質(zhì)量； e電子的電荷量。eexmvw221 如果w大于或等于氣體分子的電離能wi，該電子就有足夠的能量完成碰撞電離。 由此可得碰撞電離時(shí)應(yīng)滿足以下條件：iweex x表示為使碰撞導(dǎo)致電離，帶電粒子在碰撞前必須行徑的距離（行程）。增大e可以減小x。euxi自由行程自由行程 概念:任一帶電質(zhì)點(diǎn)每兩次碰撞之間自由地走過的距離稱為自由行程。 影響因素：和氣體的密度成反比。 電子和離子的自由行程比較：電子的平均自由行程比離子的大得多。正因?yàn)殡娮拥钠骄杂尚谐檀?，在電場作用下加速運(yùn)動(dòng)時(shí)能積聚到足夠的動(dòng)能。 碰撞游離主要由電子和氣體分子碰撞所引起，離子和氣體分子碰撞使其游離的概率很小。光電離頻

27、率為v的光子的能量為hvw 產(chǎn)生光電離的條件應(yīng)為式中 h普朗克常數(shù)，h=6.6310-34js=4.1310-15evs式中 光的波長，m； c光速，3108m/s； wi氣體的電離能，ev。iiwhcwhv或熱電離 常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的概率極小。 高溫下，熱輻射光子的能量達(dá)到一定數(shù)值即可造成氣體的熱電離?？諝獾碾婋x度m與溫度的關(guān)系t10000k時(shí)，才考慮熱電離；t20000k時(shí)，幾乎所有分子都處于熱電離狀態(tài)。熱電離 概念：由氣體的熱狀態(tài)引起的碰撞游離過程稱為熱游離。 實(shí)質(zhì)：熱游離是熱狀態(tài)下碰撞游離和光游離的綜合。表面電離逸出功：從金屬電極表面發(fā)射電子需要的能量。 當(dāng)逸出功電離能時(shí)，陰

28、極表面可在下列情況下發(fā)生：正離子撞擊陰極表面光電子發(fā)射（短波光照射）熱電子發(fā)射強(qiáng)電場發(fā)射二、負(fù)離子的形成附著：當(dāng)電子與氣體分子碰撞時(shí)，不但有可能引起碰撞電離而產(chǎn)生出正離子和新電子，而且也可能會(huì)發(fā)生電子與中性分子相結(jié)合形成負(fù)離子的情況。 負(fù)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)減小，因而對(duì)氣體放電的發(fā)展起抑制作用。三、帶電粒子的消失u帶電粒子在電場的驅(qū)動(dòng)下做定向運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)電極時(shí)，消失于電極上形成外電路中的電流；u帶電粒子因擴(kuò)散而逸出氣體放電空間；u帶電粒子的復(fù)合。復(fù)合：當(dāng)氣體中帶異號(hào)電荷的粒子相遇時(shí)，有可能發(fā)生電荷的傳遞與中和，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。 復(fù)合可能發(fā)生在電子和正離

29、子之間，稱為電子復(fù)合，其結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)中性分子； 復(fù)合也可能發(fā)生在正離子和負(fù)離子之間，稱為離子復(fù)合，其結(jié)果是產(chǎn)生兩個(gè)中性分子。小 結(jié)帶電粒子產(chǎn)生和消失的物理過程n光電離n熱電離n碰撞電離n電極表面電離n負(fù)離子的形成 電子的附著形成負(fù)離子n帶電粒子的消失2.2 湯遜氣體放電理論電子崩的形成過程碰撞電離和電子崩引起的電流碰撞電離系數(shù) 氣體放電的現(xiàn)象與發(fā)展規(guī)律與氣體種類、氣壓大小、氣隙的電場形式、電源容量等一系列因素有關(guān)。 但無論何種氣體放電都一定有一個(gè)電子碰撞導(dǎo)致電子崩的階段，它在所加電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)出現(xiàn)。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

30、度的帶電離子圖中為實(shí)驗(yàn)所得平板電極（均勻電場）氣體中的電流i與所加電壓的關(guān)系，即伏安特性在曲線0a段，i隨u的提高而增大，這是由于電極空間的帶電粒子向電極運(yùn)動(dòng)加速而導(dǎo)致復(fù)合數(shù)的減少所致。當(dāng)電壓接近ua時(shí)，電流趨向于飽和值i0，因?yàn)檫@時(shí)外界電離因子所產(chǎn)生的帶電粒子幾乎能全部抵達(dá)電極，所以電流值僅取決于電離因子的強(qiáng)弱而與所加電壓無關(guān)。當(dāng)電壓提高到ub時(shí)，電流又開始隨電壓的升高而增大，這是由于氣隙中出現(xiàn)碰撞電離和電子崩。一、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，如果空間電場強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(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)向陽極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新

31、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。電子崩形成的電流 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) 。l：表示一個(gè)電子沿電場方向運(yùn)動(dòng)1cm的行程所完成的碰撞電離次數(shù)平均值。l：一個(gè)正離子沿著電場方向行進(jìn)單位長度后平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。l：折合到每個(gè)碰撞陰極表面的正離子，使陰極金屬表面平均釋放出的自由電子數(shù)。 如圖為平板電極氣隙，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。 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d

32、n個(gè)新電子。根據(jù)碰撞電離系數(shù)的定義，可得積分后得ndxdnxdxen0 在均勻電場中，氣隙中各點(diǎn)的電場強(qiáng)度相同，為常數(shù)xen抵達(dá)陽極的電子數(shù)應(yīng)為：xen新增加的電子數(shù)為1xen 將上式的等號(hào)兩側(cè)乘以電子的電荷qe，即得電流關(guān)系式xeii0 雖然電子崩電流按指數(shù)規(guī)律隨極間距離x而增大，但這時(shí)放電還不能自持，因?yàn)橐坏┦ネ忾g電離因子，電離電流即變?yōu)榱?。二、碰撞電離系數(shù)電子在單位距離內(nèi)產(chǎn)生碰撞的次數(shù)，等于電子平均自由行程的倒數(shù)1/。每次碰撞產(chǎn)生電離的概率，電子能量必須大于氣體分子的電離能wiiewexqeuxxii電子實(shí)際自由形成長度等于或大于xi的概率為所以ixeeuxiiee11三、自持放電當(dāng)氣

33、隙電壓大于uc時(shí)，電流i隨電壓u的增大不在遵循ii0ex的規(guī)律，而是更快一些，這時(shí)又出現(xiàn)了促進(jìn)放電的新因素，這就是受正離子的影響。自持放電的形成 在電場作用下，正離子向陰極運(yùn)定，由于它的平均自由行程較短，不易積累動(dòng)能，所以很難使氣體分子發(fā)生碰撞電離。 但當(dāng)正離子撞擊陰極表面時(shí)卻又可能引起表面電離而拉出電子，部分電子和正離子復(fù)合，其余部分則向著陽極運(yùn)動(dòng)和形成新的電子崩。 如果電壓足夠大，初始電子崩中的正離子在陰極上產(chǎn)生出來的新電子等于或大于n0，即使出去外界電離因子的作用，放電也不會(huì)停止。這就變成了自持放電。自持放電的條件 ：一個(gè)正離子撞擊到陰極表面時(shí)產(chǎn)生出來的二次電子數(shù)：電子碰撞電離系數(shù)d：兩

34、極板距離11 ade自持放電的條件 利用高速示波器可以測出放電發(fā)展過程中的電流變化。電流的周期性變化說明間隙中電離、陰極發(fā)射電子等一次次的循環(huán)。不滿足自持條件時(shí)的放電，電流逐步減為零，此時(shí)間隙中氣體未擊穿，仍保持絕緣狀態(tài)。四、擊穿電壓與氣壓的關(guān)系apqeweuxiiiapeee111式中：a為常數(shù)，p為氣壓因此ebpqeapwapqewaeaeaepii1式中qawbipefp由碰撞系數(shù)定義可知由11lnad可得11 ade場強(qiáng)與電壓的關(guān)系為due0自持放電條件下空氣間隙擊穿電壓為11lnln0apdbpdu巴申定律 巴申就從試驗(yàn)中得出：當(dāng)氣體和電極材料一定時(shí)，氣隙的擊穿電壓是氣體的相對(duì)密度相

35、對(duì)密度和氣隙距離d乘積的函數(shù)，即dfu0巴申定理可以由湯遜理論來解釋，但是使用起來卻有很大的局限性，只能解釋d0.26cm的空氣間隙。巴申定律自持放電需要達(dá)到一定的電離數(shù)ad，而這又決定于碰撞次數(shù)與電離概率的乘積。pdfu 0d一定，p較小，則氣體密度小，碰撞機(jī)率較小，所以擊穿電壓較高。d一定，p增大時(shí)，氣體相對(duì)密度較大，碰撞機(jī)率增大，電子自由行程縮短，不易積累動(dòng)能，擊穿電壓升高。湯遜放電理論的適用范圍湯遜放電理論的核心（1）碰撞電離（2）自持放電是氣體間隙擊穿的必要條件湯遜理論的適用范圍：1.均勻電場2.低氣壓3.短間隙湯遜理論的局限性湯遜理論的局限性 （1）實(shí)際測得的大氣擊穿過程所需的時(shí)間

36、比按湯遜理論計(jì)算的時(shí)間小得多(要小10100倍)。 （2）按湯遜理論，氣體間隙的放電與陰極材料有很大關(guān)系。而實(shí)測的情況表明，大氣壓力下的氣體放電幾乎與陰極材料無關(guān)。 （3）按湯遜理論，氣體間隙的放電是均勻連續(xù)發(fā)展的，但在大氣中的氣體擊穿時(shí)，會(huì)出現(xiàn)有分枝的明亮通道（發(fā)光）。湯遜放電理論的適用范圍高氣壓、長間隙的放電現(xiàn)象無法用湯遜理論加以解釋（1）放電外形（2）放電時(shí)間（3）擊穿電壓（4）陰極材料的影響主要原因：u沒有考慮電離出來的的空間電荷會(huì)使電場畸變u沒有考慮光子在放電過程中的作用2.3 流注放電理論1.1.空間電荷對(duì)電場的畸變空間電荷對(duì)電場的畸變電子崩中出現(xiàn)大量空間電荷，崩電子崩中出現(xiàn)大量空

37、間電荷，崩頭最前面集中著電子，其后直到頭最前面集中著電子，其后直到尾部是正離子尾部是正離子。電子崩的電離過程集中于頭部，空間電荷的分布極不均勻電子崩頭部電離過程強(qiáng)烈，加上電場畸變，崩頭放射出大量光子。崩頭前后，電場增強(qiáng)，有利于激勵(lì)，反激勵(lì)過程又會(huì)釋放出光子。電子崩內(nèi)部電場大大削弱，有助于復(fù)合，同樣是釋放出光子。2.2.流注的形成流注的形成發(fā)展速度11082108cm/s放電的三個(gè)階段：電子崩流注主放電負(fù)流注的形成負(fù)流注的形成 當(dāng)外加電壓比擊穿電壓還高當(dāng)外加電壓比擊穿電壓還高時(shí)，電子崩不需經(jīng)過整個(gè)間隙，時(shí)，電子崩不需經(jīng)過整個(gè)間隙，其頭部電離程度已足以形成流其頭部電離程度已足以形成流注。注。 發(fā)展

38、速度發(fā)展速度 11082108cm/s流注放電理論 關(guān)于氣體電擊穿機(jī)理的一種理論。由r.瑞特與j.m.米克于1937年提出。湯森理論奠定了氣體放電的理論基礎(chǔ)，但是隨著氣體放電研究的發(fā)展，有些現(xiàn)象只由湯森理論難以解釋，例如放電發(fā)展的速度比碰撞電離快，放電通道是不均勻的而呈折線形狀，因此需要尋求其他理論。流注理論就是在總結(jié)這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上形成的。 流注放電理論 應(yīng)用流注理論描述放電過程。在外施電場作用下，電子崩由陰極向陽極發(fā)展，由于氣體原子（或分子）的激勵(lì)、電離、復(fù)合等過程產(chǎn)生光電離，在電子崩附近由光電子引起新的子電子崩,電子崩接近陽極時(shí)，電離最強(qiáng),光輻射也強(qiáng)。光電子產(chǎn)生的子電子崩匯集到由陽極

39、生長的放電通道，并幫助它的發(fā)展，形成由陽極向陰極前進(jìn)的流注（正流注），流注的速度比碰撞電離快。同時(shí)，光輻射是指向各個(gè)方向的，光電子產(chǎn)生的地點(diǎn)也是隨機(jī)的，這說明放電通道可能是曲折進(jìn)行的。 流注放電理論 正流注達(dá)到陰極時(shí),正負(fù)電極之間形成一導(dǎo)電的通道，可以通過大的電流，使間隙擊穿。如果所加電壓超過臨界擊穿電壓（過電壓），電子崩電離加強(qiáng)，雖然電子崩還沒有發(fā)展到陽極附近，但在間隙中部就可能產(chǎn)生許多光電子及子電子崩,它們匯集到主電子崩,加速放電的發(fā)展，增加放電通道的電導(dǎo)率，形成由陰極發(fā)展的流注（負(fù)流注）。 流注放電理論 瑞特和米克認(rèn)為，當(dāng)電子崩頭部的電場比外加電壓在間隙中形成的均勻電場更強(qiáng)時(shí)，電子崩附近

40、電場嚴(yán)重畸變，電離劇烈，放電可以自行發(fā)展成流注，從而導(dǎo)致間隙擊穿。根據(jù)這一基本思想，他們進(jìn)行了理論推演。雖然他們計(jì)算電子崩頭部電場的方法不盡相同，推導(dǎo)出不同的計(jì)算擊穿電壓的方程，但是計(jì)算得到的擊穿電壓很相近，與試驗(yàn)比較相符。 20世紀(jì)60年代后期，納秒照相技術(shù)發(fā)展，使對(duì)放電通道的研究有了更深入的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)電子崩進(jìn)行到一定距離之后，放電通道分別向陽極和陰極發(fā)展，其速度比電子崩快。 形成流注的必要條件：電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷足以使原電場明顯畸變，大大加強(qiáng)電子崩頭和尾部的電場；另一方面，電子崩中電荷密度很大，復(fù)合過程頻繁，放射出光子在這部分強(qiáng)電場區(qū)很容易引發(fā)光電離。 流注理論認(rèn)為：二次電子的主要來源是光電離2.3 流注放電理論3.3.均勻電場中的自持放電條件 流注的形成直接取決于起始電子崩頭部的電荷數(shù)量，而電子崩頭部的電荷數(shù)量又主要取決于電子崩中全部電荷的數(shù)量eses常數(shù)常數(shù)（s）min20適用于不均勻電場2.4 電暈放電（）電暈現(xiàn)象： 極不均勻電場中，間隙中的最大場強(qiáng)與平均場強(qiáng)相差很大。距曲率大的電極