电介质的电气强度

1、电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为：,气体介质 液体介质 固体介质,电介质的电气强度,第一篇,在电气设备中:,外绝缘:,一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成。,内绝缘:,一般由固体介质和液体介质联合构成。,在电气作用下，电介质中出现的电气现象可分为两大类:,强电场电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强,放电、闪络、击穿等,第一章 气体的绝缘特性与介质的电气强度 第二章 液体的绝缘特性与介质的电气强度 第三章 固体的绝缘特性与介质的电气强度,本 篇 内 容,一、研究气体放电的目的,1、了解气体在高电压（强电场）作用下，由电介质演变成导体的物理过程。 2、掌握

2、气体介质的电气强度用户其提高方法 。,第一章气体电介质的击穿,电气设备中常用 的气体介质： 空气、压缩的高电气强度气体（如SF6） 空气在正常情况下导电率很小，为良绝缘体。但气体间隙上的电压过高时，气体会由绝缘状态转变为良导体，这中现象叫击穿 。,二、气体介质击穿,击穿电压：气体间隙击穿时的最低临界电压。 击穿场强：均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。 平均击穿场强：不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。 击穿场强是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。,气体放电：气体中流通电流的各种形式。 因气体压力、电源功率、电极开关等因素的影响，放电具有多种形式。 辉光放电：气压较低，电源功率很小时，放电充满整个

3、间隙。,三、气体放电的形式,火花放电：大气压力下，电源功率较小时，间隙间歇性击穿，放电通道细面明亮 电弧放电：大气压力下，电源功率比较大时，放电具有明亮、持续的细致通道。 电晕放电：极不均匀电场中，高电场强度电极附近出现发光薄层。,本节内容：,1.1.1 带电质点的产生 1.1.2 带电质点的消失 1.1.3 电子崩与汤逊理论 1.1.4 巴申定律与适用范围 1.1.5 不均匀电场中的气体放电,第一节 气隙中带电质点的产生和消失,原子的激发和游离 气体间隙中带电质点的产生 气体间隙中带电质点的消失,一、原子的激发和电离,产生带电质点的物理过程称为电离，是气体放电的首要前提 1、激发：当原子获得

4、外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象， 激发需要外界给原子一定的能量，称为激发能。 注意：但是激发是非常不稳定的，电子跃迁到较高能级后，很快就会回到原来的轨道上去，同时会把在激发时吸收的能释放出去，这种能是以光的形式辐射出去，我们叫光子。,2、电离：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几个电子摆脱原子核的束缚形成 电子和正离子，这一过程称为电离。,二、气体间隙中带电质点的产生,1、气体分子本身的电离（空间电离） （1）碰撞电离 气体中带电质点在电场中获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者引起电离。它和电场的大小和自由行程有关。 自由行程：一个带电质点在两次

5、碰撞之间自由通过的平均距离。和气体的密度有关。密度大，不容易发生电离，密度小，易发生电离,（2）光电离： 光辐射引起的电离,光的波长 c光速 Wi 光子的能量 h 普克常数,(3)热电离：由气体的热状态引起的电离。它的实质是由热状态下引起的碰撞电离和光辐射下引起的光电离。 气体分子的平均动能 T：气体的温度，以绝对温度计（K） K：波尔茨曼常数 K=1.3810-23J/K 只有当在一定温度下才能引起热电离。,2、气体中金属表面的电离 指阴极发射电子的过程，称电极表面的电离。 逸出功：表面电离所需能量，与金属材料有关。 阴极表面电离可在下面几种情况下发生：,正离子撞击阴极表面 短波光照射（光电

6、效应） 强场放射（需要的足够大的场强） 热电子放射（加热阴极表面时）,负离子的形成：由电子和中性分子结合而成。 附着：当电子与气体分子碰撞时，可能引起碰撞电离而产生出和新电子，也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。 负离子的形成未使气体 中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。,三、带电质点的消失,带电质点的消失可能 有以下几种情况： 1、与两电极的电量中和 带电质点受电场力的作用定向，运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；,2、扩散 因热运动，带电质点从高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于一致的现象 带电质点因扩散而逸

7、出气体放电空间 3、复合 异号电荷相遇，发生电荷的传递而还原为中性质点的过程。电子可能性不大，离子复合有可能。,课堂小结,一、气体放电的形式 1、辉光放电 2、电弧放电 3、火花放电 4、电晕放电 二、带电质点的产生 1、碰撞电离 2、光电离 3、热电离 4、表面电离 三、带电质点的消失 1、中和2、扩散 3、复合,1.1.3 电子崩与汤逊理论,气体放电现象与规律因气体的种类、气压和间隙中电场的均匀度而异。,但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到电子崩的阶段。,（1）非自持放电和自持放电的不同特点,宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负带电质点又在不断

8、复合，使气体空间存在一定浓度的带电质点。因此，在气隙的电极间施加电压时，可检测到微小的电流。,1、放电的电子崩阶段,由图1-3可见， （1）在I-U曲线的OA段： 气隙电流随外施电压的提高而增大，这是因为带电质点向电极运动的速度加快导致复合率减小。当电压接近 时，电流趋于饱和，因为此时由外电离因素产生的带电质点全部进入电极，所以电流值仅取决于外电离因素的强弱而与电压无关,图13 气体间隙中电流与外施电压的关系,（2）在I-U曲线的B、C点： 电压升高至 时，电流又开始增大，这是由于电子碰撞电离引起的，因为此时电子在电场作用下已积累起足以引起碰撞电离的动能。电压继续升高至 时，电流急剧上升，说明

9、放电过程又进入了一个新的阶段。此时气隙转入良好的导电状态，即气体发生了击穿。,图13 气体间隙中电流与外施电压的关系,（3）在I-U曲线的BC段： 虽然电流增长很快，但电流值仍很小，一般在微安级，且此时气体中的电流仍要靠外电离因素来维持，一旦去除外电离因素，气隙电流将消失。,图13 气体间隙中电流与外施电压的关系,因此，外施电压小于 时的放电是非自持放电。电压达到 后，电流剧增，且此时间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素了。外施电压达到 后的放电称为自持放电， 称为放电的起始电压。,（2）电子崩的形成,外界电离因素作用下在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该

10、电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。,图14 电子崩的示意图,视频链接,电子崩的演示,依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。,为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入： 电子碰撞电离系数 。,表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完成的碰撞电离次数平均值。,如图1-5为平板电极气隙，板内电场均匀，设外界电离因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数为n0。,图15 计算间隙中电子数增长的示意图,由于碰撞电离和电子崩的结果，在它们到达x处时，电子数已增加为n，

11、这n个电子在dx的距离中又会产生dn个新电子。,根据碰撞电离系数 的定义，可得：,分离变量并积分之，可得：,(1-7),(1-8),对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相同， 值不随x而变化，所以上式可写成：,(1-9),抵达阳极的电子数应为：,(1-10),将式(1-8)的等号两侧乘以电子的电荷 ，即得电流关系式：,途中新增加的电子数或正离子数应为：,(1-11),式(1-12)中，,(1-12),式(1-12) 表明：虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子(令 )，即 变为零。,2、汤逊理论,前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放电的

12、。要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。,（1） 过程与自持放电条件,由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电子。此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起阴极表面电离，统称为 过程。 为表面电离系数。,设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于 过程，电子总数增至 个。因在对 系数进行讨论时已假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（ 1）个正离子。由系数 的定义，此（ 1）个正离子在到达阴极表面时可撞出 （

13、 1）个新电子，这些电子在电极空间的碰撞电离同样又能产生更多的正离子，如此循环下去。,自持放电条件为,此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进入阳极后可以由 及 过程在阴极上又产生一个新的替身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。,(1-21),实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和气隙长度的乘积（ ）有关。 值较小时自持放电的条件可用汤逊理论来说明； 值较大时则要用流注理论来解释。,（2）汤逊放电理论的适用范围,汤逊理论是在低气压、 较小的条件下在放电实验的基础上建立的。 过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了。,很多实验现象无法全部在汤逊理论范围内给以解释：放电外形；

14、放电时间；击穿电压；阴极材料。,1、汤逊理论没有考虑电离出来的空间电荷对电场的畸变作用,2、汤逊理念没有考虑光子在放电过程中的 作用。（发展成空间光电离和阴极表面光电离）,较小时，这两个因素影响不显著。,主要原因：,越大，电离总数越多，空间电荷数越多，电荷数按指数规律增加;因电离总数增加，电子及正离子的浓度很大，所以必然伴随着强烈的激发和复合过程 ，放出的光子数量急剧地增加,大量的空间电荷造成局部强场区。而电离系数对电场很敏感，在强场区，由光子游离出 来的电子容易形成二次电子崩。,因此，通常认为， 0.26 cm(pd200 cm mmHg)时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结果不再适用，

15、但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有效的。,1.1.4 巴申定律与适用范围,早在汤逊理论出现之前，巴申(Paschen)就于1889年从大量的实验中总结出了击穿电压 与 的关系曲线，称为巴申定律，即,(1-23),1、巴申定律,图1-7给出了空气间隙的 与 的关系曲线。从图中可见，首先， 并不仅仅由 决定，而是 的函数；其次 不是 的单调函数，而是U型曲线，有极小值。,图1-7 实验求得的均匀场不同气体间隙 曲线,有一个极小值的原因是：为了使放电达到自持，电子从阴极到阳极的整个行程中必须有足够多次的碰撞电离。 当d一定时， 自由行程 碰撞次数 Ub 自由行程 碰撞电离可能小 Ub 所以一定存在一个

16、值对碰撞电离最有利的这时Ub最小。,一定时 d E 须增加外电压以维持放电所需的 电场强度 Ub d 当d值过小时，碰撞次数已减到很小值 Ub 所以一定有一个d值对造成碰撞电离最有利，此时 Ub最小。,由巴申曲线可知，当极间距离d不变时，提高气压 或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压 ，这一概念具有十分重要的实用意义。,流注放电理论,一、汤逊理论的不足 没有考虑到空间电荷对电场的畸变作用 没有考虑到光子在放电过程中的作用,空间电荷对电场的畸变作用：,电子崩的示意图 电子崩空间电场分布 电子崩空间电荷的浓度分布 合成电场分布,电子崩中空间电荷对电场的畸变作用：,电子崩的头部聚集大部分正离子

17、和全部电子，产生了电场畸变。,在电场很小的区域，电子和离子浓度最大，有利于复合。,强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离的辐射源。,当外加电压大于击穿电压时，光子数量 取决于电场畸变的程度，当空间电荷数量 达到一定数值时，放射出的光子数量和能 量足以引起空间光电离,流注的形成和发展,正流注的形成,如果外施电压为气隙的最低击穿电压，当初崩发展到阳极时，正负电荷复合和反激励发出光子。由于受空间电荷的畸变作用，崩头的电场较高，光子到达这里时，形成二次电子崩。二次电子崩头部的电子与初崩的正空间电荷汇合成为充满正负带电质点的混合通道。这个正电荷多于负电荷的混合通道称为流注通道，简称为流注。 由

18、正极向负极发展，所以称为正流注。,负流注的形成,负流注的形成,电压较低时，电子崩需经过整个间隙才形成流注，电压较高时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注 。 主电子崩头部的电离很强烈，光子射到主崩前方，在前方产生新的电子崩，主崩头部的电子和二次崩尾的正离子形成混合通道，形成向阳极推进的流注，称为负流注 间隙中的正、负流注可以同时向两极发展。,复习提示,1.汤逊理论只适用于pd值较小的范围，流注理论只适用于pd值较大的范围，二者过渡值为pd=26.66kPacm； (1)汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件 (

19、2)流注理论的基本观点：以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程；放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达108以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注；流注一旦形成，放电转入自持,复习提示,2. 引起气体放电的外部原因有两个，其一是电场作用，其二是外电离因素。因此，我们把去掉外界因素作用后，放电立即停止的放电形式称为非自持放电；把由电场作用就能维持的放电称为自持放电。 3. 汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较 (1)汤逊理论：自持放电由阴极过程来维持 流注理论：依赖于空间光电离 (2) 系数的

20、物理意义不同,1.1.5 不均匀电场中的气体放电,电气设备中很少有均匀电场的情况。但对不均匀电场还要区分两种不同的情况，即稍不均匀电场和极不均匀电场。一般是以棒棒电极做为对称的不均匀电声场，以棒板电极做为不对称的不均匀电场。,1. 稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分,为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数f，表示为：,:最大电场强度,:平均电场强度,f=1时为均匀电压 14属不均匀电场。,2. 极不均匀电场的电晕放电,（1）电晕放电,在极不均匀场中，当电压升高到一定程度后，在空气间隙完全击穿之前，小曲率电极(高场强电极)附近会有薄薄的发光层，这种放电现象称为电晕。,电晕

21、放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压 ，而此时电极表面的场强称为电晕起始场强 。,根据电晕层放电的特点，可分为两种形式：电子崩形式和流注形式。,当起晕电极的曲率很大时，电晕层很薄，且比较均匀，放电电流比较稳定，自持放电采取汤逊放电的形式，即出现电子崩式的电晕。随着电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现放电的脉冲现象，开始转入流注形式的电晕放电。,若电极曲率半径加大，则电晕一开始就很强烈，一出现就形成流注的形式。电压进一步升高，个别流注快速发展，出现刷状放电，放电脉冲更强烈，最后贯通间隙，导致间隙完全击穿。冲击电压下，电压上升极快，因此电晕

22、从一开始就具有流注的形式。爆发电晕时能听到声，看到光，嗅到臭氧味，并能测到电流。,（2）电晕放电的起始场强,电晕放电的起始场强一般由实验总结出的经验公式来计算，电晕的产生主要取决于电极表面的场强，所以研究电晕起始场强 和各种因素间的关系更直接。,对于输电线路的导线，在标准大气压下其电晕起始场强 的经验表达式为（此处指导线的表面场强，交流电压下用峰值表示）：,式中r导线半径，cm。,(1-28),kV/cm,式（1-28）说明导线半径 r 越小则 值越大。因为r越小，则电场就越不均匀，也就是间隙中场强随着其离导线的距离增加而下降得更快，而碰撞电离系数 随离导线距离的增加而减小得越快。所以输电线路

23、起始电晕条件为:,式中 起始电晕层的厚度， 时 。,可见电场越不均匀，要满足式(1-29)时导线表面场强应越高。 式(1-28)表明，当 r 时， =30kV/cm。,(1-29),而对于非标准大气条件，则进行气体密度修正以后的表达式为,式中 气体相对密度,(1-30),实际上导线表面并不光滑，所以对于绞线要考虑导线的表面粗糙系数 。此外对于雨雪等使导线表面偏离理想状态的因素（雨水的水滴使导线表面形成突起的导电物）可用系数 加以考虑。,kV/cm,理想光滑导线 1，绞线 0.80.9，好天气时 可按0.8估算。算得 后就不难根据电极布置求得电晕起始电压 。例如，对于离地高度为 h 的单根导线可

24、写出,对于距离为 d 的两根平行导线（ ）则可写出,(1-32),(1-33),此时式（1-30）则写为,(1-31),kV/cm,（3）电晕放电的危害、对策及其利用,电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素。,电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。,电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。,降低电晕的方法：,从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。,在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰

25、应限制到容许水平以下。,对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。,（4）极不均匀电场中放电的极性效应,在电晕放电时，空间电荷对放电的影响已得到关注。由于高场强电极极性的不同，空间电荷的极性也不同，对放电发展的影响也就不同，这就造成了不同极性的高场强电极的电晕起始电压的不同，以及间隙击穿电压的不同，称为极性效应。,棒板间隙这种典型的极不均匀场,图18 正棒负板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场畸变作用 外电场 空间电荷电场,当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩，如图1-8（a）所示。随着电压的逐渐上升

26、，到形成自持放电爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。,当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，如图1-8（b）所示。这样就减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。因此，棒极附近的电场被削弱，难以形成流注，这就使得放电难以得到自持。,当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩，如图1-9（a）所示。当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，面以越来越慢的速度向阳极运动。一部分电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。,图19 负棒正板间隙中非自持放电

27、阶段空间电荷对外电场的畸变作用 外电场 空间电荷电场,电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷，如图1-9（b）所示。,图19 负棒正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用 外电场 空间电荷电场,负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于满足、易于转入流注而形成电晕放电。,图110 两种极性下棒板间隙的电场分布图 （a）正棒负板 （b）负棒正板 -电场场强 棒极到板极的距离,图1-

28、10是两种极性下棒板间隙的电场分布图，其中曲线1为外电场分布，曲线2为经过空间电荷畸变以后的电场。,通过实验已证明，棒板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高。,而极性效应的另一个表现，就是间隙击穿电压的不同。随着电压升高，在紧贴棒极附近，形成流注，产生电晕；以后在不同极性下空间电荷对放电的进一步发展所起的影响就和对电晕起始的影响相异了。,负极性下的击穿电压应较正极性时为高。,（5）长间隙击穿过程,在间隙距离较长时，存在某种新的、不同性质的放电过程，称为先导放电。长间隙放电电压的饱和现象可由先导放电现象作出解释。,长间隙的放电大致可分为先导放电和主放电两个阶段，在先导放电阶段中包括电子崩和流注的形成及发展过程。不太长间隙的放电没有先导放电阶