电介质的电气强度

1、第一篇第一篇 电介质的电气强度电介质的电气强度绝缘材料，分绝缘材料，分气体气体、液体液体和和固体固体三种状态。三种状态。液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘。常用的常用的：变压器油、电容器油、电缆油变压器油、电容器油、电缆油 常用的常用的：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶璃、硅橡胶 气体介质广泛用作电气设备的外绝缘；气体介质广泛用作电气设备的外绝缘；电介质在电场较弱时，主要表现出电介质在电场较弱时，主要表现出极化极化、电导电导和和介质损耗介质损耗现现象；当电场较强时，表现出象；当电场较强时，表现出放电放电、

2、击穿击穿和和闪络闪络现象。现象。带电粒子：带电粒子： 正离子、负离子、电子正离子、负离子、电子 一、带电质点的产生一、带电质点的产生原因：各种原因：各种游离（电离）游离（电离）作用：作用：促进放电发展促进放电发展 l 气体原子的气体原子的激发和游离激发和游离第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失l 带电粒子的运动带电粒子的运动当气体中存在电场时，粒子同时当气体中存在电场时，粒子同时进行进行热运动热运动和和沿电场定向沿电场定向运动。运动。游离（电离）游离（电离）：外界以某种方式给处于某一能级轨道上的：外界以某种方式给处于某

3、一能级轨道上的电子施加一定的能量，该电子就可能摆脱原子核的束缚成电子施加一定的能量，该电子就可能摆脱原子核的束缚成为自由电子。为自由电子。 激发：电子向高一能级轨道的跃迁。激发：电子向高一能级轨道的跃迁。 游离能游离能 ：产生游离需要的能量。：产生游离需要的能量。 自由行程：一个质点在每两次碰撞自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离。间自由地通过的距离。平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。1 1、碰撞游离、碰撞游离 电子或离子与气体分子碰撞，将电子或离子与气体分子碰撞，将电场能电场能传递给气体分子引起传递给气体分子引起游离的过程。游离的过程

4、。碰撞游离条件：当电子从电场获得的动能大于或等于气体分碰撞游离条件：当电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的游离能时，就可能使气体分子分裂为电子或正离子。子的游离能时，就可能使气体分子分裂为电子或正离子。气体中，电子和离子的自由行程是它们和气体分子发生碰撞的行程。由于电子尺寸和质量比分子小得多，不易发生碰撞，故电子的平均自由行程比离子的大得多，在电场作用下加速运动易积聚足够的动能。ieeWVm221Wi为气体分子的游离能为气体分子的游离能2 2、光游离、光游离 由光辐射引起气体分子游离的过程。由光辐射引起气体分子游离的过程。光游离产生的电子称为光游离产生的电子称为光电子光电子。来源：来源：x

5、射线、射线、射线等；射线等；异号带电粒子复合成中性粒子释放出光子；异号带电粒子复合成中性粒子释放出光子；条件：条件：iWhv 激励态分子回复到正常态释放出光子。激励态分子回复到正常态释放出光子。3 3、热游离、热游离 本质：气体分子热状态引起的碰撞游离和光游离的综合。本质：气体分子热状态引起的碰撞游离和光游离的综合。? 常温下，气体分子发生热游离的概率极小。常温下，气体分子发生热游离的概率极小。当当t10000K时，才需考虑热游离；时，才需考虑热游离； 当当t20000K时，几乎全部的分子都处于热游离状态。时，几乎全部的分子都处于热游离状态。? 以上三种游离发生在气体空间中，故也称为以上三种游

6、离发生在气体空间中，故也称为空间游离。空间游离。4、气体中金属表面游离、气体中金属表面游离含义：含义：形式：形式：金属阴极表面发射电子的过程。金属阴极表面发射电子的过程。正离子碰撞阴极表面；正离子碰撞阴极表面；光电子发射；光电子发射；(X射线、射线、射线、紫外线等）射线、紫外线等） 强场发射；强场发射； 热电子发射；热电子发射；二、带电质点的消失二、带电质点的消失作用：作用：既促进又阻碍放电的进行既促进又阻碍放电的进行 都以光子的形式放出多余的能量。都以光子的形式放出多余的能量。一定条件下会导致其他气体分子产生光游离，使气体放电一定条件下会导致其他气体分子产生光游离，使气体放电阶跃式发展。阶跃

7、式发展。电子复合和离子复合：电子复合和离子复合：作用：阻碍放电发生作用：阻碍放电发生1 1、复合、复合2 2、扩散、扩散正离子和负离子或电子相遇时，发生电荷的正离子和负离子或电子相遇时，发生电荷的传递而相互中和而还原为分子的过程。传递而相互中和而还原为分子的过程。带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域的现象。区域的现象。 3 3、进入电极、进入电极 作用：阻碍放电发展作用：阻碍放电发展 在外电场作用下，气隙中的正、负电荷在外电场作用下，气隙中的正、负电荷分别向两电极定向移动的现象。分别向两电极定向移动的现象。第二节第二节 均匀电场中气体击穿的过程均匀电场中

8、气体击穿的过程一、电子崩、非自持放电和自持放电一、电子崩、非自持放电和自持放电气体放电伏安特性气体放电伏安特性 左图表示实验所得平板电极左图表示实验所得平板电极( (均均匀电场匀电场) )气体中的电流气体中的电流I与所加与所加电压电压U的关系，即伏安特性。的关系，即伏安特性。 在曲线在曲线OA段，段，I随随U的提高而增的提高而增大，这是由于电极空间的带电大，这是由于电极空间的带电质点向电极质点向电极运动加速运动加速而导致复而导致复合数的合数的减少减少所致。所致。当电压接近当电压接近Ua时，电流时，电流I0趋向于趋向于饱和值饱和值，因为这时外界游离，因为这时外界游离因子所产生的带电质点几乎能全部

9、抵达电极，所以电流值因子所产生的带电质点几乎能全部抵达电极，所以电流值仅仅取决于游离因子的强弱而与所加电压无关。取决于游离因子的强弱而与所加电压无关。 ab段：电流仅取决于外游离因素与电压无关段：电流仅取决于外游离因素与电压无关 bs段：电压升高碰撞游离增强但仍靠外游离维持段：电压升高碰撞游离增强但仍靠外游离维持(非自持非自持) s点后：只靠外加电压就能维持点后：只靠外加电压就能维持(自持自持)（一）电子崩（一）电子崩 (a) 电子崩的形成电子崩的形成 (b) 带电离子在电子带电离子在电子崩中的分布崩中的分布外界游离因子在阴极附近产生一外界游离因子在阴极附近产生一个个初始电子初始电子，如果空间

10、电场强度，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞游离，产生一个就会引起碰撞游离，产生一个新新的电子的电子，初始电子和新电子继续，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞向阳极运动，又会引起新的碰撞游离，产生游离，产生更多电子更多电子。依此电子。依此电子将按照将按照几何级数几何级数不断增多，类似不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为空间电子流被称为电子崩电子崩。（二）自持放电与非自持放电（二）自持放电与非自持放电 电子崩发展到阳极，其崩头的电电子崩发展到阳极，其崩头的电子进入阳极中和，崩体内的正

11、离子进入阳极中和，崩体内的正离子在电场作用下向阴极运动。若子在电场作用下向阴极运动。若气隙上的电压较低，场强较小，气隙上的电压较低，场强较小，则正离子撞击阴极板时从阴极逸则正离子撞击阴极板时从阴极逸出的电子将全部和正离子复合，出的电子将全部和正离子复合，阴极表面游离不出自由电子。此阴极表面游离不出自由电子。此时若取消外界游离因素，气隙中时若取消外界游离因素，气隙中将没有产生新电子崩的电子，放将没有产生新电子崩的电子，放电会停止，称为电会停止，称为非自持放电非自持放电。若气隙上的电压达到其临界击穿电压，则由于若气隙上的电压达到其临界击穿电压，则由于正离子正离子的动能大，的动能大，撞击阴极表面撞击

12、阴极表面时就能使其逸出自由电子，此时即使取消外界游时就能使其逸出自由电子，此时即使取消外界游离因素，仅靠外施电压就能维持阴极表面不断游离出新电子，离因素，仅靠外施电压就能维持阴极表面不断游离出新电子，弥补初始电子崩的电子，产生新的电子崩，使放电继续进行下弥补初始电子崩的电子，产生新的电子崩，使放电继续进行下去。这种放电称为去。这种放电称为自持放电自持放电，U0称为称为起始放电电压起始放电电压。自持放电条件：自持放电条件： 物理意义：物理意义：一个从阴极出发的起始电子发展电子崩到阳极一个从阴极出发的起始电子发展电子崩到阳极后，崩中的后，崩中的 个正离子向阴极碰撞时个正离子向阴极碰撞时，只要至少能

13、从阴极撞击出一个自由电子来，只要至少能从阴极撞击出一个自由电子来，放电就可转入自持。放电就可转入自持。)1(de1ln1) 1(ded如自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分：如自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分：（一）电子崩发展到阳极后的新游离（一）电子崩发展到阳极后的新游离碰撞电离（游离）系数。碰撞电离（游离）系数。场强场强E越大，其值越大；气压（气密）很大或很小时，其值越大，其值越大；气压（气密）很大或很小时，其值比较小。比较小。正离子表面电离（游离）系数。正离子表面电离（游离）系数。与阴极材料、气体种类、阴极表面光洁度等有关。与阴极材料、气体种类、阴极表面光洁度等有关。正离子撞

14、击阴极板表面所产生的游离。正离子撞击阴极板表面所产生的游离。是维持自持放电的必要条件。是维持自持放电的必要条件。（三）巴申定律（三）巴申定律 当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压(Ub)是气压是气压(p)(或气密或气密 ）和气隙距离）和气隙距离(d)乘积的函数，即乘积的函数，即Ub= f (pd)。结论：结论：1.将电子崩和阴极上的将电子崩和阴极上的过程作为气体自持放电的决定过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。因素是汤逊理论的基础。 2.汤逊理论的实质是：电子碰撞游离是气体放电的主要原因，汤逊理论的实质是：电子碰撞游离是气体放电的主要原因，二

15、次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。逸出电子是维持气体放电的必要条件。 3.阴极逸出电子能否接替起始电子是自持放电的判据。阴极逸出电子能否接替起始电子是自持放电的判据。（二）汤逊放电理论（二）汤逊放电理论低气压、短间隙情况下的气体放电，是由气体分子本身的低气压、短间隙情况下的气体放电，是由气体分子本身的碰撞游离碰撞游离和和正离子撞击阴极板的表面游离正离子撞击阴极板的表面游离两个过程造成的。两个过程造成的。1 1、巴申曲线、巴申曲线 巴申曲线表明，改变巴申曲线表明，改变极间距离极间距离d d的同时

16、，也的同时，也相应改变气压相应改变气压p p而使而使pdpd的乘积不变，则极间的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿距离不等的气隙击穿电压却彼此相等。电压却彼此相等。 2 2、定性分析、定性分析 (1) d一定时：一定时： a、P较小时：较小时：P碰撞次数进一步碰撞次数进一步有效碰撞次数有效碰撞次数Ub ? 由此分析可知由此分析可知：当极间距离：当极间距离d不变时不变时提高气压提高气压或或降低气降低气压到真空压到真空，都可以，都可以提高气隙的击穿电压提高气隙的击穿电压。这一概念具有十分。这一概念具有十分重要的实用意义。重要的实用意义。 工程应用工程应用：压缩空气开关、真空开关等压缩空气开关、真空

17、开关等(2) P一定时一定时a、d较小时：进一步较小时：进一步d（与（与 差不多）差不多）碰撞次数少碰撞次数少无足够的碰撞次数无足够的碰撞次数Ubb、d较大时：较大时：dE不易游离不易游离Ub意义：减小或增大意义：减小或增大d，都能使击穿电压提高。，都能使击穿电压提高。 P平均自由行程平均自由行程 碰撞次数碰撞次数，不，不易积累足够游离能易积累足够游离能(只碰撞不游离只碰撞不游离)有效碰撞次数有效碰撞次数Ubb、P较大时：较大时：（四）（四）汤逊理论是在低气压汤逊理论是在低气压pd pd 较小条件下建立起来的，较小条件下建立起来的，pd pd 过过大，汤逊理论就不再适用；大，汤逊理论就不再适用

18、； pdpd过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释：过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释： v放电时间：很短放电时间：很短 v放电外形：具有分支的细通道放电外形：具有分支的细通道 v击穿电压：与理论计算不一致击穿电压：与理论计算不一致 v阴极材料：无关阴极材料：无关 汤逊理论适用于汤逊理论适用于pd26.66kPacmpd26.66kPacm的情况。的情况。以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的过过程和二次电子发射根本无关。程和二次电子发射根本

19、无关。 气体放电流注理论以实验为基础，考虑了高气压、长气气体放电流注理论以实验为基础，考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下方面：有以下方面： 空间电荷对原有电场的影响空间电荷对原有电场的影响 空间光游离的作用空间光游离的作用1 1、空间电荷对原有电场的影响、空间电荷对原有电场的影响电子崩头部聚集大部分正离子和电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变；全部电子，产生了电场畸变； 崩头前方和后方处电场增强，崩崩头前方和后方处电场增强，崩头内部正、负电荷交界处出现一头内部正、负电荷交界处出现一弱电场区，此

20、处电子和离子浓度弱电场区，此处电子和离子浓度最大，有利于完成复合；最大，有利于完成复合； 强烈的复合辐射出许多光子，成强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的为引发新的空间光游离空间光游离辐射源。辐射源。电场加强区域（崩头前方附近）电场加强区域（崩头前方附近）利于分子的激发，易放出光子。利于分子的激发，易放出光子。2 2、空间光游离的作用、空间光游离的作用考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射光子而引起光游离。光子而引起光游离。 如图所示：如果这时产生的光子如图所示：如果这时产生的光子位于崩头前方和崩尾附近的强场位于崩头前方和崩尾附近

21、的强场强区，则造成的二次电子崩将以强区，则造成的二次电子崩将以更大的游离强度向阳极发展或汇更大的游离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中。入崩尾的正离子群中。 这些游离强度和发展速度远大于这些游离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩不断汇初始电子崩的二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为入初崩通道的过程称为流注流注。 流注形成过程示意图流注形成过程示意图3 3、流注的形成和发展示意图、流注的形成和发展示意图a、起始电子发生碰撞游离形成、起始电子发生碰撞游离形成初始电子初始电子崩崩； b、初崩发展到阳极，正离子作为空间电、初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，放射出大量放射出大量光子光子； c、光游离产生二次电子，在加强的局部、光游离产