高电压技术16(2016)

1、North China Electric Power University高电压技术张重远张重远 赵涛赵涛高压教研室高压教研室2016-2 电力工程系电力工程系North China Electric Power University绪绪 论论 各种高电压现象各种高电压现象 研究对象研究对象 中国电力系统电压等级划分中国电力系统电压等级划分 高电压技术在其它领域的应用高电压技术在其它领域的应用 课程相关信息课程相关信息North China Electric Power University雷电雷电极光极光电离圈电离圈绝缘子闪络绝缘子闪络 电晕电晕电弧电弧各种高电压现象各种高电压现象North

2、 China Electric Power University研究对象研究对象1.电气设备绝缘电气设备绝缘： 绝缘介质（固、液、气体）在电场作用下绝缘介质（固、液、气体）在电场作用下的电气物理性能和击穿的理论、规律。的电气物理性能和击穿的理论、规律。 高压试验高压试验判断、监视绝缘质量的主要判断、监视绝缘质量的主要试验方法与试验原理。试验方法与试验原理。2.电力系统过电压：电力系统过电压： 过电压及其防护过电压及其防护过电压的成因与限制过电压的成因与限制措施措施。North China Electric Power University 中国电力系统电压等级划分中国电力系统电压等级划分 高压

3、（高压（HV）：）：1kV220kV 10kV,20kV,35kV,110kV,220kV 超高压（超高压（EHV）：）：330kV,500kV,750kV 特高压（特高压（UHV）：）：1000kV及以上及以上交流系统交流系统直流系统直流系统 超高压（超高压（EHV）：）：500kV n 特高压（特高压（UHV）：）： 800kVNorth China Electric Power University高电压技术在其它领域的应用高电压技术在其它领域的应用医学：利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症；医学：利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症；农业：高压静电喷药，高电场诱发变异育种；农业：高压静电喷药，高电

4、场诱发变异育种；环保：高压脉冲放电处理污水，电除尘技术；环保：高压脉冲放电处理污水，电除尘技术；军事：大功率脉冲技术，电磁干扰、电子对抗；军事：大功率脉冲技术，电磁干扰、电子对抗；其它：静电喷涂，高压设备制造等。其它：静电喷涂，高压设备制造等。North China Electric Power University课程相关信息课程相关信息 参考书：参考书：u高电压绝缘技术高电压绝缘技术，中国电力，严璋，朱德恒，中国电力，严璋，朱德恒u电网过电压教程电网过电压教程，中国电力，陈维贤，中国电力，陈维贤u高电压试验技术高电压试验技术，清华，张仁豫，清华，张仁豫u高电压技术高电压技术，中国电力，赵智

5、大，中国电力，赵智大uHigh-Voltage Engineering，Pergamon Press, E. Kuffel (Canada), W.S. Zaengl, (Switzerland) 学习方法：学习方法： 理论联系实际理论联系实际 考试：考试： 作业作业 + 实验实验 + 闭卷笔试闭卷笔试 答疑安排：答疑安排：u时间：周四下午时间：周四下午4:00-5:00u地点：教三楼一楼地点：教三楼一楼118室室North China Electric Power University第一篇第一篇 高电压绝缘及实验高电压绝缘及实验第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗

6、第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章 气隙的电气强度气隙的电气强度第四章第四章 固体液体和组合绝缘的电气强度固体液体和组合绝缘的电气强度第五章第五章 电气设备绝缘试验（一）电气设备绝缘试验（一）第六章第六章 电气设备绝缘试验（二）电气设备绝缘试验（二）North China Electric Power University第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗电介质的电气特性分别用以下几个参数来表示：电介质的电气特性分别用以下几个参数来表示：一切电介质在电场的作用下都会出现一切电介质在电场的作用下都会出现极化极化、电导电导和和损耗损耗等电气物

7、理现象。等电气物理现象。u 介电常数介电常数r:反映电介质的极化能力反映电介质的极化能力u 电导率电导率(或电阻率或电阻率)：反映电介质的电导反映电介质的电导u 介质损耗角正切介质损耗角正切tg：反映电介质的损耗反映电介质的损耗u 击穿场强击穿场强E：反映电介质的抗电性能反映电介质的抗电性能North China Electric Power University绝缘：绝缘： 绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使其没有电绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使其没有电气的联系能保持不同的电位气的联系能保持不同的电位,又称为电介质又称为电介质.分类：分类：气体绝缘材料：空气，气体绝缘材料：空气，

8、SF6气体等气体等固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等液体绝缘材料：变压器油液体绝缘材料：变压器油混合绝缘：电缆，变压器等设备混合绝缘：电缆，变压器等设备第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗North China Electric Power University1.1 1.1 电介质的极化电介质的极化 定义：定义：电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹 性位移和偶极子的转向位移现象，称为性位移和偶极子的转向位移现象，称为电电 介质的极化。介质的极化。 效果：效果：削弱外电场，使电介质的等值

9、电容增大削弱外电场，使电介质的等值电容增大。 物理量：物理量：介电常数介电常数 类型：类型：电子位移极化；离子位移极化；电子位移极化；离子位移极化； 转向极化；空间电荷极化。转向极化；空间电荷极化。North China Electric Power University电子位移极化电子位移极化qRRi-qOOE图图1-1 1-1 电子位移极化电子位移极化极化机理：极化机理：电子偏离轨道电子偏离轨道介质类型：介质类型：所有介质所有介质建立极化时间：建立极化时间：极短，极短，10-14 10-15s极化程度影响因素：极化程度影响因素： 电场强度（有关）电场强度（有关） 电源频率（无关）电源频率（

10、无关） 温度（无关）温度（无关）极化弹性：极化弹性：弹性弹性消耗能量：消耗能量：无无 North China Electric Power University离子位移极化离子位移极化 在由离子结合成的电介质内，外电场的作用除促使各个离子内部在由离子结合成的电介质内，外电场的作用除促使各个离子内部产生电子位移极化外还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为产生电子位移极化外还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。图离子位移极化。图l-2表示氯化钠晶体的离子位移极化。表示氯化钠晶体的离子位移极化。图图l-2 氯化钠晶体的离子位移极化氯化钠晶体的离子位移极化 North China

11、 Electric Power University离子位移极化离子位移极化极化机理：极化机理：正负离子位移正负离子位移介质类型：介质类型：离子性介质离子性介质建立极化时间：建立极化时间：极短，极短，10-1210-13 s极化程度影响因素：极化程度影响因素： 电场强度（有关）电场强度（有关） 电源频率（无关）电源频率（无关） 温度（随温度升高而略有增加）温度（随温度升高而略有增加）极化弹性：极化弹性：弹性弹性消耗能量：消耗能量：极微小极微小 North China Electric Power University转向极化转向极化 极性电介质中，分子中正、负电荷的作用中心不重合。但由于分子不

12、规极性电介质中，分子中正、负电荷的作用中心不重合。但由于分子不规则的热运动，从宏观而言，对外并不呈现电矩。则的热运动，从宏观而言，对外并不呈现电矩。 当有外电场时，每个分子的固有偶极矩就有转向与外电场平行的趋势，当有外电场时，每个分子的固有偶极矩就有转向与外电场平行的趋势，其排列呈现一定的秩序。但是受分子热运动的干扰。其排列呈现一定的秩序。但是受分子热运动的干扰。UU电极电介质E图图l-3 偶极子的转向极化偶极子的转向极化 North China Electric Power University极化机理：极化机理：极性分子转向极性分子转向介质类型：介质类型：偶极性介质偶极性介质建立极化时间：

13、建立极化时间：需时较长，需时较长，10-6 10-2 s极化程度影响因素：极化程度影响因素： 电场强度（有关）电场强度（有关） 电源频率（有关）电源频率（有关） 温度（有关）温度（有关）极化弹性：极化弹性：非弹性非弹性消耗能量：消耗能量：有有转向极化转向极化North China Electric Power University极化机理：极化机理：电子或正负离子移动介质类型：介质类型：含离子和杂质离子的介质建立极化时间：建立极化时间：很长极化程度影响因素：极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关）极化弹性：极化弹性：非弹性消耗能量：消耗能量：有 空间电荷极化空

14、间电荷极化North China Electric Power University 最明显的空间电荷极化是最明显的空间电荷极化是夹层极化夹层极化。以最简单的平行板电极间的双层电介质为例，对夹层极化作以说明：以最简单的平行板电极间的双层电介质为例，对夹层极化作以说明：其电路图如下图所示其电路图如下图所示 (a)(a)示意图示意图 (b)(b)等值电路等值电路 空间电荷极化空间电荷极化G1G2 C1C2UNorth China Electric Power UniversityG1、C1、U1第一层介质的参数和电压；第一层介质的参数和电压；G2、C2、U2第二层介质的参数和电压。第二层介质的参数

15、和电压。 （1 1）在）在 t=0 t=0 瞬间突然合闸，瞬间突然合闸，（2 2） 时（到达稳态），电容相当于开路（时（到达稳态），电容相当于开路（“隔直隔直”） 12021CCUUtt1221GGUUt通常：通常： 1212GGCC电荷重新分配，在两层介质的交界面处有积累电荷，称为夹层极化夹层极化。 空间电荷极化空间电荷极化North China Electric Power University 空间电荷极化空间电荷极化 图图1-4 双层电介质的夹层极化双层电介质的夹层极化 G1G2 C1C2U 如图如图l-4l-4所示，各层介质的所示，各层介质的电容分别为电容分别为C1C1和和C2C2；

16、各层介质；各层介质的电导分别为的电导分别为G1G1和和G2G2；直流电；直流电源电压为源电压为U U。 为了说明的简便，全部参为了说明的简便，全部参数均只标数值，略去单位。数均只标数值，略去单位。 设设C1=1C1=1，C2C22 2，G1=2G1=2，G2=1G2=1， U U3 3。North China Electric Power University t=0时合闸，时合闸，U作用在作用在AB两端极板上，瞬时电容上的电荷和电位分布如两端极板上，瞬时电容上的电荷和电位分布如图图1-1-4(a)所示整个介质的等值电容为所示整个介质的等值电容为 。 到达稳态时，电容上的电荷和电位分布如图到达

17、稳态时，电容上的电荷和电位分布如图1-1-4(b)所示。整个介质的所示。整个介质的等值电容为等值电容为 。 分界面上堆积的电荷量为分界面上堆积的电荷量为+4-1+3。32UQCeq34 UQCeq 图图1-1-4 双层电介质的电荷与电位分布双层电介质的电荷与电位分布（a）暂态分布）暂态分布 （b）稳态分布）稳态分布 空间电荷极化（续）空间电荷极化（续）North China Electric Power University空间电荷极化的特点空间电荷极化的特点 多层介质的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值电多层介质的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值电容的增大。这就是夹层极化效应。

18、容的增大。这就是夹层极化效应。 介质界面上电荷的堆积是通过介质电导介质界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的。完成的。 该极化伴随着能量损耗。该极化伴随着能量损耗。 大电容设备进行高压实验后应对设备绝缘进行较长时间放电。大电容设备进行高压实验后应对设备绝缘进行较长时间放电。North China Electric Power University电介质极化种类及比较电介质极化种类及比较极化类型极化类型产生场合产生场合所需时间所需时间能量能量损耗损耗产生原因产生原因电子式极化电子式极化任何任何电介质电介质10-1410-15S无无束缚电子运行轨束缚电子运行轨道偏移道偏移离子式极化离子式极化离子式

19、结构离子式结构电介质电介质10-1210-13S几乎几乎没有没有离子的相对偏移离子的相对偏移偶极子极化偶极子极化极性极性电介质电介质10-1010-2S有有偶极子的定向排偶极子的定向排列列夹层极化夹层极化多层介质的多层介质的交界面交界面10-1S数小数小时时有有自由电荷的移动自由电荷的移动North China Electric Power University1.2 1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数一一. 介电常数的物理意义介电常数的物理意义在真空中，有关系式在真空中，有关系式 式子中式子中 E场强矢量场强矢量 ； D电位移矢量，即电通量密度矢量电位移矢量，即电通量密度矢量 ， D与

20、与E同向，比例常数同向，比例常数 为真空中的介电常数为真空中的介电常数ED0mV2mC0mF1299010854. 810941109880. 8410DENorth China Electric Power University 在介质中在介质中, D与与E同向，同向， 为介质的相对介电常数，它是没有量纲和为介质的相对介电常数，它是没有量纲和单位的纯数。单位的纯数。 介质的介电常数介质的介电常数 通常，通常， ， 的量纲和单位与的量纲和单位与 相同相同EDr0rr001.2 1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数0rDE North China Electric Power Univers

21、ity二、气体介质的相对介电常数二、气体介质的相对介电常数n一切气体的相对介电常数都接近一切气体的相对介电常数都接近1 1n气体的介电常数随温度的升高略气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小。但变化很小。气体种类气体种类相对介电常数相对介电常数氦氦1.000072氢氢1.000027氧氧1.00055氮氮1.00060甲烷甲烷1.00095二氧化碳二氧化碳1.00096乙烯乙烯1.00138空气空气1.000591.2 1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数North China Electric Power University

22、三、液体介质的相对介电常数三、液体介质的相对介电常数非极性和弱极性电介质：非极性和弱极性电介质：如石油、苯、四氯化碳、硅油等如石油、苯、四氯化碳、硅油等 r数值不大，在数值不大，在1.8 2.5范围内。介电常数和温度的关系和单范围内。介电常数和温度的关系和单位体积中的分子数与温度的关系相似位体积中的分子数与温度的关系相似极性电介质：极性电介质：如蓖麻油、氯化联苯等如蓖麻油、氯化联苯等， r数值数值在在2 6范围内。范围内。还能用作绝缘介质还能用作绝缘介质强极性电介质：强极性电介质：如酒精、水等，如酒精、水等， r10，此类液体电介质用，此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增大，但

23、通常损耗都作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大较大1.2 1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数North China Electric Power University1.2 1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数转向极化对介电常数随温度及频率变化的关系：转向极化对介电常数随温度及频率变化的关系： （1 1）T T不变：不变： f f增大，增大， r 减小减小 （2 2）f f不变：不变： T T升高，升高， r先增（分子间黏附力先增（分子间黏附力）后减（热运动）后减（热运动 ）0246-30-10103050温度T ()相对介电常数f1f3f2频率频率 f1 f2

24、f3极性液体电介质介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）极性液体电介质介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）North China Electric Power University四、固体电介质的介电常数四、固体电介质的介电常数 1. 1. 中性或弱极性固体电介质：中性或弱极性固体电介质： 只具有电子式极化和离子式极化，其介电常数较小。只具有电子式极化和离子式极化，其介电常数较小。 介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近。介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近。2. 2. 极性固体电介质：极性固体电介质： 介电常数都较大，一般为介电常数都较大，一般为3-63-

25、6，甚至更大。，甚至更大。 这类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体所呈现的规律。这类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体所呈现的规律。North China Electric Power University1.2 1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数n选择绝缘选择绝缘讨论极化的意义讨论极化的意义n多层介质的合理配合多层介质的合理配合n研究介质损耗的理论依据研究介质损耗的理论依据n电气预防性试验电气预防性试验n研发新型材料研发新型材料North China Electric Power University1.3 1.3 电介质的电导电介质的电导电介质的电导与金属的电导有本质上的

26、区别。电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。一一. 表征电介质导电性能的物理量表征电介质导电性能的物理量电导率电导率 （或：电阻率（或：电阻率 ） 电导形式电导形式电导率电导率金属导体金属导体（自由电子）电子电导（自由电子）电子电导 很大很大 气体气体 液体液体 固体固体自由电子、正离子、负离子自由电子、正离子、负离子杂质电导、自身离解杂质电导、自身离解 离子离子杂质、离子杂质、离子 电导电导 很小很小 很大很大 1rrNorth China Electric Power University二、影响介质电导的因素二、影响介质电导的因素(1)气体介质电导与电场强度关系气体介质电导与电场强度关

27、系North China Electric Power University(2)固体和液体介质电导与温度关系固体和液体介质电导与温度关系 式中式中 A、B常数；常数； T绝对温度绝对温度 ； 电导率。电导率。 在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须注意在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须注意记录温度记录温度。TBAe二、影响介质电导的因素二、影响介质电导的因素(3)杂质的影响杂质的影响 电导受杂质影响很大。电导受杂质影响很大。North China Electric Power University1.4 1.4 电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗一一. .电介质损耗的基本概念电介质损耗的基

28、本概念二二. .等效电路与相量图等效电路与相量图三三. .简化等效电路与损耗简化等效电路与损耗四四. .讨论讨论tgtg的意义的意义五五. .吸收电流与吸收曲线吸收电流与吸收曲线本节主要内容：本节主要内容：North China Electric Power University 电介质在电场作用下会产生能量损耗。电介质在电场作用下会产生能量损耗。一一. .电介质损耗的基本概念电介质损耗的基本概念在电场作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损在电场作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化（如转向极化、空间电荷极化等）引起的损耗，极化（如转向极化、空间电荷极化等）引起的损耗，总称为总称为“介质损

29、耗介质损耗”。 直流电场下直流电场下, , 介质损耗就仅由电导损耗组成。介质损耗就仅由电导损耗组成。North China Electric Power University0DEP 二二. . 等效电路与相量图等效电路与相量图0DENorth China Electric Power University00*EPDPEEE j*0j tEE e0( )*()()()()()=CRJD tEtjEtjj EjEJJJJ如果电场的速度可以与极化建立的速度相比拟，极化强度如果电场的速度可以与极化建立的速度相比拟，极化强度 落后于交变电场的强度落后于交变电场的强度此时介电常数此时介电常数可以表示为

30、一个复数可以表示为一个复数考虑到考虑到介质中的极化电流密度介质中的极化电流密度PE二二. . 等效电路与相量图等效电路与相量图电子位移极化电子位移极化离子位移极化离子位移极化转向极化转向极化空间电荷极化空间电荷极化North China Electric Power University二二. . 等效电路与相量图等效电路与相量图 JgJg为真空和无损极化所引起的电流为真空和无损极化所引起的电流密度，纯容性；密度，纯容性；JpJp为有损极化所引起的电流密度，为有损极化所引起的电流密度，它由无功部分它由无功部分JpcJpc和有功部分和有功部分JprJpr组组成。成。J Jlklk为漏导引起的电流

31、密度，为漏导引起的电流密度，纯阻性；纯阻性；North China Electric Power University二二. . 等效电路与相量图等效电路与相量图R3C1R2C2 i=i1+i2+i3i1i2i3uICI2RI23IU2I1I图中图中C1 代表介质的代表介质的真空电容和无损极真空电容和无损极化（电子式和离子化（电子式和离子式极化），式极化），C2 R2 代表各种有损极化代表各种有损极化，而，而R3则代表电导则代表电导损耗。损耗。 介质损耗角介质损耗角为功率因数角为功率因数角的余角，其正切的余角，其正切 tg又可称为又可称为介质损耗因数，常用百分数（介质损耗因数，常用百分数（%）

32、来表示。）来表示。North China Electric Power University三三. . 简化等效电路与损耗简化等效电路与损耗UUICRIIIRICIRCPRICIUI P = U I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg 式中式中 电源角频率；电源角频率；功率因数角；功率因数角；介质损耗角。介质损耗角。North China Electric Power University 用介质损耗用介质损耗P P来表示介质品质好坏不方便。来表示介质品质好坏不方便。 对同类试品，可直接用对同类试品，可直接用tgtg 代替代替P P值，对绝缘进行判断。值，对绝缘进行判

33、断。 介质损失角正切值介质损失角正切值tgtg ，如同，如同 r r一样，取决于材料的特性，一样，取决于材料的特性，而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质。而与材料尺寸无关，可以方便地表示介质的品质。 四四. . 讨论讨论tgtg的意义的意义P = U I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg North China Electric Power University四四. . 讨论讨论tgtg的意义的意义（3 3）在绝缘试验中，）在绝缘试验中，tgtg 的测量是一项基本测试项目。的测量是一项基本测试项目。（4 4）用做绝缘材料的介质，希望）用做绝缘材料的介质，希望

34、tgtg 小。在其他场合，可利用小。在其他场合，可利用tgtg 引引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干需较长时间，在泥坯上加适当的交起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干需较长时间，在泥坯上加适当的交流电压，则可利用介质损耗发热，加速干燥过程。流电压，则可利用介质损耗发热，加速干燥过程。（1 1）设计绝缘结构时，应注意到绝缘）设计绝缘结构时，应注意到绝缘材料的材料的tgtg 值。值。（2 2）用于冲击测量的连接电缆，其）用于冲击测量的连接电缆，其tgtg 必须要小。必须要小。North China Electric Power University 五五. . 吸收电流与吸收曲线吸收电流与吸收曲线返回返回

35、 i1电容电流电容电流 由电容和无损极化引起，存在时间短由电容和无损极化引起，存在时间短 i2吸收电流吸收电流 由有损极化（主要为夹层极化）引起，存在时间长，几到几十分钟由有损极化（主要为夹层极化）引起，存在时间长，几到几十分钟 i3泄漏电流或电导电流泄漏电流或电导电流 不随时间变化不随时间变化 i吸收曲线吸收曲线North China Electric Power University第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第一节第一节 气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失第二节第二节 气体放电机理气体放电机理第三节第三节 电晕放电电晕放电第四节第四节 不均匀电场气

36、隙的击穿不均匀电场气隙的击穿第五节第五节 雷电放电雷电放电第六节第六节 气隙的沿面放电气隙的沿面放电North China Electric Power University2.1 2.1 气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失 一一.带电质点在气体中的运动带电质点在气体中的运动二二.带电质点的产生带电质点的产生三三.带电质点的消失带电质点的消失本节主要内容：本节主要内容：North China Electric Power University一一. .带电质点在气体中的运动带电质点在气体中的运动 各种粒子在空气中运动时都会不各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞。一个质点在每两次

37、碰撞之间断碰撞。一个质点在每两次碰撞之间自由通过的距离叫自由通过的距离叫自由行程。自由行程。 单位行程中的碰撞次数单位行程中的碰撞次数Z的倒数的倒数即为该粒子的即为该粒子的平均自由行程平均自由行程。E1. 平均自由行程平均自由行程North China Electric Power University电子在其自由行程内从外电场获得动能电子在其自由行程内从外电场获得动能 ，能量，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关除决定于电场强度外，还和其自由行程有关电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越气体分子密度越大

38、，其中质点的平均自由行程越小。小。一一. .带电质点在气体中的运动（续）带电质点在气体中的运动（续）North China Electric Power University2. 带电粒子的迁移率带电粒子的迁移率 带电粒子在电场力的驱动下，沿着电场方向运动，其速度带电粒子在电场力的驱动下，沿着电场方向运动，其速度v v与场强与场强E的比例系数的比例系数k=v/Ek=v/E，称为，称为迁移率迁移率，它表示该带电粒，它表示该带电粒子单位场强（子单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。）下沿电场方向的漂移速度。 由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质由于电子的平均自由行程长度比离子大

39、得多，而电子的质量比离子小得多。更易加速，所以量比离子小得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子电子的迁移率远大于离子。一一. .带电质点在气体中的运动（续）带电质点在气体中的运动（续）North China Electric Power University3.扩散扩散 在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程叫理过程叫扩散扩散。n气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱n电子的热运

40、动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度也要比离子快得多。也要比离子快得多。 一一. .带电质点在气体中的运动（续）带电质点在气体中的运动（续）North China Electric Power University二二. .带电质点的产生带电质点的产生 气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生电气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生电离；另一是气体中的固体或液体金属发生表面电离。离；另一是气体中的固体或液体金属发生表面电离。气体分子的电离可由下列因素引起：气体分子的电离可由下列因素引起： （1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离

41、）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （2）各种光辐射（光电离）各种光辐射（光电离） （3）高温下气体中的热能（热电离）高温下气体中的热能（热电离） （4）负离子的形成）负离子的形成 North China Electric Power University二二. .带电质点的产生带电质点的产生（续）（续） e e离原子核的轨道半径离原子核的轨道半径r r不同，电子能量不同，电子能量WeWe不同不同 r r越小越小低能级；低能级； r r越大越大高能级高能级 激励激励在外界因素作用下，电子由低能级在外界因素作用下，电子由低能级跃迁跃迁高能级，这高能级，这一过程称为激励，激励过程所需能量称为一过程

42、称为激励，激励过程所需能量称为激励能激励能WeWe 电离（游离）电离（游离）当原子吸收的能量足够大时，当原子吸收的能量足够大时，e e就可以脱就可以脱离原子核的约束而成为自由电子离原子核的约束而成为自由电子, ,原子核成为正离子。原子核成为正离子。 达到电离所需的最小能量称为达到电离所需的最小能量称为电离电离能能W Wi i（ev），），也可用电离也可用电离电位电位U Ui i（v v）表示）表示气体电离的几种形式气体电离的几种形式North China Electric Power University二二. .带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）气体电离的几种形式气体电离的几种形式(1

43、)撞击电离撞击电离 气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起原因：原因：1.电子体积小，自由程长，可以加速到很大的速度。电子体积小，自由程长，可以加速到很大的速度。 2.电子的质量小，可以加速到很大。电子的质量小，可以加速到很大。产生条件产生条件 :212iWmvW势能 碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关碰撞电离是气体中带电质点数目增加的重要原因碰撞电离是气体中带电质点数目增加的重要原因North China Electric Power University二二. .带电

44、质点的产生（续）带电质点的产生（续）(2)光电离：光电离：当气体分子（原子）受光辐射获得当气体分子（原子）受光辐射获得WWi时会产时会产生光电离，分解成电子和正离子生光电离，分解成电子和正离子来源：自然界、人为照射、来源：自然界、人为照射、气体放电过程气体放电过程频率为频率为的光子能量为的光子能量为 W=h =hc/光辐射能够引起电离的临界波长（即最大波长）为光辐射能够引起电离的临界波长（即最大波长）为n对所有气体来说，在可见光（对所有气体来说，在可见光（400 750nm）的作用下，）的作用下，一般是不能直接发生光电离的一般是不能直接发生光电离的 nx、和宇宙射线比紫外线更短，可产生光电离且

45、和宇宙射线比紫外线更短，可产生光电离且较强较强nm 12340iiUeUhcNorth China Electric Power University（3）热电离）热电离 在常温下，热运动平均动能很小，气体分子发生热电在常温下，热运动平均动能很小，气体分子发生热电离的概率极小。是气体在热状态下光电离和撞击电离的综离的概率极小。是气体在热状态下光电离和撞击电离的综合。合。在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千度，在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离高温下高

46、能热辐射光子也能造成气体的电离 二二. .带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）North China Electric Power University 当电子与气体分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结当电子与气体分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程成为合而形成负离子的情况，这种过程成为附着附着。易于产生负离子的。易于产生负离子的气体称为气体称为电负性气体电负性气体。 负离子的形成不会改变带电质点的数量，但却使自由电子数负离子的形成不会改变带电质点的数量，但却使自由电子数减少，因此对气体放电的发展起抑制作用。（或有助于提高气体减少，因此对气体放电的发展

47、起抑制作用。（或有助于提高气体的耐电强度）的耐电强度）。如。如SF6气体对电子有很强的亲和性，因此具有高气体对电子有很强的亲和性，因此具有高电气强度。电气强度。（4）负离子的形成）负离子的形成二二. .带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）North China Electric Power University电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。逸出功逸出功 ：金属的微观结构：金属的微观结构 、金属表面状态、金属表面状态 金属的逸出功一般比气体的电离能小许多，表明金属表面电金属的逸出功一般比气体的电离能小许多，表明金属表面电离比气体空

48、间电离更容易发生。表离比气体空间电离更容易发生。表2-1-1，2-1-2金属表面电离有多种方式，即可以有多种方法供给电子以逸金属表面电离有多种方式，即可以有多种方法供给电子以逸出金属所需的能量。出金属所需的能量。二二. .带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离North China Electric Power University主要有主要有4种形式：种形式：1. 正离子撞击阴极表面：正离子撞击阴极表面：正离子碰撞阴极时使电子逸出金正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电

49、子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出两个及以上电子时才能出现自由电子。须碰撞出两个及以上电子时才能出现自由电子。2. 光电子发射：光电子发射： 高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。North China Electric Power University3. 热电子发射：热电子发射： 金属中的电子在高温下也能获得足够的动能金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。

50、在许多电子器件中而从金属表面逸出，称为热电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。常利用加热阴极来实现电子发射。4. 强场发射（冷发射）：强场发射（冷发射）：当阴极表面附近空间存在很强的电当阴极表面附近空间存在很强的电场时（场时（106V/cm数量级），也能时阴极发射电子。常态下数量级），也能时阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响；在高气压、压缩的高强度气作用气隙击穿完全不受影响；在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。用。North China Electric Power Univ

51、ersity三三. .带电质点的消失带电质点的消失 气体中带电粒子的消失有可能下述几种情况：气体中带电粒子的消失有可能下述几种情况：(1)带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消消失于电极失于电极上而形成外电路中的电流；上而形成外电路中的电流；(2)带电粒子因带电粒子因扩散扩散现象而逸出气体放电空间。由热运动造成，现象而逸出气体放电空间。由热运动造成，电子的扩散比离子快得多。电子的扩散比离子快得多。North China Electric Power University在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一在带电质点的复合

52、过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素定条件下又可能成为导致电离的因素 正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要 一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其浓度一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其浓度 三三. .带电质点的消失带电质点的消失 (3)带电粒子的带电粒子的复合复合。气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能。气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，是与电离相反发生电荷的传递与中

53、和，这种现象称为复合，是与电离相反的一种过程。的一种过程。North China Electric Power University2.2 2.2 气体放电机理气体放电机理气体放电的主要形式气体放电的主要形式自持放电与非自持放电自持放电与非自持放电放电发展过程与电场的关系放电发展过程与电场的关系汤森德放电理论汤森德放电理论帕邢定律帕邢定律流注放电理论流注放电理论North China Electric Power University 根据气体压强、电源功率、电极形状等因素的不同，根据气体压强、电源功率、电极形状等因素的不同，气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电气体放电可具有多种

54、不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化。现象的变化。 n辉光放电辉光放电n电弧放电电弧放电n火花放电火花放电n电晕放电电晕放电n刷状放电刷状放电一、气体放电的主要形式一、气体放电的主要形式 North China Electric Power University辉光放电辉光放电 n当气体压强不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻当气体压强不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象 n特点是放电电流密

55、度较小，放电区域通常占据了整个电极特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。间的空间。HV一、气体放电的主要形式一、气体放电的主要形式 North China Electric Power University电弧放电电弧放电 n减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大通道的电导越来越大n电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路

56、的特征路的特征 HV一、气体放电的主要形式一、气体放电的主要形式 North China Electric Power Universityn在较高气压（例如大气压强）下，击穿后总是形成收细的发在较高气压（例如大气压强）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的的明亮细火花的明亮细火花 n火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定定 火花放电火花放电

57、 HV一、气体放电的主要形式一、气体放电的主要形式 North China Electric Power Universityn电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极不均匀，则当电压升电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧贴电极在电场最强处出现发光层，回路中出现高到一定值后，首先紧贴电极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大也逐渐增大n发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很发生电晕放电时，气体间隙的大部

58、分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用小，间隙仍能耐受电压的作用 电晕放电电晕放电 HV一、气体放电的主要形式一、气体放电的主要形式 North China Electric Power Universityn电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状放电亮的细放电通道，称为刷状放电 n电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整个间电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿隙被击穿n如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接

59、转入击如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转入击穿穿 刷状放电刷状放电 HV一、气体放电的主要形式一、气体放电的主要形式 North China Electric Power University二二. . 自持放电与非自持放电自持放电与非自持放电n外施电压小于外施电压小于U0时，间隙内虽有电流，但其数值甚小，通时，间隙内虽有电流，但其数值甚小，通常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚未被破坏，常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚未被破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电离因素来维即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，那么电流

60、也将消失。持，如果取消外电离因素，那么电流也将消失。 称为称为非自非自持放电持放电。North China Electric Power University二二. . 自持放电与非自持放电自持放电与非自持放电n当电压达到当电压达到U0后，气体中发生后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增。同了强烈的电离，电流剧增。同时气体中电离过程只靠电场的时气体中电离过程只靠电场的作用已可自行维持，而不再继作用已可自行维持，而不再继续需要外电离因素了。因此续需要外电离因素了。因此U0以后的放电形式也称为以后的放电形式也称为自持放自持放电。电。North China Electric Power Univers