高电压技术ppt

1、高电压技术高电压技术第一章第一章 气体电介质的电气性能气体电介质的电气性能1.1 气体中带电质点的产生和消失1.2 均匀电场小气隙的放电1.3 均匀电场大气隙的放电1.4 不均匀电场气隙的击穿1.5 冲击电压下空气的击穿特性1.6 大气条件对空气间隙击穿电压的影响1.7 提高气隙击穿电压的措施 1.8 沿面放电 电介质电介质（dielectric ）就是在电气设备中作为绝缘使用的绝缘材料。）就是在电气设备中作为绝缘使用的绝缘材料。 从场的角度叫电介质，从工程的角度叫绝缘材料。从场的角度叫电介质，从工程的角度叫绝缘材料。描述电介质性能的主要参数有：描述电介质性能的主要参数有： 绝缘电阻绝缘电阻R

2、: 描述描述介质介质导电性能导电性能的参数的参数。 介介电常数电常数：描述介质极化性能的参数。：描述介质极化性能的参数。 介质损耗介质损耗P P（tgtg): ): 描述介质损耗性能的参数。描述介质损耗性能的参数。 击穿场强击穿场强E：描述介质抗电能力的常数（耐受电压作用的能力）。描述介质抗电能力的常数（耐受电压作用的能力）。 击穿电压击穿电压：电介质击穿时的最低临界电压。：电介质击穿时的最低临界电压。 实际标注的击穿场强是指实际标注的击穿场强是指均匀电场中均匀电场中击穿电压击穿电压Uj与间隙距离与间隙距离d之比，也叫之比，也叫电气强度，电气强度，是是表征电介质耐受电压作用的能力。表征电介质耐

3、受电压作用的能力。 空气在标准状态下的电气强度为空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm; 注意注意：不能把不均匀场中气隙：不能把不均匀场中气隙Ub与间隙距离之比称为气体的与间隙距离之比称为气体的电气强度，不均匀电场中的电气强度，不均匀电场中的击穿场强击穿场强通常是通常是平均击穿场强平均击穿场强。击击穿场强穿场强是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。1 1、电介质的分类、电介质的分类 A:A:按按介质形态介质形态分：分： 气体气体电介质电介质 液体液体电介质电介质 固体固体电介质电介质 其中其中气体气体最常见。气体介质同其它介质相比，具有最常见。气体介质同其它介

4、质相比，具有在在击穿后完全的绝缘自恢复击穿后完全的绝缘自恢复特性（自恢复绝缘），故应用特性（自恢复绝缘），故应用十分广泛。十分广泛。 输电线路以输电线路以气体气体作为绝缘材料作为绝缘材料变压器相间绝缘以变压器相间绝缘以液体（固体）液体（固体）作为作为 绝缘材料绝缘材料 电缆是用固体介质作为绝缘 高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其它复合介质。由于气体绝缘介质不存在老化的问题，在击穿后也有完全的绝缘自恢复特性，再加上其成本非常廉价，因此气体成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。 气体击穿过程的理论研究虽然还不完善，但是相对于其他几种绝缘材料来说最为完整。因此，高电压绝缘的论述一般都由气

5、体绝缘开始。 B:B:按在电气设备中按在电气设备中所处位置所处位置分：分： 外绝缘外绝缘： 一般由一般由气体介质（空气）气体介质（空气）和和固体介质（绝缘子）固体介质（绝缘子） 联合构成。联合构成。 内绝缘内绝缘： 一般由一般由固体介质固体介质和和液体介质液体介质联合构成。联合构成。 2 2、在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：、在电场的作用下，电介质中出现的电气现象： 弱电场弱电场电场强度比击穿场强小得多电场强度比击穿场强小得多 会出现：极化、电导、介质损耗等。会出现：极化、电导、介质损耗等。 强电场强电场电场强度等于或大于放电起始场强或电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强：击穿场强

6、： 会出现：激励、电离导致放电、闪络、击穿等。会出现：激励、电离导致放电、闪络、击穿等。 原子的激励原子的激励n 激励激励(激发激发)原子在外界因素（电场、高温等）原子在外界因素（电场、高温等）的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，原子的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，原子核外的电子将从离原子核较近的轨道上跳到离原子核外的电子将从离原子核较近的轨道上跳到离原子核较远的轨道上去的过程。核较远的轨道上去的过程。n 激励能（激励能（We）产生激励所需的能量。等于该产生激励所需的能量。等于该轨道和常态轨道的能级差。轨道和常态轨道的能级差。i 注意注意p 激励状态存在的时间很短（激励状态存在的时

7、间很短（ 10-7 10-8 s），电子将），电子将自动返回到常态轨道上去。自动返回到常态轨道上去。p 原子的激励过程不会产生带电粒子。原子的激励过程不会产生带电粒子。原子的电离原子的电离n 电离电离在外界因素作用下，其一个或几个电子脱在外界因素作用下，其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。n 电离能（电离能（Wi）使稳态原子或分子中结合最松弛使稳态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需要的最小能量。（电子伏的那个电子电离出来所需要的最小能量。（电子伏 eV）1eV1V1.610-19C1.610-19J（焦耳）（焦耳）

8、1V电压电压qe：电子的电荷（库伦）：电子的电荷（库伦）i 注意注意 原子的电离过程产生带电粒子。原子的电离过程产生带电粒子。原子的激励与电离的关系原子的激励与电离的关系n 原子的激励过程不产生带电粒子；原子的激励过程不产生带电粒子；n 原子的电离过程产生带电粒子；原子的电离过程产生带电粒子；n 激励过程可能是电离过程的基础。激励过程可能是电离过程的基础。 原子发生电离产生带电粒子的两种情况：原子发生电离产生带电粒子的两种情况： 激励激励+电离电离原子吸收了不太高原子吸收了不太高 的能量的能量发生激励，跳发生激励，跳到更远的轨道到更远的轨道再次吸收能量再次吸收能量发生电离，产生带电粒子发生电离

9、，产生带电粒子原子吸收直接吸收了足够的能量原子吸收直接吸收了足够的能量 发生电离产生带电粒子发生电离产生带电粒子 直接电离直接电离 气体气体激励能激励能We (eV)电离能电离能Wi (eV)气体气体激励能激励能We (eV)电离能电离能Wi (eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6 表表 1-1 某些气体的激励能和电离能某些气体的激励能和电离能电气设备中电气设备中常用常用的气体介质的气体介质 ：空气空气、 SFSF6 6 （压缩的高电气强（压缩的高电气强度气体）度气体） 纯净的纯净的、中性状态中性状态的气体

10、是的气体是不导电不导电的，只有气体中出现了的，只有气体中出现了带带电质点电质点（电子、正离子、负离子）后，才可能导电，并在电场（电子、正离子、负离子）后，才可能导电，并在电场作用下发展成各种形式的作用下发展成各种形式的气体放电现象气体放电现象。 正常状态：优良的绝缘体。正常状态：优良的绝缘体。l在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子, ,但这些带电粒子但这些带电粒子并不影响气体的绝缘。并不影响气体的绝缘。3 3、几个基本概念、几个基本概念 放电放电：特指气体绝缘的击穿过程。：特指气体绝缘的击穿过程。 击穿击穿：在电场的作用下，电介质由绝缘状态突变为：在电场

11、的作用下，电介质由绝缘状态突变为良导电状态的过程。良导电状态的过程。 闪络闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象。（也称沿面放电）。的放电现象。（也称沿面放电）。 工程上将工程上将击穿击穿和和闪络闪络统称为统称为放电放电。 击穿、放电、闪络击穿、放电、闪络都是在一定的电压作用下电都是在一定的电压作用下电介质的绝缘性能被破坏的过程。介质的绝缘性能被破坏的过程。光游离光游离气体放电气体放电发展过程发展过程热游离热游离碰撞游离碰撞游离空间游离空间游离表面游离表面游离负离子的形成负离子的形成正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极光电效应光电效应强场发射

12、强场发射热电子发射热电子发射带电粒子被极板吸收带电粒子被极板吸收带电粒子的扩散带电粒子的扩散带电粒子的复合带电粒子的复合带电质点产生带电质点产生带电质点消失带电质点消失 因因气体压力、电源功率、电极形状气体压力、电源功率、电极形状等因素的影响，放电等因素的影响，放电 具有多种形式具有多种形式 辉光放电 气压较低，气压较低，电源功率很小时，电源功率很小时，放电充满整个间放电充满整个间隙。隙。 电弧放电 大气压力大气压力下，电源功率下，电源功率较大时，放电较大时，放电具有明亮、持具有明亮、持续的细致通道。续的细致通道。火花放电（雷闪） 大气压力下。大气压力下。电源功率较小时，电源功率较小时，间隙间

13、歇性击穿，间隙间歇性击穿，放电通道细而明亮。放电通道细而明亮。 电晕放电 极不均匀极不均匀电场，高电场电场，高电场强度电极附近强度电极附近出现发光薄层。出现发光薄层。带电质点带电质点(电子、负离子或正离子电子、负离子或正离子)一、带电质点的产生一、带电质点的产生二、带电质点的消失二、带电质点的消失带电质点的来源：游离带电质点的来源：游离1.定义定义游离游离:中性质点获得外界能量分解出带电质点的过程。中性质点获得外界能量分解出带电质点的过程。游离能游离能（Wi） ：使中性质点发生游离所需的能量。：使中性质点发生游离所需的能量。2.游离的分类游离的分类（一）空间游离：碰撞游离、光游离、热游离。（一

14、）空间游离：碰撞游离、光游离、热游离。（二）表面游离：热电子发射、二次发射、光发射、（二）表面游离：热电子发射、二次发射、光发射、 强电场发射。强电场发射。一、带电质点的产生（1）碰撞游离（一）空间游离（一）空间游离运动的质点（可以是带电的，也可以是中性质点）撞击另一个质点，且使其分解成为两个带电质点的现象称为碰撞游离。发生碰撞游离的条件：撞击质点的总能量（动能位能）大于被撞击质点的游离能（Wi） ；有一定的相互作用时间。特点：可以一次完成，也可以分级完成。 电子或离子在电场作用下加速所获得的动能（ ）与质点电荷量(e)、电场强度（ ）以及碰撞前的行程( )的关系 eExmv 221221mv

15、Exu 电子在电场强度为电子在电场强度为 E 的电场中移过的电场中移过x 距离时所获得的动距离时所获得的动能为：能为：式中式中: :m电子的质量；电子的质量； qe电子的电荷量电子的电荷量212eWmvq Ex若若W等于或大于等于或大于气体分子的游离气体分子的游离能能Wi，该电子，该电子就有足够的能量就有足够的能量去完成碰撞电离去完成碰撞电离u发生碰撞游离的条件发生碰撞游离的条件eiq ExWieExW式中： ：电子的电荷量； ：外电场强度； ：电子移动的距离 eEx 高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时，如原子或分子获得的能量等于或大于其游离能，则会发生碰撞游离。因此，游离条件为因此，游离

16、条件为 ：气体的游离能iW提高外加电压将使碰撞游离的概率和强度增大。u 电子为造成碰撞游离而必须飞越的最小距离：电子为造成碰撞游离而必须飞越的最小距离： 式中：式中：Ui为气体的游离电位。为气体的游离电位。 u xi 的大小取决与场强的大小取决与场强 E ，增大气体中的场强将使，增大气体中的场强将使 xi 值减小，可值减小，可见提高外加电场将使碰撞游离的概率和强度增大。见提高外加电场将使碰撞游离的概率和强度增大。iiieWUxg EE i 注意注意n 碰撞游离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。碰撞游离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。n 主要的碰撞游离均由电子完成，离子碰撞中性分子并使之游

17、主要的碰撞游离均由电子完成，离子碰撞中性分子并使之游离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞游离。，往往只考虑电子所引起的碰撞游离。激励：当撞击质点的能量小于被撞质点的游离能时，使电子跃迁到更高的能级的现象称为质点的激励。处于激励状态的质点易游离。反激励：处于激励状态的质点如果没有其它质点撞击时，恢复到原来的运行状态的现象称为质点的反激励。反激励将把激励时所吸收的能量以光的状态释放出来。p激励状态存在的时间很短（激励状态存在的时间很短（ 10-7 10-8 s），电子将自动返回到），电子将自动返回到常态

18、轨道上去。常态轨道上去。以光子的形式放出激励发生时吸收的能量。（2）光游离光子来源外界高能辐射线（宇宙射线）气体放电本身（复合和激励返回）短波射线的光子具有很大能量，它以光速运动，当它射到中性原子(或分子)上时所产生的游离称为光游离。 光子的能量：u 发生光游离的条件发生光游离的条件式中：式中：h普郎克常数；普郎克常数； 光子的频率；光子的频率； Wi气体的电离能，气体的电离能，eV； c光速光速= =3108m/s； 光的波长，光的波长，m。iihchWW或 光子能量光子能量Whi注意注意 可见光都不可能使气体可见光都不可能使气体直接发生光电离，只有波直接发生光电离，只有波长短的高能辐射线长

19、短的高能辐射线 （ 例如例如X 射线、射线、射线等）才能使射线等）才能使气体发生光电离。气体发生光电离。c（光速）=(波长)*f(频率)）光的频率（普朗克常数，等于式中Hzs .106260755.634JhhW（3）热游离当温度升高时，气体质点的动能也增加。在高温下，质点热运动时相互碰撞而产生的游离称为热游离。常温下，气体分子发生热电离的概率极小。只有在500010000K的高温下才能产生热游离。u 发生条件式中：k波尔茨曼常数； （k=1.3810-23J/K） Wi气体的电离能，eV； T绝对温度，K；mi32WkTWi 注意p 分子热运动所固有的动能不足以产生碰撞游离，20oC时，气体

20、分子平均动能约0.038eV。p 在一定热状态下物质会发出辐射，热辐射光子能量大，会引起光游离。（二）表面游离 金属表面的电子接受外界能量后，逸出表面成为自由电子的现象称为表面游离。表面游离的条件：外界能量大于金属的逸出功。u 逸出功逸出功电子从金属表面逸出所需的能量。电子从金属表面逸出所需的能量。金属金属逸出功逸出功 (eV)金属金属逸出功逸出功 (eV)金属金属逸出功逸出功 (eV)铝铝 (Al )银银 (Ag)1.83.1铁铁 (Fe)铜铜 (Cu)3.93.9氧化铜氧化铜 (CuO)铯铯 (Cs)5.30.7n与表与表1-11-1相比较，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得多，表明金

21、相比较，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。属表面电离比气体空间电离更易发生。n阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。表面游离的形式（电子从电极表面逸出获得所需能量的途径）：（1）二次发射-正离子撞击阴极 （2）光电子发射 （3）热电子发射（4）强场发射-冷发射p 正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电子，使其逸出金属子，使其逸出金属p 正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产

22、生自由电子p 逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。p 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。量应大于金属的逸出功。p 同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多 二次发射二次发射-正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面 光电子发射（光电效应）光电子发射（光电效应）p 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨

23、大动能，逸出金属表面出金属表面p 在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。p 当阴极表面附近空间存在很强的电场时（当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），数量级），能使阴极发射电子。能使阴极发射电子。p 常态下作用气隙击穿完全不受影响；常态下作用气隙击穿完全不受影响；p 在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作在高气压、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用。用；真空中更起着决定性作用。 热电子发射热电子发射 强场发射（冷发射）强场发射（冷发射）带电粒子在气体中的运动带电粒子在气体中的

24、运动自由行程长度自由行程长度 带电粒子的运动轨迹带电粒子的运动轨迹u 当气体中存在电场时，带电粒子将具当气体中存在电场时，带电粒子将具有复杂的运动轨迹有复杂的运动轨迹 “混乱热运动沿着电场作定向漂移混乱热运动沿着电场作定向漂移”Eu 自由行程长度自由行程长度带电粒子与气体分子发生第一次碰撞到第带电粒子与气体分子发生第一次碰撞到第二次碰撞所移动的距离。二次碰撞所移动的距离。（两次碰撞中未再发生任何碰撞）（两次碰撞中未再发生任何碰撞） 平均自由行程长度平均自由行程长度u 平均自由行程长度平均自由行程长度带电粒子单位行程中的碰撞次数带电粒子单位行程中的碰撞次数Z的的倒数。倒数。u 实际的自由行程长度

25、是实际的自由行程长度是随机量随机量，有很大的分散性，任意带电，有很大的分散性，任意带电粒子在粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与分子的半径和密度的行程中所遭遇的碰撞次数与分子的半径和密度有关有关i 注意：注意：由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。u 粒子的实际自由行程长度等于或大于某一距离粒子的实际自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为的概率为 xP xe 二、带电质点的消失去游离：带电质点从游离区消失或游离的作用被削弱的现象称为带电去

26、游离。带电质点的消失是由于游离作用小于去游离的作用。带电质点的消失可能有以下几种情况： 带电质点受电场力的作用流入电极 ；带电质点因扩散而逸出气体放电空间；带电质点的复合。 带电质点的扩散： 由于不同区域种的带电质点的浓度不同，电荷从浓度高的区域向浓度低的区域运动的现象称为带电质点的扩散。u 扩散的实质扩散的实质某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数减少减少。p 带电粒子的扩散是由于带电粒子的扩散是由于热运动热运动造成，带电粒子的扩散规律和气造成，带电粒子的扩散规律

27、和气体的扩散规律相似体的扩散规律相似p 气体中带电粒子的扩散和气体中带电粒子的扩散和气体状态有关气体状态有关，气体压力越高或者温，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱（反之，就快）度越低，扩散过程也就越弱（反之，就快）p 电子质量远小于离子，所以电子的热运动速度高，它在热运动电子质量远小于离子，所以电子的热运动速度高，它在热运动中受到的碰撞也少，因此，中受到的碰撞也少，因此，电子的扩散过程比离子的要强电子的扩散过程比离子的要强复合复合：正离子与负离子相遇发生电荷的传递，而相互综合还原成中性质点的现象称为带电质点的复合。 复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一个中性分

28、子；复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。带电质点的复合 p 带电质点的复合过程中会放出光子，发生光辐射带电质点的复合过程中会放出光子，发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又成为导致光电离。，这种光辐射在一定条件下又成为导致光电离。p 参与复合的质点的相对速度参与复合的质点的相对速度越大越大，复合概率，复合概率越小越小。通常放电过程中。通常放电过程中质点间的复合更为重要质点间的复合更为重要p 带电质点浓度越大，复合速度越大，带电质点浓度越大，复合速度越大，强烈的电离强烈的电离区也是强烈的复合区区也是强烈的复合区u 在电场作用下电荷进入电极（被电极吸收）在电场

29、作用下电荷进入电极（被电极吸收）u 附着附着自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子相结合而形成负离子的过程。性分子相结合而形成负离子的过程。p 形成负离子时可释放出能量形成负离子时可释放出能量p 有些气体容易形成负离子，称为有些气体容易形成负离子，称为电负性气体电负性气体（如氧、（如氧、氟、氯等），氟、氯等），SF6（绝缘性是空气的（绝缘性是空气的3倍，灭弧性是空倍，灭弧性是空气的气的100倍）倍）p 负离子的形成起着阻碍放电的作用负离子的形成起着阻碍放电的作用u 负离子形成过程的特点负离子形成过程的特点负离子的形成负离子的形成u自由电子碰撞中性的分

30、子或原子可能产生的三种结果自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子发生电离发生电离产生自由电子产生自由电子l情况一情况一电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子能量不足，撞能量不足，撞击后反弹回来击后反弹回来未产生自由电子未产生自由电子l情况二情况二电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子没发生电离没发生电离，也没被反，也没被反弹回来弹回来被中性的分子捕捉被中性的分子捕捉，成为自己的束缚，成为自己的束缚电子电子l情况三情况三形成了负离子形成了负离子u 气体的击穿过程与气体的击穿过程与电场分布电场分布有很大关系，均匀电场和不均

31、有很大关系，均匀电场和不均匀电场下气体的击穿过程有很大的不同；匀电场下气体的击穿过程有很大的不同；p 均匀电场均匀电场电场中任一点的电场强度均相同；电场中任一点的电场强度均相同；p 不均匀电场不均匀电场电场中任一点的电场强度均不相同；电场中任一点的电场强度均不相同；一、气隙放电的伏安特性曲线一、气隙放电的伏安特性曲线 十九世纪九十年代，英国物理学家汤深德（Townsend汤逊）采用图1 的实验装置测出了气体小间隙的伏安特性曲线如图2所示。u 加电场前，外电离因素（光照射）在极板间加电场前，外电离因素（光照射）在极板间产生带电粒子，但带电粒子制作杂乱无章的产生带电粒子，但带电粒子制作杂乱无章的热

32、运动，不产生电流；热运动，不产生电流；u 加电场后，带电粒子沿电场方向定向移动，加电场后，带电粒子沿电场方向定向移动，形成电流。随着电压升高，带电粒子运动速形成电流。随着电压升高，带电粒子运动速度加快，使到达极板的带电粒子数量和速度度加快，使到达极板的带电粒子数量和速度不断增大，电流也随之增大。不断增大，电流也随之增大。 oa段段 随着电压升高，电流增大，到达极板的带电随着电压升高，电流增大，到达极板的带电粒子数量和速度也随之增大。粒子数量和速度也随之增大。均匀电场中气体的伏安特性 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析I0UaUbUcUI均匀电场中气

33、体的伏安特性 ab段段 电流趋于饱和，由外电离因素产电流趋于饱和，由外电离因素产生的带电粒子已全部进入电极，电流生的带电粒子已全部进入电极，电流I0大小取决于外电离因素与电压无关。大小取决于外电离因素与电压无关。u 外电离因素（光照射）的强度一定的外电离因素（光照射）的强度一定的情况下，单位时间内产生的带电粒子情况下，单位时间内产生的带电粒子数量是一定的，由此产生的电流也是数量是一定的，由此产生的电流也是一定。一定。I0饱和电流。饱和电流。I0UaUbUcUI 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性 bc

34、段段 电流又再随电压的增大而增大。电流又再随电压的增大而增大。 发生电子发生电子碰撞电离碰撞电离。I0UaUbUcUI电压升高电压升高气体间的带电粒子气体间的带电粒子运动速度加快运动速度加快带电粒子能量带电粒子能量（动能）增加（动能）增加当能量大于极板间空气当能量大于极板间空气中原子的电离能中原子的电离能电子碰撞电离，产生电子碰撞电离，产生大量带电粒子大量带电粒子电流急速电流急速增加增加 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场中气体的伏安特性 c点点 U=Uc，电流急剧增大。气体间，电流急剧增大。气体间隙隙被击穿被击穿进入导电状态（进入导电状态

35、（自持放电自持放电），），不再需要任何外界因素（光照射、外不再需要任何外界因素（光照射、外加电源）。加电源）。u c点处的临界电压点处的临界电压Uc就是就是击穿电压击穿电压Ub，当电压达到当电压达到Uc后气体即后气体即被击穿被击穿，由原，由原来的绝缘体变成了来的绝缘体变成了导体导体。I0UaUbUcUI 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析u 非自持放电非自持放电去掉外电离因素的作用后放电随即停止；去掉外电离因素的作用后放电随即停止；u 自持放电自持放电不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。非自持

36、放电和自持放电非自持放电和自持放电 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场中气体的伏安特性I0UaUbUcUIu 当产生的电流当产生的电流IIc：非自持放电区；非自持放电区；u 当产生的电流当产生的电流IIc：自持放电区自持放电区；u 当施加的电压当施加的电压UUc：气体保持绝缘；气体保持绝缘；u 当施加的电压当施加的电压UUc：气体被击穿。气体被击穿。Ic自持放电区非自持放电区 均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析二、汤申德（汤逊）理论计算气隙击穿电压二、汤申德（汤逊）理论计算气隙击穿电压1 1汤申

37、德游离系数汤申德游离系数2 2自持放电的条件自持放电的条件3击穿电压击穿电压Ujc的计算的计算1 1汤申德游离系数汤申德游离系数（1）汤申德第一游离系数）汤申德第一游离系数（2）汤申德第二游离系数）汤申德第二游离系数（3）汤申德第三游离系数）汤申德第三游离系数1 1汤申德游离系数汤申德游离系数（1）汤申德第一游离系数）汤申德第一游离系数u 电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数表示表示一个电子一个电子沿电场方向运动沿电场方向运动1cm 的行程中所完成的的行程中所完成的碰撞电离碰撞电离次数平均值。次数平均值。u 即是即是一个电子一个电子在单位长度行程内新电离出的在单位长度行程内新电离出的电子数电子数或

38、正离或正离子数。子数。i 注意：注意： 必须是电子发生必须是电子发生碰撞且电离碰撞且电离的次数，若电子只发生的次数，若电子只发生了碰撞没有导致电离则不能计入了碰撞没有导致电离则不能计入中。中。 汤申德理论假设条件：汤申德理论假设条件： 1.电子每次碰撞失去其全部能量。电子每次碰撞失去其全部能量。 2.每次碰撞只产生一对电荷。每次碰撞只产生一对电荷。系数的分析：u 假设电子的平均自由行程为e，运动1cm碰撞次数为1/e ，但并不是每次碰撞都引起电离；u 碰撞引起电离的概率为 ， xi 为电子造成碰撞电离而必须飞跃的最小距离（最短自由行程）。iex-eu根据定义有：式中：A、B与气体种类有关的常数

39、； E电场强度； P气体压力。ee,11 iiiieeixuuTBPxEEPEAPAuBeeeeAPe 1 1当当 气气 温温 不不 变变 时时 ，u 由式由式 = 可得结论可得结论： BPEAPe 电场强度电场强度E增大增大，则则增大；增大； 气体压力气体压力P很大（电子的平均自由行程很大（电子的平均自由行程e很小）或者很小）或者气体压力气体压力P很小（电子的平均自由行程很小（电子的平均自由行程e很大）时，很大）时，值都很小。值都很小。 既在高气压或高真空的条件下，气体间隙不易发生放电现象，既在高气压或高真空的条件下，气体间隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。具有较高的电气强度。 Ae-

40、B/E （2）汤申德第二游离系数）汤申德第二游离系数 一个正离子沿外电场方向行进的过程中，在单位一个正离子沿外电场方向行进的过程中，在单位距离内所产生碰撞游离的次数称为汤申德第二游离距离内所产生碰撞游离的次数称为汤申德第二游离系数，记为系数，记为。（3）汤申德第三游离系数）汤申德第三游离系数u 正离子表面电离系数正离子表面电离系数表示表示一个正离子一个正离子沿电场方向由阳极沿电场方向由阳极向阴极运动向阴极运动，撞击阴极撞击阴极表面，使阴极表面发射的表面，使阴极表面发射的电子数电子数。p 正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能，在撞击正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能，在撞击阴极时能

41、引起表面电离，使阴极释放出自由电子阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自由电子 20世纪初，世纪初，Townsend 根据大量的试验研究结果，提出了适根据大量的试验研究结果，提出了适用于均匀电场、低气压、短气隙时气体放电理论。用于均匀电场、低气压、短气隙时气体放电理论。 理论认为，电子的碰撞电离理论认为，电子的碰撞电离(过程）和正离子撞击阴极造成的过程）和正离子撞击阴极造成的表面电离（表面电离（过程）起主要作用提出气隙放电电流和击穿电压的计过程）起主要作用提出气隙放电电流和击穿电压的计算公式。算公式。2自持放电的条件自持放电的条件（1）过程（电子崩过程）过程（电子崩过程）（2） 过程和过程和过程

42、引起的电流过程引起的电流（1）过程（电子崩过程）过程（电子崩过程）电子崩的形成过程电子崩的形成过程 由外因素产生由外因素产生的初始电子的初始电子电子数目迅速增加，如电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样，同冰山上发生雪崩一样，形成了形成了电子崩电子崩产生正离产生正离子和电子子和电子原来的电子和新产原来的电子和新产生的电子继续移动，生的电子继续移动，不断发生电子碰撞不断发生电子碰撞电离电离电场力作用下，电子电场力作用下，电子沿电场做定向移动沿电场做定向移动与中性粒子发与中性粒子发生电子碰撞生电子碰撞中性粒子发生电离中性粒子发生电离崩头崩头崩尾崩尾u 电子崩的形状：电子崩的形状：“崩头大、崩尾小

43、崩头大、崩尾小。”p 电子发生电子碰撞后，电子的速度快，所以会大量电子发生电子碰撞后，电子的速度快，所以会大量的集中在崩头；的集中在崩头；p 正离子移动速度较慢，所以缓慢的移向崩尾。正离子移动速度较慢，所以缓慢的移向崩尾。u 电子崩电子崩电子数按几何级数不断增多，像雪崩似的电子数按几何级数不断增多，像雪崩似的发展。从而形成的急剧增大的空间电子流。发展。从而形成的急剧增大的空间电子流。nad n0个电子运动个电子运动x距离产生的电子数距离产生的电子数n 令令x=d，抵达阳极总电子数，抵达阳极总电子数na 过程的分析（电子崩的增长规律）过程的分析（电子崩的增长规律）设：在外电离因素的作用下，有生设

44、：在外电离因素的作用下，有生n0个电个电子从阴极表面，子从阴极表面，由于碰撞电离和电子崩的由于碰撞电离和电子崩的作用下，在距离阴极作用下，在距离阴极x处，电子数增至处，电子数增至n个个。 在在dx段上产生的新电子段上产生的新电子数：数：dnndxdndxn00 xdxnn e 0均均匀匀场场不不变变 xnn ea0 dnn edn= ndxnad 此过程中此过程中新增的电子新增的电子数或正离子数数或正离子数n()a001dnnnn e 如果如果n0 =1，则，则n=ed，即一个电子，即一个电子经过经过d距离后，变成了距离后，变成了ed个电子，个电子，电子崩按电子崩按指数规律指数规律增长。同时产

45、增长。同时产生生ed -1个正电荷。个正电荷。电子电流增长规律电子电流增长规律 将式将式 两边乘以电子电荷两边乘以电子电荷qe ，得到电流为：，得到电流为：式中：式中：I0初始电子引起的初始电流初始电子引起的初始电流0 xnn e0 xII eu 令令x=d，进入阳极的电流（外回路电流），进入阳极的电流（外回路电流）p 若若I0=0，则，则I=0，既若去掉外界电离因素，气隙中电流为，既若去掉外界电离因素，气隙中电流为0，气体放电停止。气体放电停止。0dx = dII eu 结论：若只有结论：若只有过程，气体放电是不能自持的。过程，气体放电是不能自持的。nadnc 碰撞游离产生出来的正离子在碰撞

46、游离产生出来的正离子在到达阴极时，撞击阴极造成到达阴极时，撞击阴极造成二次二次电子发射，电子发射，所产生的电子数所产生的电子数 n0(ed1) n0个电子到达阳个电子到达阳极后，产生总电子极后，产生总电子数为：数为：na=n0ed 产生的新正离产生的新正离子：子：nced-nc正离子撞击阴极表正离子撞击阴极表面产生的面产生的电子数电子数为为nc(ed1)每产生一个自由电子的同每产生一个自由电子的同时，会产生一个正离子时，会产生一个正离子 产生的新电产生的新电子：子：n0ed-n0正离子沿电场运动，撞击正离子沿电场运动，撞击阴极造成二次电子发射阴极造成二次电子发射p 二次电子发射的形成过程二次电

47、子发射的形成过程自持放电条件自持放电条件p 物理意义：物理意义：一个电子一个电子从阴极到阳极途中因从阴极到阳极途中因电子崩（电子崩（过程）过程）而而造成的正离子数为造成的正离子数为 ed1 ，这批正离子在阴极上造成的二次，这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数自由电子数（过程）过程）应为应为 (ed1 ) ，如果它等于，如果它等于1，就意味，就意味着那个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。着那个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。n0(ed1) =n0 即：即：(ed1) 1为为自持放电条件自持放电条件u 当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所示当自持放电条件得

48、到满足时，就会形成图解中闭环部分所示的的循环不息循环不息的状态，放电就能的状态，放电就能自己维持自己维持下去。下去。3击穿电压击穿电压Ujc的计算的计算u 起始电压起始电压U0放电由非自持转为自持时的电压。放电由非自持转为自持时的电压。p 均匀电场中：起始电压均匀电场中：起始电压U0击穿电压击穿电压Ubu 将将计算式计算式 代入自持放电条件代入自持放电条件 ，并且考虑均，并且考虑均匀电场中自持放电的起始场强匀电场中自持放电的起始场强 得：得：u 结论：结论：均匀电场中气体的击穿电压均匀电场中气体的击穿电压Ub是气压和电极间距离乘是气压和电极间距离乘积（积（pd）的函数。）的函数。BPEAPe

49、()1e1d 00UEd0bb0()()In1In 1+()UUB pdUddUf pA p 均匀电场击穿电压的推导均匀电场击穿电压的推导)()11ln(lnsfsAsBUjcE均匀电场小气隙击穿电压的计算公式为：均匀电场小气隙击穿电压的计算公式为： 气体的相对密度； E电子所在点的气体的电场强度。 S极板之间的距离(cm)。 汤申德第三游离系数 A、B均为与气体性质有关的常数，对空气： A=10961kPa，B2738.40kVkPa；u结论：结论：均匀均匀电场中气体的电场中气体的击穿电压击穿电压Ujc是是气体分子的密气体分子的密度和电极间距度和电极间距离乘积（离乘积（ d）的函数。的函数。

50、 击穿电压与击穿电压与pd的规律在汤逊碰的规律在汤逊碰撞电离学说提出之前，巴申已撞电离学说提出之前，巴申已从实验中总结出来了，汤申德从实验中总结出来了，汤申德从理论上解释了试验结果。从理论上解释了试验结果。三、巴申三、巴申(Paschen)定律定律 巴申定律巴申定律u 从曲线可以看出，存在一个从曲线可以看出，存在一个最小值最小值，此时，此时击穿电压最低击穿电压最低u 假设假设d不变：不变：p 当气压很小时当气压很小时，气体稀薄，虽然电子自由，气体稀薄，虽然电子自由程大，可以得到足够的动能，但碰撞总数程大，可以得到足够的动能，但碰撞总数小，所以击穿电压升高小，所以击穿电压升高p 当气体增大时当气

51、体增大时，电子自由程变小，得到的，电子自由程变小，得到的动能减小，所以击穿电压升高。动能减小，所以击穿电压升高。u 总有一个气压对碰撞电离最有利，此时击总有一个气压对碰撞电离最有利，此时击穿电压最小穿电压最小 1.3 1.3 均匀电场大气隙的放电均匀电场大气隙的放电一、空间电荷对气隙电场的畸变一、空间电荷对气隙电场的畸变二、流注的形成二、流注的形成1.3 1.3 均匀电场大气隙的放电均匀电场大气隙的放电汤申德理论的适用于均匀场、低气压、短气隙均匀场、低气压、短气隙当当pdpd较大时，放电现象与较大时，放电现象与汤申德理论解释出现不符现象解释出现不符现象 放电外形放电外形 汤申德理论解释：汤申德

52、理论解释：放电外形均匀，辉光放电；放电外形均匀，辉光放电； pd大时的实际现象：大时的实际现象：外形不均匀，有细小分支的通道放电；外形不均匀，有细小分支的通道放电； 放电时间：放电时间： Tpd大大T汤逊汤逊 （相同距离）（相同距离） 击穿电压：击穿电压： Ubpd大大40cm ) )u 我国的国家标准规定的标准大气条件：我国的国家标准规定的标准大气条件：p 压力：压力：P0=101.3KPa（760mmHg）p 温度：温度：t0=20或或T0=293Kp 绝对湿度：绝对湿度：h0=11g/m3(每立方米水蒸气每立方米水蒸气11克）克）u 在实际试验条件下的气隙击穿电压在实际试验条件下的气隙击

53、穿电压U与标准大气条件下的击穿与标准大气条件下的击穿电压电压U0之间的换算关系：之间的换算关系： 式中：式中：Kd空气密度校正因数；空气密度校正因数； Kh湿度校正因数。湿度校正因数。0dhKUUKp 注意：空气密度的变化实注意：空气密度的变化实际上是际上是压力压力和和温度温度的变化的变化式中：式中： p气压气压，kPa； T温度温度，K 。（一）（一）空气密度的校正空气密度的校正u 空气的密度与压力和温度有关空气的密度与压力和温度有关2.9pT1. 空气的相对密度空气的相对密度2. 大气条件下，气隙的击穿电压随大气条件下，气隙的击穿电压随的增高而提高。的增高而提高。密度增加密度增加气体被压紧

54、，气气体被压紧，气隙之间距离很短隙之间距离很短虽然自由电子碰撞次数多，但虽然自由电子碰撞次数多，但自由行程短，碰撞有效性差自由行程短，碰撞有效性差电离数很低电离数很低击穿电压高击穿电压高Tp9.2PTTpssu 实验表明，当实验表明，当 处于处于0.951.05的范围内时，的范围内时，气隙的击穿电压气隙的击穿电压几乎与几乎与 成正比成正比，即此时的空气密度校正因数，即此时的空气密度校正因数 Kd ，因而，因而U U0举例举例在在p=755mmHgp=755mmHg，t=33t=330 0C C条件下测得一气隙的击穿电压峰值为条件下测得一气隙的击穿电压峰值为108kV108kV，试近似求取该气隙

55、在标准大气条件下的击穿电压值。，试近似求取该气隙在标准大气条件下的击穿电压值。 114kV760101.37559 . 2)33273(108pT9 . 2UU/UUU,Tp9 . 2PTTp:00ss 利用利用解解3. 对更长空气间隙来说，击穿电压与大气的关系并不是一对更长空气间隙来说，击穿电压与大气的关系并不是一种简单的线形关系。而是随电极形状、电压类型和气隙种简单的线形关系。而是随电极形状、电压类型和气隙长度而变化的复杂关系。长度而变化的复杂关系。u Kd 计算式计算式00273273mndtpKpt式中：式中：m 、n 与电极形状与电极形状、气隙长度、电压类、气隙长度、电压类型及极性有

56、关，值在型及极性有关，值在0.41.0的范围内变化的范围内变化（二）（二）湿度的校正湿度的校正 大气的湿度越大，气隙的击穿电压增高大气的湿度越大，气隙的击穿电压增高p 大气中的水分子能够俘获自由电子而形成负离子，对气体大气中的水分子能够俘获自由电子而形成负离子，对气体的放电过程起着抑制作用的放电过程起着抑制作用 均匀和稍不均匀电场中，湿度影响不太明显均匀和稍不均匀电场中，湿度影响不太明显p 均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场强均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场强度都很大，电子运动速度较快，不易被水分子俘获度都很大，电子运动速度较快，不易被水分子俘获 极不均匀电场中，

57、湿度影响很明显极不均匀电场中，湿度影响很明显p 极不均匀电场中，放电开始时，电场强度比较低，出现电极不均匀电场中，放电开始时，电场强度比较低，出现电晕放电，这时电子运动速度较慢，容易被水分子俘获晕放电，这时电子运动速度较慢，容易被水分子俘获p 修正式：修正式： Kh = k 式中：式中：k 与绝对温度和电压类型有关，指数与绝对温度和电压类型有关，指数 之值取决于电极形状、气隙长度、电压类之值取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。型及其极性。（三）（三）海拔高度的校正海拔高度的校正1. 海拔高度越大，气隙的击穿电压越低海拔高度越大，气隙的击穿电压越低u 海拔越高海拔越高空气越稀薄空气越稀薄

58、大气压力和相对密度越小大气压力和相对密度越小击穿电击穿电压降低压降低2. 我国国家标准规定：对于安装在海拔高于我国国家标准规定：对于安装在海拔高于1000m 、但不、但不超过超过4000m 处的电力设施外绝缘，处的电力设施外绝缘，其试验电压其试验电压U 应为平应为平原地区外绝缘的试验电压原地区外绝缘的试验电压Up 乘以海拔校正因数乘以海拔校正因数Ka U = Ka Up411.110aKH其其中中：式中：式中：H安装点的海拔高度，安装点的海拔高度，m。 某某110kV110kV电气设备的外绝缘应有的工频耐压（有效值）为电气设备的外绝缘应有的工频耐压（有效值）为260kV260kV，如该设备将安

59、装到海拔，如该设备将安装到海拔3000m3000m的地方运行，问出厂的地方运行，问出厂时（工厂位于平原地区）的试验电压应增大到多少？时（工厂位于平原地区）的试验电压应增大到多少？ 325kV26025. 1UKU25. 11030001 . 1110H1 . 11KUKU,10H1 . 11Kpa44apa4a 利用：利用：解解两个途径两个途径 改善电场分布，使之尽量均匀（内因）改善电场分布，使之尽量均匀（内因） 利用其它方法来削弱气体中的电离过程（外因）利用其它方法来削弱气体中的电离过程（外因）方法方法一、改善电场分布的方法一、改善电场分布的方法二、高气压的采用二、高气压的采用三、高真空的采

60、用三、高真空的采用四、高抗电强度气体的采用四、高抗电强度气体的采用 1.7 1.7 提高气隙击穿电压的措施提高气隙击穿电压的措施 一、改善电场分布的方法一、改善电场分布的方法 增大电极曲率半径减小表面场强。增大电极曲率半径减小表面场强。 如变压器套管端部加球形屏蔽罩如变压器套管端部加球形屏蔽罩 改善电极边缘改善电极边缘 电极边缘做成弧形电极边缘做成弧形 使电极具有最佳外形使电极具有最佳外形 如穿墙高压引线上加金属扁球；如穿墙高压引线上加金属扁球；一、改善电场分布的方法一、改善电场分布的方法u 极不均匀电场中击穿前发生电晕极不均匀电场中击穿前发生电晕放电，利用放电产生的放电，利用放电产生的空间电