电介质的损耗及带电质点的产生和消失

1、1.3 电介质的损耗电介质的损耗一、基本概念一、基本概念在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导损电导损耗耗和和有损极化有损极化（偶极子、夹层极化）（偶极子、夹层极化）损耗损耗，总称，总称介质损耗介质损耗。 直流下：直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电还没有达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不导组成，所以可用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这个概念。必再引入介

2、质损耗这个概念。交变电场：交变电场：电介质能量损耗包括电导损耗（通过电介质的电介质能量损耗包括电导损耗（通过电介质的贯穿性泄漏电流所引起）和极化损耗（交流电压下由周期贯穿性泄漏电流所引起）和极化损耗（交流电压下由周期性极化所引起）。性极化所引起）。二、介质损耗分析二、介质损耗分析CRIII交流时流过电介质的电流：交流时流过电介质的电流：tantancos2CUUIUIUIPCR由上式可见，介质功率损耗由上式可见，介质功率损耗P与试验电压、被试品尺寸等因与试验电压、被试品尺寸等因素有关，不同试品间难以互相比较；而对于结构一定的被试素有关，不同试品间难以互相比较；而对于结构一定的被试品，在外施电压

3、一定时，介质损耗只取决于品，在外施电压一定时，介质损耗只取决于tan 。 tan 被称为介质损耗角正切，它只与介质本身特性有关，被称为介质损耗角正切，它只与介质本身特性有关，与材料尺寸无关，因而不同试品的与材料尺寸无关，因而不同试品的tan 可相互比较。可相互比较。 对同类试品绝缘的优劣可用对同类试品绝缘的优劣可用tan 来代替来代替P对绝缘进行判断。对绝缘进行判断。实际上，电导损耗和极化损耗都同时存在。实际上，电导损耗和极化损耗都同时存在。介质等值电路可用三个并联支路表示：介质等值电路可用三个并联支路表示： C0：反映电子式和离子式极化；：反映电子式和离子式极化；Ca、ra：反映吸收电流，表

4、：反映吸收电流，表示有损极化；示有损极化；Rg：反映电导损耗，该支路流过的电流为泄漏：反映电导损耗，该支路流过的电流为泄漏电流。电流。有损介质的等值电路分析可用并联等效电路或串联等效电路有损介质的等值电路分析可用并联等效电路或串联等效电路RCCURUIItgppcrp1/tgCURUPpp22rCCIIUUtgssrcrs/2221tgtgCUrIPss21tgCCPPspsp：表征单位体积均匀介质内能量损失的大小表征单位体积均匀介质内能量损失的大小 三、影响介质损耗的因素三、影响介质损耗的因素1、气体的介质损耗、气体的介质损耗 UU0时仅有很小的电导损耗，且与时仅有很小的电导损耗，且与U无关

5、；无关；UU0，有游离、局放、电晕损耗等，有游离、局放、电晕损耗等，U tan 2、液体的介质损耗、液体的介质损耗 与与的关系：的关系： UU0时，仅有很小的电导损耗；时，仅有很小的电导损耗；U U0后，液体分子发生游离，电导迅速增大；后，液体分子发生游离，电导迅速增大；（1） 中性或弱极性液体介质中性或弱极性液体介质与与的关系：随温度上升按指数规律增大。的关系：随温度上升按指数规律增大。损耗主要由电导引起损耗主要由电导引起（2） 极性液体介质极性液体介质电导和极化损耗电导和极化损耗随随变化的关系与中性或弱极性相同变化的关系与中性或弱极性相同;与与的关系：的关系：TCT1C：电导和极化损耗较小

6、，电导和极化损耗较小，TC电导损耗电导损耗& 粘度下降极化粘度下降极化极化损耗极化损耗 tan T1C TCT2C： 分子热运动加快妨碍偶极子转向分子热运动加快妨碍偶极子转向极化损耗极化损耗&电导损耗电导损耗 tan TCT2C：电导损耗电导损耗& 极化损耗极化损耗 tan 与与的关系：的关系：较低较低f：f极化极化tan 较高较高f：f偶极子转向困难偶极子转向困难tan3、固体的介质损耗、固体的介质损耗 (1) 无机绝缘材料：无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃云母、陶瓷、玻璃 由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，是由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，是理想的电机绝缘材料，但机械性能差

7、；理想的电机绝缘材料，但机械性能差； 既有电导损耗，又有极化损耗；既有电导损耗，又有极化损耗；20C和和50Hz时时25； 电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分tan 有关。有关。 (2) 有机绝缘材料：有机绝缘材料：分为分为和和非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导；非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导； 极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。 第二章第二章 气体电介质的击穿特性气体电介质的击穿特性2.1 2.1 带电质点的产生和消失带电质点的产生和消失带电质点：带电质点： 正离子、负离子、电子正离子、负

8、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）：外界以某种方式给处于某一能级轨道上的游离（电离）：外界以某种方式给处于某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

9、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自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离。撞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传递给气体分子引起游离的过程。引起游离的过程。碰撞游离条件：当电子从电场获得的动能大于或等于气体碰撞游离条件：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分子的游离能时，就可能使气体分子分裂为电子或

10、正离子? 碰撞游离主要由电子和气体分子碰撞所引起。碰撞游离主要由电子和气体分子碰撞所引起。气体中，电子和离子的自由行程是它们和气体分子发生碰气体中，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。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

11、生的电子称为光电子光游离产生的电子称为光电子来源：来源：x射线、射线、射线、宇宙射线、紫外线等射线、宇宙射线、紫外线等异号带电质点复合成中性质点释放出光子异号带电质点复合成中性质点释放出光子条件：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概率极小。常温下，气体分子发生热游离概率极小。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

12、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。? 气体中的主要游离形式为碰撞游离气体中的主要游离形式为碰撞游离正离子碰撞阴极表面；正离子碰撞阴极表面；短光波照射；短光波照射； 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

13、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还原为分子的过程。传递而相互中和还原为分子的过程。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 带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域的性质带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域的性质 在外电场作用下，气隙中的正、负电荷分别向两电极定向在外电场作用下，气隙中的正、负电荷分别向两电

14、极定向移动的现象移动的现象2.2 2.2 均匀电场中气体的击穿过程均匀电场中气体的击穿过程一、非自持放电和自持放电一、非自持放电和自持放电 气体放电实验的伏安特性曲线气体放电实验的伏安特性曲线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

15、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，因为这时外界游离因子所产生的带电质点几乎能全部抵达电极，所以游离因子所产生的带电质点几乎能全部抵达电极，所以电流值电流值仅取决于游离因子的强弱而与所加电压无关。仅取决于游离因子的强弱而与所加电压无关。 实验分析实验分析 voa段：电流随电压升高而升高段：电流随电压升高而升高 vab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 vbs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) ) vs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

16、持) )如果取消外游离因素，电流也将如果取消外游离因素，电流也将消失，这类依靠外游离因素的作消失，这类依靠外游离因素的作用而维持的放电叫用而维持的放电叫非自持放电非自持放电。外施电压到达外施电压到达U0后，后，气隙中游离气隙中游离过程只靠外施电压已能维持，不过程只靠外施电压已能维持，不再需要外游离因素的放电称为再需要外游离因素的放电称为自自持放电持放电，U0称为称为起始放电电压起始放电电压。（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，如果空间电场

17、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）电子崩发展到阳极后的新游离（二）电子崩发展到阳极后的新游离电子崩发展到阳极，其崩头的电子进入阳极中和，崩体内电子崩发展到阳极，其崩头的电

18、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。若气隙上的电压较低，的正离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，则正离子撞击阴极板时从阴极逸出的电子将全场强较小，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，阴极表面游离不出自由电子。此时若取部和正离子复合，阴极表面游离不出自由电子。此时若取消外界游离因素，气隙中将没有产生新电子崩的电子，放消外界游离因素，气隙中将没有产生新电子崩的电子，放电会停止。电会停止。此即是此即是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的动能大，能大，撞击阴极

19、表面撞击阴极表面时就能使其逸出自由电子，此时即使时就能使其逸出自由电子，此时即使取消外界游离因素，阴极表面游离出的电子可弥补原来发取消外界游离因素，阴极表面游离出的电子可弥补原来发展电子崩的那个电子，产生新的电子崩，使放电继续进行展电子崩的那个电子，产生新的电子崩，使放电继续进行下去。下去。此即是此即是自持放电自持放电。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

20、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：1. 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因过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。素是汤逊理论的基础。 2. 2. 汤逊理论的实质是：电子碰撞游离是气体放电的主要原汤逊理论的实质是：电子碰撞游离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面因，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，逸出电子是维持气体放电的必要条件。 3. 3. 阴

21、极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。据。总结：总结：（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 (d)。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，也的同时，也相应改变密度相应改变密度而使而使d d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

22、性分析、定性分析 (1) d一定时：一定时： a、较小时：较小时：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降低气压到真空气压到真空，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。这一概念具有十分重要的实用意义。十分重要的实用意义。 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、真空开关等(2) 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

23、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。 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、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d d 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； 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

24、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d0.26cmd0.26cm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：

25、空间电荷对原有电场的影响空间电荷对原有电场的影响 空间光空间光游离游离的作用的作用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，此处弱电场区，此处电子和离子浓度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

26、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

27、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 a、起始电子发生碰撞游离形、起始电子发生碰撞游离形成成初始电子崩初始电子崩； b b、初崩发展到阳极，正离子、初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，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 c、光游离产生二次电子，在、光游离产生二次电子，在加强的局部电场作用下形加强的局部电场作用下形成成二次崩二次崩；d d、二次崩电子与正空间电荷汇、二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部又有合成流注通道，其端部又有二次崩