资料：高电压前4章复习

第一章：电介质的基本电气特性1、 电介质的极化：在外加电场作用下，电介质中的正负电荷将沿着电场方向做有限的位移或者转向，形成力矩，这种现象叫做电介质的极化。2、 极化的基本形式：（1） 电子式极化（这个过程主要是由电子在电场作用下的位移所造成，故称为电子式极化）。其特点：电子式极化存在于所有电介质中；由于电子异常轻小，因此电子式极化所需时间极短，其极化响应速度最快，通常相当于紫外线的频率范围；电子式极化具有弹性；电子式极化消耗的能量可以忽略不计，因此称之为“无损极化”。（2） 离子式极化在离子式结构的电介质中，当有外电场作用时，则除了促使各个离子内部产生电子式极化之外，还将产生正负离子的相对位移，使正负离子按照电厂的方向进行有序排列，形成极化，这种极化称为离子式极化。其特点：不受频率影响，可在所有频率范围内发生；极化是弹性的；消耗的能量亦可忽略不计。（3） 偶极子式极化。在极性分子结构的电介质中，当有外电场作用时，偶极子受到电场力的作用而转向电场的方向，这种极化被称为偶极子式极化，或转向极化。其特点：为有损极化，而且极化时间也较长；受频率影响很大，频率增加，er减小；温度对极性电介质的er也有很大影响，在T<Tw时，随着T增大会使分子间作用力下降，导致er增大，在T>Tw时，T增大会导致分子热运动增大，从而er下降。（4） 空间电荷极化。特点：消耗能量，为有损极化；仅在低频下发生，相当于电导。（5） 夹层极化。夹层介质在外电场作用下的极化称为夹层极化，其极化过程特别缓慢，所需时间由几秒到几十分钟，甚至更长，且极化过程伴随着有较大的能量损失，属于有损极化。或分为两大类：有损极化和无损极化。无损极化包括电子式极化和离子式极化，有损极化包括偶极子式极化和空间电荷极化。夹层极化是空间电荷极化的一种特殊形式。3、 吸收现象：当直流电压U加在固体电介质时，通过介质中的电流将随时间而衰减，最终达到某一稳定值，这种现象称为吸收现象。吸收现象的产生是由电介质的极化引起。4、 吸收比：工程上通过测量加上直流电压后t=15s和t=60s时流过介质的电流之比来反映吸收现象的强弱，此比值即为介质的吸收比K。即：K=I15s/I60s=R60s/R15s5、 电介质的电导与金属的电导有着本质的区别：电介质的电导属于离子式电导，随温度的升高按指数规律增大；金属的电导是电子式电导，随温度的升高而减小。R60s可作为稳态绝缘电阻值Rs。6、 电介质的能量损耗称为介质损耗，包括电导损耗和极化损耗。电介质在电场作用下存在损耗，其中气体电介质的损耗可以忽略不计。在直流电压作用下电介质的损耗仅为由电导引起的电导损耗，而交流电压作用下电介质的损耗既有电导损耗，又有极化损耗。因此，电介质在交流电压作用下的损耗远大于其直流电压下的损耗。7、介质损耗因数 甲是通过介质的电流与所加电压间的相位角，即电路的功率因数角，&是甲的余角，称之为介质损耗角。8、 影响介质损耗的因素：（1） 不同的介质，其损耗特性不同（2） 中性或弱性介质的损耗主要由电导引起，tgS较小（3） 对于极性液体介质，由于偶极子转向极化引起的极化损耗较大，所以tgS较大，而且tgS与温度、频率均有关。当温度t<t1时，由于温度较低，电导损耗和极化损耗都很小，随着温度的升高，材料的粘滞性减小，有利于偶极子的转向极化，使极化损耗显著增大，同时电导损耗也随着温度的升高而有所增大，所以在这一范围内tgS随温度的升高而增大。当t1<t<t2时，随着温度的升高，分子的热运动加快，从而又妨碍了偶极子在电场作用下进行有规则的排列，因此，极化损耗随着温度的升高而减小。由于这一温度范围内，极化损耗的减小要比电导损耗得增加更快，所以总的tgS曲线随着温度的升高而减小。当t>t2时，由于电导损耗随着温度的升高而急剧增加，极化损耗相对来说已不占主要部分，因此，tg8重新又随着温度的升高而增大。（4） 电源频率增高时tgS的极大值出现在较高的温度。当f2>f1，当电源频率增高时，偶极子的转向来不及充分进行，要使极化进行的充分，就必须减小粘滞性，也就是说要升高温度，所以整个曲线往右移。（5）电场对介质的tgS有直接的影响。第二章：气体放电的基本理论1、 气体电离的基本形式有：（在气体电离的四种形式里，碰撞电离是最基本的电离形式，而电子是碰撞电离中的最活跃因素）（1） 碰撞电离。气体中存在散在的电子和离子，在电场作用下，这些散在的带电粒子被加速而获得动能，当它们的动能积累到一定数值后，在和中性的气体分子分省碰撞时，有可能是后者发生电离，这种电离过程称为碰撞电离。发生碰撞电离的条件为：eEx>Wi，或x>Ui/E，式中Ui为气体分子的电离电位。电子是碰撞电离的主导因素。（2） 光电离。由光辐射引起的气体分子的电离称为光电离。（3）热电离。因气体热状态引起的电离过程称为热电离。（4）表面电离。气体中的电子也可以由电场作用下的金属表面发射出来，称为金属电极表面电离。2、 平均自由行程：一个质点在每两次碰撞之间自由通过的距离叫自由行程。3、 气体去电离的基本形式有：（1）带电粒子向电极定向运动并进入电极形成回路电流，从而减小了气体中的带电粒子。（2）带电粒子的扩散（3）带电粒子的复合。（4）吸附效应。某些气体的中性分子或原子具有较强的亲合力，当电子与其碰撞时，便被吸附其上形成负离子，同时放出能量，这种现象称为吸附效应。4、 放电导致气体间隙短路时称为气隙的击穿。气体放电的形式：当气压较低，电源容量较小时，气隙间放电表现为充满整个间隙的辉光放电；在大气压下或者更高气压下，放电则表现为跳跃性的火花，称为火花放电；当电源容量较大且内阻较小时，放电电流较大，并出现高温的电孤，称为电孤放电；在极不均匀电场中，还会在间隙击穿之前，只在局部电场很强的地方出现放电，但这时整个间隙并未发生击穿，称为局部放电（高压输电线路导线周围出现的电晕放电就属于局部放电）。在气体介质与固体介质的交界面上沿着固体介质的表面而发生在气体介质中的放电，称为沿面放电。5、 汤逊放电试验中电流与电压的关系图：（1） 线性段oa；在空间宇宙射线的作用下，大气中不断有电离产生，同时又不断有带电粒子的复合，这两种过程达到某种动态平衡时，致使大气中有一些散在的正负带电粒子存在。当极板上加上直流电压后，这些带电粒子分别向两极运动，形成电流，起初，随着电压的升高，带电粒子的运动速度增大，电流随之增大，二者基本呈线性关系。（2） 饱和段ab；a点后，在单位时间内由外界电离因素所产生的有限带电粒子已全部参与了导电，故电流无明显增加，而趋于饱和。（3） 电离段bc；汤逊认为，当到达b点以后，此间随着电压的升高，间隙中的电场强度增加，气体中电子的碰撞电离形成了电子崩，产生了大量的新的带电粒子，参与了导电。电压越高，碰撞电离越强，电子崩效果越明显，产生的电子越多，电流也越大，直到c点，因此bc段也称为汤逊放电阶段。C点以前的放电则称为非自持放电。（4） 自持放电段（c点以后）：强烈的电离过程所产生的热和光进一步增强了气体的电离因素，以致于电离过程达到了自我维持的程度，而不是依靠外界电离因素，仅由电场的作用维持放电过程，这种放电称为自持放电，气体一旦进入自持放电，就意味着被击穿。6、 电子崩：是指电子在电场作用下从阴极奔向阳极的过程中与中性分子碰撞发生电离，电离的结果产生出新的电子，新生电子又与初始电子一起继续参与碰撞电离，从而使气体中的电子数目由1变为2,又由2变为4而急剧增加，这种迅猛发展的碰撞电离过程犹如高山上发生地雪崩，因此称为电子崩。5、 汤逊气体放电理论解释气体放电：汤逊放电理论认为气体中电子的碰撞电离引起了电子崩，产生了大量的带电粒子——电子，电压越高，产生的电子越多，电流也越大；并且电子崩发展到贯通两极时，正离子返回阴极的同时在阴极上产生了二次电离过程，取得了形成后继电子崩所需要的二次电子，从而实现了自持放电。6、 自持放电条件（Y（ead-1）>1）的物理意义：正离子返回阴极所产生的二次电子大于等于初始电子，则初始电子就可以得到接替，使后继电子崩不需要依靠其他外界电离因素而靠放电过程自身就能自行得到发展。7、 气体和液体电介质属于自恢复绝缘，固体电介质属于非自恢复绝缘。8、 气体放电的根本原因在于气体中发生了电离的过程，在气体中产生了带电粒子；而气体具有自恢复绝缘特性的根本原因在于气体中存在去电离的过程，它使气体中的带电粒子消失。9、 放电由非自持转为自持时的电场强度称为起始放电场强，相应的电压称为起始放电电压。在均匀电场中，它们就是气隙的击穿场强和击穿电压；在不均匀电场中，起始放电电压低于击穿电压。10、 巴申定律的Ub最小点分析：（1） 设d不变，改变气压p。当p增大时，碰撞次数将增加，然而碰撞电离的概率却减小，电离不易进行，所以Ub必然增大；反之，当p减小时，这时虽然碰撞电离的概率增大了，但碰撞次数却减小了，因此Ub也会增大。所以在这两者之间总会有一个合适的p值对造成碰撞电离最为有利，此时可使Ub最小。（2） 设p不变，改变d值。d增大，想得到一定的电场强度，电压就必须增大；当d值减小时，电场强度增大，但电子在走完全程中所发生的碰撞次数减小，同样也会使Ub增大，所以在这两者之间也同样存在一个d值对造成碰撞电离最为有利，此时Ub最小。11、 流注放电理论解释气体放电：流注理论认为电子的碰撞电离和空间光电离是形成自持放电的主要因素。初始电子崩头部的空间电荷数量达到某一临界值时，使电场得到足够的畸变和加强，并造成足够的空间光电离，电离出的新生电子迅即跑向初崩的正离子群中与之汇合，形成充满正负粒子的等离子通道，这个通道称为流注。流注迅速向前发展（流注阶段），一旦把两极接通，就将导致完全击穿，这一击穿过程称为流注放电的主放电阶段。12、 流注放电的条件（自持放电的条件）是初始化电子崩头部的空间电荷数量必须达到某一临界值，才能使电场得到足够的畸变和加强，并造成足够的空间光电离。13、 汤逊理论与流注理论的不同点：流注理论认为电子的碰撞电离和空间光电离是形成自持放电的主要因素；而汤逊理论则没有考虑放电本身所引发的空间光电离对放电过程的重要作用。同时，流注理论特别强调空间电荷对电场的即便作用。汤逊理论适用于低气压短间隙的放电过程；流注理论适用于高气压长间隙和不均匀电场中的气体放电现象。简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程、电离因素以及自持放电条件的观点有何不同？答：汤逊理论理论实质：电子碰撞电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。所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。流注理论认为形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，流注理论认为二次电子的主要来源是空间的光电离。14、 极不均匀电场的典型实例是“棒一板”间隙和“棒一棒”间隙。极不均匀电场气隙电压的极性是以曲率半径较小的那个电极的极性为极性，如果两个电极几何形状相同，如棒棒间隙则以不接地的那个电极的极性为极性。15、 自持放电只能局限在棒电极附近一个不大的区域中发生，把这种局部放电称为电晕放电。开始出现电晕放电的电压称为电晕起始电压。电晕：在极不均匀电场中，气隙完全被击穿以前，电极附近会发生电晕放电，产生暗蓝色的晕光，这种特殊的晕光是电极表面电离区的放电过程造成的。在外电离因素和电场作用下，产生了激发、电离、形成大量的电子崩，在此同时也产生激发和电离的可逆过程-复合，这就是电晕。16、 极不均匀电场中气隙放电的极性效应：以棒板间隙为例，（1）当棒极是正极性时：在电场强度最大的棒极附近首先形成电子崩，电子崩的电子迅速进入棒极，留下来的正空间电荷则消弱棒极附近的电场，从而使电晕起始电压有所提高。然而正空间电荷却加强了正离子外部空间的电场，当电压进一步提高，随着电晕放电区域的扩展，强电场区域亦将逐渐向板极方向推进，一些电子崩形成流注，并向间隙深处迅速发展。因此，棒板间隙的正极性击穿电压较低，而其电晕起始电压相对较高。（2）当棒极是负极性时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，电子崩中的电子向板极运动，滞留在棒极附近的正空间电荷虽然加强了棒极表面附近的电场，但却消弱了外面空间朝向板极方向的电场，使电晕区不易朝外扩展，放点比较困难，因此，棒板间隙的击穿电压较高，然而，正空间电荷加强了棒极附近表面附近的电场，所以使棒板间隙的电晕起始电压相对较低。17、 解释a、°、y、n系数的定义。答：a系数：它代表一个电子沿着电场方向行径1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。°系数：一个正离子沿着电场方向行径1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。Y系数：表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属平均释放出的自由电子数。n系数：即一个电子沿电场方向行径1cm时平均发生的电子附着次数。18、 均匀电场和极不均匀电场气隙放电特性有何不同？答：在均匀电场中，气体间隙内流注一旦形成，放电达到自持的程度，气隙就被击穿。不均匀电场分稍不均匀和极不均匀，在同样极间距离时稍不均匀电场的击穿电压比均匀电场的均匀电场气隙的要低，在极不均匀电场气隙中自持放电条件即是电晕起始条件，由发生电晕至击穿的过程还必须升高电压才能完成。19、对极间距离相同的正极性棒-板、负极性棒-板、板-板、棒-棒四种电极布局的气隙直流放电电压进行排序？答：负极性棒-板最高，其次是棒-棒和板-板，最小的是正极性棒-板。第三章：气体电介质的击穿特性1、 气隙在稳态电压作用下的击穿电压也称为静态击穿电压Uo。均匀电场气隙在稳态电压下击穿特性：无电晕、无极性效应、分散性小、波形影响小，且遵从巴申定律。2、 雷电放电所形成的电压具有单次脉冲性质，通常称为雷电冲击电压。3、 U50%：即50%冲击击穿电压，是指当击穿概率等于50%时的电压即称为气隙的50%击穿电压。4、 伏秒特性：工程上用气隙击穿期间出现的冲击电压的最大值和放电时间的关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。把这种表示击穿电压和放电时间关系的“电压-时间”曲线称为伏秒特性曲线。5、 大气条件对气隙击穿电压的影响：大气的压力、温度、和湿度都会影响空气的密度、电子自由行程、碰撞电离及吸附效应。因而应对空气密度、湿度、海拔高度进校校正。6、 提高气隙击穿电压的方法及为什么这些措施能提高气隙击穿电压：（1） 改善电场分布。电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强越大。因此通过改进电极形状或采用屏蔽罩来增大电极的曲率半径，对电极表面进行抛光，除去毛刺和尖角等，来减小气隙中的最大电场强度，改善电场分布，使之尽可能趋于均匀，从而提高气隙的电晕起始电压和击穿电压。（2） 采用绝缘屏障。由于气隙中的电场分布和气体放电的发展过程都与带电粒子在气隙中的产生、运动、分布状态密切相关，所以在气隙中放置形状适当、位置合适、能有效阻拦带电粒子运动的绝缘屏障能有效的提高气隙的击穿电压。（屏障在均匀或稍不均匀电场的场合就难以发挥作用了）（3） 采用高气压。由巴申定规则知道，提高气体压力可以提高气隙的击穿电压。这是因为气压提高后气体的密度增大，减小了电子的平均自由行程，从而消弱了电离过程。（4） 采用高抗电强度的气体。在气体介质中，有一些含有卤族元素的强电负性气体，如SF6，氟利昂（CCL2F2）等，因其具有强烈的吸附效应，所以在相同的压力下具有比空气高得多的抗电强度，采用这些高抗电强度的气体来代替空气可以大大提高气体间隙的击穿电压。（5） 采用高真空。根据巴申曲线，采用高度真空可以大大减弱间隙中的碰撞电离过程而显著地提高间隙的击穿电压。真空间隙的击穿电压大致与间隙距离的平方根成正比。7、 电晕放电的基本特点（会使波衰减及变形）：（1）具有声、光、热等效应；（2）在尖端或电极的某些突起处，电子和离子在局部强电场的驱动下高速运动并与气体分子交换能量，形成所谓的“电风”，引起电极或导线的振动；（3）电晕产生的高频脉冲电流会造成对无线电的干扰；（4）在空气中产生臭氧O3及NO或NO2，在其他气体中也会产生许多化学反应；（5）电晕的某些效应也有可利用的一面。8、 沿面闪络：在固体介质和空气的交界面上产生的沿面放电一旦发展到使整个极间发生沿面击穿时，即造成沿面闪络。固体绝缘实际耐受电压的能力并非取决于固体介质本身的击穿电压，而是取决于它的沿面闪络电压。9、 法兰套管：（套管法兰附近电力线最密、电场最强）电晕放电——（许多平行的火花细线组成的光带）刷状放电（仍属于辉光放电）一一滑闪放电（个别火花细线则会迅速伸长，转变为分叉的树枝状明亮火花通道在不同位置上交替出现）一一沿面闪络（电火花伸长到另一电极）在工频交流电压作用下，高压套管的沿