高电压工程 02t课件

第一章电介质的基本电气特性

高电压工程基础

主讲教师：田翠华第一篇

高电压绝缘及试验1.1电介质的极化1.2电介质的电导1.3电介质的损耗1.4电介质的击穿2第一章

电介质的基本电气特性3452.1气体中带电粒子的产生与消失2.2汤逊气体放电理论2.3流注放电理沦2.4不均匀电场中气隙的放电特性6那些日常现象属于气体放电现象？7

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（空气）成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。例如：高压架空输电线路绝缘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体绝缘开始。

8气体放电：当作用在气体上的电压或者说电场强度超过某一临界值时，气体就会突然失去绝缘性能而发生放电现象。气隙的击穿：放电导致气体间隙短路气体放电种类：（电源的容量、气压、电场类型等因素决定）辉光放电：电源容量较小时，气隙间的放电则表现为充满整个间隙辉光放电；火花放电：在大气压下或者更高气压下，放电则表现为跳跃性的火花电弧放电：当电源容量较大且内阻较小时，放电电流较大，并出现高温的电弧局部放电（电晕放电）：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沿面放电：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；当沿面放电发展到使整个极间发生沿面击穿时称为沿面闪络。9气体中的放电工业应用：电火花加工、电弧冶炼、电晕除尘、水果及蔬菜保鲜、污水及废气的净化处理等研究气体放电的目的：了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程掌握气体介质的电气强度及其提高方法101、带电粒子的产生第一节气体中带电粒子的产生与消失电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。电离方式可分为：碰撞电离光电离热电离表面电离11（1）碰撞电离

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()有关．即

12式中：：电子的电荷量；：外电场强度；：电子移动的距离

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电离能，则会发生电离。因此，电离条件为：13

为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前必须经过的距离为：式中为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的相等

的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使值减少。可见提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。14（2）光电离当满足以下条件时，产生光电离式中：：光的波长；：光速；：气体的电离能光子来源外界高能辐射线气体放电本身15（3）热电离

常温下，气体分子发生热电离的概率极小；在高温下，热辐射光子的能量达到一定数值即可造成气体的热电离。热电离和碰撞电离及光电离是一致的，都是能量超过某一临界值的粒子或光子碰撞分子使之发生电离，只是直接的能量来源不同而已。在实际的气体放电过程中，这三种电离形式往往会同时存在，并相互作用，只是各种电离形式表现出的强弱不同。16（4）表面电离

当逸出功<<电离能时，阴极表面电离可在下列情况下发生：正离子撞击阴极表面光电子发射强场发射热电子发射17逸出功：使电子从金属表面逸出需要的能量。不同金属的逸出功不同，如表所示：一些金属的逸出功金属逸出功（eV）铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.318（5）气体中负离子的形成

附着：电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，也可能发生电子附着过程而形成负离子。

负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。19

电子亲合能：使基态的气体原子获得一个电子形成负离子时所放出的能量，其值越大则越易形成负离子。电子亲合能未考虑原子在分子中的成键作用，为了说明原子在分子中吸引电子的能力，在化学中引入电负性概念。

电负性：一个无量纲的数，其值越大表明原子在分子中吸引电子的能力越大。20卤族元素的电子亲合能与电负性数值212、带电质点的消失带电质点的消失（气体去电离）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；吸附效应。22（1）带电质点的扩散

带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。电子的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。（2）带电质点的复合

带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。23

气体放电现象与规律因气体的种类、气压和间隙中电场的均匀度而异。

但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到电子崩阶段。

第二节汤逊气体放电理论24（1）非自持放电和自持放电

宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓度的带电质点。因此，在气隙的电极间施加电压时，可检测到微小的电流。1、放电的电子崩阶段25

（1）在I-U曲线的OA段：气隙电流随外施电压的提高而增大，这是因为带电质点向电极运动的速度加快导致复合率减小。当电压接近时，电流趋于饱和，因为此时由外电离因素产生的带电质点全部进入电极，所以电流值仅取决于外电离因素的强弱而与电压无关均匀电场下气体间隙中电流与外施电压的关系26（2）在I-U曲线的B、C点：电压升高至时，电流又开始增大，这是由于电子碰撞电离引起的，因为此时电子在电场作用下已积累起足以引起碰撞电离的动能。电压继续升高至时，电流急剧上升，说明放电过程又进入了一个新的阶段。此时气隙转入良好的导电状态，即气体发生了击穿。27（3）在I-U曲线的BC段：虽然电流增长很快，但电流值仍很小，一般在微安级，且此时气体中的电流仍要靠外电离因素来维持，一旦去除外电离因素，气隙电流将消失。

28

因此，外施电压小于时的放电是非自持放电。电压达到后，电流剧增，且此时间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素了。外施电压达到后的放电称为自持放电，称为放电的起始电压。292、电子崩的形成

外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。

电子崩的示意图

电子崩的演示30因此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。

为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入：电子碰撞电离系数。表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完成的碰撞电离次数平均值。31

如图所示为平板电极气隙，板内电场均匀，设外界电离因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数为n0。计算间隙中电子数增长的示意图

由于碰撞电离和电子崩的结果，在它们到达x处时，电子数已增加为n，这n个电子在dx的距离中又会产生dn个新电子。32根据碰撞电离系数的定义，可得：分离变量并积分之，可得：

对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相同，值不随x而变化，所以上式可写成：33抵达阳极的电子数应为：

将式中的等号两侧乘以电子的电荷，可得电流关系式：途中新增加的电子数或正离子数应为：式中，34

式表明：虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子(令)，即变为零。353、影响碰撞电离系数的因素a）单位距离内产生碰撞的次数

若电子的平均自由行程为，则在1cm长度内一个电子的平均碰撞次数为。b）每次碰撞产生电离的概率碰撞电离概率与电子在场强E作用下走过自由行程x所积累的能量qEx（q为电子的电荷量）有关，即要产生碰撞电离，此能量至少应等于或大于气体分子的电离能Wi36

Ui为气体分子的电离电位这就是说，一个电子走过的自由行程x至少应等于临界自由行程xi才能产生电离。电子的平均自由行程等于或大于xi的概率为

即或上式可改写为37根据碰撞电离系数α的定义，即可得出：38当气体温度不变时，平均自由行程与气压p成反比，即代入上式，并令AUi=B，可得（A为与气体种类有关的比例常数）由上式不难看出：电场强度E增大时，急剧增大;

很大或很小时，都比较小。39

所以，在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。高气压时，很小，单位长度上的碰撞次数很多，但能引起电离的概率很小；低气压和真空时，很大，总的碰撞次数少，所以也比较小。404、汤逊理论

前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放电的。要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。

实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和气隙长度的乘积（）有关。值较小时自持放电的条件可用汤逊理论来说明；值较大时则要用流注理论来解释。41（1）

过程与自持放电条件由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电子。此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起阴极表面电离，统称为过程。为此引入系数。42设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于过程，电子总数增至个。因在对系数进行讨论时已假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（－1）个正离子。由系数的定义，此（－1）个正离子在到达阴极表面时可撞出（－1）个新电子，这些电子在电极空间的碰撞电离同样又能产生更多的正离子，如此循环下去。43自持放电条件为

：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数

：电子碰撞电离系数：两极板距离此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进入阳极后可以由及过程在阴极上又产生一个新的替身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。44（2）汤逊放电理论的适用范围

汤逊理论是在低气压、较小的条件下在放电实验的基础上建立的。过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了。

过小时，气压极低(过小在实际上是不可能的)，过小，远大于，碰撞电离来不及发生，击穿电压似乎应不断上升，但实际上电压U上升到一定程度后，场致发射将导致击穿，汤逊的碰撞电离理论不再适用，击穿电压将不再增加。45

过大时，气压高，或距离大，这时气体击穿的很多实验现象无法全部在汤逊理论范围内给以解释：放电外形；放电时间；击穿电压；阴极材料。

因此，通常认为，＞0.26cm(pd＞200

cm

•

mmHg)时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结果不再适用，但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有效的。46（3）巴申定律与适用范围

早在汤逊理论出现之前，巴申(Paschen)就于1889年从大量的实验中总结出了击穿电压与的关系曲线，称为巴申定律，即

(1-23)巴申定律47图中给出了空气间隙的与的关系曲线。从图中可见，首先，并不仅仅由决定，而是的函数；其次不是的单调函数，而是U型曲线，有极小值。

实验求得的均匀场不同气体间隙曲线48

不同气体，其巴申曲线上的最低击穿电压，以及使的值各不相同。对空气，的极小值为。此极小值出现在cm时，即的极小值不是出现在常压下，而是出现在低气压，即空气相对密度很小的情况下。

实验求得的均匀场不同气体间隙曲线49第三节流注放电理论

pd值较大的情况（流注）

实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。

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使原电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾处的电场。（1）流注的形成条件

电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。二次电子的主要来源是空间的光电离。50

电气设备中很少有均匀电场的情况。但对不均匀电场还要区分两种不同的情况，即稍不均匀电场和极不均匀电场。全封闭组合电器(GIS)的母线筒和高压实验室中测量电压用的球间隙是典型的稍不均匀电场；高压输电线之间的空气绝缘和实验室中高压发生器的输出端对墙的空气绝缘则属于极不均匀电场。1.

稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分第四节不均匀电场中气隙的放电特性51

为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数f，表示为：:最大电场强度:平均电场强度f<2时为稍不均匀电场,f>4属不均匀电场。522.

极不均匀电场的放电特征电晕放电

在极不均匀场中，当电压升高到一定程度后，在空气间隙完全击穿之前，大曲率电极(高场强电极)附近会有薄薄的发光层，这种放电现象称为电晕。

电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压，而此时电极表面的场强称为电晕起始场强。533、极不均匀电场中放电的极性效应

在电晕放电时，空间电荷对放电的影响已得到关注。由于高场强电极极性的不同，空间电荷的极性也不同，对放电发展的影响也就不同，这就造成了不同极性的高场强电极的电晕起始电压的不同，以及间隙击穿电压的不同，称为极性效应。54（1）棒－板间隙这种典型的极不均匀场

正棒－负板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场畸变作用－外电场－空间电荷电场

当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩，如图所示。随着电压的逐渐上升，到形成自持放电爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。55

当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，这样就减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。因此，棒极附近的电场被削弱，难以形成流注，这就使得放电难以得到自持。56

当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩，当电子崩