电介质的电气强度综述课件

高压高压技术技术 电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为：气体介质液体介质固体介质电介质的电气强度电介质的电气强度第一篇第一篇高压高压技术技术在在电气设备中电气设备中:外绝缘:一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成。内绝缘:一般由固体介质和液体介质联合构成。高压高压技术技术 在电气作用下，电介质中出现的电气现象可分为两大类:弱电场电场强度比击穿场强小得多 极化、电导、介质损耗等强电场电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强放电、闪络、击穿等高压高压技术技术u 第一章 气体的绝缘特性与介质的电气强度 u 第二章 液体的绝缘特性与介质的电气强度 u 第三章 固体的绝缘特性与介质的电气强度 本 篇 内 容高压高压技术技术一、研究气体放电的目的一、研究气体放电的目的1 1、了解气体在高电压（强电场）作用下，由电介质、了解气体在高电压（强电场）作用下，由电介质演变成导体的物理过程。演变成导体的物理过程。2 2、掌握气体介质的电气强度用户其提高方法、掌握气体介质的电气强度用户其提高方法 。第一章气体电介质的击穿高压高压技术技术 电气设备中常用电气设备中常用 的气体介质的气体介质：空气、压缩的高电气强度气体（如空气、压缩的高电气强度气体（如SF6SF6）空气在正常情况下导电率很小，为良空气在正常情况下导电率很小，为良绝缘体。但气体间隙上的电压过高时，气绝缘体。但气体间隙上的电压过高时，气体会由绝缘状态转变为良导体，这中现象体会由绝缘状态转变为良导体，这中现象叫叫击穿击穿 。二、气体介质击穿二、气体介质击穿高压高压技术技术击穿电压击穿电压：气体间隙击穿时的最低临界电压。：气体间隙击穿时的最低临界电压。击穿场强击穿场强：均匀电场中击穿电压与间隙距离：均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。之比。平均击穿场强平均击穿场强：不均匀电场中击穿电压与间：不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。隙距离之比。击穿场强击穿场强是表征气体间隙是表征气体间隙绝缘性能绝缘性能的重的重要参数。要参数。高压高压技术技术 气体放电气体放电：气体中流通电流的各种形式。：气体中流通电流的各种形式。因气体压力、电源功率、电极开关等因气体压力、电源功率、电极开关等因素的影响，放电具有多种形式。因素的影响，放电具有多种形式。辉光放电辉光放电：气压较低，电源功率很小：气压较低，电源功率很小时，放电充满整个间隙。时，放电充满整个间隙。三、气体放电的形式三、气体放电的形式高压高压技术技术火花放电火花放电：大气压力下，电源功率较小：大气压力下，电源功率较小时，间隙间歇性击穿，放电通道细面明时，间隙间歇性击穿，放电通道细面明亮亮电弧放电电弧放电：大气压力下，电源功率比较：大气压力下，电源功率比较大时，放电具有明亮、持续的细致通道。大时，放电具有明亮、持续的细致通道。电晕放电电晕放电：极不均匀电场中，高电场强：极不均匀电场中，高电场强度电极附近出现发光薄层。度电极附近出现发光薄层。高压高压技术技术本节内容：1.1.1 1.1.1 带电质点的产生带电质点的产生1.1.2 1.1.2 带电质点的消失带电质点的消失1.1.3 1.1.3 电子崩与汤逊理论电子崩与汤逊理论1.1.4 1.1.4 巴申定律与适用范围巴申定律与适用范围1.1.5 1.1.5 不均匀电场中的气体放电不均匀电场中的气体放电高压高压技术技术第一节第一节 气隙中带电质点的产生和消失气隙中带电质点的产生和消失原子的激发和游离原子的激发和游离气体间隙中带电质点的产生气体间隙中带电质点的产生气体间隙中带电质点的消失气体间隙中带电质点的消失高压高压技术技术一、原子的激发和电离 产生带电质点的物理过程称为电离，是气体产生带电质点的物理过程称为电离，是气体放电的首要前提放电的首要前提1 1、激发：当原子获得外部能量，一个或若干个外层、激发：当原子获得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象，电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象，激发需要激发需要外界给原子一定的能量外界给原子一定的能量，称为激发，称为激发能。能。注意注意：但是激发是非常不稳定的，电子跃迁：但是激发是非常不稳定的，电子跃迁到较高能级后，很快就会回到原来的轨道上去，到较高能级后，很快就会回到原来的轨道上去，同时会把在激发时吸收的能释放出去，这种能是同时会把在激发时吸收的能释放出去，这种能是以光的形式辐射出去，我们叫光子。以光的形式辐射出去，我们叫光子。高压高压技术技术2 2、电离电离：若原子从外界获得的能量足：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几个电子摆脱原够大，以致使一个或几个电子摆脱原子核的束缚形成子核的束缚形成 电子和正离子，这电子和正离子，这一过程称为电离。一过程称为电离。高压高压技术技术二、气体间隙中带电质点的产生二、气体间隙中带电质点的产生1 1、气体分子本身的电离（空间电离）、气体分子本身的电离（空间电离）（1 1）碰撞电离）碰撞电离 气体中带电质点在电场中获得加速后气体中带电质点在电场中获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者引起和气体分子碰撞时，把动能传给后者引起电离。它和电场的大小和自由行程有关。电离。它和电场的大小和自由行程有关。自由行程自由行程：一个带电质点在两次碰撞之：一个带电质点在两次碰撞之间自由通过的平均距离。和气体的密度有间自由通过的平均距离。和气体的密度有关。密度大，不容易发生电离，密度小，关。密度大，不容易发生电离，密度小，易发生电离易发生电离高压高压技术技术（2 2）光电离光电离：光辐射引起的电离光辐射引起的电离 光的波长光的波长cc光速光速WiWi 光子的能量光子的能量h h 普克常数普克常数高压高压技术技术 (3)(3)热电离热电离：由气体的热状态引起的电离。它的实：由气体的热状态引起的电离。它的实质是由热状态下引起的碰撞电离和光辐射下引起质是由热状态下引起的碰撞电离和光辐射下引起的光电离。的光电离。气体分子的平均动能气体分子的平均动能 T T：气体的温度，以绝对温度计（：气体的温度，以绝对温度计（K K）K K：波尔茨曼常数：波尔茨曼常数 K=1.38K=1.3810-23J/K 只有当在一定温度下才能引起热电离。只有当在一定温度下才能引起热电离。高压高压技术技术2 2、气体中金属、气体中金属表面的电离表面的电离 指阴极发射电子的过程，称电极表面指阴极发射电子的过程，称电极表面的电离。的电离。逸出功：逸出功：表面电离所需能量，与金属材料表面电离所需能量，与金属材料有关。有关。阴极表面电离可在下面几种情况下发阴极表面电离可在下面几种情况下发生：生：高压高压技术技术正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面短波光照射（光电效应）短波光照射（光电效应）强场放射（需要的足够大的场强）强场放射（需要的足够大的场强）热电子放射（加热阴极表面时）热电子放射（加热阴极表面时）高压高压技术技术 负离子的形成负离子的形成：由电子和中性分子结合而成。：由电子和中性分子结合而成。附着附着：当电子与气体分子碰撞时，可：当电子与气体分子碰撞时，可能引起碰撞电离而产生出和新电子，也可能引起碰撞电离而产生出和新电子，也可能会发生能会发生电子与中性分子相结合形成负离电子与中性分子相结合形成负离子的情况。子的情况。负离子的形成未使气体负离子的形成未使气体 中带电粒子的中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起而对气体放电的发展起抑制抑制作用。作用。高压高压技术技术三、带电质点的消失三、带电质点的消失带电质点的消失可能带电质点的消失可能 有以下几种情况：有以下几种情况：1 1、与两电极的电量中和、与两电极的电量中和 带电质点受电场力的作用定向，运动，带电质点受电场力的作用定向，运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；路中的电流；高压高压技术技术2 2、扩散、扩散 因热运动，带电质点从高浓度区向低因热运动，带电质点从高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于一致浓度区移动，使空间各处的浓度趋于一致的现象的现象 带电质点因扩散而逸出气体放电空间带电质点因扩散而逸出气体放电空间3 3、复合、复合 异号电荷相遇，发生电荷的传递而还异号电荷相遇，发生电荷的传递而还原为中性质点的过程。电子可能性不大，原为中性质点的过程。电子可能性不大，离子复合有可能。离子复合有可能。高压高压技术技术课堂小结一、气体放电的形式一、气体放电的形式 1 1、辉光放电、辉光放电 2 2、电弧放电、电弧放电 3 3、火花放电、火花放电 4 4、电晕放电、电晕放电二、带电质点的产生二、带电质点的产生 1 1、碰撞电离、碰撞电离 2 2、光电离、光电离 3 3、热电离、热电离 4 4、表面电离、表面电离三、带电质点的消失三、带电质点的消失 1 1、中和、中和2 2、扩散、扩散 3 3、复合、复合高压高压技术技术1.1.3 电子崩与汤逊理论 气体放电现象与规律因气体放电现象与规律因气体的种类、气压和气体的种类、气压和间隙中电场的均匀度间隙中电场的均匀度而异而异。但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到电子崩电子崩的阶段的阶段。高压高压技术技术（1 1）非自持放电和自持放电的不同特点）非自持放电和自持放电的不同特点 宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生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。时，可检测到微小的电流。1 1、放电的电子崩阶段、放电的电子崩阶段高压高压技术技术 由图由图1-31-3可见，可见，（1 1）在）在I-UI-U曲线的曲线的OAOA段：段：气隙电流随外施电压的提高而气隙电流随外施电压的提高而增大，增大，这是因为带电质点向电这是因为带电质点向电极运动的速度加快导致复合率极运动的速度加快导致复合率减小减小。当电压接近。当电压接近 时，电流时，电流趋于饱和，因为此时由外电离趋于饱和，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极，所以电流值仅取决于外电离因素的强弱而与电压无关电离因素的强弱而与电压无关图13 气体间隙中电流与外施电压的关系高压高压技术技术 （2 2）在）在I-UI-U曲线的曲线的B B、C C点：点：电压升高至电压升高至 时，电流又开始时，电流又开始增大，这是由于电子碰撞电离增大，这是由于电子碰撞电离引起的，因为此时电子在电场引起的，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。电压继续升高至电离的动能。电压继续升高至 时，电流急剧上升，说明放时，电流急剧上升，说明放电过程又进入了一个新的阶段。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，此时气隙转入良好的导电状态，即气体发生了击穿。即气体发生了击穿。图13 气体间隙中电流与外施电压的关系高压高压技术技术（3 3）在）在I-UI-U曲线的曲线的BCBC段：段：虽然电流增长很快，但虽然电流增长很快，但电流值仍很小，一般在电流值仍很小，一般在微安级微安级，且此时气体中，且此时气体中的电流仍要靠外电离因的电流仍要靠外电离因素来维持，一旦去除外素来维持，一旦去除外电离因素，气隙电流将电离因素，气隙电流将消失。消失。图13 气体间隙中电流与外施电压的关系 高压高压技术技术 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。高压高压技术技术（2 2）电子崩的形成电子崩的形成 外界电离因素作用下外界电离因素作用下在阴极附近产生了一个在阴极附近产生了一个初初始电子始电子，如果空间电场强如果空间电场强度足够大，该电子在向阳度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电极运动时就会引起碰撞电离，产生一个离，产生一个新的电子新的电子，初始电子和新电子继续向初始电子和新电子继续向阳极运动阳极运动，又会引起新的又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。碰撞电离，产生更多电子。图14 电子崩的示意图 视频链接电子崩的演示高压高压技术技术 依此，电子将按照依此，电子将按照几何级数几何级数不断增多，类不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为被称为电子崩电子崩。为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入：为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入：电子电子碰撞电离系数碰撞电离系数 。表示一个电子沿电场方向运动表示一个电子沿电场方向运动1cm1cm的行程所完的行程所完成的成的碰撞电离次数平均值碰撞电离次数平均值。高压高压技术技术 如如图图1-51-5为平板电极气为平板电极气隙，板内电场均匀，设外隙，板内电场均匀，设外界电离因子每秒钟使阴极界电离因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子表面发射出来的初始电子数为数为n n0 0。图15 计算间隙中电子数增长的示意图 由于碰撞电离和电子由于碰撞电离和电子崩的结果，在它们到达崩的结果，在它们到达x x处处时，电子数已增加为时，电子数已增加为n n，这，这n n个电子在个电子在dxdx的距离中又会的距离中又会产生产生dndn个新电子。个新电子。高压高压技术技术根据碰撞电离系数根据碰撞电离系数 的定义，可得：的定义，可得：分离变量并积分之，可得：分离变量并积分之，可得：(1-7)(1-8)对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相同，同，值不随值不随x x而变化，所以上式可写成：而变化，所以上式可写成：(1-9)高压高压技术技术抵达阳极的电子数应为：抵达阳极的电子数应为：(1-10)将式将式(1-8)(1-8)的等号两侧乘以电子的电荷的等号两侧乘以电子的电荷 ，即得电流关系式：即得电流关系式：途中新增加的电子数或正离子数应为：途中新增加的电子数或正离子数应为：(1-11)式式(1-12)(1-12)中，中，(1-12)高压高压技术技术 式式(1-12)(1-12)表明：虽然电子崩电流按指表明：虽然电子崩电流按指数规律随极间距离数规律随极间距离d d而增大，但这时放电还不能自而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子持，因为一旦除去外界电离因子(令令 )，即，即 变为零。变为零。高压高压技术技术2、汤逊理论 前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放前述已知，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电子崩消失前产生新的电子（二次电子）新的电子（二次电子）来取代外来取代外电离因素产生的初始电子。电离因素产生的初始电子。高压高压技术技术（1）过程与自持放电条件 由于阴极材料的由于阴极材料的表面表面逸出功比气体分子的电离能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，统称为阴极表面电离，统称为 过程。过程。为为表面电离表面电离系数。系数。高压高压技术技术 设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电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子，此电子到达阳极表面时由于 过程，电子总数过程，电子总数增至增至 个。因在对个。因在对 系数进行讨论时已假设每次电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（离撞出一个正离子，故电极空间共有（1 1）个）个正离子。正离子。由由系数系数 的定义，此（的定义，此（1 1）个正离子）个正离子在到达阴极表面时可撞出在到达阴极表面时可撞出 （1 1）个新电子，这）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，如此循环下去正离子，如此循环下去。高压高压技术技术自持放电条件为 ：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，此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己即一个电子在自己进入阳极后可以由进入阳极后可以由 及及 过程在阴极上又产生一个新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的替身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。去。(1-21)高压高压技术技术 实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和气隙长度的乘积（气隙长度的乘积（）有关。）有关。值值较小较小时自持放电时自持放电的条件可用的条件可用汤逊理论汤逊理论来说明；来说明；值值较大较大时则要用时则要用流流注理论注理论来解释。来解释。高压高压技术技术（2）汤逊放电理论的适用范围 汤逊理论是在低气压、汤逊理论是在低气压、较小的条件下在放电较小的条件下在放电实验的基础上建立的。实验的基础上建立的。过小或过大，放电机理将过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了。出现变化，汤逊理论就不再适用了。很多实验现象无法全部在汤逊理论范围内给以很多实验现象无法全部在汤逊理论范围内给以解释：解释：放电外形放电外形；放电时间放电时间；击穿电压；阴极材料。；击穿电压；阴极材料。高压高压技术技术1 1、汤逊理论没有考虑电离出来的空间电荷对、汤逊理论没有考虑电离出来的空间电荷对电电场的畸变场的畸变作用作用2 2、汤逊理念没有考虑、汤逊理念没有考虑光子光子在放电过程中的在放电过程中的作用。（发展成空间光电离和阴极表面光电离）作用。（发展成空间光电离和阴极表面光电离）较小时，这两个因素影响不显著。较小时，这两个因素影响不显著。主要原因：主要原因：高压高压技术技术 越大，电离总数越多，空间电荷数越多，越大，电离总数越多，空间电荷数越多，电荷数按指数规律增加电荷数按指数规律增加;因电离总数增加，电子因电离总数增加，电子及正离子的浓度很大，所以必然伴随着强烈的激及正离子的浓度很大，所以必然伴随着强烈的激发和复合过程发和复合过程 ，放出的光子数量急剧地增加，放出的光子数量急剧地增加 大量的空间电荷造成局部强场区。而电离大量的空间电荷造成局部强场区。而电离系数对电场很敏感，在强场区，由光子游离出系数对电场很敏感，在强场区，由光子游离出来的电子容易形成二次电子崩。来的电子容易形成二次电子崩。高压高压技术技术 因此，通常认为，因此，通常认为，0.26 cm(pd0.26 cm(pd200200 cmcm mmHg)mmHg)时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的时，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。仍是普遍有效的。高压高压技术技术1.1.4 巴申定律与适用范围 早在汤逊理论出现之前，巴申早在汤逊理论出现之前，巴申(PaschenPaschen)就于就于18891889年从大量的实验中总结出了击穿电压年从大量的实验中总结出了击穿电压 与与 的关系曲线，称为巴申定律，即的关系曲线，称为巴申定律，即 (1-23)1、巴申定律高压高压技术技术图图1-71-7给出了空气间隙的给出了空气间隙的 与与 的关系曲线。从图的关系曲线。从图中可见，首先，中可见，首先，并不仅并不仅仅由仅由 决定，而是决定，而是 的的函数；其次函数；其次 不是不是 的的单调函数，而是单调函数，而是U U型曲线，型曲线，有极小值。有极小值。图1-7 实验求得的均匀场不同气体间隙 曲线高压高压技术技术 有一个有一个极小值极小值的原因是：为了使放的原因是：为了使放电达到自持，电子从阴极到阳极的整个电达到自持，电子从阴极到阳极的整个行程中必须有足够多次的碰撞电离。行程中必须有足够多次的碰撞电离。当当d d一定时，一定时，自由行程自由行程 碰撞次数碰撞次数 U Ub b 自由行程自由行程 碰撞电离可能小碰撞电离可能小 U Ub b所以一定存在一个所以一定存在一个值对碰撞电离最有值对碰撞电离最有利的这时利的这时UbUb最小。最小。高压高压技术技术一一定时定时d E d E 须增加外电压以维持放电所需的须增加外电压以维持放电所需的电场强度电场强度 UbUbd d 当当d d值过小时，碰撞次数已减到很小值值过小时，碰撞次数已减到很小值 UbUb 所以一定有一个所以一定有一个d d值对造成碰撞电离最有利，此时值对造成碰撞电离最有利，此时UbUb最小。最小。由巴申曲线可知，当极间距离由巴申曲线可知，当极间距离d d不变时，不变时，提高气压提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压，这一概念具有十分重要的实用意义。，这一概念具有十分重要的实用意义。高压高压技术技术流注放电理论 一、汤逊理论的不足没有考虑到空间电荷对电场的畸变作用没有考虑到光子在放电过程中的作用高压高压技术技术空间电荷对电场的畸变作用：空间电荷对电场的畸变作用：电子崩的示意图电子崩的示意图 电子崩空间电场分布电子崩空间电场分布电子崩空间电荷的浓度分布电子崩空间电荷的浓度分布 合成电场分布合成电场分布高压高压技术技术电子崩中空间电荷对电场的畸变作用：电子崩中空间电荷对电场的畸变作用：电子崩的头部聚集大部分正离子和全部电子，产电子崩的头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变。生了电场畸变。在电场很小的区域，电子和离子浓度最大，有在电场很小的区域，电子和离子浓度最大，有利于复合。利于复合。强烈的复合辐射出许多强烈的复合辐射出许多光子光子，成为引发新，成为引发新的空间光电离的辐射源。的空间光电离的辐射源。高压高压技术技术 当外加电压大于击穿电压时，光子数量当外加电压大于击穿电压时，光子数量取决于电场畸变的程度，当空间电荷数量取决于电场畸变的程度，当空间电荷数量达到一定数值时，放射出的光子数量和能达到一定数值时，放射出的光子数量和能量足以引起空间光电离量足以引起空间光电离高压高压技术技术流注的形成和发展流注的形成和发展高压高压技术技术正流注的形成如果外施电压为气隙的最低击穿电压，当初崩发展到阳极如果外施电压为气隙的最低击穿电压，当初崩发展到阳极时，正负电荷复合和反激励发出光子。由于受空间电荷的时，正负电荷复合和反激励发出光子。由于受空间电荷的畸变作用，崩头的电场较高，光子到达这里时，形成二次畸变作用，崩头的电场较高，光子到达这里时，形成二次电子崩。二次电子崩头部的电子与初崩的正空间电荷汇合电子崩。二次电子崩头部的电子与初崩的正空间电荷汇合成为充满正负带电质点的混合通道成为充满正负带电质点的混合通道。这个正电荷多于负电这个正电荷多于负电荷的混合通道称为流注通道，简称为流注荷的混合通道称为流注通道，简称为流注。由正极向负极由正极向负极发展，所以称为正流注。发展，所以称为正流注。高压高压技术技术负流注的形成高压高压技术技术负流注的形成电压较低时，电子崩需经过整个间隙才形成流注，电压较高时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注。主电子崩头部的电离很强烈，光子射到主崩前方，在前方产生新的电子崩，主崩头部的电子和二次崩尾的正离子形成混合通道，形成向阳极推进的流注，称为负流注 间隙中的正、负流注可以同时向两极发展。阳极阴极高压高压技术技术复习提示1.1.汤逊理论只适用于汤逊理论只适用于pdpd值较小的范围，流值较小的范围，流注理论只适用于注理论只适用于pdpd值较大的范围，二者过值较大的范围，二者过渡值为渡值为pd=26.66kPapd=26.66kPacmcm；(1)(1)汤逊理论的基本观点：汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件子发射是维持放电的必要条件(2)(2)流注理论的基本观点：流注理论的基本观点：以汤逊理论的碰以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程；发展过程；放电从起始到击穿并非碰撞电离连放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达续量变的过程，当初始电子崩中离子数达10108 8以上以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注；时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注；流注一旦形成，放电转入自持流注一旦形成，放电转入自持高压高压技术技术复习提示2.引起气体放电的外部原因有两个，其一是电场作用，其二是外电离因素。因此，我们把去掉外界因素作用后，放电立即停止的放电形式称为非自持放电；把由电场作用就能维持的放电称为自持放电。3.汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较(1)汤逊理论：自持放电由阴极过程来维持 流注理论：依赖于空间光电离(2)系数的物理意义不同高压高压技术技术1.1.5 不均匀电场中的气体放电 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。一般是以棒棒电极做为对称的不均匀电声场，以棒板电极做为不对称的不均匀电场。高压高压技术技术1.稍不均匀电场和极不均匀电场的特点与划分 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=1时为均匀电压时为均匀电压 1f4属不均匀电场。属不均匀电场。高压高压技术技术2.极不均匀电场的电晕放电（1）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，小曲率电极(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 。高压高压技术技术 根据电晕层放电的特点，可分为两种形式：电子崩形式和流注形式。当起晕电极的曲率很大时，电晕层很薄，且比较均匀，放电电流比较稳定，自持放电采取汤逊放电的形式，即出现电子崩式的电晕。随着电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现放电的脉冲现象，开始转入流注形式的电晕放电。高压高压技术技术 若电极曲率半径加大，则电晕一开始就很强烈，一出现就形成流注的形式。电压进一步升高，个别流注快速发展，出现刷状放电，放电脉冲更强烈，最后贯通间隙，导致间隙完全击穿。冲击电压下，电压上升极快，因此电晕从一开始就具有流注的形式。爆发电晕时能听到声，看到光，嗅到臭氧味，并能测到电流。高压高压技术技术（2）电晕放电的起始场强 电晕放电的起始场强一般由实验总结出的经验公式来计算，电晕的产生主要取决于电极表面的场强，所以研究电晕起始场强 和各种因素间的关系更直接。对于输电线路的导线，在标准大气压下其电晕起始场强 的经验表达式为（此处指导线的表面场强，交流电压下用峰值表示）：式中r导线半径，cm。(1-28)kV/cm高压高压技术技术 式（1-28）说明导线半径 r 越小则 值越大。因为r越小，则电场就越不均匀，也就是间隙中场强随着其离导线的距离增加而下降得更快，而碰撞电离系数 随离导线距离的增加而减小得越快。所以输电线路起始电晕条件为:式中 起始电晕层的厚度，时 。可见电场越不均匀，要满足式(1-29)时导线表面场强应越高。式(1-28)表明，当 r 时，=30kV/cm。(1-29)高压高压技术技术 而对于非标准大气条件，则进行气体密度修正以后的表达式为 式中 气体相对密度(1-30)实际上导线表面并不光滑，所以对于绞线要考虑导线的表面粗糙系数 。此外对于雨雪等使导线表面偏离理想状态的因素（雨水的水滴使导线表面形成突起的导电物）可用系数 加以考虑。kV/cm高压高压技术技术 理想光滑导线 1，绞线 0.80.9，好天气时 可按0.8估算。算得 后就不难根据电极布置求得电晕起始电压 。例如，对于离地高度为 h 的单根导线可写出 对于距离为 d 的两根平行导线（）则可写出(1-32)(1-33)此时式（1-30）则写为(1-31)kV/cm高压高压技术技术（3）电晕放电的危害、对策及其利用 电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素。电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。高压高压技术技术降低电晕的方法：从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。高压高压技术技术（4）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。高压高压技术技术棒板间隙这种典型的极不均匀场图18 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1-8（a）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。高压高压技术技术 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，如图1-8（b）所示。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。高压高压技术技术 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，如图1-9（a）所示。当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，面以越来越慢的速度向阳极运动。一部分电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。高压高压技术技术图19 负棒正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用 外电场 空间电荷电场 电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷，如图1-9（b）所示。高压高压技术技术图19 负棒正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用 外电场 空间电荷电场 负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于满足、易于转入流注而形成电晕放电。高压高压技术技术图110 两种极性下棒板间隙的电场分布图 （a）正棒负板 （b）负棒正板 -电场场强 棒极到板极的距离 图1-10是两种极性下棒板间隙的电场分布图，其中曲线1为外电场分布，曲线2为经过空间电荷畸变以后的电场。高压高压技术技术 通过实验已证明，棒板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高。而极性效应的另一个表现，就是间隙击穿电压的不同。随着电压升高，在紧贴棒极附近，形成流注，产生电晕；以后在不同极性下空间电荷对放电的进一步发展所起的影响就和对电晕起始的影响相异了。负极性下的击穿电压应较正极性时为高。高压高压技术技术（5）长间隙击穿过程 在间隙距离较长时，存在某种新的、不同性质的放电过程，称为先导放电。长间隙放电电压的饱和现象可由先导放电现象作出解释。长间隙的放电大致可分为先导放电和主放电两个阶段，在先导放电阶段中包括电子崩和流注的形成及发展过程。不太长间隙的放电没有先导放电阶段、只分为电子崩、流注和主放电阶段。高压高压技术技术3.稍不均匀电场中的极性效应 稍不均匀电场意味着电场还比较均匀，高场强区电子电离系数 达足够数值时，间隙中很大一部分区域中的 也达到相当值，起始电子崩在强场区发展起来，经过一部分间隙距离后形成流注。流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致完全击穿。在高电压工程中常用的球球间隙、同轴圆柱间隙等属稍不均匀电场。高压高压技术技术 稍不均匀电场间隙的放电特点和均匀电场相似，气隙实现自持放电的条件就是气隙的击穿条件。在直流电压作用下的击穿电压和工频交流下的击穿电压幅值以及50冲击击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大，这也和均匀电场放电特点一致。稍不均匀场也有一定的极性效应，但不很明显。高场强电极为正极性时击穿电压稍高；为负极性时击穿电压稍低。这是因为在负极性下电晕易发生，而稍不均匀场中的电晕很不稳定。高压高压技术技术 从击穿电压的特点来看，稍不均匀场的极性效应与极不均匀场的极性效应结果相反。在稍不均匀场中，高场强电极为正电极时，间隙击穿电压稍高；高场强电极为负电极时，间隙击穿电压稍低。而在极不均匀场中却是高场强电极为正时，间隙击穿电压低；高场强电极为负时，间隙击穿电压高。电晕的起始电压就是间隙击穿电压。高压高压技术技术小结气体中电离的方式可分为热电离、光电离、碰撞电离和分级电离。正离子撞击阴极光电子发射 强场发射 热电子发射 电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途 径获得高压高压技术技术气体放电过程中，带电质点除在电场作用下定向运动，还可能因扩散和复合使带电质点在放电空间消失。汤逊理论认为：在低气压、较小的条件下，二次电子的来源是正离子撞击阴极使阴极表面发生电子逸出。并引入 系数表示每个正离子从阴极表面平均释放的自由电子数。高压高压技术技术巴申定律：出现在汤逊理论之前，总结了击穿电压与的关系曲线，即电场不均匀系数 的定义为间隙中最大场强 与平均场强 的比值：均匀电场 1；稍不均匀电场 2；极不均匀电场 4。高压高压技术技术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。棒板间隙的极性效应。棒为正极性时，电晕起始电压比负极性时略高；棒为负极性时，击穿电压较正极性时为高。返回（本节完）