华北电力大学高电压技术1-6章课件(考研复试及期末考试必备)精编版

1、North China Electric Power University绪绪 论论 各种高电压现象各种高电压现象 研究对象研究对象 中国电力系统电压等级划分中国电力系统电压等级划分 高电压技术在其它领域的应用高电压技术在其它领域的应用 课程相关信息课程相关信息North China Electric Power University雷电雷电极光极光电离圈电离圈绝缘子闪络绝缘子闪络 电晕电晕电弧电弧各种高电压现象各种高电压现象North China Electric Power University研究对象研究对象1.内容与范畴：内容与范畴： 高电压技术高电压技术主要研究高电压（强电主要研究高

2、电压（强电场）下的各种电气设备物理问题。它起源场）下的各种电气设备物理问题。它起源于于2020世纪初期，由于大功率、远距离输电世纪初期，由于大功率、远距离输电而发展形成的一门独立学科，属于现代物而发展形成的一门独立学科，属于现代物理学中电学的一个分支。理学中电学的一个分支。2.电气设备的绝缘电气设备的绝缘： 绝缘介质（固、液、气体）在电场作用下绝缘介质（固、液、气体）在电场作用下的电气物理性能和击穿的理论、规律。的电气物理性能和击穿的理论、规律。 高压试验高压试验判断、监视绝缘质量的主要判断、监视绝缘质量的主要试验方法与试验原理。试验方法与试验原理。3.电力系统的过电压：电力系统的过电压： 过

3、电压及其防护过电压及其防护过电压的成因与限制过电压的成因与限制措施措施。North China Electric Power University 中国电力系统电压等级划分中国电力系统电压等级划分 高压（高压（HV）：）：1kV220kV 10kV,20kV,35kV,110kV,220kV 超高压（超高压（EHV）：）：3301000kV 330kV,500kV,750kV 特高压（特高压（UHV）：）：1000kV及以上及以上交流系统交流系统直流系统直流系统 超高压（超高压（EHV）：）：500kV 666kV n 特高压（特高压（UHV）：）： 800kVNorth China Elec

4、tric Power University高电压技术在其它领域的应用高电压技术在其它领域的应用医学：利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症；医学：利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症；农业：高压静电喷药，高电场诱发变异育种；农业：高压静电喷药，高电场诱发变异育种；环保：高压脉冲放电处理污水，电除尘技术；环保：高压脉冲放电处理污水，电除尘技术；军事：大功率脉冲技术，电磁干扰、电子对抗；军事：大功率脉冲技术，电磁干扰、电子对抗；其它：静电喷涂，高压设备制造等。其它：静电喷涂，高压设备制造等。North China Electric Power University课程相关信息课程相关信息 参考书：参考书：u高电

5、压绝缘技术高电压绝缘技术，中国电力，严璋，朱德恒，中国电力，严璋，朱德恒u电网过电压教程电网过电压教程，中国电力，陈维贤，中国电力，陈维贤u高电压试验技术高电压试验技术，清华，张仁豫，清华，张仁豫u高电压技术高电压技术，中国电力，赵智大，中国电力，赵智大uHigh-Voltage Engineering，Pergamon Press, E. Kuffel (Canada), W.S. Zaengl, (Switzerland) 学习方法：学习方法： 理论联系实际理论联系实际 考试：考试： 20%（作业（作业+实验）实验）+80%（闭卷笔试）（闭卷笔试） 答疑安排：答疑安排：u时间：周四下午时间

6、：周四下午3:00-5:00u地点：教三楼一楼地点：教三楼一楼105室室North China Electric Power University第一篇第一篇 高电压绝缘及实验高电压绝缘及实验第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章 气隙的电气强度气隙的电气强度第四章第四章 固体液体和组合绝缘的电气强度固体液体和组合绝缘的电气强度North China Electric Power University第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗 电介质有气体、固体、液体三种形态，电介电介质有

7、气体、固体、液体三种形态，电介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的。一切质在电气设备中是作为绝缘材料使用的。一切电介质在电场的作用下都会出现极化、电导和电介质在电场的作用下都会出现极化、电导和损耗等电气物理现象。电介质的电气特性分别损耗等电气物理现象。电介质的电气特性分别用以下几个参数来表示：即介电常数用以下几个参数来表示：即介电常数r，电导率，电导率(或其倒数或其倒数电阻率电阻率)，介质损耗角正切，介质损耗角正切tg,击穿场强击穿场强E，它们分别反映了电介质的极化、电，它们分别反映了电介质的极化、电导、损耗、抗电性能。导、损耗、抗电性能。North China Electric Power U

8、niversity绝缘的作用：绝缘的作用： 绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使其没有电绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使其没有电气的联系能保持不同的电位气的联系能保持不同的电位,又称为电介质又称为电介质.分类：分类：气体绝缘材料：空气，气体绝缘材料：空气，SF6气体等气体等固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等液体绝缘材料：变压器油液体绝缘材料：变压器油混合绝缘：电缆，变压器等设备混合绝缘：电缆，变压器等设备1.0 1.0 电力系统的绝缘材料电力系统的绝缘材料North China Electric Power University1.1 1.

9、1 电介质的极化电介质的极化 定义：定义：电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹 性位移和偶极子的转向位移现象，称为性位移和偶极子的转向位移现象，称为电电 介质的极化。介质的极化。 效果：效果：消弱外电场，使电介质的等值电容增大消弱外电场，使电介质的等值电容增大。 物理量：物理量：介电常数介电常数 类型：类型：电子位移极化；离子位移极化；电子位移极化；离子位移极化； 转向极化；空间电荷极化。转向极化；空间电荷极化。North China Electric Power University电子位移极化电子位移极化 一切电介质都是由分子组成，一切电介质都是由分子组

10、成，分子又是由原子组成，每个原子都分子又是由原子组成，每个原子都是由带正电荷的原子核和围绕核带是由带正电荷的原子核和围绕核带负电荷的电子云构成。负电荷的电子云构成。 当不存在外电场时，电子云的当不存在外电场时，电子云的中心与原子核重合，此时电矩为中心与原子核重合，此时电矩为零当外加一电场，在电场力的作零当外加一电场，在电场力的作用下发生电子位移极化当外电场用下发生电子位移极化当外电场消失时，原于核对电子云的引力又消失时，原于核对电子云的引力又使二者重合，感应电矩也随之消失。使二者重合，感应电矩也随之消失。 电场中的所有电介质内都存在电场中的所有电介质内都存在电子位移极化。电子位移极化。qRRi

11、-qOOE图图1-1 1-1 电子位移极化电子位移极化North China Electric Power University离子位移极化离子位移极化 在由离子结合成的电介质内，外电场的作用除促使各个离子内部在由离子结合成的电介质内，外电场的作用除促使各个离子内部产生电子位移极化外还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为产生电子位移极化外还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。图离子位移极化。图l-2表示氯化钠晶体的离子位移极化。表示氯化钠晶体的离子位移极化。图图l-2 氯化钠晶体的离子位移极化氯化钠晶体的离子位移极化 North China Electric Power

12、University转向极化转向极化 在极性电介质中，即使没有外加电场，由于分子中正、负电荷的作用中在极性电介质中，即使没有外加电场，由于分子中正、负电荷的作用中心不重合。就单个分子而言，就已具有偶极矩，称为心不重合。就单个分子而言，就已具有偶极矩，称为固有偶极矩固有偶极矩。但由于分。但由于分子不规则的热运动，使各分子偶极矩方向的排列没有秩序，因此，从宏观而子不规则的热运动，使各分子偶极矩方向的排列没有秩序，因此，从宏观而言，对外并不呈现电矩。言，对外并不呈现电矩。 当有外电场时，由于电场力的作用，每个分子的固有偶极矩就有转向与当有外电场时，由于电场力的作用，每个分子的固有偶极矩就有转向与外电

13、场平行的趋势，其排列呈现行一定的秩序。但是受分子热运动的干扰，外电场平行的趋势，其排列呈现行一定的秩序。但是受分子热运动的干扰，这种转向有秩序的排列。这种转向有秩序的排列。UU电极电介质E图图l-3 偶极子的转向极化偶极子的转向极化 North China Electric Power University 空间电荷极化空间电荷极化 图图1-4 双层电介质的夹层极化双层电介质的夹层极化 G1G2 C1C2U 上述的三种极化是带电质上述的三种极化是带电质点的弹性位移或转向形成的，点的弹性位移或转向形成的，而空间电荷极化的机理则与上而空间电荷极化的机理则与上述三种完全不同，它是由带电述三种完全不同

14、，它是由带电质点质点(电子或正、负离子电子或正、负离子)的移的移动形成的。动形成的。 最明显的空间电荷极化是最明显的空间电荷极化是夹层极化夹层极化。在实际的电气设备。在实际的电气设备中，有不少多层电介质的例子，中，有不少多层电介质的例子，如电缆、电容器、旋转电机、如电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器的绕变压器、互感器、电抗器的绕组绝缘等，都是由多层电介质组绝缘等，都是由多层电介质组成的。组成的。 如图如图l-4l-4所示，各层介质的电容分别为所示，各层介质的电容分别为C1C1和和C2C2；各层介质的电导分别为；各层介质的电导分别为G1G1和和G2G2；直流电源电压为；直流电源电压为

15、U U。 为了说明的简便，全部参数均只标数值，略去单位。为了说明的简便，全部参数均只标数值，略去单位。 设设C1=1C1=1，C2C22 2，G1=2G1=2，G2=1G2=1， U U3 3。North China Electric Power University 当当U作用在作用在AB两端极扳上时，其瞬时电容上的电荷和电位分布，如图两端极扳上时，其瞬时电容上的电荷和电位分布，如图1-5(a)所示整个介质的等值电容为所示整个介质的等值电容为 。 到达稳态时，电容上的电荷和电位分布如图到达稳态时，电容上的电荷和电位分布如图l-5(b)所示。整个介质的等所示。整个介质的等值电容为值电容为 。

16、分界面上堆积的电荷量为分界面上堆积的电荷量为+4-1+3。32UQCeq34 UQCeq 图图1-5 双层电介质的电荷与电位分布双层电介质的电荷与电位分布（a）暂态分布）暂态分布 （b）稳态分布）稳态分布 空间电荷极化（续）空间电荷极化（续）North China Electric Power University空间电荷极化的特点空间电荷极化的特点 夹层的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值夹层的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值电容的增大。这就是夹层极化效应。电容的增大。这就是夹层极化效应。 夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的。高压完成的

17、。高压绝缘介质的电导通常都是很小的，所以，这种极化过绝缘介质的电导通常都是很小的，所以，这种极化过积将是很缓慢的。它的形成时间从几十分之一秒到几积将是很缓慢的。它的形成时间从几十分之一秒到几分钟甚至有长达几小时的。因此，这种性质的极化只分钟甚至有长达几小时的。因此，这种性质的极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。有在直流和低频交流电压下才能表现出来。 该极化伴随着能量损耗。该极化伴随着能量损耗。 大电容设备进行高压实验后应对设备绝缘进行较长时大电容设备进行高压实验后应对设备绝缘进行较长时间放电。间放电。North China Electric Power University电介质极化种

18、类及比较电介质极化种类及比较极化类型极化类型产生场合产生场合所需时间所需时间能量能量损耗损耗产生原因产生原因电子式极化电子式极化任何任何电介质电介质10-1410-15S无无束缚电子运行轨束缚电子运行轨道偏移道偏移离子式极化离子式极化离子式结构离子式结构电介质电介质10-1210-13S几乎几乎没有没有离子的相对偏移离子的相对偏移偶极子极化偶极子极化极性极性电介质电介质10-1010-2S有有偶极子的定向排偶极子的定向排列列夹层极化夹层极化多层介质的多层介质的交界面交界面10-1S数小数小时时有有自由电荷的移动自由电荷的移动North China Electric Power Universi

19、ty1.2 1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数一一. 介电常数的物理意义介电常数的物理意义在真空中，有关系式在真空中，有关系式 式子中式子中 E场强矢量场强矢量 ； D电位移矢量，即电通量密度矢量电位移矢量，即电通量密度矢量 ， D与与E同向，比例常数同向，比例常数 为真空中的介电常数为真空中的介电常数ED0mV2mC0mF1299010854. 810941109880. 841 在介质中在介质中, D与与E同向，同向， 为介质的相对介电常数，它是没有量纲和为介质的相对介电常数，它是没有量纲和单位的纯数。单位的纯数。 介质的介电常数介质的介电常数 通常，通常， ， 的量纲和单位与的量纲

20、和单位与 相同相同EDr0rr00二、气体介质的相对介电常数二、气体介质的相对介电常数 一切气体的相对介电常数一切气体的相对介电常数 都接近于都接近于1。 任何气体的相对介电常数均随温度的升高而减小，随压力任何气体的相对介电常数均随温度的升高而减小，随压力的增大而增大，但影响都很小。的增大而增大，但影响都很小。 三、液体介质的相对介电常数三、液体介质的相对介电常数 1.中性液体电介质中性液体电介质 ：石油、苯、四氯化碳、硅油等均为中：石油、苯、四氯化碳、硅油等均为中性或弱极性液体介质其介电常数不大，其值在性或弱极性液体介质其介电常数不大，其值在1.82.8范范围内。围内。rNorth Chin

21、a Electric Power University 2极性液体介质：极性液体介质： (1)这类介质通常介电常数都较大。但这类介质的缺点是在交变电场这类介质通常介电常数都较大。但这类介质的缺点是在交变电场中的介质损较大，在高压绝缘中很少应用。中的介质损较大，在高压绝缘中很少应用。 (2)影响极性液体介质介电常数的主要因素：影响极性液体介质介电常数的主要因素： a. 介电常数与温度的关系介电常数与温度的关系 b. 介电常数与电场频率介电常数与电场频率 f 的关系的关系 四、固体电介质的介电常数四、固体电介质的介电常数 1. 1. 中性或弱极性固体电介质：中性或弱极性固体电介质： 只具有电子式极

22、化和离子式极化，其介电常数较小。只具有电子式极化和离子式极化，其介电常数较小。 介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近。介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近。2. 2. 极性固体电介质：极性固体电介质： 介电常数都较大，一般为介电常数都较大，一般为3636，甚至更大。，甚至更大。 这类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体所呈现的规律。这类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体所呈现的规律。电介质的介电常数电介质的介电常数( (续续) )North China Electric Power University1.3 1.3 电介质的电导电介质的电导电介质

23、的电导与金属的电导有本质上的区别。电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。一一. 表征电介质导电性能的物理量表征电介质导电性能的物理量电导率电导率 （或：电阻率（或：电阻率 ） 电导形式电导形式电导率电导率金属导体金属导体（自由电子）电子电导（自由电子）电子电导 很大很大 气体气体 液体液体 固体固体自由电子、正离子、负离子自由电子、正离子、负离子杂质电导、自身离解杂质电导、自身离解 离子离子杂质、离子杂质、离子 电导电导 很小很小 很大很大 1rrNorth China Electric Power University二、影响介质电导的因素二、影响介质电导的因素(1)温度温度 式中式中 A

24、、B常数；常数； T绝对温度绝对温度 ； 电导率。电导率。 温度升高时，液体介质的黏度降低，离子受电场力作用而移动时所受温度升高时，液体介质的黏度降低，离子受电场力作用而移动时所受的阻力减小，离子的迁移率增大，使电导增大；另一方面，温度升高时，的阻力减小，离子的迁移率增大，使电导增大；另一方面，温度升高时，液体介质分子热离解度增加，这也使电导增大。液体介质分子热离解度增加，这也使电导增大。 所以在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须注意记录所以在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须注意记录温度温度。TBAe(2)电场强度电场强度North China Electric Power Universi

25、ty1.4 1.4 电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗一一. .电介质损耗的基本概念电介质损耗的基本概念二二. .等效电路与相量图等效电路与相量图三三. .简化等效电路与损耗简化等效电路与损耗四四. .吸收电流与吸收曲线吸收电流与吸收曲线本节主要内容：本节主要内容：North China Electric Power University 在电场的作用下，电介质由于电导引起的损在电场的作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化（如偶极子极化、夹层极化等）引耗和有损极化（如偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，总称为电介质的起的损耗，总称为电介质的损耗损耗。一一. .电介质损耗的基本概念电介质损

26、耗的基本概念North China Electric Power University二二. . 等效电路与相量图等效电路与相量图R3C1R2C2 i=i1+i2+i3i1i2i3uICI2RI23IU2I1I图中图中C1 代表介质的代表介质的无损极化（电子式无损极化（电子式和离子式极化），和离子式极化），C2 R2 代表各种代表各种有损极化，而有损极化，而R3则则代表电导损耗。代表电导损耗。 介质损耗角介质损耗角 为功率因数角为功率因数角 的余角，其正切的余角，其正切 tg 又可称又可称为介质损耗因数，常用百分数（为介质损耗因数，常用百分数（%）来表示。）来表示。 另，另， tg同样随温度、

27、频率的变化而变化。同样随温度、频率的变化而变化。North China Electric Power University三三. . 简化等效电路与损耗简化等效电路与损耗UUICRIIIRICIRCPRICIUI P = U I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg 式中式中 电源角频率；电源角频率； 功率因数角；功率因数角； 介质损耗角。介质损耗角。North China Electric Power University 在等值电路上加上直流在等值电路上加上直流电压时，电介质中流过的将电压时，电介质中流过的将是电容电流是电容电流 i1、吸收电流、吸收电流 i2 和传

28、导电流和传导电流 i3 。三者随时间。三者随时间的变化如上右图。这三个电的变化如上右图。这三个电流分量加在一起，即得出总流分量加在一起，即得出总电流上右图中的总电流电流上右图中的总电流 i,它它表示在直流电压作用下，流表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间而变过绝缘的总电流随时间而变化的曲线，称为化的曲线，称为吸收曲线吸收曲线。 四四. . 吸收电流与吸收曲线吸收电流与吸收曲线返回返回North China Electric Power University第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第一节第一节 气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失第二节第二节 气

29、体放电机理气体放电机理第三节第三节 电晕放电电晕放电第四节第四节 不均匀电场气隙的击穿不均匀电场气隙的击穿第五节第五节 雷电放电雷电放电第六节第六节 气隙的沿面放电气隙的沿面放电North China Electric Power University2.1 2.1 气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失 一一.带电质点在气体中的运动带电质点在气体中的运动二二.带电质点的产生带电质点的产生三三.带电质点的消失带电质点的消失本节主要内容：本节主要内容：North China Electric Power University一一. .带电质点在气体中的运动带电质点在气体中的运动1.

30、自由行程长度自由行程长度 当气体中存在电场时，其中的带当气体中存在电场时，其中的带电粒子将具有复杂的运动轨迹，它们电粒子将具有复杂的运动轨迹，它们一方面与中性的气体粒子（原子或分一方面与中性的气体粒子（原子或分子）一样，进行着混乱子）一样，进行着混乱热运动热运动，另一，另一方面又将方面又将沿着电场作定向漂移沿着电场作定向漂移。 各种粒子在空气中运动时都会不各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞。一个质点在每两次碰撞之间断碰撞。一个质点在每两次碰撞之间自由通过的距离叫自由通过的距离叫自由行程长度。自由行程长度。 实际的自由行程长度是实际的自由行程长度是随机量随机量，并有很大的并有很大的分散性。分散性

31、。 单位行程中的碰撞次数单位行程中的碰撞次数Z的倒数的倒数即为该粒子的即为该粒子的平均自由行程长度平均自由行程长度。EeTp North China Electric Power University2.带电粒子的迁移率带电粒子的迁移率 带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞，但在电场力带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞，但在电场力的驱动下，仍将沿着电场方向漂移，其速度的驱动下，仍将沿着电场方向漂移，其速度u u与场强与场强E其比例系数其比例系数k=u/Ek=u/E，称为称为迁移率迁移率，它表示该带电粒子单位场强（，它表示该带电粒子单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移

32、速）下沿电场方向的漂移速度。度。 由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小得多。更易加速，所以得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子电子的迁移率远大于离子。3.扩散扩散 气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关。在热运动气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关。在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程叫种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程叫扩散扩散。气压越低或温度越高，

33、。气压越低或温度越高，则扩散进行的越快。电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩则扩散进行的越快。电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度也要比离子快得多。散速度也要比离子快得多。 一一. .带电质点在气体中的运动（续）带电质点在气体中的运动（续）North China Electric Power University二二. .带电质点的产生带电质点的产生 气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生电气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生电离离(包括撞击电离，光电离、热电离等多种形式包括撞击电离，光电离、热电离等多种形式)；另一是气；另一是气体中的固体或液体金属发生

34、表面电离。体中的固体或液体金属发生表面电离。 1.电离是气体放电的首要前提电离是气体放电的首要前提 电离电离产生带电离子的物理过程称为电离。产生带电离子的物理过程称为电离。 激励激励在常态下，电子受外界因素影响由低能量级轨道上在常态下，电子受外界因素影响由低能量级轨道上跃迁到高能量级轨道的现象称为激励。跃迁到高能量级轨道的现象称为激励。 North China Electric Power University2.电离的几种形式电离的几种形式(1)光电离光电离频率为频率为的光子能量为的光子能量为 W=h 式中式中 h普郎克常数普郎克常数=发生空间光电离的条件为发生空间光电离的条件为 或者或者

35、式中式中 光的波长，光的波长，m； c光速光速 Wi 气体的电离能，气体的电离能，eV。 seVsJ15341013. 41063. 6iWhiWhcsm/1038二二. .带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）North China Electric Power University(2)撞击电离撞击电离 主要是电子碰撞游离主要是电子碰撞游离。原因：。原因：1.电子小，自由程长，可电子小，自由程长，可以加速到很大的速度。以加速到很大的速度。2.电子的质量小，可以加速到很大。电子的质量小，可以加速到很大。产生条件产生条件 :势能势能eiExqWmvW221所以提高场强可以使碰撞电离加剧。所以

36、提高场强可以使碰撞电离加剧。（3）热电离）热电离 在常温下，气体分子发生热电离的概率极小。是气体在常温下，气体分子发生热电离的概率极小。是气体在热状态下光电离和撞击电离的综合。在热状态下光电离和撞击电离的综合。二二. .带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）North China Electric Power University（4）表面电离）表面电离 电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。主要发生在阴极，电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。主要发生在阴极，原因：阳极自由电子不会向气体中释放。原因：阳极自由电子不会向气体中释放。主要有主要有4种形式：种形式：1. 正离子撞

37、击阴极表面：正离子撞击阴极表面：通常正离子动能不大，可忽略，只有在它的势能等通常正离子动能不大，可忽略，只有在它的势能等于或大于阴极材料逸出功两倍时，才能引起阴极表面电离，这个条件可满足。于或大于阴极材料逸出功两倍时，才能引起阴极表面电离，这个条件可满足。2. 光电子发射：光电子发射： 高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子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。的能量应大于金属的逸出功。3. 热电子发射：热电子发射： 金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。

38、在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。出，称为热电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。4. 强场发射（冷发射）：强场发射（冷发射）：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数数量级），也能时阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响；在高气量级），也能时阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响；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。作用。二二. .带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）North China E

39、lectric Power University 当电子与气体分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结当电子与气体分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程成为合而形成负离子的情况，这种过程成为附着附着。易于产生负离子的。易于产生负离子的气体称为气体称为电负性气体电负性气体。 这个过程有时需要放出能量，有时需吸收能量。这个过程有时需要放出能量，有时需吸收能量。 负离子的形成不会改变带电质点的数量，但却使自由电子数负离子的形成不会改变带电质点的数量，但却使自由电子数减少，因此对气体放电的发展起抑制作用。（或有助于提高气体减少，因此对气体放电的发展起抑制作用。（或有助于

40、提高气体的耐电强度）的耐电强度）。如。如SF6气体对电子有很强的亲和性，因此具有高气体对电子有很强的亲和性，因此具有高电气强度。电气强度。（5）负离子的形成）负离子的形成二二. .带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）North China Electric Power University三三. .带电质点的消失带电质点的消失 气体中带电粒子的消失有可能下述几种情况：气体中带电粒子的消失有可能下述几种情况：(1)带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消消失于电极失于电极上而形成外电路中的电流；上而形成外电路中的电流；(2)带电粒子因

41、带电粒子因扩散扩散现象而逸出气体放电空间。现象而逸出气体放电空间。(3)带电粒子的带电粒子的复合复合。气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能。气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，是与电离发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，是与电离相反的一种过程。相反的一种过程。North China Electric Power University2.2 2.2 气体放电机理气体放电机理电子崩电子崩自持放电与非自持放电自持放电与非自持放电放电发展过程与电场的关系放电发展过程与电场的关系汤森德放电理论汤森德放电理论帕邢定律帕邢定律流注放电理论流注放电理论North Chi

42、na Electric Power University一一. . 电子崩电子崩 外界电离因子在阴外界电离因子在阴极附近产生一个极附近产生一个初始初始电子电子，如果空间的电，如果空间的电场强度足够大，该电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就子在向阳极运动时就会引起会引起碰撞电离碰撞电离，产，产生出一个生出一个新电子新电子，初，初始电子和新电子始电子和新电子继续继续向阳极运动，又会引起向阳极运动，又会引起新的碰撞电离新的碰撞电离，产生出更多的电子。依次类推，电，产生出更多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展,这种急剧增大的空间电流这

43、种急剧增大的空间电流被称为被称为电子崩电子崩。North China Electric Power University二二. . 自持放电与非自持放电自持放电与非自持放电 当场强小于某个临界值当场强小于某个临界值 时候，电子崩有赖时候，电子崩有赖于外界电离因素的原始电离才能持续和发展，如果于外界电离因素的原始电离才能持续和发展，如果外界电离因素消失，则这种电子崩也随之逐渐衰减外界电离因素消失，则这种电子崩也随之逐渐衰减以至消失，称这种放电为以至消失，称这种放电为非自持放电非自持放电。 当场强大于某个临界值当场强大于某个临界值 时，电子崩可以仅时，电子崩可以仅由电场的作用而自行维持和发展，不再

44、依赖外界电由电场的作用而自行维持和发展，不再依赖外界电离的因素，这种性质的放电称为离的因素，这种性质的放电称为自持放电自持放电。crEcrENorth China Electric Power University(二二) 在在很不均匀很不均匀的电场中的电场中(以棒电极为例以棒电极为例)(1) 在电压比较低时在电压比较低时,棒极附近场强可能已超过临界值棒极附近场强可能已超过临界值,即发生自持放电即发生自持放电,离棒端稍远处有离棒端稍远处有电晕电晕出现出现.(2)电压再升高时电压再升高时,若电极间距不大若电极间距不大,则有可能从电晕放电直接转为整个间则有可能从电晕放电直接转为整个间隙的隙的火花击

45、穿火花击穿,若电极间隙较大若电极间隙较大,则从电晕到击穿之间还有则从电晕到击穿之间还有刷状放电刷状放电的过的过渡阶段渡阶段.(3)电压再提高电压再提高,刷形放电中的个别光束突发的前伸刷形放电中的个别光束突发的前伸,形成明亮的火花通道形成明亮的火花通道到达对面电极到达对面电极,气隙被就击穿了气隙被就击穿了.当电源功率足够时当电源功率足够时,火花击穿火花击穿迅速的转变迅速的转变成成电弧电弧。(一一) 在大体在大体均匀均匀的电场中，各处场强的差异不大的电场中，各处场强的差异不大,任意一处一旦形成自任意一处一旦形成自持放电持放电,就会很快发展到整个间隙就会很快发展到整个间隙,气隙即被气隙即被直接击穿直

46、接击穿.三三. . 放电发展过程与电场的关系放电发展过程与电场的关系North China Electric Power University（三）电场不均匀系数（三）电场不均匀系数avEEfmaxEmax 最大电场强度最大电场强度Eav 平均电场强度。平均电场强度。 dUEav U 电极间的电压电极间的电压 d 极间距离极间距离 f 4 以上时明显地属于极不均匀电场，可分为棒以上时明显地属于极不均匀电场，可分为棒-棒间隙棒间隙和棒和棒-板间隙，例如架空线的导线板间隙，例如架空线的导线-导线，导线导线，导线-大地。大地。三三. . 放电发展过程与电场的关系（续）放电发展过程与电场的关系（续）N

47、orth China Electric Power University四四. . 汤森德气体放电理论汤森德气体放电理论1.适用条件适用条件 低气压、低气压、 短间隙的电场中，即短间隙的电场中，即 2.理论要点理论要点 电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离是使带电质点激增是使带电质点激增,并导致击穿的主要因素。击穿电压大并导致击穿的主要因素。击穿电压大体上是体上是 的函数的函数.0.26cmSSNorth China Electric Power University(1)系数系数 ，表示一个电子由阴极到阳极每，表示一个电子由阴极到阳极每

48、1cm路程中与气路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数体质点相碰撞所产生的自由电子数(平均值平均值)。(2)系数系数 ，表示一个正离子由阳极到阴极每，表示一个正离子由阳极到阴极每1cm路程中与路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数气体质点相碰撞所产生的自由电子数(平均值平均值)。(3)系数系数 ，表示一个正离子撞击到阴极表面时使阴极逸出，表示一个正离子撞击到阴极表面时使阴极逸出的自由电子数的自由电子数(平均值）。平均值）。3.引用三个系数来定量的反映三种因素的作用引用三个系数来定量的反映三种因素的作用四四. . 汤森德气体放电理论（续）汤森德气体放电理论（续） 系数系数 和和 与气体的性质

49、、密度及该处的电场强度等与气体的性质、密度及该处的电场强度等因素有关。因素有关。North China Electric Power University 根据碰撞电离系数根据碰撞电离系数的定义，的定义，可得可得ndxdn分离变数并积分分离变数并积分 ，可得，可得xdxenn00均匀电场，均匀电场，不随不随x 变化变化xenn0ddxxn0nna4. 电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数抵达阳极的电子数抵达阳极的电子数adaenn0四四. . 汤森德气体放电理论（续）汤森德气体放电理论（续）North China Electric Power University5. 自持放电条件与表面电离系数自

50、持放电条件与表面电离系数 如果电压如果电压( 电场强度电场强度 ）足够大，初始电子崩中的正离子能在阴极上产）足够大，初始电子崩中的正离子能在阴极上产生出来的生出来的新电子数等于或大于新电子数等于或大于n0，那么即使除去外界电离因子的作用放电，那么即使除去外界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子（它们的数目也不会停止，即放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维持下去，这就变成了取决于电场强度）就能维持下去，这就变成了自持放电自持放电。 在整个路程撞击出的正离子数为：在整个路程撞击出的正离子数为：0(1)adne 令令 表示一个正离

51、子撞击到阴极表面时表示一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数，则从金属表面电离产生出来的二次电子数，则从金属表面电离出的电子数为：出的电子数为：0(1)adne 若该电子数大于等于起始电子数若该电子数大于等于起始电子数n0,那么那么放电可以自持，即放电可以自持，即自持放电条件自持放电条件为：为：00(1)(1)1adadnene四四. . 汤森德气体放电理论（续）汤森德气体放电理论（续）North China Electric Power University 式（式（1-14）包含的物理意义为：一个电子从阴极到阳极途中因电子崩）包含的物理意义为：一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成

52、的正电子数为而造成的正电子数为 ead-1 ,这批在阴极上造成的二次自由电子数应为这批在阴极上造成的二次自由电子数应为(ead-1) ，如果它等于，如果它等于1，就意味着那个初试电子有了一个后继电子，从而使放，就意味着那个初试电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。电得以自持。物理物理意义 在不均匀电场中，各点的电场强度在不均匀电场中，各点的电场强度E不同，所以各处的不同，所以各处的 值也不同，值也不同，在这中条件下，上面的自持条件应改写成：在这中条件下，上面的自持条件应改写成：0(1)1ddxe 实验表明正离子在返回阴极途中造成的碰撞电离作用极小，可以忽略实验表明正离子在返回阴极途中造成的

53、碰撞电离作用极小，可以忽略不计不计。 上述过程可以用图上述过程可以用图 2-1 中的图解加以概括，当自持放电条件得到满足中的图解加以概括，当自持放电条件得到满足时，就会形成图解闭环部分循环不息的状态，放电就能自己维持下去，而时，就会形成图解闭环部分循环不息的状态，放电就能自己维持下去，而不再依赖外界电离因子的作用了。不再依赖外界电离因子的作用了。四四. . 汤森德气体放电理论（续）汤森德气体放电理论（续）North China Electric Power University外界电离因子外界电离因子阴极表面电离阴极表面电离气体空间电离气体空间电离气体中的自由电子气体中的自由电子在电场中加速在

54、电场中加速碰撞电离碰撞电离电子崩（电子崩（）过程）过程 阴极表面二次发射阴极表面二次发射 (过程）过程）正离子正离子图图 2-1 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程低气压、短气隙情况下气体的放电过程 第三节 自持放电放电条件North China Electric Power UniversitySbUfTPPTTPss9 . 2五五. . 帕邢定律帕邢定律Ub(kV)图图2-2 均匀电场中空气的均匀电场中空气的帕邢帕邢曲线曲线0.51 2 3 5 10 20 30 50 100 300 100050201010.3520.20.1 0.5330SNorth Chin

55、a Electric Power University分析：分析：1.当当 不变的时候，提高气压或降低气压到真空都能提不变的时候，提高气压或降低气压到真空都能提高气隙的击穿电压。高气隙的击穿电压。 2.当当S不变的时候，气体的相对密度不变的时候，气体的相对密度 增大或减小的时增大或减小的时 候，击穿电压增大；候，击穿电压增大； 3.在均匀的电场中，击穿电压在均匀的电场中，击穿电压 与气体的相对密度与气体的相对密度 、极间距离极间距离S的积有函数关系，只要的积有函数关系，只要 的乘积不变，的乘积不变， 也就不变。也就不变。bUSbU物理解释：物理解释： 假设假设S S保持不变，当气体密度保持不变

56、，当气体密度 增大时，电子的平均自由增大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之间，电子积聚到足够动能的几率行程缩短了，相邻两次碰撞之间，电子积聚到足够动能的几率减小了，故减小了，故 必然增大。反之，当减小时，电子在碰撞前积聚必然增大。反之，当减小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子在走完全到足够动能的几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小程中与气体分子相撞的总次数却减到很小 ，所以，所以 也会增大。也会增大。bUbU五五. . 帕邢定律（续）帕邢定律（续）North China Electric Power Unive

57、rsity 在这两者之间，总有一个在这两者之间，总有一个 值对造成撞击游离最有利，值对造成撞击游离最有利，此时此时 最小同样，可假设最小同样，可假设 保持不变。保持不变。 S S值增大时，值增大时，欲得一定的场强，电压必须增大。当欲得一定的场强，电压必须增大。当S S值减到过小时，场强值减到过小时，场强虽大增，但电于在走完全程中所遇到的撞击次数己减到很虽大增，但电于在走完全程中所遇到的撞击次数己减到很小，故要求外加电压增大，才能击穿。这两者之间，也总小，故要求外加电压增大，才能击穿。这两者之间，也总有一个有一个S S的值对造成撞击游离最有利，此时的值对造成撞击游离最有利，此时 最小。最小。bU

58、bU汤森德放电机理的不足汤森德放电机理的不足(1)只是在一定的范围内有效只是在一定的范围内有效(2)不均匀的电场中，该理论不适用。不均匀的电场中，该理论不适用。cmS26. 0五五. . 帕邢定律（续）帕邢定律（续）North China Electric Power University六六. . 流注理论流注理论 ( (一一) ) 空间电荷对原有电场的影响空间电荷对原有电场的影响 ( (二二) ) 空间光电离的作用空间光电离的作用 高电压技术面对的往往是高气压长气隙的情况。汤逊高电压技术面对的往往是高气压长气隙的情况。汤逊理论并不适用，应当用流注理论解释，适用条件为：理论并不适用，应当用流

59、注理论解释，适用条件为：0.26Scm 流注理论也是以实验为基础的，影响因素主要有以下流注理论也是以实验为基础的，影响因素主要有以下两方面：两方面：North China Electric Power University 电子崩的头部集中着大部分的电子崩的头部集中着大部分的正离子和几乎全部电子。原有均匀正离子和几乎全部电子。原有均匀场强在电子崩前方和尾部处都增强场强在电子崩前方和尾部处都增强了，在这两个强场区中间出现了一了，在这两个强场区中间出现了一个电场强度很小但电子和正离子浓个电场强度很小但电子和正离子浓度却最大的区域，使此处产生强烈度却最大的区域，使此处产生强烈的复合并发射出许多光子，

60、成为引的复合并发射出许多光子，成为引发新的空间光电离的辐射源。发新的空间光电离的辐射源。x(a)(b)EE0dE0 ( (一一) ) 空间电荷对原有电场的影响空间电荷对原有电场的影响North China Electric Power University 上面所说的辐射源向气上面所说的辐射源向气隙空间各处发射光子而引起隙空间各处发射光子而引起光电离。如果光子位于强场光电离。如果光子位于强场区，二次电子崩将以更大得区，二次电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展，多的电离强度向阳极发展，或汇入崩尾。或汇入崩尾。这些电离强度这些电离强度和发展速度远大于初始电子和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（