高电压技术教案课件

1、2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 201520151 绪论绪论第一篇第一篇 电介质的电气强度电介质的电气强度第二篇第二篇 电气设备绝缘试验电气设备绝缘试验第三篇第三篇 电力系统过电压及其防护与绝缘配合电力系统过电压及其防护与绝缘配合高电压技术高电压技术2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 201520152第一篇第一篇 电介质的电气强度电介质的电气强度1.什么是电介质？什么是电介质？2.什么是电介质的电气强度？什么是电介质的电气强度？电介质作为绝缘材料，分为：气体介质、固体电介质作为绝缘材料，分为：气体介质、固体介质和液体介质，常进行组合

2、。介质和液体介质，常进行组合。电介质的耐击穿性能（绝缘性能）。电介质的耐击穿性能（绝缘性能）。2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 201520153第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程第二章第二章 气体介质的电气强度气体介质的电气强度第三章第三章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性第一篇第一篇 电介质的电气强度电介质的电气强度2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201544u本章要求本章要求掌握带电粒子产生和消失的途径；掌握带电粒子产生和消失的途径；掌握气体放电的汤森理论和流注理论；掌握气体放电

3、的汤森理论和流注理论；理解不均匀电场中的放电过程；理解不均匀电场中的放电过程；掌握沿面放电形成机理和预防措施。掌握沿面放电形成机理和预防措施。第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 201520155第一节第一节 带电粒子的产生与消失带电粒子的产生与消失第二节第二节 电子崩电子崩第三节第三节 自持放电条件自持放电条件第四节第四节 起始电压与气压的关系起始电压与气压的关系第五节第五节 气体放电的流注理论气体放电的流注理论第六节第六节 不均匀电场的放电过程不均匀电场的放电过程第七节第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击

4、穿放电时间和冲击电压下的气隙击穿第八节第八节 沿面放电与闪络沿面放电与闪络第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 201520156 第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失u气体放电气体放电2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 201520157一、带电粒子在气体中的运动描述一、带电粒子在气体中的运动描述（一）自由行程长度（一）自由行程长度第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失当气体中存在电场时，带电当气体中存在电场时，带电粒子具有复杂的运动轨迹：粒子具有

5、复杂的运动轨迹：（1）与中性的气体粒子（原）与中性的气体粒子（原子或分子）一样，进行着杂子或分子）一样，进行着杂乱无章的热运动；乱无章的热运动；（2）沿着电场作定向漂移）沿着电场作定向漂移。E2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 201520158平均自由行程长度平均自由行程长度各种粒子在空气中运动时都会不断各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞碰撞。单位行程。单位行程(1cm)(1cm)中的碰撞次数中的碰撞次数Z Z的倒数的倒数即为该粒子的即为该粒子的平均自由平均自由行程长度。行程长度。实际的实际的自由行程长度自由行程长度是随机量，粒子的平均自由是随机量，粒子的平均自由

6、行程行程长度等于或大于某一距离长度等于或大于某一距离x x的概率为的概率为 xexP 可见实际的自由行程长度可见实际的自由行程长度x x等于或大于平均自等于或大于平均自由行程长度由行程长度的概率为的概率为36.8%.36.8%.第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 201520159电子的平均自由行程长度电子的平均自由行程长度:由于电子的半径或体积比离由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所以子或气体分子小得多，所以电子的平均自由行程长度要比离电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多子或气体分子大得多。

7、由气体动力学可知，。由气体动力学可知，电子的平均自由电子的平均自由行程长度行程长度Nre21式中式中 r-气体分子的半径；气体分子的半径； N-气体分子的密度；气体分子的密度；由于由于 ，代入上式即得，代入上式即得kTpNprkTe2式中式中 p-气压，气压，Pa； T-气温，气温，K； k-波尔茨曼常数，波尔茨曼常数， KJk/1038. 123第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失结论：电子的平均自由行程与气体种类、气压及温度结论：电子的平均自由行程与气体种类、气压及温度有关。有关。2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201510（二）带

8、电粒子的迁移率（二）带电粒子的迁移率迁移率迁移率:带电粒子在电场力的驱动下，将沿着电场方向漂带电粒子在电场力的驱动下，将沿着电场方向漂移，其移，其速度速度v v与场强与场强E E成正比成正比, ,其比例系数其比例系数k=v/Ek=v/E，称为，称为迁移率迁移率，它表示它表示该带电粒子在单位场强（该带电粒子在单位场强（1V/m1V/m）下沿电场方向的漂移）下沿电场方向的漂移速度。速度。电子更易被加速：电子更易被加速：由于电子的由于电子的平均自由行程长度平均自由行程长度比离子比离子大得多，而大得多，而电子的质量比离子小电子的质量比离子小得多得多, ,更易加速更易加速，所以，所以电子的电子的迁移率远

9、大于离子迁移率远大于离子。第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201511 ( ( 三三 ) )扩散扩散扩散：扩散：在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓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，这种物理过程叫度分布均匀化，这种物理过程叫扩散扩散。影响扩散的因素：影响扩散的因素：气压越低，温度越高（密度气压越低，温度越高（密度小），小），则扩散进行的越快。则扩散进行的越快。电子扩散速度快：电子扩散速度快：电子的热

10、运动速度大，自由行电子的热运动速度大，自由行程长度也大，所以其扩散速度也要比离子快得多。程长度也大，所以其扩散速度也要比离子快得多。 第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201512 二、带电粒子的产生二、带电粒子的产生u 电离：电离：产生带电粒子的过程称为产生带电粒子的过程称为电离（或游离电离（或游离) )，它是它是气体放电的首要前提。气体放电的首要前提。激励：激励：气体原子中的气体原子中的电子电子沿着沿着原子核原子核周围的圆形或周围的圆形或椭圆形轨道围绕着带正电的原子核旋转。当原子获椭圆形轨道围绕着带

11、正电的原子核旋转。当原子获得得外加能量外加能量时，一个或若干个电子可能转移到离核时，一个或若干个电子可能转移到离核较远的轨道上去。这种现象叫较远的轨道上去。这种现象叫激励激励。产生激励所需。产生激励所需的能量（的能量（激励能激励能）等于该轨道和常态轨道的能级差。）等于该轨道和常态轨道的能级差。第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201513电离：电离：如果原子获得的外加能量足够大，电子摆脱原子核如果原子获得的外加能量足够大，电子摆脱原子核的约束而的约束而成为自由电子成为自由电子，这时原来中性的原子发生了，

12、这时原来中性的原子发生了电离电离，分解成两种带电粒子分解成两种带电粒子电子和正离子。电子和正离子。电离能：电离能：使基态原子或分子中结合最松弛的那个电子电使基态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称为离出来所需的最小能量称为电离能电离能。第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201514气体气体激励能激励能We (eV)电离能电离能Wi (eV) 气体气体激励能激励能We (eV)电离能电离能Wi (eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07

13、.66.813.712.815.6 表表1-1 1-1 某些气体的激励能和电离能某些气体的激励能和电离能u 能量来源：能量来源：引起电离所需的能量可通过不同的形式传引起电离所需的能量可通过不同的形式传递给气体分子，例如递给气体分子，例如:光能、热能、机械能（动）能，对光能、热能、机械能（动）能，对应的电离过程称为光电离、热电离、碰撞电离。应的电离过程称为光电离、热电离、碰撞电离。第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失191eV1.60217733 10J2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201515（1）光电离）光电离 频率为频率为的光子能

14、量为的光子能量为 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。 seVsJ 15341013. 41063. 6iWhiWhc s/m1038 第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失Wh2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201516 通过通过 的计算可知，各种的计算可知，各种可见光（波长大于可见光（波长大于290nm）都都不可能使气体直接发生光电离不可能使气体直接发生光电离，紫外线也只能使少数几种，紫外线也只能使少

15、数几种电离能特别小的金属蒸汽发生光电离，只有电离能特别小的金属蒸汽发生光电离，只有那些波长更短的那些波长更短的高能辐射线高能辐射线 （ 例如例如X 射线、射线、 射线等）才能使气体发生光射线等）才能使气体发生光电离。电离。 在气体放电中，能导致气体光电离的光源不仅有在气体放电中，能导致气体光电离的光源不仅有外界的高外界的高能辐射线能辐射线，而且还可能是，而且还可能是气体放电本身气体放电本身，例如带电粒子复合，例如带电粒子复合的过程中，就会放出辐射能而引起新的光电离。的过程中，就会放出辐射能而引起新的光电离。iWhc 第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失2022年年4月月23日

16、日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201517在在高温高温下，气体分子和原子热运动加快，它们互下，气体分子和原子热运动加快，它们互相碰撞，在温度足够高时会撞击产生离子和自由电相碰撞，在温度足够高时会撞击产生离子和自由电子，这种现象称为子，这种现象称为热游离热游离。（2）热电离）热电离 第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 20152015188 10 12 14 16 18 20 22 24103(K)1.00.80.60.40.20mT（2）热电离）热电离电离度：电离度：气体中已发生电离的分子数与总

17、分子的比值气体中已发生电离的分子数与总分子的比值m 称为称为该气体的该气体的电离度电离度 。下图是空气的电离度与温度的关系曲线，可知：只有在温度下图是空气的电离度与温度的关系曲线，可知：只有在温度超过超过10000K时时 ( 例如电弧放电的情况例如电弧放电的情况 ) ，才需考虑热电离；，才需考虑热电离；而在温度达到而在温度达到20000K左右时，几乎全部空气分子都已处于热左右时，几乎全部空气分子都已处于热电离状态。电离状态。 第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201519（3）碰撞电离）碰撞电离 第一节

18、第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失当有一定强动能的当有一定强动能的电子电子撞击到某种气体的撞击到某种气体的中性质中性质点点时，可使其间电子被释放出来，游离成正离子和时，可使其间电子被释放出来，游离成正离子和新的自由电子。被撞击的电子和原来的电子又会在新的自由电子。被撞击的电子和原来的电子又会在电场作用下向阳极作加速运动，获得足够动能后，电场作用下向阳极作加速运动，获得足够动能后，又将撞击其它中性质点，产生更多的自由电子和正又将撞击其它中性质点，产生更多的自由电子和正离子，使带电质点浓度迅速增加。这一游离过程即离子，使带电质点浓度迅速增加。这一游离过程即称为称为碰撞电离碰撞电离。2

19、022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201520（3）碰撞电离）碰撞电离电子在电场强度为电子在电场强度为 E 的的电场中移过电场中移过x 距离时所获得的动能距离时所获得的动能为为ExqmvWe221式中式中 m电子的质量；电子的质量； qe电子的电荷量。电子的电荷量。 如果如果 W 等于或大于气体分子的电离能等于或大于气体分子的电离能Wi ，该电子就有，该电子就有足够的能量去完成碰撞电离，由此可得出电子引起碰撞电离足够的能量去完成碰撞电离，由此可得出电子引起碰撞电离的条件为的条件为ieWExq 第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失2022年年

20、4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201521 碰撞电离的最小距离：碰撞电离的最小距离：电子为造成碰撞电离而必须飞越的最电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离小距离 ，xi 的大小取决于的大小取决于场强场强 E ，增大气体，增大气体中的场强将使中的场强将使 xi 值减小，可见值减小，可见提高外加电场（电压）将使碰提高外加电场（电压）将使碰撞电离的概率和强度增大撞电离的概率和强度增大。EqWxeii 第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失碰撞电离是气体中产生带电粒子的碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要最重要的方式。的方式。强调：强调：碰撞电离主要由电子

21、完成碰撞电离主要由电子完成，离子碰撞中性分子并使，离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过之电离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时，往往程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离只考虑电子所引起的碰撞电离。2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201522气体激励能We (eV)电离能Wi (eV) 气体激励能We (eV)电离能Wi (eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6金属金属逸出功逸出功 (eV(eV）金属金属逸出功逸出功 (

22、eV(eV）金属金属逸出功逸出功 (eV(eV）铝 (Al )银 (Ag)1.83.1铁 (Fe)铜 (Cu)3.93.9氧化铜 (CuO)铯 (Cs)5.30.7 （4）电极表面电离）电极表面电离逸出功：逸出功：电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功逸出功比较表比较表1-2 1-2 与表与表1-11-1，可知，可知金属的逸出功比气体分子的电离金属的逸出功比气体分子的电离能小得多，表明能小得多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。金属表面电离比气体空间电离更易发生。2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 201520152

23、3阴极表面电离（电子发射）阴极表面电离（电子发射）在气体放电过程中起着相当重在气体放电过程中起着相当重要的作用。随着外加能量形式的不同，阴极表面电离可在下要的作用。随着外加能量形式的不同，阴极表面电离可在下列情况下发生：列情况下发生：1)1)正离子撞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，其：通常正离子动能不大，可忽略，其势能等于电离能势能等于电离能；只有在它的；只有在它的势能等于或大于阴极材料逸出势能等于或大于阴极材料逸出功两倍功两倍时，才能引起阴极表面电离，这个条件可满足（比较时，才能引起阴极表面电离，这个条件可满足（比较表表1 11 1和和1 12 2）。）。2)2)光

24、电子发射光电子发射：高能辐射线照射阴极时，会引起光电子发射，：高能辐射线照射阴极时，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。其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。（4）电极表面电离）电极表面电离2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 20152015243)3)热电子发射热电子发射：金属中的电子在高温下能获得足够的动能金属中的电子在高温下能获得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。在许多电子器件中常而从金属表面逸出，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。利用加热阴极来实现电子发射。 4)4)强场发射（冷发射）强场发射（冷发射

25、）：当阴极表面附近空间存在很强的当阴极表面附近空间存在很强的电场时（电场时（10106 6V/cmV/cm数量级），能使阴极发射电子。数量级），能使阴极发射电子。常态下常态下作用作用气隙击穿完全不受影响；在气隙击穿完全不受影响；在高气压高气压、压缩的高强度气体压缩的高强度气体的击穿的击穿过程中会起一定的作用；过程中会起一定的作用；真空中真空中更起着决定性作用。更起着决定性作用。（4）电极表面电离）电极表面电离2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201525三、负离子的形成三、负离子的形成当电子与气体与分子碰撞时，可能会发生电子与当电子与气体与分子碰撞时，可能

26、会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程成中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程成为为附着附着(附着效应）附着效应）。易于产生负离子的气体称为易于产生负离子的气体称为电负性气体电负性气体。例：氧气、水汽分子、例：氧气、水汽分子、SF6 第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201526 (2)(2)扩散：扩散：带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。 (3)(3)复合：复合：气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发生电荷的

27、传递与中和，这种现象称为生电荷的传递与中和，这种现象称为复合复合，是与电，是与电离相反的一种过程。离相反的一种过程。 四、带电粒子的消失四、带电粒子的消失 (1) 中和：中和：带电粒子在电场的驱动下作定向运动，带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；流； 第一节第一节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201527汤逊试验汤逊试验 试验条件试验条件： 两个平行平板电极；两个平行平板电极； 外部光源（天然辐射或人工外部光源（天然辐射或

28、人工光源）；光源）； 可调直流电源；可调直流电源； 测量表计测量表计( (电压表、电流电压表、电流表）；表）； 第二节第二节 电子崩电子崩2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201528试验结果及解释试验结果及解释0a段段：电流随电压电流随电压 升高升高而增大；而增大；随着场强的增随着场强的增大，气体中的带电粒子大，气体中的带电粒子运动速度加快。运动速度加快。ab段段：电压升高，电压升高，电流基本不变；电流基本不变；单位时单位时间内产生的带电粒子全间内产生的带电粒子全部运动到极板。部运动到极板。 第二节第二节 电子崩电子崩2022年年4月月23日日19时时5

29、7分分高电压技术高电压技术 2015201529 bcbc段段：电流随电压增大；电流随电压增大；出现了新的电离因素（碰撞出现了新的电离因素（碰撞电离），产生了新的带电粒电离），产生了新的带电粒子子。 c c点后点后：电流急剧增大；电流急剧增大；自自身的电离因素占主导作用，身的电离因素占主导作用，绝缘被击穿。绝缘被击穿。 第二节第二节 电子崩电子崩2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201530非自持放电非自持放电：S S点前，电点前，电流较小，而且电流需要外界流较小，而且电流需要外界电离因素才能维持。电离因素才能维持。自持放电自持放电：电压达到一定电压达到一

30、定值值U U0 0后，电流剧增，且电离后，电流剧增，且电离过程仅靠外加电压已能维持，过程仅靠外加电压已能维持，不需要外界电离因素不需要外界电离因素。U U0 0称称为起始放电电压。为起始放电电压。 第二节第二节 电子崩电子崩2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201531 外界电离因素在外界电离因素在阴极附近产生一阴极附近产生一个初始电子，如个初始电子，如果果空间的电场强空间的电场强度足够大度足够大，该电，该电子在向阳极运动子在向阳极运动时就会引起碰撞时就会引起碰撞电离，产生出一电离，产生出一个新电子，初始个新电子，初始电子和新电子电子和新电子继续向阳极运动

31、，又会引起新的碰撞电离，产生出更多的电继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生出更多的电子。依次类推，子。依次类推，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展发展,这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。 第二节第二节 电子崩电子崩2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201532u电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数：表示一：表示一个电子沿电场方向运动个电子沿电场方向运动1cm 1cm 的行的行程所完成的碰撞电离次数平均值程所完成的碰撞电离次数平均值根据碰撞电离系数根据碰撞电离系数的定义

32、，可得的定义，可得dxndn 分离变量并积分分离变量并积分 ，可得，可得 xdxenn00 均匀电场，均匀电场，不随不随x 变化变化 xenn0ddxxn0nna 第二节第二节 电子崩电子崩2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201533抵达阳极的电子数抵达阳极的电子数adaenn0新增加的电子数或离子数新增加的电子数或离子数)1(00 adaennnn等号两侧乘以电子电荷等号两侧乘以电子电荷qe 即成为电流关系式即成为电流关系式adeII0u表示：表示：电子崩电流按指数规律随极间距离电子崩电流按指数规律随极间距离d d 而增大，但这时而增大，但这时的放电还

33、不能自持，因为一旦除去外界电离因子（令的放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子（令I I0 0=0 )=0 )，I I 即变为零，即为非自持放电。即变为零，即为非自持放电。adaenn0ddxxn0nna 第二节第二节 电子崩电子崩xenn02022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201534关于碰撞电离系数的讨论关于碰撞电离系数的讨论EBpApe（1）A、B与气体种类有关；与气体种类有关；（2）p气压；气压；（3）E电场强度。电场强度。 第二节第二节 电子崩电子崩adeII02022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201535

34、第三节第三节 自持放电条件自持放电条件二次电子：二次电子：在电场作用下，正离子向阴极运动，撞击阴极有可在电场作用下，正离子向阴极运动，撞击阴极有可能引起表面电离而能引起表面电离而拉出电子拉出电子，部分电子和正离子复合，其余部，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动和产生分则向着阳极运动和产生新的电子崩新的电子崩。如果电压如果电压( ( 电场强度电场强度 ）足够高，初始电子崩中的）足够高，初始电子崩中的正离子正离子在阴在阴极上产生出的极上产生出的新电子数等于或大于初始电子新电子数等于或大于初始电子n n0 0，那么即使除去，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

35、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（它们的数目取决于电场强度）就能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，这就变成了维持下去，这就变成了自持放电自持放电。ddxxn0nna2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201536 令令表示一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电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，子数，单位时间内发射的电子数为单位时间内发射的电子数为n nc c , , 到达阳极时将增加到达阳极时将增加为为adcaenn ) 1(0adccennn外界电离因外界电离因

36、素引起素引起正离子撞击正离子撞击阴极引起阴极引起第三节第三节 自持放电条件自持放电条件2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201537如果 ，那么即使除去外电离因子（I0=0), I 亦不等于零，即放电能维持下去 。 0) 1(1ade可推出：可推出：)1(1 0 adadeeII 可见自持放电条件应为1)1( ade 汤逊放电条件汤逊放电条件第三节第三节 自持放电条件自持放电条件2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201538 物理意义物理意义为：为： 一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正离子数一个电子从阴极到阳极

37、途中因电子崩而造成的正离子数为为 e eadad-1-1 , ,这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数应为这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数应为(e(eadad-1) -1) ，如果它等于，如果它等于1 1，就意味着那个初始电子有了一个，就意味着那个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。后继电子，从而使放电得以自持。1)1( ade 第三节第三节 自持放电条件自持放电条件2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201539起始场强与起始电压起始场强与起始电压放电由非自持转为自持时的电场强度称为放电由非自持转为自持时的电场强度称为起始场强起始场强，相应

38、的，相应的 电压为电压为起始电压；起始电压；在在比较均匀的电场中比较均匀的电场中，起始场强和起始电压起始场强和起始电压就是气隙的就是气隙的击穿击穿场强和击穿电压场强和击穿电压；在在不均匀电场中不均匀电场中电离过程仅仅存在于气隙中电场强度等于或电离过程仅仅存在于气隙中电场强度等于或大于起始场强的区域，即使放电已能自持，但整个气隙仍未击大于起始场强的区域，即使放电已能自持，但整个气隙仍未击穿。因此，穿。因此，在不均匀电场中，起始电压低于击穿电压，电场越在不均匀电场中，起始电压低于击穿电压，电场越不均匀，二者的差值越大。不均匀，二者的差值越大。 第三节第三节 自持放电条件自持放电条件2022年年4月

39、月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201540 在不均匀电场中，在不均匀电场中，各点的电场强度各点的电场强度E E不同，所以各处的不同，所以各处的 值也不同，在这中条件下，上面的自持条件应改写成值也不同，在这中条件下，上面的自持条件应改写成1)1(0 ddxe 把把电子崩和阴极上的电子崩和阴极上的过程过程作为气体自持放电的决定性因素作为气体自持放电的决定性因素是汤逊理论的基础，它只能使用于是汤逊理论的基础，它只能使用于低气压、短气隙低气压、短气隙的情况的情况 pd26.66kPa cm (200mmHg cm) ，因为这种条件下不会出，因为这种条件下不会出现以后要介绍的流

40、注现象。现以后要介绍的流注现象。上述过程可以用图上述过程可以用图 1-6 中的图解加以概括，当自持放电条件中的图解加以概括，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，而不再依赖外界电离因子的作用了。就能自己维持下去，而不再依赖外界电离因子的作用了。第三节第三节 自持放电条件自持放电条件2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201541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碰撞电离碰撞电离电子崩电子崩（）过程）过程气体中的自由电子气体中

41、的自由电子在电场中加速在电场中加速 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 1-6 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 第三节第三节 自持放电条件自持放电条件2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201542第四节第四节 起始电压与气压的关系起始电压与气压的关系 利用汤逊理论的自持放电条件，以及碰撞电离系数利用汤逊理论的自持放电条件，以及碰撞电离系数与气压与气压p p 、电场强度、电场强度E E 的关系式，并考虑均匀电场中自持放电起始的关系式，并考虑均匀电场中自持放电起始场强场强 ，可得到下面的关系式

42、，可得到下面的关系式dUE00 )11ln()(ln)(0pdApdBU由于均匀电场气隙的击穿电压由于均匀电场气隙的击穿电压U Ub b等于它的自持放电起始电压等于它的自持放电起始电压 U U0 0 , , 所以上式表明：所以上式表明：U U0 0 或或U Ub b是是气压和极间距离的乘积气压和极间距离的乘积（pd pd ) )的函数，即的函数，即 Ub =U0= f ( pd )巴申定律巴申定律EBpApe1)1( ade 2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201543 击穿电压击穿电压Ub具有具有极小值极小值，提高气压或降低气压到真空都能提高气压或降低

43、气压到真空都能提高气隙的击穿电压。提高气隙的击穿电压。Ub = f ( pd ) 曲线称为曲线称为巴申曲线巴申曲线。它表明：。它表明：如果改变极间距离如果改变极间距离d 的同时，也相应的改变气压的同时，也相应的改变气压 p ，而使，而使pd的乘积不变，则极间的乘积不变，则极间距离不等的气隙的击穿电压却彼此相等。距离不等的气隙的击穿电压却彼此相等。 上述巴申定律是在温度上述巴申定律是在温度T不变的条件下得出不变的条件下得出 的。在气温的。在气温 T 并并非恒定的情况下，应改写成非恒定的情况下，应改写成Ub = F ( d )式中 气体的相对密度。第四节第四节 起始电压与气压的关系起始电压与气压的

44、关系2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201544Ub(kV)图1-7 均匀电场中空气的巴申曲线0.10.20.30.51 2 3 5 10 20 30 50 100 300 100050201010.3520.20.1 0.5330pd(133.3Pa.cm)第四节第四节 起始电压与气压的关系起始电压与气压的关系2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201545 击穿电压有最小值的定性解释击穿电压有最小值的定性解释 形成自持放电需要一定的电离数，这决定于形成自持放电需要一定的电离数，这决定于碰碰撞次数撞次数与与电离概率电

45、离概率的乘积；的乘积； 若若d d一定一定，则，则p p增大时，碰撞次数增加，但电离增大时，碰撞次数增加，但电离概率减小，因此在某个概率减小，因此在某个p p值下，碰撞次数与电离概值下，碰撞次数与电离概率的乘积有最大值；率的乘积有最大值； 若若p p一定一定，d d增大时，碰撞次数增加，但电离概增大时，碰撞次数增加，但电离概率减小（场强减小），因此在某个率减小（场强减小），因此在某个d d值下，碰撞次值下，碰撞次数与电离概率的乘积有最大值；数与电离概率的乘积有最大值；第四节第四节 起始电压与气压的关系起始电压与气压的关系2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 20152

46、01546第四节第四节 起始电压与气压的关系起始电压与气压的关系2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201547第五节第五节 气体放电的流注理论气体放电的流注理论汤逊理论的实用性汤逊理论的实用性n能较好的解释能较好的解释低气压短气隙低气压短气隙中的放电现象。中的放电现象。n不能解释不能解释高气压长气隙高气压长气隙中的放电现象。中的放电现象。n（1）时间短：时间短：实际测的大气击穿时间比按汤逊理论推测的时实际测的大气击穿时间比按汤逊理论推测的时n 间小得多；间小得多；n（2）放电通道出现）放电通道出现不均匀不均匀。2022年年4月月23日日19时时57分分高电

47、压技术高电压技术 2015201548 (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原有均匀场强在电子崩前方和尾部原有均匀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处都增强了，在这两个强场区中间出现了一个电场强度很小但电子和出现了一个电场强度很小但电子和正离子浓度却最大的区域，使此处正离子浓度却最大的区域，使此处产生强烈的复合并发射出许多光子产生强烈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成为引发新的空间光电离的辐射源。源。x(a)(b)EE0dE0第五节第五节 气体放电的流注理论气体放电的流注理论2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高

48、电压技术 2015201549辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离。如果光子辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离。如果光子位于位于强场区强场区，二次电子崩二次电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发将以更大得多的电离强度向阳极发展，或汇入崩尾。展，或汇入崩尾。 (2)(2)空间光电离的作用空间光电离的作用第五节第五节 气体放电的流注理论气体放电的流注理论 图图1-9 1-9 流注形成过程流注形成过程(a)(b)(c)x(a)(b)EE0dE02022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201550 流注理论：流注理论：在初始阶段，气体放在初始阶段，气体放电以碰撞

49、电离和电子崩的形式出现电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度后，但当电子崩发展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积聚到足够某一初始电子崩的头部积聚到足够数量的空间电荷数量的空间电荷，就会引起新的强，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷电离和二次电子崩是由于空间电荷使使局部电场大大增强局部电场大大增强以及以及发生空间发生空间光电离光电离的结果，这时放电即转入新的结果，这时放电即转入新的流注阶段。的流注阶段。 (2)(2)空间光电离的作用空间光电离的作用第五节第五节 气体放电的流注理论气体放电的流注理论 图图1-

50、9 1-9 流注形成过程流注形成过程(a)(b)(c)2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201551 流注：流注：电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流注。过程被称为流注。 (2)(2)空间光电离的作用空间光电离的作用第五节第五节 气体放电的流注理论气体放电的流注理论 图图1-9 1-9 流注形成过程流注形成过程(a)(b)(c)2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201552 (

51、 (二二) )空间光电离的作用空间光电离的作用第五节第五节 气体放电的流注理论气体放电的流注理论2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201553 流注的特点：流注的特点：电离强度很电离强度很大，传播速度很快（超过初大，传播速度很快（超过初崩发展速度崩发展速度1010倍以上）。倍以上）。u 出现流注后放电便获得独立出现流注后放电便获得独立继续发展的能力，而不在依赖继续发展的能力，而不在依赖外界电离因素的作用，可见外界电离因素的作用，可见出出现流现流注注的条件也就是自持放电的条件也就是自持放电条件。条件。n出现流注的条件出现流注的条件:初崩头部空间电荷数必须达到

52、某一临界值，初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值，对于均匀电场，对于均匀电场，自持放电条件自持放电条件为为:e:ead ad = = 常数常数或 ad = 常数常数 图图1-9 1-9 流注形成过程流注形成过程(a)(b)(c)第五节第五节 气体放电的流注理论气体放电的流注理论2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201554试验研究所得的常数值为试验研究所得的常数值为 20ad 或 810adeu可见初崩头部的电子数要达到可见初崩头部的电子数要达到10108 8 时，放电才能转为自持（时，放电才能转为自持（出现流注）。出现流注）。 如果电极间所加电压正好等于

53、自持放电起始电压如果电极间所加电压正好等于自持放电起始电压U U0 0，那就意，那就意味着初崩要跑完整个气隙，头部才能积聚到足够的电子数而引味着初崩要跑完整个气隙，头部才能积聚到足够的电子数而引起流注。起流注。如果所加电压超过自持放电电压如果所加电压超过自持放电电压U U0 0，流注将提前出现和以更，流注将提前出现和以更快的速度发展。快的速度发展。第五节第五节 气体放电的流注理论气体放电的流注理论2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201555流注理论能够解释汤逊理论无法解释的一系列高气流注理论能够解释汤逊理论无法解释的一系列高气压、长气隙下出现的放电现象，

54、例如：时间问题，放压、长气隙下出现的放电现象，例如：时间问题，放电不均匀性。电不均匀性。n注意：注意：这两种理论各适用一定条件下的放电过程，这两种理论各适用一定条件下的放电过程，不能用一种理论来代替另一种理论。不能用一种理论来代替另一种理论。第五节第五节 气体放电的流注理论气体放电的流注理论2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201556第六节第六节 不均匀电场中的放电过程不均匀电场中的放电过程一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征稍不均匀电场：稍不均匀电场：放电特性与均匀电场相似，放电特性与均匀电场相似，一旦出现自

55、持放一旦出现自持放电，一定立即导致整个气隙击穿电，一定立即导致整个气隙击穿。 例如例如：高压实验中用来测高电压的球隙、全封闭组合电器中的：高压实验中用来测高电压的球隙、全封闭组合电器中的分相母线筒。分相母线筒。2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201557主变压器侧面一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201558第六节第六节 不均匀电场中的放电过程不均匀电场中的放电过程一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征一、稍不均匀电场和极不均匀电场的

56、放电特征极不均匀电场：极不均匀电场：电场强度沿气隙分布极不均匀，当所加电压电场强度沿气隙分布极不均匀，当所加电压达到某一临界值时，曲率半径小的电极附近空间电场强度首先达到某一临界值时，曲率半径小的电极附近空间电场强度首先达到起始场强值达到起始场强值E E0 0，在此区域出现放电在此区域出现放电，但，但气隙的大部分并未气隙的大部分并未出现放电现象，即出现放电现象，即出现电晕现象出现电晕现象。电晕：电晕：仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电称为电晕放电。电晕放电。u外观特征：外观特征：环绕电极表面的蓝紫色光晕。环绕电极表面的蓝紫色

57、光晕。u电晕起始电压：电晕起始电压：开始出现电晕放电时的电压为开始出现电晕放电时的电压为电晕起始电压电晕起始电压。随着外加电压的增大，电晕区也增大，但气隙仍保持绝缘状态，随着外加电压的增大，电晕区也增大，但气隙仍保持绝缘状态，并未击穿。并未击穿。2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201559 电场不均匀系数电场不均匀系数avEEfmax式中 Emax 最大电场强度 Eav 平均电场强度。 dUEav U 电极间的电压 d 极间距离 一般： f =1时，时，均匀电场均匀电场； f 4 时，时，极不均匀电场。极不均匀电场。第六节第六节 不均匀电场中的放电过程不

58、均匀电场中的放电过程2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201560 二、架空线路的电晕放电二、架空线路的电晕放电电晕放电：电晕放电：可以是可以是极不均匀电场极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段，气隙击穿过程的第一阶段，也可以是长期存在的稳定放电形式。这种放电对也可以是长期存在的稳定放电形式。这种放电对超高压和特高超高压和特高压压输电线路具有特殊的重要性。输电线路具有特殊的重要性。 以输电线路为例，半径为以输电线路为例，半径为 r 的的单根导线单根导线，离地高度为，离地高度为 h ，导，导线表面电场强度线表面电场强度 E 与对地电压与对地电压 U 的关系：的关

59、系：rhrUE2ln第六节第六节 不均匀电场中的放电过程不均匀电场中的放电过程2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201561 两根两根线间距离为线间距离为 D 、半径为、半径为 r 的平行导线，线间电压为的平行导线，线间电压为 U， 则：则：rDrUEln2u 皮克公式，线路电晕起始场强皮克公式，线路电晕起始场强 Ec 近似计算式如下近似计算式如下)/(3 . 0130cmkVrmEc 式中式中 m导线表面粗糙系数，光滑导线的导线表面粗糙系数，光滑导线的m1, 绞线的绞线的 m 0.80.9； 空气相对密度；空气相对密度； r 导线半径，导线半径，cm 。

60、 第六节第六节 不均匀电场中的放电过程不均匀电场中的放电过程2022年年4月月23日日19时时57分分高电压技术高电压技术 2015201562电晕受天气的影响：电晕受天气的影响： 在在雨、雪、雾等坏天气雨、雪、雾等坏天气时，导线表面时，导线表面的水滴使导线表面电场发生变化，降低了电晕起始电压和起的水滴使导线表面电场发生变化，降低了电晕起始电压和起始场强，始场强，更容易发生电晕更容易发生电晕。电晕的危害：电晕的危害：（1）电晕放电所产生的光、声、热等效应使空气发生化学反）电晕放电所产生的光、声、热等效应使空气发生化学反应，应，会消耗一些能量会消耗一些能量，电晕损耗是超高压输电线路设计是必须，电