高電壓技術1-6(2016)

1、North China Electric Power University高電壓技術張重遠張重遠 趙濤趙濤高壓教研室高壓教研室2016-2 電力工程系電力工程系North China Electric Power University緒緒 論論 各種高電壓現象各種高電壓現象 研究對象研究對象 中國電力系統(tǒng)電壓等級劃分中國電力系統(tǒng)電壓等級劃分 高電壓技術在其它領域的應用高電壓技術在其它領域的應用 課程相關信息課程相關信息North China Electric Power University雷電雷電極光極光電離圈電離圈絕緣子閃絡絕緣子閃絡 電暈電暈電弧電弧各種高電壓現象各種高電壓現象North

2、 China Electric Power University研究對象研究對象1.電氣設備絕緣電氣設備絕緣： 絕緣介質（固、液、氣體）在電場作用下絕緣介質（固、液、氣體）在電場作用下的電氣物理性能和擊穿的理論、規(guī)律。的電氣物理性能和擊穿的理論、規(guī)律。 高壓試驗高壓試驗判斷、監(jiān)視絕緣質量的主要判斷、監(jiān)視絕緣質量的主要試驗方法與試驗原理。試驗方法與試驗原理。2.電力系統(tǒng)過電壓：電力系統(tǒng)過電壓： 過電壓及其防護過電壓及其防護過電壓的成因與限制過電壓的成因與限制措施措施。North China Electric Power University 中國電力系統(tǒng)電壓等級劃分中國電力系統(tǒng)電壓等級劃分 高壓

3、（高壓（HV）：）：1kV220kV 10kV,20kV,35kV,110kV,220kV 超高壓（超高壓（EHV）：）：330kV,500kV,750kV 特高壓（特高壓（UHV）：）：1000kV及以上及以上交流系統(tǒng)交流系統(tǒng)直流系統(tǒng)直流系統(tǒng) 超高壓（超高壓（EHV）：）：500kV n 特高壓（特高壓（UHV）：）： 800kVNorth China Electric Power University高電壓技術在其它領域的應用高電壓技術在其它領域的應用醫(yī)學：利用高壓脈沖體外碎石、治療癌癥；醫(yī)學：利用高壓脈沖體外碎石、治療癌癥；農業(yè)：高壓靜電噴藥，高電場誘發(fā)變異育種；農業(yè)：高壓靜電噴藥，高電

4、場誘發(fā)變異育種；環(huán)保：高壓脈沖放電處理污水，電除塵技術；環(huán)保：高壓脈沖放電處理污水，電除塵技術；軍事：大功率脈沖技術，電磁干擾、電子對抗；軍事：大功率脈沖技術，電磁干擾、電子對抗；其它：靜電噴涂，高壓設備制造等。其它：靜電噴涂，高壓設備制造等。North China Electric Power University課程相關信息課程相關信息 參考書：參考書：u高電壓絕緣技術高電壓絕緣技術，中國電力，嚴璋，朱德恒，中國電力，嚴璋，朱德恒u電網過電壓教程電網過電壓教程，中國電力，陳維賢，中國電力，陳維賢u高電壓試驗技術高電壓試驗技術，清華，張仁豫，清華，張仁豫u高電壓技術高電壓技術，中國電力，趙智

5、大，中國電力，趙智大uHigh-Voltage Engineering，Pergamon Press, E. Kuffel (Canada), W.S. Zaengl, (Switzerland) 學習方法：學習方法： 理論聯(lián)系實際理論聯(lián)系實際 考試：考試： 作業(yè)作業(yè) + 實驗實驗 + 閉卷筆試閉卷筆試 答疑安排：答疑安排：u時間：周四下午時間：周四下午4:00-5:00u地點：教三樓一樓地點：教三樓一樓118室室North China Electric Power University第一篇第一篇 高電壓絕緣及實驗高電壓絕緣及實驗第一章第一章 電介質的極化、電導和損耗電介質的極化、電導和損耗

6、第二章第二章 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程第三章第三章 氣隙的電氣強度氣隙的電氣強度第四章第四章 固體液體和組合絕緣的電氣強度固體液體和組合絕緣的電氣強度第五章第五章 電氣設備絕緣試驗（一）電氣設備絕緣試驗（一）第六章第六章 電氣設備絕緣試驗（二）電氣設備絕緣試驗（二）North China Electric Power University第一章第一章 電介質的極化、電導和損耗電介質的極化、電導和損耗電介質的電氣特性分別用以下幾個參數來表示：電介質的電氣特性分別用以下幾個參數來表示：一切電介質在電場的作用下都會出現一切電介質在電場的作用下都會出現極化極化、電導電導和和損耗損耗等電氣物

7、理現象。等電氣物理現象。u 介電常數介電常數r:反映電介質的極化能力反映電介質的極化能力u 電導率電導率(或電阻率或電阻率)：反映電介質的電導反映電介質的電導u 介質損耗角正切介質損耗角正切tg：反映電介質的損耗反映電介質的損耗u 擊穿場強擊穿場強E：反映電介質的抗電性能反映電介質的抗電性能North China Electric Power University絕緣：絕緣： 絕緣的作用是將電位不等的導體分隔開，使其沒有電絕緣的作用是將電位不等的導體分隔開，使其沒有電氣的聯(lián)系能保持不同的電位氣的聯(lián)系能保持不同的電位,又稱為電介質又稱為電介質.分類：分類：氣體絕緣材料：空氣，氣體絕緣材料：空氣，

8、SF6氣體等氣體等固體絕緣材料：陶瓷，橡膠，玻璃，絕緣紙等固體絕緣材料：陶瓷，橡膠，玻璃，絕緣紙等液體絕緣材料：變壓器油液體絕緣材料：變壓器油混合絕緣：電纜，變壓器等設備混合絕緣：電纜，變壓器等設備第一章第一章 電介質的極化、電導和損耗電介質的極化、電導和損耗North China Electric Power University1.1 1.1 電介質的極化電介質的極化 定義：定義：電介質在電場作用下產生的束縛電荷的彈電介質在電場作用下產生的束縛電荷的彈 性位移和偶極子的轉向位移現象，稱為性位移和偶極子的轉向位移現象，稱為電電 介質的極化。介質的極化。 效果：效果：削弱外電場，使電介質的等值

9、電容增大削弱外電場，使電介質的等值電容增大。 物理量：物理量：介電常數介電常數 類型：類型：電子位移極化；離子位移極化；電子位移極化；離子位移極化； 轉向極化；空間電荷極化。轉向極化；空間電荷極化。North China Electric Power University電子位移極化電子位移極化qRRi-qOOE圖圖1-1 1-1 電子位移極化電子位移極化極化機理：極化機理：電子偏離軌道電子偏離軌道介質類型：介質類型：所有介質所有介質建立極化時間：建立極化時間：極短，極短，10-14 10-15s極化程度影響因素：極化程度影響因素： 電場強度（有關）電場強度（有關） 電源頻率（無關）電源頻率（

10、無關） 溫度（無關）溫度（無關）極化彈性：極化彈性：彈性彈性消耗能量：消耗能量：無無 North China Electric Power University離子位移極化離子位移極化 在由離子結合成的電介質內，外電場的作用除促使各個離子內部在由離子結合成的電介質內，外電場的作用除促使各個離子內部產生電子位移極化外還產生正、負離子相對位移而形成的極化，稱為產生電子位移極化外還產生正、負離子相對位移而形成的極化，稱為離子位移極化。圖離子位移極化。圖l-2表示氯化鈉晶體的離子位移極化。表示氯化鈉晶體的離子位移極化。圖圖l-2 氯化鈉晶體的離子位移極化氯化鈉晶體的離子位移極化 North China

11、 Electric Power University離子位移極化離子位移極化極化機理：極化機理：正負離子位移正負離子位移介質類型：介質類型：離子性介質離子性介質建立極化時間：建立極化時間：極短，極短，10-1210-13 s極化程度影響因素：極化程度影響因素： 電場強度（有關）電場強度（有關） 電源頻率（無關）電源頻率（無關） 溫度（隨溫度升高而略有增加）溫度（隨溫度升高而略有增加）極化彈性：極化彈性：彈性彈性消耗能量：消耗能量：極微小極微小 North China Electric Power University轉向極化轉向極化 極性電介質中，分子中正、負電荷的作用中心不重合。但由于分子不

12、規(guī)極性電介質中，分子中正、負電荷的作用中心不重合。但由于分子不規(guī)則的熱運動，從宏觀而言，對外并不呈現電矩。則的熱運動，從宏觀而言，對外并不呈現電矩。 當有外電場時，每個分子的固有偶極矩就有轉向與外電場平行的趨勢，當有外電場時，每個分子的固有偶極矩就有轉向與外電場平行的趨勢，其排列呈現一定的秩序。但是受分子熱運動的干擾。其排列呈現一定的秩序。但是受分子熱運動的干擾。UU電極電介質E圖圖l-3 偶極子的轉向極化偶極子的轉向極化 North China Electric Power University極化機理：極化機理：極性分子轉向極性分子轉向介質類型：介質類型：偶極性介質偶極性介質建立極化時間：

13、建立極化時間：需時較長，需時較長，10-6 10-2 s極化程度影響因素：極化程度影響因素： 電場強度（有關）電場強度（有關） 電源頻率（有關）電源頻率（有關） 溫度（有關）溫度（有關）極化彈性：極化彈性：非彈性非彈性消耗能量：消耗能量：有有轉向極化轉向極化North China Electric Power University極化機理：極化機理：電子或正負離子移動介質類型：介質類型：含離子和雜質離子的介質建立極化時間：建立極化時間：很長極化程度影響因素：極化程度影響因素： 電場強度（有關） 電源頻率（低頻下存在） 溫度（有關）極化彈性：極化彈性：非彈性消耗能量：消耗能量：有 空間電荷極化空

14、間電荷極化North China Electric Power University 最明顯的空間電荷極化是最明顯的空間電荷極化是夾層極化夾層極化。以最簡單的平行板電極間的雙層電介質為例，對夾層極化作以說明：以最簡單的平行板電極間的雙層電介質為例，對夾層極化作以說明：其電路圖如下圖所示其電路圖如下圖所示 (a)(a)示意圖示意圖 (b)(b)等值電路等值電路 空間電荷極化空間電荷極化G1G2 C1C2UNorth China Electric Power UniversityG1、C1、U1第一層介質的參數和電壓；第一層介質的參數和電壓；G2、C2、U2第二層介質的參數和電壓。第二層介質的參數

15、和電壓。 （1 1）在）在 t=0 t=0 瞬間突然合閘，瞬間突然合閘，（2 2） 時（到達穩(wěn)態(tài)），電容相當于開路（時（到達穩(wěn)態(tài)），電容相當于開路（“隔直隔直”） 12021CCUUtt1221GGUUt通常：通常： 1212GGCC電荷重新分配，在兩層介質的交界面處有積累電荷，稱為夾層極化夾層極化。 空間電荷極化空間電荷極化North China Electric Power University 空間電荷極化空間電荷極化 圖圖1-4 雙層電介質的夾層極化雙層電介質的夾層極化 G1G2 C1C2U 如圖如圖l-4l-4所示，各層介質的所示，各層介質的電容分別為電容分別為C1C1和和C2C2；

16、各層介質；各層介質的電導分別為的電導分別為G1G1和和G2G2；直流電；直流電源電壓為源電壓為U U。 為了說明的簡便，全部參為了說明的簡便，全部參數均只標數值，略去單位。數均只標數值，略去單位。 設設C1=1C1=1，C2C22 2，G1=2G1=2，G2=1G2=1， U U3 3。North China Electric Power University t=0時合閘，時合閘，U作用在作用在AB兩端極板上，瞬時電容上的電荷和電位分布如兩端極板上，瞬時電容上的電荷和電位分布如圖圖1-1-4(a)所示整個介質的等值電容為所示整個介質的等值電容為 。 到達穩(wěn)態(tài)時，電容上的電荷和電位分布如圖到達

17、穩(wěn)態(tài)時，電容上的電荷和電位分布如圖1-1-4(b)所示。整個介質的所示。整個介質的等值電容為等值電容為 。 分界面上堆積的電荷量為分界面上堆積的電荷量為+4-1+3。32UQCeq34 UQCeq 圖圖1-1-4 雙層電介質的電荷與電位分布雙層電介質的電荷與電位分布（a）暫態(tài)分布）暫態(tài)分布 （b）穩(wěn)態(tài)分布）穩(wěn)態(tài)分布 空間電荷極化（續(xù)）空間電荷極化（續(xù)）North China Electric Power University空間電荷極化的特點空間電荷極化的特點 多層介質的存在將會造成電荷在夾層界面上的堆積和等值電多層介質的存在將會造成電荷在夾層界面上的堆積和等值電容的增大。這就是夾層極化效應。

18、容的增大。這就是夾層極化效應。 介質界面上電荷的堆積是通過介質電導介質界面上電荷的堆積是通過介質電導G完成的。完成的。 該極化伴隨著能量損耗。該極化伴隨著能量損耗。 大電容設備進行高壓實驗后應對設備絕緣進行較長時間放電。大電容設備進行高壓實驗后應對設備絕緣進行較長時間放電。North China Electric Power University電介質極化種類及比較電介質極化種類及比較極化類型極化類型產生場合產生場合所需時間所需時間能量能量損耗損耗產生原因產生原因電子式極化電子式極化任何任何電介質電介質10-1410-15S無無束縛電子運行軌束縛電子運行軌道偏移道偏移離子式極化離子式極化離子式

19、結構離子式結構電介質電介質10-1210-13S幾乎幾乎沒有沒有離子的相對偏移離子的相對偏移偶極子極化偶極子極化極性極性電介質電介質10-1010-2S有有偶極子的定向排偶極子的定向排列列夾層極化夾層極化多層介質的多層介質的交界面交界面10-1S數小數小時時有有自由電荷的移動自由電荷的移動North China Electric Power University1.2 1.2 電介質的介電常數電介質的介電常數一一. 介電常數的物理意義介電常數的物理意義在真空中，有關系式在真空中，有關系式 式子中式子中 E場強矢量場強矢量 ； D電位移矢量，即電通量密度矢量電位移矢量，即電通量密度矢量 ， D與

20、與E同向，比例常數同向，比例常數 為真空中的介電常數為真空中的介電常數ED0mV2mC0mF1299010854. 810941109880. 8410DENorth China Electric Power University 在介質中在介質中, D與與E同向，同向， 為介質的相對介電常數，它是沒有量綱和為介質的相對介電常數，它是沒有量綱和單位的純數。單位的純數。 介質的介電常數介質的介電常數 通常，通常， ， 的量綱和單位與的量綱和單位與 相同相同EDr0rr001.2 1.2 電介質的介電常數電介質的介電常數0rDE North China Electric Power Univers

21、ity二、氣體介質的相對介電常數二、氣體介質的相對介電常數n一切氣體的相對介電常數都接近一切氣體的相對介電常數都接近1 1n氣體的介電常數隨溫度的升高略氣體的介電常數隨溫度的升高略有減小，隨壓力的增大略有增加，有減小，隨壓力的增大略有增加，但變化很小。但變化很小。氣體種類氣體種類相對介電常數相對介電常數氦氦1.000072氫氫1.000027氧氧1.00055氮氮1.00060甲烷甲烷1.00095二氧化碳二氧化碳1.00096乙烯乙烯1.00138空氣空氣1.000591.2 1.2 電介質的介電常數電介質的介電常數North China Electric Power University

22、三、液體介質的相對介電常數三、液體介質的相對介電常數非極性和弱極性電介質：非極性和弱極性電介質：如石油、苯、四氯化碳、硅油等如石油、苯、四氯化碳、硅油等 r數值不大，在數值不大，在1.8 2.5范圍內。介電常數和溫度的關系和單范圍內。介電常數和溫度的關系和單位體積中的分子數與溫度的關系相似位體積中的分子數與溫度的關系相似極性電介質：極性電介質：如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等， r數值數值在在2 6范圍內。范圍內。還能用作絕緣介質還能用作絕緣介質強極性電介質：強極性電介質：如酒精、水等，如酒精、水等， r10，此類液體電介質用，此類液體電介質用作電容器浸漬劑，可使電容器的比電容增大，但

23、通常損耗都作電容器浸漬劑，可使電容器的比電容增大，但通常損耗都較大較大1.2 1.2 電介質的介電常數電介質的介電常數North China Electric Power University1.2 1.2 電介質的介電常數電介質的介電常數轉向極化對介電常數隨溫度及頻率變化的關系：轉向極化對介電常數隨溫度及頻率變化的關系： （1 1）T T不變：不變： f f增大，增大， r 減小減小 （2 2）f f不變：不變： T T升高，升高， r先增（分子間黏附力先增（分子間黏附力）后減（熱運動）后減（熱運動 ）0246-30-10103050溫度T ()相對介電常數f1f3f2頻率頻率 f1 f2

24、f3極性液體電介質介電常數同溫度和頻率的關系（氯化聯(lián)苯）極性液體電介質介電常數同溫度和頻率的關系（氯化聯(lián)苯）North China Electric Power University四、固體電介質的介電常數四、固體電介質的介電常數 1. 1. 中性或弱極性固體電介質：中性或弱極性固體電介質： 只具有電子式極化和離子式極化，其介電常數較小。只具有電子式極化和離子式極化，其介電常數較小。 介電常數與溫度之間的關系也與介質密度與溫度的關系很接近。介電常數與溫度之間的關系也與介質密度與溫度的關系很接近。2. 2. 極性固體電介質：極性固體電介質： 介電常數都較大，一般為介電常數都較大，一般為3-63-

25、6，甚至更大。，甚至更大。 這類電介質的介電常數與溫度的關系類似極性液體所呈現的規(guī)律。這類電介質的介電常數與溫度的關系類似極性液體所呈現的規(guī)律。North China Electric Power University1.2 1.2 電介質的介電常數電介質的介電常數n選擇絕緣選擇絕緣討論極化的意義討論極化的意義n多層介質的合理配合多層介質的合理配合n研究介質損耗的理論依據研究介質損耗的理論依據n電氣預防性試驗電氣預防性試驗n研發(fā)新型材料研發(fā)新型材料North China Electric Power University1.3 1.3 電介質的電導電介質的電導電介質的電導與金屬的電導有本質上的

26、區(qū)別。電介質的電導與金屬的電導有本質上的區(qū)別。一一. 表征電介質導電性能的物理量表征電介質導電性能的物理量電導率電導率 （或：電阻率（或：電阻率 ） 電導形式電導形式電導率電導率金屬導體金屬導體（自由電子）電子電導（自由電子）電子電導 很大很大 氣體氣體 液體液體 固體固體自由電子、正離子、負離子自由電子、正離子、負離子雜質電導、自身離解雜質電導、自身離解 離子離子雜質、離子雜質、離子 電導電導 很小很小 很大很大 1rrNorth China Electric Power University二、影響介質電導的因素二、影響介質電導的因素(1)氣體介質電導與電場強度關系氣體介質電導與電場強度關

27、系North China Electric Power University(2)固體和液體介質電導與溫度關系固體和液體介質電導與溫度關系 式中式中 A、B常數；常數； T絕對溫度絕對溫度 ； 電導率。電導率。 在測量電介質的電導或絕緣電阻時，必須注意在測量電介質的電導或絕緣電阻時，必須注意記錄溫度記錄溫度。TBAe二、影響介質電導的因素二、影響介質電導的因素(3)雜質的影響雜質的影響 電導受雜質影響很大。電導受雜質影響很大。North China Electric Power University1.4 1.4 電介質中的能量損耗電介質中的能量損耗一一. .電介質損耗的基本概念電介質損耗的基

28、本概念二二. .等效電路與相量圖等效電路與相量圖三三. .簡化等效電路與損耗簡化等效電路與損耗四四. .討論討論tgtg的意義的意義五五. .吸收電流與吸收曲線吸收電流與吸收曲線本節(jié)主要內容：本節(jié)主要內容：North China Electric Power University 電介質在電場作用下會產生能量損耗。電介質在電場作用下會產生能量損耗。一一. .電介質損耗的基本概念電介質損耗的基本概念在電場作用下，電介質由于電導引起的損耗和有損在電場作用下，電介質由于電導引起的損耗和有損極化（如轉向極化、空間電荷極化等）引起的損耗，極化（如轉向極化、空間電荷極化等）引起的損耗，總稱為總稱為“介質損

29、耗介質損耗”。 直流電場下直流電場下, , 介質損耗就僅由電導損耗組成。介質損耗就僅由電導損耗組成。North China Electric Power University0DEP 二二. . 等效電路與相量圖等效電路與相量圖0DENorth China Electric Power University00*EPDPEEE j*0j tEE e0( )*()()()()()=CRJD tEtjEtjj EjEJJJJ如果電場的速度可以與極化建立的速度相比擬，極化強度如果電場的速度可以與極化建立的速度相比擬，極化強度 落后于交變電場的強度落后于交變電場的強度此時介電常數此時介電常數可以表示為

30、一個復數可以表示為一個復數考慮到考慮到介質中的極化電流密度介質中的極化電流密度PE二二. . 等效電路與相量圖等效電路與相量圖電子位移極化電子位移極化離子位移極化離子位移極化轉向極化轉向極化空間電荷極化空間電荷極化North China Electric Power University二二. . 等效電路與相量圖等效電路與相量圖 JgJg為真空和無損極化所引起的電流為真空和無損極化所引起的電流密度，純容性；密度，純容性；JpJp為有損極化所引起的電流密度，為有損極化所引起的電流密度，它由無功部分它由無功部分JpcJpc和有功部分和有功部分JprJpr組組成。成。J Jlklk為漏導引起的電流

31、密度，為漏導引起的電流密度，純阻性；純阻性；North China Electric Power University二二. . 等效電路與相量圖等效電路與相量圖R3C1R2C2 i=i1+i2+i3i1i2i3uICI2RI23IU2I1I圖中圖中C1 代表介質的代表介質的真空電容和無損極真空電容和無損極化（電子式和離子化（電子式和離子式極化），式極化），C2 R2 代表各種有損極化代表各種有損極化，而，而R3則代表電導則代表電導損耗。損耗。 介質損耗角介質損耗角為功率因數角為功率因數角的余角，其正切的余角，其正切 tg又可稱為又可稱為介質損耗因數，常用百分數（介質損耗因數，常用百分數（%）

32、來表示。）來表示。North China Electric Power University三三. . 簡化等效電路與損耗簡化等效電路與損耗UUICRIIIRICIRCPRICIUI P = U I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg 式中式中 電源角頻率；電源角頻率；功率因數角；功率因數角；介質損耗角。介質損耗角。North China Electric Power University 用介質損耗用介質損耗P P來表示介質品質好壞不方便。來表示介質品質好壞不方便。 對同類試品，可直接用對同類試品，可直接用tgtg 代替代替P P值，對絕緣進行判斷。值，對絕緣進行判

33、斷。 介質損失角正切值介質損失角正切值tgtg ，如同，如同 r r一樣，取決于材料的特性，一樣，取決于材料的特性，而與材料尺寸無關，可以方便地表示介質的品質。而與材料尺寸無關，可以方便地表示介質的品質。 四四. . 討論討論tgtg的意義的意義P = U I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg North China Electric Power University四四. . 討論討論tgtg的意義的意義（3 3）在絕緣試驗中，）在絕緣試驗中，tgtg 的測量是一項基本測試項目。的測量是一項基本測試項目。（4 4）用做絕緣材料的介質，希望）用做絕緣材料的介質，希望

34、tgtg 小。在其他場合，可利用小。在其他場合，可利用tgtg 引引起的介質發(fā)熱，如電瓷泥坯的陰干需較長時間，在泥坯上加適當的交起的介質發(fā)熱，如電瓷泥坯的陰干需較長時間，在泥坯上加適當的交流電壓，則可利用介質損耗發(fā)熱，加速干燥過程。流電壓，則可利用介質損耗發(fā)熱，加速干燥過程。（1 1）設計絕緣結構時，應注意到絕緣）設計絕緣結構時，應注意到絕緣材料的材料的tgtg 值。值。（2 2）用于沖擊測量的連接電纜，其）用于沖擊測量的連接電纜，其tgtg 必須要小。必須要小。North China Electric Power University 五五. . 吸收電流與吸收曲線吸收電流與吸收曲線返回返回

35、 i1電容電流電容電流 由電容和無損極化引起，存在時間短由電容和無損極化引起，存在時間短 i2吸收電流吸收電流 由有損極化（主要為夾層極化）引起，存在時間長，幾到幾十分鐘由有損極化（主要為夾層極化）引起，存在時間長，幾到幾十分鐘 i3泄漏電流或電導電流泄漏電流或電導電流 不隨時間變化不隨時間變化 i吸收曲線吸收曲線North China Electric Power University第二章第二章 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程第一節(jié)第一節(jié) 氣體中帶電質點的產生和消失氣體中帶電質點的產生和消失第二節(jié)第二節(jié) 氣體放電機理氣體放電機理第三節(jié)第三節(jié) 電暈放電電暈放電第四節(jié)第四節(jié) 不均勻電場氣

36、隙的擊穿不均勻電場氣隙的擊穿第五節(jié)第五節(jié) 雷電放電雷電放電第六節(jié)第六節(jié) 氣隙的沿面放電氣隙的沿面放電North China Electric Power University2.1 2.1 氣體中帶電質點的產生和消失氣體中帶電質點的產生和消失 一一.帶電質點在氣體中的運動帶電質點在氣體中的運動二二.帶電質點的產生帶電質點的產生三三.帶電質點的消失帶電質點的消失本節(jié)主要內容：本節(jié)主要內容：North China Electric Power University一一. .帶電質點在氣體中的運動帶電質點在氣體中的運動 各種粒子在空氣中運動時都會不各種粒子在空氣中運動時都會不斷碰撞。一個質點在每兩次

37、碰撞之間斷碰撞。一個質點在每兩次碰撞之間自由通過的距離叫自由通過的距離叫自由行程。自由行程。 單位行程中的碰撞次數單位行程中的碰撞次數Z的倒數的倒數即為該粒子的即為該粒子的平均自由行程平均自由行程。E1. 平均自由行程平均自由行程North China Electric Power University電子在其自由行程內從外電場獲得動能電子在其自由行程內從外電場獲得動能 ，能量，能量除決定于電場強度外，還和其自由行程有關除決定于電場強度外，還和其自由行程有關電子的平均自由行程要比分子和離子的大得多電子的平均自由行程要比分子和離子的大得多氣體分子密度越大，其中質點的平均自由行程越氣體分子密度越大

38、，其中質點的平均自由行程越小。小。一一. .帶電質點在氣體中的運動（續(xù)）帶電質點在氣體中的運動（續(xù)）North China Electric Power University2. 帶電粒子的遷移率帶電粒子的遷移率 帶電粒子在電場力的驅動下，沿著電場方向運動，其速度帶電粒子在電場力的驅動下，沿著電場方向運動，其速度v v與場強與場強E的比例系數的比例系數k=v/Ek=v/E，稱為，稱為遷移率遷移率，它表示該帶電粒，它表示該帶電粒子單位場強（子單位場強（1V/m）下沿電場方向的漂移速度。）下沿電場方向的漂移速度。 由于電子的平均自由行程長度比離子大得多，而電子的質由于電子的平均自由行程長度比離子大

39、得多，而電子的質量比離子小得多。更易加速，所以量比離子小得多。更易加速，所以電子的遷移率遠大于離子電子的遷移率遠大于離子。一一. .帶電質點在氣體中的運動（續(xù)）帶電質點在氣體中的運動（續(xù)）North China Electric Power University3.擴散擴散 在熱運動的過程中，粒子會從濃度較大的區(qū)域運動到濃在熱運動的過程中，粒子會從濃度較大的區(qū)域運動到濃度較小的區(qū)域，從而使每種粒子的濃度分布均勻化，這種物度較小的區(qū)域，從而使每種粒子的濃度分布均勻化，這種物理過程叫理過程叫擴散擴散。n氣體壓力越高或者溫度越低，擴散過程也就越弱氣體壓力越高或者溫度越低，擴散過程也就越弱n電子的熱運

40、動速度大、自由行程長度大，所以其擴散速度電子的熱運動速度大、自由行程長度大，所以其擴散速度也要比離子快得多。也要比離子快得多。 一一. .帶電質點在氣體中的運動（續(xù)）帶電質點在氣體中的運動（續(xù)）North China Electric Power University二二. .帶電質點的產生帶電質點的產生 氣體中帶電質點的來源有二：一是氣體分子本身發(fā)生電氣體中帶電質點的來源有二：一是氣體分子本身發(fā)生電離；另一是氣體中的固體或液體金屬發(fā)生表面電離。離；另一是氣體中的固體或液體金屬發(fā)生表面電離。氣體分子的電離可由下列因素引起：氣體分子的電離可由下列因素引起： （1）電子或正離子與氣體分子的碰撞電離

41、）電子或正離子與氣體分子的碰撞電離 （2）各種光輻射（光電離）各種光輻射（光電離） （3）高溫下氣體中的熱能（熱電離）高溫下氣體中的熱能（熱電離） （4）負離子的形成）負離子的形成 North China Electric Power University二二. .帶電質點的產生帶電質點的產生（續(xù)）（續(xù)） e e離原子核的軌道半徑離原子核的軌道半徑r r不同，電子能量不同，電子能量WeWe不同不同 r r越小越小低能級；低能級； r r越大越大高能級高能級 激勵激勵在外界因素作用下，電子由低能級在外界因素作用下，電子由低能級躍遷躍遷高能級，這高能級，這一過程稱為激勵，激勵過程所需能量稱為一過程

42、稱為激勵，激勵過程所需能量稱為激勵能激勵能WeWe 電離（游離）電離（游離）當原子吸收的能量足夠大時，當原子吸收的能量足夠大時，e e就可以脫就可以脫離原子核的約束而成為自由電子離原子核的約束而成為自由電子, ,原子核成為正離子。原子核成為正離子。 達到電離所需的最小能量稱為達到電離所需的最小能量稱為電離電離能能W Wi i（ev），），也可用電離也可用電離電位電位U Ui i（v v）表示）表示氣體電離的幾種形式氣體電離的幾種形式North China Electric Power University二二. .帶電質點的產生（續(xù)）帶電質點的產生（續(xù)）氣體電離的幾種形式氣體電離的幾種形式(1

43、)撞擊電離撞擊電離 氣體放電中，碰撞電離主要是電子和氣體分子碰撞而引起氣體放電中，碰撞電離主要是電子和氣體分子碰撞而引起原因：原因：1.電子體積小，自由程長，可以加速到很大的速度。電子體積小，自由程長，可以加速到很大的速度。 2.電子的質量小，可以加速到很大。電子的質量小，可以加速到很大。產生條件產生條件 :212iWmvW勢能 碰撞電離的形成與電場強度和平均自由行程的大小有關碰撞電離的形成與電場強度和平均自由行程的大小有關碰撞電離是氣體中帶電質點數目增加的重要原因碰撞電離是氣體中帶電質點數目增加的重要原因North China Electric Power University二二. .帶電

44、質點的產生（續(xù)）帶電質點的產生（續(xù)）(2)光電離：光電離：當氣體分子（原子）受光輻射獲得當氣體分子（原子）受光輻射獲得WWi時會產時會產生光電離，分解成電子和正離子生光電離，分解成電子和正離子來源：自然界、人為照射、來源：自然界、人為照射、氣體放電過程氣體放電過程頻率為頻率為的光子能量為的光子能量為 W=h =hc/光輻射能夠引起電離的臨界波長（即最大波長）為光輻射能夠引起電離的臨界波長（即最大波長）為n對所有氣體來說，在可見光（對所有氣體來說，在可見光（400 750nm）的作用下，）的作用下，一般是不能直接發(fā)生光電離的一般是不能直接發(fā)生光電離的 nx、和宇宙射線比紫外線更短，可產生光電離且

45、和宇宙射線比紫外線更短，可產生光電離且較強較強nm 12340iiUeUhcNorth China Electric Power University（3）熱電離）熱電離 在常溫下，熱運動平均動能很小，氣體分子發(fā)生熱電在常溫下，熱運動平均動能很小，氣體分子發(fā)生熱電離的概率極小。是氣體在熱狀態(tài)下光電離和撞擊電離的綜離的概率極小。是氣體在熱狀態(tài)下光電離和撞擊電離的綜合。合。在高溫下，例如發(fā)生電弧放電時，氣體溫度可達數千度，在高溫下，例如發(fā)生電弧放電時，氣體溫度可達數千度，氣體分子動能就足以導致發(fā)生明顯的碰撞電離氣體分子動能就足以導致發(fā)生明顯的碰撞電離 高溫下高能熱輻射光子也能造成氣體的電離高溫下高

46、能熱輻射光子也能造成氣體的電離 二二. .帶電質點的產生（續(xù)）帶電質點的產生（續(xù)）North China Electric Power University 當電子與氣體分子碰撞時，可能會發(fā)生電子與中性分子相結當電子與氣體分子碰撞時，可能會發(fā)生電子與中性分子相結合而形成負離子的情況，這種過程成為合而形成負離子的情況，這種過程成為附著附著。易于產生負離子的。易于產生負離子的氣體稱為氣體稱為電負性氣體電負性氣體。 負離子的形成不會改變帶電質點的數量，但卻使自由電子數負離子的形成不會改變帶電質點的數量，但卻使自由電子數減少，因此對氣體放電的發(fā)展起抑制作用。（或有助于提高氣體減少，因此對氣體放電的發(fā)展

47、起抑制作用。（或有助于提高氣體的耐電強度）的耐電強度）。如。如SF6氣體對電子有很強的親和性，因此具有高氣體對電子有很強的親和性，因此具有高電氣強度。電氣強度。（4）負離子的形成）負離子的形成二二. .帶電質點的產生（續(xù)）帶電質點的產生（續(xù)）North China Electric Power University電子從金屬表面逸出需要一定的能量，稱為逸出功。電子從金屬表面逸出需要一定的能量，稱為逸出功。逸出功逸出功 ：金屬的微觀結構：金屬的微觀結構 、金屬表面狀態(tài)、金屬表面狀態(tài) 金屬的逸出功一般比氣體的電離能小許多，表明金屬表面電金屬的逸出功一般比氣體的電離能小許多，表明金屬表面電離比氣體空

48、間電離更容易發(fā)生。表離比氣體空間電離更容易發(fā)生。表2-1-1，2-1-2金屬表面電離有多種方式，即可以有多種方法供給電子以逸金屬表面電離有多種方式，即可以有多種方法供給電子以逸出金屬所需的能量。出金屬所需的能量。二二. .帶電質點的產生（續(xù)）帶電質點的產生（續(xù)）金屬（陰極）的表面電離金屬（陰極）的表面電離North China Electric Power University主要有主要有4種形式：種形式：1. 正離子撞擊陰極表面：正離子撞擊陰極表面：正離子碰撞陰極時使電子逸出金正離子碰撞陰極時使電子逸出金屬（傳遞的能量要大于逸出功）。逸出的電子有一個和正屬（傳遞的能量要大于逸出功）。逸出的電

49、子有一個和正離子結合成為原子，其余的成為自由電子。因此正離子必離子結合成為原子，其余的成為自由電子。因此正離子必須碰撞出兩個及以上電子時才能出現自由電子。須碰撞出兩個及以上電子時才能出現自由電子。2. 光電子發(fā)射：光電子發(fā)射： 高能輻射先照射陰極時，會引起光電子發(fā)高能輻射先照射陰極時，會引起光電子發(fā)射，其條件是光子的能量應大于金屬的逸出功。射，其條件是光子的能量應大于金屬的逸出功。North China Electric Power University3. 熱電子發(fā)射：熱電子發(fā)射： 金屬中的電子在高溫下也能獲得足夠的動能金屬中的電子在高溫下也能獲得足夠的動能而從金屬表面逸出，稱為熱電子發(fā)射。

50、在許多電子器件中而從金屬表面逸出，稱為熱電子發(fā)射。在許多電子器件中常利用加熱陰極來實現電子發(fā)射。常利用加熱陰極來實現電子發(fā)射。4. 強場發(fā)射（冷發(fā)射）：強場發(fā)射（冷發(fā)射）：當陰極表面附近空間存在很強的電當陰極表面附近空間存在很強的電場時（場時（106V/cm數量級），也能時陰極發(fā)射電子。常態(tài)下數量級），也能時陰極發(fā)射電子。常態(tài)下作用氣隙擊穿完全不受影響；在高氣壓、壓縮的高強度氣作用氣隙擊穿完全不受影響；在高氣壓、壓縮的高強度氣體的擊穿過程中會起一定的作用；真空中更起著決定性作體的擊穿過程中會起一定的作用；真空中更起著決定性作用。用。North China Electric Power Univ

51、ersity三三. .帶電質點的消失帶電質點的消失 氣體中帶電粒子的消失有可能下述幾種情況：氣體中帶電粒子的消失有可能下述幾種情況：(1)帶電粒子在電場的驅動下作定向運動，在到達電極時，帶電粒子在電場的驅動下作定向運動，在到達電極時，消消失于電極失于電極上而形成外電路中的電流；上而形成外電路中的電流；(2)帶電粒子因帶電粒子因擴散擴散現象而逸出氣體放電空間。由熱運動造成，現象而逸出氣體放電空間。由熱運動造成，電子的擴散比離子快得多。電子的擴散比離子快得多。North China Electric Power University在帶電質點的復合過程中會發(fā)生光輻射，這種光輻射在一在帶電質點的復合

52、過程中會發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又可能成為導致電離的因素定條件下又可能成為導致電離的因素 正、負離子間的復合概率要比離子和電子間的復合概率大正、負離子間的復合概率要比離子和電子間的復合概率大得多。通常放電過程中離子間的復合更為重要得多。通常放電過程中離子間的復合更為重要 一定空間內帶電質點由于復合而減少的速度決定于其濃度一定空間內帶電質點由于復合而減少的速度決定于其濃度 三三. .帶電質點的消失帶電質點的消失 (3)帶電粒子的帶電粒子的復合復合。氣體中帶異號電荷的粒子相遇時，可能。氣體中帶異號電荷的粒子相遇時，可能發(fā)生電荷的傳遞與中和，這種現象稱為復合，是與電離相反發(fā)生電荷的傳遞與中

53、和，這種現象稱為復合，是與電離相反的一種過程。的一種過程。North China Electric Power University2.2 2.2 氣體放電機理氣體放電機理氣體放電的主要形式氣體放電的主要形式自持放電與非自持放電自持放電與非自持放電放電發(fā)展過程與電場的關系放電發(fā)展過程與電場的關系湯森德放電理論湯森德放電理論帕邢定律帕邢定律流注放電理論流注放電理論North China Electric Power University 根據氣體壓強、電源功率、電極形狀等因素的不同，根據氣體壓強、電源功率、電極形狀等因素的不同，氣體放電可具有多種不同形式。利用放電管可以觀察放電氣體放電可具有多種

54、不同形式。利用放電管可以觀察放電現象的變化。現象的變化。 n輝光放電輝光放電n電弧放電電弧放電n火花放電火花放電n電暈放電電暈放電n刷狀放電刷狀放電一、氣體放電的主要形式一、氣體放電的主要形式 North China Electric Power University輝光放電輝光放電 n當氣體壓強不大，電源功率很?。ǚ烹娀芈分写牒艽笞璁敋怏w壓強不大，電源功率很?。ǚ烹娀芈分写牒艽笞杩梗r，外施電壓增到一定值后，回路中電流突增至明顯抗）時，外施電壓增到一定值后，回路中電流突增至明顯數值，管內陰極和陽極間整個空間忽然出現發(fā)光現象數值，管內陰極和陽極間整個空間忽然出現發(fā)光現象 n特點是放電電流密

55、度較小，放電區(qū)域通常占據了整個電極特點是放電電流密度較小，放電區(qū)域通常占據了整個電極間的空間。間的空間。HV一、氣體放電的主要形式一、氣體放電的主要形式 North China Electric Power University電弧放電電弧放電 n減小外回路中的阻抗，則電流增大，電流增大到一定值后，減小外回路中的阻抗，則電流增大，電流增大到一定值后，放電通道收細，且越來越明亮，管端電壓則更加降低，說明放電通道收細，且越來越明亮，管端電壓則更加降低，說明通道的電導越來越大通道的電導越來越大n電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度極大，電路具有短電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度極大，電路具有短路

56、的特征路的特征 HV一、氣體放電的主要形式一、氣體放電的主要形式 North China Electric Power Universityn在較高氣壓（例如大氣壓強）下，擊穿后總是形成收細的發(fā)在較高氣壓（例如大氣壓強）下，擊穿后總是形成收細的發(fā)光放電通道，而不再擴散于間隙中的整個空間。當外回路中光放電通道，而不再擴散于間隙中的整個空間。當外回路中阻抗很大，限制了放電電流時，電極間出現貫通兩極的阻抗很大，限制了放電電流時，電極間出現貫通兩極的的明亮細火花的明亮細火花 n火花放電的特征是具有收細的通道形式，并且放電過程不穩(wěn)火花放電的特征是具有收細的通道形式，并且放電過程不穩(wěn)定定 火花放電火花放電

57、 HV一、氣體放電的主要形式一、氣體放電的主要形式 North China Electric Power Universityn電極曲率半徑很小或電極間距離很遠，即電場極不均勻，則當電壓升電極曲率半徑很小或電極間距離很遠，即電場極不均勻，則當電壓升高到一定值后，首先緊貼電極在電場最強處出現發(fā)光層，回路中出現高到一定值后，首先緊貼電極在電場最強處出現發(fā)光層，回路中出現用一般儀表即可察覺的電流。隨著電壓升高，發(fā)光層擴大，放電電流用一般儀表即可察覺的電流。隨著電壓升高，發(fā)光層擴大，放電電流也逐漸增大也逐漸增大n發(fā)生電暈放電時，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很發(fā)生電暈放電時，氣體間隙的大部

58、分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小，間隙仍能耐受電壓的作用小，間隙仍能耐受電壓的作用 電暈放電電暈放電 HV一、氣體放電的主要形式一、氣體放電的主要形式 North China Electric Power Universityn電場極不均勻情況下，如電壓繼續(xù)升高，從電暈電極伸展出許多較明電場極不均勻情況下，如電壓繼續(xù)升高，從電暈電極伸展出許多較明亮的細放電通道，稱為刷狀放電亮的細放電通道，稱為刷狀放電 n電壓再升高，根據電源功率而轉入火花放電或電弧放電，最后整個間電壓再升高，根據電源功率而轉入火花放電或電弧放電，最后整個間隙被擊穿隙被擊穿n如電場稍不均勻，則可能不出現刷狀放電，而由電暈放電直接

59、轉入擊如電場稍不均勻，則可能不出現刷狀放電，而由電暈放電直接轉入擊穿穿 刷狀放電刷狀放電 HV一、氣體放電的主要形式一、氣體放電的主要形式 North China Electric Power University二二. . 自持放電與非自持放電自持放電與非自持放電n外施電壓小于外施電壓小于U0時，間隙內雖有電流，但其數值甚小，通時，間隙內雖有電流，但其數值甚小，通常遠小于微安級，因此氣體本身的絕緣性能尚未被破壞，常遠小于微安級，因此氣體本身的絕緣性能尚未被破壞，即間隙還未被擊穿。而且這時電流要依靠外電離因素來維即間隙還未被擊穿。而且這時電流要依靠外電離因素來維持，如果取消外電離因素，那么電流

60、也將消失。持，如果取消外電離因素，那么電流也將消失。 稱為稱為非自非自持放電持放電。North China Electric Power University二二. . 自持放電與非自持放電自持放電與非自持放電n當電壓達到當電壓達到U0后，氣體中發(fā)生后，氣體中發(fā)生了強烈的電離，電流劇增。同了強烈的電離，電流劇增。同時氣體中電離過程只靠電場的時氣體中電離過程只靠電場的作用已可自行維持，而不再繼作用已可自行維持，而不再繼續(xù)需要外電離因素了。因此續(xù)需要外電離因素了。因此U0以后的放電形式也稱為以后的放電形式也稱為自持放自持放電。電。North China Electric Power Univers