高电压工程02t剖析

《高电压工程02t剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高电压工程02t剖析（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、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 高电压工程基础 第一篇 高电压绝缘及试验 n1.1 电介质的极化 n1.2 电介质的电导 n1.3 电介质的损耗 n1.4 电介质的击穿 2 第一章 电介质的基本电气特性 高电压工程基础 3 高电压工程基础 4 高电压工程基础 5 2.1 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 高电压工程基础 6 那些日常现象属于气体放电现象？ 高电压工程基础 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

2、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。 高电压工程基础 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

3、 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。 高电压工程基础 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 高电压工程基

4、础 10 1、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 高电压工程基础 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 高电压工程基础 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 ： 高电压工程基础 13 为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前必须 经过

5、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。 高电压工程基础 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 高电压工程基础 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

6、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 。 高电压工程基础 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 高电压工程基础 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） 铝铝1.8 银银3.1 铜铜3.9 铁铁3.9 氧化铜铜5.3 高电压工程基础 18 （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

7、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。 高电压工程基础 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 。 高电压工程基础 20 卤族元素的电子亲合能与电负性数值 高电压工程基础 21 2 、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

8、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。 高电压工程基础 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。 高电压工程基础 23 气体放电现象与规律因

9、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 高电压工程基础 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 高电压工程基础 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

10、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 高电压工程基础 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 。 高电压工程基础 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。 高电压工程基础

11、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。 高电压工程基础 29 2、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 高电压工程基础 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

12、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。 高电压工程基础 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。 高电压工程基础 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： 高电压工程基础 33 抵达

13、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， 高电压工程基础 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。 高电压工程基础 35 3、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

14、能Wi 高电压工程基础 36 Ui为气体分子的电离电位 这就是说说，一个电电子走过过的自由行程x至少应应等于临临 界自由行程xi才能产产生电电离。电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 高电压工程基础 37 根据碰撞电离系数的定义，即可得出： 高电压工程基础 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。 高电压工程基础 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

15、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。 高电压工程基础 40 4、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。 高电压工程基础 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

16、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。 高电压工程基础 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。 高电压工程基础 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。 高电压工程基础 44 （2）汤逊放电理论的适用