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1、二：电介质的极化、电导和损耗二：电介质的极化、电导和损耗1 电介质的极化 概念：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，称为电介质的极化。效果：消弱外电场，使电介质的等值电容增大。效果：消弱外电场，使电介质的等值电容增大。电电介介质质极极化化种种类类及及比比较较极极化化类类型型产产生生场场合合所所需需时时间间能能量量 损损耗耗产产生生原原因因电子式极化任何 电介质10-1410-15S无束缚电子运行轨 道偏移离子式极化离子式结构 电介质10-1210-13S几乎 没有离子的相对偏移偶极子极化极性 电介质10-1010-2S有偶极子的定向排 列夹层极化多层介质的 交界
2、面10-1S数小 时有自由电荷的移动2.电介质的介电常数电介质的介电常数： 气体：一切气体的相对介电常数都接近于 1。任何 气体的相对介电常数均随温度的升高而减小，随压力的增大而增大，但影响都很小。 3.电介质的电导（了解）电介质的电导（了解）：与金属电导的本质区别：金属导电的原因是自由电子移动； 电介质通常不导电，是在特定情况下电离、化学分解或热离解出来的带电质点移动导致。 气体电导：自由电子、正离子、负离子，液体电导：杂质电导、自身离解，固体电导： 杂质、离子。与温度关系：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
3、升高时，液体介 质分子热离解度增加，这也使电导增大。 4：损耗：损耗：概念：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）引起的损耗，总称为电介质的损耗。损耗功率的表达式：r0CtgUtgUIUIPCR2三：气体放电的物理过程：三：气体放电的物理过程：1.1. 气体中带电介质的的产生和消失：气体中带电介质的的产生和消失： 单位行程中的碰撞次数 Z 的倒数 即为该粒子的平均自由行程长度。 电离的几种形式：(1)光电离：发生空间光电离的条件为光子的能量应不小于气体的电离 能。(2)撞击电离：主要是电子碰撞电离。原因：1.电子小，自由程长，可以加速到很大的 速度。2
4、.电子的质量小，可以加速到很大。 （3）热电离 ：（4）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，原因：阳极自由电子不会向气体 中释放。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。表面电离主要有 4 种形式： 1. 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出，称为热电子发射。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。2.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（106V/cm 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
5、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作用。3. 正离子撞击阴极表正离子撞击阴极表 面面：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。4.光电子发射光电子发射： 高能辐射先照阴极时，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。 负离子的产生：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，这种过程称为附着。易于产生负离子的气体称为电负性气体。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 子数减少，
6、因此对气体放电的发展起抑制作用。 （或有助于提高气体的耐电强度） 。 气体中带电粒子的消失有可有下述几种情况：(1)带电粒子在电场的驱动下作定向运动， 在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；(2)带电粒子因扩散现象而逸出气体 放电空间。(3)带电粒子的复合。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，是与电离相反的一种过程。2.气体的放电机理：气体的放电机理：汤逊理论：适用条件：低气压、短间隙的电场中。 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是使带电质点激增,并导致 击穿的主要因素。击穿电压大体上是 的函数。 自持放电条件为： 帊邢曲
7、线： 物理解释：物理解释： 假设 S 保持不变，当气体密度 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减小了，故 必然增大。 反之；当 减到过小时，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 子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到 很小 ，所以 也会增大。在这两者之间，总 有一个 值对造成撞击游离最有利，此时 最小流注理论 适用条件为： iWhSUb(kV)图2-20.10.20.30.5150201010.3520.20.10.5330S0.26ScmbU bUbU初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值，对于均匀电场自持放电条件应为
8、：或 20 1 气体汤森德理论和流注理论的对比： a 汤森德理论认为电子崩向阳极不断发展，崩中的正离子撞击阴极也产生自由电子。自由 电子的撞击电离和正离子撞击阴极表面的电离的放电产生和发展的原因。流注理论认为电 子崩发展使崩头和崩尾场强增加而崩内场强减少，有利于崩内发生复合产生大量的光子， 而光子又产生光电离，光子产生的电子也产生二次电子崩迅速汇入到主崩，以等离子体的 形式向阴极发展就形成了流注。 b 异同点分为下面的相同点和相异点： 相同点：两者产生和发展都需要碰撞电离和电子崩。相异点：汤逊理论主要考虑了电子的碰撞电离和正离子撞击阴极表面的电离；流柱理论主 要考虑了电子的碰撞电离、空间电荷对
9、电场畸变的影响和空间光电离。 c 应用条件：汤逊理论适合低气压、小距离的情况，比较均匀的电场适用；cm26. 0s 流注理论是高气压、远距离的情况，或不均匀的电场适用。cm26. 0s 3. 电晕放电：电晕放电： 基本物理过程： 在极不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大，以至当外加电压及其平均场强 还较低的时候，电极曲率半径较小处附近的局部场强已很大。 在这局部强场区中，产生强烈的游离，但由于离电极稍远处场强已大为减小，所以， 此游离区不可能扩展到很大，只能局限在此电极附近的强场范围内。 伴随着游离而存在的复合和反激励，发出大量的光辐射，使在黑暗中可以看到在该 电极附近空间发出蓝色的晕光，
10、这就是电晕电晕。 电晕放电效应：1.伴随着游离、复合、激励、反激励等过程而有声、光、热等效应，表 现是发出“丝丝”的声音，蓝色的晕光以及使周围气体温度升高等。2.在尖端或电极的某 些突出处，电子和离子在局部强场的驱动下高速运动，与气体分子交换动量，形成“电风” 。 当电极固定得刚性不够时，气体对“电风”的反作用力会使电晕极振动或转动。3. 电晕会 产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波，这会造成对无线电的干扰。4.电晕产生 的化学反应产物具有强烈的氧化和腐蚀作用，所以，电晕是促使有机绝缘老化的重要因素。 5. 电晕还可能产生超过环保标准的噪声。对人们会造成生理、心理的影响。6.电晕放电，
11、会有能量损耗。 消除电晕措施：最根本的途径就是设法限制和降低导线的表面电场强度。1.采用分裂导 线，使等值曲率半径增大。2. 改进电极的形状，增大电极的曲率半径，使表面光滑。 电晕效应有利的方面：1.电晕可削弱输电线上雷电冲击或操作冲击波的幅值和陡度；2. 利用电晕放电来改善电场分布；3.利用电晕原理制造除尘器、静电涂喷装置、臭氧发生器 等 4. 不均匀电厂的击穿：不均匀电厂的击穿： 短气隙的击穿（一）正极性：棒极带正电位时，棒极附近强场区域的电晕放电将在棒极 附近空间留下许多正离子，这些空间电荷削弱的棒极附近的电场强度，加强了正离子群外 部空间的电场。因此随着电压提高电晕的扩展，强场区也将逐
12、渐向板极方向推进，因而放 电的发展是顺利的直至气隙被击穿。 （二）负极性：棒极带负电位时，电子崩将由棒极表面 出发向外发展，留在棒极附近的也是大批正离子它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外 围空间电场，电晕区不易向外扩展，整个气隙的击穿是不顺利的，气隙的击穿电压要比正 极性 时高很多，完成击穿所需时间也比正极性时间长得多。 结论： 5.气息的沿面放电：（重点污秽）了解气息的沿面放电：（重点污秽）了解 板起晕棒板起晕棒UU 板击穿棒板击穿棒UU沿固体表面的闪络电压不但比固体介质本身的击穿电压低得多，而且也比极间距离相同 的纯气隙的击穿电压低不少。 影响因素：（一）固体介质材料主要取决于该材料的亲
13、水性或憎水性。 （二）电场形式 同样的表面闪络距离下均匀与稍不均匀电场闪络电压最高。界面电场主要为强切线分量的 极不均匀电场中，闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压低的较少强垂直分量极不 均匀电场则低得很多。 四气隙的电气强度四气隙的电气强度1.气隙的击穿时间 完成气隙击穿的三个必备条件：1.足够大的电 场强度或足够高的电压；2.在气隙中存在能引 起电子崩并导致流注和主放电的有效电子；3. 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完 成击穿。 放电的总时间 tb 由三部分组成，即 tb = tl + ts + tf ts 统计时延，指从 tl 到气隙中 出现第一个有效电子tf放电形成时延，从
14、出现有效电子到最 终击穿。tlag放电时延 tlag = ts + tf 2.伏秒特性 气隙的伏秒特性在同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，气隙上出现的电压最大值 和放电时间的关系，称为该气隙的伏秒特性。 伏秒特性曲线表示该气隙伏秒特性的曲线，称为伏秒特性曲线。 50%冲击击穿电压 （U50% )指某气隙被击穿的概率为 50%的冲击电压峰值。 冲击系数 U50%与 静态击穿电压 Us 之比称为冲击系数 。均匀和稍不均匀电场下冲 击击穿电压的分散性很小， 冲击系数 1。极不均匀电场中由于放电时延较长，冲击系数 均大于 1。 3.伏秒特性曲线的制作 保持一定的冲击电压波形不变，而逐级 升高电压，以
15、电压为纵坐标，时间为横 坐标， 电压较低时，击穿一般发生在波尾，取 该电压的峰值与击穿时刻，得到相应的 点； 电压较高时，击穿一般发生在波头，取 击穿时刻的电压值及该时刻，得到相应 的点； 把这些相应的点连成一条曲线，就是该气隙在该电压波形下的“伏秒特性曲线” 。tst1tf tlag tbUutu0 t123实际上伏秒特性具有统计分散性，是一个以 上下包线为界的带状区域。工程上，通常取“50%伏 秒特性曲线”来表征一个气隙的冲击击穿特性。4.伏秒特性曲线的应用：在保护设备和被保护设 备的绝缘配合上具有重要的意义。是防雷设计中 实现保护设备和被保护设备的绝缘配合的依据。 5 大气条件对气隙击穿电压的影响：空气密度、 湿度、海拔。 6.提高气隙击穿电压的方法 1.改善电场分布： 一般说来，电场分布越均匀，气隙的击穿电压就越高。故如能适当地改 进电极形状增大电极的曲率半径，改善电场分布，就能提高气隙的击穿电压。不仅要注 意改善高压电极的形状以降低该电极旁边的局部场强，还要注意改善接地电极和中间电极 的形状，以降低该电极旁边的局部场强。常用办法：增大电极的曲率半径（简称屏蔽） 。 2.采用高度真空：从气体撞击游离的理论可知，将气隙抽成高度的真空能抑制撞击游离的 发展，提高气隙的击
