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1、第一篇 电介质的电气强度,电介质(dielectric )在电气设备中作为绝缘材料使用。,电气强度表征电介质耐受电压作用的能力。,均匀电场中击穿电压Ub与间隙距离之比称为击穿场强Eb。我们把均匀电场中气隙的击穿场强Eb称为气体的电气强度。 空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm;,注意:不能把不均匀场中气隙Ub与间隙距离之比称为气体的电气强度,通常称之为平均击穿场强。,击穿电压:电介质击穿时的最低临界电压。,击穿场强是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。,1、电介质的分类 按物质形态分: 气体电介质 液体电介质 固体电介质 其中气体最常见。气体介质同其它介质相比,具有在击穿后完全的绝缘自恢复特
2、性,故应用十分广泛。 按在电气设备中所处位置分: 外绝缘: 一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成。 内绝缘: 一般由固体介质和液体介质联合构成。,2、在电场的作用下,电介质中出现的电气现象: 弱电场电场强度比击穿场强小得多 如:极化、电导、介质损耗等。 强电场电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强: 如:放电、闪络、击穿等。 强电场下的放电、闪络、击穿等电气现象是我们本篇所要研究的主要内容。,3、几个基本概念,放电:特指气体绝缘的击穿过程。,击穿:在电场的作用下,电介质由绝缘状态突变为良导电状态的过程。,闪络:击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象。,工程上将击穿和
3、闪络统称为放电。,击穿、放电、闪络都是在一定的电压作用下电介质的绝缘性能被破坏的过程。,4、本篇的主要内容 第一章、气体放电的基本物理过程 第二章、气体介质的电气强度 第三章、液体和固体介质的电气特性,输电线路以气体作为绝缘材料,电介质的分类 例图1,变压器相间绝缘以液体作为绝缘材料,电介质的分类 例图2,电气设备中常用的气体介质 : 空气、压缩的高电气强度气体(如SF6) 纯净的、中性状态的气体是不导电的,只有气体中出现了带电粒子(电子、正离子、负离子)后,才可能导电,并在电场作用下发展成各种形式的气体放电现象。,第一章 气体放电的基本物理过程,辉光放电 气压较低,电源功率很小时,放电充满整
4、个间隙。,电弧放电 大气压力下,电源功率较大时,放电具有明亮、持续的细致通道。,火花放电(雷闪) 大气压力下。电源功率较小时,间隙间歇性击穿,放电通道细而明亮。,因气体压力、电源功率、电极形状等因素的影响,放电具有多种形式,电晕放电 极不均匀电场,高电场强度电极附近出现发光薄层。,(2)本章主要内容 1.1 带电粒子的产生和消失 1.2 均匀电场中气体击穿的发展过程 1.3 不均匀电场中的放电过程 1.4 冲击电压下气隙的击穿特性 1.5 沿面放电和污闪事故,1.1.1 带电粒子在气体中的运动 (1) 自由行程长度运动引起的碰撞 (2) 带电粒子的迁移率沿电场方向漂移 (3) 扩散与粒子浓度有
5、关,第一节 带电粒子的产生和消失,(1)自由行程长度,1)带电粒子在电场中的运动形式: 当气体中存在电场时,带电粒子进行热运动和沿电场定向运动(如图1-1所示),第一节 带电粒子的产生和消失,2)自由行程长度和平均自由行程长度 粒子从这次碰撞到下次碰撞之间所走过的距离称为自由行程长度。 自由行程长度是随机值,具有分散性,所以我们引入平均值的概念。 平均自由行程长度: 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。,第一节 带电粒子的产生和消失,粒子的自由行程等于或大于某一距离x的概率为: :粒子平均自由行程长度 令x=,可见粒子实际自由行程长度大于或等于平均自由行程长度的概率是36
6、.8%。,由气体动力学可知,电子平均自由行程长度 式中: r:气体分子半径 N:气体分子密度,第一节 带电粒子的产生和消失,由于 代入上式得到: 式中: P:气压 T:气温 k:波尔兹曼常数 大气压和常温下平均自由行程长度数量级为10-5cm 3)定性分析:,第一节 带电粒子的产生和消失,(2)带电粒子的迁移率 1)迁移率的定义 迁移率表示单位场强下(1V/m)带电粒子沿电场方向的漂移速度。 2)定性分析: 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 结论:电子更易加速,电子的迁移率远大于离子。,第一节 带电粒子的产生和消失,(3) 扩散 1)扩散的定义: 热运动中,粒子从浓
7、度较大的区域运动到浓度较小的区域,从而使分布均匀化,这种过程称为扩散。 2)定性分析: 气压越低, 温度越高,扩散越快。 结论:电子的热运动速度大、自由行程长度大,所以其扩散速度比离子快得多。,第一节 带电粒子的产生和消失,1.1.2 带电粒子的产生 (1)原子的电离和激励 (2) 电离的四种形式 按引起电离的外部能量形式不同,分为: 1)光电离 2)热电离 3)碰撞电离 4)电极表面电离,第一节 带电粒子的产生和消失,(1) 原子的电离和激励,第一节 带电粒子的产生和消失,(1)原子的电离和激励 原子的激励 当原子获得外部能量(电场、高温等) ,一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去
8、,该现象称为激励。 激励能(We,电子伏eV) 原子的电离 原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子脱离原子核的束缚,而形成自由电子和正离子的过程称为电离。 电离能(Wi,电子伏eV ),第一节 带电粒子的产生和消失,电子要脱离原子核的束缚成为自由电子,则必须给予其能量。能量来源的不同带电粒子产生的方式就不同。 因此,根据电子获得能量方式的不同,带电粒子产生的方式可分为以下几种。,第一节 带电粒子的产生和消失,(2)电离的四种形式,1)光电离 定义:由光辐射引起气体分子电离的过程,称为光电离。 条件:当满足以下条件时,产生光电离: 光子来源:外界高能辐射线;气体放电本身 紫外线、宇宙射线、x射
9、线等; 异号带电粒子复合成中性粒子释放出光子; 激励态分子回复到正常态释放出光子,第一节 带电粒子的产生和消失,2)热电离 定义:气体分子高热状态引起的碰撞导致电离过程,称为热电离。 条件:常温下,气体分子发生热电离的概率极小。 气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度。 下图为空气的电离度m与温度T的关系:,由图所示: 当T 104K时,才需考虑热电离; 当T 2*104K 时,几乎全部的分子都处于热电离状态,第一节 带电粒子的产生和消失,3)碰撞电离 定义:电子或离子与气体分子碰撞,将电场能传递给气体分子引起的电离。它是气体中产生带电粒子的最重要的方式,主要是由电子完成。
10、 条件:电子获得加速后和气体分子碰撞时,把动能传给后者,如果动能大于或等于气体分子的电离能Wi,该电子就有足够的能量完成碰撞电离。碰撞电离时应满足以下条件:,Xi表示电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离。它的大小取决于场强E,增大气体中的场强将使Xi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。,第一节 带电粒子的产生和消失,因素: 外电场强弱; 能量的积累(移动距离的大小)。,4)电极表面的电离 定义:金属阴极表面发射电子的过程。 逸出功:从金属电极表面逸出电子所需要的能量。 由于逸出功电离能,因此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 热电子发射 强场发
11、射,光电离、热电离和碰撞电离均为空间电离,而电极表面电离为表面电离,它们均有利于电离过程。,第一节 带电粒子的产生和消失,附 着: 当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,而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。 负离子产生的作用 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。 电负性气体 氧/氟/氯等 SF6,1.1.3 负离子的产生,第一节 带电粒子的产生和消失,1.1.4 带电粒子的消失,带电粒子的消失可能有以下几种情况: 带电粒子在电场的驱动下做定向运动,在到达电极时,消失于电极上而形成外
12、电路中的电流; 带电粒子因扩散而逸出气体放电空间; 带电粒子的复合。 复合:当气体中带异号电荷的粒子相遇时,有可能发生电荷的传递与中和现象。电离的逆过程 复合过程要阻碍放电的发展,但在一定条件下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展。 放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之间的复合,参加复合的电子绝大多数是先形成负离子再与正离子复合。,第一节 带电粒子的产生和消失,本节内容小结,第一节 带电粒子的产生和消失,气体间隙中带电粒子的产生和消失是气体放电的一对基本矛盾,气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位。 气体中带电粒子的产生形式可以分为空间电离和表面电离。它们都与外界供给的能量有关,能量
13、的形式主要是电场能、光辐射和热能,而能量的传递靠电子、光子或气体分子的热运动,其传递的过程主要是碰撞,它是造成气体分子电离的有效过程。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,1、非自持放电和自持放电 2、汤逊气体放电理论 3、气体放电的流注理论,所谓均匀电场,就是在电场中,电场强度处处相等,如两个平行平板电极的电场(当然还要考虑边缘效应),如图所示,什么是均匀电场?,平行平板电极的电场,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,1、非自持放电和自持放电,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,图1-3 气体中电流和电压的关系伏安特性曲线,图1-2 测定气体中电流的回路示意图,当UUa 在曲线Oa段,
14、I随U的提高而增大。而且电流随电压按正比增长。,图1-3 气体放电的伏安特性曲线,实验分析结果,当UaU Ub 在曲线ab段,电流I0趋向于饱和。 因为这时外界电离因素所产生的带电粒子几乎能全部抵达电极,电流的大小仅取决于电离因素的强弱(光照射)而与所加电压无关。,图1-3 气体放电的伏安特性曲线,实验分析结果,当UbU Uc 在曲线bc段,电流又开始随电压的升高而增大。电流随电压的增加按指数规律增长。但当外电离因素消失,电流会迅速降低,这是由于气隙中出现了碰撞电离和电子崩。,图1-3 气体放电的伏安特性曲线,实验分析结果,过程,当UcU U0 在曲线cS段,当气隙上所加电压大于Uc时,实测I
15、随电压U的增大不再遵循指数规律,而是更快一些。这时又出现了促进放电的新因素,这就是受正离子的影响。,图1-3 气体放电的伏安特性曲线,实验分析结果,过程+ 过程,当U0U 在S点以后,电压U U0时,电流急剧增加,无需外电离因素(光照射)就能维持间隙的放电过程,进入自持放电阶段。,图1-3 气体放电的伏安特性曲线,实验分析结果,当UU0 OA段:电流随电压升高而升高 AB段:电流仅取决于外电离因素与电压无关 BS段:电压升高电流增强但仍靠外电离维持 (非自持放电阶段) 当UU0 S点后:电流急剧增加,只靠外加电压就能维持(自持放电阶段),图1-3 气体放电的伏安特性曲线,实验分析结果,非自持放
16、电:如果取消外电离因素,气体的放电过程就会停止,那么电流也将消失。这是依靠外电离因素和外电场因素共同作用而维持的放电。,图1-3 气体放电的伏安特性曲线,自持放电:气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。,非自持放电和自持放电,非自持 放电与 自持放 电的分 界点,由非自持放电转入自持放电的电压称为起始电压 如电场比较均匀,则间隙将被击穿,此后根据气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电,而起始电压U0也就是间隙的击穿电压Ub 如电场极不均匀,则当放电由非自持转入自持时,在小曲率半径电极表面电场集中的区域发生电晕放电,这时起始电压是间隙的电晕起始电压,而击穿电压可能比起始电压高很多。,起始电压U0,气体放电的现象与发展规律与气体种类、气压大小、气隙中的电场型式、电源容量等一系列因素有关。,但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段,它在所加电压达到一定数值时出现。,第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、汤逊气体放电理论 (1