《高电压技术一》ppt课件

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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