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1、高电压技术Chapter1电介质的极化,电导,损耗电介质:通常条件下导电性能极差的物质,电力系统中用作绝缘材料原理:电介质中正负电荷束缚的很紧，内部可自由移动的电子很少，因此导电性能差第一节.电介质的极化分类:电子位移极化离子位移极化转向极化空间电荷极化一电子位移极化:电介质由分子和原子构成，原子是由带电的原子核和外围电子构成的1无外加电场:电子云中心与原子重合，无感应力矩2有外加电场:原子核向电场方向移动，电子云中心向反方向移动，原子核和电子云产生吸引力，当外加电场力与吸引力平衡时，产生一个稳定的感应力矩特点:极化速度快，无能量消耗与温度无关二离子位移极化:电介质由正离子和负离子构成1无外加
2、电场:各正负离子对构成的偶极矩彼此抵消2有外加电场:正离子沿电场方向运动，负离子沿反方向运动，两者产生吸引力，当吸引力等于电场力时平衡，产生了稳定电距特点:极化速度较快，有轻微的能量损耗温度越高极化率越大三转向极化:电介质是极性电介质1无外加电场:正负电荷中心不重合，存在固有偶极矩，但分子热运动不规则，偶极矩排列方向无序，合成电距为零2有外加电场:固有偶极矩有转向电场的趋势，顺着电场方向做定向排列，形成转向极化特点:速度慢能耗较大受温度影响（热运动）四空间电荷极化:由电质点在电介质上的移动形成的，电荷在介质中产生了新的分布，从而产生电距1被晶格缺陷捕获2在两层介质的介面上堆积特点:极化速度慢（
3、仅适用于低频）能耗大与温度无关第二节.电介质介电常数一.介电常数的物理意义介电常数:介质在有外加电场时,会产生感应电荷,从而导体内部削弱电场,即外加电场与介质中电场之比二.气体电介质的相对介电常数气体分子距离大,极化率小,相对介电常数接近于1影响因素:随温度升高减小随电压增大而增大三.液体电介质的相对介电常数1中性液体介质(石油,苯,四氯化碳,硅油)相对介电常数不大1.8-2.82极性液体介质(蓖麻油)优点:介电常数大,绝缘能力强缺点:在交变电场中介质损耗大影响因素:温度:i)低温:分子间的黏附力强，转向极化弱，介电常数随温度升高而变大ii)高温:分子热运动加剧阻碍转向极化，介电常数变小电场频
4、率i)低频:转向极化跟得上电场交变转向，介电常数大ii)高频:转向极化跟不上电场交变转向，介电常数小四.固体电介质的相对介电常数1中性或弱极性固体介质:只有电子位移极化和离子位移极化，介电常数小1/172极性固体介质:有转向极化，相对介电常数大影响因素:受温度和电场频率影响情况同液体介质相似3-6第三节.电介质的电导一气体电介质的电导产生:由气体电离出来的自由电子，正离子和负离子，在外加电场作用下丁香移动造成的:1无外加电场外界因素使1cm2气体每秒产生一对离子，在离子不断产生的同时，正负离子又在不断复合，达到动态品恒，电导小2有外加电场:离子在电场力的作用下和服与气体分子的阻力，移动速度为v
5、（离子迁移率b=v/E）当电场小时b=const较小，电导小，当电场较大，超过某一值，气体分子发生碰撞电离，电流密度迅速增大，绝缘被破坏，气隙被击穿，电导大*图Page5:1-3-1气体介质中电流密度J与场强E的关系二液体电介质的电导1中性液体介质:理解微弱，电导主要对杂质敏感.2极性液体介质:不仅由杂质引起，而且与本身分子的理解度有关，其电导大于中性液体介质的电导极性液体介质的介电常数越大，电导越大，强极性液体介质不能看作电介质，而是离子式导电液影响因素:温度:随温度升高，电导变大电场强度:与气体电介质类似三固体电介质的电导1中性固体介质（具有中性分子的固体介质）:电导由杂质决定2极性固体介
6、质（离子式结构的固体介质）:由离子在热运动影响下脱离晶格移动产生1）无外加电场:离子移动是无序的，不形成电流2）有外加电场:离子在电场方向上，获得一定的速度形成电流影响因素:温度:随温度升高电导变大电场强度:在电场强度小于某值时,电导小,但大于临界值时,电导将急剧增大杂质:对电导率影响很大（eg:固体介质吸收潮气）第四节.电介质中的能量损耗一介质损耗:介质在电场中消耗的能量稳恒电场:极化损耗低，介质损耗小，主要由漏电导产生交变电场:1极化速度远大于电场变化速度:极化损耗低，介质损耗小D=E2极化速度与电场变化速度相当:极化损耗大，介质损耗大D=*E=（-j）E两边求导J=*=（-j）jE=jE
7、+E=J+J(=j|E|ej=jE)由此可知，复介电常数实部贡献武功电流密度，虚部贡献有功电电流密度.形成有功功率损耗是介质损耗的一部分介质损耗角tan=Jr/Jc越小越好电介质等效电路Rlk电导损耗Rp有功损耗Cp无功损耗Cg真空和无损耗极化所引起的电流密度（容性）*图Page8:1-4-1电介质中的电流密度和场强向量二气体介质中的损耗特点:1极化率低2电导小，介质损耗小，但若场强过大，导致气体电离，则介质损耗大大增加2/17三液体和固体介质中的损耗中性:极化（电子式或离子式）损耗小，主要为电导损耗极性:电导式损耗和电偶式损耗（极性损耗）*图Page10:1-4-6松香油的tan与温度的关系
8、Chapter2气体放电的物理过程第一节.气体中带电质点的产生和消失气体导电性:中性状态下气体不导电气体中出现了带电质点（电子，离子）在电场作用下，气体导电，发生气体放电现象一气体中带电质点的来源1气体分子本身发生电离2.气体中炫富的固体或液体金属发生表面电离电离:当外界加入的能量很大，使电子具有的能量超过最远轨道能量，电子就跳出原子轨道之外，成为自由电子（能级跃迁），使原来的一个原子变成一个自由电子和一个带正电荷的离子现象电离能:达到电离所需的最小能量3.电离分类:撞击电离光电离热电离表面电离撞击电离原理:欲使气体质点电离，必须给该气体质点以足够的能量，大于电离能，在撞击电离能中，能量有撞击
9、质点给出撞击质点的能量:动能，势能1）无外加电场:质点的动能是分子热运动，不足以造成碰撞电离.2）有外加电场:带电质点受到电场力的作用，在电场方向加速运动，积聚动能若中途与别的质点碰撞，则失去已积聚的动能若积聚到足够的能量去撞击中性原子核分子则发生电离Ps:正负离子的体力比电子大得多，中途容易发生碰撞，因此，在电场中造成撞击电离的主要因素是电子光电离原理:光子的能量大于电离能光电子:由光电离产生的电子光子:i)高能射线（伦琴射线，射线，宇宙射线）ii)紫外线iii)复合和能级回归释放光电离在气体放电中起重要作用热电离原理:由气体的热状态，造成的电离，不是独立电离形式，包括撞击电离和光电离原因:
10、在无电场作用下，温度升高，分子热运动加剧具有足够的能量，发生碰撞电离，高温时发生光电离表面电离原理:气体中的电子是从金属电极的表面电离出来的逸出功:电子从金属电极表面逸出所需要的能量远小于气体原子的电离能.因此，表面电离在气体放电中起重要作用表面电离所需能量来源:i)加热金属电极，热电子发射ii)在电极附近加上很强的外电场，强场发射或冷发射iii)用某些具有足够能量的质点撞击金属表面，二次发射iv)用短波光（高能）照射金属电极表面，光电子发射二负离子:一个中性分子或原子与一个电子相结合，构成一个负离子离子的电离能力小于电子.因此，俘获自由电子而成为负离子这一现象，对气体放电的发生起阻碍作用，有
11、助于提高气体的耐点强度三气体中带电质点的消失消失方式:3/17带电质点中和电量:带电质点受电场力的作用下而流入电极带电质点的扩散:这些质点会从浓度大的区域扩散到小的区域，而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程带电质点的复合:带有异号电荷的质点相遇发生电荷传递，中和而还原为中性质点的过程，复合时.原先在电离时吸收的电离能会以光子的形式释放，异号质点的浓度越大复合越强烈.因此，强烈电离区也是强烈的复合区，这个区的光亮度就越高第二节.气体放电机理一概述1.研究内容:大气中不长间隙间的放电过程2.电子崩:（撞击电离雪崩式增加:漏电流撞击电离电子崩）在外加电场强度尚不能在气隙中产生碰撞电离时，气隙中
12、电流是由外界电离因素引起的电子和离子形成的.其数量小，是漏电流当气隙场强增大，气体中放生撞击电离，电离出来的电子和离子又加入撞击电离过程，于是电离的过程就如雪崩式增加，称为电子崩，电流也较大增加3.非自持放电:场强小于临界值Ecr，这种电子崩还必须依赖外界电离因素造成的原始电离才能维持和发展，若外界电离因素消失，则电子崩随之衰减至消亡4.自持放电:场强超过临界值Ecr，这种电子崩可仅由电场的作用而自行维持和发展，不必依赖外界电离因素5.临界场强:Ecr由非自持放电转入自持放电的场强6.临界电压:Ucr与临界场强对应的电压7.放电发展过程:.(1)较均匀电场:各处场强差异不大，任意一处一旦形成自
13、持放电，自持放电就发展到整个间隙气隙被击穿击穿电压:使气隙能够击穿的电压击穿电压Ub临界电压Ucr(2)不均匀电场:棒-板电极（典型，点对面）电压较低时，棒端场强已超过Ecr，棒端附近发生自持放电，离棒端稍远处场强已经大为减少，故此电离只局限在棒端附近的空间，而不能拓展开来.该区域内所形成的离子在复合时将辐射出光子，人眼可见.有均匀稳定的发光层笼罩在电极周围（光晕）电压较高时，i)电极间距小，电晕放电直接转化为整个间隙的火花击穿ii)电极间距大，电晕放电刷形放电电弧当电源功率足够大时，火花击穿电弧二汤森德气体放电理论1.内容:当Pd较小时，电子的撞击电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起主要作用
14、，气隙的击穿电压是Pd的函数2.意义:考虑和讨论气体放电的物理过程是很基本的，具有普遍指导意义3.主要研究参数:(1)电离系数:表示一个电子在走向阳极1cm路程中与气体质点碰撞产生的自由电子数(2)电离系数:表示一个正离子在走向阴极1cm路程中与气体质点碰撞产生的自由电子数所以主要研究，(3)电离系数:表示一个正离子撞击到阳极表面时从阴极逸出的自由电子数(表面电离)假设在外界光照作用下，单位时间在阴极单位面积产生n个自由电子，在距离阳极为x的横截面上单位面积有n个电子飞过dx距离后，又产生dn个新电子，dn=nxdx积分得n=n0ex.到达阳极的电子n=n0ed,正离子数n-n0=n0(ed-1)14.假设在外界光照的作用下，单位时间在阴极单位面积上产生n0个自由电子，在距离阴极为x的横截面上，单位面积有
