高电压的绝缘及实验

高电压的绝缘及实验电解质极化分四种类型：电子位移极化，离子位移极化，转向极化，空间电荷极化。1.电子位移极化：一切介质都是由分子组成的分子又是由原子组成的。当不存在电场时，电子云中心与原子核重合，此时的电矩为零，当外加电场时候，原子核带正电，这样就顺着电场的方向，而负电荷的电子云就是沿着电场的反方向移动，但是原子核又对电子云有吸引作用，这样这两者就平衡感应电矩达到稳定，电场中的电介质都存在电子位移极化，它是弹性的，并不引起能量损耗。完成极化的时间很短，与可见光的光频基本一致，及时外加电场的频率达到光频，电子位移极化也来的及完成。2离子位移极化：在由离子结合成的介质内，外电场的作用除了促使各个离子内部产生电子位移极化外还产生正负离子相对位移产生的极化，称为离子位移极化。当没有电场的时候正负离子产生的偶极矩，加上电场的时候正离子向着电场的方向移动，负离子向着电场的反方向移动，结果正负离子形成的偶极矩不在完全相互抵消，形成合成电矩。完成离子极化所需要的时间为低于红外光的频率，离子极化即可以完成。大多数情况下离子极化有极微量的损耗，电解质离子位移极化随着温度的升高而略微的增大，这是由于温度升高时候介质膨胀离子间距增大，离子间的互相作用弹力减弱的结果。3.转向极化：在极性电介质中及即使没有电场的作用，分子中间存在固有的偶极矩，但是在分子中还有无规则的热运动，这样就使排列的偶极矩，当有电场的时候达成定向排列的，但是不能完全的排列，转向极化需要很长的时间，当电场的频率要是很高的时候转向极化跟不上电场的变化。这样极化率就很小。4.空间电荷极化和前三个不同，前三个都是带电质点的弹性位移或者转向极化形成的。而空间电荷的极化和上述的机理是不同的。它是由带电质点的一移动造成的。大多数绝缘结构中介质往往是层式排布的，电介质中可能存在某些晶格缺陷，这样在电场的作用下，带电质点在电场中移动的时候可能就会被这缺陷所捕获，或者在夹层中堆积，这种极化叫做空间电荷极化。电介质的介电常数：电通量密度D也就是电位移矢量=介电常数乘以电场强度D=E电通量密度是与电场强度成正比的在介质中，由于存在极化，极化电矩产生的反向场强，如果D值不变则介质中的合成场强就比真空中小了。气体介质的相对介电常数气体的分子距离相对较大这样气体的密度很小，气体的极化率也很小故气体的相对介电常数都接近为1液体介质的相对介电常数液体的介电常数：中性液体的介电常数与温度和密度关系一致极性液体的介电常数：这类液体都有较大的介电常数可作为电容器的侵渍剂可使电容器的比电容增大这类介质的缺点就是在交变电场中介质的损耗比较大，多以高压绝缘中很少应用，只有蓖麻油和几种合成一体在某些场合时有应用。极性液体的介质的介电常数与电场的频率有关存在一个频率当频率超过某个频率F0极性分子的转向已经跟不上电场频率的变化固体介质的介电常数和极性液体的差不多1-3电介质的电导电介质的电导与金属的电导有本质的区别气体介质的电导是电离出来的自由电子正离子负离子在电场的作用下移动造成的液体和固体的电导是由本身的基本物质发生化学分解或者热离解形成的带电质点沿着电场的方向移动早成的，它是离子式电导即电解式电导。气体介质的电导在没有电场的存在时外界射线使气体介质产生离子正负离子又复合最后达到一个平衡的状态，当电场存在的情况下，克服分子的碰撞阻力而移动，在电场很小时迁移率与电场强度成正比，当电场进一步增大外界因素所造成的离子已经全部趋向电极液体介质的分子的离解是十分微弱的，电导主要是由离解性的杂质悬浮于液体介质中的荷电微粒所造成的汤森德放电理论的不足：汤森德的理论是在气压较低小于大气压，距离较小的情况下进行的放电试验，在距离大于0.26cm时，气隙的击穿电压与汤森德理论计算的值有较大的差别，不仅在数值上不符而且在击穿的性质与汤森德理论不符，主要有以下几点：放电形式：汤森德理论认为放电路径是贯穿整个电极间的空间里，而实际的放电路径是贯穿在两极间曲折的放电通道里，有时还有明显的分支，按照汤森德的理论放电是均匀连续的，而实际是有间隙的分段发展的，即使在直流情况下放电也不是连续发展的。阴极材料：汤森德理论认为，阴极材料的性质在击穿过程中起着非常重要的作用，而实验证明，气隙的击穿电压与阴极材料几乎是无关的放电时间：按照汤森德的理论气隙完全击穿需要数次的这样的循环，形成电子崩，而实际测得击穿完成的时间比计算值小的多，在较长的间隙里二者相差甚至达到几十倍。当距离大于0.26cm时放电过程不能用汤森德理论了在不均匀电场中就更不能用汤森德理论了主要有以下几点：汤森德没有考虑到电离出来的空间电荷对电场的畸变作用，而对放电过程产生影响，汤森德没有考虑光子在放电过程中的作用。流注理论：鉴于汤森德理论的不足，在1939年雷泽在雾室进行试验，提出了流注理论，这个理论认为电子的撞击电离和空间光电离是自持放电的主要因素，并充分注意到了空间电荷对电场的畸变作用，流注理论目前只是对放电过程做定性的描述，定量的分析计算上不成熟，下面介绍流注放电理论。电晕放电：当外加的电压及平均场强较低时，电极的曲率半径附近的局部场强已经很大吗，在这局部场强中产生强列电离，但是由于离电极稍远所以场强已大为减弱，所以电离区不可能扩大到很大，只能局限在电极的附近的强场范围内。电晕放电是极不均匀电场的所特有的自持放电形式，它与其他形式的放电有本质的区别，放电的电流强度不取决于电源的回路中的阻抗，而取决于电极外的电导，即取决于外施电压的大小，电极的形状，极间距离，气体的性质密度等。电晕放电的物理过程和效应：气体的电晕有以下几种效应：有声光热等效应，蓝色晕光与周围的温度升高。形成电风，这样的持续电风会使导线舞动，电晕会产生高频脉冲电流，会辐射大量的电磁波，造成无线电的干扰，会产生化学反应：产生臭氧，一氧化碳，一氧化氮，二氧化氮，形成氨气，形成乙炔，将氮原子形成单原子氮。不均匀的电场的击穿：短气隙的击穿长气隙击穿：在气隙的长度超过一米的情况下，开始发生正先导过程随后是主放电过程，气隙越长则发生的先导过程和主放电过程就越充分，伏秒特性：什么是伏秒特性：气隙的击穿放电需要一定的时间来完成，对于长时间持续作用的电压来说，气隙的击穿电压有一个确定的值，对于脉冲性质的电压，气隙的击穿电压就与电压的波形有关。同一个气隙在峰值较低持续时间很长的情况下可能击穿，而在峰值较高而持续时间很短的非持续作用下是很难击穿的，气隙的击穿电压就不能简单的用电压值来表示。对于一定的电压波形，必须用电压峰值和持续时间来表示。这就是该气隙在电压波形下的伏秒特性。进一步看，同一气隙在该电压作用下，每次击穿的时间也不一样具有一定的分散性，因此，一个气隙下的伏秒特性，不是一条简单的曲线，而是一组曲线族！工程上常用50%击穿电压来表示气隙呗击穿的概率为50%是冲击电压峰值，该值很接近伏秒特性带的下边缘，它反映了该气隙的基本耐电强度。提高气隙击穿电压的方法:1，因为气隙电场分布均匀这样就击穿气隙很高，这样就是尽量改变电场均匀，从而就是提高击穿电压的方法之一就是改变电场分布，（改变电极的形状，还有就是增大电极的曲率半径）有个问题就是电极的形状做的太大这样就是电极表面的光洁度不可能做的非常光洁，可以采用随闸刀一起转动的笼形屏蔽。2.方法之二就是采用高真空：采用高真空这样能够削弱撞击电离过程，当气隙的气压减小，间隙的击穿电压也随着减小，再进一步降低气压，间隙的击穿电压就会随着升高，当气压降到一定程度，气隙的击穿电压就会保持恒定，不随着气压的变化，这就是普遍的规律。3.就是采用增高气压的方法，增高气体的压强可以减小电子的平均自由程，阻碍撞击电离的发展，从而提高了气隙的击穿电压，经常采用高耐电强度气体如SF64.采用高的耐电强度气体高的耐电强度气体一般是卤族元素，卤族元素的分子一般具有一定的电负性，很容易捕获一个电子这样活力很差，这样还容易与正离子复合。分子的半径很大，这样分子的平均自由程就会减小，不易聚集能量。SF6气体的特性：