高电压技术 高电压工程1(极化 气体击穿) 1

高电压技术HighVoltageTechnology电介质(dielectric)：----在电场中能产生极化的物质，指通常条件下导电性能极差、在电力系统用作绝缘的材料。----极化是指物质中电荷分离形成偶极子的过程电介质气体电介质液体电介质固体电介质电介质－从贮存电能的角度看绝缘材料－从隔离电流角度看1电介质的极化、电导和损耗一.电介质的极化(dielectricpolarization)和介电常数1.极化：在外加电场的作用下，电介质中的正、负电荷沿电场方向作有限位移或转向，形成电矩（偶极矩）极化对介电常数的影响：UQ´束缚电荷UCQ00CUQQQ000CCQQr相对介电常数：relativedielectricconstant0E0E电子位移极化2.电介质的极化种类特点：存在于一切电介质，极化所需时间短，不随频率变化；极化具有弹性，不损耗能量r离子位移极化特点：存在于离子结构电介质中，极化所需时间也很短；极化具有弹性，无能量损耗；随温度升高而增大rE有些电介质具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，这种分子称为极性分子，这种电介质称为极性电介质，例如胶木、橡胶、纤维素、蓖麻油、氯化联苯等。每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电矩等于零，整个介质对外并不表现出极性出现外电场后偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列，因而显出极性，这种极化称为偶极子极化或转向极化。UU电极电介质E0E0E偶极子极化频率太高时偶极子将来不及转动，因而其εr值变小。温度对极性电介质εr值也有很大的影响。因为温度较低时分子间的联系紧密，偶极子转动困难。所以εr很小。温度升高后分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱。所以液体固体的εr在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变的较强烈时，εr又开始随温度的上升而减小。特点：存在于极性电介质中，极化所需时间较长，与电源频率有很大关系；极化消耗能量；温度过高或过低，都会减小rr空间电荷极化(夹层极化)3.讨论电介质极化的意义（１）不同应用场合，对εr大小的要求不同（２）在交流及冲击电压作用下，多层串联介质场强Ｅ与εr成反比，要注意各种材料的εr值的配合；（3）极化类型影响介质损耗，从而影响绝缘劣化和热击穿特点：存在于复合介质、不均匀介质中；极化过程很缓慢，只在直流和低频交流下表现出来；极化伴随着能量损耗1221RRCC为便于比较，将上述各种极化列为下表极化种类产生场合所需时间能量损耗产生原因电子位移极化任何电介质10-15s无束缚电子运行轨道偏移离子位移极化离子式结构电介质10-13s几乎没有离子的相对偏移转向极化极性电介质10-6～10-2s有偶极子的定向排列夹层极化多层介质的交界面10-1s～数小时有自由电荷的移动课堂的现场实验演示教授正在示范如何将一个气球（表面喷有导电涂料）在他脑袋和一小型静电产生器之间来回碰撞返回二.电介质的电导(electricalconduction)1.定义：在电场的作用下，由带电质点沿电场方向移动而形成电导电流要点：带电质点主要是离子，也称离子式电导指标：用电导率γ(s/ｃｍ)表示绝缘材料的电阻率：108~1020m导体的电阻率：10-8~10-4m半导体的电阻率：10-4~107m电阻率/12.电介质电导与金属电导的区别TBAe/3.液体和固体电介质的γ与温度的关系：带电质点：电介质中为离子（固有离子，杂质离子）；金属中为自由电子数量级：电介质的γ小，泄漏电流小；金属的电导电流很大电导电流影响因素：电介质中由离子数目决定，对所含杂质、温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是主要因素温度↑ａ．热运动加剧→离子迁移率↑→γ↑ｂ．介质分子或杂质热离解↑→γ↑电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正的温度系数。4.固体电介质的体积电阻和表面电阻体积电阻－电介质内部绝缘状态的真实反映表面电阻－受介质表面吸附的水分和污秽影响水分起着特别重要作用。亲水性介质（玻璃、陶瓷）表面电导大憎水性介质（石蜡、四氟乙烯、聚苯乙烯）表面电导小三.电介质的损耗(dielectricloss)任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损耗。电介质的能量损耗简称介质损耗。1.介质损耗的含义2.电介质的三支路等值电路u1i1C2R2C3R2i3i321iiiiC1—无损极化C2-R2—有损极化R3—电导损耗0)(sti1i3i2ii吸收曲线3.电介质在直流电压作用下的吸收现象321iiii|充电电流|吸收电流|泄漏电流UI1IRI2CI23I2I4.介质损耗角正切tgδ交流电压作用下的向量图：介质损耗角δ为功率因数角φ的余角，其正切tgδ又可称为介质损耗因数，常用百分数（%）来表示。并联等值电路：CRIIIU~pCpRRICIUICIRI并联电路中：pRRUIpCCUItgCUtgUIUIPpCR2∴ppppCRRCCURUIItg1/由相量图：5.用tgδ作为综合反映介质损耗特性优劣的指标理由：介质损耗P值和试验电压U、试品等值电容量、电源频率等许多因素有关，而tgδ是一个仅取决于材料本身的损耗特征而与上述种种因素无关的物理量。tgδ的增大，意味着介质绝缘性能变差，实践中常通过测量tgδ来判断设备绝缘的好坏。▲一切电介质的电气强度都是有限的，超过某种限度，电介质就会丧失其原有的绝缘性能，甚至演变成导体。在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：1.在弱电场下，主要有极化、电导、介质损耗等2.在强电场下，主要有放电、闪络、击穿等气体放电的基本理论：●汤逊理论●流注理论研究气体放电的目的：●了解气体在高电压（强电场）的作用下逐步由电介质演变成导体的过程；●掌握气体介质的电气强度及其提高的方法Chapter2.气体放电的物理过程基本概念回顾：—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●电离●电离能—电离过程所需要的能量称为电离能，也可用电离电位反映。)(eVWi)(VUi一次电离、二次电离一般情况下，气体放电中主要只涉及一次电离的过程施加能量WWi自由电子电离激励施加能量光子激励施加能量自由电子分级电离施加能量§2.1气体中带电粒子的产生与消失一.带电粒子的产生(电离过程）1.碰撞电离：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离根据引起电离所需的能量来源不同，对应如下几种电离形式是气体中产生带电粒子的最重要的形式电子引起碰撞电离的条件：qEx≥iWqEWxiix≥条件：⑴撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能⑵一定的相互作用的时间和条件，通过复杂的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换动能、位能主要的碰撞电离由电子完成即电子为了造成碰撞电离而必须飞越的最小距离2.光电离：在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子------由光电离而产生的自由电子称为光电子必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能光子来源：紫外线、伦琴射线、γ射线、宇宙射线异号粒子复合也产生光子h≥iW≤iWhc光辐射能够引起光电离的临界波长可见光（400～750nm）不能使气体直接发生光电离3.热电离：气体的热状态引起的电离，实质仍是碰撞电离和光电离，能量来自气体分子的热能。Ｔ↑→分子动能↑→碰撞电离Ｔ↑→热辐射光子的能量、数量↑→光电离热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合温度超过10000K时（如电弧放电）热电离较强，在温度达到20000K左右，几乎全部空气分子都已经处于热电离状态4.电极表面电离:---气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。---游离需要能量，称金属的逸出功，小于气体分子的电离能----表明金属表面电离比气体空间电离更易发生随着外加能量形式的不同，阴极的表面电离可在下列情况下发生：⑴正离子撞击阴极表面⑵光电子发射：高能辐射线照射电极表面⑶热电子发射：金属电极加热⑷强场发射：电极表面附近存在强电场5.负离子的形成:中性分子或原子与电子相结合，形成负离子（附着）附着过程中放出能量（亲合能Ｅ）－电负性气体Ｅ大,易形成负离子－强电负性气体，如SF6负离子的形成使自由电子数减少，对气体放电的发展起抑制作用二.带电粒子的消失（去电离、消电离）1.中和－在电场作用下作定向运动，消失于电极而形成外电路中的电流(迁移率)2.扩散－因扩散而逸出气体放电空间（热运动）3.复合－带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递、中和而还原为中性粒子的过程（多为负离子与正离子复合，而碰撞电离多为电子碰撞粒子产生）与电离相反的物理过程§2.2气体放电过程及电子崩的形成aUabUbcUc空气中电流和电压的关系VA一.平行板电极实验（汤逊，Townsend)：E0IUSU0自持放电区非自持放电区各种高能辐射线（外界电离因子）引起：阴极表面光电离气体中的空间光电离因此：空气中存在一定浓度的带电离子如图表示实验所得平板电极(均匀电场)气体中的电流I与所加电压的关系：即伏安特性二.电子崩的形成外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。三电子崩中电子数目增长过程分析如图所示为平板电极气隙，板内电场均匀，设外界电离因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数为n0。由于碰撞电离和电子崩的结果，在它们到达x处时，电子数已增加为n，这n个电子在dx的距离中又会产生dn个新电子。对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相同，a值不随x而变化，所以上式可写成：抵达阳极的电子数应为：一个初始电子走过距离后，由本身碰撞电离产生的电子数是，计及新产生的电子也参加电离过程，则电子数增加到个，若，则xax10axaxe4102.2axe结论：由于碰撞电离引起电子崩过程，导致气隙中电子数迅速增加。四.自持放电条件—必须依靠外界电离因素的作用提供自由电子作为电子崩的初始电子，一旦外界电离因素停止发生作用，则放电中止●非自持放电●自持放电—撤除外界电离因素后，能仅由电场的作用而维持的放电过程：—电子崩中的正离子在返回阴极时，由于其具有的位能和动能，撞击阴极时引起阴极表面电离，产生二次电子的过程系数—一个正离子撞击阴极表面时产生的二次电子数—自持放电条件≥11ade∵ade1∴自持放电条件可写为：≥1ade物理含义？外加电场增大到一定程度，才能满足自持放电条件≥1)1(0dxade不均匀电场中，各处的值不同，自持放电条件为：aTownsend放电理论总结：外界电离因子阴极表面电离气体空间电离气体中的自由电子在电场中加速碰撞电离电子崩a（过程）正离子阴极表面二次发射（过程）∴eieiqEWexeeea//11①电场强度E增大，急剧增大;aep②很大，（即很小）或很小（即很大）时，值都比较小pae高气压和高真空下，气隙都不易发生放电现象，即具有较高的电气强度又∵e∝pT∴EBpApea/（温度不变）§2.3均匀电场中的击穿电压及其影响因素一.理论推导：≥1ade1lnad均匀电场中自持放电起始场强dUE00含义？又∵EBpApea/由自持放电条件：1ln0/UBpdApde∴1lnln0ApdBpdUPaschen定律)(0pdfUUb二.空气击穿电压与的关系bUpd讨论：为什么具有极最小值?bU巴申曲线(实验获得)0.10.52.05100.10.30.5(kV)bUpd(×133.3Pa·cm)50123103001000三.气体放电的流注理论汤逊理论的适用性Pd26.66kPa·