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1、North China Electric Power University高电压技术张重远、赵涛张重远、赵涛 高压教研室高压教研室 2011年年2月月电力工程系电力工程系North China Electric Power University绪绪 论论 各种高电压现象各种高电压现象 研究对象研究对象 中国电力系统电压等级划分中国电力系统电压等级划分 高电压技术在其它领域的应用高电压技术在其它领域的应用 课程相关信息课程相关信息North China Electric Power University雷电雷电极光极光电离圈电离圈绝缘子闪络绝缘子闪络 电晕电晕电弧电弧各种高电压现象各种高电压现象
2、North China Electric Power University研究对象研究对象1.内容与范畴：内容与范畴：高电压技术主要研究高电压（强电场）高电压技术主要研究高电压（强电场）下的各种电气设备物理问题。它起源于下的各种电气设备物理问题。它起源于2020世世纪初期，由于大功率、远距离输电而发展形纪初期，由于大功率、远距离输电而发展形成的一门独立学科，属于现代物理学中电学成的一门独立学科，属于现代物理学中电学的一个分支。的一个分支。2.电气设备的绝缘电气设备的绝缘：绝缘介质（固、液、气体）在电场作用下的绝缘介质（固、液、气体）在电场作用下的电气物理性能和击穿的理论、规律。电气物理性能和击
3、穿的理论、规律。高压试验高压试验判断、监视绝缘质量的主要判断、监视绝缘质量的主要试验方法与试验原理。试验方法与试验原理。3.电力系统的过电压：电力系统的过电压：过电压及其防护过电压及其防护过电压的成因与限制措施过电压的成因与限制措施。North China Electric Power University 中国电力系统电压等级划分中国电力系统电压等级划分 高压（高压（HV）：）：1kV220kV 10kV,20kV,35kV,110kV,220kV 超高压（超高压（EHV）：）：3301000kV 330kV,500kV,750kV 特高压（特高压（UHV）：）：1000kV及以上及以上交流
4、系统交流系统直流系统直流系统 超高压（超高压（EHV）：）：500kV 666kV n 特高压（特高压（UHV）：）：800kVNorth China Electric Power University高电压技术在其它领域的应用高电压技术在其它领域的应用医学：利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症；医学：利用高压脉冲体外碎石、治疗癌症；农业：高压静电喷药，高电场诱发变异育种；农业：高压静电喷药，高电场诱发变异育种；环保：高压脉冲放电处理污水，电除尘技术；环保：高压脉冲放电处理污水，电除尘技术；军事：大功率脉冲技术，电磁干扰、电子对抗；军事：大功率脉冲技术，电磁干扰、电子对抗；其它：静电喷涂，高压设备制
5、造等。其它：静电喷涂，高压设备制造等。North China Electric Power University课程相关信息课程相关信息参考书：参考书：u高电压绝缘技术，中国电力，严璋，朱德恒高电压绝缘技术，中国电力，严璋，朱德恒u电网过电压教程，中国电力，陈维贤电网过电压教程，中国电力，陈维贤u高电压试验技术，清华，张仁豫高电压试验技术，清华，张仁豫u高电压技术，中国电力，赵智大高电压技术，中国电力，赵智大uHigh-Voltage Engineering，Pergamon Press,E.Kuffel(Canada),W.S.Zaengl,(Switzerland)学习方法：学习方法：理论
6、联系实际理论联系实际考试：考试：20%（作业（作业+实验）实验）+80%（闭卷笔试）（闭卷笔试）答疑安排：答疑安排：u时间：周四下午时间：周四下午3:00-5:00u地点：教三楼一楼地点：教三楼一楼105室室North China Electric Power University第一篇第一篇 高电压绝缘及实验高电压绝缘及实验第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章 气隙的电气强度气隙的电气强度第四章第四章 固体液体和组合绝缘的电气强度固体液体和组合绝缘的电气强度North China Electric Pow
7、er University第一章第一章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗 电介质有气体、固体、液体三种形态，电介质电介质有气体、固体、液体三种形态，电介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的。一切电介在电气设备中是作为绝缘材料使用的。一切电介质在电场的作用下都会出现极化、电导和损耗等质在电场的作用下都会出现极化、电导和损耗等电气物理现象。电介质的电气特性分别用以下几电气物理现象。电介质的电气特性分别用以下几个参数来表示：即介电常数个参数来表示：即介电常数r，电导率，电导率(或其倒数或其倒数电阻率电阻率)，介质损耗角正切，介质损耗角正切tg,击穿场强击穿场强E，它们分别反映了电介质的
8、极化、电导、损耗、抗它们分别反映了电介质的极化、电导、损耗、抗电性能。电性能。North China Electric Power University绝缘的作用：绝缘的作用：绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使其没有电绝缘的作用是将电位不等的导体分隔开，使其没有电气的联系能保持不同的电位气的联系能保持不同的电位,又称为电介质又称为电介质.分类：分类：气体绝缘材料：空气，气体绝缘材料：空气，SF6气体等气体等固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等固体绝缘材料：陶瓷，橡胶，玻璃，绝缘纸等液体绝缘材料：变压器油液体绝缘材料：变压器油混合绝缘：电缆，变压器等设备混合绝缘：电缆，变压器等设备1.0
9、 1.0 电力系统的绝缘材料电力系统的绝缘材料North China Electric Power University1.1 1.1 电介质的极化电介质的极化 定义：定义：电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹电介质在电场作用下产生的束缚电荷的弹 性位移和偶极子的转向位移现象，称为性位移和偶极子的转向位移现象，称为电电 介质的极化。介质的极化。效果：效果：消弱外电场，使电介质的等值电容增大消弱外电场，使电介质的等值电容增大。物理量：物理量：介电常数介电常数 类型：类型：电子位移极化；离子位移极化；电子位移极化；离子位移极化；转向极化；空间电荷极化。转向极化；空间电荷极化。North China
10、 Electric Power University电子位移极化电子位移极化 一切电介质都是由分子组成，分子一切电介质都是由分子组成，分子又是由原子组成，每个原子都是由带正又是由原子组成，每个原子都是由带正电荷的原子核和围绕核带负电荷的电子电荷的原子核和围绕核带负电荷的电子云构成。云构成。当不存在外电场时，电子云的中心与当不存在外电场时，电子云的中心与原子核重合，此时电矩为零当外加一电原子核重合，此时电矩为零当外加一电场，在电场力的作用下发生电子位移极化场，在电场力的作用下发生电子位移极化当外电场消失时，原于核对电子云的引当外电场消失时，原于核对电子云的引力又使二者重合，感应电矩也随之消失。力
11、又使二者重合，感应电矩也随之消失。电场中的所有电介质内都存在电电场中的所有电介质内都存在电子位移极化。子位移极化。qRRi-qOOE图图1-1 1-1 电子位移极化电子位移极化North China Electric Power University离子位移极化离子位移极化 在由离子结合成的电介质内，外电场的作用除促使各个离子内部在由离子结合成的电介质内，外电场的作用除促使各个离子内部产生电子位移极化外还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为产生电子位移极化外还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。图离子位移极化。图l-2表示氯化钠晶体的离子位移极化。表示氯化钠晶体的离子位移
12、极化。图图l-2 氯化钠晶体的离子位移极化氯化钠晶体的离子位移极化 North China Electric Power University转向极化转向极化 在极性电介质中，即使没有外加电场，由于分子中正、负电荷的作用中在极性电介质中，即使没有外加电场，由于分子中正、负电荷的作用中心不重合。就单个分子而言，就已具有偶极矩，称为心不重合。就单个分子而言，就已具有偶极矩，称为固有偶极矩固有偶极矩。但由于分子。但由于分子不规则的热运动，使各分子偶极矩方向的排列没有秩序，因此，从宏观而言，对不规则的热运动，使各分子偶极矩方向的排列没有秩序，因此，从宏观而言，对外并不呈现电矩。外并不呈现电矩。当有外电
13、场时，由于电场力的作用，每个分子的固有偶极矩就有转向与外电场平当有外电场时，由于电场力的作用，每个分子的固有偶极矩就有转向与外电场平行的趋势，其排列呈现行一定的秩序。但是受分子热运动的干扰，这种转向有秩序的行的趋势，其排列呈现行一定的秩序。但是受分子热运动的干扰，这种转向有秩序的排列。排列。UU电极电介质E图图l-3 偶极子的转向极化偶极子的转向极化 North China Electric Power University 空间电荷极化空间电荷极化 图图1-4 双层电介质的夹层极化双层电介质的夹层极化 G1G2 C1C2U 上述的三种极化是带电质点的上述的三种极化是带电质点的弹性位移或转向形
14、成的，而空间电荷弹性位移或转向形成的，而空间电荷极化的机理则与上述三种完全不同，极化的机理则与上述三种完全不同，它是由带电质点它是由带电质点(电子或正、负离子电子或正、负离子)的移动形成的。的移动形成的。最明显的空间电荷极化是最明显的空间电荷极化是夹层极化夹层极化。在实际的电气设备中，。在实际的电气设备中，有不少多层电介质的例子，如电缆、有不少多层电介质的例子，如电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器的绕组绝缘等，都是由器、电抗器的绕组绝缘等，都是由多层电介质组成的。多层电介质组成的。如图如图l-4l-4所示，各层介质的电容分别为所示，各层介质的电容分别为
15、C1C1和和C2C2；各层介质的电导分别为；各层介质的电导分别为G1G1和和G2G2；直；直流电源电压为流电源电压为U U。为了说明的简便，全部参数均只标数值，略去单位。为了说明的简便，全部参数均只标数值，略去单位。设设C1=1C1=1，C2C22 2，G1=2G1=2，G2=1G2=1，U U3 3。North China Electric Power University 当当U作用在作用在AB两端极扳上时，其瞬时电容上的电荷和电位分布，如图两端极扳上时，其瞬时电容上的电荷和电位分布，如图1-5(a)所示整个介质的等值电容为所示整个介质的等值电容为 。到达稳态时，电容上的电荷和电位分布如图
16、到达稳态时，电容上的电荷和电位分布如图l-5(b)所示。整个介质的等值电容为所示。整个介质的等值电容为 。分界面上堆积的电荷量为分界面上堆积的电荷量为+4-1+3。图图1-5 双层电介质的电荷与电位分布双层电介质的电荷与电位分布（a）暂态分布）暂态分布（b）稳态分布）稳态分布 空间电荷极化（续）空间电荷极化（续）North China Electric Power University空间电荷极化的空间电荷极化的特点特点夹层的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值电容的增夹层的存在将会造成电荷在夹层界面上的堆积和等值电容的增大。这就是夹层极化效应。大。这就是夹层极化效应。夹层界面上电荷的堆积
17、是通过介质电导夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的。高压绝缘介完成的。高压绝缘介质的电导通常都是很小的，所以，这种极化过积将是很缓慢的。质的电导通常都是很小的，所以，这种极化过积将是很缓慢的。它的形成时间从几十分之一秒到几分钟甚至有长达几小时的。它的形成时间从几十分之一秒到几分钟甚至有长达几小时的。因此，这种性质的极化只有在直流和低频交流电压下才能表现因此，这种性质的极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。出来。该极化伴随着能量损耗。该极化伴随着能量损耗。大电容设备进行高压实验后应对设备绝缘进行较长时间放电。大电容设备进行高压实验后应对设备绝缘进行较长时间放电。North China
18、 Electric Power University电介质极化种类及比较电介质极化种类及比较极化类型极化类型产生场合产生场合所需时间所需时间能量能量损耗损耗产生原因产生原因电子式极化电子式极化任何任何电介质电介质10-1410-15S无无束束缚缚电电子子运运行行轨轨道偏移道偏移离子式极化离子式极化离子式结构离子式结构电介质电介质10-1210-13S几乎几乎没有没有离子的相对偏移离子的相对偏移偶极子极化偶极子极化极性极性电介质电介质10-1010-2S有有偶偶极极子子的的定定向向排排列列夹层极化夹层极化多层介质的多层介质的交界面交界面10-1S数小数小时时有有自由电荷的移动自由电荷的移动Nor
19、th China Electric Power University1.2 1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数一一.介电常数的物理意义介电常数的物理意义在真空中，有关系式在真空中，有关系式 式子中式子中 E场强矢量场强矢量 ；D电位移矢量，即电通量密度矢量电位移矢量，即电通量密度矢量 ，D与与E同向，比例常数同向，比例常数 为真空中的介电常数为真空中的介电常数 在介质中在介质中,D与与E同向，同向，为介质的相对介电常数，它是没有量纲和单位的为介质的相对介电常数，它是没有量纲和单位的纯数。纯数。介质的介电常数介质的介电常数 通常，通常，的量纲和单位与的量纲和单位与 相同相同二、气体介质的相
20、对介电常数二、气体介质的相对介电常数 一切气体的相对介电常数一切气体的相对介电常数 都接近于都接近于1。任何气体的相对介电常数均随温度的升高而减小，随压力任何气体的相对介电常数均随温度的升高而减小，随压力的增大而增大，但影响都很小。的增大而增大，但影响都很小。三、液体介质的相对介电常数三、液体介质的相对介电常数 1.中性液体电介质中性液体电介质：石油、苯、四氯化碳、硅油等均为中性或弱：石油、苯、四氯化碳、硅油等均为中性或弱极性液体介质其介电常数不大，其值在极性液体介质其介电常数不大，其值在1.82.8范围内。范围内。North China Electric Power University 2
21、极性液体介质：极性液体介质：(1)这类介质通常介电常数都较大。但这类介质的缺点是在交变电场中的介质这类介质通常介电常数都较大。但这类介质的缺点是在交变电场中的介质损较大，在高压绝缘中很少应用。损较大，在高压绝缘中很少应用。(2)影响极性液体介质介电常数的主要因素：影响极性液体介质介电常数的主要因素：a.介电常数与温度的关系介电常数与温度的关系 b.介电常数与电场频率介电常数与电场频率 f 的关系的关系 四、固体电介质的介电常数四、固体电介质的介电常数 1.1.中性或弱极性固体电介质：中性或弱极性固体电介质：只具有电子式极化和离子式极化，其介电常数较小。只具有电子式极化和离子式极化，其介电常数较
22、小。介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近。介电常数与温度之间的关系也与介质密度与温度的关系很接近。2.2.极性固体电介质：极性固体电介质：介电常数都较大，一般为介电常数都较大，一般为3636，甚至更大。，甚至更大。这类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体所呈现的规律。这类电介质的介电常数与温度的关系类似极性液体所呈现的规律。电介质的介电常数电介质的介电常数(续续)North China Electric Power University1.3 1.3 电介质的电导电介质的电导电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。一一.表征电介质导
23、电性能的物理量表征电介质导电性能的物理量电导率电导率 （或：电阻率（或：电阻率 ）电导电导形式形式电导电导率率金属金属导导体体（自由（自由电电子）子）电电子子电导电导 很大很大 气体气体 液体液体 固体固体自由自由电电子、正离子、子、正离子、负负离子离子杂质电导杂质电导、自身离解、自身离解 离子离子杂质杂质、离子、离子 电导电导 很小很小 很大很大 North China Electric Power University二、影响介质电导的因素二、影响介质电导的因素(1)温度温度 式中式中 A、B常数；常数；T绝对温度绝对温度；电导率。电导率。温度升高时，液体介质的黏度降低，离子受电场力作用而
24、移动时所受的阻力减温度升高时，液体介质的黏度降低，离子受电场力作用而移动时所受的阻力减小，离子的迁移率增大，使电导增大；另一方面，温度升高时，液体介质分子热离小，离子的迁移率增大，使电导增大；另一方面，温度升高时，液体介质分子热离解度增加，这也使电导增大。解度增加，这也使电导增大。所以在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须注意记录所以在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须注意记录温度温度。(2)电场强度电场强度North China Electric Power University1.4 1.4 电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗一一.电介质损耗的基本概念电介质损耗的基本概念二二.等效电路与相
25、量图等效电路与相量图三三.简化等效电路与损耗简化等效电路与损耗四四.吸收电流与吸收曲线吸收电流与吸收曲线本节主要内容：本节主要内容：North China Electric Power University 在电场的作用下，电介质由于电导引起的损耗和在电场的作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化（如偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，有损极化（如偶极子极化、夹层极化等）引起的损耗，总称为电介质的总称为电介质的损耗损耗。一一.电介质损耗的基本概念电介质损耗的基本概念North China Electric Power University二二.等效电路与相量图等效电路与相量图R3C1R2C2
26、 i=i1+i2+i3i1i2i3uU图中图中C1 代表介质的无代表介质的无损极化（电子式和离损极化（电子式和离子式极化），子式极化），C2 R2 代表各种有损极化，代表各种有损极化，而而R3则代表电导损耗。则代表电导损耗。介质损耗角介质损耗角 为功率因数角为功率因数角 的余角，其正切的余角，其正切 tg 又可称为又可称为介质损耗因数，常用百分数（介质损耗因数，常用百分数（%）来表示。）来表示。另，另，tg同样随温度、频率的变化而变化。同样随温度、频率的变化而变化。North China Electric Power University三三.简化等效电路与损耗简化等效电路与损耗UUIRCPU
27、I P=U I cos=U IR=U IC tg=U2 Cp tg 式中式中 电源角频率；电源角频率；功率因数角；功率因数角；介质损耗角。介质损耗角。North China Electric Power University 在等值电路上加上直流电在等值电路上加上直流电压时，电介质中流过的将是电压时，电介质中流过的将是电容电流容电流 i1、吸收电流、吸收电流 i2 和传导和传导电流电流 i3。三者随时间的变化如上。三者随时间的变化如上右图。这三个电流分量加在一起，右图。这三个电流分量加在一起，即得出总电流上右图中的总电流即得出总电流上右图中的总电流 i,它表示在直流电压作用下，流过它表示在直流
28、电压作用下，流过绝缘的总电流随时间而变化的曲绝缘的总电流随时间而变化的曲线，称为线，称为吸收曲线吸收曲线。四四.吸收电流与吸收曲线吸收电流与吸收曲线返回返回North China Electric Power University第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第一节第一节 气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失第二节第二节 气体放电机理气体放电机理第三节第三节 电晕放电电晕放电第四节第四节 不均匀电场气隙的击穿不均匀电场气隙的击穿第五节第五节 雷电放电雷电放电第六节第六节 气隙的沿面放电气隙的沿面放电North China Electric Power Uni
29、versity2.1 2.1 气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失 一一.带电质点在气体中的运动带电质点在气体中的运动二二.带电质点的产生带电质点的产生三三.带电质点的消失带电质点的消失本节主要内容：本节主要内容：North China Electric Power University一一.带电质点在气体中的运动带电质点在气体中的运动1.自由行程长度自由行程长度 当气体中存在电场时，其中的带电粒子当气体中存在电场时，其中的带电粒子将具有复杂的运动轨迹，它们一方面与中性将具有复杂的运动轨迹，它们一方面与中性的气体粒子（原子或分子）一样，进行着混的气体粒子（原子或分子）一样，进行
30、着混乱乱热运动热运动，另一方面又将，另一方面又将沿着电场作定沿着电场作定向漂移向漂移。各种粒子在空气中运动时都会不断碰各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞。一个质点在每两次碰撞之间自由通过撞。一个质点在每两次碰撞之间自由通过的距离叫的距离叫自由行程长度。自由行程长度。实际的自由行程长度是实际的自由行程长度是随机量随机量，并，并有很大的有很大的分散性。分散性。单位行程中的碰撞次数单位行程中的碰撞次数Z的倒数的倒数即即为该粒子的为该粒子的平均自由行程长度平均自由行程长度。North China Electric Power University2.带电粒子的迁移率带电粒子的迁移率 带电离子虽然不可避
31、免地要与气体分子不断地发生碰撞，但在电场力的驱动下，仍带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞，但在电场力的驱动下，仍将沿着电场方向漂移，其速度将沿着电场方向漂移，其速度u u与场强与场强E其比例系数其比例系数k=u/Ek=u/E，称为，称为迁移率迁移率，它表示该，它表示该带电粒子单位场强（带电粒子单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。）下沿电场方向的漂移速度。由于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。更由于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。更易加速，所以易加速，所以电子的迁移率远大于离子电子的迁移率远大于离子。3.扩散扩散 气
32、体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关。在热运动气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关。在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程叫种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程叫扩散扩散。气压越低或温度越高，。气压越低或温度越高，则扩散进行的越快。电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩则扩散进行的越快。电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度也要比离子快得多。散速度也要比离子快得多。一一.带电质点在气体中的运动（续）带电质点在气体中的运动（续）
33、North China Electric Power University二二.带电质点的产生带电质点的产生 气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生电离气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生电离(包括包括撞击电离，光电离、热电离等多种形式撞击电离，光电离、热电离等多种形式)；另一是气体中的固体或液；另一是气体中的固体或液体金属发生表面电离。体金属发生表面电离。1.电离是气体放电的首要前提电离是气体放电的首要前提 电离电离产生带电离子的物理过程称为电离。产生带电离子的物理过程称为电离。激励激励在常态下，电子受外界因素影响由低能量级轨道上跃迁到高在常态下，电子受外界因素影响由低能量
34、级轨道上跃迁到高能量级轨道的现象称为激励。能量级轨道的现象称为激励。North China Electric Power University2.电离的几种形式电离的几种形式(1)光电离光电离频率为频率为的光子能量为的光子能量为 W=h 式中式中 h普郎克常数普郎克常数=发生空间光电离的条件为发生空间光电离的条件为 或者或者 式中式中 光的波长，光的波长，m；c光速光速 Wi 气体的电离能，气体的电离能，eV。二二.带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）North China Electric Power University(2)撞击电离撞击电离 主要是电子碰撞游离主要是电子碰撞游离。原因
35、：。原因：1.电子小，自由程长，可以加速电子小，自由程长，可以加速到很大的速度。到很大的速度。2.电子的质量小，可以加速到很大。电子的质量小，可以加速到很大。产生条件产生条件:所以提高场强可以使碰撞电离加剧。所以提高场强可以使碰撞电离加剧。（3）热电离）热电离 在常温下，气体分子发生热电离的概率极小。是气体在热状在常温下，气体分子发生热电离的概率极小。是气体在热状态下光电离和撞击电离的综合。态下光电离和撞击电离的综合。二二.带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）North China Electric Power University（4）表面电离）表面电离 电子从金属表面逸出需要一定的能量
36、，称为逸出功。主要发生在阴极，原电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。主要发生在阴极，原因：阳极自由电子不会向气体中释放。因：阳极自由电子不会向气体中释放。主要有主要有4种形式：种形式：1.正离子撞击阴极表面：正离子撞击阴极表面：通常正离子动能不大，可忽略，只有在它的势能等于或大通常正离子动能不大，可忽略，只有在它的势能等于或大于阴极材料逸出功两倍时，才能引起阴极表面电离，这个条件可满足。于阴极材料逸出功两倍时，才能引起阴极表面电离，这个条件可满足。2.光电子发射：光电子发射：高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能
37、量应大于金属的逸出功。能量应大于金属的逸出功。3.热电子发射：热电子发射：金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出，金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。称为热电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。4.强场发射（冷发射）：强场发射（冷发射）：当阴极表面附近空间存在很强的电场时（当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），数量级），也能时阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响；在高气压、压缩的高强度气体也能时阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响；在高气压、
38、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。二二.带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）North China Electric Power University 当电子与气体分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结合而当电子与气体分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程成为形成负离子的情况，这种过程成为附着附着。易于产生负离子的气体称为。易于产生负离子的气体称为电负性气体电负性气体。这个过程有时需要放出能量，有时需吸收能量。这个过程有时需要放出能量，有时需吸收能量。负离子的形成不会改变
39、带电质点的数量，但却使自由电子数减负离子的形成不会改变带电质点的数量，但却使自由电子数减少，因此对气体放电的发展起抑制作用。（或有助于提高气体的耐少，因此对气体放电的发展起抑制作用。（或有助于提高气体的耐电强度）电强度）。如。如SF6气体对电子有很强的亲和性，因此具有高电气强度。气体对电子有很强的亲和性，因此具有高电气强度。（5）负离子的形成）负离子的形成二二.带电质点的产生（续）带电质点的产生（续）North China Electric Power University三三.带电质点的消失带电质点的消失 气体中带电粒子的消失有可能下述几种情况：气体中带电粒子的消失有可能下述几种情况：(1)
40、带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于消失于电极电极上而形成外电路中的电流；上而形成外电路中的电流；(2)带电粒子因带电粒子因扩散扩散现象而逸出气体放电空间。现象而逸出气体放电空间。(3)带电粒子的带电粒子的复合复合。气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发。气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，是与电离相反的一生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，是与电离相反的一种过程。种过程。North China Electric Power University2.2 2.2 气体放电机理气体放电机理1电子
41、崩电子崩2自持放电与非自持放电自持放电与非自持放电3放电发展过程与电场的关系放电发展过程与电场的关系4汤森德放电理论汤森德放电理论5帕邢定律帕邢定律6流注放电理论流注放电理论North China Electric Power University一一.电子崩电子崩 外界电离因子在阴极外界电离因子在阴极附近产生一个附近产生一个初始电初始电子子，如果空间的电场，如果空间的电场强度足够大，该电子强度足够大，该电子在向阳极运动时就会在向阳极运动时就会引起引起碰撞电离碰撞电离，产生出，产生出一个一个新电子新电子，初始电，初始电子和新电子子和新电子继续继续向阳极运动，又会引起向阳极运动，又会引起新的碰撞
42、电离新的碰撞电离，产生出更多的电子。依次类推，电子，产生出更多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展,这种急剧增大的空间电流被这种急剧增大的空间电流被称为称为电子崩电子崩。North China Electric Power University二二.自持放电与非自持放电自持放电与非自持放电 当场强小于某个临界值当场强小于某个临界值 时候，电子崩有赖于外时候，电子崩有赖于外界电离因素的原始电离才能持续和发展，如果外界电离界电离因素的原始电离才能持续和发展，如果外界电离因素消失，则这种电子崩也随之逐渐衰减以至消失，称因素消失，则这种电子
43、崩也随之逐渐衰减以至消失，称这种放电为这种放电为非自持放电非自持放电。当场强大于某个临界值当场强大于某个临界值 时，电子崩可以仅由电时，电子崩可以仅由电场的作用而自行维持和发展，不再依赖外界电离的因素，场的作用而自行维持和发展，不再依赖外界电离的因素，这种性质的放电称为这种性质的放电称为自持放电自持放电。North China Electric Power University(二二)在在很不均匀很不均匀的电场中的电场中(以棒电极为例以棒电极为例)(1)在电压比较低时在电压比较低时,棒极附近场强可能已超过临界值棒极附近场强可能已超过临界值,即发生自持放电即发生自持放电,离离棒端稍远处有棒端稍远
44、处有电晕电晕出现出现.(2)电压再升高时电压再升高时,若电极间距不大若电极间距不大,则有可能从电晕放电直接转为整个则有可能从电晕放电直接转为整个间隙的间隙的火花击穿火花击穿,若电极间隙较大若电极间隙较大,则从电晕到击穿之间还有则从电晕到击穿之间还有刷状放电刷状放电的过渡阶段的过渡阶段.(3)电压再提高电压再提高,刷形放电中的个别光束突发的前伸刷形放电中的个别光束突发的前伸,形成明亮的火花通道到达对形成明亮的火花通道到达对面电极面电极,气隙被就击穿了气隙被就击穿了.当电源功率足够时当电源功率足够时,火花击穿火花击穿迅速的转变成迅速的转变成电弧电弧。(一一)在大体在大体均匀均匀的电场中，各处场强的
45、差异不大的电场中，各处场强的差异不大,任意一处一旦形成自持放电任意一处一旦形成自持放电,就会很快发展到整个间隙就会很快发展到整个间隙,气隙即被气隙即被直接击穿直接击穿.三三.放电发展过程与电场的关系放电发展过程与电场的关系North China Electric Power University（三）电场不均匀系数（三）电场不均匀系数Emax 最大电场强度最大电场强度Eav 平均电场强度。平均电场强度。U 电极间的电压电极间的电压 d 极间距离极间距离 f 4 以上时明显地属于极不均匀电场，可分为棒以上时明显地属于极不均匀电场，可分为棒-棒间隙和棒棒间隙和棒-板间隙，例如架空线的导线板间隙，例
46、如架空线的导线-导线，导线导线，导线-大地。大地。三三.放电发展过程与电场的关系（续）放电发展过程与电场的关系（续）North China Electric Power University四四.汤森德气体放电理论汤森德气体放电理论1.适用条件适用条件 低气压、低气压、短间隙的电场中，即短间隙的电场中，即 2.理论要点理论要点 电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离是使电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离是使带电质点激增带电质点激增,并导致击穿的主要因素。击穿电压大体上是并导致击穿的主要因素。击穿电压大体上是 的函数的函数.North China Electric Power
47、 University(1)系数系数 ，表示一个电子由阴极到阳极每，表示一个电子由阴极到阳极每1cm路程中与气体质路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数点相碰撞所产生的自由电子数(平均值平均值)。(2)系数系数 ，表示一个正离子由阳极到阴极每，表示一个正离子由阳极到阴极每1cm路程中与气体质路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数点相碰撞所产生的自由电子数(平均值平均值)。(3)系数系数 ，表示一个正离子撞击到阴极表面时使阴极逸出的自由，表示一个正离子撞击到阴极表面时使阴极逸出的自由电子数电子数(平均值）。平均值）。3.引用三个系数来定量的反映三种因素的作用引用三个系数来定量的反映三种因素的
48、作用四四.汤森德气体放电理论（续）汤森德气体放电理论（续）系数系数 和和 与气体的性质、密度及该处的电场强度等因与气体的性质、密度及该处的电场强度等因素有关。素有关。North China Electric Power University 根据碰撞电离系数根据碰撞电离系数的定义，可得的定义，可得分离变数并积分分离变数并积分，可得，可得均匀电场，均匀电场，不随不随x 变化变化ddxxn0nna4.电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数抵达阳极的电子数抵达阳极的电子数四四.汤森德气体放电理论（续）汤森德气体放电理论（续）North China Electric Power University5.自持
49、放电条件与表面电离系数自持放电条件与表面电离系数 如果电压如果电压(电场强度电场强度）足够大，初始电子崩中的正离子能在阴极上产）足够大，初始电子崩中的正离子能在阴极上产生出来的生出来的新电子数等于或大于新电子数等于或大于n0，那么即使除去外界电离因子的作用放电也不会停，那么即使除去外界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能止，即放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维持下去，这就变成了维持下去，这就变成了自持放电自持放电。在整个路程撞击出的正离子数为：在整个路程撞击出的正离子数为：令令 表示一个正离
50、子撞击到阴极表面时产生表示一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数，则从金属表面电离出的电子出来的二次电子数，则从金属表面电离出的电子数为：数为：若该电子数大于等于起始电子数若该电子数大于等于起始电子数n0,那么放那么放电可以自持，即电可以自持，即自持放电条件自持放电条件为：为：四四.汤森德气体放电理论（续）汤森德气体放电理论（续）North China Electric Power University 式（式（1-14）包含的物理意义为：一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正）包含的物理意义为：一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正电子数为电子数为 ead-1,这批在阴极上造