电介质的电气强度

高压技术电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为：气体介质液体介质固体介质电介质的电气强度第一篇高压技术在电气设备中: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。高压技术在电气作用下，电介质中出现的电气现象可分为两大类:弱电场—电场强度比击穿场强小得多极化、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放电、闪络、击穿等高压技术第一章气体的绝缘特性与介质的电气强度第二章液体的绝缘特性与介质的电气强度第三章固体的绝缘特性与介质的电气强度本篇内容高压技术一、研究气体放电的目的1、了解气体在高电压（强电场）作用下，由电介质演变成导体的物理过程。2、掌握气体介质的电气强度用户其提高方法。第一章气体电介质的击穿高压技术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）空气在正常情况下导电率很小，为良绝缘体。但气体间隙上的电压过高时，气体会由绝缘状态转变为良导体，这中现象叫击穿。二、气体介质击穿高压技术击穿电压：气体间隙击穿时的最低临界电压。击穿场强：均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。平均击穿场强：不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。击穿场强是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。高压技术气体放电：气体中流通电流的各种形式。因气体压力、电源功率、电极开关等因素的影响，放电具有多种形式。辉光放电：气压较低，电源功率很小时，放电充满整个间隙。三、气体放电的形式高压技术火花放电：大气压力下，电源功率较小时，间隙间歇性击穿，放电通道细面明亮电弧放电：大气压力下，电源功率比较大时，放电具有明亮、持续的细致通道。电晕放电：极不均匀电场中，高电场强度电极附近出现发光薄层。高压技术本节内容：1.1.1带电质点的产生1.1.2带电质点的消失1.1.3电子崩与汤逊理论1.1.4巴申定律与适用范围1.1.5不均匀电场中的气体放电高压技术第一节气隙中带电质点的产生和消失原子的激发和游离气体间隙中带电质点的产生气体间隙中带电质点的消失高压技术一、原子的激发和电离产生带电质点的物理过程称为电离，是气体放电的首要前提1、激发：当原子获得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象，激发需要外界给原子一定的能量，称为激发能。注意：但是激发是非常不稳定的，电子跃迁到较高能级后，很快就会回到原来的轨道上去，同时会把在激发时吸收的能释放出去，这种能是以光的形式辐射出去，我们叫光子。高压技术2、电离：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几个电子摆脱原子核的束缚形成电子和正离子，这一过程称为电离。高压技术二、气体间隙中带电质点的产生1、气体分子本身的电离（空间电离）（1）碰撞电离气体中带电质点在电场中获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者引起电离。它和电场的大小和自由行程有关。自由行程：一个带电质点在两次碰撞之间自由通过的平均距离。和气体的密度有关。密度大，不容易发生电离，密度小，易发生电离高压技术（2）光电离：光辐射引起的电离iWhcλ——光的波长c——光速Wi——光子的能量h——普郎克常数高压技术(3)热电离：由气体的热状态引起的电离。它的实质是由热状态下引起的碰撞电离和光辐射下引起的光电离。气体分子的平均动能T：气体的温度，以绝对温度计（K）K：波尔茨曼常数K=1.38×10-23J/K只有当在一定温度下才能引起热电离。高压技术2、气体中金属表面的电离指阴极发射电子的过程，称电极表面的电离。逸出功：表面电离所需能量，与金属材料有关。阴极表面电离可在下面几种情况下发生：高压技术正离子撞击阴极表面短波光照射（光电效应）强场放射（需要的足够大的场强）热电子放射（加热阴极表面时）高压技术负离子的形成：由电子和中性分子结合而成。附着：当电子与气体分子碰撞时，可能引起碰撞电离而产生出和新电子，也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。负离子的形成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。高压技术三、带电质点的消失带电质点的消失可能有以下几种情况：1、与两电极的电量中和带电质点受电场力的作用定向，运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；高压技术2、扩散因热运动，带电质点从高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于一致的现象带电质点因扩散而逸出气体放电空间3、复合异号电荷相遇，发生电荷的传递而还原为中性质点的过程。电子可能性不大，离子复合有可能。高压技术课堂小结一、气体放电的形式1、辉光放电2、电弧放电3、火花放电4、电晕放电二、带电质点的产生1、碰撞电离2、光电离3、热电离4、表面电离三、带电质点的消失1、中和2、扩散3、复合高压技术1.1.3电子崩与汤逊理论气体放电现象与规律因气体的种类、气压和间隙中电场的均匀度而异。但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到电子崩的阶段。高压技术（1）非自持放电和自持放电的不同特点宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓度的带电质点。因此，在气隙的电极间施加电压时，可检测到微小的电流。1、放电的电子崩阶段高压技术由图1-3可见，（1）在I-U曲线的OA段：气隙电流随外施电压的提高而增大，这是因为带电质点向电极运动的速度加快导致复合率减小。当电压接近时，电流趋于饱和，因为此时由外电离因素产生的带电质点全部进入电极，所以电流值仅取决于外电离因素的强弱而与电压无关图1－3气体间隙中电流与外施电压的关系AU高压技术（2）在I-U曲线的B、C点：电压升高至时，电流又开始增大，这是由于电子碰撞电离引起的，因为此时电子在电场作用下已积累起足以引起碰撞电离的动能。电压继续升高至时，电流急剧上升，说明放电过程又进入了一个新的阶段。此时气隙转入良好的导电状态，即气体发生了击穿。图1－3气体间隙中电流与外施电压的关系BU0U高压技术（3）在I-U曲线的BC段：虽然电流增长很快，但电流值仍很小，一般在微安级，且此时气体中的电流仍要靠外电离因素来维持，一旦去除外电离因素，气隙电流将消失。图1－3气体间隙中电流与外施电压的关系0U高压技术因此，外施电压小于时的放电是非自持放电。电压达到后，电流剧增，且此时间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了。外施电压达到后的放电称为自持放电，称为放电的起始电压。0U0U0U0U高压技术（2）电子崩的形成外界电离因素作用下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。图1－4电子崩的示意图视频链接电子崩的演示高压技术依此，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。为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入：电子碰撞电离系数。:表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完成的碰撞电离次数平均值。高压技术如图1-5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。图1－5计算间隙中电子数增长的示意图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。高压技术根据碰撞电离系数的定义，可得：分离变量并积分之，可得：xdxenn00(1-7)(1-8)对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相同，值不随x而变化，所以上式可写成：xenn0(1-9)xndnd高压技术抵达阳极的电子数应为：daenn0(1-10))1(00daennnn将式(1-8)的等号两侧乘以电子的电荷，即得电流关系式：eq途中新增加的电子数或正离子数应为：(1-11)deII0式(1-12)中，eqnI00(1-12)高压技术式(1-12)表明：虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子(令)，即变为零。00IIdeII0高压技术2、汤逊理论前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放电的。要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。高压技术（1）过程与自持放电条件由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电子。此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起阴极表面电离，统称为过程。为表面电离系数。高压技术设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于过程，电子总数增至个。因在对系数进行讨论时已假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（－1）个正离子。由系数的定义，此（－1）个正离子在到达阴极表面时可撞出（－1）个新电子，这些电子在电极空间的碰撞电离同样又能产生更多的正离子，如此循环下去。dededede高压技术自持放电条件为1)1(de：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数：电子碰撞电离系数：两极板距离d此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进入阳极后可以由及过程在阴极上又产生一个新的替身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。(1-21)高压技术实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和气隙长度的乘积（）有关。值较小时自持放电的条件可用汤逊理论来说明；值较大时则要用流注理论来解释。pdpdpd高压技术（2）汤逊放电理论的适用范围汤逊理论是在低气压、较小的条件下在放电实验的基础上建立的。过小或过大，放电机理将出现变化，汤逊理论就不再适用了。dd很多实验现象无法全部在汤逊理论范围内给以解释：放电外形；放电时间；击穿电压；阴极材料。d高压技术1、汤逊理论没有考虑电离出来的空间电荷对电场的畸变作用2、汤逊理念没有考虑光子在放电过程中的作用。（发展成空间光电离和阴极表面光电离）d较小时，这两个因素影响不显著。主要原因：高压技术d越大，电离总数越多，空间电荷数越多，电荷数按指数规律增加;因电离总数增加，电子及正离子的浓度很大，所以必然伴随着强烈的激发和复合过程，放出的光子数量急剧地增加大量的空间电荷造成局部强场区。而电离系数对电场很敏感，在强场区，由光子游离出来的电子容易形成二次电子崩。高压技术因此，通常认为，＞0.26cm(pd＞200cm•mmHg)时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结果不再适用，但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有效的。d高压技术1.1.4巴申定律与适用范围早在汤逊理论出现之前，巴申(Paschen)就于1889年从大量的实验中总结出了击穿电压与的关系曲线，称为巴申定律，即bupd)(pdfUb(1-23)1、巴申定律高压技术图1-7给出了空气间隙的与的关系曲线。从图中可见，首先，并不仅仅由决定，而是的函数；其次不是的单调函数，而是U型曲线，有极小值。pdfubbupdbudpdbupd图1-7实验求得的均匀场不同气体间隙曲线高压技术•有一个极小值的原因是：为了使放电达到自持，电子从阴极到阳极的整个行程中必须有足够多次的碰撞电离。•当d一定时，•δ自由行程碰撞次数Ub•δ自由行程碰撞电离可能小Ub•所以一定存在一个δ值对碰撞电离最有利的这时Ub最小。高压技术δ一定时dE须增加外电压以维持放电所需的电场强度Ubd当d值过小时，碰撞次数已减到很小值Ub所以一定有一个d值对造成碰撞电离最有利，此时Ub最小。由巴申曲线可知，当极间距离d不变时，提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压，这一概念具有十分重要的实用意义。高压技术流注放电理论一、汤逊理论的不足•没有考虑到空间电荷对电场的畸变作用•没有考虑到光子在放电过程中的作用高压技术空间电荷对电场的畸变作用：电子崩的示意图电子崩空间电场分布电子崩空间电荷的浓度分布合成电场分