《高电压技术》第1篇电介质的电气强度第一节 带电粒子的产生和消失.ppt
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《高电压技术》第一篇电介质的电气强度第二节电子崩.pptx
第二节 电子崩
◆非自持放电和自持放电的不同特点
电流随外施电压的提 高而增大，因为带电 粒子向电极运动的速 度加快复合率减小
电流饱和，带电粒 子全部进入电极， 电流仅取决于外界 电离因子的强弱 （良好的绝缘状态）
由于电子碰 撞电离引起 的电流增大
电流急剧上升 放电过程进入 了一个新的阶 段（击穿）
自持放电 起始电压
n
图1-5 均匀电场中的电子崩计算
x
n n0e0 dx
n n ex 0
n n0ed
n n n0 n0 (ed 1)
◆影响碰撞电离的因素
1
平均碰撞次数为1/λ （λ：电子平均自由行
程）
碰撞引起电离的概率 碰 撞电离的条件 x Ui / E
T
p
ApeBp E
普 通 高 等 教 育 “十 二 五” 国 家 规 划 教 材 电 气 工 程 及 其 自动化专业系列教材
高电压技术
第 一 篇 电介质的电气强度
绪论
● 高电压技术主要研讨高电压(强电场)下的各种电气物理问题。 ● 高电压技术的发展始终与大功率远距离输电的需求密切相关。 ● 对于电力类专业的学生来说，学习本课程的主要目的是学会正确处理电力系统中过电压与绝 缘这一对矛盾。 ● 为了说明电力系统与高电压技术的密切关系， 以高压架空输电线路的设计为例，在图 0-1中 列出了种种与高电压技术直接相关的工程问题。
谢 谢！
广东水利电力职业技术学院 电力工程系—供用电技术专业
● 除了电力工业、电工制造业外，高电压技术 目前还广泛应用于大功率脉冲技术、激光 技术、核物理、等离子体物理、生态与环 境保护、生物学、医学、高压静电工业应 用等领域。
第一篇 电 介质的电气强度
高电压技术第一章-PPT课件
第一章 电介质的极化、电导和损耗
夹层式极化:使夹层电介质分界面上出现电 荷积聚的过程。由于夹层极化中有吸收电 荷，故夹层极化相当于增大了整个电介质 的等值电容。 夹层式极化的特点：极化过程缓慢;是非弹 性的;只有在直流电压下或低频电压作用下 ，极化才能呈现出来，有能量损耗。
第一章 电介质的极化、电导和损耗
第一章 电介质的极化、电导和损耗
第一章 电介质的 极化、 电导和损耗
• 要求
熟悉电介质在电场作用下的极化、电 导和损耗等物理现象，以及它们在工程上 的合理应用。
第一章 电介质的极化、电导和损耗
知识点 ● 电介质的极化、电导和损耗的概念 ● 各类电介质的极化、电导和损耗的特 点 ● 相对介电常数εr ● 电介质的等值电路 ● 介质损失角正切tanδ ● 电介质极化、电导和损耗在工程上的 意义
定义：无外电场时对外不显电性。外电场 作用下由于电子发生相对位移而发生极 化。 特点：极化过程时间极短，约10-14～10-15 s ；极化是弹性的，无能量损耗；与电源 频率、温度无关。
第一章 电介质的极化、电导和损耗
图1－2 离子式极化示意图
定义：发生于离子结构的电介质中。正常 对外不呈现极性，在外电场作用下正、 负离子偏移其平衡位置，使介质内正、 负离子的作用中心分离，介质对外呈现 极性。 特点：时间极短，约10-12～10-13s；极化是 弹性的，无能量损耗；极化程度与电源 频率无关，随温度升高而略有增加。
第一章 电介质的极化、电导和损耗
相对介电常数εr
它是表征电介质在电场作用下极化程度 的物理量
εr的值由电介质的材料 决定，并且与温度、频 率等因素有关。
第一章 电介质的极化、电导和损耗
第一章 电介质的极化、电导和损耗
高电压技术全套ppt课件
弱电场——电场强度比击穿场强小得多 会出现：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：
会出现：激励、电离导致放电、闪络、击穿等。
原子的激励
激励(激发)——原子在外界因素（电场、高温等） 的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，原子 核外的电子将从离原子核较近的轨道上跳到离原子 核较远的轨道上去的过程。
电离能（Wi）——使稳态原子或分子中结合最松弛 的那个电子电离出来所需要的最小能量。（电子伏
eV）
1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J（焦耳）
1V电压
qe：电子的电荷（库伦）
注意 原子的电离过程产生带电粒子。
原子的激励与电离的关系
➢ 原子发生电离产生带电粒子的两种情况：
带电质点(电子、负离子或正离子)
一、带电质点的产生 二、带电质点的消失
一、带电质点的产生
带电质点的来源：游离 1.定义 游离:中性质点获得外界能量分解出带电质点的过程。 游离能（Wi） ：使中性质点发生游离所需的能量。 2.游离的分类 （一）空间游离：碰撞游离、光游离、热游离。 （二）表面游离：热电子发射、二次发射、光发射、
1、电介质的分类
A:按介质形态分： ➢ 气体电介质 ➢ 液体电介质 ➢ 固体电介质
其中气体最常见。气体介质同其它介质相比，具有在 击穿后完全的绝缘自恢复特性（自恢复绝缘），故应用 十分广泛。
输电线路以气体 作为绝缘材料
变压器相间绝缘以 液体（固体）作为
绝缘材料
电缆是用 固体介质 作为绝缘
高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其 它复合介质。由于气体绝缘介质不存在老化的问题，在击穿 后也有完全的绝缘自恢复特性，再加上其成本非常廉价，因 此气体成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。
强电场——电场强度等于或大于放电起始场强或击穿 场强：
会出现：激励、电离导致放电、闪络、击穿等。
原子的激励
激励(激发)——原子在外界因素（电场、高温等） 的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，原子 核外的电子将从离原子核较近的轨道上跳到离原子 核较远的轨道上去的过程。
电离能（Wi）——使稳态原子或分子中结合最松弛 的那个电子电离出来所需要的最小能量。（电子伏
eV）
1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J（焦耳）
1V电压
qe：电子的电荷（库伦）
注意 原子的电离过程产生带电粒子。
原子的激励与电离的关系
➢ 原子发生电离产生带电粒子的两种情况：
带电质点(电子、负离子或正离子)
一、带电质点的产生 二、带电质点的消失
一、带电质点的产生
带电质点的来源：游离 1.定义 游离:中性质点获得外界能量分解出带电质点的过程。 游离能（Wi） ：使中性质点发生游离所需的能量。 2.游离的分类 （一）空间游离：碰撞游离、光游离、热游离。 （二）表面游离：热电子发射、二次发射、光发射、
1、电介质的分类
A:按介质形态分： ➢ 气体电介质 ➢ 液体电介质 ➢ 固体电介质
其中气体最常见。气体介质同其它介质相比，具有在 击穿后完全的绝缘自恢复特性（自恢复绝缘），故应用 十分广泛。
输电线路以气体 作为绝缘材料
变压器相间绝缘以 液体（固体）作为
绝缘材料
电缆是用 固体介质 作为绝缘
高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其 它复合介质。由于气体绝缘介质不存在老化的问题，在击穿 后也有完全的绝缘自恢复特性，再加上其成本非常廉价，因 此气体成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。
高电压技术(全套)PPT课件
17电介质极化种类及比较极化类型产生场合所需时间能量损耗产生原因电子式极化任何电介质10141015束缚电子运行轨道偏移离子式极化离子式结构电介质10121013几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质1010102夹层极化多层介质的交界面101自由电荷的移动1812电介质的介电常数在真空中有关系式式子中e场强矢量d与e同向比例常数为真空的介电常数10854109880在介质中d与e同向为介质的相对介电常数它是没有量纲和单位的纯数
9
§1.0 电力系统的绝缘材料
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 气的联系并能保持不同的电位。
分类：
气体绝缘材料：空气，SF6气体等 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 混合绝缘：电缆，变压器等设备
10
§1.1 电介质的极化
定义：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，称为电 介质的极化。
上述的三种极化是带电质
点的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，它是由带电 质点(电子或正、负离子)的移 动形成的。
最明显的空间电荷极化是 夹层极化。在实际的电气设备 中，如电缆、电容器、旋转电 机、变压器、互感器、电抗器 等的绝缘体，都是由多层电介
质组成的。
如图l-4所示，各层介质的电容分别为C1和C2；各层介质的电导分别为G1 和G2；直流电源电压为U。
26
(2)计算用等效电路（或简化等效电路）（从工程实际测量出发）
GeqR11k
2CP 2RP 1(CPRP)2
CeqCg
CP
1(CPRP)2
27
(3) 相量图
——介质损耗角 ——功率因数角
9
§1.0 电力系统的绝缘材料
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 气的联系并能保持不同的电位。
分类：
气体绝缘材料：空气，SF6气体等 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 混合绝缘：电缆，变压器等设备
10
§1.1 电介质的极化
定义：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，称为电 介质的极化。
上述的三种极化是带电质
点的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，它是由带电 质点(电子或正、负离子)的移 动形成的。
最明显的空间电荷极化是 夹层极化。在实际的电气设备 中，如电缆、电容器、旋转电 机、变压器、互感器、电抗器 等的绝缘体，都是由多层电介
质组成的。
如图l-4所示，各层介质的电容分别为C1和C2；各层介质的电导分别为G1 和G2；直流电源电压为U。
26
(2)计算用等效电路（或简化等效电路）（从工程实际测量出发）
GeqR11k
2CP 2RP 1(CPRP)2
CeqCg
CP
1(CPRP)2
27
(3) 相量图
——介质损耗角 ——功率因数角
《高电压技术一》PPT课件
2、在电场的作用下，电介质中出现的电气现象： 弱电场——电场强度比击穿场强小得多 如：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： 如：放电、闪络、击穿等。
强电场下的放电、闪络、击穿等电气现象是 我们本篇所要研究的主要内容。
3、几个基本概念
击穿：在电场的作用下，电介质由绝缘状态突变为 良导电状态的过程。 放电：特指气体绝缘的击穿过程。
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） 纯净的、中性状态的气体是不导电的，只有气体中出现
了带电粒子（电子、正离子、负离子）后，才可能导电， 并在电场作用下发展成各种形式的气体放电现象。
辉光放 火花放电（雷闪）
电
大气压力下。
气压较低， 电源功率较小时， 电源功率很小时， 间隙间歇性击穿， 放电充满整个间隙。 放电通道细而明亮。
称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。
击穿场强是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。
1、电介质的分类
按物质形态分：
➢气体电介质 ➢液体电介质 ➢固体电介质 其中气体最常见。气体介质同其它介质相比，具有在 击穿后完全的绝缘自恢复特性，故应用十分广泛。
按在电气设备中所处位置分：
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。
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第一节 带电粒子的产生和消失
(2)电离的四种形式
• 电子要脱离原子核的束缚成为自由电子,则必须给予其能量。能量来源的不同 带电粒子产生的方式就不同。
• 因此，根据电子获得能量方式的不同，带电粒子产生的方式可分为以下几种 。
第一节 带电粒子的产生和消失
高电压技术绝缘部分PPT课件
B
Ae T
=f(T) 或 R= f(T)
T
R
在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须
注意温度。
.
18
§1.3 电介质的损耗
一. 电介质损耗的基本概念 1. 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， 总称为电介质的损耗。 2. 等值电路： (1) 细化等效电路（从物理概念出发） R lk ——泄漏电阻，代表电导损耗。 C g ——介质真空和无损耗极化所形成的电容，代表 介质的无损极化。 R p ——有损耗极化形成的等效电阻. 代表各种 C p ——有损耗极化形成的等效电容. 有损极化
.
37
§2.2 气隙的击穿特性
静态击穿电压U。——长时间作 用在间隙上能使间隙击穿的最低 电压。 击穿时间tb——从开始加压的瞬 时起到气隙完全击穿为止总的时 间称为击穿时间。
tbt0ts tf
.
38
(1)升压时间t0——电压从零升到静态击穿电压U0所需的 时间。
(2)统计时延ts——从电压达到U0的瞬时起到气隙中形成 第一个有效电子为止的时间。
介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的。
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εr——电介质的极化
➢ 电导率γ（或电阻率ρ）——电导 ➢ 介质损耗角正切tgδ——损耗 ➢ 击穿场强E ——抗电性能
.
6
§1.1 电介质的极化
一．极化的定义与作用：
1．极化：电介质在电场作用下发生的束缚电荷的 弹性位移和极性分子的趋向位移的现象，叫极化。 2．作用：削弱外电场。
电子崩（α）过程
阴极表面二次发射 (γ过程）
正离子
图 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程
Ae T
=f(T) 或 R= f(T)
T
R
在测量电介质的电导或绝缘电阻时，必须
注意温度。
.
18
§1.3 电介质的损耗
一. 电介质损耗的基本概念 1. 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， 总称为电介质的损耗。 2. 等值电路： (1) 细化等效电路（从物理概念出发） R lk ——泄漏电阻，代表电导损耗。 C g ——介质真空和无损耗极化所形成的电容，代表 介质的无损极化。 R p ——有损耗极化形成的等效电阻. 代表各种 C p ——有损耗极化形成的等效电容. 有损极化
.
37
§2.2 气隙的击穿特性
静态击穿电压U。——长时间作 用在间隙上能使间隙击穿的最低 电压。 击穿时间tb——从开始加压的瞬 时起到气隙完全击穿为止总的时 间称为击穿时间。
tbt0ts tf
.
38
(1)升压时间t0——电压从零升到静态击穿电压U0所需的 时间。
(2)统计时延ts——从电压达到U0的瞬时起到气隙中形成 第一个有效电子为止的时间。
介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的。
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εr——电介质的极化
➢ 电导率γ（或电阻率ρ）——电导 ➢ 介质损耗角正切tgδ——损耗 ➢ 击穿场强E ——抗电性能
.
6
§1.1 电介质的极化
一．极化的定义与作用：
1．极化：电介质在电场作用下发生的束缚电荷的 弹性位移和极性分子的趋向位移的现象，叫极化。 2．作用：削弱外电场。
电子崩（α）过程
阴极表面二次发射 (γ过程）
正离子
图 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程
高电压技术,第一章精品课件
反映了带电质点自由运动的能力
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
带电质点的迁移率
正离子
电子
负极
正极
E
迁移率
V μ=
E
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
激励、电离和复合
原子核 基态电子 激励
复合
电离能
电离
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
激励、电离和复合
气体 N2 O2 CO2 SF6 H2 H2O
热电子发射
1 2
mv2
≥Wt
E
正极Leabharlann .1.2 带电粒子的产生源于电极
强场发射
E
负极
电场阈值 108V / m
真空中、高压气体中、液体中、固体中
正极
负极
1.1.3 负离子的形成
1 2
mv2
< Wt
E
气体分子要有很高的电负性
正极
1.1.3 负离子的形成
电子亲和能
元素 F Cl Br I
电子亲合能（eV） 4.03 3.74 3.65 3.30
相关学术术语
平均自由行程 带电质点的迁移率 激励 电离 复合
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
质点的平均自由行程
：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞 次数的倒数 。
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
质点的平均自由行程
的性质
λ∝ T P
受温度和气压影响
电子的要比分子和离子的大得多
电负性值 4.0 3.0 2.8 2.5
1.1.4 带电质点的消失
扩散
hν
复合
负极
正极 中和
E
带电粒子消失的三条途径：复合、扩散和中和
高电压技术电介质的电气强度PPT课件
和陡度。 电晕放电在静电除尘、静电喷涂、臭
氧发生器等方面有广泛的应用。
第43页/晕放电时，空间电荷对放电的
影响已得到关注。由于高场强电极极性 的不同，空间电荷的极性也不同，对放 电发展的影响也就不同，这就造成了不 同极性的高场强电极的电晕起始电压的 不同，以及间隙击穿电压的不同，称为 极性效应。
第37页/共149页
• 均匀电场是一种少有的特例，在实际电 力设施中常见的却是不均匀电场。
• 为了描述各种结构的电场不均匀程度， 可引入一个电场不均匀系数f，表示为：
f Emax Ev
• f<2时为稍不均匀电场, f>4属不均匀电场。
第38页/共149页
一、电晕放电 在极不均匀场中，当电压升高到一
第17页/共149页
（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，U A 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
第18页/共149页
（2）在I-U曲线的B、C点： 电压升高至 UB 时，电流又开始增
第5页/共149页
第一节 带电粒子的产生和消失
一、带电粒子在气体中的运动 1.自由行程长度
某粒子在单位行程中的碰撞次数Z的 倒数λ称为该粒子的平均自由行程长度。
2.带电粒子的迁移率 v:粒子沿着电场方向 漂移的速度。 E: 电场强度。
k v E
第6页/共149页
3.扩散 在热运动的过程中，粒子会从浓度较大
U0
B( pd)
ln
A( pd)
ln(1
1
)
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氧发生器等方面有广泛的应用。
第43页/晕放电时，空间电荷对放电的
影响已得到关注。由于高场强电极极性 的不同，空间电荷的极性也不同，对放 电发展的影响也就不同，这就造成了不 同极性的高场强电极的电晕起始电压的 不同，以及间隙击穿电压的不同，称为 极性效应。
第37页/共149页
• 均匀电场是一种少有的特例，在实际电 力设施中常见的却是不均匀电场。
• 为了描述各种结构的电场不均匀程度， 可引入一个电场不均匀系数f，表示为：
f Emax Ev
• f<2时为稍不均匀电场, f>4属不均匀电场。
第38页/共149页
一、电晕放电 在极不均匀场中，当电压升高到一
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（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，U A 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
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（2）在I-U曲线的B、C点： 电压升高至 UB 时，电流又开始增
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第一节 带电粒子的产生和消失
一、带电粒子在气体中的运动 1.自由行程长度
某粒子在单位行程中的碰撞次数Z的 倒数λ称为该粒子的平均自由行程长度。
2.带电粒子的迁移率 v:粒子沿着电场方向 漂移的速度。 E: 电场强度。
k v E
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3.扩散 在热运动的过程中，粒子会从浓度较大
U0
B( pd)
ln
A( pd)
ln(1
1
)
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高电压技术第一章课件.ppt
• 这些电离强度和发 展速度远大于初始
电子崩的二次电子
崩不断汇入初崩通
道的过程称为流注。
流注条件
• 流注的特点是电离强度很大和传播速度很快， 出现流注后，放电便获得独立继续发展的能 力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见 这时出现流注的条件也就是自持放电的条件。
• 流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界 值。对均匀电场来说，自持放电条件为：
n
n0
e
dx
0
n n0ed
• 途中新增加的电子数或正离子数应为：
n na n0 n0 (ed 1)
• 将等号两侧乘以电子的电荷qe ，即得 电流关系式：：
I I0ed I0 n0qe
一旦除去外界电离因子?
(三)自持放电与非自持放电
在I-U曲线的BC段 一旦去除外电离因素，
气隙中电流将消失。 外施电压小于U0时 的放电是 非自持放 电。
• 复合可能发生在电子和正离子之间，称 为电子复合，其结果是产生一个中性分 子；
• 复合也可能发生在正离子和负离子之间， 称为离子复合，其结果是产生两个中性 分子。
气体放电的基本理论
• 汤逊理论 • 流注理论 • 巴申定律
一 汤逊气体放电理论
1. 电子崩
• 电子崩的形成过程 • 碰撞电离和电子崩引起的电流 • 碰撞电离系数
一、带电粒子在气体中的运动
（一）自由行程长度
气体中存在电场时， 粒子进行 热运动和 沿电场定向运动
• 各种粒子在气体中运动时 不断地互相碰撞，任一粒 子在1cm的行程中所遭遇 的碰撞次数与气体分子的 半径和密度有关。
• 单位行程中的碰撞次数Z 的倒数λ
–即为该粒子的平均自由行 程长度。
二、带电粒子的产生
电子崩的二次电子
崩不断汇入初崩通
道的过程称为流注。
流注条件
• 流注的特点是电离强度很大和传播速度很快， 出现流注后，放电便获得独立继续发展的能 力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见 这时出现流注的条件也就是自持放电的条件。
• 流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界 值。对均匀电场来说，自持放电条件为：
n
n0
e
dx
0
n n0ed
• 途中新增加的电子数或正离子数应为：
n na n0 n0 (ed 1)
• 将等号两侧乘以电子的电荷qe ，即得 电流关系式：：
I I0ed I0 n0qe
一旦除去外界电离因子?
(三)自持放电与非自持放电
在I-U曲线的BC段 一旦去除外电离因素，
气隙中电流将消失。 外施电压小于U0时 的放电是 非自持放 电。
• 复合可能发生在电子和正离子之间，称 为电子复合，其结果是产生一个中性分 子；
• 复合也可能发生在正离子和负离子之间， 称为离子复合，其结果是产生两个中性 分子。
气体放电的基本理论
• 汤逊理论 • 流注理论 • 巴申定律
一 汤逊气体放电理论
1. 电子崩
• 电子崩的形成过程 • 碰撞电离和电子崩引起的电流 • 碰撞电离系数
一、带电粒子在气体中的运动
（一）自由行程长度
气体中存在电场时， 粒子进行 热运动和 沿电场定向运动
• 各种粒子在气体中运动时 不断地互相碰撞，任一粒 子在1cm的行程中所遭遇 的碰撞次数与气体分子的 半径和密度有关。
• 单位行程中的碰撞次数Z 的倒数λ
–即为该粒子的平均自由行 程长度。
二、带电粒子的产生
高电压技术优秀课件.ppt
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
3.液体和固体电介质的γ与温度的关系：
B/ kT
Ae
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↑
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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）
目前常用的主要有变压器油、电容器油、电缆油 等矿物油
二. 液体电介质的击穿理论
电击穿：认为在电场作用下，阴极上由于强场发射或热发 射出来的电子产生碰撞电离形成电子崩，最后导致液体击 穿
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气泡击穿：认为液体分子由电子碰撞而产生气泡，或在电 场作用下因其它原因产生气泡，由气泡内的气体放 电， 产生电和热而引起液体击穿。
液体中气泡产生的原因： • 油中易挥发的成分； • 阴极的强场发射或热发射的电子电流加热液体介质，分解
出气体； • 溶解于油中的外来气体； • 由电场加速的电子碰撞液体分子，使液体分子解离产生气
体； 1. 电极上尖的或不规则的凸起物上的电晕放电引起液体气化
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表面电导小
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三.电介质的损耗(dielectric loss) 1. 介质损耗的含义
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。
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2. 电介质的三支路等值电路
i i1i2 i3
i1
i2
u C1
无 几乎没有
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第1部分 高电压绝缘及其试验 第1章 电介质在强电场下的特性
• 1.1 概述 • 本章讨论电介质在强电场下的特性，其中 主要是气体电介质的放电特性。气体，特 别是空气，是电力系统中最常见的用作绝 缘的介质。架空输电线路以及电气设备的
• • • • •
外部绝缘就是利用大气中的空气作为绝 缘的。 中性的气体分子是不导电的，因此各种气 体在正常情况下是良好的绝缘体。 上面所说的“破坏性放电”或“击穿”也 适用于液体或固体介质。 1.2 气体中带电粒子的产生和消失 电离有下列各种方式： 1)碰撞电离
绪 论
• 高电压技术作为电工技术中的一个独立学 科，是随着大功率远距离输电的发展而发 展的。 • 电气设备的绝缘在运行中可能受到下述各 类电压的作用： • a) 正常运行条件下的工频电压，这是设备 在运行中长期作用在其绝缘上的电压。
• • • •
b)暂时过电压 c)操作过电压 d)雷电过电压 高电压技术作为电工技术的一个分支，它 与电工及物理的基础理论，例如电介质理 论、电磁场理论、电路中的瞬变现象(过渡 过程)等等，有着密切的联系。
图1.16 棒-板空气间隙 的正极性操作冲击击穿 电压和波前时间的关系
击穿电压之间，一般可以引入某个操作冲 击系数把操作过电压折算成等效工频电压 来考虑。 • 为了模拟操作过电压需要规定一定的标准 波形。一种是和雷电冲击波类似的非周期 性指数衰减波，只是波前时间 T1和半峰值 时间T2长得多。
• 1.10 大 气 条 件 对 空 气 间 隙 击 穿 电 压 的 影响 • 空气间隙的击穿电压及绝缘子的闪络电压 和气压、温度、湿度等大气条件有关。在 不同大气条件下的击穿电压必须换算到一 定的参考大气条件下，才能进行比较。
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➢影响扩散的因素：气压越低，温度越高（密度 小），则扩散进行的越快。
➢电子扩散速度快：电子的热运动速度大，自由行 程长度也大，所以其扩散速度也要比离子快得多。
2021年4月13日12时59分
高电压技术 2015
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第一节 带电粒子的产生和消失
二、带电粒子的产生
电离：产生带电粒子的过程称为电离（或游离)，
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第一节 带电粒子的产生和消失
表1-1 某些气体的激励能和电离能
气体 激励能We (eV) 电离能Wi (eV) 气体 激励能We (eV) 电离能Wi (eV)
N2
6.1
15.6
CO2
10.0
13.7
O2
7.9
12.5
H2O
7.6
12.8
H2
11.2
15.4
SF6
6.8
15.6
1eV 1.602177331019 J
行程长度
e
1 r 2 N
式中 r-----气体分子的半径； N-----气体分子的密度；
由于 N p ，代入上式即得 kT
e
kT r 2 p
式中 p-----气压，Pa； T-----气温，K； k-----波尔茨曼常数，
k 1.381023 J / K
➢结论：电子的平均自由行程与气体种类、气压及温度
发生空间光电离的条件为 h Wi
或者
hc
Wi
式中 λ——光的波长，m;
c——光速 3108 m / s ；
Wi ——气体的电离能，eV。
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第一节 带电粒子的产生和消失
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◆带电粒子的产生
气体原子的激励和电离
施加能量 W > Wi 自由电子
施加能量 施加能量
自由电子
激发 分级游离
施加能量 激发
光子
◆带电粒子的产生
• 气体原子的激励和电离
△电离
外界以某种方式给处于某一能级轨道上的电子施加 一定的能量，该电子就可能摆脱原子核的束缚而成 为自由电子。原来中性的原子变成带负电的自由电 子和带正电的正离子的物理过程。
● 除了电力工业、电工制造业外，高电压技术 目前还广泛应用于大功率脉冲技术、激光 技术、核物理、等离子体物理、生态与环 境保护、生物学、医学、高压静电工业应 用等领域。
第一篇 电介质的电气 强度
第一章 气体放电的基本物理过程
第一节 带电粒子的产生和消失 第二节电子崩 第三节 自持放电条件 第四节 起始电压与气压的关系 第五节 气体放电的流注理论 第六节 不均匀电场中的放电过程 第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿 第八节 沿面放电和污闪事故
△电离能
产生电离所需要的最小能量。
△激励
一个或若干个电子向较高能级轨道的跃迁。
△分级电离
先经过激励再接着产生电离的过程。
◆带电粒子的产生
按照所加能量的形式不同，电离可分为：
●热电离 ●光电离 ●碰撞电离
W 3 kT 2
普朗克常数 6.63×10-34J·s
W h
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K
绝对温度，K
W≥Wi(电离能)
条件： hc
Wi
1 2
mv2
eEx
Wi
条件：x Ui E
●电极表面的电离
一些金属的逸出功
金属
逸出功（eV）
铝
1.8
银
3.1
铜
3.9
铁
3.9
氧化铜
5.3
铯
0.7
（1）正离子撞击阴极表面 （2）光电子发射
（3）热电子发射
（4）强场发射 （冷发射）
◆负离子的形成
当电子与气体分子碰撞时，不但可能引起碰撞电离而产 生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相 结合而形成负离子的情况，这种过程称为附着。
普 通 高 等 教 育 “十 二 五” 国 家 规 划 教 材 电气工程及其自动化专业系列教材
高电压技术
第一篇 电介质的电气强度
绪论
● 高电压技术主要研讨高电压(强电场)下的各种电气物理问题。 ● 高电压技术的发展始终与大功率远距离输电的需求密切相关。 ● 对于电力类专业的学生来说，学习本课程的主要目的是学会正确处理电力系统中过电压与绝 缘这一对矛盾。 ● 为了说明电力系统与高电压技术的密切关系， 以高压架空输电线路的设计为例，在图 0-1中 列出了种种与高电压技术直接相关的工程问题。
每立方厘米的常态空气中经常存在着500~1000对正、负带电粒子，它 们是外界电离因子（高能辐射线）使空气分子发生电离和产生出来的正、 负带电粒子又不断地复合所达到的一种动态平衡。
谢 谢！
广东水利电力职业技术学院 电力工程系—供用电技术专业
在大气压和常温下,电子在空气中的平均自由行程长度的数 量级为10-5cm 。
◆ 带电粒子的运动
● 带电粒子的迁移率：该粒子在单位场强（1V/m) 下沿电场方向的漂移速度。
k v E
电子的迁移率远大于离子的迁移率
● 扩散：在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的 区域向浓度较小的区域运动，从而使其浓度分布均 匀化的物理过程。
某些气体分子对电子有亲合性，因而在它们与电子结合 成负离子时会放出能量（电子亲合能），而另一些气体分子 要与电子结成负离子时却必须吸收能量。前者的亲合能为正 值，这些易于产生负离子的气体称为电负性气体。亲合性愈 强的气体分子愈易俘获电子而变成负离子。
负离子的形成使自由电子数减少，因而对气体放电的 发展起抑制作用。空气中的氧气和水汽分子对电子都有一定 的亲合性，但还不是太强；而后面将要介绍的某些特殊的电 负性气体（例如SF6）对电子具有很强的亲合性，其电气强 度远大于一般气体，因而被称为高电气强度气体。
第一的运动
△当气体中存在电场时，带电粒
子将同时进行混乱热运动和沿 电场的定向漂移。
△自由行程长度：一个粒子在每
两次碰撞间自由地通过的距离 （随机量）。
平均自由行程长度：该粒子自由行程长度的平均值。 电子的平均自由行程长度为
e
kT
r 2 p
p：气压 T：气温
k：波尔兹曼常数 r：气体分子半径
◆带电粒子的消失
气体中带电粒子的消失可能有下述几种情况： 1. 带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极
上而形成外电路中的电流。 2. 带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间； 3. 带电粒子的复合 当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递和中和， 这种现象称为复合。复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合， 其结果是产生了一个中性分子；复合也可能发生在正离子和负离子之间， 称为离子复合，其结果是产生了两个中性分子。上述两种复合都会以光子 的形式放出能量，这种光辐射在一定条件下能导致其他气体分子的电离。 带电粒子的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。