《青大高电压》PPT课件.ppt

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1、第一篇第一篇电介质的电气强度电介质的电气强度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、击穿等放电、闪络、击穿等一切电介质的电气强度都是有限的，超过某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，种限度，电介质就会丧失其原有的绝缘性能，甚至演变成导体甚至演变成导体本篇内容u 第一章 气体的绝缘特性与介质的电气强度 u 第二章 液体的绝缘特性与介质的电气强度 u 第三章 固体的绝缘特性与介质的电气强度 气体放电的基本物理过程气体介质的电气强度和沿面放电固、液体的击穿机理第一章第一章 气体的绝缘特性

2、与介质的气体的绝缘特性与介质的电气强度电气强度 研究气体放电的目的：研究气体放电的目的：了解气体在了解气体在高电压（强电场）高电压（强电场）作用下逐步由电介作用下逐步由电介 质演变成导体的物理过程质演变成导体的物理过程掌握气体介质的掌握气体介质的电气强度电气强度及其提高方法及其提高方法u 1.1 气体放电的基本物理过程u 1.2 气体介质的电气强度u 1.3 固体绝缘表面的气体沿面放电u 习题与思考题本章内容返回1.1 气体放电的基本物理过程本节内容：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

3、气体放电的基本理论：气体放电的基本理论：汤逊理论汤逊理论 流注理论流注理论气体放电：气体放电：气体中流通电流的各种形式的统称；气体中流通电流的各种形式的统称；气体击穿：气体击穿：气体气体电绝缘状态电绝缘状态突变为突变为良导电状态良导电状态的过程；的过程；沿面闪络：沿面闪络：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象；面上的放电现象；工程上将击穿和闪络统称为放电。工程上将击穿和闪络统称为放电。什么是气体放电什么是气体放电常用的高压工程术语及基本概念气体的电气强度表征气体气体的电气强度表征气体耐受电压耐受电压作用的能力。作用的能力。均匀电场均匀电场中中击

4、穿电压击穿电压U Ub b与与间隙距离间隙距离d d之比称为之比称为击穿场强击穿场强E Eb b。我们把均匀电场中气隙的击穿场强。我们把均匀电场中气隙的击穿场强E Eb b称为气体的电称为气体的电气强度。气强度。空气在标准状态下的电气强度为空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm;30kV/cm;注意：不能把注意：不能把不均匀场不均匀场中气隙中气隙U Ub b与间隙距离之比称为气与间隙距离之比称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。什么是什么是气体的电气强度气体的电气强度(抗电强度、绝缘强度抗电强度、绝缘强度)原子在外界因素作用下，使其一个或几个原子

5、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电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程的过程电离电离电离能电离能 电离过程所需要的电离过程所需要的最小最小能量称为电离能能量称为电离能 ，也可用电离电位，也可用电离电位 反映。反映。电离（游离）与激励（激发）电离（游离）与激励（激发）1eV（电子伏）1V1.610-19C1.610-19J电子的电荷量电离可一次完成，也可以是先激励再电离的电离可一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离分级电离方式方式一般情况下，气体放电中主要只涉及一次电离的过程一般情况下，气体放电中主要只涉及一次电离的过程气体原子的气体原子的分

6、级电离：分级电离：先激发（激励），再产生电离的过程先激发（激励），再产生电离的过程l激励激励 ：l在在外外界界因因素素作作用用下下，电电子子从从从从处处处处在在在在距距距距原原原原子子子子核核核核较较较较近近近近的的的的低低低低能能能能态态态态轨道轨道轨道轨道跃迁到跃迁到跃迁到跃迁到离核较远的较高能态的轨道离核较远的较高能态的轨道离核较远的较高能态的轨道离核较远的较高能态的轨道上去的现象。上去的现象。l激励能：产生激励激励能：产生激励所需能量称为激励能所需能量称为激励能W We e l l激激激激励励励励状状状状态态态态存存存存在在在在的的的的时时时时间间间间很很很很短短短短(大大大大致致致致

7、为为为为1010-8-8s)s)，电电电电子子子子将将将将自自自自动动动动返返返返回回回回常常常常态态态态轨轨轨轨道道道道上上上上，这这这这时时时时产产产产生生生生激激激激励励励励时时时时所所所所吸吸吸吸收收收收的的的的外外外外加加加加能能能能量量量量将将将将以以以以辐辐辐辐射射射射能能能能(光光光光子子子子)的的的的形形形形式式式式放放放放出出出出，光光子子（光光辐辐射射）的频率的频率f f 普朗克常量6.6310-34Js光子：光子：光是频率不同的电磁辐射，也具有光是频率不同的电磁辐射，也具有光是频率不同的电磁辐射，也具有光是频率不同的电磁辐射，也具有 粒子性，称粒子性，称粒子性，称粒子性

8、，称为光子；为光子；为光子；为光子；光线中携带能量的粒子；光线中携带能量的粒子；光线中携带能量的粒子；光线中携带能量的粒子；原始称呼是光量子（原始称呼是光量子（light quantum），），是传递电磁相互作用的是传递电磁相互作用的基本粒子基本粒子 不带不带电荷电荷，具有能量、动量和质量，具有能量、动量和质量 其能量为其能量为普朗克常量普朗克常量和电磁辐射和电磁辐射频率频率的乘积，的乘积，E=hf，几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位 气体气体激励能激励能We(eV)电离能电离能Wi(eV)气体气体激励能激励能We(eV)电离能电离能Wi(eV)N2O

9、2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6施加能量施加能量WWi自由电子自由电子电离电离激励激励施加能量施加能量光子光子激励激励施加能量施加能量自由电子自由电子分级电离分级电离施加能量施加能量当气体中存在电场时，粒子进当气体中存在电场时，粒子进行行热运动热运动和和沿电场沿电场定向运动。定向运动。带电粒子的运动带电粒子的运动视频链接自由行程自由行程 ：一个质点在：一个质点在相邻次碰撞间自由地通过相邻次碰撞间自由地通过的距离。的距离。平均自由行程：平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。众多质点自由行程的平均值。n气气体体中中电

10、电子子和和离离子子的的自自由由行行程程是是它它们们和和气气体体分分子子发生碰撞时的行程发生碰撞时的行程n气气体体分分子子密密度度越越大大，其其中中质质点点的的平平均均自自由由行行程程越越小小。（对对于于同同一一种种气气体体，其其分分子子密密度度和和该该气气体体的的密密度度成成正比）正比）p：气压：气压k：波尔兹曼常数：波尔兹曼常数T：气温：气温r：气体分子半径：气体分子半径 常温常压下空气中电子平均自由行程在常温常压下空气中电子平均自由行程在1010-5-5cmcm数量级数量级 。1.1.1 1.1.1 带电质点的产生（电离的过程）带电质点的产生（电离的过程）由于空气中存在来自空间的辐射，气体

11、会发生微弱的电离而产生少量的带电质点。正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体；在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能。气体中气体中带电质点带电质点的来源的来源：气体分子本身发生电离（空间电离）；气体中的固体或液体金属发生表面电离。1、气体中电子与正离子的产生 电离方式可分为：热电离 光电离 碰撞电离 分级电离根据引起电离所需的能量来源不同，对应如下几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种电离形式实质：碰撞电离和光电离，实质：碰撞电离和光电离，能量来自气体分子本身的热能。能量来自气体分子本身的热能。分子动能分子动能碰撞电离碰撞电离 热辐射发出的光子的能量、数

12、量热辐射发出的光子的能量、数量光电离光电离 热电离是热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合热状态下碰撞电离和光电离的综合热状态下碰撞电离和光电离的综合热状态下碰撞电离和光电离的综合 温温度度超超过过10000K时时（如如电电弧弧放放电电）才才需需要要考考虑虑热热电电离离，在在温温度度达达到到20000K左左右右，几几乎乎全全部部空空气气分分子都已经处于热电离状态子都已经处于热电离状态（1）热电离：热电离：气体的气体的热状态热状态引起的电离引起的电离 常温下，气体分子发生热电离的常温下，气体分子发生热电离的概率极小概率极小。气体的气体的电离度电离度 图图1-1 1-1 不同温度下空气和不同温度下

13、空气和SFSF6 6气体的热电离程度气体的热电离程度n在光照射下在光照射下,光子能量传给气体粒子，游出自由电子光子能量传给气体粒子，游出自由电子n由光电离而产生的自由电子称为由光电离而产生的自由电子称为光电子光电子n必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能 （2）光电离：光电离：由由光辐射光辐射引起气体分子电离的过程引起气体分子电离的过程h h：普朗克常数；：普朗克常数；C C：光速：光速f f：光频率；：光频率；：光波长；：光波长；l波长较短的波长较短的X射线，射线，射线能产生光电离射线能产生光电离l可见光（可见光（400750nm）不能使气体直接发生

14、光电离不能使气体直接发生光电离l紫外线能使少数电离能很小的金属蒸汽发生光电离紫外线能使少数电离能很小的金属蒸汽发生光电离光子来源外界高能辐射线气体放电本身紫外线、伦琴射线、紫外线、伦琴射线、射线、宇宙射线射线、宇宙射线自然界、人为照射自然界、人为照射l异号粒子复合成中性质点时释放出一定能量的光子异号粒子复合成中性质点时释放出一定能量的光子l反激励：已经激励的分子或原子回到常态反激励：已经激励的分子或原子回到常态l气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离使其电离 l撞击质点可能是电子，正、负离子，中性分子或原子撞击质点可能是电子，正、负

15、离子，中性分子或原子是气体中产生带电粒子的是气体中产生带电粒子的最重要的形式最重要的形式（3）碰撞电离（撞击电离）碰撞电离（撞击电离）撞击粒子的能量被撞粒子的电离能撞击粒子的能量被撞粒子的电离能发生碰撞电离的条件：发生碰撞电离的条件：电子或离子在电场作用下加速所获得的动能（电子或离子在电场作用下加速所获得的动能（）与质点电荷量）与质点电荷量(e)(e)、电场强度（、电场强度（）以及碰撞前的）以及碰撞前的行程行程()()有关即有关即 碰撞电离的条件：碰撞电离的条件：即为了造成碰撞电离，即为了造成碰撞电离，质点在碰撞前质点在碰撞前必须经过必须经过的最小距离的最小距离n碰碰撞撞电电离离的的形形成成与

16、与电电场场强强度度和和平平均均自自由由行行程程的的大小有关大小有关n增大气体中的场强将使增大气体中的场强将使x值减少。值减少。n提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大l撞击质点可能是电子，正、负离子，中性分子或撞击质点可能是电子，正、负离子，中性分子或原子原子l气体放电中，碰撞电离主要是气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰电子和气体分子碰撞撞而引起的而引起的 ，离子碰撞电离率比电子小得多，离子碰撞电离率比电子小得多l电子体积小，自由行程比离子的大，获得的动能大电子体积小，自由行程比离子的大，获得的动能大l电子的质量远小于分子或原子电子的质量远小于

17、分子或原子1-1气体放电过程中产生带电质点最重要的方气体放电过程中产生带电质点最重要的方式是什么，为什么？式是什么，为什么？P49答答:碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点最重要的方碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点最重要的方式。气体放电中，碰撞电离主要是式。气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞电子和气体分子碰撞而而引起的引起的，离子碰撞电离率比电子小得多。，离子碰撞电离率比电子小得多。这是因为电子体积小，其自由行程这是因为电子体积小，其自由行程(两次碰撞间质点经过两次碰撞间质点经过的距离的距离)比离子大得多，所以在电场中获得的动能比离子比离子大得多，所以在电场中获得的动能比离子大得

18、多。大得多。其次由于电子的质量远小于原子或分子，因此当电子的其次由于电子的质量远小于原子或分子，因此当电子的动能不足以使中性质点电离时，电子会遭到弹射而几乎不动能不足以使中性质点电离时，电子会遭到弹射而几乎不损失其动能；而离子因其质量与被碰撞的中性质点相近，损失其动能；而离子因其质量与被碰撞的中性质点相近，每次碰撞都会使其速度减小，影响其动能的积累。每次碰撞都会使其速度减小，影响其动能的积累。（4 4）分级电离）分级电离 分子或原子在分子或原子在激励态激励态再获得能量而发生电离。再获得能量而发生电离。条件：所需能量条件：所需能量Wi-We。特点：通常分级电离的概率很小。特点：通常分级电离的概率

19、很小。激励态是不稳定的，一般经过激励态是不稳定的，一般经过10-8s恢复到基态恢复到基态某些原子具有亚稳激励态，使分级电离的概率增加某些原子具有亚稳激励态，使分级电离的概率增加 -气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。-逸出功逸出功：使电子从金属表面逸出需要的能量。：使电子从金属表面逸出需要的能量。小于气体分子的电离能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表明金属表面电离比气体空间电离更易发生2 2、电极表面的电子逸出（表面电离）、电极表面的电子逸出（表面电离）电子从电极表面逸出所需的能量可通过下述途径获得：正离子撞击阴极表面正

20、离子撞击阴极表面光电子发射：高能辐射线照射电极表面光电子发射：高能辐射线照射电极表面热电子发射：金属电极加热热电子发射：金属电极加热强场发射：电极表面附近存在强电场强场发射：电极表面附近存在强电场（1 1）正离子碰撞阴极（二次发射）正离子碰撞阴极（二次发射）n某些具有某些具有足够能量足够能量的正离子碰撞阴极表面，产生表面电的正离子碰撞阴极表面，产生表面电离，使电子逸出（传递的能量要大于逸出功）。离，使电子逸出（传递的能量要大于逸出功）。n条件：条件：正离子的能量正离子的能量 2倍金属逸出功倍金属逸出功n逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的

21、成为自由电子。因此正离子自由电子。因此正离子必须碰撞出两个及以上电子必须碰撞出两个及以上电子时才时才能出现自由电子能出现自由电子n并不是所有满足上述条件的撞击都会造成表面电离并不是所有满足上述条件的撞击都会造成表面电离（2 2）光电子发射）光电子发射(光电效应光电效应)n用短波光（高能量辐射线）照射金属表面，产生表面电离，用短波光（高能量辐射线）照射金属表面，产生表面电离，n条件：条件：光子的能量逸出功光子的能量逸出功n注意：并不是所有满足条件的光子都产生光电发射注意：并不是所有满足条件的光子都产生光电发射n一部分光子被金属表面反射一部分光子被金属表面反射n被金属吸收的光能中，大部分转化为金属

22、的热能，被金属吸收的光能中，大部分转化为金属的热能，n小部分使电子逸出小部分使电子逸出n逸出功电离能，逸出功电离能，同样的光辐射引起的同样的光辐射引起的表面电离表面电离比引起的比引起的空间光电离空间光电离强烈很强烈很多多（3 3）强场发射（冷发射、场致发射）强场发射（冷发射、场致发射）n当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子电子n条件：需要极强的外电场，条件：需要极强的外电场，108V/m数量级数量级n一般的气隙击穿过程中不会出现一般的气隙击穿过程中不会出现n对对高真空高真空下的气体击穿；或对某些下的气体击穿；或对某些高电强高电强气体在气体在高

23、压强高压强下的气隙击穿具有重要意义下的气隙击穿具有重要意义（4 4）热电子发射）热电子发射n当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属巨大动能，逸出金属n条件：因高温而获得的动能逸出功条件：因高温而获得的动能逸出功n常温下不存在热电子发射现象常温下不存在热电子发射现象n热电子发射对某些电弧放电过程具有重要意义热电子发射对某些电弧放电过程具有重要意义电子附着电子附着:中性分子或原子与电子相结合，形成负离子中性分子或原子与电子相结合，形成负离子分子或原子对电子的亲合能分子或原子对电子的亲合能：附着过程中放出能量附着过程中放出能量电负性电负性气

24、体：气体：具有明显捕捉自由电子而形成负离子的气体具有明显捕捉自由电子而形成负离子的气体 亲和能大亲和能大,易形成负离子强电负性气体，如易形成负离子强电负性气体，如氧、氟、氧、氟、SF6n负负离离子子的的形形成成使使自自由由电电子子数数减减少少，对对气气体体放放电电的的发发展展起起抑制作用抑制作用3 3、气体中负离子的形成、气体中负离子的形成表l-3列出了卤族元素的电子亲合能与电负性数值 电负性电负性：一个无量纲的数，其值越大表明原子在：一个无量纲的数，其值越大表明原子在分子中吸引电子的能力越大分子中吸引电子的能力越大1.1.2 带电质点的消失带电质点的消失（去电离、消电离）（去电离、消电离）带

25、电质点的消失可能有以下几种情况：带电质点的消失可能有以下几种情况：带电质点受电场力的作用带电质点受电场力的作用流入电极流入电极 （中和）（中和）；带电质点因扩散而带电质点因扩散而逸出气体放电空间逸出气体放电空间；带电质点的带电质点的复合复合。n在在气气体体放放电电空空间间，带带电电质质点点在在一一定定的的电电场场强强度度下下运运动动达达到到某某种种稳稳定定状状态态，保保持持平平均均速速度度，即即上上述述的的带带电电质质点点的的驱引速度（迁移速度）：驱引速度（迁移速度）：1 1、带电质点受电场力的作用、带电质点受电场力的作用流入电极流入电极中和中和在电场作用下作定向运动，流入电极中和电量在电场作

26、用下作定向运动，流入电极中和电量n电电子子迁迁移移率率比比离离子子迁迁移移率率大大两两个个数数量量级级，即即使使在在很很弱弱的的电场中，电子迁移率也随场强而变电场中，电子迁移率也随场强而变 n同一种气体的正负离子的迁移率相差不大同一种气体的正负离子的迁移率相差不大 标准大气条件干燥空气正负离子：标准大气条件干燥空气正负离子：b=1.36、1.87cm/（V.m）b b 迁移率迁移率2 2、带电质点的扩散、带电质点的扩散 扩散：扩散：带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域，带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。从而使带电质点在空间各处的浓度趋于

27、均匀的过程。原因：原因：热运动热运动扩散规律：与扩散规律：与气体的扩散规律也是相似的气体的扩散规律也是相似的 n气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱n电子扩散比离子扩散高电子扩散比离子扩散高3个数量级个数量级n电电子子的的质质量量远远小小于于离离子子，所所以以电电子子的的热热运运动动速速度度很很高高，它它在在热热运运动动中中受受到到的的碰碰撞撞也也较较少少，自自由由行行程大，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多程大，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多 3 3、带电质点的复合、带电质点的复合 复合：复合：当气体中当气体中带异号电荷带异号电荷的粒子

28、相遇时，有可能发生电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的的传递与中和，传递与中和，还原为分子的过程还原为分子的过程。是带电质点在接近时通过是带电质点在接近时通过电磁力电磁力的相互作用完成。的相互作用完成。n复复合合时时把把电电离离时时吸吸取取的的电电离离能能通通过过光光辐辐射射（光光子子）形形式式放放出出，这这种种光光辐辐射射在在一一定定条条件件下下又又可可能能成成为为导导致致光光电电离离的因素的因素 n复复合合过过程程要要阻阻碍碍放放电电的的发发展展，但但在在一一定定条条件件下下又又可可因因复复合时的光辐射合时的光辐射加剧放电加剧放电的发展。的发展。与电离相反的与电离相反的物理过程物理过程n复合

29、率：复合率：一定空间内带电质点由于复合而减少的速度一定空间内带电质点由于复合而减少的速度n正负电荷的浓度正负电荷的浓度 越大，复合率越大越大，复合率越大n参参加加复复合合的的质质点点的的相相对对速速度度 越越大大，相相互互作作用用时时间间越越短，复合率越小短，复合率越小分类分类电子复合：电子复合：发生在发生在电子电子和和正离子正离子之间，产生一个中性分子；之间，产生一个中性分子；离子复合离子复合：发生在发生在正离子正离子和和负离子负离子之间，产生两个中性分子。之间，产生两个中性分子。放电过程中绝大多数是放电过程中绝大多数是正、负离子之间复合正、负离子之间复合，参加复，参加复合的电子绝大多数先形

30、成负离子再与正离子复合。合的电子绝大多数先形成负离子再与正离子复合。小结：气体中带电质点的产生和消失小结：气体中带电质点的产生和消失电子碰撞电离电子碰撞电离正离子碰撞电离正离子碰撞电离碰撞电离碰撞电离光电离光电离热电离热电离空间电离空间电离表面电离表面电离负离子的形成负离子的形成正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极光电效应光电效应强场发射强场发射热电子发射热电子发射电场作用下气体中带电质点的定向运动电场作用下气体中带电质点的定向运动带电质点的扩散带电质点的扩散带电质点的复合带电质点的复合带电质点带电质点产生产生带电质点带电质点消失消失气体放电气体放电发展过程发展过程1.1.气体间隙中气体间隙中带电质点

31、的产生带电质点的产生和和消失消失是气体放电的是气体放电的一对基本矛盾，气体放电的发展和终止取决于这一对基本矛盾，气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位。两个过程谁占主导地位。2.2.强电场下，气体中带电质点的产生形式可以分为强电场下，气体中带电质点的产生形式可以分为空间电离和表面电离。它们都与外界供给的能量空间电离和表面电离。它们都与外界供给的能量有关，有关，能量的形式主要是电场能、光辐射和热能能量的形式主要是电场能、光辐射和热能，而能量的传递靠电子、光子或气体分子的热运动，而能量的传递靠电子、光子或气体分子的热运动，其传递的过程主要是碰撞，它是造成气体分子电其传递的过程主要是碰撞，

32、它是造成气体分子电离的有效过程。离的有效过程。常用高压工程术语常用高压工程术语 击穿：击穿：在电场的作用下，由电介质形成的绝缘间隙，丧失绝在电场的作用下，由电介质形成的绝缘间隙，丧失绝缘缘 性能，形成导电通道的过程，性能，形成导电通道的过程，放电：放电：气体绝缘的击穿过程气体绝缘的击穿过程 闪络：闪络：沿固体介质表面发展的气体放电（亦称沿面放电）沿固体介质表面发展的气体放电（亦称沿面放电）电晕：电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部电离放电由于电场不均匀，在电极附近发生的局部电离放电 击穿（放电）电压击穿（放电）电压b（）：（）：使绝缘击穿的最低临界电压使绝缘击穿的最低临界电压 击穿场强（

33、抗电强度，绝缘强度）击穿场强（抗电强度，绝缘强度）b（）：（）：发生击穿时在绝缘中的最小发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。平均电场强度。E Eb b b bd d（d d：极间距离）：极间距离）均匀电场和极不均匀电场示意图均匀电场和极不均匀电场示意图均匀电场和极不均匀电场示意图均匀电场和极不均匀电场示意图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、气压和气体的种类、气压和间隙中电场的均匀度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电子碰撞电离开始发展到电子崩电子崩的阶段。aUabUbcUc空气中电流和电压的关系空气中电流和电压的关系VA平行板电极实验（汤逊，平行

34、板电极实验（汤逊，Townsend)：EE0IUSU0自持放电区自持放电区非自持放电区非自持放电区（1 1）非自持放电和自持放电的不同特点）非自持放电和自持放电的不同特点 1 1、放电的电子崩阶段、放电的电子崩阶段 随着随着E E增大，气隙中的初始带电增大，气隙中的初始带电粒子向电极运动的粒子向电极运动的速度加快而导致复速度加快而导致复合数减少合数减少，表现为，表现为I I随随U U的提高而增大。的提高而增大。图13 气体间隙中电流与外施电压的关系（1 1）在）在I-UI-U曲线的曲线的OAOA段：段：外界电离因子产生的带电粒子几外界电离因子产生的带电粒子几乎能全部抵达电极，电流乎能全部抵达电

35、极，电流趋于饱和趋于饱和，饱和电流值很小，气体仍处于饱和电流值很小，气体仍处于良好的良好的绝缘状态绝缘状态，这时，电流值仅取决于外电离因素的强弱而与电压无关（2 2）在）在I-UI-U曲线的曲线的ABAB段：段：I I随着随着U U的提高而增大，表明此的提高而增大，表明此时电场时电场E E足够大，使电子积累足够足够大，使电子积累足够的动能造成碰撞电离的发生，出现的动能造成碰撞电离的发生，出现电子崩电子崩，随着，随着E E增大，碰撞电离愈增大，碰撞电离愈激烈，带电粒子数目呈指数增长，激烈，带电粒子数目呈指数增长，电流增大更快；电流增大更快；（3 3）在）在I-UI-U曲线的曲线的BCBC段段：电

36、子崩的形成：电子崩的形成：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。（4 4）在）在I-UI-U曲线的曲线的C C点之后点之后：当电压增大到当电压增大到U U0 0后，后，电流急剧上电流急剧上升，此时间隙中电离过程升，此时间隙中电离过程只靠外只靠外施电压已能维持施电压已能维持，不再需要外电，不再需要外电离因素了，即离因素了，即转为自持放电阶段转为自持放电阶段，气隙击穿气隙击穿，表现为电流急剧增大，表现为电流急剧增大，并伴有发光、发声等现象，气隙并伴有发光、发声等现象，气隙转入转入良好的导电状态良好的导电状态放电

37、放电起始电压（临界电起始电压（临界电压）：压）：非自持放电转入非自持放电转入自持放电的电压自持放电的电压l外施电压外施电压U U0 0时时l间隙内电流，数值甚小，通常远小于微安级，间隙内电流，数值甚小，通常远小于微安级，l气体本身的绝缘性能尚未被破坏，间隙未被击穿气体本身的绝缘性能尚未被破坏，间隙未被击穿l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非自持放电自持放电自持放电l外施电压外施电压U0时时l间隙内电流剧增，间隙内电流剧

38、增，l气体绝缘性被破坏，间隙击穿气体绝缘性被破坏，间隙击穿l撤除外界电离因素后，能仅由电场撤除外界电离因素后，能仅由电场的作用而维持的放电的作用而维持的放电气体自持放电的主要形式气体自持放电的主要形式v注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同，电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同，这些放电现象可相互转换。这些放电现象可相互转换。l辉光放电辉光放电l电晕放电电晕放电l刷形放电刷形放电l火花放电火花放电l电弧放电电弧放电随随气压气压、电极形状、电源功率电极形状、电源功率、外电路阻抗外电路阻抗

39、不同而不同不同而不同利用利用放电管放电管可以观察放电现象的变化可以观察放电现象的变化 n辉光放电辉光放电n电弧放电电弧放电n火花放电火花放电n电晕放电电晕放电n刷状放电刷状放电补充：气体放电的主要形式补充：气体放电的主要形式n当当气气体体压压强强不不大大，电电源源功功率率很很小小（放放电电回回路路中中串串入入很很大大阻阻抗抗）时时，外外施施电电压压增增到到一一定定值值后后，回回路路中中电电流流突突增增至至明明显显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象 n特特点点:压压力力小小（真真空空中中），放放电电电电流流密密度度较较小小，放放电电区区域

40、域通通常占据了整个电极间的空间常占据了整个电极间的空间。n霓霓虹虹管管中中的的放放电电就就是是辉辉光光放放电电的的例例子子。管管中中所所充充气气体体不不同同，发光颜色也不同发光颜色也不同 辉光放电：辉光放电：低压气体中显示出辉光的放电现象。低压气体中显示出辉光的放电现象。部分气体的辉光放电实例部分气体的辉光放电实例 氢氢气气的的辉辉光光放放电电电弧放电：电弧放电：在电源能持续提供大电流的条件下，因在电源能持续提供大电流的条件下，因热电离热电离在间隙中形成明亮、高电导、高温通道的一种强烈自持放电。在间隙中形成明亮、高电导、高温通道的一种强烈自持放电。n在在较较高高气气压压（例例如如大大气气压压强

41、强）下下，减减小小外外回回路路中中的的阻阻抗抗，则则电电流流增增大大，电电流流增增大大到到一一定定值值后后，放放电电通通道道收收细细，不不再再扩扩散散于于间间隙隙中中的的整整个个空空间间，且且越越来来越越明明亮亮，说说明明通通道道的的电电导越来越大导越来越大n特点：特点：n压力增大压力增大-1个大气压以上个大气压以上n电电弧弧通通道道和和电电极极的的温温度度都都很很高高，电电流流密密度度极极大大，弧弧道道电电阻小阻小，电路具有短路的特征电路具有短路的特征 电弧视频链接火花放电：火花放电：大气压或高气压下的一种气体放电形式，因发大气压或高气压下的一种气体放电形式，因发电通道似火花而得名电通道似火

42、花而得名 n在在较较高高气气压压（例例如如大大气气压压强强）下下，击击穿穿后后总总是是形形成成收收细细的的发发光光放放电电通通道道，而而不不再再扩扩散散于于间间隙隙中中的的整整个个空空间间。当当外外回回路路中中阻阻抗抗很很大大，限限制制了了放放电电电电流流时时，电电极极间间出出现现贯贯通通两两极极的的断断续续的的明明亮细火花亮细火花 n特征：特征：有收细的通道形式有收细的通道形式放电回路阻抗大，放电时断时续放电回路阻抗大，放电时断时续不稳定，间隙多次被击穿不稳定，间隙多次被击穿电晕放电：电晕放电：局部自持放电现象局部自持放电现象 n电电极极曲曲率率半半径径很很小小或或电电极极间间距距离离很很远

43、远，即即电电场场极极不不均均匀匀，则则当当电电压压升升高高到到一一定定值值后后，首首先先紧紧贴贴电电极极在在电电场场最最强强处处出出现现发发光光层层，回回路路中中出出现现用用一一般般仪仪表表即即可可察察觉觉的的电电流流。随随着着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大n发发生生电电晕晕放放电电时时，气气体体间间隙隙的的大大部部分分尚尚未未丧丧失失绝绝缘缘性性能能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用(a)start corona(b)middle corona(c)strong corona刷状放电刷状放电 n电电场场

44、极极不不均均匀匀情情况况下下，如如电电压压继继续续升升高高，从从电电晕晕电电极极伸伸展展出出许许多多较较明明亮亮的的细细放放电电通通道道，称称为刷状放电为刷状放电 n电电压压再再升升高高，根根据据电电源源功功率率而而转转入入火火花花放放电电或或电电弧弧放放电电，最最后整个间隙被击穿后整个间隙被击穿n如如电电场场稍稍不不均均匀匀，则则可可能能不不出出现现刷刷状状放放电电，而而由由电电晕晕放放电电直直接转入击穿接转入击穿 一把锤子敲击钉子的时候产生的一把锤子敲击钉子的时候产生的电晕放电电晕放电瞬间瞬间 总结：气体放电的不同形式总结：气体放电的不同形式气体压力、电极形状、电场强度有关气体压力、电极形

45、状、电场强度有关辉光放电辉光放电电弧放电电弧放电火花放电火花放电压力小压力小-真空中真空中放电电流密度小，放电区域占放电管电极间整个空间放电电流密度小，放电区域占放电管电极间整个空间压力增大压力增大-1个大气压以上个大气压以上放电电流密度大，温度高，亮而细长放电弧道，弧道电放电电流密度大，温度高，亮而细长放电弧道，弧道电阻小，似短路阻小，似短路放电回路阻抗大，放电时断时续放电回路阻抗大，放电时断时续外电路阻抗大，压降大，间隙多次被击穿外电路阻抗大，压降大，间隙多次被击穿电晕放电电晕放电刷状放电刷状放电极不均匀电场环境中极不均匀电场环境中空气间隙电场极不均匀，在电极附近强电场处出现的局空气间隙电

46、场极不均匀，在电极附近强电场处出现的局部空气游离发光现象，电流小，整个空气间隙并未击穿，部空气游离发光现象，电流小，整个空气间隙并未击穿，仍能耐受电压作用仍能耐受电压作用电晕放电后压力增大，产生刷状放电电晕放电后压力增大，产生刷状放电从电晕电极间产生许多明亮的细小放电通道从电晕电极间产生许多明亮的细小放电通道压力再大，整个间隙击穿，形成电弧放电或火花放电压力再大，整个间隙击穿，形成电弧放电或火花放电电力线路和设备外绝缘电力线路和设备外绝缘只能出现只能出现电晕放电、刷状放电、火花放电、电晕放电、刷状放电、火花放电、电弧放电电弧放电自持放电自持放电的进一步发展和转变的进一步发展和转变取决于取决于电

47、场情况电场情况n均匀电场（大体均匀电场）均匀电场（大体均匀电场）n间间隙隙将将被被击击穿穿，此此后后根根据据气气压压、外外回回路路阻阻抗抗等等条条件件形形成成辉辉光光放放电电、火火花花放放电电或或电电弧弧放放电电，而而起起始始电电压压U0也也就是间隙的击穿电压就是间隙的击穿电压Ubn极不均匀电场极不均匀电场n当当放放电电由由非非自自持持转转入入自自持持时时，在在大大曲曲率率电电极极表表面面电电场场集集中中的的区区域域发发生生电电晕晕放放电电，这这时时起起始始电电压压是是间间隙隙的的电电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多起始电压起始电压U0（非自

48、持（非自持自持）自持）均匀场：击穿电压均匀场：击穿电压Ub不均匀场：电晕起始电压，气隙仍绝缘，不均匀场：电晕起始电压，气隙仍绝缘，UbU0极不均匀电场极不均匀电场的放电发展情况的放电发展情况n电压比较低电压比较低n棒电极处场强超过临界值，出现自持放电，棒电极处场强超过临界值，出现自持放电，n棒极远处场强小，自持放电局限在棒极附近，不能扩展棒极远处场强小，自持放电局限在棒极附近，不能扩展n离子复合时辐射出光子，有均匀稳定的发光层笼罩电极离子复合时辐射出光子，有均匀稳定的发光层笼罩电极n电压提高电压提高n电极距离不大：电晕放电电极距离不大：电晕放电整个气隙的火花击穿整个气隙的火花击穿n电极距离大：

49、电晕放电电极距离大：电晕放电刷形放电，气隙的不完全击穿刷形放电，气隙的不完全击穿n电压再提高电压再提高n刷形放电增长到对面电极刷形放电增长到对面电极火花击穿火花击穿n当电源功率总够大时：火花击穿当电源功率总够大时：火花击穿电弧放电电弧放电解释气隙的击穿过程的放电理论解释气隙的击穿过程的放电理论均匀电场气隙击穿均匀电场气隙击穿汤逊理论汤逊理论流柱理论流柱理论不均匀电场大气不均匀电场大气压下气隙击穿压下气隙击穿短气隙短气隙长气隙击穿的三个阶段长气隙击穿的三个阶段雷云放电的三个阶段雷云放电的三个阶段电晕放电电晕放电（2）电子崩的形成电子崩的形成l外界电离因子在阴极附近产生了外界电离因子在阴极附近产生

50、了一个一个初始电子初始电子，如果空间，如果空间电场强度电场强度足够大足够大，该电子在向阳极运动时就，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个会引起碰撞电离，产生一个新的电新的电子子，初始电子和新电子继续向阳极，初始电子和新电子继续向阳极运动，运动，又会引起新的碰撞电离，产又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。生更多电子。l电子将按照电子将按照几何级数几何级数不断增多，不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间的空间电子流电子流被称为被称为电子崩电子崩电子崩电子崩图图1 14 4 电子崩的示意图电子崩的示意图 视频链接带电粒子在电子崩中的分布：带电粒子在电子