第一篇电介质的电气强度.ppt

第一篇 高电压绝缘及试验唐小波2010.92021/9/151 电介质是指通常条件下导电性能极差的物质，云母、变压器油等都是电介质。电介质中正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷极少，因此导电性能差。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2021/9/152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2021/9/153 在电气作用下，电介质中出现的电气现象可分为两类：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2021/9/154高电压绝缘及试验电介质的基本电气特性气体放电的基本理论气体电介质的击穿特性固体电介质和液体电介质的击穿特性电气设备绝缘特性的测试电气设备绝缘的耐压试验及高电压测量2021/9/155第一章 电介质的基本电气特性电介质的极化电介质的电导电介质的损耗电介质的击穿2021/9/156一、介质的极化构成电介质分子的分类 （1）中性分子（原子）：分子（或原子）中正负电荷的作用重心是重合的，对外不显电性。（如固体无机化合物云母、陶瓷、玻璃等）（2）极性分子：分子中正、负电荷的作用重心不重合，而保持一定的距离，单个分子对外显电性，由于热运动的原因，各分子的排列杂乱无章，不同分子对外电性相互抵消，故对外不显电性。（偶极分子）（如变压器油、松香、橡胶、胶木、聚氯乙烯、纤维素等）2021/9/157一、介质的极化u电子位移极化u离子位移极化u转向极化u空间电荷极化2021/9/158电子位移极化弹性的，不引起能量损耗；弹性的，不引起能量损耗；完成时间极短，约完成时间极短，约1010-14-141010-15-15s s；单元粒子的电子位移极化与温度无关单元粒子的电子位移极化与温度无关2021/9/159离子位移极化完成时间约完成时间约10-1210-13s；极微量的能量损耗；极微量的能量损耗；离子位移极化率随温度的离子位移极化率随温度的升高略有增加升高略有增加+-+-+-+-E=0E离子式极化2021/9/1510转向极化n固有偶极矩：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。n由于分子不规则热运动，分子偶极矩的排列无序，不能体现合成电矩。n转向极化：电场作用下，定向排列。伴有能量损耗；伴有能量损耗；需要较长时间，约需要较长时间，约1010-6-61010-2-2s s，甚至更长；，甚至更长；外电场越强，极性分子的转向定向就越充分，转向极化就越强外电场越强，极性分子的转向定向就越充分，转向极化就越强+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E=0E2021/9/1511空间电荷极化极化机理极化机理2021/9/1512空间电荷极化设设C C1 1=1,C=1,C2 2=2,G=2,G1 1=2,G=2,G2 2=1,U=3=1,U=3注意：注意：夹层界面上电荷的夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导堆积是通过介质电导G G来完来完成的。成的。由于高压绝缘介质的电导由于高压绝缘介质的电导通常都很小，所以极化过通常都很小，所以极化过程缓慢，几十分之一秒程缓慢，几十分之一秒几分钟。几分钟。伴有能量损耗。伴有能量损耗。这种极化只有在这种极化只有在低频时才有意义低频时才有意义2021/9/1513空间电荷极化2021/9/1514注意1 当两层不同电介质串联构成的复合绝缘时，刚开始加压时，各层介质的极化程度不一样，各层电介质中极化产生的电荷量也不一样，于是分界面显示出电的极性来，称为夹层极化。极化结束后，电荷要重新分配，就在两层介质的交界面形成一定的吸收电流。这种过程非常缓慢，那么在去掉电压后介质内部的吸收电荷要释放出来也非常缓慢。因此对于使用过的大电容设备，应将两极短接，彻底放电，以免过一定时间后吸收电荷陆续释放出来危及人生安全。2021/9/1515注意2（1 1）是束缚电荷而不是自由电子。）是束缚电荷而不是自由电子。（2 2）是有限位移而不是电荷流通，不产生电流）是有限位移而不是电荷流通，不产生电流 。（3 3）内部电荷的总和仍为零，但由于外电场的作用）内部电荷的总和仍为零，但由于外电场的作用对外显现电场力对外显现电场力 。2021/9/1516二、电介质的介电常数介电常数的物理意义气体介质的相对介电常数液体介质的相对介电常数固体介质的相对介电常数2021/9/1517介电常数的物理意义真空-+-+-+-+-插入电介质后2021/9/1518介电常数的物理意义相对介电常数以该物质为介质的电容器的电容与以真空中为介质的同样大小电容器电容量的比值，称为相对介电常数，简称介电系数。它表征电介质在电场的作用下极化程度的物理量。相对介电常数的物理意义：相对真空时感应电荷（电容量）变化的倍数。2021/9/1519介电常数在工程应用中的意义介电常数在工程应用中的意义（1）越大，电介质极化作用越强，其绝缘性能越差。故要合理选用。例如电容器：要求 大些，这样电容器单位 容量的体积和质量就会减小。电力电缆：要求 小些，则工作时的充电 电流和极化损耗就会降低。（2）几种串联电介质组合在一起使用时，有如下公式2021/9/1520介电常数在工程应用中的意义介电常数在工程应用中的意义即串联电介质的场强分布与 成反比。越小其介质中的场强越大，越大其介质中的场强越小。故在串联介质中要合理考虑电场的分布，尽量使电场分布均匀。（3）通过测量 可以判断电介质是否受潮或所含气体的多少。当电介质受潮及老化分解气体时，会明显增大。2021/9/1521气体介质的相对介电常数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，但影响程度都很小。2021/9/1522液体介质的相对介电常数1.中性液体介质 相对介电常数一般在1.82.8之间。相对介电常数与温度的关系与介质分子密度与温度的关系接近一致。举例：石油、苯、四氯化碳、硅油2021/9/1523液体介质的相对介电常数2 2.极性液体介质极性液体介质 (1)(1)介电常数与温度的关系介电常数与温度的关系低温时，分子间的黏附力强，转向较难，转向极化对 的贡献较小；温度升高，分子间的黏附力减弱，转向极化对 的贡献较大，随之增大；温度进一步升高，分子热运动加强，对极性分子定向排列的干扰也随之增强，阻碍转向极化的完成，反而减小。2021/9/1524液体介质的相对介电常数(2)(2)介电常数与电场频率的关系介电常数与电场频率的关系电场频率对极性液体介电常数的影响很大频率相当低时，偶极分子来得及跟随电场交变转向，介电常数较大，接近于直流电压下的 ；频率超过f0时，极性分子转向跟不上电场的变化，介电常数开始减小；随着频率的增高，介电常数最终接近于仅有电子位移极化所引起的介电常数值 。2021/9/1525固体介质的相对介电常数2.极性固体介质 由于分子具有极性，相对介电常数都较大，一般为3-6。极性固体介质的相对介电常数与温度和频率的关系类似极性液体所呈现的规律。举例：树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃等2021/9/1526固体介质的相对介电常数1.中性或弱极性固体介质 只具有电子式极化和离子式极化，其介电常数较小。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。举例：石蜡、硫磺、聚乙烯 云母、石棉、无机玻璃等2021/9/1527三、电介质的电导电介质中的电流介质加直流电压后测得电流为 Ia 夹层极化的吸收电流 Ig 泄漏电流 Ic 位移极化电流 吸收现象的意义：对判断绝缘是否受潮很有用。2021/9/1528三、电介质的电导电介质的电导与金属的电导的本质区别电介质电导是离子式，即电解式电导气体介质：电离出来的自由电子、正离子和负离子在电场作用下移动而造成的；液体和固体：介质的基本物质（包括杂质）分子发生化学分解或热离解的带电质点沿电场方向移动造成的。2021/9/1529电介质的电导与金属的电导的本质区别电介质的电导与金属的电导的本质区别 （2）数量级不同：电介质的电导率小，泄漏电流小；金属电导的电流很大。（3）电导电流的受影响因素不同：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。2021/9/1530三、电介质的电导气体介质的电导液体介质的电导固体介质的电导2021/9/1531气体介质的电导l无电场时，离子的产生与复合达到平衡；l存在电场时，离子在电场力作用下，克服与气体介质分子碰撞的阻力而移动，得到速度vl离子的迁移率b=v/E E电场强度2021/9/1532气体介质的电导电场强度很小时，b接近于常数，即电流密度与电场强度几乎成正比电场强度增大，外界因素造成的离子全部趋向于电极时，电流密度饱和，但其值仍很小场强超过E2时，气体介质中将发生撞击电离，从而使电流密度迅速增大2021/9/1533液体介质的电导n中性液体介质的电导主要由离解性的杂质和悬浮于液体介质中的荷电粒子所引起的n极性液体介质的电导不仅由杂质引起，而且与本身分子的离解度有关。极性液体介质的介电常数越大，则其电导也越大。2021/9/1534液体介质的电导1.1.温度温度u温度升高，液体介质的黏度降低，离子移动所受阻力减小，离子迁移率增大，电导增大u温度升高，液体介质分子的离解度增大，电导增大液体介质的电导率与温度的关系可以近似地以下式表示液体介质的电导率与温度的关系可以近似地以下式表示式中式中 A A A A、BBBB常数常数 TTTT绝对温度绝对温度 电导率电导率2021/9/1535液体介质的电导当温度变化不大时，液体介质的电导与温度的关系也可以写成式中 常数 液体介质的温度，时的电导率2021/9/1536液体介质的电导2.2.电场强度 在极纯净的液体介质中，电导与电场强度的关系与气体介质相近 一般工业用纯净液体介质l饱和电流这一段通常是观察不到的l电场强度小于某定值时，电导接近一常数；l电场强度超过某定值时，电场将使离解出来的离子数量迅速增加，电导也就迅速增加，电流密度随场强呈指数规律增长2021/9/1537固体介质的电导l中性分子的固体介质的电导主要是由杂质离子引起的l离子式结构的固体介质的电导主要是由离子在热运动影响下脱离晶格而移动产生的，杂质在离子式结构的固体介质中也是造成电导的原因之一2021/9/1538固体介质的电导1.温度 与液体介质相似2.电场强度 与液体介质相似，可以近似地以下式表示式中式中 电导率与电场强度尚无关范围内的电导率电导率与电场强度尚无关范围内的电导率 电导率与电场强度尚无关范围时的最大电场强度电导率与电场强度尚无关范围时的最大电场强度 b b 常数，由材料特性所决定常数，由材料特性所决定2021/9/1539固体介质的电导3.3.杂质表面电导：由于介质表面吸附一些水分、尘埃或导电性的化学沉淀物而形成的，其中水分起着特别重要的作用。因此，亲水性介质的表面电导要比憎水性介质的表面电导大得多。一般，中性介质的表面电导最小，极性介质次之，离子性介质最大。相当于固体介质中相当于固体介质中加入了强极性的杂加入了强极性的杂质质2021/9/1540电介质电导在工程上的意义 1、电介质电导的倒数即为介质的绝缘电阻。通过测量绝缘电阻可以判断绝缘是否受潮或有其它劣化现象。2、多层介质串联时在直流电压下各层的稳态电压分布与各层的电导成反比，故对直流设备应注意电导率的合理配合。3、电介质的电导对电气设备的运行有重要影响。电导产生的能量损耗使设备发热，为限制设备的温度升高，有时必须降低设备的工作电流。在一定的条件下，电导损耗还可能导致介质发生热击穿。2021/9/1541四、电介质中的能量损耗介质损耗的基本概念气体介质中的损耗液体和固体介质中的损耗2021/9/1542介质损耗的基本概念介质损耗的基本概念u电场的交变速度远低于极化建立速度时，介电常数可视为一实数，接近于静态介电常数。u电场的交变速度与极化建立速度相近时，极化就跟不上电场的变化，电通量密度 就滞后于电场强度 一个相位角 。2021/9/1543介质损耗的基本概念介电常数将是一个复数介质中的电流密度（不计漏导）电容性电流密度，超前场强电容性电流密度，超前场强9090实际上，还存在漏导，在电场作用下，形成与交变电场同相位的漏导电流密度 ，它是纯有功损耗电流密度。2021/9/1544介质损耗的基本概念 有损极化所引起的电流密度有损极化所引起的电流密度 真空和无损极化引起的电流密度，纯容性 漏感引起的电流密度，纯阻性2021/9/1545直流电压下的介质损耗直流电压下的介质损耗ic：无损极化造成的电流（电子式极化+离子式极化）衰减时间短。ia：有损极化所造成的电流（偶极式极化+夹层式极化）衰减时间较长。ig：电导电流。（恒定电流即泄露电流）iiiaicig2021/9/1546吸收现象与吸收比吸收现象与吸收比由前面等值电路的分析可知，电介质在直流电压作用下泄露电流是逐渐衰减致稳定值的。这一现象在绝缘中称为吸收现象。依据吸收现象表现的情况也可以来判断绝缘的好坏。当绝缘干燥良好时，良好绝缘的吸收现象明显，故通常用加压后60s和15s的电阻比值作为判断依据，称为吸收比K。一般规定吸收比一般规定吸收比K K1.31.3，表明绝缘干燥良好，表明绝缘干燥良好2021/9/1547交流电压下的介质损耗交流电压下的介质损耗R Rlklk泄漏电阻I Ilklk漏导电流C Cp p有损极化形成的电容R Rp p有损极化形成的等效电阻C Cg g介质真空介质真空和无损极化和无损极化形成的电容形成的电容2021/9/1548介质损耗的基本概念介质损耗的基本概念单位体积介质中的损耗功率可用下式表示对于含有均匀介质的平板电容器，总损耗功率为式中，V为介质体积；U为所加电压2021/9/1549气体介质中的损耗u气体介质的极化率很小。u当场强小于气体分子电力所需值时，气体介质的电导很小，损耗也很小，可以忽略不计。u当场强超过气体分子电力所需值时，气体介质将产生电离，介质损耗增大，且随着电压升高，损耗增长很快。2021/9/1550液体和固体介质中的损耗中性液体和固体介质中的损耗主要由漏导决定，介质损耗与温度、场强等因素的关系也就决定于电导与这些因素之间的关系。中性液体（固体）电介质中性液体（固体）电介质的的 tgtgtgtg 与温度的关系与温度的关系中性液体（固体）电介质中性液体（固体）电介质的的 tgtgtgtg 与场强的关系与场强的关系2021/9/1551液体和固体介质中的损耗温度较低时，松香油的黏度大，偶极子的转向较难，故tgtg较小极性液体和固体介质中的损耗主要包括电导式损耗和电偶式损耗两部分温度升高，松香油的黏度减小，偶极子转向较易，故tgtg增大温度再高时，偶极子回转时的摩擦损耗减小很多，所以tgtg反而减小温度更高时，虽然黏度小，摩擦损耗减小，但电导迅速增大，电导损耗增大，所以tgtg也迅速增大2021/9/1552液体和固体介质中的损耗频率很低时，介质中的损耗主要频率很低时，介质中的损耗主要由电导决定，偶极式损耗很少，由电导决定，偶极式损耗很少，总损耗功率小总损耗功率小频率很低，电频率很低，电容电流小，容电流小，tgtgtgtg比较大比较大频率增高，偶极子回转频率和偶极损耗增高；与此同时，偶极式极化不充分，介电常数减小，电容电流不能与频率成比例增加，tgtg在某频率范围内随着频率增高而增大频率更高时，偶极子回转已完全频率更高时，偶极子回转已完全跟不上电源频率，损耗功率趋于跟不上电源频率，损耗功率趋于稳定，介电常数达到较低的稳定稳定，介电常数达到较低的稳定值，电容电流与频率成正比例增值，电容电流与频率成正比例增长，长，tgtg近乎与频率成反比例减近乎与频率成反比例减小小2021/9/1553液体和固体介质中的损耗极性固体介质的tg与温度的关系如图所示，其规律性类似与极性液体介质2021/9/1554液体和固体介质中的损耗玻璃和石英在角频率玻璃和石英在角频率 时，时，tgtg 随着频率而增大，即损耗随着频率而增大，即损耗功率的增长比频率增长更快。功率的增长比频率增长更快。2021/9/1555电介质损耗在工程上的意义电介质损耗在工程上的意义（1）选用绝缘介质，必须注意材料的tg。介 质的损耗越大，交流下的发热越严重，这不仅使介质的容易劣化，严重时导致介质的热击穿。（2）绝缘受潮时其tg会增大，绝缘中存在气隙或大量气泡时在高电压下tg也会显著增大。因此通过测量tg或tgU曲线可发现绝缘是否存在受潮、开裂等缺陷。（3）使用电气设备时必须注意它们对频率、温度和电压的要求，超出规定的范围时，不仅对电气设备本身绝缘不利，还可能给其它工作造成不良影响。2021/9/1556小 结电介质的极化电介质的极化极化类型极化类型极化机理极化机理极化速度极化速度有无能量损耗有无能量损耗电子位移极化电子位移极化带电质点的弹性位移带电质点的弹性位移10-1410-15s与可见光周期相近与可见光周期相近无无离子位移极化离子位移极化10-1210-13s低于红外光频率低于红外光频率极微量极微量转向极化转向极化带电质点的弹性转向带电质点的弹性转向10-610-2s有有空间电荷极化空间电荷极化带电质点的移动带电质点的移动缓慢缓慢有有2021/9/1557小 结电介质的介电常数电介质的介电常数介电常数的物理意义结点常数与温度和频率的关系电介质的电导电介质的电导气体、液体和固体电介质的电导与温度、场强的关系电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗电介质的等效电路介质中的损耗与温度和频率的关系2021/9/1558第二章 气体放电的基本理论研究气体放电的目的 了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质变成导体的物理过程 掌握气体介质的电气强度及其提高方法电气设备中常用气体介质空气、压缩的高电气强度气体（如SF6）2021/9/1559气体放电的主要形式气体放电的主要形式1、辉光放电 （1）放电条件：当电场均匀，气压较低，电源功率较小，外施电压增加到一定值后。（2）现象：通过气体的电流明显增加，气体间隙两极间整个空间忽然出现发光现象，这种放电形式称为辉光放电。辉光放电的电流密度较小，放电区域通常占据整个电极间的空间。（3）例子：霓虹管中的放电就是辉光放电2021/9/1560气体放电的主要形式气体放电的主要形式2、火花放电特点（1）条件：电场均匀，大气条件下，电源功率较小时，电压升高到一定值时。（2）现象：气体突然发生明亮的火花，火花向对面火花向对面电极伸展出细光束。电极伸展出细光束。这种火花会瞬时熄灭，接着又突然发生。2021/9/1561气体放电的主要形式气体放电的主要形式3、电晕放电（1）条件：当电极的曲率半径很小电极的曲率半径很小时，电场很不均匀，大气条件下，当外施电压的升高到一定数值时。（2）现象：在电极尖端附近会出现暗蓝色的放电微光电极尖端附近会出现暗蓝色的放电微光，并发出声音。如不继续提高电压，放电就局限在较小的范围内，成为局部放电局部放电。发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用。（3）各种高压装置的电极尖端。常常发生这种电晕放电。2021/9/1562气体放电的主要形式气体放电的主要形式4、电弧放电（1）条件：当气体间隙两极的电源功率足够大时（2）现象：气体发生火花放电之后，便立即发展至火花放电之后，便立即发展至对面电极，出现非常明亮的连续弧光对面电极，出现非常明亮的连续弧光。形成电弧放电。发生电弧放电时，电弧的温度极高。2021/9/15632.1 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生负离子的形成带电粒子的消失2021/9/1564原子的结构 原子是由带正电的原子核和绕核旋转的电子组成。电子在原子核外是分层排布的，各层具有不同的轨道半径。电子运动的轨道半径不同，其能量也不同。2021/9/1565原子的能量 （1）动能：原子的动能取决于原子的质量和运动速度。（2）位能：原子的位能则取决于其中电子的能量。当电子从其正常轨道上跃迁到能量更高的轨道上时，原子的位能也相应增加。（3）能级：根据原子中电子的能量状态，原子具有一系列可取的确定的位能，称为原子的能级。原子的正常状态相当于最低的能级。2021/9/1566一、带电粒子的产生 产生带电粒子的物理过程称为电离，是气体放电的首要前提。激励 当原子获得外部能量，一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去，该现象称为激励。电离能 使基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称为电离能。2021/9/1567碰撞电离电子获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者引起碰撞电离。电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：式中 m电子的质量；e电子的电荷量。2021/9/1568 如果W大于或等于气体分子的电离能Wi，该电子就有足够的能量完成碰撞电离。由此可得碰撞电离时应满足以下条件：2021/9/1569x表示为使碰撞导致电离，带电粒子在碰撞前必须行径的距离（行程）。增大E可以减小x。2021/9/1570自由行程自由行程 概念:任一带电质点每两次碰撞之间自由地走过的距离称为自由行程。影响因素：和气体的密度成反比。电子和离子的自由行程比较：电子的平均自由行程比离子的大得多。正因为电子的平均自由行程大，在电场作用下加速运动时能积聚到足够的动能。碰撞游离主要由电子和气体分子碰撞所引起，离子和气体分子碰撞使其游离的概率很小。2021/9/1571光电离频率为v的光子的能量为产生光电离的条件应为式中 h普朗克常数，h=6.6310-34Js=4.1310-15eVs式中 光的波长，m；C光速，3108m/s；Wi气体的电离能，eV。光子的来源：气体中的光子的来源：气体中的光子可来源于外界，也光子可来源于外界，也可由气体放电过程本身可由气体放电过程本身产生。产生。2021/9/1572热电离 常温下，气体分子发生热电离的概率极小。高温下，热辐射光子的能量达到一定数值即可造成气体的热电离。空气的电离度m与温度的关系T10000K时，才考虑热电离；T20000K时，几乎所有分子都处于热电离状态。2021/9/1573热电离概念：由气体的热状态引起的碰撞游离过程称为热游离。实质：热游离是热状态下碰撞游离和光游离的综合。2021/9/1574表面电离逸出功：从金属电极表面发射电子需要的能量。当逸出功电离能时，阴极表面可在下列情况下发生：正离子撞击阴极表面光电子发射（短波光照射）热电子发射强电场发射2021/9/1575二、负离子的形成附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有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形成负离子的情况。负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减小，因而对气体放电的发展起抑制作用。2021/9/1576三、带电粒子的消失u带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达电极时，消失于电极上形成外电路中的电流；u带电粒子因扩散而逸出气体放电空间；u带电粒子的复合。2021/9/1577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与中和，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。2021/9/1578小 结带电粒子产生和消失的物理过程n光电离n热电离n碰撞电离n电极表面电离n负离子的形成 电子的附着形成负离子n带电粒子的消失2021/9/15792.2 汤逊气体放电理论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2021/9/1580 气体放电的现象与发展规律与气体种类、气压大小、气隙的电场形式、电源容量等一系列因素有关。但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞导致电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。2021/9/1581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2021/9/1582图中为实验所得平板电极（均匀电场）气体中的电流I与所加电压的关系，即伏安特性2021/9/1583在曲线0a段，I随U的提高而增大，这是由于电极空间的带电粒子向电极运动加速而导致复合数的减少所致。2021/9/1584当电压接近Ua时，电流趋向于饱和值I0，因为这时外界电离因子所产生的带电粒子几乎能全部抵达电极，所以电流值仅取决于电离因子的强弱而与所加电压无关。2021/9/1585当电压提高到Ub时，电流又开始随电压的升高而增大，这是由于气隙中出现碰撞电离和电子崩。2021/9/1586一、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。2021/9/1587 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。2021/9/1588电子崩形成的电流 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。l：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。l：一个正离子沿着电场方向行进单位长度后平均发生的碰撞电离次数。l：折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属表面平均释放出的自由电子数。2021/9/1589 如图为平板电极气隙，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。2021/9/1590 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。2021/9/1591根据碰撞电离系数的定义，可得积分后得2021/9/1592 在均匀电场中，气隙中各点的电场强度相同，为常数抵达阳极的电子数应为：新增加的电子数为2021/9/1593 将上式的等号两侧乘以电子的电荷qe，即得电流关系式 虽然电子崩电流按指数规律随极间距离x而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦失去外间电离因子，电离电流即变为零。2021/9/1594二、碰撞电离系数电子在单位距离内产生碰撞的次数，等于电子平均自由行程的倒数1/。每次碰撞产生电离的概率，电子能量必须大于气体分子的电离能Wi2021/9/1595电子实际自由形成长度等于或大于xi的概率为所以2021/9/1596三、自持放电当气隙电压大于Uc时，电流I随电压U的增大不在遵循II0ex的规律，而是更快一些，这时又出现了促进放电的新因素，这就是受正离子的影响。2021/9/1597自持放电的形成 在电场作用下，正离子向阴极运定，由于它的平均自由行程较短，不易积累动能，所以很难使气体分子发生碰撞电离。但当正离子撞击阴极表面时却又可能引起表面电离而拉出电子，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动和形成新的电子崩。2021/9/1598 如果电压足够大，初始电子崩中的正离子在阴极上产生出来的新电子等于或大于n0，即使出去外界电离因子的作用，放电也不会停止。这就变成了自持放电。2021/9/1599自持放电的条件 ：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d：两极板距离2021/9/15100自持放电的条件 利用高速示波器可以测出放电发展过程中的电流变化。电流的周期性变化说明间隙中电离、阴极发射电子等一次次的循环。不满足自持条件时的放电，电流逐步减为零，此时间隙中气体未击穿，仍保持绝缘状态。2021/9/15101四、击穿电压与气压的关系式中：A为常数，P为气压因此式中由碰撞系数定义可知2021/9/15102由可得场强与电压的关系为自持放电条件下空气间隙击穿电压为2021/9/15103巴申定律巴申就从试验中得出：当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压是气体的相对密度相对密度和气隙距离d乘积的函数，即巴申定理可以由汤逊理论来解释，但是使用起来却有很大的局限性，只能解释d0.26cm的空气间隙。2021/9/15104巴申定律自持放电需要达到一定的电离数ad，而这又决定于碰撞次数与电离概率的乘积。d一定，P较小，则气体密度小，碰撞机率较小，所以击穿电压较高。d一定，P增大时，气体相对密度较大，碰撞机率增大，电子自由行程缩短，不易积累动能，击穿电压升高。2021/9/15105汤逊放电理论的适用范围汤逊放电理论的核心（1）碰撞电离（2）自持放电是气体间隙击穿的必要条件汤逊理论的适用范围：1.均匀电场2.低气压3.短间隙2021/9/15106汤逊理论的局限性汤逊理论的局限性 （1）实际测得的大气击穿过程所需的时间比按汤逊理论计算的时间小得多(要小10100倍)。（2）按汤逊理论，气体间隙的放电与阴极材料有很大关系。而实测的情况表明，大气压力下的气体放电几乎与阴极材料无关。（3）按汤逊理论，气体间隙的放电是均匀连续发展的，但在大气中的气体击穿时，会出现有分枝的明亮通道（发光）。2021/9/15107汤逊放电理论的适用范围高气压、长间隙的放电现象无法用汤逊理论加以解释（1）放电外形（2）放电时间（3）击穿电压（4）阴极材料的影响主要原因：u没有考虑电离出来的的空间电荷会使电场畸变u没有考虑光子在放电过程中的作用2021/9/151082.3 流注放电理论1.1.空间电荷对电场的畸变空间电荷对电场的畸变电子崩中出现大量空间电荷，崩电子崩中出现大量空间电荷，崩头最前面集中着电子，其后直到头最前面集中着电子，其后直到尾部是正离子尾部是正离子。电子崩的电离过程集中于头部，空间电荷的分布极不均匀电子崩头部电离过程强烈，加上电场畸变，崩头放射出大量光子。崩头前后，电场增强，有利于激励，反激励过程又会释放出光子。电子崩内部电场大大削弱，有助于复合，同样是释放出光子。2021/9/151092.2.流注的形成流注的形成发展速度11082108cm/s放电的三个阶段：电子崩流注主放电2021/9/15110负流注的形成负流注的形成 当外加电压比击穿电压还高当外加电压比击穿电压还高时，电子崩不需经过整个间隙，时，电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注。其头部电离程度已足以形成流注。发展速度发展速度 11082108cm/s2021/9/15111流注放电理论 关于气体电击穿机理的一种理论。由R.瑞特与J.M.米克于1937年提出。汤森理论奠定了气体放电的理论基础，但是随着气体放电研究的发展，有些现象只由汤森理论难以解释，例如放电发展的速度比碰撞电离快，放电通道是不均匀的而呈折线形状，因此需要寻求其他理论。流注理论就是在总结这些实验现象的基础上形成的。2021/9/15112流注放电理论 应用流注理论描述放电过程。在外施电场作用下，电子崩由阴极向阳极发展，由于气体原子（或分子）的激励、电离、复合等过程产生光电离，在电子崩附近由光电子引起新的子电子崩,电子崩接近阳极时，电离最强,光辐射也强。光电子产生的子电子崩汇集到由阳极生长的放电通道，并帮助它的发展，形成由阳极向阴极前进的流注（正流注），流注的速度比碰撞电离快。同时，光辐射是指向各个方向的，光电子产生的地点也是随机的，这说明放电通道可能是曲折进行的。2021/9/15113流注放电理论 正流注达到阴极时,正负电极之间形成一导电的通道，可以通过大的电流，使间隙击穿。如果所加电压超过临界击穿电压（过电压），电子崩电离加强，虽然电子崩还没有发展到阳极附近，但在间隙中部就可能产生许多光电子及子电子崩,它们汇集到主电子崩,加速放电的发展，增加放电通道的电导率，形成由阴极发展的流注（负流注）。2021/9/15114流注放电理论 瑞特和米克认为，当电子崩头部的电场比外加电压在间隙中形成的均匀电场更强时，电子崩附近电场严重畸变，电离剧烈，放电可以自行发展成流注，从而导致间隙击穿。根据这一基本思想，他们进行了理论推演。虽然他们计算电子崩头部电场的方法不尽相同，推导出不同的计算击穿电压的方程，但是计算得到的击穿电压很相近，与试验比较相符。20世纪60年代后期，纳秒照相技术发展，使对放电通道的研究有了更深入的发展，发现电子崩进行到一定距离之后，放电通道分别向阳极和阴极发展，其速度比电子崩快。2021/9/15115形成流注的必要条件：电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，大大加强电子崩头和尾部的电场；另一方面，电子崩中电荷密度很大，复合过程频繁，放射出光子在这部分强电场区很容易引发光电离。流注理论认为：二次电子的主要来源是光电离2021/9/151162.3 流注放电理论3.3.均匀电场中的自持放电条件 流注的形成直接取决于起始电子崩头部的电荷数量，而电子崩头部的电荷数量又主要取决于电子崩中全部电荷的数量eSeS常数常数（S）min20适用于不均匀电场2021/9/151172.4 电晕放电（）电晕现象：极不均匀电场中，间隙中的最大场强与平均场强相差很大。距曲率大的电极越近，场强也越大。当间隙上的电压升高时，在间隙中的平均场强远未达到平均击穿场强的情况下，曲率较大的电极附近空间的局部场强将首先达到足以引起强烈游离的数值，在这一局部区域内形成自持放电，产生薄薄的淡紫色发光层，这就是电晕，发光层则称为电晕层。出现电晕放电时，还可昕到“咝咝”的放电声，并能闻到臭氧的气味。2021/9/151182.4 电晕放电（）原因 电晕层发光是由于伴随着游离而存在的复合及由激发态回到正常态的反激发辐射光子造成的。电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。电晕放电的电流强度并不取决于电源电路中的阻抗，而取决于电极外气体空间的电导，即取决于外施电压的大小、电极形状、极间距离、气体的性质和密度等。只有当极间距离对起晕电极表面最小曲率半径的比值大于一定值时，电晕放电才能发生。2021/9/15119电晕的起始电压与起始场强 电晕放电是极不均匀电场特有的一种自持放电形式，通常把能否出现稳定的电晕放电作为区分极不均匀电场和稍不均匀电场的标志。将开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压或起晕电压UC，而开始出现电晕时电极表面的场强称为电晕起始场强或起晕场强EC。2021/9/15120电晕放电的物理过程电子崩形式电子崩形式 外施电压较低，起晕电极的曲率半径很大，电晕层很薄，电晕放电均匀、稳定，属于电子崩性质的自持放电。流注形式流注形式 随着电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现脉冲放电现象，转变为不均匀、不稳定的流注性质的自持放电。间隙击穿间隙击穿 电压进一步升高，个别流注强烈发展，出现刷状放电情况，放电脉冲现象更加强烈，最后贯穿间隙。2021/9/15121u电晕电流的波形（1）电压很低，电流极小，平均值6m当下行雷先导从雷云向建筑物方向发展时，可能从建筑物上产生向上的迎雷先导。迎雷先导会影响下行先导的发展路线，并决定雷击点的所在。2021/9/15136雷电主放电过程 先导头部逐渐接近地面，剩余间隙的场强越来越大，造成强烈的电离，最后形成高导电的通道。电离出来的电子迅速流入大地，正离子中和先导通道中的负电荷。剩余间隙中由于电离强烈，造成的正、负电荷密度比先导通道中的电荷密度大几个数量级，电导很大，轴向场强很小，相当于把大地的电位带到了初始主放电通道的上端。初始主放电通道上端和原先导通道下端的交界处，出现极大的场强，形成极强烈的电离，将该段先导通道改造成更高电导的主放电通道，于是主放电通道向上延伸。径向放电：主放电通道向上延伸，中和了该段先导通道中的负电荷，但原来先导通道四周的负空间电荷仍然存在，产生很大的径向长钱，造成电晕流注放电2021/9/151372.5 不均匀电场气隙的击穿1、极性效应 对于电极形状不对称的不均匀电场气隙，如棒一板间隙，棒的极性不同时，间隙的起晕电压和击穿电压各不相同，这种现象称为极性效应。极性效应是不对称的不均匀电场所具有的特性之一。2、原因 极性效应是由于棒的极性不同时间隙中的空间电荷对外电场的畸变作用不同