1、高电压技术全册配套完整高电压技术全册配套完整 教学课件教学课件 高高 电电 压压 技技 术术 1、什么是高压？、什么是高压？ 电压等级：电压等级： 220v、3kv、6kv 10kv、35kv、66kv、110kv、220kv 330kv、500kv、750kv 1000kv 低压低压 高压高压 超高压超高压 特高压特高压 3SUI 2 3PI R 2、为什么要有高电压？、为什么要有高电压？ 长距离大容量输电的可行性；长距离大容量输电的可行性； 经济性。经济性。 3、电力设备特性有哪些？、电力设备特性有哪些？ 导电性；导磁性；绝缘能力。导电性；导磁性；绝缘能力。 4、高电压系统基本要求？、高电
2、压系统基本要求？ 安全性（绝缘问题）；安全性（绝缘问题）； 可靠性（预防过电压）。可靠性（预防过电压）。 5、课程内容：、课程内容： 绝缘与试验绝缘与试验 过电压及保护过电压及保护 操作过电压操作过电压 暂时过电压暂时过电压 外部过电压（雷电）外部过电压（雷电） 内部过电压内部过电压 气体、液体、固体绝缘性能气体、液体、固体绝缘性能 介质试验及高压获得介质试验及高压获得 第第1篇篇 高电压绝缘及试验高电压绝缘及试验 第第2篇篇 电力系统过电压及保护电力系统过电压及保护 第第1章章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗 第第2章章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程 第第3章章 气
3、隙的电气强度气隙的电气强度 第第4章章 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 第第5章章 电气设备绝缘试验（一）电气设备绝缘试验（一） 第第6章章 电气设备绝缘试验（二）电气设备绝缘试验（二） 第第7章章 线路和绕组中的波过程线路和绕组中的波过程 第第8章章 雷电及防雷装置雷电及防雷装置 第第9章章 输电线路的防雷保护输电线路的防雷保护 第第10章章 发电厂和变电所的防雷保护发电厂和变电所的防雷保护 第第11章章 电力系统暂时过电压电力系统暂时过电压 第第12章章 电力系统操作过电压电力系统操作过电压 6、课程特点：、课程特点： 介绍性（多叙述、少计算）；介绍性（多叙述
4、、少计算）； 节奏快；节奏快； 实验危险性高。实验危险性高。 第第1章章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗 1.1 电介质的极化电介质的极化 1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数 1.3 电介质的电导电介质的电导 1.4 电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗 1.1 电介质的极化电介质的极化 电介质极化有四种基本类型电介质极化有四种基本类型 电介质：在其中可建立稳定电场而几乎没有电流通过的物质电介质：在其中可建立稳定电场而几乎没有电流通过的物质。 极化：在外电场作用下极化：在外电场作用下，电介质内部产生宏观不为零的电偶极矩电介质内部产生宏观不为零的电偶极矩。 电子位移极化；
5、电子位移极化； 离子位移极化；离子位移极化； 转向极化；转向极化； 空间电荷极化。空间电荷极化。 1、电子位移极化：、电子位移极化： 电介质：一般由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕核的带负电介质：一般由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕核的带负 电电子构成。电电子构成。 感应电矩：没有外电场时，电子云中心与原子核重合，感应电矩为零，对外不显现极感应电矩：没有外电场时，电子云中心与原子核重合，感应电矩为零，对外不显现极 性。性。 感应电矩消失：外电场消失后，原子核与电子云的引力又使二者重合，感应电矩也随感应电矩消失：外电场消失后，原子核与电子云的引力又使二者
6、重合，感应电矩也随 之消失。之消失。 电子位移极化：外加一个电场，原子核向外电场方向移动，而电子方向反方向移动，电子位移极化：外加一个电场，原子核向外电场方向移动，而电子方向反方向移动， 达到平衡后，感应力矩也稳定，这个过程叫电子位移极化。达到平衡后，感应力矩也稳定，这个过程叫电子位移极化。 E 电子位移极化特点：电子位移极化特点： 时间：完成时间极短，约为时间：完成时间极短，约为10-1410-15s； 能量损耗：电子位移极化不引起能量损耗；能量损耗：电子位移极化不引起能量损耗； 温度：电子位移极化与温度无关，温度的变化只是温度：电子位移极化与温度无关，温度的变化只是 通过介质密度才影响到电
7、子位移极化率。通过介质密度才影响到电子位移极化率。 频率：电子位移极化基本与频率无关。频率：电子位移极化基本与频率无关。 2、离子位移极化：、离子位移极化： 由离子结合成的介质内，外电场的作用除了促使内部产生电子位移极化外，还由离子结合成的介质内，外电场的作用除了促使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，称为离子位移极化。产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。 lC lC lC lC Na Na Na Na lC Na Na lC lC lC Na Na E 离子位移极化特点：离子位移极化特点： 时间：完成时间短时间：完成时间短, ,约为约为10-12
8、10-13s ； 能量损耗：有极微量的能量损耗；能量损耗：有极微量的能量损耗； 温度：随温度的升高而略有增大；温度：随温度的升高而略有增大； 频率：极化与频率无关。频率：极化与频率无关。 温度温度 离子位移极化离子位移极化 离子间作用力离子间作用力 3、转向极化：、转向极化： 极性电介质：即使没有外加电场，由于分子中正负电荷的作用中心的不重合，就单个极性电介质：即使没有外加电场，由于分子中正负电荷的作用中心的不重合，就单个 分子而言，就已具有偶极矩，称为固有偶极矩。分子而言，就已具有偶极矩，称为固有偶极矩。 由于分子的不规则热运动，使各分子偶极矩排列无序，对外不呈现合成电矩。由于分子的不规则热
9、运动，使各分子偶极矩排列无序，对外不呈现合成电矩。 有外电场时，每个分子的固有偶极矩有转向电场方向的趋势，顺电场方向作定有外电场时，每个分子的固有偶极矩有转向电场方向的趋势，顺电场方向作定 向排列，它在不同程度上达到平衡，对外呈现宏观电矩，这就是极性分子的转向极化。向排列，它在不同程度上达到平衡，对外呈现宏观电矩，这就是极性分子的转向极化。 外电场愈强，转向定向愈充分，外电场消失，宏观的转向极化也随之消失。外电场愈强，转向定向愈充分，外电场消失，宏观的转向极化也随之消失。 E 转向极化特点：转向极化特点： 时间：完成时间较长，约为时间：完成时间较长，约为10-610-2s ； 能量损耗：有很小
10、的能量损耗；能量损耗：有很小的能量损耗； 与频率、温度相关。与频率、温度相关。 4、空间电荷极化（非弹性，与前三种有所区别）：、空间电荷极化（非弹性，与前三种有所区别）： 大多数绝缘结构中，电介质往往是层式结构，电介质也可能存在某种晶格缺陷。大多数绝缘结构中，电介质往往是层式结构，电介质也可能存在某种晶格缺陷。 在电场的作用下，带电质点在电介质中移动时，可能被晶格缺陷捕获，或在两层介质界在电场的作用下，带电质点在电介质中移动时，可能被晶格缺陷捕获，或在两层介质界 面上堆积，造成电荷在介质空间中新的分布，从而产生电矩，这种极化称为空间电荷极面上堆积，造成电荷在介质空间中新的分布，从而产生电矩，这
11、种极化称为空间电荷极 化。化。 空间电荷极化特点：空间电荷极化特点： 时间：缓慢；时间：缓慢； 能量损耗：有。能量损耗：有。 以最简单的双层介质为例：以最简单的双层介质为例： 1 G 2 G 1 C 2 C BA U 设设 1 1C 2 2C 1 2G 2 1G 3U 开关闭合初瞬间电导上电流为零，电压分布由电容值大小决定。开关闭合初瞬间电导上电流为零，电压分布由电容值大小决定。 12 21 0 2 2 1 t UC UC 12 2UU 12 21UU 111 1 22QCU 222 2 12QC U 2 eg Q 2 3 eq eg Q C U eg C 为整个介电质的等值电容为整个介电质的
12、等值电容 2 C 1 2U 2 1U 3U 1 C 2222 12 3UU 与与 分界面上堆积电荷数为分界面上堆积电荷数为 1 C 2 C220 到达稳态时，电容上电流为零，电压分布由电导大小决定。到达稳态时，电容上电流为零，电压分布由电导大小决定。 12 21 1 2 t UG UG 21 2UU 12 3UU 12 12UU 111 1 1 1QCU 222 2 24QC U 4 eg Q 4 3 eq eg Q C U 2 C 1 1U 2 2U 3U 1 C 4411 eg C 为整个介电质的等值电容为整个介电质的等值电容 与与 分界面上堆积电荷数为分界面上堆积电荷数为 1 C 2 C
13、4 13 各种极化方式的比较各种极化方式的比较 极化种类极化种类 产生场合产生场合 产生原因产生原因 所需时间所需时间 能量损耗能量损耗 电子位移极化电子位移极化 任何电介质任何电介质 束缚电子束缚电子 运行轨道偏移运行轨道偏移 10-15 s 无无 离子位移极化离子位移极化 离子式结构离子式结构 电介质电介质 离子的离子的 相对偏移相对偏移 10-13 s 几乎没有几乎没有 转向极化转向极化 极性电介质极性电介质 固有偶极矩的固有偶极矩的 定向排列定向排列s 10-610-2 s 小小 空间电荷极化空间电荷极化 多层介质的多层介质的 交界面交界面 自由电荷自由电荷 在层间的堆积在层间的堆积
14、10-2 s数小时数小时 有有 1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数 介电常数：用来衡量绝缘体储存电能的能力，代表电介质的极化程度（对电荷束缚的介电常数：用来衡量绝缘体储存电能的能力，代表电介质的极化程度（对电荷束缚的 能力）。能力）。 0r 介质中介质中 真空中真空中 0 DE 电位移矢量电位移矢量 场强矢量场强矢量 12 0 8.854 10 真空的介电常数真空的介电常数 1 r 相对介电常数相对介电常数 1、气体电介质的相对介电常数：、气体电介质的相对介电常数： 相对介电常数大小：由于气体物质分子间的距离相对较大，气体的极化率就很小，故相对介电常数大小：由于气体物质分子间的距离相对较
15、大，气体的极化率就很小，故 一切气体的相对介电常数都接近于一切气体的相对介电常数都接近于1。 影响因素：影响因素： 温度：气体的相对介电常数随温度的升高而减小；温度：气体的相对介电常数随温度的升高而减小； 压力：随压力的增大而增大。压力：随压力的增大而增大。 但以上的影响程度都很小。但以上的影响程度都很小。 2、液体电介质的相对介电常数：、液体电介质的相对介电常数： 中性液体介质：中性液体介质： 代表介质：石油、苯、四氧化碳、硅油等。代表介质：石油、苯、四氧化碳、硅油等。 大小：不大，其值在大小：不大，其值在1.82.8范围内。范围内。 极性液体介质：极性液体介质： 代表介质：蓖麻油、乙醇、水
16、等。代表介质：蓖麻油、乙醇、水等。 大小：具有较大介电常数，高压绝缘一般不用。大小：具有较大介电常数，高压绝缘一般不用。 影响因素：影响因素： 温度：温度： 0 r 温度温度分子间黏附力分子间黏附力转向极化转向极化介电常数介电常数 温度过高温度过高分子热运动分子热运动极性分子定向排列极性分子定向排列转向极化转向极化介电常数介电常数 频率：频率： 0 r f d 频率较低时频率较低时偶极分子来得及跟随电场交变转向偶极分子来得及跟随电场交变转向介电常数较大，接近直流情况下的介电常数较大，接近直流情况下的 d 频率超过临界值频率超过临界值偶极分子转向跟不上电场的变化偶极分子转向跟不上电场的变化介电常
17、数开始减小介电常数开始减小介电常数最终介电常数最终 接近于仅由电子位移极化引起的介电常数值接近于仅由电子位移极化引起的介电常数值 3、固体电介质的相对介电常数：、固体电介质的相对介电常数： 中性液体介质：中性液体介质： 代表介质：石蜡、硫磺等。代表介质：石蜡、硫磺等。 大小：只有电子式极化和离子式极化，介电常数较小。大小：只有电子式极化和离子式极化，介电常数较小。 极性液体介质：极性液体介质： 代表介质：树脂、纤维、橡胶、有机玻璃等。代表介质：树脂、纤维、橡胶、有机玻璃等。 大小：相对介电常数都比较大，一般为大小：相对介电常数都比较大，一般为36。 4、电介质介电常数的应用：、电介质介电常数的
18、应用： 导线绝缘：采用介电常数小的电介质；导线绝缘：采用介电常数小的电介质； 电容器：采用介电常数大的电介质。电容器：采用介电常数大的电介质。 1.3 电介质的电导电介质的电导 任何电介质都不是理想的绝缘体，它们总是少量的带电质点存在，在电场作用任何电介质都不是理想的绝缘体，它们总是少量的带电质点存在，在电场作用 下，带电质点作有方向的运动构成电流。因而任何电介质都具有一定的电导，表征电下，带电质点作有方向的运动构成电流。因而任何电介质都具有一定的电导，表征电 导大小的物理量是电导率导大小的物理量是电导率 （或电阻率（或电阻率 ）。）。 1 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
19、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。电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。 金属电导是由金属中固有存在的自由电子造成的。金属电导是由金属中固有存在的自由电子造成的。 电介质的电导：带电质点在电场作用下移动造成的。电介质的电导：带电质点在电场作用下移动造成的。 由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。由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。 分子发生化学分解形成的带电质点沿电场方向移动而造成的。分子发生化学分解形成的带电质点沿电场方向移动而造成的。 分子发生热离解形成的带电质点沿电场方向移动而造成的。分子发生热离解形
20、成的带电质点沿电场方向移动而造成的。 气体：气体： 液体：液体： 固体：固体： 1、气体电介质的电导：、气体电介质的电导： J E S J 1 E A B C 0 2 E cr E 电流密度电流密度 区：区： 进一步增大时，离子移动接近于饱和，即电流密度趋于饱和，但其值仍然很进一步增大时，离子移动接近于饱和，即电流密度趋于饱和，但其值仍然很 微小。此区域电导也是很小的，称为饱和区。微小。此区域电导也是很小的，称为饱和区。 E 区：气体中即使没有电场也有一定离子浓度，区：气体中即使没有电场也有一定离子浓度， 存在电场时，离子加速，形成很小存在电场时，离子加速，形成很小 的电流密度，此时电导很小。
21、因近的电流密度，此时电导很小。因近 似有似有 JE ，故称为线性区。，故称为线性区。 区：气体发生撞击电离，使区：气体发生撞击电离，使 迅速增大，电导迅速增大。当迅速增大，电导迅速增大。当 时，气隙被击穿，时，气隙被击穿， 故称为击穿区。故称为击穿区。 cr EE J 2、液体电介质的电导：、液体电介质的电导： 中性液体介质：中性液体介质： 中性液体介质本身分子的离解很微弱，电导主要由杂质和悬浮于液体介质中的荷中性液体介质本身分子的离解很微弱，电导主要由杂质和悬浮于液体介质中的荷 电粒子引起，电导较小。电粒子引起，电导较小。 极性液体介质：极性液体介质： 极性液体杂质的电导不仅由杂质引起，而且
22、与本身分子的离解度有关。极性液体杂质的电导不仅由杂质引起，而且与本身分子的离解度有关。 强极性液体介质（如水、酒精等），即使高度净化，电导率还是很大，以至于其强极性液体介质（如水、酒精等），即使高度净化，电导率还是很大，以至于其 不能看作电介质，而是离子式导电液。不能看作电介质，而是离子式导电液。 影响因素：影响因素： 温度：温度： 电导率与温度的关系：电导率与温度的关系： B T Ae 电场强度：电场强度： 温度温度 液体介质黏度液体介质黏度 离子迁移率离子迁移率 电导电导 温度温度 介质分子热离解度介质分子热离解度 电导电导 0 电流密度和电场强度的关系与气体介质类似，但电流密度和电场强度
23、的关系与气体介质类似，但 饱和过程一般观察不到。饱和过程一般观察不到。 J 0 E 3、固体电介质的电导：、固体电介质的电导： 中性固体介质：中性固体介质： 电导主要由杂质引起，电导较小。电导主要由杂质引起，电导较小。 离子式结构的固体介质：离子式结构的固体介质： 电导主要由离子在热运动影响下脱离晶格而移动产生的。电导主要由离子在热运动影响下脱离晶格而移动产生的。 影响因素：影响因素： 温度：类似于液体电介质。温度：类似于液体电介质。 电场强度：类似于液体电介质。电场强度：类似于液体电介质。 杂质：杂质对电导率的影响很大。杂质：杂质对电导率的影响很大。 固体介质除体积电导外，还存在表面电导。固
24、体介质除体积电导外，还存在表面电导。 1.4 电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗 1、介质损耗的基本概念：、介质损耗的基本概念： 介质损耗：在电场作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化损耗，总称为介质介质损耗：在电场作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化损耗，总称为介质 损耗。损耗。 I U 电介质的等效电路：电介质的等效电路： 1 I 1 C 2 I 2 R 2 C 3 I 3 R I 电容支路：由真空和无损极化所引起的电流为纯容性；电容支路：由真空和无损极化所引起的电流为纯容性； 阻容支路：由有损极化所引起的电流分为有功和容性无功两部分。阻容支路：由有损极化所引起的电流分为有功和
25、容性无功两部分。 纯阻支路：由漏导引起的电流，为纯阻性的。纯阻支路：由漏导引起的电流，为纯阻性的。 c I 1 I 2c I 3 I r I 2r I 2 I I U 计算用等值电路：计算用等值电路： c I eq C r I eq G I c I r I I U 2 1 rceq eq U PUIUIUI tgUtgUC tg C 单位体积介质的损耗功率单位体积介质的损耗功率 电介质的损耗角电介质的损耗角 介质损耗因数介质损耗因数 tg 工程上常用工程上常用 表征介质的品质表征介质的品质 tg 2、介质、介质损耗因数损耗因数 的意义的意义： 若若 过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致
26、热击穿。过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿。 tg tg tg 用于冲击测量的连接电缆，要求用于冲击测量的连接电缆，要求 必须要小，否则会影响测量精度。必须要小，否则会影响测量精度。 tg tg 用做绝缘材料的介质，希望用做绝缘材料的介质，希望 小。在其他场合，可利用小。在其他场合，可利用 引起的介质发热，如引起的介质发热，如 电瓷泥坯的阴干。电瓷泥坯的阴干。 在绝缘试验中，在绝缘试验中， 的测量是一项基本测试项目。的测量是一项基本测试项目。 tg 3、气体介质的损耗：、气体介质的损耗： 当场强小于气体分子电离所需要的值时，气体介质的电导很小，损耗也很小。当场强小于气体分子电离
27、所需要的值时，气体介质的电导很小，损耗也很小。 当场强足够大，气体介质将产生电离，介质损耗大增，且增长很快。当场强足够大，气体介质将产生电离，介质损耗大增，且增长很快。 4、液体和固体介质中的损耗：、液体和固体介质中的损耗： 中性介质中的极化主要时电子位移极化和离子位移极化，它们是无损的或几乎无中性介质中的极化主要时电子位移极化和离子位移极化，它们是无损的或几乎无 损的。这类介质的损耗主要由漏导决定。损的。这类介质的损耗主要由漏导决定。 极性介质的损耗主要包括电导式损耗和电偶式损耗两部分。它与温度、频率等因极性介质的损耗主要包括电导式损耗和电偶式损耗两部分。它与温度、频率等因 素有复杂的关系。
28、素有复杂的关系。 第第2章章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程 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 2.2 气体放电机理气体放电机理 2.3 电晕放电电晕放电 2.4 不均匀电场气隙的击穿不均匀电场气隙的击穿 2.5 雷电放电雷电放电 2.6 气隙的沿面放电气隙的沿面放电 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 1、气体中带电质点的产生：、气体中带电质点的产生： 纯净中性气体不导电，只有气体中出现带电质点后才能导电，并在电场作用下发纯净中性气体不导电，只有气体中出现带电质点后才能导电，并在电场作用下发 展成放电现象。展成放电现象。 基本概念：
29、基本概念： 玻尔理论：原子周围的电子按规律跃迁时，轨道越远，电子能量越大。玻尔理论：原子周围的电子按规律跃迁时，轨道越远，电子能量越大。 激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，这个过程叫激励。激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，这个过程叫激励。 激励能：激励所需能量叫激励能激励能：激励所需能量叫激励能 ，其值等于两轨道能级之差。，其值等于两轨道能级之差。 e W 电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨道成为自由电子。原来的中性电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨道成为自由电子。原来的中性 原子变成一个自由电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。原子
30、变成一个自由电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。 电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能 。 i W 反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色光（有能量的光子）的过程称反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色光（有能量的光子）的过程称 为反激励。为反激励。 电离电位和激励电位：一般用电离电位电离电位和激励电位：一般用电离电位 和激励电位和激励电位 来表示电离能和激励能。来表示电离能和激励能。 i U e U 撞击电离：撞击电离： 概念：通过撞击，给予气体质点以足够的能量，使气体质点发生的电离。概念：通过撞击，给予气体质点以足够的能
31、量，使气体质点发生的电离。 能量要求：能量要求： 中性质点：第一电离能。中性质点：第一电离能。 已被激励的质点：小于第一电离能。已被激励的质点：小于第一电离能。 负离子：大于第一电离能。负离子：大于第一电离能。 撞击能量：撞击能量： 动能动能 势能势能 2 1 2 mv 中性质点为零；中性质点为零； 正离子为正；正离子为正； 负离子为负。负离子为负。 平均自由程：一个质点两次碰撞之间的平均距离。其与密度呈反比。平均自由程：一个质点两次碰撞之间的平均距离。其与密度呈反比。 撞击过程不是简单的机械过程：撞击过程不是简单的机械过程： 速度速度动能动能 电离概率电离概率 速度速度撞击作用时间撞击作用时
32、间 电离概率电离概率 不存在电场时，温度足够高，才能发生撞击电离。不存在电场时，温度足够高，才能发生撞击电离。 存在电场时，电子是撞击电离的主要因素。存在电场时，电子是撞击电离的主要因素。 光电离：光电离： 概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生的电离。概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生的电离。 条件：光子能量不小于气体的电离能。条件：光子能量不小于气体的电离能。 光电子：由光电离产生的自由电子。光电子：由光电离产生的自由电子。 光的来源：光的来源： 气体本身的反激励或复合释放出的光子。气体本身的反激励或复合释放出的光子。 紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光电
33、离（先激励、再电离）的方紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光电离（先激励、再电离）的方 式也可实现电离。式也可实现电离。 外界自然光（紫外射线、伦琴射线、外界自然光（紫外射线、伦琴射线、 射线、宇宙射射线、宇宙射 线等高能射线）线等高能射线） 热电离：热电离： 概念：由气体的热状态造成的电离称为热电离。概念：由气体的热状态造成的电离称为热电离。 气体分子运动理论说明：气体的温度是其分子平均动能的度量。气体分子运动理论说明：气体的温度是其分子平均动能的度量。 特点：热电离不是一种独立的电离形式，而是包含着撞击电离和光电离，只是其电离特点：热电离不是一种独立的电离形式，而是包含着撞击电离和
34、光电离，只是其电离 能量来源于气体分子本身的热能。能量来源于气体分子本身的热能。 电离机理：电离机理： 温度温度分子平均动能分子平均动能 撞击电离撞击电离 温度温度热辐射出的光子数量热辐射出的光子数量 光电离光电离 表面电离：表面电离： 概念：由金属表面逸出电子的电离形式。概念：由金属表面逸出电子的电离形式。 逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。 电离形式：电离形式： 二次发射：用有足够能量的质点撞击金属表面。二次发射：用有足够能量的质点撞击金属表面。 光电子发射：用短波光照射金属表面。光电子发射：用短波光照射金属表面。 热电子发射：加热金属
35、电极。热电子发射：加热金属电极。 强场发射：在电极附近加强电场从电极拉出电子。强场发射：在电极附近加强电场从电极拉出电子。 负离子：负离子： 形成：电子与中性气体分子（原子）碰撞，不但没电离出新电子，电子反而被分子吸形成：电子与中性气体分子（原子）碰撞，不但没电离出新电子，电子反而被分子吸 附形成了负离子。附形成了负离子。 亲和能：一个中性分子（原子）与一个电子结合生成一价负离子所放出的能量。亲和能：一个中性分子（原子）与一个电子结合生成一价负离子所放出的能量。 作用：由于离子的电离能力比电子小很多，所以负离子的形成，对气体放电的发展起作用：由于离子的电离能力比电子小很多，所以负离子的形成，对
36、气体放电的发展起 阻抑作用。阻抑作用。 带电质点的产生：带电质点的产生： 电离形式：撞击电离、光电离、热电离、表面电离。电离形式：撞击电离、光电离、热电离、表面电离。 带电质点产生形式：四种电离形式、负离子。带电质点产生形式：四种电离形式、负离子。 2、气体中带电质点的消失：、气体中带电质点的消失： 气体中带电质点消失的方式有三种：中和、扩散、复合。气体中带电质点消失的方式有三种：中和、扩散、复合。 中和：中和： 带电质点在电场力作用下，宏观上沿电场作定向运动。带电质点受电场力作用而带电质点在电场力作用下，宏观上沿电场作定向运动。带电质点受电场力作用而 流入电极，中和电量。流入电极，中和电量。
37、 由于电子质量和直径比离子小很多，加速情况和碰撞情况也大不相同，电子迁移由于电子质量和直径比离子小很多，加速情况和碰撞情况也大不相同，电子迁移 率比离子大两个数量级。率比离子大两个数量级。 扩散：扩散： 扩散指质点从浓度较大的区域扩散到浓度较小的区域，从而使带电质点在空间各扩散指质点从浓度较大的区域扩散到浓度较小的区域，从而使带电质点在空间各 处浓度趋于平均的过程。处浓度趋于平均的过程。 扩散是由杂乱的热运动造成的，与电场力无关，电子扩散速度比离子快。扩散是由杂乱的热运动造成的，与电场力无关，电子扩散速度比离子快。 复合：复合： 带有异号电荷质点相遇，还原为中性质点的过程称为复合。带有异号电荷
38、质点相遇，还原为中性质点的过程称为复合。 复合时，电离吸收的能量以光子形式放出。复合由电场力作用，电子快，所以复复合时，电离吸收的能量以光子形式放出。复合由电场力作用，电子快，所以复 合几率小，总是先变成负离子再复合。合几率小，总是先变成负离子再复合。 1、概述：、概述： 电子崩：电子崩： 当外加电场强度足够大时，带电粒子两次碰撞间积聚的动能足够发生碰撞电离。当外加电场强度足够大时，带电粒子两次碰撞间积聚的动能足够发生碰撞电离。 电离出来的电子和离子在电离出来的电子和离子在 场强作用下又加入新的撞击电离，电离过程像雪崩一样增长场强作用下又加入新的撞击电离，电离过程像雪崩一样增长 起来，称为电子
39、崩。起来，称为电子崩。 2.2 气体放电机理气体放电机理 非自持放电：非自持放电： 当场强较小时，电子崩有赖于外界因素，外界因素消失，电子崩也消失。当场强较小时，电子崩有赖于外界因素，外界因素消失，电子崩也消失。 自持放电：自持放电： 当外加场强足够大时，电子崩不依赖外界因素，外界因素消失后，电子崩仍能够当外加场强足够大时，电子崩不依赖外界因素，外界因素消失后，电子崩仍能够 保持。保持。 自持放电与非自持放电的区别在于外加电场强度的大小，二者场强的分界点称为自持放电与非自持放电的区别在于外加电场强度的大小，二者场强的分界点称为 临界场强临界场强 。相应的电压称为临界电压。相应的电压称为临界电压
40、 。它称为自持放电的条件。它称为自持放电的条件。 cr U cr E cr E 临界场强临界场强 ： 放电形式：放电形式： 均匀电场：均匀电场： 不均匀电场：不均匀电场： 一处自持放电，整个气隙击穿。击穿电压等于临界电压。一处自持放电，整个气隙击穿。击穿电压等于临界电压。 场强较小时，局部强场处产生电晕放电。场强较小时，局部强场处产生电晕放电。 提高场强提高场强 气隙间隙小：产生火花击穿。气隙间隙小：产生火花击穿。 气隙间隙大：产生刷形放电。气隙间隙大：产生刷形放电。 继续提高场强，放电抵达对面电极，产生电弧击穿。继续提高场强，放电抵达对面电极，产生电弧击穿。 2、汤森德气体放电理论：、汤森德
41、气体放电理论： 三个因素（系数）：三个因素（系数）： 系数系数 ：1 个自由电子在走到阳极的个自由电子在走到阳极的1cm路程中撞击电离产生的平均自由电子。路程中撞击电离产生的平均自由电子。 系数系数 ：1 个正离子在走到阴极的个正离子在走到阴极的1cm路程中撞击电离产生的平均自由电子。路程中撞击电离产生的平均自由电子。 系数系数 ：1 个正离子撞击阴极表面，逸出的平均自由电子数。个正离子撞击阴极表面，逸出的平均自由电子数。 SS 该理论对均匀电场和气隙该理论对均匀电场和气隙 （ 为气隙密度、为气隙密度、 为极间距离）较小的情况比较适为极间距离）较小的情况比较适 用。用。 三个过程：三个过程：
42、过程：过程： 过程：过程： 过程：过程： dnndx dn dx n lnnx xs nee 路程上撞击电离出路程上撞击电离出 个正离子。个正离子。 1 s e S 可以忽略不计。可以忽略不计。 1 s e 个正离子撞击阴极，个正离子撞击阴极， 1 s e 电离出电离出 个电子。个电子。 11 s e 自持放电的条件：自持放电的条件： 电极距离电极距离 ，初始自由电子数，初始自由电子数 为为1，位置为阴极附近。，位置为阴极附近。 S 0 n S 0 nn x dx 帕邢曲线：帕邢曲线： b UfS b U S0 气隙击穿电压与气隙密度气隙击穿电压与气隙密度极间距离的关系。极间距离的关系。 b
43、U 平均自由程平均自由程 b U 碰撞次数碰撞次数 过大过大 过小过小 S 不变不变 不变不变 b U 欲保证欲保证 E 的大小的大小 b U 碰撞次数碰撞次数 S 过大过大 S 过小过小 汤森德气体放电理论的不足：汤森德气体放电理论的不足： 理论无法解释的试验现象：理论无法解释的试验现象： 放电路径为曲折细通道，形式为间歇、分段发展的；放电路径为曲折细通道，形式为间歇、分段发展的； 击穿电压与阴极材料几乎无关；击穿电压与阴极材料几乎无关； 放电时间比理论计算时间短。放电时间比理论计算时间短。 原因：原因： 电子崩造成的大量空间电荷导致电场畸变；电子崩造成的大量空间电荷导致电场畸变； 电离加剧
44、导致光子数量剧增，空间光电离加剧；电离加剧导致光子数量剧增，空间光电离加剧； 过大，带电质点不易扩散，屏蔽限制了放电通道；过大，带电质点不易扩散，屏蔽限制了放电通道； S 过大，射到阴极光子减少，削弱了过大，射到阴极光子减少，削弱了 作用；作用； 汤氏理论的条件：均匀电场、汤氏理论的条件：均匀电场、 不大（不大（ ） S0.26 3、流注放电理论（较均匀电场）：、流注放电理论（较均匀电场）： 空间电荷浓度：空间电荷浓度： 自由电子移动速度快，一起向阳极移动，浓度大；自由电子移动速度快，一起向阳极移动，浓度大； 正离子移动速度慢，缓慢向阴极移动，浓度小。正离子移动速度慢，缓慢向阴极移动，浓度小。
45、 x 0 N N N 合成电场畸变：合成电场畸变： 崩头前面的电场则被强烈加强；崩头前面的电场则被强烈加强； 崩尾电场也被加强了；崩尾电场也被加强了； 崩内正负空间电荷混杂处的电场被大大减弱。崩内正负空间电荷混杂处的电场被大大减弱。 x 0 E ex E 流注的形成：流注的形成： 电子崩头部接近阳极；电子崩头部接近阳极； 崩头和崩尾处电场增强，激励和反激励放射出大量光子；崩中复合也放射出光子；崩头和崩尾处电场增强，激励和反激励放射出大量光子；崩中复合也放射出光子； 一些光子射到崩尾，造成空间光电离，形成衍生（二次）电子崩；一些光子射到崩尾，造成空间光电离，形成衍生（二次）电子崩； 衍生电子崩头
46、部移动速度快，与主崩汇合；衍生电子崩头部移动速度快，与主崩汇合； 新的衍生电子崩在崩尾出现，一个一个向阴极发展，形成正流注。新的衍生电子崩在崩尾出现，一个一个向阴极发展，形成正流注。 气隙的击穿：气隙的击穿： 流注通道发展到阴极；流注通道发展到阴极； 该区域发生强烈电离，带电离子的碰撞和移动大大提升了通道的温度，导致热电离；该区域发生强烈电离，带电离子的碰撞和移动大大提升了通道的温度，导致热电离； 整个流注通道转化为火花通道，气隙的击穿完成。整个流注通道转化为火花通道，气隙的击穿完成。 负流注的发展速度比正流注慢。负流注的发展速度比正流注慢。 概念：概念： 由初崩辐射出的光子，在崩头、崩尾外围空间局部强场中衍生出二次电子崩并由初崩辐射出的光子，在崩头、崩尾外围空间局部强场中衍生出二次电子崩并 汇合到主崩通道中来，使主崩通道不断高速向前、后延伸的过程称为流注。汇合到主崩通道中来，使主崩通道不断高速向前、后延伸的过程称为流注。 均匀电场形成流注就能自持发展，直至击穿。均匀电场形成流注就能自持发展，直至击穿。 流注理论条件：流注理论条件： 形成流注需要电子崩头处电荷达到一定数量，才能形成必要的局部强场和足够的形成流注需要电子崩头处电荷达到一定数量，才能形成必要的局部强场和足够的 光电离。一般认为当满足光电离。一般认为当满足 时，可以应用流注机理来分析气隙的
