2 高电压工程1(极化 气体击穿)

5.负离子的形成: 中性分子或原子与电子相结合，形
成负离子（附着）
附着过程中放出能量（亲合能Ｅ）－ 电负性气体
Ｅ大 , 易形成负离子－强电负性气体，如SF6
负离子的形成使自由电子数减少，对气体放电的发 展起抑制作用
二. 带电粒子的消失（去电离、消电离） 1. 中和－在电场作用下作定向运动，消失于电极 而形成外电路中的电流 (迁移率) 2. 扩散－因扩散而逸出气体放电空间（热运动） 3. 复合－带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的 传递、中和而还原为中性粒子的过程 （多为负离子与正离子复合，而碰撞电离 多为电子碰撞粒子产生） 与电离相反的 物理过程

h ≥ Wi hc ≤ Wi
光辐射能够引起 光电离的临界波长
可见光（400～750nm）不能 使气体直接发生光电离
光子来源：紫外线、伦琴射线、γ射线、宇宙射线 异号粒子复合也产生光子
Ｔ↑→分子动能↑→碰撞电离 Ｔ↑→热辐射光子的能量、数量↑→光电离
热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合
温度超过10000K时（如电弧放电）热电离较强， 在温度达到20000K左右，几乎全部空气分子都 已经处于热电离状态
理由：介质损耗P值和试验电压U、试品等值电容 量、电源频率等许多因素有关，而tgδ 是一个仅 取决于材料本身的损耗特征而与上述种种因素无 关的物理量。 tgδ 的增大，意味着介质绝缘性能变差，实践中 常通过测量tgδ 来判断设备绝缘的好坏。
▲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，uC1i2 R2C2
i3 R3
3. 电介质在直流电压作用下的吸收现象
i
dielectric absorption curve
i i1 i2 i3
|
充 电 电 流
|
吸 收 电 流
|
泄 漏 电 流
吸收曲线
i
i2 i1
i3
0
t (s)
4. 介质损耗角正切tgδ Dissipation or loss factor 交流电压作用下的向量图：
动能、位能
条件：⑴
撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能
⑵ 一定的相互作用的时间和条件，通过复杂 的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换 主要的碰撞电离由电子完成
电子引起碰撞电离的条件：
Wi qEx ≥ Wi ≥ xi x qE
2.光电离：在光照射下，将光子能量传给粒子，游 离出自由电子 ------由光电离而产生的自由电子称为光电子 必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能
Experiments of parallel plate capacitor
束缚电荷
U
Q´
In vacuum, the capacitance of the test capacitor:C0 Q0 C0U Q Q0 Q CU Q C 相对介电常数： r relative dielectric constant Q0 C0
甚至演变成导体。
在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：
1. 在弱电场下，主要有极化、电导、介质损耗等
2. 在强电场下，主要有放电、闪络、击穿等
Chapter 2. 气体放电的物理过程
研究气体放电的目的：
●了解气体在高电压（强电场）的作用下逐步由电介质
演变成导体的过程；
●掌握气体介质的电气强度及其提高的方法
高电压技术
High Voltage Technology
孙岩洲 电气工程系
电介质(dielectric)： ----在电场中能产生极化的物质，指通常条件下导电性能极差、 在电力系统用作绝缘的材料。 ----极化是指物质中电荷分离形成偶极子的过程 电介质－从贮存电能的角度看 绝缘材料－从隔离电流角度看 气体电介质
4. 固体电介质的体积电导和表面电导
体积电导 volume conduction
－电介质内部绝缘状态的真实反映
表面电导 surface conduction －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） 表面电导小
离子位移极化 Ionic polarization.
E
Ionic polarization of crystal of NaCl
特点：存在于离子结构电介质中，极化所需时间也很短； 极化具有弹性，无能量损耗； r 随温度升高而增大
有些电介质具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不 重合，这种分子称为极性分子，这种电介质称为极性电介质， 例如胶木、橡胶、纤维素、蓖麻油、氯化联苯等。 每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在 外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电 矩等于零，整个介质对外并不表现出极性
施加能量W>Wi
自由电子 电离
施加能量 激励 施加能量 自由电子 分级电离
施加能量
激励
光子
§2.1 气体中带电粒子的产生与消失
一. 带电粒子的产生(电离过程）
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 1.碰撞电离：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
是气体中产生带电粒子的 最重要的形式
绝缘材料的电阻率：108~1020 m
导体的电阻率：10-8~10-4 m 半导体的电阻率：10-4~107 m
2.电介质电导与金属电导的区别
金属中为 electronic conduction
数量级：电介质的γ小，泄漏电流小；金属的电导电流很大
带电质点：电介质中为 ionic conduction（固有及杂质离子）；
IR

~U
Rp I C



I

U
并联电路中：
U IR Rp I C UC p
2
∴
P UI R UI C tg U C ptg
I R U / Rp 1 由相量图： tg I C UC p C p Rp
5. 用tgδ 作为综合反映介质损耗特性优劣的指标
电导电流影响因素：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
3.液体和固体电介质的γ与温度的关系： 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↑
B /T
电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正的温 度系数。
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。 Dielectric dissipation, also called dielectric loss, consists of conductive losses and polarization losses.
电介质 电极
E
U
U
出现外电场后偶极子沿 电场方向转动，作较有 规则的排列， 因而显出 极性，这种极化称为偶 极子极化或转向极化。
Orientation polarization
偶极子极化
E 0

E 0
In thermal equilibrium, the dipoles will be randomly oriented and thus carry no net polarization. The external field aligns these dipoles to some extent and thus induces a polarization of the
特点：存在于极性电介质中，极化所需时间较长，
r 与电源频率有很大关系；极化消耗能量；
温度过高或过低， r 都会减小
频率太高时偶极子将来不及转动，因而其εr 值变小。温 度对极性电介质εr 值也有很大的影响。因为温度较低时 分子间的联系紧密，偶极子转动困难。所以εr 很小。温 度升高后分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向， 使极化减弱。所以液体固体的εr 在低温下先随温度的升 高而增大，以后当热运动变的较强烈时，εr 又开始随温 度的上升而减小。
Parallel-connected equivalent circuit 2. 电介质的三支路等值电路 C —displacement
i i1 i2 i3
i1
1
current related to lossless polarization
C2-R2—related to loss polarization R3—related to leakage loss
成反比，要注意各种材料的 εr值的配合； （3）极化类型影响介质损耗，从而影响绝缘劣化和热击穿
为便于比较，将上述各种极化列为下表
极化种类 产生场合 所需时间 能量损耗 产生原因 束缚电子运行 轨道偏移 离子的相对偏 移 偶极子的定向 排列 自由电荷的移 动
电子位移极化
任何电介质 离子式结构电 介质 极性电介质 多层介质的交 界面
2. 电介质的极化种类
Electronic polarization 电子位移极化
E 0

E 0
An electrical field always displaces the center of charge of the electrons with respect to the nucleus and thus induce a dipole moment. 特点：存在于一切电介质，极化所需时间短， r不随频率变化； 极化具有弹性，不损耗能量
4.电极表面电离: ---气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。 ---游离需要能量，称金属的逸出功，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 随着外加能量形式的不同，阴极的表面电离可在 下列情况下发生： ⑴ 正离子撞击阴极表面 ⑵ ⑶ ⑷ 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 强场发射：电极表面附近存在强电场