《高电压技术》第一篇电介质的电气强度第二节电子崩.pptx
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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 第一章第二节 电子崩
的碰撞电离次数平均值。 即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数。
注意： α必须是电子发生碰撞且电离的次数，若电子只发生
了碰撞没有导致电离则不能计入α中。
School of Electrical Engineering and Information SEEI
We are located in CHENGDU
Sichuan University
第一节 带电粒子的产生和消失
一．气体放电的概念
气体放电——气体中流通电流的各种形式。
1. 正常状态：优良的绝缘体。
在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但这些 带电粒子并不影响气体的绝缘。 空气的利用：架空输电线路个相导线之间、导线与地 线之间、导线与杆塔之间的绝缘；变压器相间的绝缘等。
Sichuan University
α过程的分析（电子崩的计算）
第二节 电子崩
③ 途中新增的电子数或正离子数△n
n na n0 n0 (e αd 1)
na
④ 电子电流增长规律 将式 n n0e x 两边乘以电子电荷qe
式中：I0—初始电子引起的初始电流
d
I I 0e αx
λe
e e e 式中：A、B—与气体种类有关的常数； E—电场强度； e e P—气体压力。
1
xi
xi
ui E
1
ui e E
APe
e
T P 1 当气温不变时， AP , Aui B
e ∝
BP E
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注意： α必须是电子发生碰撞且电离的次数，若电子只发生
了碰撞没有导致电离则不能计入α中。
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第一节 带电粒子的产生和消失
一．气体放电的概念
气体放电——气体中流通电流的各种形式。
1. 正常状态：优良的绝缘体。
在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但这些 带电粒子并不影响气体的绝缘。 空气的利用：架空输电线路个相导线之间、导线与地 线之间、导线与杆塔之间的绝缘；变压器相间的绝缘等。
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α过程的分析（电子崩的计算）
第二节 电子崩
③ 途中新增的电子数或正离子数△n
n na n0 n0 (e αd 1)
na
④ 电子电流增长规律 将式 n n0e x 两边乘以电子电荷qe
式中：I0—初始电子引起的初始电流
d
I I 0e αx
λe
e e e 式中：A、B—与气体种类有关的常数； E—电场强度； e e P—气体压力。
1
xi
xi
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e
T P 1 当气温不变时， AP , Aui B
e ∝
BP E
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(完整版)电子崩.ppt
优选
7
电子崩形成的电流
• 1 为了分析电子碰撞电离和电子崩形成的电流， 引入电子碰撞电离系数α。
• 2 α的意义：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。
优选
8
如图1-5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。
概率为e e，所以也就是碰撞电离的概率。
根据碰撞电离系数 的定义，即可得出：
1
xi
e e
1
Ui
e eE
e
e
(1-10)
优选
16
由第一节公式
e
k T 内容可知，电子的平均自
r 2 p
由长度e与气温 T成正比、与气压 p成反比，即：
e
T p
优选
17
当气温不变时，式(1-10)即可改写为：
Bp
优选在曲线oa段电流随电压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优选当电压接近a点电流时电流趋向于饱和值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优选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
Ape E
(1-11)
式中A、B是两个与气体种类有关的常数。
由上式不难看出：
➢电场强度E增大时， 急剧增大;
➢ p很大或很小时， 都比较小。
优选
18
➢高气压时， e 很小，单位长度上的碰撞次数很多，但能引
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2PPT课件
ed 常数
ed 108
流注的形成与阴极的表面过程无关 流注理论与汤逊放电理论的适用条件不同，二者互为补充。基本 上都是定性理论，不能用来精确计算击穿电压。
第六节 不均匀电场中气隙的放电特性
一、不均匀电场中气隙的放电特征 电晕放电
稍不均匀电场和极不均匀电场的划分依据：电场的不均匀系数 f
p Ts p 2.9 T Ps T
注意：p和T的单位
Ub f d
第五节 气体放电的流注理论
一、汤逊放电理论的局限性
不适用于高气压、长间隙，不能解释雷电放电现象
二、流注放电理论
考虑了高气压、长间隙下若干因素对气体放电过程的影响
（1）空间电荷对原有电场的畸变作用
两个强场区之间形 成一个利于复合的 弱电场区-辐射源
均匀电场：起始电压=击穿电压
不均匀电场：起始电压<击穿电压
三、汤逊理论的适用范围
低气压、短间隙：pd<26.66kPa· cm
第四节 起始电压与气压的关系
一、汤逊理论对巴申定律的解释
Ub
巴申定律：气隙的击穿电压 是气体压强和间隙距离乘积 的函数
pd
根据汤逊自持放电条件可以求出在均匀电场中 起始放电电压
（一）正极性
电晕起始电压有所提高，剩余正空间电荷加强了正离子外部空间的电场，使 整个击穿电压有所降低。
（二）负极性
电晕起始电压有所降低，剩余正空间电荷削弱了外围空间朝向极板方向的电 场，使整个间隙的击穿电压有所提高。 输电线路和电气设备外绝缘的击穿多发生在工频电压的正半周
四、长间隙（大于1m）的击穿过程
巴申曲线
B( pd ) U0 A( pd ) ln ln(1 1 / )
《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
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§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
.
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(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
.
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§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
)
第30页/共149页
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。
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• 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
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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
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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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
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
图1-3 气体放电的伏安特性曲线
外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0 后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已就能维持，
不再需要外界电离因子。
◆电子崩的形成（BC段电流剧增原因）
电子碰撞电离系数α：代表一个电子沿电场
方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数
平均值。
dn ndx
dn dx