山东大学单片机原理第七章.ppt

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电力系统工程基础电力系统工程基础高压篇高压篇张张黎黎11/5/20221第7章高电压绝缘与试验7.1气体放电的基本理论7.2电介质的击穿特性7.3电气设备的实验2第7章高电压绝缘与试验7.1气体放电的基本理论空气是最廉价的绝缘材料，用之不尽；气体击穿理论相对完整；分析气体击穿仍是绝缘分析的基础。

多样性、随机性的影响因素，难以精确计算气体放电过程；3第7章高电压绝缘与试验7.1气体放电的基本理论输电线路遭受雷击4第7章高电压绝缘与试验7.1气体放电的基本理论美国俄克拉荷马州塔尔萨市上空出现的闪电奇观5第7章高电压绝缘与试验7.1气体放电的基本理论空气是良绝缘体：

500-1000对离子/cm3,带电质点极少；绝缘击穿：

由绝缘状态到导体状态的变化。

电极电压增加时，电流剧增；6第7章高电压绝缘与试验7.1气体放电的基本理论辉光放电：

充溢电极空间，绝缘状态；辉光放电：

充溢电极空间，绝缘状态；电晕放电：

高场强附近出现发光薄层，仍绝缘状态；电晕放电：

高场强附近出现发光薄层，仍绝缘状态；刷状放电：

电晕极伸出细亮断续放电通道，未击穿；刷状放电：

电晕极伸出细亮断续放电通道，未击穿；火花放电：

贯通两极细亮断续放电通道，间歇击穿；火花放电：

贯通两极细亮断续放电通道，间歇击穿；电弧放电：

持续贯通两极细亮放电通道，完全击穿；电弧放电：

持续贯通两极细亮放电通道，完全击穿；7第7章高电压绝缘与试验7.1气体放电的基本理论原子能级原子能级激励激励电离电离质点的平均自由行程质点的平均自由行程四个概念：

四个概念：

原子能级原子能级以电子伏为单位以电子伏为单位1eV=1V1eV=1V1.61.61010-19-19C=C=1.610-19J8第7章高电压绝缘与试验7.1气体放电的基本理论原子激励原子激励原子在外界因素作用下，电子跃迁到能量较高（低轨原子在外界因素作用下，电子跃迁到能量较高（低轨道到高轨道）的状态，所需能量称为激励能道到高轨道）的状态，所需能量称为激励能We。

激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子的频率为光子的频率为fW=hf9第7章高电压绝缘与试验7.1气体放电的基本理论原子电离原子电离在外界条件作用下，电子脱离原子核束缚，称为电离。

在外界条件作用下，电子脱离原子核束缚，称为电离。

电离所需的能量叫电离能。

电离所需的能量叫电离能。

气体电离能一般为气体电离能一般为10-15eV10-15eV激励能是否小于电离能？

激励能是否小于电离能？

已获得激励能，只需要获得已获得激励能，只需要获得电离能电离能-激励能的能量即可电离。

激励能的能量即可电离。

SFSF66激励能小，激励能小，电离能很大。

电负性气体。

（电离能很大。

电负性气体。

（最理想的气体最理想的气体电介质电介质）10第7章高电压绝缘与试验7.1气体放电的基本理论质点的平均自由行程质点的平均自由行程一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离称为自由一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离称为自由行程。

平均自由行程行程。

平均自由行程是众多质点自由行程的平均值。

是众多质点自由行程的平均值。

电子在其自由行程内从外电场获得动能，能量除决定电子在其自由行程内从外电场获得动能，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关。

于电场强度外，还和其自由行程有关。

11第7章高电压绝缘与试验7.1气体放电的基本理论气体电子和离子的自由行程是它们与气体分子发生碰撞时气体电子和离子的自由行程是它们与气体分子发生碰撞时的行程。

的行程。

电子的平均自由行程比分子和离子的大得多。

电子的平均自由行程比分子和离子的大得多。

分子密度越大，质点的平均自由行程越小，分子密度越大，质点的平均自由行程越小，自由行程自由行程正比正比于于T/p。

在温度高压力小的气体中带点质点的平均自由行程。

在温度高压力小的气体中带点质点的平均自由行程大。

大。

127.1.1带电粒子的产生与消失7.1.1.1带点质点的产生（22）光电离）光电离普朗克常数6.6310-34Js（11）碰撞电离）碰撞电离第7章高电压绝缘与试验最主要形式最主要形式Wi一般为一般为10-15eV10-15eV对应的波长为对应的波长为200-300nm200-300nm一般可见光波长为一般可见光波长为400-750nm400-750nm137.1.1带电粒子的产生与消失7.1.1.1带点质点的产生第7章高电压绝缘与试验常温远不足以引起空气电离。

常温远不足以引起空气电离。

热电离实质上是热状态产生的碰撞电离和光电离的综合。

热电离实质上是热状态产生的碰撞电离和光电离的综合。

（33）热电离）热电离波尔茨曼常数1.3810-23J/K热力学温度平均动能平均动能14（44）表面电离）表面电离一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3（a）正离子撞击阴极正离子撞击阴极（b）光电子发射）光电子发射（c）强场发射）强场发射（d）热电子发射）热电子发射7.1.1带电粒子的产生与消失7.1.1.1带点质点的产生第7章高电压绝缘与试验157.1.1.2带电质点的消失（11）带电质点向电极移动并进入电极形成回路电流。

）带电质点向电极移动并进入电极形成回路电流。

（22）带电质点的扩散）带电质点的扩散带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散。

电子的热运动速度高、自由行程大，所以其扩散比离子的扩散快得多。

7.1.1带电粒子的产生与消失第7章高电压绝缘与试验16（33）带电质点的复合）带电质点的复合带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。

带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。

带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。

7.1.1.2带电质点的消失7.1.1带电粒子的产生与消失第7章高电压绝缘与试验17（4）（4）吸附效应吸附效应某些气体的中性分子或原子对电子具有较强的亲和力，当电子与其碰撞时，便被吸附其上变成负离子，同时放出能量，成为吸附效应。

吸附效应能够有效地减少气体中的自由电子数目，从而对碰撞电离中最活跃的电子起到强烈的束缚作用，大大抑制电离因素的发展。

SF67.1.1.2带电质点的消失7.1.1带电粒子的产生与消失第7章高电压绝缘与试验187.1.2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论和巴申定律电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）外施电压小于Uc时的放电是非自持放电。

电压到达Uc后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。

自持放电起始电压第7章高电压绝缘与试验197.1.2.2电子崩电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数：

代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。

第7章高电压绝缘与试验207.1.2.3自持放电条件汤逊自持放电判据即表示一个正离子到达阴极使阴极表面平均释放的自由电子数。

表示一个正离子到达阴极使阴极表面平均释放的自由电子数。

值与阴极材料、气体种类有关。

阴极的表面状况（光洁度、污染程度等）对也有一定影响。

这就是汤逊自持放电判据。

包含的物理意义为：

一个电子从阴极到阳极途中由于电子崩而造成的正离子数为ead-1,这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数应为（ead-1），如果它等于1，就意味着那个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。

第7章高电压绝缘与试验21外界电离质点阴极表面电离气体空间电离气体中的自由电子在电场中加速碰撞电离电子崩（）过程阴极表面二次发射（过程）正离子低气压、短气隙情况下气体的放电过程上述过程可以用下图的图解加以概括，当自持放电条件得到满足时，就会形成图解闭环部分循环不息的状态，放电就能自己维持下去，而不再依赖外界电离因子的作用了。

第7章高电压绝缘与试验227.1.2.4巴申定律气体密度对击穿的影响第7章高电压绝缘与试验notes：

温升单位k与的区别k=273.1+环境温度25，温升小于45k，意指温度小于70，温升小于45，意指温升小于20k。

237.1.3流注放电理论实测表明汤逊理论不适用于d值较大的情况。

形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷使原电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾处的电场。

电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。

二次电子崩的主要来源是空间的光电离。

（1）流注的形成条件第7章高电压绝缘与试验（Streamerdischarge）24流注自持放电条件（即形成流注的条件）汤逊放电理论与流注放电理论的比较：

流注理论可以解释汤逊理论无法说明的pd值大时的放电现象。

如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。

两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。

第7章高电压绝缘与试验7.1.3流注放电理论257.1.4不均匀电场气隙的击穿7.1.4.1电场不均匀程度的划分电场不均匀程度一般可用电场不均匀系数f来描述：

f=1时为均匀电场；f4以上时属于极不均匀场第7章高电压绝缘与试验267.1.4.2极不均匀场中的电晕放电1.电晕放电现象在极不均匀电场中，当电压高到一定程度后，在空气间隙完全击穿前，大曲率电极附近会有薄薄的发光层，这种现象成为电晕。

电晕层仅限于高场强电极附近的薄层内。

危害：

功率损耗、电磁干扰、噪声污染对策：

采用分裂导线利用:

在某些情况下可以利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电压。

削弱冲击电压幅值和陡度。

第7章高电压绝缘与试验272.电晕的起始电压与起始场强开始爆发电晕时的电压称为电晕起始电压Uc，此时电极表面的场强称为电晕起始场强Ec。

对于同直径的两根平行圆导线m为表面粗糙系数，光滑导线m=1；不光滑导线全面发生电晕m=0.82，局部发生电晕m=0.72；为空气相对密度，=pT0/（p0T）；r为导线半径。

于是：

第7章高电压绝缘与试验7.1.4.2极不均匀场中的电晕放电287.1.4.3极不均匀电场中放电的极性效应负极性棒板间隙的电晕起始电压比正极性棒板电极低负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板电极高第7章高电压绝缘与试验297.2.1.1稳态电压下的气隙击穿1均匀电场中的击穿特性特点：

特点：

（1）均匀电场中电极布置对称，击穿无极性效应；

（2）均匀场间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短，其直流击穿电压、工频击穿电压峰值、50%冲击击穿电压相同；（3）击穿电压的分散性很小。

7.2电介质的击穿特性7.2.1气体电介质的击穿第7章高电压绝缘与试验302.极不均匀电场中的击穿不对称布置的极不均匀场间隙的极性效应很明显。

尖板和尖尖空气间隙的直流击穿电压尖尖和尖板空气间隙的工频击穿电压（有效值）第7章高电压绝缘与试验317.2.1.2雷电冲击电压下的击穿1.标准雷电冲击电压波形标准雷电波标准雷电波的波形：

T1=1.2s30，T2=50s20对于不同极性：

+1.2/50s或-1.2/50s波前时间半峰值时间第7章高电压绝缘与试验322.雷电冲击电压下气隙的击穿特性

（1）放电时延临界击穿电压统计时延：

从外施电压达Uo时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子所需时间放电形成时延：

从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间第7章高电压绝缘与试验33