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电气工程概论辅导资料十四 主 题：第四章 高电压与绝缘技术 学习时间：2012年12月31日－2013年1月6日 内 容： 我们这周主要学习气体放电的基本理论，液体和固体介质的电气特性，过电压及绝缘配合。 第四章 高电压与绝缘技术 第一节 气体放电理论及应用 1．气体放电的主要形式 （1）火花放电：常压附近的放电行为 （2）辉光放电：低气压下的放电行为 （3）电晕放电：极不均匀电场下的放电行为 （4）电弧放电：强放电行为 2．强电场下气体中载流子输运行为 （1）载流子的产生过程 1)碰撞电离 气体中粒子的相互碰撞与四种碰撞效应 ①激发 ②电离 ③复合 ④附着 2)光致电离：光子的能量大于气体分子电离能。 3)热电离：当气体分子的温度很高，原子或分子的热运动能量足够大，高速运动的原子或分子相互碰撞时，也可导致气体分子碰撞电离，称为热电离。实际上只有当温度在上万摄氏度以上才可能有显著的热电离发生，所以热电离是极高温度下的现象。 4)电极表面发射：在较高电场下电极表面将向气体中发射电子，根据电场大小的不同，又可分为热发射和场致发射。 （2）附着电子效应与附着系数 自由电子的产生机理：碰撞电离、光致电离、热电离以及电极表面发射等与其对立过程如复合和附着效应等是气体放电理论的基础，研究这些过程可以了解气体间隙中电流的激增过程以及与外施电压的关系，解释气体放电的各种现象和探求控制放电电压的途径。 3．气体放电的基本理论 (1）气体放电的电子碰撞电离理论 1)电子雪崩与电流倍增 当电场足够强时，由于碰撞电离作用，气体中电子数目将由一个增为两个，两个增为四个，从阴极出发的一个电子，运动单位距离后就增加为2n 个电子。发生电子碰撞电离时，电子和正离子是成对产生的，但电子速度快，所以电子位于接近正极的一面，称为崩头，而正离子速度慢，近似看成留在其产生的位置上，称为崩尾。 2)气体自持放电条件 仅仅由于电子碰撞电离过程的作用不可能导致气体介质发生击穿(非自持放电放电)实验发现气隙不太宽时，放电与电极表面发射过程有关，即γ过程与碰撞电离过程中的电子同时产生的正离子在电场作用下向阴极移动，在到达阴极附近时，或者由于加强了阴极的电场，或者由于正离子撞击阴极表面，使阴极产生电子发射。发射电子数与汤逊第三系数γ及到达阴极的正离子数成正比。由于这种电极发射的γ过程而从阴极发射的电子称为二次电子。二次电子自阴极出发继续进行碰撞电离作用，这样单位时间由阴极单位面积发射的电子ne就包括了初始电子及二次电子两部分。 3)巴申定律 均匀电场中气体放电电压与气隙压力及气隙宽度间的实验关系，即气隙放电电压UB与气压p和气隙宽度d的乘积pd有关。 由于碰撞电离理论能够较好地解释气体放电的实现规律,所以被公认为是适合于气体放电的基本理论。 第二节 液体和固体介质的电气特性 1．概述 电介质的电气特性 要表现为在电场作用下的导电性能、介电性能和电气强度，它们分别以四个主要参数，即电导率、介电常数、介质损耗角正切和击穿电场强度来表示。 2．液体和固体介质的极化、电导和损耗 (1)电介质的极化：电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。 电介质极化的强弱可用介电常数的大小来表示，它与该电介质的极性强弱有关，还受到温度、外加电场频率等因素的影响。 最基本的极化形式有电子极化、原子极化和偶极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化等。 1)电子极化 在外电场的作用下，构成原子外围的电子云相对原子核发生位移形成的极化称为电子极化。 2)原子极化 在外电场作用下，构成分子的原子或离子发生相对移动形成的极化称为原子极化。 3)偶极子转向极化 极性电介质的分子，在无外电场作用时，就有一定的偶极矩，但它在各个方向的机率是相等的，因此，就介质整体来看，偶极距等于零。极性电介质的εr 值与外施电场频率有较大的关系，频率太高时偶极子将来不及转动，因而其值变小 温度对极性电介质的εr 值有很大的影响，温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极性减弱，所以通常极性气体介质均具有负的温度系数，但对极性液体和固体介质来说，关系比较复杂，当温度很低时，由于分子间的联系紧密，例如液体介质的粘度很大，偶极子转动比较困难，所以εr 也很小。 4)夹层极化 由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从按介电常数分布开始逐渐过渡到按电导率分布，在电压重新分配的过程中，夹层界面上积聚空间电荷并使整个介质的等值电容增大。 这种极化涉及电荷的移动和积累，所以必然伴随能量损耗，而且过程较慢，一般需要几分之一秒、几秒、几分钟甚至几小时，所以这种极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。