电介质的电气特性及放电理论-高电压技术考点复习讲义和题库

考点1：电介质的电气特性及放电理论 （一）气体电介质的击穿过程 气体放电可以分非自持放电和自持放电两种。20世纪Townsend在均匀电场，低气压，短间隙的条件下进行了放电试验，提出了比较系统的理论和计算公式，解释了整个间隙的放电过程和击穿条件。 1、汤逊放电理论的适用范围： 汤逊理论的核心是： (1)电离的主要因素是电子的空间碰撞电离和正离子碰撞阴极产生表面电离； (2)自持放电是气体间隙击穿的必要条件。 汤逊理论是在低气压、Pd值较小的条件下进行的放电实验的基础上建立起来的，这一放电理论能较好的解释低气压短间隙中的放电现象。因此，汤逊理论的适用范围是低气压短间隙(Pd<26 66kPa.cm)。在高气压、长气隙中的放电现象 无法用汤逊理论加以解释，两者间的主要差异表现在以下几方面： (1) 放电外形根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展。 低气压下气体放电发光区确实占据了整个间隙空间，如辉光放电。但在大气压下气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细通道。 (2) 放电时间根据汤逊理论，闻隙完成击穿，需要好几次循环：形成电子崩，正离子到达阴极产生二次电子，又形成更多的电子崩。完成击穿需要一定的时间。但实测到的在大气压下气体的放电时间要短得多。 (3) 击穿电压当Pd值较小时，根据汤逊自持放电条件计算的击穿电压与实测值比较一致；但当Pd值很大时，击穿电压计算值与实测值有很大出入。 (4) 阴极材料的影响根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响，但大气压下空气中实测到的击穿电压却与阴极材料无关。 由此可见汤逊理论只适用于一定的Pd范围，当Pd>26 66kPa. cm后，击穿过程就将发生改变，不能用汤逊理论来解释了。 2、流注理论 利用流注理论可以很好地解释高气压、长间隙情况下出现的一系列放电现象。 (1) 放电外形 流注通道电流密度很大，电导很大，故其中电场强度很小。 因此流注出现后，将减弱其周围空间内的电场，加强了流注前方的电场，并且这一作用伴随着其向前发展而更为增强。因而电子崩形成流注后，当某个流注由于偶然原因发展更快时，它就将抑制其它流注的形成和发展，这种作用随着流注向； 前推进将越来越强，开始时流注很短可能有三个，随后减为两个，最后只剩下一个流注贯通整个间隙了，所以放电是具有通道形式的。 (2) 放电时间 根据流注理论，二次电子崩的起始电子由光电离形成，而光子的速度远比电子的大，二次电子崩又是在加强了的电场中，所以流注发展更迅速，击穿时间比由汤逊理论推算的小的多。 (3) 阴极材料的影响 根据流注理论，大气条件下气体放电的发展不是依靠芷离子使阴极表面电离形成的二次电子维持的，而是靠空间光电离产生电子维持的，故阴极材料对气体击穿电压没有影响。 在Pd值较小的情况下，起始电子不可能在穿越极间距离后完成足够多的碰撞电离次数，因而难ade以聚积到≥108所要求的电子数，这样就不可能出现流注，放电的自持只能依靠阴极上的过程。因此汤逊理论和流注理论适用于一定条件下的放电过程，不能用一种理论来取代另一种理论，它们互相补充，可以说明广阔的Pd范围内的放电现象。 ‘ 3、不均匀电场中气体的击穿 稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿现象，此时气隙中平均电场强度比均匀电场气隙的要小，因此在同样极间距离时稍不均匀场气隙的击穿电压比均匀气隙的要低，在极不均匀场气隙中自持放电条件即是电晕起始条件，由发生电晕至击穿的过程还必须增高电压才能完成。 极不均匀电场有如下特征： (1) 极不均匀电场的击穿电压比均匀电场低； (2) 极不均匀电场如果是不对称电极，则放电有极性效应： (3) 极不均匀电场具有特殊的放电形式——电晕放电。 4、极不均匀电场中的电晕放电现象 在极不均匀电场中，气隙完全被击穿以前，电极附近会发生电晕放电，产生暗蓝色的晕光。这种特殊的晕光是电极表面电离区的放电过程造成的。电离区内的分子，在外电离因素(如光源)和电场的作用下，产生了激发、电离，形成大量的电子崩。与此同时也产生激笈和电离的可逆过程—复合。在复合过程中，会产生光辐射，从而形成了晕光。这就是电晕。电晕放电的电流强度取决于外加电压、电极形状、极间距离、气体性质和密度等。电晕放电的起始电压在理论上可根据自持放电的条件求取，但这种方法计算繁杂且不精确，所以通常都是根据经验公式来确定的。 在某些情况下可以利用电晕放电的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高其击穿电压。 5、极不均匀电场中的极性效应 图1表示正极性“棒—板”间隙中自持放电前空间电荷对原电场的畸变情况。棒电极附近电场强度高，电离产生的电子在棒电极附近首先形成电子崩，因为棒极为正极性，所以电子崩崩头的电子迅速进入了棒极，而正离子则向极板 运动，但速度很慢，棒极附近积聚起正空间电荷，如图所示，这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度而加强了正离子群外部空间的电场，有利于流注的发展，因此击穿电压较低。 图1在正极性“棒—板”气隙中自持放电前空间电荷对原电场的畸变 负极性“棒—板”间隙（图2，棒极附近形成了电子崩，由于棒极为负极性，所以电子崩中的电子迅速扩散并向板极运动，离开强电场区后，就不再能引起电离了，向阳极运动的速度也越来越慢，一部分消失于阳极，另一部分为痒原子所吸附而形成为负离子。电子崩中的正离子逐渐向棒极运动，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷，这些正空间电荷加强了棒极附近的场强，因此，这种情况下正空间电荷使棒极附近容易形成流注，因而电晕起始电压比正极性时要低，正空间电荷产生的附加电场与原电场相反，削弱了外部空间的电场，阻碍了流注的发因此击穿电压较高。 图2负极性“棒—板”气隙中自持放电前空间电荷对原电场的畸变 （二）液体电介质击穿的小桥理论 工程实际中使用的液体电介质不可能是纯净的，不可避免地混入气体（即气泡）、水分、纤维等杂质，这些杂质极易在电极间构成放电通道，导致介质击穿。 如果液体中含有气泡，气体的介电常数小于液体的介电常数，在交流电场作用下，气泡中的场强与液体介质中的场强按各自的介电常数成反比分配，气泡中场强较高，且气泡的击穿场强低，因此气体中首先发生放电，放电产生的带电粒子撞击液体分子，使液体介质分解，又产生气体，使气泡数量增多，逐渐形成易发生放电的气泡通道，并逐步贯穿两极，形成“小桥”，最后导致击穿在此通道中发生。杂质形成的小桥如图3示： 图3质形成的“小桥” 如果液体中含有水分或纤维性杂质，由于水和纤维的介电常数都很大，它们在电场作用下很容易产生极化，并逐渐沿电场方向排列成“小桥”，如果小桥贯穿于两电极，则由于水分和纤维的电导大，引起泄漏电流增大，温度升高，使水分气化，气泡增多，形成气泡小桥，最终导致击穿。 （三）固体电介质的沿面放电 沿面放电的发展主要取决于沿面放电路径的电场分布，它直接受到电极形式和表面状态的影响。在平行板的均匀电场中放入一瓷柱，并使瓷柱的表面与电力线平行，瓷柱的存在并未影响电极间的电场分布。当两极间的电压逐渐增加时，放电总是发生在沿瓷柱的表面，即在同样条件下，沿瓷柱表面的闪络电压比空气间隙的击穿电压要低的多，这是因为： （1）固体介质与电极表面没有完全密合而存在微小气隙，或者介质表面有裂纹。由于纯空气的介电系数比固体介质的低，这些气隙中的场强将比平均场强大的多，从而引起微小气隙的局部放电。放电产生的带电质点从气隙中逸出，带电指点达到介质表面后，畸变原有的电场，从而降低了沿面闪络电压，如图3-2曲线4所示。在实际绝缘结构中常常将电极与介质接触面仔细研磨，使两者紧密接触以消除空气间隙，或在介质端面上喷涂金属，将气隙短路，提高沿面闪络电压。 （2）介质不可能绝对光滑，总有一定的粗糙性，使介质表面的微观电场有一定的不均匀，贴近介质表面薄层气体中的最大场强将比其他部分要大，使沿面闪络电压降低。 （3）固体介质表面电阻不均匀，使其电场分布不均匀，造成沿面闪络电压的降低。 （4）固体介质表面的常吸收水分，处在潮湿空气中的介质表面常吸收潮气形成一层很薄的水膜。水膜中的离子在电场作用下分别向两极移动，逐渐在两电极附近积聚电荷，使介质表面的电场不均匀，电极附近电场增强，因而降低了沿面闪络电压。介质表面吸收水分的能力越大，沿面闪络电压降低的越多。由图3-2可见，瓷的沿面闪络电压曲线比石蜡的低，这是由于瓷吸附水分的能力比石蜡大的缘故。瓷体经过仔细干燥后，沿面闪络电压可以提高。 由于介质表面水膜的电阻较大，离子移动积聚电荷导致表面电场畸变需要一定的时间，故沿面闪络电压与外加电压的变化速度有关。水膜对冲击电压作用下的闪络电压影响小，对工频和直流作用下的闪络电压影响较大，即在变化较慢的工频或直流电压作用下的沿面闪络电压比变化较快的冲击电压作用下的沿面闪络电压要低。