长沙理工大学《高电压技术》讲稿

高电压技术讲稿

长沙理工大学电气与信息工程学院教师：

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第一章 气体电介质的绝缘特性(4学时)

1．1气体中带电粒子的产生和消失 1.1.1 气体电介质中带电粒子的产生

气体中的原子通常处于正常状态，原子在外界因素（强电场，高温等）的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，其电子可由低能级跃迁到能级较高的轨道运行，这个过程称为原子激励。此时原子的状态称为激发态。此时的电子还未摆脱原子核的束缚。激励过程所需能量称为激励能。

气体原子的电离可由下列因素引起：①电子或正离子与气体分子的碰撞；②各种光辐射；③高温下气体中的热能。强电场根据不同的电离因素，电离有以下几种形式： 碰撞电离

当具有足够能量的带电粒子与中性气体分子碰撞时，就可能使气体分子产生电离。这种由碰撞而引起的电离称为碰撞电离。

电子从电场中获得的能量为：

W?式中：m——电子的质量；

v——电子的速度； E——电场强度； q——电子的电量；

12mv?Eq? （1－1） 2 ?——电子的平均自由行程。

当电子的动能大于或等于气体分子的电离能时，就有可能因碰撞引起电离，因此产生电离的条件为：

Eq??Wi （1－2）

式中： Wi——气体分子的电离能。 （1） 光电离

由光辐射引起的气体原子的电离称为光电离。光辐射的能量与波长有关，波长越短能量越大。光辐射的能量为：

W?h? （1－3）

-27

式中：h――普朗克常数，h＝6.62310尔格2秒。

?――光子频率。

当气体分子受到光辐射作用时，如果光的能量大于气体原子的电离能，就有可能引起光电离。因此产生光电离的条件为：

hv?Wi （1－4）

由光电离产生的自由电子称为光电子。光电离在气体中起着很重要的作用。对所有气体，在可见光作用下，一般不能直接发生光电离。 （2） 热电离

因气体热状态引起的电离过程，称为热电离。在常温下，气体质点的热运动所具有的平均动能远低于气体的电离能，因此不产生热电离。但是在高温下气体质点具有的动能足以导

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致气体原子的碰撞，产生碰撞电离。此外高温气体的热辐射也能导致光电离，因此热电离是碰撞电离的与光电离的综合。

气体分子的平均动能和气体温度有如下关系：

W?-16

3KT （1－5） 2式中：K――波尔茨曼常数，K＝1.38310尔格/°K

° T――绝对温度，K。

随着温度升高，气体分子动能增加，当气体分子的动能大于气体分子电离能时，就可能引起热电离。因此产生热电离的条件为：

3KT?Wi （1－6） 2（3） 表面电离

在外界电离因素的作用下，电子可能从电极的表面释放，称为表面电离或表面发射。电极发射电子所需要的能量叫逸出功。逸出功的大小与电极的材料和气体表面的状态有关，一般在1~5eV之间，它小于气体在空间的电离能。这说明从阴极发射电子比在空间使气体分子电离更容易。

表面电离与其它电离形式的区别在于，发生其它形式的电离时，电子和正离子同时出现，而表面电离只产生电子，没有正离子出现。

表面电离有多种方式，即用各种不同的方式供给电子能量使其逸出金属。表面电离的主要形式有：①正离子碰撞阴极：正离子在电场中向阴极运动，碰撞阴极时将动能传递给电子使其逸出金属；②光电效应：金属表面受到光的照射时，放射出电子；③强场发射：在阴极

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附近加以很强的外电场使阴极放射出电子，由于强场发射所需外电场极强，在10KV/cm数量级，所以在一般气体间隙的击穿过程中不会发生；④热电子放射：将阴极加热到很高温度，使其中的电子获得巨大动能，逸出金属。 1.2 均匀电场中气体的击穿

20世纪初，汤逊（Townsend）在均匀电场、低气压、短间隙的条件下进行了放电实验，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。 1.2.1非自持放电和自持放电

气体放电可分为非自持放电和自持放电两种。必须借助外加电离因素才能维持的放电则称之为非自持放电。不需其它任何外加电离因素而仅由电场的作用就能维持的放电称为自持放电。

图1－1所示的是汤逊的实验装置。在空气中放置两块平行板电极，用外部光源对阴极极板进行照射，并在两极间加上直流电压，则在两极之间形成均匀电场。当极间电压从零起逐渐升高时，得到电流和电压的关系如图1－2所示。

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光照射I??AV0bcaabcU

图1－1 平行板电极试验装置 图1－2 放电电流和电压的关系

UUU1.2.2 汤逊放电理论

在外界电离因素的作用下，阴极产生光电子发射，使间隙中产生自由电子，这些电子就是放电的起始电子。这些起始电子在电场的作用下，由阴极奔向阳极，在这个过程中，电子不断被加速，动能不断积累，同时与中性粒子发生碰撞，当U>UB后，电场很强，电子的动能达到足够大，有可能产生碰撞电离。间隙中的电子数目由1变为2，2变为4，??，电子的数目迅速增加。这种电子数目迅速增加的过程，犹如高山的雪崩过程，因此被形象的称为电子崩，见图1－3。电子崩过程的出现使间隙中的电流急剧增大。图1－2中b点后电流随电压迅速增长就是电子碰撞电离引起电子崩的缘故。

电子崩中因碰撞电离产生电子的同时，也产生正离子。电子向阳极运动，正离子向阴极运动。正离子向阴极运动的过程中，一方面可能与中性粒子发生碰撞产生碰撞电离，另一方面正离子可能撞击阴极表面使其产生表面电离，逸出电子。从阴极表面逸出的电子作为新的起始电子又重复上述的电子崩过程。这样一直发展下去，使间隙中维持放电状态。

光照射－－＋xddx＋

示意图

图1－3 电子崩的电荷分布 图1－4 气体间隙的

为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数：

α系数：它代表一个电子沿着电场方向行经1cm长度后平均发生的碰撞电离次数。设每次碰撞电离产生一个电子和一个正离子，所以α也就是一个电子在单位长度行程内新电

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