【文章內(nèi)容簡介】 216。 不均勻結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，在工程上常常遇到，如電機絕緣中使用的云母制品和廣泛使用的油浸紙、膠紙絕緣等，其損耗取決于各成分的性能和數(shù)量間比例。不均勻介質(zhì)損耗是很復(fù)雜的，但它又具有很大的現(xiàn)實意義。目前尚無完整的、系統(tǒng)的理論來說明各種復(fù)雜的物理過程。但夾層極化這類有損極化是產(chǎn)生損耗的重要原因。一般這種損耗較大，是占整體損耗的主要部分。4) 討論介質(zhì)損耗的意義n 設(shè)計絕緣結(jié)構(gòu)時，應(yīng)注意到絕緣材料的tgd 值。若tgd 過大會引起嚴重發(fā)熱，使材料劣化，甚至可能導(dǎo)致熱擊穿。n 用于沖擊測量的連接電纜，其tgd 必須要小，否則沖擊電壓波在其中傳播時將發(fā)生畸變，影響測量精度。n 在絕緣試驗中，tgd 的測量是一項基本測試項目。當(dāng)絕緣受潮劣化或含有雜質(zhì)時，tgd 將顯著增加，絕緣內(nèi)部是否存在局部放電，可通過測tgd ~U的關(guān)系曲線加以判斷。n 用做絕緣材料的介質(zhì)，希望tgd 小。在其他場合，可利用tgd 引起的介質(zhì)發(fā)熱，如電瓷泥坯的陰干需較長時間，在泥坯上加適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?，則可利用介質(zhì)損耗發(fā)熱，加速干燥過程。五、 采用的教學(xué)方法和手段教學(xué)方法：《講述法》教學(xué)手段：《投影》 167。第 4 講 《氣體放電的物理過程》一、 教學(xué)目標(biāo)9. 掌握氣體中帶電質(zhì)點的產(chǎn)生中四種電離形式的機理和帶電質(zhì)點消失的機理。10. 掌握湯遜德理論的要點和適用范圍；11. 掌握流注理論的要點和適用范圍；12. 掌握不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng)原理；13. 掌握長間隙擊穿過程中的先導(dǎo)放電機理；14. 了解電暈放電機理；15. 了解雷電放電機理。二、 教學(xué)重點四種電離（碰撞電離、光電離、熱電離和表面電離）型式的機理；湯遜德理論和流注理論的要點和各自的適用范圍；不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng)原理四種基本極化形式，各自的特點和影響因素。三、 教學(xué)難點電離和氣體放電機理全是微觀電子運動產(chǎn)生的現(xiàn)象，傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難表達清楚；不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng)主要是空間電荷畸變電場的作用，比較抽象，很難理解溫度和頻率對偶極子極化的影響。四、 教學(xué)內(nèi)容和要點7. 四種電離形式的機理（1） 碰撞電離當(dāng)電子從電場獲得的動能等于或大于氣體分子的電離能時，就有可能因碰撞而使氣體分子分裂為電子和正離子，即電子的能量滿足條件 （31）碰撞電離的形成與電場強度和平均自由行程的大小有關(guān)（2） 光電離光當(dāng)氣體分子受到光輻射作用時，如光子能量滿足下列條件即可產(chǎn)生光電離。 （32）導(dǎo)致氣體光電離的光子可以由自然界（如空中的紫外線、宇宙射線等）或人為照射（如紫外線、x 射線等）提供，也可以由氣體放電過程本身產(chǎn)生。（3） 熱電離一切因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離，包括：216。 隨著溫度升高氣體分子動能增加引起的碰撞電離；216。 高溫下高能熱輻射光子引起的光電離。（4） 表面電離陰極發(fā)射電子的過程，稱為表面電離。216。 正離子碰撞陰極 正離子碰撞陰極時使電子逸出金屬（傳遞的能量要大于逸出功）。逸出的電子有一個和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子。216。 光電效應(yīng) 金屬表面受到光的照射，當(dāng)光子的能量大于選出功時，金屬表面放射出電子。216。 強場放射（冷放射） 當(dāng)陰極附近所加外電場足夠強時，使陰極放射出電子。216。 熱電子放射 當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時，其中的電子獲得巨大動能，逸出金屬。8. 帶電質(zhì)點的消失與形成帶電質(zhì)點的電離過程相反的過程稱為帶電質(zhì)點的消失過程。帶電質(zhì)點的消失主要有三種方式。一種方式是一部分帶電質(zhì)點在電場作用下作定向運動，從而消失于電極（造成電流）。另外兩種方式就是帶電質(zhì)點的擴散和復(fù)合。9. 湯遜德理論的要點和適用范圍（1） 電子崩的形成（2） 自持放電條件電子電離系數(shù)α：一個電子沿著電場方向行走單位長度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)（由電離產(chǎn)生的自由電子數(shù)）。表面電離系數(shù)γ：每個正離子碰幢陰極表面平均釋放出的自由電子數(shù)。設(shè)：一個電子從陰極行走 x 距離產(chǎn)生的自由電子數(shù)為n，n個電子前進dx 產(chǎn)生的新電子數(shù)為： 或 （33）一個電子從陰極到陽極產(chǎn)生的電子數(shù)為： （34） 一個電子從陰極到陽極產(chǎn)生的正離子數(shù)為： （35）自持放電條件： （36）（3） 氣隙的擊穿電壓與pd的函數(shù)關(guān)系——巴申定律 （37）圖 均勻電場中幾種氣體擊穿電壓和pd的關(guān)系（4） 湯遜德理論的適用范圍湯遜德理論是在氣壓較低、pd值較小條件下進行的放電實驗的基礎(chǔ)上建立起來的，是一種輝光放電現(xiàn)象。pd過小或過大，湯遜德理論都不適用。10. 流注理論的要點和適用范圍（1） 電子崩階段190。190?？臻g電荷畸變外電場 圖 平板電極間的電子崩空間電荷對外電場的畸變（a）電子崩示意圖 （b）電子崩中空間電荷的濃度分布（c）空間電荷的電場 （d）合成電場（2） 流注的形成主電子崩中釋放的光子引起二次電離,二次電子崩匯入主電子崩將形成流注。大量的正、負帶電質(zhì)點構(gòu)成的等離子體，即為流注。216。 正流注：當(dāng)外施電壓達到擊穿電壓時，電子崩走完整個間隙后，頭部空間電荷密度很大，大大加強了后部的電場，并向周圍放射出大量光子，這些光子引起了空間光電離，形成二次電子崩，二次電子崩匯入主電子崩形成正、負帶電質(zhì)點構(gòu)成的等離子體——流注，并由正電極向負電極發(fā)展。圖 正流注的產(chǎn)生及發(fā)展1190。190。起始電子崩（主電子崩）； 2190。190。二次電子崩； 3190。190。流注216。 負流注：當(dāng)外施電壓比擊穿電壓高，主電子崩不需經(jīng)過整個間隙，其頭部電離程度已足于形成流注。流注形成后向陽極發(fā)展。圖 負流注的產(chǎn)生及發(fā)展1190。190。起始電子崩（主電子崩）； 2190。190。二次電子崩； 3190。190。流注（3） 流注理論的適用范圍流注理論可以解釋場遜理論不能說明的Pd很大時的放電現(xiàn)象。216。 放電外形：pd很大時，放電具有通道形式；216。 放電時間：pd很大時，光子以光速傳播，流注發(fā)展速度極快，放電時 間特別短。216。 陰極材料的影響：Pd很大時，擊穿電壓和陰極材料基本無關(guān)，維持自持放電的是空間光電離，而不是陰極表面的電離過程。11. 不均勻電場氣隙擊穿中的極性效應(yīng)棒－板間隙在施加電壓時，由于空間電荷畸變了棒－板間隙中的電場，使得棒極為正時的電暈起始電壓高于棒極為負時的電暈起始電壓。棒極為正時的擊穿電壓值低于棒極為負時的擊穿電壓值。 棒—板間隙中空間電荷對外電場的畸變作用Eex—外電場 Esp—空間電荷的電場12. 長間隙擊穿過程中的先導(dǎo)放電正棒—負板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展（ａ）先導(dǎo)和其頭部的流注ｋｍ；（ｂ）流注頭部電子崩的形成；（ｃ）ｋｍ由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注頭部電子崩的形成；間隙距離較長時(如棒—板間隙還離大于1米時)，在流注通道還不足于貫通整個間隙的電壓下，仍可能發(fā)展起擊穿過程。這時流注通道發(fā)展到足夠的長度后，將有較多的電子循通道流向電極，通過通道根部的電子最多，于是流注根部溫度升高，出現(xiàn)了熱電離過程。這個具有熱電離過程的通道稱為先導(dǎo)通道。間隙中如出現(xiàn)先導(dǎo)放電階段，則平均擊穿場強降低，因此長空氣間隙的平均擊穿場強遠低于短間隙。13. 電暈放電電暈放電現(xiàn)象是在極不均勻電場中，大曲率電極附近發(fā)生的空氣間隙局部電離放電的現(xiàn)象。在黑暗中可以看到該電極周圍有薄薄的發(fā)光層，有些象“月暈”，電暈電極周圍的電離層稱為電暈層，電暈層以外電場很弱，因而不發(fā)生電離過程的空間稱為外區(qū)。爆發(fā)電暈放電時，還可聽到咝咝的聲音，嗅到臭氧的氣味，回路中電流明顯增加(但絕對值仍很小)，可以測量到能量損失。電暈放電會帶來不利影響。氣體放電過程中的光、聲、熱等效應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)等都能引起能量損失。電暈放電過程中會出現(xiàn)放電的脈沖現(xiàn)象，形成高頻電磁波，引起干擾。電暈放電還能使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成臭氧從氧化氦等產(chǎn)物，引起腐蝕作用。電暈放電在某些特定情況下還有其有利的一面。例如電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅值及陡度；可以利用電暈放電改善電場分布，提高擊穿電壓以及利用電暈放電除塵等。14. 雷電放電雷電放電由帶電荷的雷云引起的，包括放電發(fā)生在雷云之間的云層放電和放電發(fā)生在雷云和大地之間的對地放電。對地放電的雷電極性按照雷云流入大地的電荷極性決定，實測90％左右為負極性雷。 雷電放電分為三個主要方面，即先導(dǎo)放電、主放電和余光放電。五、 采用的教學(xué)方法和手段教學(xué)方法：《講述法》教學(xué)手段：《動畫和掛圖投影》167。第 5 、6 講 《氣隙的擊穿特性》一、 教學(xué)目標(biāo)16. 掌握氣隙的靜態(tài)擊穿電壓和擊穿時間；17. 了解擊穿電壓的概率分布和大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響18. 掌握伏秒特性的定義、制定方法和用途；19. 掌握氣隙在不同類型電壓作用下的擊穿特性；20. 掌握提高氣隙擊穿電壓的方法；21. 了解高電氣強度氣體的電氣特性。二、 教學(xué)重點氣隙的伏秒特性，氣隙擊穿電壓的特點和提高方法。三、 教學(xué)難點 伏秒特性在絕緣配合中的應(yīng)用；氣隙在不同類型電壓作用下的擊穿特性。四、 教學(xué)內(nèi)容和要點15. 氣隙的擊穿時間 最低靜態(tài)擊穿電壓U0 長時間作用在間隙上能使間隙擊穿的最低電壓。但這僅是必要條件，欲使間隙擊穿，還必須使該電壓持續(xù)作用一定的時間。擊穿時間t b 從開始加壓的瞬時起到氣隙完全擊穿的時間，它由三部分組成： （51）216。 升壓時間t0 ：電壓從零升到靜態(tài)擊穿電壓U0所需的時間。216。 統(tǒng)計時延ts ：從電壓達到U0的瞬時起到氣隙中形成第一個有效電子為止的時間。216。 放電發(fā)展時間ｔf ：形成第一個有效電子的瞬時起到氣隙完全被擊穿為止的時間。放電時延 ，短間隙、長間隙的放電發(fā)展時間和放電時延的不同。氣體間隙的擊穿電壓和作用電壓種類有關(guān)：216。 持續(xù)作用電壓 包括直流電壓和工頻電壓，這類電壓的變化速度很?。啾戎路烹姲l(fā)展所需時間可以忽略不計，當(dāng)氣體狀態(tài)不變時，一定距離的間隙的擊穿電壓具有確定的數(shù)值。216。 非持續(xù)作用電壓 包括操作沖擊電壓和雷電仲擊電壓。在沖擊電壓下，放電發(fā)展速度就不能忽略不計了。間隙的擊穿電壓與作用電壓的波形（即作用時間）有很大關(guān)系例如一個間隙的靜態(tài)擊穿電壓為50千伏，假如電壓上升的平均陡度為50180。103V／(5180。103)s＝107V/s，放電時延是106s，則可得DU只不過10V左右，和50kV相比，完全可以忽略不計。還是這個間隙，假如電壓上升的陡度為50103V／(5106)s＝1010V/s，則在放電時廷10106s內(nèi)，DU將達10kV，和50kV相比就不能忽略了。16. 伏秒特性9) 定義工程上用間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時間的關(guān)系來表征間隙在沖擊電壓下的擊穿特性10) 伏秒特性的制訂方法用實驗方法求取。保持標(biāo)準波形不變，逐級升高電壓。電壓較低時，擊穿發(fā)生在波尾。電壓甚高時，放電時間減至很小，擊穿可發(fā)生在被頭。在波尾擊穿時，以沖擊電壓幅值作為縱坐標(biāo)，放電時間作為橫坐標(biāo)。在波頭擊穿時，還以放電時間作為橫坐標(biāo)，但以擊穿時電壓作為縱坐標(biāo)。放電時間具有分散性，于是每級電壓下可得一系列放電時間，實際上伏秒特性是以上、下包線為界的一個帶狀區(qū)域，如圖所示。11) 伏秒特性的用途伏秒特性對于比較不同設(shè)備絕緣的沖擊擊穿特性具有重要意義：17. 氣隙擊穿電壓的概率分布無論何種作用電壓，氣隙的擊穿電壓都有分散性，但分散程度不同。正態(tài)分布：用50%擊穿電壓U50和相對標(biāo)準偏差 s 來表示，表321耐受電壓：工程中將對應(yīng)于（99%以上）的電壓最為耐受電壓 U50(13s) —— %18. 大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響大氣條件：氣溫、氣壓、濕度等GB/190。1997規(guī)定：外絕緣的破壞性放電電壓值（氣隙的擊穿和沿絕緣外表面的閃絡(luò)）需進行大氣校正，包括：216。 空氣密度修正系數(shù)kd （52）216。 濕度修正系數(shù)kh （53） 實際試驗條件下的放電電壓與標(biāo)準條件下的放電電壓的轉(zhuǎn)換公式： （54）19. 較均勻電場氣隙的擊穿電壓1) 均勻電場中的擊穿電壓特點 216。 擊穿電壓與電壓極性無關(guān)216。 直流、工頻擊穿電壓（峰值）以及50％沖擊擊穿電壓都相同，分散性很小。 空氣間隙的擊穿電壓(峰值)相應(yīng)的經(jīng)驗公式為： （55）式中 d 190。190。 間隙距離，（cm）； d 190。190。 空氣相對密度。216。 當(dāng)d不過于小時（d1cm），均勻電場中空氣的電氣強度（峰值）大致等于30kV/cm。2) 稍不均勻電場中的擊穿電壓球—球間隙 球—板間隙 圓柱 —板 同軸圓柱間隙 216。 不能形成穩(wěn)定的電暈放電；216。 電場不對稱時，有極性效應(yīng)，不很明顯；216。 直流、工頻下的擊穿電壓(幅值)以及50％沖擊擊穿電壓相同，分散性不大；216。 擊穿電壓和電場均勻程度關(guān)系極大，電場越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓就越高。球—球間隙極性效應(yīng)：當(dāng)d＞D/4，大地對電場的畸變作用使間隙電場分布不對稱：電場最強的電極為負極性時的擊穿電壓略低于正極性時的數(shù)值 電場均勻程度影響：同一間隙距離下，球電極直徑越大，擊穿電壓也越高 照射效應(yīng)：增大氣隙中出現(xiàn)有效電子的概率，減小擊穿電壓的分散性20. 不均勻電場氣隙的擊穿