1.3

電介質(zhì)的損耗一、基本概念在電場作用下電介質(zhì)中總有一定的能量損耗，包括由電導(dǎo)損耗和有損極化（偶極子、夾層極化）損耗，總稱介質(zhì)損耗。直流下：電介質(zhì)中沒有周期性的極化過程，只要外加電壓還沒有達到引起局部放電的數(shù)值，介質(zhì)中的損耗將僅由電導(dǎo)組成，所以可用體積電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率說明問題，不必再引入介質(zhì)損耗這個概念。交變電場：電介質(zhì)能量損耗包括電導(dǎo)損耗（通過電介質(zhì)的貫穿性泄漏電流所引起）和極化損耗（交流電壓下由周期性極化所引起）。二、介質(zhì)損耗分析交流時流過電介質(zhì)的電流：介質(zhì)損耗(有功損耗)：由上式可見，介質(zhì)功率損耗P與試驗電壓、被試品尺寸等因素有關(guān)，不同試品間難以互相比較；而對于結(jié)構(gòu)一定的被試品，在外施電壓一定時，介質(zhì)損耗只取決于tanδ。

tanδ被稱為介質(zhì)損耗角正切，它只與介質(zhì)本身特性有關(guān)，與材料尺寸無關(guān)，因而不同試品的tanδ可相互比較。對同類試品絕緣的優(yōu)劣可用tanδ來代替P對絕緣進行判斷。實際上，電導(dǎo)損耗和極化損耗都同時存在。介質(zhì)等值電路可用三個并聯(lián)支路表示：C0：反映電子式和離子式極化；Ca、ra：反映吸收電流，表示有損極化；Rg：反映電導(dǎo)損耗，該支路流過的電流為泄漏電流。有損介質(zhì)的等值電路分析可用并聯(lián)等效電路或串聯(lián)等效電路tanδ的物理含義：表征單位體積均勻介質(zhì)內(nèi)能量損失的大小

三、影響介質(zhì)損耗的因素溫度、頻率、電壓1、氣體的介質(zhì)損耗

U＜U0時僅有很小的電導(dǎo)損耗，且與U無關(guān)；U＞U0，有游離、局放、電暈損耗等，U↑→tanδ↑↑2、液體的介質(zhì)損耗

與電壓的關(guān)系：U＜U0時，僅有很小的電導(dǎo)損耗；U＞U0后，液體分子發(fā)生游離，電導(dǎo)迅速增大；（1）中性或弱極性液體介質(zhì)與溫度的關(guān)系：隨溫度上升按指數(shù)規(guī)律增大。損耗主要由電導(dǎo)引起（2）極性液體介質(zhì)電導(dǎo)和極化損耗隨電壓變化的關(guān)系與中性或弱極性相同;與溫度的關(guān)系：ToC＜T1oC：電導(dǎo)和極化損耗較小，↑ToC→電導(dǎo)損耗↑&

粘度下降極化↑→極化損耗↑→tanδ↑

T1oC＜ToC＜T2oC：分子熱運動加快妨礙偶極子轉(zhuǎn)向→極化損耗↓↓&電導(dǎo)損耗↑→tanδ↓

ToC＞T2oC：電導(dǎo)損耗↑↑&極化損耗↓→tanδ↑

與頻率的關(guān)系：較低f：↑f→極化↑→tanδ↑

較高f：↑f→偶極子轉(zhuǎn)向困難→tanδ↓3、固體的介質(zhì)損耗

(1)無機絕緣材料：云母、陶瓷、玻璃云母：由電導(dǎo)引起損耗，介質(zhì)損耗小，耐高溫性能好，是理想的電機絕緣材料，但機械性能差；電工陶瓷：既有電導(dǎo)損耗，又有極化損耗；20oC和50Hz時＝2％～5％；玻璃：電導(dǎo)損耗＋極化損耗，損耗與玻璃成分tanδ有關(guān)。(2)有機絕緣材料：分為非極性和極性非極性有機電介質(zhì)：只有電子式極化，損耗取決于電導(dǎo)；極性有機電介質(zhì)：極化損耗使總損耗較大。第二章氣體電介質(zhì)的擊穿特性2.1

帶電質(zhì)點的產(chǎn)生和消失帶電質(zhì)點：正離子、負離子、電子一、帶電質(zhì)點的產(chǎn)生原因：各種游離（電離）作用：促進放電發(fā)展

氣體原子的激發(fā)和游離帶電粒子的運動當氣體中存在電場時，粒子同時進行熱運動和沿電場定向運動。游離（電離）：外界以某種方式給處于某一能級軌道上的電子施加一定的能量，該電子就可能擺脫原子核的束縛成為自由電子。激發(fā)：電子向高一能級軌道的躍遷。游離能：產(chǎn)生游離需要的能量。自由行程：一個質(zhì)點在每兩次碰撞間自由地通過的距離。平均自由行程：眾多質(zhì)點自由行程的平均值。1、碰撞游離電子或離子與氣體分子碰撞，將電場能傳遞給氣體分子引起游離的過程。碰撞游離條件：當電子從電場獲得的動能大于或等于氣體分子的游離能時，就可能使氣體分子分裂為電子或正離子

碰撞游離主要由電子和氣體分子碰撞所引起。氣體中，電子和離子的自由行程是它們和氣體分子發(fā)生碰撞的行程。由于電子尺寸和質(zhì)量比分子小得多，不易發(fā)生碰撞，故電子的平均自由行程比離子的大得多，在電場作用下加速運動易積聚足夠的動能。Wi為氣體分子的游離能2、光游離由光輻射引起氣體分子游離的過程光游離產(chǎn)生的電子稱為光電子來源：x射線、γ射線、宇宙射線、紫外線等異號帶電質(zhì)點復(fù)合成中性質(zhì)點釋放出光子條件：激勵態(tài)分子回復(fù)到正常態(tài)釋放出光子3、熱游離本質(zhì)：氣體分子熱狀態(tài)引起的碰撞游離和光游離的綜合。

常溫下，氣體分子發(fā)生熱游離概率極小。當t>10000K時，才需考慮熱游離；當t>20000K時，幾乎全部的分子都處于熱游離狀態(tài)以上三種游離發(fā)生在氣體空間中，故也稱為空間游離4、氣體中金屬表面游離含義：形式：金屬陰極表面發(fā)射電子的過程。

氣體中的主要游離形式為碰撞游離正離子碰撞陰極表面；短光波照射；強場發(fā)射；熱電子發(fā)射；二、帶電質(zhì)點的消失作用：既促進又阻礙放電的進行都以光子的形式放出多余的能量。一定條件下會導(dǎo)致其他氣體分子產(chǎn)生光游離，使氣體放電階躍式發(fā)展。電子復(fù)合和離子復(fù)合：作用：阻礙放電發(fā)生1、復(fù)合2、擴散正離子和負離子或電子相遇時，發(fā)生電荷的傳遞而相互中和還原為分子的過程。3、進入電極作用：阻礙放電發(fā)展帶電質(zhì)點從濃度較大區(qū)域轉(zhuǎn)移到濃度較小區(qū)域的性質(zhì)在外電場作用下，氣隙中的正、負電荷分別向兩電極定向移動的現(xiàn)象2.2

均勻電場中氣體的擊穿過程一、非自持放電和自持放電氣體放電實驗的伏安特性曲線氣體放電伏安特性左圖表示實驗所得平板電極(均勻電場)氣體中的電流I與所加電壓U的關(guān)系，即伏安特性。在曲線OA段，I隨U的提高而增大，這是由于電極空間的帶電質(zhì)點向電極運動加速而導(dǎo)致復(fù)合數(shù)的減少所致。當電壓接近Ua時，電流I0趨向于飽和值，因為這時外界游離因子所產(chǎn)生的帶電質(zhì)點幾乎能全部抵達電極，所以電流值僅取決于游離因子的強弱而與所加電壓無關(guān)。

實驗分析oa段：電流隨電壓升高而升高ab段：電流僅取決于外游離因素與電壓無關(guān)bs段：電壓升高碰撞游離增強但仍靠外游離維持(非自持)s點后：只靠外加電壓就能維持(自持)如果取消外游離因素，電流也將消失，這類依靠外游離因素的作用而維持的放電叫非自持放電。外施電壓到達U0后，氣隙中游離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要外游離因素的放電稱為自持放電，U0稱為起始放電電壓。二、低氣壓下均勻場自持放電的湯遜理論（一）電子崩(a)

電子崩的形成(b)

帶電離子在電子崩中的分布外界游離因子在陰極附近產(chǎn)生一個初始電子，如果空間電場強度足夠大，該電子在向陽極運動時就會引起碰撞游離，產(chǎn)生一個新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運動，又會引起新的碰撞游離，產(chǎn)生更多電子。依此電子將按照幾何級數(shù)不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為電子崩。（二）電子崩發(fā)展到陽極后的新游離電子崩發(fā)展到陽極，其崩頭的電子進入陽極中和，崩體內(nèi)的正離子在電場作用下向陰極運動。若氣隙上的電壓較低，場強較小，則正離子撞擊陰極板時從陰極逸出的電子將全部和正離子復(fù)合，陰極表面游離不出自由電子。此時若取消外界游離因素，氣隙中將沒有產(chǎn)生新電子崩的電子，放電會停止。此即是非自持放電。若氣隙上的電壓達到其臨界擊穿電壓，則由于正離子的動能大，撞擊陰極表面時就能使其逸出自由電子，此時即使取消外界游離因素，陰極表面游離出的電子可彌補原來發(fā)展電子崩的那個電子，產(chǎn)生新的電子崩，使放電繼續(xù)進行下去。此即是自持放電。自持放電條件：物理意義：一個從陰極出發(fā)的起始電子發(fā)展電子崩到陽極后，崩中的個正離子向陰極碰撞時，只要至少能從陰極撞擊出一個自由電子來，放電就可轉(zhuǎn)入自持。如自持放電條件滿足時，會形成下圖的閉環(huán)部分：1.將電子崩和陰極上的γ過程作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。2.湯遜理論的實質(zhì)是：電子碰撞游離是氣體放電的主要原因，二次電子來源于正離子撞擊陰極表面使陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。3.陰極逸出電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)?？偨Y(jié)：（三）巴申定律當氣體和電極材料一定時，氣隙的擊穿電壓(Ub)是氣壓(p)(或氣密）和氣隙距離(d)乘積的函數(shù)，即Ub=f(δd)。1、巴申曲線巴申曲線表明，改變極間距離d的同時，也相應(yīng)改變密度δ而使δd的乘積不變，則極間距離不等的氣隙擊穿電壓卻彼此相等。2、定性分析(1)d一定時：a、δ較小時：↓δ→碰撞次數(shù)進一步↓→有效碰撞次數(shù)↓→Ub↑

由此分析可知：當極間距離d不變時提高氣壓或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓。這一概念具有十分重要的實用意義。工程應(yīng)用：壓縮空氣開關(guān)、真空開關(guān)等(2)δ一定時a、d較小時：進一步↓d（與差不多）→碰撞次數(shù)少→無足夠的碰撞次數(shù)→Ub↑b、d較大時：↑d→E↓→不易游離→Ub↑意義：減小或增大d，都能使擊穿電壓提高。

↑δ→平均自由行程↓→碰撞次數(shù)↑，不易積累足夠游離能(只碰撞不游離)→有效碰撞次數(shù)↓→Ub↑b、δ較大時：（四）湯遜理論的適用范圍湯遜理論是在低氣壓δd

較小條件下建立起來的，pd過大，湯遜理論就不再適用；pd過大時（氣壓高、距離大）湯遜理論無法解釋：放電時間：很短放電外形：具有分支的細通道擊穿電壓：與理論計算不一致陰極材料：無關(guān)湯遜理論適用于δd<0.26cm三、高氣壓下均勻場自持放電的流注理論以自然界的雷電為例，它發(fā)生在兩塊雷云之間或雷云與大地之間，這時不存在金屬陰極，因而與陰極上的γ過程和二次電子發(fā)射根本無關(guān)。氣體放電流注理論以實驗為基礎(chǔ)，考慮了高氣壓、長氣隙情況下不容忽視的若干因素對氣體放電的影響，主要有以下方面：

空間電荷對原有電場的影響

空間光游離的作用1、空間電荷對原有電場的影響電子崩頭部聚集大部分正離子和全部電子，產(chǎn)生了電場畸變；崩頭前方和后方處電場增強，崩頭內(nèi)部正、負電荷交界處出現(xiàn)一弱電場區(qū)，此處電子和離子濃度最大，有利于完成復(fù)合；強烈的復(fù)合輻射出許多光子，成為引發(fā)新的空間光游離輻射源。電場加強區(qū)域（崩頭前方附近）利于分子的激發(fā)，易放出光子。

2、空間光游離的作用考慮初始電子崩頭部成為輻射源，會向氣隙空間各處發(fā)射光子而引起光游離。如圖所示：如果這時產(chǎn)生的光子位于崩頭前方和崩尾附近的強場強區(qū)，則造成的二次電子崩將以更大的游離強度向陽極發(fā)展或匯入崩尾的正離子群中。這些游離強度和發(fā)展速度遠大于初始電子崩的二次電子崩不斷匯入初崩通道的過程稱為流注。

流注形成過程示意圖3、流注的形成和發(fā)展示意圖a、起始電子發(fā)生碰撞游離形成初始電子崩；b、初崩發(fā)展到陽極，正離子作為空間電荷畸變原電場，加強正離子與陰極間電場，放射出大量光子；c、光游離產(chǎn)生二次電子，在加強的局部電場作用下形成二次崩；d、二次崩電子與正空間電荷匯合成流注通道，其端部又有二次崩留下的正電荷，加強局部電場產(chǎn)生新電子崩使其發(fā)展；e、流注頭部游離迅速發(fā)展，放射出大量光子，引起空間光游離，流注前方出現(xiàn)新的二次崩，延長流注通道；f、流注通道貫通，氣隙擊穿。流注發(fā)展過程概述4、形成流注的條件電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷足以使原電場明顯畸變，大大加強電子崩崩頭和崩尾處的電場；電子崩中電荷密度很大，所以復(fù)合頻繁，放射出的光子在這部分很強電場區(qū)很容易成為引發(fā)新的空間光游離的輻射源，二次電子主要來源于空間光游離；氣隙中一旦形成流注