非持续作用电压
雷电冲击过电压、操作冲击过电压
持续时间极短（以微秒计），放电发展速度不能忽略不计。间隙的击穿电压与作用电压的波形（即作用时间）有很大关系
用伏秒特性来表达气隙的击穿特性
伏秒特性
以斜角波电压为例说明考虑放电时延的必要性
在间隙上缓慢地施加电压，达到静态击穿电压U 0后，间隙中开始发展起击穿过程。但击穿需一定时间?τ= t l ，在此时间内电压
上升击穿完成时间隙上的电压
应为U 0+?U
t
u U ????=?/τ
例如
某间隙的静态击穿电压为50kV ，放电时延为
如果电压上升的平均陡度为
，与50kV 相比，可以忽略电压上升的平均陡度：
，与50kV 相比，不能忽略
V/S 10s )105/(V 10507
33=××?V/S 10s )105/(V 105010
63=××?S 106?=?τV 10107=?×=?τU KV 101010=?×=?τU
伏秒特性的制订方法
工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的
关系来表征间隙在冲击
电压下的击穿特性
伏秒特性用实验方法求取
放电时间具有分散性，实际上伏秒特性是以上、
下包线为界的一个带状
区域
伏秒特性的应用
Ｓ
２对Ｓ
1
起保护作用在高幅值冲击电压作用下，
Ｓ
２
不起保护作用
气隙击穿电压的概率分布
无论何种作用电压，气隙的击穿电压都有分散性，但分散程度不同
接近正态分布：用50%击穿电压U
和相对标
50
准偏差σ来表示，表3-2-1
耐受电压：工程中将对应于（99%以上）的电压最为耐受电压
U50(1-3σ)——击穿几率99.86%
球—球间隙
极性效应：当d＞D/4，大地对
电场的畸变作用使间隙电场
分布不对称：电场最强的电
极为负极性时的击穿电压略
低于正极性时的数值
电场均匀程度影响：同一间隙
距离下，球电极直径越大，
击穿电压也越高
照射效应：增大气隙中出现有
效电子的概率，减小击穿电
压的分散性
直流电压下的击穿电压?极性效应：棒—棒电极间的击穿电压介于极性不同
的棒—板电极之间
?击穿电压与间隙距离接近正比，平均击穿场强：
正棒—负板：4.5kV/cm
负棒—正板：l0kV/cm
棒—棒：4.8~5.0kV/cm
工频电压下的击穿电压
?击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生
?间隙距离小于2.5cm，击穿电压和距离近似直线关系
?平均击穿场强(幅值)：棒—棒间隙为5.36kV/cm，棒—板间隙为4.8kV/cm
?“饱和现象”：距离加大，平均击穿场强明显降低，棒—板间隙尤为严重
d＝1m， 5 kV/cm
d＝l０m，2 kV/cm
第二章 气体动理论 1-2-1选择题： 1、处于平衡状态的一瓶氦气和一瓶氮气的分子数密度相同，分子的平均平动动能也相同，都处于平衡态。以下说法正确的是： （A ）它们的温度、压强均不相同。 （B ）它们的温度相同，但氦气压强大于氮气压强。 （C ）它们的温度、压强都相同。 (D) 它们的温度相同，但氦气压强小于氮气压强。 2、三个容器A 、B 、C 中装有同种理想气体，其分子数密度n 相同，方均根速率之比4:2:1: : 2 2 2 C B A v v v ， 则其压强之比C B A p p p ::为： (A) 1 : 2 : 4 (B) 1 : 4 : 8 (C) 1 : 4 : 16 (D) 4 : 2 : 1 3、一定量的理想气体贮于某一容器中，温度为T ，气体分子的质量为m . 根据理想气体的分子模型和统计假设，分子速度在x 方向的分量平方的平均值为: (A) 2x v = m kT 3 (B) 2 x v = m kT 331 (C) 2 x v = m kT 3 (D) 2 x v = m kT 4、关于温度的意义，有下列几种说法： (1) 气体的温度是分子热运动平均平动动能的量度. (2) 气体的温度是大量气体分子热运动的集体表现，具有统计意义. (3) 温度的高低反映物质内部分子热运动剧烈程度的不同. (4) 从微观上看，气体的温度表示每个气体分子的冷热程度. 上述说法中正确的是 （A ） (1)、(2)、(4) （B ） (1)、(2)、(3) （C ） (2)、(3)、(4) (D) (1)、(3)、(4)
5、两容器内分别盛有氢气和氦气，若它们的温度和质量分别相等，则： (A) 两种气体分子的平均平动动能相等. (B) 两种气体分子的平均动能相等. (C) 两种气体分子的方均根速率相等. (D) 两种气体的内能相等. 6、一容器内装有N 1个单原子理想气体分子和N 2个刚性双原子理想气体分子，当该系统处在温度为T 的平衡态时，其内能为 (A) ??? ??++kT kT N N 2523)(21 (B) ??? ??++kT kT N N 252 3 )(2121 (C) kT N kT N 252321+ (D) kT N kT N 2 3 2521+ 7、有一截面均匀的封闭圆筒，中间被一光滑的活塞分割成两边，如果其中的一边装有0.1kg 某一温度的氢气，为了使活塞停留在圆筒的正中央则另一边应装入同一温度的氧气质量为： （A ） kg 16 1 (B) 0.8 kg (C ) 1.6 kg (D) 3.2 kg 8、若室内生火炉以后，温度从15°C 升高到27°C ，而室内的气压不变，则此时室内的分子数减少了： (A) 0.5% (B) 4% (C) 9% (D) 21% 9、有容积不同的A 、B 两个容器，A 中装有单原子分子理想气体，B 中装有双原子分子理想气体。如果两种气体的压强相同，那么这两种气体的单位体积的内能A V E ??? ??和B V E ??? ??的关系为： （A ）B A V E V E ??? ????? ??
第二章?????气体分子运动论的基本概念2013-7-22崎山苑工作室1 2.1物质的微观模型分子运动论是从物质的微观结构出发来阐明热现象的规律的。 一、宏观物体是由大量微粒－－分子（或原子）组成的宏观物体是由分子组成的，在分子之间存在着一定的空隙。例如气体很容易被压缩，又如水和酒精混合后的体积小于两者原有体积之和，这都说明分子间有空隙。用20000atm的压强压缩钢筒中的油，结果发现油可以透过筒壁渗出，这说明钢的分子间也有空隙。目前用高分辨率的扫描隧道显微镜已能观察晶体横截面内原子结构的图像，并且能够操纵原子和分子。2013-7-22崎山苑工作室2 2013-7-22崎山苑工作室
二、物体内的分子在不停地运动着，这种运动是无规则的，其剧烈程度与物体的温度有关扩散现象说明：一切物体（气体、液体、固体）的分子都在不停地运动着 在显微镜下观 察到悬浮在液 体中的小颗粒 都在不停地作 无规则运动，
该运动由布朗 最早发现，称 为布朗运动。 2013-7-22崎山苑工作室4 布朗运动的无规则性，实际上反映了液体内部分子运动的无规则性。 所谓“无规则”指的是： 1。由于分子间的相互碰撞，每个分子的运动方向和速率都在不断地改变； 2。任何时刻，在液体或气体内部，沿各个方向运动的分子都有，而且分子运动的速率有大有小。 实验结果：扩散的快慢和布朗运动的剧烈程度都与温度的高低有显著的关系。随着温度的升高，扩散过程加快，悬浮颗粒的运动加剧。 结论：分子无规则运动的剧烈程度与温度有关，温度越高，分子的无规则运动就越剧烈。通常把分子的这种运动称为热运动。 2013-7-22崎山苑工作室5 三、分子之间有相互作用力吸引力：由于固体与液体的分子之间存在着相互的吸引力使固体能够保持一定的形状与体积而液体能保持一定的体积。 右图演示实验说明分子之间存在着相互的吸引力 排斥力：固体和液体的很难压缩说明分子之间存在着斥力结论：一切宏观物体都是由大量分子（或原子）组成的；所有的分子都处在不停的、无规则热运动中；分子之间有相互作用力。 2013-7-22崎山苑工作室6 三、分子之间有相互作用力吸引力：由于固体与液体的分子之间存在着相互的吸引力使固体能够保持一定的形状与体积而液体能保持一定的体积。 右图演示实验说明分子之间存在着相互的吸引力
第二章 气体分子运动论的基本概念 2-1 目前可获得的极限真空度为10-13 mmHg 的数量级，问在此真空度下每立方厘米内有多少空气分子，设空气的温度为27℃。 解： 由P=n K T 可知 n =P/KT=) 27327(1038.11033.1101023 213+?????-- =3.21×109(m –3 ) 注：1mmHg=1.33×102 N/m 2 2-2 钠黄光的波长为5893埃，即5.893×10-7 m ，设想一立方体长5.893×10-7 m ， 试问在标准状态下，其中有多少个空气分子。 解：∵P=nKT ∴PV=NKT 其中T=273K P=1.013×105 N/m 2 ∴N=6 23375105.5273 1038.1)10893.5(10013.1?=?????=--KT PV 个 2-3 一容积为11.2L 的真空系统已被抽到1.0×10-5 mmHg 的真空。为了提高其真空度， 将它放在300℃的烘箱内烘烤，使器壁释放出吸附的气体。若烘烤后压强增为1.0×10-2 mmHg ，问器壁原来吸附了多少个气体分子。 解：设烘烤前容器内分子数为N 。，烘烤后的分子数为N 。根据上题导出的公式PV = NKT 则有： )(0 110011101T P T P K V KT V P KT V P N N N -=-= -=? 因为P 0与P 1相比差103 数量，而烘烤前后温度差与压强差相比可以忽略，因此 T P 与 1 1 T P 相比可以忽略 1823 2 23111088.1) 300273(1038.11033.1100.1102.11??+???????=?=?---T P K N N 个 2-4 容积为2500cm 3 的烧瓶内有1.0×1015 个氧分子,有4.0×1015 个氮分子和3.3×10-7 g
变压器油的击穿电压 将电压施加于绝缘油时，随着电压增加，通过油的电流剧增，使之完全丧失所固有的绝缘性能而变成导体，这种现象称为绝缘油的击穿。绝缘油发生击穿时的临界电压值，称为击穿电压，此时的电场强度，称为油的绝缘强度，表明绝缘油抵抗电场的能力。击穿电压U (kV)和绝缘强度E (kV/cm)的关系为 E=U/d (2-26) 式中d-电极间距离(cm)。 纯净绝缘油与通常含有杂质的绝缘油具有不同的击穿机理。 前者的击穿是由于游离所引起，可用气体电介质击穿的机理来解释，即在高电场强度下，油分子碰撞游离成正离子和电子，进而形成了电子崩。电子崩向阳极发展，而积累的正电荷则聚集在阴极附近，最后形成一个具有高电导的通道，导致绝缘油的击穿。 通常绝缘油总是或多或少含有杂质，在这种情况下，杂质是造成绝缘油击穿的主要原因。油中水滴、纤维和其他机械杂质的介电系数ε比油的要大得多（纤维的ε=7，水的ε=80，而变压器油的ε≈2.3），因此在电场作用下，杂质将被吸引到电场强度较大的区域，在电极间构成杂质“小桥”，从而使油的击穿强度降低。如杂质足够多，则还能构成贯通电极间隙的“小桥”，流过较大的泄漏电流，使之强烈发热，并使油和水局部沸腾和气化，结果击穿就沿此“气桥”而发生。
下面分别分析影响绝缘油击穿电压的各主要因素。 (1)测量绝缘油击穿强度时采用的电极材料、电极形状和电极面积对油的绝缘强度有影响。根据试验数据得知，在同样的试验条件下，不同电极材料测量的同种油样绝缘强度的排列顺序为Fe<黄铜 低压气体直流击穿特性 （大连理工大学 物理与光电工程学院，大连 116024） 摘要：通过低气压直流辉光放电发生装置，研究了氩气的气压与击穿电压的关系，在放电极板间隙及极板材质不变的情况下，得到了氩气的帕邢曲线，给出了氩气的最小击穿电压和最佳击穿条件. 关键词：帕邢定律；放电击穿；击穿电压；直流辉光放电 Breakdown characteristics of DC glow discharge ###(201021###) (Dalian U niversity o f T echnology School o f P hysics a nd O ptoelectronic E ngineering, D alian 116024) Abstract：The e lectrode v oltage v ersus g as p ressure i n g low d ischarge o f A rgon i s s tudied u sing D C g low discharge generating device. The relationship between electrode voltage and argon pressure is under the law o f P aschen l aw .By c hanging t he a r p ressure ，a m inimal v oltage a nd t he b est b reakdown c ondition a re found . key words：Paschen l aw ；discharge b reakdown ；breakdown v oltage ；DC g low d ischarge 0 引言 气体在常态下是良好的绝缘体，在直流电场下没有载流能力，但在一定激励作用下，使气体中的中性粒子发生电离形成正负电离的粒子，当粒子数达到一定数目时，气体就成了导体，在此情形下施加一定的电场，粒子在场作用下会定向移动，就发生了气体放电现象 . 气体放电分为自持放电和非自持放电，非自持放电指的是存在外致电离源的条件下才能维持放电，而支持放电指去掉外致电离源的条件下 ，仍能维持放电 .气体从非自持放电到自持放电的过程称为气体的击穿 [1]. 1 辉光放电 辉光放电是气体放电现象中的一种重要形式,低压气体的辉光放电是指放电气体的压强在10—3至l torr范围的放电,放电时出现特有的光辉. 辉光放电是一种自持放电,它主要是靠正离子轰击阴极所产生的二次电子发射来维持。电极问不同放电区域的发光强度、电位、电场强度、空间电荷量和电流密度的大小是不同的。从阴极开始首先是阿斯顿暗区,在这个区域里,电子从阴极出发,但从电场中获得的能量还不足以激发原子,因此在这里出现一个很薄的暗区 .经过阿斯顿暗区之后,电子从电场中获得的能量足以使原子激发, 阴极辉光就是这 第5章电介质的击穿气体电介质的击穿 液体电介质的击穿 固体电介质的击穿 ?电介质的击穿 介质发生击穿时，通过介质的电流剧烈地增加，通常以介质伏安特性斜率趋向于∞（即dI/dU=∞）——击穿发生的标志。 ?击穿电压 ?击穿场强： 电介质的击穿场强是电介质的基本电性能之一，它决定了电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力。 5.1 气体电介质的击穿 ?正常气体中的载流子(离子和电子)在外电场作用下迁移，形成电流电流随电压增加而增加 电离产生的载流子来不及复合，全部到达电极 气体中出现碰撞电离，载流子浓度增大，电流不再保持恒定而迅速上升载流子数剧增，气体中的电流无限增大(dI/dU→∞)——丧失绝缘性能。 气体击穿（气体放电）：气体由绝缘状态变为良导电 状态的过程。 击穿场强：均匀电场中击穿电压与气体间隙距离之比. 击穿场强反映了气体耐受电场作用的能力，即气体的电气强度。 平均击穿场强：不均匀电场中击穿电压与间隙距离之 比称 ?气体发生击穿时除电流剧增外，通常还伴随有发光及发热等现象。 5.1.1 均匀电场中气体击穿的理论 1.气体击穿的汤逊（Townsend）理论 电子崩形成过程(电子倍增过程)（1）电子崩与电流倍增 外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多的电子。 α 如电离系数为，则从阴极出发的一个电子，行经单位距离后增加为2α个电子。类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。 第10章 气体动理论题目无答案 一、选择题 1. 一理想气体样品, 总质量为M , 体积为V , 压强为p , 绝对温度为T , 密度为?, 总分子数为N , k 为玻尔兹曼常数, R 为气体普适常数, 则其摩尔质量可表示为 [ ] (A) MRT pV (B) pV MkT (C) p kT ρ (D) p RT ρ 2. 如T10-1-2图所示，一个瓶内装有气体, 但有小孔与外界相通, 原来瓶内温度为300K ．现在把瓶内的气体加热到400K (不计容积膨胀), 此时瓶内气体的质量为 原来质量的______倍． [ ] (A) 27／127 (B) 2／3 (C) 3／4 (D) 1／10 3. 相等质量的氢气和氧气被密封在一粗细均匀的细玻璃管内, 并由一 水银滴隔开, 当玻璃管平放时, 氢气柱和氧气柱的长度之比为 [ ] (A) 16:1 (B) 1:1 (C) 1:16 (D) 32:1 4. 一容器中装有一定质量的某种气体, 下列所述中是平衡态的为 [ ] (A) 气体各部分压强相等 (B) 气体各部分温度相等 (C) 气体各部分密度相等 (D) 气体各部分温度和密度都相等 5. 一容器中装有一定质量的某种气体, 下面叙述中正确的是 [ ] (A) 容器中各处压强相等, 则各处温度也一定相等 (B) 容器中各处压强相等, 则各处密度也一定相等 (C) 容器中各处压强相等, 且各处密度相等, 则各处温度也一定相等 (D) 容器中各处压强相等, 则各处的分子平均平动动能一定相等 6. 理想气体能达到平衡态的原因是 [ ] (A) 各处温度相同 (B) 各处压强相同 (C) 分子永恒运动并不断相互碰撞 (D) 各处分子的碰撞次数相同 7. 理想气体的压强公式 k 3 2 εn p = 可理解为 [ ] (A) 是一个力学规律 (B) 是一个统计规律 (C) 仅是计算压强的公式 (D) 仅由实验得出 8. 一个容器内贮有1摩尔氢气和1摩尔氦气，若两种气体各自对器壁产生的压强分别为p 1和p 2，则两者的大小关系是： [ ] (A) p 1> p 2 (B) p 1< p 2 (C) p 1＝p 2 (D)不确定的 9. 在一密闭容器中，储有A 、B 、C 三种理想气体，处于平衡状态．A 种气体的分子数密度为n 1，它产生的压强为p 1；B 种气体的分子数密度为2n 1；C 种气体的分子数密度为3 n 1．则混合气体的压强p 为 [ ] (A) 3 p 1 (B) 4 p 1 (C) 5 p 1 (D) 6 p 1 10. 若室内生起炉子后温度从15?C 升高到27?C, 而室内气压不变, 则此时室内的分子数减少了 [ ] (A) % (B) 4% (C) 9% (D) 21% 11. 无法用实验来直接验证理想气体的压强公式, 是因为 T10-1-2图 T 10-1-3图 1 影响绝缘材料击穿的主要原因 对于绝缘材料，在不损坏其绝缘性能的情况下施加高电压的过程称为耐压（抗电）试验；在破坏其绝缘时施加高电压的过程称为击穿试验，击穿时的电压值称为击穿电压。电气设备的质量检查是靠耐压试验完成的。若用连续均匀升压或逐级升压方法对厚度为d(mm)的绝缘材料试件施加高电压，当试件击穿时的电压值V(kV)就是击穿电压。试件在击穿时每单位厚度上所承受的电压值，或试 件的击穿电压值与两个电极间试件的平均厚度之比称为击穿强度：E b =V b /d(kV/m m),有的也称为绝缘强度或介质强度。影响介质击穿的主要客观因素有[1][2]: 1.1 施加电压的时间 多数绝缘材料的击穿电压与加电压的时间有关系，击穿电压随加电压的时间加长而明显下降，见图1，基本遵循下述经验公式： 式中，V t ——加电压时间视为无穷长时的最小击穿电压； V i ——加电压后t时刻的击穿电压； a——与材料和试验条件有关的常数； t——加电压的时间。 图1 击穿电压与加电压时间的关系 1.2 温度和湿度 在低温范围，击穿电压随温度的升降变化不大；在较高的温度范围，不管是绝缘材料本身还是周围环境温度升高和湿度增加，击穿电压都下降。对厚材料更为显著，见图2和图3。 图2 击穿电压与温度的关系图3 击穿电压与湿度的关系 1.3 电压频率 交流电压对绝缘材料的考验最严格。随着交频率的增加，击穿电压值下降见图4，这是因为频率增加时介质的热效应也增加，而且加速了局部放电的流破坏过程。 图4 击穿电压与交流频率的关系 在直流电压作用下，试件内部的局部放电过程容易自行衰减，而且介质损耗一般要比在交流电场中小，所以直流击穿电压要比交流击穿电压高。 第四章 气体动理论 2-4-1选择题： 1、处于平衡状态的一瓶氦气和一瓶氮气的分子数密度相同，分子的平均平动动能也相同，都处于平衡态。以下说法正确的是： （A ）它们的温度、压强均不相同。 （B ）它们的温度相同，但氦气压强大于氮气压强。 （C ）它们的温度、压强都相同。 (D) 它们的温度相同，但氦气压强小于氮气压强。 2、三个容器A 、B 、C 中装有同种理想气体，其分子数密度n 相同，方均根速率之比 4:2:1::222=C B A v v v ， 则其压强之比C B A p p p ::为： (A) 1 : 2 : 4 (B) 1 : 4 : 8 (C) 1 : 4 : 16 (D) 4 : 2 : 1 3、一定量的理想气体贮于某一容器中，温度为T ，气体分子的质量为m . 根据理想气体的分子模型和统计假设，分子速度在x 方向的分量平方的平均值为: (A) 2 x v =m kT 3 (B) 2x v = m kT 331 (C) 2 x v = m kT 3 (D) 2x v = m kT 4、关于温度的意义，有下列几种说法： (1) 气体的温度是分子热运动平均平动动能的量度. (2) 气体的温度是大量气体分子热运动的集体表现，具有统计意义. (3) 温度的高低反映物质内部分子热运动剧烈程度的不同. (4) 从微观上看，气体的温度表示每个气体分子的冷热程度. 上述说法中正确的是 （A ） (1)、(2)、(4) （B ） (1)、(2)、(3) （C ） (2)、(3)、(4) (D) (1)、(3)、(4) 5、两容器内分别盛有氢气和氦气，若它们的温度和质量分别相等，则： (A) 两种气体分子的平均平动动能相等. (B) 两种气体分子的平均动能相等. (C) 两种气体分子的方均根速率相等. (D) 两种气体的内能相等. 6、一容器内装有N 1个单原子理想气体分子和N 2个刚性双原子理想气体分子，当该系统处在温度为T 的平衡态时，其内能为 (A) ??? ??++kT kT N N 2523)(21 (B) ??? ??++kT kT N N 2523)(2121 气体介质击穿-正文 气体介质在电场作用下发生碰撞电离而导致电极间贯穿 性放电的现象。气体介质击穿与很多因素有关，其中主要的影 响因素为作用电压、电极形状、气体的性质及状态等。气体介 质击穿常见的有直流电压击穿、工频电压击穿、冲击电压击穿、 高气压电击穿、高真空电击穿、负电性气体击穿。 直流电压击穿直流电压作用下的气体介 质击穿。可分为以下两种。 ①在电极间电场是均匀的情况下,气压低于1大气压（约0.1兆帕）时,间隙击穿电压服从于帕邢定律。对于空气介质，击穿电压U b可按经验公式 进行计算。式中d为电极间距离(cm)，δ为空气相对密度。一般情况下,空气介质击穿电压也可近似地用30kv/cm的击穿场强来估计。对于稍不均匀电场，如两球电极的间隙，当电极距离d与球直径D之比d/D＜1/4时，可看作均匀电场，超过此限度时就不能这样考虑了。 ②在极不均匀电场的情况下，如棒－板电极的间隙，击穿场强E b 大为降低,并且还会出现极性效应,即正极性棒对负极性板的间隙击穿 电压小于相反极性的情形，如图1所示。引起极性效应的原因是由于正离子比电子运动慢很多,在间隙中形成正极性空间电荷,改变了电场分 布而引起不同的放电发展过程。在 0.3～3m电极间距离范围内，棒对板间隙的平均击穿场强E b分别约为：正极性棒电极时，E+≈4.5kV/cm；负极性棒电极时，E-≈10kV/cm。 工频电压击穿工频交流电压作用下的气 体介质击穿。在均匀电场(见不均匀电场)的间隙 中，工频击穿电压和直流击穿电压相等。在极不均匀电场的间隙中（如棒－板间隙），击穿总是发生在棒电极处于正极性的状态，因而交流击穿电压幅值与正极性棒对负极性板间隙的直流击穿电压相近。棒－板空气间隙的交流平均击穿场强为Eа≈4.8kV/cm，与上述E+很接近。为提供高电压输电线或变电所空气间隙距离的设计依据，近年来很多人研究长空气间隙的工频击穿电压(见长间隙击穿)。图2为1～ 10m间隙距离的击穿电压曲线。图中,曲线1、2是棒-棒电极间隙，上棒电极均为5m，下棒电极分别为6m及3m，两者的击穿电压稍有差异。这是因为曲线2的下棒电极短，大地的影响大。曲线3是棒-地间隙的击穿电压,它比棒-棒间隙的数值低许多,并且有“饱和”的趋势。这些试验是在室内进行的，后来由户外试验说明，并未出现“饱和”现象。“饱和”现象是由于试验室墙的影响引起的。进行长间隙的试验需要很大的试验室，投资很多。因此许多人在研究用理论模型计算或试验模拟来代替实际尺寸的试验。 冲击电压击穿冲击电压作用下的气体介质击穿现象。冲击电压可分两类：一类是雷电冲击电压，其标准波形为1.2/50，是模拟雷闪放电时造成的雷电过电压；一类是操作冲击电压，标准波形为 250/2500或波前时间为2000～3000的衰减振荡波，为模拟开关操作或系统故障时产生的操作过电压(见过电压)。不同电极形状空气间隙的雷电冲击击穿电压如图3 所示。由于冲击击穿电压有随机分散性，一般 第二章气体放电的物理过程 本章节教学内容要求： 气体分子的激发与游离，带电质点的产生与消失 汤森德气体放电理论：电子崩的形成，自持放电的条件，帕邢定律。 流注理论：长间隙击穿的放电机理，极性效应，先导放电，雷云放电及电晕。 必要说明：1）常用高压工程术语 击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。 闪络：沿固体介质表面的气体放电（亦称沿面放电）。 电晕：不均匀电场条件下的气体自持放电现象。 击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的最低临界电压。 击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。Ｅｂ＝Ｕｂ／Ｓ（Ｓ：极间距离） 放电 辉光放电：当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。 火花放电：在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。主要表现为：从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。 电晕放电：在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。电晕放电的电流很小。 电弧放电：在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。电弧放电电流大，电弧温度高。 电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。 2）常见电场的结构 均匀场：板－板 稍不均匀场：球－球 极不均匀场：（分对称与不对称） 棒－棒对称场 棒－板不对称场 线－线对称场 §２－１气体中带电质点的产生和消失 一．带电粒子的产生（电离过程） 气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。 激励能：一个原子的外层电子跃迁到较远的轨道上去的现象称为激励，其值为两个能级之间的差值。 电离能：当外界加入的能量很大，使电子具有的能量超过最远轨道的能量时，电子就会 Dialectric Breakdown Strength(电介质击穿强度) 数据摘要： These data are the result of a study involving the analysis of performance degradation data from accelerated tests. The response variable is dialectric breakdown strength in kilo-volts, and the predictor variables are time in weeks and temperature in degrees Celcius. The study can be viewed as an 8 by 4 factorial experiment. 中文关键词： 伽马回归,离差模型,击穿强度,电介质, 英文关键词： two-way analysis of variance,nonlinear regression,gamma regression,dispersion modelling,breakdown strength,dialectric, 数据格式： TEXT 数据用途： The data can be used for statistics. 数据详细介绍： Dialectric Breakdown Strength Keywords: two-way analysis of variance, nonlinear regression, gamma regression, dispersion modelling Description These data are the result of a study involving the analysis of performance degradation data from accelerated tests. The response variable is dialectric breakdown strength in kilo-volts, and the predictor variables are time in weeks and temperature in degrees Celcius. The study can be viewed as an 8 by 4 factorial experiment. Variable Description Strength Dialectric breakdown strength in kilovolts Time Duration of testing in weeks (8 levels) Temperature Temperature in degrees Celsius (4 levels) Source 气体动理论 一、填空题 1. (本题3分)某气体在温度为T = 273 K时，压强为p=1.0×10-2atm，密度ρ= 1.24×10-2 kg/m3，则该气体分子的方均根速率为____________。(1 atm = 1.013×105 Pa) 答案：495m/s 2. (本题5分)某容器内分子密度为1026m-3，每个分子的质量为3×10-27kg，设其中1/6分子数以速率v=200m/s垂直向容器的一壁运动，而其余5/6分子或者离开此壁、或者平行此壁方向运动，且分子与容器壁的碰撞为完全弹性的。则 (1)每个分子作用于器壁的冲量ΔP=_____________； (2)每秒碰在器壁单位面积上的分子数n0=___________； (3)作用在器壁上的压强p=_____________； 答案：1.2×10-24kgm/s ×1028m-2s-1 4×103Pa 3. (本题4分)储有氢气的容器以某速度v作定向运动，假设该容器突然停止，气体的全部定向运动动能都变为气体分子热运动的动能，此时容器中气体的温度上升0.7K，则容器作定向运动的速度v=____________m/s，容器中气体分子的平均动能增加了_____________J。 (普适气体常量R=8.31J·mol-1·K-1，波尔兹曼常k=1.38×10-23J·K-1，氢气分子可视为刚性分子。) 答案：：121 2.4×10-23 4. (本题3分)体积和压强都相同的氦气和氢气(均视为刚性分子理想气体)，在某一温度T下混合，所有氢分子所具有的热运动动能在系统总热运动动能中所占的百分比为________。 答案：62.5% 5. (本题4分)根据能量按自由度均分原理，设气体分子为刚性分子，分子自由度为i，则当温度为T时， (1)一个分子的平均动能为_______。 (2)一个摩尔氧气分子的转动动能总和为________。 答案：ikT RT 6. (本题5分)图示的两条曲线分别表示氦、氢两种气体在相同温度T时分子按速率的分布，其中 第二章液体的绝缘特性与介质的电气强度2-1电介质极化的基本形式有哪几种，各有什么特点？ 2-2如何用电介质极化的微观参数去表征宏观现象？ 2-3非极性和极性液体电介质中主要极化形式有什么区别？ 2-4极性液体的介电常数与温度、电压、频率有什么样的关系？2-5液体电介质的电导是如何形成的？电场强度对其有何影响？2-6目前液体电介质的击穿理论主要有哪些？ 2-7液体电介质中气体对其电击穿有何影响？ 2-8水分、固体杂质对液体电介质的绝缘性能有何影响？ 2-9如何提高液体电介质的击穿电压？ 2-1电介质极化的基本形式有哪几种，各有什么特点？ 答：电介质极化的基本形式有 （１）电子位移极化 图（1） 电子式极化 （２）偶极子极化 图（2） 偶极子极化 （a ）无外电场时 （b ）有外电场时 1—电极 2—电介质（极性分子） 2-2如何用电介质极化的微观参数去表征宏观现象？ 答：克劳休斯方程表明，要由电介质的微观参数（N 、α）求得宏观参数—介电常数r ε，必须先求得电介质的有效电场i E 。 （１）对于非极性和弱极性液体介质，有效电场强度 0233r i P E E E εε+=+= 式中，P 为极化强度（0(1)r P E εε=-）。 上式称为莫索缔（Mosotti ）有效电场强度，将其代入克劳休斯方程[式(2-11)]，得到非极性与弱极性液体介质的极化方程为 01 23r r N εαεε-=+ （２）对于极性液体介质，由于极性液体分子具有固有偶极矩，它们之间的距离近，相互作用强，造成强的附加电场，洛伦兹球内分子作用的电场2E ≠0，莫索缔有效电场不适用。 2-3非极性和极性液体电介质中主要极化形式有什么区别？ 答：非极性液体和弱极性液体电介质极化中起主要作用的是电子位移极化，偶极子极化对极化的贡献甚微；极性液体介质包括中极性和强极性液体介质，这类介质在电场作用下，除了电子位移极化外，还有偶极子极化，对于强极性液体介质，偶极子的转向极化往往起主要作用。 2-4极性液体的介电常数与温度、电压、频率有什么样的关系？ 答：（１）温度对极性液体电介质的r ε值的影响 如图2-2所示，当温度很低时，由于分子间的联系紧密，液体电介质黏度很大，偶极子转动困难，所以r ε很小；随着温度的升高，液体电介质黏度减小，偶极子转动幅度变大，r ε随之变大；温度继续升高，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，r ε又开始减小。 （２）频率对极性液体电介质的r ε值的影响 如图2-1所示，频率太高时偶极子来不及转动，因而r ε值变小。其中0r ε相当于直流电 场下的介电常数，f>f 1以后偶极子越来越跟不上电场的交变，r ε值不断下降；当频率f=f2 时，偶极子已经完全跟不上电场转动了，这时只存在电子式极化，r ε减小到r ε∞，常温下， 极性液体电介质的r ε≈3～6。 2-5液体电介质的电导是如何形成的？电场强度对其有何影响？ 答：液体电介质电导的形成： （１）离子电导——分为本征离子电导和杂质离子电导。设离子为正离子，它们处于图２－５中A 、B 、C 等势能最低的位置上作振动，其振动频率为υ，当离子的热振动能超过邻近分子对它的束缚势垒0u 时，离子即能离开其稳定位置而迁移。 （２）电泳电导——在工程中，为了改善液体介质的某些理化性能，往往在液体介质中 第二章 气体动理论 思考题 2-1 什么是热运动？其基本特征是什么？说明微粒做布朗运动的原因。 答：系统中物质分子运动的剧烈程度随系统温度的升高而加剧，因此，将大量分子的无规则运动叫做分子的热运动。分子热运动的基本特征是分子的永不停息地运动和频繁地相互碰撞。 由于气体分子的热运动，即从微观角度看，气体分子的无规则运动和对微粒的频繁碰撞，是微粒产生布朗运动的原因。 2-2 何谓理想气体？从微观结构来看，它与实际气体有何区别？ 答： 所谓理想气体就是指比较稀薄的气体，即平均间距很大的分子集合。具体地讲，理想气体（1）分子本身线度与分子之间的平均距离相比可以忽略不计，分子看作质点；（2）除碰撞的瞬间外，分子与分子、分子与器壁间无相互作用力；（3）分子之间，分子与器壁之间的碰撞是完全弹性的。 而实际气体分子之间有相互作用力，在短程斥力的作用下，实际气体分子不能当着质点来处理，应考虑到其本身体积的大小。实际气体的状态方程和实际气体的等温线和理想气体相比较也有较大的差别。 2-3 若给出一个矩形容器，设内部充有同一种气体，每一个分子的质量为m ，分子数密度为n ，由此可以导出理想气体的压强公式。若容器是一个球形的，压强公式的形式仍然是不变的。请证明之。 答：在球形容器内，分子运动的轨迹如本图中带箭头实线所示。设分子i 的速率为i v ，分子与器壁的碰撞为完全弹性碰撞，分子碰撞器壁只改变分子运动方向，不改变速度的大小，并且，“入射角”等于“反射角”。 对分子i 来说，在每次和器壁的碰撞中，分子对器壁作用的法向冲量为 2cos i mv θ。 该分子每秒钟内与器壁的碰撞次数为2cos i v R θ，所以，该分子每秒内作用在器壁上的作用力为 2 2cos 2cos i i i v mv mv R R θθ?= 对于总数为N 的全部分子（分子是全同的， 每一个分子的质量均为m 。）来说，球形内壁每秒内所受到的总作用力等于 2 1 N i i m F v R ==∑ 由于球形内壁的总面积为24R π，气体的体积为34 3 R π。所以，按照压强的定 义得 思考题2-3用图 摘要：随着电?力电?子变换系统对于效率和体积提出更?高的要求，SiC（碳化硅）将会是越来越合适的半导体器件。尤其针对光伏逆变器和UPS应?用，SiC 器件是实现其?高功率密度的?一种?非常有效的?手段。本?文主要介绍SiC技术优点、缺点及??目前应?用层?面的?一些瓶颈。 1.引?言 由于SiC相对于Si的?一些独特性，对于SiC技术的研究，可以追溯到上世界70年代。 简单来说，SiC主要在以下3个?方?面具有明显的优势: ? 击穿电压强度?高（10倍于Si） ? 更宽的能带隙（3倍于Si） ? 热导率?高（3倍于Si） 这些特性使得SiC器件更适合应?用在?高功率密度、?高开关频率的场合。当然，这些特性也使得?大规模?生产?面临?一些障碍，直到2000年初单晶SiC晶?片出现才开始逐步量产。??目前标准的是4英?寸晶?片，但是接下来6英?寸晶?片也要诞?生，这会导致成本有显着的下降。?而相?比之下，当今12英?寸的Si晶?片已经很普遍，如果预测没有问题的话，接下来4到5年的时间18英?寸的Si晶?片也会出现。Vincotech公司?十?几年前就已经采?用SiC?二极管来开发功率模块。SiC?二极管由于其卓越的反向恢复特性，可以有效的减?小它本?身的开关损耗和IGBT的开关损耗。SiC肖特基?二极管虽然已经应?用了很多年，但是还需要进?一步改善价格来获得更??广阔的市场。 最近?几年的主要研究和应?用是基于SiC的有源开关器件，?比如SiC MOSFET和SiC JFET. 从??目前电压等级4Kv以下的应?用来看，SiC MOSET有打败SiC JFET 的势头。SiC MOSFET有着卓越的开关损耗和超?小的导通损耗。SiC MOSFET ?大批量商业化的最?大障碍??目前还是由于其居?高不下的价格。然?而我们还是要综合评估整个系统成本，因为SiC MOSFET还是带来系统整个体积和其他成本的下降。?文本会介绍?一些SiC和Si在效率、损耗?方?面的对?比来证明SiC在?高频应?用上的优势。 2.采?用boost模型，对?比分析SiC和Si器件的损耗 我们来看?一下boost电路。像光伏逆变器的前级升压就会?用到这类电路。下图1是典型的boost电路拓扑。 图1： boost电路拓扑 1、试解释沿面闪络电压明显低于纯空气间隙的击穿电压的原因。答：当两电极间的电压逐渐升高时，放电总是发生在沿固体介质的表面上，此时的沿面闪络电压已比纯空气间隙的击穿电压低很多，其原因是原先的均匀电场发生了畸变。产生这种情况的原因有：（1）固体介质表面不是绝对光滑，存在一定的粗糙程度，这使得表面电场分布发生畸变。（2）固体介质表面电阻不可能完全均匀，各处表面电阻不相同。（3）固体介质与空气有接触的情况。（4）固体介质与电极有接触的状况。/ 2、简要解释小桥理论。答：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。这些杂质的介电常数小于液体的介电常数，在交流电场作用下，杂质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，杂质中场强较高，且气泡的击穿场强低，因此杂质中首先发生放电，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。/3在测试电气设备的介质损失角正切值时什么时候用正接线，什么时候用反接线；正接线和反接线各有什么特点？答：使用西林电桥的正接线时，高压西林电桥的高压桥臂的阻抗比对应的低压臂阻抗大得多，所以电桥上施加的电压绝大部分都降落在高压桥臂上，只要把试品和标准电容器放在高压保护区，用屏蔽线从其低压端连接到低压桥臂上，则在低压桥臂上调节R3和C4就很安全，而且测量准确度较高。但这种方法要求被试品高低压端均对地绝缘。使用反接线时，即将R3和C4接在高压端，由于R3和C4处于高电位。桥体位于高压侧，抗干扰能力和准确度都不如正接线。现场试验通常采用反接线试验方法。/4、固体电介质的电击穿和热击穿有什么区别？答：固体电介质的电击穿过程与气体放电中的汤逊理论及液体的电击穿理论相似，是以考虑在固体电介质中发生碰撞电离为基础的，不考虑由边缘效应、介质劣化等原因引起的击穿。电击穿的特点是：电压作用时间短，击穿电压高，击穿电压与环境温度无关，与电场均匀程度有密切关系，与电压作用时间关系很小。电介质的热击穿是由介质内部的热不平衡过程所造成的。热击穿的特点是：击穿电压随环境温度的升高按指数规律降低；击穿电压与散热条件有关，如介质厚度大，则散热困难，因此击穿电压并不随介质厚度成正比增加；当电压频率增大时，击穿电压将下降；击穿电压与电压作用时间有关。/6、测试电容量较大的被试品的绝缘电阻时如何防止被试品反放电烧坏兆欧表？为什么要对被试品充分放电？答：测试电容量较大的被试品的绝缘电阻时一定要在停止摇动兆欧表之前，先解开被试品的接线。电容量较大的被试品在测完接地电阻时，根据电容充放电的原理，往往会带上大量的电荷，所以必须对其充分放电。7、测量绝缘材料的泄漏电流为什么用直流电压而不用交流电压？答：因为直流电压作用下的介质损失仅有漏导损失，而交流作用下的介质损失不仅有漏导损失还有极化损失。所以在直流电压下，更容易测量出泄漏电流。/8、什么是变压器的主绝缘、匝间绝缘和分级绝缘。答：主绝缘：发电机、变压器各点对地绝缘。匝间绝缘：变压器多匝绕组间的绝缘。分级绝缘：各个不同的电压等级采取不同的绝缘等级。/9、简述汤逊理论和流注理论的异同点，并说明各自的适用范围。答：汤逊理论和流注理论都是解释均匀电场的气体放电理论。前者适用于均匀电场、低气压、短间隙的条件下；后者适用于均匀电场、高气压、长间隙的条件下。不同点:（1）放电外形流注放电是具有通道形式的。根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展。（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得多。（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正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。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。 10、局部放电是怎样产生的？在电力系统中常用什么方法进行测量,为什么？答：杂质存在导致电场分布不均匀，电压U 达到一定值时，会首先在气泡或杂质中产生放电，既局部放电。局部放电的检测方法：①直接用局部放电检测仪进行测量，用专用的无晕电源设备; ②油色谱分析：主要是检测绝缘油中乙炔气体的含量。/11、自持放电和非自持放电答：必须借助外力因素才能维持的放电称为非自持放电;不需其他任何加外电离因素而仅由电场的作用就能自行维持的放电称为自持放电。/12、吸收比和极化指数答：加压60秒的绝缘电阻与加压15秒的绝缘电阻的比值为吸收比。加压10分钟的绝缘电阻与加压1分钟的绝缘电阻的比值为极化指数。/13、反击和绕击答：雷击线路杆塔顶部时，由于塔顶电位与导线电位相差很大，可能引起绝缘子串的闪络，即发生反击。 雷电绕过避雷线击于导线，直接在导线上引起过电压，称为绕击。/14、保护角答：保护角是指避雷线与所保护的外侧导线之间的连线与经过避雷线的铅垂线之间的夹角。 15、极性效应答：在极不均匀电场中，高场强电极的不同，空间电荷的极性也不同，对放电发展的影响也不同，这就造成了不同极性的高场强电极的电晕起始电压的不同，以及间隙击穿电压的不同，称为极性效应。16、50%冲击放电电压答：工程上采用50%冲击击穿电压（U50%）来描述间隙的冲击击穿特性，即在多次施加同一电压时，用间隙击穿概率为50％的电压值来反映间隙的耐受冲击电压的特性。低压气体直流击穿特性
气体电介质的击穿 液体电介质的击穿 固体电介质的击穿
第章气体动理论
击穿耐压装置指标
第四章气体动理论
气体介质击穿
第二章气体放电的物理过程(1)
科学计算_Dialectric Breakdown Strength(电介质击穿强度)
气体动理论(附答案)
高电压技术第2章习题答案
第2章气体动理论
击穿电压强度高(10倍于Si)
试解释沿面闪络电压明显低于纯空气间隙的击穿电压的原因
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