第4講 氣體電介質的絕緣特性

1、高電壓工程系李黎2第第4 4講講 氣體電介質的絕緣特性（三）氣體電介質的絕緣特性（三）3回顧回顧u帶電粒子的消失和擴散u自持放電和非自持放電u重點：湯遜理論重點：湯遜理論u重點：流注理論重點：流注理論u不均勻電場的放電特點電暈本次課程本次課程u極不均勻場中的放電過程u穩(wěn)態(tài)電壓下的氣體擊穿u瞬態(tài)電壓下的氣體擊穿u重點：極性效應重點：極性效應451.3.3 1.3.3 極不均勻場中的放電過程極不均勻場中的放電過程一、非自持放電階段一、非自持放電階段電子崩產生電子崩產生陽極積聚正電荷陽極積聚正電荷6二、流注發(fā)展階段二、流注發(fā)展階段頭部電場增強頭部電場增強新電子崩新電子崩流注前移流注前移7三、先導放電

2、階段三、先導放電階段u通道根部的電子最多流注根部溫度升高出現(xiàn)熱電離先導通道（具有熱電離過程的通道）。u新的電離過程使電離加強，電導增大，從而加大了其頭部前沿區(qū)域中的場強，引起新的流注，導致先導通道不斷伸長。 8流注根部流注根部溫度升高溫度升高熱電離熱電離過程過程先導先導通道通道電離加強，更為明亮電離加強，更為明亮電導增大電導增大軸向場強更低軸向場強更低發(fā)展速度更快發(fā)展速度更快長空氣間隙的平均擊穿場強遠低于短間隙長空氣間隙的平均擊穿場強遠低于短間隙 9u四、主放電過程u 先導頭部達到板極。小間隙中的高場強引起強烈電離，帶電粒子高。u強電離區(qū)迅速向陽極傳播主放電過程。u主放電通道貫穿電極間隙擊穿。

3、特點：由于其頭部場強極大，所以主放電通道發(fā)展速度及電導都遠大于先導通道。10主放電通道主放電通道主放電和先導通道的交界區(qū)主放電和先導通道的交界區(qū)先導通道先導通道 11先導的發(fā)展先導的發(fā)展正棒正棒負板間隙中先導通道的發(fā)展負板間隙中先導通道的發(fā)展（）先導和其頭部的流注；（）流注頭部電子崩的形成；（）先導和其頭部的流注；（）流注頭部電子崩的形成；（）由流注轉變?yōu)橄葘Ш托纬闪髯?；（）流注頭部電子崩的形成；（）由流注轉變?yōu)橄葘Ш托纬闪髯?；（）流注頭部電子崩的形成；（）沿著先導和空氣間隙電場強度的分布（）沿著先導和空氣間隙電場強度的分布 121.3.4 1.3.4 極不均勻場中的極性效應極不均勻場中的極性

4、效應u正棒負板13u電子運動速度快，迅速進入棒極；u棒極附近積聚起正空間電荷，削弱了棒極附近的電場強度而加強了正離子群外部空間的電場u結果：u（1）使電暈起始電壓提高。u（2）外部空間電場加強，有利于流注的發(fā)展，因此擊穿電壓較低。 14u負棒正板15u電子崩中的電子離開強電場區(qū)后，不再能引起電離，向陽極運動的速度也越來越慢。u電子崩中的正離子加強了棒極附近的場強，使棒極附近容易形成流注。u結論：u（1）電暈起始電壓比正極性時要低。u（2）正空間電荷產生的附加電場與原電場方向相反，削弱了外部空間的電場，阻礙了流注的發(fā)展，因此擊穿電壓較高。161.4 1.4 氣體間隙的穩(wěn)態(tài)擊穿氣體間隙的穩(wěn)態(tài)擊穿u

5、電壓波形 持續(xù)作用的穩(wěn)態(tài)電壓直流 工頻 沖擊電壓（瞬態(tài)）雷電沖擊 操作沖擊u電場形式 均勻場 稍不均勻場 極不均勻場171.4.1 1.4.1 均勻電場均勻電場u分散性小u直流擊穿電壓工頻擊穿電壓 均勻電場中空氣的擊穿電壓經驗公式d-間隙距離(cm) -空氣相對密度 ddU08. 622.24018均勻電場，標準大氣狀態(tài)條件，穩(wěn)態(tài)電壓作用時，空氣間隙的擊穿電壓峰值Ub與極間距離的關系 191.4.2 1.4.2 稍不均勻電場稍不均勻電場u 分散性小u直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓基本相等u擊穿電壓與電場的均勻度相關。越均勻，擊穿電壓越高u極性效應，在不對稱場中201.4.2 1.4.2 稍不均勻電

6、場稍不均勻電場極性效應：（球球間隙） 不接地時，無極性效應， 但通常會接地，此時有極性效應21假設球直徑D當dD/4，電場相當均勻 ，直流電壓、工頻電壓及 沖擊電壓作用下，擊穿電 壓都相同 當dD/4，大地對電場的 畸變作用使間隙電場分布 不對稱，Ub有極性效應 負極性時的擊穿電壓略低 于正極性時的數(shù)值 同一間隙距離下，球電極直徑越大，由于電場均勻程度增加，擊穿電壓也越高 2Dd 221.4.3 1.4.3 極不均勻電場極不均勻電場 波形影響大，分散性大，極性效應明顯極性效應：極性效應：最高：負棒正板，平均擊穿場強最高：負棒正板，平均擊穿場強 約為約為10kV/cm次高：棒棒，平均擊穿場強次高

7、：棒棒，平均擊穿場強 約為約為4.85.0kV /cm最低：正棒負板，平均擊穿場強最低：正棒負板，平均擊穿場強 約為約為4.5kV/cm（一）（一） 直流擊穿電壓直流擊穿電壓23“棒棒棒棒”和和“棒板棒板”空氣氣隙的直流擊穿空氣氣隙的直流擊穿特性特性“棒棒棒棒”和和“棒板棒板”長間隙的直流擊穿長間隙的直流擊穿特性特性24（二）（二） 工頻擊穿電壓工頻擊穿電壓u在棒-板間隙中，擊穿總是在棒為正的半周期內，電壓達到幅值附近時發(fā)生u工頻擊穿電壓稍低于直流電壓下的擊穿電壓 （這是由于前半周期留下的空間電荷對棒極前方的電 場有所加強的緣故）u棒-棒間隙的擊穿電壓比棒-板間隙的要高一些 （這是由于棒-棒的

8、電場更均勻一些）u擊穿電壓具有“飽和現(xiàn)象”。25“棒棒”和“棒板”長氣隙的工頻擊穿特性 1棒棒 2棒板 在d2m，擊穿電壓與氣隙距離的關系出現(xiàn)“飽和”趨勢261.5 1.5 雷電沖擊電壓作用下氣體的擊穿雷電沖擊電壓作用下氣體的擊穿一、雷電沖擊電壓標準波形一、雷電沖擊電壓標準波形非周期性指數(shù)衰減波非周期性指數(shù)衰減波雷電流是沖擊波形的，雷電流是沖擊波形的，故由雷閃放電引起的高故由雷閃放電引起的高電壓也具有沖擊波形電壓也具有沖擊波形 T11.2 s（ 30%） T250 s（ 20%） 27二、放電時延二、放電時延擊穿條件：擊穿條件：足夠幅值的電壓，一定時間的作用足夠幅值的電壓，一定時間的作用統(tǒng)計時

9、延統(tǒng)計時延ts有效電子（能引起電離過程并最終有效電子（能引起電離過程并最終導致?lián)舸┑碾娮樱┊a生。不均勻電場內，導致?lián)舸┑碾娮樱┊a生。不均勻電場內， ts小小。放電形成時延放電形成時延tf出現(xiàn)電子崩、形成流注、主放出現(xiàn)電子崩、形成流注、主放電、間隙擊穿。均勻電場內，電、間隙擊穿。均勻電場內， tf小小。放電時延放電時延 tlag ts tf28影響影響tlag的因素：的因素：U增大， tlag減小紫外光照射沖擊放電所需的全部時間沖擊放電所需的全部時間ftt tts1b 29三、雷電三、雷電50%50%沖擊擊穿電壓（沖擊擊穿電壓（U U50%50%） u原因放電時延的分散性電壓升高到一定程度，10

10、0擊穿U U50%50%在多次施加電壓時，其中半數(shù)導致?lián)舸┰诙啻问┘与妷簳r，其中半數(shù)導致?lián)舸┑碾妷海こ躺弦源藖矸从抽g隙的耐受沖擊電的電壓，工程上以此來反映間隙的耐受沖擊電壓的特性壓的特性試驗方法：多級法（每級加壓試驗方法：多級法（每級加壓6次，曲線），升次，曲線），升降法（降法（10次中次中46次擊穿）次擊穿）30( (三三) ) 雷電沖擊雷電沖擊50%50%擊穿電壓擊穿電壓u高于穩(wěn)態(tài)擊穿電壓（直流擊穿電壓或工頻擊穿電壓幅值）。 u分散性較大。其標準偏差可取3%。u擊穿通常發(fā)生在波尾。u和間隙距離大致呈線性關系，即無飽和趨勢。 （因為作用時間短，間隙距離加大后，需要 提高先導發(fā)展速度才能完成

11、放電，因此擊 穿電壓提高） 值持續(xù)電壓下的擊穿電壓擊穿電壓值雷電沖擊沖擊系數(shù)%5031極不均勻場中的極性效應極不均勻場中的極性效應32四四. .伏秒特性伏秒特性 n以斜角波電壓為例來說明考慮放電時延的必要性以斜角波電壓為例來說明考慮放電時延的必要性 在間隙上緩慢地施加直流電壓，達到靜態(tài)擊穿電壓在間隙上緩慢地施加直流電壓，達到靜態(tài)擊穿電壓U0后，間隙中開始發(fā)展起擊穿過程。但擊穿需一定時間后，間隙中開始發(fā)展起擊穿過程。但擊穿需一定時間 = tl，在此時間內電壓，在此時間內電壓 上升上升 擊穿完成時間隙上的電壓擊穿完成時間隙上的電壓 應為應為U0+ U tuU/33伏秒特性的繪制伏秒特性的繪制實驗方

12、法實驗方法u保持間隙距離不變、保持沖擊電壓波形不變，逐級升高電壓使氣隙發(fā)生擊穿，讀取擊穿電壓值U與擊穿時間t。34伏秒特性曲線的形狀與電場分布有關伏秒特性曲線的形狀與電場分布有關u在均勻電場和稍不均勻電場中，擊穿時平均場強較高，放電發(fā)展較快，放電時延較短，伏秒特性曲線平坦。u在極不均勻電場中，平均擊穿場強較低，放電時延較長，放電分散性大，伏秒特性曲線較為陡峭。 35伏秒特性的分散性伏秒特性的分散性u放電時間具有分放電時間具有分散性，每級電壓散性，每級電壓下放電時間不同下放電時間不同，實際上伏秒特，實際上伏秒特性是以上、下包性是以上、下包絡線為界的一個絡線為界的一個帶狀區(qū)域帶狀區(qū)域36伏秒特性的

13、用途伏秒特性的用途對對1 起保護作用起保護作用 在高幅值沖擊電壓作用下，在高幅值沖擊電壓作用下，不起保護作用不起保護作用371.6 1.6 操作沖擊電壓作用下氣體的擊穿操作沖擊電壓作用下氣體的擊穿 一、操作沖擊電壓標準波形一、操作沖擊電壓標準波形n非周期性指數(shù)衰減波非周期性指數(shù)衰減波 推薦操作沖擊電壓的標準波形為推薦操作沖擊電壓的標準波形為2502500 s n衰減振蕩電壓衰減振蕩電壓 第一個半波的持續(xù)時間在第一個半波的持續(xù)時間在2000一一3000 s之間之間 ，反極性，反極性的第二個半波的幅值達到第一個半波幅值的第二個半波的幅值達到第一個半波幅值80 38二、操作沖擊二、操作沖擊50%50

14、%擊穿電壓擊穿電壓u均勻電場和稍不均勻電場中均勻電場和稍不均勻電場中 間隙的操作沖擊50%擊穿電壓、雷電沖擊50%擊穿電壓和工頻擊穿電壓（峰值）幾乎相同，擊穿幾乎發(fā)生在峰值，擊穿電壓的分散性也較小。u極不均勻電場中極不均勻電場中 操作沖擊電壓下的擊穿通常發(fā)生在波頭部分，擊穿電壓與波頭時間有關而與波尾時間無關。39（1 1）波形的影響）波形的影響n在一定的波前時間范圍在一定的波前時間范圍內，內，U50 甚至會比工頻擊甚至會比工頻擊穿電壓低穿電壓低U U形曲線形曲線 n對應于極小值的波前時對應于極小值的波前時間隨著間隙距離加大而間隨著間隙距離加大而增加，對增加，對7m以下的間隙以下的間隙，大致在，

15、大致在50 200 s之間之間n放電時延和空間電荷放電時延和空間電荷(形形成及遷移成及遷移)這兩類不同因這兩類不同因素的影響所造成的素的影響所造成的 放電時延放電時延的作用的作用空間電荷對空間電荷對電場的影響電場的影響40（2）極性效應）極性效應 極不均勻電場中同樣有極性效應。正極性下極不均勻電場中同樣有極性效應。正極性下50擊穿電壓比負擊穿電壓比負極性下低，所以也更危險極性下低，所以也更危險 （3）分散性大）分散性大 對于波前時間在數(shù)十到數(shù)百對于波前時間在數(shù)十到數(shù)百s的操作沖擊電壓，極不均勻電場間的操作沖擊電壓，極不均勻電場間隙隙50擊穿電壓的標準偏差擊穿電壓的標準偏差 約為約為5；波前時間超過；波前時間超過1000 s以以后，可達后，可達8左右（工頻及雷電沖擊電壓下均約為左右（工頻及雷電沖擊電壓下均約為3） 由于空間電荷的形成、擴散和放電時延具有很大的統(tǒng)計性，所以操作沖擊電壓下間隙的擊穿電壓和放電時間的分散性比雷電沖擊電壓下大得多41（4）“飽和飽和”現(xiàn)現(xiàn)象象 極不均勻電場中操極不均勻電場中操作沖擊作沖擊50擊穿電擊穿電壓和間隙距離的關壓和間隙距離的關系具有明顯的系具有明顯的“飽飽和和”特征（雷電沖特征（雷電沖擊擊50擊穿電壓和擊穿電壓和距離大致呈線性關距離大致呈線性關系系 ）42( (四四) ) 操作沖擊操作沖擊50%50%擊穿電壓擊穿電壓