直流擊穿電壓

第3講回顧流注理論不均勻電場的放電特點(diǎn)——電暈極不均勻場中的放電過程第1頁/共44頁第一頁，共45頁。１——主放電通道２——主放電和先導(dǎo)通道的交界區(qū)３——先導(dǎo)通道第2頁/共44頁第二頁，共45頁。先導(dǎo)的發(fā)展正棒—負(fù)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；（ｅ）沿著先導(dǎo)和空氣間隙電場強(qiáng)度的分布第3頁/共44頁第三頁，共45頁。極不均勻場中的極性效應(yīng)正棒－負(fù)板第4頁/共44頁第四頁，共45頁。正棒－負(fù)板電子運(yùn)動(dòng)速度快，迅速進(jìn)入棒極；棒極附近積聚起正空間電荷，削弱了棒極附近的電場強(qiáng)度而加強(qiáng)了正離子群外部空間的電場結(jié)果：（1）使電暈起始電壓提高。（2）外部空間電場加強(qiáng)，有利于流注的發(fā)展，因此擊穿電壓較低。第5頁/共44頁第五頁，共45頁。負(fù)棒—正板第6頁/共44頁第六頁，共45頁。負(fù)棒—正板電子崩中的電子離開強(qiáng)電場區(qū)后，不再能引起電離，向陽極運(yùn)動(dòng)的速度也越來越慢。電子崩中的正離子加強(qiáng)了棒極附近的場強(qiáng)，使棒極附近容易形成流注。結(jié)論：（1）電暈起始電壓比正極性時(shí)要低。（2）正空間電荷產(chǎn)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。第7頁/共44頁第七頁，共45頁。1.4雷電沖擊電壓作用下氣體的擊穿一、雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形非周期性指數(shù)衰減波T1＝1.2s（30%）

T2＝50s（20%）

第8頁/共44頁第八頁，共45頁。由雷閃放電引起的高電壓也具有沖擊波形T1＝1.2s（30%）

T2＝50s（20%）

第9頁/共44頁第九頁，共45頁。二、放電時(shí)延統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts——有效電子（能引起電離過程并最終導(dǎo)致?lián)舸┑碾娮樱┊a(chǎn)生。不均勻電場內(nèi)，ts小。放電形成時(shí)延tf——出現(xiàn)電子崩、形成流注、主放電、間隙擊穿。均勻電場內(nèi)，tf小。放電時(shí)延

tlag＝ts＋

tf擊穿條件一定時(shí)間的作用足夠幅值的電壓第10頁/共44頁第十頁，共45頁。影響tlag的因素增大電壓U，tlag減小紫外光照射沖擊放電所需的全部時(shí)間

第11頁/共44頁第十一頁，共45頁。三、雷電50%沖擊擊穿電壓（U50%）

原因——放電時(shí)延具有分散性電壓升高到一定程度，100％擊穿U50%——在多次施加電壓時(shí)，其中正好半數(shù)能導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷?，工程上以此來反映間隙的耐受沖擊電壓的特性試驗(yàn)方法：多級法（每級加壓6次，曲線），升降法（10次中4~6次擊穿）第12頁/共44頁第十二頁，共45頁。均勻電場下的50%沖擊擊穿電壓均勻電場和稍不均勻電場下的擊穿電壓——擊穿電壓分散性小，其雷電沖擊50％擊穿電壓和靜態(tài)擊穿電壓（即持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓）相差很小

50%沖擊擊穿電壓沖擊系數(shù)＝ 持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓沖擊系數(shù)＝

1極不均勻電場下的擊穿電壓——由于放電時(shí)延較長，通常沖擊系數(shù)大于l，擊穿電壓的分散性也大一些，其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取為±3%第13頁/共44頁第十三頁，共45頁。極不均勻場中的極性效應(yīng)第14頁/共44頁第十四頁，共45頁。四.伏秒特性

以斜角波電壓為例來說明考慮放電時(shí)延的必要性在間隙上緩慢地施加直流電壓，達(dá)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(shí)間=tl，在此時(shí)間內(nèi)電壓上升擊穿完成時(shí)間隙上的電壓應(yīng)為U0+U

第15頁/共44頁第十五頁，共45頁。伏秒特性的繪制——實(shí)驗(yàn)方法保持間隙距離不變、保持沖擊電壓波形不變(電壓幅值可變)，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(shí)間t。第16頁/共44頁第十六頁，共45頁。伏秒特性曲線的形狀與電場分布有關(guān)在均勻電場和稍不均勻電場中，擊穿時(shí)平均場強(qiáng)較高，放電發(fā)展較快，放電時(shí)延較短，伏秒特性曲線平坦。在極不均勻電場中，平均擊穿場強(qiáng)較低，放電時(shí)延較長，放電分散性大，伏秒特性曲線較為陡峭。第17頁/共44頁第十七頁，共45頁。伏秒特性的分散性放電時(shí)間具有分散性，每級電壓下放電時(shí)間不同，實(shí)際上伏秒特性是以上、下包絡(luò)線為界的一個(gè)帶狀區(qū)域第18頁/共44頁第十八頁，共45頁。伏秒特性的用途Ｓ２對Ｓ1起保護(hù)作用在高幅值沖擊電壓作用下，Ｓ２起不到保護(hù)作用第19頁/共44頁第十九頁，共45頁。1.5操作沖擊電壓作用下氣體的擊穿一、操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形非周期性指數(shù)衰減波推薦操作沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形為250／2500s

衰減振蕩電壓波第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間在2000一3000s之間，反極性的第二個(gè)半波的幅值達(dá)到第一個(gè)半波幅值80％第20頁/共44頁第二十頁，共45頁。二、操作沖擊50%擊穿電壓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。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(shí)間有關(guān)而與波尾時(shí)間無關(guān)。第21頁/共44頁第二十一頁，共45頁。（1）波形的影響在一定的波前時(shí)間范圍內(nèi)，U50甚至?xí)裙ゎl擊穿電壓低——U形曲線

對應(yīng)于極小值的波前時(shí)間隨著間隙距離加大而增加，對7m以下的間隙，大致在50200s之間放電時(shí)延和空間電荷(形成及遷移)這兩類不同因素的影響所造成的

放電時(shí)延的作用第22頁/共44頁第二十二頁，共45頁。操作沖擊電壓（2）極性效應(yīng)

極不均勻電場中同樣有極性效應(yīng)。正極性下50％擊穿電壓比負(fù)極性下低，所以也更危險(xiǎn)（3）分散性大對于波前時(shí)間在數(shù)十到數(shù)百μs的操作沖擊電壓，極不均勻電場間隙50％擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為5％；波前時(shí)間超過1000s以后，可達(dá)8％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(kuò)散和放電時(shí)延具有很大的統(tǒng)計(jì)性，所以操作沖擊電壓下間隙的擊穿電壓和放電時(shí)間的分散性比雷電沖擊電壓下大得多第23頁/共44頁第二十三頁，共45頁。（4）“飽和”現(xiàn)象極不均勻電場中操作沖擊50％擊穿電壓和間隙距離的關(guān)系具有明顯的“飽和”特征（雷電沖擊50％擊穿電壓和距離大致呈線性關(guān)系）第24頁/共44頁第二十四頁，共45頁。操作沖擊50％擊穿電壓極小值的經(jīng)驗(yàn)公式式中d—間隙距離，m上式對于１20m的長間隙和試驗(yàn)結(jié)果很好地符合第25頁/共44頁第二十五頁，共45頁。1.6電場形式、電壓波形與擊穿電壓的關(guān)系電場形式均勻場稍不均勻場極不均勻場電壓波形持續(xù)作用電壓——直流工頻沖擊電壓——雷電操作第26頁/共44頁第二十六頁，共45頁。均勻電場分散性小均勻電場中空氣的擊穿電壓經(jīng)驗(yàn)公式第27頁/共44頁第二十七頁，共45頁。稍不均勻電場不能形成穩(wěn)定的電暈放電，電暈起始電壓就是其擊穿電壓，所以負(fù)極下?lián)舸╇妷郝缘陀谡龢O性下的數(shù)值幾種電壓形式的擊穿電壓值基本相等，分散性小也有極性效應(yīng)第28頁/共44頁第二十八頁，共45頁。極不均勻電場波形影響大，分散性大，極性效應(yīng)明顯一、直流擊穿電壓棒－棒間隙介于兩者之間棒—板間隙：棒具有正極性時(shí)，平均擊穿場強(qiáng)約為4.5kV/cm；棒具有負(fù)極性時(shí)約為l0kV/cm棒—棒間隙的平均擊穿場強(qiáng)約為4.8~5.0kV/cm第29頁/共44頁第二十九頁，共45頁。二、工頻擊穿電壓在棒-板間隙中，擊穿總是在棒為正的半周期內(nèi)、電壓達(dá)到幅值時(shí)發(fā)生，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(qiáng)的緣故。棒-棒間隙的擊穿電壓較高，因?yàn)榘?棒間隙的電場比棒-板間隙的要均勻一些。擊穿電壓具有“飽和現(xiàn)象”。棒－板：

d＝1m，5kV/cmd＝l０m，2kV/cm棒—棒間隙的平均擊穿場強(qiáng)約為5.36kV/cm(幅值)，棒—板間隙的約為4.8kV/cm(幅值)

第30頁/共44頁第三十頁，共45頁。三、雷電沖擊50%擊穿電壓雷電沖擊50%擊穿電壓高于穩(wěn)態(tài)擊穿電壓（直流擊穿電壓或工頻擊穿電壓幅值）。擊穿電壓的分散性也較大。間隙較長時(shí)，擊穿通常發(fā)生在波尾。雷電沖擊50%擊穿電壓和間隙距離大致呈線性關(guān)系——因?yàn)樽饔脮r(shí)間短，間隙距離加大后，需要提高先導(dǎo)發(fā)展速度才能完成放電——擊穿電壓提高。第31頁/共44頁第三十一頁，共45頁。四、操作沖擊50%擊穿電壓擊穿通常發(fā)生在波頭部分。U50%”U”形曲線。明顯的”飽和”特征.這是因?yàn)樾纬上葘?dǎo)后,放電易于發(fā)展之故。電場分布情況對操作沖擊50%擊穿電壓影響很大，存在顯著的“鄰近效應(yīng)”。第32頁/共44頁第三十二頁，共45頁。1.7大氣條件對氣隙擊穿特性的影響標(biāo)準(zhǔn)大氣條件：氣壓P0=101.3kPa，溫度t0=20℃——空氣密度絕對濕度f0=11g/m3。一、空氣相對密度的影響第33頁/共44頁第三十三頁，共45頁。(續(xù))在大氣條件下，空氣間隙的擊穿電壓隨P的增大而升高。δ＝0.95~1.05范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，間隙的擊穿電壓與相對密度成正比，實(shí)際試驗(yàn)或運(yùn)行條件下當(dāng)δ與1相差較大時(shí)，須用空氣密度校正系數(shù)Kd對擊穿電壓U進(jìn)行校正 第34頁/共44頁第三十四頁，共45頁。二、濕度的影響對放電過程起到抑制作用——濕度越大，間隙的擊穿電壓也會(huì)越高。k是絕對濕度和電壓種類的函數(shù)；指數(shù)ω的值取決于電極形狀、間隙距離、電壓種類及其極性。

濕度增加，電離能力下降第35頁/共44頁第三十五頁，共45頁。(續(xù))綜合氣壓、溫度、濕度的影響試驗(yàn)中需要對結(jié)果加以換算第36頁/共44頁第三十六頁，共45頁。三、對海拔高度的校正隨著海拔增高，空氣密度減小，自由程λ增大，電離能力增大，間隙的擊穿電壓降低。我國的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：海拔超過1000m而又低于4000m地區(qū)的外絕緣試驗(yàn)電壓U與平原地區(qū)外絕緣的試驗(yàn)電壓Up的關(guān)系為第37頁/共44頁第三十七頁，共45頁。1.8 提高氣體間隙擊穿電壓的措施兩條途徑：一、改善電場分布，使之盡量均勻改進(jìn)電極形狀利用空間電荷畸變電場的作用

二、利用其它方法來削弱氣體中的電離過程

第38頁/共44頁第三十八頁，共45頁。(一）改進(jìn)電極形狀以改善電場分布增大電極曲率半徑減小表面場強(qiáng)。如變壓器套管端部加球形屏蔽罩；采用擴(kuò)徑導(dǎo)線等改善電極邊緣電極邊緣做成弧形；盡量使其與某等位面相近使電圾具有最佳外形如穿墻高壓引線上加金屬扁球；墑洞邊緣做成近似垂接線旋轉(zhuǎn)體一、改善電場分布第39頁/共44頁第三十九頁，共45頁。（二）利用空間電荷畸變電場的作用極不均勻電場中擊穿前發(fā)生電暈放電，利用放電產(chǎn)生的空間電荷改善電場分布，提高擊穿電壓直徑D＝20mm及16mm時(shí)，擊穿電壓曲線的直線部分和尖一板間隙相近導(dǎo)線直徑減為3mm以至0.5mm時(shí)，擊穿電壓曲線的直線部分陡度大為增加，曲線逐漸與均勻電場中的相近

——“細(xì)線效應(yīng)”第40頁/共44頁第四十頁，共45頁。（三）極不均勻電場中屏障的采用在電場極不均勻的空氣間隙中，放入薄片固體絕緣材料（例如紙或紙板），在一定條件下，可以顯著提高間隙的擊穿電壓

原理——屏障積聚空間電荷，改善電場分布隨著屏障位置不同，擊穿電壓發(fā)生了很大的變化，尖電極的極性不同，屏障的影響也有差別

第41頁/共44頁第四十一頁，共45頁。棒電極為正極性屏障離尖電極過近，屏障效應(yīng)將隨之而減弱

棒電極為負(fù)極性

屏障離開尖電極一定距離，設(shè)置屏障反而將降低間隙的擊穿電壓

屏障離棒電極過近，仍有相當(dāng)?shù)钠两敌?yīng)

第42頁/共44頁第四