氣體電介質的擊穿特性

氣體電介質的擊穿特性2023/4/111第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五不均勻電場中氣體的擊穿過程持續(xù)電壓作用下的擊穿電壓雷電沖擊電壓下空氣的擊穿電壓引入新課操作沖擊電壓下空氣的擊穿電壓提高氣體間隙擊穿場強的方法沿面放電2023/4/112第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五電暈放電極性效應先導主放電雷擊沖擊電壓的波形伏秒特性流注的形成和發(fā)展沿面放電知識點2023/4/113第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五電暈放電1電暈的產生極不均勻電場中，間隙中的最大場強比平均場強大得多。外加電壓比較低的時候，曲率大（曲率半徑較?。┑碾姌O附近電場強度已足夠大可引起強烈的游離，在這局部的強場區(qū)形成放電。這種僅僅發(fā)生在強場區(qū)的局部放電稱為電暈放電。

電暈放電是極不均勻電場特有的自持放電形式。電暈放電的現象薄薄的發(fā)光層；伴有“咝咝”放電聲；發(fā)出臭氧氣味。第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五起始電壓起始場強開始出現電暈時的電壓開始出現電暈時電極表面的場強2023/4/115第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五

輸電線路的電暈起始場強與導線半徑及空氣密度有關，一般用經驗公式來推算，應用最廣的是皮克公式：m：導線表面粗糙系數與氣象系數的乘積;δ:空氣相對密度；r:導線半徑（cm）2023/4/116第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五3、電暈放電的效應（1）電暈電流具有高頻脈沖性質，對無線電通訊產生干擾。（2）電暈使空氣發(fā)生化學反應，產生O3、NO、NO2。（3）產生能量損耗。電暈損耗是超高壓輸電線路設計時必須考慮的因素，壞天氣時電暈損耗要比好天氣時大得多。對于500－750kV的超高壓輸電線路，在天氣好時電暈損耗一般不超過幾個W/km，而在壞天氣時，可以達到100W/km以上。

因此在設計超高壓線路時，需要根據不同天氣條件下電暈損耗的實測數據和線路參數，以及沿線路各種氣象條件的出現概率等對線路的電暈損耗進行估算降低電暈的方法：從根本上設法限制和降低導線的表面電場強度。2023/4/117第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五在極不均勻電場中，放電一定從曲率半徑較小的那個電極表面開始，與該電極極性無關。對于電極形狀不對稱的不均勻電場氣隙，如棒——板間隙，棒電極的極性不同時，間隙的起暈電壓和擊穿電壓的大小也不同。這種現象稱為極性效應。原因：棒電極的極性不同時，間隙中的空間電荷對外電場的畸變作用不同。2023/4/118第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五正棒—負板間隙當電子崩發(fā)展到棒極時，電子進入棒極中和。正離子留在棒極附近以較慢速度向板極運動，正空間電荷使緊貼棒極附近的電場減弱，不易形成流注，放電難以自持，故起暈電壓高。而正空間電荷加強了朝向板極的電場，有利于流注向板發(fā)展，故擊穿電壓較低。2023/4/119第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五負棒—正板陰極表面游離產生的電子通過強場區(qū)形成電子崩，電子向板極運動進入弱場區(qū)后不再引起游離，并大多形成負離子。因其濃度小，對電場影響小。正空間電荷加強了棒極附近的電場，易形成自持放電，故起暈電壓低。朝向板極方向的電場被減弱，流注不易發(fā)展，故擊穿電壓較高。2023/4/1110第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五短間隙不均勻電場中的放電過程指間隙距離不超過1m的間隙，以棒板間隙為例。由于正流注所形成的空間電荷總是加強流注通道頭部前方的電場，所以正流注的發(fā)展是連續(xù)的，速度很快。棒極為負時流注的發(fā)展實際上是階段式的，其平均速度比正棒極流注小得多，擊穿同一間隙所需的外電壓要高得多。2023/4/1111第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五2023/4/1112第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五長間隙不均勻電場中的放電過程（d＞1m時）1.先導放電階段具有熱游離過程的通道稱為先導通道。2.主放電階段溫度更高、電導更大，軸向電場更小的等離子體火花通道。此時，間隙接近于短路狀態(tài)，氣隙完全喪失了絕緣性能。2023/4/1113第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五結論：a、長間隙的放電通常分為電子崩、流注、先導放電和主放電四個階段。b、短間隙的放電沒有先導放電階段，只分為電子崩、流注和主放電三個階段。c、長間隙放電時，熾熱的導電通道是在放電發(fā)展的過程中建立的，而不是在整個間隙被流注通道貫穿后建立的，先導過程與主放電過程就發(fā)展得越充分，所以長間隙的平均擊穿場強遠小于短間隙的平均擊穿場強。2023/4/1114第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五持續(xù)電壓作用下空氣的擊穿電壓空氣間隙的擊穿場強主要取決于外加電壓的種類、電場的均勻程度及氣體的狀態(tài)。電力工程中的空氣間隙一般會受到三種電壓的作用：

持續(xù)電壓、雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓持續(xù)電壓作用下間隙的擊穿電壓與放電發(fā)展的時間無關，在電場形式、氣體的狀態(tài)等其他條件不變的情況下，只取決于間隙的距離

2023/4/1115第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五特點：電壓變化的速度和間隙中放電發(fā)展的速度相比極小，故放電發(fā)展所需的時間可以忽略不計，只要作用于間隙的電壓達到擊穿電壓，間隙就會發(fā)生擊穿。直流電壓：直流中所含脈動分類的脈動系數（脈動幅值與直流電壓的平均值之比）不大于3%。直流電壓的大型指直流電壓的平均值。持續(xù)電壓指直流電壓或工頻交流電壓交流電壓：波形接近正弦波，正、負兩半波相同，峰值與有效值之比為，偏差不超過。2023/4/1116第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五一、均勻電場中的擊穿電壓因電場對稱，所以擊穿電壓無極性效應。因擊穿前間隙各處場強相等，擊穿前無電暈發(fā)生，起始放電電壓等于擊穿電壓。不論何種電壓（直流、交流、正負50%沖擊電壓）作用，其擊穿電壓（峰值）都相同，且分散性很小。在標準大氣條件下（d為1cm左右時)，均勻電場中空氣的電氣強度約為30kV/cm（峰值）。2023/4/1117第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五二、稍不均勻電場中的擊穿電壓稍不均勻電場中各處的場強差異不大，間隙中任何一處若出現自持放電，必將立即導致整個間隙的擊穿。所以對于稍不均勻電場，任何一處自持放電的條件，就是整個間隙擊穿的條件。電場不對稱時，擊穿電壓有弱極性效應。擊穿前有電暈發(fā)生，但不穩(wěn)定，一旦出現電暈，立即導致整個間隙擊穿。間隙距離一般不很大，放電發(fā)展所需時間短。直流擊穿電壓、交流擊穿電壓、正負50%沖擊擊穿電壓幾乎一致，且分散性不大。不均勻系數：間隙中的最大場強與平均場強之比，稍不均勻電場<42023/4/1118第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五稍不均勻電場的擊穿電壓與電場均勻度關系極大，沒有能概括各種電極結構的統(tǒng)一的經驗公式。通常是對一些典型的電極結構做出一批實驗數據，實際的電極結構只能從典型電極中選取類似結構進行估算。電場越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓越高，其極限就是均勻電場中的擊穿電壓。2023/4/1119第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五三、極不均勻電場中的擊穿電壓對電極形狀不對稱的不均勻電場，有明顯的極性效應。由于存在局部強場區(qū)，故間隙擊穿前有穩(wěn)定的電暈發(fā)生，間隙的起始放電電壓小于擊穿電壓。因間隙距離長，放電發(fā)展所需時間長。故外加電壓的波形對擊穿電壓影響大，擊穿電壓的分散性大。極不均勻電場擊穿電壓的特點：電場不均勻程度對擊穿電壓的影響減弱（由于電場已經極不均勻），間隙距離對擊穿電壓的影響增大。可以選擇電場極不均勻的極端情況，棒－板和棒－棒作為典型電極結構，它們得擊穿電壓具有代表性。

工程上遇到極不均勻電場時，可根據典型電極的擊穿電壓數據做簡單的估算。2023/4/1120第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五（1）直流電壓下（有極性效應）圖2-13

同樣間隙距離下不同間隙類型的擊穿電壓比較：負棒—正板>棒—棒>正棒—負板（2）工頻電壓下（有極性效應）圖2-14(d<2cm)棒—板間隙的擊穿總是發(fā)生在棒極性為正時的半個周期且電壓達峰值時，擊穿電壓（峰值）和直流下正棒負板時的擊穿電壓相近。2023/4/1121第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五棒—棒間隙的平均擊穿場強約為5.36kV/cm(幅值)，棒—板間隙的約為4.8kV/cm(幅值)d>2cm,擊穿電壓具有“飽和現象,導致間隙距離增大的同時其平均擊穿場強卻隨之降低，這對輸電電壓等級的提高不利，棒－板：d＝1m，5kV/cmd＝l０m，2kV/cm2023/4/1122第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五均勻電場的擊穿特點

擊穿前無電暈、無極性效應、各種電壓作用時其擊穿電壓（峰值）都相同。稍不均勻電場的擊穿特點

擊穿前無穩(wěn)定電暈、極性效應不明顯、各種電壓作用時其擊穿電壓（峰值）幾乎一致。極不均勻電場的擊穿特點擊穿前有穩(wěn)定電暈、有明顯的極性效應、外加電壓波形對擊穿電壓影響很大。第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五陰極表面游離γ系數：表示一個正離子撞擊陰極表面時使陰極平均逸出的自由電子數。到達陰極的正離子數從陰極電離出的電子數物理意義：一個從陰極出發(fā)的起始電子發(fā)展電子崩并到達陽極后，崩中的個正離子移向陰極和陰極碰撞時，只要至少能從陰極撞擊出一個自由電子來，放電即可轉入自持。2023/4/1124第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五放電由非自持轉入自持的條件為

2023/4/1125第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五巴申定律：（適用于δd<0.26cm時的放電過程）當氣體和電極材料一定時，氣隙的擊穿電壓是氣體的相對密度δ和氣隙距離d乘積的函數Ub=f(δd)2023/4/1126第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五巴申曲線解釋電離次數=碰撞次數*電離概率距離d不變，氣壓P增加距離d不變，氣壓P降低2023/4/1127第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五流注理論:(δd>0.26cm時的放電過程)在高氣壓長間隙條件下的氣體放電理論特點：認為電子碰撞電離及空間光電離是維持自持放電的主要因素，并強調了空間電荷畸變電場的作用

電子崩階段空間電荷畸變外電場

流注階段光電離形成二次電子崩2023/4/1128第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五（1）電子崩階段（a）初始電子崩陽極側電子崩數目多正空間電荷加強了原電場，同時向周圍放射出大量光子2023/4/1129第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五（b）二次電子崩光子使附近的氣體因光電離而產生二次電子它們在由正空間電荷所引起的畸變和加強了的局部電場作用下，又形成新的電子崩，即二次電子崩

2023/4/1130第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五（2）流注的形成和發(fā)展二次電子崩中的電子＋初始電子崩的正空間電荷——混合通道（流注）。流注通道和二次崩留下的正電荷，大大加強了流注發(fā)展方向的電場，產生新電子崩，從而使流注向前發(fā)展2023/4/1131第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五（3）間隙的擊穿流注不斷向陰極報進，頭部電場越來越強，因而其發(fā)展也越快流注發(fā)展到陰極，間隙被導電良好的等離子通道所貫通——間隙擊穿2023/4/1132第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五在電離室中得到的初始電子崩照片圖a和圖b的時間間隔為110-7秒p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/厘米初始電子崩轉變?yōu)榱髯⑺查g照片p＝273毫米汞柱E=12千伏/厘米電子崩在空氣中的發(fā)展速度約為1.25107cm/s2023/4/1133第33頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五在電離室中得到的陽極流注發(fā)展過段的照片正流注的發(fā)展速度約為11082108cm/s2023/4/1134第34頁，共37頁，2023年，2月20日，星期五自持放電條件形成流注——空間光電離維持放電（