_不均匀电场中的气体击穿气体间隙的稳态击穿电压课件

高电压技术高电压技术 李 化 第1篇 电介质的电气特性 1 气体电介质的绝缘特性 2 3 课程回顾课程回顾 p 汤逊理论自持放电条件 u适用范围 Pd27kPacm u空间碰撞电离/表面电离 p 巴申定律 p 巴申曲线 p 碰撞次数与电离概率 3 放电外形 汤逊理论解释：放电外形均匀，如辉光放电； pd大时的实际现象：外形不均匀，有细小分支； 放电时间：Tpd大4D，电场分布极不均匀，电压增加到某一临界值，存在电晕放电。外 加电压进一步增大，表面电晕层扩大，并出现刷状的细火花，火花变长 ，最终导致气隙完全击穿。 2D4D，过渡区域，放电过程不稳定，放电电压分散性大。 电场的均匀程度可以根据是否产生稳定的电晕来划分。 1击穿电压； 2电晕起始电压； 3放电不稳定区 9 式中：Emax最大电场强度； Eav 平均电场强度； 电场不均匀系数 f u引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度 u在稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿现象，此时间隙中平均电场强 度比均匀电场间隙的略小，因此在同样极间距离时稍不均匀场间隙的击穿电压 较均匀场间隙的要低；在极不均匀场间隙中自持放电条件即是电晕起始条件， 由发生电晕至击穿的过程还必须提高电压才能完成。 1.2 1.2 不不均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿 1.2.1稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点 10 Axial (left) and radial (right) views of discharge with rod electrode 紫外成像拍摄的电晕 11 u 电晕放电极不均匀电场所特有的一种自持放电现象； 电晕放电的概念 发生电晕放电现象的条件 u 电场极不均匀时，曲率大的电极附近很小范围内已达相当 数值时，间隙中大部分区域值都仍然很小，放电达到自持 放电后，间隙没有击穿 u 电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大 电晕放电由于局部强场区的放电过程造成。 1.2 1.2 不不均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿 1.3.2 极不均匀电场中的电晕放电现象 12 一、电晕放电的特点 电晕放电的表现：咝咝的声音、臭氧的气味、电极附近空间蓝色的晕光； 化学反应产生新物质，O3、NO、NO2； 回路电流明显增加(绝对值仍很小)，可以测量到能量损失； 产生高频脉冲电流。 u电晕起始场强Ec开始出现电晕时电极表面的场强； u电晕起始电压Uc开始出现电晕时的电压； 1.3 1.3 不不均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿 1.3.2 极不均匀电场中的电晕放电现象 u电晕起始电压由于它 的影响因素很多，通 常利用实验的方法求 取，然后推倒出相应 计算电晕起始场强的 经验公式。 13 电晕放电的两种形式 电子崩形式 流注形式 电极曲率大，电晕层薄，且比较均匀，放电电流比较稳定，自持放电 采用汤逊放电形式，即出现电子崩式的电晕。随着电压升高，电晕层 不断扩大个别电子崩形成流注，出现放电脉冲现象，开始转入流注形 脉冲放电。 电极曲率小，则电晕一开始就很强烈，一旦出现就采取流注形式。电 压进一步升高，个别流注强烈发展，出现刷状放电，放电的脉冲现象 更加强烈，最后贯穿间隙，导致间隙完全击穿。 冲击电压下，电压上升快，来不及出现分散的大量电子崩，因此电晕一开 始也是流注形式 14 电晕放电的脉冲现象 试验装置 （1）电压很低时，放电电流极小，电流波形不规则。 （2）当电压升高到一定数值（与极性有关）后，突然 出现比较显著的电流，电流具有规律性的重复脉冲波形 。 （3）电压继续升高，电流脉冲幅值不变，但频率增高 ，脉冲更形密集，甚至前后交叠，平均电流不断加大（ 极性不同时，脉冲波形有些不同，同一电压下的频率也 不同）。 （4） 电压继续升高到一定程度（与极性有关）后，高 频脉冲突然消失，转入持续电晕阶段，但电流仍继续随 电压增高而加大。 （5） 电压再进一步增加，临近击穿时出现刷状放电， 这时又出现不规则的强烈电流脉冲，这种现象在正极性 下更为明显。 （6） 最后发生击穿。 15 17 原因：空间电荷的影响 工程问题： 电晕的产生伴随着高频脉冲将产生电磁波并传播到空间。特别是工频 电压下的电晕，由于每半周内都存在起始及熄灭阶段，总能辐射出大 量电磁波。所以，交流输电线路发生电晕后，将造成电磁波干扰（无 线电干扰） 18 19 二、输电线路的电晕放电 线板气隙中不同直径导线的工频击穿电压与d的关系 点划线均匀电场；虚线正尖负板电场； 1D=0.5mm；2D=3mm；3D=16mm；4D=20mm d r 可以利用电晕放电的空间电荷来改善极不均匀场的 电场分布，以提高其击穿电压。 20 u 电晕起始场强的求取（皮克公式） p 以输电线路为例 式中 m导线表面粗糙系数，光滑导线的m1, 绞线的m 0.820.9，局部电晕0.72, 空气相对密度； r 导线半径，cm 。 p注意：在雨、雪、雾 等坏天气时，导线表 面的水滴使导线表面 电场发生变化，降低 了电晕起始电压和起 始场强。 水滴电场作用变成锥形 21 能量损失：空间电荷运动构成电晕电流，空气间隙保持绝缘，虽然电晕 电流不大，但比线路绝缘的泄露电流大得多。空间电荷的运动需要电源 供给能量，这部分能量成为输电线路电晕损耗的主要部分，而使空气电 离所消耗的能量较小。 无线电干扰：脉冲现象产生高频电磁波，干扰通讯和测量，还可能产生 超过环保标准的噪声。 电晕放电的不利影响 u对于500750kV的超高压输电线路，在天气好时电晕损耗一般不超过几个 W/km，而在坏天气时，可以达到100 W/km以上。 u因此在设计超高压线路时，需要根据不同天气条件下电晕损耗的实测数据和 线路参数，以及沿线路各种气象条件的出现概率等对线路的电晕损耗进行估 算。 1000kV 水平距离最边相导线20m、频率为0.5MHz的无线电干扰值 输电电压等级的提高，电晕问题也越来越突出 减小电晕的方法 导线表面场强将随着电 压的升高而增大，在工 作电压下，导线的工作 场强就有可能超过电晕 起始场强，引起电晕损 耗和无线电干扰 u增大线间距离d 或增大导线半径 r。 u一般采取适当增大导线直径的办法 u为节省导线材料，通常采用分裂导线的解决办法，即 每相导线由2根或2根以上的导线组成。使得导线表面 场强得以降低。 降低导线表面场强的方法： 24 标标称 电压电压 （kV ） 110220330500750 导线导线 直径 （mm ） 9.60 21.6 0 33.6 0 22 1.60 31 7.10 23 6.24 32 6.82 42 1.60 43 6.90 53 0.20 62 5.50 不必验算电晕的导线直径最小值 据我国架空送电线路设计技术规程规定，在海拔不超过1000m 的地区，如导线直径不小于表11所列的数值，一般不必验算电晕 。此时导线表面工作场强已低于电晕起始场强。通常导线在正常运 行时的电场强度为电晕起始场强的80以上。 发光、发热，损失能量； 使空气发生化学反应，产生O3、NO、NO2等，引起腐蚀作用； 脉冲现象产生高频电磁波，干扰通讯和测量，还可能产生超过环保标准 的噪声。 电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度； 利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电压 材料表面处理、水处理、静电除尘、静电喷涂、臭氧发生器等 雷击线路 引起线路上 发生电晕 电晕导致发 光、发热 损失雷电冲击 电压的能量 减小设备上的雷 电过电压 有利于保护设 备绝缘 26 材料表面处理 臭氧发生器 污水处理 u 极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应。 短间隙极不均匀电场中的放电过程（棒板间隙） 正极性（正棒负板） 非自持放电阶段 p棒极附近强场区域内形成电子崩，电 子崩头部的电子被棒极中和，在棒极 附近空间留下许多正离子， p积聚起的正空间电荷，减少了紧贴棒 极附近的电场，而略微加强了外部空 间的电场，棒极附近难以造成流注， 使得自持放电、即电晕放电难以形成 E0原电场； Eq空间电荷电场；Ecom合成电场 E0 (c) Ecom=E0+Eq E0 E Eq x (a) (b) EqEq 1.2 1.2 不不均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿 1.3.3 极不均匀电场中的放电过程 流注发展阶段 p 电子崩进入棒电极，正电荷留 在棒尖加强了前方（板极方向 ）的电场； p 电场的加强对形成流注发展有 利。头部前方产生新电子崩， 吸引入流注头部正电荷区内， 加强并延长流注通道； p 流注及其头部的正电荷使强电 场区向前移，促进流注通道进 一步发展，逐渐向阴极推进， 形成正流注 E0原电场；Eq空间电荷电场 ；Ecom合成电场 E0 (c) Ecom=E0+Eq E0 E Eq x (a) (b) EqEq 正极性（正棒负板） 正空间电荷 （正极性） 削弱棒极附近电场棒极附近难以形成流 注，起始电晕电压高 加强了正空间电荷外 部朝向板极的电场 有利于流注向间隙深处 发展，故其击穿电压低 正空间电荷积聚， 削弱了电离 积聚的正空间电荷在 间隙深处加强电场 正极性（正棒负板） 负极性（负棒正板） 非自持放电阶段 p 电子崩中电子离开强电场区 后，难以再引起电离，正离 子逐渐向棒极运动，在棒极 附近出现了比较集中的正空 间电荷，使电场畸变 p 棒极附近的电场得到增强， 因而自待放电条件就易于得 到满足，易于转入流注而形 成电晕放电 E0原电场；Eq空间电荷电场；Ecom 合成电场 Ecom=E0+Eq (c) E0 E Eq x (a) (b) E0 EqEq 流注发展阶段 p 电子崩由强场区向弱场区发 展，对电子崩发展不利。棒 极前的正电荷区消弱了前方 （阳极方向）空间的电场， 使流注发展不利 p 等离子体层前方电场足够强 后，发展新电子崩，形成了 大量二次电子崩，汇集起来 后使得等离子体层向阳极推 进，形成负流注 E0原电场；Eq空间电荷电场；Ecom 合成电场 Ecom=E0+Eq (c) E0 E Eq x (a) (b) E0 EqEq 负极性（负棒正板） 正空间电荷 （负极性） 加强棒极附近电场棒极附近易于形成流 注，起始电晕电压低 削弱了正空间电荷外 部朝向板极的电场 不利于流注向间隙深处 发展，放电发展困难， 故其击穿电压高 正空间电荷积聚， 加强了电离 积聚的正空间电荷在 间隙深处减弱电场 负极性（负棒正板） u 结论 正极性 （正棒负板） 负极性 （负棒正板） 电晕起始电压高低 间隙击穿电压低高 在相同气隙下 放电进一步发展 u 外电压较低时，流注通道深入间隙一段距离后，就停止不 前了，形成电晕放电或刷状放电 u 外电压足够高时，流注通道将一直达到另一电极，从而导 致间隙完全击穿 p间隙距离较长时，流注通道中的电子及流注的部分电子将沿流注通道流 向棒极，与通道中原子和离子发生碰撞，使流注通道的温度升高。在流 注根部温度升得最高。当流注发展到一定的长度后，其根部的温度将达 到很高的温度，出现热游离，这个具有热游离过程的通道叫先导。 p先导通道：热游离过程强烈，导电性好，轴向电场低，延伸了棒极，加 强了流注前方电场，导致流注和先导不断向前延伸。 p流注发展接近阴极：先导头部和阴极电场达到极大值，产生更强烈的游 离，形成主放电通道。 2. 长间隙极不均匀电场中的放电过程-先导和主放电 36 37 38 流注根部温 度升高 热电离过 程 先导 通道 电离加强，更为明亮 电导增大 轴向场强更低 发展速度更快 长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙？ p先导头部达到板极。小间隙中的高场强引起强烈电离， 带电粒子浓度高。 p强电离区迅速向阳极传播主放电过程。 p主放电通道贯穿电极间隙击穿。 特点：由于头部场强极大，所以主放电通道发展速度及电 导都远大于先导通道。 长间隙放电：电晕放电、先导放电、主放电。 2. 长间隙极不均匀电场中的放电过程-主放电过程 40 主放电通道 主放电和先导通道的交界区 先导通道 41 负地闪发展过程 42 Development of a leader(1- 10) and main discharge 43 雷击过程发生于北京时间2011年7月31日18:57:23，雷电定位系统查 询回击电流为-19.1kA，雷击点距离观测点583m。观测点为国网电科 院楼顶，观测方向朝向华美达和东鑫大楼，迎面先导起始于东鑫楼顶。 1 气体电介质的绝缘特性 44 45 1.4 1.4 气体气体间隙的稳态击穿电压间隙的稳态击穿电压 气隙击穿的必备条件 足够大的电场强度或足够高的电压； 在气隙中存在有效电子； p有效电子引起电子崩并导致流注和主放电 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。 p持续电压（直流、工频电压），电压的变化速度很小。相比 之下放电发展所需时间可以忽略不计，当气体状态不变时， 一定距离的间隙的击穿电压具有确定的数值。 p非持续电压下（雷电、操作冲击电压），因为电压波来去速 度很快，放电发展速度就不能忽略不计了。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 46 1.4 1.4 气体气体间隙的稳态击穿电压间隙的稳态击穿电压 1.4.1 均匀电场中的击穿电压 p在均匀