高电压课件--第4讲-气体电介质的绝缘特性(三)

1、高电压技术高电压技术 第第3 3讲回顾讲回顾 u流注理论 u不均匀电场的放电特点电晕 u极不均匀场中的放电过程 主放电通道主放电通道 主放电和先导通道的交界区主放电和先导通道的交界区 先导通道先导通道 先导的发展先导的发展 正棒正棒负板间隙中先导通道的发展负板间隙中先导通道的发展 （）先导和其头部的流注（）先导和其头部的流注;（）流注头部电子崩的形成（）流注头部电子崩的形成; （）由流注转变为先导和形成流注（）由流注转变为先导和形成流注;（）流注头部电子崩的形成（）流注头部电子崩的形成; （）沿着先导和空气间隙电场强度的分布（）沿着先导和空气间隙电场强度的分布 1.3.4 1.3.4 极不均匀

2、场中的极性效应极不均匀场中的极性效应 u正棒负板 正棒负板正棒负板 u电子运动速度快,迅速进入棒极; u棒极附近积聚起正空间电荷,削弱了棒极附近的 电场强度而加强了正离子群外部空间的电场 u结果: （1）使电晕起始电压提高。 （2）外部空间电场加强,有利于流注的发展,因此 击穿电压较低。 负棒负棒正板正板 负棒负棒正板正板 u电子崩中的电子离开强电场区后,不再能引起电 离,向阳极运动的速度也越来越慢。 u电子崩中的正离子加强了棒极附近的场强,使棒 极附近容易形成流注。 u结论: （1）电晕起始电压比正极性时要低。 （2）正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反, 削弱了外部空间的电场,阻碍了流

3、注的发展,因此击 穿电压较高。 2021/3/26 9 上次课回顾（上次课回顾（1 1） u曲率半径曲率半径:曲率半径小的电极附近电荷密度高,易于使气体分子的电 子脱离原子核,形成电离。电极曲率半径越大,越不易发生电晕放电 ,但但有利于电晕放电的扩大,电晕放电发展电晕放电发展得越强烈,空间电荷对电 场均匀的作用越大 u电极间距电极间距 :邻两相电极表面间的最短距离。 u电极间距离电极间距离d和电极曲率半径和电极曲率半径D之比越大之比越大,电场越不均匀电场越不均匀。（如何理。（如何理 解解?）结合图）结合图1-8球球间隙球球间隙【曲率半径曲率半径D不变不变,间距间距d增大增大】 u当间距d很大时

4、,电极形状对击穿电压影响较小,不同球径的电极击 穿电压的差别不大,且都接近于尖板电极。 u不对称电极有极性效应:正极性和负极性放电特性不同（为什么? ） u均匀电场均匀电场不易发生电离不易发生电离,但流注一旦形成但流注一旦形成,流注随即贯穿整个间隙流注随即贯穿整个间隙, 导致间隙击穿导致间隙击穿。（比较均匀电场中的电晕电压击穿电压） u不均匀电场不均匀电场易发生电离易发生电离,但流注形成后但流注形成后,需进一步增加电压才可能导需进一步增加电压才可能导 致间隙击穿致间隙击穿。（不均匀电场中的电晕电压击穿电压） 2021/3/26 10 上次课回顾（上次课回顾（2 2） u先导先导:长间隙放电时,

5、流注发展到足够长度后,将有较多的电子沿通 道流向电极,流过通道根部的电子最多,流注根部温度最高,出现热 电离过程。这个具有热电离过程的通道称为先导。 u主放电阶段主放电阶段:先导头部的流注发展到板极时,立即又有一个放电过程 从板极向棒极反向发展（迎接流注） ,称为主放电阶段。 u棒板间隙棒板间隙:棒极出发的先导和板极出现的流注之一相遇相遇时,立即转入 放电阶段。 u棒棒间隙棒棒间隙:两棒极都可发展先导,正负先导相遇相遇后,立即转入主放电 。 u极不均匀电场:长间隙有:非自持放电、流注发展、先导放电和主放 电四个阶段。短间隙没有先导放电阶段短间隙没有先导放电阶段（为什么?） u帮助理解（棒板间隙

6、的极性效应）（棒板间隙的极性效应）的一些概念和特性 u正极发展的先导正先导 正极发展正流注 u负极发展的先导负先导 负极发展负流注 u负先导开始早,发展快。【棒棒间隙】 u负流注易形成,不易发展。（正流注不易形成,易发展）【棒板间隙 】 2021/3/26 11 预备知识预备知识 u直流电压、工频电压、雷电冲击电压、操作冲击电压 u幅值高的电压,作用一会就能击穿。 u幅值低的电压,需要长时间作用才能击穿。 一定时间的作用一定时间的作用 足够幅值的电压足够幅值的电压足够幅值的电压足够幅值的电压 击穿条件击穿条件 1.4 1.4 雷电冲击电压作用下气体的击穿雷电冲击电压作用下气体的击穿 一、雷电冲

7、击电压标准波形一、雷电冲击电压标准波形( (一种一种) ) 非周期性指数衰减波非周期性指数衰减波 视在视在波头时间波头时间T1,视在视在波尾时间波尾时间T2） T11.2 s（ 30%） T250 s（ 20%） 二、放电时延二、放电时延 u经经t1电压升高到电压升高到静态击穿电压静态击穿电压,再经时间再经时间tlag,间隙才击穿。间隙才击穿。 u统计时延统计时延ts从从t1时刻时刻到出现到出现第一个有效电子第一个有效电子所需时间。所需时间。 u放电形成时延放电形成时延tf从从第一个有效电子第一个有效电子出现直至出现直至间隙击穿间隙击穿所所 需时间。需时间。 u放电时延放电时延 tlag ts

8、 tf 冲击放电所需全部时间冲击放电所需全部时间tb= t1+ ts+ tf 短间隙短间隙,电场较均匀电场较均匀, tstf ,放电时延取决于放电时延取决于ts 长间隙长间隙,电场不均匀电场不均匀, ts短短, tf长长 ,放电时延取决于放电时延取决于tf 三、雷电三、雷电50%50%冲击击穿电压（冲击击穿电压（U U50% 50%） ） u冲击电压作用下,保持波形不变。随冲击电压幅值的提随冲击电压幅值的提 高高,间隙的击穿概率越来越大间隙的击穿概率越来越大;当电压超过某一值后当电压超过某一值后,间隙间隙 100%击穿。击穿。 u原因原因:随外加电压升高随外加电压升高,放电时延缩短放电时延缩短

9、;由于由于放电时延的分放电时延的分 散性散性,ts短的间隙易发生击穿短的间隙易发生击穿,ts长的间隙不易发生击穿。长的间隙不易发生击穿。 放电时延放电时延具有统计特性具有统计特性 uU U50% 50% 在多次施加电压时在多次施加电压时,其中正好半数能导致击穿的其中正好半数能导致击穿的 电压电压,即即击穿概率为击穿概率为50%的电压值的电压值,反映间隙的耐受冲击反映间隙的耐受冲击 电压的特性电压的特性 50%50%冲击击穿电压冲击击穿电压（U U50% 50%） ） u均匀电场和稍不均匀电场下均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压的击穿电压击穿电压击穿电压分分 散性小散性小,其雷电冲击其雷电冲击5

10、0击穿电压击穿电压U U50% 50% 静态击穿电压 静态击穿电压Us（ 即持续作用电压下的击穿电压）即持续作用电压下的击穿电压）,即冲击系数即冲击系数 1。 50% 冲击击穿电压（冲击击穿电压（ U U50% 50% ） ） 冲击系数冲击系数 静态击穿电压（静态击穿电压（ Us ） u极不均匀电场下极不均匀电场下的击穿电压的击穿电压由于由于放电时延较长放电时延较长,通常通常 雷电冲击雷电冲击50击穿电压击穿电压U U50% 50% 静态击穿电压静态击穿电压,即冲击系数即冲击系数 大于大于l,击穿电压的击穿电压的分散性大一些。分散性大一些。 四四. .伏秒特性伏秒特性 1.雷电冲击电压持续时间

11、短持续时间短,间隙的击穿电压存在放电时延现象存在放电时延现象。 用50%冲击击穿电压冲击击穿电压表征间隙击穿特性不够不够,需用击穿电压值与击穿电压值与 放电时间放电时间的关系曲线确定的关系曲线确定间隙的击穿特性,即即伏秒特性伏秒特性。 2.伏秒特性的绘制伏秒特性的绘制实验方法实验方法 保持保持间隙距离不间隙距离不 变变、保持冲击电、保持冲击电 压压波形不变波形不变(电压电压 幅值可变幅值可变),逐级逐级 升高电压使气隙升高电压使气隙 发生击穿发生击穿,读取击读取击 穿电压值穿电压值U与击与击 穿时间穿时间t。 伏秒特性曲线的形状与电场分布有关伏秒特性曲线的形状与电场分布有关 u均匀电场和稍不均

12、匀电场均匀电场和稍不均匀电场中中,击穿时平均场强击穿时平均场强 较较高高,放电发展较快放电发展较快,放电时延较短放电时延较短,伏秒特性曲伏秒特性曲 线线平坦平坦。 u极不均匀电场极不均匀电场中中,平均击穿场强较平均击穿场强较低低,放电时延放电时延 较长较长,放电分散性大放电分散性大,伏秒特性曲线较为伏秒特性曲线较为陡峭陡峭。 u击穿电压击穿电压-间隙上可出现的电压最大值间隙上可出现的电压最大值 伏秒特性的分散性伏秒特性的分散性 u放电时间具有放电时间具有分散性分散性,每级电压下测得不同的放电时间每级电压下测得不同的放电时间- 伏秒特性是以上、下包络线为界的一个伏秒特性是以上、下包络线为界的一个

13、带状区域带状区域 u通常用通常用平均伏秒特性平均伏秒特性或或50%伏秒特性伏秒特性表征间隙的击穿特性表征间隙的击穿特性 伏秒特性的用途伏秒特性的用途 对对1 起保护作用起保护作用 在高幅值冲击电压作用下在高幅值冲击电压作用下, 起不到保护作用起不到保护作用 u伏秒特性的伏秒特性的配合配合:左图左图被保护设备被保护设备绝缘的伏秒特性绝缘的伏秒特性S1与与保护间保护间 隙隙的伏秒特性的伏秒特性S2,两间隙两间隙并联并联可达到完全保护。可达到完全保护。【绝缘配合绝缘配合】 u右图不能完全配合右图不能完全配合:电压较低时电压较低时,S2可以保护可以保护S1;电压较高时电压较高时,则则 不行不行 1.5

14、 1.5 操作冲击电压作用下气体的击穿操作冲击电压作用下气体的击穿 一、操作冲击电压标准波形一、操作冲击电压标准波形( (两种两种) ) n非周期性指数衰减波非周期性指数衰减波 （自然自然波头时间波头时间/自然自然波尾时间）波尾时间） 推荐操作冲击电压的标准波形为推荐操作冲击电压的标准波形为2502500 s （T1/T2） n衰减衰减振荡振荡电压波电压波 第一个半波的持续时间在第一个半波的持续时间在20003000 s之间之间 ,反极性的第二反极性的第二 个半波的幅值达到第一个半波幅值个半波的幅值达到第一个半波幅值80 二、操作冲击二、操作冲击50%50%击穿电压击穿电压 u均匀电场和稍不均

15、匀电场均匀电场和稍不均匀电场中中,间隙的间隙的操作冲击操作冲击50%击穿电击穿电 压压、雷电冲击雷电冲击50%击穿电压击穿电压和和工频击穿电压（峰值）工频击穿电压（峰值）几乎几乎 相同相同,击穿几乎发生在击穿几乎发生在峰值峰值,击穿电压的分散性较小。击穿电压的分散性较小。 u极不均匀电场极不均匀电场中中,操作冲击电压下的击穿通常发生在操作冲击电压下的击穿通常发生在波头波头 部分部分,击穿电压与波头时间有关而与波尾时间无关。击穿电压与波头时间有关而与波尾时间无关。 极不均匀电场中极不均匀电场中操作操作50%50%击穿电压击穿电压 n原因原因:放电时延放电时延和和空间电荷空间电荷( 形成及迁移形成

16、及迁移)两个因素两个因素 nU曲线极小值左边曲线极小值左边,击穿电击穿电 压随压随波前缩短波前缩短（放电时间（放电时间 缩短）而增大缩短）而增大-放电时延放电时延 因素的作用减少。因素的作用减少。 nU曲线极小值右边曲线极小值右边,击穿电击穿电 压随压随波前增大波前增大而上升而上升-电电 压作用时间增加后压作用时间增加后,空间电空间电 荷迁移范围扩大荷迁移范围扩大,改善了间改善了间 隙的电场分布。隙的电场分布。 （1）击穿电压与波头时间呈现呈现U形曲线形曲线 （续）（续） （2）极性效应极性效应 正极性下50击穿电压比负极性下低,所以也更危险 （3）分散性大分散性大 由于空间电荷的形成、扩散和

17、放电时延具有很大的统计性,操 作冲击电压下间隙的击穿电压和放电时间的分散性击穿电压和放电时间的分散性比雷电冲击电压下大 得多。 （4）“饱和饱和”现象现象（右图） 极不均匀电场中 操作冲击50击穿电压和间隙距离的关系具有明显的“饱和”特征 （形成先导后,放电易于发展） 雷电冲击50击穿电压和距离大致呈线性关系 （5）“邻近效应邻近效应”（课本（课本P26） 电场分布情况对操作冲击50%击穿电压影响很大,有显著的“邻近效应” 。 2021/3/26 24 气体击穿电压的影响因素气体击穿电压的影响因素 1、气体种类（强介电强度气体） 4、气体状态（温度、气压、湿度等） 3、电场形式 按电场均匀程度

18、分:均匀场/稍不均匀场/极不均匀场 2、电压种类（直流、交流、雷电冲击、操作冲击等） 持续作用电压:直流和交流电压 冲击电压（持续作用时间段）:操作冲击和雷电冲击。 一定时间的作用一定时间的作用 足够幅值的电压足够幅值的电压足够幅值的电压足够幅值的电压 击穿条件击穿条件 1.6 1.6 电场形式、电压波形与击穿电压的关系电场形式、电压波形与击穿电压的关系 u间隙距离相同时间隙距离相同时,电场越均匀电场越均匀,击穿电压越高击穿电压越高 u均匀电场均匀电场 直流击穿电压直流击穿电压=工频击穿电压峰值工频击穿电压峰值=50%冲击击穿电压冲击击穿电压 击穿电压分散性小击穿电压分散性小 空气的击穿电压经

19、验公式空气的击穿电压经验公式 u稍不均匀电场稍不均匀电场 直流击穿电压直流击穿电压工频击穿电压峰值工频击穿电压峰值 50%冲击击穿电压冲击击穿电压 击穿电压分散性不大击穿电压分散性不大 对于不对称电极有极性效应对于不对称电极有极性效应,但不明显但不明显 ddU08. 622.24 0 d-间隙距离(cm) -空气相对密度 2021/3/26 26 1.6.2 1.6.2 稍不均匀电场稍不均匀电场 极性效应极性效应:以球球间隙为例 不接地时,无极性效应,但通常会接地,此时有极性效应 udD/4,大地对球隙中电场分布影响加大,且平均击穿电压减小 ,击穿电压分散性增加 稍不均匀电场（续）稍不均匀电场（续） u负极性下电晕起始电压比正 极性略低 u稍不均匀电场中,不能形成 稳定的电晕放电,电晕起始 电压就是其击穿电压。所以 负极下击穿电压