第4讲 气体电介质的绝缘特性

1、高电压工程系李黎2第第4 4讲讲 气体电介质的绝缘特性（三）气体电介质的绝缘特性（三）3回顾回顾u带电粒子的消失和扩散u自持放电和非自持放电u重点：汤逊理论重点：汤逊理论u重点：流注理论重点：流注理论u不均匀电场的放电特点电晕本次课程本次课程u极不均匀场中的放电过程u稳态电压下的气体击穿u瞬态电压下的气体击穿u重点：极性效应重点：极性效应451.3.3 1.3.3 极不均匀场中的放电过程极不均匀场中的放电过程一、非自持放电阶段一、非自持放电阶段电子崩产生电子崩产生阳极积聚正电荷阳极积聚正电荷6二、流注发展阶段二、流注发展阶段头部电场增强头部电场增强新电子崩新电子崩流注前移流注前移7三、先导放电

2、阶段三、先导放电阶段u通道根部的电子最多流注根部温度升高出现热电离先导通道（具有热电离过程的通道）。u新的电离过程使电离加强，电导增大，从而加大了其头部前沿区域中的场强，引起新的流注，导致先导通道不断伸长。 8流注根部流注根部温度升高温度升高热电离热电离过程过程先导先导通道通道电离加强，更为明亮电离加强，更为明亮电导增大电导增大轴向场强更低轴向场强更低发展速度更快发展速度更快长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙 9u四、主放电过程u 先导头部达到板极。小间隙中的高场强引起强烈电离，带电粒子高。u强电离区迅速向阳极传播主放电过程。u主放电通道贯穿电极间隙击穿。

3、特点：由于其头部场强极大，所以主放电通道发展速度及电导都远大于先导通道。10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 11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；（）流注头部电子崩的形成；（）先导和其头部的流注；（）流注头部电子崩的形成；（）由流注转变为先导和形成流注；（）流注头部电子崩的形成；（）由流注转变为先导和形成流注；（）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 121.3.4 1.3.4 极不均匀场中的极性效应极不均匀场中的极性

4、效应u正棒负板13u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：u（1）使电晕起始电压提高。u（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。 14u负棒正板15u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：u（1）电晕起始电压比正极性时要低。u（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，阻碍了流注的发展，因此击穿电压较高。161.4 1.4 气体间隙的稳态击穿气体间隙的稳态击穿u

5、电压波形 持续作用的稳态电压直流 工频 冲击电压（瞬态）雷电冲击 操作冲击u电场形式 均匀场 稍不均匀场 极不均匀场171.4.1 1.4.1 均匀电场均匀电场u分散性小u直流击穿电压工频击穿电压 均匀电场中空气的击穿电压经验公式d-间隙距离(cm) -空气相对密度 ddU08. 622.24018均匀电场，标准大气状态条件，稳态电压作用时，空气间隙的击穿电压峰值Ub与极间距离的关系 191.4.2 1.4.2 稍不均匀电场稍不均匀电场u 分散性小u直流击穿电压、工频击穿电压基本相等u击穿电压与电场的均匀度相关。越均匀，击穿电压越高u极性效应，在不对称场中201.4.2 1.4.2 稍不均匀电

6、场稍不均匀电场极性效应：（球球间隙） 不接地时，无极性效应， 但通常会接地，此时有极性效应21假设球直径D当dD/4，电场相当均匀 ，直流电压、工频电压及 冲击电压作用下，击穿电 压都相同 当dD/4，大地对电场的 畸变作用使间隙电场分布 不对称，Ub有极性效应 负极性时的击穿电压略低 于正极性时的数值 同一间隙距离下，球电极直径越大，由于电场均匀程度增加，击穿电压也越高 2Dd 221.4.3 1.4.3 极不均匀电场极不均匀电场 波形影响大，分散性大，极性效应明显极性效应：极性效应：最高：负棒正板，平均击穿场强最高：负棒正板，平均击穿场强 约为约为10kV/cm次高：棒棒，平均击穿场强次高

7、：棒棒，平均击穿场强 约为约为4.85.0kV /cm最低：正棒负板，平均击穿场强最低：正棒负板，平均击穿场强 约为约为4.5kV/cm（一）（一） 直流击穿电压直流击穿电压23“棒棒棒棒”和和“棒板棒板”空气气隙的直流击穿空气气隙的直流击穿特性特性“棒棒棒棒”和和“棒板棒板”长间隙的直流击穿长间隙的直流击穿特性特性24（二）（二） 工频击穿电压工频击穿电压u在棒-板间隙中，击穿总是在棒为正的半周期内，电压达到幅值附近时发生u工频击穿电压稍低于直流电压下的击穿电压 （这是由于前半周期留下的空间电荷对棒极前方的电 场有所加强的缘故）u棒-棒间隙的击穿电压比棒-板间隙的要高一些 （这是由于棒-棒的

8、电场更均匀一些）u击穿电压具有“饱和现象”。25“棒棒”和“棒板”长气隙的工频击穿特性 1棒棒 2棒板 在d2m，击穿电压与气隙距离的关系出现“饱和”趋势261.5 1.5 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、雷电冲击电压标准波形一、雷电冲击电压标准波形非周期性指数衰减波非周期性指数衰减波雷电流是冲击波形的，雷电流是冲击波形的，故由雷闪放电引起的高故由雷闪放电引起的高电压也具有冲击波形电压也具有冲击波形 T11.2 s（ 30%） T250 s（ 20%） 27二、放电时延二、放电时延击穿条件：击穿条件：足够幅值的电压，一定时间的作用足够幅值的电压，一定时间的作用统计时

9、延统计时延ts有效电子（能引起电离过程并最终有效电子（能引起电离过程并最终导致击穿的电子）产生。不均匀电场内，导致击穿的电子）产生。不均匀电场内， ts小小。放电形成时延放电形成时延tf出现电子崩、形成流注、主放出现电子崩、形成流注、主放电、间隙击穿。均匀电场内，电、间隙击穿。均匀电场内， tf小小。放电时延放电时延 tlag ts tf28影响影响tlag的因素：的因素：U增大， tlag减小紫外光照射冲击放电所需的全部时间冲击放电所需的全部时间ftt tts1b 29三、雷电三、雷电50%50%冲击击穿电压（冲击击穿电压（U U50%50%） u原因放电时延的分散性电压升高到一定程度，10

10、0击穿U U50%50%在多次施加电压时，其中半数导致击穿在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，工程上以此来反映间隙的耐受冲击电的电压，工程上以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性压的特性试验方法：多级法（每级加压试验方法：多级法（每级加压6次，曲线），升次，曲线），升降法（降法（10次中次中46次击穿）次击穿）30( (三三) ) 雷电冲击雷电冲击50%50%击穿电压击穿电压u高于稳态击穿电压（直流击穿电压或工频击穿电压幅值）。 u分散性较大。其标准偏差可取3%。u击穿通常发生在波尾。u和间隙距离大致呈线性关系，即无饱和趋势。 （因为作用时间短，间隙距离加大后，需要 提高先导发展速度才能完成

11、放电，因此击 穿电压提高） 值持续电压下的击穿电压击穿电压值雷电冲击冲击系数%5031极不均匀场中的极性效应极不均匀场中的极性效应32四四. .伏秒特性伏秒特性 n以斜角波电压为例来说明考虑放电时延的必要性以斜角波电压为例来说明考虑放电时延的必要性 在间隙上缓慢地施加直流电压，达到静态击穿电压在间隙上缓慢地施加直流电压，达到静态击穿电压U0后，间隙中开始发展起击穿过程。但击穿需一定时间后，间隙中开始发展起击穿过程。但击穿需一定时间 = tl，在此时间内电压，在此时间内电压 上升上升 击穿完成时间隙上的电压击穿完成时间隙上的电压 应为应为U0+ U tuU/33伏秒特性的绘制伏秒特性的绘制实验方

12、法实验方法u保持间隙距离不变、保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，读取击穿电压值U与击穿时间t。34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在均匀电场和稍不均匀电场中，击穿时平均场强较高，放电发展较快，放电时延较短，伏秒特性曲线平坦。u在极不均匀电场中，平均击穿场强较低，放电时延较长，放电分散性大，伏秒特性曲线较为陡峭。 35伏秒特性的分散性伏秒特性的分散性u放电时间具有分放电时间具有分散性，每级电压散性，每级电压下放电时间不同下放电时间不同，实际上伏秒特，实际上伏秒特性是以上、下包性是以上、下包络线为界的一个络线为界的一个带状区域带状区域36伏秒特性的

13、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，不起保护作用不起保护作用371.6 1.6 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n非周期性指数衰减波非周期性指数衰减波 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 n衰减振荡电压衰减振荡电压 第一个半波的持续时间在第一个半波的持续时间在2000一一3000 s之间之间 ，反极性，反极性的第二个半波的幅值达到第一个半波幅值的第二个半波的幅值达到第一个半波幅值80 38二、操作冲击二、操作冲击50%50

14、%击穿电压击穿电压u均匀电场和稍不均匀电场中均匀电场和稍不均匀电场中 间隙的操作冲击50%击穿电压、雷电冲击50%击穿电压和工频击穿电压（峰值）几乎相同，击穿几乎发生在峰值，击穿电压的分散性也较小。u极不均匀电场中极不均匀电场中 操作冲击电压下的击穿通常发生在波头部分，击穿电压与波头时间有关而与波尾时间无关。39（1 1）波形的影响）波形的影响n在一定的波前时间范围在一定的波前时间范围内，内，U50 甚至会比工频击甚至会比工频击穿电压低穿电压低U U形曲线形曲线 n对应于极小值的波前时对应于极小值的波前时间随着间隙距离加大而间随着间隙距离加大而增加，对增加，对7m以下的间隙以下的间隙，大致在，

15、大致在50 200 s之间之间n放电时延和空间电荷放电时延和空间电荷(形形成及迁移成及迁移)这两类不同因这两类不同因素的影响所造成的素的影响所造成的 放电时延放电时延的作用的作用空间电荷对空间电荷对电场的影响电场的影响40（2）极性效应）极性效应 极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下50击穿电压比负击穿电压比负极性下低，所以也更危险极性下低，所以也更危险 （3）分散性大）分散性大 对于波前时间在数十到数百对于波前时间在数十到数百s的操作冲击电压，极不均匀电场间的操作冲击电压，极不均匀电场间隙隙50击穿电压的标准偏差击穿电压的标准偏差 约为约为5；波前时间超过；波前时间超过1000 s以以后，可达后，可达8左右（工频及雷电冲击电压下均约为左右（工频及雷电冲击电压下均约为3） 由于空间电荷的形成、扩散和放电时延具有很大的统计性，所以操作冲击电压下间隙的击穿电压和放电时间的分散性比雷电冲击电压下大得多41（4）“饱和饱和”现现象象 极不均匀电场中操极不均匀电场中操作冲击作冲击50击穿电击穿电压和间隙距离的关压和间隙距离的关系具有明显的系具有明显的“饱饱和和”特征（雷电冲特征（雷电冲击击50击穿电压和击穿电压和距离大致呈线性关距离大致呈线性关系系 ）42( (四四) ) 操作冲击操作冲击50%50%击穿电压击穿电压