不均匀电场的击穿和雷电冲击电压下的空气击穿

1、本次课程的目的要求本次课程的目的要求: :1、能说明极不均匀场中放电特点、能说明极不均匀场中放电特点 2、能表述极性效应的具体内容及原因，会分析空间、能表述极性效应的具体内容及原因，会分析空间电荷对电场的影响电荷对电场的影响 3、能表述冲击波及冲击放电的特点、能表述冲击波及冲击放电的特点 4、能说明伏秒特性曲线的应用、能说明伏秒特性曲线的应用 5、能说明能说明U50、冲击系数、冲击系数 的含义的含义 2.3 极不均匀场中气体的击穿过程极不均匀场中气体的击穿过程放电特点：放电特点： 1 1、电晕放电、电晕放电 2 2、极性效应、极性效应 一、电晕放电一、电晕放电1、定义：、定义：电场极不均匀时，

2、在大曲率电极附近空间局部电场极不均匀时，在大曲率电极附近空间局部场强首先达到引起强烈游离的数值，使其附近很薄一层空场强首先达到引起强烈游离的数值，使其附近很薄一层空气中形成自持放电，产生薄薄的淡紫色发光层。该放电仅气中形成自持放电，产生薄薄的淡紫色发光层。该放电仅局限在大曲率电极周围很小范围内，而整个气隙尚未击穿，局限在大曲率电极周围很小范围内，而整个气隙尚未击穿，这种现象即为电晕放电。这种现象即为电晕放电。 刚开始出现电晕时的电压称为刚开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压电晕起始电压或或起晕电压起晕电压电晕放电的起始电压一般用经验电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，流传最广的是公式来推算

3、，流传最广的是皮克皮克公式公式，电晕起始场强近似为：，电晕起始场强近似为： 2、特点：、特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。危害：危害： 电晕放电引起光、声、热等效应使空气发生化学反应，不电晕放电引起光、声、热等效应使空气发生化学反应，不但消耗能量，还产生臭氧和氧化氮等有害气体，腐蚀金具但消耗能量，还产生臭氧和氧化氮等有害气体，腐蚀金具和有机绝缘物。坏天气要比好天气时的电晕损耗大得多。和有机绝缘物。坏天气要比好天气时的电晕损耗大得多。 电晕放

4、电中，由于电子崩和流注不断消失、出现造成的放电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失、出现造成的放电脉冲会产生高频电磁波，对无线电和广播产生干扰。电脉冲会产生高频电磁波，对无线电和广播产生干扰。 电晕放电还会产生可闻噪声。电晕放电还会产生可闻噪声。有利方面：有利方面： 降低输电线上的雷电或操作冲击波的幅值和波前陡度。降低输电线上的雷电或操作冲击波的幅值和波前陡度。 电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。业设施中得到广泛应用。某些场合可改善电场分布。某些场合可改善电场分布。消除方法：改进电极形状，减小电极曲率；如电极采用

5、消除方法：改进电极形状，减小电极曲率；如电极采用大尺寸球面，大尺寸球面， 超高压线路采用扩径导线等。超高压线路采用扩径导线等。二、极性效应二、极性效应1、定义：、定义：电极形状不对称的极不均匀场中，大曲率电极电极形状不对称的极不均匀场中，大曲率电极极性不同时，间隙的击穿电压和起晕电压各不相同。极性不同时，间隙的击穿电压和起晕电压各不相同。 即：即：Ub(-|+)Ub(+|-)2、分析：、分析：下面以电场极不均匀的下面以电场极不均匀的“棒板棒板”气隙为气隙为例，从流注的概念出发，说明放电的发例，从流注的概念出发，说明放电的发展过程和极性效应。展过程和极性效应。(a) 正尖正尖负板负板电子崩头部的

6、电子到达棒极后即将电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和，留在棒极附近的为正空间被中和，留在棒极附近的为正空间电荷。这些正离子向阴极移动速度电荷。这些正离子向阴极移动速度很慢而暂留在棒极附近。很慢而暂留在棒极附近。它们削弱它们削弱了棒极附近的电场，棒极附近难以了棒极附近的电场，棒极附近难以形成流注，自持放电难以实现，故形成流注，自持放电难以实现，故起晕电压较高起晕电压较高。而它们同时加强了。而它们同时加强了朝向极板的电场，促进放电向前发朝向极板的电场，促进放电向前发展，故展，故放电电压较低放电电压较低。(b) 负尖负尖正板正板电子崩将由棒极表面出发向极板电子崩将由棒极表面出发向极板发展，崩头的电

7、子在离开强场发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区后，不再引起碰撞游（电晕）区后，不再引起碰撞游离，但仍继续往板极运动，并大离，但仍继续往板极运动，并大多形成负离子，负空间电荷浓度多形成负离子，负空间电荷浓度小，对电场影响不大。小，对电场影响不大。留在棒极留在棒极附近是大批正离子，它们将加强附近是大批正离子，它们将加强棒极表面附近的电场，容易形成棒极表面附近的电场，容易形成自持放电，所以其自持放电，所以其起晕电压较低起晕电压较低。间隙深处的电场被消弱，使流注间隙深处的电场被消弱，使流注不易向前发展，不易向前发展，间隙的间隙的击穿电压击穿电压要比正极性时高得多。要比正极性时高得多。 工程实际中，输

8、电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都工程实际中，输电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生在正半波；在正半波； 因此考核绝缘冲击特性时应施加正极性的冲击电压。因此考核绝缘冲击特性时应施加正极性的冲击电压。三、极不均匀场放电特点三、极不均匀场放电特点 无论尖极极性如何，放电总是从尖极开始无论尖极极性如何，放电总是从尖极开始 尖极附近总是留下正的空间电荷尖极附近总是留下正的空间电荷 存在极性效应：存在极性效应：Ub-|+Ub+|- 2.4 持续电压作用下的空气击穿持续电压作用下的空气击穿一、均匀电场中的击穿电压特点一、

9、均匀电场中的击穿电压特点1、电场对称，击穿电压无极性效应。、电场对称，击穿电压无极性效应。2、各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电、各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电电压等于击穿电压。电压等于击穿电压。3、击穿所需时间短，击穿电压（峰值）基本相同，、击穿所需时间短，击穿电压（峰值）基本相同，分散性小。分散性小。二、稍不均匀电场的击穿电压特点二、稍不均匀电场的击穿电压特点1、击穿电压有极性效应，但不明显。、击穿电压有极性效应，但不明显。2、击穿前有电晕发生，不稳定，一出现电晕，立即、击穿前有电晕发生，不稳定，一出现电晕，立即导致整个间隙击穿。导致整个间隙击穿。3、放电发展所需时间短，分

10、散性不大。、放电发展所需时间短，分散性不大。三、极不均匀电场的击穿电压特点三、极不均匀电场的击穿电压特点1、存在局部电场区，击穿前有稳定的电晕，间隙的起始、存在局部电场区，击穿前有稳定的电晕，间隙的起始放电电压小于击穿电压。放电电压小于击穿电压。2、有明显的极性效应。、有明显的极性效应。3、放电发展所需时间长，击穿电压分散性很大。、放电发展所需时间长，击穿电压分散性很大。2.5 雷电冲击电压下气体的击穿雷电冲击电压下气体的击穿 一、冲击波形及特点一、冲击波形及特点冲击波：冲击波：雷电冲击雷电冲击 操作冲击操作冲击标准雷电波：标准雷电波： IEC和国标规定：和国标规定：T1=1.2s30T2=5

11、0s20%一般写为一般写为1.20/50 特点：特点： 高幅值、高陡度、短时间高幅值、高陡度、短时间 标准雷电冲击电压波标准雷电冲击电压波T1视在波前时间视在波前时间T2视在半峰值时间视在半峰值时间二、冲击放电特点二、冲击放电特点足够大的电场强度或足够高的电压。足够大的电场强度或足够高的电压。 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子。电子。 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。1 1、完成气隙击穿的三个必备条件：、完成气隙击穿的三个必备条件：总放电时间总放电时间 tb=t0

12、tstf2 2、放电时间的组成：、放电时间的组成：t1tstf 称为称为放电时延放电时延t0气隙在持续电压下的击穿气隙在持续电压下的击穿电压为电压为U0，为所加电压从，为所加电压从0上上升到升到U0的时间；的时间；完成击穿所需放电时间很短（微秒级）：完成击穿所需放电时间很短（微秒级）：直流电压、工频交流等持续作用的电压，满足上述三个条直流电压、工频交流等持续作用的电压，满足上述三个条件不成问题；件不成问题； 当所加电压为变化速度很快、作用时间很短的冲击电压时，当所加电压为变化速度很快、作用时间很短的冲击电压时，因有效作用时间短，放电时间就变成一个重要因素。因有效作用时间短，放电时间就变成一个重

13、要因素。ts从电压达到从电压达到U0瞬时起到气隙中出现第一个有效电子为瞬时起到气隙中出现第一个有效电子为止的时间称为止的时间称为统计时延。统计时延。tf出现有效电子后，引起碰撞游离，形成电子崩，发展到出现有效电子后，引起碰撞游离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙击穿需要的时间，称为流注和主放电，最后完成气隙击穿需要的时间，称为放电放电形成时延。形成时延。短气隙中（短气隙中（1cm以下），特别是电场均匀时，以下），特别是电场均匀时，tfU0三、伏秒特性三、伏秒特性对雷电冲击电压来说，电压变化速度极快，在电压达对雷电冲击电压来说，电压变化速度极快，在电压达到静态击穿电压后的放电时延内，

14、电压变化较大，击到静态击穿电压后的放电时延内，电压变化较大，击穿电压高于静态击穿电压；且击穿电压随时间而变。穿电压高于静态击穿电压；且击穿电压随时间而变。当击穿过程中加在间隙上的电当击穿过程中加在间隙上的电压随时间变化时，击穿电压指压随时间变化时，击穿电压指间隙上的最高电压。间隙上的最高电压。对持续电压来说，电压变化比对持续电压来说，电压变化比放电发展的速度慢得多，电压放电发展的速度慢得多，电压达到静态击穿电压后，可认为达到静态击穿电压后，可认为电压基本不变，所以击穿电压电压基本不变，所以击穿电压就等于静态击穿电压。就等于静态击穿电压。冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，这种冲击击穿特

15、性最好用电压和时间两个参量来表示，这种在在“电压时间电压时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为坐标平面上形成的曲线，通常称为伏伏秒特性曲线秒特性曲线，它表示对某一冲击电压波形，该气隙的冲，它表示对某一冲击电压波形，该气隙的冲击击穿电压与击穿时间的关系。击击穿电压与击穿时间的关系。1、伏秒特性及伏秒特性曲线、伏秒特性及伏秒特性曲线它可全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性。它可全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性。2 2、伏秒特性曲线的测定、伏秒特性曲线的测定 保持冲击电压波形不变，逐级保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，记录升高电压使气隙发生击穿，记录击穿电压波形，读取击穿电压值击穿电压

16、波形，读取击穿电压值U与击穿时间与击穿时间t。 当电压不很高时击穿一般发生当电压不很高时击穿一般发生在波尾；当电压较高时，击穿百在波尾；当电压较高时，击穿百分比将达分比将达100100，放电时延大大，放电时延大大缩短，击穿一般发生在波前。缩短，击穿一般发生在波前。 当击穿发生在波前时，当击穿发生在波前时，U与与t均取击穿时的值；当击穿发生在均取击穿时的值；当击穿发生在波尾时，波尾时，U取波峰值，取波峰值，t取击穿时取击穿时间值。间值。实际的伏秒特性曲线如下图所示，是以上、下包络线为界实际的伏秒特性曲线如下图所示，是以上、下包络线为界的带状区域。的带状区域。3 3、伏秒特性与电场的关系、伏秒特性

17、与电场的关系随着时间的延伸，一切气隙随着时间的延伸，一切气隙的伏秒特性都趋于平坦，但的伏秒特性都趋于平坦，但特性曲线变平的时间却与气特性曲线变平的时间却与气隙的电场形式有较大关系：隙的电场形式有较大关系： 极不均匀电场：平均击穿场极不均匀电场：平均击穿场 强低，放电时延长，曲线上翘；强低，放电时延长，曲线上翘； 均匀、稍不均匀电场：无弱场强区，平均击穿场强高，均匀、稍不均匀电场：无弱场强区，平均击穿场强高，放电时延短，放电时延短， 曲线平坦。曲线平坦。电场越均匀，电场越均匀，“V-S”V-S”越平。越平。4 4、伏秒特性的应用、伏秒特性的应用? 电气设备的绝缘配合电气设备的绝缘配合要求要求 曲

18、线尽量相似曲线尽量相似 力求平坦力求平坦 因此在避雷器等保护装置中，保护间隙采用均匀电场，因此在避雷器等保护装置中，保护间隙采用均匀电场， 确保在各种电压下保护装置伏秒特性低于被保护设备。确保在各种电压下保护装置伏秒特性低于被保护设备。四、四、雷电冲击雷电冲击5050击穿电压击穿电压伏秒特性虽能全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性，伏秒特性虽能全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性，但求取繁琐。但求取繁琐。在工程实际中常采用在工程实际中常采用5050冲击击穿电压（冲击击穿电压（U50%）来表征）来表征气隙的基本冲击击穿特性。气隙的基本冲击击穿特性。定义：定义：在多次施加某一波形和峰值一定的冲击电压时

19、，在多次施加某一波形和峰值一定的冲击电压时，间隙被击穿概率为间隙被击穿概率为50时的击穿电压。时的击穿电压。实际中，施加实际中，施加10次电压中有次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可次击穿了，这一电压即可认为是认为是5050冲击击穿电压。冲击击穿电压。特点：特点：思考作业思考作业2-4、2-5、2-10棒棒棒、球棒、球球电场是否有极性效应？球电场是否有极性效应？1(2)(2)在极不均匀电场中，由于放电时延较长，其冲击系数在极不均匀电场中，由于放电时延较长，其冲击系数 (1)(1)在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散 性小。性小。冲击系数冲击系数，击穿电压分散性

20、也较大。，击穿电压分散性也较大。1050UU2.7提高气体击穿电压的措施提高气体击穿电压的措施 1 1、改善气隙中的电场分布，使其尽可能均匀、改善气隙中的电场分布，使其尽可能均匀 1）改进电极形状；）改进电极形状；2）利用空间电荷畸变电场；）利用空间电荷畸变电场；2 2、设法削弱和抑制气体介质中的游离过程、设法削弱和抑制气体介质中的游离过程 为缩小电力设施的尺寸，希望将气隙长度或绝缘距离尽可能为缩小电力设施的尺寸，希望将气隙长度或绝缘距离尽可能取小一些，为此就应采取措施提高气体介质的电气强度。从取小一些，为此就应采取措施提高气体介质的电气强度。从实用角度出发，要提高气隙的实用角度出发，要提高气

21、隙的Ub不外乎采用两条途径：不外乎采用两条途径：幻灯片幻灯片 22幻灯片幻灯片 231）高气压的采用；）高气压的采用；2）高真空的采用；）高真空的采用；3）高电气强度气体（）高电气强度气体（SF6）的采用）的采用幻灯片幻灯片 24幻灯片幻灯片 25幻灯片幻灯片 26增大电极曲率半径；消除电极表面毛刺增大电极曲率半径；消除电极表面毛刺 ；消除电极表面尖角；消除电极表面尖角电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。因此，电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。因此，可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的最大电场可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的最大电场强度，以改善电场分布，提高气隙的

22、击穿电压。如：强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电压。如：极不均匀电场中间隙被击穿前先发生电晕现象，所以在一极不均匀电场中间隙被击穿前先发生电晕现象，所以在一定条件下，可以利用放电产生的空间电荷来改善电场分布，定条件下，可以利用放电产生的空间电荷来改善电场分布，提高击穿电压。提高击穿电压。 在极不均匀电场中，放入薄片固体绝缘材料，在一定条件在极不均匀电场中，放入薄片固体绝缘材料，在一定条件 下可以显著提高间隙的击穿电压。下可以显著提高间隙的击穿电压。 屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同号的空间电屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同号的空间电 荷，这样就能使电晕电极与屏障之间的空间电场强

23、度减小，荷，这样就能使电晕电极与屏障之间的空间电场强度减小，从而使整个气隙的电场分布均匀化。从而使整个气隙的电场分布均匀化。例：导线与平板间隙中，导线直径很小时，导线周围容易例：导线与平板间隙中，导线直径很小时，导线周围容易形成比较均匀的电晕层，由于电晕层比较均匀，电场分布形成比较均匀的电晕层，由于电晕层比较均匀，电场分布改善，提高了击穿电压。改善，提高了击穿电压。例：正尖例：正尖负板电场中设置屏障后，正负板电场中设置屏障后，正离子将在屏障上集聚，由于同号排斥作离子将在屏障上集聚，由于同号排斥作用，正离子沿屏障表面均匀分布，从而用，正离子沿屏障表面均匀分布，从而在屏障前方形成较均匀的电场，改善

24、了在屏障前方形成较均匀的电场，改善了电场分布，提高了击穿电压。电场分布，提高了击穿电压。屏障离棒极越近，比较均匀电场占整个间屏障离棒极越近，比较均匀电场占整个间隙的比例越大，棒极与屏障间电场越小，隙的比例越大，棒极与屏障间电场越小，击穿电压越高，当过分靠近棒极屏障上电击穿电压越高，当过分靠近棒极屏障上电荷分布很不均匀，屏障前方又将出现极不荷分布很不均匀，屏障前方又将出现极不均匀电场，击穿电压又会降低。均匀电场，击穿电压又会降低。但当棒为负极性时，即使屏障放在但当棒为负极性时，即使屏障放在最有利的位置，也只能略微提高气最有利的位置，也只能略微提高气隙的击穿电压隙的击穿电压(例如例如20)，而在大，而在大多数位置上，反而使击穿电压有不多数位置上，反而使击穿电压有不同程度的降低。同程度的降低。采用高气压可以采用高气压可以减少电子的平均自由行程，削弱游离过程减少电子的平均自由行程，削弱游离过程，提高击穿电压。提高击穿电压。 均匀电场中，当气体的压力在均匀电场中，当气体的压力在1MP以下，击穿电压随气压的增大线性以下，击穿电压随气压的增大线性增大，气压更高时，击穿电压增大增大，气压更高时，击穿电压增大速度变缓