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文档简介
高电压技术第一章气体电介质的电气性能高电压技术第一章气体电介质的电气性能1第一章气体电介质的电气性能
1.1气体中带电质点的产生和消失1.2均匀电场小气隙的放电1.3均匀电场大气隙的放电1.4不均匀电场气隙的击穿1.5冲击电压下空气的击穿特性1.6大气条件对空气间隙击穿电压的影响1.7提高气隙击穿电压的措施1.8沿面放电第一章气体电介质的电气性能
2第一章气体电介质的电气性能电介质(dielectric
)就是在电气设备中作为绝缘使用的绝缘材料。
从场的角度叫电介质,从工程的角度叫绝缘材料。描述电介质性能的主要参数有:绝缘电阻R:描述介质导电性能的参数。
介电常数ε:描述介质极化性能的参数。介质损耗P(tgδ):描述介质损耗性能的参数。
击穿场强E:描述介质抗电能力的常数(耐受电压作用的能力)。
第一章气体电介质的电气性能电介质(dielectric3
击穿电压:电介质击穿时的最低临界电压。
实际标注的击穿场强是指均匀电场中击穿电压Uj与间隙距离d之比,也叫电气强度,是表征电介质耐受电压作用的能力。
空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm;注意:不能把不均匀场中气隙Ub与间隙距离之比称为气体的电气强度,不均匀电场中的击穿场强通常是平均击穿场强。击穿场强是表征气体间隙绝缘性能的重要参数。击穿电压:电介质击穿时的最低临界电压。41、电介质的分类
A:按介质形态分:气体电介质液体电介质固体电介质其中气体最常见。气体介质同其它介质相比,具有在击穿后完全的绝缘自恢复特性(自恢复绝缘),故应用十分广泛。
1、电介质的分类5输电线路以气体作为绝缘材料输电线路以气体6变压器相间绝缘以液体(固体)作为绝缘材料变压器相间绝缘以7
电缆是用固体介质作为绝缘电缆是用固体介质作为绝缘8
高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其它复合介质。由于气体绝缘介质不存在老化的问题,在击穿后也有完全的绝缘自恢复特性,再加上其成本非常廉价,因此气体成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。气体击穿过程的理论研究虽然还不完善,但是相对于其他几种绝缘材料来说最为完整。因此,高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其9B:按在电气设备中所处位置分:
外绝缘:一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)
联合构成。
内绝缘:一般由固体介质和液体介质联合构成。高电压技术课件10
2、在电场的作用下,电介质中出现的电气现象:
弱电场——电场强度比击穿场强小得多会出现:极化、电导、介质损耗等。
强电场——电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强:会出现:激励、电离导致放电、闪络、击穿等。
11原子的激励激励(激发)——原子在外界因素(电场、高温等)的作用下,吸收外界能量使其内部能量增加,原子核外的电子将从离原子核较近的轨道上跳到离原子核较远的轨道上去的过程。激励能(We)——产生激励所需的能量。等于该轨道和常态轨道的能级差。注意激励状态存在的时间很短(10-7—10-8s),电子将自动返回到常态轨道上去。原子的激励过程不会产生带电粒子。原子的激励激励(激发)——原子在外界因素(电场、高温等)的作12原子的电离电离——在外界因素作用下,其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。电离能(Wi)——使稳态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需要的最小能量。(电子伏eV)1eV=1V×1.6×10-19C=1.6×10-19J(焦耳)1V电压qe:电子的电荷(库伦)注意原子的电离过程产生带电粒子。原子的电离电离——在外界因素作用下,其一个或几个电子脱离原子13原子的激励与电离的关系原子的激励过程不产生带电粒子;原子的电离过程产生带电粒子;激励过程可能是电离过程的基础。原子发生电离产生带电粒子的两种情况:⑴激励+电离原子吸收了不太高的能量发生激励,跳到更远的轨道再次吸收能量发生电离,产生带电粒子原子吸收直接吸收了足够的能量发生电离产生带电粒子⑵直接电离
原子的激励与电离的关系原子的激励过程不产生带电粒子;原子发生14气体激励能We(eV)电离能Wi(eV)气体激励能We(eV)电离能Wi(eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6表1-1某些气体的激励能和电离能气体激励能We(eV)电离能Wi(eV)气体激励能We15
电气设备中常用的气体介质:空气、SF6(压缩的高电气强度气体)纯净的、中性状态的气体是不导电的,只有气体中出现了带电质点(电子、正离子、负离子)后,才可能导电,并在电场作用下发展成各种形式的气体放电现象。
正常状态:优良的绝缘体。在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但这些带电粒子并不影响气体的绝缘。气体介质电气设备中常用的气体介质:空气、SF6(压缩的高电163、几个基本概念
放电:特指气体绝缘的击穿过程。
击穿:在电场的作用下,电介质由绝缘状态突变为良导电状态的过程。
闪络:击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象。(也称沿面放电)。
工程上将击穿和闪络统称为放电。
击穿、放电、闪络都是在一定的电压作用下电介质的绝缘性能被破坏的过程。3、几个基本概念放电:特指气体绝缘的击穿过程。击17光游离气体放电发展过程热游离碰撞游离空间游离表面游离负离子的形成正离子碰撞阴极光电效应强场发射热电子发射带电粒子被极板吸收带电粒子的扩散带电粒子的复合带电质点产生带电质点消失光游离气体放电发展过程热游离碰撞游离空间游离表面游离负离子的18气体放电现象
因气体压力、电源功率、电极形状等因素的影响,放电具有多种形式
辉光放电
气压较低,电源功率很小时,放电充满整个间隙。
电弧放电
大气压力下,电源功率较大时,放电具有明亮、持续的细致通道。火花放电(雷闪)
大气压力下。电源功率较小时,间隙间歇性击穿,放电通道细而明亮。
电晕放电
极不均匀电场,高电场强度电极附近出现发光薄层。气体放电现象因气体压力、电源功率、电极形状19第一节带电质点的产生和消失带电质点(电子、负离子或正离子)一、带电质点的产生二、带电质点的消失第一节带电质点的产生和消失带电质点(电子、负离子或正离子)20带电质点的来源:游离1.定义游离:中性质点获得外界能量分解出带电质点的过程。游离能(Wi)
:使中性质点发生游离所需的能量。2.游离的分类(一)空间游离:碰撞游离、光游离、热游离。(二)表面游离:热电子发射、二次发射、光发射、强电场发射。一、带电质点的产生带电质点的来源:游离一、带电质点的产生21(1)碰撞游离(一)空间游离运动的质点(可以是带电的,也可以是中性质点)撞击另一个质点,且使其分解成为两个带电质点的现象称为碰撞游离。发生碰撞游离的条件:撞击质点的总能量(动能+位能)大于被撞击质点的游离能(Wi)
;有一定的相互作用时间。特点:可以一次完成,也可以分级完成。(1)碰撞游离(一)空间游离运动的质点(可以是带电的,也可以22
电子或离子在电场作用下加速所获得的动能()与质点电荷量(e)、电场强度()以及碰撞前的行程()的关系
电子在电场强度为E
的电场中移过x
距离时所获得的动能为:式中:m—电子的质量;
qe—电子的电荷量若W等于或大于气体分子的游离能Wi,该电子就有足够的能量去完成碰撞电离发生碰撞游离的条件电子或离子在电场作用下加速所获得的动能()23式中::电子的电荷量;:外电场强度;:电子移动的距离
高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时,如原子或分子获得的能量等于或大于其游离能,则会发生碰撞游离。因此,游离条件为
:气体的游离能提高外加电压将使碰撞游离的概率和强度增大。式中:高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时,如原子24电子为造成碰撞游离而必须飞越的最小距离:
式中:Ui为气体的游离电位。
xi
的大小取决与场强E,增大气体中的场强将使xi
值减小,可见提高外加电场将使碰撞游离的概率和强度增大。注意碰撞游离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。主要的碰撞游离均由电子完成,离子碰撞中性分子并使之游离的概率要比电子小得多,所以在分析气体放电发展过程时,往往只考虑电子所引起的碰撞游离。电子为造成碰撞游离而必须飞越的最小距离:25激励:当撞击质点的能量小于被撞质点的游离能时,使电子跃迁到更高的能级的现象称为质点的激励。处于激励状态的质点易游离。反激励:处于激励状态的质点如果没有其它质点撞击时,恢复到原来的运行状态的现象称为质点的反激励。反激励将把激励时所吸收的能量以光的状态释放出来。激励状态存在的时间很短(10-7—10-8s),电子将自动返回到常态轨道上去。以光子的形式放出激励发生时吸收的能量。激励:当撞击质点的能量小于被撞质点的游离能时,使电子跃迁到更26(2)光游离光子来源外界高能辐射线(宇宙射线)气体放电本身(复合和激励返回)短波射线的光子具有很大能量,它以光速运动,当它射到中性原子(或分子)上时所产生的游离称为光游离。(2)光游离光子来源外界高能辐射线(宇宙射线)短波射线的光子27光子的能量:发生光游离的条件式中:h—普郎克常数;
ν—光子的频率;
Wi—气体的电离能,eV;c—光速=3×108m/s;
λ—光的波长,m。光子能量W=hν注意可见光都不可能使气体直接发生光电离,只有波长短的高能辐射线(例如X射线、γ射线等)才能使气体发生光电离。c(光速)=λ(波长)*f(频率)光子的能量:发生光游离的条件光子能量W=hν注意c(光速)=28(3)热游离当温度升高时,气体质点的动能也增加。在高温下,质点热运动时相互碰撞而产生的游离称为热游离。常温下,气体分子发生热电离的概率极小。只有在5000~10000K的高温下才能产生热游离。发生条件式中:k—波尔茨曼常数;(k=1.38×10-23J/K)
Wi—气体的电离能,eV;T—绝对温度,K;注意分子热运动所固有的动能不足以产生碰撞游离,20oC时,气体分子平均动能约0.038eV。在一定热状态下物质会发出辐射,热辐射光子能量大,会引起光游离。(3)热游离当温度升高时,气体质点的动能也增加。发生条件注意29(二)表面游离金属表面的电子接受外界能量后,逸出表面成为自由电子的现象称为表面游离。表面游离的条件:外界能量大于金属的逸出功。逸出功——电子从金属表面逸出所需的能量。金属逸出功(eV)金属逸出功(eV)金属逸出功(eV)铝(Al)银(Ag)1.83.1铁(Fe)铜(Cu)3.93.9氧化铜(CuO)铯(Cs)5.30.7与表1-1相比较,可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得多,表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。(二)表面游离逸出功——电子从金属表面逸出所需的能量。金属逸30表面游离的形式(电子从电极表面逸出获得所需能量的途径):(1)二次发射----正离子撞击阴极
(2)光电子发射(3)热电子发射(4)强场发射----冷发射表面游离的形式(电子从电极表面逸出获得所需能量的途径):(131正离子碰撞阴极时把能量(主要是势能)传递给金属极板中的电子,使其逸出金属正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子逸出的电子有一个和正离子结合成为原子,其余成为自由电子。高能辐射先照射阴极时,会引起光电子发射,其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多二次发射----正离子撞击阴极表面光电子发射(光电效应)正离子碰撞阴极时把能量(主要是势能)传递给金属极板中的电子,32当阴极被加热到很高温度时,其中的电子获得巨大动能,逸出金属表面在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。当阴极表面附近空间存在很强的电场时(106V/cm数量级),能使阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响;在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用;真空中更起着决定性作用。热电子发射强场发射(冷发射)当阴极被加热到很高温度时,其中的电子获得巨大动能,逸出金属表33带电粒子在气体中的运动自由行程长度①带电粒子的运动轨迹当气体中存在电场时,带电粒子将具有复杂的运动轨迹
“混乱热运动+沿着电场作定向漂移”自由行程长度——带电粒子与气体分子发生第一次碰撞到第二次碰撞所移动的距离。(两次碰撞中未再发生任何碰撞)带电粒子在气体中的运动自由行程长度①带电粒子的运动轨迹当气34②平均自由行程长度平均自由行程长度λ——带电粒子单位行程中的碰撞次数Z的倒数。实际的自由行程长度是随机量,有很大的分散性,任意带电粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与分子的半径和密度有关注意:由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多,所以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。粒子的实际自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为②平均自由行程长度平均自由行程长度λ——带电粒子单位行程中35二、带电质点的消失去游离:带电质点从游离区消失或游离的作用被削弱的现象称为带电去游离。带电质点的消失是由于游离作用小于去游离的作用。带电质点的消失可能有以下几种情况:带电质点受电场力的作用流入电极
;带电质点因扩散而逸出气体放电空间;带电质点的复合。二、带电质点的消失去游离:带电质点从游离区消失或游离的作用被36
带电质点的扩散:
由于不同区域种的带电质点的浓度不同,电荷从浓度高的区域向浓度低的区域运动的现象称为带电质点的扩散。扩散的实质——某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域,扩散到浓度比较低的区域,使得原区域的带电粒子数减少。带电粒子的扩散是由于热运动造成,带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律相似气体中带电粒子的扩散和气体状态有关,气体压力越高或者温度越低,扩散过程也就越弱(反之,就快)电子质量远小于离子,所以电子的热运动速度高,它在热运动中受到的碰撞也少,因此,电子的扩散过程比离子的要强带电质点的扩散:扩散的实质——某一局部的带电粒子从浓37复合:正离子与负离子相遇发生电荷的传递,而相互综合还原成中性质点的现象称为带电质点的复合。复合可能发生在电子和正离子之间,称为电子复合,其结果是产生一个中性分子;复合也可能发生在正离子和负离子之间,称为离子复合,其结果是产生两个中性分子。带电质点的复合
复合:正离子与负离子相遇发生电荷的传递,而相互综合还原成中性38带电质点的复合过程中会放出光子,发生光辐射,这种光辐射在一定条件下又成为导致光电离。参与复合的质点的相对速度越大,复合概率越小。通常放电过程中质点间的复合更为重要带电质点浓度越大,复合速度越大,强烈的电离区也是强烈的复合区在电场作用下电荷进入电极(被电极吸收)带电质点的复合过程中会放出光子,发生光辐射,这种光辐射在一定39附着——自由电子与气体分子碰撞时,发生电子与中性分子相结合而形成负离子的过程。形成负离子时可释放出能量有些气体容易形成负离子,称为电负性气体(如氧、氟、氯等),SF6(绝缘性是空气的3倍,灭弧性是空气的100倍)负离子的形成起着阻碍放电的作用负离子形成过程的特点附着——自由电子与气体分子碰撞时,发生电子与中性分子相结合而40负离子的形成自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果电子碰撞中性的分子或原子发生电离产生自由电子情况一电子碰撞中性的分子或原子能量不足,撞击后反弹回来未产生自由电子情况二电子碰撞中性的分子或原子没发生电离,也没被反弹回来被中性的分子捕捉,成为自己的束缚电子情况三形成了负离子负离子的形成自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果电41气体的击穿过程与电场分布有很大关系,均匀电场和不均匀电场下气体的击穿过程有很大的不同;均匀电场——电场中任一点的电场强度均相同;不均匀电场——电场中任一点的电场强度均不相同;1.2均匀电场小气隙的放电(汤逊理论)气体的击穿过程与电场分布有很大关系,均匀电场和不均匀电场下气42一、气隙放电的伏安特性曲线十九世纪九十年代,英国物理学家汤深德(Townsend汤逊)采用图1的实验装置测出了气体小间隙的伏安特性曲线如图2所示。一、气隙放电的伏安特性曲线十九世纪九十年代,英国物理学家汤深43加电场前,外电离因素(光照射)在极板间产生带电粒子,但带电粒子制作杂乱无章的热运动,不产生电流;加电场后,带电粒子沿电场方向定向移动,形成电流。随着电压升高,带电粒子运动速度加快,使到达极板的带电粒子数量和速度不断增大,电流也随之增大。oa段
随着电压升高,电流增大,到达极板的带电粒子数量和速度也随之增大。均匀电场中气体的伏安特性均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析I0UaUbUcUI加电场前,外电离因素(光照射)在极板间产生带电粒子,但带电粒44均匀电场中气体的伏安特性ab段
电流趋于饱和,由外电离因素产生的带电粒子已全部进入电极,电流I0大小取决于外电离因素与电压无关。外电离因素(光照射)的强度一定的情况下,单位时间内产生的带电粒子数量是一定的,由此产生的电流也是一定。I0——饱和电流。I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场中气体的伏安特性ab段电流趋于饱和,由外电离因素45均匀电场中气体的伏安特性bc段电流又再随电压的增大而增大。
发生电子碰撞电离。I0UaUbUcUI电压升高气体间的带电粒子运动速度加快带电粒子能量(动能)增加当能量大于极板间空气中原子的电离能电子碰撞电离,产生大量带电粒子电流急速增加均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场中气体的伏安特性bc段I0UaUbUcUI电压升高气46均匀电场中气体的伏安特性c点
U=Uc,电流急剧增大。气体间隙被击穿进入导电状态(自持放电),不再需要任何外界因素(光照射、外加电源)。c点处的临界电压Uc就是击穿电压Ub,当电压达到Uc后气体即被击穿,由原来的绝缘体变成了导体。I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场中气体的伏安特性c点U=Uc,电流急剧增47非自持放电——去掉外电离因素的作用后放电随即停止;自持放电——不需要外界因素,仅由电场作用而维持的放电过程。非自持放电和自持放电均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析非自持放电——去掉外电离因素的作用后放电随即停止;非自持放电48均匀电场中气体的伏安特性I0UaUbUcUI当产生的电流I<Ic:非自持放电区;当产生的电流I≥Ic:自持放电区;当施加的电压U<Uc:气体保持绝缘;当施加的电压U≥Uc:气体被击穿。Ic自持放电区非自持放电区均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场中气体的伏安特性I0UaUbUcUI当产生的电流I<49二、汤申德(汤逊)理论计算气隙击穿电压1.汤申德游离系数2.自持放电的条件3.击穿电压Ujc的计算二、汤申德(汤逊)理论计算气隙击穿电压1.汤申德游离系数501.汤申德游离系数(1)汤申德第一游离系数α(2)汤申德第二游离系数β(3)汤申德第三游离系数γ1.汤申德游离系数511.汤申德游离系数(1)汤申德第一游离系数α电子碰撞电离系数α——表示一个电子沿电场方向运动1cm
的行程中所完成的碰撞电离次数平均值。即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数。注意:
α必须是电子发生碰撞且电离的次数,若电子只发生了碰撞没有导致电离则不能计入α中。1.汤申德游离系数电子碰撞电离系数α——表示一个电子沿电场方52
汤申德理论假设条件:
1.电子每次碰撞失去其全部能量。
2.每次碰撞只产生一对电荷。汤申德理论假设条件:53系数α的分析:假设电子的平均自由行程为λe,运动1cm碰撞次数为1/λe
,但并不是每次碰撞都引起电离;碰撞引起电离的概率为,xi
为电子造成碰撞电离而必须飞跃的最小距离(最短自由行程)。根据α定义有:式中:A、B—与气体种类有关的常数;
E—电场强度;
P—气体压力。系数α的分析:假设电子的平均自由行程为λe,运动1cm碰撞次54由式=
可得结论:电场强度E增大,则α增大;气体压力P很大(电子的平均自由行程λe很小)或者气体压力P很小(电子的平均自由行程λe很大)时,α值都很小。既在高气压或高真空的条件下,气体间隙不易发生放电现象,具有较高的电气强度。
Aδe-Bδ/E
由式=55(2)汤申德第二游离系数β
一个正离子沿外电场方向行进的过程中,在单位距离内所产生碰撞游离的次数称为汤申德第二游离系数,记为β。一个正离子沿外电场方向行进的过程中,在单位距离内所56(3)汤申德第三游离系数γ正离子表面电离系数γ——表示一个正离子沿电场方向由阳极向阴极运动,撞击阴极表面,使阴极表面发射的电子数。正离子向阴极移动,依靠它所具有的动能及位能,在撞击阴极时能引起表面电离,使阴极释放出自由电子正离子表面电离系数γ——表示一个正离子沿电场方向由阳极向阴极57
20世纪初,Townsend根据大量的试验研究结果,提出了适用于均匀电场、低气压、短气隙时气体放电理论。理论认为,电子的碰撞电离(α过程)和正离子撞击阴极造成的表面电离(γ过程)起主要作用提出气隙放电电流和击穿电压的计算公式。2.自持放电的条件(1)α过程(电子崩过程)(2)α过程和γ过程引起的电流20世纪初,Townsend根据大量的58(1)α过程(电子崩过程)电子崩的形成过程由外因素产生的初始电子电子数目迅速增加,如同冰山上发生雪崩一样,形成了电子崩产生正离子和电子原来的电子和新产生的电子继续移动,不断发生电子碰撞电离电场力作用下,电子沿电场做定向移动与中性粒子发生电子碰撞中性粒子发生电离(1)α过程(电子崩过程)电子崩的形成过程由外因素产生的初59崩头崩尾电子崩的形状:“崩头大、崩尾小。”电子发生电子碰撞后,电子的速度快,所以会大量的集中在崩头;正离子移动速度较慢,所以缓慢的移向崩尾。电子崩——电子数按几何级数不断增多,像雪崩似的发展。从而形成的急剧增大的空间电子流。崩头崩尾电子崩的形状:“崩头大、崩尾小。”电子崩——电子数按60nadn0个电子运动x距离产生的电子数n令x=d,抵达阳极总电子数naα过程的分析(电子崩的增长规律)设:在外电离因素的作用下,有生n0个电子从阴极表面,由于碰撞电离和电子崩的作用下,在距离阴极x处,电子数增至n个。在dx段上产生的新电子数:dn=nαdxdn=nαdxnadn0个电子运动x距离产生的电子数nα过程的分析(电子崩61nad此过程中新增的电子数或正离子数△n
如果n0=1,则n=eαd,即一个电子经过d距离后,变成了eαd个电子,电子崩按指数规律增长。同时产生eαd
-1个正电荷。nad此过程中新增的电子数或正离子数△n如果n062电子电流增长规律将式两边乘以电子电荷qe
,得到电流为:式中:I0—初始电子引起的初始电流令x=d,进入阳极的电流(外回路电流)若I0=0,则I=0,既若去掉外界电离因素,气隙中电流为0,气体放电停止。结论:若只有α过程,气体放电是不能自持的。电子电流增长规律令x=d,进入阳极的电流(外回路电流)结论:63nadnc碰撞游离产生出来的正离子在到达阴极时,撞击阴极造成二次电子发射,所产生的电子数
γn0(eαd-1)
n0个电子到达阳极后,产生总电子数为:na=n0eαd
产生的新正离子:nceαd-nc正离子撞击阴极表面产生的电子数为γnc(eαd-1)每产生一个自由电子的同时,会产生一个正离子
产生的新电子:n0eαd-n0正离子沿电场运动,撞击阴极造成二次电子发射二次电子发射的形成过程nadnc碰撞游离产生出来的正离子在到达阴极时,撞击阴64自持放电条件物理意义:一个电子从阴极到阳极途中因电子崩(α过程)而造成的正离子数为eαd-1,这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数(γ过程)应为γ(eαd-1),如果它等于1,就意味着那个初始电子有了一个后继电子,从而使放电得以自持。γn0(eαd-1)
=n0即:γ(eαd-1)=1为自持放电条件自持放电条件物理意义:一个电子从阴极到阳极途中因电子崩(α过65当自持放电条件得到满足时,就会形成图解中闭环部分所示的循环不息的状态,放电就能自己维持下去。当自持放电条件得到满足时,就会形成图解中闭环部分所示的循环不663.击穿电压Ujc的计算起始电压U0——放电由非自持转为自持时的电压。均匀电场中:起始电压U0=击穿电压Ub将α计算式代入自持放电条件,并且考虑均匀电场中自持放电的起始场强得:结论:均匀电场中气体的击穿电压Ub是气压和电极间距离乘积(pd)的函数。①均匀电场击穿电压的推导3.击穿电压Ujc的计算起始电压U0——放电由非自持转为自持67因为气体的密度与压力成正比,所以上式也可以表示为均匀电场小气隙击穿电压的计算公式为:
δ—气体的相对密度;
E—电子所在点的气体的电场强度。
S—极板之间的距离(cm)。
γ—汤申德第三游离系数
A、B——均为与气体性质有关的常数,对空气:
A=109.61/kPa,B=2738.40kV/kPa;结论:均匀电场中气体的击穿电压Ujc是气体分子的密度和电极间距离乘积(δ
d)的函数。因为气体的密度与压力成正比,所以上式也可以表示为均匀电场小气68击穿电压与pd的规律在汤逊碰撞电离学说提出之前,巴申已从实验中总结出来了,汤申德从理论上解释了试验结果。三、巴申(Paschen)定律击穿电压与pd的规律在汤逊碰撞电离学说提出之前,69巴申定律从曲线可以看出,存在一个最小值,此时击穿电压最低假设d不变:当气压很小时,气体稀薄,虽然电子自由程大,可以得到足够的动能,但碰撞总数小,所以击穿电压升高当气体增大时,电子自由程变小,得到的动能减小,所以击穿电压升高。总有一个气压对碰撞电离最有利,此时击穿电压最小巴申定律从曲线可以看出,存在一个最小值,此时击穿电压最低701.3均匀电场大气隙的放电一、空间电荷对气隙电场的畸变二、流注的形成1.3均匀电场大气隙的放电一、空间电荷对气隙电场的畸变711.3均匀电场大气隙的放电汤申德理论的适用于均匀场、低气压、短气隙当pd较大时,放电现象与汤申德理论解释出现不符现象放电外形汤申德理论解释:放电外形均匀,辉光放电;
pd大时的实际现象:外形不均匀,有细小分支的通道放电;放电时间:Tpd大<<T汤逊(相同距离)击穿电压:Ub·pd大<<Ub·汤逊(相同距离)阴极材料影响汤申德理论解释:阴极材料对放电有影响(γ过程);
pd大时的实际现象:阴极材料对放电无影响;1.3均匀电场大气隙的放电汤申德理论的适用于均匀场、低气压72气体击穿的流注放电理论对象:工程上感兴趣的压力较高的气体击穿,比如雷电放电并不存在金属电极,因而与阴极上的γ过程和二次电子发射根本无关。特点:认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素,并强调了空间电荷畸变电场(使原来均匀的电场变成了不均匀电场)的作用放电过程
电子崩阶段流注阶段气体击穿电离形成二次电子崩,汇合行成等离子体(流注)空间电荷引起外电场畸变联通两极气体击穿的流注放电理论对象:工程上感兴趣的压力较高的气体击穿73流注理论中的电子崩过程⑴电子崩外形x-+电子崩外形好似球头的锥体,空间电荷分布极不均匀,电子崩中的电子数:n=eαxx(cm)0.20.30.40.50.60.70.80.91.0n92781245735220866341993059874例如,正常大气条件下,若E=30kV/cm,α≈11cm-1,计算随着电子崩向阳极推进,崩头中的电子数:电子崩中空间电荷的浓度分布一、空间电荷对气隙电场的畸变流注理论中的电子崩过程⑴电子崩外形x-+电子崩外形x(cm74⑵空间电荷对原有电场的影响-+xx空间电荷的电场合成电场电子崩均匀电场E0电子崩头部电场明显增强,电离过程强烈,有利于发生分子和离子的激励现象,当它们回复到正常状态时,发射出光子。崩头内部正负电荷区域电场大大削弱,但电子和正离子浓度却是最大,有助于发生复合过程,发射出光子。大大加强了崩头及崩尾的电场,削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场⑵空间电荷对原有电场的影响-+xx空间电荷的电场合成电场75流注发展过程
初始电子崩(电子崩头部电子数达到一定数量)→电场畸变和加强→电子崩头部正负空间电荷复合→放射大量光子→光电离→崩头处二次电子(光电子)→(向正空间电荷区运动)碰撞游离→二次电子崩→(二次电子崩电子跑到初崩正空间电荷区域)流注发展到阴极,气隙被击穿。二、流注的形成流注发展过程二、流注的形成76流注的形成过程1)在光照下,电子在强电场的作用下,形成电子崩,初崩发展到阳极时,电子迅速与阳极中和;2)离子的速度较慢,暂留的正离子加强了正离子与阴极之间的电场,并使之畸变,同时放出大量的光子;流注的形成过程1)在光照下,电子在强电场的作用下,形成电子崩773)光子又电离了附近的气体,形成二次电子崩,二次电子崩的电子迅速移向阳极方向,在正电荷区域内形成正负带电粒子混合通道,这个电离通道称流注。流注端部又有二次电子崩留下的正电荷,进一步加强了电场,促使更多的新电子崩相继产生并与之汇合,使流注向前发展;4)最后,流注发展到阴极,将两极接通,导致气隙空气被击穿。3)光子又电离了附近的气体,形成二次电子崩,二次电子崩的电子78流注—电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区(二次电子崩)以及它们不断汇入初崩通道的过程。1:主电子崩2:二次电子崩⑴二次电子崩的形成主崩走完整个间隙后,大密度的头部正离子空间电荷大大加强了后部的电场,并向周围放射出大量光子光子引起空间光电离,其中电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引,在畸变而加强了的电场中,造成了新的电子崩,称为二次电子崩光子流注的形成流注—电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区(二次电子79⑵正流注1:主电子崩;2:二次电子崩;3:流注条件:当外加电压=击穿电压二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区(电场强度较小),大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体,这就是正流注①正流注体的形成流注通道导电性良好,其头部又是二次电子崩形成的正电荷,因此流注头部前方出现了很强的电场⑵正流注1:主电子崩;2:二次电子崩;3:流注条件:当80②正流注向阴极推进流注头部的电离,放射出大量光子,继续引起空间光电离。流注前方出现新的二次电子崩,它们被吸引向流注头部,延长了流注通道流注不断向阴极挺进,且随着流注接近阴极,其头部电场越来越强,因而其发展也越来越快流注发展到阴极,间隙被导电良好的等离子通道所贯通,间隙的击穿完成,这个电压就是击穿电压②正流注向阴极推进流注头部的电离,放射出大量光子,继续引起81⑶负流注1:主电子崩;2:二次电子崩;3:流注条件:当外加电压>击穿电压电压较低时,电子崩需经过整个间隙才能积聚到足够的电子数形成流注;电压较高时,电子崩不需经过整个间隙,其头部电离程度已足以形成流注主电子崩头部的电离很强烈,光子射到主崩前方,在前方产生新的电子崩,主崩头部的电子和二次崩尾的正离子形成混合通道,形成向阳极推进的流注,称为负流注间隙中的正、负流注可以同时向两极发展。⑶负流注1:主电子崩;2:二次电子崩;3:流注条件:当82试验测量结果:电子崩在电离室中得到的初始电子崩照片图a和图b的时间间隔为1×10-7秒初始电子崩转变为流注瞬间照片电子崩在空气中的发展速度约为1.25×107cm/s试验测量结果:电子崩在电离室中得到的初始电子崩照片初始电子崩83试验测量结果:正流注在电离室中得到的阳极流注发展过程的照片正流注的发展速度约为1×108~2×108cm/s试验测量结果:正流注在电离室中得到的阳极流注发展过程的照片84试验测量结果表明电子崩是沿着电力线直线发展,流注会出现曲折的分支电子崩可以同时有多个互不影响地向前发展汤申德放电是弥散的一片,流注放电有明亮的细通道试验测量结果表明电子崩是沿着电力线直线发展,流注会出现曲折的85⒊流注理论击穿过程的总结由阳极向阴极(正流注)或由阴极向阳极(负流注)击穿强电场作用下发生碰撞电离畸变电场发射光子流注高速的向电极挺进电子崩气隙间有效电子形成等离子通道(流注)产生新电子崩(二次崩)二次崩不断汇入主崩⒊流注理论击穿过程的总结由阳极向阴极(正流注)或由阴极向阳86⒋流注理论在均匀电场中的自持放电条件流注形成的条件就是自持放电条件初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值既:eαd=常数或αd=常数(eαd为电子崩头部的电子数)实验所得初崩头部的电子数要达到108时,放电才能转为自持。一旦形成流注,放电就进入了新的阶段,放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持,即转入自持放电;如果电场均匀,间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件,在均匀电场中也就是导致击穿的条件。流注形成的条件⒋流注理论在均匀电场中的自持放电条件流注形成的条件就是自持87⒌流注理论对pd较大时放电现象的解释⑴放电外形现象:
pd较大时,放电不均匀,有分支,有细小的通道解释:二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性,所以火花通道常是曲折的,并带有分枝⑵放电时间现象:
放电时间极短解释:光子以光速传播,所以流注发展速度极快,这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象⑶阴极材料的影响现象:
放电与阴极材料无关解释:pd很大时,维持放电自持的是空间光电离,而不是阴极表面的电离过程⒌流注理论对pd较大时放电现象的解释⑴放电外形现象:881.4不均匀电场气隙的击穿一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征二、短间隙的击穿三、长间隙的击穿四、电晕放点1.4不均匀电场气隙的击穿一、稍不均匀电场和极不均匀电场的891.4不均匀电场气隙的击穿一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征⒈均匀电场放电达到自持,间隙立即被击穿,击穿前看不到放电迹象平板电极⒉稍不均匀电场放电特性与均匀电场相似,一旦出现自持放电便一定立即导致整个气隙击穿。测高电压的球隙1.4不均匀电场气隙的击穿一、稍不均匀电场和极不均匀电场的90⒊极不均匀电场特有两大特征电晕放电:极不均匀电场所特有的一种自持放电形式;极性效应:放电过程与电极的极性有关;典型的极不均与电场棒—棒(针—针):棒—板(针—板):⒊极不均匀电场特有两大特征91式中:Emax——最大电场强度;
Eav
——平均电场强度;⒋电场不均匀系数f引入电场不均匀系数f
表示各种结构的电场的均匀程度⒋电场不均匀系数f引入电场不均匀系数f表示各种结构的92极不均匀电场的放电过程极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应。放电的发展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与电极的极性有关;极性的确定极性由表面电场较强的电极所决定两个电极几何形状不同的场合极性取决于曲率半径较小的电极的电位符号(“棒—板”间隙取决于棒电极电位);几何形状相同(“棒—棒”间隙)取决于不接地的那个电极上的电位。理论基础短间隙——流注理论长间隙——先导放电(雷电放电)极不均匀电场的放电过程极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应93二、短间隙的击穿⑴正极性(正棒—负板)非自持放电阶段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,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+EqE0EEqx(a)(b)EqEq--二、短间隙的击穿⑴正极性(正棒—负板)非自持放电阶段E0(94流注发展阶段电子崩进入棒电极,正电荷留在棒尖加强了前方(板极方向)的电场;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;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+EqE0EEqx(a)(b)EqEq--流注发展阶段E0(c)Ecom=E0+EqE0EEqx(a)95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空间电荷削弱棒极附近电场棒极附近难以形成流注,起始电晕电压96⑵负极性(负棒—正板)非自持放电阶段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)
E0EEqx(a)(b)
E0++EqEq⑵负极性(负棒—正板)非自持放电阶段Ecom=E0+Eq(97流注发展阶段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)
E0EEqx(a)(b)
E0++EqEq流注发展阶段Ecom=E0+Eq(c)E0EEqx(a)(98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正空间电荷加强棒极附近电场棒极附近易于形成流注,起始电晕电压99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结论正极性负极性电晕起始电压高低间隙击穿电压低高在相同气隙下100⑶放电进一步发展外电压较低时,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⑶放电进一步发展外电压较低时,流注通道深入间隙一段距离后,101二、长间隙的击穿实践表明,当气隙较大(约1m以上)时,存在某种新的,不同性质的被称为先导放电的放电过程。不同极性的先导放电过程有不同的特性。目前,对这些问题的研究还很不够,只是对这些事物的现象、参数、影响因素及变化规律等作了一些实测,而对这些放电过程的机理并没有完全研究清楚。
二、长间隙的击穿实践表明,当气隙较大(约1m以上)时,存在某102长间隙极不均匀电场中的放电过程(棒-板间隙)正棒—负板间隙中先导通道的发展(a)先导和其头部的流注km;(b)流注头部电子崩的形成;(c)km由流注转变为先导和形成流注mn;(d)流注头部电子崩的形成;间隙距离较长时(如棒—板间隙远离大于1米时),在流注通道还不足于贯通整个间隙的电压下,仍可能发展起击穿过程。流注通道发展到足够的长度后,将有较多的电子循通道流向电极,通过通道根部的电子最多,于是流注根部温度升高,出现热电离过程。这个具有热电离过程的通道称为先导通道。长间隙极不均匀电场中的放电过程(棒-板间隙)正棒—负板间隙中103⑴正先导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⑴正先导流注根部温度升高热电离过程先导通道电离加强,更为明104负棒—正板,正空间电荷大大加强棒极附近原已很强的电场,该区域发生强烈的电离,高场强和大电流密度,使棒极附近产生热电离,形成负先导负空间电荷在通道前端形成反向电场—电场屏蔽,屏蔽减弱后,又发展新负流注、新负先导。接着,重复第一阶段的过程,使先导通道又向前推进一段。在长间隙中,这样的过程可能重复多次,使负先导通道的前进具有分级的特性。前伸的平均速度是正先导的1/5~1/3⑵负先导负棒—正板,正空间电荷大大加强棒极附近原已很强的电场,该区域105⑶主放电过程当先导通道头部发展到接近对面电极时,将发生十分强烈的放电过程,这个过程将沿着先导通道以一定速度向反方向扩展到棒极,这个过程称为主放电过程。主放电过程使贯穿两极间的通道成为温度很高、电导很大、轴向场强很小的等离子体火花通道(如电源功率足够,则转为电弧通道),从而使气隙完全失去了绝缘性能,气隙被击穿。1—主放电通道2—主放电和先导通道的交界区3—先导通道⑶主放电过程当先导通道头部发展到接近对面电极时,将发生十分106四、电晕放电⒈电晕放电的一般描述电晕放电——极不均匀电场所特有的一种自持放电现象;⑴电晕放电的概念⑵发生电晕放电现象的条件电场极不均匀时,曲率大的电极附近很小范围内α已达相当数值时,间隙中大部分区域值α都仍然很小,放电达到自持放电后,间隙没有击穿电场越不均匀,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。四、电晕放电⒈电晕放电的一般描述电晕放电——极不均匀电场所107⑶电晕放电的效应电晕放电的表现:咝咝的声音、臭氧的气味、电极附近空间蓝色的晕光;⑶电晕放电的效应电晕放电的表现:咝咝的声音、臭氧的气味、电108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;电压达到一定值,电晕电流为无规律的重复电流脉冲电压升高,脉冲特性愈来愈不显著,电晕电流转变为持续电流电压继续升高,出现幅值大得多的不规则的流注型电晕电流脉冲化学反应产生新物质,O3、NO、NO2;109⑷电晕起始电压和电晕起始场强电晕起始场强——开始出现电晕时电极表面的场强;电晕起始电压——开始出现电晕时的电压;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。电晕起始场强的求取(皮克公式)以输电线路为例
式中
m—导线表面粗糙系数,光滑导线的m≈1,绞线的m≈0.8~0.9;
δ
—空气相对密度;
r—导线半径,cm。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。⑷电晕起始电压和电晕起始场强电晕起始场强——开始出现电晕时110⒉电晕放电的两种形式电子崩形式
起晕电极曲率很大时,放电初期,电晕层很薄且比较均匀,放电电流稳定,自持放电采用汤申德放电形式。放电达到自持时,α在整个间隙中部巳达到相当数值。这时和均匀电场中情况类似流注形式升高电压:电晕层扩大,个别电子崩→流注再电压升高:个别流注强烈发展→出现刷状放电继续升高电压:流注贯穿间隙→击穿⒉电晕放电的两种形式电子崩形式流注形式111⒊电晕放电的利弊⑴不利影响发光、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;O3是强氧化剂,NO、NO2遇到水气会形成硝酸和亚硝酸,从而会对电力设备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。⒊电晕放电的利弊⑴不利影响发光、发热,损失能量;112⑵有利方面电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度;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⑵有利方面电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度;雷113工业应用除菌及清鲜空气
利用空气中电晕放电,控制产生一定浓度臭氧(强氧化剂),达到杀菌及清洁空气的作用(目前消毒柜和空调中所谓的等离子体空气清新技术)污水处理
利用电晕放电的高频脉冲高压产生高浓度臭氧,与污水作用能够分解污水中的有机物,去除臭气,实现污水的处理烟气处理
利用电晕放电的高功率脉冲形成高能活性离子,可以实现工厂烟气的脱硫脱硝,净化排污工业应用114电晕放电的对策对策:(限制导线的表面场强
)
采用分裂导线。对330kV及以上的线路应采用分裂导线,例如330,500和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。
电晕放电的对策对策:(限制导线的表面场强)采1151.5冲击电压下气隙的击穿特性一、冲击电压的标准波形二、放电时延三、伏秒特性1.5冲击电压下气隙的击穿特性一、冲击电压的标准波形116一、冲击电压的标准波形作用时间短暂的电压称为冲击电压,在冲击电压作用下空气间隙的击穿具有新的特性。雷电在电力系统中造成的过电压是一种冲击电压,这是电力系统发生事故的重要因素。为了模拟雷电压,各国规定了试验用雷电冲击电压的标准波形,分为全波和截波两种。一、冲击电压的标准波形作用时间短暂的电压称为冲击电压,在冲击117非周期性双指数衰减波参数:波前时间:T1=1.2μs±30%(反应上升速度)半峰值时间:T2=50μs±20%(反应下降速度)标准波形通用写法±1.2/50μs雷电全波一、冲击电压的标准波形非周期性双指数衰减波参数:雷电全波一、冲击电压的标准波形118雷电截波0.900.31
u/Um0’T1Tct参数:波前时间:T1=1.2μs±30%(反应上升速度)半峰值时间:T2=2~5μs
(反应下降速度)标准波形通用写法±1.2/2~5μs
注意:雷电电压具有冲击性。上升速度和下降速度都非常快。雷电截波0.900.31u/Um0’T1Tct参数:注119雷电截波0.900.31
u/Um0’T1Tct雷电截波0.900.31u/Um0’T1Tct120二、放电时延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;有效电子→引起电子崩并导致流柱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。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。非持续电压下(雷电、操作冲击电压),电压波来去速度很快,放电发展速度不能忽略。间隙的击穿电压与作用电压的波形(即作用时间)有关。二、放电时延气隙击穿的必备条件足够大的电场强度或足够高的电压121气隙放电时间的构成⑴概念静态击穿电压—长时间作用在气隙上能使气隙击穿的电压;仅为必要条件,要使间隙击穿,必须使该电压持续作用一段时间击穿时间(放电时间)—从开始加压的瞬间起到气隙完全被击穿的时间。气隙放电时间的构成⑴概念静态击穿电压—长时间作用在气隙上能122⑵构成tst1tftlagtbUutUs第一阶段升压时间t1(0→Us静态击穿电压):击穿过程可能并未开始对于持续电压(直流、工频电压):此阶段电压升到Us,气隙即及被击穿;非持续电压下(雷电、操作冲击电压):由于t1非常短,即使电压升到Us
,气隙也不一定被击穿。⑵构成tst1tftlagtbUutUs第一阶段123tst1tftlagtbUutUs第二阶段统计时延ts(Us→
出现第一个有效电子):击穿过程开始,具有统计性由于有效电子的出现是一个随机事件,取决于很多偶然因素,所以ts具有分散性。ts每次都不一样,要确定ts就要记录多个时间值进行统计,故称为统计时延。ts(平均值)的影响因素:电极材料、外加电压、短波光照射、电场情况。tst1tftlagtbUutUs第二阶段124tst1tftlagtbUutUs第三阶段放电形成时延tf(出现第一个有效电子→气隙被击穿
):具有统计性对于汤逊理论:α过程+γ过程→气隙被击穿;对于流注理论:电子碰撞电离+流注的形成→气隙被击穿tf的影响因素:间隙长度、电场均匀度、外加电压;tst1tftlagtbUutUs第三阶段125放电时间构成的总结tst1tftlagtbUutUs总放电时间tbtb=t1+ts+tf(统计性)放电时延tlagtlag=ts+tf(统计性)放电时间构成的总结tst1tftlagtbUutUs总放电时1263.雷电冲击50%击穿电压(U50%)
50%冲击击穿电压——击穿百分比为50%的击穿电压。由于放电时延和放电时间均具有统计分散性,多次重复施加电压时可能有几次击穿而另几次没击穿。随着电压的提高,发生击穿的百分比将越来越大。直到每次施加电压都击穿。工程实际中广泛采用击穿百分比为50%时的电压U50%
来表征气隙的冲击击穿特性。在实际中施加10次电压有4~6次击穿,就可认为这一电压为气隙的U50%
冲击击穿电压。3.雷电冲击50%击穿电压(U50%)50%冲击击穿电压127雷电冲击电压下均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性击穿电压分散性小,U50%
和Us相差很小;冲击系数β均匀电场、稍不均匀电场:
β=1雷电冲击电压下极不均匀电场的击穿特性放电时延tlag比较长;击穿电压分散性大,U50%
和Us相差很大;极不均匀电场:
β>1雷电冲击电压下均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性击穿电压分散性128三、伏秒特性在冲击电压作用下,间隙的击穿电压比静态击穿电压(直流或工频交流持续作用下的击穿电压)高。整个间隙击穿放电的发展过程不仅需要足够高的作用电压,还需要一定作用时间。同一个气隙,在峰值较低但延续时间较长的冲击电压作用下可能击穿,而在峰值较高但延续时间较短的冲击电压作用下可能不击穿。三、伏秒特性在冲击电压作用下,间隙的击穿电压比静态击穿电压(129对非持续作用的电压来说,一个气隙的耐电压性能就不能单一地用“击穿电压”值来表达了,而必须用电压峰值和击穿时间这两者来共同表达才行,这就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性。对非持续作用的电压来说,一个气隙的耐电压性能就不130伏秒特性曲线——同一波形、不同幅值的冲击电压作用下,间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线。概念由于气隙的击穿存在时延现象,所以其冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示,这种在“电压—时间”平面上形成的曲线,通常成为伏秒特性,它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。伏秒特性曲线——同一波形、不同幅值的冲击电压作用下,间隙上出131伏秒特性的制定方法(用实验方法求取)保持冲击电压波形不变,逐渐提高冲击电压的峰值电压较低,放电时间长,击穿发生在波尾(图中1、2)电压较高,放电时间短,击穿发生在波头(图中3)将1、2、3点连接完成伏秒特性曲线纵坐标:冲击电压幅值横坐标:放电时间纵坐标:冲击电压瞬时值横坐标:放电时间伏秒特性的制定方法(用实验方法求取)保持冲击电压波形不变,逐132实际曲线由于放电时间具有分散性,于是每一级电压下可得一系列放电时间,所以实际上伏秒特性是以上、下包线为界的带状区域。注意:工程上,常采用将平均放电时间各点相连所得的平均伏秒特性或50%
伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿电压。实际曲线注意:工程上,常采用将平均放电时间各点相连所得的平均133电场均匀程度对曲线的影响均匀电场不均匀电场Ubtb均匀或稍不均匀电场形状:曲线较为平坦;原因:由于击穿时平均场强较高,流注发展较快,放电时延很短。极不均匀电场形状:曲线较陡;原因:由于击穿时平均场强较低,而且流注总是从强场区向弱场区发展,放电速度受到电场分布影响,所以放电时延长。电场均匀程度对曲线的影响均匀电场不均匀电场Ubtb均匀或稍不134伏秒特性的用途主要用于比较不同设备绝缘的冲击特性,即用于绝缘配合。S1—被保护设备的伏秒特性曲线S2—保护设备的伏秒特性曲线总结:为了使被保护设备得到可靠的保护,被保护设备绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线。问题:S1是___伏秒特性曲线。S2是___伏秒特性曲线。A保护设备;B被保护设备伏秒特性的用途主要用于比较不同设备绝缘的冲击特性,即用于绝缘135这二者无法进行有效的绝缘配合。这二者无法进行有效的绝缘配合。136电气设备绝缘的伏-秒特性和避雷器的伏-秒特性(a)正确配合(b)不正确配合绝缘的伏-秒特性避雷器的伏-秒特性电气设备绝缘的伏-秒特性和避雷器的伏-秒特性绝缘的避雷器的137极不均匀电场中U50%雷电冲击电压的击穿特性棒—板棒—棒棒—棒棒—板棒—板间隙有明显的极性效应;棒—棒间隙也有不大的极性效应;棒—棒间隙中不同极位接地会使得棒极附近的电场强度发生变化,从而会显出较弱的极性效应极不均匀电场中U50%雷电冲击电压的击穿特性棒—板棒—棒棒—138气隙电压类型近似计算公式(d,cm;Ub,kV)气隙电压类型近似计算公式(d,cm;Ub,kV)棒—棒工频交流Ub=70+5.25d棒—板工频交流Ub=40+5d正极性雷电冲击Ub=75+5.6d正极性雷电冲击Ub=40+5d负极性雷电冲击Ub=110+6d负极性雷电冲击Ub=215+6.7d
U50%雷电冲击电压的经验公式空气中棒间隙的工频击穿电压(幅值)和雷电冲击50%击穿电压的近似计算公式如下表(标准大气条件,极间距离
d>40cm)气隙电压类型近似计算公式气隙电压类型近似计算公式(d,cm;1391.6大气条件对空气间隙击穿电压的影响我国的国家标准规定的标准大气条件:压力:P0=101.3KPa(760mmHg)温度:t0=20℃或T0=293K绝对湿度:h0=11g/m3(每立方米水蒸气11克)在实际试验条件下的气隙击穿电压U与标准大气条件下的击穿电压U0之间的换算关系:
式中:Kd——空气密度校正因数;
Kh——湿度校正因数。注意:空气密度的变化实际上是压力和温度的变化1.6大气条件对空气间隙击穿电压的影响我国的国家标准规定140式中:
p——气压,kPa;
T——温度,K。(一)空气密度的校正空气的密度与压力和温度有关空气的相对密度大气条件下,气隙的击穿电压随δ的增高而提高。密度增加气体被压紧,气隙之间距离很短虽然自由电子碰撞次数多,但自由行程短,碰撞有效性差电离数很低击穿电压高(一)空气密度的校正空气的密度与压力和温度有关空气的相对密度141实验表明,当δ处于0.95~1.05的范围内时,气隙的击穿电压几乎与δ成正比,即此时的空气密度校正因数Kd≈δ,因而U≈δU0实验表明,当δ处于0.95~1.05的范围内时,气隙的击穿电142举例在p=755mmHg,t=330C条件下测得一气隙的击穿电压峰值为108kV,试近似求取该气隙在标准大气条件下的击穿电压值。举例143对更长空气间隙来说,击穿电压与大
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