第4讲 气体电介质的绝缘特性

高电压技术高电压工程系李黎leeli@2第4讲气体电介质的绝缘特性（三）3回顾带电粒子的消失和扩散自持放电和非自持放电重点：汤逊理论重点：流注理论不均匀电场的放电特点——电晕本次课程极不均匀场中的放电过程稳态电压下的气体击穿瞬态电压下的气体击穿重点：极性效应451.3.3极不均匀场中的放电过程一、非自持放电阶段电子崩产生阳极积聚正电荷6二、流注发展阶段头部电场增强——新电子崩——流注前移7三、先导放电阶段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）。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9四、主放电过程先导头部达到板极。小间隙中的高场强引起强烈电离，带电粒子高。强电离区迅速向阳极传播——主放电过程。主放电通道贯穿电极间隙——击穿。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。10１——主放电通道２——主放电和先导通道的交界区３——先导通道11先导的发展正棒—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；（ｅ）沿着先导和空气间隙电场强度的分布121.3.4极不均匀场中的极性效应正棒－负板13电子运动速度快，迅速进入棒极；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。14负棒—正板15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。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。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，阻碍了流注的发展，因此击穿电压较高。161.4气体间隙的稳态击穿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

操作冲击电场形式均匀场稍不均匀场极不均匀场171.4.1均匀电场分散性小直流击穿电压＝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

18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稍不均匀电场分散性小直流击穿电压、工频击穿电压基本相等击穿电压与电场的均匀度相关。越均匀，击穿电压越高极性效应，在不对称场中201.4.2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d＜D/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d＞D/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

221.4.3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：最高：负棒正板，平均击穿场强约为10kV/cm次高：棒棒，平均击穿场强约为4.8~5.0kV/cm最低：正棒负板，平均击穿场强约为4.5kV/cm（一）直流击穿电压23“棒－棒”和“棒－板”空气气隙的直流击穿特性“棒－棒”和“棒－板”长间隙的直流击穿特性24（二）工频击穿电压在棒-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）棒-棒间隙的击穿电压比棒-板间隙的要高一些（这是由于棒-棒的电场更均匀一些）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d<1m内，“棒－棒”和“棒－板”气隙的工频击穿电压几乎相等，当d>2m，击穿电压与气隙距离的关系出现“饱和”趋势261.5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非周期性指数衰减波雷电流是冲击波形的，故由雷闪放电引起的高电压也具有冲击波形T1＝1.2s（30%）

T2＝50s（20%）

27二、放电时延击穿条件：足够幅值的电压，一定时间的作用统计时延ts——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，ts小。放电形成时延tf——出现电子崩、形成流注、主放电、间隙击穿。均匀电场内，tf小。放电时延

tlag＝ts＋

tf28影响tlag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

29三、雷电50%冲击击穿电压（U50%）

原因——放电时延的分散性电压升高到一定程度，100％击穿U50%——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压的特性试验方法：多级法（每级加压6次，曲线），升降法（10次中4－6次击穿）30(三)雷电冲击50%击穿电压高于稳态击穿电压（直流击穿电压或工频击穿电压幅值）。

分散性较大。其标准偏差可取3%。击穿通常发生在波尾。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放电，因此击穿电压提高）

31极不均匀场中的极性效应32四.伏秒特性

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U0后，间隙中开始发展起击穿过程。但击穿需一定时间=tl，在此时间内电压上升击穿完成时间隙上的电压应为U0+U

33伏秒特性的绘制——实验方法保持间隙距离不变、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。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伏秒特性的分散性放电时间具有分散性，每级电压下放电时间不同，实际上伏秒特性是以上、下包络线为界的一个带状区域36伏秒特性的用途Ｓ２对Ｓ1起保护作用在高幅值冲击电压作用下，Ｓ２不起保护作用371.6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非周期性指数衰减波推荐操作冲击电压的标准波形为250／2500s

衰减振荡电压第一个半波的持续时间在2000一3000s之间，反极性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50%击穿电压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。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）波形的影响在一定的波前时间范围内，U50甚至会比工频击穿电压低——U形曲线

对应于极小值的波前时间随着间隙距离加大而增加，对7m以下的间隙，大致在50200s之间放电时延和空间电荷(形成及迁移)这两类不同因素的影响所造成的

放电时延的作用空间电荷对电场的影响40（2）极性效应

极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下50％击穿电压比负极性下低，所以也更危险（3）分散性大对于波前时间在数十到数百μs的操作冲击电压，极不均匀电场间隙50％击穿电压的标准偏差约为5％；波前时间超过1000s以后，可达8％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”现象

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（雷电冲击50％击穿电压和距离大致呈线性关系）42(四)操作冲击50%击穿电压击穿通常发生在波头部分。击穿电压与波头时间呈现出U形曲线。

（放电时延和空