不均匀电场中气体的击穿过程

高电压技术重庆电力高等专科学校刘赟副教授重庆电力高等专科学校1.2气体绝缘材料及其击穿特性学习情境一绝缘介质电气性能及击穿过程子情境1.1绝缘材料的电气性能子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性子情境1.3液体绝缘材料及其击穿特性子情境1.4固体绝缘材料及其击穿特性重庆电力高等专科学校1.2气体绝缘材料及其击穿特性1.2.3均匀电场中气体的击穿过程1.2.4不均匀电场中气体的击穿过程子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性1.2.2气体中带电质点的产生与消失

1.2.5冲击电压下气体的击穿过程1.2.6沿面放电1.2.4不均匀电场中气体的击穿过程1.2.4不均匀电场中气体的击穿过程重庆电力高等专科学校【学习任务】了解极不均匀电场中的电晕放电和极性效应，熟悉直流电压和工频电压作用下极不均匀电场中气体间隙的击穿场强。1.2气体绝缘材料及其击穿特性典型的不均匀电场电极结构1.2.4不均匀电场中气体的击穿过程球间隙(稍不均匀）输电线空气绝缘（极不均匀）稍不均匀电场极不均匀电场与均匀电场类似，间隙击穿前没有放电迹象。间隙击穿前在高场强区会出现蓝紫色光晕，并发出“咝咝”的响声，称为电晕放电。刚出现电晕时的电压称为电晕起始电压。不均匀电场放电特点1.2.4不均匀电场中气体的击穿过程电晕放电实例1.2.4不均匀电场中气体的击穿过程一、电晕放电极不均匀电场中，间隙中的最大场强与平均场强相差很大。距曲率半径小的电极越近，场强越大。当间隙上的电压升高时，在间隙中的平均场强远未达到平均击穿场强的情况下，曲率半径小的电极附近空间的局部场强将首先达到足以引起强烈游离的数值，在这一局部区域内形成自持放电，称电晕放电。可看到该电极周围有薄薄的蓝紫色的发光层，还可听到咝咝的声音，嗅到臭氧的气味。电晕层发光是由于伴随着游离而存在的复合以及由激发态回到正常态的反激发辐射光子造成的。一、电晕放电一、电晕放电电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。开始发生电晕时的电压称电晕起始电压，而电极表面的电场强度称电晕起始电场强度。电晕放电的不利影响1、产生能量损耗工程上经常遇到极不均匀电场。架空输电线路就是一个例子。雨雪等恶劣天气时，在高压输电线路附近常可听到电晕的咝咝声，夜晚还可以看到导线周围有紫色晕光。气体放电过程中的光、声、热的效应以及化学反应等都要引起能量损耗，表1-5为超高压输电线路年平均电晕损耗；一、电晕放电2、产生高频电磁波，干扰通信电晕放电的不利影响一、电晕放电3、电晕放电还使空气发生化学反应，生成臭氧、氮氧化物等产物，臭氧、氮氧化物等产物是强氧化剂和腐蚀剂，会对气体中的固体介质及金属电极造成损伤或腐蚀。因此电晕在高压特别是超高压、特高压中要严加限制。电晕放电的不利影响一、电晕放电限制电晕的方法1、改进电极形状，增大曲率半径变电站或开关站220kV及以上电压等级的母线通常采用管型母线，使母线周围电场分布均匀，提高起晕电压，限制电晕。一、电晕放电2、对输电线路采用分裂导线与单根导线相比，分裂导线附近的电磁场分布发生了变化，每相电荷分布在该相的各根分导线上，这样就等效于加大了该相导线的半径，减小了导线表面电荷密度,因而降低导线表面电场强度,从而抑制电晕放电。限制电晕的方法一、电晕放电四分裂导线

我国设计要求：

220kV及以下输电线路要求在恶劣天气下也无可见电晕,500kV输电线路要求在好天气下夜间无可见电晕。一、电晕放电二、极性效应对于电极形状不对称的极不均匀电场间隙，如棒-板间隙，棒的极性不同时，间隙的起晕电压和击穿电压各不相同，这种现象称为极性效应。极性效应是不对称的极不均匀电场所具有的特性之一。1.2.4不均匀电场中气体的击穿过程正棒—负板间隙负棒—正板间隙极性效应是由棒的极性不同时，间隙中的空间电荷对外电场的畸变作用不同引起的。无论棒的极性如何，棒极附近均为强电场区，该处气体首先发生游离，形成电子崩。电子崩发展方向电子崩发展方向二、极性效应电场畸变使棒附近电场减弱难于形成流注电场畸变使棒附近电场增强易于形成流注即易于转入自持放电（电晕放电）即难于形成自持放电（电晕放电）起晕电压：负棒—正板间隙＜正棒—负板间隙正棒—负板负棒—正板二、极性效应正空间电荷在间隙深处产生的场强与外加电压产生的场强方向一致，加强了朝向板极的电场，有利于流注向间隙深处发展，故其击穿电压较低。

间隙深处的电场被削弱，使流注不易向前发展击穿电压：负棒—正板间隙＞正棒—负板间隙正棒—负板负棒—正板二、极性效应负棒—正板间隙＜正棒—负板间隙负棒—正板间隙＞正棒—负板间隙起晕电压击穿电压二、极性效应三、极不均匀电场中的放电发展过程短间隙长间隙（棒板间隙距离大于1m)1.2.4不均匀电场中气体的击穿过程当外加电压达到了间隙的击穿电压，棒极附近的强场区内形成电子崩，并转化为流注，当流注发展到对面电极时，两极间由流注所贯通，流注迅速转化为电弧或火花放电，间隙即被击穿。短间隙四、极不均匀电场中的放电发展过程长间隙放电当流注发展到足够长度，较多电子通过通道根部进入电极，由于强烈摩擦产生高温出现热游离。具有热游离过程、不断伸长的通道称为先导。先导具有高电导，相当于电极伸出的导电棒，加强前方电场，引起新的流注，使先导通道向前延长。当电压足够高，先导贯穿两极，导致主放电，间隙即被击穿。由于先导的出现，使长间隙的平均击穿场强远小于短间隙的平均击穿场强。电子崩流注主放电电子崩流注主放电先导雷闪放电就是典型的长间隙放电——几百－几千米的空气间隙被击穿。极不均匀电场放电过程短间隙放电：长间隙放电：稍不均匀电场中的击穿电压典型电极结构：球-球间隙重要结论：电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高。其极限就是均匀电场中的击穿电压（30kV/cm）。四、不均匀电场中空气间隙的击穿电压极不均匀电场中的击穿电压典型电极结构：棒-板间隙、棒-棒间隙击穿电压与间隙距离接近成正比；极性效应显著；其平均击穿场强：正棒-负板间隙约为4.5kV/cm；负棒-正板间隙约为10kV/cm；棒-棒间隙约为5.4kV/cm。四、不均匀电场中空气间隙的击穿电压直流电压下的击穿电压在距离小于1m的范围内，击穿电压与间隙距离的关系接近成正比；当间隙距离超过2m时，击穿电压与间隙距离的关系出现明显的饱和趋向，特别是棒-板间隙，其饱和趋向尤甚；在设计高压装置时，为了使结构紧凑，应尽量避免出现棒-板型间隙。极不均匀电场中的击穿电压工频电压下的击穿电压棒-板棒-棒1-27【课堂讨论】750kV工频试验变压器高压出线端对墙的距离（安全系数可取为1.8）至少应为多大?试验变压器：单相方法一：查图1-27曲线1工频750KV击穿电压对应间隙距离约为1.8米，所以出线端对墙距离至少为1.8*1.8=米方法二：小结：不均匀电场中气体的击穿过程电晕放电是极不均匀电场中特有的放电现象。在空间电荷的作用下，棒-板电极会出现极性效应：负棒-正板间隙比正棒-负板间隙更容易