高电压课件-第4讲-气体电介质的绝缘特性(三)

第3讲回顾流注理论不均匀电场的放电特点——电晕极不均匀场中的放电过程第一页1第二页，共31页。１——主放电通道２——主放电和先导通道的交界区３——先导通道第二页2第三页，共31页。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第三页3第四页，共31页。1.3.4极不均匀场中的极性效应正棒－负板第四页4第五页，共31页。正棒－负板电子运动速度快，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。第五页5第六页，共31页。负棒—正板第六页6第七页，共31页。负棒—正板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。第七页7第八页，共31页。上次课回顾（1）曲率半径：曲率半径小的电极附近电荷密度高，易于使气体分子的电子脱离原子核，形成电离。电极曲率半径越大，越不易发生电晕放电，但有利于电晕放电的扩大，电晕放电发展得越强烈，空间电荷对电场均匀的作用越大电极间距

：邻两相电极表面间的最短距离。电极间距离d和电极曲率半径D之比越大，电场越不均匀。（如何理解？）结合图1-8球球间隙【曲率半径D不变，间距d增大】当间距d很大时，电极形状对击穿电压影响较小，不同球径的电极击穿电压的差别不大，且都接近于尖板电极。不对称电极有极性效应：正极性和负极性放电特性不同（为什么？）均匀电场不易发生电离，但流注一旦形成，流注随即贯穿整个间隙，导致间隙击穿。（比较均匀电场中的电晕电压≈击穿电压）不均匀电场易发生电离，但流注形成后，需进一步增加电压才可能导致间隙击穿。（不均匀电场中的电晕电压﹤击穿电压）第八页8第九页，共31页。上次课回顾（2）先导：长间隙放电时，流注发展到足够长度后，将有较多的电子沿通道流向电极，流过通道根部的电子最多，流注根部温度最高，出现热电离过程。这个具有热电离过程的通道称为先导。主放电阶段：先导头部的流注发展到板极时，立即又有一个放电过程从板极向棒极反向发展（迎接流注），称为主放电阶段。棒板间隙：棒极出发的先导和板极出现的流注之一相遇时，立即转入放电阶段。棒棒间隙：两棒极都可发展先导，正负先导相遇后，立即转入主放电。极不均匀电场：长间隙有：非自持放电、流注发展、先导放电和主放电四个阶段。短间隙没有先导放电阶段（为什么？）帮助理解（棒板间隙的极性效应）的一些概念和特性正极发展的先导—正先导正极发展正流注负极发展的先导—负先导 负极发展负流注负先导开始早，发展快。【棒棒间隙】负流注易形成，不易发展。（正流注不易形成，易发展）【棒板间隙】第九页9第十页，共31页。预备知识直流电压、工频电压、雷电冲击电压、操作冲击电压幅值高的电压，作用一会就能击穿。幅值低的电压，需要长时间作用才能击穿。一定时间的作用足够幅值的电压足够幅值的电压击穿条件第十页10第十一页，共31页。1.4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(一种)非周期性指数衰减波视在波头时间T1，视在波尾时间T2）T1＝1.2

s（

30%）

T2＝50

s（

20%）

第十一页11第十二页，共31页。二、放电时延经t1电压升高到静态击穿电压，再经时间tlag，间隙才击穿。统计时延ts——从t1时刻到出现第一个有效电子所需时间。放电形成时延tf——从第一个有效电子出现直至间隙击穿所需时间。放电时延

tlag＝ts＋

tf冲击放电所需全部时间tb=t1+ts+tf短间隙，电场较均匀，ts＞＞tf，放电时延取决于ts长间隙，电场不均匀，ts短，

tf长

，放电时延取决于tf第十二页12第十三页，共31页。三、雷电50%冲击击穿电压（U50%）

冲击电压作用下，保持波形不变。随冲击电压幅值的提高，间隙的击穿概率越来越大；当电压超过某一值后，间隙100%击穿。原因：随外加电压升高，放电时延缩短；由于放电时延的分散性，ts短的间隙易发生击穿，ts长的间隙不易发生击穿。放电时延具有统计特性U50%——在多次施加电压时，其中正好半数能导致击穿的电压，即击穿概率为50%的电压值，反映间隙的耐受冲击电压的特性第十三页13第十四页，共31页。50%冲击击穿电压（U50%）

均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压——击穿电压分散性小，其雷电冲击50％击穿电压U50%≈静态击穿电压Us（即持续作用电压下的击穿电压），即冲击系数＝

1。 50%冲击击穿电压（U50%）冲击系数＝ 静态击穿电压（Us）

极不均匀电场下的击穿电压——由于放电时延较长，通常雷电冲击50％击穿电压U50%

﹥静态击穿电压，即冲击系数大于l，击穿电压的分散性大一些。第十四页14第十五页，共31页。四.伏秒特性

雷电冲击电压持续时间短，间隙的击穿电压存在放电时延现象。用50%冲击击穿电压表征间隙击穿特性不够，需用击穿电压值与放电时间的关系曲线确定间隙的击穿特性，即伏秒特性。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(电压幅值可变)，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。第十五页15第十六页，共31页。伏秒特性曲线的形状与电场分布有关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。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。

击穿电压----间隙上可出现的电压最大值第十六页16第十七页，共31页。伏秒特性的分散性放电时间具有分散性，每级电压下测得不同的放电时间----伏秒特性是以上、下包络线为界的一个带状区域通常用平均伏秒特性或50%伏秒特性表征间隙的击穿特性第十七页17第十八页，共31页。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起不到保护作用伏秒特性的配合：左图被保护设备绝缘的伏秒特性S1与保护间隙的伏秒特性S2，两间隙并联可达到完全保护。【绝缘配合】右图不能完全配合：电压较低时，S2可以保护S1；电压较高时，则不行第十八页18第十九页，共31页。1.5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(两种)非周期性指数衰减波（自然波头时间/自然波尾时间）推荐操作冲击电压的标准波形为250／2500s（T1/T2）衰减振荡电压波第一个半波的持续时间在2000～3000s之间，反极性的第二个半波的幅值达到第一个半波幅值80％

第十九页19第二十页，共31页。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。第二十页20第二十一页，共31页。极不均匀电场中操作50%击穿电压原因：放电时延和空间电荷(形成及迁移)两个因素U曲线极小值左边，击穿电压随波前缩短（放电时间缩短）而增大----放电时延因素的作用减少。U曲线极小值右边，击穿电压随波前增大而上升----电压作用时间增加后，空间电荷迁移范围扩大，改善了间隙的电场分布。（1）击穿电压与波头时间呈现U形曲线

第二十一页21第二十二页，共31页。（续）（2）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）分散性大由于空间电荷的形成、扩散和放电时延具有很大的统计性，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。（4）“饱和”现象（右图） 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（形成先导后，放电易于发展） 雷电冲击50％击穿电压和距离大致呈线性关系（5）“邻近效应”（课本P26）电场分布情况对操作冲击50%击穿电压影响很大，有显著的“邻近效应”。第二十二页22第二十三页，共31页。气体击穿电压的影响因素1、气体种类（强介电强度气体）4、气体状态（温度、气压、湿度等）3、电场形式 按电场均匀程度分：均匀场/稍不均匀场/极不均匀场

2、电压种类（直流、交流、雷电冲击、操作冲击等）持续作用电压：直流和交流电压冲击电压（持续作用时间段）：操作冲击和雷电冲击。一定时间的作用足够幅值的电压足够幅值的电压击穿条件第二十三页23第二十四页，共31页。1.6电场形式、电压波形与击穿电压的关系间隙距离相同时，电场越均匀，击穿电压越高均匀电场直流击穿电压=工频击穿电压峰值=50%冲击击穿电压击穿电压分散性小空气的击穿电压经验公式稍不均匀电场直流击穿电压≈工频击穿电压峰值≈50%冲击击穿电压击穿电压分散性不大对于不对称电极有极性效应，但不明显d-间隙距离(cm)-空气相对密度第二十四页24第二十五页，共31页。1.6.2稍不均匀电场极性效应：以球球间隙为例不接地时，无极性效应，但通常会接地，此时有极性效应d<D/4，大地对球隙中电场分布影响小，且电场相当均匀；d>D/4，大地对球隙中电场分布影响加大，且平均击穿电压减小，击穿电压分散性增加第二十五页25第二十六页，共31页。稍不均匀电场（续）负极性下电晕起始电压比正极性略低稍不均匀电场中，不能形成稳定的电晕放电，电晕起始电压就是其击穿电压。所以负极下击穿电压略低于正极性下的数值第二十六页26第二十七页，共31页。极不均匀电场波形影响大，分散性大，极性效应明显一、直流击穿电压三种间隙的击穿电压：负棒正板﹥棒棒间隙﹥正棒负板第二十七页27第二十八页，共31页。二、工频击穿电压三种间隙的击穿电压（图1-30）负棒正板﹥棒棒间隙﹥正棒负板在棒-板间隙中，击穿总是在棒为正的半周期内、电压达到幅值时发生，稍低于直流电压下的击穿电压，由于前半周期留下的空间电荷加强了棒极前方的电场。棒-棒间隙的击穿电压较棒-板间隙高，因为棒棒间隙