氣體電介質(zhì)的擊穿特性

1、氣體電介質(zhì)的擊穿特性第1頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四不均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿過(guò)程持續(xù)電壓作用下的擊穿電壓雷電沖擊電壓下空氣的擊穿電壓引入新課操作沖擊電壓下空氣的擊穿電壓提高氣體間隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)的方法 沿面放電 2022/9/212第2頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四電暈放電極性效應(yīng)先導(dǎo) 主放電雷擊沖擊電壓的波形伏秒特性流注的形成和發(fā)展沿面放電知識(shí)點(diǎn)2022/9/213第3頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四電暈放電1電暈的產(chǎn)生極不均勻電場(chǎng)中，間隙中的最大場(chǎng)強(qiáng)比平均場(chǎng)強(qiáng)大得多。外加電壓比較低的時(shí)候，曲率大（曲率半徑較小）的電極附近

2、電場(chǎng)強(qiáng)度已足夠大可引起強(qiáng)烈的游離，在這局部的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)形成放電。這種僅僅發(fā)生在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的局部放電稱為電暈放電。 電暈放電是極不均勻電場(chǎng)特有的自持放電形式。電暈放電的現(xiàn)象薄薄的發(fā)光層；伴有“咝咝”放電聲；發(fā)出臭氧氣味。第4頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四起始電壓起始場(chǎng)強(qiáng)開(kāi)始出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓開(kāi)始出現(xiàn)電暈時(shí)電極表面的場(chǎng)強(qiáng)2022/9/215第5頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四 輸電線路的電暈起始場(chǎng)強(qiáng)與導(dǎo)線半徑及空氣密度有關(guān)，一般用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)推算，應(yīng)用最廣的是皮克公式：m：導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)與氣象系數(shù)的乘積;:空氣相對(duì)密度；r: 導(dǎo)線半徑（cm）2022/9/2

3、16第6頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四3、電暈放電的效應(yīng)（1）電暈電流具有高頻脈沖性質(zhì)，對(duì)無(wú)線電通訊產(chǎn)生干擾。（2）電暈使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生O3、NO、NO2。（3）產(chǎn)生能量損耗。電暈損耗是超高壓輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素，壞天氣時(shí)電暈損耗要比好天氣時(shí)大得多。 對(duì)于500750kV的超高壓輸電線路，在天氣好時(shí)電暈損耗一般不超 過(guò)幾個(gè)W/km，而在壞天氣時(shí)，可以達(dá)到100 W/km以上。 因此在設(shè)計(jì)超高壓線路時(shí)，需要根據(jù)不同天氣條件下電暈損耗的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和線路參數(shù)，以及沿線路各種氣象條件的出現(xiàn)概率等對(duì)線路的電暈損耗進(jìn)行估算降低電暈的方法：從根本上設(shè)法限制和降低導(dǎo)線的

4、表面電場(chǎng)強(qiáng)度。2022/9/217第7頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四在極不均勻電場(chǎng)中，放電一定從曲率半徑較小的那個(gè)電極表面開(kāi)始，與該電極極性無(wú)關(guān)。對(duì)于電極形狀不對(duì)稱的不均勻電場(chǎng)氣隙，如棒板間隙，棒電極的極性不同時(shí)，間隙的起暈電壓和擊穿電壓的大小也不同。這種現(xiàn)象稱為極性效應(yīng)。原因：棒電極的極性不同時(shí)，間隙中的空間電荷對(duì)外電場(chǎng)的畸變作用不同。2022/9/218第8頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四正棒負(fù)板間隙當(dāng)電子崩發(fā)展到棒極時(shí)，電子進(jìn)入棒極中和。正離子留在棒極附近以較慢速度向板極運(yùn)動(dòng)，正空間電荷使緊貼棒極附近的電場(chǎng)減弱，不易形成流注，放電難以自持

5、，故起暈電壓高。而正空間電荷加強(qiáng)了朝向板極的電場(chǎng)，有利于流注向板發(fā)展，故擊穿電壓較低。2022/9/219第9頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四負(fù)棒正板陰極表面游離產(chǎn)生的電子通過(guò)強(qiáng)場(chǎng)區(qū)形成電子崩，電子向板極運(yùn)動(dòng)進(jìn)入弱場(chǎng)區(qū)后不再引起游離，并大多形成負(fù)離子。因其濃度小，對(duì)電場(chǎng)影響小。正空間電荷加強(qiáng)了棒極附近的電場(chǎng)，易形成自持放電，故起暈電壓低。朝向板極方向的電場(chǎng)被減弱，流注不易發(fā)展，故擊穿電壓較高。2022/9/2110第10頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四短間隙不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程指間隙距離不超過(guò)1m的間隙，以棒板間隙為例。由于正流注所形成的空間電

6、荷總是加強(qiáng)流注通道頭部前方的電場(chǎng)，所以正流注的發(fā)展是連續(xù)的，速度很快。棒極為負(fù)時(shí)流注的發(fā)展實(shí)際上是階段式的，其平均速度比正棒極流注小得多，擊穿同一間隙所需的外電壓要高得多。2022/9/2111第11頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四2022/9/2112第12頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四長(zhǎng)間隙不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程（d1m時(shí)）1.先導(dǎo)放電階段 具有熱游離過(guò)程的通道稱為先導(dǎo)通道。2.主放電階段 溫度更高、電導(dǎo)更大，軸向電場(chǎng)更小的等離子體火花通道。此時(shí)，間隙接近于短路狀態(tài)，氣隙完全喪失了絕緣性能。2022/9/2113第13頁(yè)，共36頁(yè)，2022

7、年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四結(jié)論：a、長(zhǎng)間隙的放電通常分為電子崩、流注、先導(dǎo)放電和主放電四個(gè)階段。b、短間隙的放電沒(méi)有先導(dǎo)放電階段，只分為電子崩、流注和主放電三個(gè)階段。c、長(zhǎng)間隙放電時(shí)，熾熱的導(dǎo)電通道是在放電發(fā)展的過(guò)程中建立的，而不是在整個(gè)間隙被流注通道貫穿后建立的，先導(dǎo)過(guò)程與主放電過(guò)程就發(fā)展得越充分，所以長(zhǎng)間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于短間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)。2022/9/2114第14頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四持續(xù)電壓作用下空氣的擊穿電壓 空氣間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)主要取決于外加電壓的種類、電場(chǎng)的均勻程度及氣體的狀態(tài)。電力工程中的空氣間隙一般會(huì)受到三種電壓的作用： 持續(xù)

8、電壓、雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓 持續(xù)電壓作用下間隙的擊穿電壓與放電發(fā)展的時(shí)間無(wú)關(guān)，在電場(chǎng)形式、氣體的狀態(tài)等其他條件不變的情況下，只取決于間隙的距離2022/9/2115第15頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四特點(diǎn)：電壓變化的速度和間隙中放電發(fā)展的速度相比極小，故放電發(fā)展所需的時(shí)間可以忽略不計(jì)，只要作用于間隙的電壓達(dá)到擊穿電壓，間隙就會(huì)發(fā)生擊穿。直流電壓：直流中所含脈動(dòng)分類的脈動(dòng)系數(shù)（脈動(dòng)幅值與直流電壓的平均值之比）不大于3%。直流電壓的大型指直流電壓的平均值。持續(xù)電壓指直流電壓或工頻交流電壓交流電壓：波形接近正弦波，正、負(fù)兩半波相同，峰值與有效值之比為 ，偏差不超過(guò) 。

9、2022/9/2116第16頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四一、均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓因電場(chǎng)對(duì)稱，所以擊穿電壓無(wú)極性效應(yīng)。因擊穿前間隙各處場(chǎng)強(qiáng)相等，擊穿前無(wú)電暈發(fā)生，起始放電電壓等于擊穿電壓。不論何種電壓（直流、交流、正負(fù)50%沖擊電壓）作用，其擊穿電壓（峰值）都相同，且分散性很小。在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下（d為1cm左右時(shí))，均勻電場(chǎng)中空氣的電氣強(qiáng)度約為30kV/cm（峰值）。2022/9/2117第17頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四二、稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓 稍不均勻電場(chǎng)中各處的場(chǎng)強(qiáng)差異不大，間隙中任何一處若出現(xiàn)自持放電，必將立即導(dǎo)致整個(gè)間隙的擊穿

10、。所以對(duì)于稍不均勻電場(chǎng)，任何一處自持放電的條件，就是整個(gè)間隙擊穿的條件。電場(chǎng)不對(duì)稱時(shí)，擊穿電壓有弱極性效應(yīng)。擊穿前有電暈發(fā)生，但不穩(wěn)定，一旦出現(xiàn)電暈，立即導(dǎo)致整個(gè)間隙擊穿。間隙距離一般不很大，放電發(fā)展所需時(shí)間短。直流擊穿電壓、交流擊穿電壓、正負(fù)50%沖擊擊穿電壓幾乎一致，且分散性不大。不均勻系數(shù)：間隙中的最大場(chǎng)強(qiáng)與平均場(chǎng)強(qiáng)之比，稍不均勻電場(chǎng) 棒棒 正棒負(fù)板（2）工頻電壓下（有極性效應(yīng)）圖2-14 (d2cm,擊穿電壓具有“飽和現(xiàn)象,導(dǎo)致間隙距離增大的同時(shí)其平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)卻隨之降低，這對(duì)輸電電壓等級(jí)的提高不利，棒板： d1m， 5 kV/cm dlm，2 kV/cm2022/9/2122第22頁(yè)，

11、共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四均勻電場(chǎng)的擊穿特點(diǎn) 擊穿前無(wú)電暈、無(wú)極性效應(yīng)、各種電壓作用時(shí)其擊穿電壓（峰值）都相同。稍不均勻電場(chǎng)的擊穿特點(diǎn) 擊穿前無(wú)穩(wěn)定電暈、極性效應(yīng)不明顯、各種電壓作用時(shí)其擊穿電壓（峰值）幾乎一致。極不均勻電場(chǎng)的擊穿特點(diǎn) 擊穿前有穩(wěn)定電暈、有明顯的極性效應(yīng)、外加電壓波形對(duì)擊穿電壓影響很大。第23頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四陰極表面游離系數(shù)：表示一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)使陰極平均逸出的自由電子數(shù)。到達(dá)陰極的正離子數(shù)從陰極電離出的電子數(shù)物理意義：一個(gè)從陰極出發(fā)的起始電子發(fā)展電子崩并到達(dá)陽(yáng)極后，崩中的 個(gè)正離子移向陰極和陰極碰撞時(shí)，

12、只要至少能從陰極撞擊出一個(gè)自由電子來(lái)，放電即可轉(zhuǎn)入自持。2022/9/2124第24頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四放電由非自持轉(zhuǎn)入自持的條件為 2022/9/2125第25頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四巴申定律：（適用于d0.26cm時(shí)的放電過(guò)程)在高氣壓長(zhǎng)間隙條件下的氣體放電理論 特點(diǎn)：認(rèn)為電子碰撞電離及空間光電離是維持自持放電的主要因素，并強(qiáng)調(diào)了空間電荷畸變電場(chǎng)的作用 電子崩階段 空間電荷畸變外電場(chǎng) 流注階段 光電離形成二次電子崩2022/9/2128第28頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四（1） 電子崩階段（a）初

13、始電子崩陽(yáng)極側(cè)電子崩數(shù)目多正空間電荷加強(qiáng)了原電場(chǎng)，同時(shí)向周圍放射出大量光子 2022/9/2129第29頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四（b）二次電子崩光子使附近的氣體因光電離而產(chǎn)生二次電子它們?cè)谟烧臻g電荷所引起的畸變和加強(qiáng)了的局部電場(chǎng)作用下，又形成新的電子崩，即二次電子崩 2022/9/2130第30頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四（2）流注的形成和發(fā)展二次電子崩中的電子初始電子崩的正空間電荷混合通道（流注）。流注通道和二次崩留下的正電荷，大大加強(qiáng)了流注發(fā)展方向的電場(chǎng)，產(chǎn)生新電子崩，從而使流注向前發(fā)展 2022/9/2131第31頁(yè)，共36頁(yè)

14、，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四（3）間隙的擊穿流注不斷向陰極報(bào)進(jìn)，頭部電場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)，因而其發(fā)展也越快流注發(fā)展到陰極，間隙被導(dǎo)電良好的等離子通道所貫通間隙擊穿 2022/9/2132第32頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四在電離室中得到的初始電子崩照片圖a和圖b的時(shí)間間隔為110-7 秒 p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/厘米 初始電子崩轉(zhuǎn)變?yōu)榱髯⑺查g照片p273毫米汞柱E=12千伏/厘米電子崩在空氣中的發(fā)展速度約為1.25107cm/s2022/9/2133第33頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四在電離室中得到的陽(yáng)極流注發(fā)展過(guò)段的照

15、片正流注的發(fā)展速度約為11082108cm/s2022/9/2134第34頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四自持放電條件形成流注空間光電離維持放電（自持放電）如果電場(chǎng)均勻，間隙就將被擊穿。所以流注形成的條件就是自持放電條件，在均勻電場(chǎng)中也就是導(dǎo)致?lián)舸┑臈l件。流注形成的條件：足夠的空間光游離較多的初始電子崩（電子崩積累到一定的數(shù)量）2022/9/2135第35頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四（二）流注理論對(duì)高氣壓、長(zhǎng)間隙（pd很大）放電現(xiàn)象的解釋 1放電外形 具有通道形式 流注前方隨著其向前發(fā)展而更為增強(qiáng)多流注之間互相抑制發(fā)展二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統(tǒng)計(jì)性，所以火花通道常是曲折的，并帶有分枝。電子崩則不然，由于其中電荷密