高電壓課件-第4講-氣體電介質(zhì)的絕緣特性(三)

第3講回顧流注理論不均勻電場(chǎng)的放電特點(diǎn)——電暈極不均勻場(chǎng)中的放電過(guò)程第一頁(yè)1第二頁(yè)，共31頁(yè)。１——主放電通道２——主放電和先導(dǎo)通道的交界區(qū)３——先導(dǎo)通道第二頁(yè)2第三頁(yè)，共31頁(yè)。先導(dǎo)的發(fā)展正棒—負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展（ａ）先導(dǎo)和其頭部的流注ｋｍ；（ｂ）流注頭部電子崩的形成；（ｃ）ｋｍ由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注頭部電子崩的形成；（ｅ）沿著先導(dǎo)和空氣間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的分布第三頁(yè)3第四頁(yè)，共31頁(yè)。1.3.4極不均勻場(chǎng)中的極性效應(yīng)正棒－負(fù)板第四頁(yè)4第五頁(yè)，共31頁(yè)。正棒－負(fù)板電子運(yùn)動(dòng)速度快，迅速進(jìn)入棒極；棒極附近積聚起正空間電荷，削弱了棒極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度而加強(qiáng)了正離子群外部空間的電場(chǎng)結(jié)果：（1）使電暈起始電壓提高。（2）外部空間電場(chǎng)加強(qiáng)，有利于流注的發(fā)展，因此擊穿電壓較低。第五頁(yè)5第六頁(yè)，共31頁(yè)。負(fù)棒—正板第六頁(yè)6第七頁(yè)，共31頁(yè)。負(fù)棒—正板電子崩中的電子離開(kāi)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)后，不再能引起電離，向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的速度也越來(lái)越慢。電子崩中的正離子加強(qiáng)了棒極附近的場(chǎng)強(qiáng)，使棒極附近容易形成流注。結(jié)論：（1）電暈起始電壓比正極性時(shí)要低。（2）正空間電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)與原電場(chǎng)方向相反，削弱了外部空間的電場(chǎng)，阻礙了流注的發(fā)展，因此擊穿電壓較高。第七頁(yè)7第八頁(yè)，共31頁(yè)。上次課回顧（1）曲率半徑：曲率半徑小的電極附近電荷密度高，易于使氣體分子的電子脫離原子核，形成電離。電極曲率半徑越大，越不易發(fā)生電暈放電，但有利于電暈放電的擴(kuò)大，電暈放電發(fā)展得越強(qiáng)烈，空間電荷對(duì)電場(chǎng)均勻的作用越大電極間距

：鄰兩相電極表面間的最短距離。電極間距離d和電極曲率半徑D之比越大，電場(chǎng)越不均勻。（如何理解？）結(jié)合圖1-8球球間隙【曲率半徑D不變，間距d增大】當(dāng)間距d很大時(shí)，電極形狀對(duì)擊穿電壓影響較小，不同球徑的電極擊穿電壓的差別不大，且都接近于尖板電極。不對(duì)稱(chēng)電極有極性效應(yīng)：正極性和負(fù)極性放電特性不同（為什么？）均勻電場(chǎng)不易發(fā)生電離，但流注一旦形成，流注隨即貫穿整個(gè)間隙，導(dǎo)致間隙擊穿。（比較均勻電場(chǎng)中的電暈電壓≈擊穿電壓）不均勻電場(chǎng)易發(fā)生電離，但流注形成后，需進(jìn)一步增加電壓才可能導(dǎo)致間隙擊穿。（不均勻電場(chǎng)中的電暈電壓﹤擊穿電壓）第八頁(yè)8第九頁(yè)，共31頁(yè)。上次課回顧（2）先導(dǎo)：長(zhǎng)間隙放電時(shí)，流注發(fā)展到足夠長(zhǎng)度后，將有較多的電子沿通道流向電極，流過(guò)通道根部的電子最多，流注根部溫度最高，出現(xiàn)熱電離過(guò)程。這個(gè)具有熱電離過(guò)程的通道稱(chēng)為先導(dǎo)。主放電階段：先導(dǎo)頭部的流注發(fā)展到板極時(shí)，立即又有一個(gè)放電過(guò)程從板極向棒極反向發(fā)展（迎接流注），稱(chēng)為主放電階段。棒板間隙：棒極出發(fā)的先導(dǎo)和板極出現(xiàn)的流注之一相遇時(shí)，立即轉(zhuǎn)入放電階段。棒棒間隙：兩棒極都可發(fā)展先導(dǎo)，正負(fù)先導(dǎo)相遇后，立即轉(zhuǎn)入主放電。極不均勻電場(chǎng)：長(zhǎng)間隙有：非自持放電、流注發(fā)展、先導(dǎo)放電和主放電四個(gè)階段。短間隙沒(méi)有先導(dǎo)放電階段（為什么？）幫助理解（棒板間隙的極性效應(yīng)）的一些概念和特性正極發(fā)展的先導(dǎo)—正先導(dǎo)正極發(fā)展正流注負(fù)極發(fā)展的先導(dǎo)—負(fù)先導(dǎo) 負(fù)極發(fā)展負(fù)流注負(fù)先導(dǎo)開(kāi)始早，發(fā)展快?！景舭糸g隙】負(fù)流注易形成，不易發(fā)展。（正流注不易形成，易發(fā)展）【棒板間隙】第九頁(yè)9第十頁(yè)，共31頁(yè)。預(yù)備知識(shí)直流電壓、工頻電壓、雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓幅值高的電壓，作用一會(huì)就能擊穿。幅值低的電壓，需要長(zhǎng)時(shí)間作用才能擊穿。一定時(shí)間的作用足夠幅值的電壓足夠幅值的電壓擊穿條件第十頁(yè)10第十一頁(yè)，共31頁(yè)。1.4雷電沖擊電壓作用下氣體的擊穿一、雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形(一種)非周期性指數(shù)衰減波視在波頭時(shí)間T1，視在波尾時(shí)間T2）T1＝1.2

s（

30%）

T2＝50

s（

20%）

第十一頁(yè)11第十二頁(yè)，共31頁(yè)。二、放電時(shí)延經(jīng)t1電壓升高到靜態(tài)擊穿電壓，再經(jīng)時(shí)間tlag，間隙才擊穿。統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts——從t1時(shí)刻到出現(xiàn)第一個(gè)有效電子所需時(shí)間。放電形成時(shí)延tf——從第一個(gè)有效電子出現(xiàn)直至間隙擊穿所需時(shí)間。放電時(shí)延

tlag＝ts＋

tf沖擊放電所需全部時(shí)間tb=t1+ts+tf短間隙，電場(chǎng)較均勻，ts＞＞tf，放電時(shí)延取決于ts長(zhǎng)間隙，電場(chǎng)不均勻，ts短，

tf長(zhǎng)

，放電時(shí)延取決于tf第十二頁(yè)12第十三頁(yè)，共31頁(yè)。三、雷電50%沖擊擊穿電壓（U50%）

沖擊電壓作用下，保持波形不變。隨沖擊電壓幅值的提高，間隙的擊穿概率越來(lái)越大；當(dāng)電壓超過(guò)某一值后，間隙100%擊穿。原因：隨外加電壓升高，放電時(shí)延縮短；由于放電時(shí)延的分散性，ts短的間隙易發(fā)生擊穿，ts長(zhǎng)的間隙不易發(fā)生擊穿。放電時(shí)延具有統(tǒng)計(jì)特性U50%——在多次施加電壓時(shí)，其中正好半數(shù)能導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷?，即擊穿概率?0%的電壓值，反映間隙的耐受沖擊電壓的特性第十三頁(yè)13第十四頁(yè)，共31頁(yè)。50%沖擊擊穿電壓（U50%）

均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)下的擊穿電壓——擊穿電壓分散性小，其雷電沖擊50％擊穿電壓U50%≈靜態(tài)擊穿電壓Us（即持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓），即沖擊系數(shù)＝

1。 50%沖擊擊穿電壓（U50%）沖擊系數(shù)＝ 靜態(tài)擊穿電壓（Us）

極不均勻電場(chǎng)下的擊穿電壓——由于放電時(shí)延較長(zhǎng)，通常雷電沖擊50％擊穿電壓U50%

﹥靜態(tài)擊穿電壓，即沖擊系數(shù)大于l，擊穿電壓的分散性大一些。第十四頁(yè)14第十五頁(yè)，共31頁(yè)。四.伏秒特性

雷電沖擊電壓持續(xù)時(shí)間短，間隙的擊穿電壓存在放電時(shí)延現(xiàn)象。用50%沖擊擊穿電壓表征間隙擊穿特性不夠，需用擊穿電壓值與放電時(shí)間的關(guān)系曲線確定間隙的擊穿特性，即伏秒特性。伏秒特性的繪制——實(shí)驗(yàn)方法

保持間隙距離不變、保持沖擊電壓波形不變(電壓幅值可變)，逐級(jí)升高電壓使氣隙發(fā)生擊穿，讀取擊穿電壓值U與擊穿時(shí)間t。第十五頁(yè)15第十六頁(yè)，共31頁(yè)。伏秒特性曲線的形狀與電場(chǎng)分布有關(guān)均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)中，擊穿時(shí)平均場(chǎng)強(qiáng)較高，放電發(fā)展較快，放電時(shí)延較短，伏秒特性曲線平坦。極不均勻電場(chǎng)中，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)較低，放電時(shí)延較長(zhǎng)，放電分散性大，伏秒特性曲線較為陡峭。

擊穿電壓----間隙上可出現(xiàn)的電壓最大值第十六頁(yè)16第十七頁(yè)，共31頁(yè)。伏秒特性的分散性放電時(shí)間具有分散性，每級(jí)電壓下測(cè)得不同的放電時(shí)間----伏秒特性是以上、下包絡(luò)線為界的一個(gè)帶狀區(qū)域通常用平均伏秒特性或50%伏秒特性表征間隙的擊穿特性第十七頁(yè)17第十八頁(yè)，共31頁(yè)。伏秒特性的用途Ｓ２對(duì)Ｓ1起保護(hù)作用在高幅值沖擊電壓作用下，Ｓ２起不到保護(hù)作用伏秒特性的配合：左圖被保護(hù)設(shè)備絕緣的伏秒特性S1與保護(hù)間隙的伏秒特性S2，兩間隙并聯(lián)可達(dá)到完全保護(hù)?！窘^緣配合】右圖不能完全配合：電壓較低時(shí)，S2可以保護(hù)S1；電壓較高時(shí)，則不行第十八頁(yè)18第十九頁(yè)，共31頁(yè)。1.5操作沖擊電壓作用下氣體的擊穿一、操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形(兩種)非周期性指數(shù)衰減波（自然波頭時(shí)間/自然波尾時(shí)間）推薦操作沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形為250／2500s（T1/T2）衰減振蕩電壓波第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間在2000～3000s之間，反極性的第二個(gè)半波的幅值達(dá)到第一個(gè)半波幅值80％

第十九頁(yè)19第二十頁(yè)，共31頁(yè)。二、操作沖擊50%擊穿電壓均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)中，間隙的操作沖擊50%擊穿電壓、雷電沖擊50%擊穿電壓和工頻擊穿電壓（峰值）幾乎相同，擊穿幾乎發(fā)生在峰值，擊穿電壓的分散性較小。極不均勻電場(chǎng)中，操作沖擊電壓下的擊穿通常發(fā)生在波頭部分，擊穿電壓與波頭時(shí)間有關(guān)而與波尾時(shí)間無(wú)關(guān)。第二十頁(yè)20第二十一頁(yè)，共31頁(yè)。極不均勻電場(chǎng)中操作50%擊穿電壓原因：放電時(shí)延和空間電荷(形成及遷移)兩個(gè)因素U曲線極小值左邊，擊穿電壓隨波前縮短（放電時(shí)間縮短）而增大----放電時(shí)延因素的作用減少。U曲線極小值右邊，擊穿電壓隨波前增大而上升----電壓作用時(shí)間增加后，空間電荷遷移范圍擴(kuò)大，改善了間隙的電場(chǎng)分布。（1）擊穿電壓與波頭時(shí)間呈現(xiàn)U形曲線

第二十一頁(yè)21第二十二頁(yè)，共31頁(yè)。（續(xù)）（2）極性效應(yīng)正極性下50％擊穿電壓比負(fù)極性下低，所以也更危險(xiǎn)（3）分散性大由于空間電荷的形成、擴(kuò)散和放電時(shí)延具有很大的統(tǒng)計(jì)性，操作沖擊電壓下間隙的擊穿電壓和放電時(shí)間的分散性比雷電沖擊電壓下大得多。（4）“飽和”現(xiàn)象（右圖） 極不均勻電場(chǎng)中 操作沖擊50％擊穿電壓和間隙距離的關(guān)系具有明顯的“飽和”特征（形成先導(dǎo)后，放電易于發(fā)展） 雷電沖擊50％擊穿電壓和距離大致呈線性關(guān)系（5）“鄰近效應(yīng)”（課本P26）電場(chǎng)分布情況對(duì)操作沖擊50%擊穿電壓影響很大，有顯著的“鄰近效應(yīng)”。第二十二頁(yè)22第二十三頁(yè)，共31頁(yè)。氣體擊穿電壓的影響因素1、氣體種類(lèi)（強(qiáng)介電強(qiáng)度氣體）4、氣體狀態(tài)（溫度、氣壓、濕度等）3、電場(chǎng)形式 按電場(chǎng)均勻程度分：均勻場(chǎng)/稍不均勻場(chǎng)/極不均勻場(chǎng)

2、電壓種類(lèi)（直流、交流、雷電沖擊、操作沖擊等）持續(xù)作用電壓：直流和交流電壓沖擊電壓（持續(xù)作用時(shí)間段）：操作沖擊和雷電沖擊。一定時(shí)間的作用足夠幅值的電壓足夠幅值的電壓擊穿條件第二十三頁(yè)23第二十四頁(yè)，共31頁(yè)。1.6電場(chǎng)形式、電壓波形與擊穿電壓的關(guān)系間隙距離相同時(shí)，電場(chǎng)越均勻，擊穿電壓越高均勻電場(chǎng)直流擊穿電壓=工頻擊穿電壓峰值=50%沖擊擊穿電壓擊穿電壓分散性小空氣的擊穿電壓經(jīng)驗(yàn)公式稍不均勻電場(chǎng)直流擊穿電壓≈工頻擊穿電壓峰值≈50%沖擊擊穿電壓擊穿電壓分散性不大對(duì)于不對(duì)稱(chēng)電極有極性效應(yīng)，但不明顯d-間隙距離(cm)-空氣相對(duì)密度第二十四頁(yè)24第二十五頁(yè)，共31頁(yè)。1.6.2稍不均勻電場(chǎng)極性效應(yīng)：以球球間隙為例不接地時(shí)，無(wú)極性效應(yīng)，但通常會(huì)接地，此時(shí)有極性效應(yīng)d<D/4，大地對(duì)球隙中電場(chǎng)分布影響小，且電場(chǎng)相當(dāng)均勻；d>D/4，大地對(duì)球隙中電場(chǎng)分布影響加大，且平均擊穿電壓減小，擊穿電壓分散性增加第二十五頁(yè)25第二十六頁(yè)，共31頁(yè)。稍不均勻電場(chǎng)（續(xù)）負(fù)極性下電暈起始電壓比正極性略低稍不均勻電場(chǎng)中，不能形成穩(wěn)定的電暈放電，電暈起始電壓就是其擊穿電壓。所以負(fù)極下?lián)舸╇妷郝缘陀谡龢O性下的數(shù)值第二十六頁(yè)26第二十七頁(yè)，共31頁(yè)。極不均勻電場(chǎng)波形影響大，分散性大，極性效應(yīng)明顯一、直流擊穿電壓三種間隙的擊穿電壓：負(fù)棒正板﹥棒棒間隙﹥正棒負(fù)板第二十七頁(yè)27第二十八頁(yè)，共31頁(yè)。二、工頻擊穿電壓三種間隙的擊穿電壓（圖1-30）負(fù)棒正板﹥棒棒間隙﹥正棒負(fù)板在棒-板間隙中，擊穿總是在棒為正的半周期內(nèi)、電壓達(dá)到幅值時(shí)發(fā)生，稍低于直流電壓下的擊穿電壓，由于前半周期留下的空間電荷加強(qiáng)了棒極前方的電場(chǎng)。棒-棒間隙的擊穿電壓較棒-板間隙高，因?yàn)榘舭糸g隙