氣體電介質(zhì)的擊穿特性

氣體電介質(zhì)的擊穿特性

本章主要介紹的內(nèi)容氣體放電的發(fā)展過(guò)程

氣隙擊穿電壓的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和影響因素氣體中的沿面放電。1、概念：在一定的電壓作用下，氣體由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)，就稱為氣體間隙發(fā)生擊穿現(xiàn)象，也稱為氣體放電。2、擊穿原因：（1）氣體的電導(dǎo)——即氣體中因游離而產(chǎn)生帶電質(zhì)子帶電質(zhì)點(diǎn)沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，造成電導(dǎo)電流。（2）外加電場(chǎng)電壓當(dāng)提高氣體間隙上的電壓而達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，通過(guò)氣體的電流會(huì)突然劇增，從而使氣體失去絕緣的性能。3、氣體間隙擊穿特點(diǎn)（1）氣體發(fā)生擊穿時(shí)，電導(dǎo)電流突增。（2）擊穿時(shí)伴隨有發(fā)光及發(fā)聲等現(xiàn)象。（3）氣體電介質(zhì)擊穿后，隨著外加電壓的消失，它能自動(dòng)恢復(fù)絕緣性能，故又稱為自恢復(fù)絕緣介質(zhì)。氣體擊穿（放電）原子的激發(fā)原子從外界吸收能量后，其電子從正常軌道躍遷到離原子核較遠(yuǎn)、半徑較大的軌道上，這個(gè)過(guò)程稱為原子的激發(fā)，也稱為激勵(lì)。原子的游離如果原子從外界獲得的能量足夠大，以致使原子的一個(gè)或幾個(gè)電子擺脫原子核的束縛而形成自由電子和正離子，則稱這一過(guò)程為原子的游離。所謂正離子就是原子失去一個(gè)或幾個(gè)電子而形成的帶正電的質(zhì)點(diǎn)。游離過(guò)程所需的能量稱為游離能。原子失去的電子數(shù)越多，所需的游離能也就越大。氣體電介質(zhì)的擊穿特性（1）使氣體發(fā)生擊穿的最低臨界電壓稱為氣體的擊穿電壓,氣體的擊穿電壓又叫氣體的放電電壓.（2）均勻電場(chǎng)中擊穿電壓與間隙距離之比稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)。（3）不均勻電場(chǎng)中擊穿電壓與間隙距離之比稱為平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)。沿面閃絡(luò)：擊穿過(guò)程發(fā)生在氣體與液體或固體的交界面稱為沿面閃絡(luò)。閃絡(luò)最低臨界電壓稱為閃絡(luò)電壓。氣體的擊穿和沿面閃絡(luò)統(tǒng)稱為氣體的放電。表征氣體擊穿的基本參數(shù)根據(jù)氣體的壓力、電源功率、電極形狀等因素不同，擊穿氣體放電有以下幾種形式輝光放電（1）放電條件：當(dāng)電場(chǎng)均勻，氣壓較低，電源功率較小，外施電壓增加到一定值后。（2）現(xiàn)象：通過(guò)氣體的電流明顯增加，氣體間隙兩極間整個(gè)空間忽然出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象，這種放電形式稱為輝光放電。輝光放電的電流密度較小，放電區(qū)域通常占據(jù)整個(gè)電極間的空間。（3）例：霓虹管中的放電就是輝光放電的例子電弧放電（1）條件：當(dāng)氣體間隙兩極的電源功率足夠大時(shí)（2）現(xiàn)象：氣體發(fā)生火花放電之后，便立即發(fā)展至對(duì)面電極，出現(xiàn)非常明亮的連續(xù)弧光。形成電弧放電。發(fā)生電弧放電時(shí)，電弧的溫度極高。氣體（擊穿）放電的主要形式火花放電——特點(diǎn)（1）條件：電場(chǎng)均勻，大氣條件下，電源功率較小時(shí)，電壓升高到一定值時(shí)。（2）現(xiàn)象：氣體突然發(fā)生明亮的火花，火花向?qū)γ骐姌O伸展出細(xì)光束.這種火花會(huì)瞬時(shí)熄滅,接著又突然發(fā)生.

電暈放電（1）條件：當(dāng)電極的曲率半徑很小時(shí)，電場(chǎng)很不均勻，大氣條件下，當(dāng)外施電壓的升高到一定數(shù)值時(shí)。（2）現(xiàn)象：在電極尖端附近會(huì)出現(xiàn)暗藍(lán)色的放電微光，并發(fā)出聲音。如不繼續(xù)提高電壓，放電就局限在較小的范圍內(nèi)，成為局部放電。發(fā)生電暈放電時(shí)，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小，間隙仍能耐受電壓的作用。（3）各種高壓裝置的電極尖端.常常發(fā)生這種電暈放電。氣體電介質(zhì)的擊穿特性一、原子的激發(fā)和游離1、原子的結(jié)構(gòu)原子是由帶正電的原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的電子組成。電子在原子核外是分層排布的，各層具有不同的軌道半徑。電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑不同，其能量也不同。2、原子的能量（1）動(dòng)能：原子的動(dòng)能取決于原子的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度。（2）位能：原子的位能則取決于其中電子的能量。當(dāng)電子從其正常軌道上躍遷到能量更高的軌道上時(shí)，原子的位能也相應(yīng)增加。（3）能級(jí)：根據(jù)原子中電子的能量狀態(tài)，原子具有一系列可取的確定的位能，稱為原子的能級(jí)。原子的正常狀態(tài)相當(dāng)于最低的能級(jí)。

氣隙中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失

3、原子的激發(fā)原子從外界吸收能量后，其電子從正常軌道躍遷到離原子核較遠(yuǎn)、半徑較大的軌道上，這個(gè)過(guò)程稱為原子的激發(fā)，也稱為激勵(lì)。4、原子的游離如果原子從外界獲得的能量足夠大，以致使原子的一個(gè)或幾個(gè)電子擺脫原子核的束縛而形成自由電子和正離子，則稱這一過(guò)程為原子的游離。所謂正離子就是原子失去一個(gè)或幾個(gè)電子而形成的帶正電的質(zhì)點(diǎn)。游離過(guò)程所需的能量稱為游離能。原子失去的電子數(shù)越多，所需的游離能也就越大。第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性（1）碰撞游離在電場(chǎng)作用下，氣體中的帶電質(zhì)點(diǎn)(電子或離子)被電場(chǎng)加速而獲得動(dòng)能。它們的動(dòng)能積累到超過(guò)氣體分子的游離能后，在和氣體分子發(fā)生碰撞時(shí)使氣體分子游離。這種由碰撞引起的游離稱為碰撞游離。關(guān)于自由行程a．概念:任一帶電質(zhì)點(diǎn)每?jī)纱闻鲎仓g自由地走過(guò)的距離稱為自由行程。b．影響因素：和氣體的密度成反比。c．電子和離子的自由行程比較：故電子的平均自由行程比離子的大得多。正因?yàn)殡娮拥钠骄杂尚谐檀?，在電?chǎng)作用下加速運(yùn)動(dòng)時(shí)能積聚到足夠的動(dòng)能。d．碰撞游離主要由電子和氣體分子碰撞所引起，離子和氣體分子碰撞使其游離的概率很小。氣體分子本身的游離空間游離氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生（2）光游離a.概念：光輻射引起的氣體分子的碰撞游離過(guò)程稱為光游離。b.光子的能量：其能量與光子的頻率成正比，波長(zhǎng)成反比。可見(jiàn)光因波長(zhǎng)較長(zhǎng)，通常不能直接使氣體分子發(fā)生游離。c.光游離過(guò)程：由光游離產(chǎn)生的自由電子稱為光電子，光電子在電場(chǎng)作用下又會(huì)產(chǎn)生碰撞游離。d.光子的來(lái)源：氣體中的光子可來(lái)源于外界，也可由氣體放電過(guò)程本身產(chǎn)生。(3)熱游離a.概念：由氣體的熱狀態(tài)引起的碰撞游離過(guò)程稱為熱游離。b.實(shí)質(zhì)：熱游離是熱狀態(tài)下碰撞游離和光游離的綜合。第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性(1)正離子撞擊陰極表面正離子在電場(chǎng)作用下向陰極運(yùn)動(dòng)，撞擊陰極時(shí)將動(dòng)能傳遞給陰極中的電子可使其從金屬中逸出。在逸出的電子中，一部分可能和撞擊陰極的正離子結(jié)合成為分子，其余的則成為自由電子。只要正離子能從陰極撞擊出至少一個(gè)自由電子，就可認(rèn)為發(fā)生了陰極表面游離。(2)短波光照射陰極表面在光的照射下可釋放出電子。由于光照射到陰極表面時(shí)，一部分被反射，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俚臒崮?，只有一小部分用以使電子逸出，故只有波長(zhǎng)較短的光照射陰極時(shí)，陰極表面才能發(fā)生游離。(3)強(qiáng)場(chǎng)放（發(fā)）射在陰極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度很大(達(dá)103KV/cm數(shù)量級(jí))時(shí)，陰極會(huì)放射出電子，這一現(xiàn)象稱為強(qiáng)場(chǎng)放射。(4)熱電子放射陰極的溫度很高時(shí)，其中的電子可獲得很大的動(dòng)能而逸出金屬，這一現(xiàn)象稱為熱電子放射。氣體中金屬表面的游離1、與兩電極的電量中和。2、擴(kuò)散帶電質(zhì)點(diǎn)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)。3、復(fù)合（1）概念：帶有異號(hào)電荷的質(zhì)點(diǎn)相遇時(shí)發(fā)生電荷的傳遞而還原為中性質(zhì)點(diǎn)的過(guò)程稱為復(fù)合。（2）特點(diǎn)：能量差復(fù)合過(guò)程中以光輻射產(chǎn)生。在一定條件下，復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的光子還能引起光游離。（3）影響因素：a.帶電質(zhì)點(diǎn)相遇時(shí)的相互作用時(shí)間的長(zhǎng)短。氣體中電子的運(yùn)動(dòng)速度比離子的快得多，故電子和正離子復(fù)合的概率比正、負(fù)離子間復(fù)合的概率小得多。

b.帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合的速度主要取決于帶電質(zhì)點(diǎn)的濃度。異號(hào)帶電質(zhì)點(diǎn)的濃度越大，其相遇的機(jī)會(huì)越多，復(fù)合的速度也就越快。帶電質(zhì)點(diǎn)的消失由于外界游離因素的作用在陰極附近產(chǎn)生了一個(gè)自由電子，該電子在電場(chǎng)的作用下將向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，并從電場(chǎng)中獲得能量而轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。運(yùn)動(dòng)中它和氣體分子相遇時(shí)，如果其動(dòng)能足夠大，則將引起該氣體分子發(fā)生碰撞游離，一個(gè)正離子和一個(gè)電子。新產(chǎn)生的一個(gè)電子和原有的一個(gè)電子繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，各和一個(gè)氣體分子發(fā)生碰撞并使其游離后，氣隙中又將增加兩個(gè)正離子和兩個(gè)電子。如此發(fā)展下去，氣隙中的電子數(shù)和正離子數(shù)會(huì)迅速增多，就像雪崩一樣，稱為電子崩。由于電子的運(yùn)動(dòng)速度快，故電子總是位于電子崩的頭部。正離子的運(yùn)動(dòng)速度比電子慢得多，電子崩向前發(fā)展過(guò)程中正離子可看作靜止不動(dòng)，故電子崩的崩體內(nèi)主要是正離子和未發(fā)生游離的氣體分子。

湯遜理論---電子崩理論均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿過(guò)程如果加在氣隙上的電壓較低,氣隙中的場(chǎng)強(qiáng)較小,則正離子撞擊陰極表面時(shí)從陰極逸出的電子將全部和正離子進(jìn)行復(fù)合,陰極表面游離不出自由電子。若取消外界游離因素,間隙中將沒(méi)有產(chǎn)生新電子崩的電子,放電會(huì)停止.這種靠外界游離因素才能維持的放電稱為非自持放電。如果加在氣隙上的電壓達(dá)到氣隙的臨界擊穿電壓，則由于正離子的動(dòng)能大，撞擊陰極表面時(shí)就能使其逸出自由電子。此時(shí)即使取消外界游離因素，陰極表面游離出的電子可彌補(bǔ)原來(lái)發(fā)展電子崩的那個(gè)電子，產(chǎn)生新的電子崩，使放電繼續(xù)進(jìn)行下去。這種不需要外界游離因素，靠電場(chǎng)本身就能維持的放電稱為自持放電。非自持放電與自持放電（1）非自持放電均勻電場(chǎng)氣隙中，當(dāng)處于非自持放電階段時(shí)，流過(guò)氣隙的電流雖隨外加電壓的升高按指數(shù)規(guī)律上升，但數(shù)值很小，通常遠(yuǎn)小于微安級(jí)，氣體仍保持較高的絕緣性能。（2）自持放電當(dāng)達(dá)到自持放的條件后，流過(guò)氣隙的電流突然驟增，氣體失去了絕緣能力，氣隙出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。因此，均勻電場(chǎng)中放電達(dá)到自持，也就意味著氣隙發(fā)生了擊穿。δd較小時(shí)，均勻電場(chǎng)中氣體擊穿的實(shí)質(zhì)巴申就從試驗(yàn)中得出：當(dāng)氣體和電極材料一定時(shí)，氣隙的擊穿電壓是氣體的相對(duì)密度δ和氣隙距離d乘積的函數(shù)，即且隨δd變化，氣體擊穿電壓Ub有最小值，巴申定理可以由湯遜理論來(lái)解釋，但是使用起來(lái)卻有很大的局限性，只能解釋?duì)膁<0.26cm的空氣間隙。巴申定理1、湯遜理論的局限性（1）實(shí)際測(cè)得的大氣擊穿過(guò)程所需的時(shí)間比按湯遜理論計(jì)算的時(shí)間小得多(要小10～100倍)。（2）按湯遜理論，氣體間隙的放電與陰極材料有很大關(guān)系。而實(shí)測(cè)的情況表明，大氣壓力下的氣體放電幾乎與陰極材料無(wú)關(guān)。（3）按湯遜理論，氣體間隙的放電是均勻連續(xù)發(fā)展的，但在大氣中的氣體擊穿時(shí)，會(huì)出現(xiàn)有分枝的明亮通道（發(fā)光）。流注理論產(chǎn)生電子崩——空間電荷對(duì)均勻電場(chǎng)的畸變—正負(fù)電荷交界處電場(chǎng)減弱——復(fù)合產(chǎn)生光子—形成二次電子崩——形成等離子區(qū)即正流注復(fù)合引起光游離2次電子崩2次電子崩正流注的形成和發(fā)展（1）主電子崩不需要經(jīng)過(guò)整個(gè)間隙距離，崩內(nèi)的空間電荷就已達(dá)到足以引起光游離的數(shù)值。（2）崩頭射向其前方的光子游離出光電子后，在局部強(qiáng)電場(chǎng)作用下迅速發(fā)展成二次電子崩，主電子崩頭部的電子進(jìn)入二次電子崩的正空間電荷區(qū)內(nèi)形成向陽(yáng)極方向推進(jìn)的負(fù)流注。（3）主電子崩頭部射向其后方的光子引起光游離后則形成向陰極推進(jìn)的正流注。（4）間隙中的正、負(fù)流注同時(shí)分別向兩極發(fā)展，直至貫穿整個(gè)間隙，最后流注通道轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀』蚧鸹ǚ烹姡g隙擊穿完成。負(fù)流注的發(fā)展（1）流注理論認(rèn)為，間隙中一旦形成流注，放電即可以由本身的光游離自行維持，故自持放電的條件也就是流注形成的條件。（2）只有當(dāng)主電子崩中的電荷達(dá)到一定數(shù)量，使電場(chǎng)畸變到一定程度并造成足夠的空間光游離，流注才能形成。流注形成的條件也就是主電子崩中的電荷必須達(dá)到一定的數(shù)值。（3）對(duì)均勻電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，放電達(dá)到自持，問(wèn)隙將被擊穿，所以自持放電的條件也就是導(dǎo)致?lián)舸┑臈l件。自持放電條件1、電場(chǎng)的分類：不均勻電場(chǎng)可分為稍不均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)兩類。稍不均勻電場(chǎng)中放電的特點(diǎn)與均勻電場(chǎng)中類似，即放電達(dá)到自持，間隙就會(huì)發(fā)生擊穿。2、極不均勻電場(chǎng)中氣體的放電的特點(diǎn)擊穿前存在電暈放電。電場(chǎng)不對(duì)稱時(shí)存在極性效應(yīng)等。3、極不均勻電場(chǎng)不對(duì)稱的不均勻電場(chǎng)氣隙中：棒一板電極。對(duì)稱的不均勻電場(chǎng)：棒一棒電極。

不均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿過(guò)程

（1）用電場(chǎng)不均勻系數(shù)f來(lái)區(qū)分（2）球隙來(lái)說(shuō)明球的半徑為r，球與球之間的距離為d.d<2r——絕對(duì)均勻d<4r——均勻，不會(huì)產(chǎn)生電暈4r<d<8r——稍不均勻，起暈不明顯d>8r——極不均勻

關(guān)于電場(chǎng)的分類

電暈現(xiàn)象--極不均勻電場(chǎng)中，間隙中的最大場(chǎng)強(qiáng)與平均場(chǎng)強(qiáng)相差很大。距曲率大的電極越近，場(chǎng)強(qiáng)也越大。當(dāng)間隙上的電壓升高時(shí)，在間隙中的平均場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)未達(dá)到平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)的情況下，曲率較大的電極附近空間的局部場(chǎng)強(qiáng)將首先達(dá)到足以引起強(qiáng)烈游離的數(shù)值，在這一局部區(qū)域內(nèi)形成自持放電，產(chǎn)生薄薄的淡紫色發(fā)光層，這就是電暈，發(fā)光層則稱為電暈層。出現(xiàn)電暈放電時(shí)，還可昕到“咝咝”的放電聲，并能聞到臭氧的氣味。原因--電暈層發(fā)光是由于伴隨著游離而存在的復(fù)合及由激發(fā)態(tài)回到正常態(tài)的反激發(fā)輻射光子造成的。電暈放電--起始電壓和起始場(chǎng)強(qiáng)電暈放電--是極不均勻電場(chǎng)特有的一種自持放電形式，通常把能否出現(xiàn)穩(wěn)定的電暈放電作為區(qū)分極不均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)的標(biāo)志。將開(kāi)始出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓稱為電暈起始電壓或起暈電壓UC，而開(kāi)始出現(xiàn)電暈時(shí)電極表面的場(chǎng)強(qiáng)稱為電暈起始場(chǎng)強(qiáng)或起暈場(chǎng)強(qiáng)EC。電暈的產(chǎn)生(1)電暈電流具有高頻脈沖性質(zhì)，且含有許多高次諧波，會(huì)對(duì)無(wú)線電通信產(chǎn)生干擾。(2)電暈電流會(huì)引起有功損耗。輸電線路上出現(xiàn)電暈后，在電暈導(dǎo)線和大地之間形成電暈電流。離子在空氣中定向運(yùn)動(dòng)必然消耗電場(chǎng)能量，氣體分子游離、激勵(lì)等也要消耗一小部分能量，故電暈放電會(huì)產(chǎn)生能量損耗。(3)電暈使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成臭氧和氧化氮等有害氣體，對(duì)金屬和有機(jī)絕緣物有氧化和腐蝕作用。電暈放電的危害改進(jìn)電極的形狀，減小電極的曲率。如變壓器、斷路器等許多電氣設(shè)備的出線電極都采用空心、擴(kuò)大尺寸的球面或旋轉(zhuǎn)橢圓面等形式的電極，超高壓輸電線路采用分裂導(dǎo)線等。在某些特殊的場(chǎng)合，電暈放電也有可利用的一面。例如電暈可降低輸電線路上的雷電或操作沖擊波的幅值和陡度。在某些不均勻電場(chǎng)中利用電暈可改善電場(chǎng)分布。此外，電暈在電氣除塵、靜電復(fù)印、靜電噴涂等方面也有較為廣泛的應(yīng)用。消除電暈的方法1、極性效應(yīng)對(duì)于電極形狀不對(duì)稱的不均勻電場(chǎng)氣隙，如棒一板間隙，棒的極性不同時(shí)，間隙的起暈電壓和擊穿電壓各不相同，這種現(xiàn)象稱為極性效應(yīng)。極性效應(yīng)是不對(duì)稱的不均勻電場(chǎng)所具有的特性之一。2、原因極性效應(yīng)是由于棒的極性不同時(shí)間隙中的空間電荷對(duì)外電場(chǎng)的畸變作用不同而引起的。極性效應(yīng)湖北省電力公司生產(chǎn)技能培訓(xùn)中心

特點(diǎn)

（1）負(fù)棒—正板（2）正棒—負(fù)板棒板電極中當(dāng)棒極為正時(shí)的擊穿電壓低于棒極為負(fù)時(shí)的擊穿電壓，故工程中不對(duì)稱不均勻電場(chǎng)氣隙的絕緣距離應(yīng)根據(jù)棒—板間隙在棒為正極性電壓下的擊穿特性來(lái)確定。（起暈電壓卻相對(duì)較高）（1）導(dǎo)線—桿塔=棒—棒（2）導(dǎo)線—導(dǎo)線=棒—棒（3）導(dǎo)線—大地=棒—板（4）導(dǎo)線—車輛、人=棒—棒可見(jiàn)電力系統(tǒng)中的電場(chǎng)分類基本上分為兩類，即棒—板和棒—棒電極，故工程上棒棒和棒板間隙的擊穿電壓數(shù)據(jù)有重要的參考價(jià)值。空氣間隙中不均勻電場(chǎng)的分類一、外加電壓的種類（1）持續(xù)電壓。持續(xù)電壓是指直流電壓或工頻交流電壓（2）雷電沖擊電壓。（3）操作沖擊電壓。持續(xù)電壓下?lián)舸┨攸c(diǎn)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。

持續(xù)作用電壓下空氣的擊穿電壓

二、均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓均勻電場(chǎng)中，氣隙的擊穿有如下特點(diǎn)：(1)因電場(chǎng)是對(duì)稱的，故擊穿電壓無(wú)極性效應(yīng)。(2)由于間隙中各處的場(chǎng)強(qiáng)相等，故擊穿前無(wú)電暈發(fā)生，起始放電電壓就等于擊穿電壓。(3)間隙距離短，各處場(chǎng)強(qiáng)又相等，故間隙擊穿所需的時(shí)間很短。因此不論何種電壓作用，其擊穿電壓(峰值)實(shí)際上都相同，且分散性較小第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性二、稍不均勻電場(chǎng)的擊穿電壓1、稍不均勻電場(chǎng)中擊穿電壓的特點(diǎn)是：(1)電場(chǎng)不對(duì)稱時(shí)，擊穿電壓有極性效應(yīng)，但不很顯著。(2)擊穿前有電暈發(fā)生，但不穩(wěn)定，即一出現(xiàn)電暈，立即會(huì)導(dǎo)致整個(gè)間隙完全擊穿。即UC=Ub。(3)間隙距離一般不很大，放電發(fā)展所需的時(shí)間短，因而在不同波形的電壓作用下，其擊穿電壓(峰值)實(shí)際上也都相同，且分散性不大。2、為什么能用球隙測(cè)量高壓第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性三、極不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓1、極不均勻電場(chǎng)中擊穿電壓的特點(diǎn)是：(1)由于存在局部強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，故間隙擊穿前有穩(wěn)定的電暈，間隙的起始放電電壓小于間隙的擊穿電壓。(2)因空間電荷在電壓極性不同時(shí)對(duì)放電過(guò)程的影響不同，故擊穿電壓具有明顯的極性效應(yīng)。(3)因間隙距離較長(zhǎng)，放電發(fā)展所需的時(shí)間長(zhǎng)，故外加電壓的波形對(duì)擊穿電壓的影響很大，擊穿的分散性很大。第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性2、直流電壓作用下的擊穿電壓（1）棒一板和棒一棒間隙的直流Ub-d關(guān)系曲線？？（2）現(xiàn)象（a）電場(chǎng)不對(duì)稱的棒一板間隙的擊穿電壓具有顯著的極性效應(yīng)，棒極為正時(shí)的擊穿電壓比棒極為負(fù)時(shí)的低得多。（b）棒一棒間隙的擊穿電壓則介于極性不同的棒一板間隙的擊穿電壓之間。（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在3米距離范圍內(nèi)，棒一板間隙中當(dāng)棒極為正時(shí)的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)約4．5kV/cm，棒極為負(fù)時(shí)的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為l0kV/cm。不接地棒為正極性時(shí)，棒一棒間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為4．8kV/cm，不接地棒為負(fù)極性時(shí)，棒一棒間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為5kV/cm。第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性3、工頻電壓作用下的擊穿電壓（1）棒-板和棒一棒間隙的交流Ub-d關(guān)系曲線（Ｐ８圖１-６）（2）現(xiàn)象：(a)由圖可見(jiàn)，當(dāng)間隙距離d<2m時(shí),Ub-d曲線基本呈線性關(guān)系。(b)由于棒-板間隙的擊穿總是發(fā)生在棒極為正時(shí)的半個(gè)周期峰值處,故其工頻擊穿電壓(峰值)和直流棒-負(fù)板時(shí)的擊穿電壓相近.在上述間隙距離范圍內(nèi),棒-板間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為4.8kV/cm(峰值),棒-棒間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為5.4kV/cm(峰值)。(c)當(dāng)間隙距離超過(guò)d>2m后，各種間隙的Ub-d關(guān)系曲線呈現(xiàn)明顯的飽和趨勢(shì)。(d)特別是棒-板間隙，其飽和趨勢(shì)更為嚴(yán)重。擊穿電壓的這種飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致問(wèn)隙的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)的提高很不利。如棒-板間隙，當(dāng)d=10m時(shí)，其平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)降為約2kV/cm(峰值)。由于棒-板間隙的擊穿電壓最低，飽和現(xiàn)象最嚴(yán)重，故在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免此類間隙。第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性2－7：沖擊電壓作用下空氣的擊穿電壓一、標(biāo)準(zhǔn)波形1、標(biāo)準(zhǔn)波形的提出（1）波前時(shí)間T1——電壓從零上升至最大值的時(shí)間。（2）半峰值時(shí)間T2——為電壓從零至下降為峰值的一半處的時(shí)間。試驗(yàn)室中雷電沖擊電壓采用等值的斜角波前，即取峰值Um為1.0，并過(guò)峰值作一水平線，再過(guò)波形上升部分0.3Um和0.9Um的兩點(diǎn)作一直線，該直線與時(shí)間軸交于0，點(diǎn)，與過(guò)峰值的水平線交于F點(diǎn)，把O作為電壓的原點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)作為峰值的位置。（3）視在波前時(shí)間——波前時(shí)間T1規(guī)定為從O至F的時(shí)間。（4）視在半峰值時(shí)間——半峰值時(shí)間T2規(guī)定為0至下降至0.5Um的時(shí)間。第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性2、我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雷電沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形(1)T1=1.2μS。，允許偏差±30％，乃：(2)T2=50μS，允許偏差±20％。極性。標(biāo)準(zhǔn)波形通常可以表示(3)極性問(wèn)題：+1．2/50μS；或-1．2/50μS。沖擊電壓下空氣間隙的擊穿電壓波形。間隙從開(kāi)始出現(xiàn)電壓到完全擊穿所需的時(shí)間稱為擊穿時(shí)間或全部放電時(shí)間。1、升壓時(shí)間t0——電壓從零升到持續(xù)電壓下的擊穿電壓U0(稱為靜態(tài)擊穿電壓)所需的時(shí)間。2、統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts——從電壓達(dá)到U0的瞬時(shí)起到間隙中形成第一個(gè)有效電子為止的時(shí)間。（具有分散性）3、放電形成時(shí)延tf——從形成第一個(gè)有效電子的瞬時(shí)起到間隙完全被擊穿為止的時(shí)間。（具有分散性）4、擊穿時(shí)間t=t0+ts+tf5、放電時(shí)延t1=ts+tf擊穿時(shí)間第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性6、放電時(shí)延特性（1）短間隙(1cm以下)中，特別是電場(chǎng)均勻時(shí)，tf遠(yuǎn)小于ts，放電時(shí)延實(shí)際上就等于統(tǒng)計(jì)時(shí)延。（2）較長(zhǎng)的間隙中，放電時(shí)延主要決定于放電形成時(shí)延。在電場(chǎng)比較均勻時(shí)，放電發(fā)展速度快，放電形成時(shí)延較短。（3）在電場(chǎng)極不均勻時(shí)，放電發(fā)展到弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)后速度較慢，放電形成時(shí)延較長(zhǎng)。三、伏秒特性1、定義：對(duì)雷電沖擊電壓來(lái)說(shuō)，因?yàn)殡妷鹤兓俣葮O快，在電壓達(dá)到靜態(tài)擊穿電壓后的放電時(shí)延內(nèi)，電壓變化一般較大，擊穿電壓高于靜態(tài)擊穿電壓；而且對(duì)某一固定的氣隙，擊穿電壓隨擊穿時(shí)間而變，沒(méi)有固定的數(shù)值。所以雷電沖擊電壓作用下間隙的擊穿強(qiáng)度不能單一地用擊穿電壓來(lái)表示，對(duì)于某一電壓波形，必須用擊穿電壓和擊穿時(shí)間二者共同來(lái)表達(dá)。對(duì)某一沖擊電壓波形，間隙的擊穿電壓和擊穿時(shí)間的關(guān)系稱為伏秒特性，它可以全面地反映間隙在沖擊電壓作用下的擊穿特性。第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性2、伏秒特性的求?。?）保持一定的波形不變(T1/T2一定)，逐級(jí)升高電壓。電壓較低時(shí)，擊穿通常發(fā)生在波尾(波形的下降部分)，電壓較高時(shí)，擊穿時(shí)間縮短，擊穿一般發(fā)生在波頭(波形的上升部分)。（2）以擊穿電壓為縱坐標(biāo)，以擊穿時(shí)間為橫坐標(biāo)，則在電壓一時(shí)間坐標(biāo)系中每級(jí)電壓下可得到一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，將這些坐標(biāo)點(diǎn)連成曲線，即為伏秒特性曲線。（3）由于放電時(shí)間具有分散性，每級(jí)電壓下多次施加電壓時(shí)可得到一系列的放電時(shí)間，所以實(shí)際的伏秒特性為以上、下包絡(luò)線為界的帶狀區(qū)域。(P12T圖1-12)3、影響伏秒特性形狀的因素：——與間隙中電場(chǎng)的均勻程度有關(guān)。(P12圖1-13)（1）對(duì)于均勻或稍不均勻電場(chǎng)，在擊穿時(shí)間較長(zhǎng)(大于1μS)時(shí)，因平均場(chǎng)強(qiáng)高，放電發(fā)展較快，放電時(shí)延較短，電壓達(dá)到靜態(tài)擊穿電壓后很短時(shí)間內(nèi)即發(fā)生擊穿，不同幅值的沖擊電壓下的擊穿電壓相差很小，故伏秒特性比較平坦，且分散性較??；在擊穿時(shí)間很短(小于1μS)時(shí)，因沖擊電壓上升速度特別快，在很短的放電時(shí)延內(nèi)電壓會(huì)超過(guò)靜態(tài)擊穿電壓較大的數(shù)值，故伏秒特性略有上翹。（2）對(duì)于極不均勻電場(chǎng)，其平均場(chǎng)強(qiáng)較低，放電形成時(shí)延和所加電壓密切相關(guān)，伏秒特性在擊穿時(shí)間還相當(dāng)大時(shí)便隨擊穿時(shí)間的減小而向上翹，且擊穿時(shí)間的分散性較大。第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性4、特性的用途

——比較不同設(shè)備絕緣的沖擊擊穿特性。如變壓器與其閥型避雷器的絕緣配合必須使閥型避雷器間隙的伏秒特性的上包絡(luò)線始終位于變壓器絕緣伏秒特性的下包絡(luò)線的下方，此時(shí)不論雷電沖擊電壓的峰值多高，避雷器的間隙總是先擊穿第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性四、雷電沖擊50%擊穿電壓（雷電壓峰值）1、定義U50%：多次施加某一波形和峰值一定的沖擊電壓時(shí)，間隙被擊穿的概率為50%的擊穿電壓。2、沖擊系數(shù)：3、沖擊系數(shù)與電場(chǎng)的均勻程度（1）均勻和極不均勻電場(chǎng)中，由于放電時(shí)延短，擊穿電壓的分散性小，沖擊系數(shù)實(shí)際等于1。（2）極不均勻電場(chǎng)中，放電時(shí)延較長(zhǎng)，擊穿電壓的分散性也大，故沖擊系數(shù)常大于1,U50%擊穿一般在波尾。U0是指直流擊穿電壓或工頻擊穿電壓峰值4、使用U50%電壓的局限性不能全面反映間隙的沖擊擊穿特性。例如伏秒特性相交的兩并聯(lián)間隙，假如U50%下兩間隙的擊穿時(shí)間都位于交叉區(qū)域的右方，那么當(dāng)作用在兩間隙上的雷電沖擊電壓使兩間隙的擊穿時(shí)間都處于交叉區(qū)域的左方時(shí)，U50%低的那個(gè)間隙的擊穿電壓反倒比U50%高的那個(gè)間隙的擊穿電壓高，這將出現(xiàn)U50%高的間隙先擊穿的情況。如課本的P12面，顯然S1的U50%高于S2的，但在相交點(diǎn)的左方，S1比S2先擊穿，故U50%不能用來(lái)衡量設(shè)備的耐雷絕緣水平，為了更全面的反映設(shè)備的沖擊擊穿特性，必須采用其伏秒特性（曲線）。第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性2-8：提高氣體間隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)的方法1、Eav----氣體間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)(1)提高平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)，則在同樣的間隙距離下間隙的擊穿電壓越大。(2)提高平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)，可減小設(shè)備的尺寸。2、提高氣隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)的途徑(1)改善電場(chǎng)分布，使其盡可能均勻(2)二是改變氣體的狀態(tài)和種類，使其中的游離過(guò)程盡可能被削弱。一、改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布1、在間隙距離不太大的情況下（1）可以通過(guò)改進(jìn)電極的形狀、增大電極的曲率半徑等方法來(lái)改善間隙中的場(chǎng)強(qiáng)分布。（2）盡量消除電極上的毛刺及棱角等，以避免局部強(qiáng)電場(chǎng)。這樣可使間隙中電場(chǎng)的不均勻系數(shù)下降，從而提高間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

2、在間隙距離較大時(shí)（1）要盡可能采用對(duì)稱電極，避免不對(duì)稱電極。（2）在不均勻電場(chǎng)氣隙中，有些設(shè)備也采用曲率半徑較大的電極，如變壓器套管端部加屏蔽罩，其目的是為了避免在工作電壓下出現(xiàn)電暈。第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性二、利用空間電荷改善電場(chǎng)分布極間隙或屏障（固體絕緣材料制成的薄板）（1）在電場(chǎng)極不均勻的空氣間隙中，放入由固體絕緣材料制成的薄板，在一定條件下，可顯著提高間隙的擊穿電壓。所采用的固體絕緣薄板稱為極間隙或屏障。（2）屏障的作用主要是阻擋空間電荷，利用空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)改變電場(chǎng)分布。第二章：氣體電介質(zhì)的擊穿特性三、采用高氣壓---縮小電子的平均自由行程，削弱游離過(guò)程，從而提高氣體的擊穿電