高電壓課件--第4講-氣體電介質(zhì)的絕緣特性(三)

1、高電壓技術(shù)高電壓技術(shù) 第第3 3講回顧講回顧 u流注理論 u不均勻電場(chǎng)的放電特點(diǎn)電暈 u極不均勻場(chǎng)中的放電過(guò)程 主放電通道主放電通道 主放電和先導(dǎo)通道的交界區(qū)主放電和先導(dǎo)通道的交界區(qū) 先導(dǎo)通道先導(dǎo)通道 先導(dǎo)的發(fā)展先導(dǎo)的發(fā)展 正棒正棒負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展 （）先導(dǎo)和其頭部的流注（）先導(dǎo)和其頭部的流注;（）流注頭部電子崩的形成（）流注頭部電子崩的形成; （）由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)和形成流注（）由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)和形成流注;（）流注頭部電子崩的形成（）流注頭部電子崩的形成; （）沿著先導(dǎo)和空氣間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的分布（）沿著先導(dǎo)和空氣間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的分布 1.3.4 1.3.4 極不均勻

2、場(chǎng)中的極性效應(yīng)極不均勻場(chǎng)中的極性效應(yīng) u正棒負(fù)板 正棒負(fù)板正棒負(fù)板 u電子運(yùn)動(dòng)速度快,迅速進(jìn)入棒極; u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) u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。 負(fù)棒負(fù)棒正板正板 負(fù)棒負(fù)棒正板正板 u電子崩中的電子離開強(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。 u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。 u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

3、注的發(fā)展,因此擊 穿電壓較高。 2021/3/26 9 上次課回顧（上次課回顧（1 1） u曲率半徑曲率半徑: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 ,但但有利于電暈放電的擴(kuò)大,電暈放電發(fā)展電暈放電發(fā)展得越強(qiáng)烈,空間電荷對(duì)電 場(chǎng)均勻的作用越大 u電極間距電極間距 :鄰兩相電極表面間的最短距離。 u電極間距離電極間距離d和電極曲率半徑和電極曲率半徑D之比越大之比越大,電場(chǎng)越不均勻電場(chǎng)越不均勻。（如何理。（如何理 解解?）結(jié)合圖）結(jié)合圖1-8球球間隙球球間隙【曲率半徑曲率半徑D不變不變,間距間距d增大增大】 u當(dāng)間距d很大時(shí)

4、,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。 u不對(duì)稱電極有極性效應(yīng):正極性和負(fù)極性放電特性不同（為什么? ） u均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)不易發(fā)生電離不易發(fā)生電離,但流注一旦形成但流注一旦形成,流注隨即貫穿整個(gè)間隙流注隨即貫穿整個(gè)間隙, 導(dǎo)致間隙擊穿導(dǎo)致間隙擊穿。（比較均勻電場(chǎng)中的電暈電壓擊穿電壓） u不均勻電場(chǎng)不均勻電場(chǎng)易發(fā)生電離易發(fā)生電離,但流注形成后但流注形成后,需進(jìn)一步增加電壓才可能導(dǎo)需進(jìn)一步增加電壓才可能導(dǎo) 致間隙擊穿致間隙擊穿。（不均勻電場(chǎng)中的電暈電壓擊穿電壓） 2021/3/26 10 上次課回顧（上次課回顧（2 2） u先導(dǎo)先導(dǎo):長(zhǎng)間隙放電時(shí),

5、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)程的通道稱為先導(dǎo)。 u主放電階段主放電階段: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） ,稱為主放電階段。 u棒板間隙棒板間隙:棒極出發(fā)的先導(dǎo)和板極出現(xiàn)的流注之一相遇相遇時(shí),立即轉(zhuǎn)入 放電階段。 u棒棒間隙棒棒間隙:兩棒極都可發(fā)展先導(dǎo),正負(fù)先導(dǎo)相遇相遇后,立即轉(zhuǎn)入主放電 。 u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)放電階段短間隙沒(méi)有先導(dǎo)放電階段（為什么?） u幫助理解（棒板間隙

6、的極性效應(yīng)）（棒板間隙的極性效應(yīng)）的一些概念和特性 u正極發(fā)展的先導(dǎo)正先導(dǎo) 正極發(fā)展正流注 u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 u負(fù)先導(dǎo)開始早,發(fā)展快?！景舭糸g隙】 u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 】 2021/3/26 11 預(yù)備知識(shí)預(yù)備知識(shí) u直流電壓、工頻電壓、雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓 u幅值高的電壓,作用一會(huì)就能擊穿。 u幅值低的電壓,需要長(zhǎng)時(shí)間作用才能擊穿。 一定時(shí)間的作用一定時(shí)間的作用 足夠幅值的電壓足夠幅值的電壓足夠幅值的電壓足夠幅值的電壓 擊穿條件擊穿條件 1.4 1.4 雷電沖擊電壓作用下氣體的擊穿雷電沖擊電壓作用下氣體的擊穿 一、雷電沖

7、擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形一、雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形( (一種一種) ) 非周期性指數(shù)衰減波非周期性指數(shù)衰減波 視在視在波頭時(shí)間波頭時(shí)間T1,視在視在波尾時(shí)間波尾時(shí)間T2） T11.2 s（ 30%） T250 s（ 20%） 二、放電時(shí)延二、放電時(shí)延 u經(jīng)經(jīng)t1電壓升高到電壓升高到靜態(tài)擊穿電壓靜態(tài)擊穿電壓,再經(jīng)時(shí)間再經(jīng)時(shí)間tlag,間隙才擊穿。間隙才擊穿。 u統(tǒng)計(jì)時(shí)延統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts從從t1時(shí)刻時(shí)刻到出現(xiàn)到出現(xiàn)第一個(gè)有效電子第一個(gè)有效電子所需時(shí)間。所需時(shí)間。 u放電形成時(shí)延放電形成時(shí)延tf從從第一個(gè)有效電子第一個(gè)有效電子出現(xiàn)直至出現(xiàn)直至間隙擊穿間隙擊穿所所 需時(shí)間。需時(shí)間。 u放電時(shí)延放電時(shí)延 tlag ts

8、 tf 沖擊放電所需全部時(shí)間沖擊放電所需全部時(shí)間tb= t1+ ts+ tf 短間隙短間隙,電場(chǎng)較均勻電場(chǎng)較均勻, tstf ,放電時(shí)延取決于放電時(shí)延取決于ts 長(zhǎng)間隙長(zhǎng)間隙,電場(chǎng)不均勻電場(chǎng)不均勻, ts短短, tf長(zhǎng)長(zhǎng) ,放電時(shí)延取決于放電時(shí)延取決于tf 三、雷電三、雷電50%50%沖擊擊穿電壓（沖擊擊穿電壓（U U50% 50%） ） u沖擊電壓作用下,保持波形不變。隨沖擊電壓幅值的提隨沖擊電壓幅值的提 高高,間隙的擊穿概率越來(lái)越大間隙的擊穿概率越來(lái)越大;當(dāng)電壓超過(guò)某一值后當(dāng)電壓超過(guò)某一值后,間隙間隙 100%擊穿。擊穿。 u原因原因:隨外加電壓升高隨外加電壓升高,放電時(shí)延縮短放電時(shí)延縮短

9、;由于由于放電時(shí)延的分放電時(shí)延的分 散性散性,ts短的間隙易發(fā)生擊穿短的間隙易發(fā)生擊穿,ts長(zhǎng)的間隙不易發(fā)生擊穿。長(zhǎng)的間隙不易發(fā)生擊穿。 放電時(shí)延放電時(shí)延具有統(tǒng)計(jì)特性具有統(tǒng)計(jì)特性 uU U50% 50% 在多次施加電壓時(shí)在多次施加電壓時(shí),其中正好半數(shù)能導(dǎo)致?lián)舸┑钠渲姓冒霐?shù)能導(dǎo)致?lián)舸┑?電壓電壓,即即擊穿概率為擊穿概率為50%的電壓值的電壓值,反映間隙的耐受沖擊反映間隙的耐受沖擊 電壓的特性電壓的特性 50%50%沖擊擊穿電壓沖擊擊穿電壓（U U50% 50%） ） u均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)下均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)下的擊穿電壓的擊穿電壓擊穿電壓擊穿電壓分分 散性小散性小,其雷電沖擊其雷電沖擊5

10、0擊穿電壓擊穿電壓U U50% 50% 靜態(tài)擊穿電壓 靜態(tài)擊穿電壓Us（ 即持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓）即持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓）,即沖擊系數(shù)即沖擊系數(shù) 1。 50% 沖擊擊穿電壓（沖擊擊穿電壓（ U U50% 50% ） ） 沖擊系數(shù)沖擊系數(shù) 靜態(tài)擊穿電壓（靜態(tài)擊穿電壓（ Us ） u極不均勻電場(chǎng)下極不均勻電場(chǎng)下的擊穿電壓的擊穿電壓由于由于放電時(shí)延較長(zhǎng)放電時(shí)延較長(zhǎng),通常通常 雷電沖擊雷電沖擊50擊穿電壓擊穿電壓U U50% 50% 靜態(tài)擊穿電壓靜態(tài)擊穿電壓,即沖擊系數(shù)即沖擊系數(shù) 大于大于l,擊穿電壓的擊穿電壓的分散性大一些。分散性大一些。 四四. .伏秒特性伏秒特性 1.雷電沖擊電壓持續(xù)時(shí)間

11、短持續(xù)時(shí)間短,間隙的擊穿電壓存在放電時(shí)延現(xiàn)象存在放電時(shí)延現(xiàn)象。 用50%沖擊擊穿電壓沖擊擊穿電壓表征間隙擊穿特性不夠不夠,需用擊穿電壓值與擊穿電壓值與 放電時(shí)間放電時(shí)間的關(guān)系曲線確定的關(guān)系曲線確定間隙的擊穿特性,即即伏秒特性伏秒特性。 2.伏秒特性的繪制伏秒特性的繪制實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法 保持保持間隙距離不間隙距離不 變變、保持沖擊電、保持沖擊電 壓壓波形不變波形不變(電壓電壓 幅值可變幅值可變),逐級(jí)逐級(jí) 升高電壓使氣隙升高電壓使氣隙 發(fā)生擊穿發(fā)生擊穿,讀取擊讀取擊 穿電壓值穿電壓值U與擊與擊 穿時(shí)間穿時(shí)間t。 伏秒特性曲線的形狀與電場(chǎng)分布有關(guān)伏秒特性曲線的形狀與電場(chǎng)分布有關(guān) u均勻電場(chǎng)和稍不均

12、勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)中中,擊穿時(shí)平均場(chǎng)強(qiáng)擊穿時(shí)平均場(chǎng)強(qiáng) 較較高高,放電發(fā)展較快放電發(fā)展較快,放電時(shí)延較短放電時(shí)延較短,伏秒特性曲伏秒特性曲 線線平坦平坦。 u極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)中中,平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)較平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)較低低,放電時(shí)延放電時(shí)延 較長(zhǎng)較長(zhǎng),放電分散性大放電分散性大,伏秒特性曲線較為伏秒特性曲線較為陡峭陡峭。 u擊穿電壓擊穿電壓-間隙上可出現(xiàn)的電壓最大值間隙上可出現(xiàn)的電壓最大值 伏秒特性的分散性伏秒特性的分散性 u放電時(shí)間具有放電時(shí)間具有分散性分散性,每級(jí)電壓下測(cè)得不同的放電時(shí)間每級(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)伏秒特性是以上、下包絡(luò)線為界的一個(gè)

13、帶狀區(qū)域帶狀區(qū)域 u通常用通常用平均伏秒特性平均伏秒特性或或50%伏秒特性伏秒特性表征間隙的擊穿特性表征間隙的擊穿特性 伏秒特性的用途伏秒特性的用途 對(duì)對(duì)1 起保護(hù)作用起保護(hù)作用 在高幅值沖擊電壓作用下在高幅值沖擊電壓作用下, 起不到保護(hù)作用起不到保護(hù)作用 u伏秒特性的伏秒特性的配合配合:左圖左圖被保護(hù)設(shè)備被保護(hù)設(shè)備絕緣的伏秒特性絕緣的伏秒特性S1與與保護(hù)間保護(hù)間 隙隙的伏秒特性的伏秒特性S2,兩間隙兩間隙并聯(lián)并聯(lián)可達(dá)到完全保護(hù)。可達(dá)到完全保護(hù)?！窘^緣配合絕緣配合】 u右圖不能完全配合右圖不能完全配合:電壓較低時(shí)電壓較低時(shí),S2可以保護(hù)可以保護(hù)S1;電壓較高時(shí)電壓較高時(shí),則則 不行不行 1.5

14、 1.5 操作沖擊電壓作用下氣體的擊穿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)波形一、操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形( (兩種兩種) ) n非周期性指數(shù)衰減波非周期性指數(shù)衰減波 （自然自然波頭時(shí)間波頭時(shí)間/自然自然波尾時(shí)間）波尾時(shí)間） 推薦操作沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形為推薦操作沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形為2502500 s （T1/T2） n衰減衰減振蕩振蕩電壓波電壓波 第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間在第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間在20003000 s之間之間 ,反極性的第二反極性的第二 個(gè)半波的幅值達(dá)到第一個(gè)半波幅值個(gè)半波的幅值達(dá)到第一個(gè)半波幅值80 二、操作沖擊二、操作沖擊50%50%擊穿電壓擊穿電壓 u均勻電場(chǎng)和稍不均

15、勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)中中,間隙的間隙的操作沖擊操作沖擊50%擊穿電擊穿電 壓壓、雷電沖擊雷電沖擊50%擊穿電壓擊穿電壓和和工頻擊穿電壓（峰值）工頻擊穿電壓（峰值）幾乎幾乎 相同相同,擊穿幾乎發(fā)生在擊穿幾乎發(fā)生在峰值峰值,擊穿電壓的分散性較小。擊穿電壓的分散性較小。 u極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)中中,操作沖擊電壓下的擊穿通常發(fā)生在操作沖擊電壓下的擊穿通常發(fā)生在波頭波頭 部分部分,擊穿電壓與波頭時(shí)間有關(guān)而與波尾時(shí)間無(wú)關(guān)。擊穿電壓與波頭時(shí)間有關(guān)而與波尾時(shí)間無(wú)關(guān)。 極不均勻電場(chǎng)中極不均勻電場(chǎng)中操作操作50%50%擊穿電壓擊穿電壓 n原因原因:放電時(shí)延放電時(shí)延和和空間電荷空間電荷( 形成及遷移形成

16、及遷移)兩個(gè)因素兩個(gè)因素 nU曲線極小值左邊曲線極小值左邊,擊穿電擊穿電 壓隨壓隨波前縮短波前縮短（放電時(shí)間（放電時(shí)間 縮短）而增大縮短）而增大-放電時(shí)延放電時(shí)延 因素的作用減少。因素的作用減少。 nU曲線極小值右邊曲線極小值右邊,擊穿電擊穿電 壓隨壓隨波前增大波前增大而上升而上升-電電 壓作用時(shí)間增加后壓作用時(shí)間增加后,空間電空間電 荷遷移范圍擴(kuò)大荷遷移范圍擴(kuò)大,改善了間改善了間 隙的電場(chǎng)分布。隙的電場(chǎng)分布。 （1）擊穿電壓與波頭時(shí)間呈現(xiàn)呈現(xiàn)U形曲線形曲線 （續(xù)）（續(xù)） （2）極性效應(yīng)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）分散性大分散性大 由于空間電荷的形成、擴(kuò)散和

17、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）“飽和飽和”現(xiàn)象現(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)鄰近效應(yīng)”（課本（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)” 。 2021/3/26 24 氣體擊穿電壓的影響因素氣體擊穿電壓的影響因素 1、氣體種類（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

18、分:均勻場(chǎng)/稍不均勻場(chǎng)/極不均勻場(chǎng) 2、電壓種類（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)間的作用一定時(shí)間的作用 足夠幅值的電壓足夠幅值的電壓足夠幅值的電壓足夠幅值的電壓 擊穿條件擊穿條件 1.6 1.6 電場(chǎng)形式、電壓波形與擊穿電壓的關(guān)系電場(chǎng)形式、電壓波形與擊穿電壓的關(guān)系 u間隙距離相同時(shí)間隙距離相同時(shí),電場(chǎng)越均勻電場(chǎng)越均勻,擊穿電壓越高擊穿電壓越高 u均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng) 直流擊穿電壓直流擊穿電壓=工頻擊穿電壓峰值工頻擊穿電壓峰值=50%沖擊擊穿電壓沖擊擊穿電壓 擊穿電壓分散性小擊穿電壓分散性小 空氣的擊穿電壓經(jīng)

19、驗(yàn)公式空氣的擊穿電壓經(jīng)驗(yàn)公式 u稍不均勻電場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng) 直流擊穿電壓直流擊穿電壓工頻擊穿電壓峰值工頻擊穿電壓峰值 50%沖擊擊穿電壓沖擊擊穿電壓 擊穿電壓分散性不大擊穿電壓分散性不大 對(duì)于不對(duì)稱電極有極性效應(yīng)對(duì)于不對(duì)稱電極有極性效應(yīng),但不明顯但不明顯 ddU08. 622.24 0 d-間隙距離(cm) -空氣相對(duì)密度 2021/3/26 26 1.6.2 1.6.2 稍不均勻電場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng) 極性效應(yīng)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) udD/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 稍不均勻電場(chǎng)（續(xù)）稍不均勻電場(chǎng)（續(xù)） u負(fù)極性下電暈起始電壓比正 極性略低 u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?/p>