第4講 氣體電介質(zhì)的絕緣特性

1、高電壓工程系李黎2第第4 4講講 氣體電介質(zhì)的絕緣特性（三）氣體電介質(zhì)的絕緣特性（三）3回顧回顧u帶電粒子的消失和擴(kuò)散u自持放電和非自持放電u重點(diǎn)：湯遜理論重點(diǎn)：湯遜理論u重點(diǎn)：流注理論重點(diǎn)：流注理論u不均勻電場(chǎng)的放電特點(diǎn)電暈本次課程本次課程u極不均勻場(chǎng)中的放電過(guò)程u穩(wěn)態(tài)電壓下的氣體擊穿u瞬態(tài)電壓下的氣體擊穿u重點(diǎn)：極性效應(yīng)重點(diǎn)：極性效應(yīng)451.3.3 1.3.3 極不均勻場(chǎng)中的放電過(guò)程極不均勻場(chǎng)中的放電過(guò)程一、非自持放電階段一、非自持放電階段電子崩產(chǎn)生電子崩產(chǎn)生陽(yáng)極積聚正電荷陽(yáng)極積聚正電荷6二、流注發(fā)展階段二、流注發(fā)展階段頭部電場(chǎng)增強(qiáng)頭部電場(chǎng)增強(qiáng)新電子崩新電子崩流注前移流注前移7三、先導(dǎo)放電

2、階段三、先導(dǎo)放電階段u通道根部的電子最多流注根部溫度升高出現(xiàn)熱電離先導(dǎo)通道（具有熱電離過(guò)程的通道）。u新的電離過(guò)程使電離加強(qiáng)，電導(dǎo)增大，從而加大了其頭部前沿區(qū)域中的場(chǎng)強(qiáng)，引起新的流注，導(dǎo)致先導(dǎo)通道不斷伸長(zhǎng)。 8流注根部流注根部溫度升高溫度升高熱電離熱電離過(guò)程過(guò)程先導(dǎo)先導(dǎo)通道通道電離加強(qiáng)，更為明亮電離加強(qiáng)，更為明亮電導(dǎo)增大電導(dǎo)增大軸向場(chǎng)強(qiáng)更低軸向場(chǎng)強(qiáng)更低發(fā)展速度更快發(fā)展速度更快長(zhǎng)空氣間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)低于短間隙長(zhǎng)空氣間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)低于短間隙 9u四、主放電過(guò)程u 先導(dǎo)頭部達(dá)到板極。小間隙中的高場(chǎng)強(qiáng)引起強(qiáng)烈電離，帶電粒子高。u強(qiáng)電離區(qū)迅速向陽(yáng)極傳播主放電過(guò)程。u主放電通道貫穿電極間隙擊穿。

3、特點(diǎn)：由于其頭部場(chǎng)強(qiáng)極大，所以主放電通道發(fā)展速度及電導(dǎo)都遠(yuǎn)大于先導(dǎo)通道。10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 11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；（）流注頭部電子崩的形成；（）先導(dǎo)和其頭部的流注；（）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；（）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；（）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 121.3.4 1.3.4 極不均勻場(chǎng)中的極性效應(yīng)極不均勻場(chǎng)中的極性

4、效應(yīng)u正棒負(fù)板13u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：u（1）使電暈起始電壓提高。u（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。 14u負(fù)棒正板15u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。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：u（1）電暈起始電壓比正極性時(shí)要低。u（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。161.4 1.4 氣體間隙的穩(wěn)態(tài)擊穿氣體間隙的穩(wěn)態(tài)擊穿u

5、電壓波形 持續(xù)作用的穩(wěn)態(tài)電壓直流 工頻 沖擊電壓（瞬態(tài)）雷電沖擊 操作沖擊u電場(chǎng)形式 均勻場(chǎng) 稍不均勻場(chǎng) 極不均勻場(chǎng)171.4.1 1.4.1 均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)u分散性小u直流擊穿電壓工頻擊穿電壓 均勻電場(chǎng)中空氣的擊穿電壓經(jīng)驗(yàn)公式d-間隙距離(cm) -空氣相對(duì)密度 ddU08. 622.24018均勻電場(chǎng)，標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)條件，穩(wěn)態(tài)電壓作用時(shí)，空氣間隙的擊穿電壓峰值Ub與極間距離的關(guān)系 191.4.2 1.4.2 稍不均勻電場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng)u 分散性小u直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓基本相等u擊穿電壓與電場(chǎng)的均勻度相關(guān)。越均勻，擊穿電壓越高u極性效應(yīng)，在不對(duì)稱(chēng)場(chǎng)中201.4.2 1.4.2 稍不均勻電

6、場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng)極性效應(yīng)：（球球間隙） 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)21假設(shè)球直徑D當(dāng)dD/4，電場(chǎng)相當(dāng)均勻 ，直流電壓、工頻電壓及 沖擊電壓作用下，擊穿電 壓都相同 當(dāng)dD/4，大地對(duì)電場(chǎng)的 畸變作用使間隙電場(chǎng)分布 不對(duì)稱(chēng)，Ub有極性效應(yīng) 負(fù)極性時(shí)的擊穿電壓略低 于正極性時(shí)的數(shù)值 同一間隙距離下，球電極直徑越大，由于電場(chǎng)均勻程度增加，擊穿電壓也越高 2Dd 221.4.3 1.4.3 極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng) 波形影響大，分散性大，極性效應(yīng)明顯極性效應(yīng)：極性效應(yīng)：最高：負(fù)棒正板，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)最高：負(fù)棒正板，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng) 約為約為10kV/cm次高：棒棒，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)次高

7、：棒棒，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng) 約為約為4.85.0kV /cm最低：正棒負(fù)板，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)最低：正棒負(fù)板，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng) 約為約為4.5kV/cm（一）（一） 直流擊穿電壓直流擊穿電壓23“棒棒棒棒”和和“棒板棒板”空氣氣隙的直流擊穿空氣氣隙的直流擊穿特性特性“棒棒棒棒”和和“棒板棒板”長(zhǎng)間隙的直流擊穿長(zhǎng)間隙的直流擊穿特性特性24（二）（二） 工頻擊穿電壓工頻擊穿電壓u在棒-板間隙中，擊穿總是在棒為正的半周期內(nèi)，電壓達(dá)到幅值附近時(shí)發(fā)生u工頻擊穿電壓稍低于直流電壓下的擊穿電壓 （這是由于前半周期留下的空間電荷對(duì)棒極前方的電 場(chǎng)有所加強(qiáng)的緣故）u棒-棒間隙的擊穿電壓比棒-板間隙的要高一些 （這是由于棒-棒的

8、電場(chǎng)更均勻一些）u擊穿電壓具有“飽和現(xiàn)象”。25“棒棒”和“棒板”長(zhǎng)氣隙的工頻擊穿特性 1棒棒 2棒板 在d2m，擊穿電壓與氣隙距離的關(guān)系出現(xiàn)“飽和”趨勢(shì)261.5 1.5 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、雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形一、雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形非周期性指數(shù)衰減波非周期性指數(shù)衰減波雷電流是沖擊波形的，雷電流是沖擊波形的，故由雷閃放電引起的高故由雷閃放電引起的高電壓也具有沖擊波形電壓也具有沖擊波形 T11.2 s（ 30%） T250 s（ 20%） 27二、放電時(shí)延二、放電時(shí)延擊穿條件：擊穿條件：足夠幅值的電壓，一定時(shí)間的作用足夠幅值的電壓，一定時(shí)間的作用統(tǒng)計(jì)時(shí)

9、延統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts有效電子（能引起電離過(guò)程并最終有效電子（能引起電離過(guò)程并最終導(dǎo)致?lián)舸┑碾娮樱┊a(chǎn)生。不均勻電場(chǎng)內(nèi)，導(dǎo)致?lián)舸┑碾娮樱┊a(chǎn)生。不均勻電場(chǎng)內(nèi)， ts小小。放電形成時(shí)延放電形成時(shí)延tf出現(xiàn)電子崩、形成流注、主放出現(xiàn)電子崩、形成流注、主放電、間隙擊穿。均勻電場(chǎng)內(nèi)，電、間隙擊穿。均勻電場(chǎng)內(nèi)， tf小小。放電時(shí)延放電時(shí)延 tlag ts tf28影響影響tlag的因素：的因素：U增大， tlag減小紫外光照射沖擊放電所需的全部時(shí)間沖擊放電所需的全部時(shí)間ftt tts1b 29三、雷電三、雷電50%50%沖擊擊穿電壓（沖擊擊穿電壓（U U50%50%） u原因放電時(shí)延的分散性電壓升高到一定程度，10

10、0擊穿U U50%50%在多次施加電壓時(shí)，其中半數(shù)導(dǎo)致?lián)舸┰诙啻问┘与妷簳r(shí)，其中半數(shù)導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷?，工程上以此?lái)反映間隙的耐受沖擊電的電壓，工程上以此來(lái)反映間隙的耐受沖擊電壓的特性壓的特性試驗(yàn)方法：多級(jí)法（每級(jí)加壓試驗(yàn)方法：多級(jí)法（每級(jí)加壓6次，曲線(xiàn)），升次，曲線(xiàn)），升降法（降法（10次中次中46次擊穿）次擊穿）30( (三三) ) 雷電沖擊雷電沖擊50%50%擊穿電壓擊穿電壓u高于穩(wěn)態(tài)擊穿電壓（直流擊穿電壓或工頻擊穿電壓幅值）。 u分散性較大。其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取3%。u擊穿通常發(fā)生在波尾。u和間隙距離大致呈線(xiàn)性關(guān)系，即無(wú)飽和趨勢(shì)。 （因?yàn)樽饔脮r(shí)間短，間隙距離加大后，需要 提高先導(dǎo)發(fā)展速度才能完成

11、放電，因此擊 穿電壓提高） 值持續(xù)電壓下的擊穿電壓擊穿電壓值雷電沖擊沖擊系數(shù)%5031極不均勻場(chǎng)中的極性效應(yīng)極不均勻場(chǎng)中的極性效應(yīng)32四四. .伏秒特性伏秒特性 n以斜角波電壓為例來(lái)說(shuō)明考慮放電時(shí)延的必要性以斜角波電壓為例來(lái)說(shuō)明考慮放電時(shí)延的必要性 在間隙上緩慢地施加直流電壓，達(dá)到靜態(tài)擊穿電壓在間隙上緩慢地施加直流電壓，達(dá)到靜態(tài)擊穿電壓U0后，間隙中開(kāi)始發(fā)展起擊穿過(guò)程。但擊穿需一定時(shí)間后，間隙中開(kāi)始發(fā)展起擊穿過(guò)程。但擊穿需一定時(shí)間 = tl，在此時(shí)間內(nèi)電壓，在此時(shí)間內(nèi)電壓 上升上升 擊穿完成時(shí)間隙上的電壓擊穿完成時(shí)間隙上的電壓 應(yīng)為應(yīng)為U0+ U tuU/33伏秒特性的繪制伏秒特性的繪制實(shí)驗(yàn)方

12、法實(shí)驗(yàn)方法u保持間隙距離不變、保持沖擊電壓波形不變，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。34伏秒特性曲線(xiàn)的形狀與電場(chǎng)分布有關(guān)伏秒特性曲線(xiàn)的形狀與電場(chǎng)分布有關(guān)u在均勻電場(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(xiàn)平坦。u在極不均勻電場(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(xiàn)較為陡峭。 35伏秒特性的分散性伏秒特性的分散性u(píng)放電時(shí)間具有分放電時(shí)間具有分散性，每級(jí)電壓散性，每級(jí)電壓下放電時(shí)間不同下放電時(shí)間不同，實(shí)際上伏秒特，實(shí)際上伏秒特性是以上、下包性是以上、下包絡(luò)線(xiàn)為界的一個(gè)絡(luò)線(xiàn)為界的一個(gè)帶狀區(qū)域帶狀區(qū)域36伏秒特性的

13、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，不起保護(hù)作用不起保護(hù)作用371.6 1.6 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n非周期性指數(shù)衰減波非周期性指數(shù)衰減波 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 n衰減振蕩電壓衰減振蕩電壓 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2000一一3000 s之間之間 ，反極性，反極性的第二個(gè)半波的幅值達(dá)到第一個(gè)半波幅值的第二個(gè)半波的幅值達(dá)到第一個(gè)半波幅值80 38二、操作沖擊二、操作沖擊50%50

14、%擊穿電壓擊穿電壓u均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)中均勻電場(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，擊穿電壓的分散性也較小。u極不均勻電場(chǎng)中極不均勻電場(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)。39（1 1）波形的影響）波形的影響n(yōu)在一定的波前時(shí)間范圍在一定的波前時(shí)間范圍內(nèi)，內(nèi)，U50 甚至?xí)裙ゎl擊甚至?xí)裙ゎl擊穿電壓低穿電壓低U U形曲線(xiàn)形曲線(xiàn) n對(duì)應(yīng)于極小值的波前時(shí)對(duì)應(yīng)于極小值的波前時(shí)間隨著間隙距離加大而間隨著間隙距離加大而增加，對(duì)增加，對(duì)7m以下的間隙以下的間隙，大致在，

15、大致在50 200 s之間之間n放電時(shí)延和空間電荷放電時(shí)延和空間電荷(形形成及遷移成及遷移)這兩類(lèi)不同因這兩類(lèi)不同因素的影響所造成的素的影響所造成的 放電時(shí)延放電時(shí)延的作用的作用空間電荷對(duì)空間電荷對(duì)電場(chǎng)的影響電場(chǎng)的影響40（2）極性效應(yīng)）極性效應(yīng) 極不均勻電場(chǎng)中同樣有極性效應(yīng)。正極性下極不均勻電場(chǎng)中同樣有極性效應(yīng)。正極性下50擊穿電壓比負(fù)擊穿電壓比負(fù)極性下低，所以也更危險(xiǎn)極性下低，所以也更危險(xiǎn) （3）分散性大）分散性大 對(duì)于波前時(shí)間在數(shù)十到數(shù)百對(duì)于波前時(shí)間在數(shù)十到數(shù)百s的操作沖擊電壓，極不均勻電場(chǎng)間的操作沖擊電壓，極不均勻電場(chǎng)間隙隙50擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差 約為約為5；波前時(shí)間超過(guò)；波前時(shí)間超過(guò)1000 s以以后，可達(dá)后，可達(dá)8左右（工頻及雷電沖擊電壓下均約為左右（工頻及雷電沖擊電壓下均約為3） 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，所以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41（4）“飽和飽和”現(xiàn)現(xiàn)象象 極不均勻電場(chǎng)中操極不均勻電場(chǎng)中操作沖擊作沖擊50擊穿電擊穿電壓和間隙距離的關(guān)壓和間隙距離的關(guān)系具有明顯的系具有明顯的“飽飽和和”特征（雷電沖特征（雷電沖擊擊50擊穿電壓和擊穿電壓和距離大致呈線(xiàn)性關(guān)距離大致呈線(xiàn)性關(guān)系系 ）42( (四四) ) 操作沖擊操作沖擊50%50%擊穿電壓擊穿電壓