第4講 氣體電介質(zhì)的絕緣特性

高電壓技術(shù)高電壓工程系李黎leeli@2第4講氣體電介質(zhì)的絕緣特性（三）3回顧帶電粒子的消失和擴(kuò)散自持放電和非自持放電重點(diǎn)：湯遜理論重點(diǎn)：流注理論不均勻電場的放電特點(diǎn)——電暈本次課程極不均勻場中的放電過程穩(wěn)態(tài)電壓下的氣體擊穿瞬態(tài)電壓下的氣體擊穿重點(diǎn)：極性效應(yīng)451.3.3極不均勻場中的放電過程一、非自持放電階段電子崩產(chǎn)生陽極積聚正電荷6二、流注發(fā)展階段頭部電場增強(qiáng)——新電子崩——流注前移7三、先導(dǎo)放電階段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（具有熱電離過程的通道）。新的電離過程使電離加強(qiáng)，電導(dǎo)增大，從而加大了其頭部前沿區(qū)域中的場強(qiáng)，引起新的流注，導(dǎo)致先導(dǎo)通道不斷伸長。8流注根部溫度升高熱電離過程先導(dǎo)通道電離加強(qiáng)，更為明亮電導(dǎo)增大軸向場強(qiáng)更低發(fā)展速度更快長空氣間隙的平均擊穿場強(qiáng)遠(yuǎn)低于短間隙9四、主放電過程先導(dǎo)頭部達(dá)到板極。小間隙中的高場強(qiáng)引起強(qiáng)烈電離，帶電粒子高。強(qiáng)電離區(qū)迅速向陽極傳播——主放電過程。主放電通道貫穿電極間隙——擊穿。特點(diǎn)：由于其頭部場強(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。10１——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11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)和空氣間隙電場強(qiáng)度的分布121.3.4極不均勻場中的極性效應(yīng)正棒－負(fù)板13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強(qiáng)度而加強(qiáng)了正離子群外部空間的電場結(jié)果：（1）使電暈起始電壓提高。（2）外部空間電場加強(qiáng)，有利于流注的發(fā)展，因此擊穿電壓較低。14負(fù)棒—正板15電子崩中的電子離開強(qiáng)電場區(qū)后，不再能引起電離，向陽極運(yùn)動(dòng)的速度也越來越慢。電子崩中的正離子加強(qiáng)了棒極附近的場強(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)生的附加電場與原電場方向相反，削弱了外部空間的電場，阻礙了流注的發(fā)展，因此擊穿電壓較高。161.4氣體間隙的穩(wěn)態(tài)擊穿電壓波形持續(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

操作沖擊電場形式均勻場稍不均勻場極不均勻場171.4.1均勻電場分散性小直流擊穿電壓＝工頻擊穿電壓均勻電場中空氣的擊穿電壓經(jīng)驗(yàn)公式d-間隙距離(cm)-空氣相對密度

18均勻電場，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稍不均勻電場分散性小直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓基本相等擊穿電壓與電場的均勻度相關(guān)。越均勻，擊穿電壓越高極性效應(yīng)，在不對稱場中201.4.2稍不均勻電場極性效應(yīng)：（球－球間隙）不接地時(shí)，無極性效應(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)d＜D/4，電場相當(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)d＞D/4，大地對電場的

畸變作用使間隙電場分布

不對稱，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，由于電場均勻程度增加，擊穿電壓也越高

221.4.3極不均勻電場波形影響大，分散性大，極性效應(yīng)明顯極性效應(yīng)：最高：負(fù)棒正板，平均擊穿場強(qiáng)約為10kV/cm次高：棒棒，平均擊穿場強(qiáng)約為4.8~5.0kV/cm最低：正棒負(fù)板，平均擊穿場強(qiáng)約為4.5kV/cm（一）直流擊穿電壓23“棒－棒”和“棒－板”空氣氣隙的直流擊穿特性“棒－棒”和“棒－板”長間隙的直流擊穿特性24（二）工頻擊穿電壓在棒-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棒極前方的電場有所加強(qiáng)的緣故）棒-棒間隙的擊穿電壓比棒-板間隙的要高一些（這是由于棒-棒的電場更均勻一些）擊穿電壓具有“飽和現(xiàn)象”。25“棒－棒”和“棒－板”長氣隙的工頻擊穿特性

1——棒－棒2——棒－板

在d<1m內(nèi)，“棒－棒”和“棒－板”氣隙的工頻擊穿電壓幾乎相等，當(dāng)d>2m，擊穿電壓與氣隙距離的關(guān)系出現(xiàn)“飽和”趨勢261.5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)波形非周期性指數(shù)衰減波雷電流是沖擊波形的，故由雷閃放電引起的高電壓也具有沖擊波形T1＝1.2s（30%）

T2＝50s（20%）

27二、放電時(shí)延擊穿條件：足夠幅值的電壓，一定時(shí)間的作用統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts——有效電子（能引起電離過程并最終導(dǎo)致?lián)舸┑碾娮樱┊a(chǎn)生。不均勻電場內(nèi)，ts小。放電形成時(shí)延tf——出現(xiàn)電子崩、形成流注、主放電、間隙擊穿。均勻電場內(nèi)，tf小。放電時(shí)延

tlag＝ts＋

tf28影響tlag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

29三、雷電50%沖擊擊穿電壓（U50%）

原因——放電時(shí)延的分散性電壓升高到一定程度，100％擊穿U50%——在多次施加電壓時(shí)，其中半數(shù)導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷?，工程上以此來反映間隙的耐受沖擊電壓的特性試驗(yàn)方法：多級法（每級加壓6次，曲線），升降法（10次中4－6次擊穿）30(三)雷電沖擊50%擊穿電壓高于穩(wěn)態(tài)擊穿電壓（直流擊穿電壓或工頻擊穿電壓幅值）。

分散性較大。其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取3%。擊穿通常發(fā)生在波尾。和間隙距離大致呈線性關(guān)系，即無飽和趨勢。

（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)展速度才能完成放電，因此擊穿電壓提高）

31極不均勻場中的極性效應(yīng)32四.伏秒特性

以斜角波電壓為例來說明考慮放電時(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U0后，間隙中開始發(fā)展起擊穿過程。但擊穿需一定時(shí)間=tl，在此時(shí)間內(nèi)電壓上升擊穿完成時(shí)間隙上的電壓應(yīng)為U0+U

33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，逐級升高電壓使氣隙發(fā)生擊穿，讀取擊穿電壓值U與擊穿時(shí)間t。34伏秒特性曲線的形狀與電場分布有關(guān)在均勻電場和稍不均勻電場中，擊穿時(shí)平均場強(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。在極不均勻電場中，平均擊穿場強(qiáng)較低，放電時(shí)延較長，放電分散性大，伏秒特性曲線較為陡峭。35伏秒特性的分散性放電時(shí)間具有分散性，每級電壓下放電時(shí)間不同，實(shí)際上伏秒特性是以上、下包絡(luò)線為界的一個(gè)帶狀區(qū)域36伏秒特性的用途Ｓ２對Ｓ1起保護(hù)作用在高幅值沖擊電壓作用下，Ｓ２不起保護(hù)作用371.6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250／2500s

衰減振蕩電壓第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間在2000一3000s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％38二、操作沖擊50%擊穿電壓均勻電場和稍不均勻電場中間隙的操作沖擊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。極不均勻電場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)間無關(guān)。39（1）波形的影響在一定的波前時(shí)間范圍內(nèi)，U50甚至?xí)裙ゎl擊穿電壓低——U形曲線

對應(yīng)于極小值的波前時(shí)間隨著間隙距離加大而增加，對7m以下的間隙，大致在50200s之間放電時(shí)延和空間電荷(形成及遷移)這兩類不同因素的影響所造成的

放電時(shí)延的作用空間電荷對電場的影響40（2）極性效應(yīng)

極不均勻電場中同樣有極性效應(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）分散性大對于波前時(shí)間在數(shù)十到數(shù)百μs的操作沖擊電壓，極不均勻電場間隙50％擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為5％；波前時(shí)間超過1000s以后，可達(dá)8％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”現(xiàn)象

極不均勻電場中操作沖擊50％擊穿電壓和間隙距離的關(guān)系具有明顯的“飽和”特征（雷電沖擊50％擊穿電壓和距離大致呈線性關(guān)系）42(四)操作沖擊50%擊穿電壓擊穿通常發(fā)生在波頭部分。擊穿電壓與波頭時(shí)間呈現(xiàn)出U形曲線。

（放電時(shí)延和空