高電壓技術(shù)第一章

高電壓技術(shù)第一章第一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二1、

氣體放電概念及其主要形式氣體放電氣體擊穿沿面閃絡(luò)氣體放電氣體的絕緣特性氣體的電氣強(qiáng)度輝光放電電暈放電火花放電電弧放電氣體放電的基本概念氣體放電的主要形式氣體放電主要形式第二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二1.1氣體放電的基本概念1.1.1氣體放電1.1.2氣體的絕緣特性1.1.3氣體的電氣強(qiáng)度第三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二1.1.1氣體放電氣體放電：氣體中流通電流的各種形式；氣體擊穿：氣體電絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)的過程；沿面閃絡(luò)：擊穿發(fā)生在氣體與液體、氣體與固體交界面上的放電現(xiàn)象；

工程上將擊穿和閃絡(luò)統(tǒng)稱為放電。第四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二1.1.2氣體的絕緣特性氣體指高壓電氣設(shè)備中常用的空氣、SF6、以及高強(qiáng)度混合氣體等氣態(tài)絕緣介質(zhì)。空氣：架空線路、變壓器外絕緣；SF6：SF6斷路器和SF6全封閉組合電器；氣體失去絕緣后，雖然可以自動(dòng)恢復(fù)，但其放電所造成的事故已經(jīng)發(fā)生，因此我們要研究氣體的電氣強(qiáng)度?？諝馐亲盍畠r(jià)、應(yīng)用最廣、自動(dòng)恢復(fù)絕緣的氣體，因此我們主要研究空氣的放電。第五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二1.1.3氣體的電氣強(qiáng)度氣體的電氣強(qiáng)度表征氣體耐受電壓作用的能力。均勻電場中擊穿電壓Ub與間隙距離之比稱為擊穿場強(qiáng)Eb。我們把均勻電場中氣隙的擊穿場強(qiáng)Eb稱為氣體的電氣強(qiáng)度?？諝庠跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電氣強(qiáng)度為30kV/cm;注意：不能把不均勻場中氣隙Ub與間隙距離之比稱為氣體的電氣強(qiáng)度，通常稱之為平均擊穿場強(qiáng)。第六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二1.2氣體放電的主要形式注意：電暈放電時(shí)氣隙未擊穿，而輝光放電、火花放電、電弧放電均指擊穿后的放電現(xiàn)象，且隨條件不同，這些放電現(xiàn)象可相互轉(zhuǎn)換。常見放電形式輝光放電電暈放電刷狀放電電弧放電第七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二2氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失電子碰撞電離－α正離子碰撞電離－β碰撞電離光電離熱電離空間電離表面電離正離子碰撞陰極－γ光電效應(yīng)強(qiáng)場發(fā)射熱電子發(fā)射電場作用下氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的定向運(yùn)動(dòng)帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合2.1帶電質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生2.2帶電質(zhì)點(diǎn)消失氣體放電發(fā)展過程第八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二2.1氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生氣體原子的激發(fā)和游離第九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二2.1氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生氣體原子的激發(fā)和游離激勵(lì)：原子外層電子躍遷到較遠(yuǎn)的軌道上去的現(xiàn)象。激勵(lì)能：產(chǎn)生激勵(lì)需要的能量。電離：使原來的一個(gè)中性原子變成一個(gè)自由電子和一個(gè)帶正電荷的離子的現(xiàn)象。電離能： 電離所需的最小能量（Wi）。分級電離： 先經(jīng)過激勵(lì)再產(chǎn)生電離的過程。第十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二2.2氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失（一）電場作用下氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的定向運(yùn)動(dòng)帶電質(zhì)點(diǎn)一旦產(chǎn)生，在外電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成電導(dǎo)電流。（二）帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散帶電質(zhì)點(diǎn)從濃度較大區(qū)域轉(zhuǎn)移到濃度較小區(qū)域。（熱運(yùn)動(dòng)）電子擴(kuò)散比離子擴(kuò)散高3個(gè)數(shù)量級第十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二2.2氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失正離子和負(fù)離子或電子相遇時(shí)，發(fā)生電荷的傳遞而相互中和還原為分子的過程，復(fù)合放出能量。復(fù)合的質(zhì)點(diǎn)相對速度越大，復(fù)合概率越小。復(fù)合過程要阻礙放電的發(fā)展，但在一定條件下又可因復(fù)合時(shí)的光輻射加劇放電的發(fā)展。放電過程中絕大多數(shù)是正、負(fù)離子之間復(fù)合，參加復(fù)合的電子絕大多數(shù)先形成負(fù)離子再與正離子復(fù)合。（三）帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合第十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3湯遜理論和流注理論3.1.1非自持放電和自持放電3.1.2低氣壓下均勻電場自持放電的湯遜理論3.1.3巴申定律3.2.1空間電荷對電場的畸變3.2.2高氣壓下均勻電場自持放電的流注理論3.2.3流注理論對放電現(xiàn)象的解釋3.1湯遜理論和巴申定律3.2流注理論湯遜理論和流注理論3.1.4湯遜理論的適用范圍第十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1湯遜理論和巴申定律3.1.1非自持放電和自持放電3.1.2低氣壓下均勻電場自持放電的湯遜理論3.1.3巴申定律3.1.4湯遜理論的適用范圍第十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.1非自持放電和自持放電非自持放電與自持放電的分界點(diǎn)氣體放電實(shí)驗(yàn)的伏安特性曲線第十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.1非自持放電和自持放電氣體放電實(shí)驗(yàn)的伏安特性曲線圖表示實(shí)驗(yàn)所得平板電極(均勻電場)氣體中的電流I與所加電壓的關(guān)系：即伏安特性氣體放電伏安特性第十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.1非自持放電和自持放電實(shí)驗(yàn)分析OA段：電流隨電壓升高而升高。這是由于電極空間的帶電粒子向電極運(yùn)動(dòng)加速而導(dǎo)致復(fù)合數(shù)的減少所致(非自持)。AB段：電流僅取決于外電離因素與電壓無關(guān)。電流趨向于飽和值，因?yàn)檫@時(shí)外界電離因子所產(chǎn)生的帶電粒子幾乎能全部抵達(dá)電極，所以電流值與所加電壓無關(guān)(非自持)。BC段：當(dāng)電壓提高到時(shí)，電流又開始隨電壓的升高而增大，這是由于氣隙中出現(xiàn)碰撞電離和電子崩。電壓升高碰撞電離增強(qiáng)但仍靠外電離維持(非自持)C點(diǎn)后：當(dāng)所加電壓大于U0時(shí)，只靠外加電壓就能維持(自持)第十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.1非自持放電和自持放電如果取消外電離因素，那么電流也將消失，這類依靠外電離因素的作用而維持的放電叫非自持放電。氣隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素。外施電壓到達(dá)U0后的放電稱為自持放電。U0稱為起始放電電壓。第十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.2低氣壓下均勻電場自持放電的

湯遜理論（一）電子崩(a)電子崩的形成(b)帶電離子在電子崩中的分布

外界電離因子在陰極附近產(chǎn)生了一個(gè)初始電子，如果空間電場強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)就會引起碰撞電離，產(chǎn)生一個(gè)新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，又會引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。依此，電子將按照幾何級數(shù)不斷增多，類似雪崩一樣地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為電子崩。第十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.2低氣壓下均勻電場自持放電的

湯遜理論n是包括起始電子在內(nèi)的電子崩中的電子數(shù)，它表征一個(gè)起始電子在向陽極運(yùn)動(dòng)過程到達(dá)陽極時(shí)產(chǎn)生的電子數(shù)。湯遜理論中的α過程設(shè)外電離因素在陰極表面產(chǎn)生的起始電子數(shù)為n0，當(dāng)起始電子到達(dá)離陰極x處時(shí)，電子數(shù)為n，這n個(gè)電子行經(jīng)dx后，又會產(chǎn)生dn個(gè)新電子,即第二十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.2低氣壓下均勻電場自持放電的

湯遜理論α對E值敏感，當(dāng)E/δ不變時(shí)，系數(shù)α與氣體相對密度成正比；湯遜理論中的α過程經(jīng)推導(dǎo)，得A,B常數(shù)δ：空氣相對密度，δ∝pE：場強(qiáng)第二十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.2低氣壓下均勻電場自持放電的

湯遜理論湯遜理論中的β過程氣隙中碰撞電離而產(chǎn)生的正離子，即從陰極產(chǎn)生的一個(gè)電子消失在陽極前，由α過程形成的正離子數(shù)。即第二十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.2低氣壓下均勻電場自持放電的

湯遜理論

正離子消失在陰極前，由γ過程在陰極上釋放出二次電子數(shù)，即

表示由γ過程在陰極上重新產(chǎn)生一個(gè)電子，此時(shí)不再需要外電離因素就能使電離維持發(fā)展，即轉(zhuǎn)入自持放電。湯遜理論中的γ過程第二十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.2低氣壓下均勻電場自持放電的

湯遜理論自持放電條件如自持放電條件滿足時(shí)，會形成下圖的閉環(huán)部分第二十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.2低氣壓下均勻電場自持放電的

湯遜理論總結(jié)：將電子崩和陰極上的γ過程作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。湯遜理論的實(shí)質(zhì)是電子碰撞電離是氣體放電的主要原因，二次電子來源于正離子撞擊陰極表面使陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。陰極逸出電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。第二十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.3巴申定律根據(jù)自持放電條件，導(dǎo)出擊穿電壓的表達(dá)式A、B是與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，ub為氣溫不變的條件下，均勻電場中氣體的自持放電起始電壓等于氣隙擊穿電壓。巴申定律：當(dāng)氣體成份和電極材料一定時(shí)，氣體間隙擊穿電壓(ub)是氣壓(p)和極間距離(d)乘積的函數(shù)。第二十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.3巴申定律均勻電場中幾種氣體擊穿電壓Ub與pd的關(guān)系

巴申曲線表明，改變極間距離d的同時(shí)，也相應(yīng)改變氣壓p而使pd的乘積不變，則極間距離不等的氣隙擊穿電壓卻彼此相等。第二十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.3巴申定律原因：形成自持放電需要達(dá)到一定的電離數(shù)αd，而這又取決于碰撞次數(shù)與電離概率的乘積。高氣壓、高真空都可以提高擊穿電壓，工程上已得到廣泛應(yīng)用（如：壓縮空氣開關(guān)、真空開關(guān)等）第二十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.1.4湯遜理論的適用范圍湯遜理論是在低氣壓pd較小條件下建立起來的，pd過大，湯遜理論就不再適用。pd過大時(shí)（氣壓高、距離大）湯遜理論無法解釋：放電時(shí)間：很短；放電外形：具有分支的細(xì)通道；擊穿電壓：與理論計(jì)算不一致；陰極材料：無關(guān)；湯遜理論適用于pd<26.66kPa·cm。第二十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.2流注理論3.2.1空間電荷對電場的畸變3.2.2高氣壓下均勻電場自持放電的流注理論3.2.3流注理論對放電現(xiàn)象的解釋第三十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.2流注理論

湯遜放電理論所討論的是低氣壓、短氣隙的情況，但在高氣壓（101.3kPa或更高）、長氣隙的情況[pd>>26.66kPa·cm]，湯遜理論將不適用。以自然界的雷電為例，它發(fā)生在兩塊雷云之間或雷云與大地之間，這時(shí)不存在金屬陰極，因而與陰極上的γ過程和二次電子發(fā)射根本無關(guān)。氣體放電流注理論以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，它考慮了高氣壓、長氣隙情況下不容忽視的若干因素對氣體放電的影響，主要有以下兩方面空間電荷對原有電場的影響；空間光電離的作用。第三十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.2.1空間電荷對電場的畸變(d)這些光子將導(dǎo)致空間光電離。(a)電子崩崩頭集中著電子，其后是正離子，形狀似半球形錐體；(b)空間電荷分布極不均勻，大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾的電場，削弱了電子崩內(nèi)部的電場；(c)崩頭電場明顯增強(qiáng)，有利于分子和離子的激勵(lì)現(xiàn)象，當(dāng)它們從激勵(lì)態(tài)恢復(fù)到正常態(tài)時(shí)將放射出光子；電子崩內(nèi)部電場削弱，有助于復(fù)合將放射出光子；第三十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.2.2高氣壓下均勻電場自持放電的

流注理論流注的形成和發(fā)展示意圖第三十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.2.2高氣壓下均勻電場自持放電的

流注理論（續(xù)1）起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩；初崩發(fā)展到陽極，正離子作為空間電荷畸變原電場，加強(qiáng)正離子與陰極間電場，放射出大量光子；光電離產(chǎn)生二次電子，在加強(qiáng)的局部電場下形成二次崩；二次崩電子與正空間電荷匯合成流注通道，其端部有二次崩留下的正電荷，加強(qiáng)局部電場產(chǎn)生新電子崩使其發(fā)展；流注頭部電離迅速發(fā)展，放射出大量光子，引起空間光電離，流注前方出現(xiàn)新的二次崩，延長流注通道；d)流注通道貫通，氣隙擊穿。注：流注速度為108～109cm/s，而電子崩速度為107cm/s。第三十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.2.2高氣壓下均勻電場自持放電的

流注理論（續(xù)2）流注條件： 必要條件是電子崩發(fā)展到足夠的程度，電子崩中的空間電荷足以使原電場明顯畸變，加強(qiáng)電子崩崩頭和崩尾處的電場；另一方面電子崩中電荷密度很大，所以復(fù)合頻繁，放射出的光子在這部分很強(qiáng)，電場區(qū)很容易成為引發(fā)新的空間光電離的輻射源，二次電子主要來源于空間光電離；氣隙中一旦形成流注，放電就可由空間光電離自行維持。流注自持放電條件：初崩頭部電子數(shù)要達(dá)到108時(shí)，放電才能轉(zhuǎn)為自持，出現(xiàn)流注?；虻谌屙?，共九十四頁，編輯于2023年，星期二3.2.3流注理論對放電現(xiàn)象的解釋放電時(shí)間 二次崩的起始電子是光子形成的，而光子以光速傳播，所以流注發(fā)展非?？?。擊穿時(shí)間比湯遜理論推算的小得多放電外形 二次崩的發(fā)展具有不同的方位，所以流注的推進(jìn)不可能均勻，而且具有分支。陰極材料 大氣條件下的氣體放電不依賴陰極表面電離，而是靠空間光電離產(chǎn)生電子維持，因此與陰極材料無關(guān)。第三十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二小結(jié)1.湯遜理論只適用于pd值較小的范圍，流注理論只適用于pd值較大的范圍，二者過渡值為pd=26.66kPa·cm；(1)湯遜理論的基本觀點(diǎn)： 電子碰撞電離是氣體放電時(shí)電流倍增的主要過程，而陰極表面的電子發(fā)射是維持放電的必要條件。(2)流注理論的基本觀點(diǎn)：以湯遜理論的碰撞電離為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)空間電荷對電場的畸變作用，著重于用氣體空間光電離來解釋氣體放電通道的發(fā)展過程；放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過程，當(dāng)初始電子崩中離子數(shù)達(dá)108以上時(shí)，引起空間光電離質(zhì)變，電子崩匯合成流注；流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持。第三十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二小結(jié)2.引起氣體放電的外部原因有兩個(gè)，其一是電場作用，其二是外電離因素。 把去掉外界因素作用后，放電立即停止的放電形式稱為非自持放電；把由電場作用就能維持的放電稱為自持放電。3.湯遜理論和流注理論自持放電條件的比較(1)湯遜理論：自持放電由陰極過程來維持；流注理論：依賴于空間光電離。(2)γ系數(shù)的物理意義不同。第三十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二流注發(fā)展過程

初始電子崩（電子崩頭部電子數(shù)達(dá)到一定數(shù)量）→電場畸變和加強(qiáng)；→電子崩頭部正負(fù)空間電荷復(fù)合；→放射大量光子；→光電離；→崩頭處二次電子（光電子）；→（向正空間電荷區(qū)運(yùn)動(dòng)）碰撞游離；→二次電子崩；→（二次電子崩電子跑到初崩正空間電荷區(qū)域）流注。第三十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二4不均勻電場中的放電過程4.1電場不均勻程度的劃分4.2稍不均勻電場中的擊穿過程不均勻電場放電過程4.3極不均勻電場中的擊穿過程4.3.1電暈放電4.3.2極性效應(yīng)4.3.3長間隙放電第四十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二4.1電場不均勻程度的劃分球隙的放電特性與極間距離的關(guān)系1-擊穿電壓2-電暈起始電壓3-放電不穩(wěn)定區(qū)第四十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二4.1電場不均勻程度的劃分電場越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓之間的差別越大；從放電觀點(diǎn)看：電場的不均勻程度可以根據(jù)是否存在穩(wěn)定的電暈放電來區(qū)分；從電場均勻程度看：可用電場的不均勻系數(shù)劃分f<2時(shí)為稍不均勻電場；

f>4時(shí)為極不均勻電場。Emax：最大場強(qiáng)；Eav： 平均場強(qiáng)第四十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二4.2稍不均勻電場中的擊穿過程稍不均勻電場中的放電過程與均勻電場相似，屬于流注擊穿，擊穿條件就是自持放電條件，無電暈產(chǎn)生。但稍不均勻電場中場強(qiáng)并非處處相等.第四十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二4.3極不均勻電場中的擊穿過程4.3.1電暈放電4.3.2極性效應(yīng)第四十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二4.3.1電暈放電定義：由于電場強(qiáng)度沿氣隙的分布極不均勻，因而當(dāng)所加電壓達(dá)到某一臨界值時(shí)，曲率半徑較小的電極附近空間的電場強(qiáng)度首先達(dá)到了起始場強(qiáng)E0，因而在這個(gè)局部區(qū)域出現(xiàn)碰撞電離和電子崩，甚至出現(xiàn)流注，這種僅僅發(fā)生在強(qiáng)場區(qū)（小曲率半徑電極附近空間）的局部放電稱為電暈放電。特點(diǎn)：電暈放電是極不均勻電場特有的自持放電形式，電暈起始電壓低于擊穿電壓，電場越不均勻其差值越大。第四十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二4.3.1電暈放電不良影響：能量損耗；通信干擾等。解決方法：增大電極曲率半徑；采用分裂導(dǎo)線等。其它應(yīng)用：制造臭氧發(fā)生器、電暈除塵器等。

電暈放電的起始電壓一般用經(jīng)驗(yàn)公式來推算，應(yīng)用最廣的是皮克公式，電暈起始場強(qiáng)近似為m：導(dǎo)線表面粗糙系數(shù);δ:空氣相對密度；r:

導(dǎo)線半徑（cm）第四十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二4.3.2極性效應(yīng)極性效應(yīng)在極不均勻電場中，放電一定從曲率半徑較小的那個(gè)電極表面開始，與該電極極性無關(guān)。但后來的發(fā)展過程、氣隙的電氣強(qiáng)度、擊穿電壓等都與該電極的極性有密切的關(guān)系。極不均勻電場中的放電存在著明顯的極性效應(yīng)。極性決定于表面電場較強(qiáng)的電極所具有的電位符號：在兩個(gè)電極幾何形狀不同時(shí)，極性取決于曲率半徑較小的那個(gè)電極的電位符號，如“棒-板”氣隙。在兩個(gè)電極幾何形狀相同時(shí)，極性取決于不接地的那個(gè)電極上的電位，如“棒-棒”氣隙。第四十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二4.3.2極性效應(yīng)（1）自持放電前階段正空間電荷削弱棒極附近場強(qiáng)而加強(qiáng)外部電場，阻止棒極附近流注形成使電暈起始電壓提高；（2）自持放電階段空間電荷加強(qiáng)放電區(qū)外部空間的電場，因此當(dāng)電壓進(jìn)一步提高時(shí)，強(qiáng)場區(qū)將逐漸向極板推進(jìn)至擊穿。正極性第四十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二4.3.2極性效應(yīng)（1）自持放電前階段：正空間電荷加強(qiáng)棒極附近場強(qiáng)而削弱外部電場，促進(jìn)棒極附近流注形成使電暈起始電壓降低。（2）自持放電階段：空間電荷削弱放電區(qū)外部空間的電場，因此當(dāng)電壓進(jìn)一步提高時(shí)，電暈區(qū)不易向外擴(kuò)展，氣隙擊穿將不順利，因此負(fù)極性擊穿電壓比正極性高很多，完成擊穿所需時(shí)間也長得多。負(fù)極性第四十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二4.3.2極性效應(yīng)工程實(shí)際中，輸電線路外絕緣和高壓電器的外絕緣都屬于極不均勻電場分布，在交流電壓下的擊穿都發(fā)生在正半波。因此，考核絕緣沖擊特性時(shí)應(yīng)施加正極性的沖擊電壓。因此：第五十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5沖擊電壓下氣隙的擊穿特性5.1雷電沖擊電壓下的擊穿5.2操作沖擊電壓下的擊穿沖擊電壓下氣隙的擊穿特性5.2.1操作沖擊電壓的形成5.1.1雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形5.1.2沖擊放電時(shí)延5.1.3雷電沖擊50％擊穿電壓5.1.4伏秒特性5.2.2操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形5.2.3操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)第五十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.1雷電沖擊電壓下的擊穿5.1.1雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形5.1.2沖擊放電時(shí)延5.1.3雷電沖擊50％擊穿電壓5.1.4伏秒特性第五十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.1.1雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形第五十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.1.2沖擊放電時(shí)延沖擊電壓變化速度很快，作用時(shí)間很短（μs），與穩(wěn)態(tài)電壓作用時(shí)氣隙相比，它的放電時(shí)間就成為關(guān)注的重要因素。實(shí)驗(yàn)表明：對氣隙施加沖擊電壓使其擊穿不僅需要足夠幅值的電壓，有引起電子崩并導(dǎo)致流注和主放電的有效電子，而且需要一定的電壓作用時(shí)間。第五十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.1.2沖擊放電時(shí)延（續(xù)1）沖擊放電的總時(shí)間為：第五十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.1.2沖擊放電時(shí)延（續(xù)2）短氣隙中（1cm以下），特別是電場均勻時(shí)，tf<<ts，放電時(shí)延主要取決于ts。為減小ts：可提高外施電場使氣隙中出現(xiàn)有效電子的概率增加可采用人工光源照射，使陰極釋放出更多的電子較長氣隙時(shí)，放電時(shí)延主要決定于形成延時(shí)tf，且電場越不均勻，tf越大第五十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.1.3雷電沖擊50％擊穿電壓定義：在多次施加同一電壓時(shí)，其中半數(shù)導(dǎo)致氣隙擊穿，以此反映氣隙的耐受沖擊電壓的能力。特點(diǎn)：(1)在均勻和稍不均勻場中，擊穿電壓分散性小，沖擊系數(shù)

(2)在極不均勻電場中，由于放電時(shí)延較長，其沖擊系數(shù)擊穿電壓分散性也較大。第五十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.1.4伏秒特性第五十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.1.4伏秒特性（續(xù)1）繪制伏秒特性的方法保持沖擊電壓波形不變，逐級升高電壓使氣隙發(fā)生擊穿，記錄擊穿電壓波形，讀取擊穿電壓值U與擊穿時(shí)間t。當(dāng)電壓不很高時(shí)擊穿一般在波長發(fā)生；當(dāng)電壓很高時(shí)，擊穿百分比將達(dá)100％，放電時(shí)延大大縮短，擊穿可能發(fā)生在波前發(fā)生當(dāng)擊穿發(fā)生在波前時(shí)，U與t均取擊穿時(shí)的值；當(dāng)擊穿發(fā)生在波長時(shí)，U取波峰值，t取擊穿值50％伏秒特性的繪制第五十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.1.4伏秒特性（續(xù)2）極不均勻：平均擊穿場強(qiáng)低，放電時(shí)延長，曲線上翹；稍不均勻：平均擊穿場強(qiáng)高，放電時(shí)延短，曲線平坦。因此在避雷器等保護(hù)裝置中，保護(hù)間隙采用均勻電場，確保在各種電壓下保護(hù)裝置伏秒特性低于被保護(hù)設(shè)備。第六十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.1.4伏秒特性（續(xù)3）伏秒特性在絕緣配合中的應(yīng)用第六十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.2操作沖擊電壓下的擊穿5.2.1操作沖擊電壓的形成5.2.2操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形5.2.3操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)第六十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.2.1操作沖擊電壓的形成電力系統(tǒng)的輸電線及電氣設(shè)備都有各自的電感和電容，由于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的突變（正?；蚬收希?dǎo)致電感和電容元件間電磁能的互相轉(zhuǎn)換，引起振蕩性的過渡過程過渡過程會在電氣設(shè)備或局部電網(wǎng)上造成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常運(yùn)行的電壓，稱為操作過電壓操作過電壓幅值與波形跟電力系統(tǒng)的參數(shù)有密切關(guān)系，由于其過渡過程的振蕩基值是系統(tǒng)運(yùn)行電壓，因此電壓等級越高，操作過電壓幅值越高，最高可達(dá)到最大相電壓峰值的3～4倍第六十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.2.2操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形第六十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.2.3操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)均勻場和稍不均勻場中操作沖擊電壓的作用時(shí)間介于工頻電壓與雷電沖擊電壓之間。操作沖擊50%沖擊放電電壓U50、直流放電電壓、工頻放電電壓等峰值幾乎相同，分散性不大，擊穿發(fā)生在波前部分，與半峰時(shí)間無關(guān)。極不均勻場中操作沖擊表現(xiàn)出許多不同的特點(diǎn)第六十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.2.3操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)（續(xù)1）U形曲線左半支：波前↓→放電時(shí)延↓→Ub

↑右半支：波前↑→空間電荷遷移范圍↑→電極附近電場↓→Ub

↑第六十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.2.3操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)（續(xù)2）極性效應(yīng)

①在不同的電場結(jié)構(gòu)中，正操作沖擊50%擊穿電壓比負(fù)極性低，一般均討論正極性的情況。

②操作沖擊擊穿電壓不僅遠(yuǎn)低于雷電沖擊擊穿電壓，在某些波前時(shí)間內(nèi)，甚至比工頻擊穿電壓還低。

③在同極性的雷電沖擊標(biāo)準(zhǔn)波作用下，棒-板間隙的擊穿電壓比棒-棒間隙時(shí)低得不多，而在操作過電壓下，前者比后者低得多啟示：在設(shè)計(jì)高壓電氣設(shè)備時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)棒-板間隙第六十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二5.2.3操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)（續(xù)3）飽和現(xiàn)象

原因：長間隙下先導(dǎo)形成后，放電更易發(fā)展，這對于發(fā)展特高壓輸電技術(shù)是不利的；而雷電沖擊作用時(shí)間太短，其飽和不明顯，放電電壓與間隙距離一般呈線性關(guān)系。分散性大操作沖擊電壓下的氣隙擊穿電壓和放電時(shí)間的分散性都比雷電沖擊電壓大得多。第六十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二6影響氣體放電電壓的因素6.1電場形式對放電電壓的影響6.2電壓波形對放電電壓的影響影響氣體放電電壓的因素6.3大氣條件對放電電壓的影響均勻電場稍不均勻電場極不均勻電場直流電壓工頻電壓沖擊電壓空氣密度濕度海拔高度氣體性質(zhì)第六十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二6.1空氣隙在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿均勻電場中的擊穿電壓擊穿電壓等于起始放電電壓，且無極性效應(yīng)。經(jīng)驗(yàn)公式：（標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，峰值）

d-間隙距離，δ-空氣相對密度稍不均勻電場中的擊穿電壓極性效應(yīng)：負(fù)極性擊穿電壓略低于正極性第七十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二極不均勻電場中的擊穿電壓工程上常見電場大多數(shù)是極不均勻電場工程上遇到極不均勻電場時(shí)，可由典型電極的擊穿電壓來修正絕緣距離，對稱電場參照“棒－棒”電極數(shù)據(jù)；不對稱電場可參照“棒－板”電極數(shù)據(jù)放電的分散性大，且極性效應(yīng)明顯第七十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二6.2電壓波形對放電電壓的影響均勻電場中

不同電壓波形下?lián)舸╇妷?峰值)相同，放電分散性小稍不均勻電場中不同電壓波形下?lián)舸╇妷夯鞠嗤?，放電分散性不大，極性效應(yīng)不顯著極不均勻電場中直流、工頻及沖擊電壓間差別明顯第七十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二6.2電壓波形對放電電壓的影響（續(xù)1）直流電壓下的擊穿電壓①棒-板間隙存在極性效應(yīng)②棒-棒電極擊穿電壓介于不同極性棒-板之間第七十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二6.2電壓波形對放電電壓的影響（續(xù)2）工頻電壓下的擊穿電壓①無論棒-棒或棒-板電極擊穿都發(fā)生在正半周峰值附近，分散性不大；②當(dāng)間隙距離不太大時(shí)，擊穿電壓與間隙距離呈線性關(guān)系；當(dāng)間隙距離很大時(shí)，擊穿電壓與氣隙距離呈現(xiàn)飽和趨勢第七十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二6.3大氣條件對放電電壓的影響不同大氣條件下測得的擊穿電壓必須換算到統(tǒng)一的參考條件下才能進(jìn)行比較；我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件為：壓力：101.3kPa；溫度：20℃；絕對濕度：11g/m3實(shí)際試驗(yàn)條件下的擊穿電壓和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓可通過相應(yīng)的校正系數(shù)換算：

Kd為空氣密度校正系數(shù)

Kh為濕度校正系數(shù)第七十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二6.3大氣條件對放電電壓的影響（續(xù)1）對空氣密度的校正對濕度的校正在極不均勻場中對海拔高度的校正氣體性質(zhì)對放電電壓的影響第七十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二7提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法7.1.1改進(jìn)電極形狀7.2.1高氣壓的采用7.1改善電場分布7.2削弱或抑制電離過程提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法7.1.2空間電荷的利用7.1.3極不均勻電場中屏障的采用7.2.2高真空的采用7.2.3高電氣強(qiáng)度氣體（SF6）的采用第七十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二7.1改善電場分布7.1.1改進(jìn)電極形狀7.1.2空間電荷的利用7.1.3極不均勻電場中屏障的采用第七十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二7.1.1改進(jìn)電極形狀一般說來，電場分布越均勻，平均擊穿場強(qiáng)越高改進(jìn)電極形狀、增大電極曲率半徑，可以改善電場分布，提高間隙擊穿電壓電極表面盡量避免毛刺、棱角等以消除電場局部增強(qiáng)的現(xiàn)象如不可避免出現(xiàn)極不均勻電場，則盡可能采用對稱電場（棒-棒電極）第七十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二7.1.1改進(jìn)電極形狀（續(xù)1）第八十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二7.1.2空間電荷的利用極不均勻電場中間隙被擊穿前先發(fā)生電暈現(xiàn)象，所以在一定條件下，可以利用放電產(chǎn)生的空間電荷來改善電場分布，提高擊穿電壓。例如：導(dǎo)線與平板間隙中，導(dǎo)線直徑很小時(shí)，導(dǎo)線周圍容易形成比較均勻的電暈層，由于電暈層比較均勻，電場分布改善，提高了擊穿電壓第八十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二7.1.3極不均勻電場中屏障的采用在極不均勻電場中，放入薄片固體絕緣材料，在一定條件下可以顯著提高間隙的擊穿電壓例如：正針-板電極中設(shè)置屏障后，正離子將在屏障上集聚，由于同號排斥作用，正離子沿屏障表面均勻分布，在屏障前方從而形成較均勻的電場，改善了電場分布，提高了擊穿電壓第八十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二7.2削弱或抑制電離過程7.2.1高氣壓的采用7.2.2高真空的采用7.2.3高電氣強(qiáng)度氣體（SF6）的采用第八十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期二7.2.1高氣壓的采用采用高氣壓可以減少電子的平均自由行程，削弱電離過程，提高擊穿電壓在高氣壓下，電場均勻程度下降，擊穿電壓將劇烈降低，因此采用高氣壓的電氣設(shè)備應(yīng)使電場盡可能均勻在高氣壓下，電極表面狀態(tài)（粗糙度）對擊穿電壓影響顯著高氣壓下應(yīng)盡可能改進(jìn)電極形狀，改善電場分布，電極應(yīng)仔細(xì)加工光潔，氣體要過濾（濾去塵埃和水份）處理第八十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，