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1、本次课程的目的要求:,1、能说明极不均匀场中放电特点,2、能表述极性效应的具体内容及原因，会分析空间电荷对电场的影响,3、能表述冲击波及冲击放电的特点,4、能说明伏秒特性曲线的应用,5、能说明U50、冲击系数 的含义,2.3 极不均匀场中气体的击穿过程,放电特点：,1、电晕放电,2、极性效应,一、电晕放电,1、定义：电场极不均匀时，在大曲率电极附近空间局部场强首先达到引起强烈游离的数值，使其附近很薄一层空气中形成自持放电，产生薄薄的淡紫色发光层。该放电仅局限在大曲率电极周围很小范围内，而整个气隙尚未击穿，这种现象即为电晕放电。,刚开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压或起晕电压,电晕放电的起始电
2、压一般用经验公式来推算，流传最广的是皮克公式，电晕起始场强近似为：,2、特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起始电压低于击穿电压，电场越不均匀其差值越大。,危害： 电晕放电引起光、声、热等效应使空气发生化学反应，不但消耗能量，还产生臭氧和氧化氮等有害气体，腐蚀金具和有机绝缘物。坏天气要比好天气时的电晕损耗大得多。 电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失、出现造成的放电脉冲会产生高频电磁波，对无线电和广播产生干扰。 电晕放电还会产生可闻噪声。,有利方面： 降低输电线上的雷电或操作冲击波的幅值和波前陡度。 电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。 某些场
3、合可改善电场分布。,消除方法：改进电极形状，减小电极曲率；如电极采用 大尺寸球面， 超高压线路采用扩径导线等。,二、极性效应,1、定义：电极形状不对称的极不均匀场中，大曲率电极极性不同时，间隙的击穿电压和起晕电压各不相同。即：Ub(-|+)Ub(+|-),2、分析： 下面以电场极不均匀的“棒板”气隙为 例，从流注的概念出发，说明放电的发 展过程和极性效应。,(a) 正尖负板,电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和，留在棒极附近的为正空间电荷。这些正离子向阴极移动速度很慢而暂留在棒极附近。它们削弱了棒极附近的电场，棒极附近难以形成流注，自持放电难以实现，故起晕电压较高。而它们同时加强了朝向极板的电
4、场，促进放电向前发展，故放电电压较低。,(b) 负尖正板,电子崩将由棒极表面出发向极板发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区后，不再引起碰撞游离，但仍继续往板极运动，并大多形成负离子，负空间电荷浓度小，对电场影响不大。留在棒极附近是大批正离子，它们将加强棒极表面附近的电场，容易形成自持放电，所以其起晕电压较低。间隙深处的电场被消弱，使流注不易向前发展，间隙的击穿电压要比正极性时高得多。,工程实际中，输电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生在正半波； 因此考核绝缘冲击特性时应施加正极性的冲击电压。,三、极不均匀场放电特点,无论尖极极性如何，放电总是从尖极开始
5、尖极附近总是留下正的空间电荷存在极性效应：Ub-|+Ub+|-,2.4 持续电压作用下的空气击穿,一、均匀电场中的击穿电压特点 1、电场对称，击穿电压无极性效应。 2、各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电 电压等于击穿电压。 3、击穿所需时间短，击穿电压（峰值）基本相同， 分散性小。 二、稍不均匀电场的击穿电压特点 1、击穿电压有极性效应，但不明显。 2、击穿前有电晕发生，不稳定，一出现电晕，立即 导致整个间隙击穿。 3、放电发展所需时间短，分散性不大。 三、极不均匀电场的击穿电压特点 1、存在局部电场区，击穿前有稳定的电晕，间隙的起始 放电电压小于击穿电压。 2、有明显的极性效应。 3、
6、放电发展所需时间长，击穿电压分散性很大。,2.5 雷电冲击电压下气体的击穿,一、冲击波形及特点,冲击波： 雷电冲击 操作冲击,标准雷电波：,IEC和国标规定： T1=1.2s30 T2=50s20% 一般写为1.20/50,特点：,高幅值、高陡度、短时间,标准雷电冲击电压波,T1视在波前时间 T2视在半峰值时间,二、冲击放电特点,足够大的电场强度或足够高的电压。 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子。 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。,1、完成气隙击穿的三个必备条件：,总放电时间 tb=t0tstf,2、放电时间的组成：,t1tstf 称为放电时延,t0气隙在持
7、续电压下的击穿电压为U0，为所加电压从0上升到U0的时间；,完成击穿所需放电时间很短（微秒级）：,直流电压、工频交流等持续作用的电压，满足上述三个条件不成问题； 当所加电压为变化速度很快、作用时间很短的冲击电压时，因有效作用时间短，放电时间就变成一个重要因素。,ts从电压达到U0瞬时起到气隙中出现第一个有效电子为止的时间称为统计时延。,tf出现有效电子后，引起碰撞游离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙击穿需要的时间，称为放电形成时延。,短气隙中（1cm以下），特别是电场均匀时，tfU0,三、伏秒特性,对雷电冲击电压来说，电压变化速度极快，在电压达到静态击穿电压后的放电时延内，电压变
8、化较大，击穿电压高于静态击穿电压；且击穿电压随时间而变。,当击穿过程中加在间隙上的电压随时间变化时，击穿电压指间隙上的最高电压。,对持续电压来说，电压变化比放电发展的速度慢得多，电压达到静态击穿电压后，可认为电压基本不变，所以击穿电压 就等于静态击穿电压。,冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性曲线，它表示对某一冲击电压波形，该气隙的冲击击穿电压与击穿时间的关系。,1、伏秒特性及伏秒特性曲线,它可全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性。,2、伏秒特性曲线的测定,保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，记录击穿电压波形，读取击穿
9、电压值U与击穿时间t。 当电压不很高时击穿一般发生在波尾；当电压较高时，击穿百分比将达100，放电时延大大缩短，击穿一般发生在波前。当击穿发生在波前时，U与t均取击穿时的值；当击穿发生在波尾时，U取波峰值，t取击穿时间值。,实际的伏秒特性曲线如下图所示，是以上、下包络线为界 的带状区域。,3、伏秒特性与电场的关系,随着时间的延伸，一切气隙的伏秒特性都趋于平坦，但特性曲线变平的时间却与气隙的电场形式有较大关系：,极不均匀电场：平均击穿场强低，放电时延长，曲线上翘；,均匀、稍不均匀电场：无弱场强区，平均击穿场强高，放电时延短， 曲线平坦。,电场越均匀，“V-S”越平。,4、伏秒特性的应用,电气设备
10、的绝缘配合,要求 曲线尽量相似 力求平坦,因此在避雷器等保护装置中，保护间隙采用均匀电场，确保在各种电压下保护装置伏秒特性低于被保护设备。,四、雷电冲击50击穿电压,伏秒特性虽能全面反映间隙在冲击电压下的击穿特性， 但求取繁琐。,在工程实际中常采用50冲击击穿电压（U50%）来表征气隙的基本冲击击穿特性。,定义：,在多次施加某一波形和峰值一定的冲击电压时， 间隙被击穿概率为50时的击穿电压。,实际中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可 认为是50冲击击穿电压。,特点：,与电场均匀度有关,思考作业,2-4、2-5、2-10,补充题：,棒棒、球球电场是否有极性效应？,(2)在极不均匀电
11、场中，由于放电时延较长，其冲击系数,(1)在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散性小。冲击系数,，击穿电压分散性也较大。,2.7提高气体击穿电压的措施,1、改善气隙中的电场分布，使其尽可能均匀,1）改进电极形状；,2）利用空间电荷畸变电场；,2、设法削弱和抑制气体介质中的游离过程,为缩小电力设施的尺寸，希望将气隙长度或绝缘距离尽可能取小一些，为此就应采取措施提高气体介质的电气强度。从实用角度出发，要提高气隙的Ub不外乎采用两条途径：,幻灯片 22,幻灯片 23,1）高气压的采用；,2）高真空的采用；,3）高电气强度气体（SF6）的采用,幻灯片 24,幻灯片 25,幻灯片 26,增大电极曲率半径；消
12、除电极表面毛刺 ；消除电极表面尖角,电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。因此， 可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的最大电场 强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电压。如：,极不均匀电场中间隙被击穿前先发生电晕现象，所以在一定条件下，可以利用放电产生的空间电荷来改善电场分布，提高击穿电压。,在极不均匀电场中，放入薄片固体绝缘材料，在一定条件 下可以显著提高间隙的击穿电压。,屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同号的空间电 荷，这样就能使电晕电极与屏障之间的空间电场强度减小，从而使整个气隙的电场分布均匀化。,例：导线与平板间隙中，导线直径很小时，导线周围容易 形成比较均匀的电晕层，由
13、于电晕层比较均匀，电场分布 改善，提高了击穿电压。,例：正尖负板电场中设置屏障后，正 离子将在屏障上集聚，由于同号排斥作 用，正离子沿屏障表面均匀分布，从而 在屏障前方形成较均匀的电场，改善了 电场分布，提高了击穿电压。 屏障离棒极越近，比较均匀电场占整个间 隙的比例越大，棒极与屏障间电场越小， 击穿电压越高，当过分靠近棒极屏障上电 荷分布很不均匀，屏障前方又将出现极不 均匀电场，击穿电压又会降低。,但当棒为负极性时，即使屏障放在 最有利的位置，也只能略微提高气 隙的击穿电压(例如20)，而在大 多数位置上，反而使击穿电压有不 同程度的降低。,采用高气压可以减少电子的平均自由行程，削弱游离过程
14、，提高击穿电压。 均匀电场中，当气体的压力在1MP 以下，击穿电压随气压的增大线性 增大，气压更高时，击穿电压增大 速度变缓。 不均匀电场中增高气压也可以提高 击穿电压，但效果不如均匀电场显著。 高气压下应尽可能改进电极形状， 改善电场分布，电极应仔细加工光洁， 气体要过滤（滤去尘埃和水份）处理。,在高真空中，电子的平均自由行程远大于极间距离，使碰撞游离几乎不可能实现，从而显著提高间隙击穿电压。 在电气设备中气、液、固等几种绝缘材料往往并存，而固体、液体等绝缘材料在高真空下会逐渐释放出气体，因此电气设备中实际使用高真空的还很少。 只有在真空断路器等特殊场合下才采用高真空作为绝缘材料。,高电气强度（强电负性）气体，其电子附着效应大大减弱碰撞游离过程； 分子量、直径大，自由行程小； 碰撞引起分子极化反应，能量损失。 SF6具有较高的耐电强度和很强的灭弧性能（为空气的100倍）而被广泛应用于大容量高压断路器、高压充气电缆、高压电容器、高压充气套管、以及全封闭组合电器中。 SF6电气设备尺寸大大缩小，且不受气候影响，但造价高，而且它是对臭氧层有破坏作用的温室气体。,
