《高压电工程》教学课件—02电介质的击穿特性

《《高压电工程》教学课件—02电介质的击穿特性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《高压电工程》教学课件—02电介质的击穿特性（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 高电压工程High Voltage Engineering第二章PART.2电介质的击穿特性1.气体放电与带电粒子3.不均匀电场中气隙的击穿特性5.操作冲击电压下气隙的击穿特性7.液体、固体电介质的击穿2.均匀电场中气隙的击穿特性4.雷电冲击下气隙的击穿特性6.提高气隙击穿电压的措施2.1.1 气体放电 概念：强电场作用下，气体由良好的绝缘状态突变为良好的导电状态，气体电介质被击穿，在击穿过程中可观察到各种形式的放电现象，因此气体电介质的击穿也称为气体放电。 常见放电形式：辉光放电电弧放电火花放电电晕放电2.1.1 气体放电 注意： 电晕放电时气隙未击穿； 辉光放电、火花放电、电弧放电均指击

2、穿后的放电现象； 这些放电现象可相互转换。2.1.2 气体中带电粒子的产生0101光游离 条件（2-1） 来源 紫外线、高能辐射线等； 气体放电本身释放光子。 0202热游离 温度超过1000K时才考虑热游离；温度达到2000K时，几乎全部的空气分子已处于热游离状态。2.1.2 气体中带电粒子的产生0303碰撞游离 条件（2-2） 电子为造成碰撞游离必须飞跃的距离： 其中 为气体的游离电位。 碰撞游离是气体产生带电粒子的最重要方式。2.1.2 气体中带电粒子的产生0404表面游离 含义 金属阴极表面发射电子的过程。 形式 正电子冲击阴极表面； 光电子发射； 热电子发射； 强场发射。2.1.2

3、气体中带电粒子的消失 气体发生放电时，除了有不断形成带电粒子的游离过程，同时还存在着带电粒子的消失过程，也叫去游离过程。 （1）带电粒子的定向运动（2）带电粒子的扩散（3）带电粒子的复合（4）附着效应 01010202030304042.2 均匀电场中气隙的击穿特性自持放电和非自持放电汤逊理论和巴申定律流注放电理论均匀电场气隙的静态击穿电压2.2.1 自持放电和非自持放电实验分析： Oa段：电流随电压升高而升高ab段：电流只取决于外游离因素bc段：电压升高，碰撞游离增强，但仍靠外游离维持（非自持）c点以后：只靠外加电压就能维持（自持） 2.2.1 自持放电和非自持放电非自持放电与自持放电的分界

4、点击穿电压2.2.2 汤逊理论电子崩 光电离 初始电子电子个数2-4-8.2电子崩产生的正离子撞击阴极发生表面游离新的电子（如果去掉外游离因素）仍有后继电子放电自持 2.2.2 汤逊理论过程 设在外界游离因素的作用下，每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数n。向阳极运动不断发生碰撞游离，经过距离x后，电子数增加到n，这n个电子再经过dx距离，又会得到dn个电子，则有dn=ndx,对x进行积分：（2-3）2.2.2 汤逊理论过程 电子数与电子行程的关系：（2-5） 抵达阳极的电子数：（2-4） 将式（2-5）两侧乘以电子的电荷 ，即可得到电子崩的电流关系式：（2-6） 由式（2-6）可知，电子崩电

5、流按指数规律随极间距离s增大，此时放电 依赖于外界游离因素，还不能自持。2.2.2 汤逊理论过程 在一次电子崩行程过程中，新增电子数 正离子数也为 。这些正离子在电场作用下撞击阴极发生表面游离，（引入阴极表面游离系数，设表示一个正离子撞击阴极表面时产生的自由电子数目）则游离出 个电子，若 此时放电不需要依靠外界游离因素的作用。 可见自持放电的条件为：（2-7）2.2.2 汤逊理论过程 低气压、短间隙情况下气体放电过程如图所示：2.2.2 汤逊理论自持放电的起始电压U 若电子与气体分子发生两次碰撞之间的平均自由行程为，只有电子碰撞前在电场方向运动了距离为 时，才能积累足够的能量引起游离，则有：当

6、气体温度不变时，式（2-8）可改写为： 式中 A、B为与两个气体种类有关的常数。（2-8）（2-9）（2-8）2.2.2 汤逊理论自持放电的起始电压U 由 可知：电场强度越大，也急剧增大；气压很高、或气压很低时，均不大。自持放电的临界条件 即：（2-10）（2-11）2.2.2 巴申定律均匀电场的击穿电压 等于放电起始电压（2-12）2.2.2 汤逊理论的适用范围 汤逊理论是在低气压Ps较小条件下建立起来的，Ps过大，汤逊理论就不再适用。 Ps过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释： 汤逊理论适用于Ps26kPacm放电时间：很短放电外形：具有分支的细通道击穿电压：与理论计算不一致阴极材料：

7、无关2.2.3 流注理论流注放电理论解释放电过程 （1）流注放电初始阶段 在外界游离因素的作用下，在阴极附近产生初始有效电子，当外施场强足够强时，发生碰撞游离导致电子崩。 （2）空间电荷对原有电场的畸变 电子迁移率远大于正离子，电子集中在电子崩头部，受空间电荷分布影响，气体间隙内合成场强发生畸变。 图2-6 空间电荷对均匀电场的畸变2.2.3 流注理论流注放电理论解释放电过程 （3）空间光游离的作用 电子崩头部电荷密度大，有利于分子和离子的激励作用，当它们从激励态恢复到正常状态时，将辐射出光子；电子崩前方和尾部正离子和电子浓度大，有利于复合作用辐射光子。 这些光子会引发空间光游离，进而引发二次

8、电子崩。 2.2.3 流注理论流注放电的过程可概括描述为： 当电子崩发展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积聚足够数量的空间电荷，这些电荷使得外施电压在间隙中产生的电场明显畸变，畸变后的电场使得反激励（强电场区）和复合（弱电场区）频繁，辐射出大量光子在强电场区很容易成为引发新的空间光游离的辐射源。 因此，流注理论认为，二次电子的主要来源是空间的光游离。间隙中一旦出现流注，放电就可以由放电本身所产生的空间光游离自行维持，不再依赖外界游离作用，因此出现流注的条件就是自持放电的条件。2.2.3 流注理论流注放电理论解释放电过程 （4）流注的产生和主放电的形成 2.2.3 流注理论流注放电理论解释放电

9、过程 （4）流注的产生和主放电的形成 图2-7a为初始电子崩。 图2-7b表示初始电子崩头部成为引发新的空间光游离辐射源后，它们所造成的二次电子崩在崩头的强场区中，将以更大的游离强度向阳极发展。与此同时，游离出的新生电子迅速跑向初始电子崩的正离子群中与之汇合，形成充满正负带电粒子的等离子通道，这个通道称为流注。 流注导电性能良好，端部又有二次崩留下的正电荷，因此大大加强了前方的电场，促使更多的新电子崩相继产生并与之汇合，从而使流注迅速向前发展，这一过程称为流注发展阶段，如图2-7c所示。 一旦流注将两极接通，就将导致间隙的完全击穿，如图2-7d所示，这一击穿过程称为流注放电的主放电阶段。2.2

10、.3 流注理论自持流注放电 出现流注的条件是初始电子崩头部的空间电荷必须达到某一临界值，才能造成必要的局部电场的强化和足够的空间光游离。对于均匀电场，其流注形成（自持放电）的条件为 常数 实验得出，s20,则 便可满足上述条件，可见初始电子崩头部电子数要达到 才能转为自持流注放电。（2-14）2.2.3 流注理论流注理论和汤逊理论的主要区别 2.2.4 均匀电场气隙的静态击穿电压常见的电压类型： 工频交流电压；直流电压；雷电冲击电压；操作冲击电压 工频交流电压和直流电压可持续作用于气隙上，称为稳态电压； 存在时间极短、变化速率很大的雷电冲击电压和操作冲击电压，称为暂态电压。 气隙在稳态电压作用

11、的击穿电压也称为静态击穿电压。 2.2.4 均匀电场气隙的静态击穿电压由试验得到均匀电场空气间隙的击穿电压经验公式为： 为击穿电压峰值（kV）；s为极间距（cm）; 为空气相对密度（2-15）平均击穿场强 （kV/cm）为：（2-16） 01010202030304042.3 不均匀电场中气隙的击穿特性不均匀电场的放电特征电晕放电极不均匀电场的放电过程稳态电压下不均匀电场气隙的击穿特性2.3.1 不均匀电场的放电特征不均匀电场又可以划分为稍不均匀电场和极不均匀电场.引入不均匀系数 f(2-17)f=1 均匀电场1f4 极不均匀电场 稍不均匀电场的放电特性与均匀电场类似，一旦出现自持放电，便一定

12、导致整个气隙的击穿。2.3.1 不均匀电场的放电特征 极不均匀电场当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近电场强度首先达到了起始场强，这个局部区域里最先出现碰撞游离和电子崩，甚至出现流注，种仅仅发生在强场区的局部放电称为电晕放电，环绕电极表面发出蓝紫色晕光。开始出现电晕的电压称为电晕起始电压，当外加电压进一步增大时，电晕区亦随着增大，放电电流也会变大，但是整个气隙还没有击穿。 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。 极不均匀电场的另一个放电特征是，放电过程存在极性效应。2.3.2 电晕放电电晕起始电压和电晕起始场强 电晕起始场强经验公式： （2-18） 为电晕起始场强（kV

13、/cm）；m为导线表面粗糙系数（光滑导线m=1，绞线m=0.80.9）; 为空气相对密度；r为输电导线半径若两根平行导线间距为D、半径为r，当Dr时，导线表面场强为： （2-19）（2-20）2.3.2 电晕放电电晕放电的两种形式 （1）离子崩形式；（2）流注形式 当外施电压较低，电晕放电较弱时，电晕层很薄且比较均匀，放电电流比较稳定，自持放电采取汤逊放电的形式，即出现电子崩形式的电晕； 当外施电压较高，电晕放电较强时，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现放电的脉冲现象，开始转入不均匀、不稳定的流注形式的电晕放电。 由于冲击电压下电压上升极快，来不及出现分散的大量的电子崩，因此电晕一开始就

14、具有流注的形式。2.3.2 电晕放电电晕放电带来的效应 害处：电晕放电所引起的光、声、热等效应引起化学反应，是超、特高压输电线路设计时必须考虑的因素；由于流注的不断消失和重新产生会出现放电脉冲，形成高频电磁波，对无线电和电视广播产生干扰；发出的噪声有可能超过环境保护的标准；使空气发生化学反应，产生臭氧和氧化氮等产物，会腐蚀导体及绝缘材料。 措施：限制和降低导线的表面电场强度。 好处：在输电线路上传播的雷电波将因电晕而衰减其幅值，并降低其波前陡度，这对防雷是有利的；操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制；在一系列工业设施中有所应用。2.3.3 极不均匀电场的放电过程极性效应 （1）正极性正空间电荷削

15、弱棒极附近场强而加强外部场强，阻止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高。2.3.3 极不均匀电场的放电过程极性效应 （1）负极性正空间电荷加强棒极附近场强而削弱外部场强，促进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低。2.3.3 极不均匀电场的放电过程长间隙击穿过程 在间隙距离较长时，长间隙放电大致可分为先导放电和主放电两个阶段，在先导放电阶段包含了电子崩和流注的形成和发展过程；短间隙的放电没有先导放电阶段，只有电子崩、流注和主放电阶段。2.3.3 极不均匀电场的放电过程先导放电 从初始电子发展形成电子崩，再到光游离后出现新的电子崩而形成流注，电子在沿流注通道运动过程中，由于剧烈摩擦产生热游离，这一段热

16、游离火花通道的电导增大，形成先导通道，加大了先导头部区域的电场强度，并引发新的流注。当气隙较长时，流注往往不能一次就贯通整个气隙，而是出现逐级推进的先导放电现象。2.3.3 极不均匀电场的放电过程主放电 先导的导电性很好，场强较小，因而好像将棒极延长了似的，通道头部的电位接近棒极的电位(当然还应减去通道中的压降)。因此，当先导头部极为接近板极时，这一很小间隙中的场强可达极大数值，以致引起强烈的游离，使这一间隙中出现了离子浓度远大于先导的等离子体。由于其头部场强极大，所以主放电通道的发展速度及电导都远大于先导通道，又以极高的速度向相反方向传播，此过程称为主放电。 主放电通道贯穿电极间隙后，间隙就类似被短路，失去绝缘性能，击穿过程完成。2.3.4 稳态电压下不均匀电场气隙的击穿特性稍不均匀电场气隙 平均击穿场强大约为30kV/cm，击穿前不产生电晕；电场分布不对称时，极性效应不明显；冲击击穿电压与工频交流和直流下的击穿电压基本相等；击穿的分散性也不大。典型: 球一球空气间隙(简称球隙) 当s/D1/4时，电场不均匀程度增大; 因此为保证必要的测量精度，间隙距离应保证在s/D1/2范围之内。