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1、高电压工程系高电压工程系何正浩何正浩第3讲回顾流注理论不均匀电场的放电特点电晕极不均匀场中的放电过程23第第4 4讲讲 气体电介质的绝缘特性（三）气体电介质的绝缘特性（三）4主放电通道主放电通道主放电和先导通道的交界区主放电和先导通道的交界区先导通道先导通道 先导的发展5正棒正棒负板间隙中先导通道的发展负板间隙中先导通道的发展（）先导和其头部的流注；（）流注头部电子崩的形成；（）先导和其头部的流注；（）流注头部电子崩的形成；（）由流注转变为先导和形成流注；（）流注头部电子崩的形成；（）由流注转变为先导和形成流注；（）流注头部电子崩的形成；（）沿着先导和空气间隙电场强度的分布（）沿着先导和空气间
2、隙电场强度的分布 1.3.4 极不均匀场中的极性效应正棒负板6电子运动速度快，迅速进入棒极；棒极附近积聚起正空间电荷，削弱了棒极附近的电场强度而加强了正离子群外部空间的电场结果：（1）使电晕起始电压提高。（2）外部空间电场加强，有利于流注的发展，因此击穿电压较低。 7负棒负棒正板正板8电子崩中的电子离开强电场区后，不再能引起电离，向阳极运动的速度也越来越慢。电子崩中的正离子加强了棒极附近的场强，使棒极附近容易形成流注。结论：（1）电晕起始电压比正极性时要低。（2）正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，削弱了外部空间的电场，阻碍了流注的发展，因此击穿电压较高。91.4 雷电冲击电压作用下气体
3、的击穿一、雷电冲击电压标准波形一、雷电冲击电压标准波形非周期性指数衰减波非周期性指数衰减波10雷电流是冲击波形的，雷电流是冲击波形的，故由雷闪放电引起的高故由雷闪放电引起的高电压也具有冲击波形电压也具有冲击波形 T1 s（ 30%） T250 s（ 20%） 二、放电时延击穿条件：击穿条件：足够幅值的电压，一定时间的作用足够幅值的电压，一定时间的作用统计时延统计时延ts有效电子（能引起电离过程并最终导致击穿有效电子（能引起电离过程并最终导致击穿的电子）产生。的电子）产生。不均匀电场内，不均匀电场内， ts小小。放电形成时延放电形成时延tf出现电子崩、形成流注、主放电、间隙出现电子崩、形成流注、
4、主放电、间隙击穿。击穿。均匀电场内，均匀电场内， tf小小。u放电时延放电时延 tlag ts tf11影响影响tlag的因素：的因素：U增大， tlag减小紫外光照射冲击放电所需的全部时间冲击放电所需的全部时间12 三、雷电50%冲击击穿电压（U50%） 原因原因放电时延的分散性放电时延的分散性电压升高到一定程度，电压升高到一定程度，100击穿击穿U U50%50%在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，工在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，工程上以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性程上以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性试验方法：多级法（每级加压试验方法：多级法（每级加压6次，曲线），
5、升降法（次，曲线），升降法（10次次中中46次击穿）次击穿）13均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压击穿电压分散击穿电压分散性小，其雷电冲击性小，其雷电冲击50击穿电压和静态击穿电压和静态 击穿电压（即持击穿电压（即持续作用电压下的击穿电压）续作用电压下的击穿电压）相差很小相差很小 冲击系数冲击系数50% 冲击击穿电压冲击击穿电压 / 持续作用电压下的击穿电压持续作用电压下的击穿电压 冲击系数冲击系数 1极极不不均均匀匀电电场场下下的的击击穿穿电电压压由由于于放放电电时时延延较较长长，通通常常冲冲击击系系数数大大于于l，击击穿穿电电压压的的分分散散性性也也大大一
6、一些些，其其标标准准偏差可取为偏差可取为3% 1415极不均匀场中的极性效应极不均匀场中的极性效应四.伏秒特性 n以斜角波电压为例来说明考虑放电时延的必要性以斜角波电压为例来说明考虑放电时延的必要性 在在间间隙隙上上缓缓慢慢地地施施加加直直流流电电压压，达达到到静静态态击击穿穿电电压压U0后后，间间隙隙中中开开始始发发展展起起击击穿穿过过程程。但但击击穿穿需需一一定定时时间间 = tl，在此时间内电压，在此时间内电压 上升上升 击穿完成时间隙上的电压击穿完成时间隙上的电压 应为应为U0+ U 16伏秒特性的绘制实验方法保持间隙距离不变、保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，读取击穿
7、电压值U与击穿时间t。17伏秒特性曲线的形状与电场分布有关伏秒特性曲线的形状与电场分布有关在均匀电场和稍不均匀电场中，击穿时平均场强较高，放电发展较快，放电时延较短，伏秒特性曲线平坦。在极不均匀电场中，平均击穿场强较低，放电时延较长，放电分散性大，伏秒特性曲线较为陡峭。 18伏秒特性的分散性伏秒特性的分散性放电时间具有分散放电时间具有分散性性，每级电压，每级电压下放下放电时间不同，实际电时间不同，实际上伏秒特性是以上、上伏秒特性是以上、下包络线为界的一下包络线为界的一个带状区域个带状区域19伏秒特性的用途伏秒特性的用途20对对1 起保护作用起保护作用 在高幅值冲击电压作用下，在高幅值冲击电压作
8、用下，不起保护作用不起保护作用1.5 操作冲击电压作用下气体的击穿 一、操作冲击电压标准波形一、操作冲击电压标准波形21n非周期性指数衰减波非周期性指数衰减波 推荐操作冲击电压的标准波形为推荐操作冲击电压的标准波形为2502500 s n衰减振荡电压衰减振荡电压 第第一一个个半半波波的的持持续续时时间间在在2000一一3000 s之之间间 ，反反极极性性的第二个半波的幅值达到第一个半波幅值的第二个半波的幅值达到第一个半波幅值80 二、操作冲击二、操作冲击50%50%击穿电压击穿电压均匀电场和稍不均匀均匀电场和稍不均匀电场电场 间隙的操作冲击50%击穿电压、雷电冲击50%击穿电压和工频击穿电压（
9、峰值）几乎相同，击穿几乎发生在峰值，击穿电压的分散性也较小。极不均匀极不均匀电场电场 操作冲击电压下的击穿通常发生在波头部分，击穿电压与波头时间有关而与波尾时间无关。22（1）波形的影响n在在一一定定的的波波前前时时间间范范围围内内，U50 甚甚至至会会比比工工频频击击穿穿电电压压低低U形曲线形曲线 n对对应应于于极极小小值值的的波波前前时时间间随随着着间间隙隙距距离离加加大大而而增增加加，对对7m以以 下下 的的 间间 隙隙 ， 大大 致致 在在50 200 s之间之间n放放电电时时延延和和空空间间电电荷荷(形形成成及及迁迁移移)这这两两类类不不同同因因素素的的影影响响所造成的所造成的 23
10、放电时延放电时延的作用的作用空间电荷对空间电荷对电场的影响电场的影响（2）极性效应极性效应 极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下50击穿电压比负极性下低，所以也更危险。 （3）分散性大分散性大 对于波前时间在数十到数百s的操作冲击电压，极不均匀电场间隙50击穿电压的标准偏差约为5；波前时间超过1000s以后，可达8左右（工频及雷电冲击电压下均约为3） 由于空间电荷的形成、扩散和放电时延具有很大的统计性，所以操作冲击电压下间隙的击穿电压和放电时间的分散性比雷电冲击电压下大得多24（4）“饱和饱和”现象现象 极极不不均均匀匀电电场场中中操操作作冲冲击击50击击穿穿电电压压和和间间隙隙距距离离的的
11、关关系系具具有有明明显显的的“饱饱和和”特特征征（雷雷电电冲冲击击50击击穿穿电电压压和和距距离离大大致致呈呈线线性关系性关系 ）25n50击穿电压极小值的经验公式击穿电压极小值的经验公式 式中式中 d 间隙距离，间隙距离，m上式对于上式对于 20m的长间隙和试验结果很好地符合的长间隙和试验结果很好地符合261.6 电场形式、电压波形与击穿电压的关系u电场形式均匀场 稍不均匀场 极不均匀场u电压波形持续作用电压直流 工频 冲击电压雷电 操作271.6.1 均匀电场分散性小均匀电场中空气的击穿电压经验公式281.6.2 稍不均匀电场不能形成稳定的电晕放电，电晕起始电压就是其击穿电压，所以负极下击
12、穿电压略低于正极性下的数值 几种电压形式的击穿电压值基本相等，分散性小也有极性效应291.6.3 极不均匀电场波形影响大，分散性大，极性效应明显一、直流击穿电压一、直流击穿电压棒棒间隙介于两者之间 30棒棒板间隙：板间隙：棒具有正极性时，平均击穿棒具有正极性时，平均击穿场强约为场强约为；棒具有负极性时约为棒具有负极性时约为l0kV/cm棒棒棒间隙：棒间隙：的平均击穿场强约为的平均击穿场强约为二、工频击穿电压二、工频击穿电压在棒-板间隙中，击穿总是在棒为正的半周期内、电压达到幅值时发生，稍低于直流电压下的击穿电压，这是由于前半周期留下的空间电荷对棒极前方的电场有所加强的缘故。棒-棒间隙的击穿电压
13、较高，因为棒-棒间隙的电场比棒-板间隙的要均匀一些。击穿电压具有“饱和现象”：棒板： d1m， 5 kV/cm棒板： dlm，2 kV/cm 31n棒棒棒间隙的平均击穿场强约为棒间隙的平均击穿场强约为5.36kV/cm(幅值幅值)；n棒棒板间隙的约为板间隙的约为4.8kV/cm(幅值幅值) 。三、雷电冲击50% 击穿电压雷电冲击50% 击穿电压高于稳态击穿电压（直流击穿电压或工频击穿电压幅值）。击穿电压的分散性也较大。雷电冲击50% 击穿电压和间隙距离大致呈线性关系因为作用时间短，间隙距离加大后，需要提高先导发展速度才能完成放电击穿电压提高。 32四、操作冲击50% 击穿电压u击穿通常发生在波
14、头部分。uU50%”U”形曲线。u明显的”饱和”特征.这是因为形成先导后,放电易于发展之故。u电场分布情况对操作冲击50%击穿电压影响很大，存在显著的“邻近效应”。331.7 大气条件对气隙击穿特性的影响标准大气条件：气压P0kPa，温度t0=20绝对湿度 f0=11g/m3。一、空气相对密度的影响34在大气条件下，空气间隙的击穿电压随的增大而升高。范围内变动时，间隙的击穿电压与相对密度成正比，实际试验或运行条件下当与1相差较大时，须用空气密度校正系数Kd对击穿电压U进行校正： 35二、湿度的影响湿度增加，电离能力下降，对放电过程起到抑制作用湿度越大，间隙的击穿电压也会越高。k是绝对湿度和电压
15、种类的函数；指数的值取决于电极形状、间隙距离、电压种类及其极性。 36综合气压、温度、湿度的影响试验中需要对结果加以换算37三、对海拔高度的校正三、对海拔高度的校正随着海拔增高，空气密度减小，增大，电离能力增大，间隙的击穿电压降低。我国的国家标准规定：海拔超过1000m而又低于4000m地区的外绝缘试验电压U与平原地区外绝缘的试验电压Up的关系为381.8 提高气体间隙击穿电压的措施两条途径：两条途径： 一、一、改善电场分布改善电场分布，使之尽量均匀，使之尽量均匀 改进电极形状改进电极形状 利用空间电荷畸变电场的作用利用空间电荷畸变电场的作用 二、利用其它方法来二、利用其它方法来削弱削弱气体中
16、的气体中的电离电离过程过程 39(一）改进电极形状以改善电场分布 n增增大大电电极极曲曲率率半半径径 减减小小表表面面场场强强。如如变变压压器器套套管管端端部部加加球球形形屏屏蔽蔽罩罩；采用扩径导线等采用扩径导线等n改改善善电电极极边边缘缘 电电极极边边缘缘做做成成弧弧形形；尽尽量量使使其其与某等位面相近与某等位面相近n使使电电圾圾具具有有最最佳佳外外形形 如如穿穿墙墙高高压压引引线线上上加加金金属属扁扁球球；墒墒洞洞边边缘缘做做成成近似垂接线旋转体近似垂接线旋转体40一、改善电场分布一、改善电场分布（二）利用空间电荷畸变电场的作用 n 极极不不均均匀匀电电场场中中击击穿穿前前发发生生电电晕晕
17、放放电电，利利用用放放电电产产生生的的空空间间电电荷荷改改善善电场分布，提高击穿电压电场分布，提高击穿电压 n直直径径D20mm及及16mm时时，击击穿穿电电压压曲曲线线的的直直线线部部分分和和尖尖一一板板间间隙隙相相近近n导导线线直直径径减减为为3mm以以至至时时，击击穿穿电电压压曲曲线线的的直直线线部部分分陡陡度度大大为为增增加加，曲曲线线逐逐渐渐与与均均匀匀电电场场中中的的相相近近 “细线效应细线效应”41（三）极不均匀电场中屏障的采用 n在在电电场场极极不不均均匀匀的的空空气气间间隙隙中中，放放入入薄薄片片固固体体绝绝缘缘材材料料（例例如如纸纸或或纸纸板板），在在一一定定条条件件下下，
18、可可以以显显著著提提高高间间隙隙的击穿电压的击穿电压 n原原理理屏屏障障积积聚聚空空间间电电荷荷，改善电场分布改善电场分布 n随随着着屏屏障障位位置置不不同同，击击穿穿电电压压发发生生了了很很大大的的变变化化，尖尖电电极极的的极极性性不不同同，屏屏障障的的影影响响也有差别也有差别 42n棒电极为正极性棒电极为正极性 屏屏障障离离尖尖电电极极过过近近，屏屏障效应将随之而减弱障效应将随之而减弱 n棒电极为负极性棒电极为负极性 屏屏障障离离开开尖尖电电极极一一定定距距离离，设设置置屏屏障障反反而而将将降降低间隙的击穿电压低间隙的击穿电压 屏屏障障离离棒棒电电极极过过近近 ，仍仍有相当的屏降效应有相当的屏降效应 4344谢谢 谢！谢！
