不均匀场气体的击穿

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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 1.3 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

2、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 压 一 般 用 经 验公 式 来 推 算 ， 流 传 最 广 的 是 皮 克公 式 ， 电 晕 起

3、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

4、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 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 ，

5、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 ： U b-|+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

6、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 场 ， 促 进 放 电 向 前 发展 ， 故 放 电 电 压 较 低 。 (a) 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

7、 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

8、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 尖 极 附 近 总 是 留 下 空 间 电 荷 存 在 极 性 效 应 ： Ub-|+Ub+|- 1.4 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=1.2s 30T2=50s 20%一 般 写

9、 为 1.20/50 特 点 ： 高 幅 值 、 高 陡 度 、 短 时 间 标 准 雷 电 冲 击 电 压 波T 1视 在 波 前 时 间T2视 在 半 峰 值 时 间 标 准 雷 电 截 波 ：用 来 模 拟 雷 电 过 电 压 引 起 气 隙击 穿 或 外 绝 缘 闪 络 后 所 出 现 的截 尾 冲 击 波 。T1波 前 时 间Tc截 断 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

10、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=t0 ts tf2、 放 电 时 间 的 组 成 ：t1 ts tf 称 为 放 电 时 延t0 气 隙 在 持 续 电 压 下 的 击 穿电 压 为 Us， 为 所 加 电 压 从 0上升 到 Us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

11、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

12、 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 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

13、 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

14、 高 电 压 使 气 隙 发 生 击 穿 ， 记 录击 穿 电 压 波 形 ， 读 取 击 穿 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

15、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

16、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

17、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 ： 思 考 作 业2-4、 2-5、 2-10棒 棒 、 球 球 电 场 是 否 有 极 性 效 应 ？1(2)在 极 不 均 匀 电 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 。 1050 UU