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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、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,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。,
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