高电压课件第讲气体电介质的绝缘特性三PPT课件

右图不能完全配合：电压较低时，S2可以保护S1；电压较高时 ，则不行
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(两种)
非周期性指数衰减波 （自然波头时间/自然波尾时间）
推荐操作冲击电压的标准波形为250／2500s （T1/T2） 衰减振荡电压波
第一个半波的持续时间在2000～3000 s之间 ，反极性的第二 个半波的幅值达到第一个半波幅值80％
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33
不均匀电场易发生电离，但流注形成后，需进一步增加电压才可
能导致间隙击穿。（不均匀电场中的电晕电压﹤击穿电压）
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9
上次课回顾（2）
先导：长间隙放电时，流注发展到足够长度后，将有较多的电子 沿通道流向电极，流过通道根部的电子最多，流注根部温度最高 ，出现热电离过程。这个具有热电离过程的通道称为先导。
击穿电压较低。
负棒—正板
E
E0 Eq 0
Ecom E0 Eq Eq
Eq
x
负棒—正板
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
• 持续作用电压：直流和交流电压 • 冲击电压（持续作用时间段）：操作冲击和雷电冲击。
击穿条件
足够幅值的电压 一定时间的作用
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1.6 电场形式、电压波形与击穿电压的关系
间隙距离相同时，电场越均匀，击穿电压越高
均匀电场
• 直流击穿电压=工频击穿电压峰值=50%冲击击穿电压
• 击穿电压分散性小
1.6
U 曲 线 极 小 值 右 边 ， 击 穿 1.4 电压随波前增大而上升---电压作用时间增加后，空 1.2
间电荷迁移范围扩大，改 1.0
善了间隙的电场分布。
0.8
8. 35m 7.0m
3. 95m 2. 98m
0.2 0
200 400 600
800 1000 1200 Tcr ( s)
（续）
常雷电冲击50％击穿电压U50% ﹥静态击穿电压，即冲击
系数大于l，击穿电压的分散性大一些。
四.伏秒特性
1. 雷电冲击电压持续时间短，间隙的击穿电压存在放电时延现象 。用50%冲击击穿电压表征间隙击穿特性不够，需用击穿电压 值与放电时间的关系曲线确定间隙的击穿特性，即伏秒特性。
2. 伏秒特性的绘制——实验方法
（2）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 由于空间电荷的形成、扩散和放电时延具有很大的统计性，
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。
（4）“饱和”现象（右图） 极不均匀电场中 操作冲击50％击穿电压和间隙距离的关系具有明显的“饱和”特征 （形成先导后，放电易于发展） 雷电冲击50％击穿电压和距离大致呈线性关系
（ｅ）沿着先导和空气间隙电场强度的分布
1.3.4 极不均匀场中的极性效应
E0
正棒－负板
－ (a)
－
(b)
E
E0
Ecom E0 Eq
0
Eq
x
(c)
正棒－负板
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
幅值高的电压，作用一会就能击穿。 幅值低的电压，需要长时间作用才能击穿。
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11
1.4 雷电冲击电压作用下气体的击穿
一、雷电冲击电压标准波形(一种)
非周期性指数衰减波
视在波头u时间T1，视在波尾时间T2）T1＝1.2s（30%）
Um
T2＝50s（20%）
o
0.5Um
t
T1
T2
二、放电时延
经t1电压升高到静态击穿电压，再经时间tlag，间隙才击穿。
“邻近效应” （电场分布情况对操作冲击50%击穿电压影响很大
。当接地物体靠近放电间隙时，会显著减低正极 性击穿电压，稍微提高负极性击穿电压。）
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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。
四、操作冲击50% 击穿电压
击穿通常发生在波头部分。 击穿电压与波头时间呈现出U形曲线。
（放电时延和空间电荷共同作用的结果）
“饱和”效应。
（形成先导后,放电易于发展）
帮助理解（棒板间隙的极性效应）的一些概念和特性
正极发展的先导—正先导
正极发展正流注
负极发展的先导—负先导
负极发展负流注
负先导开始早，发展快。【棒棒间隙】
负流注易形成，不易发展。（正流注不易形成，易发展）【棒板
间隙】
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预备知识
直流电压、工频电压、雷电冲击电压、操作冲击电压
击穿条件
足够幅值的电压 一定时间的作用
主放电阶段：先导头部的流注发展到板极时，立即又有一个放电 过程从板极向棒极反向发展（迎接流注） ，称为主放电阶段。
棒板间隙：棒极出发的先导和板极出现的流注之一相遇时，立即 转入放电阶段。
棒棒间隙：两棒极都可发展先导，正负先导相遇后，立即转入主 放电。
极不均匀电场：长间隙有：非自持放电、流注发展、先导放电和 主放电四个阶段。短间隙没有先导放电阶段（为什么？）
d<D/4，大地对球隙中电场分布影响小，且电场相当均匀； d>D/4，大地对球隙中电场分布影响加大，且平均击穿电压
减小，击穿电压分散性增加
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稍不均匀电场（续）
负极性下电晕起始电压比正 极性略低
稍不均匀电场中，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 负极下击穿电压略低于正极 性下的数值
50%冲击击穿电压（U50%）
均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压——击穿电压分 散性小，其雷电冲击50％击穿电压U50% ≈静态击穿电压Us （即持续作用电压下的击穿电压），即冲击系数＝ 1。 50% 冲击击穿电压（ U50% ） 冲击系数＝ 静态击穿电压（ Us ）
极不均匀电场下的击穿电压——由于放电时延较长，通
高电压技术
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
１——主放电通道 ２——主放电和先导通道的交界区 ３——先导通道
先导的发展
正棒—负板间隙中先导通道的发展 （ａ）先导和其头部的流注ｋｍ；（ｂ）流注头部电子崩的形成； （ｃ）ｋｍ由流注转变为先导和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注头部电子崩的形成；
，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。
上次课回顾（1）
曲率半径：曲率半径小的电极附近电荷密度高，易于使气体分子 的电子脱离原子核，形成电离。电极曲率半径越大，越不易发生 电晕放电，但有利于电晕放电的扩大，电晕放电发展得越强烈， 空间电荷对电场均匀的作用越大
电极间距 ：邻两相电极表面间的最短距离。
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
三种间隙的击穿电压： 负棒正板﹥棒棒间隙﹥正棒负板
二、工频击穿电压
三种间隙的击穿电压（图1-30） 负棒正板﹥棒棒间隙﹥正棒负板
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 ，由于前半周期留下的空间电荷加 强了棒极前方的电场。
放电时延具有统计特性50在多次施加电压时其中正好半数能导致击穿的电压即击穿概率为50的电压值反映间隙的耐受冲击电压的特性50均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压击穿电压分散性小其雷电冲击50击穿电压u50静态击穿电压u即持续作用电压下的击穿电压即冲击系数150冲击击穿电压u50冲击系数静态击穿电压u极不均匀电场下的击穿电压由于放电时延较长通常雷电冲击50击穿电压u50静态击穿电压即冲击系数大于l击穿电压的分散性大一些
击穿电压--具有分散性，每级电压下测得不同的放电时间---伏秒特性是以上、下包络线为界的一个带状区域
通常用平均伏秒特性或50%伏秒特性表征间隙的击穿特性
伏秒特性的用途
Ｓ２对Ｓ1 起保护作用
在高幅值冲击电压作用下， Ｓ２起不到保护作用
伏秒特性的配合：左图被保护设备绝缘的伏秒特性S1与保护间 隙的伏秒特性S2，两间隙并联可达到完全保护。【绝缘配合】
统计时延ts——从t1时刻到出现第一个有效电子所需时间。 放电形成时延tf——从第一个有效电子出现直至间隙击穿所
需时间。 放电时延 tlag＝ ts＋ tf
冲击放电所需全部时间tb= t1+ ts+ tf
• 短间隙，电场较均匀， ts＞＞tf ，放电时延取决于ts • 长间隙，电场不均匀， ts短， tf长 ，放电时延取决于tf
电极间距离d和电极曲率半径D之比越大，电场越不均匀。（如何 理解？）结合图1-8球球间隙【曲率半径D不变，间距d增大】
当间距d很大时，电极形状对击穿电压影响较小，不同球径的电极 击穿电压的差别不大，且都接近于尖板电极。
不对称电极有极性效应：正极性和负极性放电特性不同（为什么 ？）
均匀电场不易发生电离，但流注一旦形成，流注随即贯穿整个间 隙，导致间隙击穿。（比较均匀电场中的电晕电压≈击穿电压）
• 空气的击穿电压经验公式
U 02.2 42 d6.08d
d-间隙距离(cm)
-空气相对密度
稍不均匀电场
• 直流击穿电压≈工频击穿电压峰值≈ 50%冲击击穿电压
• 击穿电压分散性不大
• 对于不对称电极有极性效应，但不明显
1.6.2 稍不均匀电场
极性效应：以球球间隙为例 不接地时，无极性效应，但通常会接地，此时有极性效应
（5）“邻近效应”（课本P26） 电场分布情况对操作冲击50%击穿电压影响很大，有显著的“邻近效应
气体击穿电压的影响因素
1、气体种类（强介电强度气体） 4、气体状态（温度、气压、湿度等） 3、电场形式
按电场均匀程度分：均匀场/稍不均匀场/极不均匀场 2、电压种类（直流、交流、雷电冲击、操作冲击等）
u /Um
u
1.0
Um
0.5
0
Tcr T2
(a)
t0
t Tcr
Tcr 1000 ~ 1500s
(b)
二、操作冲击50%击穿电压
均匀电场和稍不均匀电场中，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（峰值）几乎 相同，击穿几乎发生在峰值，击穿电压的分散性较小。
极不均匀电场中，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。
极不均匀电场中操作50%击穿电压
（1）击穿电压与波头时间呈现U形曲线
原因：放电时延和空间电 荷(形成及迁移)两个因素
U50% ( MV )
2.6
临界波头
气隙距离 2.4
15. 2 m
U 曲 线 极 小 值 左 边 ， 击 穿 2.2
电压随波前缩短（放电时 2.0
间缩短）而增大----放电时 1.8 延因素的作用减少。
保持间隙距离不 变、保持冲击电 压波形不变(电压 幅值可变)，逐级 升高电压使气隙 发生击穿，读取 击穿电压值U与 击穿时间t。
伏秒特性曲线的形状与电场分布有关
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。
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。
棒-棒间隙的击穿电压较棒-板间隙 高，因为棒棒间隙有两个尖端，相 同间隙距离，两个强电场区域，电 场比不对称电极均匀
击穿电压具有“饱和现象”。
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）。
击穿电压的分散性较大。间隙较长时，击穿通 常发生在波尾。
三、雷电50%冲击击穿电压（U50%）
冲击电压作用下，保持波形不变。随冲击电压幅值的提 高，间隙的击穿概率越来越大；当电压超过某一值后， 间隙100%击穿。
原因：随外加电压升高，放电时延缩短；由于放电时延 的分散性，ts短的间隙易发生击穿，ts长的间隙不易发 生击穿。放电时延具有统计特性
U50%——在多次施加电压时，其中正好半数能导致击穿 的电压，即击穿概率为50%的电压值，反映间隙的耐受 冲击电压的特性