2.4-气体电介质的击穿特性(不均匀电场中气体的击穿过程)

均匀电场中，气体间隙的击穿主要由电子的碰撞游离和正离子撞击阴极面造成的表面游离所引起。电子碰撞游离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。自持放电的条件：必须使一个电子在走完整个间隙距离后所完成的碰撞游离次数不少于某一个常数。汤逊理论是用电子碰撞游离和阴极表面游离来说明pd较小时的放电现象的。Pd较大时，放电过程及现象出现了新的变化，因而在大量实验研究的基础上，提出了流注放电理论。流注理论认为电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，空间电荷对电场的畸变作用是产生光游离的重要原因。放电自持的条件是：当主电子崩的电荷达到一定数量，使电场畸变到一定程度并造成足够的光游离，流注才能形成。任务一：不均匀电场中气体击穿过程任务二：不同电压形式下空气间隙的击穿过程分析1、持续电压作用下空气的击穿电压2、冲击电压下空气的击穿电压不均匀电场类型的划分：在均匀电场中，气体间隙内的流注一旦形成，放电达到自持的程度，气隙就被击穿。而在不均匀电场中，情况就更复杂。电气设备绝缘结构中的电场大多是不均匀的。根据其放电特点，不均匀电场可分为稍不均匀电场和极不均匀电场。任务一：不均匀电场中气体击穿过程分析棒-棒间隙棒-板间隙不均匀电场的几种典型形式要明确划分稍不均匀场和极不均匀常比较困难，通常用电场的不均匀系数来大致划分。不均匀系数f等于气隙中最大场强Emax与平均场强Eav的比值:式中，U为极间电压；d为极间距离。通常f<2时为稍不均匀电场，f>4就明显地属于极不均匀电场。不均匀电场放电特点稍不均匀电场极不均匀电场与均匀电场类似，间隙击穿前没有放电迹象。在高场强区，会出现蓝紫色光晕，并发出“咝咝”的响声，称为电晕放电。不均匀电场中气体击穿过程的分析在极不均匀电场中，气隙完全被击穿以前，电极附近会发生电晕放电，产生暗蓝色的光晕。这种特殊的光晕是电极表面电离区的放电过程造成的。电离区内的分子，在外电离因素（如光源）和电场的作用下，产生了激发、电离，形成大量的电子崩。与此同时也产生激发和电离的可逆过程——复合。在复合过程中，会产生光辐射，从而形成了光晕，即所谓电晕。还可以听到嘶嘶的电晕噪声，嗅到由电晕放电产生的臭氧的味道。一、电晕强电场——电子崩——复合——光辐射电晕放电现象——电离区的放电过程造成。2.电晕放电的起始电压和起始场强电晕放电是及不均匀电场特有的一种自持放电形式，通常把能否出现稳定的电晕放电作为区分及不均匀电场和稍不均匀电场的标志。将开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压或起晕电压，而开始出现电晕时电极表面的场强称为电晕起始场强或者起晕场强。相关公式见教材图1直径为D的球隙的放电电压与极间距离d的关系曲线1－击穿电压；2－电晕起始电压；3－放电不稳定区试验表明：当d≤2D时，电场还比较均匀，其放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，立即导致整个气隙击穿。当d≥4D以后，这时由于电场强度沿气隙分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，在靠近两个球极的表面出现蓝紫色的晕头，并发出"咝咝"的响声，这种局部放电现象称为电晕放电，开始出现电晕放电的电压称为电晕起始电压。当外加电压进一步增大时，电极表面电晕层亦随之扩大，并出现刷状的细火花，火花越来越长，最终导致气隙完全击穿。球隙距离在2D~4D之间时，属于过渡区域，随电压升高会出现电晕，但不稳定，由实验可知，随着电场不均匀程度增加，放电现象不相同，电场越是不均匀(两球距离越大，电场越不均匀）击穿电压和电晕起始电压之间的差别也越大。极不均匀电场有如下特征：（1）极不均匀电场的击穿电压比均匀电场低；（2）极不均匀电场如果是不对称电极，则放电有极性效应；（3）极不均匀电场具有特殊的放电形式——电晕放电。电晕放电的不利影响1、产生能量损耗前苏联对输电线路电晕损失进行过多年广泛研究，他们的经验是500kV线路年平均电晕损失约为12kW/km，约为同一线路电阻损耗的5%－7%。观测到最大电晕损失雨天为313kW/km，毛毛雨天为374kW/km。最大电晕损失出现在12月到次年3月间，每天的最大电晕损失一般出现在晚上10时左右。4、噪声干扰电晕放电在生活中的应用电晕放电摄影术电晕放电的有利之处：在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度。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。利用电晕放电改善电场分布提高击穿电压操作.过电压的幅值也会受到电晕的抑制限制电晕的方法1、改进电极形状，增大曲率半径变电站或开关站220kV及以上电压等级的母线通常采用管型母线，使母线周围电场分布均匀，提高起晕电压，限制电晕。2、对输电线路采用分裂导线与单根导线相比，分裂导线附近的电磁砀分布发生了变化，每相电荷分布在该相的各根分导线上，这样就行将于加大了该相导线的半径，减小了导线表面电荷密度，因而降低导线表面电场强度，从而抑制电晕放电。下列哪项不是电晕放电的条件（）。A、不均匀电场B、电极附近C、均匀电场D、电极曲率半径小C电晕放电是一种（）。A、均匀场中放电B、非自持放电C、电弧放电D、自持放电D二、极性效应在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。但后来的发展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与该电极的极性有密切的关系。极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。对于电极形状不对称的极不均匀电场间隙，如棒－板间隙，棒的极性不同时，间隙的起晕电压和击穿电压各不相同，这种现象称为极性效应。极性效应是不对称的不均匀电场所具有的特性之一。图1正棒－负板间隙中空间电荷对外电场的影响作用1.正极性：a.由于棒极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离，使电晕放电难以形成，造成电晕起始电压提高。b.由于棒极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故降低了击穿电压。结论：起晕电压较高，击穿电压较低注：Eex为外电场，Esp为空间电荷的电场。图2负棒－正板间隙中空间电荷对外电场的影响作用2.负极性：棒极负极性时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区后，虽不能再引起碰撞电离，但仍继续往板极运动。图2-（b）中：留在棒极附近的也是大批正离子，这时它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间的电场。所以，当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整个气隙击穿将是不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多，完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多。结论：起晕电压较低，击穿电压较高，击穿时间较长。对“棒-板”气隙，棒极为（）时，不容易发生电晕放电。A、正极性B、负极性C、无论正极性还是负极性A对“棒-板”气隙，棒极为（）时，完全击穿电压较高。A、正极性B、负极性C、无论正极性还是负极性B输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电压的作用下，击穿发生在外加电压为正极性的那半周内。在进行外绝缘的冲击电压实验时，也往往施加正极性冲击电压，因为此时电气强度较低。极性效应现象：(d>1m)三、不均匀电场中的放电过程长间隙的击穿（d＞1m时）1.先导放电阶段具有热游离过程的通道称为先导通道。2.主放电阶段温度更高、电导更大，轴向电场更小的等离子体火花通道。此时，间隙接近于短路状态，气隙完全丧失了绝缘性能。由于间隙越长，先导过程与主放电过程就发展得越充分，所以长间隙的平均击穿场强比短间隙的平均击穿场强低。极不均匀电场中的放电过程1、与均匀电场相比，不均匀电场中气隙的放电具有一系列自身的特点，如间隙击穿前存在明显的电晕放电（局部放电）;不对称间隙中放电存在极性效应（负极性击穿电压高于正极性击穿电压）;长间隙击穿过程中存在先导阶段（故其平均击穿场强比短间隙或均匀电场中的平均击穿场强要低得多）2、电晕有利也有弊，在实际工作中要给予区分和不同的处理。防止电晕的最根本的措施是增大电极的曲率半径，如在高压尖端加装屏蔽罩、均压环等措施。小结空气间隙的击穿场强主要取决于外加电压的种类、电场的均匀程度及气体的状态。电力中的空气间隙一般会受到三种电压的作用：持续电压、雷电冲击电压、操作冲击电压持续电压作用下空气的击穿电压持续电压指直流电压或工频交流电压。特点：电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相比极小，故放电发展所需的时间可以忽略不计，只要作用于间隙的电压达到击穿电压，间隙就会发生击穿。直流电压直流中所含的脉动分量的脉动系数不大于3%。(脉动系数是指脉动幅值与直流电压的平均值之比)直流电压的大小指直流电压的平均值。交流电压均匀电场中的击穿电压(1)因电极对称，所以击穿电压无极性效应。(2)因击穿前间隙各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电电压等于击穿电压。(3)不论何种电压(直流、交流、正负50%冲击电压)作用，其击穿电压(峰值)都相同，且分散性很小。在大气条件下，均匀电场中空气的电气强度约为30kV/cm（峰值）。稍不均匀电场中的击穿电压(1)电场不对称时，击穿电压有极性，但不显著。(2)击穿前有电晕发生，但不稳定，一出现电晕会导致整个间隙完全击穿。(3)间隙距离一般不很大，放电发展所需时间短，因而在不同波形的作用下，其击穿电压实际上也大都相同，且分散性不大。下列空气间隙中，直流击穿电压最高的是（）。A、负棒-正板B、棒-棒C、正棒-负板D、板-板A在直流电压下，“棒-板”间隙在负极性时的击穿电压（）正极性时的击穿电压。A、高于B、低于C、两者一样A雷电冲击电压下空气的击穿电压电力系统中雷电冲击电压是由雷云放电引起的，其持续时间极短，只有约几个微秒到几十个微秒，可与击穿所需的时间相比拟，故空气间隙在雷电冲击电压作用下的击穿具有与持续电压作用下不同的特点。冲击电压的标准波形（IEC规定）标准雷电冲击电压波形：1.2/50μs标准操作冲击电压波形：250/2500μs冲击电压发生器模仿雷电及操作过电压等冲击电压电源装置，主要用于绝缘冲击耐压及介质冲击击穿、放电等试验。冲击电压击穿时间升压时间：电压从零升高到静态击穿电压所需的时间。统计时延：从电压升到的时刻起到间隙中形成第一个有效电子的时间。放电形成时延：从形成第一个有效电子的时刻起到间隙完全被击穿的时间。放电时延特点：a、小间隙、均匀场：短，占主要部分b、大间隙、极不均匀场：长，占主要部分C、随着冲击电压幅值的不断升高，将越来越短由于放电时延t1具有分散性，在间隙上多次施加同一电压，有时击穿，有时不击穿。冲击电压幅值越大，T越大，击穿概率越大。工程上采用了击穿概率为50%的冲击电压来表示绝缘耐受冲击电压的大小。用U50%表示。实际中只要保持波形不变，调整冲击电压峰值至10次电压中有4~6次发生击穿，此电压峰值就可作为50%冲击击穿电压。讨论两个不同的间隙并联，是否在任意波形的雷电冲击电压作用下，小的间隙总是先击穿？答：不是。由于是一个与击穿概率有关的电压，它并不能保证间隙每次都100%被击穿。因此，上述说法是不正确的。冲击系数β多次施加某冲击电压时，放电的概率约为50%，称为U50%。冲击系数式中，U0——静态击穿电压(直流击穿电压或工频击穿电压峰值)在均匀电场和稍不均匀电场中，50%击穿电压接近持续电压下的数值，β≈1，且击穿通常在波头附近在极不均匀电场中，明显的极性效应，在短距离内击穿电压与距离成正比β＞1，且击穿通常在波尾部分。伏秒特性的概念由于放电时延的影响，间隙的击穿需要一定的时间才能完成，对于不是持续作用的，而是脉冲性质的电压，间隙的击穿电压就与该电压作用的时间有很大关系。同一个间隙，在峰值较低但延续的时间较长的冲击电压作用下可能被击穿，而在峰值较高但延续时间较短的冲击电压作用下可能反而不被击穿。由此可见，在冲击电压下仅用单一的击穿电压值描述间隙的绝缘特性是不全面的。工程上用气隙出现的电压最大值和放电时间的关系来表示气隙在冲击电压下的击穿特性，即伏秒特性。伏秒特性的形状对均匀或稍不均匀电场：较为平坦，分散性也较小对极不均匀电场：较为陡峭，分散性也较大伏秒特性的意义能够全面反映间隙在冲击电压作用下的击穿特性。主要用于比较不同绝缘设备的冲击击穿特性是电力系统防雷中绝缘配合的依据。