第4讲 气体电介质的绝缘特性(三)

高电压技术 高电压工程系 2 回顾 带电粒子的消失和扩散自持放电和非自持放电汤逊理论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极性效应 3 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非周期性指数衰减波 雷电流是冲击波形的 故由雷闪放电引起的高电压也具有冲击波形 T1 1 2 s 30 T2 50 s 20 4 二 放电时延 击穿条件 足够幅值的电压 一定时间的作用统计时延ts 有效电子 能引起电离过程并最终导致击穿的电子 产生 不均匀电场内 ts小 放电形成时延tf 出现电子崩 形成流注 主放电 间隙击穿 均匀电场内 tf小 放电时延tlag ts tf 5 影响tlag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 6 三 雷电50 冲击击穿电压 U50 原因 放电时延的分散性电压升高到一定程度 100 击穿U50 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试验方法 多级法 每级加压6次 曲线 升降法 10次中4 6次击穿 7 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 击穿电压和静态击穿电压 即持续作用电压下的击穿电压 相差很小冲击系数 50 冲击击穿电压 持续作用电压下的击穿电压冲击系数 1极不均匀电场下的击穿电压 由于放电时延较长 通常冲击系数大于l 击穿电压的分散性也大一些 其标准偏差可取为 3 8 极不均匀场中的极性效应 9 四 伏秒特性 以斜角波电压为例来说明考虑放电时延的必要性在间隙上缓慢地施加直流电压 达到静态击穿电压U0后 间隙中开始发展起击穿过程 但击穿需一定时间 tl 在此时间内电压上升击穿完成时间隙上的电压应为U0 U 10 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 读取击穿电压值U与击穿时间t 11 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 12 伏秒特性的分散性 放电时间具有分散性 每级电压下放电时间不同 实际上伏秒特性是以上 下包络线为界的一个带状区域 13 伏秒特性的用途 对 1起保护作用 在高幅值冲击电压作用下 不起保护作用 14 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 非周期性指数衰减波推荐操作冲击电压的标准波形为250 2500 s衰减振荡电压第一个半波的持续时间在2000一3000 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 15 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 击穿电压的分散性也较小 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 16 1 波形的影响 在一定的波前时间范围内 U50甚至会比工频击穿电压低 U形曲线对应于极小值的波前时间随着间隙距离加大而增加 对7m以下的间隙 大致在50 200 s之间放电时延和空间电荷 形成及迁移 这两类不同因素的影响所造成的 放电时延的作用 空间电荷对电场的影响 17 2 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1000 s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 18 4 饱和 现象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 雷电冲击50 击穿电压和距离大致呈线性关系 19 50 击穿电压极小值的经验公式式中d 间隙距离 m上式对于 20m的长间隙和试验结果很好地符合 20 1 6电场形式 电压波形与击穿电压的关系 电场形式均匀场稍不均匀场极不均匀场电压波形持续作用电压 直流工频冲击电压 雷电操作 21 1 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 22 1 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 23 1 6 3极不均匀电场 波形影响大 分散性大 极性效应明显一 直流击穿电压棒 棒间隙介于两者之间 棒 板间隙 棒具有正极性时 平均击穿场强约为4 5kV cm 棒具有负极性时约为l0kV cm棒 棒间隙的平均击穿场强约为4 8 5 0kV cm 24 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 d 1m 5kV cmd l m 2kV cm 棒 棒间隙的平均击穿场强约为5 36kV cm 幅值 棒 板间隙的约为4 8kV cm 幅值 25 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 间隙较长时 击穿通常发生在波尾 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 26 四 操作冲击50 击穿电压 击穿通常发生在波头部分 U50 U 形曲线 明显的 饱和 特征 这是因为形成先导后 放电易于发展之故 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 27 1 7大气条件对气隙击穿特性的影响 标准大气条件 气压P0 101 3kPa 温度t0 20 空气密度绝对湿度f0 11g m3 一 空气相对密度的影响 28 在大气条件下 空气间隙的击穿电压随相对密度的增大而升高 0 95 1 05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 29 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 30 综合气压 温度 湿度的影响试验中需要对结果加以换算 31 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1000而又低于4000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 32 1 8提高气体间隙击穿电压的措施 两条途径 一 改善电场分布 使之尽量均匀改进电极形状利用空间电荷畸变电场的作用二 利用其它方法来削弱气体中的电离过程 33 一 改进电极形状以改善电场分布 增大电极曲率半径减小表面场强 如变压器套管端部加球形屏蔽罩 采用扩径导线等改善电极边缘电极边缘做成弧形 尽量使其与某等位面相近使电圾具有最佳外形如穿墙高压引线上加金属扁球 穿洞边缘做成近似垂接线旋转体 一 改善电场分布 34 二 利用空间电荷畸变电场的作用 极不均匀电场中击穿前发生电晕放电 利用放电产生的空间电荷改善电场分布 提高击穿电压直径D 20mm及16mm时 击穿电压曲线的直线部分和尖一板间隙相近导线直径减为3mm以至0 5mm时 击穿电压曲线的直线部分陡度大为增加 曲线逐渐与均匀电场中的相近 细线效应 35 三 极不均匀电场中屏障的采用 在电场极不均匀的空气间隙中 放入薄片固