气体介质的击穿现象.ppt

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1、电气试验的基本知识主主讲：于：于兰芝芝CONTENTS绝缘材料的电气性能绝缘材料的电气性能01.气体绝缘材料及其击穿特性气体绝缘材料及其击穿特性02.液体绝缘材料及其击穿特性液体绝缘材料及其击穿特性03.固体绝缘材料及其击穿特性固体绝缘材料及其击穿特性04.v不不均匀电场中气体的击穿过程均匀电场中气体的击穿过程【学习任务】了解极不均匀电场中的电晕放电和极性效应，熟悉直流电压和工频电压作用下极不均匀电场中气体间隙的击穿场强。01气体介质的击穿现象2典型的不均匀电场电极结构典型的不均匀电场电极结构v不不均匀电场中气体的击穿过程均匀电场中气体的击穿过程 球间隙球间隙(稍不均匀）稍不均匀）输电线空气绝

2、缘（极不均匀）输电线空气绝缘（极不均匀）01气体介质的击穿现象2稍不均匀电场稍不均匀电场极不均匀电场极不均匀电场与均匀电场类似，间隙击穿与均匀电场类似，间隙击穿前没有放电迹象。前没有放电迹象。间隙击穿前在高场强区会出现间隙击穿前在高场强区会出现蓝紫色光晕，并发出蓝紫色光晕，并发出“咝咝咝咝”的响声，称为的响声，称为电晕放电电晕放电。刚出。刚出现电晕时的电压称为现电晕时的电压称为电晕起始电晕起始电压。电压。不均匀电场放电特点v不不均匀电场中气体的击穿过程均匀电场中气体的击穿过程01气体介质的击穿现象2电晕放电实例v不不均匀电场中气体的击穿过程均匀电场中气体的击穿过程一、电晕放电一、电晕放电01气

3、体介质的击穿现象201气体介质的击穿现象2极不均匀电场中，间隙中的最大场强与平均场强相差很大。距曲率半径小的电极越近，场强越大。当间隙上的电压升高时，在间隙中的平均场强远未达到平均击穿场强的情况下，曲率半径小的电极附近空间的局部场强将首先达到足以引起强烈游离的数值，在这一局部区域内形成自持放电，称电晕放电。可看到该电极周围有薄薄的蓝紫色的发光层，还可听到咝咝的声音，嗅到臭氧的气味。电晕层发光是由于伴随着游离而存在的复合以及由激发态回到正常态的反激发辐射光子造成的。一、电晕放电一、电晕放电01气体介质的击穿现象2一、电晕放电一、电晕放电电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。开始发生电晕

4、时的电压称电晕起始电压，而电极表面的电场强度称电晕起始电场强度。01气体介质的击穿现象1.6电晕放电的不利影响电晕放电的不利影响1 1、产生能量损耗、产生能量损耗工程上经常遇到极不均匀电场。架空输电线路就是一个例子。雨雪等恶劣天气时，在高压输电线路附近常可听到电晕的咝咝声，夜晚还可以看到导线周围有紫色晕光。气体放电过程中的光、声、热的效应以气体放电过程中的光、声、热的效应以及化学反应等都要引起能量损耗及化学反应等都要引起能量损耗，表1-5为超高压输电线路年平均电晕损耗；一、电晕放电一、电晕放电01气体介质的击穿现象22、产生高频电磁波，干扰通信电晕放电的不利影响电晕放电的不利影响一、电晕放电一

5、、电晕放电01气体介质的击穿现象23、电晕放电还使空气发生化学反应，生成臭氧、氮氧化物等产物，臭氧、氮氧化物等产物是强氧化剂和腐蚀剂，会对气体中的固体介质及金属电极造成损伤或腐蚀。因此电晕在高压特别是超高压、特高压中要严加限制。因此电晕在高压特别是超高压、特高压中要严加限制。电晕放电的不利影响电晕放电的不利影响一、电晕放电一、电晕放电01气体介质的击穿现象2限制电晕的方法限制电晕的方法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。一、电晕放电一、电晕放电01气体介质的击穿现象22、对输电线路采用分裂导

6、线与单根导线相比，分裂导线附近的电磁场分布发生了变化，每相电荷分布在该相的各根分导线上，这样就等效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。限制电晕的方法限制电晕的方法一、电晕放电一、电晕放电四四分分裂裂导导线线01气体介质的击穿现象2 我国设计要求：我国设计要求：220kV220kV及以下输电线路要求在恶劣天气下也无可见电晕及以下输电线路要求在恶劣天气下也无可见电晕,500kV 500kV输电线路要求在好天气下夜间无可见电晕。输电线路要求在好天气下夜间无可见电晕。一、电晕放电一、电晕放电01气体介质的击穿现象2对于电极形状不对称的极不均匀电场

7、间隙，如棒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，这种现象称为穿电压各不相同，这种现象称为极性效应极性效应。极性效应是不对称的极不均匀电场所具有的特性极性效应是不对称的极不均匀电场所具有的特性之一。之一。v不不均匀电场中气体的击穿过程均匀电场中气体的击穿过程01气体介质的击穿现象2正棒正棒负板间隙负板间隙负棒负棒正板间隙正板间隙u极性效应是由棒的极极性效应是由棒的极性不同时，间隙中的性不同时，间隙中的空间电荷对外电场的空间电荷对外电场的畸变作用不同引起的。畸变作用不同引起的。u无论棒的极性如

8、何，无论棒的极性如何，棒极附近均为强电场棒极附近均为强电场区，该处气体首先发区，该处气体首先发生游离，形成电子崩。生游离，形成电子崩。电子崩发展方向电子崩发展方向电子崩发展方向电子崩发展方向二、极性效应二、极性效应01气体介质的击穿现象2电场畸变使棒附近电场减弱难于形成流注电场畸变使棒附近电场增强易于形成流注即易于转入自持放电（电晕放电）即难于形成自持放电（电晕放电）起晕电压：起晕电压：负棒负棒正板间隙正板间隙 正棒正棒负板间隙负板间隙正棒负板 负棒正板二、极性效应二、极性效应01气体介质的击穿现象2二、极性效应二、极性效应正空间电荷在间隙深处产生的场强与正空间电荷在间隙深处产生的场强与外加电

9、压产生的场强方向一致，加强外加电压产生的场强方向一致，加强了朝向板极的电场，有利于流注向间了朝向板极的电场，有利于流注向间隙深处发展，故其击穿电压较低。隙深处发展，故其击穿电压较低。间隙深处的电场被削弱，使流注不易向间隙深处的电场被削弱，使流注不易向间隙深处的电场被削弱，使流注不易向间隙深处的电场被削弱，使流注不易向前发展前发展前发展前发展 击穿电压：击穿电压：负棒负棒正板间隙正板间隙 正棒正棒负板间隙负板间隙 正棒负板 负棒正板01气体介质的击穿现象2负棒负棒正板间隙正板间隙 正棒正棒负板间隙负板间隙 负棒负棒正板间隙正板间隙 正棒正棒负板间隙负板间隙 起晕电压起晕电压击穿电压击穿电压二、极

10、性效应二、极性效应01气体介质的击穿现象2三、极不均匀电场中的放电发展过程三、极不均匀电场中的放电发展过程u短间隙短间隙u长间隙（棒板间隙距离大于长间隙（棒板间隙距离大于1m)v不不均匀电场中气体的击穿过程均匀电场中气体的击穿过程01气体介质的击穿现象2当外加电压达到了间隙的击穿电压，棒极附近的强场区内形成电子崩，并转化为流注，当流注发展到对面电极时，两极间由流注所贯通，流注迅速转化为电弧或火花放电，间隙即被击穿。u短间隙短间隙四、极不均匀电场中的放电发展过程四、极不均匀电场中的放电发展过程01气体介质的击穿现象2u长间隙放电长间隙放电当流注发展到足够长度，较多电子通过通道根部进入电极，由于强

11、烈摩擦产生高温出现热游离。具有热游离过程、不断伸长的通道称为先导。先导具有高电导，相当于电极伸出的导电棒，加强前方电场，引起新的流注，使先导通道向前延长。当电压足够高，先导贯穿两极，导致主放电，间隙即被击穿。由于先导的出现，使长间隙的平均击穿场强远小于短间隙的平均击穿场强。01气体介质的击穿现象2电子崩电子崩流注流注主放电主放电电子崩电子崩流注流注主放电主放电先导先导雷闪放电就是典型的长间隙放电几百几千米的空气间隙被击穿。极不均匀电场放电过程极不均匀电场放电过程短间隙放电：短间隙放电：长间隙放电：长间隙放电：01气体介质的击穿现象2稍不均匀电场中的击穿电压稍不均匀电场中的击穿电压典型电极结构：

12、球典型电极结构：球-球间隙球间隙重要结论：重要结论：电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高。电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高。其极限就是均匀电场中的击穿电压（30kV/cm）。四、不均匀电场中空气间隙的击穿电压四、不均匀电场中空气间隙的击穿电压01气体介质的击穿现象2极不均匀电场中的击穿电压极不均匀电场中的击穿电压典型电极结典型电极结构：构：棒棒-板间隙、板间隙、棒棒-棒间隙棒间隙击穿电压与间隙距离接击穿电压与间隙距离接近成正比；近成正比；极性效应显著；极性效应显著；其平均击穿场强：正棒其平均击穿场强：正棒-负板间隙约为负板间隙约为4.5kV/cm4.5kV/cm；负棒；负棒-正

13、板正板间隙约为间隙约为10kV/cm10kV/cm；棒；棒-棒间隙约为棒间隙约为5.4kV/cm5.4kV/cm。四、不均匀电场中空气间隙的击穿电压四、不均匀电场中空气间隙的击穿电压直流电压下的击穿电压直流电压下的击穿电压01气体介质的击穿现象2在距离小于在距离小于1m1m的范围内，击的范围内，击穿电压与间隙距离的关系接穿电压与间隙距离的关系接近成正比；近成正比；当间隙距离超过当间隙距离超过2m2m时，击穿时，击穿电压与间隙距离的关系出现电压与间隙距离的关系出现明显的明显的饱和饱和饱和饱和趋向，特别是棒趋向，特别是棒-板间隙，其饱和趋向尤甚；板间隙，其饱和趋向尤甚；在设计高压装置时，为了使在设

14、计高压装置时，为了使结构紧凑，应尽量避免出现结构紧凑，应尽量避免出现棒棒-板型间隙。板型间隙。极不均匀电场中的击穿电压极不均匀电场中的击穿电压工频电压下的击穿电压工频电压下的击穿电压棒棒棒棒-板板板板棒棒棒棒-棒棒棒棒1-2701气体介质的击穿现象2【课堂讨论】750kV工频试验变压器高压出线端对墙的距离（安全系数可取为1.8）至少应为多大?试验变压器：单相试验变压器：单相方法一：查图方法一：查图1-271-27曲线曲线1 1 工频工频750KV750KV击穿电压对应间隙距离约为击穿电压对应间隙距离约为1.81.8米，米，所以出线端对墙距离至少为所以出线端对墙距离至少为1.8*1.8=1.8*

15、1.8=米米方法二：方法二：01气体介质的击穿现象2小结：不均匀电场中气体的击穿过程小结：不均匀电场中气体的击穿过程电晕放电是极不均匀电场中特有的放电现象。在空间电荷的作用下，棒-板电极会出现极性效应：负棒-正板间隙比正棒-负板间隙更容易产生电晕；正棒-负板间隙比负棒-正板间隙更容易被击穿。短间隙放电过程为：电子崩流注主放电 三个阶段长间隙（1m)放电过程为：电子崩流注先导主放电 四个阶段。电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高.极不均匀电场在工频电压下的击穿电压出现饱和现象。01气体介质的击穿现象2v2 2冲击电压下气体的击穿过程冲击电压下气体的击穿过程【学习任务】了解标准冲击电压波形的

16、特点，理解冲击电压作用下气体间隙击穿过程，理解50%冲击击穿电压概念，理解伏秒特性曲线的意义及其在工程中的应用。01气体介质的击穿现象2电压波形电压波形 不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压不同。为了便于比较因此需统一不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压不同。为了便于比较因此需统一波形。我国标准波形与波形。我国标准波形与IECIEC规定的标准波形一致。规定的标准波形一致。1.1.直流电压直流电压 直流都是利用交流电压整流而来，故对其脉动系数要求不大于直流都是利用交流电压整流而来，故对其脉动系数要求不大于3 3 。2.2.工频交流电压工频交流电压 应近似正弦波，峰值与均方根值（有效值）之

17、比应小于应近似正弦波，峰值与均方根值（有效值）之比应小于 ，频率，频率 在在454565Hz65Hz范围范围 3.3.雷电冲击电压雷电冲击电压 4.4.操作冲击电压操作冲击电压持持续续作作用用电电压压脉冲性质电压脉冲性质电压01气体介质的击穿现象2电力系统中冲击电压是指作用时间短暂的电压，它包括雷电冲击电压和操作冲击电压。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，与击穿所需的时间相当；操作冲击电压是指当电力系统在操作或发生事故时，因状态发生突然变化引起电感电容回路的振荡产生的过电压，其作用时间介于雷电冲击电压与工频电压之间。由于冲击电压的作用时间短暂，故空气间

18、隙在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。2 2冲击电压下气体的击穿过程冲击电压下气体的击穿过程01气体介质的击穿现象2一、标准冲击电压波形一、标准冲击电压波形为了检验绝缘耐受冲击电压的能力，在实验室中可以利用冲击电压发生器（图1-28）产生冲击电压，以模拟实际产生的过电压。为了使得到的结果可以互相比较，需规定标准波形。模仿雷电及操作过电压等模仿雷电及操作过电压等冲击电压的电源装置，主冲击电压的电源装置，主要用于绝缘冲击耐压及介要用于绝缘冲击耐压及介质冲击击穿、放电等试验。质冲击击穿、放电等试验。冲击电压冲击电压发生器发生器01气体介质的击穿现象2我国我国我国我国7200kV72

19、00kV7200kV7200kV冲击电压发生器输出操作冲击电压击穿冲击电压发生器输出操作冲击电压击穿冲击电压发生器输出操作冲击电压击穿冲击电压发生器输出操作冲击电压击穿25m25m25m25m空气间隙。空气间隙。空气间隙。空气间隙。一、标准冲击电压波形一、标准冲击电压波形01气体介质的击穿现象2我国国家标准规定的雷电冲击电压标准波我国国家标准规定的雷电冲击电压标准波形的参数为形的参数为T1=（1.230%）s，T2=（5020%）s。操作冲击电压波形的波前时间操作冲击电压波形的波前时间T1=（25020%）s，半峰值时间，半峰值时间T2=（250060%）s。一、标准冲击电压波形一、标准冲击电

20、压波形冲击电压波形由波前时间冲击电压波形由波前时间T T1 1及及半峰值时间半峰值时间T T2 2来确定。来确定。T1T1为电压零点至电压峰值的时为电压零点至电压峰值的时间；间；T2T2为电压零点至电压下降为峰为电压零点至电压下降为峰值一半的时间。值一半的时间。冲击电压除了冲击电压除了T T1 1和和T T2 2外，还应指外，还应指出其极性（不接地电极相对于地出其极性（不接地电极相对于地的极性）。的极性）。如标准雷电冲击电压波形通常可如标准雷电冲击电压波形通常可用符号用符号1.2/501.2/50 s s表示。表示。01气体介质的击穿现象2u每个气体间隙都有它的静态击静态击穿电压穿电压，即长时

21、间作用长时间作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压。u当对静态击穿电压为U0的间隙施加冲击电压时，经t0时间，电压上升至U0，但间隙并不立刻击穿，而需经过t1时间后才能完成击穿，即间隙的击穿不间隙的击穿不仅需要足够的电压，还需要足仅需要足够的电压，还需要足够的时间。够的时间。二、放电时延二、放电时延01气体介质的击穿现象2升压时间升压时间t0：电压从零升高到静态击穿：电压从零升高到静态击穿电压电压U0所需的时间所需的时间。统计时延统计时延ts：从电压升到：从电压升到U0的时刻起到的时刻起到间隙中形成第一个有效电子的时间间隙中形成第一个有效电子的时间。具具有分散性。有分散性。放电形成时延放电形成时延

22、tf：从形成第一个有效电：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子的时刻起到间隙完全被击穿的时间。击穿时间击穿时间:从开始加压的瞬时起到间隙完全击穿为止的时间从开始加压的瞬时起到间隙完全击穿为止的时间 tb=t0+ts+tf放电时延放电时延:t1=ts+tf 在电场比较均匀时，放电发展速度快，放电形成时延较短；在电场极不均匀时，放电发展在电场比较均匀时，放电发展速度快，放电形成时延较短；在电场极不均匀时，放电发展到弱电场区后速度较慢，放电形成时延较长。到弱电场区后速度较慢，放电形成时延较长。二、放电时延二、放电时延01气体介质的击穿现象2若放电时延若放电时延t t1 1 T T 时

23、，间隙不击穿时，间隙不击穿 若放电时延若放电时延t t1 1 T T 时，间隙击穿时，间隙击穿 冲击电压作用下冲击电压作用下间隙击穿条件：间隙击穿条件：三、50%冲击击穿电压T T：电压超过电压超过电压超过电压超过U U0 0所持所持所持所持续的时间续的时间续的时间续的时间01气体介质的击穿现象1.6由于放电时延由于放电时延t1具有分散性，在间隙上多次施加同一电压，有时击穿，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。有时不击穿。冲击电压幅值越大，冲击电压幅值越大，T越大，击穿概率越大。越大，击穿概率越大。工程上采用了击穿概率为工程上采用了击穿概率为50%的冲击电压来表示绝缘耐

24、受冲击电压的的冲击电压来表示绝缘耐受冲击电压的大小。用大小。用U50%表示。表示。实际中只要保持波形不变，调整冲击电压峰值至实际中只要保持波形不变，调整冲击电压峰值至10次电压中有次电压中有46次次发生击穿，此电压峰值就可作为发生击穿，此电压峰值就可作为50%冲击击穿电压。冲击击穿电压。50%50%冲击击穿电压冲击击穿电压01气体介质的击穿现象2课堂讨论：课堂讨论：两个两个U U50%50%不同的间隙并联，是否在任意波形的雷电冲击不同的间隙并联，是否在任意波形的雷电冲击电压作用下，电压作用下，U U50%50%小的间隙总是先击穿？小的间隙总是先击穿？答：答：不是。由于U50%是一个与击穿概率有

25、关的电压，它并不能保证间隙每次都100%被击穿。因此，上述说法是不准确的。01气体介质的击穿现象2四、伏秒特性四、伏秒特性冲击电压作用于气隙击穿取决于两个因素作用U作用时间tbU Ut tb bU Ut tb b同样击穿因此要表达冲击击穿特性必须用两者来表达工程上用气隙上出现的电压最大值与放电时间的关系来表征气隙在冲击工程上用气隙上出现的电压最大值与放电时间的关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性电压下的击穿特性气隙的伏秒特性气隙的伏秒特性01气体介质的击穿现象2伏秒特性曲线的绘制伏秒特性曲线的绘制n n保持冲击电压波形不变，逐级保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，记升高电压使气隙

26、发生击穿，记录击穿电压波形，读取击穿电录击穿电压波形，读取击穿电压值压值UU与击穿时间与击穿时间t t。n n当击穿发生在波前时，当击穿发生在波前时，UU与与t t均取击穿时的值；当击穿发生均取击穿时的值；当击穿发生在波尾时，在波尾时，UU取波峰值，取波峰值，t t取击取击穿值穿值四、伏秒特性四、伏秒特性01气体介质的击穿现象2由于放电时间具有分散性，所以在每级电压下可得到一系列放电时间。由于放电时间具有分散性，所以在每级电压下可得到一系列放电时间。由于放电时间具有分散性，所以在每级电压下可得到一系列放电时间。由于放电时间具有分散性，所以在每级电压下可得到一系列放电时间。实际上实际上实际上实际

27、上伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域 u0t上上 包包 络络线线下包络线下包络线四、伏秒特性四、伏秒特性01气体介质的击穿现象2间隙伏秒特性的形状取决于电间隙伏秒特性的形状取决于电极间电场的分布。极间电场的分布。u极不均匀：平均击穿场强低，极不均匀：平均击穿场强低，放电时延长，曲线上翘；放电时延长，曲线上翘；u稍不均匀：平均击穿场强高，稍不均匀：平均击穿场强高，放电时延短，曲线平坦。放电时延短，曲线平坦。图1-34 极不均匀电场S1和均匀电场S2的伏秒特性伏秒特性曲线的

28、应用伏秒特性曲线的应用四、伏秒特性四、伏秒特性01气体介质的击穿现象2变电站用避雷器保护电气设备（变压器）时就需对避雷器的伏秒特性和变压器伏秒特性进行合理配合伏秒特性曲线的应用：伏秒特性曲线的应用：用在过电压保护配合方面用在过电压保护配合方面如果一个电压同时作用在两个并联的绝缘结构上，其中一个绝缘结构如果一个电压同时作用在两个并联的绝缘结构上，其中一个绝缘结构先击穿，则电压被截断短接，另一个就不会再被击穿，称前者保护了先击穿，则电压被截断短接，另一个就不会再被击穿，称前者保护了后者。后者。01气体介质的击穿现象2t2t1，说明避雷器先击穿，过电压能量通过避雷器泄放掉，从而保护了变压器。t1t2

29、，说明变压器先击穿，避雷器没有起到保护作用。要求避雷器的伏秒特性平、低、分散性小，其放电间隙接近均匀电场，以确保保护设备的伏秒特性全面低于被保护设备的伏秒特性。t2t1S2S1：变压器S2：避雷器S1S2t1t2S1：变压器S2：避雷器伏秒特性曲线的应用：伏秒特性曲线的应用：用在过电压保护配合方面用在过电压保护配合方面s101气体介质的击穿现象21.1.标准雷电冲击电压波形？标准雷电冲击电压波形？2.2.静态击穿电压、击穿时间、放电时延的定义？静态击穿电压、击穿时间、放电时延的定义？3.50%3.50%冲击击穿电压的定义？冲击击穿电压的定义？4.4.什么叫伏秒特性？什么叫伏秒特性？5.5.避雷器和被保护设备的伏秒特性该如何配合？避雷器和被保护设备的伏秒特性该如何配合？思考题01气体介质的击穿现象2感谢您的观看感谢您的观看