2.4冲击电压下气体的击穿过程

2.2均匀电场中气体的击穿过程2.3不均匀电场中气体的击穿过程气体绝缘材料及其击穿特性2.1气体中带电质点的产生与消失2.4冲击电压下气体的击穿过程2.5沿面放电2.4冲击电压下气体的击穿过程2.4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。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波形。我国标准波形与IEC规定的标准波形一致。1.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3％。2.工频交流电压应近似正弦波，峰值与均方根值（有效值）之比应小于，频率在45－65Hz范围3.雷电冲击电压4.操作冲击电压07.02持续作用电压脉冲性质电压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。2.4冲击电压下气体的击穿过程（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冲击电压的电源装置，主要用于绝缘冲击耐压及介质冲击击穿、放电等试验。冲击电压发生器一、雷电冲击电压下空气的击穿电压我国7200kV冲击电压发生器输出操作冲击电压击穿25m空气间隙。（一）、标准冲击电压波形我国国家标准规定的雷电冲击电压标准波形的参数为T1=（1.2±30%）μs，T2=（50±20%）μs。冲击电压波形由波前时间T1及半峰值时间T2来确定。T1为电压零点至电压峰值的时间；T2为电压零点至电压下降为峰值一半的时间。冲击电压除了T1和T2外，还应指出其极性（不接地电极相对于地的极性）。如标准雷电冲击电压波形通常可用符号±1.2/50μs表示。（一）、标准冲击电压波形每个气体间隙都有它的静态击穿电压，即长时间作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压。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，即间隙的击穿不仅需要足够的电压，还需要足够的时间。（二）、放电时延升压时间t0：电压从零升高到静态击穿电压U0所需的时间。统计时延ts：从电压升到U0的时刻起到间隙中形成第一个有效电子的时间。具有分散性。放电形成时延tf：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。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tb=t0+ts+tf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，放电发展到弱电场区后速度较慢，放电形成时延较长。（二）、放电时延间隙距离越短，电场越均匀，tf越小，tstf，放电时延主要取决于统计时延ts提高外施电压人工光源照射较长的间隙，不均匀电场，局部场强很高，出现有效电子的概率增加，统计时延较小。放电时延主要取决于放电形成时延tf，且电场越不均匀则tf越长，提高外施电压（二）、放电时延若放电时延t1＞T时，间隙不击穿若放电时延t1＜T时，间隙击穿冲击电压作用下间隙击穿条件：（三）、50%冲击击穿电压T：电压超过U0所持续的时间由于放电时延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。50%冲击击穿电压13冲击系数β：表示50%冲击电压与静态击穿电压的比值。均匀电场、稍不均匀电场：β＝1极不均匀电场：β＞150%sUU课堂讨论：两个U50%不同的间隙并联，是否在任意波形的雷电冲击电压作用下，U50%小的间隙总是先击穿？答：不是。由于U50%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，上述说法是不准确的。（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tbUtbUtb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电压下的击穿特性气隙的伏秒特性伏秒特性曲线的绘制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取击穿值（四）、伏秒特性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。实际上伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域u0t上包络线下包络线（四）、伏秒特性间隙伏秒特性的形状取决于电极间电场的分布。极不均匀：平均击穿场强低，放电时延长，曲线上翘；稍不均匀：平均击穿场强高，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应用四、伏秒特性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：—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。t2＜t1，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。t1＜t2，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：—用在过电压保护配合方面s12121二、操作冲击作用下气体间隙的击穿电力系统中存在电容和电感，进行操作或者发生事故时会引起震荡过程，造成很高的过电压，成为操作过电压。绝缘设计：早期用工频放电电压乘以系数方法来确定操作冲击电压；但随着电网电压等级的提高，操作过电压下的绝缘问题突出，在此基础上开展试验研究，发现了新的特点和现象。这些特点对超高压和特高压输电线路及配电装置空气间隙的距离确定具有重要意义。2222参数：①波前时间：T1=250μs±20%（反应上升速度）②半峰值时间：T2=2500μs±60%（反应下降速度）③标准波形通用写法±250/2500μs非周期双指数冲击波（一）操作冲击电压标准波形231.操作冲击电压下均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性与雷电冲击50%击穿电压、工频击穿电压（峰值）相同，且分散性小击穿发生在峰值（二）操作冲击50%击穿电压①极性效应正极性下50％击穿电压比负极性下低2.操作冲击电压下极不均匀电场的击穿特性25②波形的影响“U形曲线”是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。对应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，在50～200μs这段时间内，击穿最易发生。临界波头气隙距离15.2m8.35m7.0m3.95m2.62.42.22.01.81.61.41.21.00.8020040060080010001200)(sT1)(%50MVU图1－30“棒－板”间隙正极性操作冲击U50%与波头时间T1的关系(二)操作冲击50%击穿电压实验表明，非振荡操作冲击电压下的闪络电压随波前时间的增加而减小，约在100μs-500μs范围内达到最低值，而半峰时间对闪络电压影响较小，因为闪络几乎总是发生在波峰之前或在波峰处。26②波形的影响——“U形曲线”左半支：当波前时间从临界值逐渐减小时，留给放电发展的时间缩短了，相当于放电时延减小了，必然要求有更高的电压才能击穿。右半支：留给放电发展的时间已经足够长，棒极附近同号的空间电荷有时间被驱赶到离棒极较远的地方，使空间电荷不再集中在棒极附近，使得空间电荷造成的附加电场减弱，不利于放电进一步发展。临界波头气隙距离15.2m8.35m7.0m3.95m2.62.42.22.01.81.61.41.21.00.8020040060080010001200)(sT1)(%50MVU图1－30“棒－板”间隙正极性操作冲击U50%与波头时间T1的关系（二）操作冲击50%击穿电压27③50％击穿电压极小值的经验公式当间隙距离为1～15m时，“棒－板”间隙的正极性操作冲击U形曲线底部的最小击穿电压U50%（min）:dU814.3%(min)50（MV）432105101520253043214506507508501250μsTMVUb/md/图1－31“棒－板”间隙的不同类型电压作用下的实验曲线1－在不同T1值下得出的U50（min）；2－+250/2500μs操作冲击电压；3－工频交流电压；4－+1.2/50μs雷电冲击电压在一定波前时间范围内，U50%甚至会比工频击穿电压低，呈现出“U形曲线”。故对于220kV的超高压输电系统和电力设备，应按操作过电压的电气特性进行绝缘设计。（二）操作冲击50%击穿电压28④饱和现象随着气隙长度增加，“饱和”现象十分明显。电气强度最差的“棒—板”间隙饱和现象最为严重。⑤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，所以操作冲击电压作用下间隙的击穿电压的分散性比雷电冲击电压下大得多，在极不均匀电场中的相对标准偏差可达5%~8%。。（二）操作冲击50%击穿电压29三提高气体间隙击穿电压的措施（一）两个途径①改善电场分布，使之尽量均匀（内因）②利用其它方法来削弱气体中的电离过程（外因）影响气体间隙击穿电压的因素有施加电压波形，气体种类和状态，气体间隙的电场分布。如何提高气体间隙的击穿电压？30①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②改善电极边缘电极边缘做成弧形③使电极具有最佳外形如穿墙高压引线上加金属扁球；（一）改善电场分布-改进电极形状310501001502002503003502004006008001000Ub/kVd/cm123451-球极直径D=12.5cm；2-D=25cm；3-D=50cm；4-D=75cm；5-“棒-板”气隙（虚线）球－板气体间隙工频击穿电压Ub（有效值）与间隙长度d的关（一）改善电场分布-改进电极形状32高压试验设备雷电冲击高压发生器（一）改善电场分布-改进电极形状33500kVAC高压发生器（一）改善电场分布-改进电极形状34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，使电场均匀度提高，从而提高击穿电压；导线直径减为0.5mm时，击穿电压曲线大为增加，曲线逐渐与均匀电场中的相近——“细线效应”当导线直径减小到一定程度后，气隙的工频击穿电压会随导线直径的减小而提高，出现所谓“细线效应”。细线效应只对提高稳态作用下的击穿电压有效。因雷电冲击电压作用时间太短，来不及形成充分的空间电荷层，所以在雷电冲击电压下没有细线效应线－板气隙中不同直径导线的工频击穿电压与d的关系点划线－均匀电场；虚线－正尖－负板电场；1－D=0.5mm；2—D=3mm；3－D=16mm；4－D=20mm（一）改善电场分布-利用空间电荷畸变电场010203040506070501001502002501234均匀电场，21kV/cmcmkV/5.3kVUb/cmd/35影响屏障气隙的击穿电压的因素：屏障位置及棒电极的极性当棒为正极性屏障在间隙的任何位置都会增加击穿电压值。当时最有利；当棒为负极性屏障离棒