不均匀电场中空气间隙的击穿

教 学 主 要 内 容 过程描述 （1) 极不均匀电场间隙击穿特性分析前准备。建立极不均匀电场参考模型，即棒-棒模型或棒-球模型。如图1-2-1为棒-板模型，如图1-2-2为球-棒模型。棒-棒电极代表对称的不均匀电场，棒-板电极代表不对称的不均匀电场。我们一般以棒-板模型为主要研究对象，来模拟极不均匀电场，从而解释为什么高压输电要用分裂导线。 球时间 分配 板棒棒 图1-2-1 图1-2-2 （2) 极不均匀电场间隙击穿特性分析阶段。极不均匀电场气隙中,因间隙距离大,击穿电压主要取决于间隙距离,而与电极形状关系不大,所以以棒-棒电极或棒-板电极作为研究极不均匀电场放电特性的典型电极。棒极附近产生的电晕，带电粒子定向运动，正离子向板极运动，由于速度慢，就在棒极附近形成电荷积累区，使未游离区的电场强度增大，而导致击穿电压降低。如图1-2-3所示。 图1-2-3 （3)极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应，棒电极的极性不同时，间隙中空间电荷对外电场的畸变作用不同。 （4）分析结束。能够确定对于特定电压的输送应采用几分裂导线。 过程分析 （1）了解均匀电场与极不均匀电场在击穿特性方面的差别。均匀电场的击穿场强为30kV/cm，极不均匀电场的平均击穿场强为5 kV/cm。随着间隙距离的增大，击穿电压随着增大，但击穿场强是随着降低的，因为击穿电压的增加速度没有距离增加的速度快。 （2）建立极不均匀电场的模型。在极不均匀电场的情况下，不管棒-板间隙或是不同直径的球-板间隙，击穿电压和距离的关系曲线都比较接近。就是说，在极不均匀电场中，击穿电压主要决定于间隙距离，而与电极形状的关系不大。因此在工程实践中常用棒-板或棒-棒这两种类型间隙的击穿特性曲线作为选择绝缘距离的参考 图1-2-4 （3）在工频电压作用下，棒-板间隙的击穿总是发生在棒的极性为正、电压达幅值时，并且其击穿电压（幅值）和直流电压下的正棒-负板的击穿电压相近。棒-棒间隙的平均击穿场强为3.8kV（有效值）/cm或5.36kV（幅值）/cm，棒-板间隙梢低一些，约为3.35kV（有效值）/cm或4.8kV（幅值）/cm。 【电晕放电】电晕放电现象——电离区的放电过程造成。 现象：咝咝的声音、臭氧的气味、微弱的晕光、回路电流明显增加(绝对值仍很小)，可以测量到能量损失 电晕起始电压和电晕起始场强是一种自持放电形式，起始电压在原理上可由自持放电条件求得： 0.3E30m(1) kV/cm 0r1-2-1 m－导线表面的粗糙系数。光滑导线m=1, 一般导线m=0.82~0.9,对绞线局部电晕 m=0.72 （4）分裂导线设计标准 在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。 1）对于330~750kV的超高压线路，按额定电压不同。通常取分裂数为2~6； 2）对于1000kV以上的特高压线路，采用更多的分裂数（分裂数为8或更大） 3）220kV以下的输电线路，由于电晕放电所引起的损耗和干扰不严重，所以没有采用分裂导线代替采用单导线。 相关知识 （1）极不均匀电场的放电特性分析。极不均匀电场的放电特性与此大不相同，由于电场强度分布不均匀，当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近空间的电气强度首先达到起始场强值，这个局部区域先出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅在小曲率半径电极附近空间的局部放电成为电晕放电。此时气隙仍保持绝缘状态,还没有被击穿。 （2）电晕放电 【概念】极不均匀电场中，间隙中的最大场强比平均场强大的多.当外加电压较低时, 在曲率半径较小的尖电极附近的局部场强已经足够大而引起强烈的游离,在这局部强场区形成放电. 这种仅仅发生在强场区的局部区域内的自持放电称为电晕放电。 【现象】薄薄的发光层;伴有“咝咝”放电声;发出臭氧气味。 【危害】①引起能量损耗；②干扰周围无线电通信和测量；③腐蚀有机绝缘材料和金具；④噪声干扰。 （3）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。 图1-2-5 正棒-负板 如图1-2-5所示，棒极带正电位时，电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和 ，棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子 ，这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢而暂留在棒极附近，这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，不易形成流注，放电难以自持，故电晕起始电压高。而正空间电荷加强了正离子群外部空间的电场，因此当电压进一步提高，有利于流注向板极发展，因而放电的发展是顺利的，击穿电压较低。 图1-2-6 负棒-正板 如图1-2-6所示，棒为负极性时，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，不能再引起碰撞电离，并大多形成负离子继续往板极运动。其浓度小，对电场影响小，留在棒极附近的大批正离子，它们将加强棒极表面附近的电场，易形成自持放电，故电晕起始电压低。而正离子削弱外围空间的电场，流注不易发展，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，故击穿电压较高。 （4）电晕放电的抑制措施 最有效的措施就是增大电极的曲率半径，改进电极形状。例如超（特）高压线路采用分裂导线;有些高压电器采用空心薄壳的，扩大尺寸的球面或旋转椭圆面等形式的电极;采用管型空心硬母线等。 （5）伏秒特性 用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。 伏秒特性曲线和间隙电场的均匀程度有关。对于不均匀电场，平均击穿场强低，放电时延长，分散性亦大；对于均匀电场，平均击穿场强较高，流注发展较快，放电时延较短，其伏秒特性平坦。 伏秒特性对比较不同绝缘设备的冲击击穿特性有重要意义。单是50％冲击击穿电压不能充分说明间隙的冲击击穿特性，在考虑不同间隙绝缘配合时，为更全面反映间隙的冲击特性，就必须采用间隙的伏秒特性进行配合。 复习思考题 小结