第三章 气隙电气强度

1、第三章 气隙的电气强度u第一节第一节 气隙的击穿时间气隙的击穿时间u第二节第二节 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布u第三节第三节 大气条件对气隙击穿电压的影响大气条件对气隙击穿电压的影响u第四节第四节 较均匀较均匀/不均匀电场气隙的击穿电压不均匀电场气隙的击穿电压u第五节第五节 提高气隙击穿电压的方法提高气隙击穿电压的方法3.1 3.1 气隙的击穿时间气隙的击穿时间 n最低静态击穿电压最低静态击穿电压U0 n击穿时间击穿时间tb 升压时间升压时间t0 、统计时延、统计时延ts 、放、放电发展时间电发展时间tf 、放电时延放电时延 tl n短间隙短间隙(1厘米

2、以下厘米以下) tfts ，平均统计时延平均统计时延 n较长的间隙中较长的间隙中 tl主要决定于主要决定于tfn间隙上外施电压增加，放电间隙上外施电压增加，放电发展时间也会减小发展时间也会减小 fsbtttt0fslttt3.2 3.2 气隙的伏秒特性气隙的伏秒特性一一. 电压波形电压波形（一）直流电压（一）直流电压 直流试验电压大都由交流整流而得，其波形必然有一定的脉动，纹波系数纹波系数为脉动幅值与平均值之比。国家标准规定被试品上直流试验电压的纹波系数应不大于3。（二）工频交流电压（二）工频交流电压 工频交流试验电压应近似为正弦波，正负两半波相同，其峰值与有效值之比应在 以内。频率一般在45

3、65Hz范围内。07. 02 （ 三）三） 标准雷电冲击电压波标准雷电冲击电压波 用来模拟雷电过电压波，采用非周期性双指数波。T1视在波前时间； T2视在半峰值时间 ；Um冲击电压峰值 国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为：T1=1.2s 30% ；T2=50s20% 通常写成1.2/50s。 （四）（四） 标准雷电截波标准雷电截波用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪落后出现的截尾冲击波，如图。IEC标准和我国国家标准规定为：T1=1.2s 30% ；Tc=25s 。可写成1.2/ 25s .0.30.50.9100T1T2 u / Umt0.900.31 u / Um0T1Tct

4、 （五）（五） 标准操作冲击电压波标准操作冲击电压波 用来等效模拟电力系统中操作过电压波，一般也用非周期性双指数波。波前时间Tcr=250s20%；半峰值时间T2=2500s60% 。可写成250/2500s冲击波冲击波。当在试验中上述波形不能满足要求时，推荐采用100/2500s 和 500/2500s 冲击波。此外还建议采用一种衰减震荡波下右图，第一个半波的持续时间在20003000s之间，极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80% 0.510 u / UmTcrT2tu0UmTcrtTcr=1000 1500us标准操作冲击电压波标准操作冲击电压波二、伏秒特性二、伏秒特性 气隙

5、的伏秒特性气隙的伏秒特性在同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，在同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，气隙上出现的电压最大值和放电时间的关系，称为该气隙的伏气隙上出现的电压最大值和放电时间的关系，称为该气隙的伏秒特性。秒特性。50%冲击击穿电压冲击击穿电压 （U50% )指某气隙被击穿的概率为指某气隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。的冲击电压峰值。（一）伏秒特性曲线的制作（一）伏秒特性曲线的制作 保持一定的冲击电压波保持一定的冲击电压波形不变，而逐级升高电形不变，而逐级升高电压压，以电压为纵坐标，以电压为纵坐标，时间为横坐标时间为横坐标 电压较低时，击穿一般电压较低时，击穿一般发生在波尾发生

6、在波尾，取该电压取该电压的峰值与击穿时刻，得的峰值与击穿时刻，得到相应的点到相应的点 电压较高时，击穿一般电压较高时，击穿一般发生在波头发生在波头，取击穿时取击穿时刻的电压值及该时刻，刻的电压值及该时刻，得到相应的点得到相应的点u0t123 实际上实际上伏秒特性伏秒特性具有统计分散性，具有统计分散性，是一个以上下是一个以上下包线为界的带状区域。包线为界的带状区域。工程上，通常取工程上，通常取“50%伏秒特伏秒特性曲线性曲线”来表征一个气隙的冲击击穿特性。来表征一个气隙的冲击击穿特性。U50%u0t2313-U0%2-U50%1-U100%（二（二）伏秒特性的用途伏秒特性的用途间隙伏秒特性的形状

7、决定于电极间电场分布间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布伏秒特性对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性具有伏秒特性对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性具有重要意义重要意义 3-2-6 对对1 起保护作用起保护作用 3-2-7在高幅值冲击电压作用下，在高幅值冲击电压作用下，不起保护作用不起保护作用三三. 气隙击穿电压的概率分布气隙击穿电压的概率分布 气隙击穿的几率分布接近气隙击穿的几率分布接近正态分布正态分布，通常可以用，通常可以用U50%和变异系数和变异系数Z来表示。来表示。100%的耐受电压是很难测的（要做无穷次的实的耐受电压是很难测的（要做无穷次的实验），实际中常用很高耐受几率验），实际中常用

8、很高耐受几率(例如例如99以上以上)的电的电压作为耐受电压。压作为耐受电压。 由于大气的由于大气的压力、温度、湿度压力、温度、湿度等条件会影响空气的密度、等条件会影响空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程，影响电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程，影响气隙的击穿电气隙的击穿电压压Ub。 一、 我国的国家标准所规定的标准大气条件为：我国的国家标准所规定的标准大气条件为： 压力压力 p0 =101.3kpa； 温度温度 t0 =20 或或 T0 = 293K； 绝对湿度绝对湿度 hc =11g / m3 。3.33.3大气条件对气隙击穿电压的影响大气条件对气隙击穿电压的影响 二、大气条件

9、对击穿电压影响二、大气条件对击穿电压影响 气隙的击穿电压随大气密度或湿度的增加而升高气隙的击穿电压随大气密度或湿度的增加而升高 原因：原因： 大气密度升高而击穿电压升高：随着空气密度大气密度升高而击穿电压升高：随着空气密度的增大，气体中自由电子的平均自由程缩短了，不易的增大，气体中自由电子的平均自由程缩短了，不易造成撞击电离。造成撞击电离。 湿度的增加而击穿电压升高：水蒸汽是电负性湿度的增加而击穿电压升高：水蒸汽是电负性气体，易俘获自由电子形成负离子，使自由电子的数气体，易俘获自由电子形成负离子，使自由电子的数量减少，阻碍了电离的发展。量减少，阻碍了电离的发展。式中式中: U 实际试验条件下的

10、气隙击穿电压实际试验条件下的气隙击穿电压 U0 标准大气条件下的气隙击穿电压标准大气条件下的气隙击穿电压 Kd空气密度校正因数空气密度校正因数 Kh湿度校正因数湿度校正因数hd0t0KKUKUU m00d273273ppK一、对空气密度的校正TP9 . 2气体密度 在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场强度都很大，电子运动速度较快，不易被水分子俘获，因而湿强度都很大，电子运动速度较快，不易被水分子俘获，因而湿度影响不太明显度影响不太明显 在极不均匀电场中，湿度影响就很明显了，可用下面的湿在极不均匀电场中，湿度影响就很明显了，可用下面

11、的湿度校正因数来校正度校正因数来校正 Kh = KW 指数指数W之值取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极之值取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。具体值亦可参考有关国家标准性。具体值亦可参考有关国家标准 二、对湿度的校正 我国国家标准规定：对于安装在海拔高于我国国家标准规定：对于安装在海拔高于1000m 、但不超过但不超过4000m 处的电力设施外绝缘，在处的电力设施外绝缘，在 1000m以下试验时其试验电压以下试验时其试验电压U 应为平原地区外绝缘的耐受电压应为平原地区外绝缘的耐受电压Up 乘以海拔校正因数乘以海拔校正因数Kn ， U = Ka Up4a10H1.11K式中式中 H

12、安装点的海拔高度，安装点的海拔高度，m。 三、对海拔的校正3.4 3.4 较均匀电场气隙的击穿电压较均匀电场气隙的击穿电压均匀电场均匀电场特点：特点： 起始放电电压就等于气隙的击穿电压，起始放电电压就等于气隙的击穿电压， 击穿电压与电压极性无关击穿电压与电压极性无关 空气的击穿电压空气的击穿电压(峰值峰值) 的经验公式为的经验公式为 式中式中 S 间隙距离（间隙距离（cm） 空气相对密度空气相对密度 电气强度（峰值）大致等于电气强度（峰值）大致等于30kV/cm kV SSUb536424.2. 稍不均匀电场中的击穿电压稍不均匀电场中的击穿电压n 不能形成稳定的电晕放电不能形成稳定的电晕放电n

13、 电场不对称时，极性效应不很明显电场不对称时，极性效应不很明显 n 直流、工频下的击穿电压直流、工频下的击穿电压(幅值幅值)以及以及50冲击冲击击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大n 击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场越击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高 1) 球球球间隙，球球间隙，球板间隙，同轴圆柱间隙板间隙，同轴圆柱间隙 n影响击穿电压的主要因素是间隙距离影响击穿电压的主要因素是间隙距离n选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究 棒棒

14、(尖尖)板板 ：电场分布不均匀、：电场分布不均匀、不对称不对称 棒棒(尖尖)棒棒(尖尖) ：电场分布不均匀、：电场分布不均匀、对称对称 n直流、工频及冲击击穿电压间的差别比较明显直流、工频及冲击击穿电压间的差别比较明显，分散性较大，且极性效应显著，分散性较大，且极性效应显著 n工程上，击穿电压可以参照与接近的典型气隙工程上，击穿电压可以参照与接近的典型气隙的击穿电压来估计的击穿电压来估计3.5 3.5 不均匀电场气隙的击穿电压不均匀电场气隙的击穿电压1. 1. 直流电压下的击穿电压直流电压下的击穿电压棒棒板间隙：棒具有正板间隙：棒具有正极性时，平均击穿场强极性时，平均击穿场强约为约为4.5kV

15、/cm；棒具有；棒具有负极性时约为负极性时约为l0kV/cm棒棒棒间隙的平均击穿棒间隙的平均击穿场强约为场强约为5.4kV/cm极性效应：极性效应：负板正棒棒棒正板负棒UUU2. 2. 工频电压下的击穿电压工频电压下的击穿电压 n击穿在棒的极性为正、击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生电压达到幅值时发生 n除了起始部分外，击穿除了起始部分外，击穿电压和距离近似直线关电压和距离近似直线关系系 n棒棒棒棒3.8kV/cm，棒棒板低：板低：极性效应极性效应n“饱和现象饱和现象” ：距离加：距离加大，平均击穿场强明显大，平均击穿场强明显降低，棒降低，棒板间隙尤为板间隙尤为严重严重 d1m， 5 kV

16、/cm dlm，2 kV/cm图图3-5-2 棒棒棒和棒和板空气间隙的棒和棒和板空气间隙的 工频击穿电压与间隙距离的关系工频击穿电压与间隙距离的关系结论结论:气隙较大时（气隙较大时（S大于大于2.5m），），击穿电压与距离关系出现了明显击穿电压与距离关系出现了明显的饱和趋向，特别是棒的饱和趋向，特别是棒板气隙，其饱和趋向更明显。板气隙，其饱和趋向更明显。图图3-5-4 气隙的冲击击穿电压与距离的关系气隙的冲击击穿电压与距离的关系3 3雷电冲击电压下雷电冲击电压下4 .4 .操作冲击电压下操作冲击电压下极不均匀电场中的操作击穿有许多特点极不均匀电场中的操作击穿有许多特点特点特点u 极性效应极性效

17、应 极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下50击穿电压击穿电压比负极性下低，所以也更危险比负极性下低，所以也更危险 u 电场分布的影响电场分布的影响 “邻近效应邻近效应” ：接地物体靠近放电间隙会显著降低其正：接地物体靠近放电间隙会显著降低其正极性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压极性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压 电极形状对间隙的击穿电压也有很大影响电极形状对间隙的击穿电压也有很大影响 3.3.波形的影响波形的影响 n在一定的波前时间范围在一定的波前时间范围内，内，U50 甚至会比工频击甚至会比工频击穿电压低穿电压低 ，呈现出，呈现出 “

18、形曲线形曲线” n对应于极小值的波前时对应于极小值的波前时间随着间隙距离加大而间随着间隙距离加大而增加，对增加，对7m以下的间隙以下的间隙，大致在，大致在50 200 s之间之间n放电时延和空间电荷放电时延和空间电荷(形形成及迁移成及迁移)这两类不同因这两类不同因素的影响所造成的素的影响所造成的 n分散性大分散性大 对于波前时间在数十到数百微秒的操作冲击电压，极不对于波前时间在数十到数百微秒的操作冲击电压，极不均匀电场间隙均匀电场间隙50击穿电压的标准偏差击穿电压的标准偏差 约为约为5；波；波前时间超过前时间超过1000 s以后，可达以后，可达8左右（工频及雷电冲左右（工频及雷电冲击电压下均约

19、为击电压下均约为3） n“饱和饱和”现象现象 和工频电压下类似，极不均匀电场中操作冲击和工频电压下类似，极不均匀电场中操作冲击50击穿击穿电压和间隙距离的关系具有明显的电压和间隙距离的关系具有明显的“饱和饱和”特征（雷特征（雷电冲击电冲击50击穿电压和距离大致呈线性关系击穿电压和距离大致呈线性关系 ） n50击穿电压极小值的经验公式击穿电压极小值的经验公式 式中式中 d 间隙距离，间隙距离，m上式对于上式对于2 20m的长间隙和试验结果很好地符合的长间隙和试验结果很好地符合MV 814 . 3min50dU3.6 3.6 提高气体间隙击穿电压的措施提高气体间隙击穿电压的措施两个途径：两个途径：

20、 一、改善电场分布，使之尽量均匀一、改善电场分布，使之尽量均匀 改进电极形状改进电极形状 利用空间电荷畸变电场的作用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二、利用其它方法来削弱气体中的电离过程 ( (一）改善电场分布一）改善电场分布 n增大电极曲率半径（简称增大电极曲率半径（简称屏蔽）屏蔽） 减小表面场强。如变压器减小表面场强。如变压器套管端部加球形屏蔽罩；套管端部加球形屏蔽罩；采用扩径导线等采用扩径导线等n改善电极边缘改善电极边缘 电极边缘做成弧形电极边缘做成弧形n使电极具有最佳外形使电极具有最佳外形 如穿墙高压引线上加金属如穿墙高压引线上加金属扁球扁球（二）（二

21、） 高真空的采用高真空的采用n削弱间隙中的碰撞电离过程，从而显著增高间隙的击削弱间隙中的碰撞电离过程，从而显著增高间隙的击穿电压穿电压 n高真空中击穿机理发生了改变：高真空中击穿机理发生了改变：撞击电离的机制不起撞击电离的机制不起主要作用，而击穿与强场发射有关主要作用，而击穿与强场发射有关应用：真空断路器中应用：真空断路器中用作绝缘和灭弧。用作绝缘和灭弧。（三）高气压的采用（三）高气压的采用 n减小电子的平均自由行程，削弱电离过程减小电子的平均自由行程，削弱电离过程例：大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的例：大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的1/5 1/8，提高压力至，提高压力至1

22、1.5MPa，空气的电气强度和一，空气的电气强度和一般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、云母等的般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、云母等的电气强度相接近电气强度相接近 n压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘在一些电气压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘在一些电气设备中已得到采用设备中已得到采用如：高压空气断路器、高压标准电容器等如：高压空气断路器、高压标准电容器等n均匀电场中的击穿电压均匀电场中的击穿电压在一定的压力范围内，击在一定的压力范围内，击穿场强的提高遵循巴申穿场强的提高遵循巴申定律，并且击穿场强大定律，并且击穿场强大致和气压成正比致和气压成正比 大约从大约从1MPa开始，实验开始，实验结果

23、和巴申定律的分歧结果和巴申定律的分歧就逐渐明显了就逐渐明显了 n不均匀电场中的击穿电压不均匀电场中的击穿电压不均匀电场中提高气压后，间隙的击穿电压不均匀电场中提高气压后，间隙的击穿电压也将高于大气压强下的数值也将高于大气压强下的数值在高气压下，电场均匀程度对击穿电压的影在高气压下，电场均匀程度对击穿电压的影响比在大气压力下要显著得多，电场均匀响比在大气压力下要显著得多，电场均匀程度下降，击穿电压将剧烈降低程度下降，击穿电压将剧烈降低n含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利）、氟利昂（昂（CCl2F2）等，其电气强度比空气的要高很多。称）等，其电气

24、强度比空气的要高很多。称为高电气强度气体为高电气强度气体 （四（四）高电气强度气体的采用高电气强度气体的采用n 卤化物气体电气强度高的原因卤化物气体电气强度高的原因 1由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性，气体由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性，气体分子容易和电子结合成为负离子，削弱电子的碰撞电分子容易和电子结合成为负离子，削弱电子的碰撞电离能力，同时又加强复合过程离能力，同时又加强复合过程气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少其碰撞中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少其碰撞电离能力电离能力电子和这些气体的分子相遇时，还易于引起分子电子和这些气体的分子相遇时，还易于引起分子发生极化等过程，增加能量损失，从而减弱其碰撞电发生极化等过程，增加能量损失，从而减弱其碰撞电离能力离能力n对高电气强度气体的要求对高电气强度气体的要求1液化温度要低，采用高电气强