高电压技术主题知识讲座

内蒙古科技大学电气教研室第三章

气隙电气特征高电压技术主题知识讲座第1页内蒙古科技大学电气教研室影响空气间隙放电电压原因主要：电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀电压形式：直流、交流、雷电冲击、操作冲击大气条件：气压、温度、湿度电场形式对空气间隙放电电压影响高电压技术主题知识讲座第2页内蒙古科技大学电气教研室主要内容

气隙击穿时间气隙伏秒特征和击穿电压概率分布大气条件对气隙击穿电压影响较均匀电场气隙击穿电压不均匀电场气隙击穿电压提升气体间隙击穿电压办法高电压技术主题知识讲座第3页内蒙古科技大学电气教研室放电时间

完成气隙击穿三个必备条件:足够大电场强度或足够高电压在气隙中存在能引发电子崩并造成流注和主放电有效电子需要有一定时间，让放电得以逐步发展并完成击穿高电压技术主题知识讲座第4页内蒙古科技大学电气教研室完成击穿所需放电时间是很短（微秒级）：直流电压、工频交流等连续作用电压，满足上述三个条件不成问题；当所加电压改变速度很快、作用时间很短冲击电压，因有效作用时间短，以微秒计，此时放电时间就变成一个主要原因。高电压技术主题知识讲座第5页内蒙古科技大学电气教研室第1节气隙击穿时间

一.放电时间组成：

总放电时间

tb=t0+ts+tf

后面两个分量之和称为放电时延

tlag=ts+tft1－气隙在连续电压下击穿电压为U0，为所加电压从0上升到U0时间；ts－从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需时间称为统计时延ts；tf－出现有效电子后，引发碰撞电离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最终完成气隙击穿。这个过程需要时间称为放电形成时延tf。高电压技术主题知识讲座第6页内蒙古科技大学电气教研室tb和tf都含有统计性放电时间tb和tlag放电时延长短都与所加电压幅值U相关，总趋势是U越高，放电过程发展越快，tb和tlag越短。

高电压技术主题知识讲座第7页内蒙古科技大学电气教研室第2节气隙伏秒特征和击穿电压概率分布

连续作用电压直流电压工频电压与电压改变速度相比，放电发展所需时间（放电时延）能够忽略不计。当气体状态不变时，一定距离间隙击穿电压含有确定数值，当间隙上电压升高到达击穿电压时，间隙就击穿用击穿电压或击穿场强来表示气隙耐电特征高电压技术主题知识讲座第8页内蒙古科技大学电气教研室非连续作用电压雷电冲击过电压、操作冲击过电压连续时间极短（以微秒计），放电发展速度不能忽略不计。间隙击穿电压与作用电压波形（即作用时间）有很大关系用伏秒特征来表示气隙击穿特征高电压技术主题知识讲座第9页内蒙古科技大学电气教研室（一）标准雷电冲击电压波

标准雷电冲击电压以下列图所表示：高电压技术主题知识讲座第10页内蒙古科技大学电气教研室T1－视在波前时间；T2－视在半峰值时间；Um－冲击电压峰值T1－视在波前时间；T2－视在半峰值时间；Um－冲击电压峰值

高电压技术主题知识讲座第11页内蒙古科技大学电气教研室IEC和国家标准要求为：T1＝1.2μs±30％T2＝50μs±20％普通写为1.2/50μs，有国家为1.5/40μs

高电压技术主题知识讲座第12页内蒙古科技大学电气教研室（二）标准雷电截波

用来模拟雷电过电压引发气隙击穿或外绝缘闪络后所出现截尾冲击波，如图所表示。图16雷电截波

T1－波前时间；Tc－截断时间IEC和国家标准要求为：

T1＝1.2μs±30％Tc=2～5μs用来模拟雷电过电压引发气隙击穿或外绝缘闪络后所出现截尾冲击波，如图所表示。高电压技术主题知识讲座第13页内蒙古科技大学电气教研室（三）标准操作冲击电压波

图1-17操作冲击试验电压波形（a）非周期性双指数冲击波；（b）衰减振荡波高电压技术主题知识讲座第14页内蒙古科技大学电气教研室Tcr－波前时间；T2－半峰值时间；Um－冲击电压峰值IEC和国家标准要求为：Tcr＝250μs±20％T2＝2500μs±60％高电压技术主题知识讲座第15页内蒙古科技大学电气教研室50％冲击击穿电压（U50%）

在工程实际中广泛采取击穿百分比为50％时电压（U50%）来表征气隙冲击击穿特征。实际中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可认为是50％冲击击穿电压。高电压技术主题知识讲座第16页内蒙古科技大学电气教研室U50%与Ur静态击穿电压比值称为冲击系数β，均匀和稍不均匀电场下，β≈1;极不均匀电场中,β>1，冲击击穿电压分散性也较大，其标准偏差可取3％。高电压技术主题知识讲座第17页内蒙古科技大学电气教研室（二）伏秒特征

冲击击穿特征最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压－时间”坐标平面上形成曲线，通常称为伏秒特征曲线，它表示该气隙冲击击穿电压与放电时间关系。如图1-18所表示：图1-18伏秒特征曲线绘制方法示意图

冲击击穿特征最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压－时间”坐标平面上形成曲线，通常称为伏秒特征曲线，它表示该气隙冲击击穿电压与放电时间关系。如图1-18所表示：高电压技术主题知识讲座第18页内蒙古科技大学电气教研室

实际伏秒特征曲线如图1-19所表示，是一个以上、下包线为界带状区域。通常取50％伏秒特征或平均伏秒特征曲线来表征一个气隙冲击击穿特征。图1-19伏秒特征带与50％伏秒特征1－上包线；2－50％伏秒特征；3－下包线高电压技术主题知识讲座第19页内蒙古科技大学电气教研室

伴随时间延伸，一切气隙伏秒特征都趋于平坦，但特征曲线变平时间却与气隙电场形式有较大关系：

如图所表示：均匀或稍不均匀电场放电时延（间）短，因而其伏秒特征很快就变平了（比如1μs处）；图1-20均匀电场和不均匀电场气隙伏秒特征比较1－均匀电场；2－不均匀电场伴随时间延伸，一切气隙伏秒特征都趋于平坦，但特征曲线变平时间却与气隙电场形式有较大关系：如图所表示：均匀或稍不均匀电场放电时延（间）短，因而其伏秒特征很快就变平了（比如1μs处）；高电压技术主题知识讲座第20页内蒙古科技大学电气教研室

而极不均匀电场放电时延（间）较长，因而其伏秒特征抵达变平点时间也就较长。图1-20均匀电场和不均匀电场气隙伏秒特征比较1－均匀电场；2－不均匀电场高电压技术主题知识讲座第21页内蒙古科技大学电气教研室伏秒特征应用Ｓ２对Ｓ1起保护作用在高幅值冲击电压作用下，Ｓ２不起保护作用高电压技术主题知识讲座第22页内蒙古科技大学电气教研室小结（本节完）放电时间组成为：tb=t1+ts+tf

冲击电压波形标准化标准雷电冲击电压波标准雷电截波标准操作冲击电压波冲击电压下气隙击穿特征采取击穿百分比为50％时电压来表征气隙冲击击穿特征；伏秒特征表征气隙冲击击穿电压与放电时间关系。高电压技术主题知识讲座第23页内蒙古科技大学电气教研室第3节大气条件对气隙击穿电压影响

大气条件：气温、气压、湿度等GB/T16927.1⎯1997：外绝缘破坏性放电电压值需进行大气校正，包含：空气密度修正系数kd湿度修正系数kh实际试验条件下←→标准条件下U=U0Kt=U0KdKh高电压技术主题知识讲座第24页内蒙古科技大学电气教研室第4节较均匀电场气隙击穿电压

均匀电场中击穿电压击穿电压与电压极性无关直流、工频击穿电压（峰值）以及50％冲击击穿电压都相同，分散性很小高电压技术主题知识讲座第25页内蒙古科技大学电气教研室均匀电场中击穿电压当S不过于小时（S>1cm），均匀电场中空气电气强度（峰值）大致等于30kV/cm高电压技术主题知识讲座第26页内蒙古科技大学电气教研室第4节较均匀电场气隙击穿电压

稍不均匀电场中击穿电压球—球间隙球—板间隙圆柱—板同轴圆柱间隙直接测量高电压峰值最简单又有一定准确度伎俩不能形成稳定电晕放电电场不对称时，有极性效应，不很显著直流、工频下击穿电压(幅值)以及50％冲击击穿电压相同，分散性不大击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场越均匀，一样间隙距离下击穿电压就越高高电压技术主题知识讲座第27页内蒙古科技大学电气教研室球—球间隙：击穿电压影响因数临近效应：对电场畸变作用使间隙电场分布不对称极性效应：电场最强电极为负极性时击穿电压略低于正极性时数值电场均匀程度影响：同一间隙距离下，球电极直径越大，击穿电压也越高照射效应：增大气隙中出现有效电子概率，减小击穿电压分散性高电压技术主题知识讲座第28页内蒙古科技大学电气教研室击穿电压估算依据起始场强经验公式估算击穿电压ｆ：不均匀系数，决定于电极布置，可依据静电场计算或电解槽等试验方法求得当Emax到达临界值（30kV/cm幅值），间隙击穿Ｅ0

实际上和电极布置相关高电压技术主题知识讲座第29页内蒙古科技大学电气教研室第5节不均匀电场气隙击穿电压

1、影响击穿电压主要原因是间隙距离2、选择电场极不均匀极端情况作为经典电极研究棒(尖)—板：电场分布不对称棒(尖)—棒(尖)：电场分布对称这两种气隙击穿电压是不均匀气隙击穿电压曲线上下包线，依据经典电极击穿电压数据来估计绝缘距离3、直流、工频及冲击击穿电压间差异比较显著，分散性较大高电压技术主题知识讲座第30页内蒙古科技大学电气教研室直流电压下击穿电压极性效应：棒—棒电极间击穿电压介于极性不一样棒—板电极之间击穿电压与间隙距离靠近正比，平均击穿场强：正棒—负板：4.5kV/cm负棒—正板：l0kV/cm棒—棒：4.8~5.0kV/cm高电压技术主题知识讲座第31页内蒙古科技大学电气教研室工频电压下击穿电压击穿在棒极性为正、电压到达幅值时发生间隙距离小于2.5cm，击穿电压和距离近似直线关系平均击穿场强(幅值)：棒—棒间隙为5.36kV/cm，棒—板间隙为4.8kV/cm“饱和现象”：距离加大，平均击穿场强显著降低，棒—板间隙尤为严重d＝1m，5kV/cmd＝l０m，2kV/cm高电压技术主题知识讲座第32页内蒙古科技大学电气教研室雷电冲击电压下空气击穿电压雷电冲击50％击穿电压在屡次施加电压（波形1.2/50μs）中，其中半数导致击穿电压，工程上以此来反应间隙耐受冲击电压特征在极不均匀电场，因为放电时延较长，雷电冲击50％击穿电压比工频击穿电压高，即雷电冲击系数大于l，击穿电压分散性也大一些，其标准偏差可取为3%高电压技术主题知识讲座第33页内蒙古科技大学电气教研室在图所表示范围内击穿电压和间隙距离呈直线关系棒—板间隙有显著极性效应，棒—棒间隙也有不大极性效应高电压技术主题知识讲座第34页内蒙古科技大学电气教研室操作冲击电压下空气击穿电压极不均匀电场中操作冲击50％击穿有许多特点极性效应正极性下50％击穿电压比负极性下低，所以也更危险电场分布影响“邻近效应”：接地物体靠近放电间隙会显著降低其正极性击穿电压，但能多少提升一些负极性击穿电压“饱和”现象：和工频电压下类似，棒—板间隙更严重分散性大：波前时间在数十到数百微秒之间，U50标准偏差约为5％；波前时间超出1000μs以后，可达8％高电压技术主题知识讲座第35页内蒙古科技大学电气教研室波形影响波前时间在一定范围内，U50含有最小值，即临界击穿电压（对应临界波前时间）。展现出“Ｕ形曲线”放电时延和空间电荷(形成及迁移)这两个原因影响所造成对应极小值波前时间伴随间隙距离加大而增加，对7m以下间隙，在50∼200μs之间工频击穿电压比临界波前操作冲击击穿电压（操作冲击系数小于1）P64图3-5-8高电压技术主题知识讲座第36页内蒙古科技大学电气教研室50％击穿电压极小值经验公式对于1∼20m长间隙计算结果和试验结果很好地符合高电压技术主题知识讲座第37页内蒙古科技大学电气教研室第6节提升气体间隙击穿电压办法

两个路径：1、改进电场分布，使之尽可能均匀改进电极形状利用空间电荷畸变电场作用2、利用其它方法来减弱气体中电离过程高电压技术主题知识讲座第38页内蒙古科技大学电气教研室1、改进电极形状以改进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；采取扩径导线等改进电极边缘电极边缘做成弧形；尽可能使其与某等位面相近使电圾含有最正确外形如穿墙高压引线上加金属扁球；墒洞边缘做成近似垂接线旋转体高电压技术主题知识讲座第39页内蒙古科技大学电气教研室2、利用空间电荷畸变电场作用极不均匀电场中击穿前发生电晕放电，利用放电产生空间电荷改进电场分布，提升击穿电压直径D＝20、16mm时，击穿电压曲线直线部分和尖一板间隙相近导线直径减为3mm以至0.5mm时，击穿电压曲线直线部分陡度大为增加，曲线逐步与均匀电场中相近——“细线效应”高电压技术主题知识讲座第40页内蒙古科技大学电气教研室3、极不均匀电场中屏障采取

伴随屏障位置不一样，击穿电压发生很大改变，尖电极极性不一样，屏障影响也有别原理是屏障积聚空间电荷，改进电场分布在电场极不均匀气隙中，放入薄片固体绝缘材料（比如纸或纸板），在一定条件下，可以显著提升气隙击穿电压高电压技术主题知识讲座第41页内蒙古科技大学电气教研室尖电极为正极性屏障离尖电极过近，屏障效应将减弱尖电极为负极性屏障离尖电极过近，仍有相当屏降效应屏障离开尖电极一定距离，设置屏障反而降低间隙击穿电压高电压技术主题知识讲座第42页内蒙古科技大学电气教研室工频电压下屏障作用设置屏障能够显著提升间隙击穿电压。雷电冲击电压下屏阵作用尖电极含有正极性时，设置屏障可显著提升间隙击穿电压负极性时设置屏障后，间隙击穿电压和没有屏障时相差不多高电压技术主题知识讲座第43页内蒙古科技大学电气教研室4.高气压采取

减小电子平均自由行程，减弱电离过程例：大气压力下空气电气强度仅约为变压器油1/5∼1/8，提升压力至1∼1.5MPa，空气电气强度和一般液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、云母等电气强度相靠近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取高压空气断路器、高压标准电容器等高电压技术主题知识讲座第44页内蒙古科技大学电气教研室较均匀电场中击穿电压在小于1MPa压力范围内，击穿场强提升遵照巴申定律，而且击穿场强和气压成正比。从1MPa开始，试验结果和巴申定律分歧就逐渐显著了。增加呈饱和趋势电极表面状态对击穿电压影响比常压下显著强场发射：106V/cm精细抛光、老练处理高电压技术主题知识讲座第45页内蒙古科技大学电气教研室较均匀电场中击穿电压电极面积影响随气压增高越显著面积效应：在不影响电场分布情况下，电极面积愈大，气隙击穿电压愈低，面积增大到很大时，击穿电压趋于稳定值在设计电极面积较大、工作在高气压下设备，不能将小面积时测试结果简单推广到大面积工程应用高电压技术主题知识讲座第46页内蒙古科技大学电气教研室不均匀电场中击穿电压

提升气压后，间隙击穿电压将高于大气压力下数值，但其提升程度不如均匀电场电场均匀程度对击穿电压影响比在常压下要显著得多，电场均匀程度下降，击穿电压将剧烈降低在设计充有高气压气体电气设备，应尽可能提高其电场均匀度高电压技术主题知识讲座第47页内蒙古科技大学电气教研室不均匀电场中击穿电压

在增大气压过程中，击穿电压改变有特殊性教材p72，图3-6-14原因：电晕放电产生空间电荷能使电极附近电场均匀化，气压增大使电晕圈发展受到抑制大曲率电极为正极性时显著、连续作用电压时显著高电压技术主题知识讲座第48页内蒙古科技大学电气教研室5、高真空采取

采取高度真空能够提升气隙击穿电压，改变规律如图原因：减弱间隙中碰撞电离过程，从而显著增高间隙击穿电压高电压技术主题知识讲座第49页内蒙古科技大学电气教研室5、高真空采取

高真空中击穿机剪发生了改变距离较小时，阴极强场放射亲密相关距离较大时，击穿是由“全电压效应”引发分散性很大：电极材料、电极表面光洁度及清洁度仅一些特殊领域，如真空断路器中用作灭弧和绝缘，普遍应用高电压技术主题知识讲座第50页内蒙古科技大学电气教研室6、高电气强度气体采取含卤族元素气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利昂（CCl2F2）等，其电气强度比空气要高很多。称为高电气强度气体高电压技术主题知识讲座第51页内蒙古科技大学电气教研室卤化物气体电气强度高原因含有卤族元素，气体含有很强电负性，气体分子容易和电子结合成为负离子，减弱电子碰撞电离能力，同时又加强复合过程气体分子量比较大，分子直径较大，电子在其中自由行程缩短，不易积聚能量，从而降低其碰撞电离能力电子和这些气体分子相遇时，还易于引发分子发生极化等过程，增加能量损失，从而减弱其碰撞电离能力高电压技术主题知识讲座第52页内蒙古科技大学电气教研室对高电气强度气体要求

液化温度要低采取高电气强度气体时，经常同时提升压力，