气体间隙的击穿强度

1、第二章气隙击穿强度、电场条件均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场、影响气隙击穿电压的主要因素：高压工程基础、电压形式的稳定电压(DC电压和交流电压)、雷电冲击电压、运行冲击电压、大气压力、温度和湿度，1。稳态电压下的击穿。雷电冲击电压下的击穿。工作冲击电压下的击穿4。大气密度和湿度对击穿的影响。提高气隙击穿电压的措施，高压工程基础，第3章，气隙击穿强度，高压工程基础，稳态电压(连续电压)指DC电压或工频交流电压。3.1稳态电压下的击穿特性：与间隙中放电发展的速度相比，电压变化的速度非常小，因此放电发展所需的时间可以忽略不计。只要作用在间隙上的电压达到击穿电压，间隙就会击穿。高压工程基础，DC电

2、压：交流电压：DC包含的脉动分量的脉动系数不大于3%。(纹波系数指纹波幅度与DC电压平均值之比。)DC电压的大小是指DC电压的平均值。波形接近正弦波，正负半波相同，峰值与有效值之比小于，偏差不大于，高压工程的基础，1。在均匀电场中击穿，由于电极排列对称，击穿电压没有极性效应。因为击穿前间隙中各处的场强相等，所以击穿前不会发生电晕，初始放电电压等于击穿电压。无论什么样的电压(DC、交流、正负50%的脉冲电压)，击穿电压(峰值)都是相同的，并且色散非常小。高压工程基础，1。均匀电场中的击穿，均匀电场中气隙的击穿电压(峰值)可根据以下经验公式求得：式中，d为气隙距离，cm；空气相对密度。空气在均匀电

3、场中的击穿场强(峰值)为30kV/cm。高压工程的基础，2。在电场强度相差不大的轻微不均匀电场中击穿，如果间隙中的任何地方发生自持放电，将立即导致整个间隙击穿。因此，对于稍微不均匀的电场，任何地方的自持放电条件都是整个间隙击穿的条件。当电场不对称时，击穿电压具有极性效应，但不显著。电晕发生在击穿之前，但它是不稳定的。一旦日冕出现，整个间隙将立即破裂。间隙距离一般不是很大，放电发展所需的时间很短。DC击穿电压、工频击穿电压峰值和50%冲击击穿电压几乎相同，几乎没有差异。高压工程的基础，2。在微不均匀电场中击穿，微不均匀电场的击穿电压与电场均匀性有很大关系，并且没有统一的经验公式可以概括各种电极结

4、构。通常，对一些典型的电极结构进行一批实验数据，实际的电极结构只能通过从典型电极中选择相似的电极来估计。(补充)，电场越均匀，相同间隙距离下的击穿电压越高，其极限是均匀电场下的击穿电压。高压工程的基础，(1)球隙(如：在高压实验室测量球隙)，当dD/4时，电场不均匀程度增加，击穿场强降低，出现极性效应；球隙压力表DD/2的工作范围；否则，由于放电离散度增加，测量精度无法保证。2。轻微不均匀电场中的击穿，高压工程基础，(2)同轴圆柱电极(如：高压标准电容器、单芯电缆、GIS分相母线)，(1)当r/R为0.1时，轻微不均匀电场在击穿前不出现电晕，从图中可以看出，当R/R为0.33时击穿电压出现最大

5、值(上述电气设备应在绝缘设计中尽量设计)，2，2。轻微不均匀电场击穿，高压工程基础，3。在极不均匀的电场中击穿。由于局部强电场，间隙击穿前有稳定的电晕放电，间隙初始放电电压小于击穿电压。它对电极形状不对称的极不均匀电场有明显的极性效应。因为间隙距离长并且放电发展花费很长时间，所以所施加电压的波形对击穿电压有很大影响，并且击穿电压高度分散。在高压工程的基础上，电场不均匀性对击穿电压的影响减弱(因为电场极不均匀)，间隙距离对击穿电压的影响增大。可以选择电场极不均匀的极端情况。条形板和条形是典型的电极结构，其击穿电压具有代表性。当工程中遇到许多极不均匀的电场时，这些典型电极的击穿电压数据可以简单地估

6、算出来。极不均匀电场的击穿电压特征如下：(1)DC电压的击穿电压、DC击穿电压与棒条板与棒条间隙距离的关系曲线、正棒条负板间隙的击穿电压最低、负棒条正板间隙的击穿电压最高、棒条间隙的击穿电压介于二者之间。(2)工频交流电压的击穿电压，由于棒-板间隙击穿总是发生在棒电平为正、电压达到幅值的半周期内，其击穿电压(峰值)与DC下正棒和负板的击穿电压相似。在电气设备中，应尽可能采用杆和棒的对称电极结构，同时应避免杆和板的不对称电极结构。工频击穿电压(棒与板之间气隙的有效值),也是高压工程的基础。1.均匀电场的击穿特性。击穿前没有电晕，也没有极性效应。不同电压下的击穿电压(峰值)相同。2.轻微不均匀电场

7、的击穿特性击穿前没有稳定的电晕，极性效应不明显，各种电压下的击穿电压几乎相同。3.极不均匀电场的击穿特性击穿前有一个稳定的电晕，具有明显的极性效应，各种电压波形对击穿电压有很大影响。小结：高压工程基础，3.2雷电冲击电压下击穿，1。冲击电压的标准波形，雷电波的标准波形：T1=1.2s30，T2=50s20，不同极性：1.2/50s或-1.2/50s，工作冲击波的波形：T1=250s20，T2=2500s60，不同极性：250/2500或-250/2500，高压工程基础，足够的电场强度或高电压，气隙中有有效电子，可引起电子崩溃，导致流动和主放电。放电逐渐发展并完成击穿需要一定的时间，完成气隙击穿

8、的三个必要条件是：2 .放电延迟和高压工程当施加的电压是快速变化且作用时间短的脉冲电压时，有效作用时间短(以微秒计)，因此放电时间成为一个重要因素。完成击穿所需的放电时间非常短(微秒级):静态击穿电压：当稳定电压作用在间隙上时，可使间隙击穿的最低电压。击穿时间：从开始加压的瞬间开始，间隙完全击穿所需的时间，也称为总放电时间。高电压工程的基础，升压时间t1:电压从零上升到静态击穿电压所需的时间，以及统计时间延迟ts:从施加的电压达到Uo到可能导致击穿的初始电子崩溃所需的第一个有效电子出现所需的时间。放电形成时间延迟tf:从第一个有效自由电子出现到放电过程完成的时间，也就是说，从电子崩溃到流动喷射

9、等的形成和发展所需的时间。当电场相对均匀时，放电时间延迟：tl=ts tf，高压工程的基础放电时间延迟也与施加的电压有关。总的趋势是总电压越高，放电过程发展得越快，放电时间延迟越短。放电延迟与电场的均匀性有关。作为高压工程的基础，放电延迟服从统计规律，因此冲击击穿电压具有一定的离散性。在工程中，50%冲击击穿电压U50%常用于表示间隙的冲击击穿特性。3、50击穿电压和冲击系数，50%间隙击穿的概率是50%冲击电压峰值。冲击击穿电压的放电概率一般认为服从高斯分布：基于高压工程，确定：间隙U50%的方法保持标准波形不变，逐步增加电压幅值，每级电压值增加10次，直到每10次有4-6次击穿，因此该电压

10、可近似视为间隙U50%。每个阶段的按压次数越多，U50%就越准确。U50%与静态击穿电压U0的比值称为冲击系数。在均匀和稍不均匀的电场下，1；在极不均匀的电场中，色散为1时，冲击击穿电压也较大。高压工程的基础，因为U50%只是在一定波形下对应于一定固定击穿时间的击穿电压，它不能代表任何击穿时间下间隙的击穿电压。也就是说，U50%不能完全反映缺口的冲击击穿特性。相同间隙的U50%在不同波形的冲击电压下是不同的。除非另有说明，它通常采用标准波形。高压工程的基础。图中显示了在标准雷电冲击电压下，条形板的U50%与条形间隙和距离之间的关系。1。正条形板，2。正极母线(接地)，3。负母线(接地)，4。负

11、极棒-板，棒-板间隙具有明显的极性效应，棒-棒间隙也具有很小的极性效应。这是由于地球的影响，增强了不接地电极附近的电场。U50%与间隙距离之间存在良好的线性关系。高压工程的基础，一个间隙要击穿，不仅需要足够高的电压，而且还必须有足够的电压动作时间。4、伏秒特性，对于脉冲电压波，气隙的击穿电压与电压波形有很大关系。击穿电压不能简单地用单个击穿电压值来表示，而必须用峰值电压和持续时间来表示。在相同的气隙中，脉冲电压的峰值较低，但持续时间较长，在该电压的作用下可能会被击穿；脉冲电压的峰值较高，但持续时间较短，可能不会被击穿。高压工程的基础，伏秒特性与某一脉冲电压波形的关系曲线，间隙上出现的最大电压和

12、间隙击穿时间。通过实验确定间隙伏秒特性的方法是保持脉冲电压波形不变(T1/T2不变)，逐渐增加电压击穿间隙，并根据示波图记录击穿电压U和击穿时间T。放电延时的分散性是高压工程的基础，伏秒特性的形状与间隙电场的均匀性有关。对于均匀或稍不均匀的电场，平均场强高，放电时间延迟短，因此曲线平坦，色散小。对于极不均匀的电场，平均击穿场强低，放电时间长，其伏秒特性随着放电时间的减少而明显翻转，且色散大。伏秒特性曲线主要用于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性。如果一个电压同时作用在两个平行的气隙S1和S2上，其中一个先击穿，电压波将被短路切断，而另一个不会再击穿。在任何电压波形下，S2总是低于S1，而S2在S1

13、之前就被击穿了。如果这一原则用于保护装置和受保护设备，S2将保护S1。高压工程的基础，如果两个间隙的伏秒特性曲线相交，S1将首先在延时短的区域击穿，S2将首先在延时长的区域击穿，S1或S2将首先击穿1.放电时间的组成为td=t1 ts tf 2，标准雷电冲击电压波形为1.2/50s 3，气隙在冲击电压下的击穿特性(1)击穿百分比为50%时的电压用于表征气隙的冲击击穿特性；(2)伏秒特性表征了气隙冲击击穿电压与放电时间之间的关系。3.3运行冲击电压下的击穿，电力系统的输电线路和电气设备都有电感和电容，由于系统运行状态的突变，电感和电容元件之间的电磁能量转换导致振荡过渡过程。这一过程将在一些电气设

14、备和电网上造成非常高的电压，远远超过正常工作电压，这被称为工作过电压。操作过电压的幅值和波形与电力系统的电压水平有关。过渡过程的振荡基值等于系统工作电压，电压电平越高，工作过压幅度越高。这不同于雷电过电压，雷电过电压取决于接地电阻，与系统电压水平无关。高压工程的基础，直到20世纪50年代，各国仍认为运行过电压=运行冲击系数工频放电电压下绝缘子的空气间隙和闪络电压，而波形的影响可以忽略不计。220千伏及以下：工作冲击系数=1.1。工作冲击系数=1。随着电力系统电压水平的提高，运行冲击下的绝缘问题越来越突出。近年来，人们发现气体绝缘在工作冲击电压下的放电特性有许多新的特点，应根据工作冲击电压下的放

15、电电压波形来设计。作为高压工程的基础，操作过电压波形随电压等级、系统参数、设备性能、操作特性、操作时机等因素变化很大。为了模拟操作过电压，有必要指定标准波形。1.操作冲击电压的标准波形，国际电工委员会标准：T1/T2=250(20)/2500(60)秒，附加建议：100/2500或500/2500秒，此外，建议使用一种阻尼振荡波：前半波持续时间为2000-3000秒，后半波极性相反。操作过电压波形时，它随电压等级、系统参数、设备性能、操作特性和操作时机变化很大。第一半波的持续时间为2000-3000，极性相反的第二半波的峰值约为第一半波峰值的80%。1.操作冲击电压标准波形，高压工程基础，操作

16、冲击电压作用时间：在工频电压和雷电冲击电压之间。在均匀场和稍不均匀场中，工作冲击U50%、雷击冲击U50%、DC放电电压和工频放电电压的幅值几乎相同，在峰值附近几乎没有分散和击穿。在极不均匀的场中，操作冲击表现出许多新的特征：U型曲线；极性效应；饱和现象；非常分散。2、工作冲击50%击穿电压的特性，高压工程的基础，棒-板气隙的工作冲击击穿电压，(1)U形曲线，该曲线为U形，波前时间在一定区域内，且气隙50%击穿电压有一最小值，这称为临界击穿电压，而相应的波前时间称为临界波前时间。当间隙距离d增加时，临界波前时间增加。d7m的间隙和临界波前时间约为100300秒。间隙距离d越大，放电发展所需的时

17、间延迟就越大，因此相应的临界波前时间也就越大。高压工程的基础，棒-板气隙的冲击击穿电压，(1)U形曲线，U形曲线左半部的上升特性当波前时间从临界值下降时，放电发展时间缩短，放电延迟减小，这就需要较高的击穿电压来实现击穿。U形曲线右半部的上升特性当波前时间从临界值开始增加时，放电发展的剩余时间足够长，然后增加，高压工程的基础，条形板气隙的工作冲击击穿电压，(1)U型曲线，条形板气隙的击穿电压在某些波前工作波的作用下甚至远低于工频电压。其他结构中的间隙也是如此，但程度较轻。原因是：工频的四分之一频率相当于阿波罗之前的5000，它位于U形曲线的右半部。因此，其击穿电压高于临界波前工作电压。这一点值得特别注意