第3章_气体间隙的击穿强度课件

高电压工程基础高电压工程基础 施围施围 邱毓昌邱毓昌 张乔根张乔根 编著编著 刘青（西安科技大学）刘青（西安科技大学） 制作制作 高电压工程基础 第3章 气体间隙的击穿强度 3.1 稳态电压下的击穿 3.2 雷电冲击电压下的击穿 3.3 操作冲击电压下的击穿 3.4 大气密度和湿度对击穿的影响 3.5 SF6气体间隙中的击穿 3.6 提高气体间隙击穿电压的措施 高电压工程基础 3.1 稳态电压下的击穿 均匀电场中的击穿 eg：高压静电电压表的电极布置 特点： （1）均匀电场中电极布置对称 ，击穿无极性效应； （2）均匀场间隙中各处电场强 度相等，击穿所需时间极短， 其直流击穿电压、工频击穿电 压峰值、50%冲击击穿电压相同 ； （3）击穿电压的分散性很小。 高电压工程基础 稍不均匀电场中的击穿 （1）球间隙 （eg：高压实验室中的测量球隙 其中D-球直径；d-间隙 距离） a. dD/4时，电场不 均匀程度增大， 击穿场强下降， 出现极性效应； c. 球隙测压器的工 作范围dD/2；否 则因放电分散性 增大，不能保证 测量的精度。 高电压工程基础 （2）同轴圆柱电极 （eg：高压标准电容器、单芯电缆、GIS分相母线） （1）r/R0.1时，稍不均匀电场 ，击穿前不出现电晕，且由图可 见，当r/R 0.33时击穿电压出现 极大值如图中A点（因此，上述 电气设备在绝缘设计时尽量将 r/R选取0.250.4的范围内）。 A 高电压工程基础 （3）其他形状的电极布置 球状电极的电场不均匀系数 大于相同半径的圆柱电极； 间隙距离增大时，电场不均 匀系数也增大。 高电压工程基础 极不均匀电场中的击穿 不对称布置的极不均匀场间隙的极性效应很明显，而且 其击穿的极性效应与稍不均匀场间隙相反。 尖板和尖尖空气间隙的直流击穿电压 棒棒和棒板空气间隙的工频 击穿电压（有效值） 高电压工程基础 3.2 雷电冲击电压下的击穿 冲击电压的标准波形 标准雷电波的波形： T1=1.2s30， T2=50s20 对于不同极性：+1.2/50s或-1.2/50s 操作冲击波的波形： T1=250s20， T2=2500s60 对于不同极性：+250/2500s或-250/2500s 波前时间 半峰值时间 高电压工程基础 放电时延 临界 击穿电压 统计时延：从外施电 压达Uo时起，到出现 一个能引起击穿的初 始电子崩所需的第一 个有效电子所需时间 放电形成时延：从出 现第一个有效自由电 子时起，到放电过程 完成所需时间，即电 子崩的形成和发展到 流注等所需的时间 短间隙（特别是较均匀电场）：全部放电时延，基本上为统计时延 长间隙：全部放电时延，基本上为放电形成时延 有效自由电子：气隙中出 现的第一个自由电子并不 能成为有效电子，原因： 1、可能被中性质点俘获 ，形成负离子，失去电离 活性； 2、可能扩散到间隙意外 ，不能参加电离； 3、即使已经引起电离， 但是电离过程可能中途衰 亡 临界击穿电压：（静态击 穿电压）：长时间作用在 电极上能够使间隙击穿的 最小电压 所以，欲使间隙击穿，外 加电压不能小于该静态击 穿电压，但是对冲击电压 来说，这只是必要条件， 而不是充分条件 高电压工程基础 50击穿电压及冲击系数 1. 50击穿电压 2. 多次施加电压时有半数 会 3. 导致击穿的电压值Ub50 。 2. 冲击系数 同一间隙的50冲击击穿 电压与稳态击穿电压Uss之比 。 高电压工程基础 伏秒特性 伏秒特性：在同一冲击电压波形下，击穿电压值与放电 时延（或电压作用时间）有关的特性。 用实验确定间隙伏秒特性的方法：保持冲击电压的波形 不变，逐渐升高电压使间隙发生击穿，并根据示波图记录 击穿电压U与击穿时间t。 击穿发生在波前或峰 值，取击穿时的电压 值和该时刻 击穿发生在波 尾，取峰值电 压和该时刻 未击穿 100%伏 秒特性 0%伏秒 特性 50%伏 秒特性 50%冲击击穿 电压只是50% 伏秒特性曲线 上的一个点 高电压工程基础 电气设备绝缘的伏秒特性和避雷器的伏秒特性 （a）正确配合 （b）不正确配合 绝缘的 伏秒特性 避雷器的 伏秒特性 如果一个电压同时作用 在两个并联的气隙1和2 上，其中某一个气隙先 击穿，则电压被短接截 断，另一个气隙就不会 再被击穿了 高电压工程基础 3.3 操作冲击电压下的击穿 操作冲击电压下击穿的U形曲线 （1）长空气间隙的操作冲击击穿通常发生在波前部分，因而其 击穿电压仅与波前时间有关。 （2）当波前时间tf为100300s时，击穿场强出现极小值。出 现极小值的波前时间随间隙距离的增加而增大。 Eb随tf 的减小而 增大是放电时延 在起作用，与雷 电冲击电压相似 电压作用时间增加 后空间电荷迁移范 围扩大，改善了间 隙中电场分布，击 穿电压提高 棒棒 导线板 工频击穿 场强 高电压工程基础 操作冲击电压的推荐波形 a. T1/T2=250(20) / 2500(60) s b.振荡操作波 长空气间隙在操作冲击电压下的击穿强度 特点： （1）长间隙的雷电冲击击穿电压远比操 作冲击击穿电压要高； （2）间隙长度超过5m时呈现饱和趋势。 （3）间隙距离越大，“2”与“3”的击穿电 压的差别越大。 雷电冲击 操作冲击 最小击穿 电压 高电压工程基础 3.4 大气密度和湿度对击穿的影响 注意两点：1、密度增大，大气间隙放电电压提高，原因自由行程缩短，削弱电离过程； 2、相对湿度增大，放电电压先略升，后大幅下降，原因，略升是因为水分子呈弱电负性，吸附电子 成为负离子，大幅下降，形成凝露。 大气校正因数 根据国家标准，利用校正因数可将测得的放电电压值换 算到标准大气条件（t020，p0101.3kPa，h011g/m3） 的电压值，或将标准参考大气条件下规定的试验电压值换算 为试验条件下的电压值。 1. 空气密度校正系数2. 湿度校正因素 高电压工程基础 3. 指数m(空气密度校 正指数)和W（湿度校 正指数），仍在研究 当中 4. 海拔 随着海拔增加，气压下降，空气密度 下降，外绝缘的放电电压随之下降 3.5 SF6气体间隙中的击穿 均匀和稍不均匀电场的击穿 Pd很小时，符合巴申定律；pd很大时，发生偏离，与前述空气击穿特点相仿 极不均匀电场的击穿 有异常现象出现，两个特点： 1、在极不均匀电场间隙中，随着气压的升高击穿电压并不总是增大，而是随着 气压的增大先升高至一个极大值，而后下降至一个极小值，出现所谓的驼峰现 象； 2、在出现击穿驼峰的气压范围内，雷电冲击电压明显低于稳态击穿电压 已有的研究结果只能说明该两个特点与间隙中空气点和的运动有关 出现驼峰前，针尖处的电晕具有辉光放电形式，电晕的空间电荷对电极有很好 的屏蔽作用；当外施电压在驼峰区，除电晕外，还出现明亮的线状放电先 导放电，气压升高，空间电荷不易扩散到最佳位置，电晕改善电场分布作用减 弱； 如果外施雷电冲击电压，驼峰区击穿过程主要有先导放电决定，因此，电压明 显低于稳态击穿电压 高电压工程基础 3.6 提高气隙击穿电压的措施 改善电场分布的措施 （1）改变电极形状 例如采用屏蔽罩、扩径导线等增大电极曲率半径，或 改善电极边缘形状以消除边缘效应。 长空气间隙的交流击穿电压 棒板 棒棒 导线杆塔支柱 导线导线 高电压工程基础 （2）利用空间电荷对原电场的畸变作用 例如利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场 间隙中电场分布，从而提高间隙的击穿电压。 但应该指出，上述细线效应只存在于一定的间隙距离 范围之内，间隙距离超过一定值，细线也将产生刷状放电 ，从而破坏比较均匀的电晕层，使击穿电压与尖板或尖 尖间隙的相近了。另外，此种提高击穿电压的方法仅在 持续作用电压下才有效，在雷电冲击电压下并不适用。 高电压工程基础 （3）极不均匀电场中屏障的使用 正尖板间隙中屏障的作用 屏障靠近尖电极或板电 极时，屏障效应消失，正、 负极性下出现很大差别。 直流电压下尖板空气间隙的 击穿电压和屏障位置的关系 屏障应靠近尖电极，使比较 均匀的电场区扩大。但离尖电极 过近时，屏障上空间电荷的分布 将变得不均匀而使屏障效应减弱 ，因此屏障有一最佳位置。 高电压工程基础 高气压的采用 均匀电场中几种绝缘介质的击穿电压与距离的关系 12.8MPa的空气 20.7MPa的SF6 3高真空 4变压器油 50.1MPa的SF6 6大气 高电压工程基础 强电负性气体的应用 （1）SF6和一些氟里昂气体属于强电负性气体，其绝缘强度比空气高得 多，因此用于电气设备时其气压不必太高，使设备的制造和运行得以简 化。 （2）氟里昂12（CCI2F2）的绝缘强度与SF6相近，其液化温度也可满足 户内设备的条件，但为保护大气中的臭氧层，国际上早已将氟里昂12列 入第一批需限制和禁用的氟里昂。 （3）SF6的价格较高，用于断路器时（气压在0.7MPa左右）液化温度 不能满足高寒地区要求，在工程应用中有时采用SF6混合气体。已得到 应用的混合气体是SF6-N2混合气体，通常其混合比在50%50%左右，其 液化温度能满足高寒地区要求，绝缘强度约为纯SF6的85左右。 （4）SF6气体温室效应相当于CO2的23900倍，且SF6气体不会自然分解 ，在大气中寿命长达3200年。因此目前的技术发展趋势是在SF6用气量 大的气体绝缘管道输电线中改用SF6含量较小的N2-SF6混合气体（SF6的 含量为20时，混合气体的绝缘强度为纯SF6的75左右）。 高电压工程基础 高真空的采用 击穿电压 击穿场强 间隙距离对击穿的影响： 规律：击穿场强随间距的增加而降低。 原因：随着间隙距离及击穿电压的增大， 电子从阴极到阳极经过了巨大的电位差， 积聚了很大的动能。高能电子轰击阳极时 能使阳极释放出正离子及辐射出光子。正 离子及光子到达阴极后又将加强阴极的表 面电离。在此反复过程中产生越来越大的 电子流，使电极局部气化，导致击穿。 击穿机理： 强场发射造成很大的电流密度，导致电极局部过热并 释放出气体，发生金属气化，破坏了真