气体间隙的击穿强

1、气体放电理论可以解释规律，不能准确计气体放电理论可以解释规律，不能准确计 算间隙击穿电压。算间隙击穿电压。 怎么办呢？怎么办呢？ 典型电极结构典型电极结构 实际电极布置实际电极布置 试验数据试验数据 3.1 稳态电压下的击穿稳态电压下的击穿 稳态电压：稳态电压：直流与工频电压均为持续作用的电压，直流与工频电压均为持续作用的电压， 这类电压随时间的变化率很小，在放电发展所需这类电压随时间的变化率很小，在放电发展所需 时间内（以微秒计），外施电压的变化可忽略不时间内（以微秒计），外施电压的变化可忽略不 计的电压。计的电压。 3.1.1 3.1.1 均匀电场中的击穿均匀电场中的击穿 均匀场工程实践中

2、非均匀场工程实践中非 常少见常少见！为什么呢？为什么呢？ ddUb08. 622.24 静电电压表静电电压表 式中式中 d 间隙距离，间隙距离，cm； 空气相对密度。空气相对密度。 均匀电场中空气的击穿场强均匀电场中空气的击穿场强 （峰值）为（峰值）为30kV/cm。 p在均匀电场中，从自持放电开始到间隙完全击穿的在均匀电场中，从自持放电开始到间隙完全击穿的放电时延可以忽放电时延可以忽 略不计略不计，因此相同间隙的直流击穿电压与工频击穿电压（幅值）都，因此相同间隙的直流击穿电压与工频击穿电压（幅值）都 相同，且相同，且击穿电压的分散性也较小击穿电压的分散性也较小。均匀电场中空气间隙的击穿电。均

3、匀电场中空气间隙的击穿电 压经验公式为：压经验公式为： ddUb1 . 64 .24（kV） 图图 稳态电压作用时空气间隙的击穿电压的峰值稳态电压作用时空气间隙的击穿电压的峰值Ub与极间距离与极间距离d的关系的关系 均匀电场的击穿特点是击穿前无电晕，无极性效应，直流、交流、均匀电场的击穿特点是击穿前无电晕，无极性效应，直流、交流、 正负正负 冲击电压的击穿电压是相同的，均可用此经验公式计算。冲击电压的击穿电压是相同的，均可用此经验公式计算。 pUb随着随着d的增大而的增大而 显著增加；显著增加； pEb基本不变，但基本不变，但 随着随着d过大，电场过大，电场 的均匀强度减弱的均匀强度减弱 ，则

4、，则Eb会稍稍下会稍稍下 降。降。在在d=110cm 的范围内，其的范围内，其击击 穿场强约穿场强约30kV/cm 。 特点：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。 特点特点 击穿前不能形成稳定的电晕放电；击穿前不能形成稳定的电晕放电； 电场不对称时，有极性效应，不很明显；电场不对称时，有极性效应，不很明显； 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冲击击穿电压相同冲击击穿电压相同 ，分散性不大分散性不大

5、； 击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场越均匀，同样间隙击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场越均匀，同样间隙 距离下的距离下的击穿电压就越高击穿电压就越高。 u 典型电极典型电极 球球球间隙、球球间隙、球板间隙、圆柱板间隙、圆柱板、同轴圆柱间隙板、同轴圆柱间隙 3.1.2 3.1.2 稍不均匀电场中的击穿稍不均匀电场中的击穿 8 若两球对称布置，其中任何一球都不接地，测量对地对称的直流电若两球对称布置，其中任何一球都不接地，测量对地对称的直流电 压时，无极性效应，但通常是一球接地使用，如图压时，无极性效应，但通常是一球接地使用，如图1.12所示，由于所示，由于 大地的影响，电场分布不对称，因而

6、有极性效应。大地的影响，电场分布不对称，因而有极性效应。 加拿大魁北克省水电局加拿大魁北克省水电局 研究所高电压试验室研究所高电压试验室 尺寸尺寸 8282676751.2 m51.2 m3 3 （1）球间隙）球间隙 （eg：高压实验室中的测量球隙） 10 图图 一球接地时，直径为一球接地时，直径为D的球隙的的球隙的 击穿电压击穿电压Ub与间隙距离与间隙距离d的关系的关系 n当dD/4时，击穿特性 与均匀电场相似，无极性 效应； n dD/4时，电场不均匀 度增大，大地对球隙中电 场分布的影响加大，平均 击穿场强减小，击穿电压 的分散性增大。 n极性效应：稍不均匀电场 中，电晕起始电压就是其

7、击穿电压，所以起晕电压 较低的负极性下击穿电压 略低于正极性下的数值。 （2）同轴圆柱电极）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（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）。 d:间距 f:不均匀系数 Em:最大场强 bm d UE f 同轴圆柱 击穿电压随r变化出现极大值可解释 为：当r很大时虽然电场均匀度接近1， 但因气隙距离d（Rr）很小，所以Ub 很低；若r过小，虽然此时d增大，但由 于电场不均匀度增大，也会使Ub下降。

8、 （3）其他形状的电极布置）其他形状的电极布置 bm d UE f 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。 3.1.3 3.1.3 极不均匀场中的击穿极不均匀场中的击穿 在间隙很大时，不同形状电极的间隙击穿电压差别并不在间隙很大时，不同形状电极的间隙击穿电压差别并不 大，在一极接地时都接近于棒大，在一极接地时都接近于棒- -板电极击穿数据。因此板电极击穿数据。因此 通常选取尖通常选取尖- -板和尖板和尖- -尖作为典型电极，分别用来估算工尖作为典型电极，分别用来估算工 程中不对称布置和对称布置时所需的绝缘距离。程中不对称布置和对称布置时所需

9、的绝缘距离。 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。 在各种各样的极不均匀电场气隙中： “棒棒”气隙：完全对称性 “棒板”气隙：最大不对称性 其它类型不均匀电场气隙击穿特性介于这两种之 间。 对于实际工程中遇到的各种极不均匀电场气隙来 说，均可按其电极的对称程度分别选用“棒- 棒”或“棒-板”两种典型气隙的击穿特性曲 线来估计其电气强度。 +- 正棒正棒负板间隙的击穿电压最负板间隙的击穿电压最 低低 负棒负棒正板间隙的击穿电压最正板间隙的击穿电压最 高高 棒棒棒间隙的击穿电压介于两棒间隙的击穿电压介于两 者之间。者之间。（间隙距离减小，不（间隙

10、距离减小，不 均匀度减小）均匀度减小） 极不均匀电场的击穿特性直流电压 由于棒由于棒板间隙的击穿总是板间隙的击穿总是 发生在棒级为正时的半个周发生在棒级为正时的半个周 期且电压达幅值时，故其击期且电压达幅值时，故其击 穿电压（峰值）和直流下正穿电压（峰值）和直流下正 棒棒负板时的击穿电压相近。负板时的击穿电压相近。 在电气设备上，应尽量采用在电气设备上，应尽量采用 棒棒-棒类对称型的电极结构，棒类对称型的电极结构， 而避免棒而避免棒-板类不对称的电极板类不对称的电极 结构。结构。 极不均匀电场的击穿特性工频交流电压 “棒一棒棒一棒”气隙的工频击穿电压要比气隙的工频击穿电压要比“棒一板棒一板”气

11、隙高气隙高 一些，因为相对而言，一些，因为相对而言，“棒棒 棒棒”气隙的电场要比气隙的电场要比 “棒一板棒一板”气隙稍微均匀一些，（后者的最大场强区完气隙稍微均匀一些，（后者的最大场强区完 全集中在棒板附近，而前者则由两个棒极来分摊全集中在棒板附近，而前者则由两个棒极来分摊 ） 1、均匀电场的击穿特点、均匀电场的击穿特点 击穿前无电晕、无极性效应、各种电压作用时其击穿电压击穿前无电晕、无极性效应、各种电压作用时其击穿电压 （峰值）都相同。（峰值）都相同。 2、稍不均匀电场的击穿特点、稍不均匀电场的击穿特点 击穿前无稳定电晕、极性效应不明显、各种电压作用下的击击穿前无稳定电晕、极性效应不明显、各

12、种电压作用下的击 穿电压几乎一致。穿电压几乎一致。 3、极不均匀电场的击穿特点、极不均匀电场的击穿特点 击穿前有稳定的电晕、有明显的极性效应、各种电压波形对击穿前有稳定的电晕、有明显的极性效应、各种电压波形对 击穿电压影响很大。击穿电压影响很大。 小小 结：结： 冲击电压冲击电压就是作用就是作用的电的电 压，一般指压，一般指雷电冲击雷电冲击和和操作冲击电压操作冲击电压。 前者是由雷电造成的前者是由雷电造成的、 的冲击电压；后者是由的冲击电压；后者是由 电力系统操作或发生事故时，因状态电力系统操作或发生事故时，因状态 发生突然变化引起的发生突然变化引起的 。 下面分别讨论雷电冲击电压和操下面分别

13、讨论雷电冲击电压和操 作冲击电压下气隙的击穿特性。作冲击电压下气隙的击穿特性。 3.2 雷电冲击电压下的击穿雷电冲击电压下的击穿 （1 1）采取措施限制大气过电压水平。采取措施限制大气过电压水平。 （2 2）保证高压电气设备能耐受一定水保证高压电气设备能耐受一定水 平的雷电过电压。平的雷电过电压。 冲击电压的标准波形冲击电压的标准波形 标准雷电波标准雷电波的波形： 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

14、半峰值时间 u 参数：参数： 波前时间：反波前时间：反 应上升速度应上升速度 半峰值时间：半峰值时间： 反应下降速度反应下降速度 u 注意：注意： 雷电电压具有冲击性。上升速度和下降速度都非常快。雷电电压具有冲击性。上升速度和下降速度都非常快。 气隙击穿的必备条件气隙击穿的必备条件 足够大的足够大的电场强度电场强度或足够高的或足够高的电压电压； 在气隙中存在在气隙中存在有效电子有效电子； p 有效电子有效电子引起电子崩并导致流柱和主放电引起电子崩并导致流柱和主放电 需要有需要有一定的时间一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。，让放电得以逐步发展并完成击穿。 p 持续电压（直流、工频电压），

15、持续电压（直流、工频电压），电压的变化速度很小。相电压的变化速度很小。相 比之下放电发展所需时间可以忽略不计，当气体状态不变比之下放电发展所需时间可以忽略不计，当气体状态不变 时，一定距离的间隙的击穿电压具有确定的数值。时，一定距离的间隙的击穿电压具有确定的数值。 p 非持续电压下（雷电、操作冲击电压），非持续电压下（雷电、操作冲击电压），因为电压波来去因为电压波来去 速度很快，速度很快，放电发展速度就不能忽略不计了。间隙的击穿放电发展速度就不能忽略不计了。间隙的击穿 电压与作用电压的电压与作用电压的波形（即作用时间）波形（即作用时间）有很大关系有很大关系。 放电时延放电时延 直流电压、工频交

16、流等持续作用的电压，可以满直流电压、工频交流等持续作用的电压，可以满 足上述三个条件；足上述三个条件； 当所加电压为变化速度很快，作用时间很短的冲当所加电压为变化速度很快，作用时间很短的冲 击电压时，因有效作用时间短（以微秒计），此击电压时，因有效作用时间短（以微秒计），此 时放电时间就变成一个重要因素。时放电时间就变成一个重要因素。 完成击穿所需放电时间很短的（微秒级）：完成击穿所需放电时间很短的（微秒级）： 静态击穿电压：静态击穿电压：稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿 的最低电压。的最低电压。 击穿时间：击穿时间：间隙从开始加压的瞬时到完全击穿所需的间隙从开

17、始加压的瞬时到完全击穿所需的 时间，也称为全部放电时间。时间，也称为全部放电时间。 升压时间t1： 电压从零升到 静态击穿电压 所需的时间 统计时延ts：从外施 电压达到Uo时起，到 出现一个能引起击穿 的初始电子崩所需的 第一个有效电子为止， 所需的时间。 放电形成时延tf：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 击穿时间：击穿时间：td = t1 + ts + tf 放电时延：放电时延：tl = ts + tf tst1tf tlag tb U u t Us u 第一阶段第一阶段 升压时间升压时间t1（0Us静态击穿电压静态击

18、穿电压 ）：击穿过程可能并未开始）：击穿过程可能并未开始 p 对于持续电压（直流、工频对于持续电压（直流、工频 电压）：此阶段电压升到电压）：此阶段电压升到Us ，气隙即及被击穿；，气隙即及被击穿； p 非持续电压下（雷电、操作非持续电压下（雷电、操作 冲击电压）：由于冲击电压）：由于t1非常短，非常短， 即使电压升到即使电压升到Us ，气隙也不，气隙也不 一定被击穿。一定被击穿。 tst1tf tlag tb U u t Us u 第二阶段第二阶段 统计时延统计时延ts（Us 出现第一个有出现第一个有 效电子效电子）：击穿过程开始，具有）：击穿过程开始，具有 统计性统计性 p 由于有效电子的

19、出现是一个由于有效电子的出现是一个 随机事件，取决于很多偶然随机事件，取决于很多偶然 因素，所以因素，所以ts具有分散性具有分散性。 p ts每次都不一样，要确定每次都不一样，要确定ts就就 要记录多个时间值进行统计要记录多个时间值进行统计 ，故称为统计时延。，故称为统计时延。 p ts（平均值）的影响因数：电（平均值）的影响因数：电 极材料、外加电压、短波光极材料、外加电压、短波光 照射、电场情况。照射、电场情况。 tst1tf tlag tb U u t Us u 第三阶段第三阶段 放电形成时延放电形成时延tf（出现第一个有出现第一个有 效电子效电子气隙被击穿气隙被击穿 ）：具有统）：具有

20、统 计性计性 p 对于汤逊理论：对于汤逊理论：过程过程+过程过程 气隙被击穿；气隙被击穿； p 对于流注理论：电子碰撞电对于流注理论：电子碰撞电 离离+流注的形成流注的形成气隙被击穿气隙被击穿 p tf的影响因数：间隙长度、电的影响因数：间隙长度、电 场均匀度、外加电压；场均匀度、外加电压； 放电时间构成的总结放电时间构成的总结 tst1tf tlag tb U u t Us u 总放电时间总放电时间tb tbt1 + ts + tf（统计性）（统计性） u 放电时延放电时延tlag tlag= ts + tf （统计性）（统计性） 电场较均匀时电场较均匀时，由于平均场强很高，放电发展速度快，

21、由于平均场强很高，放电发展速度快， 放电时延近似等于统计时延放电时延近似等于统计时延。对于。对于极不均匀电场极不均匀电场，由，由 于局部场强高（出现有效电子的概率增加），而平均于局部场强高（出现有效电子的概率增加），而平均 场强较低（放电发展速度慢），场强较低（放电发展速度慢），放电时延主要取决于放电时延主要取决于 放电形成时延放电形成时延。 放电时延还与外加电压大小有关，总的趋势是总电压放电时延还与外加电压大小有关，总的趋势是总电压 越高，放电过程发展的越快，放电时延越短。越高，放电过程发展的越快，放电时延越短。 放电时延与电场均匀度有关：放电时延与电场均匀度有关： 放电时延服从统计规律，因

22、此冲击击穿电压具有一定放电时延服从统计规律，因此冲击击穿电压具有一定 的分散性。工程上常用的分散性。工程上常用50%冲击击穿电压冲击击穿电压U50%表示间表示间 隙的冲击击穿特性。隙的冲击击穿特性。 U50% 间隙被击穿的概率为间隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。的冲击电压峰值。 3 %500 UU 冲击击穿电压的放电冲击击穿电压的放电 概率一般认为服从高概率一般认为服从高 斯分布：斯分布： 50击穿电压及冲击系数击穿电压及冲击系数 确定间隙的确定间隙的U50 %的方法的方法: 保持标准波形不变保持标准波形不变，逐级升高电压幅值逐级升高电压幅值，每级电压每级电压 值加值加10次次，直到每直

23、到每10次中有次中有4-6次击穿次击穿，则此电压可则此电压可 作为该间隙大致的作为该间隙大致的U50 % 。每级加压次数越多。每级加压次数越多，所得所得 的的U50 %越准确越准确。 U50% 与静态击穿电压与静态击穿电压U0的比值称为的比值称为冲击系数冲击系数 。 均匀和稍不均匀电场下，均匀和稍不均匀电场下， 1； 极不均匀电场中，极不均匀电场中， 1，冲击击穿电压的分散性也，冲击击穿电压的分散性也 较大。较大。 因为因为U50% 只是在一定波形下对应于某个固定击穿时间只是在一定波形下对应于某个固定击穿时间 的击穿电压的击穿电压，所以它不能代表任何击穿时间下间隙的，所以它不能代表任何击穿时间

24、下间隙的 击穿电压。即击穿电压。即U50%不能全面反映间隙的冲击击穿特性。不能全面反映间隙的冲击击穿特性。 同一间隙在不同波形的冲击电压作用下，其同一间隙在不同波形的冲击电压作用下，其U50% 是不是不 同的，如无特别说明，一般指用标准波形做出的。同的，如无特别说明，一般指用标准波形做出的。 图为标准雷电冲击电压图为标准雷电冲击电压 下棒下棒板及棒板及棒棒间隙棒间隙 的的U50%和距离的关系。和距离的关系。 1.正棒正棒-板板 2.正棒正棒-棒棒(接地接地) 3.负棒负棒-棒棒(接地接地) 4. 负棒负棒-板板 棒棒板间隙具有明显的板间隙具有明显的 极性效应，棒极性效应，棒棒间隙棒间隙 也具有

25、不大的极性效应。也具有不大的极性效应。 这是由于大地的影响，这是由于大地的影响， 使不接地的棒极附近电使不接地的棒极附近电 场增强的缘故。场增强的缘故。 U50%与间隙距离间保持与间隙距离间保持 良好的线性关系。良好的线性关系。 一个间隙要发生击穿，不仅需要足够高的电压，一个间隙要发生击穿，不仅需要足够高的电压， 而且还必须有充分的电压作用时间。而且还必须有充分的电压作用时间。 对于冲击电压波，气隙的击穿电压与该电压的波对于冲击电压波，气隙的击穿电压与该电压的波 形有很大的关系。其击穿电压不能简单地用单一的击形有很大的关系。其击穿电压不能简单地用单一的击 穿电压值表示，而穿电压值表示，而必须用

26、电压峰值和延续时间两者共必须用电压峰值和延续时间两者共 同表示。同表示。 同一个气隙，冲击电压的峰值较低但延续时间较同一个气隙，冲击电压的峰值较低但延续时间较 长，在此电压作用下，可能被击穿；冲击电压的峰值长，在此电压作用下，可能被击穿；冲击电压的峰值 较高但持续时间较短，可能反而不被击穿。较高但持续时间较短，可能反而不被击穿。 伏秒特性伏秒特性 伏秒特性伏秒特性对某一冲击电压波形，间隙上出现的对某一冲击电压波形，间隙上出现的电电 压最大值压最大值和间隙击穿时间的关系曲线。和间隙击穿时间的关系曲线。 用实验确定间隙伏秒特性的方法用实验确定间隙伏秒特性的方法：保持冲击电压的波保持冲击电压的波 形

27、不变（形不变（T1/T2一定）一定），逐渐升高电压使间隙发生击穿，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并根据示波图记录击穿电压U与击穿时间与击穿时间t。 伏秒特性的制定方法（用实验方法求取）伏秒特性的制定方法（用实验方法求取） 保持冲击电压波形不变，保持冲击电压波形不变， 逐渐提高冲击电压的峰值逐渐提高冲击电压的峰值 电压较低，放电时电压较低，放电时 间长，击穿发生在间长，击穿发生在 波尾（图中波尾（图中1、2） 电压较高，放电时电压较高，放电时 间短，击穿发生在间短，击穿发生在 波头（图中波头（图中3） 将将1、2、3点连接完成伏秒特点连接完成伏秒特 性曲线性曲线 纵坐标：

28、冲击纵坐标：冲击 电压幅值电压幅值 横坐标：放电横坐标：放电 时间时间 纵坐标：冲击纵坐标：冲击 电压瞬时值电压瞬时值 横坐标：放电横坐标：放电 时间时间 击穿发生在波前或 峰值，取此刻值 击穿发生在波 尾，取峰值 未击穿 100%伏 秒特性 0%伏秒 特性 50%伏 秒特性 点：点：50%冲 击击穿电压 放放 电电 时时 延延 具具 有有 分分 散散 性性 电场均匀程度对曲线的影响电场均匀程度对曲线的影响 均匀电场均匀电场 不均匀电场不均匀电场 Ub tb 均匀或稍不均匀电场均匀或稍不均匀电场 p 形状：形状：曲线较为平坦；曲线较为平坦； p 原因：原因：由于击穿时平均场强由于击穿时平均场强

29、 较高，流注发展较快，放电较高，流注发展较快，放电 时延很短。时延很短。 极不均匀电场极不均匀电场 p 形状：形状：曲线较陡；曲线较陡； p 原因：原因：由于击穿时平均场强由于击穿时平均场强 较低，而且流注总是从强场较低，而且流注总是从强场 区向弱场区发展，放电速度区向弱场区发展，放电速度 受到电场分布影响，所以放受到电场分布影响，所以放 电时延长。电时延长。 绝缘的绝缘的 伏秒特性伏秒特性 避雷器的避雷器的 伏秒特性伏秒特性 伏秒特性曲线主要用来比较不同设备绝缘的冲击击穿特性。伏秒特性曲线主要用来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并联的气体间隙如果一个电压同时作用在

30、两个并联的气体间隙S1和和S2上，其中上，其中 一个气隙先击穿，则电压波被短接截断，另一个就不会再击穿。一个气隙先击穿，则电压波被短接截断，另一个就不会再击穿。 S2始终处于始终处于S1的下方，在的下方，在 任何电压波形下，任何电压波形下， S2都都 比比S1的先被击穿。的先被击穿。 这个原则如用于保护装置这个原则如用于保护装置 和被保护设备，则就是和被保护设备，则就是 S2保护了保护了S1。 绝缘的绝缘的 伏秒特性伏秒特性 避雷器的避雷器的 伏秒特性伏秒特性 若两间隙伏秒特性曲线相若两间隙伏秒特性曲线相 交，则在时延较短的区域交，则在时延较短的区域 S1先被击穿，在时延较长先被击穿，在时延较

31、长 的区域的区域S2先被击穿，在两先被击穿，在两 曲线交叉区域，可能是曲线交叉区域，可能是S1 先被击穿，也可能是先被击穿，也可能是S2先先 被击穿。因此被击穿。因此S2不能可靠不能可靠 保护保护S1。 u 总结： 为了使被保护设备得到可靠的保护，被保护设备绝缘的伏秒特性 曲线的下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线 。 具有较陡伏秒特 性曲线的保护设备不 容易与具有平伏秒特 性的被保护设备配合。 所以不能用保护 间隙、管型避雷器来 保护变压器。 伏秒特性的正确配合伏秒特性的正确配合 1、放电时间的组成为：、放电时间的组成为： td = t1 + ts + tf 2、标准雷电冲击电压

32、波形：、标准雷电冲击电压波形：1.2/50s 3、冲击电压下气隙的击穿特性、冲击电压下气隙的击穿特性 （1）采用击穿百分比为）采用击穿百分比为50%时的电压来表征气隙的冲击击时的电压来表征气隙的冲击击 穿特性；穿特性； （2）伏秒特性表征气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。）伏秒特性表征气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。 小小 结：结： 3.3 操作冲击电压下的击穿操作冲击电压下的击穿 电力系统的输电线及电气设备具有电力系统的输电线及电气设备具有电感和电容性电感和电容性，由于系，由于系 统运行状态的突变，导致电感和电容元件间的统运行状态的突变，导致电感和电容元件间的电磁能电磁能转换，引转换，

33、引 起振荡性的过渡过程。该过程会在某些电气设备和电网上造成起振荡性的过渡过程。该过程会在某些电气设备和电网上造成 很高的电压，远远超过正常运行的电压，称为很高的电压，远远超过正常运行的电压，称为操作过电压操作过电压。 操作过电压的幅值、波形与电力系统的电压等级有关。过操作过电压的幅值、波形与电力系统的电压等级有关。过 渡过程的振荡基值等于系统运行电压，电压等级越高，操作过渡过程的振荡基值等于系统运行电压，电压等级越高，操作过 电压幅值也越高。电压幅值也越高。 这与雷电过电压不同，后者取决于接地电阻，与系统电压这与雷电过电压不同，后者取决于接地电阻，与系统电压 等级无关。等级无关。 操作过电压波

34、形随电压等级、系统参数、设备性能、操作操作过电压波形随电压等级、系统参数、设备性能、操作 性质、操作时机等因素而有很大的变化。为了模拟操作过电压，性质、操作时机等因素而有很大的变化。为了模拟操作过电压， 需要规定标准波形。需要规定标准波形。 1、操作冲击电压的标准波形、操作冲击电压的标准波形 IEC标准：标准：T1/T2=250(20) / 2500(60) s 附加推荐：附加推荐：100/ 2500s 或或 500/ 2500s u 0 Um Tcrt Tcr=1000 1500us 衰减震荡操作冲击波衰减震荡操作冲击波 u 参数：参数： 波前时间：波前时间：Tcr=10001500 s （

35、反应上升速度）（反应上升速度） 极性相反的第二个半波的峰值极性相反的第二个半波的峰值 约为第一个半波峰值的约为第一个半波峰值的80% 另外建议一种衰减振荡波另外建议一种衰减振荡波 操作冲击电压的作用时间：介于工频电压与雷电冲击电操作冲击电压的作用时间：介于工频电压与雷电冲击电 压之间。压之间。 在均匀场和稍不均匀场中在均匀场和稍不均匀场中,操作冲击操作冲击U50%、雷电冲击、雷电冲击U50%、 直流放电电压和工频放电电压等幅值几乎相同，分散性不大，直流放电电压和工频放电电压等幅值几乎相同，分散性不大， 击穿发生在峰值附近。击穿发生在峰值附近。 在极不均匀场中在极不均匀场中,操作冲击表现出许多新

36、的特点：操作冲击表现出许多新的特点： U形曲线；极性效应；饱和现象；分散性大。形曲线；极性效应；饱和现象；分散性大。 2、操作冲击、操作冲击50击穿电压的特点击穿电压的特点 棒棒-板气隙的操作板气隙的操作 冲击击穿电压冲击击穿电压 （1）U形曲线形曲线 曲线呈曲线呈U形，波前时间在某一区形，波前时间在某一区 域内，气隙的域内，气隙的50%击穿电压具有极小击穿电压具有极小 值，称为值，称为临界击穿电压临界击穿电压，与此相应波，与此相应波 前时间称为前时间称为临界波前时间临界波前时间。间隙距离。间隙距离 d增大时，临界波前时间随之增大。增大时，临界波前时间随之增大。 d7m的间隙，临界波前时间约的

37、间隙，临界波前时间约 100300s范围内。范围内。 间隙距离间隙距离d越大，放电发展所需越大，放电发展所需 的时延越大，因此相应的临界波前时的时延越大，因此相应的临界波前时 间就越大。间就越大。 棒棒-板气隙的操作板气隙的操作 冲击击穿电压冲击击穿电压 （1）U形曲线形曲线 U形曲线左半支的上升特征形曲线左半支的上升特征 当波前时间从临界值减小，则放电发当波前时间从临界值减小，则放电发 展时间缩短，放电时延减小，要求有展时间缩短，放电时延减小，要求有 更高的击穿电压才能实现击穿。更高的击穿电压才能实现击穿。 U形曲线右半支的上升特征形曲线右半支的上升特征 当波前时间从临界值增大，留给放电当波

38、前时间从临界值增大，留给放电 发展的时间足够长，再增大放电时间，发展的时间足够长，再增大放电时间， 对放电发展没有意义；对放电发展没有意义； 另一方面，起晕棒极附近电离处的与另一方面，起晕棒极附近电离处的与 棒极同极性的空间电荷，能有足够的棒极同极性的空间电荷，能有足够的 时间被驱赶到更远处，时间被驱赶到更远处，造成附加电场造成附加电场 减弱减弱，则不利于放电的进一步发展，则不利于放电的进一步发展， 从而要求更高的击穿电压才能击穿。从而要求更高的击穿电压才能击穿。 （1）U形曲线形曲线 棒棒-板间隙在某种波前的操作板间隙在某种波前的操作 波作用下的击穿电压甚至比工波作用下的击穿电压甚至比工 频

39、电压还低很多。其他结构的频电压还低很多。其他结构的 间隙也有这种情况，但程度较间隙也有这种情况，但程度较 轻。原因轻。原因: 工频四分之一周波相当于波前时工频四分之一周波相当于波前时 间间5000s，位于，位于U形曲线的右半形曲线的右半 支。因此，其击穿电压反而比临支。因此，其击穿电压反而比临 界波前操作冲击击穿高。界波前操作冲击击穿高。 故对于故对于220kV的超高压输电系统和电力设备，应按操作的超高压输电系统和电力设备，应按操作 过电压的电气特性进行绝缘设计。过电压的电气特性进行绝缘设计。 棒棒棒棒 导线板导线板 工频击穿工频击穿 场强场强 （2）极性效应）极性效应 极性效应极性效应 p

40、正极性下正极性下 50击穿击穿 电压比负电压比负 极性下低极性下低 在各种不同的不均匀电场结构中，正极性操作冲在各种不同的不均匀电场结构中，正极性操作冲 击的击的50%击穿电压都比负极性的低，所以更危险。击穿电压都比负极性的低，所以更危险。 正棒正棒-负板空气间隙负板空气间隙U形曲线中，形曲线中，50%击穿电压击穿电压 极小值极小值Umin(kV)可用经验公式计算：可用经验公式计算： d U 8 1 3400 min 式中式中 d间隙距离，间隙距离，m。 在操作冲击电压作用下，长间隙的击穿电压呈现出显著的在操作冲击电压作用下，长间隙的击穿电压呈现出显著的 饱和现象，特别是棒饱和现象，特别是棒-

41、板型间隙饱和程度尤为明显。这一点与工板型间隙饱和程度尤为明显。这一点与工 频击穿电压的规律类似。而雷电过电压下的饱和现象却不明显。频击穿电压的规律类似。而雷电过电压下的饱和现象却不明显。 （3）饱和现象）饱和现象 饱和现象饱和现象 p随着气隙长度增加，除了负极随着气隙长度增加，除了负极 性性“棒棒棒棒”气隙外，其它棒气隙外，其它棒 间隙的间隙的“饱和饱和”现象十分明显现象十分明显 。电气强度最差的电气强度最差的“棒棒板板” 间隙饱和现象最为严重。间隙饱和现象最为严重。显然显然 ，这时再增大，这时再增大“棒棒板板”气隙气隙 的长度，已不能有效的提高其的长度，已不能有效的提高其 击穿电压。击穿电压

42、。 p“饱和现象饱和现象”：距离加大，平距离加大，平 均击穿场强明显降低，棒均击穿场强明显降低，棒板板 间隙尤为严重间隙尤为严重 击穿电压的分散性可用相对标准差击穿电压的分散性可用相对标准差表示表示 （4）击穿电压的分散性大）击穿电压的分散性大 极不均匀电场的空气间隙，在波前时间为数极不均匀电场的空气间隙，在波前时间为数 十微秒至数百微秒的操作冲击电压作用下，十微秒至数百微秒的操作冲击电压作用下， 约约 为为5%，而在雷电冲击电压下，而在雷电冲击电压下， 约为约为3%，工频，工频 电压作用下，分散性更小，电压作用下，分散性更小， 1MPmm， Ub88.5pd 在稍不均匀电场中击穿场强不与气压

43、成正比，而是增加的少在稍不均匀电场中击穿场强不与气压成正比，而是增加的少 一些。一些。负极性时的击穿电压反而比正极性时低负极性时的击穿电压反而比正极性时低10%左右。左右。 SF6均匀场中： )( 0 p E p E c p c=28kV -1 , (E/p)0=88.5kV/(MPa.mm) 38. 05 .88)(pd c K pd p E Ub pdpd p E U b 5 .88)( 0 pd1MPa.mm 0 )( p E p Eb （气压较低）（气压较低） P0.2MPa, 偏离偏离 巴申曲线巴申曲线 可能与电极表面可能与电极表面 状况有关！状况有关！ （1）由图中可见击穿场强并不

44、与气压成正比，而是增加得由图中可见击穿场强并不与气压成正比，而是增加得 少一些。少一些。 （2）在在稍不均匀电场稍不均匀电场中，极性对于气隙击穿电压的影响中，极性对于气隙击穿电压的影响 与极不均匀电场中的情况是相反的，此时负极性下的击与极不均匀电场中的情况是相反的，此时负极性下的击 穿电压反而比正极性时低穿电压反而比正极性时低1010左右。冲击系数很小，雷左右。冲击系数很小，雷 电冲击时约为电冲击时约为1.251.25，操作冲击时更小，只有，操作冲击时更小，只有1.051.051.11.1。 3.5.2 极极不均匀电场中的击穿不均匀电场中的击穿 （1）气压升高击穿电压并不总是增加，出现了驼峰现

45、象（气压升高击穿电压并不总是增加，出现了驼峰现象（0.1-0.1- 0.2MPa),0.2MPa),电场越不均匀驼峰现象越明显。电场越不均匀驼峰现象越明显。 （2）在出现击穿驼峰的气压范围内，雷电冲击击穿电压明显在出现击穿驼峰的气压范围内，雷电冲击击穿电压明显 低于稳态击穿电压。低于稳态击穿电压。 原因很复杂，原因很复杂， 可能与空间电可能与空间电 荷的运动有关，荷的运动有关， 出现电晕与先出现电晕与先 导放电。在驼导放电。在驼 峰区，峰区，冲击电冲击电 压下击穿基本压下击穿基本 由先导放电引由先导放电引 起。起。 u 电场不均匀程度对电场不均匀程度对SF6击穿电压的影响远比对空气的影响大击穿

46、电压的影响远比对空气的影响大 40 80 120 160 0.10.20.30.4p(MPa） Ub（ （kV） 工频交流电压（峰值）工频交流电压（峰值） +1.5/40s冲击电压冲击电压 图图2-18 u 异常情况异常情况 工频击穿电压随气压的变化工频击穿电压随气压的变化 ，曲线存在，曲线存在“驼峰驼峰”（0.1- 0.2MPa工作气压下）；工作气压下）； “驼峰驼峰”区雷电冲击电压明区雷电冲击电压明 显低于静态击穿电压。显低于静态击穿电压。 u 注意：注意： SF6只用于均匀或稍不均匀电场，不能用于极不均匀只用于均匀或稍不均匀电场，不能用于极不均匀 电场。电场。 与均匀电场中的击穿电压相比

47、，与均匀电场中的击穿电压相比，SFSF6 6在极不均在极不均 匀电场中击穿电压下降的程度比空气要大得多。匀电场中击穿电压下降的程度比空气要大得多。SFSF6 6 优异的绝缘性能优异的绝缘性能只有在电场比较均匀的场合才能得只有在电场比较均匀的场合才能得 到充分的发挥。到充分的发挥。 电场的不均匀程度对电场的不均匀程度对SFSF6 6电气强度的影响远比电气强度的影响远比 对空气的大。对空气的大。 在设计以在设计以 SFSF6 6 气体作为绝缘的各种电气设备气体作为绝缘的各种电气设备 时，应尽可能使气隙中的时，应尽可能使气隙中的电场均匀化电场均匀化，采用屏蔽，采用屏蔽 等措施以消除一切尖角处的极不均

48、匀电场，使等措施以消除一切尖角处的极不均匀电场，使 SFSF6 6 优异的绝缘性能得到充分的利用。优异的绝缘性能得到充分的利用。 3.5.3 影响击穿场强的因素影响击穿场强的因素 （1）电极表面缺陷电极表面缺陷 表面缺陷几个表面缺陷几个 微米至几十个微米至几十个 微米对空气的微米对空气的 击穿场强影响击穿场强影响 不 大 ， 但 对不 大 ， 但 对 SF6SF6影响非常影响非常 大。实际工程大。实际工程 中电极表面粗中电极表面粗 糙度系数只有糙度系数只有 0.70.7左右。左右。 电极表面粗糙度大时，表面突起处的局部电场强度要比气隙电极表面粗糙度大时，表面突起处的局部电场强度要比气隙 的平均

49、电场强度大得多，因而可在宏观上平均场强尚未达到临界的平均电场强度大得多，因而可在宏观上平均场强尚未达到临界 值时就诱发击穿。值时就诱发击穿。 实 际 击 穿实 际 击 穿 场 强 与 理场 强 与 理 论 击 穿 场论 击 穿 场 强的比值强的比值 Emin （2 2）导电微粒的影响导电微粒的影响 固定导电微粒固定导电微粒（毛刺毛刺）； 极不均匀场击穿极不均匀场击穿 特性特性 跳动，需要深入研究，跳动，需要深入研究， 交、直流不一样交、直流不一样 自由导电微粒自由导电微粒（金属碎屑金属碎屑） (3) 固体介质表面状态固体介质表面状态 固体介质表面污秽、凝露固体介质表面污秽、凝露,放电电压就大大

50、降低放电电压就大大降低 在美国运行的GIS故障原因统计图 A.绝缘子污秽或表面缺陷 B.套管 C.电缆终端 D.隔离开关 E.操作错误 F.其他 0 10 20 30 40 50 60 70 ABCDEF 发 生 故 障 次 数 /n 3.5.4 快速暂态过电压下的击穿快速暂态过电压下的击穿 GIS中开关操作会产生快速暂态过电压（中开关操作会产生快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvoltage, VFTO or VFT) 特点特点: : 1) VFT波前很陡波前很陡 5-20ns 由绝缘到击穿时间很短。由绝缘到击穿时间很短。 2)VFT有高频电压分量有高频电压分量

51、 0.110MHz 3)VFT幅值并不高幅值并不高 很少超过最大相电压的很少超过最大相电压的2倍倍 由隔离开关操作引起的快速暂态过电压实例由隔离开关操作引起的快速暂态过电压实例 VFTO中振荡频率的分布中振荡频率的分布 稍不均匀场：波前陡，击穿电压稍不均匀场：波前陡，击穿电压 高高 极不均匀场：波前陡，击穿电压极不均匀场：波前陡，击穿电压 低低 VFT击穿电压极低击穿电压极低 3.6 提高气隙击穿电压的措施提高气隙击穿电压的措施 改善电场分布改善电场分布消弱电离过程消弱电离过程 改善电极形状改善电极形状 利用空间电荷利用空间电荷 对原电场畸变对原电场畸变 极不均匀场中极不均匀场中 屏障的采用屏

52、障的采用 高气压的采用高气压的采用 强电负性气体强电负性气体 的应用的应用 高真空的采用高真空的采用 改善电场分布，使之尽量均匀（内因）改善电场分布，使之尽量均匀（内因） 利用其它方法来削弱气体中的电离过程（外因）利用其它方法来削弱气体中的电离过程（外因） 改善电场分布的措施改善电场分布的措施 电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。 因此，可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的因此，可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的 最大电场强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电最大电场强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电 压。如：压。如： 增大电极

53、的曲率半径增大电极的曲率半径 消除电极表面的毛刺消除电极表面的毛刺 消除电极表面尖角消除电极表面尖角 增大电极曲率半径增大电极曲率半径 如变压器套管端部加球形屏蔽罩、采用扩径导线如变压器套管端部加球形屏蔽罩、采用扩径导线 等（截面相同，半径增大）。等（截面相同，半径增大）。 （1）改变电极形状）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。 改善电极边缘改善电极边缘 电极边缘做成弧形，以消除边缘效应，同时电极电极边缘做成弧形，以消除边缘效应，同时电极 表面尽量避免毛刺、棱角以消除电场局部增强的表面尽量避免毛刺、棱角以消除电场局部增强的 现象。现象

54、。 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扁球，墙洞边缘做成近如穿墙高压引线上加金属扁球，墙洞边缘做成近 似垂链线旋转体。似垂链线旋转体。 长空气间隙的交流击穿电压 棒板棒板 棒棒棒棒 导线杆塔支柱导线杆塔支柱 导线导线导线导线 （2）利用空间电荷对原电场的畸变作用）利用空间电荷对原电场的畸变作用 由于极不均匀电场气隙被击穿前一定先出现电由于极不均匀电场气隙被击穿前一定先出现电 晕放电，所以在一定条件下，还可以利用放电本身晕放电，所以在一定条件下，还可以利用放电本身 所产生的空间电荷来调整和改善空间的电场分布，所产生的空间电荷来调整和改善空间的电场分布， 以提高气隙的击穿

55、电压。以提高气隙的击穿电压。 u 极不均匀电场中击穿前发极不均匀电场中击穿前发 生电晕放电，利用放电产生电晕放电，利用放电产 生的生的空间电荷改善电场分空间电荷改善电场分 布，使电场均匀度提高，布，使电场均匀度提高， 从而提高击穿电压；从而提高击穿电压； p 直径直径D20、16mm时，击时，击 穿电压曲线的直线部分和棒穿电压曲线的直线部分和棒 一板间隙相近一板间隙相近 p 导线直径减为导线直径减为3mm以至以至 0.5mm时，击穿电压曲线的时，击穿电压曲线的 直线部分陡度大为增加，曲直线部分陡度大为增加，曲 线逐渐与均匀电场中的相近线逐渐与均匀电场中的相近 “细线效应细线效应” 当导线直径减

56、小到一定程度后，气隙当导线直径减小到一定程度后，气隙 的工频击穿电压会随导线直径的减小的工频击穿电压会随导线直径的减小 而提高，出现所谓而提高，出现所谓“细线效应细线效应”。 此种提高击穿电压的方法此种提高击穿电压的方法仅在持续作用电压下才有效仅在持续作用电压下才有效，在雷，在雷 电冲击电压下并不适用。电冲击电压下并不适用。 1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm 虚线棒虚线棒-板电极间隙板电极间隙 点划线均匀场间隙点划线均匀场间隙 导线板电极的空气间隙击穿电压导线板电极的空气间隙击穿电压 （有效值）与间隙距离的关系（有效值）与间隙距离的关系 由于气隙中的电场分布和气体

57、放电的发展过程由于气隙中的电场分布和气体放电的发展过程 都与带电粒子在气隙空间的产生、运动和分布密切都与带电粒子在气隙空间的产生、运动和分布密切 有关，所以在气隙中放置形状和位置合适、能有关，所以在气隙中放置形状和位置合适、能阻碍阻碍 带电粒子运动和调整空间电荷分布带电粒子运动和调整空间电荷分布的的屏障屏障，也是提，也是提 高气体介质电气强度的一种有效方法。高气体介质电气强度的一种有效方法。 （3）极不均匀电场中屏障的使用）极不均匀电场中屏障的使用 屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同 号的空间电荷，这样就能使电晕电极与屏障之间号的空间电荷，这样就能使电

58、晕电极与屏障之间 的空间电场强度减小，从而使整个气隙的电场分的空间电场强度减小，从而使整个气隙的电场分 布均匀化。布均匀化。 屏障用绝缘材料制成，但它本身的绝缘性能屏障用绝缘材料制成，但它本身的绝缘性能 无关紧要，无关紧要，重要的是它的密封性重要的是它的密封性( (拦住带电粒子的拦住带电粒子的 能力能力) )。它一般安装在电晕间隙中，其表面与电力。它一般安装在电晕间隙中，其表面与电力 线垂直。线垂直。 u 在电场极不均匀的气隙中，放入在电场极不均匀的气隙中，放入薄片固体绝缘材料薄片固体绝缘材料（例如纸（例如纸 或纸板），在一定条件下，可以显著提高气隙的击穿电压。或纸板），在一定条件下，可以显著

59、提高气隙的击穿电压。 u 屏障作用的原理屏障作用的原理 x 棒极附近产生电晕棒极附近产生电晕 ，产生带电粒子，产生带电粒子 正离子沿电场正离子沿电场 向负极板运动向负极板运动 正离子遇到固体绝正离子遇到固体绝 缘材料被拦截下来缘材料被拦截下来 均匀的排列在固体均匀的排列在固体 绝缘材料的左侧绝缘材料的左侧 虽然这时屏障与另一电极之间的空间电场强虽然这时屏障与另一电极之间的空间电场强 度反而增大了，但其电场形状变得更象两块度反而增大了，但其电场形状变得更象两块 平板电极之间的均匀电场，所以整个气隙的平板电极之间的均匀电场，所以整个气隙的 电气强度得到了提高。电气强度得到了提高。 对负棒对负棒-板

60、间隙板间隙，屏障的作用效果某些部分与正棒，屏障的作用效果某些部分与正棒-板相似板相似, 但是有许多不同的地方，说明如下：但是有许多不同的地方，说明如下： 当屏障较靠近板极处，间隙击穿电压反而降低。当屏障较靠近板极处，间隙击穿电压反而降低。 因为无屏障时，负离子扩散于空间，部分消失于电极，因为无屏障时，负离子扩散于空间，部分消失于电极， 影响电场分布的主要是正离子，它削弱了前方的电场。但是设影响电场分布的主要是正离子，它削弱了前方的电场。但是设 置屏障后，屏障上聚集大量的负离子影响了电场分布，加强了置屏障后，屏障上聚集大量的负离子影响了电场分布，加强了 前方电场。因此屏障较远离棒极后，设置的屏障