高电压-气体间隙的击穿强度

1、高电压工程基础高电压工程基础第三章第三章 气体间隙气体间隙的击穿强度的击穿强度任课教师：赵任课教师：赵 彤彤山东大学电气工程学院山东大学电气工程学院 电场情况电场情况均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场影响气体间隙击穿电压的主要因素：影响气体间隙击穿电压的主要因素：高电压工程基础 电压形式电压形式稳态电压（直流电压与交流电压）、雷电冲击电压、稳态电压（直流电压与交流电压）、雷电冲击电压、操作冲击电压操作冲击电压 大气条件大气条件气压、温度、湿度气压、温度、湿度一、稳态电压下的击穿一、稳态电压下的击穿二、雷电冲击电压下的击穿二、雷电冲击电压下的击穿三、操作冲击

2、电压下的击穿三、操作冲击电压下的击穿四、大气密度和湿度对击穿的影响四、大气密度和湿度对击穿的影响五、提高气体间隙击穿电压的措施五、提高气体间隙击穿电压的措施高电压工程基础第三章第三章 气体间隙的击穿强度气体间隙的击穿强度高电压工程基础稳态电压（持续电压）指直流电压或工频交流电压。稳态电压（持续电压）指直流电压或工频交流电压。3.1 稳态电压下的击穿稳态电压下的击穿特点：特点：电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相比极小，故放电发展所需的时间可以忽略不计，比极小，故放电发展所需的时间可以忽略不计，只要作用于间隙的电压达到击穿电压，间隙就会只要作用于间隙的电压

3、达到击穿电压，间隙就会发生击穿。发生击穿。高电压工程基础直流电压：直流电压：交流电压：交流电压：直流中所含的脉动分量的脉动系数不大于直流中所含的脉动分量的脉动系数不大于3%。（脉动系数是指脉动幅值与直流电压的平均值之比）（脉动系数是指脉动幅值与直流电压的平均值之比）直流电压的大小指直流电压的平均值。直流电压的大小指直流电压的平均值。波形接近于正弦波，正、负两半波相同，峰值与有波形接近于正弦波，正、负两半波相同，峰值与有效值之比为效值之比为 ，偏差不超过，偏差不超过2%5高电压工程基础1、均匀电场中的击穿、均匀电场中的击穿 因电极布置对称，所以击穿电压无极性效应。因电极布置对称，所以击穿电压无极

4、性效应。 因击穿前间隙各处场强相等，击穿前无电晕发生，因击穿前间隙各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电电压等于击穿电压。起始放电电压等于击穿电压。 不论何种电压（直流、交流、正负不论何种电压（直流、交流、正负50%冲击电压）冲击电压）作用，其击穿电压（峰值）都相同，且分散性很小。作用，其击穿电压（峰值）都相同，且分散性很小。高电压工程基础1、均匀电场中的击穿、均匀电场中的击穿均匀电场中空气间隙的击穿电压（峰值）可根据下面均匀电场中空气间隙的击穿电压（峰值）可根据下面经验公式求得：经验公式求得：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。均匀电场中空气均匀电场中空气

5、的击穿场强（峰的击穿场强（峰值）为值）为30kv/cm。24.226.08()budd kv0.010.1110d/cm110100400ub/kv高电压工程基础2、稍不均匀电场中的击穿、稍不均匀电场中的击穿稍不均匀电场中各处的场强差异不大，间隙中任何一处稍不均匀电场中各处的场强差异不大，间隙中任何一处若出现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。所以对稍若出现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。所以对稍不均匀的电场，任何一处自持放电的条件，就是整个间隙击不均匀的电场，任何一处自持放电的条件，就是整个间隙击穿的条件。穿的条件。电场不对称时，击穿电压有极性效应，但不显著。电场不对称时，击穿电压有

6、极性效应，但不显著。击穿前有电晕发生，但不稳定，一出现电晕，立即导致击穿前有电晕发生，但不稳定，一出现电晕，立即导致整个间隙击穿。整个间隙击穿。间隙距离一般不是很大，放电发展所需时间短。直流击间隙距离一般不是很大，放电发展所需时间短。直流击穿电压、工频击穿电压峰值及穿电压、工频击穿电压峰值及50%冲击击穿电压几乎一冲击击穿电压几乎一致，且分散性不大。致，且分散性不大。高电压工程基础2、稍不均匀电场中的击穿、稍不均匀电场中的击穿稍不均匀电场的击穿电压与电场均匀度关系稍不均匀电场的击穿电压与电场均匀度关系极大，没有能够概括各种电极结构的统一的经验极大，没有能够概括各种电极结构的统一的经验公式。通常

7、是对一些典型的电极结构做出一批实公式。通常是对一些典型的电极结构做出一批实验数据，实际的电极结构只能从典型电极中选取验数据，实际的电极结构只能从典型电极中选取类似的进行结构估算。类似的进行结构估算。电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高，其极限就是均匀电场中的击穿电压。高，其极限就是均匀电场中的击穿电压。高电压工程基础（1）球间隙）球间隙 （eg：高压实验室中的测量球隙）：高压实验室中的测量球隙）a. dd/4时，电场不时，电场不均匀程度增大，均匀程度增大，击穿场强下降，击穿场强下降，出现极性效应；出现极性效应；c. 球隙测压器的工球隙测压器的工作范围作

8、范围dd/2；否；否则因放电分散性则因放电分散性增大，不能保证增大，不能保证测量的精度。测量的精度。 2、稍不均匀电场中的击穿、稍不均匀电场中的击穿高电压工程基础（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、：高压标准电容器、单芯电缆、gis分相母线）分相母线）（1）r/r0.1时，稍不均匀电场，时，稍不均匀电场，击穿前不出现电晕，且由图可见，击穿前不出现电晕，且由图可见，当当r/r 0.33时击穿电压出现极大时击穿电压出现极大值（上述电气设备在绝缘设计时值（上述电气设备在绝缘设计时尽量将尽量将r/r选取选取0.250.4的范围内）。的范围内）。 bmduef2、稍不均匀

9、电场中的击穿、稍不均匀电场中的击穿高电压工程基础（3）其他形状的电极布置）其他形状的电极布置 bmduef球状电极的电场不均匀系数球状电极的电场不均匀系数大于相同半径的圆柱电极；大于相同半径的圆柱电极；间隙距离增大时，电场不均间隙距离增大时，电场不均匀系数也增大。匀系数也增大。 2、稍不均匀电场中的击穿、稍不均匀电场中的击穿高电压工程基础3、极不均匀电场中的击穿、极不均匀电场中的击穿 由于存在局部强场区，故间隙击穿前有稳定的由于存在局部强场区，故间隙击穿前有稳定的电晕放电，间隙的起始放电电压小于击穿电压。电晕放电，间隙的起始放电电压小于击穿电压。 对电极形状不对称的极不均匀电场，有明显的对电极

10、形状不对称的极不均匀电场，有明显的极性效应。极性效应。 因间隙距离长，放电发展所需时间长，故外加因间隙距离长，放电发展所需时间长，故外加电压的波形对击穿电压的影响大，击穿电压的电压的波形对击穿电压的影响大，击穿电压的分散性大。分散性大。高电压工程基础电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱（由电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱（由于电场已经极不均匀），间隙距离对击穿电压的于电场已经极不均匀），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，影响增大。可以选择电场极不均匀的极端情况，棒棒板和棒板和棒棒作为典型电极结构，它们的击穿棒作为典型电极结构，它们的击穿电压具有代表性。电压具有代表性

11、。在工程遇到很多极不均匀电场时，可以根据在工程遇到很多极不均匀电场时，可以根据这些典型电极的击穿电压数据做简单的估算。这些典型电极的击穿电压数据做简单的估算。极不均匀电场的击穿电压的特点：极不均匀电场的击穿电压的特点：高电压工程基础（1）直流电压作用的击穿电压）直流电压作用的击穿电压棒棒板、棒板、棒棒间隙的直流击棒间隙的直流击穿电压与间隙距离的关系曲线穿电压与间隙距离的关系曲线正棒正棒负板间隙的击穿负板间隙的击穿电压最低，负棒电压最低，负棒正板正板间隙的击穿电压最高，间隙的击穿电压最高，棒棒棒间隙的击穿电压棒间隙的击穿电压介于两者之间。介于两者之间。高电压工程基础（2）工频交流电压作用的击穿电

12、压）工频交流电压作用的击穿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。棒棒和棒板空气间隙的工频棒棒和棒板空气间隙的工频击穿电压（有效值）击穿电压（有效值） 高电压工程基础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

13、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：高电压工程基础3.2 雷电冲击电压下的击穿雷电冲击电压下的击穿1、冲击电压的标准波形、冲击电压的标准波形标准雷

14、电波标准雷电波的波形：的波形： t1=1.2s30， t2=50s20对于不同极性：对于不同极性：+1.2/50s或或-1.2/50s操作冲击波操作冲击波的波形：的波形： t1=250s20， t2=2500s60对于不同极性：对于不同极性：+250/2500s或或-250/2500s 波前时间 半峰值时间 高电压工程基础 足够大的电场强度或足够高的电压足够大的电场强度或足够高的电压 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子有效电子 需要一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿需要一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿完成气隙击穿的三个

15、必备条件：完成气隙击穿的三个必备条件：2、放电时延、放电时延高电压工程基础 直流电压、工频交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

16、。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。高电压工程基础升压时间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高电压工程基础电场较均匀时电场较均匀时，由于平均场强很高，放

17、电发展速度快，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：高电压工程基础放电时延服从

18、统计规律，因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。3、50击穿电压及冲击系数击穿电压及冲击系数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%500uu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：高电压工程基础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，逐级升高电压幅值，每级电压值保持标准波形不变，逐级升高电压幅值，每级电压值加加10次，直

19、到每次，直到每10次中有次中有4-6次击穿，则此电压可作次击穿，则此电压可作为该间隙大致的为该间隙大致的u50 % 。每级加压次数越多，所得的。每级加压次数越多，所得的u50 %越准确。越准确。u50% 与静态击穿电压与静态击穿电压u0的比值称为冲击系数的比值称为冲击系数 。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。高电压工程基础因为因为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

20、表任何击穿时间下间隙的击穿电压。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。高电压工程基础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

21、也具有不大的极性效应。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。高电压工程基础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。4、伏秒特性、伏秒特性对于冲击电压波，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

22、必须用电压峰值和延续时间两者共穿电压值表示，而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。高电压工程基础伏秒特性伏秒特性对某一冲击电压波形，间隙上出现的电对某一冲击电压波形，间隙上出现的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线。压最大值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

23、波形不变（形不变（t1/t2一定），逐渐升高电压使间隙发生击穿，一定），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。 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高电压工程基础伏秒特性的形状与间隙中电场的均匀程度有关。伏秒特性的形状与间隙中电场的均匀程度有关。对于均匀或稍不均匀电场因平均场强高，放电时对于均匀或稍不均匀电场因平均场强高，放电时延短，故曲线比较平坦，且分散性较小。延短，故曲线比较平坦，且分散性较小。对于极不

24、均匀电场平均击穿场强较低，放电时延对于极不均匀电场平均击穿场强较低，放电时延较长，其伏秒特性随放电时间的减少有明显上翘，较长，其伏秒特性随放电时间的减少有明显上翘，且分散性较大。且分散性较大。高电压工程基础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

25、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。高电压工程基础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

26、护保护s1。高电压工程基础1、放电时间的组成为：、放电时间的组成为： td = t1 + ts + tf 2、标准雷电冲击电压波形：、标准雷电冲击电压波形：1.2/50s3、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：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

27、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电磁能转换，引统运行状态的突变，导致电感和电容元件间的电磁能转换，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

28、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。高电压工程基础直到直到20世纪世纪50年代，各国还认为操作过电压下的空气间隙年代，各国还认为操作过电压下的空气间隙及绝缘子的闪络电压及绝缘子的闪络电压=操作冲击系数操作冲击系数工频放电电压，且波形工频放电电压，且波形的影响可忽略。的影响可忽略。 220kv及以下电压等级电力系统：操作冲击系数及以下电压等级电力系统：操作冲击系数=1.1 220kv以上电压等级的电力系统：操作冲击系数以上电压等级的电力系统：操作冲击系数=1随着电力系统电压等级的提高，操作冲击下的绝缘问题越随着电力系统电压等级的提高，操

29、作冲击下的绝缘问题越来越突出。近几年来研究发现，操作冲击电压下的气体绝缘放来越突出。近几年来研究发现，操作冲击电压下的气体绝缘放电特性有许多新的特点，应根据操作冲击电压波形下的放电电电特性有许多新的特点，应根据操作冲击电压波形下的放电电压进行设计。压进行设计。高电压工程基础操作过电压波形随电压等级、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

30、=250(20) / 2500(60) s附加推荐：附加推荐：100/ 2500s 或或 500/ 2500s 另外建议一种衰减振荡波：第另外建议一种衰减振荡波：第一个半波的持续时间在一个半波的持续时间在20003000s，反极性的第二，反极性的第二个半波的峰值约为第一个峰值个半波的峰值约为第一个峰值的的80%。高电压工程基础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

31、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高电压工程基础棒棒-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

32、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。高电压工程基础棒棒-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，要求展时间缩短，放电时延减小，要求有更高的击穿电压才能实

33、现击穿。有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，再增大放电时发展的时间足够长，再增大放电时间，对放电发展没有意义；间，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，能有足够棒极同极性的空间电荷，能有足够的时间被驱赶到更远处，造成附加的时间被驱赶到更远处，造成附加电场减弱，则不利于放电的进一步电场减弱，则不利于放电的进一步发展，从而要求更高的击穿电压才发展，从而要求更高的击穿电压才能击穿。能击穿。高电压工程基础棒棒-板

34、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 棒棒-板间隙在某种波前的操作波作用板间隙在某种波前的操作波作用下的击穿电压甚至比工频电压还低下的击穿电压甚至比工频电压还低很多。其他结构的间隙也有这种情很多。其他结构的间隙也有这种情况，但程度较轻。原因况，但程度较轻。原因:工频四分之一周波相当于波前时间工频四分之一周波相当于波前时间5000s，位于，位于u形曲线的右半支。形曲线的右半支。因此，其击穿电压反而比临界波前因此，其击穿电压反而比临界波前操作冲击击穿高。操作冲击击穿高。这一点值得特别注意，对工程中各个这一点值得特别注意，对工程中各个气隙尺寸的选定有极其重要的影响。气隙

35、尺寸的选定有极其重要的影响。高电压工程基础（1）u形曲线形曲线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：du813400min式中式中 d间隙距离，间隙距离，m。高电压工程基础（2）极性效应）极性效应高电压工程基础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

36、棒饱和现象，特别是棒-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）饱和现象高电压工程基础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

37、，分散性更小，电压作用下，分散性更小， 2%。212)(11uunu高电压工程基础1、标准操作冲击电压波形为非周期性指数衰减波形。、标准操作冲击电压波形为非周期性指数衰减波形。2、标准操作冲击电压的波形对、标准操作冲击电压的波形对u50%影响很大。影响很大。3、极性效应更显著。、极性效应更显著。4、击穿电压的分散性大。、击穿电压的分散性大。小小 结：结：高电压工程基础3.4 大气密度和湿度对击穿的影响大气密度和湿度对击穿的影响 温度温度 t020 压力压力 p0101.3kpa 绝对湿度绝对湿度 h011g/m31、标准大气条件、标准大气条件空气间隙中气体的状态，如温度、湿度和气压空气间隙中气

38、体的状态，如温度、湿度和气压等因素，都会影响空气的电离发展，从而影响间隙等因素，都会影响空气的电离发展，从而影响间隙的击穿电压或放电电压。的击穿电压或放电电压。高电压工程基础2、大气条件的校正、大气条件的校正空气密度增大时，空气中自由电子的平均自由空气密度增大时，空气中自由电子的平均自由行程缩短，不易造成碰撞电离，所以空气间隙的击行程缩短，不易造成碰撞电离，所以空气间隙的击穿电压升高。穿电压升高。空气的湿度增加时，由于水蒸气是电负性气体，空气的湿度增加时，由于水蒸气是电负性气体，易俘获自由电子形成负离子，使电离减弱，所以空易俘获自由电子形成负离子，使电离减弱，所以空气间隙的击穿电压升高。气间隙

39、的击穿电压升高。在均匀电场中，湿度的影响很小，击穿前各处在均匀电场中，湿度的影响很小，击穿前各处的场强都很高，即各处电子运动速度很高，不易被的场强都很高，即各处电子运动速度很高，不易被水分子俘获形成负离子。水分子俘获形成负离子。在湿度较大时，绝缘子的闪络电压可能出现随在湿度较大时，绝缘子的闪络电压可能出现随湿度增加而降低的情况。湿度增加而降低的情况。高电压工程基础2、大气条件的校正、大气条件的校正试验时的放电电压试验时的放电电压u与标准大气条件下的放电与标准大气条件下的放电电压电压u0间的换算关系为：间的换算关系为：（1）放电电压的校正）放电电压的校正00/ttuu kuu kkt 大气校正因

40、数大气校正因数12tkk kk1 空气密度校正因数空气密度校正因数k2 空气湿度校正因数空气湿度校正因数高电压工程基础（1）空气密度校正因数）空气密度校正因数k1t 试验条件下的温度，试验条件下的温度，p 试验条件下的压力，试验条件下的压力，kpa1mk00273273tppt 相对空气密度。相对空气密度。高电压工程基础（2）湿度校正因数）湿度校正因数k22wkkk 取决于试验电压的种取决于试验电压的种类，且为绝对湿度类，且为绝对湿度h与与相对空气密度相对空气密度的比率的比率h/的函数。的函数。高电压工程基础（3）指数）指数m和和wub 实际大气条件下实际大气条件下50%放电电压的测量值或估放

41、电电压的测量值或估算值，算值，kv；l 试品最小放电路径，试品最小放电路径，m；500bugl k、k 实际的空气相对密度和湿度校正因数式中参数。实际的空气相对密度和湿度校正因数式中参数。高电压工程基础例：某距离例：某距离4m的棒的棒-板间隙，在夏季某日气压板间隙，在夏季某日气压 p=99.8kp，环境温度，环境温度t=30 ，空气绝对湿，空气绝对湿度度h=20g/m3的大气条件下，问正极性的大气条件下，问正极性50%操作冲击击穿电压为多少？操作冲击击穿电压为多少？高电压工程基础解：由实验曲线查得：距离为解：由实验曲线查得：距离为4m长的棒长的棒-板间隙在标板间隙在标准大气压状态下的正极性准大

42、气压状态下的正极性50%操作冲击击穿电操作冲击击穿电压为压为u50标标=1300kv95. 030273202733 .1018 .9927327300ttpp2195. 0/20/h查曲线得：查曲线得：k=1.162. 01 . 195. 045001300g高电压工程基础9827. 095. 034. 01mk查曲线得：查曲线得：m=w=0.34033. 11 . 134. 02wkkkv1320033. 19827. 01300215050kkuu标夏高电压工程基础3、海拔高度对放电电压的影响、海拔高度对放电电压的影响高海拔地区由于气压下降，空气相对密度下降，高海拔地区由于气压下降，空气

43、相对密度下降，因此空气间隙的放电电压也随之下降。因此空气间隙的放电电压也随之下降。 在海拔在海拔1000-4000m的范围内，海拔每升高的范围内，海拔每升高100m，空气的，空气的绝缘强度约下降绝缘强度约下降1%。(即绝缘能力变弱即绝缘能力变弱) 国家标准规定，对拟用于高海拔地区国家标准规定，对拟用于高海拔地区(海拔海拔1000-4000m)的的外绝缘设备，在非高海拔地区外绝缘设备，在非高海拔地区(海拔海拔1000m以下以下)进行试验进行试验时，其试验电压校正如下：时，其试验电压校正如下：400101 . 1huukuau0 标准大气条件下的试验电压，标准大气条件下的试验电压，kv；ka 海拔

44、校正因数，海拔校正因数，kv； h 设备使用处海拔高度，设备使用处海拔高度，m；高电压工程基础小小 结：结：气体的放电电压与大气状态有关，气体的相对气体的放电电压与大气状态有关，气体的相对密度增大时，气体的放电电压也随之增大。空气的密度增大时，气体的放电电压也随之增大。空气的湿度增大时，气体的放电电压也增大，但均匀和稍湿度增大时，气体的放电电压也增大，但均匀和稍不均匀电场下增加不明显。沿面闪络电压降低。不均匀电场下增加不明显。沿面闪络电压降低。海拔高度增加时，气体的放电电压下降。海拔高度增加时，气体的放电电压下降。高电压工程基础3.5 提高气隙击穿电压的措施提高气隙击穿电压的措施 改进电极的形

45、状改进电极的形状 利用空间电荷改善电场的分布利用空间电荷改善电场的分布 极不均匀电场中屏障的采用极不均匀电场中屏障的采用 高气压的采用高气压的采用 强电负性气体强电负性气体(sf6)的应用的应用 高真空的采用高真空的采用高电压工程基础（1）改善电场分布）改善电场分布（2）削弱气体中的电离过程）削弱气体中的电离过程高压电气设备中经常遇到气体绝缘间隙。为了高压电气设备中经常遇到气体绝缘间隙。为了减少设备尺寸，一般希望间隙的绝缘距离尽可能小。减少设备尺寸，一般希望间隙的绝缘距离尽可能小。因此，必须采取措施，以提高气体间隙的击穿电压。因此，必须采取措施，以提高气体间隙的击穿电压。提高气体间隙的平均击穿

46、场强有两个途径：提高气体间隙的平均击穿场强有两个途径：高电压工程基础1、改进电极形状以改善电场分布、改进电极形状以改善电场分布 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、采用扩径导线等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）。（截面相同，半径增大）。高电压工程基础1、改进电极形状以改善电场分布、改进电极形状以改善电场分布 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，同时电极表电极边缘做成弧形，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现面尽量避免毛刺、棱角以消除电场局部增强的现象。象。高电压工程基础1、改进电极

47、形状以改善电场分布、改进电极形状以改善电场分布 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，墙洞边缘做成近似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。垂链线旋转体。高电压工程基础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 例如利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场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间隙中电场分布(2.4.2小节小节)，从而提高间隙的击穿电压。，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

48、线也将产生刷状放电，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，使击穿电压与棒板或棒棒从而破坏比较均匀的电晕层，使击穿电压与棒板或棒棒间隙的相近。另外，此种提高击穿电压的方法仅在持续作用间隙的相近。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。电压下才有效，在雷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）与间隙距离的关系高电压

49、工程基础3、极不均匀电场中屏障的采用、极不均匀电场中屏障的采用 在电场极不均匀的空气间隙中，放入薄片固体绝缘材在电场极不均匀的空气间隙中，放入薄片固体绝缘材料（如纸或纸板）阻挡空间电荷，利用空间电荷产生的电场料（如纸或纸板）阻挡空间电荷，利用空间电荷产生的电场改变电场分布。改变电场分布。屏蔽在一定条件下可以显著提高间隙的击穿电压，其屏蔽在一定条件下可以显著提高间隙的击穿电压，其效果与电压种类有关。效果与电压种类有关。屏蔽用绝缘材料制成，但它本身的绝缘性能无关紧要，屏蔽用绝缘材料制成，但它本身的绝缘性能无关紧要，重要的是它的密封性（拦住带电粒子的能力）。重要的是它的密封性（拦住带电粒子的能力）。

50、屏蔽的作用取决于它所拦住的与电晕电极同号的空间屏蔽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的空间电场强度减小，电荷，这样就能使电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布均匀化。从而使整个气隙的电场分布均匀化。高电压工程基础当棒极为阳极性时，设置屏障可以当棒极为阳极性时，设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。显著提高间隙的击穿电压。无屏障时，棒极附近形成的正极性无屏障时，棒极附近形成的正极性空间电荷加强了前方电场，促进了电离空间电荷加强了前方电场，促进了电离区向前推进，因此击穿电压很低。区向前推进，因此击穿电压很低。当设置屏蔽后，正离子在屏障

51、上聚当设置屏蔽后，正离子在屏障上聚集，因为同号电荷相斥，正离子在屏障集，因为同号电荷相斥，正离子在屏障表面分布较均匀，从而在屏障前方形成表面分布较均匀，从而在屏障前方形成较均匀电场，改善了整个间隙的电场分较均匀电场，改善了整个间隙的电场分布，因此可以提高击穿电压。布，因此可以提高击穿电压。当屏障靠近棒极时，屏障与板极间当屏障靠近棒极时，屏障与板极间的均匀电场区扩大，间隙的击穿电压上的均匀电场区扩大，间隙的击穿电压上升；但屏障离棒极过近时，屏障上的正升；但屏障离棒极过近时，屏障上的正电荷分布不再均匀，屏障前方又出现极电荷分布不再均匀，屏障前方又出现极不均匀电场，屏蔽作用减弱。不均匀电场，屏蔽作用

52、减弱。高电压工程基础对负棒对负棒-板间隙，屏障的作用效果某些部分与正棒板间隙，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

53、较远离棒极后，设置的屏障反而减低了间前方电场。因此屏障较远离棒极后，设置的屏障反而减低了间隙的击穿电压。隙的击穿电压。当屏障离棒极过近时，仍然具有屏障作用。当屏障离棒极过近时，仍然具有屏障作用。因为电子速度高，可以穿透屏障，从而屏障上无法聚集因为电子速度高，可以穿透屏障，从而屏障上无法聚集大量负电荷，而屏障另一边由电离造成的正电荷被屏障阻挡，大量负电荷，而屏障另一边由电离造成的正电荷被屏障阻挡，使屏障带正电，因此屏障和板极间的电场被削弱，当屏障紧靠使屏障带正电，因此屏障和板极间的电场被削弱，当屏障紧靠棒极时，仍具有屏蔽效应棒极时，仍具有屏蔽效应.高电压工程基础直流电压下棒板空气间隙的击穿电压和

54、屏障位置的关系直流电压下棒板空气间隙的击穿电压和屏障位置的关系 高电压工程基础工频电压下棒板空气间隙的击穿电压和屏障位置的关系工频电压下棒板空气间隙的击穿电压和屏障位置的关系（屏障的作用与直流电压作用下正棒（屏障的作用与直流电压作用下正棒-板的情况相近）板的情况相近） 高电压工程基础4、高气压的采用、高气压的采用 采用改善电场分布，来提高击穿电压的方法，其平均采用改善电场分布，来提高击穿电压的方法，其平均击穿场强仍然击穿场强仍然均匀电场中大气压下空气的电气强度均匀电场中大气压下空气的电气强度(约约30kv/cm)，这个数值并不高，可见常压下空气的电气强度，这个数值并不高，可见常压下空气的电气强

55、度要比一般固体和液体介质的电气强度低得多。要比一般固体和液体介质的电气强度低得多。提高气体压力，减小电子的平均自由行程，可以削弱提高气体压力，减小电子的平均自由行程，可以削弱气体中的电离过程，提高击穿电压。气体中的电离过程，提高击穿电压。均匀电场中几种绝缘介质的击穿电压与距离的关系均匀电场中几种绝缘介质的击穿电压与距离的关系12.8mpa的空气的空气 20.7mpa的的sf6 3高真空高真空4变压器油变压器油 50.1mpa的的sf6 6大气大气高电压工程基础采用高气压时，下面因素的影响应给予注意：采用高气压时，下面因素的影响应给予注意：（1）电场均匀度的影响）电场均匀度的影响在高气压下，电场

56、均匀度对击穿电压的影响比在大气在高气压下，电场均匀度对击穿电压的影响比在大气压力下显著的多。电场均匀度下降，击穿电压降剧烈降低。压力下显著的多。电场均匀度下降，击穿电压降剧烈降低。所以采用高气压的电气设备应使电场尽可能均匀。所以采用高气压的电气设备应使电场尽可能均匀。（2）电极表面状态的影响）电极表面状态的影响在高气压下，气隙的击穿电压与电极表面的粗糙度有在高气压下，气隙的击穿电压与电极表面的粗糙度有很大的关系。很大的关系。湿度、表面污物等因素在高气压下对气隙击穿电压的湿度、表面污物等因素在高气压下对气隙击穿电压的影响比常压下显著。影响比常压下显著。高气压下，应尽可能采用均匀电场，电极表面应光

57、洁，气体高气压下，应尽可能采用均匀电场，电极表面应光洁，气体要滤去尘埃和水分。要滤去尘埃和水分。高电压工程基础5、强电负性气体的应用、强电负性气体的应用 采用高气压方法的缺点采用高气压方法的缺点:(1) 到达一定限度后，设备密封困难，成本大大提高。到达一定限度后，设备密封困难，成本大大提高。(2) 提高到提高到10个大气压后，再提高气压，效果大大下降。个大气压后，再提高气压，效果大大下降。(3) 空气中的氧在高气压下因击穿时的火花可能引起绝空气中的氧在高气压下因击穿时的火花可能引起绝缘材料的燃烧。缘材料的燃烧。高电压工程基础许多含卤族元素的强电负性气体电气强度特别高，许多含卤族元素的强电负性气

58、体电气强度特别高，因而可称之为高电气强度气体。采用这些气体来代替因而可称之为高电气强度气体。采用这些气体来代替空气，可以大大提高间隙的击穿电压，缩小设备尺寸，空气，可以大大提高间隙的击穿电压，缩小设备尺寸，降低工作气压。降低工作气压。高电气强度气体仅仅满足电气强度高是不够的，高电气强度气体仅仅满足电气强度高是不够的，还必须同时满足以下条件：还必须同时满足以下条件： 液化温度要低，这样才能同时采用高气压；液化温度要低，这样才能同时采用高气压； 良好的化学稳定性，出现放电时不易分解、不燃烧良好的化学稳定性，出现放电时不易分解、不燃烧或爆炸、不产生有毒物质；或爆炸、不产生有毒物质； 生产不太困难，价格不过于昂贵。生产不太困难，价格不过于昂贵。高电压工程基础sf6同时满足以上条件，而且还具备优异的灭弧能同时满足以上条件，而且还具备优异的灭弧能力，因此力，因此sf6及其混合气体被广泛用于大容量高压断路及其混合气体被广泛用于大容量高压断路器、高压充气电缆、高压电容器、高压充气套管以及器、高压充气电缆、高压电容器、高压充气套管以及全封闭组合电器中。全封闭组合电器中。sf6等气体电气强度高的原因：等气体电气强度高的原因： 由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性。即气由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性。