第4讲 冲击伏秒工频措施

1、高电压工程系高电压工程系何正浩何正浩第3讲回顾流注理论不均匀电场的放电特点电晕极不均匀场中的放电过程23第第4 4讲讲 气体电介质的绝缘特性（三）气体电介质的绝缘特性（三）4主放电通道主放电通道主放电和先导通道的交界区主放电和先导通道的交界区先导通道先导通道 先导的发展5正棒正棒负板间隙中先导通道的发展负板间隙中先导通道的发展（）先导和其头部的流注；（）流注头部电子崩的形成；（）先导和其头部的流注；（）流注头部电子崩的形成；（）由流注转变为先导和形成流注；（）流注头部电子崩的形成；（）由流注转变为先导和形成流注；（）流注头部电子崩的形成；（）沿着先导和空气间隙电场强度的分布（）沿着先导和空气间

2、隙电场强度的分布 1.3.4 极不均匀场中的极性效应正棒负板6电子运动速度快，迅速进入棒极；棒极附近积聚起正空间电荷，削弱了棒极附近的电场强度而加强了正离子群外部空间的电场结果：（1）使电晕起始电压提高。（2）外部空间电场加强，有利于流注的发展，因此击穿电压较低。 7负棒负棒正板正板8电子崩中的电子离开强电场区后，不再能引起电离，向阳极运动的速度也越来越慢。电子崩中的正离子加强了棒极附近的场强，使棒极附近容易形成流注。结论：（1）电晕起始电压比正极性时要低。（2）正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，削弱了外部空间的电场，阻碍了流注的发展，因此击穿电压较高。91.4 雷电冲击电压作用下气体

3、的击穿一、雷电冲击电压标准波形一、雷电冲击电压标准波形非周期性指数衰减波非周期性指数衰减波10雷电流是冲击波形的，雷电流是冲击波形的，故由雷闪放电引起的高故由雷闪放电引起的高电压也具有冲击波形电压也具有冲击波形 T11.2 s（ 30%） T250 s（ 20%） 二、放电时延击穿条件：击穿条件：足够幅值的电压，一定时间的作用足够幅值的电压，一定时间的作用统计时延统计时延ts有效电子（能引起电离过程并最终导致击穿有效电子（能引起电离过程并最终导致击穿的电子）产生。的电子）产生。不均匀电场内，不均匀电场内， ts小小。放电形成时延放电形成时延tf出现电子崩、形成流注、主放电、间隙出现电子崩、形成

4、流注、主放电、间隙击穿。击穿。均匀电场内，均匀电场内， tf小小。u放电时延放电时延 tlag ts tf11影响影响tlag的因素：的因素：U增大， tlag减小紫外光照射冲击放电所需的全部时间冲击放电所需的全部时间12ftt tts1b 三、雷电50%冲击击穿电压（U50%） 原因原因放电时延的分散性放电时延的分散性电压升高到一定程度，电压升高到一定程度，100击穿击穿U U50%50%在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，工在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，工程上以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性程上以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性试验方法：多级法（每级加压试验方法：多级法

5、（每级加压6次，曲线），升降法（次，曲线），升降法（10次次中中46次击穿）次击穿）13均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压击穿电压分击穿电压分散性小，其雷电冲击散性小，其雷电冲击50击穿电压和静态击穿电压和静态 击穿电压（即击穿电压（即持续作用电压下的击穿电压）持续作用电压下的击穿电压）相差很小相差很小 冲击系数冲击系数50% 冲击击穿电压冲击击穿电压 / 持续作用电压下的击穿电压持续作用电压下的击穿电压 冲击系数冲击系数 1极不均匀电场下的击穿电压极不均匀电场下的击穿电压由于放电时延较长，通由于放电时延较长，通常冲击系数大于常冲击系数大于l，击穿电压的分散性

6、也大一些，其标准，击穿电压的分散性也大一些，其标准偏差可取为偏差可取为3% 1415极不均匀场中的极性效应极不均匀场中的极性效应四.伏秒特性 n以斜角波电压为例来说明考虑放电时延的必要性以斜角波电压为例来说明考虑放电时延的必要性 在间隙上缓慢地施加直流电压，达到静态击穿电压在间隙上缓慢地施加直流电压，达到静态击穿电压U0后，间隙中开始发展起击穿过程。但击穿需一定时间后，间隙中开始发展起击穿过程。但击穿需一定时间 = tl，在此时间内电压，在此时间内电压 上升上升 击穿完成时间隙上的电压击穿完成时间隙上的电压 应为应为U0+ U 16tuU/伏秒特性的绘制实验方法保持间隙距离不变、保持冲击电压波

7、形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，读取击穿电压值U与击穿时间t。17伏秒特性曲线的形状与电场分布有关伏秒特性曲线的形状与电场分布有关在均匀电场和稍不均匀电场中，击穿时平均场强较高，放电发展较快，放电时延较短，伏秒特性曲线平坦。在极不均匀电场中，平均击穿场强较低，放电时延较长，放电分散性大，伏秒特性曲线较为陡峭。 18伏秒特性的分散性伏秒特性的分散性放电时间具有分散放电时间具有分散性性，每级电压，每级电压下放下放电时间不同，实际电时间不同，实际上伏秒特性是以上、上伏秒特性是以上、下包络线为界的一下包络线为界的一个带状区域个带状区域19伏秒特性的用途伏秒特性的用途20对对1 起保护作用起保护作用

8、 在高幅值冲击电压作用下，在高幅值冲击电压作用下，不起保护作用不起保护作用1.5 操作冲击电压作用下气体的击穿 一、操作冲击电压标准波形一、操作冲击电压标准波形21n非周期性指数衰减波非周期性指数衰减波 推荐操作冲击电压的标准波形为推荐操作冲击电压的标准波形为2502500 s n衰减振荡电压衰减振荡电压 第一个半波的持续时间在第一个半波的持续时间在2000一一3000 s之间之间 ，反极性，反极性的第二个半波的幅值达到第一个半波幅值的第二个半波的幅值达到第一个半波幅值80 二、操作冲击二、操作冲击50%50%击穿电压击穿电压均匀电场和稍不均匀均匀电场和稍不均匀电场电场 间隙的操作冲击50%击

9、穿电压、雷电冲击50%击穿电压和工频击穿电压（峰值）几乎相同，击穿几乎发生在峰值，击穿电压的分散性也较小。极不均匀极不均匀电场电场 操作冲击电压下的击穿通常发生在波头部分，击穿电压与波头时间有关而与波尾时间无关。22（1）波形的影响n在一定的波前时间范围内，在一定的波前时间范围内，U50 甚至会比工频击穿电压甚至会比工频击穿电压低低U形曲线形曲线 n对应于极小值的波前时间随对应于极小值的波前时间随着间隙距离加大而增加，对着间隙距离加大而增加，对7 m 以 下 的 间 隙 ， 大 致 在以 下 的 间 隙 ， 大 致 在50 200 s之间之间n放电时延和空间电荷放电时延和空间电荷(形成及形成及

10、迁移迁移)这两类不同因素的影响这两类不同因素的影响所造成的所造成的 23放电时延放电时延的作用的作用空间电荷对空间电荷对电场的影响电场的影响（2）极性效应极性效应 极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下50击穿电压比负极性下低，所以也更危险。 （3）分散性大分散性大 对于波前时间在数十到数百s的操作冲击电压，极不均匀电场间隙50击穿电压的标准偏差约为5；波前时间超过1000s以后，可达8左右（工频及雷电冲击电压下均约为3） 由于空间电荷的形成、扩散和放电时延具有很大的统计性，所以操作冲击电压下间隙的击穿电压和放电时间的分散性比雷电冲击电压下大得多24（4）“饱和饱和”现象现象 极不均匀电场中操

11、作冲极不均匀电场中操作冲击击50击穿电压和间击穿电压和间隙距离的关系具有明隙距离的关系具有明显 的显 的 “ 饱 和饱 和 ” 特 征特 征（雷电冲击（雷电冲击50击穿击穿电压和距离大致呈线电压和距离大致呈线性关系性关系 ）25n50击穿电压极小值的经验公式击穿电压极小值的经验公式 式中式中 d 间隙距离，间隙距离，m上式对于上式对于 20m的长间隙和试验结果很好地符合的长间隙和试验结果很好地符合26MV 814 . 3min50dU1.6 电场形式、电压波形与击穿电压的关系u电场形式均匀场 稍不均匀场 极不均匀场u电压波形持续作用电压直流 工频 冲击电压雷电 操作271.6.1 均匀电场分散

12、性小均匀电场中空气的击穿电压经验公式28ddU08.622.2401.6.2 稍不均匀电场不能形成稳定的电晕放电，电晕起始电压就是其击穿电压，所以负极下击穿电压略低于正极性下的数值 几种电压形式的击穿电压值基本相等，分散性小也有极性效应2Dd291.6.3 极不均匀电场波形影响大，分散性大，极性效应明显一、直流击穿电压一、直流击穿电压棒棒间隙介于两者之间 30棒棒板间隙：板间隙：棒具有正极性时，平均击穿棒具有正极性时，平均击穿场强约为场强约为4.5kV/cm；棒具有负极性时约为棒具有负极性时约为l0kV/cm棒棒棒间隙：棒间隙：的平均击穿场强约为的平均击穿场强约为4.85.0kV/cm二、工频

13、击穿电压二、工频击穿电压在棒-板间隙中，击穿总是在棒为正的半周期内、电压达到幅值时发生，稍低于直流电压下的击穿电压，这是由于前半周期留下的空间电荷对棒极前方的电场有所加强的缘故。棒-棒间隙的击穿电压较高，因为棒-棒间隙的电场比棒-板间隙的要均匀一些。击穿电压具有“饱和现象”：棒板： d1m， 5 kV/cm棒板： dlm，2 kV/cm 31n棒棒棒间隙的平均击穿场强约为棒间隙的平均击穿场强约为5.36kV/cm(幅值幅值)；n棒棒板间隙的约为板间隙的约为4.8kV/cm(幅值幅值) 。三、雷电冲击50% 击穿电压雷电冲击50% 击穿电压高于稳态击穿电压（直流击穿电压或工频击穿电压幅值）。击穿

14、电压的分散性也较大。雷电冲击50% 击穿电压和间隙距离大致呈线性关系因为作用时间短，间隙距离加大后，需要提高先导发展速度才能完成放电击穿电压提高。 32四、操作冲击50% 击穿电压u击穿通常发生在波头部分。uU50%”U”形曲线。u明显的”饱和”特征.这是因为形成先导后,放电易于发展之故。u电场分布情况对操作冲击50%击穿电压影响很大，存在显著的“邻近效应”。331.7 大气条件对气隙击穿特性的影响标准大气条件：气压P0=101.3kPa，温度t0=20绝对湿度 f0=11g/m3。一、空气相对密度的影响34tPttPPTPPT27389. 22732730000在大气条件下，空气间隙的击穿电

15、压随的增大而升高。0.951.05范围内变动时，间隙的击穿电压与相对密度成正比，实际试验或运行条件下当与1相差较大时，须用空气密度校正系数Kd对击穿电压U进行校正： 350UUnmdttppK)273273()(000UKUd二、湿度的影响湿度增加，电离能力下降，对放电过程起到抑制作用湿度越大，间隙的击穿电压也会越高。k是绝对湿度和电压种类的函数；指数的值取决于电极形状、间隙距离、电压种类及其极性。 36kKhhKUU0综合气压、温度、湿度的影响试验中需要对结果加以换算370UKKUhd三、对海拔高度的校正三、对海拔高度的校正随着海拔增高，空气密度减小，增大，电离能力增大，间隙的击穿电压降低。

16、我国的国家标准规定：海拔超过1000m而又低于4000m地区的外绝缘试验电压U与平原地区外绝缘的试验电压Up的关系为384101 . 11HKaPaUKU 1.8 提高气体间隙击穿电压的措施两条途径：两条途径： 一、一、改善电场分布改善电场分布，使之尽量均匀，使之尽量均匀 改进电极形状改进电极形状 利用空间电荷畸变电场的作用利用空间电荷畸变电场的作用 二、利用其它方法来二、利用其它方法来削弱削弱气体中的气体中的电离电离过程过程 39(一）改进电极形状以改善电场分布 n增大电极曲率半径增大电极曲率半径 减减小表面场强。如变压器小表面场强。如变压器套管端部加球形屏蔽罩；套管端部加球形屏蔽罩；采用扩

17、径导线等采用扩径导线等n改善电极边缘改善电极边缘 电极边电极边缘做成弧形；尽量使其缘做成弧形；尽量使其与某等位面相近与某等位面相近n使电圾具有最佳外形使电圾具有最佳外形 如穿墙高压引线上加金如穿墙高压引线上加金属扁球；墒洞边缘做成属扁球；墒洞边缘做成近似垂接线旋转体近似垂接线旋转体40一、改善电场分布一、改善电场分布（二）利用空间电荷畸变电场的作用 n 极不均匀电场中击穿前发生电晕放极不均匀电场中击穿前发生电晕放电，利用放电产生的空间电荷改善电，利用放电产生的空间电荷改善电场分布，提高击穿电压电场分布，提高击穿电压 n直径直径D20mm及及16mm时，击穿电时，击穿电压曲线的直线部分和尖一板间隙相压曲线的直线部分和尖一板间隙相近近n导线直径减为导线直径减为3mm以至以至0.5mm时，时，击穿电压曲线的直线部分陡度大为击穿电压曲线的直线部分陡度大为增加，曲线逐渐与均匀电场中的相增加，曲线逐渐与均匀电场中的相近近 “细线效应细线效应”41（三）极不均匀电场中屏障的采用 n在电场极不均匀的空气间隙在电场极不均匀的空气间隙中，放入薄片固体绝缘材料中，放入薄片固体绝缘材料（例如纸或纸板），在一定（例如纸或纸板），在一定条件下，可以显著提高间隙条件下，可以显著提高间隙的击穿电压的击穿电压 n原理原理屏障积聚空间电荷，