高电压技术5讲解

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1、第三章 气隙的电气强度 第一节 气隙的击穿时间 第二节 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率 分布 第三节 大气条件对气隙击穿电压的影响 第四节 较均匀/不均匀电场气隙的击穿电压 第五节 提高气隙击穿电压的方法 3.1 气隙的击穿时间 完成气隙击穿的三个必备条件：1、足够大的电场强度或足够高的电压；2 、在气隙中存在能引起电子崩并导致流柱和主放电的有效电子；3、需要有 一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。 完成击穿所用时间都以微秒记，在直流和工频等持续电压下，时间不成问 题。但冲击电压的有效作用时间也以微秒记，所以放电时间就成了重要因 素了。 放电的总时间 tb 由三部分组成，即 tb = t

2、l + ts + tf ts 统计时延，指从 tl 到气隙中 出现第一个有效电子 tf放电形成时延，从出现有效电子 到最终击穿。 tlag = ts + tf tlag放电时延 第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿 一、放电时间 tst1tf tlag tb U u t 3.2 气隙的伏秒特性 一. 电压波形 （一）直流电压 直流试验电压大都由交流整流而得，其波形必然有一 定的脉动，通常所称的电压值是指平均值。直流电压的脉 动幅值是最大值与最小值之差的半。纹波系数为脉动幅 值与平均值之比。国家标准规定被试品上直流试验电压的 纹波系数应不大于3。 （二）工频交流电压 工频交流试验电压应近似为正

3、弦波，正负两半波相 同，其峰值与有效值之比应在 以内。频率一般在 4565Hz范围内。 （ 三） 标准雷电冲击电压波 用来模拟电力系统中的雷电过电 压波，采用非周期性双指数波。如图 T1视在波前时间； T2视在 半峰值时间 ；Um冲击电压峰值 国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为： T1=1.2s ， 容许偏差30% ；T2=50s，容许偏差20% 通常写 成1.2/50s，并可在前面加上正、负号表示极性。 （四） 标准雷电截波 用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或 外绝缘闪落后出现的截尾冲击波，如 图。IEC标准和我国国家标准规定为： T1=1.2s ，容许偏差30% ；Tc=2 5s

4、。可写成1.2/ 25s . 0.3 0.5 0.9 1 0 0 T1 T2 u / Um t 0.9 0 0.3 1 u / Um 0 T1 Tc t 标准雷电冲击电压波 标准雷电截波 （五） 标准操作冲击电压波 用来等效模拟电力系统中操作过电压波，一般也用非周期 性双指数波。IEC标准和我国标准规定为见下左图：波前时间 Tcr=250s, 容许偏差20%；半峰值时间T2=2500s, 容许偏差 60% 。可写成250/2500s冲击波。当在试验中上述波形不能满 足要求时，推荐采用100/2500s 和 500/2500s 冲击波。此外还 建议采用一种衰减震荡波下右图，第一个半波的持续时间在

5、 20003000s之间，极性相反的第二个半波的峰值约为第一个 半波峰值的80% 0.5 1 0 u / Um Tcr T2 t u 0 Um Tcrt Tcr=1000 1500us 标准操作冲击电压波 二、伏秒特性 气隙的伏秒特性在同一波形，不同幅值的冲击电压作用下 ，气隙上出现的电压最大值和放电时间的关系，称为该气隙的 伏秒特性。 伏秒特性曲线表示该气隙伏秒特性的曲线，称为伏秒特性 曲线。 50%冲击击穿电压 （U50% )指某气隙被击穿的概率为50%的 冲击电压峰值。 冲击系数U50%与 静态击穿电压Us 之比称为冲击系数 。均 匀和稍不均匀电场下冲击击穿电压的分散性很小， 冲击系数

6、1。极不均匀电场中由于放电时延较长，冲击系数 均大于1 。 （一）伏秒特性曲线的制作 保持一定的冲击电压波形不变 ，而逐级升高电压，以电压为 纵坐标，时间为横坐标， 电压较低时，击穿一般发生在 波尾，取该电压的峰值与击穿 时刻，得到相应的点； 电压较高时，击穿一般发生在 波头，取击穿时刻的电压值及 该时刻，得到相应的点； 把这些相应的点连成一条曲线 ，就是该气隙在该电压波形下 的“伏秒特性曲线”。 u 0 t 1 2 3 实际上伏秒特性具有统计分散性，是一个以上下包线 为界的带状区域。工程上，通常取“50%伏秒特性曲线”来 表征一个气隙的冲击击穿特性。 U50% u 0 t 2 3 1 （二）

7、伏秒特性曲线的应用 在保护设备和被保护设备的绝缘配合上具有重要的意 义。是防雷设计中实现保护设备和被保护设备的绝缘配合 的依据 。 举例：如果一个电压同时作用 在两个并联的气隙S1和S2上， 其中一个气隙先被击穿了，则 电压被短接截断，另一个气隙 就不会再被击穿了。这个原则 如用于保护装置和被保护设备 ，那就是前者保护了后备。设 前者的伏秒特性以S2记之，后 者的以S1记之，如图3-2-6情况 。 三. 气隙击穿电压的概率分布 不论是在何种电压作用下，气隙的击穿电压都 有一定的分散性，即“击穿概率分布特性”。研究表 明，气隙击穿的几率分布接近正态分布，通常可以 用U50%和变异系数Z来表示。

8、用作绝缘的气隙，人们所关心的不仅是其U50% 击穿电压，更重要的是其耐受电压即能确保耐受而 不被击穿的电压。100%的耐受电压是很难测的（ 要做无穷次的实验），工程实际中常用对应于很高 耐受几率(例如99以上)的电压作为耐受电压。 前面介绍的不同气隙在各种电压下的击穿特性均对应于标 准大气条件和正常的海拔高度。由于大气的压力、温度、湿度 等条件都会影响空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及 附着过程，所以也必然会影响气隙的击穿电压。海拔高度的影 响与此类似，随着高度的增加，空气的压力和密度均会下降。 正由于此，在不同的大气条件和海拔高度下所得出的击穿电压 实测数据都必须换算到某种标准条件下才

9、能互相进行比较。 我国的国家标准所规定的标准大气条件为： 压力 p0 =101.3kpa（760mmHG）； 温度 t0 =20 或 T0 = 293K； 绝对湿度 hc =11g / m3 。 3.3 大气条件对气隙击穿电压的影响 在实际试验条件下的气隙击穿电压U与标准大气条件下的 击穿电压U0 之间可以通过相应的校正因数进行如下换算 式中 Kd空气密度校正因数； Kh湿度校正因数。 空气的密度与压力和温度有关。空气的相对密度 式中 p气压，kPa； T温度，K 。 在大气条件下，气隙的击穿电压随的增大而提高。当处 于0.951.05的范围内时，气隙的击穿电压几乎与成正比，即 此时的空气密度

10、校正因数 Kd ，因而 U U0 气隙不长（例如不超过1m）时，上式能足够精确的使用于 各种电场形式和各种电压类型下近似的工程估算。 一、对空气密度的校正 研究表明：对更长空气间隙来说，击穿电压与大气的关系 并不是一种简单的线形关系。而是随电极形状、电压类型和气 隙长度而变化的复杂关系。Kd 如下式计算 式中指数 m ，n 与电极形状、气隙长度、电压类型及极性有关 ，值在0.41.0的范围内变化，具体取值可参考有关国家标准 的规定。 大气中的水分子能够俘获自由电子而形成负离子，这对气 体的放电过程起着抑制作用，可见大气的湿度越大，气隙的击 穿电压也会增高。在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整

11、 个气隙的电场强度都很大，电子运动速度较快，不易被水分子 俘获，因而湿度影响不太明显，可以忽略不计。例如用球隙测 量高电压时，只要按空气相对密度校正其击穿电压就可以了， 而不必考虑湿度的影响。 在极不均匀电场中，湿度影响就很明显了，可用下面的湿 度校正因数来校正。 Kh = k 式中因数 k 与绝对温度和电压类型有关，而指数 之值取决于 电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。具体值亦可参考有 关国家标准。 二、对湿度的校正 我国国家标准规定：对于安装在海拔高于1000m 、但不超 过4000m 处的电力设施外绝缘，其试验电压U 应为平原地区外 绝缘的试验电压Up 乘以海拔校正因数Kn ， 即

12、U = Ka Up (2-9) 式中 H安装点的海拔高度，m。 三、对海拔的校正 3.4 气隙的击穿电压 一、较均匀电场气隙的击穿电压 1. 在均匀电场中，电场是对称的，故击穿电压与电压极性无 关，由于间隙各处的场强大致相等，不可能出现持续的局部 放电，故起始放电电压就等于气隙的击穿电压。 不同电压波形作用下，击穿电压实际上相同，且分散性 很小，对于空气，可以用以下的经验公式表示： KV（peak） 式中 空气的相对密度 S 气隙的距离，cm 2.稍不均匀电场 稍不均匀电场的结构形式有多种多样，常遇到 的较典型的电场结构形式有；球球、球板、圆 柱板、两同轴圆筒、两平行圆柱、两垂直圆柱等 。对这

13、些较简单的、有规则的、较典型的电场，有 相应的计算击穿电压的经验公式或曲线，而用时， 可参阅有关的手册和资料。 3.影响稍不均匀电场间隙击穿电压的因素： 电场结构、大气条件、还有邻近效应等。 二、不均匀电场气隙的击穿电压 不均匀电场的特征：各处场强差别很大，在所加电压小于 整个间隙击穿电压时，可能出现局部的持续的放电。由于持续 的局部放电的存在，空间电荷的积累对击穿电压的影响很大， 导致显著的极性效应。 对很不均匀电场，只要宏观上保持原有的电场布局和气隙 最小距离不变，则电极的具体形状、尺寸和结构的改变，对击 穿电压的影响不大。 预先对几种典型的电场的气隙，如棒棒或线线、棒 板或线板作出击穿电

14、压和气隙距离的关系曲线，在工程上遇 到的各种不均匀电场，其击穿电压可以参照与接近的典型气隙 的击穿电压来估计。 (一)直流电压作用下 总结： （二）工频电压作用下: 表示中等距离空气间隙的工频击穿电压曲线 图3-5-2 棒棒和棒和板空气间隙的 工频击穿电压与间隙距离的关系 结论: 击穿总是发 生在棒极为 正半波时。 结论: 气隙较大时（S大于2.5m），击穿电压与距离关系出现了明显 的饱和趋向，特别是棒板气隙，其饱和趋向更明显。 （三）雷电冲击电压作用下 实验表明，导线平板气隙的U50%与棒板气隙的十分接 近（不论正/负极性），在缺乏线板击穿电压的具体数据 的时候，可以用棒板的击穿数据来估计。(图3-5-4) 另外，棒棒和棒板的击穿电压曲线是各种不均匀电场 气隙击穿电压曲线的上下包络线，这点对设计很有用。 图3-5-4 气隙的冲击击穿电压与距离的关系 （四）操作冲击电压作用下 1.波形的影响：一般均指“正极性”情况。 图3-5-8 不同性质电压作用下棒板气隙 的击穿电压与气隙距离的关系 2.饱和现象：长气隙在操作电压作用下呈现显著的“饱和现象” 。 图3-5-9棒棒和棒-板间隙的操作冲击击穿电压 3.分散性大 （五）叠加性电压作用下 工程实际中，作用在气隙上的电压常常是