高电压-气体间隙的击穿强度

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1、高电压工程基础第三章 气体间隙 的击穿强度任课教师：赵 彤 山东大学电气工程学院 电场情况均匀电场、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：高电压工程基础 电压形式稳态电压（直流电压与交流电压）、雷电冲击 电压、操作冲击电压 大气条件气压、温度、湿度一、稳态电压下的击穿二、雷电冲击电压下的击穿三、操作冲击电压下的击穿四、大气密度和湿度对击穿的影响五、提高气体间隙击穿电压的措施高电压工程基础第三章 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。3.1 稳态电压下的击穿特点：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

2、略不计， 只要作用于间隙的电压达到击穿电压，间隙就会 发生击穿。高电压工程基础直流电压：交流电压：直流中所含的脉动分量的脉动系数不大于3%。（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。波形接近于正弦波，正、负两半波相同，峰值与有 效值之比为 ，偏差不超过高电压工程基础1、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。 不论何种电压（直流、交流、正负50%冲击电压） 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空气间隙的击穿电压

3、（峰值）可根据下面 经验公式求得：式中 d 间隙距离，cm； 空气相对密度。均匀电场中空气 的击穿场强（峰 值）为30kV/cm 。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 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。电场不对称时，击穿电压有极性效应，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 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。直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50%冲击击穿电压几乎一 致，且分散性不大。高电压工程基础2、稍不均匀电场中的击

4、穿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 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 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 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 （eg：高压实验室中的测量球隙）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。 2、稍不均匀电场中的击穿高电压工程基础（2）同轴圆柱电极 （eg：高压标准电容器、单芯电缆、GIS分相母线）（

5、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（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 ）。 2、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 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。 2、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 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 。 对电极形状不对称的极不均匀电场，有明显的 极性效应。 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

6、电压的影响大，击穿电压的 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 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， 棒板和棒棒作为典型电极结构，它们的击穿 电压具有代表性。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。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棒板、棒棒间隙的直流击 穿电压与间隙距离的关系曲线正棒负板间隙的击穿电压最低，负棒正板 间隙的击穿电压最高， 棒棒间隙的击穿电压 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压由于棒板间隙的击穿总是

7、发生在棒级为正时的半个周 期且电压达幅值时，故其击 穿电压（峰值）和直流下正 棒负板时的击穿电压相近 。在电气设备上，应尽量采用 棒-棒类对称型的电极结构， 而避免棒-板类不对称的电极 结构。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1、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（ 峰值）都相同。2、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 穿电压几乎一致。3、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 击穿电压影响很大。小 结：高电压工程基础3.2 雷电冲击电压下的击穿1、冲击电压的标

8、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 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 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完成气隙击穿的三个必备条件：2、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 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 击电压时，因有效作用时间短（以微

9、秒计），此 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）：静态击穿电压：稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿 的最低电压。击穿时间：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。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：td = t1 + ts + tf 放电时延：tl = ts + t

10、f高电压工程基础电场较均匀时，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。对于极不均匀电场，由于局部场强高（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），放电时延主要取决 于放电形成时延。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：高电压工程基础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50%冲击击穿电压U50%表示间 隙的冲击击穿特性。3、50击穿电压及冲击系数U50% 间隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。冲击击穿电压的放电 概率一般认为服从高 斯分布：高电压工

11、程基础确定间隙的U50 %的方法:保持标准波形不变，逐级升高电压幅值，每级电压值 加10次，直到每10次中有4-6次击穿，则此电压可作 为该间隙大致的U50 % 。每级加压次数越多，所得的 U50 %越准确。U50% 与静态击穿电压U0的比值称为冲击系数 。均匀和稍不均匀电场下， 1；极不均匀电场中， 1，冲击击穿电压的分散性也 较大。高电压工程基础因为U50% 只是在一定波形下对应于某个固定击穿时间的击穿电压，所以它不能代表任何击穿时间下间隙的击穿电压。即U50%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U50% 是不同的，如无特别说明，一般指用标准波形做出的。高

12、电压工程基础图为标准雷电冲击电压 下棒板及棒棒间隙 的U50%和距离的关系。1.正棒-板 2.正棒-棒(接地)3.负棒-棒(接地) 4. 负棒-板棒板间隙具有明显的极性效应，棒棒间隙 也具有不大的极性效应 。这是由于大地的影响 ，使不接地的棒极附近 电场增强的缘故。U50%与间隙距离间保持 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， 而且还必须有充分的电压作用时间。4、伏秒特性对于冲击电压波，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 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。同一个气隙，冲击电压的峰值较低但延续时间较

13、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。高电压工程基础伏秒特性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。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（T1/T2一定），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U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：50%冲 击击穿电压放 电 时 延 具 有 分 散 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。对于均匀或稍不均匀电场因平均场强高，放电时 延短，故

14、曲线比较平坦，且分散性较小。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 ，且分散性较大。高电压工程基础绝缘的 伏秒特性避雷器的 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。如果一个电压同时作用在两个并联的气体间隙S1和S2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 。 S2始终处于S1的下方，在任何电压波形下， S2都 比S1的先被击穿。这个原则如用于保护装置 和被保护设备，则就是 S2保护了S1。高电压工程基础绝缘的 伏秒特性避雷器的 伏秒特性若两间隙伏秒特性曲线相 交，则在时延较短的区域 S1先被击穿，在时延

15、较长 的区域S2先被击穿，在两曲线交叉区域，可能是S1 先被击穿，也可能是S2先 被击穿。因此S2不能可靠 保护S1。高电压工程基础1、放电时间的组成为： td = t1 + ts + tf 2、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（1）采用击穿百分比为50%时的电压来表征气隙的冲击击 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 。小 结：高电压工程基础3.3 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感和电容性，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 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

16、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 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 等级无关。高电压工程基础直到20世纪50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=操作冲击系数工频放电电压，且波形的 影响可忽略。 220kV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=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 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 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 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