气隙的电气强度

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1、第三章 气隙的电气强度研究意义工程实践中，常常会遇到必须对气体介质的电 气 强度做出定量估计的情况，例如： 1、架空输电线路及变电所的各种空气间距； 2、电力设备外绝缘； 3、气体绝缘组合电器的内绝缘结构。3.1 气隙的击穿时间一、完成气隙击穿的三个必备条件： 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柱和主放电的有效电 子； 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。二、静态击穿电压：长时间作用在气隙上能使其击穿的最低电压。 * 击穿完成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

2、了。三、击穿时间：即放电的总时间 tb ，由三部分组成：tb = tl + ts + tf 其中， tl 升压时间； ts 统计时延，指从 tl 到气隙中 出现第一个有效电子所用时间；tf放电形成时延，从出现有效 电子到最终击穿所用时间。令 t2 = ts + tf ，称为放电时延。tst1tf t2tbUut气隙的电气强度取决于以下几点：电场形式均匀或稍不均匀电场极不均匀电场 电压类型 大气条件3.2 电压类型一. 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

3、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 模拟电力系统中的雷电过电压波，采用非周期性双指数 波。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。0.30.50.9100T1 T2u / Umt（四） 标准雷电截波模拟雷电过电压引

4、起气隙击穿或外绝缘闪络后出 现的截尾冲击波。IEC标准和我国国家标准规定为：视 在波前时间T1=1.2s ，容许偏差30% ；截断时间 Tc=25s ，可写成1.2/ 25s .0.900.31u / Um0T1Tct（五） 标准操作冲击电压波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：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。 l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，第一个半波的

5、持续 时间在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% 。0.510u / UmTcrT2tu0UmTcrt Tcr=1000 1500us 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 。 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。3.3 大气条件对气隙击穿电压的影响 一、对空气密度的校正空气的密度与压力和温度有关。空气的相对密

6、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。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。二、对湿度的校正在均匀和稍不均

7、匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场 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。三、对海拔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

8、Kn ， 即 U = Ka Up式中 H安装点的海拔高度，m。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 1。极不均匀电场中由于放电时延较长，冲击系数 均大于1。3.4 气隙的伏秒特性 （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

9、 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”。u0 t123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%u0t231（二）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 。三. 气隙击穿电压的概率分布 不论是在何种电压

10、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（标准差与平均数的比值称为变异系数）来表示。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。 确保击穿电压：击穿概率很高的电压。3.5 电场在不同电压下的击穿电压一、较均匀电场气隙的击穿电压l 均匀电场电场是对称的，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

11、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，cml 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。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、邻近效应、照射效应等。均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性二、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

12、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。直流电压存在明显的极性效应图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击穿总是发 生在棒极为 正半波时。工频电压气隙较大时（S大于2.5m），击穿电压与距离关

13、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。雷电冲击电压作用实验表明，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)操作冲击电压 1. 波形的影响：一般均指“正极性”情况。p60 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由不同性质电 压叠加的，而不是单一性质的。注意：同一气隙对

14、叠加性电 压的、耐受程度与对单一性电压的耐受程度是不同的。当工 作电压是稳态直流时，两者的差异更显著？。3.5 提高气隙击穿电压的方法两个思路：1、改善气隙中的电场分布，使之均匀； 2、设法削弱和抑制气体介质中的电离过程。一、改进电极形状以改善电场分布 增大电极的曲率半径（常用的是屏蔽），例如变压器套 管，均压环，扩径导线等； 消除电极表面的毛刺； 消除电极表面尖角。 * 不仅要注意改善高压电极的形状以降低该电极旁边的局 部场强，还要注意改善接地电极和中间电极的形状，以降低 该电极旁边的局部场强。图中所示采用不同直径 屏蔽球时的效果，可以 看到，在极间距离为110 cm时，采用直径为75cm

15、的球形屏蔽极可使气隙 的击穿电压约提高1倍。二、 利用空间电荷畸变电场的作用三、采用屏障在电场极不均匀的气隙中，放入薄片固体绝缘 材料（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。原理是屏障积聚空间电荷， 改善电场分布。二、采用高度真空？*高真空中，击穿机理发生了变化，撞击电离的机制不起 主要作用，而击穿与强场发射有关。 应用：真空断路器中用作绝缘和灭弧。三、增高气压？ 在一定的气压范围内，增高气压对提高气隙的击穿电压是 极为有效的。但是容器的密封比较困难，即使做到了密封 ，造价也比较昂贵。四、采用高耐电强度气体？卤族元素的气体：六氟化硫（SF6）、氟里昂（CCl2F2）等 耐电强度比气体高的多，采用该气体或在其他气体中混入一 定比例的这类气体，可以大大提高击穿电压？高耐电强度气体还应具有较好的物理化学性能：液化温度要低。在大气压力下和常温下是液态的物质，不 能采用。(如CCl4在大气压力下和常温下是液态) 有良好的化学稳定性。不易腐蚀其他材料，不易燃，不易 爆，无毒，即使在放电的过程中也不易分解等。 对环境无明显的负面影响。（氟里昂对大气中的臭氧层有 破坏作用，故不能采用。） 有实用的经济性，能大量的供应。五、S