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1、高电压工程基础 施围 邱毓昌 张乔根 编著 刘青（西安科技大学） 制作,高电压工程基础,第3章 气体间隙的击穿强度,3.1 稳态电压下的击穿3.2 雷电冲击电压下的击穿3.3 操作冲击电压下的击穿3.4 大气密度和湿度对击穿的影响3.5 SF6气体间隙中的击穿3.6 提高气体间隙击穿电压的措施,高电压工程基础,3.1 稳态电压下的击穿,均匀电场中的击穿,eg：高压静电电压表的电极布置,特点： （1）均匀电场中电极布置对称，击穿无极性效应； （2）均匀场间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短，其直流击穿电压、工频击穿电压峰值、50%冲击击穿电压相同； （3）击穿电压的分散性很小。,高电压工程基
2、础,稍不均匀电场中的击穿,（1）球间隙 （eg：高压实验室中的测量球隙）,dD/4时，电场不均匀程度增大，击穿场强下降，出现极性效应； 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。,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）,（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）。,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
3、。,高电压工程基础,极不均匀电场中的击穿,不对称布置的极不均匀场间隙的极性效应很明显，而且其击穿的极性效应与稍不均匀场间隙相反。,尖板和尖尖空气间隙的直流击穿电压,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,3.2 雷电冲击电压下的击穿,冲击电压的标准波形,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,高电压工程基础,放电时延,临界 击穿电压,统计时延：从外施电压达Uo时起，到出现一个能引起击穿
4、的初始电子崩所需的第一个有效电子所需时间,放电形成时延：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,高电压工程基础,50击穿电压及冲击系数,50击穿电压多次施加电压时有半数会 导致击穿的电压值Ub50 。,2. 冲击系数同一间隙的50冲击击穿 电压与稳态击穿电压Uss之比 。,高电压工程基础,伏秒特性,伏秒特性：在同一冲击电压波形下，击穿电压值与放电时延（或电压作用时间）有关的特性。,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，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。,高电压工程基础,电气设备绝缘的伏秒特性
5、和避雷器的伏秒特性（a）正确配合 （b）不正确配合,高电压工程基础,3.3 操作冲击电压下的击穿,操作冲击电压下击穿的U形曲线,（1）长空气间隙的操作冲击击穿通常发生在波前部分，因而其击穿电压仅与波前时间有关。 （2）当波前时间tf为100300s时，击穿场强出现极小值。出现极小值的波前时间随间隙距离的增加而增大。,Eb随tf 的减小而增大是放电时延在起作用，与雷电冲击电压相似,电压作用时间增加后空间电荷迁移范围扩大，改善了间隙中电场分布，击穿电压提高,高电压工程基础,操作冲击电压的推荐波形,a. T1/T2=250(20) / 2500(60) s b.振荡操作波,长空气间隙在操作冲击电压下
6、的击穿强度,特点： （1）长间隙的雷电冲击击穿电压远比操作冲击击穿电压要高； （2）间隙长度超过5m时呈现饱和趋势。 （3）间隙距离越大，“2”与“3”的击穿电压的差别越大。,高电压工程基础,3.4 大气密度和湿度对击穿的影响,大气校正因数,根据国家标准，利用校正因数可将测得的放电电压值换算到标准大气条件（t020，p0101.3kPa，h011g/m3）的电压值，或将标准参考大气条件下规定的试验电压值换算为试验条件下的电压值。,高电压工程基础,3. 指数m和W,高电压工程基础,3.6 提高气隙击穿电压的措施,改善电场分布的措施,（1）改变电极形状 例如采用屏蔽罩、扩径导线等增大电极曲率半径，
7、或改善电极边缘形状以消除边缘效应。,长空气间隙的交流击穿电压,高电压工程基础,（2）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间隙中电场分布，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，使击穿电压与尖板或尖尖间隙的相近了。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。,高电压工程基础,（3）极不均匀电场中屏障的使用,正尖板间隙中屏障的作用,屏障靠近尖电极或板电极时，屏障效应消失，正、负极性下出现很大差别。,屏障应靠近尖电极
8、，使比较均匀的电场区扩大。但离尖电极过近时，屏障上空间电荷的分布将变得不均匀而使屏障效应减弱，因此屏障有一最佳位置。,高电压工程基础,高气压的采用,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 20.7MPa的SF6 3高真空 4变压器油 50.1MPa的SF6 6大气,高电压工程基础,强电负性气体的应用,（1）SF6和一些氟里昂气体属于强电负性气体，其绝缘强度比空气高得多，因此用于电气设备时其气压不必太高，使设备的制造和运行得以简化。 （2）氟里昂12（CCI2F2）的绝缘强度与SF6相近，其液化温度也可满足户内设备的条件，但为保护大气中的臭氧层，国际上早已将氟里昂12
9、列入第一批需限制和禁用的氟里昂。 （3）SF6的价格较高，用于断路器时（气压在0.7MPa左右）液化温度不能满足高寒地区要求，在工程应用中有时采用SF6混合气体。已得到应用的混合气体是SF6-N2混合气体，通常其混合比在50%50%左右，其液化温度能满足高寒地区要求，绝缘强度约为纯SF6的85左右。 （4）SF6气体温室效应相当于CO2的23900倍，且SF6气体不会自然分解，在大气中寿命长达3200年。因此目前的技术发展趋势是在SF6用气量大的气体绝缘管道输电线中改用SF6含量较小的N2-SF6混合气体（SF6的含量为20时，混合气体的绝缘强度为纯SF6的75左右）。,高电压工程基础,高真空
10、的采用,间隙距离对击穿的影响： 规律：击穿场强随间距的增加而降低。 原因：随着间隙距离及击穿电压的增大，电子从阴极到阳极经过了巨大的电位差，积聚了很大的动能。高能电子轰击阳极时能使阳极释放出正离子及辐射出光子。正离子及光子到达阴极后又将加强阴极的表面电离。在此反复过程中产生越来越大的电子流，使电极局部气化，导致击穿。,击穿机理：强场发射造成很大的电流密度，导致电极局部过热并释放出气体，发生金属气化，破坏了真空，故引起击穿。,高电压工程基础,在完全相同的实验条件下，击穿电压随电极材料熔点的提高而增大，因为强场发射电流达到临界电流密度，致使金属微细突起物迅速熔化成金属蒸气导致击穿。,高电压工程基础,电极材料与电极温度对高真空交流击穿电压的影响,对电极采取冷却措施具有与提高电极材料熔点相同的效果，也可使击穿电压提高。,
