2.4冲击电压下气体的击穿过程

一、雷电冲击电压下空气的击穿电压 （一）、标准冲击电压波形
为了检验绝缘耐受冲击电压的能力，在实验室中可以利用冲击电压发 生器（图1-28）产生冲击电压，以模拟实际产生的过电压。为了使 得到的结果可以互相比较，需规定标准波形。 模仿雷电及操作过电压等
冲击电压 发生器
冲击电压的电源装臵，主
要用于绝缘冲击耐压及介 质冲击击穿、放电等试验。
3.雷电冲击电压
脉冲性质电压
4.操作冲击电压
2.4
冲击电压下气体的击穿过程
电力系统中冲击电压是指作用时间短暂的电压，它包括雷电冲击电 压和操作冲击电压。
雷电冲击电压是由雷云放电引起的，其持续时间极短，只有约几个 微秒到几十个微秒，与击穿所需的时间相当； 操作冲击电压是指当电力系统在操作或发生事故时，因状态发生突 然变化引起电感—电容回路的振荡产生的过电压，其作用时间介于 雷电冲击电压与工频电压之间。 由于冲击电压的作用时间短暂，故空气间隙在冲击电压作用下的击 穿具有与持续电压作用下不同的特点。
（二）、放电时延
升压时间t0：电压从零升高到静态击穿 电压U0所需的时间 。 统计时延ts：从电压升到U0的时刻起到 间隙中形成第一个有效电子的时间 。 具有分散性。 放电形成时延tf：从形成第一个有效电 子的时刻起到间隙完全被击穿的时间 。
击穿时间:从开始加压的瞬时起到间隙完全击穿为止的时间 tb=t0+ts+tf
1000 800 4
Ub / kV
600 3 400 2 200 1 50 100
5
0
150 200 d /cm
250
300
350
1-球极直径D=12.5cm；2-D=25cm；3-D=50cm； 4-D=75cm；5-“棒-板”气隙（虚线）
球－板气体间隙工频击穿电压Ub（有效值）与间隙长度d的关
31
27
图1－31 “棒－板”间隙的不同类型电压作用下的实验曲线 1－在不同T1值下得出的U50（min）；2－+250/2500μs操作冲击电压； 3－工频交流电压；4－+1.2/50μs雷电冲击电压
（二）操作冲击50%击穿电压
④ 饱和现象
随着气隙长度增加， “饱和”现象十分明显。电气强度 最差的“棒—板”间隙饱和现象最为严重。
法是不准确的。
（四）、伏秒特性
冲击电压作用于气隙击穿取决于两个因素 作用U 作用时间tb
U
U
tb
tb
同样击穿
因此要表达冲击击穿特性必须用两者来表达 工程上用气隙上出现的电压最大值与放电时间的关系来表征气隙在冲击 电压下的击穿特性 气隙的伏秒特性
（四）、伏秒特性 伏秒特性曲线的绘制
保持冲击电压波形不变，逐 级升高电压使气隙发生击穿， 记录击穿电压波形，读取击穿 电压值U与击穿时间t。 当击穿发生在波前时，U与t 均取击穿时的值；当击穿发生 在波尾时， U取波峰值，t取击 穿值
二、操作冲击作用下气体间隙的击穿
电力系统中存在电容和电感，进行操作或者发生 事故时会引起震荡过程，造成很高的过电压，成为操 作过电压。 绝缘设计：早期用工频放电电压乘以系数方法来 确定操作冲击电压；但随着电网电压等级的提高，操 作过电压下的绝缘问题突出，在此基础上开展试验研 究，发现了新的特点和现象。这些特点对超高压和特 高压输电线路及配电装置空气间隙的距离确定具有重 要意义。
⑤ 分散性大
由于空间电荷的形成、扩散和放电时延具有很大的统 计性，所以操作冲击电压作用下间隙的击穿电压的分 散性比雷电冲击电压下大得多，在极不均匀电场中的 相对标准偏差可达5%~8%。。 28
三 提高气体间隙击穿电压的措施
影响气体间隙击穿电压的因素有施加电压波形，气 体种类和状态，气体间隙的电场分布。 如何提高气体间隙的击穿电压？
电压波形
不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压不同。为了便于比较因此需统一 波形。我国标准波形与IEC规定的标准波形一致。 持 1.直流电压 续 作 直流都是利用交流电压整流而来，故对其脉动系数要求不大于3％ 。 用 2.工频交流电压 电 应近似正弦波，峰值与均方根值（有效值）之比应小于 2 ，频率 0 . 0 7 压 在45－65Hz范围

2.4
2.2 2.0 8. 35m 1.8 7.0m 1.6 1.4 3. 95m 1.2
1.0 0.8
0
200
400
600
800
1000
1200
T1 ( s )
图1－30 “棒－板”间隙正极性操作冲击U50%与 波头时间T126 的关系
（二）操作冲击50%击穿电压
③ 50％击穿电压极小值的经验公式
冲击电压除了T1和T2外，还应指 出其极性（不接地电极相对于地 的极性）。 如标准雷电冲击电压波形通常可 用符号±1.2/50μs表示。
（二）、放电时延
每个气体间隙都有它的静态击 穿电压，即长时间作用在间隙 上能使间隙击穿的最低电压。 当对静态击穿电压为U0的间隙 施加冲击电压时，经t0时间， 电压上升至U0，但间隙并不立 刻击穿，而需经过t1时间后才 能完成击穿，即间隙的击穿不 仅需要足够的电压，还需要足 够的时间。
（一）两个途径
① 改善电场分布，使之尽量均匀（内因）
② 利用其它方法来削弱气体中的电离过程（外因）
29
（一）改善电场分布-改进电极形状
① 增大电极曲率半径减小表面场强。 如变压器套管端部加球形屏蔽罩
② 改善电极边缘
电极边缘做成弧形
③ 使电极具有最佳外形
如穿墙高压引线上加金属扁球；
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（一）改善电场分布-改进电极形状
（一）改善电场分布-改进电极形状
高压试验设备

雷电冲击高压发生器
32
（一）改善电场分布-改进电极形状

500kV AC 高压发生器 33
（一）改善电场分布-利用空间电荷畸变电场
当导线直径减小到一定程度后，气隙的 极不均匀电场中击穿前发生电 工频击穿电压会随导线直径的减小而提 晕放电，利用放电产生的空间 高，出现所谓“细线效应”。 电荷改善电场分布，使电场均 250 1 匀度提高，从而提高击穿电压； 2
21
21
（一） 操作冲击电压标准波形
参数： ① 波前时间：T1=250μ s±20% （反应上升速度） ② 半峰值时间：T2=2500μ s±60% （反应下降速度） ③ 标准波形通用写法 ±250/2500μ s
非周期双指数冲击波
22
22
（二） 操作冲击50%击穿电压
1. 操作冲击电压下均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性
2.4 15 .2 m 2.2 2.0 8. 35m 1.8 7.0m 1.6 1.4 3. 95m 1.2 1.0 0.8 0 200 400 600 800 1000 1200
1
闪络电压影响较小，因为闪络几乎总是发生
波头时间T125 的关系
U50% ( MV )
（二）操作冲击50%击穿电压
2.6
图1-34 极不均匀电场S1和 均匀电场S2的伏秒特性
伏秒特性曲线的应用：—用在过电压保护配合方面
变电站用避雷器保护电气设备 （变压器）时就需对避雷器的伏 秒特性和变压器伏秒特性进行合 理配合
如果一个电压同时作用在两个并联的绝缘结构上，其中一个绝缘结构 先击穿，则电压被截断短接，另一个就不会再被击穿，称前者保护了 后者。
伏秒特性曲线的应用：—用在过电压保护配合方面
s1
S1：变压器 S2：避雷器 S1：变压器 S2：避雷器
S2
S1 S2
t2
t1
t1 t2
t2＜t1，说明避雷器先击穿， t1＜t2，说明变压器先击 要求避雷器的伏秒特性平、低、分散性小，其放电间隙接近均匀电场， 过电压能量通过避雷器泄 穿，避雷器没有起到保 以确保保护设备的伏秒特性全面低于被保护设备的伏秒特性。 放掉，从而保护了变压器。 护作用。
提高外施电压
（三）、50%冲击击穿电压
T：电压超过U0所持 续的时间
冲击电压作用下 间隙击穿条件：
若放电时延t1 ＞T 时，间隙不击穿 若放电时延t1 ＜T 时，间隙击穿
50%冲击击穿电压
由于放电时延t1具有分散性，在间隙上多次施加同一电压，有时击穿， 有时不击穿。 冲击电压幅值越大，T越大，击穿概率越大。 工程上采用了击穿概率为50%的冲击电压来表示绝缘耐受冲击电压的 大小。用U50%表示。 实际中只要保持波形不变，调整冲击电压峰值至10次电压中有4～6次 发生击穿，此电压峰值就可作为50%冲击击穿电压。
与雷电冲击50%击穿电压、工频击穿电压（峰值）相同， 且分散性小
击穿发生在峰值
23
2. 操作冲击电压下极不均匀电场的击穿特性 ① 极性效应 正极性下50％击穿电压比负极性下低
U50% ( MV )
(二) 操作冲击50%击穿电压
2.6
临界波头 气隙距离
② 波形的影响 “U形曲线”是放电时延 和空间电荷(形成及迁移) 这两类不同因素的影响所 造成的。 对应极小值的波前时间随 着间隙距离加大而增加。 对7m以下的间隙，在50～ 实验表明，非振荡操作冲击电压下的闪络电 T ( s ) 200μs 这段时间内，击穿 压随波前时间的增加而减小，约在100μ s最易发生。 500μ s范围内达到最低值，而半峰时间对 图1－30 “棒－板”间隙正极性操作冲击U50%与
气体绝缘材料及其击穿特性
2.1 气体中带电质点的产生与消失
2.2 均匀电场中气体的击穿过程
2.3不均匀电场中气体的击穿过程
2.4 2.4冲击电压下气体的击穿过程 冲击电压下气体的击穿过程 2.5 沿面放电
2.4
冲击电压下气体的击穿过程
【学习任务】了解标准冲击电压波形的特点， 理解冲击电压作用下气体间隙击穿过程，理解 50%冲击击穿电压概念，理解伏秒特性曲线 的意义及其在工程中的应用。