第二章：气体介质的电气强度

6.采用真空
气体间隙中压力很低时，电子的平均自由行程已增 大到极间空间很难产生碰撞游离的程度。如真空电容器 、真空断路器等
真空电容器
真空断路器
§2.5 六氟化硫和气体绝缘电气设备
SF6气体绝缘金属封闭开关柜 户外式（outdoor）SF6气体绝缘负荷开关
为什么使用SF6气体作为绝缘介质和 灭弧介质？
Uo
实际试验条件下 的气隙击穿电压
湿度校正因数
标准大气条件下 的气隙击穿电压
关于密度：
空气相对密度：
2.9 p
T
气隙不长时：
Kd
关于湿度： 均匀电场 不均匀电场
对海拔高度的校正
1 U KaU p 1.1 H 104 U p
§2.4提高气体介质电气强度的方法
1.改进电极形状以改善电场分布
2.利用空间电荷改善电场分布（细线效应）
用屏障
强场区电场减小
当屏障与棒极之 间的e 距离约等于 间隙的距离的 15%至20%时， 间隙的击穿电压 提高得最多可达 到无屏障时的2至 3倍
4.采用高气压
气体压力提高后，气体的密度加大，减少了电子的平均 自由行程，从而削弱了碰撞游离的过程。如高压空气断 路器和高压标准电容器等
§2.１均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性
1.均匀电场气隙的击穿特性
Ub Ub
Eb
Eb
Ub：击穿电压 Eb：平均击穿场强
d
击穿电压的经验公式：
极间距离 （cm）
Ub 24.55 d 6.66 d
击穿电压的 峰值（kV）
空气的相 对密度
注：很显然此式符合巴申定律
击穿场强的经验公式：
Eb
d
极间距离较长时的气隙击穿特性
300cm
2.工频交流电压
Ub
棒－棒气隙
注：各种气隙的工频击穿电 压分散性一般不大，其标准 差不会超过2％－3％。
棒－板气隙
d
极间距离较短时的气隙击穿特性
250cm
导线－导线气隙
Ub
棒－棒气隙
导线－杆塔气隙
棒－板气隙
d
14m
极间距离较长时的气隙击穿特性
3.雷击冲击电压
U50％min可以利用以下经验公式求得：
3.4 103
U 50%(min)



1 8 d
2m d 15m
(1.4 0.055d )103
d 15m
3.操作冲击电压的击穿电压具有明显的饱和 效应
利用上面的经验公式可以看出，在气隙距离为10m时， 平均击穿场强为2kV/cm，而当气隙距离增大到20m时， 却降至1.25kV/cm。
电极表面随机缺陷（与面积有关）
导电微粒：
在极间跳动 导致的危害更大
固定微粒和自由微粒
作用与电极 表面缺陷相似
2.六氟化硫理化特性方面 的若干问题
为什么SF6气体是唯一在工程上得到广泛 应用的强电负性气体？
高电气强度+良好的理化性能
液化问题（液化温度较低，一般不存在液化 问题） 毒性分解物（且具有一定的腐蚀性，通常 采用吸附剂（活性氧化铝与分子筛）吸附）
冲击电压 0.1 0.2 0.3 0.4
p(MPa)
极不均匀电场中SF6击穿的异常现象
“驼峰”现象（工频曲线）
“驼峰” 区段内雷电冲击击穿电压明显低 于静态击穿电压（冲击系数低至0.6）
影响击穿场强的其它因素
为什么气体绝缘电气设备的设计场强远低 于理论击穿场强？
电极表面缺陷： 电极表面加工粗糙（以粗糙度Ra衡量）
第二章 气体介质的电气强度
为什么要研究气体介质的电气强度？
气体介质的电气强度与哪些因素有关？
1.气隙的电气强度与电场形式有关
相对于均匀电场和稍不均匀电场，极不均匀电 场更容易被击穿。
2.气隙的电气强度与所加电压的类型有关

工频交流电压 直流电压 雷电过电压
操作过电压
冲击系数β
U50%
U0
Ub d

24.55
6.66

d
注：由此式可以估算出，在极间距离在1至10cm范围内
，击穿场强约为30 kV cm
1.稍不均匀电场气隙的击穿特性 工程上常见的两类稍不均匀电场：
球间隙 同轴圆桶
球间隙（球隙测压器）
Ub
D75
D50 D25
注：由此图可以 看出，在d<D/4 时，球间隙的电 场形式类似与均 匀电场
含水量（危害极大）
3. SF6混合气体 纯SF6气体的缺点：
催生了SF6混合气体的出 现，目前工业上获得应 用的是SF6-N2混合气体
价格较高，液化温度不够低，对电场不均匀度 太敏感
1.0 RES
N2- SF6混合气体中SF6气体的含量 1.0
4. 气体绝缘电气设备
封闭式气体绝缘组合电器（GIS） 优点：
大大节省占地面积和空间体积； 运行安全可靠； 有利于环境保护； 安装工作量小，检修周期长。
气体绝缘管道输电线 优点：
电容量小； 损耗小； 传输容量大； 能用于大落差场合。
气体绝缘变压器（GIS） 优点：
防火防爆； 噪声小； 气体介质不会老化，维护工作量小。
穿电压和雷击冲击击穿电压也可以利 用39页表2－1的经验公式求取。
4.操作过电压
Before 1960
操作过电压
操作冲 击系数
等效工频电压
4.操作过电压
1.操作冲击电压的波形对气隙的电气强度有 很大的影响
U50％（kV）
？
U50％min
Tcr（波前时间）
2.在某些波前时间内，操作冲击电压的击穿 电压甚至远低于工频击穿电压。（图2－11）
电气强度好（空气的2.5倍） 灭弧性能佳（空气的100倍） 对电场的均匀程度更为敏感（相对于空气）
1.六氟化硫的绝缘性能 均匀电场中SF6的击穿
电负性气体的有效碰撞电离系数：

电子附着系数
均匀电场中SF6的击穿
电负性气体流注自持放电条件
d K 10.5(SF6)
击穿电压
d
同轴圆桶（标准电容器或分相封闭母线桶）
Ub Uc
击穿电压
Ub
电晕起始电压
R=10
r(cm)
注：当内桶半径 比较小时，气隙 电场为极不均匀 电场。
极不均匀电场 不均匀电场
§2.2极不均匀电场气隙的击穿特性
典型的极不均匀电场

棒－棒气隙
具有完全的对称性
棒－板气隙
具有最大的对称性
注：工程实际中的不 均匀电场的击穿特性 界于这两者之间。
1.直流电压
about
Ub
20kV/cm
棒－板气隙（负）
棒－棒气隙
about 7.5kV/cm
棒－板气隙（正）
10cm
d
极间距离较短时的气隙击穿特性
HIGH VOLTAGE DC CURRENT TRANSIMISSION
Ub
10kV/cm左右
棒－板气隙（负）
4.5kV/cm左右
棒－板气隙（正）
4.在操作冲击电压的冲击下，击穿电压的分散性 比较大其标准差可达5％－8％。也就是说它的 伏秒特性带比较宽。
§2.3大气条件对气隙击穿电压的影响
GB规定的标准大气条件为：
p0 101.3kPa
t0 20 0C
or
hc 11g / m3
T0 293K
空气密度校正因数
U

Kd Kh
5.采用高强度气体
SF6气体属强电负性气体,容易吸附电子成为 负离子,从而削弱了游离过程.提高压力后可 相当于一般液体或固体绝缘的绝缘强度. 它是一种无色、无味、无臭、无毒、不燃的 不活泼气体，化学性能非常稳定，无腐蚀作 用。它具有优良的灭弧性能，其灭弧能力是 空气的100倍，故极适用于高压断路器中
U50％（kV） 棒－板气隙（负） 棒－棒气隙（负）
棒－棒气隙（正） 棒－板气隙（正）
d
极间距离较短时的气隙击穿特性
250cm
U50％（kV） 棒－板气隙（负）
棒－棒气隙（负）
棒－棒气隙（正）
棒－板气隙（正）
d
6m
极间距离较长时的气隙击穿特性
注：在雷击过电压的冲击下，击穿电 压的分散性比较大其标准差可达3％。 在50％击穿电压下，击穿通常发生在 冲击电压的波尾部分。棒间隙工频击
Ub 88.5 pd 0.38(kV )
p：气压，Mpa d：极间距离，mm
稍不均匀电场中SF6的击穿
击穿场强不与气压成正比（均匀电场中成 正比）
极性对于气隙击穿电压的影响与极不均匀 电场中的情况相反（负极性下的击穿电压 低）
极不均匀电场中SF6的击穿
Ub (kV )
空间电 荷运动
工频交流电压（峰值）