高电压技术 气隙的击穿特性
高电压技术
1、气体介质的击穿：当加在气体间隙上的电场强度达到某一临界值后，间隙中的电流会突然剧增，气体介质会失去绝缘性能而导致击穿，这种现象称为气体介质的击穿，也称气体放电。
2、击穿：当作用到绝缘上的电压超过临界值时，绝缘会失去绝缘能力而转变为导体，即发生击穿现象。
3、击穿电压：击穿时加在气体间隙两端的电压称为该气隙的击穿电压，或称放电电压，用U F表示。
4、击穿场强：均匀电场中，击穿电压与间隙距离这比称为该气体介质的击穿场强。
5、平均击穿场强：在不均匀电场中，击穿电压与间隙距离这比称为该气体介质的平均击穿场强。
6、气体间隙击穿后的放电形式：火花放电、电弧放电、电晕放电。
7、电晕：在极不均匀电场中，在电场特别强的区域发生的局部放电。
8、激发：气体原子在外界因素的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，这时气体原子核外的电子将从离原子核较近的轨道跳到离原子核较远的轨道上去，此过程称为原子的激发，也称激励。
9、游离：如果中性原子由外界获得足够的能量，以致使原子中的一个或几个电子完全脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子（即带电质点），此过程称为原子的游离，也称电离。
10、游离的形式：碰撞游离、光游离、热游离、表面游离。
11、放电的理论：汤逊理论（适用于<0.26cm）、流注理论（适用于<0.26cm）。
12、自持放电：指仅依靠自身电场的作用而不需要外界游离因素来维持的放电。
13、非自持放电：靠外界游离因素来维持的放电。
14、极性效应：对于电极形状不对称的棒-板间隙，击穿电丈夫与棒的极性有很大的关系，这是所谓的极性效应。
极性效应是不对称的不均匀电场中的一个明显的特性。
15、极性效应的结论：正棒—负极间隙中，其击穿电压较低。
负棒—正板间隙中，其击穿电压就较高。
16、冲击电压的标准波形三个参数所取的范围：T1= (1.2±30% )us，T2=(50±20% ) us。
冲击电压除了T1及T2 外，还应指出其极性。
高电压技术——(一)
《高电压技术》第一讲 30
第一章 气体放电的基本物理过程
第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程
1、非自持放电和自持放电
图1-2 测定气体中电 流的回路示意图
图1-3 气体中电流和电压的关 系——伏安特性曲线
《高电压技术》第一讲 31
第一章 气体放电的基本物理过程
实验分析结果
➢ 当U<Ua
2）定性分析： 气压越低， 温度越高，扩散越快。
结论：电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其 扩散速度比离子快得多。
《高电压技术》第一讲 16
第一章 气体放电的基本物理过程
第一节 带电粒子的产生和消失 1.1.2 带电粒子的产生
(1)原子的电离和激励
(2) 电离的四种形式
——按引起电离的外部能量形式不同，分为： 1）光电离 2）热电离 3）碰撞电离 4）电极表面电离
《高电压技术》第一讲 24
第一章 气体放电的基本物理过程
第一节 带电粒子的产生和消失
1.1.3 负离子的产生
➢ 附 着： 当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产
生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子 相结合形成负离子的情况。 ➢ 负离子产生的作用
负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能 使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。
定义：电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体分子
引起的电离。它是气体中产生带电粒子的最重要的方式，主要是 由电子完成。
条件：电子获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者，
如果动能大于或等于气体分子的电离能Wi，该电子就有足够的能 量完成碰撞电离。碰撞电离时应满足以下条件：
高电压技术_第1-2章_气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
表 1-1
某些气体的激励能和电离能
气体 激励能We (eV) 电离能Wi (eV)
气体 激励能We (eV) 电离能Wi (eV)
N2 O2 H2
6.1 7.9 11.2
15.6 12.5 15.4
CO2 H2 O SF6
10.0 7.6 6.8
13.7 12.8 15.6
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高电压技术
第一、二章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘 第二节 带电粒子的产生和消失
① 正离子撞击阴极表面
正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电 子，使其逸出金属
正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子
逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。
② 光电子发射（光电效应）
高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能 量应大于金属的逸出功。 同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多
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高电压技术
第一、二章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘 第二节 带电粒子的产生和消失
二．气体中带电粒子的产生
电离所获能量形式不同，带电粒子产生的形式不同
⒈ 光电离
光电离——光辐射引起的气体分子的电离过程。 发生光电离的条件
注意 可见光都不可能使气体 直接发生光电离，只有波 长短的高能辐射线 （ 例 如X 射线、γ射线等）才能 使气体发生光电离。
⑴ 激励+电离
原子吸收了一定的能量 ，但能量不太高 发生激励，跳到 更远的轨道 再次吸收能量
4. 原子的激励与电离的关系
原子发生电离产生带电粒子的两种情况：
发生电离，产生带电粒子
⑵ 直接电离
高电压技术3,4
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。 卤族物有高耐电强度的原因： ⑴卤族元素（尤其是F和CL）分子具有很强的电负性，易俘 获电子形成负离子，使电离能力很强的电子数减少，且 形成负离子以后，易与正离子相复合。 ⑵这些气体的分子量较大，分子直径较大，使电子在其中的 自由程缩短，不易积聚能量，从而减小了其撞击电离的 能力。
（四）操作冲击电压作用下 1.波形的影响：一般均指“正极性”情况。
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：同一气隙对叠加性电压的、 耐受程度与对单一性电影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
一、改善电场分布 一般说来，电场分布越均匀，气隙的击穿电压就越高。 故如能适当地改进电极形状．增大电极的曲率半径，改善电 场分布，就能提高气隙的击穿电压。 不仅要注意改善高压电极的形状以降低该电极旁边的局 部强场，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。 常用办法：增大电极的曲率半径（简称屏蔽）。
高耐电强度气体除了具有较高的耐电强度以外，还应具有较好 的物理化学性能，才能在工程上得到广泛应用。如： ⑴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) ⑵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。 ⑶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。） ⑷有实用的经济性，能大量的供应。 SF6气体得到了广泛的应用。用于高压断路器、高压充气电缆、 高压电容器等，以及用SF6绝缘的全封闭组合电器。
高电压技术复习资料
击穿：当气体中的电场强度达到一定数值，气体中的电流剧增，在气体间隙中形成一条导电性很高的通道，气体丧失绝缘能力，气体这种由绝缘状态变成良导电状态的过程。
自持放电：只依靠电场就能维持下去的放电。
非自持放电：依靠外界游离因素支持的放电。
伏秒特性曲线：用气隙上出现电压最大值与放电时间关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性。
50%击穿电压：在该电压下进行多次试验，气隙击穿概率为50%。
沿面放电：在固体介质和空气的分界面上出现沿着固体介质表面的气体放电现象。
耐压试验：模拟设备在运行过程中实际可能碰到的危险的过电压状况对绝缘加上与之等价的高电压来进行试验，从而考核绝缘的耐电强度。
极化指数：对大电容量的设备，可采用10min和1min 时的绝缘电阻之比。
绝缘吸收比：加压60s时的绝缘电阻与15s时的绝缘电阻的比值。
局部放电：当外加电压在电气设备中产生的场强，足以使绝缘部分区域发生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的这种放电现象，称为局部放电。
彼得逊法则：计算节点的电流、电压，可把线路等值成一个电压源，其电动势是入射波的2倍，其波形不限，电源内阻是波阻抗Z1。
雷电日：一年中有雷电的日数（小时数）。
阀型避雷器残压：避雷器动作后雷电流流过阀片在阀片上形成的压降。
耐雷水平：雷击线路时线路绝缘布发生冲击闪络的最大雷电流幅值。
雷击跳闸率：每100km线路每年由雷击引起的跳闸次数。
反击：线路绝缘上电压的幅值随雷电流增大而增大，当这个幅值大于绝缘子串冲击闪络电压时，绝缘子串将发生闪络，由于此时杆塔电位较导线电位为高，此类闪络称为反击。
绕击：雷绕过避雷线而直接击中导线。
绕击率：发生绕击的概率。
进线段保护：在临近变电所1~2km的一段线路上加强防雷保护措施。
绝缘配合：根据电气设备在系统中可能承受的各种电压，并考虑过电压的限制措施和设备的绝缘性能后来确定的绝缘水平，以便把作用于电气设备上的各种电压所引起的绝缘损坏降低到经济上和运行上所能接受的水平。
高电压技术第三章
高电压技术第三章
(3)极不均匀电场长气隙的操作冲击击穿特性 具有显著的“饱和特征”，而其雷电冲击击穿特性 却是线性的。电气强度最差的正极性“棒—板”气隙 的饱和现象最为严重，尤其是在气隙长度大于5m 以后，这对特高压输电技术来说，是一个极其不 利的制约因素。
高电压技术第三章
正由于此，在不同大气条件和海拔高度下所 得出的击穿电压实测数据都必须换算到某种标准 条件下才能互相进行比较。
国标规定的大气条件：
压力：p0=101.3kPa(760mmHg)； 温度：t0=20摄氏度或T0=293K； 绝对湿度：hc=11g/m3。
高电压技术第三章
实验条件下的气隙击穿电压U与标准大气条
高电压技术第三章
二、稍不均匀电场气隙的击穿特性 与均匀电场相似，冲击系数接近1，冲击击穿电
压与工频击穿电压及直流击穿电压相等。
1、球间隙 若球间距离d，球极直径为D d<D/4时，与均匀电场相似 d>D/4时，不均匀度增大，大地影响加大
一般取d ≤ D/2范围内工作
高电压技术第三章
2、同轴圆筒
外筒内半径 R=10cm，改变内筒 外半径r之值，气 隙起始电晕电压Uc 和击穿电压随内筒 外直径r变化规律 如图2-3所示。
高电压技术第三章
三、对海拔的校正
我国幅员辽阔，有不少电力设施(特别是输电 线路)位于高海拔地区。随着海拔高度的增大，空 气变得逐渐稀薄，大气压力和相对密度减小，因 而空气的电气强度也将降低。
海拔高度对气隙的击穿电压和外绝缘的闪络 电压的影响可利用一些经验公式求得。
高电压技术第三章
高压电技术1-5 冲击电压下气隙的击穿特性
放电时间构成
第一阶段---升压时间t1
u
（0→Us静态击穿电压）：击穿过程可能并
U
未开始
Us 对于持续电压（直流、工频电压）：此阶
段电压升到Us ，气隙即及被击穿；
t1 ts
tf
t
tlag
非持续电压下（雷电、操作冲击电压）：
tb
由于t1非常短，即使电压升到Us ，气隙也 不一定被击穿。
放电时间构成
对非持续作用的电压来说，一个气隙的耐电压性 能就不能单一地用“击穿电压”值来表达，须用电 压峰值和击穿时间这两者来共同表达，这就是该气 隙在该电压波形下的伏秒特性。
伏秒特性曲线——同一波形、不同幅值的冲击电压作用下，间 隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线。
伏秒特性的制定方法（实验方ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）
保持冲击电压波形不变，逐渐提高冲击电压的峰值
1.5 冲击电压下气隙的击穿特性
• 冲击电压标准波形 • 放电时延 • 伏秒特性
冲击电压标准波形
冲击电压标准波形
作用时间短暂的电压称为冲击电压，在冲击电压作用下空气间隙的击 穿具有新的特性。
雷电在电力系统中造成的过电压是一种冲击电压，这是电力系统发生 事故的重要因素。
为了模拟雷电压，各国规定了试验用雷电冲击电压的标准波形，分为 全波和截波两种。
第二阶段--统计时延ts
u
（Us → 出现第一个有效电子）：击穿过程 U
开始，具有统计性。
由于有效电子的出现是一个随机事件，取 Us
决于很多偶然因素，ts具有分散性。
ts每次都不一样，要确定ts就要记录多个时 间值进行统计，故称为统计时延。
t1 ts
tf
tlag tb
高电压技术
第一章气体的绝缘特性1.电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为三类：气体电介质液体电介质固体电介质在电气设备中又分为：外绝缘：一般由气体介质（空气）和固体介质（绝缘子）联合构成。
内绝缘：一般由固体介质和液体介质联合构成。
2、一些基本概念：①气体介质的击穿——当加在气体间隙上的电场强度达到某一临界值后，间隙中的电流会突然剧增，气体介质会失去绝缘性能而导致击穿的现象，也称为气体放电。
②放电电压UF——在间隙距离及其它相关条件一定的条件下，加在间隙两端刚好能使其击穿的电压。
由于相关条件的变化，这个值有一定的分散性。
③击穿场强——指均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。
这个参数反映了某种气体介质耐受电场作用的能力，也即该气体的电气强度，或称气体的绝缘强度。
④平均击穿场强——指不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比。
3.大气击穿的基本特点固体介质中的击穿将使介质强度永久丧失；而气体和液体击穿发生击穿时，一般只引起介质强度的暂时降低，当外加电压去掉后，绝缘性能又可以恢复，故称为自恢复绝缘。
§1.1 气体介质中带电质点的产生和消失一、气体原子的激发与游离产生带电质点的物理过程称为游离，是气体放电的首要前提。
1、几个基本概念①激发—-原子在外界因素（如电场、温度等）的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，从而使核外电子从离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道上去的过程（也称为激励）。
②游离—-中性原子由外界获得足够的能量，以致使原子中的一个或几个电子完全脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子（即带正电的质点）的过程（也称为电离）。
2、游离的基本形式①碰撞游离a 、当带电质点具有的动能积累到一定数值后，在与气体原子（或分子）发生碰撞时，可以使后者产生游离，这种由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。
b 、发生条件：——气体分子（或原子）的游离能c 、碰撞游离的特点碰撞游离是气体放电过程中产生带电质点的极重要的来源。
《高电压技术》辅导资料三
高电压技术辅导资料三主题：第一章介子在强电场下的特性（第7-8节）学习时间：2013年10月14日－10月20日内容：我们这周主要学习第一章第七、八节“各种电压作用下气隙的特性”、“大气条件对空气间隙击穿电压的影响及提高气体介质强度的方法”的相关内容。
希望通过下面的内容能使同学们加深对气隙放电的理解以及了解大气环境下的击穿电压和提高气体介质强度的方法。
第七节各种电压作用下气隙的特性（1）概述气体间隙的击穿电压和电场分布、电压种类都有很大关系。
也就是说气隙的击穿特性取决于电场形式和外加电压类型。
通常，有如下划分：电场形式：均匀电场，稍不均匀电场，极不均匀电场。
在间隙距离相同的情况下，通常电场越均匀，击穿电压越高。
外加电压类型：直流电压稳态电压工频交流电压雷电过电压冲击电压操作过电压（2）均匀电场气隙的击穿在均匀电场中，不存在极性效应，起始场强等于击穿场强。
直流、工频、冲击电压作用下的击穿电压相同，击穿电压分散性很小。
空气间隙的击穿电压经验公式：Ub=24.55δd+6.4（δd）0.5 kVUb－击穿电压峰值，kVδ－空气的相对密度d－间隙距离，ｃｍ间隙距离比较小（d＝1 ～10cm）时，可以用这个经验公式估算，均匀电场中空气的电气强度大致为Eb=30kV/cm（3）稍不均匀电场与均匀电场相似，一旦出现局部放电，立即导致整个间隙的完全击穿。
稍不均匀电场中直到击穿为止不发生电晕；电场不对称时，极性效应不明显（但是存在）。
直流击穿电压、工频击穿电压（幅值）、50%冲击击穿电压基本上相等，击穿电压的分散性质也不大。
该电场中，电场越均匀，相同间隙距离下的击穿电压越高，其极限是均匀电场中的击穿电压。
该电场中，不能形成稳定的电晕放电，电晕起始电压就是其击穿电压，所以负极性下击穿电压略低于正极性下的数值（可参见上一周内容的极性效应相关内容）。
（4）极不均匀电场在极不均匀电场中，有持续的局部放电，空间电荷积累导致显著的极性效应。
高电压技术-气隙击穿特性
Tf 250s20% Tt 2500s60%
2.放电时延 tLtStf
统计时延 t s ：从电压达到 U 0 的瞬时起
到气隙出现第一个有效电子止
放电发展时间 t f ：从形成第一个有效电 子的瞬间时隙起中到到出气现息一完个全能击穿引止起电离过程并最终导致击穿 升压时的间电t 0子：称电为压有从零效升电到子静态击穿电 压 U 0统的计时间时延服从统计规律的原因：
4.8kV(峰值)/cm
显著特征：饱和特性
二、冲击电压作用下气隙的击穿特性
1、冲击电压波形 a、雷电冲击电压波 OC为视在播前
OF为视在播前时间 T f
T f 1.6(7 t2t1) OG为视在半峰值时间 T t
（也称为波尾时间）
国标规定：Tf 1.2s3% 0 Tt 5 0s2% 0
b、操作冲击电压波
气隙的击穿特性
不同性质电压作用下气隙的击穿特性 不同气体种类和状态气隙的击穿特性
不同性质电压作用下气隙的击穿特性
电压种类
持续电压：直流、交流 冲击电压：雷电冲击、操作冲击
电场分布情况：电极形状、间隙距离、电压极性
一、持续作用电压下气隙的击穿特性
1、均匀电场中的击穿电压： a、分散性小 直流、交流、50%冲击击穿电压基本相同 b、均匀电场中空气的电气强度大致为 30kV(峰值)/cm 经验公式为：
1、大四pK气、 d、t状不实 p态p0同际 (气m气状 温22体态7、7的 3状3气t毫 t气 0态压巴 n压 、和、湿种温度度 类0C等气因隙素的) 击穿特性 对p气0、t隙0 击标穿准电状压态的的 影1气 响01毫 压 3 巴、 温度 200C
a、空通气常密m度 n的 1影响：空气气隙的相击对密穿度：电压与密度成正比 b、空此气时湿K度d 的 影响：气 隙实标验准击条状件况穿下下的的电空空气气压密密度度与湿度成正比
高电压技术 二章
击穿完成时间间隙上 的电压应为： U0+△U
u
△U
△U △U→0
U0 t
击穿电压和电压陡度的关系
1 伏秒特性：工程上用气隙出现的电压最大 值和放电时间的关系来表示气隙在冲击电 压下的击穿特性 2伏-秒特性曲线的得出： 保持一定的波形而逐级升高电压 a)峰值大的电压波加于间隙时，击穿常发生 在波前，取击穿时的电压值和实际作用时 间相交的那个点；
u0 t
2影响平均统计时延的因素： 1）电极材料； 2）外施电压； 3）短波光照射； 4）电场情况 3影响放电发展时间的主要因素： 1）间隙长短；2）电场均匀度；3）外施电压
短间隙且电场比较均匀： tf 较小
在很不均匀电场且长间隙中： tf 将占大部分。
外施电压越高，则放电发展越快， tf 也就越小
稍不均匀电场中的击穿电压
1. 不能形成稳定的电晕放电 2. 电场不对称时，极性效应不很明显 3. 直流、工频下的击穿电压(幅值)以及 50％冲击击穿电压都相同，击穿电压的 分散性也不大 4. 击穿电压和电场均匀程度关系极大， 电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电 压就越高
球—球间隙，球—板间隙，同轴圆柱间隙
当d＞D/4，大地对电场的畸变 作用使间隙电场分布不对称， Ub有极性效应
电场最强的电极为负极性时的 击穿电压略低于正极性时的 数值 同一间隙距离下，球电极直径 越大，由于电场均匀程度增 加，击穿电压也越高
3、极不均匀电场中 （1）直流电压下（有极性效应） 同样间隙距离下不同间隙类型的击穿电压比较： 负棒—正板 > 棒—棒 > 正棒—负板 （2）工频电压下（有极性效应，击穿电压峰值稍 低于直流击穿电压） 棒—板间隙的击穿总是在棒极性为正、电压达峰值 时发生。
《高电压技术系列ppt》--气隙的电气强度
球-球间隙是用来直接测量高电压峰值的最简单而又有一定 准确度的手段，其击穿电压有国际标准表查询。 影响稍不均匀电场的气隙击穿电压的因素，除电场结构和 大气条件外，还有邻近效应和照射效应，这在利用球隙击穿来 测量电压时，特别应加以注意。
标准操作冲击电压波
4、 标准操作冲击电压波 用来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Tp=250μs±20%； 半峰值时间T2=2500μs±60%； 峰值允许误差 ±3% 。 可写成250/2500μs冲击波。
1 u / Um
0.5 0 Tp T2 t
二、伏秒特性
气隙的击穿放电需要一定的时间才能完成。对于 长时间持续作用的电压来说，气隙的击穿电压有一个 确定的值；但对于脉冲性质的电压，气隙的击穿电压 就与该电压的波形（即作用时间）有很大的关系。同 一个气隙，在峰值较低但持续时间较长的冲击电压作 用下可能击穿，而在峰值较高但持续时间较短的冲击 电压作用下反而不击穿。所以对非持续作用的电压来 说，气隙的击穿电压就不能简单地用单一的击穿电压 值来表示了，对于某一定的电压波形，必须用电压峰 值和延续时间两者来共同表示，这就是该气隙在该电 压波形下的伏秒特性。
tl = ts + tf
tl——放电时延
注意:在短气隙中(S<1m)，特别是电场比较均匀时，tf<<ts，这 时，全部放电时延实际上就等于统计时延。统计时延的长短具 有概率统计的性质，通常取其平均值，称为平均统计时延；在 很不均匀电场的长间隙中，放电发展时间将占放电时延的大部 分。 影响ts的因素：电极材料、外加电压、短波光照射、电场情况。 影响tf的因素：间隙长度、电场均匀度、外施电压。
§3-4 较均匀电场气隙的击穿电压
【高电压技术】第6讲 气隙的击穿特性
气体 氮
二氧化碳 六氟化硫 氟利昂 四氯化碳
化学组成
N2 CO2 SF6 CCl2F2 CCl4
分子量 28 44 146 121
153.8
相对电气强度 1.0 0.9
2.32.5 2.42.6
6.3
液化温度/ 0C -195.8 -78.5 -63.8 -28 +76
卤化物气体电气强度高的原因
（四）高真空的采用
削弱间隙中的碰撞电离过程，从而显著增高间隙的击 穿电压
高真空中击穿机理发生了改变
距离较小时，间隙的 击穿和阴极的强场 放射密切有关
分散性很大：电极材 料、电极表面的光 洁度及清洁度
（五）高电气强度气体的采用
含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟 利昂（CCl2F2）等，其电气强度比空气的要高很多。 称为高电气强度气体
(一）改进电极形状以改善电场分布
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 ；采用扩径导线等
改善电极边缘 电极边 缘做成弧形；尽量使其 与某等位面相近
使电圾具有最佳外形 如穿墙高压引线上加金 属扁球；墒洞边缘做成 近似垂接线旋转体
（二）极不均匀电场中屏障的采用
在电场极不均匀的空气 间隙中，放入薄片固体 绝缘材料（例如纸或纸 板），在一定条件下， 可以显著提高间隙的击 穿电压
对高电气强度气体的要求
1．液化温度要低，采用高电气强度气体时 ，常常同时提高压力，以便更大程度的提高 间隙的击穿电压，缩小设备的体积和重量。 所以这些气体的液化温度要低，以便在较低 的运行温度下，还能施加相当的压力
2．应具有良好的化学稳定性，不易腐蚀设 备中的其它材料，无毒，不会爆炸，不易燃 烧，即使在放电过程中也不易分解等
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1、冲击电压波形 a、雷电冲击电压波 OC为视在播前 OF为视在播前时间 Tf
Tf 1.67(t 2 t1 )
OG为视在半峰值时间 （也称为波尾时间）
Tt
国标规定： Tf
1.2s 30%
Tt 50s 20%
b、操作冲击电压波 国标规定：
测验
汤逊德理论和流注理论的主要区别在 哪里？它们各自的适用范围如何？
The End Thank You
５、高强度气体的采用
气体 氮 二氧化碳 六氟化硫 氟利昂 四氯化碳 化学组成 N2 CO2 SF6 CCl2F2 CCl4 分子量 28 44 146 121 153.8 相对电气强 度 1.0 0.9 2.32.5 2.42.6 6.3 液化温度/ 0C -195.8 -78.5 -63.8 -28 -76
平均击穿场强较低，放电 时延较长，只有大大提高电 压，才能缩短放电时延。
∴ S向左上角上翘
2）较均匀电场（小间隙） 间隙各处场强相差不大， 一但出现电离，很快贯穿整 个间隙，放电时延短。 ∴ S只能在很小的时间内向上
翘
5、伏秒特性的应用
S1
S2
两者配合，S2可以保护S1
两者不能配合，不能互相保护
三、击穿电压的统计概率： U 50% 和相对标准偏差
0 0
p 273 t 0 p 273 t 0
m
n
通常m n 1 a、空气密度的影响：气隙击穿电压与密度成正比 空气的相对密度： 此时K d 实验条件下的空气密度 b、空气湿度的影响：气隙击穿电压与湿度成正比
标准状况下的空气密度 实际状态气隙的击穿电压 和其在标准状态下的击穿电 0.U 386 P(毫米汞柱) 237 t 压U0有如下换算关系： 0.289P(毫巴) 可根据湿度、电压种类 273 t d 及电场情况查阅相关标 准 0 n
b、交流电场下的击穿电压
特点：
1、棒-板间隙击穿总是在棒的极性 为正、电压达到峰值时发生，击穿 电压与直流正极性击穿电压相近
2、除起始部分外，击穿电压与距 离近似成直线关系，但大间隙下击 穿电压有饱和趋势
3、平均击穿场强
棒-棒间隙：3.8kV(有效值)/cm 5.36kV(峰值)/cm
棒-板间隙：3.35kV(有效值)/cm 4.8kV(峰值)/cm
耐受电压 (1 3 )U 50% P 99.88% ，100%耐受电压很难找到
U击
气隙击穿电压的正态分布
四、不同气体状态和种类气隙的击穿特性
Kd
1、大气状态 (气温、气压、湿度等因素 ) 毫巴、温度0 C p、t 实际状态的气压 对气隙击穿电压的影响 1013毫巴、温度200 C p 、t 标准状态的气压
相对标准偏差：
U 84% U 50% U 50% U16%
工频：
P(%)
不击穿
100 84 50 16 0 U16% U50% U84%
1%U 50%
雷电冲击： ( 3 ~ 4)%U 50% 操作冲击： (4 ~ 8)%U 50% （分散性越来越大）
击穿 σ σ
２、利用空间电荷以改善电场分布
a、工频电压下的细线效应
导线直径很小时，导线周围容易 形成比较均匀的电晕层，使电场分 布改善了，从而提高了击穿电压。 但实验表明，雷电冲击电压下就 没有细线效应了。在击穿电压曲线 的直线部分，不同直径导线—板间 隙的击穿电压都接近于尖—板间隙 的数值。这主要是由于雷电冲击电 压作用时间太短，来不及形成充分 的空间电荷层之故。
b、均匀电场中空气的电气强度大致为 30kV(峰值)/cm 经验公式为：
U b 24.22d 6.08 d kV (峰值)
d：间隙距离；
：空气相对密度
2、稍不均匀电场中的击穿电压
a、与均匀电场相似，分散性很小 不同电压波形作用下，击穿电压（峰值、 U击50% ） 基本相同 b、不同于极不均匀电场，直到击穿为止不发生电晕 C、稍不均匀电场不对称时，虽有极性效应，但不明显
气隙的击穿特性
不同性质电压作用下气隙的击穿特性
不同气体种类和状态气隙的击穿特性
不同性质电压作用下气隙的击穿特性
持续电压：直流、交流 电压种类 冲击电压：雷电冲击、操作冲击
电场分布情况：电极形状、间隙距离、电压极性
一、持续作用电压下气隙的击穿特性
1、均匀电场中的击穿电压： a、分散性小
直流、交流、50%冲击击穿电压基本相同
对高电气强度气体的要求： 1．液化温度要低，采用高电气强度气体时，常常同时提 高压力，以便更大程度的提高间隙的击穿电压，缩小设备 的体积和重量。所以这些气体的液化温度要低，以便在较 低的运行温度下，还能施加相当的压力。 2．应具有良好的化学稳定性，不易腐蚀设备中的其它材 料，无毒，不会爆炸，不易燃烧，即使在放电过程中也不 易分解等。 3．经济上应当合理，价格便宜，能大量供应。
K U U K
K d —空气密度修正系数； K n — 湿度修正系数
2、 SF6高强度气体
其电气强度是空气耐电强度的2.3~2.5倍,其原因为： 1、分子量大（为146），密度大（相同条件下，是空气的5倍）， 属重气体。
2、具有负电性，易俘获电子，减少了引起电离的电子数。
SF6绝缘的全封闭组合电器： 除变压器外变电站所有设备被 封闭在金属容器内，里边充有3~4 个大气压的SF6气体，大大缩小了 高压电气设备所需的空间。 目前也出现气体绝缘变压器。
五、提高气隙击穿电压的方法
1、改进电极形状以改善电场分布
增大电极曲率半径来减小表面场强。如变压器套管 端部加球形屏蔽罩；采用扩径导线（截面相同，半 径增大）等。 改善电极边缘以消除边缘效应。电极边缘做成弧形， 或尽量使其与某等位面相近。 使电圾具有最佳外形以此改善其电场分布。如穿墙 高压引线上加金属扁球，墙洞边缘做成近似垂接线 旋转体。
b、极间障的采用
３、增高气压（巴申定律的应用）
提高气压可以减小电子的平均自由行程，削弱电离过程， 从而提高气体的电气强度。 例如，大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的1 ／5～1／8，而提高压力至1一1.5MPa后，空气的电 气强度就和一般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、 云母等的电气强度相接近了。 压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘近年来在一些电气设 备(如高压空气断路器、高压标准电容器等)中已得到采 用。采用压缩气体的缺点是对设备容器的机械强度及密 封等方面的要求提高了，从而增加了制造成本。
１、这些气体具有很强的电负性，气体分子容易和电子结合成为负离子， 从而削弱了电子的碰撞电离能力，同时又加强了复合过程。 2、这些气体的分子量都比较大，分子直径较大，使得电子在其中的自 由行程缩短，不易积聚能量，从而减少了其碰撞电离能力。 ３．电子和这些气体的分子相遇时，还易于引起分子发生极化等过程， 增加能量损失，从而减弱其碰撞电离能力。
的电子称为有效电子 升压时间 t 0 ：电压从零升到静态击穿电 压 U 0 的时间
放电时延特点：
统计时延服从统计规律的原因：
1）、有效电子的出现具有统计特性，有些自由 电子被中和，有些可能扩散到间隙外。 b、大间隙、极不均匀场： t L 长， t f 占主要部分 2）、有些电子虽然也引起电离过程，但由于各种 C、随着冲击电压幅值的不断升高， t L 将越来越短 不利因素的巧合，电离可能中途衰亡而终止
Tf 250s 20% Tt 2500s 60%
2.放电时延 t L t S t f
统计时延 t s ：从电压达到 U 0 的瞬时起 到气隙出现第一个有效电子止
放电发展时间 t f ：从形成第一个有效电 子的瞬时起到到气息完全击穿止 间隙中出现一个能引起电离过程并最终导致击穿
见397、398页的击穿电压表 （注意：当球间距离大于0.5D时，不是线性关系）
3、极不均匀电场的击穿电压
a、直流电压下的击穿电压 显著特征：极性效应
平均击穿场强：
正极性棒-板间隙：4.5kV/cm 负极性棒-板间隙：10kV/cm 正极性棒-棒间隙：4.8kV/cm 负极性棒-板间隙：5.0kV/cm （略微不对称）
４、高真空的采用（巴申定律的应用）
采用高度真空和提高气压类似，也可削弱间隙中的 碰撞电离过程从而显著增高间隙的击穿电压。
间隙距离较小时，间隙的击穿和阴极的强场放射密切有关(击 穿前电场已很强，足以引起强场放射了)。由于强场放射造成 很大的电流密度，导致电极局部过热，释放气体，金属气化， 破坏了真空，从而引起击穿。 间隙距离较大时，击穿是由所谓全电压效应引起的。随着间隙 距离及击穿电压的增加，电子从阴极到阳极经过了巨大的电位 差，积聚了极大的动能。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。正离子及光子达到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沉，使电极 局部气化，导致间隙击穿，这就是全电压效应。由于全电压效 应，所以真空中随着距离加大，平均击穿场强越来越低。电极 表面上附有不牢固的微小质点对真空间隙的击穿电压也有很大 影响。这些质点脱离电极后，又被电场加速，撞击对面电极， 使电极局部气化，导致真空间隙击穿。
真空间隙的击穿电压和电极材料、电极表面的光洁度 及清洁度(包括吸附气体的多少及种类)等多种因素有 关，分散性很大，因而也可利用上述击穿处理法来提 高间欧的击穿电压。 在电力设备中目前还很少采用高真空。因为在电力设 备的绝缘结构中，总还得采用各种固态、液态绝缘材 料，在真空中这些绝缘材料会逐渐释出气体，使真空 无法保持。所以只是在一些特殊场合(如真空断路器— 一真空不只是绝缘性能好，而且还具有很好的灭弧能 力)才采用高真空作绝缘。
a、小间隙、均匀场：t L 短， t s 占主要部分
3、气隙的伏秒特性