气体间隙的击穿强

2
1 0.01Eb来自Ub0.040.1
0.4
12
4
100 80 60 40
20
10 8 6 4
2
1
10 d / cm
图 稳态电压作用时空气间隙的击穿电压的峰值Ub与极间距离d的关系
均匀电场的击穿特点是击穿前无电晕，无极性效应，直流、交流 、正负 冲击电压的击穿电压是相同的，均可用此经验公式计算。
特点：
气体放电理论可以解释规律，不能准确计 算间隙击穿电压。
怎么办呢？
典型电极结构 试验数据
实际电极布置
3.1 稳态电压下的击穿
稳态电压：直流与工频电压均为持续作用的电压， 这类电压随时间的变化率很小，在放电发展所需 时间内（以微秒计），外施电压的变化可忽略不 计的电压。
3.1.1 均匀电场中的击穿
静电电压表
均匀场工程实践中非 常少见！为什么呢？
均匀电场中空气的击穿场强 （峰值）为30kV/cm。
Ub 24.22d 6.08 d
式中 d —间隙距离，cm； δ —空气相对密度。
在均匀电场中，从自持放电开始到间隙完全击穿的放电时延可以忽 略不计，因此相同间隙的直流击穿电压与工频击穿电压（幅值）都 相同，且击穿电压的分散性也较小。均匀电场中空气间隙的击穿电 压经验公式为：
前者是由雷电造成的幅值高、陡度大、 作用时间极短的冲击电压；后者是由
，分散性不大； 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。
若两球对称布置，其中任何一球都不接地，测量对地对称的直流电 压时，无极性效应，但通常是一球接地使用，如图1.12所示，由于 大地的影响，电场分布不对称，因而有极性效应。
8
（1）球间隙 （eg：高压实验室中的测量球隙）
在电气设备上，应尽量采用 棒-棒类对称型的电极结构， 而避免棒-板类不对称的电极 结构。
“棒一棒”气隙的工频击穿电压要比“棒一板”气隙高 一些，因为相对而言，“棒 －棒”气隙的电场要比
“棒一板”气隙稍微均匀一些，（后者的最大场强区完 全集中在棒板附近，而前者则由两个棒极来分摊 ）
小 结：
1、均匀电场的击穿特点
+
-
正棒—负板间隙的击穿电压最 低
负棒—正板间隙的击穿电压最 高
棒—棒间隙的击穿电压介于两 者之间。（间隙距离减小，不 均匀度减小）
极不均匀电场的击穿特性－工频交流电压
由于棒—板间隙的击穿总是 发生在棒级为正时的半个周 期且电压达幅值时，故其击 穿电压（峰值）和直流下正 棒—负板时的击穿电压相近。
加拿大魁北克省水电局 研究所高电压试验室 尺寸 82×67×51.2 m3
Ub/kV （峰值）
正极性直流电 压与冲击电压 负极性直流电 压及冲击电压 气隙距离已超 出用以测量电 压时所推荐的 变动范围
d/cm
图 一球接地时，直径为D的球隙的 击穿电压Ub与间隙距离d的关系
当d<D/4时，击穿特性
与均匀电场相似，无极性 效应；
（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。
3.1.2 稍不均匀电场中的击穿
典型电极 球—球间隙、球—板间隙、圆柱—板、同轴圆柱间隙
⒈ 特点
① 击穿前不能形成稳定的电晕放电； ② 电场不对称时，有极性效应，不很明显； ③ 直流、工频下的击穿电压(幅值)以及50％冲击击穿电压相同
击穿前无电晕、无极性效应、各种电压作用时其击穿电压 （峰值）都相同。
2、稍不均匀电场的击穿特点
击穿前无稳定电晕、极性效应不明显、各种电压作用下的击 穿电压几乎一致。
3、极不均匀电场的击穿特点
击穿前有稳定的电晕、有明显的极性效应、各种电压波形对 击穿电压影响很大。
冲击电压就是作用时间极为短暂的电
压，一般指雷电冲击和操作冲击电压。
（1）r/R<0.1时，极不均匀电场，
击穿前先出现电晕，且Uc的值很 低，因此上述电气设备均不设计
在这一r/R范围内。
U b＝Em
d f
（2）r/R >0.1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0.25~0.4的范围 内）。
Ub随着d的增大而 显著增加；
Eb基本不变，但 随着d过大，电场 的均匀强度减弱 ，则Eb会稍稍下 降。在d=1～10cm 的范围内，其击 穿场强约30kV/cm 。
Ub 24.4d 6.1 d （kV）
Ub / kV Eb /kV c·m-1
400
200 100
80 60 40
20
10 8 6 4
dD/4时，电场不均匀
度增大，大地对球隙中电 场分布的影响加大，平均 击穿场强减小，击穿电压 的分散性增大。
极性效应：稍不均匀电场 中，电晕起始电压就是其 击穿电压，所以起晕电压 较低的负极性下击穿电压 略低于正极性下的数值。
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（2）同轴圆柱电极
（eg：高压标准电容器、单芯电缆、GIS分相母线）
d:间距 f:不均匀系数 Em:最大场强
同轴圆柱
击穿电压随r变化出现极大值可解释 为：当r很大时虽然电场均匀度接近1， 但因气隙距离d＝（R－r）很小，所以Ub 很低；若r过小，虽然此时d增大，但由 于电场不均匀度增大，也会使Ub下降。
（3）其他形状的电极布置
U b＝Em
d f
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。
3.1.3 极不均匀场中的击穿
在间隙很大时，不同形状电极的间隙击穿电压差别并不 大，在一极接地时都接近于棒-板电极击穿数据。因此 通常选取尖-板和尖-尖作为典型电极，分别用来估算工 程中不对称布置和对称布置时所需的绝缘距离。
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。
在各种各样的极不均匀电场气隙中：
➢ “棒－棒”气隙：完全对称性 ➢ “棒－板”气隙：最大不对称性 其它类型不均匀电场气隙击穿特性介于这两种之
间。 对于实际工程中遇到的各种极不均匀电场气隙来
说，均可按其电极的对称程度分别选用“棒棒”或“棒-板”两种典型气隙的击穿特性曲 线来估计其电气强度。
极不均匀电场的击穿特性－直流电压