高电压2013 第3章 气体间隙的击穿强度
高电压课件 第三章 气隙的电气强度
第三章气隙的电气强度3-1 气隙的击穿时间每个气隙都有它的静态击穿电压，即长时间作用在气隙上能使气隙击穿的最低电压。
如所加电压的瞬时值是变化的，或所加电压的试验时间很短，则该气隙的击穿电压就不同于静态击穿电压。
所以，应该说，对某一气隙，当不同波形的电压作用时，将有相应不同的击穿时间和击穿电压。
气隙击穿的所需时间如图3-1-1。
气隙击穿所需时间分三部分：（1）升压时间t0——电压从0生到静态击穿电压U所需的时间。
（2）统计时延ts ——从电压达到U的瞬间起到气隙中形成第一个有效电子为止的时间。
（3）放电发展时间tf——从形成第一个有效电子的瞬间起到气隙完全被击穿为止的时间。
影响平均统计时延的因素主要有以下几种：（1）电极材料；（2）外施电压；（3）短波光照射；（4）电场情况影响放电发展时间的因素主要为：（1）间隙长度。
（2）电场均匀度；（3）外施电压。
3-2 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布一、电压波形对于不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压是不同的。
为了便于比较，需要对各种电压的波形规定统一的标准。
分述如下：1.直流电压直流试验电压通常是由交流整流而得，其波形必然有一定的脉动，通常所称的电压值是指其平均值。
2.工频交流电压工频交流试验电压应近似为正弦波，频率一般应在45~65Hz范围内。
3．雷电冲击电压为了模拟雷电电压，国际电工委员会文件制定了雷电冲击标准波形，分为全波和截波两种。
波形参数：1.2μs/50μs4. 操作冲击电压操作过电压的标准波形为250μs/2500μs。
二、伏秒特性对于长时间持续作用的电压来讲，气隙的击穿电压有一个确定的值；但对于脉冲性质的，气隙的击穿电压就与该电压的波形有很大的关系。
同一个气隙，在峰值较低但延续时间较长的冲击电压作用下可能击穿，而在峰值较高但延续时间较短的冲击电压作用下可能反而不击穿。
所以，对于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就表示了，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，这就是七夕的电压波形下的伏秒特性。
高电压技术 第3章 气隙电气强度
tl t s t f
气体间隙的击穿电压和电压种类有关。直流电压和工 频电压统称为持续作用电压。这类电压的变化速度很 小．相比之下放电发展所需时间可以忽略不计。电力系 统中的操作过电压和大气过电压则持续时间极短、以微 秒（10-6秒）计，所以实验室中也应以持续时间接短的 电压来模拟这些过电压，相应地称为操作冲击电压和雷 电仲击电压。在冲击电压下，放电发展速度就不能忽略 不计了，这时间隙的击穿特性就具有新的特点了。所以， 以下分别介绍不同种类电压作用下的击穿电压试验数据。 本节介绍持续作用电压下的击穿电压。不少情况下间 隙的距离由持续作用电压决定。持续电压作用下，当气 体状态不变时，一定距离的间隙的击穿电压具有确定的 数值，当间隙上的电压升高达到击穿电压时，则间隙击 穿，使电路短路。
（二）工频电压下的击穿电压 棒—板电极间施加工频电压时，击穿总是在棒的极性为正、 电压达到幅值时发生，并且其击穿电压(幅值)和直流电压 下正棒—负板的击穿电压相近。从图中可知，除了起始部 分外，击穿电压和距离近似成直线关系，棒—棒间隙的平 均击穿场强约为3.8千伏(有效值)／厘米或5.36千伏(幅值) ／厘米，棒—板间隙的稍低一些，约为3.35千伏(有效值) ／厘米或4.8干伏(幅值)／厘米。 从图可知，随着距离加大，平均击穿场强明显降低，棒— 板间隙尤为严重，即具有所谓“饱和现象”，例如当d＝1 米时，平均击穿场强约为3.5千伏(有效值)／厘米或5千伏 (幅值)／厘米而在d＝10米时，就已降到约1.5千伏(有效值) ／厘米或2千伏(幅值)／厘米了。因此在电气设备中希望尽 量采用具有“棒—棒”类型的电极结构而避免“棒—板” 类型。
3.3 伏秒特性 1．必要性：由于雷电冲击电压持续时间短，放电时延不能忽略不计， 所以只是上述50％冲击击电压不能完全说明间隙的冲击击穿特性。 例如两个间隙并联，在不同幅值冲击电压的作用下，就不一定是50 ％冲击击穿电压低的那个间隙击穿了。 2．伏秒特性的制订方法 工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在 冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。 伏秒特性用实验方法求取。保持标 准波形不变，逐级升高电压。电压较 低时，击穿发生在波尾。电压甚高时， 放电时间减至很小，击穿可发生在被 头。在波尾击穿时，以冲击电压幅值 作为纵坐标，放电时间作为横坐标。 在波头击穿时，还以放电时间作为横 坐标，但以击穿时电压作为纵坐标。
气体间隙的击穿强度
钢 铜
铝 锌
稍不均匀电场中高真空的直 流击穿电压与电极材料的关
系 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。
钢电极T＝293K 铜电极T＝80K 铜电极T＝293K
电极材料与电极温度对高真空交流击穿 对电极电采压取的冷影却响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。
（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。
U b＝Em
d f
➢ 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
棒－棒和棒－板空气间隙 的工频
（3）极不均匀电场中屏障的使用
直流电压下尖－板空气间隙的
击穿电压和屏障位置的关系
屏障应靠近尖电极，使比较均
正尖－板间隙中屏障
匀的电场区扩大。但离尖电极过
屏障的靠作近用尖电极或板 近时，屏障上空间电荷的分布将
电极时，屏障效应消失，正、 变得不均匀而使屏障效应减弱，
负极性下出现很大差别。 因此屏障有一最佳位置。
400 100
10
10.01 0.1
1
10 d/cm
Ub＝24.22 d＋6.08 d (kV )
（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。
➢ 稍不均匀电场中的击穿
第三章 气隙的电气强度
第三章气隙的电气强度第三章气隙的电气强度本章节的教学内容要求：冲击电压下的气息击穿：标准波形，放电时间，伏秒特性及其实际意义，50%冲击击穿电压，放电的分散性。
大气条件的影响及换算方法，提高气体间隙击穿的措施沿面放电：均匀与不均匀电场中沿面放电的基本过程和影响因素分析，提高沿面放电电压的方法。
§3－1气隙的击穿时间静态击穿电压：长时间作用在气隙上能使得气隙击穿的最低电压。
如果所加电压的瞬时值是变化的，或者所加电压的延续时间很短，则该气隙的击穿电压就不同于静态击穿电压（一般高于）静态击穿电压。
所以，应该说，对于某一气隙，当不同波形的电压作用时，将有相应不同的击穿时间和击穿电压。
一．静态击穿电压Ｕ0使气隙击穿的最小电压二．击穿时间tb从加压的瞬时起到气隙完全击穿为止的总时间由三部分组成１．ｔ0 （升压时间）：电压从零升到静态击穿电压Ｕ0所需的时间２．ｔs （统计时延）：从电压达到Ｕ0 的瞬时起到气隙中形成第一个有效电子为止的时间。
３．ｔf （放电形成（发展）时延）从产生第一个有效电子的瞬时到气隙完全被击穿为止的时间这里所讲的有效电子是指该电子能发展一系列的电离过程，最后导致间隙完全击穿的那个电子。
气隙中出现的自由电子并不一定能成为有效的电子（有效电子－－能发展一系列的游离过uU程，最后导致间隙完全击穿的那个电子）。
这是因为下列原因：有效电子：形成负离子扩散到间隙外游离中途衰亡４．tl （放电时延）：ｔl ＝ｔs ＋ｔftl 的特点：根据电场的不同，ｔl具有分散性和随机性（1）在短间隙、均匀场中ｔf〈〈ｔs→ｔl ＝ｔs即：均匀电场的放电时延ｔl 主要是产生有效电子的时间，ｔs的长短具有统计性质，可取其平均值，称为平均统计时延。
影响ｔs的因素：电极材料、外施电压、短波光照射、电场情况（2）在长间隙不均匀场中，由于电场的不均匀性容易产生有效电子，使ｔf 〉〉ｔs →ｔl ＝ｔf即：不均匀长间隙电场中，先导放电的发展占放电时延的主要部分影响ｔf 的因素：间隙长度、电场均匀度、外加电压§3-2气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布一．标准试验电压波形对于不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压是不同的。
第三章气隙的电气强度
3、Patience is bitter, but its fruit is sweet. (Jean Jacques Rousseau , French thinker)忍耐是痛苦的，但它的果实是甜蜜的。08:305.26.202108:305.26.202108:3008:30:575.书如同和过去最杰出 的人谈 话。11:44:5811 :44:581 1:446/3 0/2021 11:44:58 AM
11、一个好的教师，是一个懂得心理 学和教 育学的 人。21. 6.3011:44:5811 :44Jun- 2130-J un-21
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u / Um 1 0.9
图。IEC标准和我国国家标准规定为：
0.3
T1=1.2μs ±30% ；Tc=2～5μs 。可写成 1.2/ 2～5μs .
0 0’ T1
Tc
t
标准操作冲击电压波
（五） 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。波前时间Tcr=250μs±20%；半峰值时间 T2=2500μs±60% 。可写成250/2500μs冲击波。 当在试验中上述波形不能满足要求时，推荐采用100/2500μs 和 500/2500μs 冲击波。此外还建议采用一种衰减震荡波[下右图] ，第一个半波的持续时间在2000～3000μs之间，极性相反的第 二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80%
在极不均匀电场中，湿度影响就很明显了，可用下面的湿 度校正因数来校正
Kh = KW
第3章 气体间隙的击穿强度
（a）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。
（b）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列 入第一批需限制和禁用的氟里昂。
学
3.2 雷电冲击电压下的击穿
Ø 冲击电压的标准波形
高电压工程基础
大 Ø 放电时延
工气体击穿的必备条件： （1）电场足够高或电压足够大 （2）气隙中存在有效电子
理 波前时间
半峰值时间
标准雷电波的波形： T1=1.2μs±30％， T2=50μs±20％ 对于不同极性：+1.2/50μs或-1.2/50μs
（3）一定的时间
高电压工程基础
安 操作冲击波的波形： T1=250μs±20％， T2=2500μs±60％
对于不同极性：+250/2500μs或-250/2500μs
西 高电压工程基础
高电压工程基础
Ø 放电时延
Ø 50％击穿电压及冲击系数
临界 击穿电压
统计时延：从外施电 压达Uo时起，到出现 一个能引起击穿的初 始电子崩所需的第一 个有效电子所需时间
高电压工程基础
学
高电压工程基础
3.1 稳态电压下的击穿
大 Ø 均匀电场中的击穿
Ub/kV
eg：高压静电电压表的电极布置
静电电压表
特点：
400
工 100
10
理 10.01 0.1
1
10 d/cm
（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
高电压工程基础(第3章)
• • • •
3. 采用高气压 • 巴申定律 • 需要设备外壳的密封性和机械强度提出很高的要求 4. 采用高抗电强度的气体 • 在气体电介质中，有一些含卤族元素的强电负件气 体，如六氟化硫(SF6)、氟里昂(CCl2F2)等，因其具有 强烈的吸附效应。所以在相同的压力下具有比空气高 得多的抗电强度．因此被称为高抗电强度的气体。 5. 采用高真空 • 真空间隙的击穿电压大致与间隙距离的平方根成正比
• 3.伏秒特性 • 工程上用气隙击穿期间出现的冲击电压的最大值和放电时 间的关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒 特性。 • 实际上，由于放电时间的分散性．在每一电压下可得到 一系列放电时间。所以伏秒特性曲线是一个带状区域、通 常使用的是平均伏秒特性曲线。 • 均匀和稍不均匀电场气隙的伏秒特性曲线比较平坦，其放 电形成时延较短，比较稳定， • 极不均匀电场气隙的伏秒特性曲线比较陡峭。 • 保护设备（避雷器或间隙）需要伏秒特性曲线尽可能平坦， 并且位于被保护设备的伏秒特性之下且二者永不相交。
第三章 气体电介质的击穿特性
• 根据气体放电理论，可以说明气体放电的基本物 理过程．有助于分析各种气体间隙在各种高电压 下的放电机理和击穿规律。但由于气体放电的发 展过程比较复杂．影响因素较多，气隙击穿的分 散性较大，所以要想利用理论计算的方法来获取 各种气隙的击穿电压相当困难。因此通常都是采 用试验的方法来得到某些典型电极所构成的气隙 在各种电压下的击穿特性，以满足工程设计的需 要。 • 气隙的电场形式对气隙的击穿特性影响较大。此 外气隙所加电压的类型对气隙的击穿特性也有很 大关系。
三、极不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿 特性 • 在极不均匀电场的气隙中，“棒一板”间 隙和“棒一棒”间隙具有典型意义。前者 具有最大的不对称性，后者则具有完全的 对称性。其他类型的极不均匀电场气隙的 击穿特性均介于这两种典型气隙的击穿特 性之间。
气体间隙的击穿强度
碰撞电离击穿模型
总结词
碰撞电离击穿模型认为气体间隙的击穿是由于气体分子在强电场下被加速并与其他气体分子发生碰撞 ，导致气体分子电离，形成导电通道。
详细描述
在强电场的作用下，气体分子被加速并获得能量。这些能量使得气体分子之间的碰撞变得更加剧烈。 当气体分子与其他气体分子发生碰撞时，碰撞会产生足够的能量，使气体分子电离，形成导电通道。 随着导电通道数量的增加，气体间隙的击穿最终会发生。
论支持和技术指导。
谢谢
THANKS
04 气体间隙击穿的未来研究方向
CHAPTER
高压气体间隙的击穿特性研究
总结词
高压气体间隙的击穿特性研究是当前研究的 热点之一，对于理解气体间隙的击穿机制和 优化高压设备的设计具有重要意义。
详细描述
随着电力和能源领域的发展，高压气体间隙 的应用越来越广泛，如高压电容器、气体绝 缘开关等。然而，高压气体间隙的击穿特性 研究仍存在许多挑战，如高电场强度下的电 子崩塌机制、气体分子与电极表面的相互作 用等。未来的研究需要深入探讨这些机制，
气体间隙 气体间隙击穿强度概述 • 气体间隙击穿的理论模型 • 气体间隙的实际应用 • 气体间隙击穿的未来研究方向
01 气体间隙击穿强度概述
CHAPTER
定义与特性
定义
气体间隙的击穿强度是指气体在电场 作用下，从绝缘状态转变为导电状态 所需的最低电场强度。
特性
气体间隙的击穿强度与气体的种类、 压力、温度、电场均匀程度以及气体 中的杂质和水分等因素有关。
影响因素
气体压力
气体压力越高，击穿强度越大。
电场均匀度
电场越均匀，击穿强度越高。
气体种类
不同气体的击穿强度存在差异， 如空气、氮气、氦气等，其击 穿强度依次递增。
第三章 气隙的电气强度
第三章 气隙的电气强度本章节的教学内容要求：冲击电压下的气息击穿：标准波形，放电时间，伏秒特性及其实际意义，50%冲击击穿电压，放电的分散性。
大气条件的影响及换算方法，提高气体间隙击穿的措施沿面放电：均匀与不均匀电场中沿面放电的基本过程和影响因素分析，提高沿面放电电压的方法。
§3－1气隙的击穿时间静态击穿电压：长时间作用在气隙上能使得气隙击穿的最低电压。
如果所加电压的瞬时值是变化的，或者所加电压的延续时间很短，则该气隙的击穿电压就不同于静态击穿电压（一般高于）静态击穿电压。
所以，应该说，对于某一气隙，当不同波形的电压作用时，将有相应不同的击穿时间和击穿电压。
一．静态击穿电压Ｕ0使气隙击穿的最小电压二．击穿时间tb从加压的瞬时起到气隙完全击穿为止的总时间由三部分组成１．ｔ0 （升压时间）：电压从零升到静态击穿电压Ｕ0所需的时间２．ｔs （统计时延）：从电压达到Ｕ0 的瞬时起到气隙中形成第一个有效电子为止的时间。
３．ｔf （放电形成（发展）时延）从产生第一个有效电子的瞬时到气隙完全被击穿为止的时间这里所讲的有效电子是指该电子能发展一系列的电离过程，最后导致间隙完全击穿的那个电子。
气隙中出现的自由电子并不一定能成为有效的电子（有效电子－－能发展一系列的游离过程，最后导致间隙完全击穿的那个电子）。
这是因为下列原因：有效电子：形成负离子扩散到间隙外游离中途衰亡UuU４．tl （放电时延）：ｔl ＝ｔs ＋ｔftl 的特点：根据电场的不同，ｔl 具有分散性和随机性（1）在短间隙、均匀场中ｔf 〈〈ｔs → ｔl ＝ｔs即：均匀电场的放电时延ｔl 主要是产生有效电子的时间，ｔs 的长短具有统计性质，可取其平均值，称为平均统计时延。
影响ｔs 的因素：电极材料、外施电压、短波光照射、电场情况（2）在长间隙不均匀场中，由于电场的不均匀性容易产生有效电子，使ｔf 〉〉ｔs → ｔl ＝ｔf即：不均匀长间隙电场中，先导放电的发展占放电时延的主要部分影响ｔf 的因素：间隙长度、电场均匀度、外加电压§3-2气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布一．标准试验电压波形对于不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压是不同的。
第3章 气体间隙的击穿强度
的U50 %越准确。
U50% 与静态击穿电压U0的比值称为冲击系数 β。
均匀和稍不均匀电场下， β ≈1；
极不均匀电场中， β >1，冲击击穿电压的分散性也
较大。
因为U50% 只是在一定波形下对应于某个固定击穿时间
的击穿电压，所以它不能代表任何击穿时间下间隙的
击穿电压。即U50%不能全面反映间隙的冲击击穿特性。
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。
11
Ub/kV （峰值）
当d<D/4时，击穿特性 与均匀电场相似，无极性 效应；
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:间距 f:不均匀系数 Em:最大场强
d U b＝Em f
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。
d U b＝Em f
（3）其他形状的电极布置
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。 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 电力系统操作或发生事故时，因状态 发生突然变化引起的持续时间较长、 幅值高于系统相电压几倍的冲击电压 。
高电压 气体间隙的击穿强度(2).
高电压工程基础3 气体间隙的击穿强度虽然用气体放电理论可以解释气体击穿的试验现象和规律，但理论还不完善，不能对击穿电压进行精确的计算。
实际工程上一般通过参考一些典型电极的击穿电压来选择绝缘距离；或根据实际电极的位置，通过试验来确定击穿电压。
空气间隙的放电与外施电压的形式电场的情况？电极形状大气环境有关高电压工程基础3.3 操作冲击电压下的击穿操作过电压由电力系统在操作或故障时，因系统状态突然变化引起的持续时间较长、幅值高于系统相电压几倍（最高可达3～3.5倍）的冲击电压。
330kV以下设备，用工频耐压试验来考核绝缘可承受的操作冲击的能力；330kV及以上设备，需进行操作冲击试验。
－－长间隙操作冲击。
在均匀电场和稍不均匀电场中，气隙的50％（雷电和操作）与工频击穿电压（峰值）几乎相同。
3.5 SF6气体间隙的击穿SF6是理想的气体绝缘介质和灭弧介质，在均匀电场中SF6气体的绝缘强度约为空气的2.5倍，其灭弧能力是空气的100以上。
SF6气体的液化温度较低，一般可满足工程实际的应用，如0.75MPa （7个大气压，作为断路器的绝缘）的液化温度是－25℃，0.45MPa （4个大气压，作为GIS绝缘）的液化温度不高于－40℃。
SF6气体的应用可大大降低设备尺寸，与空气介质相比，500kV的GIS是敞开式的1/50。
SF6气体广泛应用于高压断路器、GIS、充气管道电缆，充SF6气体的变压器和开关柜也在发展中。
只有在均匀电场和稍不均匀电场，SF6气体才能发挥其优异的绝缘性能，因而一般应用SF6气体做绝缘时，应尽量保证其电场的均匀性。
此外，SF6气体中水含量的增加，将会大大降低其绝缘性能，因而使用中应定期检测其微水含量。
SF6气体价格高，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。
一般工程中多采用N2-SF6混合气体。
3.6 提高气隙击穿电压的措施提高气隙击穿电压一般有两种途径：改善电场分布，使之均匀化；设法削弱或抑制气体介质中的电离过程。
高电压 气体间隙的击穿强度(2)
可将测得的放电电压值U换算到标准大气条件的电压值Us：
U
=
Kd Kh
Us
空气密度校正系数 湿度校正因素
Kd
= ⎜⎜⎝⎛
P Ps
⎟⎟⎠⎞
m
⎜⎛ ⎝
273 + ts 273 + t
⎟⎞n ⎠
Kh = K w
¾ 海拔H的影响
其中m、n、w及k的取值取决于电 压的形式、极性和放电距离。
U
=
K AU s
=
1.1 −
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。
（3）极不均匀电场中屏障的使用 有屏障正棒击穿电压提高3～4倍；
Ub＝24.22δ d＋6.08 δ d (kV )
Ub = f ( pd )
高电压工程基础
3.1.2 稍不均匀电场中的击穿
（1）测量球隙 （可测量交、直流电压、及冲击高电压）
a. d<D/4时，电场均 匀，直流、交流和 冲击击穿电压相 同；
b. d>D/4时，电场不均 匀程度增大，击穿 场强下降，出现极 性效应；
有关
大气环境
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（直流、工频）下的击穿
3.1.1 均匀电场中的击穿 板－板电极尺寸 eg：高压静电电压表的电极布置 远大于间隙距离
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3.
电子与这些气体分子相遇时，使气体分子产生极化而消耗 了电子的能量
目前得到工程广泛应用的是SF6及SF6混合气体
高电压工程基础 (3)高真空的采用
通过削弱间隙中的碰撞电离达到增高 击穿电压的目的 剩余压力低于10-4（133Pa）时击穿场 强很高
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。
U K aU s
1 Us 4 1.1 H 10
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，或 改善电极边缘形状以消除边缘效应。
导线－导线
棒－棒
棒－板
导线－杆塔支柱
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
U U0 Kt
U0 U / Kt
Kt K1K2
2. 湿度校正因素
1. 空气密度校正系数
K1＝
m
＝
p 273＋t0 p0 273＋t
K2＝K W
高电压工程基础 3. 指数m和W
g＝
UB 500 L K
h-绝对湿度
高电压工程基础
海拔的影响—一种粗略估计法
国家标准规定：
拟用于海拔超过1000m而又低于4000m地区的电力设备，在平原地区 进行外绝缘试验时施加的电压U，与标准状态下的试验电压Us的关系为
空气中同轴圆柱电极的电晕起始电 压UC及击穿电压Ub与电极半径r的 关系，内电极为负极性
d U b＝Em f
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。
d U b＝Em f
高电压工程基础
极不均匀电场中的击穿
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。
小
结
1. 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性 2. 极不均匀电场气隙的击穿特性
直流、交流、冲击（雷电/操作）下，气隙击穿的基本特性； 极性效应；饱和特性
3. 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正 4. 提高气体介质电气强度的方法 5. 概念：
电晕
空间电荷
改善电场
细线效应 D 增大后，局部 毛刺点的强烈电 离，产生刷状放 电 细线效应只对稳 态电压有作用， 对雷电波没有作 用
高电压工程基础 （3）极不均匀电场中屏障的使用
直流电压下尖－板空气间隙的 击穿电压和屏障位置的关系
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。
高电压工程基础
钢
铜
铝 锌
稍不均匀电场中高真空的直流击穿电 压与电极材料的关系
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
钢电极T＝293K 铜电极T＝80K 铜电极T＝293K
电极材料与电极温度对高真空交流击穿电压的影响
均匀电场中几种绝缘介质的击穿电压与距离的关系
1－2.8MPa的空气 2－0.7MPa的SF6 3－高真空 4－变压器油 5－0.1MPa的SF6 6－大气
高电压工程基础 （2） 强电负性气体的应用 原因：
1. 2. 采用SF6等电负性气体：电子容易被俘获形成负离子 气体分子量大、体积大，使电子平均自由程减小
冲击系数＝ 1
极不均匀电场下
冲击系数>1 极性效应
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。
导线－板
3m空气间隙的平均击穿场强 与操作冲击波前时间关系
（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100～300μs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。
高电压工程基础
均匀电场和稍不均匀电场下操作冲击电压
击穿发生在波前或 峰值，取此刻值 击穿发生在波 尾，取峰值
50%伏 秒特性
100%伏 秒特性 50%冲击 击穿电压 未击穿 0%伏秒 特性
高电压工程基础
绝缘的 伏－秒特性
避雷器的 伏－秒特性
电气设备绝缘的伏－秒特性和避雷器的伏－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
操作冲击电压波形
操作冲击电压的推荐波形
a. T1/T2=250(±20％) / 2500(±60％) μs
u / Um
1.0 0.5 0
b.振荡操作波
u Um
Tcr T2
( a)
t
0 Tcr ( b) Tcr 1000 ~ 1500s
t
高电压工程基础
操作冲击电压下击穿的U形曲线
工频击穿 场强 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 棒－棒 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
一般规律： 间距很大，电极影响不大，一极接地时接近棒-板间隙； 不对称布置的极不均匀场间隙的极性效应明显。
f：尖-尖 =2尖-板 （d/2）> 尖-板(d)
1. 直流电压
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
高电压工程基础
50％击穿电压及冲击系数
1、50％击穿电压
工程上，常用50%放电电压表征绝缘耐受冲击电压作用的能 力，即多次施加电压时有半数会导致击穿的电压值Ub50 。
Ub0 Ub50 3
高电压工程基础
50％击穿电压及冲击系数
2、冲击系数 同一间隙的50％冲击击穿电压Ub50与稳态击穿电压 Uss之比 均匀电场和稍不均匀电场下
《高电压工程基础》
华南理工大学电力学院
高电压工程基础
第3章 气体间隙的击穿强度
稳态电压：直流、交流 电压类型 冲击电压：雷电冲击、操作冲击 电场结构：电极形状、间隙距离、电压极性 气体种类和状态：空气、SF6
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
与雷电冲击50%击穿电压和工频击穿电压（峰值）几乎相同， 击穿几乎发生在峰值，击穿电压的分散性也较小。
长空气间隙在操作冲击电压下的击穿强度
雷电冲击
特点：
操作冲击
1. 2. 3. 4.
极性效应； 间隙长度超过5m时呈现饱和趋势； 长间隙的操作冲击击穿电压远比雷 电冲击击穿电压要低，甚至低于AC； 间隙距离越大，“2”与“3”的击穿 电压的差别越大。
尖－板和尖－尖空气间隙的直流击穿电压
高电压工程基础
极不均匀电场中的击穿
2. 工频交流电压
特点： 1、棒-板间隙击穿总是在棒的极性为 正时击穿，峰值与正直流电压相近。 2、平均击穿场强 棒-棒间隙：3.8kV(有效值)/cm 棒-板间隙：3.35kV(有效值)/cm 3、击穿电压与距离近似成直线关系， 大间隙下击穿电压有饱和趋势（见后 页）
放电时延 tlag＝ ts＋ tf
高电压工程基础 电场形式对放电时延的影响
1. 当电场比较均匀时（如1cm以下短气隙），tf<ts，放电
时延主要取决于统计时延，为减小统计时延： 可提高外加电压/电场 可采用人工光源照射
2. 当电场极不均匀时（如长间隙），放电时延主要取决于 放电形成时延，为减小放电形成时延： 可提高外加电压/电场
冲击电压标准波形。定义、波形参数。 放电时延及其组成。50%击穿电压。冲击系数。伏秒特性。 操作冲击电压下击穿的U形曲线及其解释。
作 业
3.6 3.7
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：
400 100
（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；
Ub/kV
10
1
0.01
高电压工程基础
放电时延
足够幅值的电压 击穿条件
统计时延：从外施电 一定时间的作用 压达Uo时起，到出现 一个能引起击穿的初 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
临界 击穿电压
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。
击穿电压
击穿场强
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。
0.1
1
10
d/cm
（3）击穿电压的分散性很小。
Ub＝24.22 d＋6.08 d (kV )