第3章 气体间隙的击穿强度

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。
（c）SF6的价格较高，用于断路器时（气压在0.7MPa左右）液化温度不 能满足高寒地区要求，在工程应用中有时采用SF6混合气体。已得到应 用的混合气体是SF6-N2混合气体，通常其混合比在50%∶50%左右，其 液化温度能满足高寒地区要求，绝缘强度约为纯SF6的85％左右。 （d）SF6气体温室效应相当于CO2的23900倍，且SF6气体不会自然分 解，在大气中寿命长达3200年。因此目前的技术发展趋势是在SF6用气 量大的气体绝缘管道输电线中改用SF6含量较小的N2-SF6混合气体（SF6 的含量为20％时，混合气体的绝缘强度为纯SF6的75％左右）。
工式中：n0-阴极表面处的初始电子数； na-到达阳极时的电子数 这时应该注意：在一般气体中，正离子数等于新
理 1cm的行程中所发生的电子附着次数平均值。可见在电
负性气体中的有效碰撞电离系数 应为：
增的电子数；而在电负性气体中，正离子数等于 新增的电子数与负离子数之和。所以在汤逊理论 中不能将α 简单地用(α-η)来代替而得出电负性 气体的自持放电条件。
（3）击穿电压的分散性很小。
西 高电压工程基础
高电压工程基础
Ø 稍不均匀电场中的击穿
（2）同轴圆柱电极
（1）球间隙 （eg：高压实验室中的测量球隙）
（eg：高压标准电容器、单芯电缆、GIS分相母线）
a. d<D/4时，电场均 匀，直流、交流 和冲击电压击穿 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；
安
西 高电压工程基础
高电压工程基础
由于强电负性气体在实用中所处条件均属于流注 放电的范畴，所以这里不再讨论其汤逊自持放电 条件，而直接探讨其流注自持放电条件。为此， 均匀电场中电负性气体的流注自持放电条件为：
图中给出R/r=1.67～
4.06的同轴圆筒中SF6 的击穿场强Eb与气压p 的关系曲线，由图中
c. 球隙测压器的工 作范围d≤D/2； 否则因放电分散 性增大，不能保 证测量的精度。
Ub＝Em
d f
（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。
（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）。
棒－棒
工频击穿 场强
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
高电压工程基础
Ø 操作冲击电压的推荐波形
a. T1/T2=250(±20％) / 2500(±60％) μs b.振荡操作波
大 Ø 长空气间隙在操作冲击电压下的击穿强度
雷电冲击
工操作冲击
特点：
（1）长间隙的雷电冲击击穿电压远比操 作冲击击穿电压要高；
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。
学
高电压工程基础
3.5 六氟化硫和气体绝缘电气设备
大 六氟化硫(SF6)气体：
高电压工程基础
Ø 六氟化硫的绝缘性能 Ø 六氟化硫理化特性方面的若干问题 Ø 六氟化硫混合气体 Ø 气体绝缘电气设备
Ø 20世纪50年代开始作为绝缘媒质和灭弧媒质使用 于某些电气设备(首先是断路器)中；
安 过近时，屏障上空间电荷的分布
将变得不均匀而使屏障效应减 弱，因此屏障有一最佳位置。
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
西 高电压工程基础
高电压工程基础
（2）强电负性气体的应用
Ø(3) 高真空的采用
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
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Ø 稍不均匀电场中的击穿
特点： （1）击穿前不发生电晕 （2）电场不对称时，无明显极性效应 Fra Baidu bibliotek3）直流、工频及50%冲击击穿电压相同 （4）击穿电压分散性小 （5）击穿电压和电场不均匀程度关系大，所以没能概 括各种电场分布的实验数据
Ub＝24.22δ d＋6.08 δ d (kV )
安 同；
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
未击穿
0%伏秒 特性
50%冲击 击穿电压
绝缘的 伏－秒特性
高电压工程基础
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
学
高电压工程基础
3.3 操作冲击电压下的击穿
Ø 操作冲击电压下击穿的U形曲线
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
长空气间隙的交流击穿电压
学
（3）极不均匀电场中屏障的使用
高电压工程基础
大 Ø 消弱电离过程
（1）高气压的采用
高电压工程基础
工
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。
理 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 均匀的电场区扩大。但离尖电极
可见击穿场强并不与
实验研究证明：对于SF6气体，常数K=10.5，相 应的击穿电压为：
气压成正比，而是增 加得少一些。
（3）一定的时间
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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
也被广泛采用于将多种变电设备集于一体并 密闭充SF6气体的容器之内的封闭式气体绝缘 组合电器（GIS）和充气管输电线等装置中。
5
一、SF6的绝缘性能
高电压工程基础
SF6具有较高的电气强度，主要是因为其具有 很强的电负性，容易俘获自由电子而形成负 离子(电子附着过程)，电子变成负离子后,其 引起碰撞电离的能力就变得很弱，因而削弱 了放电发展过程。
改善电极边缘形状以消除边缘效应。
棒－棒 导线－导线
棒－板 导线－杆塔支柱
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（2）利用空间电荷对原电场的畸变作用
例如利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场 间隙中电场分布，从而提高间隙的击穿电压。
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。
理工Ø 至今已是除空气外应用最广泛的气体介质。
安
西 高电压工程基础
高电压工程基础
n SF6的电气强度约为空气的2.5倍，灭弧能力更高 达空气的100倍以上，所以在超高压和特高压的范 畴内，它已完全取代绝缘油和压缩空气而成为唯 一的断路器灭弧媒质。
目前SF6不但应用于单一电力设备，如：SF6断 路器、气体绝缘变压器等。
理 导线－板
（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。
安 （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。
（2）间隙长度超过5m时呈现饱和趋势。
最小击穿 电压
（3）间隙距离越大，“2”与“3”的击穿电 压的差别越大。
Ø 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。
击穿发生在波前或 峰值，取此刻值
50%伏 秒特性
击穿发生在波 尾，取峰值
100%伏 秒特性
（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
高电压工程基础
(一)均匀和稍不均匀电场中SF6的击穿
大 均匀电场中的电子崩增长规律：
高电压工程基础
SF6电负性气体中的碰撞电离和放电过程时，除了考虑第 2章中所说的α 过程外，还应计及电子附着过程，它可 用一个与电子碰撞电离系数 α 的定义相似的电子附着 系数η 来表示，η 的定义是一个电子沿电场方向运动
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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
气体击穿电压的相关因素：
气体击穿电压与电场分布有关 气体击穿电压与电压种类有关 气体击穿电压与气体种类有关 气体击穿电压与气体状态有关
1
（3）其他形状的电极布置
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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。
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Ø 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。
Ub＝Em
d f
P＝(r + d)/r
尖－板和尖－尖空气间隙的直流击穿电压
棒－棒和棒－板空气间隙的工频 击穿电压（有效值）
g＝ UB 500Lδ K
U = U0Kt
U0 = U / Kt
Kt = K1K2
1. 空气密度校正系数
2. 湿度校正因素
K1＝δ m
δ＝
p p0
×
273＋t0 273＋t
K2＝K W
3
高电压工程基础
3.6 提高气隙击穿电压的措施
Ø 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
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高电压工程基础
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钢 铜
铝 锌
钢电极T＝293K 铜电极T＝80K 铜电极T＝293K
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。
电极材料与电极温度对高真空交流击穿电压的影响
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
1. 50％击穿电压
2. 冲击系数
多次施加电压时有半数会 同一间隙的50％冲击击穿
导致击穿的电压值Ub50 。
电压与稳态击穿电压Uss之比 。
Ub0 = Ub50 − 3δ
2
高电压工程基础
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电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响远比与 均匀电场中的击穿电压相比，SF6在极不均匀电场 中击穿电压下降的程度比空气要大得多。SF6 优 异的绝缘性能只有在电场比较均匀的场合才能得 到充分的发挥。
在设计以 SF6 气体作为绝缘的各种电气设备时， 应尽可能使气隙中的电场均匀化，采用屏蔽等措 施以消除一切尖角处的极不均匀电场，使 SF6 优 异的绝缘性能得到充分的利用。
棒板间隙距离1～20m：U
＝ 3.4 min 1＋ 8
MV
d
其它间隙：k＝ U a Ur
西 高电压工程基础
高电压工程基础
3.4 大气密度和湿度对击穿的影响
Ø 大气校正因数
3. 指数m和W
根据国家标准，利用校正因数可将测得的放电电压值换 算到标准大气条件（t0＝20℃，p0＝101.3kPa，h0＝11g/m3） 的电压值，或将标准参考大气条件下规定的试验电压值换算 为试验条件下的电压值。