2-气体介质电气强度

1、对空气密度的校正 空气密度与压力和温度有关。空气的相对密度：
p δ = 2.9 T
式中： p ：气压,kPa
T ：温度,K.
在大气条件下，气隙的击穿电压随 δ
的增大而提高 。
实验表明，当 δ 处于0.95～ 1.05的范围内时，气 隙的击穿电压几乎与 δ 成正比，即此时的空气密 度校正因数 K d ≈ δ ，因而：
二、极不均匀电场气隙的击穿特性
按电极的对称程度，主要有两种典型的极不均 匀电场气隙： a、“棒 — 棒”气隙（“尖 — 尖”气隙） b、“棒 — 板”气隙（“尖 — 板”气隙） 不同电压波形作用下，差异明显，分散性大； 在直流电压下，极性效应明显，而在工频交流电 压下“饱和”现象明显。
1、直流电压下的击穿电压
2、稍不均匀电场气隙的击穿特性
测量球隙：球间距离d，球的直径D d<D/4时：直流、工频交流、冲 击电压下的击穿电压大致相同。 d>D/4时：大地的畸变作用增强， 平均击穿场强下降，出现极性效 应。 测量球隙工作范围在d≤D/2； 超出此范围分散性大。
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
b、消除电极表面的毛刺、尖角 许多高压电气装置的高压出线端 ( 例如电力设备 高压套管导杆上端 ) 具有尖锐的形状，往往需要加装 屏蔽罩来降低出线端附近空间的最大场强，提高电晕 起始电压。屏蔽罩的形状和尺寸应选得使其电晕起始 电压 U c大于装置的最大对地工作电压 U g .max ，即：
U c > U g . max
极不均匀电场的工频击穿电压和间隙距离的关系
“棒-棒”气 隙的工频击 穿电压要比 “棒-板”气 隙高一些， 因为“棒-棒” 气隙的电场 要比“棒-板” 稍微均匀一 些 d<1m时，棒棒和棒板几乎一样，但d增大后， 差别变 大；显著特征：“饱和”特性
极不均匀电场的工频击穿电压和间隙距离的关系
随着气隙长度增大，棒-板气隙的平均击穿场强 明显降低，即存在“饱和”现象
四、提高气体介质电气强度的方法 为了缩小电力设施的尺寸，总希望将气隙长度或绝 缘距离尽可能取得小一些，为此就应采取措施来提 高气体介质的电气强度。从实用角度出发，要提高 气隙的击穿电压，主要采用两条途径： 改善气隙中的电场分布，使之均匀； 设法削弱和抑制气体介质中的电离过程。
（一）改善电场分布 电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强越高。 工程上，改善电场分布主要采取的方法有： 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 3、极不均匀电场中采用屏蔽改善电场分布
(kV )
1、均匀电场气隙的击穿特性
直流、工频和 冲击电压作用 下的击穿电压 都相同，冲击 系数等于1. 冲击系数： 50%冲击击穿 电压与持续作 用电压下的击 穿电压之比。
实验所得的均匀电场空气间隙的平均击穿场强
Ub = = 24.55δ + 6.66 δ d E b d
(kV)
d越大，击穿场强略下降，当1~10cm时，击穿 场强为30kV/cm。
最简单的屏蔽罩当然是球形屏蔽极，它的半径
R 按下式选择：
R= U g . max Ec
式中 Ec ：电晕放电起始场强。 超高压输电线路上应用屏蔽原理来改善电场 分布以提高电晕起始电压的实例有：超高压线路 绝缘子串上安装的保护金具 ( 均压环 ) 、超高压线 路上采用的扩径导线等。
超高压线路绝缘子串上安装的保护金具(均压环)
显著特征：极性效应 平均击穿场强： 棒-棒间隙：7.5~20kV/cm （无极性效应） 负极性棒-板间隙：20kV/cm 正极性棒-板间隙：7.5kV/cm
长间隙、直流电压下的击穿电压
从20kV/cm下降为10kV/cm
2、工频交流电压下的击穿电压
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， 击穿电压与直流电压下正极性击 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 棒-板间隙：3.35kV(有效值)/cm
气体介质的电气强度
李华伟 北京交通大学电气工程学院 电气楼307室 hwli@
参考华北电力大学以及湖南大学高压课件，特此致谢！
气隙击穿特性的影响因素
气体种类：空气和高介电强度气体（SF6气体） 电压种类：持续作用电压（直流、交流）；冲击电 压（雷电冲击、操作冲击） 电场分布：电极形状、间隙距离、电压极性；当间 隙距离相同时，电场越均匀击穿电压越高 气体状态：一般要折算到标准大气状态
2、稍不均匀电场气隙的击穿特性
a、与均匀电场相似，分散性很小 直流、工频交流（也包括冲击电压）作用下，击穿 电压基本相同 b、不同于极不均匀电场，一旦出现自持放电，立即导 致气隙击穿，而不发生电晕现象 c、稍不均匀电场不对称时，虽有极性效应，但不明显 d、击穿电压和电场不均匀程度有极大关系，越均匀击 穿电压越高
2、利用空间电荷改善电场分布 由于极不均匀电场气隙被击穿前一定先出现 电晕放电，所以在一定条件下，还可以利用放电 本身所产生的空间电荷来调整和改善空间的电场 分布，以提高气隙的击穿电压。
3、采用屏障改善电场分布（极不均匀电场） 由于气隙中的电场分布和气体放电的发展 过程都与带电粒子在气隙空间的产生、运动和 分布密切有关，所以在气隙中放置形状和位置 合适、能阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分 布的屏障，也是提高气体介质电气强度的一种 有效方法。
Kh = k
ω
式中的因数k与绝对湿度和电压类型有关，而 指数 ω 之值则取决于电极形状、气隙长度、电压 类型及其极性。
3、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。
一、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电压 a、分散性小 直流、工频交流电压（也包括冲击电压）作用下 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：
d：间隙距离； δ ：空气相对密度； U b 击穿电压峰值
= U b 24.55δ d + 6.66 δ d
K d ：空气密度校正因数 K h ：湿度校正因数
上式不仅适用于气隙的击穿电压，也适用于 外绝缘的沿面闪络电ห้องสมุดไป่ตู้。
在进行高压试验时，也往往要根据实际试 验时的大气条件，将试验标准中规定的标准大 气条件下的试验电压值换算得出实际应加的试 验电压值。 下面分别讨论各个校正因数的取值： 对空气密度的校正 对湿度的校正 对海拔的校正
我国国家标准规定：对于安装在海拔高于 1000m、但不超过4000m处的电力设施外绝缘，其试 验电压 U 应为平原地区外绝缘的试验电压 Up 乘以海 拔校正因数足Ka即：
U = K aU p
1 而： K a = −4 1.1 − H ×10
式中H 为安装点的海拔高度，单位是m。
第四节 提高气体介质电气强度的方法
4、 操作冲击电压下的击穿 电力系统--操作或发生故障----状态发生突然变化引起电感和电容 回路振荡-----产生过电压，称为操作过电压。 最大相电压的3~3.5倍。 额定电压220kV以上的高压电气设备必须进行操作冲击电压试验。
波形参数：
T1 = 250 µs (1 ± 20%) T2 = 2500µs (1 ± 60%)
Us
t d = t1 + t s + t f
放电时延特点： a、小间隙、均匀场：统计时延远大于放电形成时延 b、大间隙、极不均匀场：放电形成时延远大于统计时延 c、随着冲击电压幅值的不断升高， 放电时延将越来越短
50%冲击击穿电压（U50%）
在多次施加同一电压时，导致其中半数气隙击穿的这一电压值。 冲击系数：U50%与Us之比，在极不均匀电场中，其值均大于1。 伏秒特性
Ub
ts
不同电场气隙伏秒特性比较
a 、极不均匀电场（大间隙） 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。
b、稍不均匀电场（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。
伏秒特性的应用
两者配合，S2可以保护S1 两者不能配合，不能互相保护 左图表示保护设备绝缘的伏秒特性1与保护间隙的伏秒特 性2配合的情况，这种配合完全正确，因为伏秒特性1的下包 线时时都在伏秒特性2的上包线之上，即任何情况下保护间 隙都会先动作从而保护了电气设备的绝缘
U ≈ δU 0
气隙不很长 ( 例如不超过 1m) 时：该式能足够准 确地适用于各种电场型式和各种电压类型下作近 似的工程估算。
U ≈ δU 0
更长的空气间隙：击穿电压与大气条件变化的 关系，并不是一种简单的线性关系，而是随电极 形状、电压类型和气隙长度而变化的复杂关系。
除了在气隙长度不大、电场也比较均匀或长度虽 大、但击穿电压仍随气隙长度呈线性增大(如雷电冲击 电压)的情况下，上式仍可适用外，其他情况下的空气 密度校正因数应按下式求取：
1、改进电极形状以改善电场分布 通过改进电极形状的方法来减小气隙中的最 大电场强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿 电压。如： a、增大电极的曲率半径 b、消除电极表面的毛刺、尖角
a、增大电极的曲率半径 利用屏蔽来增大电极的曲率半径是一种 常用的方法。以电气强度最差的 “ 棒一板 ” 气隙为例，如果在棒极的端部加装一只直径 适当的金属球，就能有效地提高气隙的击穿 电压。
Ua 间隙系数： k = Ur
三、大气条件对气隙击穿特性的影响 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。
实验条件下的气隙击穿电压 U 与标准大气条 件下的击穿电压 U 0之间关系：
Kd U= U0 Kh
操作冲击电压下击穿的U形曲线
3m的棒-棒 100-300μs 可能与空间电荷的影响 有关。
长空气间隙在操作冲击电压 下的击穿强度 （1）远比雷电波击穿电压低。 （2）超过5米后有饱和趋势。
3.4 U min = 1+ 8 / d
（3）间隙距离越大，最小击穿 电压与标准冲击波形下的击穿 电压差距越大。 （4）超过20米后最小击穿电 压仅为1kV/cm
在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气 隙的电场强度都较大，电子的运动速度较快，不 易被水气分子所俘获，因而湿度的影响就不太明 显，可以忽略不计。 例如用球隙测量高电压时，只需要按空气相 对密度校正其击穿电压就可以了，而不必考虑湿 度的影响。
在极不均匀电场中，湿度的影响就很明显了，这 时可以用下面的湿度校正因数来加以修正：
3、雷电冲击电压作用下气隙的击穿特性
T1 = 1.2µs ± 30% T2 = 50 µs ± 20%
冲击系数β： β =
U b 50 U ss
均匀场及稍不均匀场： 发生在波峰附近，冲击系数接 近于1 极不均匀场： 发生在波尾部分，冲击系数大 于1
放电时延 t L = t S + t f
统计时延 t s ：从电压达到 U s 的瞬时 起到气隙出现第一个有效电子止 放电形成时延 t f ：从形成第一个有效 电子的瞬时起到到气隙完全击穿止 冲击击穿所需的总时间：
同轴圆筒电极
高压标准电容器，单芯电缆， GIS分相母线 r为内筒外半径，R为外筒内半径 Ub为击穿电压，Uc为电晕起始电压 r/R<0.1极不均匀场，击穿前出现 电晕、Ub远大于Uc； r/R>0.1稍不均匀场， 无稳定电晕、 Ub等于Uc； r/R≈0.33，击穿场强出现最大值， 因此宜选取0.25~0.4范围内。
p 273 + t0 Kd = p × 273 + t 0
m
n
式中指数m，n与电极形状、气隙长度、电压类型 及其极性有关，其值在0.4～1.0的范围内变化,具体取 值国家标准中有规定。
2、对湿度的校正
大气中所含的水气分子能俘获自由电子而形 成负离子，这对气体中的放电过程显然起着抑制 作用，可见大气的湿度越大，气隙的击穿电压也 会增高。