气体间隙的击穿强度

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4、伏秒特性 一个间隙要发生击穿，不仅需要足够高的电压，
而且还必须有充分的电压作用时间。
同一个气隙，冲击电压的峰值较低但延续时间较 长，在此电压作用下，可能被击穿；冲击电压的峰值 较高但持续时间较短，可能反而不被击穿。
对于冲击电压波，气隙的击穿电压与该电压的波
形有很大的关系。其击穿电压不能简单地用单一的击 穿电压值表示，而必须用电压峰值和延续时间两者共
同表示。
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伏秒特性——对某一冲击电压波形，间隙上出现的电
压最大值和间隙击穿时间的关系曲线。 用实验确定间隙伏秒特性的方法：保持冲击电压的波
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 击穿发生在波 尾，取峰值
形不变（T1/T2一定），逐渐升高电压使间隙发生击穿，
直流电压： 直流中所含的脉动分量的脉动系数不大于3%。 （脉动系数是指脉动幅值与直流电压的平均值之比） 直流电压的大小指直流电压的平均值。 交流电压：
波形接近于正弦波，正、负两半波相同，峰值与有
效值之比为 2 ，偏差不超过 5%
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1、均匀电场中的击穿 因电极布臵对称，所以击穿电压无极性效应。 ห้องสมุดไป่ตู้因击穿前间隙各处场强相等，击穿前无电晕发生，
冲击击穿电压的放电 概率一般认为服从高 斯分布：
U0 U50% 3
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确定间隙的U50 %的方法: 保持标准波形不变，逐级升高电压幅值，每级电压
值加10次，直到每10次中有4-6次击穿，则此电压可
作为该间隙大致的U50 % 。每级加压次数越多，所得
的U50 %越准确。
U50% 与静态击穿电压U0的比值称为冲击系数 β。
放 电 时 延 具 有 分 散 性
50%伏 秒特性 100%伏 秒特性 点：50%冲 击击穿电压 0%伏秒 特性
未击穿
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伏秒特性的形状与间隙中电场的均匀程度有关。 对于均匀或稍不均匀电场因平均场强高，放电时 延短，故曲线比较平坦，且分散性较小。 对于极不均匀电场平均击穿场强较低，放电时延 较长，其伏秒特性随放电时间的减少有明显上翘， 且分散性较大。
击穿时间：td = t1 + ts + tf
放电时延：tl = ts + tf
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放电时延与电场均匀度有关： 电场较均匀时，由于平均场强很高，放电发展速度快， 放电时延近似等于统计时延。对于极不均匀电场，由 于局部场强高（出现有效电子的概率增加），而平均
场强较低（放电发展速度慢），放电时延主要取决于
2、标准雷电冲击电压波形：±1.2/50μs 3、冲击电压下气隙的击穿特性
（1）采用击穿百分比为50%时的电压来表征气隙的冲击击 穿特性； （2）伏秒特性表征气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。
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3.3 操作冲击电压下的击穿
电力系统的输电线及电气设备具有电感和电容性，由于系
统运行状态的突变，导致电感和电容元件间的电磁能转换，引 起振荡性的过渡过程。该过程会在某些电气设备和电网上造成 很高的电压，远远超过正常运行的电压，称为操作过电压。 操作过电压的幅值、波形与电力系统的电压等级有关。过 渡过程的振荡基值等于系统运行电压，电压等级越高，操作过 电压幅值也越高。
对电极形状不对称的极不均匀电场，有明显的 极性效应。 因间隙距离长，放电发展所需时间长，故外加 电压的波形对击穿电压的影响大，击穿电压的 分散性大。
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极不均匀电场的击穿电压的特点：
电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱（由
于电场已经极不均匀），间隙距离对击穿电压的 影响增大。可以选择电场极不均匀的极端情况， 棒—板和棒—棒作为典型电极结构，它们的击穿 电压具有代表性。 在工程遇到很多极不均匀电场时，可以根据
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
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2、放电时延
完成气隙击穿的三个必备条件：
足够大的电场强度或足够高的电压
在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的
有效电子
需要一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿
起始放电电压等于击穿电压。
不论何种电压（直流、交流、正负50%冲击电压）
作用，其击穿电压（峰值）都相同，且分散性很小。
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1、均匀电场中的击穿
均匀电场中空气间隙的击穿电压（峰值）可根据下面 经验公式求得：
Ub＝24.22 d＋6.08 d (kV )
式中 d —间隙距离，cm；δ —空气相对密度。
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。 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－棒和棒－板空气间隙的工频 击穿电压（有效值）
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小 结：
1、均匀电场的击穿特点
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。
电场不对称时，击穿电压有极性效应，但不显著。
击穿前有电晕发生，但不稳定，一出现电晕，立即导致 整个间隙击穿。 间隙距离一般不是很大，放电发展所需时间短。直流击 穿电压、工频击穿电压峰值及50%冲击击穿电压几乎一
致，且分散性不大。
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2、稍不均匀电场中的击穿 稍不均匀电场的击穿电压与电场均匀度关系 极大，没有能够概括各种电极结构的统一的经验 公式。通常是对一些典型的电极结构做出一批实
高电压工程基础 伏秒特性曲线主要用来比较不同设备绝缘的冲击击穿特性。 如果一个电压同时作用在两个并联的气体间隙S1和S2上，其中 一个气隙先击穿，则电压波被短接截断，另一个就不会再击穿。
S2始终处于S1的下方，在 任何电压波形下， S2都 比S1的先被击穿。
绝缘的 伏秒特性
这个原则如用于保护装臵
和被保护设备，则就是 S2保护了S1。


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。
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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。
同一间隙在不同波形的冲击电压作用下，其U50% 是不 同的，如无特别说明，一般指用标准波形做出的。
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统计时延ts：从外施 电压达到Uo时起，到 出现一个能引起击穿 的初始电子崩所需的 第一个有效电子为止， 所需的时间。 放电形成时延tf：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
升压时间t1： 电压从零升到 静态击穿电压 所需的时间
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。
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3.2 雷电冲击电压下的击穿
1、冲击电压的标准波形
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
验数据，实际的电极结构只能从典型电极中选取
类似的进行结构估算。（补充） 电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越 高，其极限就是均匀电场中的击穿电压。
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2、稍不均匀电场中的击穿
（1）球间隙 （eg：高压实验室中的测量球隙）
a. d<D/4时，电场均 匀，直流、交流 和冲击电压击穿 电压相同；
400 100
Ub/kV
均匀电场中空气 的击穿场强（峰 值）为30kV/cm。
0.01 0.1 1 10
10
1
d/cm
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2、稍不均匀电场中的击穿
稍不均匀电场中各处的场强差异不大，间隙中任何一处 若出现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。所以对稍 不均匀的电场，任何一处自持放电的条件，就是整个间隙击 穿的条件。
这些典型电极的击穿电压数据做简单的估算。
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（1）直流电压作用的击穿电压
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。
棒—板、棒—棒间隙的直流击 穿电压与间隙距离的关系曲线
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（2）工频交流电压作用的击穿电压
由于棒—板间隙的击穿总是 发生在棒级为正时的半个周
d U b＝Em f
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2、稍不均匀电场中的击穿
（3）其他形状的电极布臵 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
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3、极不均匀电场中的击穿
由于存在局部强场区，故间隙击穿前有稳定的
电晕放电，间隙的起始放电电压小于击穿电压。
避雷器的 伏秒特性
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若两间隙伏秒特性曲线相
交，则在时延较短的区域
S1先被击穿，在时延较长
的区域S2先被击穿，在两 曲线交叉区域，可能是S1
绝缘的 伏秒特性
先被击穿，也可能是S2先
被击穿。因此S2不能可靠 保护S1。
避雷器的 伏秒特性
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小 结：
1、放电时间的组成为： td = t1 + ts + tf
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完成击穿所需放电时间很短的（微秒级）： 直流电压、工频交流等持续作用的电压，可以满 足上述三个条件； 当所加电压为变化速度很快，作用时间很短的冲 击电压时，因有效作用时间短（以微秒计），此 时放电时间就变成一个重要因素。 静态击穿电压：稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿 的最低电压。 击穿时间：间隙从开始加压的瞬时到完全击穿所需的 时间，也称为全部放电时间。
这与雷电过电压不同，后者取决于接地电阻，与系统电压 等级无关。
高电压工程基础 直到20世纪50年代，各国还认为操作过电压下的空气间隙 及绝缘子的闪络电压=操作冲击系数×工频放电电压，且波形
的影响可忽略。
220kV及以下电压等级电力系统：操作冲击系数=1.1
放电形成时延。 放电时延还与外加电压大小有关，总的趋势是总电压 越高，放电过程发展的越快，放电时延越短。
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3、50％击穿电压及冲击系数 放电时延服从统计规律，因此冲击击穿电压具有一定 的分散性。工程上常用50%冲击击穿电压U50%表示间 隙的冲击击穿特性。
U50% — 间隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。
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图为标准雷电冲击电压
下棒—板及棒—棒间隙 的U50%和距离的关系。 棒—板间隙具有明显的 极性效应，棒—棒间隙
也具有不大的极性效应。
这是由于大地的影响， 使不接地的棒极附近电 场增强的缘故。 U50%与间隙距离间保持 良好的线性关系。
1.正棒-板 2.正棒-棒(接地) 3.负棒-棒(接地) 4. 负棒-板
四、大气密度和湿度对击穿的影响
五、提高气体间隙击穿电压的措施
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3.1 稳态电压下的击穿
稳态电压（持续电压）指直流电压或工频交流电压。 特点： 电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相 比极小，故放电发展所需的时间可以忽略不计， 只要作用于间隙的电压达到击穿电压，间隙就会
发生击穿。
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第二章 气体间隙的击穿强度
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影响气体间隙击穿电压的主要因素：
电压形式
稳态电压（直流电压与交流电压）、雷电冲击 电压、操作冲击电压 电场情况
均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场
大气条件 气压、温度、湿度
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第三章 气体间隙的击穿强度
一、稳态电压下的击穿 二、雷电冲击电压下的击穿 三、操作冲击电压下的击穿
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； 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。
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2、稍不均匀电场中的击穿
（2）同轴圆柱电极 （eg：高压标准电容器、单芯电缆、GIS分相母线） （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）。