气隙的击穿特性

击穿电压的估算

根据起始场强经验公式估算击穿电压
U Emax d / f
d :极间距离； ｆ ：不均匀系数，决定于电极布置，可
根据静电场计算或电解槽等实验方法求得

Emax达到临界值E0＝30kV/cm (幅值) ，间隙击穿
U b E0 d / f 30d / f
Ｅ0 实际上和电极布置有关
击穿电压的分散性也较小，击穿同样发生在幅值

极不均匀电场中的击穿电压
极不均匀电场中的操作击穿有许多特点
特点
1. 极性效应
极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下50％击穿电压 比负极性下低，所以也更危险
2. 电场分布的影响
“邻近效应” ：接地物体靠近放电间隙会显著降低其正 极性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压 电极形状对间隙的击穿电压也有很大影响

谢谢!
作 业
1、 空气主要由氦和氧组成，其中氧分子的电离电位较低，为 12.5V. （1） 若由电子碰撞使其电离，求电子的最小速度； （2） 若由光子碰撞使其电离，求光子的最大波长，它属于那种性质的射线？ （3） 若由气体分子自身的平均动能产生热电离，求气体的最低温度。 2、 试论述气体放电过程的α 、γ 系数。 3、 什么叫巴申定律？在何种情况下气体放电不遵循巴申定律？ 4、 均匀电场和极不均匀电场气隙放电机理、放电过程和放电现象有何不同？ 5、 长间隙放电与短间隙放电的本质区别在哪里？试解释长空气间隙的平均击 穿场强远低于短间隙的原由，形成先导过程的条件是什么？
kV

影响击穿电压的主要因素是间隙距离

选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究
棒(尖)—板 ：电场分布不对称
棒(尖)—棒(尖) ：电场分布对称

根据典型电极的击穿电压数据来估计绝缘距离
直流、工频及冲击击穿电压间的差别比较明显 ，分散性较大，且极性效应显著
1. 直流电压下的击穿电压

极性效应：尖—尖电极 间的击穿电压介于极性 不同的尖—板电极之间 棒—板间隙：棒具有正 极性时，平均击穿场强 约 为 4.5kV/cm ； 棒 具 有 负极性时约为l0kV/cm 棒—棒间隙的平均击穿 场强约为4.8~5.0kV/cm
1．由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性，气体 分子容易和电子结合成为负离子，削弱电子的碰撞电 离能力，同时又加强复合过程 ２．气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其 中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少其碰撞 电离能力 ３．电子和这些气体的分子相遇时，还易于引起分子 发生极化等过程，增加能量损失，从而减弱其碰撞电 离能力
气体 氮 二氧化碳 六氟化硫 氟利昂 四氯化碳 化学组成 N2 CO2 SF6 CCl2F2 CCl4 分子量 28 44 146 121 153.8 相对电气强度 1.0 0.9 2.32.5 2.42.6 6.3 液化温度/ 0C -195.8 -78.5 -63.8 -28 +76

卤化物气体电气强度高的原因
伏秒特性

以斜角波电压为例来说明考虑放电时延的必要性 在间隙上缓慢地施加直流电压，达到静态击穿电压U0 后，间隙中开始发展起击穿过程。但击穿需一定时间
= tl，在此时间内电压
上升 U u / t
击穿完成时间隙上的电压 应为U0+U

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
五、提高气体间隙击穿电压的措施
两个途径：
一、改善电场分布，使之尽量均匀
改进电极形状
利用空间电荷畸变电场的作用
二、利用其它方法来削弱气体中的电离过程
(一）改进电极形状以改善电场分布

增大电极曲率半径 减 小表面场强。如变压器 套管端部加球形屏蔽罩 ；采用扩径导线等 改善电极边缘 电极边 缘做成弧形；尽量使其 与某等位面相近 使电极具有最佳外形 如穿墙高压引线上加金 属扁球；墒洞边缘做成 近似垂接线旋转体

在图所示范 围内击穿电压 和间隙距离呈 直线关系

四、操作冲击电压下空气的击穿电压
1. 操作冲击电压推荐波形

非周期性指数衰减波 推荐操作冲击电压的标准波形为250／2500微秒
2. 操作冲击50％击穿电压

均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压
气体间隙的操作冲击50％击穿电压和雷电冲击50％ 击穿电压以及工频击穿电压（幅值）相同



（三）极不均匀电场中屏障的采用

在电场极不均匀的空气 间隙中，放入薄片固体 绝缘材料（例如纸或纸 板），在一定条件下， 可以显著提高间隙的击 穿电压 原理是屏障积聚空间电 荷，改善电场分布 随着屏障位置不同，击 穿电压发生了很大的变 化，尖电极的极性不同 ，屏障的影响也有别


尖电极为正极性

对高电气强度气体的要求
1．液化温度要低，采用高电气强度气体时，常常同 时提高压力，以便更大程度的提高间隙的击穿电压 ，缩小设备的体积和重量。所以这些气体的液化温 度要低，以便在较低的运行温度下，还能施加相当 的压力 2．应具有良好的化学稳定性，不易腐蚀设备中的其 它材料，无毒，不会爆炸，不易燃烧，即使在放电 过程中也不易分解等 3．经济上应当合理，价格便宜，能大量供应
伏秒特性用实验方法求取 放电时间具有分散性，实际 上伏秒特性是以上、下包 线为界的一个带状区域

伏秒特性的用途
1. 间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布 2. 伏秒特性对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性具有 重要意义
Ｓ２对Ｓ1 起保护作用
在高幅值冲击电压作用下， Ｓ２不起保护作用
wenku.baidu.com
二、持续作用电压下空气的击穿电压
（五）高真空的采用

削弱间隙中的碰撞电离过程，从而显著增高间隙的击 穿电压 高真空中击穿机理发生了改变
距离较小时，间隙的 击穿和阴极的强场 放射密切有关
分散性很大：电极材 料、电极表面的光 洁度及清洁度
（六）高电气强度气体的采用

含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利 昂（CCl2F2 ）等，其电气强度比空气的要高很多。称 为高电气强度气体

稍不均匀电场中的击穿电压
1. 不能形成稳定的电晕放电
2. 电场不对称时，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 击击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大
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 球—球间隙，球—板间隙，同轴圆柱间隙

“饱和”现象
和工频电压下类似，极不均匀电场中操作冲击50％击穿 电压和间隙距离的关系具有明显的“饱和”特征（雷 电冲击50％击穿电压和距离大致呈线性关系 ）

50％击穿电压极小值的经验公式
U 50 min 3 .4 8 1 d MV
式中 d — 间隙距离，m 上式对于１ 20m的长间隙和试验结果很好地符合
tl t s t f

持续作用电压
直流电压、工频电压
与电压的变化速度相比，放电发展所需时间可以忽略 不计 。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，间隙击穿

非持续作用电压
操作过电压、雷电过电压
持续时间极短（以微秒计），放电发展所需时间不能 忽略不计，间隙的击穿特性具有新的特点
3.波形的影响

在一定的波前时间范围 内，U50 甚至会比工频击 穿电压低 ，呈现出 “Ｕ 形曲线” 对应于极小值的波前时 间随着间隙距离加大而 增加，对7m以下的间隙 ，大致在50200s之间 放电时延和空间电荷(形 成及迁移)这两类不同因 素的影响所造成的



分散性大
对于波前时间在数十到数百微秒的操作冲击电压，极不 均匀电场间隙50％击穿电压的标准偏差约为5％；波 前时间超过1000s以后，可达8％左右（工频及雷电冲 击电压下均约为3％）

目前工程上已得到采用的是六氟化硫（SF6）。SF6 除了其电气强度很高以外，还具有优良的灭弧性能 ，很适合用于高压断路器中 SF6已不仅用来制作单台电气设备（如SF6断路器、 避雷器、电容器等），而且发展成了各种组合设备 ，即将整套送变电设备组成一体，密封后充以SF6 气体，如全封闭组合电器、气体绝缘变电所、充气 输电管道等。这些SF6 组合设备具有很多优点，如 可大大节省占地面积、简化运行维护等等


（二）利用空间电荷畸变电场的作用
极不均匀电场中击穿前发 生电晕放电，利用放电产 生的空间电荷改善电场分 布，提高击穿电压 直径D＝20mm及16mm时 ，击穿电压曲线的直线部 分和尖一板间隙相近 导 线 直 径 减 为 3mm 以 至 0.5mm时，击穿电压曲线 的直线部分陡度大为增加 ，曲线逐渐与均匀电场中 的相近 —— “细线效应”
屏障离尖电极过近，屏 障效应将随之而减弱

尖电极为负极性
屏障离开尖电极一定距 离，设置屏障反而将 降低间隙的击穿电压 屏障离尖电极过近，仍 有相当的屏降效应

工频电压下屏障的作用 设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。

雷电冲击电压下屏障的作用
尖电极具有正极性时，设置屏障可显著提高间 隙的击穿电压 负极性时设置屏障后，间隙的击穿电压和没有 屏障时相差不多

均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压
击穿电压分散性小，其雷电冲击50％击穿电压和 静态击穿电压(即持续作用电压下的击穿电压)相差 很小 冲击系数＝1

极不均匀电场中的击穿电压

由于放电时延较长，通常冲击系数大于l，击穿电压的 分散性也大一些，其标准偏差可取为3% 棒—板间隙有明显的极性效应，棒—棒间隙也有不大 的极性效应
（四）高气压的采用

减小电子的平均自由行程，削弱电离过程
例：大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的 1/51/8，提高压力至11.5MPa，空气的电气强度和一 般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、云母等的 电气强度相接近

压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘在一些电气 设备中已得到采用
如：高压空气断路器、高压标准电容器等
气隙的击穿特性（一）
主要内容


气隙的击穿时间
伏秒特性
持续作用电压下空气的击穿电压
雷电冲击电压下空气的击穿电压


操作冲击电压下空气的击穿电压
提高气体间隙击穿电压的措施
影响空气间隙放电电压的因素主要有： 电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀 电压形式：直流电压、交流电压、雷电冲击电压 、操作冲击电压


2. 工频电压下的击穿电压

击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生 除了起始部分外，击穿电压和距离近似直线关系 棒—棒间隙的平均击穿场强约为5.36kV/cm(幅值)，棒— 板间隙的约为4.8kV/cm(幅值) “饱和现象” ：距离加大，平均击穿场强明显降低，棒 —板间隙尤为严重
d＝1m， 5 kV/cm

均匀电场中的击穿电压
在一定的压力范围内，击 穿场强的提高遵循巴申 定律，并且击穿场强大 致和气压成正比
大 约 从 1MPa 开 始 ， 实 验 结果和巴申定律的分歧 就逐渐明显了

不均匀电场中的击穿电压
不均匀电场中提高气压后，间隙的击穿电压 也将高于大气压强下的数值 在高气压下，电场均匀程度对击穿电压的影 响比在大气压力下要显著得多，电场均匀 程度下降，击穿电压将剧烈降低

均匀电场中的击穿电压 1. 直流、工频击穿电压（峰值）以及50％冲击 击穿电压都相同。击穿电压的分散性较小
2. 均匀电场中空气的击穿电压(峰值)，相应的经 验公式为
U b 24.22d 6.08 d
式中 d 间隙距离，（cm）
kV
空气相对密度
当d不过于小时（d > 1cm），均匀电场中空气 的电气强度（峰值）大致等于30kV/cm
d＝l０m，2 kV/cm
三、雷电冲击电压下空气的击穿电压 及伏秒特性
1. 雷电流是冲击波形的，故由雷闪放电引起 的高电压也具有冲击波形
2. 雷电冲击电压标准波形
Tl＝1.2s（30%）
T2＝50s（20%）
3. 雷电冲击50％击穿电压
在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，工程 上以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性
大气条件：气压、温度、湿度
一、气隙的击穿时间

最低静态击穿电压U0 击穿时间tb 升压时间t0 、统计时延ts 、放 电发展时间tf 、放电时延 tl

短间隙(1厘米以下) tf<<ts ，平均统计时延 较长的间隙中

tl主要决定于tf

tb t 0 t s t f
间隙上外施电压增加，放电 发展时间也会减小
球—球间隙
当d＜D/4，电场相当均匀，直 流电压、工频电压及冲击电 压作用下，击穿电压都相同
当d＞D/4，大地对电场的畸变 作用使间隙电场分布不对称 ，Ub有极性效应
电场最强的电极为负极性时的 击穿电压略低于正极性时的 数值 同一间隙距离下，球电极直径 越大，由于电场均匀程度增 加，击穿电压也越高