第一章 气隙的击穿特性(一)
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4、气隙的击穿特性
4.1、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。 伏秒特性曲线A向左上角上翘 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。 伏秒特性曲线 B 只能在很小的时间 内向上翘
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
直径为D 的球隙的击穿电压Ud 与气隙距离d 的关系
a、当d <D/4时，电场相 当均匀，其击穿特性与
均匀电场相似，直流、
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
第三节 空气间隙在各种
电压下的击穿特性
一、持续作用电压下气隙的击穿特性
2、放电时延
t L tS 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 放电发展时间 t f ：从形成第一个有效 电子的瞬时起到到气息完全击穿止
Us
升压时间 t0 ：电压从零升到静态击穿 电压 U 的时间
s
放电时延特点： a、小间隙、均匀场：t L 短， t s占主要部分
工频交流（也包括冲击 电压）作用下的击穿电 压大致相同； b、当d >D/4时，电场不
均匀度增大，击穿电场
4、气隙的击穿特性
见397、398页的击穿电压表 （注意：当球间距离大于0.5D时，不是线性关系）
3、极不均匀电场的击穿电压
a、直流电压下的击穿电压 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 负极性棒-板间隙：5.0kV/cm （略微不对称）
b、极间障的采用
３、增高气压（巴申定律的应用）
提高气压可以减小电子的平均自由行程，削弱电离过程， 从而提高气体的电气强度。 例如，大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的1 ／5～1／8，而提高压力至1一1.5MPa后，空气的电 气强度就和一般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、 云母等的电气强度相接近了。 压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘近年来在一些电气设 备(如高压空气断路器、高压标准电容器等)中已得到采 用。采用压缩气体的缺点是对设备容器的机械强度及密 封等方面的要求提高了，从而增加了制造成本。
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。
Tf 250s 20% Tt 2500s 60%
2.放电时延 t L t S t f
统计时延 t s ：从电压达到 U 0 的瞬时起 到气隙出现第一个有效电子止
放电发展时间 t f ：从形成第一个有效电 子的瞬时起到到气息完全击穿止 间隙中出现一个能引起电离过程并最终导致击穿
第一章 气隙的击穿特性(一)讲解
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％）
“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 ）
间隙上外施电压增加，放电 发展时间也会减小
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
在图所示范 围内击穿电压 和间隙距离呈 直线关系
4. 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
d＝1m， 5 kV/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
高电压技术气隙的击穿特性
4.8kV(峰值)/cm
高电压技术气隙的击穿特性
显著特征：饱和特性
高电压技术气隙的击穿特性
二、冲击电压作用下气隙的击穿特性
1、冲击电压波形
a、雷电冲击电压波
OC为视在播前
OF为视在播前时间 T f
T f 1.6(7 t2t1)
OG为视在半峰值时间 （也称为波尾时间）
T
t
国标规定： Tf 1.2高s电压3 技术% 气0隙的击穿T 特t性5 0s2% 0
U b2.2 42 d6.08 dk(V 峰)值
d：间隙距离； ：空气相对密度
高电压技术气隙的击穿特性
2、稍不均匀电场中的击穿电压
a、与均匀电场相似，分散性很小 不同电压波形作用下，击穿电压（峰值、 U击50% ）
基本相同 b、不同于极不均匀电场，直到击穿为止不发生电晕 C、稍不均匀电场不对称时，虽有极性效应，但不明显
除变压器外变电站所有设备被 封闭在金属容器内，里边充有3~4 个大气压的SF6气体，大大缩小了 高压电气设备所需的空间。
目前也出现气体绝缘变压器。
高电压技术气隙的击穿特性
五、提高气隙击穿电压的方法
1、改进电极形状以改善电场分布
增大电极曲率半径来减小表面场强。如变压器套管 端部加球形屏蔽罩；采用扩径导线（截面相同，半 径增大）等。
U16% U50% U84%
气隙击穿电压的正态分布
U击
高电压技术气隙的击穿特性
1、大四pK气、 d、t状不实 p态p0同际 (气m气状 温22体态7、7状的 33气t毫 t气 态0压巴 n、压 和、湿种温度类度 0C等气因隙素的) 击穿特性 对p气0、隙t0 击标穿准电状压态的的 影1气 响01毫 压 3 巴、 温度 200C
高电压技术气隙的击穿特性
显著特征：饱和特性
高电压技术气隙的击穿特性
二、冲击电压作用下气隙的击穿特性
1、冲击电压波形
a、雷电冲击电压波
OC为视在播前
OF为视在播前时间 T f
T f 1.6(7 t2t1)
OG为视在半峰值时间 （也称为波尾时间）
T
t
国标规定： Tf 1.2高s电压3 技术% 气0隙的击穿T 特t性5 0s2% 0
U b2.2 42 d6.08 dk(V 峰)值
d：间隙距离； ：空气相对密度
高电压技术气隙的击穿特性
2、稍不均匀电场中的击穿电压
a、与均匀电场相似，分散性很小 不同电压波形作用下，击穿电压（峰值、 U击50% ）
基本相同 b、不同于极不均匀电场，直到击穿为止不发生电晕 C、稍不均匀电场不对称时，虽有极性效应，但不明显
除变压器外变电站所有设备被 封闭在金属容器内，里边充有3~4 个大气压的SF6气体，大大缩小了 高压电气设备所需的空间。
目前也出现气体绝缘变压器。
高电压技术气隙的击穿特性
五、提高气隙击穿电压的方法
1、改进电极形状以改善电场分布
增大电极曲率半径来减小表面场强。如变压器套管 端部加球形屏蔽罩；采用扩径导线（截面相同，半 径增大）等。
U16% U50% U84%
气隙击穿电压的正态分布
U击
高电压技术气隙的击穿特性
1、大四pK气、 d、t状不实 p态p0同际 (气m气状 温22体态7、7状的 33气t毫 t气 态0压巴 n、压 和、湿种温度类度 0C等气因隙素的) 击穿特性 对p气0、隙t0 击标穿准电状压态的的 影1气 响01毫 压 3 巴、 温度 200C
气隙的击穿特性
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
二、持续作用电压下空气的击穿电压
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
、操作冲击电压 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
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
击穿电压的估算
tb t0ts tf tl ts tf
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
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
二、持续作用电压下空气的击穿电压
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
、操作冲击电压 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
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
击穿电压的估算
tb t0ts tf tl ts tf
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
高压电技术1-5 冲击电压下气隙的击穿特性
放电时间构成
第一阶段---升压时间t1
u
（0→Us静态击穿电压）：击穿过程可能并
U
未开始
Us 对于持续电压（直流、工频电压）：此阶
段电压升到Us ，气隙即及被击穿；
t1 ts
tf
t
tlag
非持续电压下（雷电、操作冲击电压）：
tb
由于t1非常短，即使电压升到Us ，气隙也 不一定被击穿。
放电时间构成
对非持续作用的电压来说，一个气隙的耐电压性 能就不能单一地用“击穿电压”值来表达，须用电 压峰值和击穿时间这两者来共同表达，这就是该气 隙在该电压波形下的伏秒特性。
伏秒特性曲线——同一波形、不同幅值的冲击电压作用下，间 隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线。
伏秒特性的制定方法（实验方ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）
保持冲击电压波形不变，逐渐提高冲击电压的峰值
1.5 冲击电压下气隙的击穿特性
• 冲击电压标准波形 • 放电时延 • 伏秒特性
冲击电压标准波形
冲击电压标准波形
作用时间短暂的电压称为冲击电压，在冲击电压作用下空气间隙的击 穿具有新的特性。
雷电在电力系统中造成的过电压是一种冲击电压，这是电力系统发生 事故的重要因素。
为了模拟雷电压，各国规定了试验用雷电冲击电压的标准波形，分为 全波和截波两种。
第二阶段--统计时延ts
u
（Us → 出现第一个有效电子）：击穿过程 U
开始，具有统计性。
由于有效电子的出现是一个随机事件，取 Us
决于很多偶然因素，ts具有分散性。
ts每次都不一样，要确定ts就要记录多个时 间值进行统计，故称为统计时延。
t1 ts
tf
tlag tb
气隙的击穿特性
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
“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
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
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
气隙的击穿特性
（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
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
根据起始场强经验公式估算击穿电压 UEmadx/ 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 bE 0d/f3d 0 /f kV Ｅ0 实际上和电极布置有关
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
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
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
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
在图所示范 围内击穿电压 和间隙距离呈 直线关系
4 气隙的击穿特性(高电压技术)
K U= U K
Kd —空气密度修正系数； Kn — 湿度修正系数 空气密度修正系数；
2、 SF6高强度气体
其电气强度是空气耐电强度的2.3 2.5倍 其原因为： 其电气强度是空气耐电强度的2.3~2.5倍,其原因为： 2.3~ 1、分子量大（为146），密度大（相同条件下，是空气的5倍）， 分子量大（ 146），密度大（相同条件下，是空气的5 ），密度大 属重气体。 属重气体。 2、具有负电性，易俘获电子，减少了引起电离的电子数。 具有负电性，易俘获电子，减少了引起电离的电子数。 SF6绝缘的全封闭组合电器： 绝缘的全封闭组合电器： 除变压器外变电站所有设备 被封闭在金属容器内， 被封闭在金属容器内，里边充有 3~4个大气压的 3~4个大气压的SF6气体，大大 个大气压的SF 气体， 缩小了高压电气设备所需的空间。 缩小了高压电气设备所需的空间。
Kd
1、大气状态(气温、气压、温度 0C) 大气状态(气温、气压)、湿度等因素) ( 、湿度等因素) ( p、t − 实际状态的气压毫巴 对气隙击穿电压的影响毫巴)、温度200 C) (1013 ( p 、t − 标准状态的气压
0 0
p = p 0
m
273+t0 273+t
d：间隙距离； 间隙距离；
δ ：空气相对密度
2、稍不均匀电场中的击穿电压
a、与均匀电场相似，分散性很小 与均匀电场相似， 不同电压波形作用下，击穿电压（峰值、 U击50% ） 不同电压波形作用下，击穿电压（峰值、 基本相同 b、不同于极不均匀电场，直到击穿为止不发生电晕 不同于极不均匀电场， C、稍不均匀电场不对称时，虽有极性效应，但不明显 稍不均匀电场不对称时，虽有极性效应，
The End Thank You
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衰减振荡电压 第一个半波的持续时间在2000一3000微秒之间 ，反极 性的第二个半波的幅值达到第一个半波幅值80％
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
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
tb t0 ts t f
tl ts 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），放电发展速度不能忽略 不计，间隙的击穿特性具有新的特点
二、持续作用电压下空气的击穿电压
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
二、持续作用电压下空气的击穿电压
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
Ub 24.22d 6.08 d kV
式中 d 间隙距离，（cm）
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
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
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
根据起始场强经验公式估算击穿电压 U Emaxd / 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 E0d / f 30d / f kV Ｅ0 实际上和电极布置有关
二、持续作用电压下空气的击穿电压
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
在图所示范 围内击穿电压 和间隙距离呈 直线关系
4. 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
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 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，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
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
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
高电压技术
第7讲 气隙的击穿特性（一）
主要内容
气隙的击穿时间 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及伏秒特性 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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电电压的因素主要： 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
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 多级法、升降法
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
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
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—
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
击穿电压的估算
、操作冲击电压 大气条件：气压、温度、湿度 电压形式对空气间隙放电电压的影响
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
间隙上外施电压增加，放电 发展时间也会减小
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
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
tb t0 ts t f
tl ts 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），放电发展速度不能忽略 不计，间隙的击穿特性具有新的特点
二、持续作用电压下空气的击穿电压
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
二、持续作用电压下空气的击穿电压
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
Ub 24.22d 6.08 d kV
式中 d 间隙距离，（cm）
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
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
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
根据起始场强经验公式估算击穿电压 U Emaxd / 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 E0d / f 30d / f kV Ｅ0 实际上和电极布置有关
二、持续作用电压下空气的击穿电压
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
在图所示范 围内击穿电压 和间隙距离呈 直线关系
4. 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
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 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，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
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
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
高电压技术
第7讲 气隙的击穿特性（一）
主要内容
气隙的击穿时间 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及伏秒特性 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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电电压的因素主要： 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
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 多级法、升降法
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
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
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—
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
击穿电压的估算
、操作冲击电压 大气条件：气压、温度、湿度 电压形式对空气间隙放电电压的影响
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
间隙上外施电压增加，放电 发展时间也会减小