气体介质电气强度计算

稍不均匀电场的击穿特点：
➢击穿前无电晕； ➢无明显的极性效应； ➢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。
稍不均匀电场的击穿电压通常可以根据起始场强 经验公式进行估算
UEmaxd/f
(1-35)
f 取决于电极布置，可用静电场计算的方法或电 解槽实验的方法求得。
对于稍不均匀场，当 Emax 达临界场强 E 0 时，U达到 击穿电压U b ，从而
1、雷电冲击电压的标准波形
雷电能对地面设备造成危害的主要是云地闪。 按雷电发展的方向可分为： ➢下行雷
在雷云中产生并向大地发展； ➢上行雷
由接地物体顶部激发，并向雷云方向发展。
下行负极性雷通常可分为3个主要阶段：
➢先导过程 ➢主放电过程 ➢余光放电过程
先导过程：延续约几毫秒，以远级发展、 高电导、高温的、具有极高电位的先导通道将 雷云到大地之间的气隙击穿。沿先导通道分布 着电荷，其数量达几库仑。
主放电过程：当下行先导和大地短接时， 发生先导通道放电的过渡过程。在主放电过程 中，通道产生突发的亮光，发出巨大的声响， 沿着雷电通道流过幅值很大、延续时间为近百 微秒的冲击电流。
余光放电：主放电完成后，云中的剩余电荷 沿着雷电通道继续流向大地，这时在展开照片上 看到的是一片模糊发光的部分，相应的电流是逐 渐衰减的，约为 103 ~101 A，延续时间约为几毫 秒。
(1-57)
Emax0.9U d(12dr)
(1-58)
f 0.9(1 d ) 2r
Uc
E0
d 0.9(1d/2r)
(1-59)
(1-60)
Байду номын сангаас
另外，对于某些不太好根据经验公式求的电场结 构，也可以用 E 0＝30kV/cm进行大致估算，则间隙击 穿电压 U b 为
Ub 30d/ f
(1-61)
3、极不均匀电场中的击穿
上述3个阶段组成下行负雷的第一个分量。
通常，雷电放电并未结束，随后还有几个(甚至十 几个)后续分量。每个后续分量也是由重新使雷电通道 充电的先导阶段、使通道放电的主放电阶段和余光放电 阶段组成。各分量中的最大电流和电流增长最大陡度是 造成被击物体上的过电压、电动力、电磁脉冲和爆破力 的主要因素。而在余光阶段中流过较长时间的电流则是 造成雷电热效应的重要因素。
对于图 1-11所示的击穿电压(峰值)实验曲线，可用 以下经验公式表示：
U b2.2 42 d6.08dk V
(1-34)
式中 d－间隙距离，cm；
－空气相对密度
从图 1-11 中可以得出，当d在1～10cm范围内时，击
穿强度 E （b 用电压峰值表示）约等于30kV/cm。
2、稍不均匀电场中的击穿
极不均匀场的击穿特性：
➢电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱； ➢极间距离对击穿电压的影响增大； ➢在直流电压中，直流击穿电压的极性效应非 常明显；
➢工频电压下，击穿都发生在正半周峰值附近。
当间隙距离不大时，击穿电压基本上与间 隙距离呈线性上升的关系；
当间隙距离很大时，平均击穿场强明显降 低，即击穿电压不再随间隙距离的增大而线性 增加，呈现出饱和现象。
图1-13表示雷电冲击电压的标准波形和确定其波 前和波长时间的方法(波长指冲击波衰减至半峰值的 时间)。
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1.2.1 持续作用电压下的击穿
1、均匀电场中的击穿
实际中，大均匀 电场间隙要求电极尺 寸做得很大。因此， 对于均匀场间隙，通 常只有间隙长度不大 时的击穿数据，如图 1-11所示。
图1-11 均匀电场中空气间隙的击穿电压峰值 U b 随间隙距离d的变化
均匀电场的击穿特性：
➢电极布置对称，无击穿的极性效应； ➢间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短； ➢直流击穿电压、工频击穿电压峰值以及50％冲击 击穿电压相同； ➢击穿电压的分散性很小。
U Emax rln(R/r)
(1-50)
f Rr rln(R/ r)
(1-51)
R
Uc
E0r
ln( r
)
(1-52)
同心球电极
E024(11/ r)
Emax
RU r(Rr)
(1-53) (1-54)
f R/r
Uc
E0
(Rr)r R
(1-55) (1-56)
球－球电极
E 02.7 7 (10.33 / r7 )
(1-38)
f 0.9 1d / r
(1-39)
Uc
E0
dr 0.9(dr)
(1-40)
柱—板电极
E 03.3 0 (10.29 / r8 )
(1-41)
0.9U Emax r ln(d r)
r
(1-42)
f
0.9d r ln( d r )
r
(1-43)
d r
rln( )
Uc E0
r 0.9
Ub E0d/ f
(1-36)
下面给出几种典型的电极结构:
图1-12 几种典型电极结构示意图 1、同心球 2、球－平板 3、球－球 4、同轴圆柱 5、圆柱－平板 6、圆柱－圆柱 7、曲面－平面 8、曲面－曲面
球－板电极
E 02.7 7 (10.33 / r7 )
(1-37)
rd U d E ma x 0 .9 U rd0 .9d(1r)
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1.2.2 雷电冲击电压下的击穿
大气中雷电产生的过电压对高压电气设备绝缘 会产生重大威胁。因此在电力系统中，一方面应采 取措施限制大气过电压，另一方面应保证高压电气 设备能耐受一定水平的雷电过电压。
雷电过电压是一种持续时间极短的脉冲电压，在 这种电压作用下绝缘的击穿具有与稳态电压下击穿 不同的特点。
(1-44)
平行圆柱电极
E 03.3 0 (10.29 / r8 )
(1-45)
Emax
2r
0.9U ln(d
2r)
2r
(1-46)
f 0.9d 2r ln(d 2r) 2r
(1-47)
d 2r
2rln( )
Uc E0
2r 0.9
(1-48)
同轴圆柱电极
E 03.5 1 (10.30 / r5 ) (1-49)
气体介质的电气强度计算
实际工程应用中，击穿电压的确定 方式如下：
➢参照一些典型电极的击穿电压来 选择绝缘距离；
➢根据实际电极布置情况，通过实 验来确定。
空气间隙放电电压的影响因素如下：
➢ 电场情况 ➢ 电压形式 ➢ 大气条件
本节内容
1.2.1 持续作用电压下的击穿 1.2.2 雷电冲击电压下的击穿 1.2.3 操作冲击电压下空气的绝缘特性 1.2.4 大气条件对气体击穿的影响 1.2.5 提高气体击穿电压的措施