极不均匀电场气隙的击穿电压-天津理工大学中环信息学院

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题目：气隙的电气强度
讲授内容提要：
1.气隙的击穿时间
2. 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布
3．大气条件对气隙击穿电压的影响
4．均匀电场和稍不均匀电场气隙的击穿电压
5．极不均匀电场气隙的击穿电压
6．提高气隙击穿电压的方法
教学目的：了解基本电压波形，伏秒特性的定义、制作和应用
教学重点：理解大气条件对气隙击穿电压的影响
教学难点：理解各种电场在不同电压下的击穿电压
采用教具和教学手段：多媒体及板书
授课时间：2014年9月1日授课地点：新教学楼1108 教室注：此页为每次课首页，教学过程后附；以每次（两节）课为单元编写教案。

第三章气隙的电气强度
本次课主要内容：
1.气隙的击穿时间
2. 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布
3．大气条件对气隙击穿电压的影响
4．均匀电场和稍不均匀电场气隙的击穿电压
5．极不均匀电场气隙的击穿电压
6．提高气隙击穿电压的方法
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
气隙的伏秒特性
一. 电压波形
（一）直流电压
直流试验电压大都由交流整流而得，其波形必然有一定的脉动，纹波系数为脉动幅值与平均值之比。

国家标准规定被试品上直流试验电压的纹波系数应不大于3％。

（二）工频交流电压
工频交流试验电压应近似为正弦波，正负两半波相同，其峰值与有
效值之比应在
以内。

频率一般在45—65Hz 范围内。

（三）标准雷电冲击电压波
用来模拟雷电过电压波，采用非周期性双指数波。

T 1——视在波前
时间； T 2——视在半峰值时间 ；U m ——冲击电压峰值
（四）标准雷电截波
用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪落后出现的截尾冲击波，如图。

IEC 标准和我国国家标准规定为：T 1=1.2μs ±30% ；T c =2～5μs 。

可写成1.2/ 2～5μs .
（五）标准操作冲击电压波
用来等效模拟电力系统中操作过电压波，一般也用非周期性双指数波。

波前时间Tcr=250μs ±20%；半峰值时间T2=2500μs ±60% 。

可写成250/2500μs 冲击波。

当在试验中上述波形不能满足要求时，推荐采用100/2500μs 和 500/2500μs 冲击波。

此外还建议采用一种衰减震荡波[下右图]，第一个半波的持续时间在2000～3000μs 之间，极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80%
二、伏秒特性
气隙的伏秒特性——在同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，气隙上出现的电压最大值和放电时间的关系，称为该气隙的伏秒特性。

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
大气条件对气隙击穿电压的影响
由于大气的压力、温度、湿度等条件会影响空气的密度、电子自由07.02
行程长度、碰撞电离及附着过程，影响气隙的击穿电压Ub。

一、我国的国家标准所规定的标准大气条件为：
压力p0 =101.3kpa；
温度t0 =20℃ 或T0 = 293K；
绝对湿度h c =11g / m3
二、大气条件对击穿电压影响
气隙的击穿电压随大气密度或湿度的增加而升高
原因：
①大气密度升高而击穿电压升高：随着空气密度的增大，气体中自由电子的平均自由程缩短了，不易造成撞击电离。

②湿度的增加而击穿电压升高：水蒸汽是电负性气体，易俘获自由电子形成负离子，使自由电子的数量减少，阻碍了电离的发展。

较均匀电场气隙的击穿电压
1.均匀电场
特点：
起始放电电压就等于气隙的击穿电压，
击穿电压与电压极性无关
空气的击穿电压(峰值) 的经验公式为
式中S−−间隙距离（cm）
δ−−空气相对密度
电气强度（峰值）大致等于30kV/cm
2.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
不均匀电场气隙的击穿电压
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：电场分布不均匀、不对称
棒(尖)—棒(尖) ：电场分布不均匀、对称
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
工程上，击穿电压可以参照与接近的典型气隙的击穿电压来估计
1. 直流电压下的击穿电压
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5.4kV/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3.8kV/cm，棒—板低：极性效应
“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
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）改善电场分布
增大电极曲率半径（简称屏蔽）。

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
使电极具有最佳外形。

如穿墙高压引线上加金属扁球
（二）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：撞击电离的机制不起主要作用，而击穿与强场发射有关
（三）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1/5~1/8，提高压力至1~1.5MPa，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
（四）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
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
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
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
（五） SF6气体的应用
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。