第三章 气隙的电气强度u第一节第一节 气隙的击穿时间气隙的击穿时间u第二节第二节 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布u第三节第三节 大气条件对气隙击穿电压的影响大气条件对气隙击穿电压的影响u第四节第四节 较均匀较均匀/不均匀电场气隙的击穿电压不均匀电场气隙的击穿电压u第五节第五节 提高气隙击穿电压的方法提高气隙击穿电压的方法2021/9/1513.1 3.1 气隙的击穿时间气隙的击穿时间 n最低静态击穿电压最低静态击穿电压U0 n击穿时间击穿时间tb 升升压压时时间间t0 、统统计计时时延延ts 、放放电发展时间电发展时间tf 、放电时延放电时延 tl n短间隙短间隙(1厘米以下厘米以下) tfts ，平均统计时延平均统计时延 n较长的间隙中较长的间隙中 tl主要决定于主要决定于tfn间间隙隙上上外外施施电电压压增增加加，放放电电发展时间也会减小发展时间也会减小 2021/9/1523.2 3.2 气隙的伏秒特性气隙的伏秒特性一一. 电压波形电压波形（一）直流电压（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（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4565Hz范围内。2021/9/153 （ 三）三） 标准雷电冲击电压波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。T1视在波前时间； T2视在半峰值时间 ；Um冲击电压峰值 国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为：T1=1.2s 30% ；T2=50s20% 通常写成1.2/50s。 （四）（四） 标准雷电截波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：T1=1.2s 30% ；Tc=25s 。可写成1.2/ 25s .0.30.50.9100T1T2 u / Umt0.900.31 u / Um0T1Tct2021/9/154 （五）（五） 标准操作冲击电压波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=250s20%；半峰值时间T2=2500s60% 。可写成250/2500s冲击波冲击波。当在试验中上述波形不能满足要求时，推荐采用100/2500s 和 500/2500s 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20003000s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% 0.510 u / UmTcrT2tu0UmTcrtTcr=1000 1500us标准操作冲击电压波标准操作冲击电压波2021/9/155二、伏秒特性二、伏秒特性 气隙的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，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。秒特性。50%冲击击穿电压冲击击穿电压 （U50% )指某气隙被击穿的概率为指某气隙被击穿的概率为50%的的冲击电压峰值。冲击电压峰值。2021/9/156（一）伏秒特性曲线的制作（一）伏秒特性曲线的制作保持一定的冲击电压波保持一定的冲击电压波形不变，而逐级升高电形不变，而逐级升高电压压，以电压为纵坐标，以电压为纵坐标，时间为横坐标时间为横坐标电压较低时，击穿一般电压较低时，击穿一般发生在波尾发生在波尾，取该电压取该电压的峰值与击穿时刻，得的峰值与击穿时刻，得到相应的点到相应的点电压较高时，击穿一般电压较高时，击穿一般发生在波头发生在波头，取击穿时取击穿时刻的电压值及该时刻，刻的电压值及该时刻，得到相应的点得到相应的点u0t1232021/9/157 实际上实际上伏秒特性伏秒特性具有统计分散性，具有统计分散性，是一个以上下是一个以上下包线为界的带状区域。包线为界的带状区域。工程上，通常取工程上，通常取“50%伏秒特性伏秒特性曲线曲线”来表征一个气隙的冲击击穿特性。来表征一个气隙的冲击击穿特性。U50%u0t2313-U0%2-U50%1-U100%2021/9/158（二（二）伏秒特性的用途伏秒特性的用途1.间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布2.伏伏秒秒特特性性对对于于比比较较不不同同设设备备绝绝缘缘的的冲冲击击击击穿穿特特性性具具有有重要意义重要意义 3-2-6 对对1 起保护作用起保护作用 3-2-7在高幅值冲击电压作用下，在高幅值冲击电压作用下，不起保护作用不起保护作用2021/9/159三三. 气隙击穿电压的概率分布气隙击穿电压的概率分布 气隙击穿的几率分布接近气隙击穿的几率分布接近正态分布正态分布，通常可以用，通常可以用U50%和变异系数和变异系数Z来表示。来表示。100%的耐受电压是很难测的（要做无穷次的实验）的耐受电压是很难测的（要做无穷次的实验），实际中常用很高耐受几率，实际中常用很高耐受几率(例如例如99以上以上)的电压的电压作为耐受电压。作为耐受电压。2021/9/1510 由于大气的由于大气的压力、温度、湿度压力、温度、湿度等条件会影响空气的密度、等条件会影响空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程，影响电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程，影响气隙的击穿电气隙的击穿电压压Ub。 一、 我国的国家标准所规定的标准大气条件为：我国的国家标准所规定的标准大气条件为： 压力压力 p0 =101.3kpa； 温度温度 t0 =20 或或 T0 = 293K； 绝对湿度绝对湿度 hc =11g / m3 。3.33.3大气条件对气隙击穿电压的影响大气条件对气隙击穿电压的影响 2021/9/1511二、大气条件对击穿电压影响二、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气隙的击穿电压随大气密度或湿度的增加而升高 原因：原因： 大大气气密密度度升升高高而而击击穿穿电电压压升升高高：随随着着空空气气密密度度的的增增大大，气气体体中中自自由由电电子子的的平平均均自自由由程程缩缩短短了了，不不易易造成撞击电离。造成撞击电离。 湿湿度度的的增增加加而而击击穿穿电电压压升升高高：水水蒸蒸汽汽是是电电负负性性气气体体，易易俘俘获获自自由由电电子子形形成成负负离离子子，使使自自由由电电子子的的数数量减少，阻碍了电离的发展。量减少，阻碍了电离的发展。2021/9/1512式中式中: U 实际试验条件下的气隙击穿电压实际试验条件下的气隙击穿电压 U0 标准大气条件下的气隙击穿电压标准大气条件下的气隙击穿电压 Kd空气密度校正因数空气密度校正因数 Kh湿度校正因数湿度校正因数2021/9/1513 一、对空气密度的校正2021/9/1514 在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场强度都很大，电子运动速度较快，不易被水分子俘获，因而湿强度都很大，电子运动速度较快，不易被水分子俘获，因而湿度影响不太明显度影响不太明显 在极不均匀电场中，湿度影响就很明显了，可用下面的湿在极不均匀电场中，湿度影响就很明显了，可用下面的湿度校正因数来校正度校正因数来校正 Kh = KW 指数指数W之值取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极之值取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。具体值亦可参考有关国家标准性。具体值亦可参考有关国家标准 二、对湿度的校正2021/9/1515 我国国家标准规定：对于安装在海拔高于我国国家标准规定：对于安装在海拔高于1000m 、但不超过但不超过4000m 处的电力设施外绝缘，在处的电力设施外绝缘，在 1000m以下试验时其试验电压以下试验时其试验电压U 应为平原地区外绝缘的耐受电压应为平原地区外绝缘的耐受电压Up 乘以海拔校正因数乘以海拔校正因数Kn ， U = Ka Up式中式中 H安装点的海拔高度，安装点的海拔高度，m。 三、对海拔的校正2021/9/15163.4 3.4 较均匀电场气隙的击穿电压较均匀电场气隙的击穿电压1.均匀电场均匀电场2.特点：特点： 起始放电电压就等于气隙的击穿电压，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击穿电压与电压极性无关 空气的击穿电压空气的击穿电压(峰值峰值) 的经验公式为的经验公式为 式中式中 S 间隙距离（间隙距离（cm） 空气相对密度空气相对密度电气强度（峰值）大致等于电气强度（峰值）大致等于30kV/cm 2021/9/15172. 稍不均匀电场中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，极性效应不很明显电场不对称时，极性效应不很明显 3)直直流流、工工频频下下的的击击穿穿电电压压(幅幅值值)以以及及50冲冲击击击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大4)击击穿穿电电压压和和电电场场均均匀匀程程度度关关系系极极大大，电电场场越越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高 球球球间隙，球球间隙，球板间隙，同轴圆柱间隙板间隙，同轴圆柱间隙 2021/9/1518n影响击穿电压的主要因素是间隙距离影响击穿电压的主要因素是间隙距离n选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究 棒棒(尖尖)板板 ：电场分布不均匀、：电场分布不均匀、不对称不对称 棒棒(尖尖)棒棒(尖尖) ：电场分布不均匀、：电场分布不均匀、对称对称 n直直流流、工工频频及及冲冲击击击击穿穿电电压压间间的的差差别别比比较较明明显显，分散性较大，且极性效应显著分散性较大，且极性效应显著 n工工程程上上，击击穿穿电电压压可可以以参参照照与与接接近近的的典典型型气气隙隙的击穿电压来估计的击穿电压来估计3.5 3.5 不均匀电场气隙的击穿电压不均匀电场气隙的击穿电压2021/9/15191. 1. 直流电压下的击穿电压直流电压下的击穿电压棒棒板板间间隙隙：棒棒具具有有正正极极性性时时，平平均均击击穿穿场场强强约约为为4.5kV/cm；棒棒具具有有负极性时约为负极性时约为l0kV/cm棒棒棒棒间间隙隙的的平平均均击击穿穿场强约为场强约为5.4kV/cm极性效应：极性效应：2021/9/15202. 2. 工频电压下的击穿电压工频电压下的击穿电压 n击击穿穿在在棒棒的的极极性性为为正正、电电压达到幅值时发生压达到幅值时发生 n除除了了起起始始部部分分外外，击击穿穿电电压和距离近似直线关系压和距离近似直线关系 n棒棒 棒棒 3.8kV/cm， 棒棒 板低：板低：极性效应极性效应n“饱饱和和现现象象” ：距距离离加加大大，平平均均击击穿穿场场强强明明显显降降低低，棒棒板板间间隙隙尤尤为为严重严重 d1m， 5 kV/cm dlm，2 kV/cm图图3-5-2 棒棒棒和棒和板空气间隙的棒和棒和板空气间隙的 工频击穿电压与间隙距离的关系工频击穿电压与间隙距离的关系2021/9/1521结论结论:气隙较大时（气隙较大时（S大于大于2.5m），），击穿电压与距离关系出现了明显击穿电压与距离关系出现了明显的饱和趋向，特别是棒的饱和趋向，特别是棒板气隙，其饱和趋向更明显。板气隙，其饱和趋向更明显。2021/9/1522图图3-5-4 气隙的冲击击穿电压与距离的关系气隙的冲击击穿电压与距离的关系3 3雷电冲击电压下雷电冲击电压下2021/9/15234 .4 .操作冲击电压下操作冲击电压下极不均匀电场中的操作击穿有许多特点极不均匀电场中的操作击穿有许多特点2021/9/1524特点特点1.极性效应极性效应 极极不不均均匀匀电电场场中中同同样样有有极极性性效效应应。正正极极性性下下50击击穿穿电电压压比负极性下低，所以也更危险比负极性下低，所以也更危险 2.电场分布的影响电场分布的影响 “邻邻近近效效应应” ：接接地地物物体体靠靠近近放放电电间间隙隙会会显显著著降降低低其其正正极极性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压性击穿电压，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电极形状对间隙的击穿电压也有很大影响 2021/9/15253.3.波形的影响波形的影响 n在在一一定定的的波波前前时时间间范范围围内内，U50 甚甚至至会会比比工工频频击击穿穿电电压压低低 ，呈呈现现出出 “形形曲曲线线” n对对应应于于极极小小值值的的波波前前时时间间随随着着间间隙隙距距离离加加大大而而增增加加，对对7m以以下下的的间间隙隙，大大致致在在50 200 s之间之间n放放电电时时延延和和空空间间电电荷荷(形形成成及及迁迁移移)这这两两类类不不同同因因素的影响所造成的素的影响所造成的 2021/9/1526n分散性大分散性大 对对于于波波前前时时间间在在数数十十到到数数百百微微秒秒的的操操作作冲冲击击电电压压，极极不不均均匀匀电电场场间间隙隙50击击穿穿电电压压的的标标准准偏偏差差 约约为为5；波波前前时时间间超超过过1000 s以以后后，可可达达8左左右右（工工频频及及雷雷电电冲击电压下均约为冲击电压下均约为3） n“饱和饱和”现象现象 和和工工频频电电压压下下类类似似，极极不不均均匀匀电电场场中中操操作作冲冲击击50击击穿穿电电压压和和间间隙隙距距离离的的关关系系具具有有明明显显的的“饱饱和和”特特征征（雷雷电冲击电冲击50击穿电压和距离大致呈线性关系击穿电压和距离大致呈线性关系 ） 2021/9/1527n50击穿电压极小值的经验公式击穿电压极小值的经验公式 式中式中 d 间隙距离，间隙距离，m上式对于上式对于2 20m的长间隙和试验结果很好地符合的长间隙和试验结果很好地符合2021/9/15283.6 3.6 提高气体间隙击穿电压的措提高气体间隙击穿电压的措施施两个途径：两个途径： 一、改善电场分布，使之尽量均匀一、改善电场分布，使之尽量均匀 改进电极形状改进电极形状 利用空间电荷畸变电场的作用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二、利用其它方法来削弱气体中的电离过程 2021/9/1529( (一）改善电场分布一）改善电场分布 n增增大大电电极极曲曲率率半半径径（简简称称屏蔽）屏蔽） 减减小小表表面面场场强强。如如变变压压器器套套管管端端部部加加球球形形屏屏蔽蔽罩罩；采用扩径导线等采用扩径导线等n改善电极边缘改善电极边缘 电极边缘做成弧形电极边缘做成弧形n使电极具有最佳外形使电极具有最佳外形 如如穿穿墙墙高高压压引引线线上上加加金金属属扁球扁球2021/9/1530（二）（二） 高真空的采用高真空的采用n削削弱弱间间隙隙中中的的碰碰撞撞电电离离过过程程，从从而而显显著著增增高高间间隙隙的的击击穿电压穿电压 n高高真真空空中中击击穿穿机机理理发发生生了了改改变变：撞撞击击电电离离的的机机制制不不起起主要作用，而击穿与强场发射有关主要作用，而击穿与强场发射有关应用：真空断路器中应用：真空断路器中用作绝缘和灭弧。用作绝缘和灭弧。2021/9/1531（三）高气压的采用（三）高气压的采用 n减小电子的平均自由行程，削弱电离过程减小电子的平均自由行程，削弱电离过程例例：大大气气压压力力下下空空气气的的电电气气强强度度仅仅约约为为变变压压器器油油的的1/5 1/8，提提高高压压力力至至1 1.5MPa，空空气气的的电电气气强强度度和和一一般般的的液液、固固态态绝绝缘缘材材料料如如变变压压器器油油、电电瓷瓷、云云母母等等的的电气强度相接近电气强度相接近 n压压缩缩空空气气绝绝缘缘及及其其它它压压缩缩气气体体绝绝缘缘在在一一些些电电气气设备中已得到采用设备中已得到采用如：高压空气断路器、高压标准电容器等如：高压空气断路器、高压标准电容器等2021/9/1532n均匀电场中的击穿电压均匀电场中的击穿电压在在一一定定的的压压力力范范围围内内，击击穿穿场场强强的的提提高高遵遵循循巴巴申申定定律律，并并且且击击穿穿场场强强大大致和气压成正比致和气压成正比 大大约约从从1MPa开开始始，实实验验结结果果和和巴巴申申定定律律的的分分歧歧就逐渐明显了就逐渐明显了 2021/9/1533n不均匀电场中的击穿电压不均匀电场中的击穿电压不不均均匀匀电电场场中中提提高高气气压压后后，间间隙隙的的击击穿穿电电压压也将高于大气压强下的数值也将高于大气压强下的数值在在高高气气压压下下，电电场场均均匀匀程程度度对对击击穿穿电电压压的的影影响响比比在在大大气气压压力力下下要要显显著著得得多多，电电场场均均匀匀程度下降，击穿电压将剧烈降低程度下降，击穿电压将剧烈降低2021/9/1534n含含卤卤族族元元素素的的气气体体化化合合物物，如如六六氟氟化化硫硫（SF6）、氟氟利利昂昂（CCl2F2）等等，其其电电气气强强度度比比空空气气的的要要高高很很多多。称称为高电气强度气体为高电气强度气体 （四（四）高电气强度气体的采用高电气强度气体的采用2021/9/1535n 卤化物气体电气强度高的原因卤化物气体电气强度高的原因 1由由于于含含有有卤卤族族元元素素，气气体体具具有有很很强强的的电电负负性性，气气体体分分子子容容易易和和电电子子结结合合成成为为负负离离子子，削削弱弱电电子子的的碰碰撞撞电电离能力，同时又加强复合过程离能力，同时又加强复合过程气气体体的的分分子子量量比比较较大大，分分子子直直径径较较大大，电电子子在在其其中中的的自自由由行行程程缩缩短短，不不易易积积聚聚能能量量，从从而而减减少少其其碰碰撞撞电离能力电离能力电电子子和和这这些些气气体体的的分分子子相相遇遇时时，还还易易于于引引起起分分子子发发生生极极化化等等过过程程，增增加加能能量量损损失失，从从而而减减弱弱其其碰碰撞撞电电离能力离能力2021/9/1536n对高电气强度气体的要求对高电气强度气体的要求1液液化化温温度度要要低低，采采用用高高电电气气强强度度气气体体时时，常常常常同同时时提提高高压压力力，以以便便更更大大程程度度的的提提高高间间隙隙的的击击穿穿电电压压，缩缩小小设设备备的的体体积积和和重重量量。所所以以这这些些气气体体的的液液化化温温度度要要低，以便在较低的运行温度下，还能施加相当的压力低，以便在较低的运行温度下，还能施加相当的压力2应应具具有有良良好好的的化化学学稳稳定定性性，不不易易腐腐蚀蚀设设备备中中的的其其它它材材料料，无无毒毒，不不会会爆爆炸炸，不不易易燃燃烧烧，即即使使在在放放电电过过程中也不易分解等程中也不易分解等3经济上应当合理，价格便宜，能大量供应经济上应当合理，价格便宜，能大量供应 2021/9/1537（五（五） SF6气体的应用气体的应用n目目前前工工程程上上已已得得到到采采用用的的是是六六氟氟化化硫硫（SF6）。SF6除除了了其其电电气气强强度度很很高高以以外外，还还具具有有优优良良的的灭灭弧弧性性能能，很适合用于高压断路器中很适合用于高压断路器中nSF6已已不不仅仅用用来来制制作作单单台台电电气气设设备备（如如SF6断断路路器器、避避雷雷器器、电电容容器器等等），而而且且发发展展成成了了各各种种组组合合设设备备，即即将将整整套套送送变变电电设设备备组组成成一一体体，密密封封后后充充以以SF6气气体体，如如全全封封闭闭组组合合电电器器、气气体体绝绝缘缘变变电电所所、充充气气输输电电管管道道等等。这这些些SF6组组合合设设备备具具有有很很多多优优点点，如如可可大大大节省占地面积、简化运行维护等等大节省占地面积、简化运行维护等等2021/9/1538谢谢谢谢! !2021/9/1539作作 业业第三章第三章 1 1、什么叫间隙的伏秒特性曲线、什么叫间隙的伏秒特性曲线? ?它有什么作用它有什么作用? ?2 2、试举例提高气隙（气体间隙）击穿电压的各、试举例提高气隙（气体间隙）击穿电压的各种方法。种方法。 2021/9/1540