高电压-气体间隙的击穿强度PPT课件.ppt

高高高高电压电压工程基工程基工程基工程基础础第三章第三章第三章第三章 气体气体气体气体间间隙隙隙隙的的的的击击穿穿穿穿强强度度度度任任课教教师：赵 彤彤山山东大学大学电气工程学院气工程学院 电场情况情况均匀均匀电场、稍不均匀、稍不均匀电场、极不均匀、极不均匀电场影响气体影响气体间隙隙击穿穿电压的主要因素：的主要因素：高电压工程基础 电压形式形式稳态电压（直流（直流电压与交流与交流电压）、雷）、雷电冲冲击电压、操作冲、操作冲击电压 大气条件大气条件气气压、温度、湿度、温度、湿度2-一、一、稳态电压下的下的击穿穿二、雷二、雷电冲冲击电压下的下的击穿穿三、操作冲三、操作冲击电压下的下的击穿穿四、大气密度和湿度四、大气密度和湿度对击穿的影响穿的影响五、提高气体五、提高气体间隙隙击穿穿电压的措施的措施高电压工程基础第三章第三章 气体气体间隙的隙的击穿穿强度度3-高电压工程基础稳态电压（持（持续电压）指直流）指直流电压或工或工频交流交流电压。3.1 稳态电压下的下的击穿穿特点：特点：电压变化的速度和化的速度和间隙中放隙中放电发展的速度相展的速度相比极小，故放比极小，故放电发展所需的展所需的时间可以忽略不可以忽略不计，只要作用于只要作用于间隙的隙的电压达到达到击穿穿电压，间隙就会隙就会发生生击穿。穿。4-高电压工程基础直流直流电压：交流交流电压：直流中所含的脉直流中所含的脉动分量的脉分量的脉动系数不大于系数不大于3%。（脉（脉动系数是指脉系数是指脉动幅幅值与直流与直流电压的平均的平均值之比）之比）直流直流电压的大小指直流的大小指直流电压的平均的平均值。波形接近于正弦波，正、波形接近于正弦波，正、负两半波相同，峰两半波相同，峰值与有与有效效值之比之比为 ，偏差不超，偏差不超过5-高电压工程基础1、均匀、均匀电场中的中的击穿穿因因电极布置极布置对称，所以称，所以击穿穿电压无极性效无极性效应。因因击穿前穿前间隙各隙各处场强相等，相等，击穿前无穿前无电晕发生，生，起始放起始放电电压等于等于击穿穿电压。不不论何种何种电压（直流、交流、正（直流、交流、正负50%冲冲击电压）作用，其作用，其击穿穿电压（峰（峰值）都相同，且分散性很小。）都相同，且分散性很小。6-高电压工程基础1、均匀、均匀电场中的中的击穿穿均匀均匀电场中空气中空气间隙的隙的击穿穿电压（峰（峰值）可根据下面）可根据下面经验公式求得：公式求得：式中式中 d 间隙距离，隙距离，cm；空气相空气相对密度。密度。均匀均匀电场中空气中空气的的击穿穿场强（峰（峰值）为30kV/cm。7-高电压工程基础2、稍不均匀、稍不均匀电场中的中的击穿穿稍不均匀稍不均匀电场中各中各处的的场强差异不大，差异不大，间隙中任何一隙中任何一处若出若出现自持放自持放电，必将立即，必将立即导致整个致整个间隙的隙的击穿。所以穿。所以对稍稍不均匀的不均匀的电场，任何一，任何一处自持放自持放电的条件，就是整个的条件，就是整个间隙隙击穿的条件。穿的条件。电场不不对称称时，击穿穿电压有极性效有极性效应，但不，但不显著。著。击穿前有穿前有电晕发生，但不生，但不稳定，一出定，一出现电晕，立即，立即导致致整个整个间隙隙击穿。穿。间隙距离一般不是很大，放隙距离一般不是很大，放电发展所需展所需时间短。直流短。直流击穿穿电压、工、工频击穿穿电压峰峰值及及50%冲冲击击穿穿电压几乎一几乎一致，且分散性不大。致，且分散性不大。8-高电压工程基础2、稍不均匀、稍不均匀电场中的中的击穿穿稍不均匀稍不均匀电场的的击穿穿电压与与电场均匀度关系极均匀度关系极大，没有能大，没有能够概括各种概括各种电极极结构的构的统一的一的经验公式。公式。通常是通常是对一些典型的一些典型的电极极结构做出一批构做出一批实验数据，数据，实际的的电极极结构只能从典型构只能从典型电极中极中选取取类似的似的进行行结构估算。构估算。电场越均匀，同越均匀，同样间隙距离下的隙距离下的击穿穿电压越越高，其极限就是均匀高，其极限就是均匀电场中的中的击穿穿电压。9-高电压工程基础（1）球）球间隙隙（eg：高：高压实验室中的室中的测量球隙）量球隙）a.dD/4时，电场不不均匀程度增大，均匀程度增大，击穿穿场强下降，下降，出出现极性效极性效应；c.球隙球隙测压器的工器的工作范作范围dD/2；否；否则因放因放电分散性分散性增大，不能保增大，不能保证测量的精度。量的精度。2、稍不均匀、稍不均匀电场中的中的击穿穿10-高电压工程基础（2）同）同轴圆柱柱电极极（eg：高：高压标准准电容器、容器、单芯芯电缆、GIS分相母分相母线）（1）r/R0.1时，稍不均匀，稍不均匀电场，击穿前不出穿前不出现电晕，且由，且由图可可见，当当r/R 0.33时击穿穿电压出出现极大极大值（上述（上述电气气设备在在绝缘设计时尽尽量将量将r/R选取取0.250.4的范的范围内）。内）。2、稍不均匀、稍不均匀电场中的中的击穿穿11-高电压工程基础（3）其他形状的）其他形状的电极布置极布置 球状球状电极的极的电场不均匀系数不均匀系数大于相同半径的大于相同半径的圆柱柱电极；极；间隙距离增大隙距离增大时，电场不均不均匀系数也增大。匀系数也增大。2、稍不均匀、稍不均匀电场中的中的击穿穿12-高电压工程基础3、极不均匀、极不均匀电场中的中的击穿穿由于存在局部由于存在局部强场区，故区，故间隙隙击穿前有穿前有稳定的定的电晕放放电，间隙的起始放隙的起始放电电压小于小于击穿穿电压。对电极形状不极形状不对称的极不均匀称的极不均匀电场，有明，有明显的极的极性效性效应。因因间隙距离隙距离长，放，放电发展所需展所需时间长，故外加，故外加电压的波形的波形对击穿穿电压的影响大，的影响大，击穿穿电压的分散的分散性大。性大。13-高电压工程基础电场不均匀程度不均匀程度对击穿穿电压的影响减弱（由的影响减弱（由于于电场已已经极不均匀），极不均匀），间隙距离隙距离对击穿穿电压的的影响增大。可以影响增大。可以选择电场极不均匀的极端情况，极不均匀的极端情况，棒棒板和棒板和棒棒作棒作为典型典型电极极结构，它构，它们的的击穿穿电压具有代表性。具有代表性。在工程遇到很多极不均匀在工程遇到很多极不均匀电场时，可以根据，可以根据这些典型些典型电极的极的击穿穿电压数据做数据做简单的估算。的估算。极不均匀极不均匀电场的的击穿穿电压的特点：的特点：14-高电压工程基础（1）直流）直流电压作用的作用的击穿穿电压棒棒板、棒板、棒棒棒间隙的直流隙的直流击穿穿电压与与间隙距离的关系曲隙距离的关系曲线正棒正棒负板板间隙的隙的击穿穿电压最低，最低，负棒棒正板正板间隙的隙的击穿穿电压最高，最高，棒棒棒棒间隙的隙的击穿穿电压介于两者之介于两者之间。15-高电压工程基础（2）工）工频交流交流电压作用的作用的击穿穿电压由于棒由于棒板板间隙的隙的击穿穿总是是发生在棒生在棒级为正正时的半个周的半个周期且期且电压达幅达幅值时，故其，故其击穿穿电压（峰（峰值）和直流下正）和直流下正棒棒负板板时的的击穿穿电压相近。相近。在在电气气设备上，上，应尽量采用尽量采用棒棒-棒棒类对称型的称型的电极极结构，构，而避免棒而避免棒-板板类不不对称的称的电极极结构。构。棒棒和棒板空气棒棒和棒板空气间隙的工隙的工频击穿穿电压（有效（有效值）16-高电压工程基础1、均匀、均匀电场的的击穿特点穿特点击穿前无穿前无电晕、无极性效、无极性效应、各种、各种电压作用作用时其其击穿穿电压（峰（峰值）都相同。）都相同。2、稍不均匀、稍不均匀电场的的击穿特点穿特点击穿前无穿前无稳定定电晕、极性效、极性效应不明不明显、各种、各种电压作用下的作用下的击穿穿电压几乎一致。几乎一致。3、极不均匀、极不均匀电场的的击穿特点穿特点击穿前有穿前有稳定的定的电晕、有明、有明显的极性效的极性效应、各种、各种电压波形波形对击穿穿电压影响很大。影响很大。小小 结：17-高电压工程基础3.2 雷雷电冲冲击电压下的下的击穿穿1、冲、冲击电压的的标准波形准波形标准雷准雷电波波的波形：的波形：T1=1.2s30，T2=50s20对于不同极性：于不同极性：+1.2/50s或或-1.2/50s操作冲操作冲击波波的波形：的波形：T1=250s20，T2=2500s60对于不同极性：于不同极性：+250/2500s或或-250/2500s 波前时间 半峰值时间 18-高电压工程基础足足够大的大的电场强度或足度或足够高的高的电压在气隙中存在能引起在气隙中存在能引起电子崩并子崩并导致流注和主放致流注和主放电的的有效有效电子子需要一定的需要一定的时间，让放放电得以逐步得以逐步发展并完成展并完成击穿穿完成气隙完成气隙击穿的三个必穿的三个必备条件：条件：2、放、放电时延延19-高电压工程基础直流直流电压、工、工频交流等持交流等持续作用的作用的电压，可以，可以满足足上述三个条件；上述三个条件；当所加当所加电压为变化速度很快，作用化速度很快，作用时间很短的冲很短的冲击电压时，因有效作用，因有效作用时间短（以微秒短（以微秒计），此），此时放放电时间就就变成一个重要因素。成一个重要因素。完成完成击穿所需放穿所需放电时间很短的（微秒很短的（微秒级）：）：静静态击穿穿电压：稳态电压作用在作用在间隙上能使隙上能使间隙隙击穿穿的最低的最低电压。击穿穿时间：间隙从开始加隙从开始加压的瞬的瞬时到完全到完全击穿所需的穿所需的时间，也称，也称为全部放全部放电时间。20-高电压工程基础升压时间t1：电压从零升到静态击穿电压所需的时间 统计时延ts：从外施电压达到Uo时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子为止，所需的时间。放电形成时延tf：从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间击穿穿时间：td=t1+ts+tf 放放电时延：延：tl=ts+tf21-高电压工程基础电场较均匀均匀时，由于平均，由于平均场强很高，放很高，放电发展速度快，展速度快，放放电时延近似等于延近似等于统计时延延。对于于极不均匀极不均匀电场，由，由于局部于局部场强高（出高（出现有效有效电子的概率增加），而平均子的概率增加），而平均场强较低（放低（放电发展速度慢），展速度慢），放放电时延主要取决于延主要取决于放放电形成形成时延延。放放电时延延还与外加与外加电压大小有关，大小有关，总的的趋势是是总电压越高，放越高，放电过程程发展的越快，放展的越快，放电时延越短。延越短。放放电时延与延与电场均匀度有关：均匀度有关：22-高电压工程基础放放电时延服从延服从统计规律，因此冲律，因此冲击击穿穿电压具有一定具有一定的分散性。工程上常用的分散性。工程上常用50%冲冲击击穿穿电压U50%表示表示间隙的冲隙的冲击击穿特性。穿特性。3、50击穿穿电压及冲及冲击系数系数U50%间隙被隙被击穿的概率穿的概率为50%的冲的冲击电压峰峰值。冲冲击击穿穿电压的放的放电概率一般概率一般认为服从高服从高斯分布：斯分布：23-高电压工程基础确定确定间隙的隙的U50%的方法的方法:保持保持标准波形不准波形不变，逐逐级升高升高电压幅幅值，每每级电压值加加10次次，直到每直到每10次中有次中有4-6次次击穿穿，则此此电压可作可作为该间隙大致的隙大致的U50%。每。每级加加压次数越多次数越多，所得的所得的U50%越准确越准确。U50%与静与静态击穿穿电压U0的比的比值称称为冲冲击系数系数。均匀和稍不均匀均匀和稍不均匀电场下，下，1；极不均匀极不均匀电场中，中，1，冲，冲击击穿穿电压的分散性也的分散性也较大。大。24-高电压工程基础因因为U50%只是在一定波形下只是在一定波形下对应于某个固定于某个固定击穿穿时间的的击穿穿电压，所以它不能代表任何，所以它不能代表任何击穿穿时间下下间隙的隙的击穿穿电压。即。即U50%不能全面反映不能全面反映间隙的冲隙的冲击击穿特性。穿特性。同一同一间隙在不同波形的冲隙在不同波形的冲击电压作用下，其作用下，其U50%是不是不同的，如无特同的，如无特别说明，一般指用明，一般指用标准波形做出的。准波形做出的。25-高电压工程基础图为标准雷准雷电冲冲击电压下棒下棒板及棒板及棒棒棒间隙隙的的U50%和距离的关系。和距离的关系。1.正棒正棒-板板 2.正棒正棒-棒棒(接地接地)3.负棒棒-棒棒(接地接地)4.负棒棒-板板棒棒板板间隙具有明隙具有明显的的极性效极性效应，棒，棒棒棒间隙隙也具有不大的极性效也具有不大的极性效应。这是由于大地的影响，是由于大地的影响，使不接地的棒极附近使不接地的棒极附近电场增增强的的缘故。故。U50%与与间隙距离隙距离间保持保持良好的良好的线性关系。性关系。26-高电压工程基础一个一个间隙要隙要发生生击穿，不穿，不仅需要足需要足够高的高的电压，而且而且还必必须有充分的有充分的电压作用作用时间。4、伏秒特性、伏秒特性对于冲于冲击电压波，气隙的波，气隙的击穿穿电压与与该电压的波的波形有很大的关系。其形有很大的关系。其击穿穿电压不能不能简单地用地用单一的一的击穿穿电压值表示，而必表示，而必须用用电压峰峰值和延和延续时间两者共两者共同表示。同表示。同一个气隙，冲同一个气隙，冲击电压的峰的峰值较低但延低但延续时间较长，在此，在此电压作用下，可能被作用下，可能被击穿；冲穿；冲击电压的峰的峰值较高但持高但持续时间较短，可能反而不被短，可能反而不被击穿。穿。27-高电压工程基础伏秒特性伏秒特性对某一冲某一冲击电压波形，波形，间隙上出隙上出现的的电压最大最大值和和间隙隙击穿穿时间的关系曲的关系曲线。用用实验确定确定间隙伏秒特性的方法隙伏秒特性的方法：保持冲：保持冲击电压的波的波形不形不变（T1/T2一定），逐一定），逐渐升高升高电压使使间隙隙发生生击穿，穿，并根据示波并根据示波图记录击穿穿电压U与与击穿穿时间t。击穿发生在波前或峰值，取此刻值击穿发生在波尾，取峰值未击穿100%伏秒特性0%伏秒特性50%伏秒特性点：点：50%冲击击穿电压放放电时延延具具有有分分散散性性28-高电压工程基础伏秒特性的形状与伏秒特性的形状与间隙中隙中电场的均匀程度有关。的均匀程度有关。对于均匀或稍不均匀于均匀或稍不均匀电场因平均因平均场强高，放高，放电时延延短，故曲短，故曲线比比较平坦，且分散性平坦，且分散性较小。小。对于极不均匀于极不均匀电场平均平均击穿穿场强较低，放低，放电时延延较长，其伏秒特性随放，其伏秒特性随放电时间的减少有明的减少有明显上上翘，且分散性且分散性较大。大。29-高电压工程基础绝缘的的伏秒特性伏秒特性避雷器的避雷器的伏秒特性伏秒特性伏秒特性曲伏秒特性曲线主要用来比主要用来比较不同不同设备绝缘的冲的冲击击穿特性。穿特性。如果一个如果一个电压同同时作用在两个并作用在两个并联的气体的气体间隙隙S1和和S2上，其中上，其中一个气隙先一个气隙先击穿，穿，则电压波被短接截断，另一个就不会再波被短接截断，另一个就不会再击穿。穿。S2始始终处于于S1的下方，在的下方，在任何任何电压波形下，波形下，S2都都比比S1的先被的先被击穿。穿。这个原个原则如用于保如用于保护装置装置和被保和被保护设备，则就是就是 S2保保护了了S1。30-高电压工程基础绝缘的的伏秒特性伏秒特性避雷器的避雷器的伏秒特性伏秒特性若两若两间隙伏秒特性曲隙伏秒特性曲线相相交，交，则在在时延延较短的区域短的区域S1先被先被击穿，在穿，在时延延较长的区域的区域S2先被先被击穿，在两穿，在两曲曲线交叉区域，可能是交叉区域，可能是S1先被先被击穿，也可能是穿，也可能是S2先先被被击穿。因此穿。因此S2不能可靠不能可靠保保护S1。31-高电压工程基础1、放、放电时间的的组成成为：td=t1+ts+tf 2、标准雷准雷电冲冲击电压波形：波形：1.2/50s3、冲、冲击电压下气隙的下气隙的击穿特性穿特性（1）采用）采用击穿百分比穿百分比为50%时的的电压来表征气隙的冲来表征气隙的冲击击穿特性；穿特性；（2）伏秒特性表征气隙的冲）伏秒特性表征气隙的冲击击穿穿电压与放与放电时间的关系。的关系。小小 结：32-高电压工程基础3.3 操作冲操作冲击电压下的下的击穿穿电力系力系统的的输电线及及电气气设备具有具有电感和感和电容性容性，由于系，由于系统运行状运行状态的突的突变，导致致电感和感和电容元件容元件间的的电磁能磁能转换，引，引起振起振荡性的性的过渡渡过程。程。该过程会在某些程会在某些电气气设备和和电网上造成网上造成很高的很高的电压，远远超超过正常运行的正常运行的电压，称，称为操作操作过电压。操作操作过电压的幅的幅值、波形与、波形与电力系力系统的的电压等等级有关。有关。过渡渡过程的振程的振荡基基值等于系等于系统运行运行电压，电压等等级越高，操作越高，操作过电压幅幅值也越高。也越高。这与雷与雷电过电压不同，后者取决于接地不同，后者取决于接地电阻，与系阻，与系统电压等等级无关。无关。33-高电压工程基础直到直到20世世纪50年代，各国年代，各国还认为操作操作过电压下的空气下的空气间隙隙及及绝缘子的子的闪络电压=操作冲操作冲击系数系数工工频放放电电压，且波形的，且波形的影响可忽略。影响可忽略。220kV及以下及以下电压等等级电力系力系统：操作冲：操作冲击系数系数=1.1220kV以上以上电压等等级的的电力系力系统：操作冲：操作冲击系数系数=1随着随着电力系力系统电压等等级的提高，操作冲的提高，操作冲击下的下的绝缘问题越越来越突出。近几年来研究来越突出。近几年来研究发现，操作冲，操作冲击电压下的气体下的气体绝缘放放电特性有特性有许多新的特点，多新的特点，应根据操作冲根据操作冲击电压波形下的放波形下的放电电压进行行设计。34-高电压工程基础操作操作过电压波形随波形随电压等等级、系、系统参数、参数、设备性能、操作性能、操作性性质、操作、操作时机等因素而有很大的机等因素而有很大的变化。化。为了模了模拟操作操作过电压，需要需要规定定标准波形。准波形。1、操作冲、操作冲击电压的的标准波形准波形IEC标准：准：T1/T2=250(20)/2500(60)s附加推荐：附加推荐：100/2500s 或或 500/2500s 另外建另外建议一种衰减振一种衰减振荡波：第波：第一个半波的持一个半波的持续时间在在20003000s，反极性的第二，反极性的第二个半波的峰个半波的峰值约为第一个峰第一个峰值的的80%。35-高电压工程基础操作冲操作冲击电压的作用的作用时间：介于工：介于工频电压与雷与雷电冲冲击电压之之间。在均匀在均匀场和稍不均匀和稍不均匀场中中,操作冲操作冲击U50%、雷、雷电冲冲击U50%、直流放直流放电电压和工和工频放放电电压等幅等幅值几乎相同，分散性不大，几乎相同，分散性不大，击穿穿发生在峰生在峰值附近。附近。在极不均匀在极不均匀场中中,操作冲操作冲击表表现出出许多新的特点：多新的特点：U形曲形曲线；极性效；极性效应；饱和和现象；分散性大。象；分散性大。2、操作冲、操作冲击50击穿穿电压的特点的特点36-高电压工程基础棒棒-板气隙的操作板气隙的操作冲冲击击穿穿电压（1）U形曲形曲线曲曲线呈呈U形，波前形，波前时间在某一区在某一区域内，气隙的域内，气隙的50%击穿穿电压具有极小具有极小值，称，称为临界界击穿穿电压，与此相，与此相应波波前前时间称称为临界波前界波前时间。间隙距离隙距离d增大增大时，临界波前界波前时间随之增大。随之增大。d7m的的间隙，隙，临界波前界波前时间约100300s范范围内。内。间隙距离隙距离d越大，放越大，放电发展所需展所需的的时延越大，因此相延越大，因此相应的的临界波前界波前时间就越大。就越大。37-高电压工程基础棒棒-板气隙的操作板气隙的操作冲冲击击穿穿电压（1）U形曲形曲线U形曲形曲线左半支的上升特征左半支的上升特征当波前当波前时间从从临界界值减小，减小，则放放电发展展时间缩短，放短，放电时延减小，要求延减小，要求有更高的有更高的击穿穿电压才能才能实现击穿。穿。U形曲形曲线右半支的上升特征右半支的上升特征当波前当波前时间从从临界界值增大，留增大，留给放放电发展的展的时间足足够长，再增大放，再增大放电时间，对放放电发展没有意展没有意义；另一方面，起另一方面，起晕棒极附近棒极附近电离离处的与的与棒极同极性的空棒极同极性的空间电荷，能有足荷，能有足够的的时间被被驱赶到更赶到更远处，造成附加，造成附加电场减弱，减弱，则不利于放不利于放电的的进一步一步发展，从而要求更高的展，从而要求更高的击穿穿电压才才能能击穿。穿。38-高电压工程基础棒棒-板气隙的操作板气隙的操作冲冲击击穿穿电压（1）U形曲形曲线棒棒-板板间隙在某种波前的操作波作用隙在某种波前的操作波作用下的下的击穿穿电压甚至比工甚至比工频电压还低低很多。其他很多。其他结构的构的间隙也有隙也有这种情种情况，但程度况，但程度较轻。原因。原因:工工频四分之一周波相当于波前四分之一周波相当于波前时间5000s，位于，位于U形曲形曲线的右半支。的右半支。因此，其因此，其击穿穿电压反而比反而比临界波前界波前操作冲操作冲击击穿高。穿高。这一点一点值得特得特别注意，注意，对工程中各个工程中各个气隙尺寸的气隙尺寸的选定有极其重要的影响。定有极其重要的影响。39-高电压工程基础（1）U形曲形曲线在各种不同的不均匀在各种不同的不均匀电场结构中，正极性操作冲构中，正极性操作冲击的的50%击穿穿电压都比都比负极性的低，所以更危极性的低，所以更危险。正棒正棒-负板空气板空气间隙隙U形曲形曲线中，中，50%击穿穿电压极极小小值Umin(kV)可用可用经验公式公式计算：算：式中式中 d间隙距离，隙距离，m。40-高电压工程基础（2）极性效）极性效应41-高电压工程基础在操作冲在操作冲击电压作用下，作用下，长间隙的隙的击穿穿电压呈呈现出出显著的著的饱和和现象，特象，特别是棒是棒-板型板型间隙隙饱和程度尤和程度尤为明明显。这一点与工一点与工频击穿穿电压的的规律律类似。而雷似。而雷电过电压下的下的饱和和现象却不明象却不明显。（3）饱和和现象象42-高电压工程基础击穿穿电压的分散性可用相的分散性可用相对标准差准差表示表示（4）击穿穿电压的分散性大的分散性大极不均匀极不均匀电场的空气的空气间隙，在波前隙，在波前时间为数数十微秒至数百微秒的操作冲十微秒至数百微秒的操作冲击电压作用下，作用下，约为5%，而在雷，而在雷电冲冲击电压下，下，约为3%，工，工频电压作用下，分散性更小，作用下，分散性更小，2%。43-高电压工程基础1、标准操作冲准操作冲击电压波形波形为非周期性指数衰减波形。非周期性指数衰减波形。2、标准操作冲准操作冲击电压的波形的波形对U50%影响很大。影响很大。3、极性效、极性效应更更显著。著。4、击穿穿电压的分散性大。的分散性大。小小 结：44-高电压工程基础3.4 大气密度和湿度大气密度和湿度对击穿的影响穿的影响温度温度 t020压力力 p0101.3kPa绝对湿度湿度 h011g/m31、标准大气条件准大气条件空气空气间隙中气体的状隙中气体的状态，如温度、湿度和气，如温度、湿度和气压等因素，都会影响空气的等因素，都会影响空气的电离离发展，从而影响展，从而影响间隙隙的的击穿穿电压或放或放电电压。45-高电压工程基础2、大气条件的校正、大气条件的校正空气密度增大空气密度增大时，空气中自由，空气中自由电子的平均自由子的平均自由行程行程缩短，不易造成碰撞短，不易造成碰撞电离，所以空气离，所以空气间隙的隙的击穿穿电压升高。升高。空气的湿度增加空气的湿度增加时，由于水蒸气是，由于水蒸气是电负性气体，性气体，易俘易俘获自由自由电子形成子形成负离子，使离子，使电离减弱，所以空离减弱，所以空气气间隙的隙的击穿穿电压升高。升高。在均匀在均匀电场中，湿度的影响很小，中，湿度的影响很小，击穿前各穿前各处的的场强都很高，即各都很高，即各处电子运子运动速度很高，不易被速度很高，不易被水分子俘水分子俘获形成形成负离子。离子。在湿度在湿度较大大时，绝缘子的子的闪络电压可能出可能出现随随湿度增加而降低的情况。湿度增加而降低的情况。46-高电压工程基础2、大气条件的校正、大气条件的校正试验时的放的放电电压U与与标准大气条件下的放准大气条件下的放电电压U0间的的换算关系算关系为：（1）放）放电电压的校正的校正Kt 大气校正因数大气校正因数K1 空气密度校正因数空气密度校正因数K2 空气湿度校正因数空气湿度校正因数47-高电压工程基础（1）空气密度校正因数）空气密度校正因数K1t 试验条件下的温度，条件下的温度，p 试验条件下的条件下的压力，力，kPa 相相对空气密度。空气密度。48-高电压工程基础（2）湿度校正因数）湿度校正因数K2K 取决于取决于试验电压的种的种类，且，且为绝对湿度湿度h与与相相对空气密度空气密度的比率的比率h/的函数。的函数。49-高电压工程基础（3）指数）指数m和和WUB 实际大气条件下大气条件下50%放放电电压的的测量量值或估或估算算值，kV；L 试品最小放品最小放电路径，路径，m；、K 实际的空气相的空气相对密度和湿度校正因数式中参数。密度和湿度校正因数式中参数。50-高电压工程基础例：某距离例：某距离4m的棒的棒-板板间隙，在夏季某日气隙，在夏季某日气压 P=99.8kP，环境温度境温度t=30 ，空气，空气绝对湿湿度度h=20g/m3的大气条件下，的大气条件下，问正极性正极性50%操作冲操作冲击击穿穿电压为多少？多少？51-高电压工程基础解：由解：由实验曲曲线查得：距离得：距离为4m长的棒的棒-板板间隙在隙在标准大气准大气压状状态下的正极性下的正极性50%操作冲操作冲击击穿穿电压为U50标=1300kV查曲曲线得：得：K=1.152-高电压工程基础查曲曲线得：得：m=W=0.3453-高电压工程基础3、海拔高度、海拔高度对放放电电压的影响的影响高海拔地区由于气高海拔地区由于气压下降，空气相下降，空气相对密度下降，密度下降，因此空气因此空气间隙的放隙的放电电压也随之下降。也随之下降。在海拔在海拔1000-4000m的范的范围内，海拔每升高内，海拔每升高100m，空气的，空气的绝缘强度度约下降下降1%。(即即绝缘能力能力变弱弱)国家国家标准准规定，定，对拟用于高海拔地区用于高海拔地区(海拔海拔1000-4000m)的的外外绝缘设备，在非高海拔地区，在非高海拔地区(海拔海拔1000m以下以下)进行行试验时，其，其试验电压校正如下：校正如下：U0 标准大气条件下的准大气条件下的试验电压，kV；KA 海拔校正因数，海拔校正因数，kV；H 设备使用使用处海拔高度，海拔高度，m；54-高电压工程基础小小 结：气体的放气体的放电电压与大气状与大气状态有关，气体的相有关，气体的相对密度增大密度增大时，气体的放，气体的放电电压也随之增大。空气的也随之增大。空气的湿度增大湿度增大时，气体的放，气体的放电电压也增大，但均匀和稍也增大，但均匀和稍不均匀不均匀电场下增加不明下增加不明显。沿面。沿面闪络电压降低。降低。海拔高度增加海拔高度增加时，气体的放，气体的放电电压下降。下降。55-高电压工程基础3.5 提高气隙提高气隙击穿穿电压的措施的措施改改进电极的形状极的形状利用空利用空间电荷改善荷改善电场的分布的分布极不均匀极不均匀电场中屏障的采用中屏障的采用 高气高气压的采用的采用强电负性气体性气体(SF6)的的应用用高真空的采用高真空的采用56-高电压工程基础（1）改善）改善电场分布分布（2）削弱气体中的）削弱气体中的电离离过程程高高压电气气设备中中经常遇到气体常遇到气体绝缘间隙。隙。为了了减少减少设备尺寸，一般希望尺寸，一般希望间隙的隙的绝缘距离尽可能小。距离尽可能小。因此，必因此，必须采取措施，以提高气体采取措施，以提高气体间隙的隙的击穿穿电压。提高气体提高气体间隙的平均隙的平均击穿穿场强有两个途径：有两个途径：57-高电压工程基础1、改、改进电极形状以改善极形状以改善电场分布分布增大增大电极曲率半径极曲率半径如如变压器套管端部加球形屏蔽罩、采用器套管端部加球形屏蔽罩、采用扩径径导线等等（截面相同，半径增大）。（截面相同，半径增大）。58-高电压工程基础1、改、改进电极形状以改善极形状以改善电场分布分布改善改善电极极边缘电极极边缘做成弧形，以消除做成弧形，以消除边缘效效应，同，同时电极表极表面尽量避免毛刺、棱角以消除面尽量避免毛刺、棱角以消除电场局部增局部增强的的现象。象。59-高电压工程基础1、改、改进电极形状以改善极形状以改善电场分布分布使使电极具有最佳外形极具有最佳外形如穿如穿墙高高压引引线上加金属扁球，上加金属扁球，墙洞洞边缘做成近似做成近似垂垂链线旋旋转体。体。60-高电压工程基础2、利用空、利用空间电荷荷对原原电场的畸的畸变作用作用 例如利用例如利用电晕放放电产生的空生的空间电荷来改善极不均匀荷来改善极不均匀场间隙中隙中电场分布分布(2.4.2小小节)，从而提高，从而提高间隙的隙的击穿穿电压。但但应该指出，上述指出，上述细线效效应只存在于一定的只存在于一定的间隙距离范隙距离范围之内，之内，间隙距离超隙距离超过一定一定值，细线也将也将产生刷状放生刷状放电，从，从而破坏比而破坏比较均匀的均匀的电晕层，使，使击穿穿电压与棒板或棒棒与棒板或棒棒间隙的相近。另外，此种提高隙的相近。另外，此种提高击穿穿电压的方法的方法仅在持在持续作用作用电压下才有效，在雷下才有效，在雷电冲冲击电压下并不适用。下并不适用。1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm 虚虚线棒棒-板板电极极间隙隙 点划点划线均匀均匀场间隙隙导线板板电极的空气极的空气间隙隙击穿穿电压（有效（有效值）与）与间隙距离的关系隙距离的关系61-高电压工程基础3、极不均匀、极不均匀电场中屏障的采用中屏障的采用 在在电场极不均匀的空气极不均匀的空气间隙中，放入薄片固体隙中，放入薄片固体绝缘材料材料（如（如纸或或纸板）阻板）阻挡空空间电荷，利用空荷，利用空间电荷荷产生的生的电场改改变电场分布。分布。屏蔽在一定条件下可以屏蔽在一定条件下可以显著提高著提高间隙的隙的击穿穿电压，其效，其效果与果与电压种种类有关。有关。屏蔽用屏蔽用绝缘材料制成，但它本身的材料制成，但它本身的绝缘性能无关性能无关紧要，要，重要的是它的密封性（重要的是它的密封性（拦住住带电粒子的能力）。粒子的能力）。屏蔽的作用取决于它所屏蔽的作用取决于它所拦住的与住的与电晕电极同号的空极同号的空间电荷，荷，这样就能使就能使电晕电极与屏障之极与屏障之间的空的空间电场强度减小，度减小，从而使整个气隙的从而使整个气隙的电场分布均匀化。分布均匀化。62-高电压工程基础当棒极当棒极为阳极性阳极性时，设置屏障可以置屏障可以显著提高著提高间隙的隙的击穿穿电压。无屏障无屏障时，棒极附近形成的正极性，棒极附近形成的正极性空空间电荷加荷加强了前方了前方电场，促，促进了了电离离区向前推区向前推进，因此，因此击穿穿电压很低。很低。当当设置屏蔽后，正离子在屏障上聚置屏蔽后，正离子在屏障上聚集，因集，因为同号同号电荷相斥，正离子在屏障荷相斥，正离子在屏障表面分布表面分布较均匀，从而在屏障前方形成均匀，从而在屏障前方形成较均匀均匀电场，改善了整个，改善了整个间隙的隙的电场分分布，因此可以提高布，因此可以提高击穿穿电压。当屏障靠近棒极当屏障靠近棒极时，屏障与板极，屏障与板极间的均匀的均匀电场区区扩大，大，间隙的隙的击穿穿电压上上升；但屏障离棒极升；但屏障离棒极过近近时，屏障上的正，屏障上的正电荷分布不再均匀，屏障前方又出荷分布不再均匀，屏障前方又出现极极不均匀不均匀电场，屏蔽作用减弱。，屏蔽作用减弱。63-高电压工程基础对负棒棒-板板间隙，屏障的作用效果某些部分与正棒隙，屏障的作用效果某些部分与正棒-板相似板相似,但是有但是有许多不同的地方，多不同的地方，说明如下：明如下：当屏障当屏障较靠近板极靠近板极处，间隙隙击穿穿电压反而降低。反而降低。因因为无屏障无屏障时，负离子离子扩散于空散于空间，部分消失于，部分消失于电极，影极，影响响电场分布的主要是正离子，它削弱了前方的分布的主要是正离子，它削弱了前方的电场。但是。但是设置置屏障后，屏障上聚集大量的屏障后，屏障上聚集大量的负离子影响了离子影响了电场分布，加分布，加强了前了前方方电场。因此屏障。因此屏障较远离棒极后，离棒极后，设置的屏障反而减低了置的屏障反而减低了间隙隙的的击穿穿电压。当屏障离棒极当屏障离棒极过近近时，仍然具有屏障作用。，仍然具有屏障作用。因因为电子速度高，可以穿透屏障，从而屏障上无法聚集大子速度高，可以穿透屏障，从而屏障上无法聚集大量量负电荷，而屏障另一荷，而屏障另一边由由电离造成的正离造成的正电荷被屏障阻荷被屏障阻挡，使，使屏障屏障带正正电，因此屏障和板极，因此屏障和板极间的的电场被削弱，当屏障被削弱，当屏障紧靠棒靠棒极极时，仍具有屏蔽效，仍具有屏蔽效应.64-高电压工程基础直流直流电压下棒板空气下棒板空气间隙的隙的击穿穿电压和屏障位置的关系和屏障位置的关系 65-高电压工程基础工工频电压下棒板空气下棒板空气间隙的隙的击穿穿电压和屏障位置的关系和屏障位置的关系（屏障的作用与直流（屏障的作用与直流电压作用下正棒作用下正棒-板的情况相近）板的情况相近）66-高电压工程基础4、高气、高气压的采用的采用 采用改善采用改善电场分布，来提高分布，来提高击穿穿电压的方法，其平均的方法，其平均击穿穿场强仍然仍然均匀均匀电场中大气中大气压下空气的下空气的电气气强度度(约30kV/cm)，这个数个数值并不高，可并不高，可见常常压下空气的下空气的电气气强度要度要比一般固体和液体介比一般固体和液体介质的的电气气强度低得多。度低得多。提高气体提高气体压力，减小力，减小电子的平均自由行程，可以削弱子的平均自由行程，可以削弱气体中的气体中的电离离过程，提高程，提高击穿穿电压。均匀均匀电场中几种中几种绝缘介介质的的击穿穿电压与距离的关系与距离的关系12.8MPa的空气的空气 20.7MPa的的SF6 3高真空高真空4变压器油器油 50.1MPa的的SF6 6大气大气67-高电压工程基础采用高气采用高气压时，下面因素的影响，下面因素的影响应给予注意：予注意：（1）电场均匀度的影响均匀度的影响在高气在高气压下，下，电场均匀度均匀度对击穿穿电压的影响比在大气的影响比在大气压力下力下显著的多。著的多。电场均匀度下降，均匀度下降，击穿穿电压降降剧烈降低。烈降低。所以采用高气所以采用高气压的的电气气设备应使使电场尽可能均匀。尽可能均匀。（2）电极表面状极表面状态的影响的影响在高气在高气压下，气隙的下，气隙的击穿穿电压与与电极表面的粗糙度有很极表面的粗糙度有很大的关系。大的关系。湿度、表面湿度、表面污物等因素在高气物等因素在高气压下下对气隙气隙击穿穿电压的影的影响比常响比常压下下显著。著。高气高气压下，下，应尽可能采用均匀尽可能采用均匀电场，电极表面极表面应光光洁，气体，气体要要滤去去尘埃和水分。埃和水分。68-高电压工程基础5、强电负性气体的性气体的应用用 采用高气采用高气压方法的缺点方法的缺点:(1)到达一定限度后，到达一定限度后，设备密封困密封困难，成本大大提高。，成本大大提高。(2)提高到提高到10个大气个大气压后，再提高气后，再提高气压，效果大大下降。，效果大大下降。(3)空气中的氧在高气空气中的氧在高气压下因下因击穿穿时的火花可能引起的火花可能引起绝缘材料的燃材料的燃烧。69-高电压工程基础许多含多含卤族元素的族元素的强电负性气体性气体电气气强度特度特别高，高，因而可称之因而可称之为高高电气气强度气体。采用度气体。采用这些气体来代替些气体来代替空气，可以大大提高空气，可以大大提高间隙的隙的击穿穿电压，缩小小设备尺寸，尺寸，降低工作气降低工作气压。高高电气气强度气体度气体仅仅满足足电气气强度高是不度高是不够的，的，还必必须同同时满足以下条件：足以下条件：液化温度要低，液化温度要低，这样才能同才能同时采用高气采用高气压；良好的化学良好的化学稳定性，出定性，出现放放电时不易分解、不燃不易分解、不燃烧或爆炸、不或爆炸、不产生有毒物生有毒物质；生生产不太困不太困难，价格不，价格不