第3章-气体间隙的击穿强度.ppt

第3章 气体间隙的击穿强度,3.1 稳态电压下的击穿 3.2 雷电冲击电压下的击穿 3.3 操作冲击电压下的击穿 3.4 大气密度和湿度对击穿的影响 3.5 SF6气体间隙中的击穿 3.6 提高气体间隙击穿电压的措施,气体击穿电压与电场分布有关 均匀、稍不均匀、极不均匀 气体击穿电压与电压形式有关 直流、交流、雷电冲击、操作冲击 气体击穿电压与气体种类有关 空气、电负性气体 气体击穿电压与气体状态有关 气体的气压、温度、湿度、海拔高度,影响气体间隙击穿电压的主要因素,气体放电理论可以解释规律，不能准确计算间隙击穿电压怎么办呢？,试验数据,3.1 稳态电压下的击穿,稳态电压：直流与工频电压均为持续作用的电压，这类电压随时间的变化率很小，在放电发展所需时间内（以微秒计），外施电压的变化可忽略不计的电压3.1.1 均匀电场中的击穿,均匀场工程实践中非常少见！为什么呢？,静电电压表,式中 d 间隙距离，cm； 空气相对密度均匀电场中空气的击穿场强（峰值）为30kV/cm在均匀电场中，从自持放电开始到间隙完全击穿的放电时延可以忽略不计，因此相同间隙的直流击穿电压与工频击穿电压（幅值）都相同，且击穿电压的分散性也较小。

均匀电场中空气间隙的击穿电压经验公式为：,（kV）,图 稳态电压作用时空气间隙的击穿电压的峰值Ub与极间距离d的关系,均匀电场的击穿特点是击穿前无电晕，无极性效应，直流、交流、正负冲击电压的击穿电压是相同的，均可用此经验公式计算Ub随着d的增大而显著增加； Eb基本不变，但随着d过大，电场的均匀强度减弱，则Eb会稍稍下降在d=110cm 的范围内，其击穿场强约30kV/cm 特点： （1）均匀电场中电极布置对称，击穿无极性效应； （2）均匀场间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短，其直流击穿电压、工频击穿电压峰值、50%冲击击穿电压相同； （3）击穿电压的分散性很小 特点,击穿前不能形成稳定的电晕放电； 电场不对称时，有极性效应，不很明显； 直流、工频下的击穿电压(幅值)以及50冲击击穿电压相同，分散性不大； 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典型电极 球球间隙、球板间隙、圆柱板、同轴圆柱间隙,3.1.2 稍不均匀电场中的击穿,加拿大魁北克省水电局研究所高电压试验室 尺寸 826751.2 m3,（1）球间隙 （eg：高压实验室中的测量球隙）,11,若两球对称布置，其中任何一球都不接地，测量对地对称的直流电压时，无极性效应，但通常是一球接地使用，如图1.12所示，由于大地的影响，电场分布不对称，因而有极性效应。

12,图3-3 一球接地时，直径为D的球隙的 击穿电压Ub与间隙距离d的关系,当d

因此通常选取尖-板和尖-尖作为典型电极，分别用来估算工程中不对称布置和对称布置时所需的绝缘距离不对称布置的极不均匀场间隙的极性效应很明显，而且其击穿的极性效应与稍不均匀场间隙相反在各种各样的极不均匀电场气隙中：,“棒棒”气隙：完全对称性 “棒板”气隙：最大不对称性 其它类型不均匀电场气隙击穿特性介于这两种之间 对于实际工程中遇到的各种极不均匀电场气隙来说，均可按其电极的对称程度分别选用“棒-棒”或“棒-板”两种典型气隙的击穿特性曲线来估计其电气强度正棒负板间隙的击穿电压最低 负棒正板间隙的击穿电压最高 棒棒间隙的击穿电压介于两者之间间隙距离减小，不均匀度减小）,极不均匀电场的击穿特性直流电压,“棒一棒”气隙的工频击穿电压要比“棒一板”气隙高一些，因为相对而言，“棒 棒”气隙的电场要比“棒一板”气隙稍微均匀一些，（后者的最大场强区完全集中在棒板附近，而前者则由两个棒极来分摊 ）,由于棒板间隙的击穿总是发生在棒级为正时的半个周期且电压达幅值时，故其击穿电压（峰值）和直流下正棒负板时的击穿电压相近 在电气设备上，应尽量采用棒-棒类对称型的电极结构，而避免棒-板类不对称的电极结构极不均匀电场的击穿特性工频交流电压,1、均匀电场的击穿特点 击穿前无电晕、无极性效应、各种电压作用时其击穿电压（峰值）都相同。

2、稍不均匀电场的击穿特点 击穿前无稳定电晕、极性效应不明显、各种电压作用下的击穿电压几乎一致 3、极不均匀电场的击穿特点 击穿前有稳定的电晕、有明显的极性效应、各种电压波形对击穿电压影响很大小 结：,冲击电压就是作用时间极为短暂的电压，一般指雷电冲击和操作冲击电压前者是由雷电造成的幅值高、陡度大、作用时间极短的冲击电压；后者是由电力系统操作或发生事故时，因状态发生突然变化引起的持续时间较长、幅值高于系统相电压几倍的冲击电压 下面分别讨论雷电冲击电压和操作冲击电压下气隙的击穿特性3.2 雷电冲击电压下的击穿,（1）采取措施限制大气过电压水平2）保证高压电气设备能耐受一定水平的雷电过电压冲击电压的标准波形,标准雷电波的波形： T1=1.2s30， T2=50s20 对于不同极性：+1.2/50s或-1.2/50s 操作冲击波的波形： T1=250s20， T2=2500s60 对于不同极性：+250/2500s或-250/2500s,参数： 波前时间：反映上升速度 半峰值时间：反映下降速度,注意： 雷电电压具有冲击性上升速度和下降速度都非常快气隙击穿的必备条件,足够大的电场强度或足够高的电压； 在气隙中存在有效电子； 有效电子引起电子崩并导致流柱和主放电 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。

持续电压（直流、工频电压），电压的变化速度很小相比之下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 非持续电压下（雷电、操作冲击电压），因为电压波来去速度很快，放电发展速度就不能忽略不计了间隙的击穿电压与作用电压的波形（即作用时间）有很大关系放电时延,直流电压、工频交流等持续作用的电压，可以满足上述三个条件； 当所加电压为变化速度很快，作用时间很短的冲击电压时，因有效作用时间短（以微秒计），此时放电时间就变成一个重要因素完成击穿所需放电时间很短的（微秒级）：,静态击穿电压：稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压 击穿时间：间隙从开始加压的瞬时到完全击穿所需的时间，也称为全部放电时间升压时间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,击穿时间：td = t1 + ts + tf 放电时延：tl = ts + tf,,第一阶段 升压时间t1（0Us静态击穿电压）：击穿过程可能并未开始 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； 非持续电压下（雷电、操作冲击电压）：由于t1非常短，即使电压升到Us ，气隙也不一定被击穿。

第二阶段 统计时延ts（Us 出现第一个有效电子）：击穿过程开始，具有统计性 由于有效电子的出现是一个随机事件，取决于很多偶然因素，所以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 ts（平均值）的影响因数：电极材料、外加电压、短波光照射、电场情况第三阶段 放电形成时延tf（出现第一个有效电子气隙被击穿 ）：具有统计性 对于汤逊理论：过程+过程气隙被击穿； 对于流注理论：电子碰撞电离+流注的形成气隙被击穿 tf的影响因数：间隙长度、电场均匀度、外加电压；,,放电时间构成的总结,总放电时间tb tbt1 + ts + tf（统计性） 放电时延tlag tlag= ts + tf （统计性）,,,,电场较均匀时，由于平均场强很高，放电发展速度快，放电时延近似等于统计时延 极不均匀电场，由于局部场强高（出现有效电子的概率增加），而平均场强较低（放电发展速度慢），放电时延主要取决于放电形成时延 放电时延还与外加电压大小有关，总的趋势是电压越高，放电过程发展的越快，放电时延越短放电时延与电场均匀度有关：,放电时延服从统计规律，因此冲击击穿电压具有一定的分散性。

工程上常用50%冲击击穿电压U50%表示间隙的冲击击穿特性U50% 间隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值冲击击穿电压的放电概率一般认为服从高斯分布：,50击穿电压及冲击系数,确定间隙的U50 %的方法: 保持标准波形不变，逐级升高电压幅值，每级电压值加10次，直到每10次中有4-6次击穿，则此电压可作为该间隙大致的U50 % 每级加压次数越多，所得的U50 %越准确U50% 与静态击穿电压U0的比值称为冲击系数 均匀和稍不均匀电场下， 1； 极不均匀电场中， 1，冲击击穿电压的分散性也较大因为U50% 只是在一定波形下对应于某个固定击穿时间的击穿电压，所以它不能代表任何击穿时间下间隙的击穿电压即U50%不能全面反映间隙的冲击击穿特性同一间隙在不同波形的冲击电压作用下，其U50% 是不同的，如无特别说明，一般指用标准波形做出的图为标准雷电冲击电压下棒板及棒棒间隙的U50%和距离的关系1.正棒-板 2.正棒-棒(接地) 3.负棒-棒(接地) 4. 负棒-板,棒板间隙具有明显的极性效应，棒棒间隙也具有不大的极性效应这是由于大地的影响，使不接地的棒极附近电场增强的缘故U50%与间隙距离间保持良好的线性关系。

一个间隙要发生击穿，不仅需要足够高的电压，而且还必须有充分的电压作用时间对于冲击电压波，气隙的击穿电压与该电压的波形有很大的关系其击穿电压不能简单地用单一的击穿电压值表示，而必须用电压峰值和延续时间两者共同表示同一个气隙，冲击电压的峰值较低但延续时间较长，在此电压作用下，可能被击穿；冲击电压的峰值较高但持续时间较短，可能反而不被击穿伏秒特性,伏秒特性对某一冲击电压波形，间隙上出现的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线用实验确定间隙伏秒特性的方法：保持冲击电压的波形不变（T1/T2一定），逐渐升高电压使间隙发生击穿，并根据示波图记录击穿电压U与击穿时间t伏秒特性的制定方法（用实验方法求取）,保持冲击电压波形不变，逐渐提高冲击电压的峰值,电压较低，放电时间长，击穿发生在波尾（图中1、2）,电压较高，放电时间短，击穿发生在波头（图中3）,,,,,,,,将1、2、3点连接完成伏秒特性曲线,,纵坐标：冲击电压幅值,横坐标：放电时间,纵坐标：冲击电压瞬时值,横坐标：放电时间,,放电时延具有分散性,电场均匀程度对曲线的影响,均匀或稍不均匀电场 形状：曲线较为平坦； 原因：由于击穿时平均场强较高，流注发展较快，放电时延很短。