高電壓技術(shù)氣隙的擊穿特性

高電壓技術(shù)氣隙的擊穿特性第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月不同性質(zhì)電壓作用下氣隙的擊穿特性電壓種類持續(xù)電壓：直流、交流沖擊電壓：雷電沖擊、操作沖擊電場分布情況：電極形狀、間隙距離、電壓極性第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月1、均勻電場中的擊穿電壓：

a、分散性小直流、交流、50%沖擊擊穿電壓基本相同

b、均勻電場中空氣的電氣強(qiáng)度大致為

30kV(峰值)/cm

經(jīng)驗(yàn)公式為：

d：間隙距離；：空氣相對密度一、持續(xù)作用電壓下氣隙的擊穿特性第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2、稍不均勻電場中的擊穿電壓a、與均勻電場相似，分散性很小不同電壓波形作用下，擊穿電壓（峰值、U擊50%

）基本相同b、不同于極不均勻電場，直到擊穿為止不發(fā)生電暈C、稍不均勻電場不對稱時，雖有極性效應(yīng)，但不明顯

見397、398頁的擊穿電壓表（注意：當(dāng)球間距離大于0.5D時，不是線性關(guān)系）第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月3、極不均勻電場的擊穿電壓a、直流電壓下的擊穿電壓顯著特征：極性效應(yīng)平均擊穿場強(qiáng)：正極性棒-板間隙：4.5kV/cm負(fù)極性棒-板間隙：10kV/cm正極性棒-棒間隙：4.8kV/cm負(fù)極性棒-板間隙：5.0kV/cm（略微不對稱）第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月b、交流電場下的擊穿電壓特點(diǎn)：1、棒-板間隙擊穿總是在棒的極性為正、電壓達(dá)到峰值時發(fā)生，擊穿電壓與直流正極性擊穿電壓相近2、除起始部分外，擊穿電壓與距離近似成直線關(guān)系，但大間隙下?lián)舸╇妷河酗柡挖厔?、平均擊穿場強(qiáng)棒-棒間隙：3.8kV(有效值)/cm5.36kV(峰值)/cm棒-板間隙：3.35kV(有效值)/cm4.8kV(峰值)/cm第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月顯著特征：飽和特性第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月二、沖擊電壓作用下氣隙的擊穿特性1、沖擊電壓波形a、雷電沖擊電壓波OC為視在播前OF為視在播前時間OG為視在半峰值時間（也稱為波尾時間）國標(biāo)規(guī)定：第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月b、操作沖擊電壓波國標(biāo)規(guī)定：第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2.放電時延統(tǒng)計時延：從電壓達(dá)到的瞬時起到氣隙出現(xiàn)第一個有效電子止放電發(fā)展時間：從形成第一個有效電子的瞬時起到到氣息完全擊穿止升壓時間：電壓從零升到靜態(tài)擊穿電壓的時間放電時延特點(diǎn)：a、小間隙、均勻場：短，占主要部分b、大間隙、極不均勻場：長，占主要部分C、隨著沖擊電壓幅值的不斷升高，將越來越短間隙中出現(xiàn)一個能引起電離過程并最終導(dǎo)致?lián)舸┑碾娮臃Q為有效電子統(tǒng)計時延服從統(tǒng)計規(guī)律的原因：

1）、有效電子的出現(xiàn)具有統(tǒng)計特性，有些自由電子被中和，有些可能擴(kuò)散到間隙外。2）、有些電子雖然也引起電離過程，但由于各種不利因素的巧合，電離可能中途衰亡而終止第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月3、氣隙的伏秒特性

同一個氣隙，在峰值較低但延續(xù)時間較長的沖擊電壓作用下可能擊穿，而在峰值較高但延續(xù)時間較短的沖擊電壓作用下可能反而不擊穿，因此該氣息的耐電性能要用沖擊電壓峰值和擊穿時間兩者共同來表示第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月1）極不均勻電場（大間隙）平均擊穿場強(qiáng)較低，放電時延較長，只有大大提高電壓，才能縮短放電時延。

∴S向左上角上翹2）較均勻電場（小間隙）間隙各處場強(qiáng)相差不大，一但出現(xiàn)電離，很快貫穿整個間隙，放電時延短。

∴S只能在很小的時間內(nèi)向上翹

4、不同電場氣隙伏秒特性比較第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月5、伏秒特性的應(yīng)用兩者配合，S2可以保護(hù)S1兩者不能配合，不能互相保護(hù)S1S2第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月三、擊穿電壓的統(tǒng)計概率：和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差相對標(biāo)準(zhǔn)偏差：工頻：雷電沖擊：操作沖擊：（分散性越來越大），100%耐受電壓很難找到σσU16%U50%U84%P(%)U擊1008450160不擊穿擊穿氣隙擊穿電壓的正態(tài)分布第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月四、不同氣體狀態(tài)和種類氣隙的擊穿特性1、大氣狀態(tài)(氣溫、氣壓、濕度等因素)

對氣隙擊穿電壓的影響a、空氣密度的影響：氣隙擊穿電壓與密度成正比b、空氣濕度的影響：氣隙擊穿電壓與濕度成正比實(shí)際狀態(tài)氣隙的擊穿電壓U和其在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的擊穿電壓U0有如下?lián)Q算關(guān)系：

—空氣密度修正系數(shù)；—濕度修正系數(shù)第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2、高強(qiáng)度氣體其電氣強(qiáng)度是空氣耐電強(qiáng)度的2.3~2.5倍,其原因?yàn)椋?、分子量大（為146），密度大（相同條件下，是空氣的5倍），屬重氣體。2、具有負(fù)電性，易俘獲電子，減少了引起電離的電子數(shù)。SF6絕緣的全封閉組合電器：

除變壓器外變電站所有設(shè)備被封閉在金屬容器內(nèi)，里邊充有3~4個大氣壓的SF6氣體，大大縮小了高壓電氣設(shè)備所需的空間。目前也出現(xiàn)氣體絕緣變壓器。第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月五、提高氣隙擊穿電壓的方法1、改進(jìn)電極形狀以改善電場分布增大電極曲率半徑來減小表面場強(qiáng)。如變壓器套管端部加球形屏蔽罩；采用擴(kuò)徑導(dǎo)線（截面相同，半徑增大）等。改善電極邊緣以消除邊緣效應(yīng)。電極邊緣做成弧形，或盡量使其與某等位面相近。使電圾具有最佳外形以此改善其電場分布。如穿墻高壓引線上加金屬扁球，墻洞邊緣做成近似垂接線旋轉(zhuǎn)體。第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月２、利用空間電荷以改善電場分布a、工頻電壓下的細(xì)線效應(yīng)導(dǎo)線直徑很小時，導(dǎo)線周圍容易形成比較均勻的電暈層，使電場分布改善了，從而提高了擊穿電壓。但實(shí)驗(yàn)表明，雷電沖擊電壓下就沒有細(xì)線效應(yīng)了。在擊穿電壓曲線的直線部分，不同直徑導(dǎo)線—板間隙的擊穿電壓都接近于尖—板間隙的數(shù)值。這主要是由于雷電沖擊電壓作用時間太短，來不及形成充分的空間電荷層之故。第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月b、極間障的采用第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月３、增高氣壓（巴申定律的應(yīng)用）提高氣壓可以減小電子的平均自由行程，削弱電離過程，從而提高氣體的電氣強(qiáng)度。例如，大氣壓力下空氣的電氣強(qiáng)度僅約為變壓器油的1／5～1／8，而提高壓力至1一1.5MPa后，空氣的電氣強(qiáng)度就和一般的液、固態(tài)絕緣材料如變壓器油、電瓷、云母等的電氣強(qiáng)度相接近了。壓縮空氣絕緣及其它壓縮氣體絕緣近年來在一些電氣設(shè)備(如高壓空氣斷路器、高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器等)中已得到采用。采用壓縮氣體的缺點(diǎn)是對設(shè)備容器的機(jī)械強(qiáng)度及密封等方面的要求提高了，從而增加了制造成本。第27頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月４、高真空的采用（巴申定律的應(yīng)用）

采用高度真空和提高氣壓類似，也可削弱間隙中的碰撞電離過程從而顯著增高間隙的擊穿電壓。間隙距離較小時，間隙的擊穿和陰極的強(qiáng)場放射密切有關(guān)(擊穿前電場已很強(qiáng)，足以引起強(qiáng)場放射了)。由于強(qiáng)場放射造成很大的電流密度，導(dǎo)致電極局部過熱，釋放氣體，金屬氣化，破壞了真空，從而引起擊穿。間隙距離較大時，擊穿是由所謂全電壓效應(yīng)引起的。隨著間隙距離及擊穿電壓的增加，電子從陰極到陽極經(jīng)過了巨大的電位差，積聚了極大的動能。高能電子轟擊陽極時能使陽極釋放出正離子及輻射出光子。正離子及光子達(dá)到陰極后又將加強(qiáng)陰極的表面電離。在此反復(fù)過程中產(chǎn)生越來越大的電子沉，使電極局部氣化，導(dǎo)致間隙擊穿，這就是全電壓效應(yīng)。由于全電壓效應(yīng)，所以真空中隨著距離加大，平均擊穿場強(qiáng)越來越低。電極表面上附有不牢固的微小質(zhì)點(diǎn)對真空間隙的擊穿電壓也有很大影響。這些質(zhì)點(diǎn)脫離電極后，又被電場加速，撞擊對面電極，使電極局部氣化，導(dǎo)致真空間隙擊穿。第28頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月真空間隙的擊穿電壓和電極材料、電極表面的光潔度及清潔度(包括吸附氣體的多少及種類)等多種因素有關(guān)，分散性很大，因而也可利用上述擊穿處理法來提高間歐的擊穿電壓。在電力設(shè)備中目前還很少采用高真空。因?yàn)樵陔娏υO(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)中，總還得采用各種固態(tài)、液態(tài)絕緣材料，在真空中這些絕緣材料會逐漸釋出氣體，使真空無法保持。所以只是在一些特殊場合(如真空斷路器—一真空不只是絕緣性能好，而且還具有很好的滅弧能力)才采用高真空作絕緣。第29頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月５、高強(qiáng)度氣體的采用氣體化學(xué)組成分子量相對電氣強(qiáng)度液化溫度/0C氮二氧化碳六氟化硫氟利昂四氯化碳N2CO2SF6CCl2F2CCl42844146121153.81.00.92.32.52.42.66.3-195