氣隙的電氣強(qiáng)度

氣隙的電氣強(qiáng)度第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

§3.1氣隙的擊穿時間一、完成氣隙擊穿的三個必備條件：足夠大的電場強(qiáng)度或足夠高的電壓；在氣隙中存在能引起電子崩并導(dǎo)致流柱和主放電的有效電子；需要有一定的時間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿。二、靜態(tài)擊穿電壓：長時間作用在氣隙上能使其擊穿的最低電壓。***擊穿完成所用時間都以微秒記，在直流和工頻等持續(xù)電壓下，時間不成問題。但沖擊電壓的有效作用時間也以微秒記，所以放電時間就成了重要因素了。

第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月三、擊穿時間：即放電的總時間tb，由三部分組成：tb=tl+ts+tf其中，tl—升壓時間；ts——統(tǒng)計(jì)時延，指從tl到氣隙中出現(xiàn)第一個有效電子所用時間；

tf——放電形成時延，從出現(xiàn)有效電子到最終擊穿所用時間。

令t2=ts+tf，稱為放電時延。tst1tft2tbUut第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月氣隙的電氣強(qiáng)度取決于以下幾點(diǎn)：電場形式均勻或稍不均勻電場極不均勻電場電壓類型大氣條件第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2電壓類型一.電壓波形（一）直流電壓直流試驗(yàn)電壓大都由交流整流而得，其波形必然有一定的脈動，通常所稱的電壓值是指平均值。直流電壓的脈動幅值是最大值與最小值之差的—半。紋波系數(shù)為脈動幅值與平均值之比。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定被試品上直流試驗(yàn)電壓的紋波系數(shù)應(yīng)不大于3％。（二）工頻交流電壓工頻交流試驗(yàn)電壓應(yīng)近似為正弦波，正負(fù)兩半波相同，其峰值與有效值之比應(yīng)在以內(nèi)。頻率一般在45—65Hz范圍內(nèi)。第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

（三）標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波

模擬電力系統(tǒng)中的雷電過電壓波，采用非周期性雙指數(shù)波。T1——視在波前時間；T2——視在半峰值時間；Um——沖擊電壓峰值。國際電工委員會(IEC)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：T1=1.2μs，容許偏差±30%；T2=50μs，容許偏差±20%通常寫成1.2/50μs，并可在前面加上正、負(fù)號表示極性。

0.30.50.9100’T1T2

u/Umt第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

（四）標(biāo)準(zhǔn)雷電截波模擬雷電過電壓引起氣隙擊穿或外絕緣閃絡(luò)后出現(xiàn)的截尾沖擊波。IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：視在波前時間T1=1.2μs，容許偏差±30%；截?cái)鄷r間Tc=2～5μs，可寫成1.2/2～5μs.0.900.31

u/Um0’T1Tct第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

（五）標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波等效模擬電力系統(tǒng)中操作過電壓波，一般也用非周期性雙指數(shù)波。IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：波前時間Tcr=250μs,容許偏差±20%；半峰值時間T2=2500μs,容許偏差±60%?？蓪懗?50/2500μs沖擊波。當(dāng)在試驗(yàn)中上述波形不能滿足要求時，推薦采用100/2500μs和500/2500μs沖擊波。此外還建議采用一種衰減震蕩波，第一個半波的持續(xù)時間在2000～3000μs之間，極性相反的第二個半波的峰值約為第一個半波峰值的80%。0.510

u/UmTcrT2tu0UmTcrtTcr=1000～1500us第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

我國的國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件為：壓力p0=101.3kpa（760mmHG）；溫度t0=20℃或T0=293K；絕對濕度hc=11g/m3。在實(shí)際試驗(yàn)條件下的氣隙擊穿電壓U與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓U0之間可以通過相應(yīng)的校正因數(shù)進(jìn)行如下?lián)Q算：式中Kd——空氣密度校正因數(shù)；Kh——濕度校正因數(shù)?！?.3大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響

第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月一、對空氣密度的校正

空氣的密度與壓力和溫度有關(guān)。空氣的相對密度式中p——?dú)鈮?，kPa；T——溫度，K。在大氣條件下，氣隙的擊穿電壓隨δ的增大而提高。當(dāng)δ處于0.95～1.05的范圍內(nèi)時，氣隙的擊穿電壓幾乎與δ成正比，即此時的空氣密度校正因數(shù)Kd≈δ，因而

U

≈δU0氣隙不長（例如不超過1m）時，上式能足夠精確的使用于各種電場形式和各種電壓類型下近似的工程估算。第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月研究表明：對更長空氣間隙來說，擊穿電壓與大氣的關(guān)系并不是一種簡單的線形關(guān)系。而是隨電極形狀、電壓類型和氣隙長度而變化的復(fù)雜關(guān)系。Kd如下式計(jì)算式中指數(shù)m，n與電極形狀、氣隙長度、電壓類型及極性有關(guān)，值在0.4～1.0的范圍內(nèi)變化，具體取值可參考有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。第11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月二、對濕度的校正

在均勻和稍不均勻電場中，放電開始時，整個氣隙的電場強(qiáng)度都很大，電子運(yùn)動速度較快，不易被水分子俘獲，因而濕度影響不太明顯，可以忽略不計(jì)。例如用球隙測量高電壓時，只要按空氣相對密度校正其擊穿電壓就可以了，而不必考慮濕度的影響。在極不均勻電場中，濕度影響就很明顯了，可用下面的濕度校正因數(shù)來校正。

Kh=kω式中因數(shù)k與絕對溫度和電壓類型有關(guān)，而指數(shù)ω之值取決于電極形狀、氣隙長度、電壓類型及其極性。具體值亦可參考有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月三、對海拔的校正我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對于安裝在海拔高于1000m、但不超過4000m處的電力設(shè)施外絕緣，其試驗(yàn)電壓U應(yīng)為平原地區(qū)外絕緣的試驗(yàn)電壓Up乘以海拔校正因數(shù)Kn，即

U=KaUp式中H——安裝點(diǎn)的海拔高度，m。第13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月氣隙的伏秒特性——在同一波形，不同幅值的沖擊電壓作用下，氣隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時間的關(guān)系，稱為該氣隙的伏秒特性。伏秒特性曲線——表示該氣隙伏秒特性的曲線，稱為伏秒特性曲線。50%沖擊擊穿電壓（U50%)——指某氣隙被擊穿的概率為50%的沖擊電壓峰值。沖擊系數(shù)β——U50%與靜態(tài)擊穿電壓Us之比稱為沖擊系數(shù)β。均勻和稍不均勻電場下沖擊擊穿電壓的分散性很小，沖擊系數(shù)β≈1。極不均勻電場中由于放電時延較長，沖擊系數(shù)β均大于1?！?.4氣隙的伏秒特性

第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）伏秒特性曲線的制作保持一定的沖擊電壓波形不變，而逐級升高電壓，以電壓為縱坐標(biāo)，時間為橫坐標(biāo)，電壓較低時，擊穿一般發(fā)生在波尾，取該電壓的峰值與擊穿時刻，得到相應(yīng)的點(diǎn)；電壓較高時，擊穿一般發(fā)生在波頭，取擊穿時刻的電壓值及該時刻，得到相應(yīng)的點(diǎn)；把這些相應(yīng)的點(diǎn)連成一條曲線，就是該氣隙在該電壓波形下的“伏秒特性曲線”。u0t123第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月伏秒特性具有統(tǒng)計(jì)分散性，是一個以上下包線為界的帶狀區(qū)域。工程上，通常取“50%伏秒特性曲線”來表征一個氣隙的沖擊擊穿特性。U50%u0t231第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）伏秒特性曲線的應(yīng)用在保護(hù)設(shè)備和被保護(hù)設(shè)備的絕緣配合上具有重要的意義。是防雷設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備和被保護(hù)設(shè)備的絕緣配合的依據(jù)。第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月三.氣隙擊穿電壓的概率分布

不論是在何種電壓作用下，氣隙的擊穿電壓都有一定的分散性，即“擊穿概率分布特性”。研究表明，氣隙擊穿的幾率分布接近正態(tài)分布，通?？梢杂肬50%和變異系數(shù)Z（標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值稱為變異系數(shù)）來表示。耐受電壓：即能確保耐受而不被擊穿的電壓。100%的耐受電壓是很難測的（要做無窮次的實(shí)驗(yàn)），工程實(shí)際中常用對應(yīng)于很高耐受幾率(例如99％以上)的電壓作為耐受電壓。確保擊穿電壓：擊穿概率很高的電壓。第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.5電場在不同電壓下的擊穿電壓一、較均勻電場氣隙的擊穿電壓均勻電場電場是對稱的，故擊穿電壓與電壓極性無關(guān)，由于間隙各處的場強(qiáng)大致相等，不可能出現(xiàn)持續(xù)的局部放電，故起始放電電壓就等于氣隙的擊穿電壓。不同電壓波形作用下，擊穿電壓實(shí)際上相同，且分散性很小，對于空氣，可以用以下的經(jīng)驗(yàn)公式表示：[KV（peak）]式中——空氣的相對密度S——?dú)庀兜木嚯x，cm第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月稍不均勻電場稍不均勻電場的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣，常遇到的較典型的電場結(jié)構(gòu)形式有；球—球、球—板、圓柱—板、兩同軸圓筒、兩平行圓柱、兩垂直圓柱等。對這些較簡單的、有規(guī)則的、較典型的電場，有相應(yīng)的計(jì)算擊穿電壓的經(jīng)驗(yàn)公式或曲線，而用時可參閱有關(guān)的手冊和資料。影響稍不均勻電場間隙擊穿電壓的因素：電場結(jié)構(gòu)、大氣條件、鄰近效應(yīng)、照射效應(yīng)等。第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月均勻電場和稍不均勻電場的擊穿特性

第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月二、不均勻電場氣隙的擊穿電壓

不均勻電場的特征：各處場強(qiáng)差別很大，在所加電壓小于整個間隙擊穿電壓時，可能出現(xiàn)局部的持續(xù)的放電。由于持續(xù)的局部放電的存在，空間電荷的積累對擊穿電壓的影響很大，導(dǎo)致顯著的極性效應(yīng)。

對很不均勻電場，只要宏觀上保持原有的電場布局和氣隙最小距離不變，則電極的具體形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)的改變，對擊穿電壓的影響不大。預(yù)先對幾種典型的電場的氣隙，如棒—棒或線—線、棒—板或線—板作出擊穿電壓和氣隙距離的關(guān)系曲線，在工程上遇到的各種不均勻電場，其擊穿電壓可以參照與接近的典型氣隙的擊穿電壓來估計(jì)。第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月直流電壓存在明顯的極性效應(yīng)第23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-5-2棒—棒和棒和板空氣間隙的工頻擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系擊穿總是發(fā)生在棒極為正半波時。工頻電壓第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月氣隙較大時（S大于2.5m），擊穿電壓與距離關(guān)系出現(xiàn)了明顯的飽和趨向，特別是棒—板氣隙，其飽和趨向更明顯。第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月雷電沖擊電壓作用實(shí)驗(yàn)表明，導(dǎo)線—平板氣隙的U50%與棒—板氣隙的十分接近（不論正/負(fù)極性），在缺乏線—板擊穿電壓的具體數(shù)據(jù)的時候，可以用棒—板的擊穿數(shù)據(jù)來估計(jì)。(圖3-5-4)第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月操作沖擊電壓1.波形的影響：一般均指“正極性”情況。p60圖3-5-8不同性質(zhì)電壓作用下棒—板氣隙的擊穿電壓與氣隙距離的關(guān)系第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2.飽和現(xiàn)象：長氣隙在操作電壓作用下呈現(xiàn)顯著的“飽和現(xiàn)象”。圖3-5-9棒—棒和棒-板間隙的操作沖擊擊穿電壓第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月3.分散性大（五）疊加性電壓作用下工程實(shí)際中，作用在氣隙上的電壓常常是由不同性質(zhì)電壓疊加的，而不是單一性質(zhì)的。注意：同一氣隙對疊加性電壓的、耐受程度與對單一性電壓的耐受程度是不同的。當(dāng)工作電壓是穩(wěn)態(tài)直流時，兩者的差異更顯著？。第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.5提高氣隙擊穿電壓的方法兩個思路：1、改善氣隙中的電場分布，使之均勻；2、設(shè)法削弱和抑制氣體介質(zhì)中的電離過程。

第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月一、改進(jìn)電極形狀以改善電場分布增大電極的曲率半徑（常用的是屏蔽），例如變壓器套管，均壓環(huán)，擴(kuò)徑導(dǎo)線等；消除電極表面的毛刺；消除電極表面尖角。***不僅要注意改善高壓電極的形狀以降低該電極旁邊的局部場強(qiáng)，還要注意改善接地電極和中間電極的形狀，以降低該電極旁邊的局部場強(qiáng)。第31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月圖中所示采用不同直徑屏蔽球時的效果，可以看到，在極間距離為110cm時，采用直徑為75cm的球形屏蔽極可使氣隙的擊穿電壓約提高1倍。第32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月二、

利用空間電荷畸變電場的作用三、采用屏障在電場極不均勻的氣隙中，放入薄片固體絕緣材料（例如紙或紙板），在一定條件下，可以顯著提高氣隙的擊穿電壓。原理是屏障積聚空間電荷，改善電場分布。第33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月二、采用高度真空？***高真空中，擊穿機(jī)理發(fā)生了變化，撞擊電離的機(jī)制不起主要作用，而擊穿與強(qiáng)場發(fā)射有關(guān)。應(yīng)用：真空斷路器中用作絕緣和滅弧。三、增高氣壓？在一定的氣壓范圍內(nèi)，增高氣壓對提高氣隙的擊穿電壓是極為有效的。但是容器的密封比較困難，即使做到了密封，造價也比較昂貴。第34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月四、采用高耐電強(qiáng)度氣體？鹵族元素的氣體：六氟化硫（SF6）、氟里昂（CCl2F2）等耐電強(qiáng)度比氣體高的多，采用該