1、電場(chǎng)情況 均勻電場(chǎng)、稍不均勻電場(chǎng)、極不均勻電場(chǎng),影響氣體間隙擊穿電壓的主要因素：,高電壓工程基礎(chǔ),電壓形式 穩(wěn)態(tài)電壓（直流電壓與交流電壓）、雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓,大氣條件 氣壓、溫度、濕度,1,一、穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿 二、雷電沖擊電壓下的擊穿 三、操作沖擊電壓下的擊穿 四、大氣密度和濕度對(duì)擊穿的影響 五、提高氣體間隙擊穿電壓的措施,高電壓工程基礎(chǔ),第三章 氣體間隙的擊穿強(qiáng)度,2,高電壓工程基礎(chǔ),穩(wěn)態(tài)電壓（持續(xù)電壓）指直流電壓或工頻交流電壓。,3.1 穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿,特點(diǎn)：,電壓變化的速度和間隙中放電發(fā)展的速度相比極小，故放電發(fā)展所需的時(shí)間可以忽略不計(jì)，只要作用于間隙的電壓達(dá)到擊穿電壓，間

2、隙就會(huì)發(fā)生擊穿。,3,高電壓工程基礎(chǔ),直流電壓：,交流電壓：,直流中所含的脈動(dòng)分量的脈動(dòng)系數(shù)不大于3%。 （脈動(dòng)系數(shù)是指脈動(dòng)幅值與直流電壓的平均值之比） 直流電壓的大小指直流電壓的平均值。,波形接近于正弦波，正、負(fù)兩半波相同，峰值與有效值之比為 ，偏差不超過(guò),4,高電壓工程基礎(chǔ),1、均勻電場(chǎng)中的擊穿,因電極布置對(duì)稱，所以擊穿電壓無(wú)極性效應(yīng)。 因擊穿前間隙各處場(chǎng)強(qiáng)相等，擊穿前無(wú)電暈發(fā)生，起始放電電壓等于擊穿電壓。 不論何種電壓（直流、交流、正負(fù)50%沖擊電壓）作用，其擊穿電壓（峰值）都相同，且分散性很小。,5,高電壓工程基礎(chǔ),1、均勻電場(chǎng)中的擊穿,均勻電場(chǎng)中空氣間隙的擊穿電壓（峰值）可根據(jù)下面經(jīng)

3、驗(yàn)公式求得：,式中 d 間隙距離，cm； 空氣相對(duì)密度。,均勻電場(chǎng)中空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)（峰值）為30kV/cm。,6,高電壓工程基礎(chǔ),2、稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿,稍不均勻電場(chǎng)中各處的場(chǎng)強(qiáng)差異不大，間隙中任何一處若出現(xiàn)自持放電，必將立即導(dǎo)致整個(gè)間隙的擊穿。所以對(duì)稍不均勻的電場(chǎng)，任何一處自持放電的條件，就是整個(gè)間隙擊穿的條件。,電場(chǎng)不對(duì)稱時(shí)，擊穿電壓有極性效應(yīng)，但不顯著。 擊穿前有電暈發(fā)生，但不穩(wěn)定，一出現(xiàn)電暈，立即導(dǎo)致整個(gè)間隙擊穿。 間隙距離一般不是很大，放電發(fā)展所需時(shí)間短。直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值及50%沖擊擊穿電壓幾乎一致，且分散性不大。,7,高電壓工程基礎(chǔ),2、稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿,稍不均

4、勻電場(chǎng)的擊穿電壓與電場(chǎng)均勻度關(guān)系極大，沒(méi)有能夠概括各種電極結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)公式。通常是對(duì)一些典型的電極結(jié)構(gòu)做出一批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)際的電極結(jié)構(gòu)只能從典型電極中選取類似的進(jìn)行結(jié)構(gòu)估算。,電場(chǎng)越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓越高，其極限就是均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓。,8,高電壓工程基礎(chǔ),（1）球間隙 （eg：高壓實(shí)驗(yàn)室中的測(cè)量球隙）,dD/4時(shí)，電場(chǎng)不均勻程度增大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降，出現(xiàn)極性效應(yīng)； 球隙測(cè)壓器的工作范圍dD/2；否則因放電分散性增大，不能保證測(cè)量的精度。,2、稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿,9,高電壓工程基礎(chǔ),（2）同軸圓柱電極 （eg：高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器、單芯電纜、GIS分相母線）,（1）r/R0.1時(shí)，

5、稍不均勻電場(chǎng)，擊穿前不出現(xiàn)電暈，且由圖可見(jiàn)，當(dāng)r/R 0.33時(shí)擊穿電壓出現(xiàn)極大值（上述電氣設(shè)備在絕緣設(shè)計(jì)時(shí)盡量將r/R選取0.250.4的范圍內(nèi)）。,2、稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿,10,高電壓工程基礎(chǔ),（3）其他形狀的電極布置,球狀電極的電場(chǎng)不均勻系數(shù)大于相同半徑的圓柱電極； 間隙距離增大時(shí)，電場(chǎng)不均勻系數(shù)也增大。,2、稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿,11,高電壓工程基礎(chǔ),3、極不均勻電場(chǎng)中的擊穿,由于存在局部強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，故間隙擊穿前有穩(wěn)定的電暈放電，間隙的起始放電電壓小于擊穿電壓。 對(duì)電極形狀不對(duì)稱的極不均勻電場(chǎng)，有明顯的極性效應(yīng)。 因間隙距離長(zhǎng)，放電發(fā)展所需時(shí)間長(zhǎng)，故外加電壓的波形對(duì)擊穿電壓的影響大，擊穿

6、電壓的分散性大。,12,高電壓工程基礎(chǔ),電場(chǎng)不均勻程度對(duì)擊穿電壓的影響減弱（由于電場(chǎng)已經(jīng)極不均勻），間隙距離對(duì)擊穿電壓的影響增大?？梢赃x擇電場(chǎng)極不均勻的極端情況，棒板和棒棒作為典型電極結(jié)構(gòu)，它們的擊穿電壓具有代表性。,在工程遇到很多極不均勻電場(chǎng)時(shí)，可以根據(jù)這些典型電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)單的估算。,極不均勻電場(chǎng)的擊穿電壓的特點(diǎn)：,13,高電壓工程基礎(chǔ),（1）直流電壓作用的擊穿電壓,棒板、棒棒間隙的直流擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系曲線,正棒負(fù)板間隙的擊穿電壓最低，負(fù)棒正板間隙的擊穿電壓最高，棒棒間隙的擊穿電壓介于兩者之間。,14,高電壓工程基礎(chǔ),（2）工頻交流電壓作用的擊穿電壓,由于棒板間隙的擊穿總是

7、發(fā)生在棒級(jí)為正時(shí)的半個(gè)周期且電壓達(dá)幅值時(shí)，故其擊穿電壓（峰值）和直流下正棒負(fù)板時(shí)的擊穿電壓相近。 在電氣設(shè)備上，應(yīng)盡量采用棒-棒類對(duì)稱型的電極結(jié)構(gòu)，而避免棒-板類不對(duì)稱的電極結(jié)構(gòu)。,棒棒和棒板空氣間隙的工頻 擊穿電壓（有效值）,15,高電壓工程基礎(chǔ),1、均勻電場(chǎng)的擊穿特點(diǎn) 擊穿前無(wú)電暈、無(wú)極性效應(yīng)、各種電壓作用時(shí)其擊穿電壓（峰值）都相同。 2、稍不均勻電場(chǎng)的擊穿特點(diǎn) 擊穿前無(wú)穩(wěn)定電暈、極性效應(yīng)不明顯、各種電壓作用下的擊穿電壓幾乎一致。 3、極不均勻電場(chǎng)的擊穿特點(diǎn) 擊穿前有穩(wěn)定的電暈、有明顯的極性效應(yīng)、各種電壓波形對(duì)擊穿電壓影響很大。,小 結(jié)：,16,高電壓工程基礎(chǔ),3.2 雷電沖擊電壓下的擊穿

8、,1、沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形,標(biāo)準(zhǔn)雷電波的波形： T1=1.2s30， T2=50s20 對(duì)于不同極性：+1.2/50s或-1.2/50s 操作沖擊波的波形： T1=250s20， T2=2500s60 對(duì)于不同極性：+250/2500s或-250/2500s,17,高電壓工程基礎(chǔ),足夠大的電場(chǎng)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)致流注和主放電的有效電子 需要一定的時(shí)間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿,完成氣隙擊穿的三個(gè)必備條件：,2、放電時(shí)延,18,高電壓工程基礎(chǔ),直流電壓、工頻交流等持續(xù)作用的電壓，可以滿足上述三個(gè)條件； 當(dāng)所加電壓為變化速度很快，作用時(shí)間很短的沖擊電壓時(shí)，因有效作用

9、時(shí)間短（以微秒計(jì)），此時(shí)放電時(shí)間就變成一個(gè)重要因素。,完成擊穿所需放電時(shí)間很短的（微秒級(jí)）：,靜態(tài)擊穿電壓：穩(wěn)態(tài)電壓作用在間隙上能使間隙擊穿的最低電壓。 擊穿時(shí)間：間隙從開(kāi)始加壓的瞬時(shí)到完全擊穿所需的時(shí)間，也稱為全部放電時(shí)間。,19,高電壓工程基礎(chǔ),升壓時(shí)間t1：電壓從零升到靜態(tài)擊穿電壓所需的時(shí)間,統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts：從外施電壓達(dá)到Uo時(shí)起，到出現(xiàn)一個(gè)能引起擊穿的初始電子崩所需的第一個(gè)有效電子為止，所需的時(shí)間。,放電形成時(shí)延tf：從出現(xiàn)第一個(gè)有效自由電子時(shí)起，到放電過(guò)程完成所需時(shí)間，即電子崩的形成和發(fā)展到流注等所需的時(shí)間,擊穿時(shí)間：td = t1 + ts + tf 放電時(shí)延：tl = ts + t

10、f,20,高電壓工程基礎(chǔ),電場(chǎng)較均勻時(shí)，由于平均場(chǎng)強(qiáng)很高，放電發(fā)展速度快，放電時(shí)延近似等于統(tǒng)計(jì)時(shí)延。對(duì)于極不均勻電場(chǎng)，由于局部場(chǎng)強(qiáng)高（出現(xiàn)有效電子的概率增加），而平均場(chǎng)強(qiáng)較低（放電發(fā)展速度慢），放電時(shí)延主要取決于放電形成時(shí)延。 放電時(shí)延還與外加電壓大小有關(guān)，總的趨勢(shì)是總電壓越高，放電過(guò)程發(fā)展的越快，放電時(shí)延越短。,放電時(shí)延與電場(chǎng)均勻度有關(guān)：,21,高電壓工程基礎(chǔ),放電時(shí)延服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此沖擊擊穿電壓具有一定的分散性。工程上常用50%沖擊擊穿電壓U50%表示間隙的沖擊擊穿特性。,3、50擊穿電壓及沖擊系數(shù),U50% 間隙被擊穿的概率為50%的沖擊電壓峰值。,沖擊擊穿電壓的放電概率一般認(rèn)為服從高

11、斯分布：,22,高電壓工程基礎(chǔ),確定間隙的U50 %的方法: 保持標(biāo)準(zhǔn)波形不變，逐級(jí)升高電壓幅值，每級(jí)電壓值加10次，直到每10次中有4-6次擊穿，則此電壓可作為該間隙大致的U50 % 。每級(jí)加壓次數(shù)越多，所得的U50 %越準(zhǔn)確。,U50% 與靜態(tài)擊穿電壓U0的比值稱為沖擊系數(shù) 。,均勻和稍不均勻電場(chǎng)下， 1； 極不均勻電場(chǎng)中， 1，沖擊擊穿電壓的分散性也較大。,23,高電壓工程基礎(chǔ),因?yàn)閁50% 只是在一定波形下對(duì)應(yīng)于某個(gè)固定擊穿時(shí)間的擊穿電壓，所以它不能代表任何擊穿時(shí)間下間隙的擊穿電壓。即U50%不能全面反映間隙的沖擊擊穿特性。同一間隙在不同波形的沖擊電壓作用下，其U50% 是不同的，如無(wú)

12、特別說(shuō)明，一般指用標(biāo)準(zhǔn)波形做出的。,24,高電壓工程基礎(chǔ),圖為標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓下棒板及棒棒間隙的U50%和距離的關(guān)系。,1.正棒-板 2.正棒-棒(接地) 3.負(fù)棒-棒(接地) 4. 負(fù)棒-板,棒板間隙具有明顯的極性效應(yīng)，棒棒間隙也具有不大的極性效應(yīng)。這是由于大地的影響，使不接地的棒極附近電場(chǎng)增強(qiáng)的緣故。,U50%與間隙距離間保持良好的線性關(guān)系。,25,高電壓工程基礎(chǔ),一個(gè)間隙要發(fā)生擊穿，不僅需要足夠高的電壓，而且還必須有充分的電壓作用時(shí)間。,4、伏秒特性,對(duì)于沖擊電壓波，氣隙的擊穿電壓與該電壓的波形有很大的關(guān)系。其擊穿電壓不能簡(jiǎn)單地用單一的擊穿電壓值表示，而必須用電壓峰值和延續(xù)時(shí)間兩者共同表

13、示。,同一個(gè)氣隙，沖擊電壓的峰值較低但延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在此電壓作用下，可能被擊穿；沖擊電壓的峰值較高但持續(xù)時(shí)間較短，可能反而不被擊穿。,26,高電壓工程基礎(chǔ),伏秒特性對(duì)某一沖擊電壓波形，間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和間隙擊穿時(shí)間的關(guān)系曲線。,用實(shí)驗(yàn)確定間隙伏秒特性的方法：保持沖擊電壓的波形不變（T1/T2一定），逐漸升高電壓使間隙發(fā)生擊穿，并根據(jù)示波圖記錄擊穿電壓U與擊穿時(shí)間t。,放電時(shí)延具有分散性,27,高電壓工程基礎(chǔ),伏秒特性的形狀與間隙中電場(chǎng)的均勻程度有關(guān)。,對(duì)于均勻或稍不均勻電場(chǎng)因平均場(chǎng)強(qiáng)高，放電時(shí)延短，故曲線比較平坦，且分散性較小。,對(duì)于極不均勻電場(chǎng)平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)較低，放電時(shí)延較長(zhǎng)，其伏秒特性

14、隨放電時(shí)間的減少有明顯上翹，且分散性較大。,28,高電壓工程基礎(chǔ),伏秒特性曲線主要用來(lái)比較不同設(shè)備絕緣的沖擊擊穿特性。,如果一個(gè)電壓同時(shí)作用在兩個(gè)并聯(lián)的氣體間隙S1和S2上，其中一個(gè)氣隙先擊穿，則電壓波被短接截?cái)?，另一個(gè)就不會(huì)再擊穿。,S2始終處于S1的下方，在任何電壓波形下， S2都比S1的先被擊穿。 這個(gè)原則如用于保護(hù)裝置和被保護(hù)設(shè)備，則就是 S2保護(hù)了S1。,29,高電壓工程基礎(chǔ),若兩間隙伏秒特性曲線相交，則在時(shí)延較短的區(qū)域S1先被擊穿，在時(shí)延較長(zhǎng)的區(qū)域S2先被擊穿，在兩曲線交叉區(qū)域，可能是S1先被擊穿，也可能是S2先被擊穿。因此S2不能可靠保護(hù)S1。,30,高電壓工程基礎(chǔ),1、放電時(shí)間

15、的組成為： td = t1 + ts + tf 2、標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形：1.2/50s 3、沖擊電壓下氣隙的擊穿特性 （1）采用擊穿百分比為50%時(shí)的電壓來(lái)表征氣隙的沖擊擊穿特性； （2）伏秒特性表征氣隙的沖擊擊穿電壓與放電時(shí)間的關(guān)系。,小 結(jié)：,31,高電壓工程基礎(chǔ),3.3 操作沖擊電壓下的擊穿,電力系統(tǒng)的輸電線及電氣設(shè)備具有電感和電容性，由于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的突變，導(dǎo)致電感和電容元件間的電磁能轉(zhuǎn)換，引起振蕩性的過(guò)渡過(guò)程。該過(guò)程會(huì)在某些電氣設(shè)備和電網(wǎng)上造成很高的電壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常運(yùn)行的電壓，稱為操作過(guò)電壓。 操作過(guò)電壓的幅值、波形與電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)有關(guān)。過(guò)渡過(guò)程的振蕩基值等于系統(tǒng)運(yùn)行電壓，電

16、壓等級(jí)越高，操作過(guò)電壓幅值也越高。 這與雷電過(guò)電壓不同，后者取決于接地電阻，與系統(tǒng)電壓等級(jí)無(wú)關(guān)。,32,高電壓工程基礎(chǔ),直到20世紀(jì)50年代，各國(guó)還認(rèn)為操作過(guò)電壓下的空氣間隙及絕緣子的閃絡(luò)電壓=操作沖擊系數(shù)工頻放電電壓，且波形的影響可忽略。,220kV及以下電壓等級(jí)電力系統(tǒng)：操作沖擊系數(shù)=1.1 220kV以上電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)：操作沖擊系數(shù)=1,隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高，操作沖擊下的絕緣問(wèn)題越來(lái)越突出。近幾年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，操作沖擊電壓下的氣體絕緣放電特性有許多新的特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)操作沖擊電壓波形下的放電電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)。,33,高電壓工程基礎(chǔ),操作過(guò)電壓波形隨電壓等級(jí)、系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)備性能、操作性質(zhì)、

17、操作時(shí)機(jī)等因素而有很大的變化。為了模擬操作過(guò)電壓，需要規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)波形。,1、操作沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形,IEC標(biāo)準(zhǔn)：T1/T2=250(20) / 2500(60) s,附加推薦：100/ 2500s 或 500/ 2500s,另外建議一種衰減振蕩波：第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間在20003000s，反極性的第二個(gè)半波的峰值約為第一個(gè)峰值的80%。,34,高電壓工程基礎(chǔ),操作沖擊電壓的作用時(shí)間：介于工頻電壓與雷電沖擊電壓之間。 在均勻場(chǎng)和稍不均勻場(chǎng)中,操作沖擊U50%、雷電沖擊U50%、直流放電電壓和工頻放電電壓等幅值幾乎相同，分散性不大，擊穿發(fā)生在峰值附近。 在極不均勻場(chǎng)中,操作沖擊表現(xiàn)出許多新的特點(diǎn)：

18、U形曲線；極性效應(yīng)；飽和現(xiàn)象；分散性大。,2、操作沖擊50擊穿電壓的特點(diǎn),35,高電壓工程基礎(chǔ),棒-板氣隙的操作沖擊擊穿電壓,（1）U形曲線,曲線呈U形，波前時(shí)間在某一區(qū)域內(nèi)，氣隙的50%擊穿電壓具有極小值，稱為臨界擊穿電壓，與此相應(yīng)波前時(shí)間稱為臨界波前時(shí)間。間隙距離d增大時(shí)，臨界波前時(shí)間隨之增大。d7m的間隙，臨界波前時(shí)間約100300s范圍內(nèi)。 間隙距離d越大，放電發(fā)展所需的時(shí)延越大，因此相應(yīng)的臨界波前時(shí)間就越大。,36,高電壓工程基礎(chǔ),棒-板氣隙的操作沖擊擊穿電壓,（1）U形曲線,U形曲線左半支的上升特征 當(dāng)波前時(shí)間從臨界值減小，則放電發(fā)展時(shí)間縮短，放電時(shí)延減小，要求有更高的擊穿電壓才能

19、實(shí)現(xiàn)擊穿。 U形曲線右半支的上升特征 當(dāng)波前時(shí)間從臨界值增大，留給放電發(fā)展的時(shí)間足夠長(zhǎng)，再增大放電時(shí)間，對(duì)放電發(fā)展沒(méi)有意義； 另一方面，起暈棒極附近電離處的與棒極同極性的空間電荷，能有足夠的時(shí)間被驅(qū)趕到更遠(yuǎn)處，造成附加電場(chǎng)減弱，則不利于放電的進(jìn)一步發(fā)展，從而要求更高的擊穿電壓才能擊穿。,37,高電壓工程基礎(chǔ),棒-板氣隙的操作沖擊擊穿電壓,（1）U形曲線,棒-板間隙在某種波前的操作波作用下的擊穿電壓甚至比工頻電壓還低很多。其他結(jié)構(gòu)的間隙也有這種情況，但程度較輕。原因: 工頻四分之一周波相當(dāng)于波前時(shí)間5000s，位于U形曲線的右半支。因此，其擊穿電壓反而比臨界波前操作沖擊擊穿高。,這一點(diǎn)值得特別注

20、意，對(duì)工程中各個(gè)氣隙尺寸的選定有極其重要的影響。,38,高電壓工程基礎(chǔ),（1）U形曲線,在各種不同的不均勻電場(chǎng)結(jié)構(gòu)中，正極性操作沖擊的50%擊穿電壓都比負(fù)極性的低，所以更危險(xiǎn)。,正棒-負(fù)板空氣間隙U形曲線中，50%擊穿電壓極小值Umin(kV)可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：,式中 d間隙距離，m。,39,高電壓工程基礎(chǔ),（2）極性效應(yīng),40,高電壓工程基礎(chǔ),在操作沖擊電壓作用下，長(zhǎng)間隙的擊穿電壓呈現(xiàn)出顯著的飽和現(xiàn)象，特別是棒-板型間隙飽和程度尤為明顯。這一點(diǎn)與工頻擊穿電壓的規(guī)律類似。而雷電過(guò)電壓下的飽和現(xiàn)象卻不明顯。,（3）飽和現(xiàn)象,41,高電壓工程基礎(chǔ),擊穿電壓的分散性可用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差表示,（4）擊穿電壓

21、的分散性大,極不均勻電場(chǎng)的空氣間隙，在波前時(shí)間為數(shù)十微秒至數(shù)百微秒的操作沖擊電壓作用下， 約為5%，而在雷電沖擊電壓下， 約為3%，工頻電壓作用下，分散性更小， 2%。,42,高電壓工程基礎(chǔ),1、標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波形為非周期性指數(shù)衰減波形。 2、標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓的波形對(duì)U50%影響很大。 3、極性效應(yīng)更顯著。 4、擊穿電壓的分散性大。,小 結(jié)：,43,高電壓工程基礎(chǔ),3.4 大氣密度和濕度對(duì)擊穿的影響,溫度 t020 壓力 p0101.3kPa 絕對(duì)濕度 h011g/m3,1、標(biāo)準(zhǔn)大氣條件,空氣間隙中氣體的狀態(tài)，如溫度、濕度和氣壓等因素，都會(huì)影響空氣的電離發(fā)展，從而影響間隙的擊穿電壓或放電電壓

22、。,44,高電壓工程基礎(chǔ),2、大氣條件的校正,空氣密度增大時(shí)，空氣中自由電子的平均自由行程縮短，不易造成碰撞電離，所以空氣間隙的擊穿電壓升高。 空氣的濕度增加時(shí)，由于水蒸氣是電負(fù)性氣體，易俘獲自由電子形成負(fù)離子，使電離減弱，所以空氣間隙的擊穿電壓升高。 在均勻電場(chǎng)中，濕度的影響很小，擊穿前各處的場(chǎng)強(qiáng)都很高，即各處電子運(yùn)動(dòng)速度很高，不易被水分子俘獲形成負(fù)離子。 在濕度較大時(shí)，絕緣子的閃絡(luò)電壓可能出現(xiàn)隨濕度增加而降低的情況。,45,高電壓工程基礎(chǔ),2、大氣條件的校正,試驗(yàn)時(shí)的放電電壓U與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的放電電壓U0間的換算關(guān)系為：,（1）放電電壓的校正,Kt 大氣校正因數(shù),K1 空氣密度校正因數(shù),

23、K2 空氣濕度校正因數(shù),46,高電壓工程基礎(chǔ),（1）空氣密度校正因數(shù)K1,t 試驗(yàn)條件下的溫度，,p 試驗(yàn)條件下的壓力，kPa, 相對(duì)空氣密度。,47,高電壓工程基礎(chǔ),（2）濕度校正因數(shù)K2,K 取決于試驗(yàn)電壓的種類，且為絕對(duì)濕度h與相對(duì)空氣密度的比率h/的函數(shù)。,48,高電壓工程基礎(chǔ),（3）指數(shù)m和W,UB 實(shí)際大氣條件下50%放電電壓的測(cè)量值或估算值，kV；,L 試品最小放電路徑，m；,、K 實(shí)際的空氣相對(duì)密度和濕度校正因數(shù)式中參數(shù)。,49,高電壓工程基礎(chǔ),例：某距離4m的棒-板間隙，在夏季某日氣壓 P=99.8kP，環(huán)境溫度t=30 ，空氣絕對(duì)濕度h=20g/m3的大氣條件下，問(wèn)正極性5

24、0%操作沖擊擊穿電壓為多少？,50,高電壓工程基礎(chǔ),解：由實(shí)驗(yàn)曲線查得：距離為4m長(zhǎng)的棒-板間隙在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)下的正極性50%操作沖擊擊穿電壓為U50標(biāo)=1300kV,查曲線得：K=1.1,51,高電壓工程基礎(chǔ),查曲線得：m=W=0.34,52,高電壓工程基礎(chǔ),3、海拔高度對(duì)放電電壓的影響,高海拔地區(qū)由于氣壓下降，空氣相對(duì)密度下降，因此空氣間隙的放電電壓也隨之下降。,在海拔1000-4000m的范圍內(nèi)，海拔每升高100m，空氣的絕緣強(qiáng)度約下降1%。(即絕緣能力變?nèi)?,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)擬用于高海拔地區(qū)(海拔1000-4000m)的外絕緣設(shè)備，在非高海拔地區(qū)(海拔1000m以下)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其試

25、驗(yàn)電壓校正如下：,U0 標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的試驗(yàn)電壓，kV；,KA 海拔校正因數(shù)，kV；,H 設(shè)備使用處海拔高度，m；,53,高電壓工程基礎(chǔ),小 結(jié)：,氣體的放電電壓與大氣狀態(tài)有關(guān)，氣體的相對(duì)密度增大時(shí)，氣體的放電電壓也隨之增大?？諝獾臐穸仍龃髸r(shí)，氣體的放電電壓也增大，但均勻和稍不均勻電場(chǎng)下增加不明顯。沿面閃絡(luò)電壓降低。,海拔高度增加時(shí)，氣體的放電電壓下降。,54,高電壓工程基礎(chǔ),3.5 提高氣隙擊穿電壓的措施,改進(jìn)電極的形狀 利用空間電荷改善電場(chǎng)的分布 極不均勻電場(chǎng)中屏障的采用 高氣壓的采用 強(qiáng)電負(fù)性氣體(SF6)的應(yīng)用 高真空的采用,55,高電壓工程基礎(chǔ),（1）改善電場(chǎng)分布 （2）削弱氣體中的

26、電離過(guò)程,高壓電氣設(shè)備中經(jīng)常遇到氣體絕緣間隙。為了減少設(shè)備尺寸，一般希望間隙的絕緣距離盡可能小。因此，必須采取措施，以提高氣體間隙的擊穿電壓。,提高氣體間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)有兩個(gè)途徑：,56,高電壓工程基礎(chǔ),1、改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布,增大電極曲率半徑 如變壓器套管端部加球形屏蔽罩、采用擴(kuò)徑導(dǎo)線等（截面相同，半徑增大）。,57,高電壓工程基礎(chǔ),1、改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布,改善電極邊緣 電極邊緣做成弧形，以消除邊緣效應(yīng)，同時(shí)電極表面盡量避免毛刺、棱角以消除電場(chǎng)局部增強(qiáng)的現(xiàn)象。,58,高電壓工程基礎(chǔ),1、改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布,使電極具有最佳外形 如穿墻高壓引線上加金屬扁球，墻洞邊緣做成

27、近似垂鏈線旋轉(zhuǎn)體。,59,高電壓工程基礎(chǔ),2、利用空間電荷對(duì)原電場(chǎng)的畸變作用,例如利用電暈放電產(chǎn)生的空間電荷來(lái)改善極不均勻場(chǎng)間隙中電場(chǎng)分布(2.4.2小節(jié))，從而提高間隙的擊穿電壓。 但應(yīng)該指出，上述細(xì)線效應(yīng)只存在于一定的間隙距離范圍之內(nèi)，間隙距離超過(guò)一定值，細(xì)線也將產(chǎn)生刷狀放電，從而破壞比較均勻的電暈層，使擊穿電壓與棒板或棒棒間隙的相近。另外，此種提高擊穿電壓的方法僅在持續(xù)作用電壓下才有效，在雷電沖擊電壓下并不適用。,1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm 虛線棒-板電極間隙 點(diǎn)劃線均勻場(chǎng)間隙,導(dǎo)線板電極的空氣間隙擊穿電壓（有效值）與間隙距離的關(guān)系,60,高電壓工程基

28、礎(chǔ),3、極不均勻電場(chǎng)中屏障的采用,在電場(chǎng)極不均勻的空氣間隙中，放入薄片固體絕緣材料（如紙或紙板）阻擋空間電荷，利用空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)改變電場(chǎng)分布。 屏蔽在一定條件下可以顯著提高間隙的擊穿電壓，其效果與電壓種類有關(guān)。 屏蔽用絕緣材料制成，但它本身的絕緣性能無(wú)關(guān)緊要，重要的是它的密封性（攔住帶電粒子的能力）。 屏蔽的作用取決于它所攔住的與電暈電極同號(hào)的空間電荷，這樣就能使電暈電極與屏障之間的空間電場(chǎng)強(qiáng)度減小，從而使整個(gè)氣隙的電場(chǎng)分布均勻化。,61,高電壓工程基礎(chǔ),當(dāng)棒極為陽(yáng)極性時(shí)，設(shè)置屏障可以顯著提高間隙的擊穿電壓。 無(wú)屏障時(shí)，棒極附近形成的正極性空間電荷加強(qiáng)了前方電場(chǎng)，促進(jìn)了電離區(qū)向前推進(jìn)，因此

29、擊穿電壓很低。 當(dāng)設(shè)置屏蔽后，正離子在屏障上聚集，因?yàn)橥?hào)電荷相斥，正離子在屏障表面分布較均勻，從而在屏障前方形成較均勻電場(chǎng)，改善了整個(gè)間隙的電場(chǎng)分布，因此可以提高擊穿電壓。 當(dāng)屏障靠近棒極時(shí)，屏障與板極間的均勻電場(chǎng)區(qū)擴(kuò)大，間隙的擊穿電壓上升；但屏障離棒極過(guò)近時(shí)，屏障上的正電荷分布不再均勻，屏障前方又出現(xiàn)極不均勻電場(chǎng)，屏蔽作用減弱。,62,高電壓工程基礎(chǔ),對(duì)負(fù)棒-板間隙，屏障的作用效果某些部分與正棒-板相似,但是有許多不同的地方，說(shuō)明如下： 當(dāng)屏障較靠近板極處，間隙擊穿電壓反而降低。 因?yàn)闊o(wú)屏障時(shí)，負(fù)離子擴(kuò)散于空間，部分消失于電極，影響電場(chǎng)分布的主要是正離子，它削弱了前方的電場(chǎng)。但是設(shè)置屏障后

30、，屏障上聚集大量的負(fù)離子影響了電場(chǎng)分布，加強(qiáng)了前方電場(chǎng)。因此屏障較遠(yuǎn)離棒極后，設(shè)置的屏障反而減低了間隙的擊穿電壓。 當(dāng)屏障離棒極過(guò)近時(shí)，仍然具有屏障作用。 因?yàn)殡娮铀俣雀?，可以穿透屏障，從而屏障上無(wú)法聚集大量負(fù)電荷，而屏障另一邊由電離造成的正電荷被屏障阻擋，使屏障帶正電，因此屏障和板極間的電場(chǎng)被削弱，當(dāng)屏障緊靠棒極時(shí)，仍具有屏蔽效應(yīng).,63,高電壓工程基礎(chǔ),直流電壓下棒板空氣間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系,64,高電壓工程基礎(chǔ),工頻電壓下棒板空氣間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系 （屏障的作用與直流電壓作用下正棒-板的情況相近）,65,高電壓工程基礎(chǔ),4、高氣壓的采用,采用改善電場(chǎng)分布，來(lái)提高擊穿

31、電壓的方法，其平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)仍然均勻電場(chǎng)中大氣壓下空氣的電氣強(qiáng)度(約30kV/cm)，這個(gè)數(shù)值并不高，可見(jiàn)常壓下空氣的電氣強(qiáng)度要比一般固體和液體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度低得多。,提高氣體壓力，減小電子的平均自由行程，可以削弱氣體中的電離過(guò)程，提高擊穿電壓。,均勻電場(chǎng)中幾種絕緣介質(zhì)的擊穿電壓與距離的關(guān)系,12.8MPa的空氣 20.7MPa的SF6 3高真空 4變壓器油 50.1MPa的SF6 6大氣,66,高電壓工程基礎(chǔ),采用高氣壓時(shí)，下面因素的影響應(yīng)給予注意：,（1）電場(chǎng)均勻度的影響,在高氣壓下，電場(chǎng)均勻度對(duì)擊穿電壓的影響比在大氣壓力下顯著的多。電場(chǎng)均勻度下降，擊穿電壓降劇烈降低。 所以采用高氣壓的電氣

32、設(shè)備應(yīng)使電場(chǎng)盡可能均勻。,（2）電極表面狀態(tài)的影響,在高氣壓下，氣隙的擊穿電壓與電極表面的粗糙度有很大的關(guān)系。 濕度、表面污物等因素在高氣壓下對(duì)氣隙擊穿電壓的影響比常壓下顯著。,高氣壓下，應(yīng)盡可能采用均勻電場(chǎng)，電極表面應(yīng)光潔，氣體要濾去塵埃和水分。,67,高電壓工程基礎(chǔ),5、強(qiáng)電負(fù)性氣體的應(yīng)用,采用高氣壓方法的缺點(diǎn): (1) 到達(dá)一定限度后，設(shè)備密封困難，成本大大提高。 (2) 提高到10個(gè)大氣壓后，再提高氣壓，效果大大下降。 (3) 空氣中的氧在高氣壓下因擊穿時(shí)的火花可能引起絕緣材料的燃燒。,68,高電壓工程基礎(chǔ),許多含鹵族元素的強(qiáng)電負(fù)性氣體電氣強(qiáng)度特別高，因而可稱之為高電氣強(qiáng)度氣體。采用這些氣體來(lái)代替空氣，可以大大提高間隙的擊穿電壓，縮小設(shè)備尺寸，降低工作氣壓。 高電氣強(qiáng)度氣體僅僅滿足電氣強(qiáng)度高是不夠的，還必須同時(shí)滿足以下條件：,液化溫度要低，這樣才能同時(shí)采用高氣壓； 良好的化學(xué)穩(wěn)定性，出現(xiàn)放電時(shí)不易分解、不燃燒或爆炸、不產(chǎn)生有毒物質(zhì)； 生產(chǎn)不太困難，價(jià)格不過(guò)于昂貴。,69,高電壓工程基礎(chǔ),SF6同時(shí)滿足以上條件，而且還具備優(yōu)異的滅弧能力，因此SF6及其混合氣體被廣泛