大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正
高电压技术(赵智大)1-2章总结讲诉
绪论高电压技术是一门重要的专业技术基础课；随着电力行业的发展，高压输电问题越来越得到人们的重视；高电压、高场强下存在着一些特殊的物理现象；高电压试验在高电压工程中起着重要的作用。
气体的绝缘特性与介质的电气强度研究气体放电的目的：了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程掌握气体介质的电气强度及其提高方法高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其它复合介质。
气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。
由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量的带电质点。
正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体；在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能。
自由行程长度单位行程中的碰撞次数Z的倒数λ即为该粒子的平均自由行程长度。
()λ-=xexP令x=λ，可见粒子实际自由行程长度大于或等于平均自由行程长度的概率是36.8%。
带电粒子的迁移率k=v/E它表示该带电粒子单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。
电子的质量比离子小得多，电子的平均自由行程长度比离子大得多热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使分布均匀化，这种过程称为扩散。
电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度比离子快得多。
产生带电粒子的物理过程称为电离，是气体放电的首要前提。
光电离i W h ≥νc λν=气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m 称为该气体的电离度。
碰撞电离附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。
电子亲合能：使基态的气体原子获得一个电子形成负离子时所放出的能量，其值越大则越易形成负离子。
电负性：一个无量纲的数，其值越大表明原子在分子中吸引电子的能力越大带电粒子的消失1到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流2带电粒子因扩散而逸出气体放电空间3带电粒子的复合复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一个中性分子；复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。
5大气条件对气隙击穿特性的影响及校正
前面介绍的不同气隙在各种电压下的击穿特性 均对应于标准大气条件和正常海拔高度。
由于大气的压力、温度、湿度等条件都会影响 空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着 过程，所以也必然会影响气隙的击穿电压。
海拔高度的影响亦与此类似，因为随着海拔高 度的增加，空气的压力和密度均下降。
验电压U应为平原地区外绝缘的试验电压Up乘以海 拔校正因数足Ka即：
U KaU p
而：
Ka
1.1
1 H 104
式中H 为安装点的海拔高度，单位是m。
➢ 更长的空气间隙：击穿电压与大气条件变化的 关系，并不是一种简单的线性关系，而是随电极形 状、电压类型和气隙长度而变化的复杂关系。
除了在气隙长度不大、电场也比较均匀或长度虽 大、但击穿电压仍随气隙长度呈线性增大(如雷电冲击 电压)的情况下，上式仍可适用外，其他情况下的空气 密度校正因数应按下式求取：
1、极间距离相同的正、负极性“棒—板”气隙在自持放 电前、后气体放电的差异
自持放电前的阶段（电晕放电阶段）
➢ 正极性“棒—板”：因棒极带正电位，电子崩中的电 子迅速进入棒极，正离子暂留在棒极附近，这些空间电荷 消弱了棒极附近的电场而加强了外部空间的电场，阻止了 棒极附近流注的形成，使得电晕起始电压有所提高
Kd
p p0
m
273 t0 273 t
n
式中指数m，n与电极形状、气隙长度、电压类型 及其极性有关，其值在0.4～1.0的范围内变化,具体取 值国家标准中有规定。
二、对湿度的校正
大气中所含的水气分子能俘获自由电子而形 成负离子，这对气体中的放电过程显然起着抑制 作用，可见大气的湿度越大，气隙的击穿电压也 会增高。
气体介质的电气强度知识
2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
常见的极不均匀电场气隙
工程上的极不均匀电场气隙，均可以用两类极端 的模型表示，实际的工程应用可依据这两类电场类 型的测量值进行推算：
b).棒-板电极（完全不对称结构）
2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
1. 直流电压
稍短间隙
显著特征：极性效应
平均击穿场强：
正极性棒-板间隙： 7.5kV/cm
气体介质的电气强度
气体放电的物理过程：气体中带电质点的产生、汤逊放 电、流注放电、电晕放电、沿面放电（微观特性） 工程上，要用击穿特性表示（击穿场强，击穿电压） （宏观特性）
气体介质的电气强度
2.1 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性 2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性 2.3 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正 2.4 提高气体介质电气强度的方法 2.5 六氟化硫和气体绝缘电气设备
3、饱和特性
4、分散性更大（可以理解为伏秒特性带宽更宽）。
2.3 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正
为何要对不同大气条件下的击穿特性进行校正
高海拔地区的 高纬度地区 沿海地区
2.3 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正
我国国标规定的标准大气条件
压力：101.3 kPa 温度：293 K 绝对湿度：11 g/m³
2.4 提高气体介质电气强度的方法
1、改进电极形状以改善电场分布 2、利用空间电荷改善电场分布 3、采用介质阻挡方法 4、采用高气压的方法 5、采用高电气强度气体 6、采用高真空
2.4 提高气体介质电气强度的方法
1、改进电极形状以改善电场分布
电场均匀——击穿场强高——通过改善电极形状均匀电场
大气条件改变，如在高海 拔地区，气压、气体密度、 温度、湿度等条件均改变。 在此条件下测量的气隙击 穿数据与在标准大气条件 下所测数据不具有可比性。
高电压考点答案
1-1、电介质基本电气特性为极化特性、电导特性、损耗特性和击穿特性。
相对介电常数Er，电导率y，介质损耗因数tgδ和击穿电场强度E。
1-2、电介质的极化可分为无损极化和有损极化。
无损极化包括电子式极化和离子式极化，有损极化包括偶极子式极化、空间电荷极化和夹层极化。
无损极化包括电子式极化和离子式极化。
夹层极化是空间电荷极化的一种特殊形式，多层介质相串联的绝缘结构，在加上直流电压的初瞬，各层介质中的电场分布与介质的相对介电常数成反比；稳态时的电场分布则与介质的电导率成反比，在此过程中存在吸收现象。
1-3、电介质的电导与金属的电导有着本质的区别，电介质电导属离子式电导磨碎温度的升高按指数规律增大；金属电导属电子式电导，随温度的升高而减小。
1-4、电介质在电场作用下存在损耗，其中气体电介质的损耗可以忽略不计。
在直流电压作用下电介质的损耗仅为由电导引起的电导损耗，而交流电压作用下电介质的损耗既有损耗，又有极化损耗。
因此，电介质在交流电压下的损耗远大于其直流电压下的损耗。
2-1绝缘介质通常由气体、液体和固体三种形态，其中气体和液体电介质属于自恢复绝缘，固体电介质属于非自恢复绝缘。
2-2气体放电的根本原因在于气体中发生了电离的过程，在气体中产生了带电粒子；而气体具有自恢复绝缘特性的根本原因在于气体中存在去电离的过程，它使气体中的带电粒子消失。
电离和去电离这对矛盾的存在与发展状况决定着气体介质的电气特性。
2-3在气体电离的四种基本特性中，碰撞电离是最基本的一种电离形式。
而在碰撞电离中电子最活跃的因素。
2-4电子崩的概念是汤逊气体放电理论的基础。
汤逊理论是建立在均匀电场、短间隙、低气压的实验条件下，因此它不适合解释高气压、长间隙、不均匀电场中的气体放电现象，对于后者只能用流注放电理论予以解释。
2-5流注放电理论与汤逊放电理论的根本不同点在于流注理论认为电子的碰撞电离和空间光电离是形成自持放电的主要因素，并强调电荷畸变电场的作用。
02653 高电压技术 自考考试大纲
湖北省高等教育自学考试课程考试大纲课程名称：高电压技术课程代码：02653第一部分课程性质与目标一、课程性质与特点高电压技术是高等教育自学考试“电气工程及其自动化”专业考试计划中的一门主要专业课。
它是研究电气设备的绝缘及其运行问题的学科。
作为从事电力系统的设计、安装、调试及运行的工程技术人员，都会遇到属于高电压技术一类的问题，因此它是电力系统及其自动化专业必修的专业课程之一，也是从事电力系统的专业人员必须掌握的专业知识，从而确定了本课程在该专业考试计划中的重要地位。
二、课程目标与基本要求课程目标：1. 较系统地掌握电气设备绝缘的基本特性。
2. 较系统地掌握波过程的基础理论、电力系统中雷电过电压和主要内部过电压产生机理及防护措施、正确理解电力系统绝缘配合的基本概念。
基本要求：1. 本课程的基本任务之一是解决电气设备在高电压下的绝缘问题，因此必须系统地掌握电气设备绝缘结构基本特性，掌握电介质的主要电气特性，了解电介质在高电压作用下的放电现象、影响因素和提高其抗电强度的措施。
2. 在掌握波过程等理论基础上，要求掌握电力系统中雷电过电压和主要内部过电压的产生机理和影响因素。
对过电压的各种保护装置和防雷接线是按有关规程规定的，是电力系统中采用的行之有效的措施，应掌握它们的工作原理和使用方法。
三、与本专业其他课程的关系本课程是“电力系统及其自动化”专业的一门主要专业课程。
本课程的先修课程有：高等数学、工程数学、电工原理、电机学、电子技术基础、电力系统分析等。
本课程要求应考者具有较好的数学、物理和电路知识，同时具有一定的电机学、电子技术等方面的知识。
第二部分考核内容与考核目标第1章气体放电的基本物理过程一、学习目的与要求本章介绍了气体（尤其是空气）绝缘介质在高电压作用下由绝缘变成导体（即发生击穿）的规律，并对气体介质的击穿电压在低气压短间隙的均匀电场中进行了定量的分析与计算，在不均匀电场或高气压下的击穿电压进行了定性的分析。
第二章 气体介质的电气强度
气隙的极性效应则不明显， “棒—棒” 气隙的极性效应则不明显，可忽略不 棒 计。
击穿特性介于上述“ 击穿特性介于上述“棒—板” 气隙在两种极性下的击穿 板 特性之间。 特性之间。
《高电压技术》第二讲 11
第二章
气体介质的电气强度
第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性
2、直流电压 、
《高电压技术》第二讲 12
《高电压技术》第二讲 6
第二章
气体介质的电气强度
第二节 稍不均匀电场气隙的击穿特性
2、击穿电压 、
通常对一些典型的电极结构做出一批实验数据， 通常对一些典型的电极结构做出一批实验数据， 对一些典型的电极结构做出一批实验数据 实际的电极结构只能从典型电极中选取类似结构 进行估算。 进行估算。 电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高， 电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高， 极限就是均匀电场中的击穿电压。 极限就是均匀电场中的击穿电压。
伏秒特性很快就变平，冲击系数 伏秒特性很快就变平，冲击系数β=1强度
第一节 均匀电场中气体击穿的发展过程
3、击穿电压的经验公式 、
击穿电压： 击穿电压：
U b = 24 .55δd + 6.66 δd ( kV )
平均击穿场强
Ub Eb = = 24 .55δ + 6.66 δ / d ( kV / cm ) d
《高电压技术》第二讲 13
第二章
气体介质的电气强度
第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性
3、工频交流电压 、
在空气间隙更长时， 在空气间隙更长时，“棒—板”气隙的平均击穿场 板 强明显降低，即存在“饱和”现象。 强明显降低，即存在“饱和”现象。 各种气隙的工频击穿电压的分散性一般不大， 各种气隙的工频击穿电压的分散性一般不大，其标 准偏差σ值一般不会超过2% 3%。 2%～ 准偏差σ值一般不会超过2%～3%。
《高电压技术》辅导资料三
高电压技术辅导资料三主题：第一章介子在强电场下的特性（第7-8节）学习时间：2013年10月14日－10月20日内容：我们这周主要学习第一章第七、八节“各种电压作用下气隙的特性”、“大气条件对空气间隙击穿电压的影响及提高气体介质强度的方法”的相关内容。
希望通过下面的内容能使同学们加深对气隙放电的理解以及了解大气环境下的击穿电压和提高气体介质强度的方法。
第七节各种电压作用下气隙的特性（1）概述气体间隙的击穿电压和电场分布、电压种类都有很大关系。
也就是说气隙的击穿特性取决于电场形式和外加电压类型。
通常，有如下划分：电场形式：均匀电场，稍不均匀电场，极不均匀电场。
在间隙距离相同的情况下，通常电场越均匀，击穿电压越高。
外加电压类型：直流电压稳态电压工频交流电压雷电过电压冲击电压操作过电压（2）均匀电场气隙的击穿在均匀电场中，不存在极性效应，起始场强等于击穿场强。
直流、工频、冲击电压作用下的击穿电压相同，击穿电压分散性很小。
空气间隙的击穿电压经验公式：Ub=24.55δd+6.4（δd）0.5 kVUb－击穿电压峰值，kVδ－空气的相对密度d－间隙距离，ｃｍ间隙距离比较小（d＝1 ～10cm）时，可以用这个经验公式估算，均匀电场中空气的电气强度大致为Eb=30kV/cm（3）稍不均匀电场与均匀电场相似，一旦出现局部放电，立即导致整个间隙的完全击穿。
稍不均匀电场中直到击穿为止不发生电晕；电场不对称时，极性效应不明显（但是存在）。
直流击穿电压、工频击穿电压（幅值）、50%冲击击穿电压基本上相等，击穿电压的分散性质也不大。
该电场中，电场越均匀，相同间隙距离下的击穿电压越高，其极限是均匀电场中的击穿电压。
该电场中，不能形成稳定的电晕放电，电晕起始电压就是其击穿电压，所以负极性下击穿电压略低于正极性下的数值（可参见上一周内容的极性效应相关内容）。
（4）极不均匀电场在极不均匀电场中，有持续的局部放电，空间电荷积累导致显著的极性效应。
高电压技术课后习题答案
第一章1‐1极化种类产生场合所需时间能量损耗产生原因电子式极化任何电介质 10-15 s 无束缚电子运行轨道偏移离子式极化离子式结构电介质 10-13 s 几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质 10-10～10-2 s 有偶极子的定向排列夹层极化多层介质的交界面 10-1 s～数小时有自由电荷的移动1‐4电导形式 电导率金属导体 （自由电子）电子电导 γ很大气体，液体，固体 （自由电子、正离子、负离子、杂质电导、自身离解、杂质、离子）离子电导γ很小ρ很大金属导电的原因是自由电子移动；电介质通常不导电，是在特定情况下电离、化学分解或热离解出来的带电质点移动导致。
1‐6由于介质夹层极化，通常电气设备含多层介质，直流充电时由于空间电荷极化作用，电荷在介质夹层界面上堆积，初始状态时电容电荷与最终状态时不一致；接地放电时由于设备电容较大且设备的绝缘电阻也较大则放电时间常数较大（电容较大导致不同介质所带电荷量差别大，绝缘电阻大导致流过的电流小，界面上电荷的释放靠电流完成），放电速度较慢故放电时间要长达5～10min。
补充：图中C1 代表介质的无损极化（电子式和离子式极化），C2 —R2 代表各种有损极化，而R3则代表电导损耗。
图1－4－2中，为泄漏电阻；为泄漏电流；为介质真空和无损极化所形成的电容；为流过的电流；为无损极化所引起的电容；为无损极化所形成的等效电阻；为流过支路的电流，可以分为有功分量和无功分量。
lk R lk I g C g I g C p C p R p I p p C R －pr I pc I g J 。
为真空和无损极化所引起的电流密度，为纯容性的；为漏导引起的电流密度，为纯阻性的；为有损极化所引起的电流密度，它由无功部分和有功部分组成。
容性电流与总电容电流密度向量之间的夹角为lk 。
J p 。
J pc 。
J pr 。
J c 。
J 。
J δ，称为介质损耗角。
介质损耗角简称介损角δ，为电介质电流的相角领先电压相角的余角，功率因素角ϕ的余角，其正切δtg 称为介质损耗因素，常用％表示，为总的有功电流密度与总无功电流密度之比。
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温度：t0=20摄氏度或T0=293K； 压力：p0=101.3kPa(760mmHg)； 绝对湿度：hc=11g/m3。
3
实验条件下的气隙击穿电压 U与标准大气条
件下的击穿电压
U
之间关系：
0
U
Kd Kh
U0
Kd ：空气密度校正因数
Kh ：湿度校正因数 上式不仅适用于气隙的击穿电压，也适用于外 绝缘的沿面闪络电压。
除了在气隙长度不大、电场也比较均匀或长度虽 大、但击穿电压仍随气隙长度呈线性增大(如雷电冲 击电压)的情况下，上式仍可适用外，其他情况下的 空气密度校正因数应按下式求取：
Kd
Hale Waihona Puke p p0m273 t0 273 t
n
式中指数m，n与电极形状、气隙长度、电压类 型及其极性有关，其值在0.4～1.0的范围内变化, 具体取值国家标准中有规定。
海拔高度对气隙的击穿电压和外绝缘的闪络电 压的影响可利用一些经验公式求得。
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我国国家标准规定：对于安装在海拔高于1000m、 但不超过4000m处的电力设施外绝缘，其试验电压U 应为平原地区外绝缘的试验电压Up乘以海拔校正因 数足Ka即：
U KaU p
而：
Ka
1.1
1 H 104
式中H为安装点的海拔高度，单位是m。
4
在进行高压试验时，也往往要根据实际试验时 的大气条件，将试验标准中规定的标准大气条件下 的试验电压值换算得出实际应加的试验电压值。
下面分别讨论各个校正因数的取值：
5
一、对空气密度的校正
空气密度与压力和温度有关。由教材第13页式(119)可知，空气的相对密度：
2.9 p
T
式中：p ：气压,kPa T ：温度,K.
8
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功 能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按键
PCBA
开关键
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型，尽量选择 平头类的按键，以防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议 留0.05~0.1mm，以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计算累积公 差，以防按键手感不良。
15
小结
➢在不同大气条件和海拔高度下所得出的击穿电 压实测数据都必须换算到某种标准条件下才能互 相进行比较。
➢对空气密度、湿度和海拔，分别有不同的校 正方法。
（本节完）
16
10
二、对湿度的校正
大气中所含的水气分子能俘获自由电子而形成负离 子，这对气体中的放电过程显然起着抑制作用，可见 大气的湿度越大，气隙的击穿电压也会增高。
11
➢在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气 隙的电场强度都较大，电子的运动速度较快，不易 被水气分子所俘获，因而湿度的影响就不太明显， 可以忽略不计。
例如用球隙测量高电压时，只需要按空气相 对密度校正其击穿电压就可以了，而不必考虑湿度 的影响。
12
➢在极不均匀电场中，湿度的影响就很明显了，这 时可以用下面的湿度校正因数来加以修正：
Kh k
式中的因数k与绝对湿度和电压类型有关，而指 数之值则取决于电极形状、气隙长度、电压类型 及其极性。
13
三、对海拔的校正
第三节 大气条件对气隙击穿特性的影响及校正
➢对空气密度的校正 ➢对湿度的校正 ➢对海拔的校正
1
由于大气的压力、温度、湿度等条件都会影响空气 的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程， 从而影响气隙的击穿电压。 随着海拔高度的增加，空气的压力和密度均下降。
2
在不同大气条件和海拔高度下所得出的击穿电 压实测数据都必须换算到某种标准条件下才能互 相进行比较。
6
在大气条件下，气隙的击穿电压随 的增大而提高。
实验表明，当 处于0.95～1.05的范围内时，气 隙的击穿电压几乎与 成正比，即此时的空气密
度校正因数Kd ，因而：
U U0
7
➢气隙不很长(例如不超过1m)时：上式能足够准确 地适用于各种电场型式和各种电压类型下作近似的 工程估算。
➢更长的空气间隙：击穿电压与大气条件变化的关 系，并不是一种简单的线性关系，而是随电极形 状、电压类型和气隙长度而变化的复杂关系。