第3章 气体间隙的击穿强度

尖－板和尖－尖空气间隙的直流击穿电压
棒－棒和棒－板空气间隙的工频 击穿电压（有效值）
高电压工程基础
3.2 雷电冲击电压下的击穿
冲击电压的标准波形
波前时间
半峰值时间
标准雷电波的波形： T1=1.2μs±30％， T2=50μs±20％ 对于不同极性：+1.2/50μs或-1.2/50μs
操作冲击波的波形： T1=250μs±20％， T2=2500μs±60％ 对于不同极性：+250/2500μs或-250/2500μs
《高电压工程基础》
施围 邱毓昌 张乔根 编著 刘青（西安科技大学） 制作
高电压工程基础
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
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3.1 稳态电压下的击穿
均匀电场中的击穿
eg：高压静电电压表的电极布置 特点：
400 100
（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。
操作冲击电压下击穿的U形曲线
工频击穿 场强 电压作用时间增加 后空间电荷迁移范 围扩大，改善了间 隙中电场分布，击 穿电压提高
Eb随tf 的减小而 增大是放电时延 在起作用，与雷 电冲击电压相似
棒－棒
导线－板
（1）长空气间隙的操作冲击击穿通常发生在波前部分，因而其 击穿电压仅与波前时间有关。 （2）当波前时间tf为100～300μs时，击穿场强出现极小值。出 现极小值的波前时间随间隙距离的增加而增大。
U U0 Kt
U0 U / Kt
Kt K1K2
2. 湿度校正因素
1. 空气密度校正系数
K1＝
m
源自文库
p 273＋t0 ＝ p0 273＋t
K2＝K W
高电压工程基础 3. 指数m和W
g＝
UB 500 L K
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3.6 提高气隙击穿电压的措施
改善电场分布的措施
（1）改变电极形状 例如采用屏蔽罩、扩径导线等增大电极曲率半径，或 改善电极边缘形状以消除边缘效应。
（3）间隙距离越大，“2”与“3”的击穿 电压的差别越大。
3.4 棒板间隙距离1～20m：U min＝ MV 8 1＋ d
Ua 其它间隙：k＝ Ur
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3.4 大气密度和湿度对击穿的影响
大气校正因数
根据国家标准，利用校正因数可将测得的放电电压值换 算到标准大气条件（t0＝20℃，p0＝101.3kPa，h0＝11g/m3） 的电压值，或将标准参考大气条件下规定的试验电压值换算 为试验条件下的电压值。
高电压工程基础 （2）同轴圆柱电极 （eg：高压标准电容器、单芯电缆、GIS分相母线） （1）r/R<0.1时，极不均匀电场， 击穿前先出现电晕，且Uc的值很 低，因此上述电气设备均不设计 在这一r/R范围内。 （2）r/R >0.1时，稍不均匀电场， 击穿前不出现电晕，且由图可见， 当r/R ≈0.33时击穿电压出现极大 值（上述电气设备在绝缘设计时 尽量将r/R选取0.25~0.4的范围 内）。
击穿电压
击穿场强
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钢
铜
铝 锌
稍不均匀电场中高真空的直流击穿电 压与电极材料的关系
在完全相同的实验条件下，击穿电压随电极材料熔点的 提高而增大，因为强场发射电流达到临界电流密度，致使金 属微细突起物迅速熔化成金属蒸气导致击穿。
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钢电极T＝293K 铜电极T＝80K 铜电极T＝293K
高电压工程基础 （3）极不均匀电场中屏障的使用
直流电压下尖－板空气间隙的 击穿电压和屏障位置的关系
正尖－板间隙中屏障的作用
屏障靠近尖电极或板电 极时，屏障效应消失，正、 负极性下出现很大差别。
屏障应靠近尖电极，使比较 均匀的电场区扩大。但离尖电极 过近时，屏障上空间电荷的分布 将变得不均匀而使屏障效应减弱， 因此屏障有一最佳位置。
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高真空的采用
击穿机理： 强场发射造成很大的电流密度，导致电极局部过热并 释放出气体，发生金属气化，破坏了真空，故引起击穿。 间隙距离对击穿的影响：
规律：击穿场强随间距的增加而降低。
原因：随着间隙距离及击穿电压的增大， 电子从阴极到阳极经过了巨大的电位差， 积聚了很大的动能。高能电子轰击阳极时 能使阳极释放出正离子及辐射出光子。正 离子及光子到达阴极后又将加强阴极的表 面电离。在此反复过程中产生越来越大的 电子流，使电极局部气化，导致击穿。
1. 50％击穿电压 2. 冲击系数 同一间隙的50％冲击击穿 多次施加电压时有半数会 导致击穿的电压值Ub50 。
Ub0 Ub50 3
电压与稳态击穿电压Uss之比 。
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伏－秒特性
伏－秒特性：在同一冲击电压波形下，击穿电压值与放电 时延（或电压作用时间）有关的特性。 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，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。
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操作冲击电压的推荐波形
a. T1/T2=250(±20％) / 2500(±60％) μs b.振荡操作波
长空气间隙在操作冲击电压下的击穿强度
雷电冲击
特点：
操作冲击
（1）长间隙的雷电冲击击穿电压远比操 作冲击击穿电压要高； （2）间隙长度超过5m时呈现饱和趋势。
最小击穿 电压
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高气压的采用
均匀电场中几种绝缘介质的击穿电压与距离的关系
1－2.8MPa的空气 2－0.7MPa的SF6 3－高真空 4－变压器油 5－0.1MPa的SF6 6－大气
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强电负性气体的应用
（1）SF6和一些氟里昂气体属于强电负性气体，其绝缘强度比空气高得 多，因此用于电气设备时其气压不必太高，使设备的制造和运行得以简 化。 （2）氟里昂12（CCI2F2）的绝缘强度与SF6相近，其液化温度也可满足 户内设备的条件，但为保护大气中的臭氧层，国际上早已将氟里昂12列 入第一批需限制和禁用的氟里昂。 （3）SF6的价格较高，用于断路器时（气压在0.7MPa左右）液化温度 不能满足高寒地区要求，在工程应用中有时采用SF6混合气体。已得到 应用的混合气体是SF6-N2混合气体，通常其混合比在50%∶50%左右， 其液化温度能满足高寒地区要求，绝缘强度约为纯SF6的85％左右。 （4）SF6气体温室效应相当于CO2的23900倍，且SF6气体不会自然分解， 在大气中寿命长达3200年。因此目前的技术发展趋势是在SF6用气量大 的气体绝缘管道输电线中改用SF6含量较小的N2-SF6混合气体（SF6的含 量为20％时，混合气体的绝缘强度为纯SF6的75％左右）。
d U b＝Em f
高电压工程基础 （3）其他形状的电极布置 球状电极的电场不均匀系数 大于相同半径的圆柱电极； 间隙距离增大时，电场不均 匀系数也增大。
d U b＝Em f
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极不均匀电场中的击穿
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。
Ub/kV
10
1
0.01
0.1
1
10
d/cm
Ub＝24.22 d＋6.08 d (kV )
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稍不均匀电场中的击穿
（1）球间隙 （eg：高压实验室中的测量球隙）
a. d<D/4时，电场均 匀，直流、交流 和冲击电压击穿 电压相同；
b. d>D/4时，电场不 均匀程度增大， 击穿场强下降， 出现极性效应； c. 球隙测压器的工 作范围d≤D/2；否 则因放电分散性 增大，不能保证 测量的精度。
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放电时延
统计时延：从外施电 压达Uo时起，到出现 一个能引起击穿的初 始电子崩所需的第一 个有效电子所需时间 放电形成时延：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
临界 击穿电压
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50％击穿电压及冲击系数
导线－导线
棒－棒
棒－板
导线－杆塔支柱
长空气间隙的交流击穿电压
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（2）利用空间电荷对原电场的畸变作用 例如利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场 间隙中电场分布，从而提高间隙的击穿电压。 但应该指出，上述细线效应只存在于一定的间隙距离 范围之内，间隙距离超过一定值，细线也将产生刷状放电， 从而破坏比较均匀的电晕层，使击穿电压与尖－板或尖－ 尖间隙的相近了。另外，此种提高击穿电压的方法仅在持 续作用电压下才有效，在雷电冲击电压下并不适用。
击穿发生在波前或 峰值，取此刻值 击穿发生在波 尾，取峰值
50%伏 秒特性
100%伏 秒特性 50%冲击 击穿电压 未击穿 0%伏秒 特性
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绝缘的 伏－秒特性
避雷器的 伏－秒特性
电气设备绝缘的伏－秒特性和避雷器的伏－秒特性 （a）正确配合 （b）不正确配合
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3.3 操作冲击电压下的击穿
电极材料与电极温度对高真空交流击穿电压的影响
对电极采取冷却措施具有与提高电极材料熔点相同的效 果，也可使击穿电压提高。