典型间隙击穿场强及其粗略估值笔记
典型间隙击穿场强及其粗略估值笔记
一、直流电压：
1.（理想）平板间隙击穿场强：30kV/cm
2.棒板间隙：
1)短气隙（<10cm）—负针正板20kV/cm、正针负板7.5kV/cm
2)长气隙（>10cm）—负针正板10kV/cm、正针负板4.5kV/cm
3)“棒-棒”间隙的极性效应不明显，可忽略不计，其击穿特性介于上述两者之间，比如当为短气隙时，可取10 kV/cm；为长气隙时，可取5 kV/cm。
二、工频电压
更长气隙时，“棒-板”间隙的平均击穿场强明显降低，存在“饱和”现象。
考虑到电力系统中实际的气隙多为“棒-棒”间隙且长度在几米以内（即不存在饱和现
象），可取其击穿场强幅值为5 kV/cm。
三、雷电冲击电压（1.2/50μs）
“棒-棒”间隙击穿场强幅值也可取5 kV/cm。
四、工频闪络（沿面放电）
沿面放电的击穿场强与介质表面的状态有很大关系，通常可取3 kV/cm（有效值）。
3提高气隙击穿场强的措施,沿面放电1
1、会说明影响气体介质击穿的主要因素 2、能说明提高气体击穿场强的措施 3、了解SF6气体的特点 4、能说明“沿面放电”“沿面闪络”的定义及区别 5、能说明均匀电场沿面放电特点
1.5 提高气体Uቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的措施
一、影响气体介质击穿电压的主要因素
电场均匀度、外施电压种类、间隙距离、大气条件等
Ub-→|+>Ub+→|-
（二）外施电压种类及间隙距离对Ub的影响
均匀电场中 不同电压波形下Ub(峰值)相同，放电分散性小；
稍不均匀电场中 不同电压波形下Ub基本相同，放 电分散性不大，极性效应不显著；
极不均匀电场中 直流、工频及冲击电压间差别明显。
1、直流电压下的击穿特性
（1）棒—板间隙存在极性效应
但当棒为负极性时，即使屏障放在最有利 的位置，也只能略微提高气隙的击穿电压 (例如20％)，而在大多数位置上，反而使 击穿电压有不同程度的降低。
采用高气压可以减少电子的平均自由行程，削弱游离过程， 提高击穿电压。
在高气压下，电场均匀程度下降，击穿电压将剧烈降低， 因此采用高气压的电气设备应使电场尽可能均匀。
（1）雷电冲击击穿电压与距离呈正比，无饱和； （2）操作冲击电压有明显的极性效应和饱和现象。
（三）大气条件对Ub的影响
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、碰撞游离及附着过程，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。
SF6电气设备尺寸大大缩小，且不受气候影响，但造价高， 而且它是对臭氧层有破坏作用的温室气体。
1.6 沿面放电
定义：
非均匀电场中空气间隙的击穿场强
非均匀电场中空气间隙的击穿场强1. 引言在电气工程领域，非均匀电场中空气间隙的击穿场强是一个非常重要的概念。
它涉及到电场强度和介质击穿的关系，对于电力设备的设计和运行具有重要意义。
本文将从电场的基本概念开始，逐步深入探讨非均匀电场中空气间隙的击穿场强，以帮助读者更深入地理解这一话题。
2. 电场的基本概念电场是由电荷引起的力场，其强度大小和方向可以通过电场强度来描述。
在均匀电场中，电场强度是恒定的，但在非均匀电场中，电场强度会随着位置的不同而变化。
当介质中存在空气间隙时，电场的分布会更加复杂，这就涉及到了击穿场强的概念。
3. 非均匀电场中的空气间隙在电气设备中，空气间隙是不可避免的。
当电场作用于空气间隙时，由于空气的击穿特性，电场强度会达到一定数值时，就会导致击穿现象的发生。
研究非均匀电场中空气间隙的击穿场强对于电器设备的设计和绝缘结构的合理性具有重要意义。
4. 非均匀电场中空气间隙的击穿机理空气间隙的击穿是非均匀电场中重要的击穿形式。
当电场强度达到一定数值时，空气中的原子和分子会发生电离，形成等离子体，导致电流的流动和电场的崩溃。
而击穿场强就是指在这种情况下，电场强度达到使介质击穿的临界值。
我们通常用特定的实验方法来测量空气间隙的击穿场强，以便在电器设备中合理地应用。
5. 非均匀电场中空气间隙的影响因素在研究非均匀电场中空气间隙的击穿场强时，需要考虑到许多影响因素，比如空气间隙的形状、尺寸、表面状态，电场的分布情况以及气体的密度和湿度等。
这些因素都会对击穿场强产生影响，因此在实际应用中需要进行全面的考虑和合理的控制。
6. 个人观点和总结在实际工程中，我们需要充分理解非均匀电场中空气间隙的击穿场强，以便合理设计电气设备，确保设备能够稳定可靠地运行。
我们需要深入研究电场的基本理论，结合实际工程问题，不断提高自己的专业水平，为电气设备的发展做出贡献。
结语通过本文的探讨，相信读者对非均匀电场中空气间隙的击穿场强有了更深入的理解。
气体间隙的击穿强度
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。
钢电极T＝293K 铜电极T＝80K 铜电极T＝293K
电极材料与电极温度对高真空交流击穿 对电极电采压取的冷影却响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。
（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。
U b＝Em
d f
➢ 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。
尖－板和尖－尖空气间隙的直
棒－棒和棒－板空气间隙 的工频
（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
屏障应靠近尖电极，使比较均
正尖－板间隙中屏障
匀的电场区扩大。但离尖电极过
屏障的靠作近用尖电极或板 近时，屏障上空间电荷的分布将
电极时，屏障效应消失，正、 变得不均匀而使屏障效应减弱，
负极性下出现很大差别。 因此屏障有一最佳位置。
400 100
10
10.01 0.1
1
10 d/cm
Ub＝24.22 d＋6.08 d (kV )
（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。
➢ 稍不均匀电场中的击穿
基于分段平均电场强度的短空气间隙击穿电压预测
文章编号：1004-289X(2021)01-0055-05基于分段平均电场强度的短空气间隙击穿电压预测谢鑫达，陈少康,董懿飞,郑跃胜(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108)摘要：空气绝缘间隙在高压输电系统中广泛存在。
为了实现短空气间隙的工频击穿电压准确预测，将空气间隙击穿路径上的分段平均电场强度作为输入量，间隙的工频击穿电压作为输出量，利用支持向量机建立击穿电压预测模型。
通过分析空气间隙的分段平均电场强度特性,将空气间隙的击穿特性分为有突增现象和无突增两种，借助支持向量机对无突增现象的空气间隙击穿电压做预测,预测结果良好。
该预测方法可为工程绝缘设计提供依据,减少耐压试验次数。
关键词：空气间隙；分段平均电场强度；支持向量机；击穿电压预测中图分类号:TM72文献标识码：BPrediction of Breakdown Voltage of Short Air Gap Based onSegmented Average Electric Field StrengthX1E Xin-da,CHEN S^ao-kang,DONG Fi^i,ZHENG Fue-sheng (College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou350108,China)Abstract:Air insulation gaps are widespread in high-voltage power transmission systems.1n order to predict the power frequency breakdown voltage of the short air gap，the segmented average electric field strength on the air gap breakdown path is used as the input，and the power frequency breakdown voltage of the gap is the output.The support vector machine is used to establish the breakdown voltage Forecast model.By analyzing the segmented average electric field strength characteristics of the air gap，the breakdown characteristics of the air gap are divided into two types:with sudden increase and without sudden increase.With the help of support vector machines,the breakdown voltage of the air gap without sudden increase is predicted.The model get a good forecast.This prediction method can provide a basis for engineering insulation design and reduce the number of withstand voltage tests.Key Words:air gap;segmented average electric field strength；support vector machine;breakdown voltage prediction1引言空气间隙的耐压特性是高压输电线路绝缘设计首先要关注的问题之一［1-2］。
高电压第3章气体介质的电气强度
我国采用如图所示的±250/2500us标准操作冲 击波形。
1
u / Um
0.5
0
Tcr
t
T2
一、操作冲击电压下击穿的U型曲线
第3章 气体间隙的击穿强度
第3章 气体间隙的击穿强度
工程实践中，常常会遇到必须对气体介质的电 气强度作出定量估计的情况，如： 设计气体绝缘组合电器的内绝缘结构时 确定电力设备外绝缘的尺寸和安装条件时 选择架空输电线路和变电所的各种空气间距值时
• 气体放电的发展过程比较复杂、影响因素 很多，因而要想用理论计算的方法来求取 各种气隙的击穿电压是相当困难和不可靠 的。
＝ U b50 U ss
均匀和稍不均匀电场下，放电时延短，击穿的分散 性小，冲击击穿通常发生在波峰附近: β ≈ 1;
极不均匀电场中,冲击击穿电压的分散性也较大， 放电时延长，冲击击穿常发生在波尾部分: β > 1。
五、伏-秒特性
冲击击穿特性最好用 电压和时间两个参量来 表示，这种在“电压－ 时间”坐标平面上形成 的曲线，通常称为伏秒 特性曲线，它表示该气 隙的冲击击穿电压与放 电时间（电压作用时间) 的关系。如图所示：
1-U0% 2-U100% 3-U50%图3-13 空气间隙冲击伏－秒特示意图二、伏秒特性的用途
1. 间隙伏秒特性的形状决定于 电极间电场分布
2. 伏秒特性对于比较不同设备 绝缘的冲击击穿特性具有重 要意义
3. 伏－秒特性比50％击穿电压 提供了更完整的击穿特性数 据，因而在绝缘配合中伏－ 秒特性具有重要意义
3.2 雷电冲击电压下的击穿
1. 在电力系统中一方面应采取措施限制大气过电压，另一方
面应保证高压电气设备能耐受一定水平的雷电过电压。
不均匀电场中空气间隙的击穿
教案同时，间隙中空间电荷对外电场的畸变作用不同。
（4）分析结束。
能够确定对于特定电压的输送应采用几分裂导线。
过程分析（1）了解均匀电场与极不均匀电场在击穿特性方面的差别。
均匀电场的击穿场强为30kV/cm，极不均匀电场的平均击穿场强为5 kV/cm。
随着间隙距离的增大，击穿电压随着增大，但击穿场强是随着降低的，因为击穿电压的增加速度没有距离增加的速度快。
（2）建立极不均匀电场的模型。
在极不均匀电场的情况下，不管棒-板间隙或是不同直径的球-板间隙，击穿电压和距离的关系曲线都比较接近。
就是说，在极不均匀电场中，击穿电压主要决定于间隙距离，而与电极形状的关系不大。
因此在工程实践中常用棒-板或棒-棒这两种类型间隙的击穿特性曲线作为选择绝缘距离的参考图1-2-4（3）在工频电压作用下，棒-板间隙的击穿总是发生在棒的极性为正、电压达幅值时，并且其击穿电压（幅值）和直流电压下的正棒-负板的击穿电压相近。
棒-棒间隙的平均击穿场强为3.8kV（有效值）/cm或5.36kV（幅值）/cm，棒-板间隙梢低一些，约为3.35kV（有效值）/cm 或4.8kV（幅值）/cm。
图1-2-5 正棒-负板如图1-2-5所示，棒极带正电位时，电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和，棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子，这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢而暂留在棒极附近，这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，不易形成流注，放电难以自持，故电晕起始电压高。
而正空间电荷加强了正离子群外部空间的电场，因此当电压进一步提高，有利于流注向板极发展，因而放电的发展是顺利的，击穿电压较低。
图1-2-6 负棒-正板如图1-2-6所示，棒为负极性时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区后，不能再引起碰撞电离，并大多形。
气体间隙的击穿强度
碰撞电离击穿模型
总结词
碰撞电离击穿模型认为气体间隙的击穿是由于气体分子在强电场下被加速并与其他气体分子发生碰撞 ，导致气体分子电离，形成导电通道。
详细描述
在强电场的作用下，气体分子被加速并获得能量。这些能量使得气体分子之间的碰撞变得更加剧烈。 当气体分子与其他气体分子发生碰撞时，碰撞会产生足够的能量，使气体分子电离，形成导电通道。 随着导电通道数量的增加，气体间隙的击穿最终会发生。
论支持和技术指导。
谢谢
THANKS
04 气体间隙击穿的未来研究方向
CHAPTER
高压气体间隙的击穿特性研究
总结词
高压气体间隙的击穿特性研究是当前研究的 热点之一，对于理解气体间隙的击穿机制和 优化高压设备的设计具有重要意义。
详细描述
随着电力和能源领域的发展，高压气体间隙 的应用越来越广泛，如高压电容器、气体绝 缘开关等。然而，高压气体间隙的击穿特性 研究仍存在许多挑战，如高电场强度下的电 子崩塌机制、气体分子与电极表面的相互作 用等。未来的研究需要深入探讨这些机制，
气体间隙 气体间隙击穿强度概述 • 气体间隙击穿的理论模型 • 气体间隙的实际应用 • 气体间隙击穿的未来研究方向
01 气体间隙击穿强度概述
CHAPTER
定义与特性
定义
气体间隙的击穿强度是指气体在电场 作用下，从绝缘状态转变为导电状态 所需的最低电场强度。
特性
气体间隙的击穿强度与气体的种类、 压力、温度、电场均匀程度以及气体 中的杂质和水分等因素有关。
影响因素
气体压力
气体压力越高，击穿强度越大。
电场均匀度
电场越均匀，击穿强度越高。
气体种类
不同气体的击穿强度存在差异， 如空气、氮气、氦气等，其击 穿强度依次递增。
第3章 气体间隙的击穿强度
的U50 %越准确。
U50% 与静态击穿电压U0的比值称为冲击系数 β。
均匀和稍不均匀电场下， β ≈1；
极不均匀电场中， β >1，冲击击穿电压的分散性也
较大。
因为U50% 只是在一定波形下对应于某个固定击穿时间
的击穿电压，所以它不能代表任何击穿时间下间隙的
击穿电压。即U50%不能全面反映间隙的冲击击穿特性。
若两球对称布置，其中任何一球都不接地，测量对地对称的直流电 压时，无极性效应，但通常是一球接地使用，如图1.12所示，由于 大地的影响，电场分布不对称，因而有极性效应。
11
Ub/kV （峰值）
当d<D/4时，击穿特性 与均匀电场相似，无极性 效应；
正极性直流电 压与冲击电压 负极性直流电 压及冲击电压 气隙距离已超 出用以测量电 压时所推荐的 变动范围
d:间距 f:不均匀系数 Em:最大场强
d U b＝Em f
同轴圆柱
击穿电压随r变化出现极大值可解释 为：当r很大时虽然电场均匀度接近1， 但因气隙距离d＝（R－r）很小，所以Ub 很低；若r过小，虽然此时d增大，但由 于电场不均匀度增大，也会使Ub下降。
d U b＝Em f
（3）其他形状的电极布置
2、稍不均匀电场的击穿特点
击穿前无稳定电晕、极性效应不明显、各种电压作用下的击 穿电压几乎一致。
3、极不均匀电场的击穿特点
击穿前有稳定的电晕、有明显的极性效应、各种电压波形对 击穿电压影响很大。
冲击电压 就是作用 时间极为短暂 的电 压，一般指雷电冲击和操作冲击电压。 前者是由雷电造成的 幅值高、陡度大、 作用时间极短的冲击电压；后者是由 电力系统操作或发生事故时，因状态 发生突然变化引起的持续时间较长、 幅值高于系统相电压几倍的冲击电压 。
气隙的击穿特性
（六）高电气强度气体的采用
含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利 昂（CCl2F2）等，其电气强度比空气的要高很多。称 为高电气强度气体
气体 氮
二氧化碳 六氟化硫 氟利昂 四氯化碳
化学组成
N2 CO2 SF6 CCl2F2 CCl4
分子量 28 44 146 121
153.8
相对电气强度 1.0 0.9
根据起始场强经验公式估算击穿电压 UEmadx/ f
d :极间距离；ｆ：不均匀系数，决定于电极布置，可
根据静电场计算或电解槽等实验方法求得
Emax达到临界值E0＝30kV/cm (幅值) ，间隙击穿
U bE 0d/f3d 0 /f kV Ｅ0 实际上和电极布置有关
影响击穿电压的主要因素是间隙距离 选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究
2.32.5 2.42.6
6.3
液化温度/ 0C -195.8 -78.5 -63.8 -28 +76
卤化物气体电气强度高的原因
1．由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性，气体 分子容易和电子结合成为负离子，削弱电子的碰撞电 离能力，同时又加强复合过程
２．气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其 中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少其碰撞 电离能力
屏障离尖电极过近，屏 障效应将随之而减弱
尖电极为负极性
屏障离开尖电极一定距 离，设置屏障反而将 降低间隙的击穿电压
屏障离尖电极过近，仍 有相当的屏降效应
工频电压下屏障的作用 设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。
雷电冲击电压下屏障的作用 尖电极具有正极性时，设置屏障可显著提高间 隙的击穿电压
在图所示范 围内击穿电压 和间隙距离呈 直线关系
高电压技术4、气隙的击穿特性
真空间隙的击穿电压和电极材料、电极表面的光洁度 及清洁度(包括吸附气体的多少及种类)等多种因素有 关，分散性很大，因而也可利用上述击穿处理法来提 高间欧的击穿电压。 在电力设备中目前还很少采用高真空。因为在电力设 备的绝缘结构中，总还得采用各种固态、液态绝缘材 料，在真空中这些绝缘材料会逐渐释出气体，使真空 无法保持。所以只是在一些特殊场合(如真空断路器— 一真空不只是绝缘性能好，而且还具有很好的灭弧能 力)才采用高真空作绝缘。
b、均匀电场中空气的电气强度大致为 30kV(峰值)/cm 经验公式为：
U b 24.22d 6.08 d kV (峰值)
d：间隙距离；
：空气相对密度
2、稍不均匀电场中的击穿电压
a、与均匀电场相似，分散性很小 不同电压波形作用下，击穿电压（峰值、 U击50% ） 基本相同 b、不同于极不均匀电场，直到击穿为止不发生电晕 C、稍不均匀电场不对称时，虽有极性效应，但不明显
５、高强度气体的采用
气体 氮 二氧化碳 六氟化硫 氟利昂 四氯化碳 化学组成 N2 CO2 SF6 CCl2F2 CCl4 分子量 28 44 146 121 153.8 相对电气强 度 1.0 0.9 2.32.5 2.42.6 6.3 液化温度/ 0C -195.8 -78.5 -63.8 -28 -76
显著特征：饱和特性
二、冲击电压作用下气隙的击穿特性
1、冲击电压波形 a、雷电冲击电压波 OC为视在播前 OF为视在播前时间 Tf
Tf 1.67(t 2 t 1 )
OG为视在半峰值时间 Tt （也称为波尾时间）
国标规定： Tf
1.2s 30%
Tt 50s 20%
b、操作冲击电压波 国标规定：